JP4513531B2 - クランクシャフトのプレート取付構造 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のクランクシャフトの回転角度を検出するためのシグナルプレートの取付構造に関する。

自動車用の内燃機関では、クランクシャフトの回転角度を検出するために、このクランクシャフトにシグナルプレートが取り付けられる。このシグナルプレートの外周には信号検出部としての多数の歯部が設けられ、回転センサにより上記の歯部を検出することにより、回転体の回転角度を演算するようになっている。このようなシグナルプレートは一般的にはクランクプーリ直後に装着されることが多いが、例えば特許文献１に開示されているように、コスト低減や軽量化及びスペース効率の向上等の目的で、クランクシャフトの最後尾のクランクアーム及びバランスウエイトにシグナルプレートを装着するものも知られている。
特開平８−１０９９４９号公報

バランスウエイト（平衡錘）は、一般的に、クランクシャフトの軸心に対してクランクピンと反対側に配置され、クランクアームのクランクピン近傍の部分よりも周方向に十分に幅広となっている。従って、シグナルプレートを固定するための複数の固定ボルトを周方向にほぼ均等に配置しようとすると、典型的には特許文献１に記載されているように、その固定部（固定位置）はバランスウエイトの周方向両端近傍の２箇所の第１固定部と、クランクアームのクランクピン近傍の一箇所の第２固定部と、の合計三箇所となる。

しかしながら、このような三点止めの構成では、以下のような課題があることを見い出した。つまり、三点止めの構成では２つの第１固定部のそれぞれと一つの第２固定部とを結ぶ２つのスパン（弧の長さ）が長くなる傾向にあるので、その共振周波数が低くなり、エンジン常用回転域での共振による振動入力が問題となることに加え、典型的には同じ長さである両スパンが一つの第２固定部を節として共有する形となるので、２つのスパンで連成する共振、いわゆる羽ばたき現象を生じ易い。特に、機関燃焼時にはクランクピンに対して非常に大きな燃焼圧が作用することから、上記の第２固定部を基点とする連成した共振が大きくなる傾向にある。更に、クランク軸方向視で第２固定部が高い燃焼圧の作用するクランクピンの範囲内に位置していると、この第２固定部及びその周囲、特に第２固定部に近接するプレート外周縁部に応力が集中し、この部位の強度不足を生じ易く、非常に高い剛性・強度が求めれる。

本発明は、これらの課題に鑑みてなされたものであって、特定部位への応力集中を有効に緩和し、かつ、強度・剛性の向上と振動低減効果とを高いレベルで実現可能な新規なクランクシャフトのプレート取付構造を提供するものである。

外周に複数の信号検出部が設けられたシグナルプレートが複数の固定部でクランクシャフトに固定される。上記シグナルプレートは、クランクシャフトのジャーナルが貫通可能する中央孔を有する略リング状をなしている。上記クランクシャフトは、ジャーナル及びクランクピンと、両者を接続するクランクアームと、このクランクアームに一体に形成され、クランクシャフトの軸心に対してクランクピンの反対側に位置し、上記クランクアームよりも周方向に幅広なバランスウエイトと、を有する。そして、上記固定部が、バラン
スウエイトの周方向両端に位置する複数の第１固定部と、クランクアームの中でクランクピン近傍に位置する複数の第２固定部と、の４つの固定部を含んでおり、上記第２固定部がクランクピンから外れた位置に配置されるように、上記シグナルプレートが取り付けられるクランクアームには、クランクピンに対して周方向に張り出したボス部が設けられていることを特徴としている。

本発明によれば、上述した三点止めの構成に比して、特定部位への応力集中を有効に緩和し、かつ、強度・剛性の向上と振動低減効果とを高いレベルで実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態を説明する。図１〜５は、本発明に係るクランクシャフトのプレート取付構造を、直列４気筒の内燃機関に適用した実施例を示している。なお、必要に応じて＃１〜＃４気筒に対応する構成には参照符号の後に＃１〜＃４を付記している。

図４にも示すように、クランクシャフト１０には、４つの＃１〜＃４気筒に対応して４本のクランクピン１２＃１〜＃４と、各気筒間及び気筒端に対応して５つのジャーナル１４と、が交互に設けられている。ジャーナル１４は、図示せぬブラケットを介してシリンダブロックに回転可能に支持されるもので、クランクシャフト１０の軸心である中心軸線１１上に配置される。クランクピン１２＃１〜＃４は、図示せぬコネクティングロッド及びピストンピンを介して燃焼圧を受けるピストンに連係されており、クランクシャフトの中心軸線１１から偏心して配置されている。なお、クランクピン１２やジャーナル１４には給油孔１３が開口形成されている。また、クランクシャフト１０の後端にはドライブプレートやフライホイール（図示省略）が取り付けられるフランジ部１５が設けられている。

