JP4639539B2 - フライホイール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエンジン用フライホイールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン用フライホイールはエンジンのクランクシャフトに取り付けられ、エンジンの回転変動を減少させるための慣性マスとして機能する。従来、この種のフライホイールとしては単なる円板状のもの、即ちプレーンタイプが一般的であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明者らがＶ６エンジンにプレーンタイプのフライホイールとＡＴ用トルクコンバータ（トルコン）とを組み付け、アイドリングで実機試験を行ったところ、所謂コンコン音が発生するという問題が生じた。
【０００４】
即ち、図１２に示すように、エンジンが運転されると、クランクシャフト５１、フライホイール５２、フレックスプレート５３及びトルクコンバータ５４からなるクランク系５５が回転し、曲げ振動Ｂとこれに起因した軸方向振動Ｌとが生じる。このとき、クランクアーム５６等が軸方向（スラスト方向）に振動し、クランクジャーナル５７を支持するシリンダブロック側の軸受部５８と衝突する。
この衝突の度にコンコンと音がして不快な騒音となってしまう。
【０００５】
より詳しくは、図１３に示すように、シリンダブロック側の軸受部５８に軸受メタル５９とスラストメタル６０とが一体に固着される。クランクジャーナル５７は軸受メタル５９により回転自在に支持され、クランクアーム５６はスラストメタル６０によりスラスト方向に支持される。クランクアーム５６とスラストメタル６０との間に僅かな隙間が存在し、クランク系の軸方向振動に伴ってクランクアーム５６が隙間の範囲内で振動し、スラストメタル６０を叩いてコンコン音を発生させる。
【０００６】
このコンコン音を防止するためには曲げ振動Ｂを抑え、これに起因した軸方向振動Ｌを抑える必要がある。そこで、フライホイールをスポーク形状とし、フライホイールを軽量化することが創案された。
【０００７】
しかし、スポーク形状といっても様々な形態があり、単にスポーク形状とするだけでは最大限の効果が得られないばかりでなく、逆にコンコン音の悪化も引き起こす可能性がある。
【０００８】
そこで、以上の問題に鑑みて本発明は創案され、その目的は、クランク系の軸方向振動を抑制し、コンコン音及び振動騒音の低減を図ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジン後部に突出されたクランクシャフトに取り付けられ、後方にフレックスプレートが設けられるフライホイールにおいて、複数のスポークを有するスポーク形状とすると共に、中心部には中心ボス部が形成され、スポーク間の根元の叉部に上記中心ボス部の外周部と連続して形成され、後面が上記フレックスプレートの当たり面の一部をなすと共に、上記スポークの前後厚より薄い水掻き状の板部を設けたものである。
【００１０】
上記フレックスプレート当たり面が全体として円形とされ、全てのスポーク間に上記板部が設けられるのが好ましい。
【００１１】
上記スポークの数が奇数であるのが好ましく、その数は７本であってもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の好適実施形態を説明する前に、本実施形態に係るフライホイールの開発経緯を説明する。
【００１３】
本実施形態に係るフライホイールは、Ｖ６ディーゼルエンジン及びＡＴ用トルクコンバータと組み合わされるべく開発された。そして軽量化のためスポーク形状とするものである。ここで、スポーク数が偶数だと半分の位置から対称に折れ曲がるような変形モードとなってしまい、片側の変形（振動）が反対側の変形（振動）を助長してしまって良くない。そこで、スポーク数は奇数とし、スポーク毎に独立した変形を許容してモードの分散化を図ることとした。この点については後述する。
