JPH02196135A - 機関及びその機関用の低振動クランク軸 - Google Patents

機関及びその機関用の低振動クランク軸

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JPH02196135A
JPH02196135A JP1317920A JP31792089A JPH02196135A JP H02196135 A JPH02196135 A JP H02196135A JP 1317920 A JP1317920 A JP 1317920A JP 31792089 A JP31792089 A JP 31792089A JP H02196135 A JPH02196135 A JP H02196135A
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crank
crankshaft
crank arms
stiffness
mass
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Dermot G Madden
ダーモット　ジェラルド　マッデン
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Saturn Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、米国特許第２．１０３．１８５号明細書に示
された請求項１の前文に記載しであるような往復ピスト
ン式機械たとえば内燃機関と、このような機械、エンジ
ン及び類似物用のクランク軸とに関する。好適な実施例
では本発明は、エンジン用多重スロークランク軸と、そ
のエンジンとの組合せとに関する。
〔背景〕
ランブラ−（Ｒｕ＋ｗｐｌｅｒ）による１９３７年１２
月２１日付米国特許第２．１０３．１８５号明細書では
、出力端に近づくのに伴いジャーナル、クランクピン及
びクランクアームにより伝わる累積的ガス力に適応する
ように出力端に向かい壁厚が進行的に増大する中空のエ
ンジンクランク軸を形成することが提案されている。
このようなりランク軸構造は若干のエンジン構造には適
当であるが、この米国特許明細書に記載しである構造で
は、クランク軸が有限のこねさを持ちファイアリング負
荷又はエンジン回転速度或はこれ等の両方により生ずる
共振振動数を有するものとは明らかに考えられない。米
国特許第２，１０３．１８５号明細書におけるねじり振
動に対する関心の欠如は、１９３７年における比較的低
い最高エンジン回転速度を反映したものである。一般に
７０００ないし８０００ＰＰＭの付近で運転する現用の
高速エンジンのねじり振動により生ずる負荷は、ガス力
のほかに設計上考慮しなければならないものである。
〔発明の要約〕
本発明による往復ピストン機械は、請求項１の特徴部分
に記載しである項目を特徴とする。
本発明は、連結された各部品と組み合って普通の設計よ
り一層密接に設計上の運転条件のもとて最小の振動振幅
及びねじり応力を持つ最高ねじり振動数に接近する新規
なりランク軸構造を提供するものである。
本発明による仕上がりのクランク軸構造を提供するには
、公知の振動解析法に従ってクランク軸システムの解析
を必要とする。この解析はクランク軸全体のねじりこわ
さ及び慣性の特性に基づいている。この情報は、システ
ムの振動レスポンスを定めるのに運転負荷データ（すな
わちエンジンＲＰＭ及びシリンダ圧力データ）と組み合
わせて使う。この解析で定められる臨界的情報ピースは
共振振動数、振動の振幅及びねじり応力である。
クランクアームのねじりこわさ及び質量／慣性は、運転
中にクランクアームに加わる最高駆動トルクを送り出す
のに必要な最低値以上に変える。
クランク軸系の第１の共振モードの節点（この節点はね
じりたわみ零の位置である）の付近に最高こわさを生じ
、次いで節点からの距離に対して他のクランクアームの
こわさ及び慣性／質量を減らすようにしである。このよ
うにして慣性トルクを最小にし従って振動の振幅及び応
力は、最小になるが、クランクアームがすべて等しいね
じりこわさ及び慣性／質量を持つ普通の構造に比べて共
振振動数は増す。
本発明の実際的応用では、設計及び製造の簡略化のため
