JP6624171B2 - カウンタウエイト及び該カウンタウエイトを備えたクランク軸 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジンのクランク軸に設けられるカウンタウエイト、及び該カウンタウエイトを備えたクランク軸に関するものである。
従来より、エンジンのクランク軸にカウンタウエイトを設けて、アンバランス量により往復系の慣性力を打ち消すことが行われている（例えば特許文献１参照）。
特許５８４１９７７号公報
ところで、クランク軸の軽量化を達成するために、カウンタウエイトの形状を調整すると、クランク軸の鍛造成形時におけるカウンタウエイト部分の充填性が低下するという問題があった。
そこで本発明では、クランク軸の軽量化とクランク軸の鍛造成形時のカウンタウエイト部分の充填性向上とを両立可能なカウンタウエイト及び該カウンタウエイトを備えたクランク軸をもたらすことを目的とする。
ここに開示するカウンタウエイトは、エンジンの鍛造一体成形品であるクランク軸を形成するカウンタウエイトであって、前記クランク軸のクランクジャーナルとクランクピンとを接続するアーム部と、前記アーム部における前記クランクジャーナルとの接続部から反クランクピン側に延設されたネック部と、前記ネック部の反クランクジャーナル側に連設された略扇形のウエイト部とを備え、クランク軸方向視において、前記ネック部の幅は、前記接続部の左右方向の幅よりも小さく、クランク軸方向視において、前記ウエイト部の前記ネック部に連設する左右のショルダー部は、クランク軸心に直交する水平方向に対して該ネック部から離れる方向に１５°以上２２．５°以下の角度をなしており、クランク軸方向視において、カウンタウエイト半径Ｒに対する前記ネック部の幅ｈの比ｈ/Ｒは、０．４４以上０．４９以下であることを特徴とする。
カウンタウエイトのショルダー部とクランク軸心に直交する水平方向とのなす角度が小さいほど、クランク軸心からカウンタウエイトの重心までの距離を大きくすることができるので、カウンタウエイトの機能上必要とされるアンバランス量を満たしつつカウンタウエイトを軽量化することができる。一方、上記角度が大きいほど鍛造成形時の充填性は向上する。
本発明によれば、カウンタウエイトのショルダー部とクランク軸心に直交する水平方向とのなす角度を上記範囲に設定することで、カウンタウエイトの軽量化を可能としつつ鍛造成形時の充填性を向上させることができる。
また、クランク軸方向視において、カウンタウエイト半径Ｒに対する前記ネック部の幅ｈの比ｈ/Ｒは、０．４４以上０．４９以下である。
本構成によれば、上記比ｈ/Ｒを上記範囲に設定することで、カウンタウエイトの軽量化と鍛造成形時の充填性とのバランスをとることができる。
ここに開示するクランク軸は、上述のカウンタウエイトを備えている。
本構成によれば、高い機能性を有しつつ、軽量化されたクランク軸をもたらすことができ、延いては車両の燃費向上及び軽量化に資することができる。
以上述べたように、本発明によると、カウンタウエイトのショルダー部とクランク軸心に直交する水平方向とのなす角度を上記範囲に設定することで、カウンタウエイトの軽量化を可能としつつ鍛造成形時の充填性を向上させることができる。
一実施形態に係るカウンタウエイトを備えたクランク軸の斜視図である。 図１のクランク軸の側面図である。 図１のクランク軸の成形型（下型）の平面図である。 本実施形態に係るカウンタウエイトの側面図である。 図４のカウンタウエイトを後側から見た図である。 図４のカウンタウエイトを前側から見た図である。 角度α及びｈ／Ｒに対する充填量の変化を示すグラフである。 角度α及びｈ／Ｒに対しカウンタウエイト質量をプロットしたグラフである。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
（実施形態１）
＜クランク軸＞
図１及び図２は、本実施形態に係るカウンタウエイトＣＷ８を備えたクランク軸Ｃを示している。
