JP4445344B2 - クランクシャフト - Google Patents

Description

本発明は少なくとも1つの軸受ピンと、該軸受ピンに対して径方向にずらされた少なくとも1つのクランクピンとを有し、軸受ピンおよびクランクピンはこれらを連結するクランクウェブから反対方向に突出しており、軸受ピンおよび/またはクランクピンは、クランクウェブに設けられた段付き穴に係合し、収縮結合によって穴内に固定された係合ストラットを備え、該係合ストラットは、差込み方向に前後に配置されていて、常温の組み立てられていない状態では段付き穴のそれぞれ関連する領域に対して径方向のオーバーサイズを有する互いに階段状の領域を備えている、特に大型ディーゼルエンジンとして構成された短行程エンジン用のクランクシャフトに関する。

このようなクランクシャフトは特許文献1から公知である。大型エンジンの場合、フレーム重量を軽減するため、すべてのシリンダを貫くクランクシャフトは、より小型のサブアセンブリから構成されていることがしばしば必要である。その際に、同類の、通常は軸受ピンが関連する収縮結合によってクランクウェブと連結され、通常はクランクピンである別のピンが関連するクランクウェブに一体に形成されているようなクランクシャフトと、軸受ピンもクランクピンもクランクウェブの関連する穴内で収縮するようなクランクシャフトは異なっている。

さて短行程エンジンの場合、軸受ピンとクランクピンとの径方向間隔がピンの半径の和の範囲内にあるか、それよりも小さいことを前提にしている。それにも関わらずクランクウェブが係合ストラットに関連する穴によって弱体化しすぎることがないように、上記特許文献1から分かる構成では係合ストラットの後部および前部領域は、前部領域が後部領域よりも直径が小さくなるように互いに段階状に形成されている。その際に従来は、収縮結合を生じるために必要であった、それぞれ関連する穴の直径に対するピンのオーバーサイズの比率は穴の直径に対して固定的である。したがって、後部の相対的に大きい直径、およびこれに対応して大きいオーバーサイズを有する係合ストラットの領域も収縮結合の生成後にクランクウェブの関連領域を拡大させて、図5に示すように、前部領域で相対的に小さいオーバーサイズを有する相対的に小さい直径を有する係合ストラットの前部領域と、この領域に関連するクランクウェブの穴の部分との間に隙間が生じる恐れがある。したがって負荷がかかると、力の流れ全体が係合ストラットの後方領域にわたって進み、それは伝達可能なトルクの大きさに悪影響を及ぼす。
DK-PS 122 682号

したがって、上記を前提として本発明の目的は、公知の構造の欠点を回避しつつ、簡単かつ適正コストの手段で比較的大きいトルクを伝達可能であるように、冒頭に記載した種類のクランクシャフトを改良することにある。

本発明による上記の課題の第1の解決方法は、係合ストラットの全領域の径方向のオーバーサイズが段付き穴のそれぞれ関連する領域に対して数量的に同一であることにある。

係合ストラットの全領域の径方向のオーバーサイズが数量的に同一であることによって、段付き穴の全領域の壁を有するクランクウェブが係合ストラットの全領域と確実に係合し、隙間の形成が有利な形で抑止されることが保証される。本発明による措置によって、係合ストラットの全長にわたって、すなわち係合ストラットの全領域の範囲で互いに適応された圧縮が達成されるので、全体として比較的大きなトルクを伝達可能である。

係合ストラットの全領域の径方向のオーバーサイズは最小の直径を有する領域の、材料技術的な観点から許容されるオーバーサイズに対応させることができる。それによって機械的過負荷、ひいては可塑性変形が確実に排除される。

しかし、全領域の径方向のオーバーサイズは係合ストラットのさまざまな領域の、材料技術的な観点から許容されるオーバーサイズの平均値に対応させることも可能である。このバリエーションは、極めて大きい伝達可能なトルクが望まれる場合に好適である。

