JP5602011B2 - クランク駆動装置 - Google Patents

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Description

この発明は、クランク軸と少なくとも一つのコンロッドとから成るクランク駆動装置に関し、コンロッドがクランク軸のクランクピンに据え付けられた大きな端部から成る。クランクピンとコンロッドの大きな端とは、装置が作動されるときにコンロッドの大きな端部とクランクピンとの間に作用する力を受ける荷重支持領域において互いに閉鎖接触している支持表面から成る。
「コンロッド」との用語は「連結ロッド」の共通の短縮語である。
先行技術において、クランクピンの支持面とコンロッドの大きな端部とは円筒状に形成されている。大抵は、クランクピンの円筒状支持面がリボンとして形成されたアンダーカットを備えるメインジャーナルとクランクピンを連結させるクランク軸のウエブを結合させる(米国特許第4356741号明細書[特許文献1])。荷重印加の場合に隅肉のまわりに、高い局部化応力が生じる。ドイツ特許第2947699号明細書[特許文献2]から、ジャーナルとウエブの間の正接半径をもつ移行部を形成するのが普通である。半径が数ミリメータの寸法であり、クランク軸に作用する力を受ける荷重支持面の一部である。材料強度の理由により、冷間圧延(ディープ圧延)によってクランク軸の表面を歪硬化させることは普通である。
米国特許第4356741号明細書 ドイツ特許第2947699号明細書
クラウス・マテック著; 「自然の設計」4版(2006年)ローマンバック出版社
この背景によると、この発明の目的は、荷重に適する方法と適切な成形によりクランクピンの支持面とコンロッドの大きな端部の輪郭を最大限に利用して、クランク軸の疲労強度や装置の寿命を改良し且つ生産処理を簡単に保つことである。
この発明の目的は、クランクピンの支持面がその荷重支持領域において長手方向軸部分を凹状湾曲輪郭に形成し、コンロッドの大きな端部の支持面がクランクピンの凹状輪郭に密接接触している凸状輪郭に形成することにより、達成される。クランクピンとコンロッドの大きな端部の間に大きな接触面が達成されるので、部材間に弱い接触圧が生じる。コンロッドの凸状輪郭の大きな端部はコンロッドの大きな端部の質量減少を発生させる。さらに、支持面の彎曲輪郭が支持面の有効な潤滑を可能とする、というのは、クランク駆動装置の作用変位や弾性変形は共働する凸状と凹状支持面の間に油ポンプ効果を生じるからである。
装置のクランク軸が請求項2の主題である。クランク軸がメインジャーナルと、クランクピンと、メインジャーナルとクランクピンを連結させるウエブとから成る。メインジャーナルは軸の回転の軸線を定義する。クランクピンはコンロッドの支持面から成り、メインジャーナルはエンジンブロック軸受に収容する支持面から成る。クランク軸が鍛造或いは鋳造により単一片として形成される。この発明によると、クランク軸に作用する力を受ける荷重領域におけるクランクピンの支持面が凹状輪郭を長手方向軸部分に形成する。輪郭は好ましくは一様に分布された応力の原理によって決定されて、同じ等価応力が平均時間、即ち一完全エンジン点火周期の平均で支持面にわたり分布される。ホンミセス(von-Mises)による等価応力が例えばベースとして使用される。一定応力の原理が強い荷重領域では材料の増加を招き、弱い荷重領域では材料の減少を招く。これにより、成分部品の強度とその耐久性が向上される。この発明の支持面の輪郭に生じる一定応力の原理による設計最適化は、クラウス・マテック(Claus Mattheck) により開発された方法により、有限要素方法により或いは近似方法により(Claus Mattheck 著; 「自然の設計」4版(2006年)ローマンバック出版社)達成され得た。
この発明の好ましい実施例によると、メインジャーナルの支持面がクランク軸に作用する力を受ける荷重支持領域において長手方向軸部分に凹状輪郭を有する。
クランク軸の支持面の荷重支持領域が好ましくはウエブの開始点で連続曲率により両側面に結合する。輪郭は連続的に彎曲されて、支持面の中間に対称的に形成されている。輪郭の対称的部分が円形状からそれて、より高い等級の多項式函数によって記載され得る。
