JP7553809B2 - クランクシャフト、カウンターウェイトの位置設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、直列３気筒エンジン用のクランクシャフト、および当該クランクシャフトのカウンターウェイトの位置設定方法に関する。

特許文献１には、１番～３番気筒を備える直列３気筒エンジン用のクランクシャフトが開示されている。１番気筒用のカウンターウェイトは進角側に、３番気筒用のカウンターウェイトは遅角側に、オフセットされている。１番気筒用のバランスウェイトにおいて、進み側部分は遅れ側部分よりも大径化されている。３番気筒用のバランスウェイトにおいて、遅れ側部分は進み側部分よりも大径化されている。同文献のクランクシャフトによると、２番気筒用の２つのカウンターウェイトを省略することができる。このため、クランクシャフトを軽量化することができる。

特開２０１２－２４７０４４号公報

直列３気筒エンジン用のクランクシャフトは、４つのメインジャーナル（１番～４番メインジャーナル）を備えている。４つのメインジャーナルは、各々、軸受により回転可能に支持されている。クランクシャフトが回転する際、４つのメインジャーナルと４つの軸受との間には、各々、フリクション（摩擦損失。摩擦によるエネルギ損失）が発生する。

ここで、特許文献１に示すような、２番気筒用の２つのカウンターウェイト（３番カウンターウェイト、４番カウンターウェイト）が省略されたクランクシャフトの場合、１番～４番メインジャーナルのうち、中央の２番メインジャーナル、３番メインジャーナルのフリクションが大きくなってしまう。特に、２番気筒内をピストンが上昇する際、２番メインジャーナル、３番メインジャーナルのフリクションが大きくなってしまう。

すなわち、２番気筒内をピストンが上昇する際、２番気筒用のクランクピン（２番クランクピン）には、上向きの慣性力（遠心力）が加わる。３番カウンターウェイト、４番カウンターウェイトが省略されているクランクシャフトの場合、当該慣性力の相殺が困難であるため、２番メインジャーナル、３番メインジャーナルのフリクションが大きくなってしまう。そこで、本発明は、３番カウンターウェイト、４番カウンターウェイトが配置されていないクランクシャフトに対して、２番メインジャーナル、３番メインジャーナルのフリクションを低減可能なクランクシャフトを提供することを目的とする。また、本発明は、当該クランクシャフトのカウンターウェイトの位置設定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のクランクシャフトは、軸受に回転可能に支持される４つのメインジャーナルと、前記メインジャーナルに対して偏心して配置される３つのクランクピンと、前記メインジャーナルと前記クランクピンとを連結する６つのクランクショルダーと、前記メインジャーナルを介して前記クランクショルダーに連なる６つのカウンターウェイトと、を備え、４つの前記メインジャーナルの中心軸を回転軸として回転可能な直列３気筒エンジン用のクランクシャフトであって、補機駆動端から順に、４つの前記メインジャーナルは１番～４番メインジャーナルであり、３つの前記クランクピンは１番～３番クランクピンであり、６つの前記クランクショルダーは１番～６番クランクショルダーであり、６つの前記カウンターウェイトは１番～６番カウンターウェイトであり、前記回転軸の回転方向前側を進角側、回転方向後側を遅角側、前記２番クランクピンに対応する２番ピストンが上死点から下死点に移動する方向を下方向、前記回転軸の軸方向から見て、前記回転軸から前記下方向に延在する基準線の位相を基準位置、前記回転軸の軸方向から見て、前記回転軸と前記３番カウンターウェイトの重心とを結ぶ直線の位相を３番ウェイト位置、前記回転軸の軸方向から見て、前記回転軸と前記４番カウンターウェイトの重心とを結ぶ直線の位相を４番ウェイト位置として、前記基準位置に対して、前記３番ウェイト位置は前記進角側に、前記４番ウェイト位置は前記遅角側に、各々設定されることを特徴とする。

上記課題を解決するため、本発明のカウンターウェイトの位置設定方法は、前記２番ピストンが前記下死点から前記上死点に移動する方向を上方向として、前記２番ピストンが前記上方向に移動する際の、前記２番メインジャーナル、前記３番メインジャーナルの各々に作用する並進荷重を算出する並進荷重算出ステップと、前記２番ピストンが前記上方向に移動する際の、前記２番メインジャーナル、前記３番メインジャーナルの各々に作用するモーメントを算出するモーメント算出ステップと、前記２番メインジャーナルに作用する前記並進荷重、前記モーメントが小さくなるように前記３番ウェイト位置を設定し、前記３番メインジャーナルに作用する前記並進荷重、前記モーメントが小さくなるように前記４番ウェイト位置を設定するウェイト位置設定ステップと、を有することを特徴とする。

