JP5760631B2 - クランクシャフトの軸受け構造 - Google Patents

Description

この発明は、シリンダブロックの下面においてクランクキャップとの協働のもとにクランクシャフトを回転可能に軸支するクランクシャフトの軸受け構造に関する。

一般に、シリンダブロックの下面には、ピストンの往復運動を回転運動にかえるクランクシャフトをクランクキャップとの協働のもとに軸支するための構造、すなわち軸受け構造が設けられている。このクランクシャフトの軸受け構造は、例えば図８に示すように、それぞれ半円形の開口部を有するシリンダブロック１００の下面１１０とクランクキャップ１２０とをボルト１３０により締結して形成される円形の支持部１４０にて、クランクシャフト１５０を回転可能に支持するように構成される。

このような状態でクランクシャフト１５０が回転すると、クランクシャフト１５０の軸受け部には、主に、コンロッドやクランクシャフトによる回転運動の慣性力に起因した斜め向きの力（図８の矢印ａ）と、これらの慣性力とピストンの爆発による荷重に起因した下向きの力（図８の矢印ｂ）が作用することとなる。そこで従来は、これらの応力によって部品に亀裂等が生じることを抑えるために、クランクキャップ１２０の側面上部に応力緩和溝を設けることなども提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００８−２１５５３２号公報

ところで、強度や生産コスト等の観点から、通常、シリンダブロックにはアルミニウム合金が、またクランクキャップには鋳鉄がそれぞれ使用される。そしてこの場合、上述のように、クランクキャップに応力緩和溝を設けたとしても、鋳鉄よりも強度の低いアルミニウム合金からなるシリンダブロック側に働く応力の緩和効果は十分とは言えない。特に、図８に矢印ａで示したような斜めの力が加わった場合、クランクキャップの撓みにより、シリンダブロックの該クランクキャップとの接合面付近への大きな応力の印加が避けられない。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、シリンダブロックへの応力集中を緩和して耐久性の更なる向上を図ることのできるクランクシャフトの軸受け構造を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。

請求項１に記載の発明は、シリンダブロックの下面と、該シリンダブロックの下面に固定されたクランクキャップとによりクランクシャフトを回転可能に軸支するクランクシャフトの軸受け構造において、前記シリンダブロックの下面の前記クランクキャップと接する部分における前記クランクシャフトに直交する両側に、前記クランクキャップのエッジ部が接する位置から外側に一定の距離をおいて凹部が形成されており、前記凹部の前記シリンダブロックの下面から見た平面形状が、曲線を含む一本の線によって囲まれた二次元的に閉じた形状からなることを要旨とする。

上記構成によれば、シリンダブロックの下面のクランクキャップとの接合面にかかる応力の集中を緩和することができ、ひいては、クランクシャフトの軸受け構造における耐久性の更なる向上を図ることが可能となる。
また、上記構成によれば、コンロッドやクランクシャフトの回転運動の慣性力に起因した斜め向きの力に対する強度を確保しながら、シリンダブロックの下面への応力の集中を緩和することが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のクランクシャフトの軸受け構造において、前記一定の距離が、前記クランクキャップとの接合面に集中する応力を前記凹部に逃がし得る距離として設定されていることを要旨とする。

上記構成によれば、シリンダブロックの下面のクランクキャップとの接合面にかかる応力を適切に分散することが可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のクランクシャフトの軸受け構造において、前記凹部の前記二次元的に閉じた形状が、前記クランクシャフトと平行な方向に長い長円であることを要旨とする。

上記構成によれば、凹部に発生する応力の分布が偏って凹部内で応力が局所的に集中することを緩和することができるようになる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のクランクシャフトの軸受け構造において、前記凹部の底面は、曲面からなることを要旨とする。

上記構成によれば、凹部の内部の応力分布が偏って凹部の内部で応力が局所的に集中することを緩和することができるようになる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載のクランクシャフトの軸受け構造において、前記シリンダブロックがアルミニウム合金からなり、前記クランクキャップが鋳鉄からなることを要旨とする。

上記構成によれば、シリンダブロックとクランクキャップの材質が異なっても、特にシリンダブロック側の強度がクランクキャップ側より低い場合であっても、シリンダブロック側に発生する応力集中を適切に緩和することができるようになる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載のクランクシャフトの軸受け構造において、前記シリンダブロックは直列４気筒型のエンジンに用いられるものであり、前記凹部は、両端及び中央のクランクキャップにそれぞれ対応して形成されていることを要旨とする。

