JP6393209B2 - クランクシャフトの軸受構造 - Google Patents

Description

本発明は、クランクシャフトからカムシャフトに回転動力を伝達するクランクシャフトの軸受構造に関する。

クランクシャフトは、エンジンのピストンの往復運動の動力を回転運動に変換する。クランクシャフトには、軸受部によって軸支されるメインジャーナルが複数設けられ、コンロッドと連結される複数のクランクピンがメインジャーナルの中心軸に対して偏心して設けられている。クランクピンにコンロッドを介してピストンの動力が伝達すると、クランクシャフトはメインジャーナルの中心軸を回転中心として回転する。

クランクシャフトの振動を抑制するには、メインジャーナルを軸支する軸受部の軸受クリアランスを小さくすればよいが、軸受クリアランスを小さくすると軸受部の摩擦によるエネルギ損失が大きくなってしまう。そこで、例えば、特許文献１には、メインジャーナルを軸支する複数の軸受部のうちの両端に配された軸受部の軸受クリアランスを、他の軸受部の軸受クリアランスよりも小さくする構成が記載されている。

特開平７−２７１２６号公報

上述した特許文献１に記載の構成では、すべての軸受部の軸受クリアランスを小さくするよりも、摩擦によるエネルギ損失を抑えながら、クランクシャフトの振動を抑制できる。しかし、車両の燃費改善および騒音低減の要望が高まっていることから、クランクシャフトの振動と、摩擦によるエネルギ損失とをさらに抑制することが可能な技術の開発が希求されている。

そこで、本発明は、クランクシャフトの振動を抑制しつつ、摩擦によるエネルギ損失を抑制することができるクランクシャフトの軸受構造を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の、コンロッドと連結される４つのクランクピンと、クランクピンそれぞれの両隣に配される複数の軸受部によって軸支されるメインジャーナルと、を有し、カムシャフトに回転動力を伝達する動力伝達部が一端側に設けられたクランクシャフトの軸受構造であって、複数の軸受部のうち、動力伝達部側から３つ目の軸受部は、動力伝達部側から２つ目の基準軸受部よりも、軸受クリアランスが小さいことを特徴とする。

複数の軸受部のうち、最も動力伝達部側に配される軸受部は、基準軸受部よりも、軸受クリアランスが小さくてもよい。

本発明によれば、クランクシャフトの振動を抑制しつつ、摩擦によるエネルギ損失を抑制することができる。

クランクシャフトの軸受構造の概略図である。 クランクシャフトを所定回転数で回転させたときの起振力をシミュレーションした結果を示す第１のグラフである。 クランクシャフトを所定回転数で回転させたときの起振力をシミュレーションした結果を示す第２のグラフである。 軸受クリアランスと軸受荷重の関係を説明するための第１の図である。 軸受クリアランスと軸受荷重の関係を説明するための第２の図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、クランクシャフト１の軸受構造２の概略図である。図１に示すように、クランクシャフト１は、４つのクランクピン３（図１中、左側からクランクピン３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄとする）と、５つのメインジャーナル４（図１中、左側からメインジャーナル４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅとする）を有する。

クランクピン３は、コンロッド５の一端に挿通され、コンロッド５の他端側には、ピストン６（図１中、左側からピストン６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄとする）が設けられている。コンロッド５に対し、クランクピン３およびピストン６は、図１中、左右方向に平行な回転軸中心に回転自在に連結されている。

メインジャーナル４は、クランクピン３それぞれの両隣に設けられている。言い換えれば、隣り合うメインジャーナル４の間にクランクピン３が設けられている。軸受部７（図１中、左側から軸受部７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅとする）は、不図示のクランクボックスに５つ設置されており、メインジャーナル４それぞれを回転自在に軸支する。すなわち、クランクシャフト１は、軸受部７（メインジャーナル４）の中心軸を回転中心として回転可能にクランクボックスに保持されている。

ピストン６は、不図示の燃焼室における燃料の燃焼によって、図１中、上下方向に往復運動を繰り返し、クランクピン３は、コンロッド５を介して押圧および引張の荷重を受ける。クランクピン３は、クランクシャフト１の回転軸に対して偏心して設けられていることから、クランクピン３がコンロッド５からの荷重を受けると、クランクシャフト１が回転する。