メインジャーナルとクランクピンの支持面が互いに独立的に最大限に利用される好都合な輪郭を形成し、最大限利用結果として異なる曲率を形成する。
この発明による装置用のコンロッドはクランク軸のクランクピンに収容する大きな端部から成る。この大きな端部がコンロッドの大きな端部に作用する力を支持する荷重支持領域を備える支持面から成る。コンロッドの支持面がクランクピンの支持面の輪郭に適合されて、荷重支持領域に長手方向軸部分の凸状輪郭を形成する。また、支持面はコンロッドの大きな端部の孔に収容された支持シェルによって形成され得る。従って、クランク軸用のエンジンブロック軸受がメインジャーナルの輪郭に適合されている。
この発明によるクランク駆動装置を示す。 この発明によるクランク軸の長手方向部分を示す。 この発明によるクランク軸の一部をより大きい細部で示す。 比較用の先行技術クランク軸の細部を示す。 先行技術クランク駆動装置の一部を示す。 クランク駆動装置が作動される時にオイルポンプ効果に基づいた潤滑の改良状態を示す。 クランク駆動装置が作動される時にオイルポンプ効果に基づいた潤滑の別の改良状態を示す。
この発明は、以下に、好ましい実施例によって説明され得る。
図1に例示された装置は、クランク軸100とクランク軸のクランクピン102に据え付けられた大きな端部201を有する少なくとも一つのコンロッド200とから成る。クランクピン102とコンロッド200の大きな端部201とは、装置が作動される時にコンロッドの大きな端部201とクランクピン102との間に作用する力を支持する荷重支持領域において互いに密接接触している支持面108、202から成る。荷重支持領域におけるクランクピン102の支持面108が長手方向軸部分に凹状に彎曲された輪郭を形成する。大きな端部201の支持面202がクランクピン102の輪郭に適合されて、クランクピン102の凹状輪郭と密接接触している凸状輪郭を形成している。
クランク軸100が単一片として形成されて、メインジャーナル101と、クランクピン102とウエブ103とから成る(図2)。メインジャーナル101は軸の回転軸線104を定義する。ウエブ103はメインジャーナル101とクランクピン102と連結させて、クランク軸100が鋳造により形成されるならば、中空部分105、106を含有する。ウエブ103の一部には、カウンタウエイト107が不均衡を補償させるように形成されている。
クランクピン102の各々はコンロッド200用の支持面108を形成する。明確にするために、コンロッド200の外形のみが図2の点線によって示されている。メインジャーナル101は示されていないエンジンブロック軸受に収容する支持面110を形成する。クランク軸100に作用する力を支持する荷重支持領域において互いにクランクピン102とメインジャーナル101の支持面108、110は長手方向軸部分において凹状彎曲された輪郭を形成する。クランクピン102とメインジャーナル101との輪郭が好ましくは一定応力の原理によって決定されて、時間平均で、即ち一完全エンジン点火周期に関する平均で本質的に一様な等価応力が支持面に全体的に分布されている。円筒状ピンと比較してこの発明によって形成されたクランクピン102とメインジャーナル101とがより大きい荷重の領域において材料の増加を生じる。これはクランク軸の疲労強度の増加を生じる。デザイン最大限利用が有限要素方法の使用の下でクラウス・マテック著「自然の設計」第4版(2006年)によって展開された方法によって実施され得る。
図2の例示から、支持面108、110の荷重支持領域がウエブ103の支持推力面111に連続曲率をもつ両側面を結合することを引き出す。さらに、支持面108、110の荷重支持領域が支持面中心112に対称的である連続彎曲輪郭を形成する。輪郭が円形形状から引き出し、より高い等級の多項式函数によって記載され得る。
メインジャーナル101とクランクピン102とは互いに無関係に一様分布応力の原理によって且つデザイン最大限利用の結果として好都合に最大利用され、それらが異なる曲率を形成する。
