JP3736074B2

JP3736074B2 - クランクシャフト

Info

Publication number: JP3736074B2
Application number: JP28702797A
Authority: JP
Inventors: 博多田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2017-10-20
Also published as: JPH11125235A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、車載用内燃機関は、その出力軸であるクランクシャフトがコンロッドを介してピストンに連結され、同コンロッドによってピストンの往復移動をクランクシャフトの回転へと変換している。こうしたクランクシャフトの一例として、実開昭５９−５８２１２号公報に記載されたものが知られている。同公報に記載のクランクシャフトを図６に示す。
【０００３】
同図に示されるクランクシャフト７１は、内燃機関に回転可能に支持されるクランクジャーナル７２と、同ジャーナル７２の長手方向端部に固定されたクランクアーム７３と、同ジャーナル７２に対して平行に延びてクランクアーム７３に連結されるクランクピン７４とから構成されている。そのクランクピン７４は、コンロッドを介してピストンに連結されるようになる。
【０００４】
そして、ピストンが往復移動する際には、コンロッドによってクランクピン７４が例えば図中矢印Ａ方向に押され、クランクシャフト７１がクランクジャーナル７２の軸線を中心に回転する。このとき、クランクピン７４がコンロッドに押されることによって、同ピン７４を挟むクランクアーム７３には互いに拡開する方向（図中矢印Ｂ方向）への力が働く。そのため、同公報に記載のクランクシャフトは、クランクジャーナル７２の軸線方向におけるクランクアーム７３の端面に補強肉７５を突出形成することで、上記矢印Ｂ方向への力に対する補強を行っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようにクランクアーム７３に補強肉７５を形成することで、上記矢印Ｂ方向について同アーム７３の剛性を向上させることができるようにはなる。しかし、クランクピン７４がコンロッドによって押されたとき、クランクアーム７３には上記矢印Ｂ方向だけでなく同アーム７３を捩じる方向（図中矢印Ｃ方向）にも力が働くこととなる。そして、クランクアーム７３に矢印Ｃ方向への力が働くと、クランクジャーナル７２の軸線を中心とする回転方向についての同アーム７３の側面において、クランクジャーナル７２とクランクピン７４との両軸線Ｌ１，Ｌ２を結ぶ方向に延びる図中の二点鎖線Ｔに沿って応力が集中する。その結果、上記応力がわずかながらクランクアーム７３の弾性変形を誘起して振動騒音が生じるようになる。
【０００６】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、クランクアームの捩じり応力に起因する振動騒音の発生を好適に抑制することのできるクランクシャフトを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、互いに平行となるクランクジャーナルとクランクピンとの長手方向端部同士をクランクアームによって連結したクランクシャフトにおいて、前記クランクアームのクランクジャーナル回転方向に沿った側面に、該クランクアームの前記クランクジャーナルとの連結面が前記クランクジャーナルの軸線に交わる点と同クランクアームの前記クランクピンとの連結面が前記クランクピンの軸線に交わる点とを結ぶ方向に延設された補強突部が設けられ、前記補強突部は、その幅方向について同突部の外面が円弧状に湾曲する曲面のみで形成されるよう肉厚が変化するものとした。
【０００８】
同構成によれば、補強突部を設けることによって、クランクアームにおける捩じり方向の剛性が向上する。また、同アームに捩じり方向の力が働いたとき、クランクアームのクランクジャーナル回転方向に沿った側面において、クランクアームのクランクジャーナルとの連結面がクランクジャーナルの軸線に交わる点と同クランクアームのクランクピンとの連結面がクランクピンの軸線に交わる点とを結ぶ線に沿って応力集中が生じるのを抑制することができるようになる。従って、クランクアームの捩じり応力に起因する振動騒音の発生が好適に抑制される。