上記構成によれば、先の図８に矢印ａで示したような斜めの力が特に大きく加わる部分に対して、効率よく応力集中の緩和を図ることが可能となる。

この発明にかかるクランクシャフトの軸受け構造の一実施の形態について、その全体の斜視構造を分解して示す斜視図。 同実施の形態にかかるクランクシャフトの軸受け構造の平面構造を示す平面図。 図２のＡ−Ａ線に沿った断面構造を示す断面図。 （ａ）は、クランクシャフトの軸受け構造として、凹部を有さない場合のシリンダブロック下面における応力の分布を模式的に示した応力分布図。（ｂ）は、同じくクランクシャフトの軸受け構造として、凹部を有する場合、すなわち同実施の形態のシリンダブロック下面における応力の分布を模式的に示した応力分布図。 （ａ）は、図４（ａ）および（ｂ）におけるＡ１−Ａ２線上での応力の大きさの変化を示すグラフ。（ｂ）は、図４（ｂ）におけるＢ１−Ｂ２線上での応力の大きさの変化を示すグラフ。 クランクシャフトの軸受け構造として、上記実施の形態との第１の比較例について、その平面構造を示す平面図。 クランクシャフトの軸受け構造として、上記実施の形態との第２の比較例について、その平面構造を示す平面図。 クランクシャフトの軸受け構造としての基本構造についてその断面構造を示す断面図。

（実施の形態）
以下、この発明にかかるクランクシャフトの軸受け構造の一実施の形態について、図１〜図５を参照して説明する。

まず、この実施の形態にかかるクランクシャフトの軸受け構造について、図１〜図３を参照して説明する。なお、図１〜図３では、便宜上、クランクシャフトの図示を省略している。

図１に示すように、この実施の形態にかかるクランクシャフトの軸受け構造は、直列４気筒型で５つの軸受け部を有するエンジンに適用されている。ちなみに、このクランクシャフトの軸受け構造において、シリンダブロック１０はアルミニウム合金からなり、その下面１１に、鋳鉄からなるクランクキャップ２０がボルト３０によって固定されている。そして、これらシリンダブロック１０とクランクキャップ２０とにより形成される円形の支持部４０にて、図示しないクランクシャフトが回転可能に軸支される。

ここで、この実施の形態では特に、図２に示すように、上記シリンダブロック１０の下面１１に凹部１１ａが形成されている。詳しくは、上述した５つの軸受け部のうち、両端および中央の軸受け部について、シリンダブロック１０の下面１１のクランクキャップ２０と接する部分におけるクランクシャフトと直交する両側に、凹部１１ａが形成されている。

この凹部１１ａは、シリンダブロック１０の下面１１から見た平面形状がクランクシャフトと平行な方向に長い長円となっており、クランクキャップ２０のクランクシャフトと直交する方向の中心線の延長線上に形成されている。また。図３に示すように、凹部１１ａは、クランクキャップ２０のエッジ部２１がシリンダブロック１０の下面１１と接する位置から外側に一定の距離をおいて形成され、その底面は曲面からなっている。

この実施の形態では、このような凹部１１ａを形成することにより、シリンダブロック１０の下面１１のクランクキャップ２０との接合面に集中する応力を分散させるようにしている。

次に、こうした応力の分散の態様を中心に、この実施の形態にかかるクランクシャフトの軸受け構造の作用について説明する。

図４（ａ）に応力分布を示すように、クランクシャフトの軸受け構造として、上記凹部１１ａがない場合、シリンダブロック１０の下面１１では、クランクキャップ２０のエッジ部２１が接する位置Ｓとボルト孔１１ｂとの間に、中央の領域Ｐｘを頂点として応力が集中する。これに対し、図４（ｂ）に同じく応力分布を示すように、同クランクシャフトの軸受け構造として、上記凹部１１ａがある場合、エッジ部２１が接する位置Ｓとボルト孔１１ｂとの間では、応力の頂点が領域Ｐ１と領域Ｐ２の２つに分かれ、さらに、凹部１１ａの内部にも応力の頂点となる領域Ｐ３ができる。

これらの応力の値をＡ１−Ａ２間、Ｂ１−Ｂ２間でそれぞれグラフに表すと、図５（ａ）に示すように、領域Ｐｘの応力値よりも領域Ｐ１，Ｐ２の応力値のほうが低く、また、図５（ｂ）に示すように、領域Ｐ３の応力値も領域Ｐ１，Ｐ２の応力値と同程度となっていることがわかる。すなわち、凹部１１ａがない場合には領域Ｐｘに集中していた応力が、凹部１１ａを形成することによって、領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の三箇所に分散されるようになる。