【００１４】
次に、フライホイールを実際に製作する前に行った事前検討の結果を図７に示す。このグラフは固有振動数（周波数）と評価との関係を表している。評価とは官能評価の結果をいい、１０点満点で値が大きいほど良い評価である。一応７点を合格基準点とした。このグラフは全て解析結果に基づいて作成されている。
【００１５】
○はフライホイール単体の固有振動数のデータ、△及び□はクランク系実稼動状態での固有振動数のデータである。特に△はクランク軸系の後端曲げ、□はクランク軸の曲げ捩りの連成の固有振動数である。一点鎖線ａ上の○は１次モードの固有振動数であり、二点鎖線ｂ上の○は５次モードの固有振動数である。つまり振動モードが１次から５次へと上がるにつれ、フライホイール単体の固有振動数は一点鎖線ａから二点鎖線ｂへと変化していく。
【００１６】
最も右下の○（添字ｐ１）は、従来のプレーンタイプのデータで、固有振動数は高く、評価も低い。最も左下の○（添字ｐ２）は、プレーンタイプでありながら薄肉にして軽量化したものである。固有振動数が低くなり、評価も上がったが、まだ十分ではない。左から二番目の○（添字７ｓ１）は、７本のスポーク形状として軽量化したものであり、薄肉プレーンタイプより固有振動数が若干高くなりさらに評価が良くなった。最も上にある○（添字７ｓ２）は、さらに改良した７本のスポーク形状であり、さらに固有振動数が高くなり評価が向上した。その右下の○（添字６ｓ）は、スポーク数を６本としたスポーク形状で、７本スポークタイプより固有振動数が上がり、評価は大いに悪化した。
【００１７】
このように各種フライホイールの評価が分かれた原因を調べてみたところ、クランク系実稼動時の固有振動数と大きな関係があることが分かった。即ち、フライホイールの１次から５次までの固有振動数の範囲ないし幅が、クランク軸系の後端曲げの低い方の固有振動数エリアｃと、クランク軸の曲げ捩りの連成の固有振動数エリアｄとに引っ掛からないときが評価が良いというのが分かった。これを数値的に表現すると、フライホイールの１次から５次までの固有振動数が、白抜き矢印ｅで示す最適振動数範囲480〜650Ｈｚに入れば良いことになる。こうすれば、互いの固有振動数が合致せず、共振及びクランク系の連成振動が防止され、車載時のコンコン音が防止される。
【００１８】
グラフに示されるように、薄肉プレーンタイプｐ２と初期形７本スポークタイプ７ｓ１とは１次が低い方のエリアｃに引っ掛かっており、６本スポークタイプ６ｓは５次が高い方のエリアｄに引っ掛かっており、いずれも好結果とはいえない。これに対し、改良形７本スポークタイプ７ｓ２は、１次から５次までが最適振動数範囲480〜650Ｈｚに入っており、好結果を得ている。
【００１９】
以上の検討結果から、７本スポークタイプとして開発を進め、本実施形態のフライホイールを製作するに至った。
【００２０】
図１に本実施形態のフライホイールを示し、図２に図１(a)の下半分を拡大して示す。ここではフライホイール１の外周にリングギヤ２が取り付けられたフライホイールアッセンブリの形で示されている。フライホイール１は鋳造の一体品で、所々機械切削加工が施されている。図１及び図２の散点模様と図２の細かいギザギザ模様とは機械切削加工を行ってない鋳肌面を現す。このフライホイールは、エンジンの後端部から突出されたクランクシャフトに取り付けられるものであり、Ｆｔはエンジン側となる前、Ｒｒは後である。エンジンはＶ６ディーゼルエンジンである。
【００２１】
図３に示すように、エンジンＥの後端部からクランクシャフトが突出され、そのクランクシャフトの外周部にフランジ２０が取り付けられる。フランジ２０の後面部には、前方から順にフライホイールアッセンブリとフレックスプレート１５とがワッシャ２１を介して複数のボルト２２により合わせ止めされる。そしてこれらの後方にはトルクコンバータ（図示せず）が軸方向に相対移動可能に取り付けられる。
【００２２】