【００１１】
また、補強突部の幅方向について同突部の外面が円弧状に湾曲する曲面のみで形成されるよう、その補強突部の肉厚を変化させたため、クランクアームに捩じり方向の力が働いたとき、補強突部の外面に生じる応力を分散させて同応力の偏りを防止することができるようになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４に従って説明する。
図４に示すように、エンジン１１の下部には出力軸であるクランクシャフト１５が回転可能に支持されている。クランクシャフト１５にはコンロッド１６を介してピストン１２が連結され、そのコンロッド１６によってピストン１２の往復移動がクランクシャフト１５の回転へと変換される。また、ピストン１２の上側には燃焼室１７が設けられ、同燃焼室１７には空気と燃料とからなる混合ガスが充填されるようになる。そして、燃焼室１７内の混合ガスが点火されて燃焼すると、同ガスの燃焼エネルギーによりピストン１２が往復移動してクランクシャフト１５が回転する。
【００１３】
ここで、上記クランクシャフト１５の詳細構造について図１〜図３を参照して説明する。
図１に示すように、クランクシャフト１５は、同一軸線Ｌ１上に所定間隔をおいて設けられた複数のクランクジャーナル２１と、各ジャーナル２１の長手方向端部にそれぞれ固定されたクランクアーム２２と、各アーム２２間に固定されて上記ジャーナル２１に対し平行となるクランクピン２３とから構成されている。このクランクシャフト１５は、クランクジャーナル２１がエンジン１１（図４）に回転可能に支持されるとともに、クランクピン２３にコンロッド１６（図４）が回動可能な状態で連結される。そして、クランクシャフト１５は、ピストン１２（図４）の往復移動によってクランクピン２３がコンロッド１６により押されることで、クランクジャーナル２１の軸線Ｌ１を中心に回転するようになる。
【００１４】
このようなクランクシャフト１５を矢印II−II方向から見た断面図を図２に示す。同図に示されるように、クランクジャーナル２１とクランクピン２３とは、それぞれの軸線Ｌ１，Ｌ２が平行になるとともに、クランクアーム２２によって互いに連結されている。クランクアーム２２における軸線Ｌ１を中心とする回転方向についての側部２２ａ，２２ｂ、即ち図中上下両側の側部２２ａ，２２ｂは、クランクジャーナル２１とクランクピン２３との外周面をつなぐように延びている。これら側部２２ａ，２２ｂにはそれぞれ補強突部２４ａ，２４ｂが設けられている。
【００１５】
補強突部２４ａ，２４ｂは、クランクアーム２２の側部２２ａ，２２ｂに沿って、クランクジャーナル２１とクランクピン２３との両軸線Ｌ１，Ｌ２を結ぶ方向（図１に二点鎖線で示す方向）に延びている。更に、補強突部２４ａ，２４ｂは、その延設方向において外面２５が両軸線Ｌ１，Ｌ２から離れる側へ膨らむよう円弧状に湾曲している。即ち、補強突部２４ａ，２４ｂは、外面２５が上記のうに湾曲するよう同突部２４ａ，２４ｂの延設方向について肉厚が変化している。従って、補強突部２４ａ，２４ｂ間の距離は、軸線Ｌ１と軸線Ｌ２との中間付近で最も大きくなり、それら軸線Ｌ１，Ｌ２側へ向かうほど小さくなる。
【００１６】
このようなクランクアーム２２の補強突部２４ａ，２４ｂを、矢印IIIａ−IIIａ方向、矢印IIIｂ−IIIｂ方向、及び矢印IIIｃ−IIIｃ方向から見た断面図をそれぞれ図３（ａ）〜（ｃ）に示す。なお、補強突部２４ａ，２４ｂは、軸線Ｌ１，Ｌ２について線対称となっている。そのため、上記各図には補強突部２４ａのみを図示し、補強突部２４ｂについては図示を省略する。これらの図に示されるように、補強突部２４ａ（２４ｂ）は、その外面２５がクランクジャーナル２１及びクランクピン２３から離れる方向に膨らむとともに、同突部２４ａの延設方向と直交する方向（幅方向）において滑らかな円弧状に湾曲している。即ち、補強突部２４ａは、外面２５が上記のように湾曲するよう同突部２４ａの幅方向について肉厚が変化している。なお、補強突部２４ａの外面２５は、その曲率半径が同突部２４ａの延設方向及び幅方向について一定ではなく適宜に異なった値となるよう形成されている。
【００１７】
ここで、クランクアーム２２の各寸法について説明する。
クランクアーム２２において、図２の左端部及び右端部の曲率半径Ｒ１，Ｒ２、及び補強突部２４ａ，２４ｂの延設方向についての曲率半径Ｒ３は、それぞれ下記の式（１）〜（３）によって表される関係を有する。
