JPH074425A - クランクシャフトのバランス構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明は、内燃機関の機関回転数に応じ
て、カウンタウェイトをクランクアームから接離移動さ
せ、機関回転数に応じた適正なバランス率を確保し、摩
擦損失の低減や、ベアリングの焼付きを防止し、振動・
騒音の発生を低減し、さらに、クランクシャフトの強度
を弱めることもなく、しかも、クランクシャフトの軽量
化を図ることにある。 【構成】 このため、この発明は、クランクシャフトの
クランクアームにカウンタウェイトを別体に設け、クラ
ンクシャフトの回転速度に応じてカウンタウェイトをク
ランクアームに接離移動させるウェイト移動機構を設け
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はクランクシャフトのバ
ランス構造に係り、特にカウンタウェイトをクランクア
ームとは別体でクランクシャフトの回転速度に応じて移
動可能に設けることにより、摩擦損失の低減等を図り得
るクランクシャフトのバランス構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関においては、クランクシャフト
の不釣合をなくして回転を円滑に行わせるために、カウ
ンタウェイトを設けている。このカウンタウェイトを取
付けることにより、内燃機関の振動が少なくなり、回転
が円滑になり、クランクジャーナルやベアリングの摩擦
を低減させることができるものである。

【０００３】このようなバランス装置としては、例え
ば、特開昭６１−２１８８２３号公報、特開昭５８−９
１９１７号公報に開示されている。特開昭６１−２１８
８２３号公報に記載のものは、図１１、図１２に示す如
く、クランクシャフト１０２のクランクジャーナル１０
４とクランクピン１０６とを接続するクランクアーム１
０８と一体のカウンタウェイト１１０に、クランクシャ
フト１０２の軸心Ｃと直交する径方向に指向するウェイ
ト用穴１１２を形成し、このウェイト用穴１１２に補助
ウェイト１１４を挿入し、そして、この補助ウェイト１
１４を制御用スプリング１１６で押圧させ、この制御用
スプリング１１６を保持ナット１１８で保持させてバラ
ンス構造を構成している。即ち、この図１１、図１２の
バランス構造によれば、バランス率をクランクシャフト
１０２の回転速度により変化させるために、カウンタウ
ェイト１１０に遠心方向に移動する補助ウェイト１１４
を取付け、この補助ウェイト１１４を制御用スプリング
１１６で回転中心方向に支持させ、クランクシャフト１
０２の回転数が増加すると、補助ウェイト１１４の遠心
力も増加し、制御用スプリング１１６の付勢力に抗して
補助ウェイト１１４が遠心方向に移動することにより、
バランス率を増加させている。

【０００４】このバランス率の説明は、図１３、図１４
に示されている。即ち、クランクシャフト２００のカウ
ンタウェイト２０２の重量をＷｃ、カウンタウェイト２
０２の重心位置をＬｃ、クランクピン２０４及びコンロ
ッド回転部分の重量をＷｐ、クランクピン２０４及びコ
ンロッド回転部分の重心位置をＬｐ、ピストン、コンロ
ッド往復部分の重量をＷｒ、クランクピン２０４の中心
位置をＬとすると、バランス率Ｒは、添付した化学式等
を記載した書面に記載した［数１］の如き算出される。

【０００５】また、特開昭５８−９１９１７号公報に記
載のものは、クランクアームにクランク中心線と平行な
方向に沿って嵌合される馬蹄形状ウエブの両端を緊締し
同ウエブをクランクアームに圧着させる締着具をクラン
クシャフトに具備せしめ、馬蹄形状ウエブを適宜選定す
ることにより、往復質量の慣性力平衡と、機関回転数に
適合した慣性モーメントが選択可能なクランクシャフト
を製作するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図１１、図
１２に示すようなバランス構造にあっては、補助ウェイ
トのみが移動するだけなので、バランス率の変化の効果
が少なく、その構造上、大型になるという不都合があっ
た。

【０００７】また、クランクシャフトの回転速度による
制御なので、機関出力による燃焼ガス圧力の変化に対応
し得ないという不都合があった。

【０００８】更に、特開昭６１−２１８８２３号公報に
あっては、バランス率の可変範囲は、５０〜７０％であ
り、バランス率を０％、５０％による計算結果が図１
５、図１６に示されており、よって、バランス率をさら
に広範囲に変化させる必要があった。つまり、図１５に
あっては、機関回転数と摩擦損失との関係が、摩擦損失
の小さい方が良いにも拘らず、機関回転数が増加すると
摩擦損失も増加してしまい、また、図１６にあっては、
機関回転数とメインベアリング最小油膜厚さとの関係
が、最小油膜の厚さが大きい方がよいのにも拘らず、バ
ランス率が０％の時に最小油膜厚さが薄くなってしま
う。