図１及び図２に戻って、フライホイール１は、その中心部に形成された中心ボス部３と、最も径方向外側に位置される外輪部４と、中心ボス部３及び外輪部４を連結する複数（７本）のスポーク５とを一体に備えて主に構成される。中心ボス部３はクランクシャフトへの取付部となるもので、クランクシャフトを挿通させるための段付の中心穴６を有すると共に、上記締結ボルト２２を挿通させるための複数（８個）のボルト穴７を周方向等間隔で有している。
【００２３】
外輪部４には、周方向等間隔で複数（６個）のトルコン取付工具穴８が設けられ、トルコン取付工具穴８はフレックスプレート１５にトルクコンバータを取り付けるボルトを挿通させるものである。外輪部４の前面部４ａ全体が、機械切削加工により平面に仕上げられると共に、スポーク５の前面部に対し寸法Ｂだけ前方に突出される。外輪部４の後面部４ｂは、径方向外側の一部４ｃのみが機械切削加工により平面に仕上げられ、且つその部分４ｃが他の部分より後方に突出され、当該他の部分はスポーク５の後面部と面一の鋳肌面とされる。外輪部４の最外周部にはリングギヤ２を圧入されるための圧入面９と、リングギヤ２を軸方向に位置決めするためのバックプレート１０とが形成される。圧入面９とバックプレート１０の前面即ち当たり面とが機械切削加工により平滑に仕上げられる。なお外輪部４の周方向一ヶ所に回転バランス調整穴１１が前面部４ａから所定深さドリル加工される。
【００２４】
スポーク５の本数は奇数、本実施形態では７本である。これらスポーク５は中心ボス部３から放射状に径方向外側に延出され、周方向等角度間隔で配置されると共に、断面が周方向に長い長方形とされる。各スポーク５の長手方向中間部には雌ねじを有したアダプタ取付穴１２が設けられる。これは、生産ラインでエンジン単体の性能試験を行うときにアダプタを取り付けるのに使用される。アダプタが後方から取り付けられるので、アダプタ取付穴１２の後端周囲は僅かに隆起され、機械切削加工による取付座１３が形成されている。
【００２５】
ここで、中心ボス部３の後面部３ｂは前面部３ａより大径とされ、後面部３ｂの全体に円形のフレックスプレート当たり面１４が形成される。フレックスプレート当たり面１４はフレックスプレート１５（図３参照）を当接ないし着座させるためのもので、当然機械切削加工により平滑に仕上げられる。なお前面部３ａもクランクシャフト側のフランジ２０（図３参照）が当たるため機械切削加工により平面に仕上げられる。フレックスプレート１５は、フライホイール１とトルクコンバータＴ／Ｃとの間に介在され、トルクコンバータＴ／Ｃが軸方向に振動したときにフライホイール１への直接衝突を防止し、衝撃を吸収するものである。フレックスプレート当たり面１４の外周部が寸法Ｒを有するアール面とされ、これに沿ってフレックスプレート１５が湾曲・復元することにより所定のバネ効果とダンピング効果とが得られる。またアール面とすることでフレックスプレート１５のきつい曲がりが防止され、フレックスプレート１５の亀裂、損傷等が防止できる。フレックスプレート当たり面１４の外径はＤである。
【００２６】
このようなフレックスプレート当たり面１４を形成するため、全てのスポーク５間の根元の叉部には水掻き状の板部１６が設けられる。板部１６は、両隣のスポーク５と中心ボス部３の外周部とに連続され、後面１６ａがフレックスプレート当たり面１４の一部をなしている。そして中心ボス部３の約半分の前後厚を有し、中心ボス部３の後半部に位置付けられる。スポーク５から見れば、スポーク５のほぼ前後中心の位置から後にのみ板部１６が存在し、スポーク５の前後厚ｔ全てに亘っては存在しない。
【００２７】
さて、このフライホイール１の特徴を述べると、まずスポーク５の数が奇数なので振動モードを理想的に分割ないし分散できる点が挙げられる。即ち、図８はフライホイール１の各次数における変形モードを示す。normalが変形無しの様子、Mode1,Mode2・・・がそれぞれ１次モード、２次モード・・・の変形の様子である。付記した値は各次モードの固有振動数で、これに示されるように１次〜５次モードの固有振動数は507.3〜628.2Hzで前述の最適振動数範囲480〜650Ｈｚに入っている。