本発明のクランクシャフト、カウンターウェイトの位置設定方法によると、３番ウェイト位置は、基準位置よりも進角側に設定されている。このため、３番カウンターウェイトが配置されていないクランクシャフトに対して、２番メインジャーナルに作用する並進荷重、モーメントを小さくすることができる。したがって、２番メインジャーナルのフリクションを低減させることができる。

また、４番ウェイト位置は、基準位置よりも遅角側に設定されている。このため、４番カウンターウェイトが配置されていないクランクシャフトに対して、３番メインジャーナルに作用する並進荷重、モーメントを小さくすることができる。したがって、３番メインジャーナルのフリクションを低減させることができる。

図１は、本発明の一実施形態のクランクシャフトの斜視図である。 図２は、同クランクシャフトの右面図である。 図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ方向断面図である。 図４は、図２のＩＶ－ＩＶ方向断面図である。 図５は、図２の枠Ｖ内の拡大図である。 図６（Ａ）は、比較例１の上下方向断面図である。図６（Ｂ）は、比較例２～４の上下方向断面図である。 図７（Ａ）は、実施例１～３、比較例１～４の質量変化量と質量効率との関係を示すグラフである。図７（Ｂ）は、実施例１～３、比較例１～４の質量変化量とフリクション低減率との関係を示すグラフである。 図８は、実施例１～３、比較例１の質量変化量と水平方向のＮＶ低減率との関係を示すグラフである。

以下、本発明のクランクシャフト、カウンターウェイトの位置設定方法の実施の形態について説明する。

（クランクシャフトの構成）
まず、本実施形態のクランクシャフトの構成について説明する。図１に、本実施形態のクランクシャフトの斜視図を示す。図２に、同クランクシャフトの右面図を示す。図１、図２に示すように、クランクシャフト１は、直列３気筒エンジン用である。クランクシャフト１は、４つのメインジャーナル２ａ～２ｄと、３つのクランクピン３ａ～３ｃと、６つのクランクショルダー４ａ～４ｆと、６つのカウンターウェイト５ａ～５ｆと、フランジ６と、を備えている。なお、図１前端の位相図においては、クランクピン３ａ～３ｃを白丸で、カウンターウェイト５ａ～５ｆを黒丸で、各々示す。

クランクシャフト１の前端（補機駆動端）には、クランクプーリー（図略）が取り付けられている。クランクシャフト１の後端のフランジ６には、フライホイール（図略）が取り付けられている。

４つのメインジャーナル２ａ～２ｄは、前後方向（軸方向）に一列に並んでいる。メインジャーナル２ａ～２ｄの中心軸は、クランクシャフト１の回転軸Ｘである。回転軸Ｘは、前後方向に延在している。軸受９０は、いわゆるすべり軸受であり、シリンダーブロック（図略）に取り付けられている。メインジャーナル２ａ～２ｄは、各々、油膜を介して、軸受９０により、回転軸Ｘの軸周りに回転可能に支持されている。

３つのクランクピン３ａ～３ｃは、４つのメインジャーナル２ａ～２ｄに対して、径方向（回転軸Ｘを基準とする径方向）に偏心して配置されている。３つのクランクピン３ａ～３ｃは、互いに１２０°ずつ、ずれて配置されている。

クランクピン３ａ～３ｄには、コンロッド（図略）を介して、各々ピストン（図略）が取り付けられている。ピストン（図略）は、気筒（図略）内を上下方向（上死点と下死点とを結ぶ方向）に往復動可能である。

６つのクランクショルダー４ａ～４ｆは、各々、メインジャーナル２ａ～２ｄとクランクピン３ａ～３ｃとを径方向に連結している。６つのカウンターウェイト５ａ～５ｆは、回転軸Ｘを介して、クランクショルダー４ａ～４ｆに連なっている。