このように、凹部１１ａを形成することにより、シリンダブロック１０の下面１１のクランクキャップ２０との接合面に集中する応力が凹部１１ａに逃がされ、応力の集中が緩和される。これは、シリンダブロック１０の下面１１に凹部１１ａを設けることにより、シリンダブロック１０の変形が許容されて剛性が低下する、いわゆる柔構造となって、応力が分散されるためであると考えられる。

しかもこのとき、凹部１１ａの平面形状を長円とし、その底面を曲面としたことで、これによっても、凹部１１ａの内部の応力分布に偏りが生じて応力が局所的に集中することを緩和している。

続いて、図６および図７に示す比較例を併せ参照して、同実施の形態にかかるクランクシャフトの軸受け構造の作用について更に詳述する。

図６には、スリット状の凹部５１ａ、すなわちシリンダブロック１０の下面１１から見た平面形状が一本の線によって囲まれた二次元的に閉じた形状とならない凹部５１ａが形成された第１の比較例を示す。この第１の比較例にあっては、シリンダブロック１０の下面１１における応力の集中は緩和されるものの、シリンダブロック１０の変形の許容量が過大となるため、特に前述のコンロッドやクランクシャフトによる回転運動の慣性力に起因した斜め向きの力に対する強度が不十分となる。したがって、図６に矢印Ｃで示す位置から亀裂が生じる虞がある。

これに対し、上述の実施の形態では、凹部１１ａのシリンダブロック１０の下面１１から見た平面形状を、一本の線によって囲まれた二次元的に閉じた形状、特に長円としたことで、クランクシャフト等の慣性力に起因した斜め向きの力に対する強度を確保しながら、シリンダブロック１０の下面１１への応力の集中を緩和することを可能としている。

また、図７には、クランクキャップ２０のエッジ部２１がシリンダブロック１０の下面１１と接する位置Ｓと重なる位置に凹部６１ａが形成された第２の比較例を示す。この第２の比較例にあっては、凹部６１ａが形成されることにより、クランクキャップ２０のエッジ部２１がシリンダブロック１０の下面１１と接する部分が減少し、図７に矢印Ｄで示す部分に限られるようになる。そのため、この矢印Ｄで示す部分に加わる応力が大きくなり、上述の実施の形態のような応力緩和効果は得られない。

この点、上述の実施の形態では、凹部１１ａが、シリンダブロック１０の下面１１のクランクキャップ２０のエッジ部２１と接する位置から外側に一定の距離をおいて形成されているため、先の図４（ｂ）に示したように、シリンダブロック１０の下面１１への応力が３箇所に分散される。すなわちこの一定の距離は、応力が３つの領域（領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）に均等に分散されるような距離に設定することが望ましい。

なお、上述の実施の形態では、エンジンの５つの軸受け部のうち、両端および中央のクランクキャップ２０にそれぞれ対応して凹部１１ａを設けるようにした。これは、直列４気筒型のエンジンの場合、両端（１番、４番）のピストンとその間のピストン（２番、３番）の動きのずれにより、１番と２番、３番と４番のピストン間のそれぞれに対応する軸受け部では、コンロッドやクランクシャフトによる回転運動の慣性力が相殺されるためである。

すなわち、これらの軸受け部では、クランクシャフト等の回転運動の慣性力に起因した斜め向きの力は小さく、専らピストンの爆発による荷重に起因した下向きの力が働く。これに対し、両端および中央の軸受け部では、クランクシャフト等の回転運動の慣性力が大きいため、斜め向きの力も大きい。そして前述のように、このような斜めの力が加わった場合、クランクキャップ２０の撓みにより、シリンダブロック１０の該クランクキャップ２０との接合面付近に大きな応力が印加される。したがって、これらの軸受け部に凹部１１ａを設けるようにすれば、より適切に応力の緩和効果を得ることができるようになる。

以上説明したように、この実施の形態にかかるクランクシャフトの軸受け構造によれば、以下に列記するような効果が得られるようになる。

（１）シリンダブロック１０の下面１１のクランクキャップ２０と接する部分におけるクランクシャフトに直交する両側に、クランクキャップ２０のエッジ部２１が接する位置から外側に一定の距離をおいて凹部１１ａを形成するようにした。これにより、シリンダブロック１０の下面１１のクランクキャップ２０との接合面にかかる応力を分散し、その集中を緩和することができ、ひいては、クランクシャフトの軸受け構造における耐久性の更なる向上を図ることが可能となる。