【００２８】
例えば、３次モードにおいて、ｓ１のスポークとｓ２のスポークとで変形の仕方が異なる。このようにスポーク毎に、或いは異なる周方向位置で異なる変形をさせ、振動をスポーク毎に別個独立とするのが振動モードの分割の意味である。これに対し、偶数のスポークだと半分の位置から対称に折れ曲がるような変形となり、一方の変形が他方の変形をも招いて互いの振動が助長されてしまう。この結果フライホイール全体としても振幅が大きくなり、クランクシャフトの軸方向振動を増大させてしまう。なお、図９に示すように、従来のプレーンタイプだとフライホイール中心に対称な御椀形の変形となり、益々悪化方向である。こういった意味で奇数本のスポークを備えたフライホイールが望ましい訳である。
【００２９】
本実施形態では７本の例であるが、スポーク本数はこれに限定されるわけではない。
【００３０】
次に、フライホイール１の取付方法を説明する。図４において、下段はＶ６エンジンＥに取り付けられたフライホイール１を示し、エンジンＥを後方から見たときの図である。上段は各気筒＃１，＃２・・・＃６のクランクピンの位置とエンジン回転方向とを示す。図５はエンジンを上方から見たときの模式図で、各気筒＃１，＃２・・・＃６の配列が示される。エンジンのバンク角２θ＝６６°である。
【００３１】
フライホイール１を取り付けるにあたり、開発初期のうちは、一旦取り付けて試験を行い再度脱着して試験を行うと、良好だった結果が悪化するという事態が生じた。そこでこの原因を調べたところ、フライホイール１を取り付ける最適位相があることが判明した。これはエンジンの燃焼（爆発）周期と同期してクランク系の振動が発生していることにも関連する。試行錯誤の結果、図４のように取り付けるのが最適だということが分かった。
【００３２】
即ち、エンジンＥの＃５及び＃６気筒のピストンが膨張（燃焼）行程開始時期の上死点ＴＤＣにあるときに、クランク中心Ｃを境とする＃５及び＃６気筒の反対側に、いずれか一本のスポーク５が位置されることである。図４(a)は＃５気筒の例、図４(b)は＃６気筒の例である。
【００３３】
図４(a)においては、＃５気筒のピストンが膨張（燃焼）行程開始時期の上死点ＴＤＣにある。これは上段の図において＃５気筒のクランクピンＣＰ５が右バンク中心線上にあることで理解される。そしてこのとき、下段の図に示されるように、クランク中心Ｃを境とする＃５気筒の反対側に一本のスポーク５ａが位置されている。スポーク５ａは右バンクないし＃５気筒の中心線上にほぼ沿っており、＃５気筒のピストンの燃焼ないし爆発ストローク方向（白抜き矢印で示す）にほぼ沿っている。同様のことが図４(b)に示す＃６気筒に対してもいえる。このように、最後方の左右の２気筒を基準として上記のような取り付け方をすることで、振動騒音の低減及びコンコン音の防止に効果があることが確認された。
【００３４】
本実施形態のフライホイールはスポーク形状なので、ある曲げ方向の入力振動に対するフライホイールの応答振動はフライホイールの取付位相により違いが生じる。上記のような取り付け方をすることで、実際のエンジンにおいて発生する曲げ振動に対しフライホイールの応答振動が最適となり、フライホイールの振動振幅の最小化を図れ、クランク軸方向の振動の低減を図れる。
【００３５】
次に、板部１６について説明する。本実施形態のフライホイール１では、後部にフレックスプレート当たり面１４が形成される。相手方のフレックスプレート１５が決まっているため、フレックスプレート当たり面１４の形状及び諸寸法（外径Ｄやアール寸法Ｒ等）を変更することができない。一方、スポーク５の諸寸法（長さ、前後厚及び幅等）は、振動特性をメインに決められているため変更できない。
【００３６】
