JP5743836B2 - クランク軸端のシール構造 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関、特にディーゼル機関におけるクランク軸端のシール構造に関する。

一般に、大型のディーゼル機関におけるクランク軸端のシール構造では、フレームから突出しているクランク軸の端部の外周を、フレーム端面に取り付けた油切カバーで覆ってシールするようにしている。このようなクランク軸端のシール構造として、特開２００３‐３３６５４４号公報(特許文献１)に開示されたものがある。

上記クランク軸端のシール構造においては、図３に示すように、フレーム１から突出するクランク軸２の端部の外周を、フレーム１の後端面１aに取り付けた油切カバー３で覆ってシールする。その際に、クランク軸２における大径部４の外周に隙間をあけて嵌合する中心穴５aを有する仕切板５をフレーム１に取り付ける。また、大径部４の第１径方向段部６に軸方向に隙間をあけて対向する径方向対向面を有する油切フランジ７を油切カバー３に設ける。

さらに、上記油切フランジ７におけるクランク軸２側の面と、クランク軸２における大径部４に連なる中径部８の外周との間に、環状室９を形成する。そして、環状室９の下部に連通する開口１０aを一端に有する一方、開口１０aよりも径方向外側においてフレーム１内に連通する開口１０bを他端に有してＵ字管をなす連通油路１０を、油切カバー３内に径方向に設けている。

尚、上記油切カバー３は、クランク軸２の上側では空間１２を介してフレーム１と対向しており、クランク軸２の下側ではフレーム１下に設けられたクランク室１３を臨んでいる。

上記クランク軸端のシール構造によれば、上記クランク軸２の表面を軸端方向に伝わって漏れ出そうとする潤滑油は仕切板５で堰き止められて、一部のみが中心穴５aを通過する。この中心穴５aを通過した潤滑油は、油切フランジ７によって通過が阻止される。さらに、油切フランジ７の径方向対向面とこれに対向する大径部４の第１径方向段部６との隙間を通過して環状室９内に侵入したごく一部の潤滑油は、Ｕ字管をなす連通油路１０に溜まって環状室９内をフレーム１内よりも油柱差だけ低い圧力に維持して、フレーム１の内外の圧力の変動を自動調整しつつ、連通油路１０の他端の開口１０bからフレーム１内に戻される。こうして、潤滑油の外部への漏れ出しが、非接触の封止構造で防止される。

しかしながら、上記クランク軸端のシール構造には、以下のような問題がある。

すなわち、上記フレーム１内と環状室９内との圧力差が不十分なため、連通油路１０内の潤滑油のミスト圧力がラビリンス溝１１に掛かることになり、クランク軸２と油切カバー３との境界部での上記潤滑油のミストを含む空気の流れが、環状室９側から油切カバー３の外側に向かう流れとなる。その結果、潤滑油が環状室９側から油切カバー３の外側に向かって流れ易くなり、油切カバー３による潤滑油の封止が不十分なものとなる。

特開２００３‐３３６５４４号公報

そこで、この発明の課題は、クランク軸端を非接触で封止して潤滑油の外部への漏れ出しを確実に防止できるクランク軸端のシール構造を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明のクランク軸端のシール構造は、
フレームから突出すると共に、鍔を有するクランク軸と、
上記クランク軸の端部の外周を覆ってシールする油切カバーと
を備え、
上記油切カバーは、
上記クランク軸の鍔の一側面に対向して近接する環状面と、
上記クランク軸における上記鍔よりも上記端部側をシールするラビリンスシールと、
上記環状面と上記ラビリンスシールとの間に設けられて、上記クランク軸を取り巻く環状溝と、
径方向に設けられると共に、一端が上記環状溝の下部に開口する一方、他端がこの開口よりも径方向外側で上記フレーム内に開口するＵ字経路と、
一端が上記Ｕ字経路の上端部に開口する一方、他端が上記環状面に開口する連通経路と
を備え、
上記連通経路の上記一端は、径方向内側の上記環状溝に向いており、
上記連通経路における上記他端は、上記一端よりも径方向外側に位置している
ことを特徴としている。

上記構成によれば、回転するクランク軸の表面を軸端方向に伝わって、油切カバーの環状面と鍔の一側面との間の僅かな隙間を通過した一部の潤滑油は、上記環状面と上記ラビリンスシールとの間に設けられた環状溝に流れ込む。そして、上記環状溝内の潤滑油は、上記ラビリンスシールの存在によりＵ字経路に入って捕集,蓄積され、上記フレーム内へ戻される。