発明を例示する図3と先行技術クランク軸を示す図4或いは5とを比較して見ると、発明の基本原理が明らかになる。先行技術(図4と5)によって形成されたクランク軸のクランクピン102’とメインジャーナル101’は円筒状支持面113を形成する。僅かな移行領域114が曲率115から成る両側面の円筒状支持面113に取付けられる。この曲率115は基本的に円形円弧輪郭と数ミリメータの半径を有する。この曲率115は円筒状支持面113から結合ウエブ103’の側面116までの移行部を形成し、クランク軸の疲労強度のキー要因である。鋳造クランク軸の場合には、移行領域114が冷間圧延によって硬化された加工されなければならない。鍛造クランク軸の場合には、半径を形成する移行領域が冷間圧延によって機械加工されて疲労強度を改良させる加工硬化を加える。彎曲移行領域114に結合するウエブの側面116がコンロッド用の横ガイドとして用いられる。
図3を図4或いは5と比較すると、この発明の主題が曲率115から成る移行領域114を形成しないことが明らかである。発明によると、クランクピン102の支持面108及びメインジャーナル101の支持面108が円筒状に形成されていないが、しかし、凹状曲率をもつ一定曲線進行から成る。支持面108、110の輪郭117がしっかりとウエブ103の側面部分に曲がって支持推力面111を形成する。これにより、支持面108、110の外境界領域では先行技術によるクランク軸の同じ領域より多くの材料が存在する。この余剰の材料がクランク軸の疲労強度の意味のある増加を生じる。この発明は、特に疲労強度に関連し且つ制限するクランク軸の領域に影響させ、構造的デザイン修正によってこの領域にてクランク軸の疲労強度を改良させることを教示する。この発明により設計されたメインジャーナル101とクランクピン102の支持面110、108が先行技術の原理から引き出し、支持面セグメントを円筒状に設計し、コンロッドの大きなロッド目の円筒状孔或いはクランク軸軸受の円筒状支持シェルと相互に作用させる。
疲労強度の意味のある増加は特殊高強度材料の利用或いは疲労強度の増加用の追加的生産工程により達成される。この発明によるメインジャーナル101とクランクピン102のデザインは30%から50%までの荷重領域においてクランク軸の改良を生じ得る。
最近のエンジンのより高い作動圧力によるクランク軸に作用する荷重を増加させる場合にさえ、クランク軸のより高い(より強い)材料度合が必要とされない。この発明は、鋳造クランク軸及び鍛造クランク軸に使用できる。冷間圧延による次の加工硬化がもはや長い必要がない。
クランクピン102及び/又はメインジャーナル101の支持面108、110は誘導焼き鈍しされるか、或いは硬質材料により被覆され、それにより支持面の磨減抵抗が改良され得る。
クランク軸100に位置されたコンロッド200の大きな端部201及びエンジンブロック軸受は、クランクピン102或いはメインジャーナル101の輪郭に適合される支持面202から成る。この発明による支持面108、110の凹状曲率がクランクピン或いはメインジャーナルの支持面108とコンロッド200の大きな端部201或いはエンジンブロック軸受の結合支持面202との間の油潤滑に有益である。油潤滑を改良させる効果が図6aと図6bに例示されている。
クランク駆動装置が作動される時に、クランク軸100が慣性とガス荷重効果により引張圧縮強度の下で加工する。引張圧縮力の下では、クランクピン102とその上に据え付けられた大きな端部201が弾性的に変形され、それで数マイクロメータの小さい隙間が図6aと図6bに例示された領域AとBにおいて開閉される。コンロッドのスロー(落差)が引張下にあるときに、領域Aは噴霧油が冷却されてピストンピン領域を潤滑した後にピストンからしたたる油を捕えて、その間に領域Bは連結ロッド用のガイドとして、さらに、捕捉油をクランクピン102の中心まで供給するよう加工する。図6bには、スロー(落差)が圧縮下にあるときに領域Aはコンロッド用のガイドとして、さらにクランクピン102の中心まで供給するよう加工する。
クランクピン102’とメインジャーナル101’の円筒状デザインにより、従って大きな端部或いはエンジンブロック軸受の円筒状孔により、図4と図5に示された先行技術により実現されるので、この油ポンプ効果が達成されない。それ故に、クランク軸とコンロッド/エンジンブロック軸受の間の支持面108、110の潤滑が十分にこの発明により改良され、磨滅が減少される。