【０００９】このバランス率とメインベアリング最小油
膜厚さと摩擦損失との関係にあっては、ピストン、コン
ロッド、クランクの可動部分の慣性力と燃焼ガス圧力と
の合力がクランクシャフトメインベアリングに作用し、
この合力によって、クランクシャフトの主軸中心が偏心
する。この時、主軸とベアリングとの隙間にある油膜に
くさび圧力と絞り圧力が発生し、上述の慣性力と燃焼ガ
ス圧力による合力を受け止める。そして、くさび圧力と
絞り圧力とは偏芯が大きいほど増加し、また、慣性力と
燃焼ガス圧力とが大きいほど偏芯は大きくなり、偏芯が
大きいほど最小油膜厚さは小さくなる。また、各部慣性
力とつり合わせるために、カウンタウェイトがある。

【００１０】以上のことより、カウンタウェイトの適正
な重量が最終油膜厚さを厚くすることになり、ベアリン
グの焼き付を防止するものである。

【００１１】また、偏芯が小さいほどベアリングのメカ
ロスは小さくなり、慣性力と燃焼ガス圧力のベアリング
に作用するベクトル方向は反対の向きであり、カウンタ
ウェイトの遠心力のベクトル方向は燃焼ガス圧力に近似
している。エンジン出力全負荷において、低回転では燃
焼ガス圧力の方が大きく、高回転では慣性力の方が大き
い。つまり、カウンタウェイトの遠心力は、低回転にお
いて小さく、高回転において大きくするのがよいもので
ある。

【００１２】上述の如く、メインベアリングには、ピス
トン、コンロッドの往復部の重量による慣性力が作用
し、図１７に示す如く、メインベアリングの荷重は、立
て長の８の字のようになる。

【００１３】往復部慣性荷重を打ち消すためのカウンタ
ウェイトに重りを付け加えるわけであるが、このとき、
慣性荷重は、図１８に示す如く、円形となる。従って、
往復部慣性荷重を１００％打ち消すには、不可能である
ので、バランス率５０％のカウンタウェイトを取付け、
図１９に示すような極荷重とする。このことは、特開昭
６１−２１８８２３号公報にも記載されている。

【００１４】しかし、実際には、燃焼ガス圧力による荷
重も、メインベアリングに作用している。

【００１５】また、ベアリング荷重（計算）をするに、
図２０、図２１にあっては、機関回転数が７０００ｒｐ
ｍ全負荷におけるバランス率０％（図２０）とバランス
率５０％（図２１）との比較を示し、この図２０、図２
１を比較するに、往復部慣性力が上方に作用するとき、
燃焼ガス圧力による荷重が下方へ作用している。また、
図２０のバランス率０％の方は、図２１のバランス率５
０％の場合よりも最大ベアリング荷重が低いものであ
る。また、無負荷時におけるベアリング荷重は、上述の
図１７、図１９のようになっている。

【００１６】また、図２２、図２３にあっては、機関回
転数が１３０００ｒｐｍ全負荷におけるバランス荷重を
示し、バランス率０％（図２２）とバランス率５０％
（図２３）とを比較するに、高回転になると、慣性力が
増加し、燃焼ガス圧力を打ち消してしまっている。さら
に、最大のベアリング荷重は、図２３のバランス率５０
％の方が、低くなっている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】そこで、この発明は、上
述不都合を除去するために、内燃機関のクランクシャフ
トの不釣合をなくして該クランクシャフトの回転を円滑
に維持するクランクシャフトのバランス構造において、
前記クランクシャフトのクランクアームにカウンタウェ
イトを別体に設け、前記クランクシャフトの回転速度に
応じて前記カウンタウェイトを前記クランクアームに接
離移動させるウェイト移動機構を設けたことを特徴とす
る。

【００１８】

【作用】この発明の構成によれば、クランクシャフトの
回転速度に応じて、カウンタウェイトがクランクアーム
から接離移動するので、機関回転数に応じた適正なバラ
ンス率を確保し、摩擦損失の低減や、メインベアリング
の焼付きを防止し、振動・騒音の発生を低減し、さら
に、クランクシャフトの強度を弱めることもなく、しか
も、クランクシャフトの軽量化を図ることができる。

【００１９】

【実施例】以下図面に基づいてこの発明の実施例を詳細
且つ具体的に説明する。図１〜図９は、この発明の第１
実施例を示すものである。図１において、２は内燃機
関、４はシリンダブロック、６はシリンダヘッド、８は
クランクシャフトである。シリンダブロック４の一側面
よりも突出したこのクランクシャフト８の一端側には、
クランクプーリ１０と冷却ファン１２とが固設されてい
る。クランクプーリ１０の上方には、カムシャフト（図
示せず）に固設したカムプーリ１４が配設されている。
このクランクプーリ１０とカムプーリ１４とには、ベル
ト１６が巻掛けられている。一方、シリンダブロック４
の他側面よりも突出したクランクシャフト８の他端側に
は、フライホイール１８が固設されている。