その際に、上記油切カバーの環状面と上記鍔の一側面との隙間内の潤滑油を含む空気が遠心力によって径方向に飛ばされ、それに伴う吸引力によって連通経路,上記Ｕ字経路の上端部および上記環状溝内が負圧になる。そのため、上記Ｕ字経路内の潤滑油のミスト圧力がラビリンスシールに掛かることが防止され、上記クランク軸と上記ラビリンスシールとの境界部における潤滑油のミストを含む空気の流れが、上記ラビリンスシールの外側から上記環状溝側に向かう流れになる。したがって、上記Ｕ字経路内の潤滑油の逆流による潤滑油の上記クランク軸の端部からの漏れ出しが確実に防止される。

この実施の形態によれば、上記連通経路の上記一端は径方向内側の上記環状溝に向いており、上記連通経路における上記環状面に開口する上記他端は、上記Ｕ字経路の上端部に連通する上記一端よりも径方向外側に位置している。したがって、上記環状面と上記一側面との隙間内の潤滑油を含む空気が遠心力によって径方向外側に飛ばされる際の吸引力によって、上記連通経路内の潤滑油を含む空気がよりスムーズに上記フレーム内に引き込まれる。

また、１実施の形態のクランク軸端のシール構造では、
上記Ｕ字経路における屈曲部と上記他端との間の距離は３cm以上である。

起動後であって上記Ｕ字経路内の潤滑油が増加する前および上記フレーム内の圧力の変動時に、上記Ｕ字経路内の潤滑油における上記他端側の油面が上記フレーム内の圧力によって押されて低下する。この実施の形態によれば、上記Ｕ字経路における屈曲部と上記他端との間の距離は３cm以上であるので、上記Ｕ字経路の上記他端側の油面が上記フレーム内の圧力によって押されても上記屈曲部に至ることがない。つまり、油面が屈曲部に至って潤滑油のミストを含む上記フレーム内の空気が気泡となって上記Ｕ字経路内の反対側の潤滑油に侵入して、ひいてはミストを含むフレーム内の圧力が抜けてしまうことを防止できる。したがって、潤滑油のミストを含む圧力が上記環状溝を介して上記ラビリンスシール側に抜けて、潤滑油漏れが生ずることを防止できる。

また、１実施の形態のクランク軸端のシール構造では、
上記クランク軸における上記環状溝に対向する位置に設けられた環状の突起を備えている。

この実施の形態によれば、上記段落〔００１１〕〜段落〔００１５〕で述べた解決手段をもってしてもなお上記クランク軸の表面を伝わって軸端に向かおうとする潤滑油があった場合に、上記クランク軸に設けられた環状の突起の回転に伴う遠心力によって、上記環状溝内に向かって飛ばすことができる。したがって、上記クランク軸の表面を上記ラビリンスシールに向かって伝わろうとする潤滑油を、確実に減少させることができる。

以上より明らかなように、この発明のクランク軸端のシール構造によれば、回転するクランク軸の表面を軸端方向に伝わって、油切カバーの環状面と上記クランク軸の鍔の一側面との間の僅かな隙間を通過した一部の潤滑油が、上記環状面と上記ラビリンスシールとの間に設けられた環状溝に流れ込む。そして、上記環状溝内の潤滑油が、上記ラビリンスシールの存在によりＵ字経路に入って捕集,蓄積され、上記フレーム内へ戻される。

その際に、上記油切カバーの環状面と上記鍔の一側面との隙間内の潤滑油を含む空気が遠心力によって飛ばされ、それに伴う吸引力によって連通経路,上記Ｕ字経路の上端部および上記環状溝内が負圧になる。そのため、上記Ｕ字経路内の潤滑油のミスト圧力がラビリンスシールに掛かることを防止でき、上記クランク軸と上記ラビリンスシールとの境界部における潤滑油のミストを含む空気の流れを、上記ラビリンスシールの外側から上記環状溝側に向かう流れにできる。したがって、上記Ｕ字経路内の潤滑油の逆流による潤滑油の上記クランク軸の端部からの漏れ出しを確実に防止できる。

この発明のクランク軸端のシール構造を採用したディーゼル機関における油切カバーの縦断面図である。 図１における油切カバーの部分拡大図である。 従来のクランク軸端のシール構造を採用したディーゼル機関の要部側面図である。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

本実施の形態のクランク軸端のシール構造の基本構成は、図３に示す従来のクランク軸端のシール構造と同様に、フレームから突出するクランク軸の端部の外周を、上記フレームの後端面に取り付けた油切カバーで覆ってシールするものである。

