JP5280636B2

JP5280636B2 - 特に中速４サイクルディーゼルエンジン用の組み立て式クランクシャフト

Info

Publication number: JP5280636B2
Application number: JP2007029749A
Authority: JP
Inventors: マクシミリアン・ビェール; ニールス・ランゲ; ローベルト・シュトッカー
Original assignee: エムアーエヌ・ディーゼル・エスエー
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2027-02-08
Also published as: KR20070088348A; FI20070152A0; JP2007225110A; DE102006009152A1; KR101249086B1; CN101025185B; CN101025185A; FI122867B; FI20070152A

Description

本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の特徴により規定される組み立て式クランクシャフトに関する。

基本的に、クランクシャフトは、スロー、該スローとともにメインベアリング内に延在するシャフトジャーナル、クランク(ストローク)ジャーナル、および、接続用ウェブスローとそれとともに存在するカウンターウェイトから成る。

クランクシャフトでは往復運動が回転運動に変換される。大型のクランクシャフトは予め自由鍛造され、その後、正しい位置に回転形成されたスローとともに完全に鍛造されて完成加工される。

一般的に公知となっている内燃機関用の一体型クランクシャフトは、鍛造されたピースから製造されていることが多く、コストのかかる切削加工を必要とする。一体型に構成することによって、このサイズのクランクシャフトに対して、中速ディーゼルエンジンの場合に必要なように、良好な安定性が付与されるが、しかし、損傷を受けた部分を後から修理することおよび高負荷のベアリングの装着を行うことが極めて難しくなる。

非常に小さなストローク半径(クランク半径)を有するコンロッドベアリングジャーナル(クランク)は偏心機の形態で構成され得る。コンロッドベアリングジャーナルの重心はクランクシャフト中心の外にあるので、径方向外向きの遠心力が働く。したがって通常は、補償のためにカウンターウェイトがストロークウェブに設けられる。

船舶または発電所で使用されるような大型の往復動内燃機関の場合は特に、異なるシリンダ数を有するエンジンタイプを提供するのが通常である。したがって、各シリンダ数に関して独自のクランクシャフトを鍛造しなくてはならない。このことは、製造コストが高くなるだけではなく、いずれは必要となるクランクシャフトのすべてを保管しておくと不経済であるために供給にかかる時間が比較的長くなってしまう。

中速４サイクルディーゼルエンジンの場合、低速２サイクルディーゼルエンジンの場合と比べて、シリンダ孔Ｄに対するストローク長ｓは小さくなっており、シリンダ圧Ｐ_Zylは通常より高くなっている。その結果、メインベアリングジャーナルおよびクランクジャーナルの断面が常に大きくなる。したがって、従来この分野において、組み立て式クランクシャフトは実際に実現されていなかった。

しかし、別個のシャフト部分、カウンターウェイト、およびクランクジャーナルが他の要素とは別個に分離されたり再び組み合わせられたりすることができるクランクシャフトが既に提案されている。このクランクシャフトは、在庫部品から簡単に製造可能であり、特殊な知識を必要とせずに組み立てることができる。

公知でありかつ実際に既に実施されている、組み立て式クランクシャフトの概念によると、クランクウェブがディスクとして構成されており、このディスクの延長部の大きさは、このディスクが同時にメインベアリングジャーナルのベアリングとしても機能し得るように選択されている。コンロッドベアリングジャーナルは別個の部分として製造されて、このディスク内に収縮嵌めされ、ネジ止めされるか、または他の方法によって該ディスクに接続されている。

特許文献１によると、ウェブ内に挿入されたジャーナルは、ジャーナル同士の中央部の距離がクランク半径(＝ピストンストロークの半分)よりも大きくなるようにウェブピースに偏心状態で設けられている。さらに、クランクウェブに対する接続要素の形状寸法は、ジャーナル直径よりも小さくなっている。ウェブ内で、ジャーナル用の孔間に充分なパーティション強度が残るようにするためには、より大きなストロークを選択するか、またはクランクおよびシャフトを一体状に構成する必要がある。いずれの場合であっても、この場合、ストロークは、メインベアリングジャーナルおよびクランクジャーナルの断面がクランクシャフトの径方向において重なることがないような大きさである。
独国特許発明第347103号明細書