以下、適宜、前側から後側に向かって、４つのメインジャーナル２ａ～２ｄを１番～４番メインジャーナル２ａ～２ｄと、３つのクランクピン３ａ～３ｃを１番～３番クランクピン３ａ～３ｃと、６つのクランクショルダー４ａ～４ｆを１番～６番クランクショルダー４ａ～４ｆと、６つのカウンターウェイト５ａ～５ｆを１番～６番カウンターウェイト５ａ～５ｆと、３つのピストンを１番～３番ピストンと、各々称する。

（１番～６番カウンターウェイトの位置）
次に、１番～６番カウンターウェイト５ａ～５ｆの位置（位相、周方向位置）、形状について説明する。１番カウンターウェイト５ａと２番カウンターウェイト５ｂとは、回転軸Ｘを基準に、互いに同位置に配置されている。同様に、５番カウンターウェイト５ｅと６番カウンターウェイト５ｆとは、回転軸Ｘを基準に、互いに同位置に配置されている。後述する基準位置Ｂと、５番カウンターウェイト５ｅおよび６番カウンターウェイト５ｆと、１番カウンターウェイト５ａおよび２番カウンターウェイト５ｂと、は回転軸Ｘを基準に互いに１２０°ずつ離間して配置されている。１番カウンターウェイト５ａ、２番カウンターウェイト５ｂ、５番カウンターウェイト５ｅ、６番カウンターウェイト５ｆは、各々、扇形状を呈している。

図３に、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ方向断面図を示す。図４に、図２のＩＶ－ＩＶ方向断面図を示す。なお、図３においては、軸受９０を省略して示す。図１、図３、図４に示すように、３番カウンターウェイト５ｃと４番カウンターウェイト５ｄとは、回転軸Ｘを基準に、互いに異なる位置に配置されている。

図３、図４に示すように、回転軸Ｘの回転方向前側（紙面、時計回り方向）を進角側、回転方向後側（紙面、反時計回り方向）を遅角側とする。また、前側（回転軸Ｘの軸方向）から見て、回転軸Ｘから下方向に延在する基準線の位相を基準位置Ｂ、回転軸Ｘと３番カウンターウェイト５ｃの重心（本実施形態の場合は周方向中心）とを結ぶ直線の位相を３番ウェイト位置Ｃ、回転軸Ｘと４番カウンターウェイト５ｄの重心とを結ぶ直線の位相を４番ウェイト位置Ｄとする。

図３に示すように、基準位置Ｂに対して、３番ウェイト位置Ｃは進角側にずれて配置されている。また、図４に示すように、基準位置Ｂに対して、４番ウェイト位置Ｄは遅角側にずれて配置されている。ここで、基準位置Ｂを０°、基準位置Ｂに対して進角側を＋側、遅角側を－側とする。３番ウェイト位置Ｃは、１９．９°以上２４．６°以下の範囲に含まれる位置に、設定されている。４番ウェイト位置Ｄは－１３．７°以上－１９．９°以下の範囲に含まれる位置に、設定されている。すなわち、３番カウンターウェイト５ｃと４番カウンターウェイト５ｄとは、周方向（回転方向）にオフセットされている。３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄは、各々、扇形状を呈している。

（カウンターウェイトの位置設定方法）
次に、本実施形態のカウンターウェイトの位置設定方法について説明する。カウンターウェイトの位置設定方法においては、３番ウェイト位置Ｃ、４番ウェイト位置Ｄを設定する。また、３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄの質量、形状を設定する。カウンターウェイトの位置設定方法は、並進荷重算出ステップと、モーメント算出ステップと、ウェイト位置設定ステップと、を有している。カウンターウェイトの位置設定方法は、ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）解析により実行される。図５に、図２の枠Ｖ内の拡大図を示す。

並進荷重算出ステップにおいては、２番クランクピン３ｂが上昇する際（詳しくは、２番クランクピン３ｂに対応する２番ピストンが、下死点から上死点に移動する際であって、上死点の直近に位置する際）の、２番メインジャーナル２ｂ、３番メインジャーナル２ｃの各々に作用する並進荷重Ｆｂ、Ｆｃを算出する。