本発明による上記の課題の第2の副次的な解決方法は、係合ストラットの前後して配置された領域のそれぞれ前端部の径方向のオーバーサイズは、段付き穴のそれぞれ連結された領域の直径の同じ比率に対応するとともに、係合ストラットの別の領域の前に位置する各領域は補足的に、前端部から出て、差し込み方向とは反対側に肥大する円錐状の肉厚部を備え、各々の円錐台形の領域の前部と後部の直径差は係合ストラットの連続する領域の前端部に設けられたオーバーサイズの差に対応することにある。

その際に有利に、オーバーサイズの従来の比率による判定を維持でき、それによって個々の部品の製造、および特に組立てが容易になる。係合ストラットの前部領域の円錐形の形状は、係合ストラットの後部領域のオーバーサイズが大きいことに起因する隙間が確実に補償され、ひいては従来はその恐れがあった隙間形成が防止されるような形状が選択される。しかし円錐角は比較的小さいので、それによって誘発される軸方向力は無視することができる。

本発明の主要な用途は、大型エンジン、特に船舶の駆動等に使用される、シリンダ口径が大きく、ストロークが小さい2サイクル大型ディーゼルエンジンである。大きさの例としては、シリンダ口径が980mmの12シリンダの大型ディーゼルエンジンが挙げられ、従来の2400mmのストロークは、より高い回転数を達成するために1200mmまで縮小される。このデータの例はもちろん限定的なものではない。

次に図面を参照して本実施形態を詳細に説明する。

図1に基づくクランクシャフトはクランクウェブ1を含んでおり、そこから一方では軸受ピン2が、また他方ではこれと反対方向に、これに対して径方向にずらされたクランクピン3が突出している。軸受ピン2とクランクピン3との間の径方向間隔はピンの直径の和の半分より小さい。図1には軸受ピン2とクランクピン3とが示されている。大型エンジン用クランクシャフトの場合、もちろん同軸に前後に配置された複数の軸受ピンと、所望の点火順に応じて互いにずらされた、軸と平行な複数のクランクピンとを具備している。

図示した軸受ピン2は収縮結合によってクランクウェブ1に連結されている。図示したクランクピン3はクランクウェブ1に一体に形成されている。もちろん、クランクピン3だけが、または軸受ピン2もクランクピン3も収縮結合によってクランクウェブ1に連結された実施形態も考えられる。この最後に挙げた種類の実施形態は、極めて重い部品を有する特別な大型エンジンの場合に好適である。

収縮結合によって隣接のクランクウェブに連結された各々のピン、ここでは軸受ピン2はクランクウェブ1の関連する穴4に係合し、収縮結合によって穴に固定された係合ストラット5を含んでいる。クランクウェブ1は組立て時に加熱される。引き続き係合ストラット5は矢印6で示した差し込み方向に向かって穴4内に挿入される。その後クランクウェブ1が冷却されると、所望の収縮結合が生ずる。そのために、係合ストラット5の領域に、常温状態での関連する穴4に対する対応するオーバーサイズが備えられる。

係合ストラット5は差し込み方向に前後に配置され、互いに階段状の2つの領域7,8を有しており、これらの領域は図1および図2の実施形態では双方とも円柱形の周囲輪郭を備えている。差し込み方向の後部の円柱形領域7は軸受ピン2の直径にほぼ対応し得る比較的大きい直径Dを有する。これに対して前部領域8の直径dは約1/3まで縮小されているので、所望の段が生ずる。穴4は、直径がD'もしくはd'で示される係合ストラット5の領域に割当てられた、互いに適当な階段状の領域9,10を有する段付き穴として形成されている。

係合ストラット5の後部領域7の直径Dと前部領域の直径dはそれぞれ、図2に示されているように、組み立てられていない状態での常温クランクウェブ1の段付き穴として形成された穴4の後部領域9の直径D'および前部領域10の直径d'よりも、収縮結合の実施のために備えられたオーバーサイズ2uだけ大きい。係合ストラット5の後部領域7と前部領域8のオーバーサイズ2uは数量的に同じである。すなわち、同一の長さである。それによって、収縮結合の生成時に係合ストラット5の後部領域7でも前部領域8でもほぼ同じ圧縮が生じ、より小さい直径d'を有する穴4の前部領域10の拡張は穴4の後部領域9内に係合する係合ストラット5の後部領域7によって抑止され、それによって先行技術の場合に生ずる隙間形成が防止されるようになる。