図１は、本実施の形態のクランク軸端のシール構造を採用したディーゼル機関における油切カバーの縦断面図である。

このディーゼル機関におけるフレーム２１の後端面２１aからは、先端に連結用のフランジ２３を有するクランク軸２２の端部が突出しており、図３の場合と同様に、フレーム２１の後端面２１aおよび台板２４の上部に固定された油切カバー２５で、クランク軸２２の表面を軸端方向に伝わって漏れ出そうとする潤滑油をシールしている。

上記油切カバー２５は、クランク軸２２が挿通される挿通穴の中心を通る垂直面で２分割されている。そして、２分割された部分油切カバーの夫々における２分割面２５aから上記挿通穴の中心を通る垂直面の方向に延在するフランジ２６同士を、フランジ２６に設けられた複数の結合孔２７に挿通されたボルト(図示せず)等によって締結することによって、油切カバー２５が形成される。

上記クランク軸２２の一端にはフライホイール連結用のフランジ２３が設けられ、このフランジ２３から向かってフレーム２１の内側には、油切用の鍔２８が設けられている。そして、鍔２８におけるフランジ２３側の側面２９は、クランク軸２２の軸心に直交する環状面となっている。また、油切カバー２５は、フレーム２１の内側に設けられたクランク室３１を臨んで配置されている。

上記油切カバー２５において、クランク軸２２の軸心に直交する環状面３４は、鍔２８の側面２９に軸方向に僅かな隙間を開けて対向している。また、油切カバー２５における環状面３４とはクランク軸２２の軸心方向反対側には、環状のラビリンス溝３５を複数有するラビリンスシール３６が取り付けられている。さらに、ラビリンスシール３６の取付面３８におけるクランク軸２２の挿通穴の周囲には環状の凹部３９が設けられており、この環状の凹部３９は取り付けられたラビリンスシール３６の側面によって塞がれて環状溝３９を形成する。

図２は、上記油切カバー２５におけるクランク軸２２よりも下側における環状溝３９付近の拡大図である。図１および図２に示すように、油切カバー２５におけるクランク軸２２よりも下側には、一端が環状溝３９に連通する一方、他端が上記一端より径方向外側においてクランク室３１に連通するＵ字経路４０が設けられている。ここで、Ｕ字経路４０における屈曲部４０aとクランク室３１への連通口４０cとの間の距離Ｈを３cm以上に設定している。

また、上記油切カバー２５には、一端がＵ字経路４０の上端部に連通する一方、他端が環状面３４に開口する連通経路４１を設けている。そして、油切カバー２５の環状面３４は、鍔２８の側面２９に軸方向にわずかな隙間を開けて対向している。尚４２は、油切カバー２５内の環状のラビリンス溝である。

さらに、図２に示すように、上記クランク軸２２における環状溝３９と対向する位置には、環状の突起４３が設けられている。この突起４３の側面はクランク軸２２の表面に滑らかに連なるような曲面になっている。

上記構成を有するディーゼル機関におけるクランク軸端のシール構造は、以下のように作用する。

すなわち、ディーゼル機関が運転されると、潤滑油サンプタンクから給油系(図示せず)を経てピストンやクランクピンに供給された潤滑油の一部が、回転するクランク軸２２の表面を軸端方向に伝わって、クランク室３１からフレーム２１外に漏れ出ようとする。その場合に、油切カバー２５の環状面３４と鍔２８の側面２９との間の隙間は僅かであるため、漏れ出ようとする潤滑油の大部分はクランク軸２２および鍔２８の回転に伴う遠心力によって飛ばされて、クランク室３１に回収される。

一方、上記油切カバー２５の環状面３４と鍔２８の側面２９との間の僅かな隙間を通過した一部の潤滑油は、油切カバー２５とラビリンスシール３６とによって形成された環状溝３９に流れ込む。その場合、環状溝３９の後端にはラビリンス溝３５を有するラビリンスシール３６が存在するため、環状溝３９に流れ込んだ微量の潤滑油は、次第に液となって遠心力により連通口４０bからＵ字経路４０に入って捕集,蓄積され、クランク室３１への連通口４０cからクランク室３１へ戻される。