本実施形態のフライホイール１では、フレックスプレート当たり面１４の外径Ｄに対し、スポーク５の根元径即ち中心ボス部３の外径Ｄ０が小さい。この場合、スポーク５の根元形状を優先して板部１６を完全に除いてしまうと、フレックスプレート当たり面１４が一様な円形とならず切欠き形状となってしまい、フレックスプレート１５の当たり具合が悪化し、フレックスプレート１５の疲労強度低下を招いてしまう。一方、フレックスプレート当たり面１４を優先して全前後幅に板部１６を設けてしまうと、スポーク５の長さが実質的に短くなり振動特性に影響を及ぼしてしまう。即ち、剛性が上がってしまうため固有振動数も上がり、図７の最適振動数範囲に入らなくなる。そして剛性を下げるためにスポーク５の厚さｔを薄くするとバースト強度が確保できなくなってしまう。なおバースト強度とは、フライホイールが何回転の高回転まで破壊せず耐え得るかという強度上の尺度で、本実施形態では10000rpmである。
【００３７】
そこで、折衷案として上記のような板部１６を設けた。板部１６により理想的なフレックスプレート当たり面１４が確保できると共に、板部１６がスポーク５の前後厚ｔより薄いので、スポーク５の根元部に追加しても大きく振動特性を損なうことがない。なお、板部１６を設けたフライホイールで解析を行ってみたが好適な結果を得ることができた。
【００３８】
板部は、フライホイールの振動特性に影響を与えず且つスポーク根元部の補強部材ともなるものであるから、あらゆるスポーク形状のフライホイールに好適である。
【００３９】
次に、外輪部４について説明する。本実施形態のフライホイール１は基本的に鋳造で、スポーク５の部分は鋳造のまま残され、その表面が鋳肌面である。この場合、スポーク５の前後厚ｔに±１mm程度の製造上のバラツキが生じ、このバラツキによりフライホイール１の１次〜５次モードの固有振動数範囲がバラつくのが分かった。調査の結果では、前後厚１mmの変動に対する振動数範囲の変動は約40Hzであった。振動数範囲があまりに大きく変動し、図７の最適振動数範囲に入らなくなると製品として出荷できない。一方、これを見分けるため管理を厳しくすると管理コストが上昇し、工法を変えて寸法バラツキを抑えようとすると部品コストが上昇する。
【００４０】
そこで、前後厚ｔのバラツキに対する固有振動数範囲の変動の幅（範囲）を小さくする、言い換えればスポークの前後厚バラツキに対する固有振動数のバラツキ感度を鈍くする、というテーマが生じ、試行錯誤を繰り返すこととなった。
【００４１】
ここで、外輪部４の諸寸法を変えて解析を行ってみたところ、前面部４ａの突出量Ｂが固有振動数のバラツキ感度に大きく影響するのが分かった。即ち、図６に示すように、前面部４ａの突出量Ｂと、後面部４ｂの機械加工部分４ｃの径方向の幅Ｃと、その機械加工面からバックプレート１０の前面までの幅Ｄとをいろいろ変化させて解析を行ってみたところ、Ｃ寸法及びＤ寸法はバラツキ感度にあまり影響はなく、これに対してＢ寸法はバラツキ感度に大きく影響を及ぼすのが分かった。従って、前面部４ａの切削量を変え、Ｂ寸法を変えることにより、スポーク前後厚ｔのバラツキに対する固有振動数範囲の変動幅を変更することができる。
【００４２】
そして、変動幅を小さくするにはＢ寸法をできるだけ小さくした方がよいことも分かった。例えば、スポーク５の前後厚ｔが±１mmバラついた場合に、Ｂ寸法＝2.0mmのときは、フライホイール１の１次〜５次モードの固有振動数範囲は470〜643Hzでその変動幅が173Hzであるのに対し、Ｂ寸法＝0mmのときは、フライホイール１の１次〜５次モードの固有振動数範囲は475.8〜629.7Hzでその変動幅が153.9Hzと、Ｂ寸法＝2.0mmのときに比べて減少される。従って、Ｂ寸法＝0mm、即ち前面部４ａの突出量Ｂはゼロとするのが最良である。
【００４３】
もっとも、本実施形態ではそのようになっていない。図１及び図２に示すように本実施形態ではＢ＝2mmである。これをゼロにすればさらなる改良が図れることになる。ちなみに本実施形態では図６のＤ寸法が3.6mmで、Ｃ寸法が6.5mmである。
【００４４】