すなわち、３番メインジャーナル２ｃには、前側に隣接する２番クランクピン３ｂ、４番カウンターウェイト５ｄ、後側に隣接する３番クランクピン３ｃ、５番カウンターウェイト５ｅから、各々慣性力（遠心力）が加わる。これらの慣性力の合成慣性力が、並進荷重Ｆｃである。並進荷重Ｆｃは、３番メインジャーナル２ｃに対して、上方向（詳しくは、上方向成分を含む方向であって、回転軸Ｘに直交する方向）に作用する。同様に、２番メインジャーナル２ｂには、上方向の並進荷重Ｆｂが加わる。本ステップにおいては、並進荷重Ｆｂ、Ｆｃを算出する。

モーメント算出ステップにおいては、２番クランクピン３ｂが上昇する際の、２番メインジャーナル２ｂ、３番メインジャーナル２ｃの各々に作用するモーメントＭｂ、Ｍｃを算出する。図１に示すように、回転軸Ｘに直交し上下方向（２番ピストンのストローク方向）に延在する軸を垂直軸Ｚ、回転軸Ｘおよび垂直軸Ｚに直交し左右方向に延在する軸を水平軸Ｙとする。図１、図５に示すように、２番クランクピン３ｂ上昇時において、３番メインジャーナル２ｃには、水平軸Ｙの軸周りに、右側から見て時計回り方向（２番クランクピン３ｂに向かって上昇する方向）に、モーメントＭｃが加わる。同様に、２番メインジャーナル２ｂには、水平軸Ｙの軸周りに、右側から見て反時計回り方向（２番クランクピン３ｂに向かって上昇する方向）に、モーメントＭｂが加わる。本ステップにおいては、モーメントＭｂ、Ｍｃを算出する。

ウェイト位置設定ステップにおいては、図３に示す３番ウェイト位置Ｃ、図４に示す４番ウェイト位置Ｄを設定する。また、３番カウンターウェイト５ｃの質量、形状、４番カウンターウェイト５ｄの質量、形状を設定する。具体的には、３番ウェイト位置Ｃ、３番カウンターウェイト５ｃの質量、形状を調整することにより、図５に示す２番メインジャーナル２ｂに作用する並進荷重Ｆｂ、モーメントＭｂの方向、大きさを調整する。並進荷重Ｆｂ、モーメントＭｂが総合的に小さくなるように、３番ウェイト位置Ｃ、３番カウンターウェイト５ｃの質量、形状を設定する。同様に、４番ウェイト位置Ｄ、４番カウンターウェイト５ｄの質量、形状を調整することにより、図５に示す３番メインジャーナル２ｃに作用する並進荷重Ｆｃ、モーメントＭｃの方向、大きさを調整する。並進荷重Ｆｃ、モーメントＭｃが総合的に小さくなるように、４番ウェイト位置Ｄ、４番カウンターウェイト５ｄの質量、形状を設定する。以上説明したカウンターウェイトの位置設定方法に基づいて、３番ウェイト位置Ｃ、３番カウンターウェイト５ｃの質量、形状、４番ウェイト位置Ｄ、４番カウンターウェイト５ｄの質量、形状は設定されている。

（作用効果）
次に、本実施形態のクランクシャフト、カウンターウェイトの位置設定方法の作用効果について説明する。図３に示すように、３番ウェイト位置Ｃは、基準位置Ｂよりも進角側に設定されている。このため、３番カウンターウェイト５ｃが配置されていないクランクシャフトに対して、図５に示す２番メインジャーナル２ｂに作用する並進荷重Ｆｂ、モーメントＭｂを小さくすることができる。したがって、２番メインジャーナル２ｂのフリクションを低減させることができる。

また、図４に示すように、４番ウェイト位置Ｄは、基準位置Ｂよりも遅角側に設定されている。このため、４番カウンターウェイト５ｄが配置されていないクランクシャフトに対して、図５に示す３番メインジャーナル２ｃに作用する並進荷重Ｆｃ、モーメントＭｃを小さくすることができる。したがって、３番メインジャーナル２ｃのフリクションを低減させることができる。

また、後述するＣＡＥ解析から明らかなように、本実施形態のクランクシャフト（基準位置Ｂに対して、３番ウェイト位置Ｃが進角側に、４番ウェイト位置Ｄが遅角側に、各々設定されているクランクシャフト）１によると、３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄが共に基準位置Ｂ（同位相）に設定されているクランクシャフトに対して、２番メインジャーナル２ｂ、３番メインジャーナル２ｃのフリクションを低減させることができる。このため、全てのメインジャーナル２ａ～２ｄのフリクションの合計値を低減させることができる。