に各クランクアームの差を制限することにより理想的構
造に近づくことが望ましい。すなわちたとえば各主ジャ
ーナルの各側の各対のクランクアーム又は各クランクス
ローの両クランクアームの寸法及びねじり強さを等しく
するが振動の節ずなわぢ節点からの距離に大体比例して
各対のクランクアームのねじり強さを変えることができ
る。
〔実施例〕
実施例について図面を参照して説明すると、第１図には
自動車等に使うようにした本発明による４ストロークザ
イクル４シリンダ自動車用内燃機関すなわちエンジン１
０を示しである。エンジン１０は、単一列に並べられそ
れぞれ端部をシリンダヘッド１４により閉じた複数のシ
リンダ１２を持つ普通のエンジンシリンダブロソク１１
を備えている。ブロック１１は又、オイルパン１５によ
り通常閉じられている開口底部を持つクランクケースを
形成する。
エンジンブロック１１のクランクケース部分には、本発
明により形成したクランク軸１６を回転自在に支えであ
る。クランク軸１６は、エンジンブロックの軸線方向に
互いに間隔を隔てて整合した主軸受はウェブ２４内に支
えた５個の主ジャーナル１８．１９．２０．２１．２２
を備えている。
互いに隣接する対のジャーナルの間には、それぞれ１対
のクランクアームにより支えた半径方向に片寄ったクラ
ンクピン２５．２６．２７．２８を設けである。前部か
ら後部に向かいクランクアーム３１．３，２．３３．３
４．３５．３Ｇ、３７．３８を設けである。さらにクラ
ンク軸１６は前端部スタブ４２及び後端部フランジ４３
を備えている。
通常の場合のようにクランクピン２５〜２８は、シリン
ダ１２内で往復動できるピストン４６に連接棒４４を介
して連結している。エンジンの組立てに際しては、クラ
ンク軸１６の後部で、クラッチ、自動変速装置のトルク
コンバータ又はその他の協働する出力手段に連結するよ
うにフランジ４３にフライホイール４７を取付けである
。前端部では油ポンプ駆動歯車４８とカムシャフト・及
び補機駆動装置５０とはスタブ４２に取付けである。
エンジン運転中にクランク軸内で生ずるねじり振動応力
及びたわみを最小にするように、本発明により、各クラ
ンクアームの各場所に生ずるねじり振動及びその他の力
の複合力に耐えるのに必要な最低の質量及び最適のこわ
さが得られるように各別のクランクアームの寸法を選択
的に定める。
設計過程では先ず、主寸法及びクランクピン寸法と間隔
とを含む主要クランク軸特性の選択と公称クランクアー
ム寸法の選択とが算定した駆動トルク脈動に耐えるのに
適当なりランク軸設計の第１近似を生成することが必要
である。
次いで協働するピストン、補機駆動装置及びフライホイ
ールとクランク軸に固定して取付は又はクランク軸によ
り駆動しようとする他の部品とを組付けたクランク軸の
ねじり振動解析を行う。この解析により、エンジン運転
速度範囲で問題のねじり振動モードにおけるシステムの
角度方向たわみの節又は零点を定める。この場合角度方
向たわみは、節の近くで各クランクアームを実質的にこ
わくすると共に、他のクランクアームのこわさ（及び’
ｆｌｊｔ）をこれ等のクランクアームの節からの距離に
近似的に比例して比較的わずかに増し又は減らすことに
よって低減する。
この場合各クランクアームのこわさ及び慣性／質量を調
整し次いで、クランク軸の最小の角度方向たわみを生ず
る全最高ねじり固有振動数に達し又はこの固有振動数が
クランク軸設計者に満足が得られる程度に近づくまでね
じり振動特性を再計算する繰返し処理を必要とする。こ
の処理には、節からの軸線方向距離が増すに伴い各クラ
ンクアームが増大する慣性トルクを生ずるということを
認める必要がある。従って節の近くのクランクアームを
、これ等に生ずる角度方向たわみを最小にするようにで
きるだけこわくすることが望ましい。
文節又は節点から最大の距離における各クランクアーム
の慣性／質量の実質的な減少により最大角度方向たわみ
が著しく減少するようになる。末端のクランクアームが
これ等にエンジンの正常連転の際にピストンにより加わ
る最高トルク荷重を受入れるのに十分なだけ必然的にこ
わいままになっていなければならないが、この場合末端
のクランクアームのこわさに結果的に生、する低下を相
殺する以上の効果がある。
前記したクランク軸１６に前記の方法を適用する結果は