ここで、上記Ｕ字経路４０における上記他端の連通口４０cが上記一端の連通口４０bよりも垂直方向下方でクランク室３１に連通しているので、環状溝３９の内圧はクランク室３１の内圧に比してＵ字経路４０に形成される油柱差ΔＨの分だけ低く維持される。そして、ディーゼル機関の運転条件や大気圧の変動によって、フレーム２１内外の圧力差が増えればＵ字経路４０内に多くの潤滑油が溜まって油柱差ΔＨが大きくなる。一方、フレーム２１内外の圧力差が減ればその分だけＵ字経路４０内の潤滑油がクランク室３１へ戻されて油柱差ΔＨが小さくなる。こうして、フレーム２１内外の圧力の変動を自動調整しつつ、Ｕ字経路４０内の潤滑油が連通口４０cからクランク室３１へ戻されるのである。

また、上記クランク軸２２が回転することによって、油切カバー２５の環状面３４と鍔２８の側面２９との間の隙間における連通経路４１の開口付近の潤滑油を含む空気が、鍔２８の回転に伴う遠心力によって径方向にクランク室３１側に飛ばされる。そして、それによる吸引力によって、連通経路４１,Ｕ字経路４０の上部および環状溝３９内の潤滑油を含む空気がクランク室３１側に引き込まれ、連通経路４１,Ｕ字経路４０の上部および環状溝３９内が積極的に負圧にされる。

その結果、上記環状溝３９内の圧力をラビリンスシール３６よりもフランジ２３側の圧力(大気圧)よりも連通経路４１が無い場合に比してより低めることができ、Ｕ字経路４０内にクランク室３１と環状溝３９との内圧差分の油柱差ΔＨを形成することができ、シール部の負圧を保つことができる。

また、上記連絡経路４１の一端は径方向内側の環状溝３９に向いており、連通経路４１における環状面３４に開口する上記他端を、Ｕ字経路４０の上端部に連通する上記一端よりも径方向外側に位置するように形成している。したがって、連通経路４１内の潤滑油を含む空気が、油切カバー２５の環状面３４と鍔２８の側面２９との隙間内の潤滑油を含む空気が遠心力によって径方向外側に飛ばされる際の吸引力によって、クランク室３１側によりスムーズに引き込まれるようにできる。

上述したように、上記シール部を負圧に保つことによって、上記シール部がシールされる。しかしながら、上記シール部を負圧に保ってもクランク軸２２の表面を潤滑油が伝わって来る場合がある。そこで、クランク軸２２の表面を伝わって軸端に向かう潤滑油は、クランク軸２２に設けられた突起４３の回転に伴う遠心力によって環状溝３９内に向かって飛ばすようにしている。さらに、突起４３によって飛ばされずにクランク軸２２の表面をさらに軸端に向かって伝わろうとする潤滑油は、後段のラビリンスシール３６によって捕集される。

また、上述したように、上記Ｕ字経路４０における屈曲部４０aとクランク室３１への連通口４０cとの間の距離Ｈを３cm以上に設定している。このように、距離Ｈを３cm以上に設定することによって、以下のような効果を奏する。

すなわち、起動前には、上記クランク室３１内の圧力と環状溝３９内の圧力とは共に大気圧であって等しく、油柱差ΔＨは０である。そして、起動後であってＵ字経路４０内の潤滑油が増加する前およびクランク室３１内圧力の変動時には、クランク室３１内圧力が大気圧よりも大きくなり、Ｕ字経路４０内の潤滑油における連通口４０c側の油面がクランク室３１内の圧力によって押されて低下する。その場合、距離Ｈが３cmを下回る場合には、連通口４０c側の油面がＵ字経路４０の屈曲部４０aに至り、潤滑油のミストを含むクランク室３１内の空気が気泡となってＵ字経路４０内の潤滑油を通過して、潤滑油のミストを含む圧力が環状溝３９を介してラビリンスシール３６側に抜けて、潤滑油漏れが生ずる場合がある。

本実施の形態においては、上記Ｕ字経路４０における屈曲部４０aとクランク室３１への連通口４０cとの間の距離Ｈを、３cm以上に設定している。大型ディーゼル機関であれば、一般にミストを含むクランク室圧力が３０mmＡgを超えることはない。したがって、Ｕ字経路４０内の潤滑油における連通口４０c側の油面が、クランク室３１内の圧力によって押されてＵ字経路４０の屈曲部４０aに至ることはなく、潤滑油のミストを含むクランク室３１内の圧力がＵ字経路４０内の潤滑油を超えて抜けることがない。すなわち、本実施の形態によれば、潤滑油のミストを含む圧力が環状溝３９を介してラビリンスシール３６側に抜けて、潤滑油漏れが生ずるのを防止できるのである。