クランクピン１２とジャーナル１４とは合計８本のクランクアーム１８により接続されている。幾つか（この実施例では半数）のクランクアーム１８には、各気筒に対応して合計４つのバランスウエイト１６＃１〜＃４が一体的に形成されている。バランスウエイト１６は、重量的に平衡させるために、クランクシャフト１０の中心軸線１１に対してクランクピン１２と反対側に配置され、クランクアーム１８のクランクピン近傍の部分よりも周方向に幅広な形状となっている。従って、このバランスウエイト１６が一体に設けられたクランクアーム１８は、全体としていわゆる瓢箪型の形状をなしている。

機関最後尾の＃４気筒に対応するクランクアーム１８＃４及びバランスウエイト１６＃４の機関後方側の側面には、後述する環状のシグナルプレート２６が取り付けられるプレート溝２０が凹設されているとともに、固定ボルト３６のねじ部が嵌合・螺合する雌ねじが形成された合計４つのボルト孔２２と、シグナルプレート２６の位置決め用のノックピンが嵌合するピン孔２４と、が形成されている。

図５にも示すように、シグナルプレート２６は、中央にクランクシャフト１０の機関最後尾のジャーナル１４及びフランジ部１５が貫通・挿通可能な中央孔３０が貫通形成された円環状をなす薄板状の本体２９と、この本体２９の円形をなす外周より略直角に折曲する起立片部２７と、により大略構成されており、この起立片部２７の先端に、信号検出部として多数の歯部２８が間欠的に形成されていて、これらの歯部２８が周知の回転センサ（図示省略）により検出される。この回転センサの信号に基づいてクランクシャフト１０の回転角度・位置が演算される。このシグナルプレート２６の本体２９には、主として軽量化のために２つのバランス孔３１及び２つの軽量孔３２が形成されているとともに、上記のノックピンが嵌合するピン孔３４と固定ボルト３６が貫通する４つの貫通孔３７とが貫通形成されている。

このシグナルプレート２６は、４箇所の固定部（固定位置）４１，４２において、固定部品としての固定ボルト３６によりクランクシャフト１０における機関最後尾のクランクアーム１８＃４及びバランスウエイト１６＃４の側面に締結・固定される。つまり、固定ボルト３６のねじ部をプレート２６の貫通孔３７を通してボルト孔２２に嵌合・螺合して、固定ボルト３６を締め付けることにより、固定ボルト３６の頭部とクランクアーム１８＃４及びバランスウエイト１６＃４の機関後方側の側面との間にシグナルプレート２６が共締め固定される。

図１にも示すように、上記の固定部４１，４２は、バランスウエイト１６＃４の周方向両端近傍に位置する２つの第１固定部４１と、クランクアーム１８＃４におけるクランクピン１２＃４近傍であって、その周方向両端近傍に位置する２つの第２固定部４２と、に分類される。第２固定部４２は、その貫通孔３７、ボルト孔２２及び固定ボルト３６を含めて、図１に示すクランク軸方向視でクランクピン１２＃４から外れた位置に配置されており、つまりクランクピン１２＃４の周方向両側に配置されている。このように第２固定部４２をクランクピン１２＃４から外れた位置に配置するために、シグナルプレート２６が取り付けられるクランクアーム１８＃４には、他のクランクアームとは異なり、固定ボルト３６が嵌合するボス部４６がクランクピン１２＃４から離れる方向に周方向に張出形成されている。つまり、クランクアーム１８は主として軽量化・コンパクト化のために基本的にはクランクピン１２よりも僅かに大径な半円筒形状となっているが、シグナルプレート２６が取り付けられるクランクアーム１８＃４については第２固定部４２をクランクピン１２から離間させるべくボス部４６が設けられている。

図６は、金属製のシグナルプレート２６における歯部２８の近傍を拡大して示している。同図に示すように、隣り合う２つの歯部２８の間の溝部分には、複合湾曲面形状をなす歯底部５０が形成されている。この歯底部５０は、一つの第１湾曲部５１と、２つの歯部２８の直線状をなす側部５３と第１湾曲部５１とを滑らかに接続する２つの第２湾曲部５２と、により構成されている。第１湾曲部５１は所定の第１湾曲率Ｒ１で湾曲しており、第２湾曲部５２は所定の第２湾曲率Ｒ２で湾曲しており、両者は接線５４と接する部位で滑らかに接続している。

そして、第１湾曲部５１の第１湾曲率Ｒ１が、第２湾曲部５２の第２湾曲率Ｒ２よりも十分に大きく設定されている。つまり、第１湾曲部５１は第２湾曲部５２に比して曲率が小さく、歯部２８と歯底部５０との隅角（コーナー）部に位置する第２湾曲部５２は第１湾曲部５１に比して曲率が大きくなっている。このように歯底部５０は直線部のない複合湾曲形状をなしている。この実施例では第１湾曲率Ｒ１が第２湾曲率Ｒ２の約６倍に設定されている。