上記に鑑みて、本発明の課題は、低速２サイクルエンジンと比較して小さなストローク半径を有する組み立て式クランクシャフトの構成であって、所定の数のストロークピストンを任意の長さで簡単かつ低コストで製造することができ、かつ、メインベアリングジャーナルおよびコンロッド／クランクベアリングジャーナルの加算した直径の合計に対するピストンストロークｓが＜１(ｓ＜(Ｄ_ＧＬＺ＋Ｄ_ＰＬＺ);ＧＬＺ＝メインベアリングジャーナル、ＰＬＺ＝コンロッドベアリングジャーナル)であるような適用例を可能とする、組み立て式クランクシャフトの構成を提供することである。

上記のようにすると、たいていの実際の適用例では、ピストン直径Ｄに対するピストン半径ｓが明らかに２以下であるような比になる。おびただしい数の組み立て式クランクシャフトが使用される低速２サイクルディーゼルエンジンのｓ／Ｄは、実際の使用では、２またはそれ以上となる。

本発明によると、上記課題は、メインベアリングジャーナル、コンロッドベアリングジャーナルおよびクランクウェブを構成するための別個の要素を、モジュール原理に従って、摩擦結合状態もしくは形状結合状態で、または摩擦および形状結合状態で接続し、それにより、これら別個の要素の適切な接触形状寸法を選択することによって、メインベアリングジャーナルおよびクランクジャーナルの断面がクランクシャフトの径方向において重なり得るようになり、その結果、クランク半径が、メインベアリングジャーナルおよびコンロッドベアリングジャーナルの加算した半径の合計よりも小さいかまたはそれと同じであり得るようにすることによって解決される。

本発明による解決手段は、当然、適切な寸法形成によって、クランク半径がメインベアリングジャーナルおよびコンロッドベアリングジャーナルの加算した半径の合計よりも大であり得る組み立て式クランクシャフトにも適用可能である。

これによって、融通性が高くなりかつ供給にかかる時間が短くなる。その理由は、加工前のクランクシャフトを在庫の別個のピースによって極めて迅速に組み立てることができるからである。

取り扱いが容易な複数の別個の要素からクランクシャフトをこのように組み立てることは、一般的に、内燃機関、ポンプ、圧縮機およびコンプレッサ等のあらゆるタイプの往復動機械に適している。

半製品の形態で別個の要素の供給に関しては、非常に広範囲の供給業者が考慮される。さらに、組み立て式クランクシャフトの製造プロセスは従来の鋳造式クランクシャフトの製造プロセスとは大いに異なるため、製造工程上の障害を防止しかつその影響を少なくとも大いに低減することができる。

乗用車およびトラック製造分野において既に大量生産が行われている新規なベアリング技術を導入することは、今までは中速ディーゼルエンジンには不可能であった。その理由は、この焼き入れクランクジャーナルを前提としていたからである。このサイズの一体型クランクシャフトの場合、ジャーナルは軟らかくなっている。その理由は、ベアリング損傷用の後加工用ストックを予め確保しておかなくてはならないからである。さらに、ジャーナルに高周波焼入れを行う場合、そうでなくとも相当複雑であると見なされ得る製造工程がさらに複雑になるおそれがある。

以下に、本発明をいくつかの実施例に基づいて詳細に説明する。

図１のクランクシャフト８のモジュール原理は、コンロッドベアリングジャーナル１、メインベアリングジャーナル２、およびストロークウェブ３の形態の３つの異なる要素を有する。

コンロッドベアリングジャーナル１もメインベアリングジャーナル２も、両側に円柱形状の収縮接続要素１ａ,ｂ;２ａ,ｂを有する。これら収縮接続要素は、ベアリングジャーナル１,２に偏心して形成されており、それにより、ストロークウェブ３には、摩擦結合による円筒形状の収縮結合部が成立する。その際、収縮接続要素１ａ,ｂ;２ａ,ｂ用の収容孔４,５が、完全に分離した円筒形状の２つの収縮接合面６,７として２つのストロークウェブ３内に形成されている。