【００１８】
【数１】
Ｒ１＞ＲＪ＋α …式（１）
Ｒ２＞ＲＰ＋β …式（２）
Ｒ３＞（Ｙ１＋Ｒ１＋Ｒ２）γ …式（３）
なお、上記式（１）〜（３）において、ＲＪはクランクジャーナル２１の半径、ＲＰはクランクピン２３の半径、α〜γは所定値を表す。本実施形態では、所定値αと所定値βとは等しい値となっており、所定値α〜γの一例としてα＝３ｍｍ、β＝３ｍｍ、γ＝０．５という値が用いられる。
【００１９】
一方、図３（ａ）〜（ｃ）に示される補強突部２４ａ，２４ｂの幅方向についての外面２５の曲率半径Ｒ４と、図３（ｂ）で示されるように外面２５の頂部が平らな場合における同外面２５頂部の幅方向中央から湾曲部分までの距離Ｙ２とは、下記の式（４）〜（６）によって表される関係を有する。
【００２０】
【数２】
０≦Ｙ２≦ｘ …式（４）
Ｒ４≦ｙ …式（５）
Ｙ２＋Ｒ４≦ｚ …式（６）
なお、上記式（４）〜（６）において、ｘ〜ｚは所定値を表す。本実施形態では、所定値ｘ，ｙ，ｚは順次大きい値となっており、所定値ｘ〜ｚの一例としてｘ＝１０ｍｍ，ｙ＝１５ｍｍ，ｚ＝２０ｍｍという値が用いられる。
【００２１】
次に、上記のように構成されたクランクシャフト１５の作用を説明する。
ピストン１２（図４）の往復移動がコンロッド１６（図４）を介してクランクシャフト１５に伝達されるとき、そのコンロッド１６によって同シャフト１５のクランクピン２３が径方向（図２中の矢印Ｄ方向）に押される。この状態にあっては、クランクアーム２２に図２中の矢印Ｅ方向へ捩じろうとする力が働くことになる。こうしたねじり方向への力に基づく応力は、クランクアーム２２の側部２２ａ，２２ｂにおいて、特にクランクジャーナル２１及びクランクピン２３の軸線Ｌ１，Ｌ２を結ぶ方向（図１の二点鎖線で示す方向）に沿って集中し易くなる。
【００２２】
しかし、本実施形態では、クランクアーム２２の側部２２ａ，２２ｂに沿って軸線Ｌ１，Ｌ２と交差する方向へ延びる補強突部２４ａ，２４ｂを設けたため、その補強突部２４ａ，２４ｂによってクランクアーム２２における上記捩じり方向の剛性が向上する。また、クランクピン２３がコンロッド１６に押されることに基づきクランクアーム２２に捩じり方向への力が働いたとき、クランクアーム２２の側部２２ａ，２２ｂへの応力集中も抑制されるようになる。
【００２３】
また一般に、クランクアーム２２は、クランクジャーナル２１とクランクピン２３との中間に位置する部分の捩じり剛性が低下し易い。この点、本実施形態では、図２に示すように、補強突部２４ａ，２４ｂを軸線Ｌ１，Ｌ２から離れる方向へ膨らむように自身の延設方向について円弧状に湾曲させた。そのため、上記捩じり剛性が低下し易く補強が必要とされる部分のみ、補強突部２４ａ，２４ｂによるクランクアーム２２の肉付けが行われる。従って、クランクアーム２２の過大な重量増加を抑制しつつ、同アーム２２の捩じり剛性を高めることができるようになる。
【００２４】
また、補強突部２４ａ，２４ｂの外面２５は、同突部２４，２４ｂの延設方向と直交する方向（幅方向）において、軸線Ｌ１，Ｌ２から離れる方向へ膨らむよう滑らかな円弧状に形成されている。そのため、クランクアーム２２に上記捩じり方向の力が働いたとき、外面２５に生じる応力を分散させて同応力の偏りを防止することができるようにもなる。更に、外面２５の曲率半径は、補強突部２４ａ，２４ｂの延設方向及び幅方向に対して異なるようにしたため、その曲率半径の値を適宜に調整することで、上記応力の偏りを防止し得る最適な形状とすることもできる。
【００２５】
以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
・クランクアーム２２に捩じり方向（図２中の矢印Ｅ方向）へのが働くと、その力に基づき同アーム２２の側部２２ａ，２２ｂにて応力集中が生じ易くなる。しかし、本実施形態では、クランクアーム２２の側部２２ａ，２２ｂに軸線Ｌ１，Ｌ２と交差する方向に延びる補強突部２４ａ，２４ｂを設けたため、その補強突部２４ａ，２４ｂによって同アーム２２における上記捩じり方向の剛性を向上させることができる。また、クランクアーム２２に上記捩じり方向への力が働いたとき、上記補強突部２４ａ，２４ｂによって同アーム２２の側部２２ａ，２２ｂでの応力集中を抑制することができる。従って、クランクアーム２２の捩じり剛性低下及び応力集中に起因する振動騒音の発生を抑制することができる。