クランクピン３とメインジャーナル４との間には、クランクウェブ８が設けられている。クランクウェブ８は、クランクアームとカウンターウェイトが一体化したものであって、クランクピン３とメインジャーナル４とを連結するとともに、クランクシャフト１の回転軸中心に対して偏心するクランクピン３と、つり合いを取るための重りとして機能する。

クランクシャフト１の回転軸方向の一端側（図１中、左端側）は、動力伝達部９が固定されている。ここでは、動力伝達部９は、スプロケットで構成されており、不図示のチェーンを介してカムシャフトにクランクシャフト１の回転動力を伝達する。ここでは、動力伝達部９が、スプロケットで構成される場合について説明したが、動力伝達部９は、カムシャフトにクランクシャフト１の回転動力を伝達できればよく、例えば、プーリやギヤで構成されていてもよい。

クランクシャフト１の回転軸方向の他端側（図１中、右端側）には、不図示のフライホイールを取り付けるフランジ１０が設けられている。フライホイールの重心には、クランクシャフト１の回転軸が位置しており、フライホイールの慣性モーメントによって、クランクシャフト１のトルク変動による振動を抑制する。

また、フライホイールの端面には不図示のクラッチディスクが対向して配置されており、クラッチディスクがフライホイールと当接することでクラッチが繋がる。こうして、クランクシャフト１の回転動力は、クラッチディスクを介して出力軸に伝達され、出力軸から車両の車輪に伝わることとなる。

本実施形態では、５つのメインジャーナル４を軸支する軸受部７のうち、動力伝達部９側の３つの軸受部７ａ、７ｂ、７ｃの軸受クリアランスを最適化することで、振動抑制を図っている。ここでは、現象を単純化して比較するため、軸受部７ｄ、７ｅの軸受クリアランスについては固定値を取るものとして検証した。以下、軸受部７ａ、７ｂ、７ｃの軸受クリアランスの関係について詳述する。

図２、図３は、クランクシャフト１を所定回転数で回転させたときの起振力をシミュレーションした結果を示すグラフであり、横軸はクランク角（ｄｅｇ）を示し、縦軸は起振力（Ｎ）を示す。ここでは、クランクシャフト１の振動と相関の高い起振力を比較することで、各条件における振動の大きさを比較する。また、クランク角が０〜７２０度の範囲で最も起振力の変化が大きい角度範囲を抽出して示す。

図２では、軸受部７ａ、７ｂ、７ｃの軸受クリアランスが等しい凡例Ｚに対し、軸受部７ａの軸受クリアランスを小さく変更した例を凡例Ａ、軸受部７ｂ（基準軸受部）の軸受クリアランスを小さく変更した例を凡例Ｂ、軸受部７ｃの軸受クリアランスを小さく変更した例を凡例Ｃとする。

図２に示すように、凡例Ｃが、最も起振力が小さく抑えられている。すなわち、軸受部７ｃの軸受クリアランスを他の軸受部７ａ、７ｂの軸受クリアランスよりも小さくすることで、クランクシャフト１の振動が抑制できることがわかる。このように、軸受部７ｃの軸受クリアランスのみを小さくすることで、クランクシャフト１の振動を抑制しつつ、軸受部７ａ、７ｂ、７ｃの軸受クリアランスをすべて小さくする場合に比べて、摩擦によるエネルギ損失を抑制することが可能となる。

また、図３では、図２において最もよい結果が導出された凡例Ｃを比較対象として示す。その他の凡例として、基本条件となる凡例Ｚに対し、軸受部７ａ、７ｂの軸受クリアランスを小さく変更した例を凡例ＡＢ、軸受部７ｂ、７ｃの軸受クリアランスを小さく変更した例を凡例ＢＣ、軸受部７ａ、７ｃの軸受クリアランスを小さく変更した例を凡例ＡＣとする。

図３に示すように、２つの軸受部７の軸受クリアランスを小さくしたにもかかわらず、凡例ＡＢ、ＢＣでは、１つの軸受部７ｃのみの軸受クリアランスを小さくした凡例Ｃよりも、起振力が大きくなってしまうことがわかる。一方で、凡例Ｃに対し、凡例ＡＣは起振力が一層小さく抑えられている。このように、軸受部７ａ、７ｃの軸受クリアランスを小さくすることにより、さらなる振動抑制と摩擦によるエネルギ損失の抑制を両立できる。