図３に示す３番ウェイト位置Ｃは、１９．９°以上２４．６°以下の範囲に、設定されている。このため、２番メインジャーナル２ｂに作用する並進荷重Ｆｂ、モーメントＭｂを、さらに小さくすることができる。ただし、３番ウェイト位置Ｃが１９．９°未満、２４．６°超過の場合であっても、従来のクランクシャフト（３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄを備えないクランクシャフト、長方形状の３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄが同位置（同位相）に設定されているクランクシャフト）に対して、２番メインジャーナル２ｂに作用する並進荷重Ｆｂ、モーメントＭｂを小さくすることができる。

図４に示す４番ウェイト位置Ｄは、－１３．７°以上－１９．９°以下の範囲に、設定されている。このため、３番メインジャーナル２ｃに作用する並進荷重Ｆｃ、モーメントＭｃを、さらに小さくすることができる。ただし、４番ウェイト位置Ｄが－１３．７°未満、－１９．９°超過の場合であっても、従来のクランクシャフトに対して、３番メインジャーナル２ｃに作用する並進荷重Ｆｃ、モーメントＭｃを小さくすることができる。

また、図３、図４に示すように、３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄは、扇形状を呈している。このため、本実施形態のカウンターウェイトは、従来のクランクシャフト（長方形状の３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄが同位置（同位相）に設定されているクランクシャフト）に対して、質量効率（クランクシャフト１の質量１グラムあたりのフリクション低減率）が高い。したがって、クランクシャフト１を軽量化しながら、２番メインジャーナル２ｂ、３番メインジャーナル２ｃのフリクションを低減させることができる。

本実施形態のカウンターウェイトの位置設定方法は、並進荷重算出ステップと、モーメント算出ステップと、ウェイト位置設定ステップと、を有している。このため、並進荷重Ｆｂ、モーメントＭｂ、つまり２番メインジャーナル２ｂのフリクションが小さくなるように、３番ウェイト位置Ｃ、３番カウンターウェイト５ｃの質量、形状を設定することができる。同様に、並進荷重Ｆｃ、モーメントＭｃ、つまり３番メインジャーナル２ｃのフリクションが小さくなるように、４番ウェイト位置Ｄ、４番カウンターウェイト５ｄの質量、形状を設定することができる。

また、本実施形態のカウンターウェイトの位置設定方法によると、従来のクランクシャフト（３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄを備えないクランクシャフト）に対して、クランクシャフト１の質量増加を抑制しつつ、２番メインジャーナル２ｂ、３番メインジャーナル２ｃのフリクションを低減させることができる。

また、本実施形態のカウンターウェイトの位置設定方法によると、従来のクランクシャフト（長方形状の３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄが同位置（同位相）に設定されているクランクシャフト）に対して、クランクシャフト１を軽量化しながら、２番メインジャーナル２ｂ、３番メインジャーナル２ｃのフリクションを低減させることができる。

（その他）
以上、本発明のクランクシャフト、カウンターウェイトの位置設定方法の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

図３に示す３番ウェイト位置Ｃ（３番カウンターウェイト５ｃの重心の位置）と３番カウンターウェイト５ｃの周方向中心とは、一致していても異なっていてもよい。例えば、軽量化のために３番カウンターウェイト５ｃに減肉部（孔など）が設定される場合、重心と周方向中心とが異なる場合がある。図４に示す４番ウェイト位置Ｄについても同様である。

３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄの形状は特に限定しない。扇形状、長方形状などであってもよい。３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄの形状が扇形状である場合、長方形状である場合と比較して、質量効率が高くなる。このため、クランクシャフト１を軽量化しながら、２番メインジャーナル２ｂ、３番メインジャーナル２ｃのフリクションを低減させることができる。ただし、３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄの形状が長方形状であっても、基準位置Ｂに対して、３番ウェイト位置Ｃを進角側に、４番ウェイト位置Ｄを遅角側に、各々設定することにより、２番メインジャーナル２ｂ、３番メインジャーナル２ｃのフリクションを低減させることができる。その他のカウンターウェイト５ａ、５ｂ、５ｅ、５ｆの形状、位置（位相）は特に限定しない。クランクシャフト１の回転バランスが取れる形状、位置であればよい。