その後、上記環状溝３９に流れ込んだ潤滑油が連通口４０bからＵ字経路４０に入り込んでＵ字経路４０内の潤滑油が増加していくと、やがて連通口４０c側の油面が連通口４０cまで押し戻される。

以上のごとく、本実施の形態においては、上記油切カバー２５のクランク軸２２の挿通穴の周囲における環状面３４とラビリンスシール３６との間に環状溝３９を設け、油切カバー２５内に、一端が環状溝３９の下部に開口する一方、他端がこの開口よりも径方向外側でクランク室３１(フレーム２１内)に開口するＵ字経路４０を、径方向に設ける。そして、油切カバー２５内に、一端がＵ字経路４０の上端部に開口する一方、他端が環状面３４に開口する連通経路４１を設けている。したがって、油切カバー２５の環状面３４と鍔２８の側面２９との間の隙間における連通経路４１の開口付近の潤滑油を含む空気が、遠心力によってクランク室３１側に飛ばされるに伴う吸引力によって、連通経路４１,Ｕ字経路４０の上部および環状溝３９内の潤滑油を含む空気がクランク室３１側に引き込まれて、連通経路４１,Ｕ字経路４０の上部および環状溝３９内が積極的に負圧にされる。

その結果、上記環状溝３９内の圧力を連通経路４１が無い場合に比してより低めることができ、Ｕ字経路４０内の潤滑油のミスト圧力がラビリンスシール３６のラビリンス溝３５に掛かることを防止できる。そのうえ、クランク軸２２とラビリンスシール３６との境界部での潤滑油のミストを含む空気の流れを、ラビリンスシール３６の外側から環状溝３９側に向かう流れにすることができる。こうして、Ｕ字経路４０内の潤滑油の逆流に伴う潤滑油の外部への噴き出しを確実に防止できる。

すなわち、本実施の形態によれば、上記クランク軸２２の突出端部に大径のフランジ２３があるため、オイルシールの使用が難しいディーゼル機関であっても、上述の非接触形のクランク軸端シール構造で潤滑油の漏れ出しを確実に阻止でき、オイルシールの場合のような摩耗の問題もないので、シール構造の耐用寿命を大幅に延ばすことができるのである。

尚、上記実施の形態においては、上記環状溝３９を、油切カバー２５に形成された環状の凹部３９をラビリンスシール３６の側面で塞ぐことによって形成している。しかしながら、油切カバー２５内におけるラビリンスシール３６の近傍にラビリンスシール３６とは独立して形成しても構わない。

また、上記実施の形態においては、この発明をディーゼル機関に適用した場合を例に説明している。しかしながら、この発明は、ディーゼル機関のみならず、種々の内燃機関のクランク軸端のシールに適用できることは言うまでもない。

２１…フレーム、
２２…クランク軸、
２３…フライホイール連結用のフランジ、
２５…油切カバー、
２８…鍔、
２９…鍔の側面、
３１…クランク室、
３４…環状面、
３５,４２…ラビリンス溝、
３６…ラビリンスシール、
３９…環状溝、
４０…Ｕ字経路、
４１…連通経路、
４３…突起。

Claims (3)

1. フレームから突出すると共に、鍔を有するクランク軸と、
   上記クランク軸の端部の外周を覆ってシールする油切カバーと
   を備え、
   上記油切カバーは、
   上記クランク軸の鍔の一側面に対向して近接する環状面と、
   上記クランク軸における上記鍔よりも上記端部側をシールするラビリンスシールと、
   上記環状面と上記ラビリンスシールとの間に設けられて、上記クランク軸を取り巻く環状溝と、
   径方向に設けられると共に、一端が上記環状溝の下部に開口する一方、他端がこの開口よりも径方向外側で上記フレーム内に開口するＵ字経路と、
   一端が上記Ｕ字経路の上端部に開口する一方、他端が上記環状面に開口する連通経路と
   を備え、
   上記連通経路の上記一端は、径方向内側の上記環状溝に向いており、
   上記連通経路における上記他端は、上記一端よりも径方向外側に位置している
   ことを特徴とするクランク軸端のシール構造。
2. 請求項１に記載のクランク軸端のシール構造において、
   上記Ｕ字経路における屈曲部と上記他端との間の距離は３cm以上である
   ことを特徴とするクランク軸端のシール構造。
3. 請求項１あるいは請求項２に記載のクランク軸端のシール構造において、
   上記クランク軸における上記環状溝に対向する位置に設けられた環状の突起を備えた
   ことを特徴とするクランク軸端のシール構造。

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