図２は、モジュール原理のさらなる好適な変形形態を示す。コンロッドベアリングジャーナル１０もメインベアリングジャーナル１１も、両側に収縮接続要素１０ａ,ｂ;１１ａ,ｂを有する。これら収縮接続要素は、ストロークウェブ１３内の対応の貫通孔１２に対をなして互いに載置されており、それにより、対応する当接面１４,１５が収縮接続要素１０ａ,ｂ;１１ａ,ｂに相補的に設けられるようになっている。その結果、ストロークウェブ１３内にそれぞれ、コンロッドベアリングジャーナル１０およびメインベアリングジャーナル１１が、摩擦および形状結合状態で接続され、かつ、相補的に方向付けられている当接面１４,１５のクランクシャフト１６の軸に関する各方向によって、ストローク運動の少なくとも角位置が可変となる。

図３は、図２の実施例の一変形形態を示しているので、同じ参照符号を用いてある。ストロークウェブ１３にはさらに、バランスウェイト要素１８が追加で形成されている。

図４は、さらなる好適な一変形形態を示している。収縮接続要素１０ａ,ｂ;１１ａ,ｂはそれぞれ半円柱形状を有し、相補的な２つの当接面１４,１５を互いに組み合わせるとほぼ円柱形状の形状寸法となる。その結果、コンロッドベアリングジャーナル１０およびメインベアリングジャーナル１１がストロークウェブ１３内の円筒形状の孔１２に摩擦結合および形状結合状態で組み合わされることになる。

たとえばＶ１８型内燃機関のクランクシャフト８,１６は、上述したモジュール原理３７を使用すると別個の部分が必要になる(連結側のシャフトスタブ、被連結側のシャフトスタブ、１８個のウェブ３,１３、８つのメインベアリングジャーナル２,１１、および９つのコンロッドベアリングジャーナル１,１１)。

図５に係る一実施例によると、ストロークウェブ１３内の摩擦および形状結合による接続部は、正確に位置合わせされた当接面を有する１つまたは複数の中間ピース１９,２０によって支援されている。

図６によると、メインベアリングジャーナル２１およびコンロッドベアリングジャーナル２２は、ストロークウェブ２３内に差し込み可能な少なくとも２つの異なる別個の要素によって構成されている。これら別個の要素は、ジャーナル２１,２２の中央部にて互いに対して平行な方向にずれており、かつ、ストロークウェブ２３内で追加的に互いに対してネジ止めされている。

図７には、本発明に係るさらなる好適な一実施形態を示す。この実施形態では、クランクシャフト３０の別個の要素は概ね、メインベアリングジャーナル３１と、２つのストロークウェブ３３およびコンロッドベアリングジャーナル３４から成る一体状のクランクスロー３２とを有し得る。この場合、メインベアリングジャーナル３１は、ストロークウェブ３３内の円筒形状の孔３５または円筒形の皿状の凹部によって、摩擦結合状態でクランクスロー３２に接続可能になっている。

図８には、さらなる好適な実施例を示す。この実施例では、クランクシャフト４０の別個の要素は概ね、メインベアリングジャーナルとしてもコンロッドベアリングジャーナルとしても使用可能なクランクスロー４１、および収縮リング４２を有し、それにより、それぞれ２つのクランクスロー４１が摩擦結合状態で接続可能になっている。

図９には本発明に係るさらなる好適な変形例を示す。メインベアリングジャーナル５０にもコンロッドベアリングジャーナル５１にも、両側にストロークウェブの部分ピース５０ａ,５１ａ,ｂが形成されている。これらの部分ピースは、当接面５２,５３を有しており、それにより、それぞれメインベアリングジャーナル５０およびコンロッドベアリングジャーナル５１が、相補的に形成されている当接面５２,５３に組み合わせられ得るようになっており、部分ピース対５０ａ,５１ｂはそれぞれ、ネックダウンネジ５４によって接続可能になっている。さらに、部分ピース対５０ａ,５１ｂには、バランスウェイト要素５５がネジ止め可能になっている。