係合ストラット5の後部領域7にも前部領域8にも備えられたオーバーサイズ2uは相対的に小さい直径dを有する前部領域8の材料技術的観点から許容されるオーバーサイズに対応させることができる。それによって、この領域8でも許容されない圧縮、ひいては許容されない変形が抑止されるようになる。実際に特に適した別のバリエーションでは、オーバーサイズは係合ストラット5の全領域7,8の、材料技術的な観点から許容されるオーバーサイズの平均値とすることができる。

直径d'が980mm、直径D'が1090mmの大型エンジンの場合、オーバーサイズ2uが2.6mmで良好な結果が達成される。備えられるオーバーサイズは好ましくは最大許容公差を下回ってはならず、むしろこれを超える方がよい。前記の例ではこの公差は前部領域で2.48mm、後部で2.58mmである。

以下に記載する図3および図4の配置の基本構造は、図1および図2の配置に対応している。したがって簡明にするため同一部品には同一の参照符号を用いる。基本構造については上述の説明を参照されたい。以下ではまず第一に相違点に焦点を当てる。

図3および図4に基づく実施形態の場合は、係合ストラット5の後部領域7および前部領域8にそれぞれ設けられたオーバーサイズ2u₁もしくは2u₂はそれぞれ、段付き穴として形成されたクランクウェブ1の穴4のそれぞれの関連領域9もしくは10の直径の同じ比率に対応する。この比率は材料によって左右され、ここにある種類の大型エンジンの場合、0.1から0.13%である。領域9もしくは10の直径D'と直径d'との数量的な差によって、図4に示されているように、これに対応して係合ストラット5の領域7、もしくは8のオーバーサイズ2u₁と2u₂との数量的な差が生ずる。

それにもかかわらず穴4の後部9に係合する係合ストラット5の後部領域7による穴4の前部領域10の拡張を防止し、それに対応して先行技術で発生する隙間形成を防止するため、係合ストラット5の前部領域8は補足的に、前端部から出て、差し込み方向とは反対側に肥大する円錐状の肉厚部を備えている。これに対応して前部領域8は円錐台形の周囲輪郭を有する。係合ストラット5の領域8の前端部はオーバーサイズu₂を加えて、段付き穴も関連領域10の直径d'から生じた直径dを有する。前部領域8の後部領域7への突起部領域に備えられた後部の直径d_rは円錐状の肉厚部のために前部の直径dよりも大きい。d_rとdとの差は係合ストラット5の後部領域7のオーバーサイズu₁と係合ストラット5の前部領域8の前端部に備えられたオーバーサイズu₂との差に対応する。それによって生じる円錐角αは、図3から分かるように比較的小さいので、テーパにより生ずる軸方向力は極めて小さく、係合ストラット5が軸方向に移動することをロックする措置は必要ない。

それにも関わらず、係合ストラット5の前部領域8のテーパは、図4から明らかであるように、収縮結合の生成後に段付き穴として形成されたクランクウェブ1の穴4の前部領域10の壁面が常に、係合ストラット5の関連する前部領域8の外周と接触することを保証するのに十分である。したがって、トルク伝達時の力の流れは有利な形で係合ストラット5の全長に配分される。

図3および図4に示した例では、係合ストラット5は2つの領域、すなわち後部の円筒形の領域7および前部の円錐台形の領域8だけを有する。係合ストラットが2つ以上の領域を有する場合は、他方の領域の前に位置する領域はいずれも円錐台形に形成されることが好適である。図示した例のように、後部領域だけが円筒形であることが好適である。この場合も、円錐台形の領域も前部の直径がそれぞれ、計算上のオーバーサイズを含む段付き穴の関連領域の直径に対応し、かつ直径はそこを基点として差し込み方向にやや増大することが当てはまる。係合ストラット5の最後部領域の直径は、関連領域の全長にわたって同一である。

第1の解決手段に対応する本発明のクランクシャフトの部分断面図である。 組み立てられていない、常温状態の図1に基づく構成である。 第2の解決手段に対応する本発明のクランクシャフトの、組み立てられていない、常温状態の断面図である。 組み立てた状態での図3に基づく構成である。 先行技術の部分図である。