カウンターウェイトの位置設定方法における、並進荷重算出ステップとモーメント算出ステップとの先後関係は特に限定しない。並進荷重算出ステップの前にモーメント算出ステップを行ってもよい。並進荷重算出ステップとモーメント算出ステップとを並行して行ってもよい。

２番ピストンのストローク方向（図２における上下方向）は特に限定しない。垂直方向でも、水平方向でも、垂直方向および水平方向に対して交差する方向であってもよい。エンジンと電池（二次電池、燃料電池など）とを併用してもよい。エンジンの駆動対象物は、自動車、バイクなどであってもよい。

以下、本発明のクランクシャフトのフリクション低減効果、水平方向のＮＶ（Ｎｏｉｓｅ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）低減効果を検証するためのＣＡＥ解析について説明する。フリクション低減効果の解析においては、実施例１～３、比較例１～４の合計七つのモデルを用いた。水平方向のＮＶ低減効果の解析においては、実施例１～３、比較例１の合計四つのモデルを用いた。

まず、実施例１～３、比較例１～４の形状について説明する。図６（Ａ）に、比較例１の上下方向断面図を示す。図６（Ｂ）に、比較例２～４の上下方向断面図を示す。なお、図６（Ａ）、図６（Ｂ）の断面位置は、図３に対応している。図６（Ａ）、図６（Ｂ）において、図３と対応する部位については同じ符号で示す。

実施例１～３は、図１、図２に示すクランクシャフト１である。図６（Ａ）に示すように、比較例１は、図１、図２に示すクランクシャフト１から、３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄを省略したクランクシャフト１である。図６（Ｂ）に示すように、比較例２～４は、図１、図２に示すクランクシャフト１において、３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄを扇形状から長方形状（カウンターウェイトの周方向両縁が上下方向に直線状に延在する形状）に変更したクランクシャフト１である。また、比較例２～４は、３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄを同位置（同位相）に配置したクランクシャフト１である。すなわち、３番ウェイト位置Ｃ、４番ウェイト位置Ｄは、基準位置Ｂと一致している。表１に、実施例１～３、比較例１～４の仕様を示す。

表１中、「ＣＷ」は「カウンターウェイト」を示す。表１に示すように、比較例１を基準に、比較例２は１６００ｇ、比較例３は１２００ｇ、比較例４は８００ｇ、各々質量が増加している。同様に、比較例１を基準に、実施例１は１６００ｇ、実施例２は１２００ｇ、実施例３は８００ｇ、各々質量が増加している。

実施例１～３、比較例２～４の質量変化量は、主に、３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄの質量変化によるものである。ただし、３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄの質量変化に伴い、クランクシャフト１の回転バランスが崩れる場合は、回転バランスを取るために、適宜、１番カウンターウェイト５ａ、２番カウンターウェイト５ｂ、５番カウンターウェイト５ｅ、６番カウンターウェイト５ｆの質量も変化させている。

次に、フリクション低減効果の解析結果について説明する。フリクション低減効果は、フリクション低減率により評価した。図７（Ａ）に、実施例１～３、比較例１～４の質量変化量と質量効率との関係を示す。縦軸の質量効率は、クランクシャフト１の質量１グラムあたりの、比較例１に対するフリクション低減率である。当該フリクション低減率は、全てのメインジャーナル２ａ～２ｄのフリクション低減率の合計値である。質量効率は、比較例１の質量効率を１００％とした場合の、比較例１に対する質量効率の変化量である。横軸の質量変化量は、比較例１に対するクランクシャフトの質量変化量（質量増加量）である。

図７（Ａ）に示すように、比較例１に対して、実施例１～３、比較例２～４は、いずれも質量効率が高くなっている。また、比較例１に対する質量変化量が小さいほど、質量効率は高くなっている。また、実施例１～３、比較例２～４に着目して、質量が同じクランクシャフト１同士を比較すると、実施例１は比較例２よりも、実施例２は比較例３よりも、実施例３は比較例４よりも、各々質量効率が高くなっている。

図７（Ｂ）に、実施例１～３、比較例１～４の質量変化量とフリクション低減率との関係を示す。縦軸のフリクション低減率は、比較例１のフリクション低減率を１００％とした場合の、比較例１に対するフリクション低減率の変化量である。当該フリクション低減率は、全てのメインジャーナル２ａ～２ｄのフリクション低減率の合計値である。横軸の質量変化量は、図７（Ａ）同様である。