図１０および図１１には、図９に係る実施形態のさらなる２つの変形例を示す。これら変形例は、説明しなくとも、これらの図を見れば明らかである。

図１２は、さらなる一実施例を示す。メインベアリングジャーナル６０にもコンロッドベアリングジャーナル６１にも、両側に差込接続要素６０ａ,６１ａ,ｂが形成されており、それにより、それぞれ２つの互いに相補的に作用する差込接続要素６０ａ,６１ａが、それぞれ１つのストロークウェブを形成しながら互いに入れ子状に差し込まれ、それぞれのストロークウェブに釣り合い重り６２がネジ止め可能になっている。差込接続部は、ネックダウンネジ６５によって追加的に固定可能である。

さらに、複数のモジュール部分から構成されているクランクシャフトを上述のように構成することによって、中速ディーゼルエンジン用のクランクシャフトの場合でも焼き入れジャーナルを使用すること、よって近代的な滑り軸受タイプを使用することが容易に可能になる。この近代的な滑り軸受タイプは、このような焼き入れジャーナルを必要とするので、今まではこのカテゴリーのエンジンにおいては評価できる程度に使用されることがなかったものである。さらに、複数のモジュール部分から構成されているクランクシャフトを上述のように構成することによって、クランクシャフト部分に製造工程または検査工程において損傷が発見された場合の問題を、他の構成部材を使用することによって容易に解消することができるようになる。さらに、複数のモジュール部分から構成されているクランクシャフトを上述のように構成することによって、エンジンの運転中にベアリングの摩耗またはそれに類似するものによって生じるクランクシャフトの甚大な損傷を修理すること、および場合によっては損傷を受けた部分を完全に交換することが容易に可能となる。

コンロッドベアリングジャーナル、メインベアリングジャーナル、およびストロークウェブの形態の３つの異なる要素を有するモジュール原理を示す図である。コンロッドベアリングジャーナル、メインベアリングジャーナル、およびストロークウェブの形態の３つの異なる要素を有するモジュール原理を示す図である。コンロッドベアリングジャーナル、メインベアリングジャーナル、およびストロークウェブの形態の３つの異なる要素を有するモジュール原理を示す図である。コンロッドベアリングジャーナル、メインベアリングジャーナル、およびストロークウェブの形態の３つの異なる要素を有するモジュール原理を示す図である。ストロークウェブ内の摩擦および形状結合による接続部のために正確に位置合わせされた当接面を有する複数の中間ピースによって支持が行われるようになっているモジュール原理を示す図である。メインベアリングジャーナルおよびコンロッドベアリングジャーナルが、ストロークウェブ内に差し込み可能な少なくとも２つの互いに異なる別個の要素によって構成されるモジュール原理を示す図である。クランクシャフトの別個の要素が概ね、メインベアリングジャーナルと、２つのストロークウェブおよびコンロッドベアリングジャーナルから成る一体状のクランクスローとを有するモジュール原理を示す図である。クランクシャフトの別個の要素が概ね、メインベアリングジャーナルと、２つのストロークウェブおよびコンロッドベアリングジャーナルから成る一体状のクランクスローとを有するモジュール原理を示す図である。メインベアリングジャーナルにもコンロッドベアリングジャーナルにも、両側にストロークウェブの部分ピースが形成されているモジュール原理を示す図である。メインベアリングジャーナルにもコンロッドベアリングジャーナルにも、両側にストロークウェブの部分ピースが形成されているモジュール原理を示す図である。メインベアリングジャーナルにもコンロッドベアリングジャーナルにも、両側にストロークウェブの部分ピースが形成されているモジュール原理を示す図である。メインベアリングジャーナルにもコンロッドベアリングジャーナルにも、両側に差込接続要素が形成されているモジュール原理を示す図である。