上記のように、凡例Ｃ、凡例ＡＣが振動抑制に効果的であることがシミュレーションによってわかった。以下では、凡例Ｃ、凡例ＡＣが振動抑制に効果的である理由について説明する。

まず、振動発生のメカニズムについて簡単に説明する。ピストン６、コンロッド５、クランクシャフト１、軸受部７などの各構成部が剛体であって、軸受クリアランスが０の場合、燃焼室における燃料の燃焼（爆発）による爆発荷重がピストン６に作用すると、同時に、クランクシャフト１から軸受部７に軸受荷重が作用する。この爆発荷重と軸受荷重は釣り合うことから、振動は生じない。

しかし、実際には各構成部は弾性変形する上、軸受クリアランスもあることから、爆発荷重と軸受荷重は、タイミングや大きさに差異が生じる。そのため、爆発荷重と軸受荷重が釣り合わず不釣り合い力が発生することとなる。この不釣り合い力によって振動が発生する。

そこで、各軸受部７において、爆発荷重と軸受荷重のタイミングを近づけ不釣り合い力の発生を抑えることで振動を抑制させることが考えられる。例えば、４サイクルの４気筒エンジンの場合、クランクシャフト１が２回転する間に、各ピストン６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄに１回ずつ爆発荷重が作用することとなる。そのいずれにおいても軸受荷重が発生（極大化）する。

これらのうち、軸受部７ａ、７ｂ、７ｃの振動に対して影響が大きい爆発荷重は、軸受部７ａ、７ｂ、７ｃの間に位置するピストン６ａ、ピストン６ｂに作用するものである。そこで、ピストン６ａに爆発荷重が作用したときの不釣り合い力と、ピストン６ｂに爆発荷重が作用したときの不釣り合い力を比較すると、後者の方が大きいことが計算により特定された。

すなわち、ピストン６ｂに作用する爆発荷重が、軸受部７ａ、７ｂ、７ｃの振動に対して最も影響が大きいこととなる。このピストン６ｂに作用する爆発荷重について、軸受部７ａ、７ｂ、７ｃにおける軸受荷重の極大化のタイミングに対する爆発荷重の発生タイミングのずれ、および、ずれを抑えて振動が抑制される原理をシミュレーション結果に基づいて説明する。

図４、図５は、軸受クリアランスと軸受荷重の関係を説明するための図であり、軸受部７ａ、７ｂ、７ｃおよびクランクシャフト１を簡略化するとともに、軸受部７ｄ、７ｅおよびクランクシャフト１のうちのフランジ１０側の図示を省略する。また、図４、５中、ピストン６ｂの爆発荷重がクランクシャフト１に作用する向きおよび位置を白抜き矢印で示す。

図４（ａ）は、軸受部７ａ、７ｂ、７ｃの軸受クリアランスが等しい凡例Ｚの構成を示し、図４（ｂ）は、軸受部７ａの軸受クリアランスが軸受部７ｂ、７ｃの軸受クリアランスよりも小さい凡例Ａの構成を示す。また、図４（ｃ）は、軸受部７ｂの軸受クリアランスが軸受部７ａ、７ｃの軸受クリアランスよりも小さい凡例Ｂの構成を示し、図４（ｄ）は、軸受部７ｃの軸受クリアランスが軸受部７ａ、７ｂの軸受クリアランスよりも小さい凡例Ｃの構成を示す。

図４（ａ）に示すように、軸受部７ａ、７ｂ、７ｃの軸受クリアランスが等しいとき、ピストン６ｂの爆発荷重の発生タイミングよりも早く、軸受部７ｂの図４中、上側の内周面１１ｂとクランクシャフト１とのクリアランスが極小化して、軸受部７ｂにおける軸受荷重が局所的に極大化することがわかった。すなわち、軸受部７ｂにおける軸受荷重の極大化のタイミングは、ピストン６ｂの爆発荷重の発生タイミングよりも早いことなる。

また、ピストン６ｂの爆発荷重の発生タイミングの後、軸受部７ｃの図４中、上側の内周面１１ｃとクランクシャフト１とのクリアランスが極小化して、軸受部７ｃにおける軸受荷重が局所的に極大化することがわかった。すなわち、軸受部７ｃにおける軸受荷重の極大化のタイミングは、ピストン６ｂの爆発荷重の発生タイミングよりも遅いことなる。