クランク軸Ｃは、縦置きの直列４気筒ガソリンエンジンに設けられている。なお、本実施形態に係るカウンタウエイトＣＷ８は、縦置きの直列４気筒エンジンに限らず、横置きエンジンや、ディーゼルエンジン、他の直列多気筒エンジン、Ｖ型多気筒エンジン、単気筒エンジン等のクランク軸にも採用することができる。
クランク軸Ｃは、その主軸部を形成するクランクジャーナルＣＪと、図外のコンロッドが接続されるクランクピンＣＰと、クランクジャーナルＣＪとクランクピンＣＰとを接続するアーム部ＣＡを有するカウンタウエイトＣＷとを備えている。なお、クランク軸Ｃの中心軸をクランク軸心ＣＳ１とする。クランク軸心ＣＳ１は、後述するように、クランクジャーナルＣＪの中心を通っている。
クランクジャーナルＣＪは、クランク軸Ｃ中に５個設けられており、上述のごとく、クランク軸Ｃのクランク軸心ＣＳ１を中心とする主軸部を形成している。隣り合うクランクジャーナルＣＪ間であって、クランク軸心ＣＳ１から所定距離オフセットした位置にクランクピンＣＰが４個設けられている。このクランクピンＣＰには、図示しないコンロッドのビッグエンドが接続され、クランク軸Ｃのクランク軸心ＣＳ１周りの回転に伴い、ピストンの上下運動の起点となる。
−方向−
本明細書において、「前後方向」は、図１に示すように、クランク軸Ｃのフロント側を前側、リア側を後側とする方向をいう。なお、「クランク軸方向視」と「クランク軸心ＣＳ１方向視」とは同義であり、前側又は後側から見ていることを示す。「上下方向」は、図２に示すように、前後方向に直交し、カウンタウエイトＣＷ８におけるクランクピンＣＰ側を上側、クランクジャーナルＣＪ側を下側とする方向をいう。「左右方向」は、図５に示すように、後側からみて、上下方向に直交する方向をいう。
−クランク軸の製造方法−
クランク軸Ｃは、鍛造成形により、クランクジャーナルＣＪ、クランクピンＣＰ、カウンタウエイトＣＷを備えた一体成形品として製造される。図３に、鍛造成形用の金型の一例を示す。金型Ｍは下型であり、図外の上型と互いの合わせ面において合わせた状態で、クランク軸Ｃ成形用のキャビティＭ１が形成される。カウンタウエイトＣＷ８は、符号Ｍ２〜Ｍ４で示すキャビティ部分により形成される。カウンタウエイトＣＷ８の後述するネック部１３及びウエイト部１５はそれぞれ符号Ｍ３及びＭ４で示すキャビティ部分により形成されるが、ネック部１３の太さや、ネック部１３からウエイト部１５へ連なる部分の角度により、符号Ｍ４で示すキャビティ部分への金属溶湯の充填性に影響が生じ得る。
＜カウンタウエイト＞
以下、本実施形態に係るカウンタウエイトＣＷ８について説明する。
隣り合うクランクジャーナルＣＪとクランクピンＣＰとの間には、カウンタウエイトＣＷが１個ずつ計８個設けられており、クランク軸Ｃの骨格を形成している。カウンタウエイトＣＷについて、本明細書では便宜的に、前側から順にＣＷ１〜ＣＷ８の符号により示している。
本実施形態に係るカウンタウエイトＣＷ８は、クランク軸Ｃの最も後側、すなわちリア側に設けられている。なお、本実施形態に係るカウンタウエイトＣＷ８は、カウンタウエイトＣＷ１〜ＣＷ７の位置に設けられてもよいし、クランク軸Ｃ内に１個だけでなく複数個設けられてもよい。
カウンタウエイトＣＷ８は、上述のアーム部ＣＡと、アーム部ＣＡから延びるネック部１３と、ネック部１３から反アーム部ＣＡ側に連設されたウエイト部１５とを有している。
−アーム部−
図４に示すように、アーム部ＣＡは、クランクジャーナルＣＪとの接続部としての第１接続面１１と、クランクピンＣＰとの接続部としての第２接続面１２とを備えている。
カウンタウエイトＣＷ８を後側から見ると、図５に示すように、第１接続面１１は略円形であり、クランク軸心ＣＳ１はその中心に位置している。
カウンタウエイトＣＷ８を前側から見ると、図６に示すように、第２接続面１２は上側が少しひしゃげた略円形となっている。
なお、第１接続面１１、第２接続面１２の記載は便宜的なものであり、実際のクランク軸Ｃの製造工程では、上述のごとく、クランクジャーナルＣＪ、クランクピンＣＰ、カウンタウエイトＣＷは、一体成形される。
−ネック部−