符号の説明

１コンロッドベアリングジャーナル
１ａ,１ｂ収縮接続要素
２メインベアリングジャーナル
２ａ,２ｂ収縮接続要素
３ストロークウェブ
４,５収容孔
６,７収縮接合面
８クランクシャフト
１０コンロッドベアリングジャーナル
１０ａ,１０ｂ収縮接続要素
１１メインベアリングジャーナル
１１ａ,１１ｂ収縮接続要素
１２貫通孔
１３ストロークウェブ
１４,１５当接面
１６クランクシャフト
１８バランスウェイト要素
１９,２０中間ピース
２１メインベアリングジャーナル
２２コンロッドベアリングジャーナル
２３ストロークウェブ
３０クランクシャフト
３１メインベアリングジャーナル
３２クランクスロー
３３ストロークウェブ
３４コンロッドベアリングジャーナル
３５孔
４０クランクシャフト
４１クランクスロー
４２収縮リング
５０メインベアリングジャーナル
５０ａ部分ピース
５１コンロッドベアリングジャーナル
５１ａ,５１ｂ部分ピース
５２,５３当接面
５４ネックダウンネジ
５５バランスウェイト要素
６０メインベアリングジャーナル
６０ａ差込接続要素
６１コンロッドベアリングジャーナル
６１ａ,６１ｂ差込接続要素
６２釣り合い重り
６５ネックダウンネジ