、第２図の側面図及びモード形状図と第３図ないし第１
０図の横断面図とに示しである。
これ等の横断面図では背景の投影は図が分かりやすいよ
うに省いである。第２図でモード形状図は、鎖線５２の
クランク軸軸線５１からの距離により、共振運転速度に
おける各隣接クランク軸部分（同し直角断面における）
の二重振幅変（ＤＤＡ）で表わした相対的角度方向たわ
みを示す１節５４又は節点は、鎖線５２が軸線５１と交
差する場所であり、角度方向たわみがこの点で零である
ことを示す。
クランク軸の開発では、内部主ジャーナル１９．２０．
２１の各側の各対のクランクアームに対し同じ形状のク
ランクアームを利用することにより設計及び製造の簡略
化に役立った。すなわち主ジャーナル１９の互いに対向
する側のクランクアーム３２．３３の形状をそれぞれ示
す第３図及び第４図には、それぞれ節５４から比較的大
きい距離に位置しているので、比較的低い慣性／質量（
及びこわさ）を生ずる比較的狭い幅〔すなわち軸線５１
に直交する平面内で横方向に測って〕を持つ互いに同じ
クランクアーム形状を示している。第５図は、節５４か
ら最も遠い距離にある前部クランクアーム３１を示し、
クランクアーム３１も又、全部のクランクアームのうち
で最も狭い幅と最も低い慣性／質量及びこわさを持つ。
この場所には、クランクアーム３１から反対側に延びる
クランク軸つりあいおもり５５を位置させである。
第６図及び第７図は、中心主ジャーナル２０の互いに反
対の側に配置したクランクアーム３４．３５及び協働す
るつりあいおもり５６．５７を示す。この対のクランク
アームは、それぞれ狭いクランクアーム３２．３３より
節５４に一層近い場所に位置しているので実質的に一層
大きい幅、質量及びこわさを持つ。
第８図及び第９図は、主ジャーナル２１の各側に配置し
た対のクランクアーム３６．３７を示す。
これ等のクランクアームは共に、それぞれの場所が節５
４又はその近くにあるので、それぞれの−層大きい幅に
より示すように最高のこわさに近いこわさを持つ。しか
しクランクアーム３６の形状は、これが又エンジン運転
中にタイミングホイールとして使うようにリラクタリン
グ（ｒｅｌｕｃｔｏｒｒｉｎｇ）　　５８に協働してい
るからさらに異なっている。リング５８によりクランク
軸に加わる余分な質量によって、このリングは実際上節
５４にできるだけ近い位置に位置させてクランクアーム
３６に協働させるのが望ましい。クランクアーム３７は
、エンジンのその他の構造部により許容されるならば一
層よい場所でもあるのは明らかである。
第１０図は協働する後部のつりあいおもり５９と共に後
端部クランクアーム３８の形状を示す。
クランクアーム３８は、その位置が節５４に極めて近い
ので、クランクアーム３６と同様な比較的大きい幅、質
量及びこわさを持つ。
図示のクランクアームの実施例では種種のクランクアー
ムの質量及びこわさを主としてそれぞれの横方向幅を変
えることによって変えであるのは明らかである。しかし
本発明の範囲を逸脱しないでクランクアームの質量及び
こわさを変えるのに縦方向厚さの変更又は中空部分のよ
うな他の形状の構造を利用してもよいのは明らかである
。
以上本発明をその実施例について詳細に説明したが本発
明はなおその精神を逸脱しないで種種の変化変型を行う
ことができるのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明により形成した低共振性クランク軸を持
つ内燃機関の縦断面図である。 第２図は第１図の機関組立体に連結され最高ねじり振動
運転条件で運転するときのクランク軸ねじり振動振幅の
モード形状線図を重ねて画いたクランク軸の側面図であ
る。 第３図、第４図、第５図、第６図、第７図、第８図、第
９図及び第１０図は第２図のそれぞれ３−３線、４−４
線、５−５線、６−６線、７−７線、８−８線、９−９
線及び１０−１０線に沿う断面図であり、それぞれの位
置での種々のクランクアームの形状を示している。 〔主要部分の符号の説明〕 １０・・・往復ピストン式機械、１１・・・フレーム、
１２・・・シリンダ、１６・・・クランク軸、１８．１
９．２０．２１．２２・・・主ジャーナル、２５．２６
．２７．２８・・・クランクピン、３１．３２．３３．