符号の説明

1 クランクウェブ
2 軸受ピン
3 クランクピン
4 段付き穴
5 係合ストラット
7 後部領域
8 前部領域
9 穴の後部領域
10 穴の前部領域

Claims (9)

1. 少なくとも1つの軸受ピン(2)と、該軸受ピンに対して径方向にずれた少なくとも1つのクランクピン(3)とを有し、前記軸受ピン(2)および前記クランクピン(3)はこれらを連結するクランクウェブ(1)から反対方向に突出しており、前記軸受ピン(2)および/または前記クランクピン(3)は、前記クランクウェブ(1)に設けられた段付き穴(4)に係合し、収縮結合によって前記穴内に固定された係合ストラット(5)を備え、該係合ストラットは、差込み方向に前後に配置されていて、常温の組み立てられていない状態では前記段付き穴(4)のそれぞれ関連する領域(9もしくは10)に対して径方向のオーバーサイズを有する互いに階段状の領域(7,8)を備える短行程エンジン用のクランクシャフトであって、前記係合ストラット(5)の全領域(7,8)の径方向のオーバーサイズは前記段付き穴(4)のそれぞれ関連する領域(9,10)と同じ数値を有している(図1,図2)ことを特徴とするクランクシャフト。
2. 前記係合ストラット(5)のすべての領域(7,8)の前記径方向のオーバーサイズは、前記係合ストラット(5)の最小直径を有する前部領域(8)の許容オーバーサイズに対応することを特徴とする請求項1に記載のクランクシャフト。
3. 前記係合ストラット(5)のすべての領域(7,8)のオーバーサイズは、前記係合ストラット(5)のすべての領域(7,8)のそれぞれの許容オーバーサイズの平均値に対応することを特徴とする請求項1に記載のクランクシャフト。
4. 前記オーバーサイズは前記係合ストラット(5)の領域の少なくとも最大許容直径公差に対応することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のクランクシャフト。
5. 前記オーバーサイズは前記係合ストラット(5)の領域の最大許容直径公差を超えることを特徴とする請求項4に記載のクランクシャフト。
6. 前記径方向のオーバーサイズは、前記ウェブ(1)の前記段付き穴(4)の後部領域(9)の直径(D')が1080mmの大型エンジンの場合には、2.6mmであることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のクランクシャフト。
7. 少なくとも1つの軸受ピン(2)と、該軸受ピンに対して径方向にずれた少なくとも1つのクランクピン(3)とを有し、前記軸受ピン(2)および前記クランクピン(3)はこれらを連結するクランクウェブ(1)から反対方向に突出しており、前記軸受ピン(2)および/または前記クランクピン(3)は、前記クランクウェブ(1)に設けられた段付き穴(4)に係合し、収縮結合によって前記穴内に固定された係合ストラット(5)を備え、該係合ストラットは、差込み方向に前後に配置されていて、常温の組み立てられていない状態では前記段付き穴(4)のそれぞれ関連する領域(9もしくは10)に対して径方向のオーバーサイズを有する互いに階段状の領域(7,8)を備えている短行程エンジン用のクランクシャフトであって、前記係合ストラット(5)の前後して配置された領域(7,8)のそれぞれ前端部の前記径方向のオーバーサイズは、前記段付き穴(4)のそれぞれ連結された領域(9もしくは10)の直径の同じ比率に対応するとともに、前記係合ストラット(5)の別の領域(7)の前に位置する各領域(8)はさらに、前記前端部から出て、差し込み方向とは反対側に肥大する円錐状の肉厚部を備え、各々の円錐台形の領域(8)の前部と後部の直径差は前記係合ストラット(5)の連続する領域(7,8)の前端部に設けられたオーバーサイズの差に対応する(図3,図4)ことを特徴とするクランクシャフト。
8. 前記係合ストラット(5)の最後部領域(7)は円筒形であることを特徴とする請求項7に記載のクランクシャフト。
9. 前記短行程エンジンは大型ディーゼルエンジンとして構成されたものであることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載のクランクシャフト。

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