このとき、軸受部７ｂ、７ｃのいずれにおいても不釣り合い力が発生し、不釣り合い力に起因する振動が生じている。ここで、図２に示したように、凡例Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｚを比較すると、振動が小さい順に、凡例Ｃ（図４（ｄ））、凡例Ａ（図４（ｂ））、凡例Ｚ（図４（ａ））、凡例Ｂ（図４（ｃ））となった。

図４（ｃ）に示す凡例Ｂでは、軸受部７ｂの軸受クリアランスが小さいことから、凡例Ｚよりも早く、クランクシャフト１と、軸受部７ｂの内周面１１ｂとのクリアランスが極小化する。そうすると、軸受部７ｂにおける軸受荷重の極大化のタイミングは、ピストン６ｂの爆発荷重の発生タイミングよりも一層早くなり、不釣り合い力が増加してしまう。その結果、凡例Ｚよりも振動が大きくなる。

図４（ｂ）に示す凡例Ａでは、軸受部７ａの軸受クリアランスが小さく、クランクシャフト１は、クランクシャフト１の剛性に逆らって曲げ変形しながら軸受部７ｂの内周面１１ｂに近づくこととなる。そのため、曲げ変形する分だけ、軸受部７ｂにおける軸受荷重の極大化のタイミングが遅くなり、ピストン６ｂの爆発荷重の発生タイミングに近づくことから、不釣り合い力が抑制される。その結果、凡例Ｂ、Ｚよりも振動が小さく抑えられる。

図４（ｄ）に示す凡例Ｃでは、軸受部７ｃの軸受クリアランスが小さく、クランクシャフト１は、凡例Ａと同様、クランクシャフト１の剛性に逆らって曲げ変形しながら軸受部７ｂの内周面１１ｂに近づくこととなる。そのため、曲げ変形する分だけ、軸受部７ｂにおける軸受荷重の極大化のタイミングが遅くなり、ピストン６ｂの爆発荷重の発生タイミングに近づくことから、不釣り合い力が抑制される。

また、凡例Ｃでは、軸受部７ｃの軸受クリアランスが小さいことから、凡例Ａよりも早く、クランクシャフト１と、軸受部７ｃの内周面１１ｃとのクリアランスが極小化する。そのため、軸受部７ｃにおける軸受荷重の極大化のタイミングは、ピストン６ｂの爆発荷重の発生タイミングに近づき、不釣り合い力が抑制される。その結果、凡例Ａよりも振動が小さく抑えられる。

図５（ａ）は、図４（ｄ）と同様、軸受部７ｃの軸受クリアランスが軸受部７ａ、７ｂの軸受クリアランスよりも小さい凡例Ｃの構成を示し、図５（ｂ）は、軸受部７ａ、７ｂの軸受クリアランスが軸受部７ｃの軸受クリアランスよりも小さい凡例ＡＢの構成を示す。また、図５（ｃ）は、軸受部７ａ、７ｃの軸受クリアランスが軸受部７ｂの軸受クリアランスよりも小さい凡例ＡＣの構成を示し、図５（ｄ）は、軸受部７ｂ、７ｃの軸受クリアランスが軸受部７ａの軸受クリアランスよりも小さい凡例ＢＣの構成を示す。

図５（ａ）に示すように、軸受部７ｃの軸受クリアランスが小さいとき、上記のように、不釣り合い力が抑えられ振動が抑制される。しかし、ピストン６ｂの爆発荷重の発生タイミングよりも、軸受部７ｂにおける軸受荷重の極大化のタイミングの方が、まだ早いことがわかった。

ここで、図３に示したように、凡例Ｃ、ＡＢ、ＡＣ、ＢＣを比較すると、振動が小さい順に、凡例ＡＣ（図５（ｃ））、凡例Ｃ（図５（ａ））、凡例ＢＣ（図５（ｄ））、凡例ＡＢ（図５（ｂ））となった。