（２）シリンダブロック１０の下面１１のクランクキャップ２０のエッジ部２１が接する位置と凹部１１ａの間の一定の距離を、クランクキャップ２０との接合面に集中する応力を凹部１１ａに逃がし得る距離として設定するようにした。これにより、シリンダブロック１０の下面１１のクランクキャップ２０との接合面にかかる応力を適切に分散することが可能となる。

（３）凹部１１ａのシリンダブロック１０の下面１１から見た平面形状を、曲線を含む一本の線によって囲まれた二次元的に閉じた形状に形成した。これにより、コンロッドやクランクシャフトの回転運動の慣性力に起因した斜め向きの力に対する強度を確保しながら、シリンダブロック１０の下面への応力の集中を緩和することが可能となる。

（４）特に、凹部１１ａの二次元的に閉じた形状を、クランクシャフトと平行な方向に長い長円に形成した。これにより、凹部１１ａに発生する応力の分布が偏って応力が局所的に集中することを緩和することができる。

（５）凹部１１ａの底面を、曲面からなるように形成した。これにより、凹部１１ａの内部の応力分布が偏って応力が局所的に集中することを緩和することができる。

（６）シリンダブロック１０がアルミニウム合金からなり、クランクキャップ２０が鋳鉄からなるエンジンに上記軸受け構造を適用した。これにより、シリンダブロック１０側に発生する応力集中を適切に緩和することができる。

（７）直列４気筒型のエンジンに用いられるシリンダブロック１０に対し、上記凹部１１ａを、両端及び中央のクランクキャップ２０にそれぞれ対応して形成するようにした。これにより、特に応力が集中する部分に対して、効率よく応力集中の緩和を図ることが可能となる。
（他の実施の形態）
なお、上記実施の形態は、以下のような形態にて実施することもできる。

・上記実施の形態では、凹部１１ａの、シリンダブロック１０の下面１１から見た平面形状を、クランクシャフトと平行な方向に長い長円に形成したが、例えば矩形等に形成してもよい。これによっても、上記（１）の効果に準じた効果を得ることはできる。

・上記実施の形態では、凹部１１ａの底面を、曲面からなるように形成したが、平面からなるように形成してもよい。これによっても、上記（１）の効果に準じた効果を得ることはできる。

・上記実施の形態では、直列４気筒型のエンジンに用いられるシリンダブロック１０に対し、凹部１１ａを、両端及び中央のクランクキャップ２０にそれぞれ対応して形成するようにしたが、全ての軸受け部に形成するようにしてもよい。また、直列４気筒型以外のエンジンに設けられるクランクシャフトの軸受け構造にこの発明を適用してもよい。

・上記実施の形態では、アルミニウム合金からなるシリンダブロック１０と、鋳鉄からなるクランクキャップ２０によって構成されるクランクシャフトの軸受け構造にこの発明を適用したが、シリンダブロックおよびクランクキャップの材料はこれに限られない。例えば、シリンダブロックおよびクランクキャップの両方が鋳鉄からなる場合にもこの発明を適用することはできる。

１０，１１０…シリンダブロック、１１…下面、１１ａ…凹部、１１ｂ…ボルト孔、２０，１２０…クランクキャップ、２１…エッジ部、３０…ボルト。

Claims (6)

1. シリンダブロックの下面と、該シリンダブロックの下面に固定されたクランクキャップとによりクランクシャフトを回転可能に軸支するクランクシャフトの軸受け構造において、
   前記シリンダブロックの下面の前記クランクキャップと接する部分における前記クランクシャフトに直交する両側に、前記クランクキャップのエッジ部が接する位置から外側に一定の距離をおいて凹部が形成されており、
   前記凹部の前記シリンダブロックの下面から見た平面形状が、曲線を含む一本の線によって囲まれた二次元的に閉じた形状からなる
   ことを特徴とするクランクシャフトの軸受け構造。
2. 前記一定の距離が、前記クランクキャップとの接合面に集中する応力を前記凹部に逃がし得る距離として設定されている
   請求項１に記載のクランクシャフトの軸受け構造。
3. 前記凹部の前記二次元的に閉じた形状が、前記クランクシャフトと平行な方向に長い長円である
   請求項１または２に記載のクランクシャフトの軸受け構造。
4. 前記凹部の底面は、曲面からなる
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のクランクシャフトの軸受け構造。
5. 前記シリンダブロックがアルミニウム合金からなり、前記クランクキャップが鋳鉄からなる
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のクランクシャフトの軸受け構造。
6. 前記シリンダブロックは直列４気筒型のエンジンに用いられるものであり、前記凹部は、両端及び中央のクランクキャップにそれぞれ対応して形成されている
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のクランクシャフトの軸受け構造。

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