次に、上記実施例の特徴的な構成及び作用効果について説明する。

（１）外周に複数の信号検出部（歯部）２８が設けられたシグナルプレート２６が複数の固定部４１，４２でクランクシャフト１０に固定される。シグナルプレート２６は、クランクシャフト１０のジャーナル１４が貫通可能な中央孔３０を有する略リング状をなしている。クランクシャフト１０は、ジャーナル１４とクランクピン１２とを接続するクランクアーム１８と、クランクアーム１８に一体に形成され、クランクシャフト１０の軸心１１に対してクランクピン１２の反対側に位置し、クランクアーム１８よりも周方向に幅広なバランスウエイト１６と、を有している。上記の固定部４１，４２は、バランスウエイト１６の周方向両端に位置する複数の第１固定部４１と、クランクアーム１８の中でクランクピン１２近傍に位置する複数の第２固定部４２と、の少なくとも４つを含んでいる。

図８及び図９において、（Ａ）はクランクアームに２つの第２固定部４２が設けられた四点支持の本実施例を、（Ｂ）はクランクアームに第２固定部４２’が一つのみ設けられた三点支持の比較例に対応している。本実施例のような四点支持構造によれば、三点支持構造の比較例に比して、第１固定部４１と第２固定部４２との間の弧の長さつまりスパン（距離）Ｌ１が短くなるので共振周波数が高くなり、より具体的には、機関実用回転域である共振次数１０次以下の共振周波数を実質的に排除することができる。このため、ロバスト性の高い設計を実施することが可能となる。

また、図８及び図９に示すように比較例では２つの第１固定部４１のそれぞれと一つの第２固定部４２’との間の２つのスパンＬ１’が一つの第２固定部４２’を節として共有しているので、２つのスパンＬ１’で連成した共振を生じ易く、第２固定部４２’の近傍、特にプレートの外周縁部４３に応力が集中し、この部分４３の強度・剛性の確保が非常に困難である。これに対して本実施例では、スパンＬ１自体が短くなることに加え、両スパンＬ１による応力集中部が２つの第２固定部４２に分散されるので、特定部位４３への応力の集中が緩和され、強度・剛性の確保が容易となる。このように本実施例によれば、特定部位への応力集中を有効に緩和し、強度・剛性の向上及び振動低減効果を高いレベルで実現することができる。

（２）機関燃焼時にはクランクピンに対して非常に大きな燃焼圧が作用するので、比較例のように１つの第２固定部４２’がクランクピンの範囲内に配置されていると、この第２固定部４２’の周囲、特にプレート外周縁部４３に更に応力が集中する傾向にある。これに対して本実施例では、図１に示すように、第２固定部４２がクランクピン１２＃４に対して周方向に外れた位置に配置されるように、シグナルプレート２６が取り付けられるクランクアーム１８＃４には、そのクランクピン１２＃４に対して周方向に張り出したボス部４６が設けられている。このように２つの第２固定部４２を、大きな燃焼圧が作用するクランクピン１２＃４から外れた位置に配置することができるので、上記の燃焼圧に起因する特定部位への応力集中を更に効果的に低減・回避することができる。

（３）シグナルプレート２６が取り付けられるクランクアーム１８＃４及びバランスウエイト１６＃４の側面には、シグナルプレート２６が嵌合するプレート溝２０が凹設されている。従って、クランクシャフト１０の軸方向寸法の増加を招くことなくシグナルプレート２６をクランクシャフト１０に直付けすることができるとともに、シグナルプレート２６分の重量の増加をプレート溝２０により吸収・相殺することができる。つまり、シグナルプレート２６を実質的にバランスウエイトの一部として機能させることができる。

（４）シグナルプレート２６の外周に、略直角に折曲する起立片部２７が設けられており、この起立片部２７の先端に上記信号検出部としての歯部２８が形成されている。従って、起立片部２７のない構造、つまり板状のプレートの外周に歯部が直接形成されているものに比して、プレート外周縁部４３への応力集中に起因する亀裂や破損を回避するための強度・剛性の確保が更に容易となる。

（５）仮に図１０の（Ａ）〜（Ｃ）に示す参考例のように、一つの固定部４２’を節とする２つのスパンＬ１’が同じ長さであると、両スパンＬ１’の部位が同位相で共振する、いわゆる羽ばたき現象により共振を増大させるおそれがある。これに対して本実施例では図１０（Ｄ）に示すように、第１固定部４１と第２固定部４２との間の第１スパンＬ１が、２つの第１固定部４１間の第２スパンＬ２及び２つの第２固定部４２間の第３スパンＬ３とは異なる長さに設定されている。従って、一つの固定部（節）を挟む２つのスパンの長さが異なることとなり、上記の羽ばたき現象を生じるおそれがなく、これに起因する振動の増大を招くことがない。