図４に示すように、アーム部ＣＡの第１接続面１１が形成された位置の近傍から下側、すなわち、反クランクピンＣＰ側に、ネック部１３が延設されている。
ネック部１３を形成することで、カウンタウエイトＣＷの重心位置をクランク軸心ＣＳ１の位置から下側、すなわちウエイト部１５側にオフセットさせることができる。
すなわち、図５及び図６に示すように、ネック部１３の最も細くなる部分の左右方向の幅をｈとすると、幅ｈが小さくなるほどカウンタウエイトＣＷ８の重心位置はウエイト部１５側にずれるとともに、カウンタウエイトＣＷ８を軽量化させることができる。そうして、カウンタウエイトＣＷの機能上必要とされるアンバランス量を確保しつつカウンタウエイトＣＷの軽量化を促進させることができる。
−ウエイト部−
図４〜図６に示すように、ネック部１３の反クランクジャーナルＣＪ側、すなわち反アーム部ＣＡ側には、カウンタウエイトＣＷ８に必要なアンバランス量を付与するための、略扇形のウエイト部１５が連設されている。
図５、図６に示すように、クランク軸心ＣＳ１方向視で、クランク軸心ＣＳ１から、ウエイト部１５の下側までの距離をカウンタウエイト半径Ｒとすると、ウエイト部１５の下側は、クランク軸心ＣＳ１を中心とし、カウンタウエイト半径Ｒを半径とする略円弧状に形成されている。なお、本明細書において、「略円弧状」とは、真円の一部である円弧状を含み、一部平坦な部分等を有するものを含む。そして、「略扇形」とは、このような略円弧状に形成された部分を有する形状をいう。
図４に示すように、カウンタウエイトＣＷ８のウエイト部１５の前後方向の厚さをウエイト部厚さｔとする。また、図５に示すように、第１接続面１１の最下部Ｕ１からウエイト部１５の最下部Ｕ２までの距離をウエイト部高さＴ、ウエイト部１５の左右方向の最大幅をウエイト部幅Ｗとする。クランク軸Ｃの形成後、これらウエイト部厚さｔ、ウエイト部高さＴ、及びウエイト部幅Ｗの大きさを調整することでカウンタウエイトＣＷ８のアンバランス量を調整することができる。なお、本実施形態に係るカウンタウエイトＣＷ８は、アンバランス量確保の観点から、Ｗ／Ｒが１以上２未満であることが望ましい。
ここに、本実施形態に係るカウンタウエイトＣＷ８は、図５、図６に示すように、ウエイト部１５に、ネック部１３から左右方向下側に傾斜して滑らかに延びるショルダー部１４が形成されていることを特徴とする。
具体的には、第１接続面１１の最下部Ｕ１を通り、左右方向、すなわち水平方向に延びる直線をＬ１とすると、ネック部１３から直線Ｌ１よりも下方にショルダー部１４が形成されている。換言すると、クランク軸心ＣＳ１方向視において、左右のショルダー部１４は、クランク軸心ＣＳ１に直交する水平方向、すなわち直線Ｌ１に対してネック部１３から離れる方向に角度αをなして形成されている。
カウンタウエイトＣＷ８のショルダー部１４と直線Ｌ１とのなす角度αが小さいほど、カウンタウエイトＣＷ８の重心位置を下方にずらすことができる。そうして、カウンタウエイトＣＷ８のアンバランス量を満たしつつカウンタウエイトＣＷ８を軽量化することができる。一方、上記角度αが小さくなると、クランク軸Ｃの鍛造成形時の充填性は低下し得る。従って、充填性向上の観点からは、角度αが大きいことが好ましい。
カウンタウエイトＣＷ８の形状について、Ｒを８１ｍｍ、アンバランス量を一定として、ｈ／Ｒと角度αの変化に対する溶湯の充填量（ｍｍ３）を、鍛造シミュレーションを用いて計算した。計算条件は、以下のとおりである。すなわち、クランク軸ＣのカウンタウエイトＣＷ８のみ抜き出した形状で簡易金型モデルを作成した。そして、６０００トン鍛造プレス成形装置を想定し、金型温度１５０℃、材料：炭素鋼ＪＩＳ Ｓ４５Ｃ、材料温度１１７０℃の条件で、ストローク１ｍｍあたりの溶湯の充填量（ｍｍ３）を計算した。結果を図７及び図８に示す。
まず、図７に示すように、角度αが０°、１０°、２０°、２５°の場合において、ｈ／Ｒの値を０．４２から０．６７まで０．０５ずつ変化させて充填量を計算した。そして、全ての角度において充填量が３５７７ｍｍ３（図７中破線で示す。）近傍となる形状（図７中符号Ｐ１、Ｐ４、Ｐ７、Ｐ８で示す。）を抽出した。また、角度αが１５°、１７．５°、２１．５°、２２．５°の場合について、充填量が３５７７ｍｍ３近傍となる形状のｈ／Ｒを算出した（図７中符号Ｐ２、Ｐ３、Ｐ５、Ｐ６で示す。）。