100....クランク軸
102....クランクピン
103....ウエブ
105、106...中空部分
108、110、202...支持面
200....コンロッド
201....大きな端部

Claims (10)

  1. クランク軸(100)と少なくとも一つのコンロッド(200)とから成り、コンロッド(200)がクランク軸(100)のクランクピン(102)に据え付けられ大きな端部(201)を備え、クランクピン(102)と大きな端部(201)の支持面(108、202)は、装置が作動される時にコンロッド(200)の大きな端部(201)とクランクピン(102)との間に作用する力を支持する荷重支持領域にて互いに密接接触し、荷重支持領域におけるクランクピン(102)の支持面(108)が長手方向軸部分において凹状に彎曲された輪郭を形成し、そして大きな端部(201)の支持面(202)がクランクピン(102)の凹状輪郭と密接接触している凸状輪郭を形成するクランク駆動装置において、
    有限要素方法或いは近似方法により、クランクピン(102)の支持面(108)の輪郭は、本質的に等価応力が時間平均でこの支持面(108)に全体的に一様に分布されるように決定されていることを特徴とするクランク駆動装置。
  2. 軸の回転軸線(104)を定義するメインジャーナル(101)と、クランクピン(102)と、クランクピン(102)をメインジャーナル(101)と連結させるウエブ(103)とを備えて、クランクピン(102)がコンロッド用の支持面(108)を形成し、メインジャーナル(101)がエンジンブロック軸受に収容する支持面(110)を形成する請求項1に記載のクランク駆動装置用のクランク軸において、クランク軸に作用する力を支持する荷重支持領域におけるクランクピン(102)の支持面(108)が長手方向軸部分において凹状彎曲輪郭を形成することを特徴とするクランク軸。
  3. クランク軸に作用する力を支持する荷重支持領域におけるメインジャーナル(101)の支持面(110)が長手方向軸部分において凹状彎曲輪郭を形成し、有限要素方法或いは近似方法により、このメインジャーナル(101)の支持面(110)の輪郭は、本質的に等価応力が時間平均で支持面(110)に全体的に一様に分布されるように決定されていることを特徴とする請求項2に記載のクランク軸。
  4. 荷重支持面(108、110)が連続曲率をもつ両側面でウエブ(103)の支持推力面(111)に結合させることを特徴とする請求項2または3に記載のクランク軸。
  5. 支持面(108、110)の荷重支持領域が支持面の中心(112)に対称的である連続彎曲輪郭を形成することを特徴とする請求項2乃至4のいずれか一項に記載のクランク軸。
  6. 輪郭の対称的部分がより高い等級の多項式函数によって記載されていることを特徴とする請求項5に記載のクランク軸。
  7. メインジャーナル(101)とクランクピン(102)の支持面(110、108)が異なって彎曲されていることを特徴とする請求項2乃至6のいずれか一項に記載のクランク軸。
  8. メインジャーナル(101)とクランクピン(102)が鋳造の場合に中空部分(105、106)を含有することを特徴とする請求項2乃至7のいずれか一項に記載のクランク軸。
  9. カウンタウエイト(107)が不均衡を補償するためにウエブ(103)に形成されていることを特徴とする請求項2乃至8のいずれか一項に記載のクランク軸。
  10. クランク軸のクランクピンを収容する大きな端部(201)から成り、大きな端部(201)がコンロッドの大きな端部(201)に作用する力を支持する荷重支持領域を備える支持面(202)から成る、請求項1に記載のクランク駆動装置用のコンロッドにおいて、荷重支持領域における大きな端部(201)の支持面(202)が長手方向軸部分において凸状彎曲輪郭を形成することを特徴とするコンロッド。
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