図５（ｂ）に示す凡例ＡＢでは、軸受部７ｃの軸受クリアランスが大きいことから、凡例Ｃよりも、クランクシャフト１と、軸受部７ｃの内周面１１ｃとのクリアランスが極小化するタイミングが遅くなる。また、軸受部７ｂの軸受クリアランスが小さいことから、凡例Ｃよりも早く、クランクシャフト１と、軸受部７ｂの内周面１１ｂとのクリアランスが極小化する。その結果、軸受部７ｂ、７ｃのいずれにおいても、凡例Ｃよりも大きな不釣り合い力が発生し、凡例Ｃよりも振動が大きくなる。

図５（ｄ）に示す凡例ＢＣでは、軸受部７ｃについては、凡例Ｃと同様、軸受クリアランスが小さいことから、不釣り合い力が抑制される。一方、軸受部７ｂの軸受クリアランスが小さいことから、凡例Ｃよりも、クランクシャフト１と、軸受部７ｂの内周面１１ｂとのクリアランスが極小化するタイミングが早くなり、軸受部７ｂの不釣り合い力が大きくなる。その結果、凡例ＡＢより振動が抑制されるものの、凡例Ｃより振動が大きくなる。

図５（ｃ）に示す凡例ＡＣでは、軸受部７ｃについては、凡例Ｃと同様、軸受クリアランスが小さいことから、不釣り合い力が抑制される。また、軸受部７ａ、７ｃの軸受クリアランスが小さいことから、凡例Ｃよりも曲げ変形し難くなり、クランクシャフト１と、軸受部７ｂの内周面１１ｂとのクリアランスが極小化するタイミングがさらに遅くなる。そのため、軸受部７ｂにおける軸受荷重の極大化のタイミングが遅くなり、ピストン６ｂの爆発荷重の発生タイミングにさらに近づく。こうして、凡例Ｃよりも不釣り合い力が抑制される。その結果、凡例Ｃよりも振動が小さく抑えられる。

なお、軸受部７ａについては、図４、図５に示すいずれの凡例の構成であっても、軸受荷重の極大化のタイミングが、ピストン６ｂの爆発荷重の発生タイミングに対して大きくずれておらず振動への影響が小さいため説明は省略する。

上述したように、凡例Ｃおよび凡例ＡＣにおいては、動力伝達部９側から３つ目の軸受部７ｃが、動力伝達部９側から２つ目の軸受部７ｂよりも、軸受クリアランスが小さい。その結果、不釣り合い力が抑えられ、クランクシャフト１の振動を抑制しつつ、軸受部７ａ、７ｂ、７ｃの軸受クリアランスをすべて小さくする場合に比べて、摩擦によるエネルギ損失を抑制することが可能となる。

さらに、凡例ＡＣにおいては、最も動力伝達部９側に配される軸受部７ａが、軸受部７ｂよりも、軸受クリアランスが小さい。その結果、不釣り合い力がさらに抑えられ、クランクシャフト１のさらなる振動抑制が可能となる。

また、上述した実施形態では、クランクシャフト１の回転軸方向の他端側にフライホイールが設けられる場合について説明した。しかし、クランクシャフト１の回転軸方向の他端側には、フライホイールの代わりにトルクコンバータが設けられてもよい。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例又は修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

本発明は、クランクシャフトからカムシャフトに回転動力を伝達するクランクシャフトの軸受構造に利用できる。

１ クランクシャフト
２ 軸受構造
３、３ａ、３ｂ クランクピン
４、４ａ、４ｂ、４ｃ メインジャーナル
５ コンロッド
７、７ａ、７ｃ 軸受部
７ｂ 軸受部（基準軸受部）
９ 動力伝達部

Claims (2)

1. コンロッドと連結される４つのクランクピンと、該クランクピンそれぞれの両隣に配される複数の軸受部によって軸支されるメインジャーナルと、を有し、カムシャフトに回転動力を伝達する動力伝達部が一端側に設けられたクランクシャフトの軸受構造であって、
   前記複数の軸受部のうち、前記動力伝達部側から３つ目の軸受部は、該動力伝達部側から２つ目の基準軸受部よりも、軸受クリアランスが小さいことを特徴とするクランクシャフトの軸受構造。
2. 前記複数の軸受部のうち、最も前記動力伝達部側に配される軸受部は、前記基準軸受部よりも、軸受クリアランスが小さいことを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフトの軸受構造。

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