図７（Ｂ）に示すように、比較例１に対して、実施例１～３、比較例２～４は、いずれもフリクション低減率が高くなっている。また、比較例１に対する質量変化量が大きいほど、フリクション低減率は高くなっている。また、実施例１～３、比較例２～４に着目して、質量が同じクランクシャフト１同士を比較すると、実施例１は比較例２よりも、実施例２は比較例３よりも、実施例３は比較例４よりも、各々フリクション低減率が高くなっている。

以上まとめると、図６（Ａ）に示す比較例１（３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄを省略したクランクシャフト１）に対して、実施例１～３によると、２番メインジャーナル２ｂ、３番メインジャーナル２ｃのフリクションを低減させることができるため、全てのメインジャーナル２ａ～２ｄのフリクションの合計値を低減させることができる。

また、図６（Ｂ）に示す比較例２～４（３番カウンターウェイト５ｃ、４番カウンターウェイト５ｄが長方形状であって同位相のクランクシャフト１）に対して、実施例１～３によると、質量が同じクランクシャフト１同士を比較する場合、２番メインジャーナル２ｂ、３番メインジャーナル２ｃのフリクションを低減させることができるため、全てのメインジャーナル２ａ～２ｄのフリクションの合計値を低減させることができる。すなわち、より高い質量効率でフリクションを低減させることができる。

次に、水平方向のＮＶ低減効果の解析結果について説明する。水平方向のＮＶ低減効果は、水平方向のＮＶ低減率（以下、適宜、「ＮＶ低減率」と略称する）により評価した。なお、「水平方向」は、図１に示す水平軸Ｙの延在方向（左右方向）に対応している。すなわち、「水平方向」とは、シリンダーブロックの底面に対して平行であって、回転軸Ｘの延在方向（クランクシャフト１の延在方向）に対して垂直の方向である。

実施例１～３、比較例１のＮＶ低減率は、各々、以下の手順で取得した。クランクシャフト１の回転数（エンジン回転数）は２８００ｒｐｍ（ｒｏｔａｔｉｏｎ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）とした。また、３つの気筒の筒内圧は、各々１０ＭＰａとした。まず、Ｔｈ側（スラスト側。図１に示す左側。ピストンが上死点通過後に、ピストン外周面から気筒内周面に、側圧が加わる側）、ＡＴｈ側（反スラスト側。図１に示す右側。水平方向においてＴｈ側の反対側）における、シリンダーブロックのボトムレールの各メインジャーナル２ａ～２ｄ付近の水平方向の加速度（以下、適宜、「加速度」と略称する）を出力した。すなわち、合計８箇所（Ｔｈ側４箇所、ＡＴｈ側４箇所）の加速度を出力した。

次に、８箇所の加速度（詳しくは、各メインジャーナル２ａ～２ｄの１回転（１周期）分の加速度波形）各々の２乗平均値の平方根つまり実効値を算出した。続いて、８箇所の実効値の平均値を算出した。このようにして、実施例１～３、比較例１の各々について、実効値の平均値を算出した。

それから、実施例１～３、比較例１各々のＮＶ低減率を算出した。具体的には、基準となる比較例１の実効値の平均値をＡａｖ０、実施例１の実効値の平均値をＡａｖ１、実施例２の実効値の平均値をＡａｖ２、実施例３の実効値の平均値をＡａｖ３として、以下の式（１）により、実施例１のＮＶ低減率を算出した。
ＮＶ低減率＝｛１－（Ａａｖ１／Ａａｖ０）｝×１００ ・・・式（１）

比較例１のＮＶ低減率は式（１）のＡａｖ１にＡａｖ０を、実施例２のＮＶ低減率は式（１）のＡａｖ１にＡａｖ２を、実施例３のＮＶ低減率は式（１）のＡａｖ１にＡａｖ３を、各々代入することにより算出した。

図８に、実施例１～３、比較例１の質量変化量と水平方向のＮＶ低減率との関係を示す。縦軸のＮＶ低減率は、比較例１のＮＶ低減率を１００％とした場合の、比較例１に対するＮＶ低減率の変化量である。横軸の質量変化量は、図７（Ａ）、図７（Ｂ）同様である。図８に示すように、比較例１に対して、実施例１～３は、いずれもＮＶ低減率が高くなっている。また、比較例１に対する質量変化量が大きいほど、ＮＶ低減率は高くなっている。