Claims

特に中速４サイクルディーゼルエンジン用の組み立て式クランクシャフトであって、複数のメインベアリングジャーナル、コンロッドベアリングジャーナルおよびクランクウェブを着脱可能に組み合わせるための別個の中実の要素から構成されるクランクシャフトにおいて、
別個の要素は、モジュール原理に従って、摩擦結合状態で、または摩擦および形状結合状態で接合されており、それにより、別個の要素に関して適切な接触形状寸法を選択することによって、メインベアリングジャーナルおよびクランクジャーナルの断面が、当該クランクシャフトの径方向に重なり得るようになり、その結果、クランク半径が、メインベアリングジャーナルおよびコンロッドベアリングジャーナルの加算した半径の合計よりも小さいかまたはそれと同じになり得るようにしたことを特徴とする組み立て式クランクシャフト。
請求項１に記載の組み立て式クランクシャフトにおいて、
前記モジュール原理は、コンロッドベアリングジャーナル、メインベアリングジャーナルおよびストロークウェブの形態の３つの異なる要素を有することを特徴とする組み立て式クランクシャフト。
請求項２に記載の組み立て式クランクシャフトにおいて、
コンロッドベアリングジャーナル（１）もメインベアリングジャーナル（２）も、両側に円柱形状の収縮接続要素（１ａ，ｂ；２ａ，ｂ）を有しており、該収縮接続要素は、ベアリングジャーナルに対して偏心して形成されており、それにより、ストロークウェブ（３）には、摩擦結合による円柱形状の収縮結合部が成立し、その際、前記収縮接続要素（１ａ，ｂ；２ａ，ｂ）用の収容孔（４，５）が、完全に分離した円筒形状の２つの収縮接合面（６，７）としてストロークウェブ（３）内に形成可能である（図１）ことを特徴とする組み立て式クランクシャフト。
請求項２に記載の組み立て式クランクシャフトにおいて、
コンロッドベアリングシャーナル（１０）もメインベアリングジャーナル（１１）も、両側に収縮接続要素（１０ａ，ｂ；１１ａ，ｂ）を有しており、該収縮接続要素は、前記ストロークウェブ（１３）内の対応する貫通孔（１２）で対を成して互いに載置されており、それにより、対応する当接面（１４，１５）が、前記収縮接続要素（１０ａ，ｂ；１１ａ，ｂ）に対して相補的に設けられ、その結果、ストロークウェブ（１３）内にそれぞれ、コンロッドベアリングジャーナル（１０）およびメインベアリングジャーナル（１１）が、摩擦および形状結合状態で接続され、かつ、相補的に方向付けられている当接面（１４，１５）のクランクシャフト（１６）の軸に関する各方向によって、ストローク運動の少なくとも角位置が可変となる（図２）ことを特徴とする組み立て式クランクシャフト。
請求項４に記載の組み立て式クランクシャフトにおいて、
前記収縮接続要素（１０ａ，ｂ；１１ａ，ｂ）はそれぞれ、半円柱形状を有し、相補的な２つの当接面（１４，１５）を互いに組み合わせるとほぼ円柱形状の形状寸法となり、その結果、コンロッドベアリングジャーナル（１０）およびメインベアリングジャーナル（１１）がストロークウェブ（１３）内の円筒形状の孔に摩擦および形状結合状態で組み合わされるようになっている（図４）ことを特徴とする組み立て式クランクシャフト。
請求項４に記載の組み立て式クランクシャフトにおいて、
ストロークウェブ（１３）内の摩擦および形状結合による接続部のために、正確に位置合わせされた当接面を有する１つまたは複数の中間ピース（１９，２０）によって支援が行われる（図５）ことを特徴とする組み立て式クランクシャフト。
請求項１に記載の組み立て式クランクシャフトにおいて、
メインベアリングジャーナル（２１）およびコンロッドベアリングジャーナル（２２）は、ストロークウェブ（２３）内に挿入可能な少なくとも２つの異なる別個の要素によって構成され、該別個の要素は、ジャーナル（２１，２２）の中央部にて互いに対して平行な方向にずれており、かつ、前記ストロークウェブ（２３）内で互いに対してネジ止め可能になっている（図６）ことを特徴とする組み立て式クランクシャフト。
請求項１に記載の組み立て式クランクシャフトにおいて、
当該クランクシャフト（３）の別個の要素は概ね、メインベアリングジャーナル（３１）と、２つのストロークウェブ（３３）およびコンロッドベアリングジャーナル（３４）から成る一体状のクランクスロー（２３）とを有し、メインベアリングジャーナル（３１）は、ストロークウェブ（３３）内の円筒形状の孔（３４）または円筒形の皿状の凹部によって、摩擦結合状態で前記クランクスロー（２３）に接続可能になっている（図７）ことを特徴とする組み立て式クランクシャフト。
請求項１に記載の組み立て式クランクシャフトにおいて、
当該クランクシャフト（４０）の別個の要素は概ね、メインベアリングジャーナルとしてもコンロッドベアリングジャーナルとしても使用可能なクランクスロー（４１）、および収縮リング（４２）を有し、それにより、それぞれ２つのクランクスロー（４１）が摩擦結合状態で接続可能になっている（図８）ことを特徴とする組み立て式クランクシャフト。
請求項１に記載の組み立て式クランクシャフトにおいて、
メインベアリングジャーナル（５０）にもコンロッドベアリングジャーナル（５１）にも、両側にストロークウェブの部分ピース（５０ａ，５１ａ，ｂ）が形成されており、該部分ピースは、当接面（５２，５３）を有しており、それにより、それぞれメインベアリングジャーナル（５０）およびコンロッドベアリングジャーナル（５１）が、相補的に形成されている当接面（５２，５３）に組み合わせられ得るようになっており、部分ピース対はそれぞれ、ネックダウンネジ（５４）によって接続可能になっている（図９）ことを特徴とする組み立て式クランクシャフト。
請求項１に記載の組み立て式クランクシャフトにおいて、
メインベアリングジャーナル（６０）にもコンロッドベアリングジャーナル（６１）にも、両側に差込接続要素（６０ａ，６１ａ，ｂ）が形成されており、それにより、それぞれ２つの互いに相補的に作用する前記差込接続要素（６０ａ，６１ａ，ｂ）は、それぞれ１つのストロークウェブを形成しながら互いに入れ子状に差し込まれ、このようなストロークウェブにはそれぞれ釣り合い重り（６２）がネジ止め可能になっている（図１２）ことを特徴とする組み立て式クランクシャフト。
請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の組み立て式クランクシャフトにおいて、
当該クランクシャフトは、別個の要素の寸法を適切なものとすることによって、クランク半径がメインベアリングジャーナルおよびコンロッドベアリングジャーナルの加算した半径の合計よりも大であり得る組み立て式クランクシャフトにも応用可能であることを特徴とする組み立て式クランクシャフト。