次に、図８に示すように、図７中符号Ｐ１〜Ｐ８で示す形状について、ｈ／Ｒに対するカウンタウエイト質量（ｇ）をプロットした。
図７に示すように、全ての形状は同程度の充填量を示すものの、図８に示すように、角度α及びｈ／Ｒに応じてカウンタウエイト質量は変化し、角度αが１５°以上２２．５°以下、ｈ／Ｒが０．４４以上０．４９以下の形状（図８中符号Ｐ２〜Ｐ６）において、カウンタウエイトＣＷ８の質量が７９０ｇ以下となることが判った。
図７及び図８の結果より、直線Ｌ１とショルダー部１４のなす角度αは、好ましくは１５°以上２２．５°以下、より好ましくは１６°以上２２°以下、特に好ましくは１７．５°以上２１．５°以下の角度であることが望ましい。そうして、カウンタウエイトＣＷ８のアンバランス量を確保しつつ、カウンタウエイトＣＷ８の軽量化を促進させるとともに、鍛造成形時の充填性を向上させることができる。
また、本実施形態に係るカウンタウエイトＣＷ８は、図５及び図６に示すように、クランク軸心ＣＳ１方向視において、カウンタウエイト半径Ｒに対するネック部１３の幅ｈの比ｈ/Ｒが、好ましくは０．４４以上０．４９以下、より好ましくは０．４５以上０．４８以下の範囲となるように設定されていることが望ましい。本構成によれば、カウンタウエイトＣＷ８の軽量化と鍛造成形時の充填性とのバランスをとることができる。
（その他の実施形態）
以下、本発明に係る他の実施形態について説明する。なお、これらの実施形態の説明において、上記実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
上記実施形態において、カウンタウエイトＣＷ８のウエイト部１５の形状は、略扇形であったが、カウンタウエイトＣＷ８以外のクランク軸Ｃに設けられるカウンタウエイトＣＷとしては、ウエイト部１５の形状は、略扇形に限定されるものではなく、クランク軸Ｃ全体において慣性力のバランスをとる観点から、例えば図１に示すように、略扇形を含む適宜最適な形状をとり得る。
本発明は、ランク軸の軽量化とクランク軸の鍛造成形時のカウンタウエイト部分の充填性向上とを両立可能なカウンタウエイト及び該カウンタウエイトを備えたクランク軸をもたらすことができるので、極めて有用である。
１１ 第１接続面（接続部）
１２ 第２接続面
１３ ネック部
１４ ショルダー部
１５ ウエイト部
Ｃ クランク軸
ＣＡ アーム部
ＣＪ クランクジャーナル
ＣＰ クランクピン
ＣＳ１ クランク軸心
ＣＷ８ カウンタウエイト
ｈ 幅
Ｍ１ キャビティ
Ｒ カウンタウエイト半径
ｔ ウエイト部厚さ
Ｔ ウエイト部高さ
Ｗ ウエイト部幅

Claims (2)

  1. エンジンの鍛造一体成形品であるクランク軸を形成するカウンタウエイトであって、
    前記クランク軸のクランクジャーナルとクランクピンとを接続するアーム部と、
    前記アーム部における前記クランクジャーナルとの接続部から反クランクピン側に延設されたネック部と、
    前記ネック部の反クランクジャーナル側に連設された略扇形のウエイト部と
    を備え、
    クランク軸方向視において、前記ネック部の幅は、前記接続部の左右方向の幅よりも小さく、
    クランク軸方向視において、前記ウエイト部の前記ネック部に連設する左右のショルダー部は、クランク軸心に直交する水平方向に対して該ネック部から離れる方向に１５°以上２２．５°以下の角度をなしており、
    クランク軸方向視において、カウンタウエイト半径Ｒに対する前記ネック部の幅ｈの比ｈ/Ｒは、０．４４以上０．４９以下である
    ことを特徴とするカウンタウエイト。
  2. 請求項１に記載のカウンタウエイトを備えたクランク軸。
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