１：クランクシャフト、２ａ～２ｄ：１番～４番メインジャーナル、３ａ～３ｃ：１番～３番クランクピン、４ａ～４ｆ：１番～４番クランクショルダー、５ａ～５ｆ：１番～４番カウンターウェイト、６：フランジ、Ｂ：基準位置、Ｃ：３番ウェイト位置、Ｄ：４番ウェイト位置、Ｆｂ：並進荷重、Ｆｃ：並進荷重、Ｍｂ：モーメント、Ｍｃ：モーメント、Ｘ：回転軸、Ｙ：水平軸、Ｚ：垂直軸

Claims (4)

1. 軸受に回転可能に支持される４つのメインジャーナルと、
   前記メインジャーナルに対して偏心して配置される３つのクランクピンと、
   前記メインジャーナルと前記クランクピンとを連結する６つのクランクショルダーと、
   前記メインジャーナルを介して前記クランクショルダーに連なる６つのカウンターウェイトと、
   を備え、４つの前記メインジャーナルの中心軸を回転軸として回転可能な直列３気筒エンジン用のクランクシャフトであって、
   補機駆動端から順に、４つの前記メインジャーナルは１番～４番メインジャーナルであり、３つの前記クランクピンは１番～３番クランクピンであり、６つの前記クランクショルダーは１番～６番クランクショルダーであり、６つの前記カウンターウェイトは１番～６番カウンターウェイトであり、
   前記回転軸の回転方向前側を進角側、回転方向後側を遅角側、
   前記２番クランクピンに対応する２番ピストンが上死点から下死点に移動する方向を下方向、
   前記回転軸の軸方向から見て、前記回転軸から前記下方向に延在する基準線の位相を基準位置、
   前記回転軸の軸方向から見て、前記回転軸と前記３番カウンターウェイトの重心とを結ぶ直線の位相を３番ウェイト位置、
   前記回転軸の軸方向から見て、前記回転軸と前記４番カウンターウェイトの重心とを結ぶ直線の位相を４番ウェイト位置として、
   前記基準位置に対して、前記３番ウェイト位置は前記進角側に、前記４番ウェイト位置は前記遅角側に、各々設定されることを特徴とするクランクシャフト。
2. 前記基準位置を０°、前記基準位置に対して前記進角側を＋側、前記遅角側を－側として、
   前記３番ウェイト位置は１９．９°以上２４．６°以下の範囲に、前記４番ウェイト位置は－１３．７°以上－１９．９°以下の範囲に、各々設定される請求項１に記載のクランクシャフト。
3. 前記２番ピストンが前記下死点から前記上死点に移動する方向を上方向、前記回転軸に直交し前記２番ピストンのストローク方向に延在する軸を垂直軸、前記回転軸および前記垂直軸に直交する方向に延在する軸を水平軸として、
   前記２番ピストンが前記上方向に移動する際の、前記２番メインジャーナル、前記３番メインジャーナルの各々に対して、前記上方向成分を含む方向であって、前記回転軸に直交する方向に、作用する並進荷重を算出する並進荷重算出ステップと、
   前記２番ピストンが前記上方向に移動する際の、前記２番メインジャーナル、前記３番メインジャーナルの各々に対して、前記水平軸の軸周りに、作用するモーメントを算出するモーメント算出ステップと、
   前記２番メインジャーナルに作用する前記並進荷重、前記モーメントが小さくなるように前記３番ウェイト位置を設定し、前記３番メインジャーナルに作用する前記並進荷重、前記モーメントが小さくなるように前記４番ウェイト位置を設定するウェイト位置設定ステップと、
   を有する請求項１または請求項２に記載のクランクシャフトのカウンターウェイトの位置設定方法。
4. 前記ウェイト位置設定ステップにおいて、前記２番メインジャーナルに作用する前記並進荷重、前記モーメントが小さくなるように前記３番カウンターウェイトの質量を設定し、前記３番メインジャーナルに作用する前記並進荷重、前記モーメントが小さくなるように前記４番カウンターウェイトの質量を設定する請求項３に記載のカウンターウェイトの位置設定方法。

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