３４．３５．３６．３７．３８・・・クランクアーム、
４４・・・連接棒、４６・・・ピストン、４７・・・回
転質量、５１・・・軸線、５４・・・節。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、フレーム（１１）内部に支えられ軸線（５１）に沿
    い互いに間隔を隔てた複数個の主ジャーナル（１８〜２
    ２）と前記軸線（５１）から半径方向に片寄り前記各主
    ジャーナル（１８〜２２）の中間で軸線方向に互いに間
    隔を隔てた複数個のクランクピン（２５〜２８）とこれ
    等の各クランクピン（２５〜２８）を前記ジャーナル（
    １８〜２２）のうちの隣接する各ジャーナルに連結する
    複数個のクランクアーム（３１〜３８）とを持つクラン
    ク軸 （１６）を支え複数個のシリンダ（１２）を持つフレー
    ム（１１）と、前記各シリンダ （１２）内で作用する協働するピストン（４６）に前記
    各クランクピン（２５〜２８）を連結する連接棒（４４
    ）と、前記クランク軸（１６）の一端部に連結した回転
    質量（４７）とを備えた往復ピストン式機械（１０）に
    おいて、少なくとも１つの零節（５４）における基準値
    に対する各クランクピン（２５〜２８）及び各クランク
    アーム（３１〜３８）の角度方向振動たわみが前記のよ
    うな節のうちの最も近い節からの距離に伴って増す最高
    値に達する速度範囲内の回転速度で生ずる決定できる振
    動のモード及び次数を持つピークねじり振動共振がクラ
    ンク軸（１６）に、このクランク軸に他の協働する部品
    すなわち連節棒（４４）、ピストン（４６）及び回転質
    量（４７）を組合せて所定の回転速度範囲内で回転した
    ときに、生ずるようにし、前記の種種のクランクアーム
    （３１〜３８）の質量及びこわさを、前記の最も近い節
    （５４）からの各距離が最低の振動クランク軸質量に近
    づき又前記回転速度における前記各クランクピン（２５
    〜 ２８）の最高の角度方向たわみを制限するような程度ま
    で増大するのに伴って減らすようにしたことを特徴とす
    る往復ピストン式機械（１０）。 ２、種種のクランクアーム（３１〜３８）の慣性／質量
    及びこわさの相互間の変化が主として、前記各クランク
    アーム（３１〜３８）の横方向幅の変化により生ずるよ
    うにしたことを特徴とする請求項１に記載の往復ピスト
    ン式機械（１０）用のクランク軸（１６）。 ３、種種のクランクアーム（３１〜３８）のこわさが、
    これ等の各クランクアームの横方向幅の変化によって所
    定のパターンで相互に異なるようにしたことを特徴とす
    る請求項２に記載のクランク軸（１６）。 ４、各クランクアーム（３１〜３８）のうちの選定した
    クランクアームだけがそれぞれのねじりこわさ及び慣性
    ／質量を相対的に変えるように横方向幅が相互に異なる
    ようにしたことを特徴とする請求項２に記載のクランク
    軸（１６）。
JP1317920A 1988-12-09 1989-12-08 機関及びその機関用の低振動クランク軸 Pending JPH02196135A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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US281,586 1988-12-09
US07/281,586 US4901692A (en) 1988-12-09 1988-12-09 Engine and low vibration crankshaft therefor

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US (1) US4901692A (ja)
EP (1) EP0372724A3 (ja)
JP (1) JPH02196135A (ja)
KR (1) KR920006622B1 (ja)
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