次に、実際の騒音試験の結果を図１０及び図１１に示す。この試験ではエンジンにフライホイールとトルクコンバータとを実際に組み付け、エンジンを運転させて騒音を測定したものである。図中の黒い模様が音圧レベルを表し、この模様が大きくなるほど、音圧レベル大である。
【００４５】
図１０は本実施形態のフライホイール１（(a)図）と従来のプレーンタイプ（(b)図）とを比較したものである。(b)図に囲い線Ｊで示されるように、芋のような模様が周期的に表れており、これがコンコン音である。一方、(a)図に示されるように、本実施形態のフライホイール１ではコンコン音は発生していない。これによって本実施形態のフライホイール１が優れたものであることが分かる。
【００４６】
図１１は、本実施形態のフライホイール１をエンジンＥに、図４の如く最適位相で取り付けた場合（(a)図）と、位相違いで取り付けた場合（(b)図）とを比較したものである。これから分かるように、(b)図に比べ(a)図の方が黒模様が少なく、全体として音圧レベルが下がっているのが分かる。これによって、本実施形態のフライホイール取付方法が優れたものであることが分かる。
【００４７】
なお、本発明の実施の形態は上述のものに限られず、他にも様々なものが考えられる。例えばエンジンはＶ６ディーゼルに限らずどのような型式のものでも構わない（Ｌ４、Ｖ８、ガソリン等）。これに合わせてスポーク数を変更することも可能である。例えばＶ８エンジンに９本スポークの如きである。上記Ｖ６エンジンでは＃５，＃６気筒を基準にしてフライホイール取付位相を決定したが、他の気筒を基準にした方が良い場合はそのようにしても構わない。
【００４８】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次の如き優れた効果が発揮される。
【００４９】
（１）フライホイールの最適なスポーク形状化が図れる。
【００５０】
（２）クランク系の軸方向振動を抑制し、コンコン音を防止すると共に、振動騒音の低減を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のフライホイールを示し、(a)が縦断側面図、(b)が背面図である。
【図２】図１(a)の下半分を示す拡大図である。
【図３】フライホイールの取付状態を示す側面図である。
【図４】同背面図である。
【図５】気筒の配列を示す概略平面図である。
【図６】外輪部の各寸法を示す概略側面図である。
【図７】各フライホイール形状の事前検討結果である。
【図８】本実施形態のフライホイールの各次変形モードを示す斜視図である。
【図９】従来のプレーンタイプの変形モードを示す斜視図である。
【図１０】本実施形態と従来のプレーンタイプとを比較した騒音試験結果である。
【図１１】本実施形態の取付方法と位相違いの取付方法とを比較した騒音試験結果である。
【図１２】クランク系の変形モードを示す図である。
【図１３】クランクシャフト支持部の断面図である。
【符号の説明】
１ フライホイール
５ スポーク
１４ フレックスプレート当たり面
１６ 板部
１６ａ 後面
５１ クランクシャフト
Ｅ エンジン
ｔ スポークの前後厚

Claims (4)

1. エンジン後部に突出されたクランクシャフトに取り付けられ、後方にフレックスプレートが設けられるフライホイールにおいて、複数のスポークを有するスポーク形状とすると共に、中心部には中心ボス部が形成され、スポーク間の根元の叉部に上記中心ボス部の外周部と連続して形成され、後面が上記フレックスプレートの当たり面の一部をなすと共に、上記スポークの前後厚より薄い水掻き状の板部を設けたことを特徴とするフライホイール。
2. 上記フレックスプレート当たり面が全体として円形とされ、全てのスポーク間に上記板部が設けられる請求項１記載のフライホイール。
3. 上記スポークの数が奇数である請求項１又は２記載のフライホイール。
4. 上記スポークの数が７本である請求項３記載のフライホイール。

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