【００２６】
・クランクアーム２２は、クランクジャーナル２１とクランクピン２３との中間に位置する部分の捩じり剛性が低下し易いが、補強突部２４ａ，２４ｂを自身の延設方向について湾曲させることで、上記捩じり剛性が低下し易い部分についてのみ補強を行うことができるようになる。従って、クランクアーム２２の過大な重量増加を抑制しつつ、同アーム２２の捩じり剛性を高めることができる。
【００２７】
・補強突部２４ａ，２４ｂの外面２５は、同突部２４，２４ｂの延設方向と直交する方向（幅方向）について滑らかな円弧状となるよう形成されている。そのため、クランクアーム２２に捩じり方向の力が働いたとき、外面２５に生じる応力を分散させて同応力の偏りを防止することができる。
【００２８】
・また、本実施形態では、補強突部２４ａ，２４ｂにおける外面２５の曲率半径を、同突部２４ａ，２４ｂの延設方向及び幅方向について異なる値をとるようにした。そのため、上記外面２５の曲率半径を適宜に調整することで、上記応力の偏りを防止し得る最適な形状とすることができる。
【００２９】
なお、本実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・本実施形態では、補強突部２４ａ，２４ｂの外面２５を円弧状に形成し、その外面２５の曲率半径が補強突部２４ａ，２４ｂの延設方向及び幅方向について異なる値をとるようにしたが、本発明はこれに限定されない。即ち、図５に示すように、外面２５の曲率半径を補強突部２４ａ（２４ｂ）の延設方向及び幅方向について一定としてもよい。
【００３２】
・補強突部２４ａ，２４ｂを必ずしもクランクアーム２２の側部２２ａ，２２ｂの全長分形成する必要はなく、その側部２２ａ、２２ｂにおける長さ方向の一部のみに補強突部２４ａ，２４ｂが形成されていてもよい。
【００３３】
・本実施形態における所定値α，β，γ，ｘ，ｙ，ｚは、上記実施形態中の値に限定されるものではなく、クランクシャフト１５の大きさ等に応じて適宜に変更してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、補強突部を設けることによって、クランクアームにおける捩じり方向の剛性が向上する。また、同アームに捩じり方向の力が働いたとき、クランクアームのクランクジャーナル回転方向に沿った側面において、クランクアームのクランクジャーナルとの連結面がクランクジャーナルの軸線に交わる点と同クランクアームのクランクピンとの連結面がクランクピンの軸線に交わる点とを結ぶ線に沿って応力集中が生じるのを抑制することができるようになる。従って、クランクアームの捩じり応力に起因する振動騒音の発生を好適に抑制することができる。
【００３７】
また、補強突部の幅方向について同突部の外面が円弧状に湾曲する曲面のみで形成されるよう、その補強突部の肉厚を変化させたため、クランクアームに捩じり方向の力が働いたとき、補強突部の外面に生じる応力を分散させて同応力の偏りを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のクランクシャフトを示す側面図。
【図２】図１のクランクシャフトを矢印II−II方向から見た断面図。
【図３】図２のクランクアームを矢印IIIａ−IIIａ方向、矢印IIIｂ−IIIｂ方向、及び矢印IIIｃ−IIIｃ方向から断面図。
【図４】本実施形態のクランクシャフトが設けられたエンジン全体を示す斜視図。
【図５】クランクアームに設けられた補強突部の他の例を示す概略図。
【図６】従来のクランクシャフトの一部を示す斜視図。
【符号の説明】
１５…クランクシャフト、２１…クランクシャーナル、２２…クランクアーム、２２ａ，２２ｂ…側部、２３…クランクピン、２４ａ，２４ｂ…補強突部、２５…外面。

Claims

互いに平行となるクランクジャーナルとクランクピンとの長手方向端部同士をクランクアームによって連結したクランクシャフトにおいて、
前記クランクアームのクランクジャーナル回転方向に沿った側面に、該クランクアームの前記クランクジャーナルとの連結面が前記クランクジャーナルの軸線に交わる点と同クランクアームの前記クランクピンとの連結面が前記クランクピンの軸線に交わる点とを結ぶ方向に延設された補強突部が設けられ、
前記補強突部は、その幅方向について同突部の外面が円弧状に湾曲する曲面のみで形成されるよう肉厚が変化するものである
ことを特徴とするクランクシャフト。