（６）図１に示すように、クランクシャフト１０の軸心１１とクランクピン１２＃４の軸心とを結ぶクランク基準線４４に対して同じ側に位置する第１固定部４１と第２固定部４２との中央位置に、それぞれ周方向に延びるバランス孔３１が形成されている。このように、両固定部４１，４２間のスパンＬ１における振動の腹となる中央部にバランス孔４１を設定することにより、軽量化に加えて、スパンＬ１での振動における実質的な質量を軽減して、その周波数を高めることができ、共振周波数の次数を有効に高めることができる。

（７）固定部４１，４２は、典型的には上記実施例のように、シグナルプレート２６の貫通孔３７を貫通するとともにクランクシャフト１０のボルト孔２２に嵌合する固定ボルト３６を含んでいる。

（８）図６に示すように歯底部５０が直線部のない複合湾曲形状をなしており、第１湾曲部５１の第１湾曲率Ｒ１が、第２湾曲部５２の第２湾曲率Ｒ２よりも十分に大きく設定されている。このため、例えば図７に示すように歯底部５０に直線部５５が設けられた比較例に比して、共振時に歯底部５０の特定部位に集中する応力を１５％〜３０％と著しく低減できることができる。すなわちシグナルプレート２６の歯底部５０における応力集中を有効に緩和して、このシグナルプレート２６の信頼性・耐久性を著しく向上することができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、本発明は上記実施例のような直列４気筒の内燃機関に限らず、Ｖ型６気筒等の他の形式の内燃機関にも適用できる。また、固定部は上記の４箇所に限らず５箇所以上としても良い。

本発明の一実施例に係るクランクシャフトへのシグナルプレートの取付構造を示す平面図。 図１からシグナルプレートを省略したクランクシャフトの平面図。 上記実施例のクランクシャフトへのシグナルプレートの取付構造を示す斜視図。 図３からシグナルプレートを省略した斜視図。 上記実施例のシグナルプレートを単体で示す斜視図。 本実施例のシグナルプレートの歯部の近傍を示す要部拡大図。 比較例に係るシグナルプレートの歯部の近傍を示す要部拡大図。 （Ａ）が本実施例に係る四点支持構造、（Ｂ）が比較例に係る三点支持構造に対応する平面図。 本実施例（Ａ）及び比較例（Ｂ）に係る共振モードの説明図。 参考例（Ａ）〜（Ｃ）及び本実施例（Ｄ）に係る固定部間のスパンを示す説明図。

符号の説明

１０…クランクシャフト
１２…クランクピン
１４…ジャーナル
１６…バランスウエイト
１８…クランクアーム
２６…シグナルプレート
２８…歯部（信号検出部）
３０…中央孔
３６…固定ボルト
４１…第１固定部
４２…第２固定部
４６…ボス部

Claims (6)

1. 外周に複数の信号検出部が設けられたシグナルプレートを複数の固定部でクランクシャフトに固定するクランクシャフトのプレート取付構造において、
   上記シグナルプレートは、クランクシャフトのジャーナルが貫通可能な中央孔を有する略リング状をなしており、
   上記クランクシャフトは、ジャーナル及びクランクピンと、両者を接続するクランクアームと、このクランクアームに一体に形成され、クランクシャフトの軸心に対してクランクピンの反対側に位置し、上記クランクアームよりも周方向に幅広なバランスウエイトと、を有し、
   上記固定部は、バランスウエイトの周方向両端に位置する複数の第１固定部と、クランクアームの中でクランクピン近傍であってその周方向両端近傍に位置する複数の第２固定部と、を含み、
   上記第２固定部がクランクピンから外れた位置に配置されるように、上記シグナルプレートが取り付けられるクランクアームには、クランクピンに対して周方向に張り出したボス部が設けられていることを特徴とするクランクシャフトのプレート取付構造。
2. 上記シグナルプレートが取り付けられるクランクアーム及びバランスウエイトの側面には、上記シグナルプレートが嵌合するプレート溝が凹設されてい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のプレート取付構造。
3. 上記シグナルプレートの外周に、略直角に折曲する起立片部が設けられており、この起立片部の先端に上記信号検出部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のクランクシャフトのプレート取付構造。
4. 上記第１固定部と第２固定部との間の第１スパンが、２つの第１固定部間の第２スパン及び２つの第２固定部間の第３スパンとは異なる長さに設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のクランクシャフトのプレート取付構造。
5. 上記第１固定部と第２固定部との間の中央位置に、周方向に延びるバランス孔が形成されてい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のプレート取付構造。
6. 上記固定部が、シグナルプレートの貫通孔を貫通するとともにクランクシャフトのボルト孔に嵌合する固定ボルトを含んでいることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のクランクシャフトのプレート取付構造。
   

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