【００２０】クランクシャフト８は、シリンダブロック
４及びシリンダヘッド６に保持されるクランクジャーナ
ル２０−１、２０−２、２０−３、２０−４、２０−５
と、クランクシャフト８の軸心Ｃ方向に指向するクラン
クピン２２−１、２２−２、２２−３、２２−４と、隣
接する各クランクジャーナル２０と各クランクピン２２
とを接続するクランクアーム２４−１、２４−２、２４
−３、２４−４、２４−５、２４−６、２４−７、２４
−８とからなる。

【００２１】シリンダブロック４には、シリンダ２６−
１、２６−２、２６−３、２６−４が形成されている。
このシリンダ２６−１、２６−２、２６−３、２６−４
には、ピストン２８−１、２８−２、２８−３、２８−
４が往復動可能に設けられている。このピストン２８−
１、２８−２、２８−３、２８−４は、コンロッド３０
−１、３０−２、３０−３、３０−４の一端側の小端部
に連結されている。このコンロッド３０−１、３０−
２、３０−３、３０−４の他端側である大端部は、クラ
ンクピン２２−１、２２−２、２２−３、２２−４に連
結されている。

【００２２】前記クランクシャフト８の各クランクアー
ム２４−１、２４−２、２４−３、２４−４、２４−
５、２４−６、２４−７、２４−８には、別体に、カウ
ンタウェイト３２−１、３２−２、３２−３、３２−
４、３２−５、３２−６、３２−４、３２−８が設けら
れている。

【００２３】即ち、図２に示す如く、クランクアーム２
４には、クランクシャフト８の軸心Ｃ付近の中心側アー
ム斜面部３４とこの中心側アーム斜面部３４に連設して
クランクシャフト８の径方向で外方向に指向するアーム
鉛直面部３６と、このアーム鉛直面部３６に連設してク
ランクシャフト８の軸心Ｃ方向に指向するアーム水平面
部３８と、このアーム水平面部３８に連設して外方に斜
めに指向する外側アーム斜面部４０とが形成されてい
る。また、クランクアーム２４には、アーム水平面部３
８でクランクシャフト８の軸心Ｃ方向と直交する径方向
に指向してガイドボルトねじ穴４２が所定深さＡ１で形
成されている。

【００２４】一方、カウンタウェイト３２には、図３に
示す如く、中心側アーム斜面部３４に対応する中心側ウ
ェイト斜面部４４と、アーム鉛直面部３６に対応するウ
ェイト鉛直面部４６と、アーム水平面部３８に対応する
ウェイト水平面部４８と、外側アーム斜面部４０に対応
する外側ウェイト斜面部５０とが形成されている。

【００２５】このカウンタウェイト３２は、外面が角状
であり、クランクアーム２４のガイドボルトねじ穴４２
に対応する位置でクランクシャフト８の軸心Ｃに直交し
て外側面から所定深さＡ２で且つ所定内径Ｄ１でボルト
穴５２が形成されている。

【００２６】このボルト穴５２は、図４に示すガイドボ
ルト５４のボルト頭部５４ａを嵌挿するのもので、内径
Ｄ１がボルト頭部５４ａの外径Ｄ２と略同一に形成され
ている。

【００２７】また、カウンタウェイト３２には、ボルト
穴５２とウェイト水平面部４８間に、中間部５６が形成
される。この中間部５６には、ガイドボルト５４の軸部
５４ｂが挿通する挿通孔５８が形成される。従って、こ
の挿通孔５８は、ガイドボルト５４の軸部５４ｂの外径
と略同一に形成されている。

【００２８】ガイドボルト５４の軸部５４ｂがこの挿通
孔５８に挿通された際に、ガイドボルト５４の先端側の
ねじ部５４ｃは、ガイドボルトねじ孔４２に螺着され
る。

【００２９】ガイドボルト５４の軸部５４ｂには、図５
に示す如く、制御用スプリング６０が嵌着される。従っ
て、ガイドボルト５４の軸部５４ｂに制御用スプリング
６０を嵌着し、軸部５４ｂの先端側を挿通孔５８に挿通
し、先端側のねじ部５４Ｃをクランクアーム２４のガイ
ドボルトねじ孔穴４２に螺着していくと、終には、図６
に示すごとく、制御用スプリング６０がボルト頭部５４
ａと中間部５６間で縮設され、制御用スプリング６０の
取付荷重の付勢力によってカウンタウェイト３２がクラ
ンクアーム２４に接触すべく押圧されるものである。

【００３０】これにより、カウンタウェイト３２のウェ
イト移動機構６２が構成される。

【００３１】次に、この実施例の作用を説明する。

【００３２】機関回転数が低い場合、つまりクランクシ
ャフト８の回転速度が低い場合には、図６、図７に示す
如く、カウンタウェイト３２の遠心力よりも制御用スプ
リング６０の付勢力（取付荷重）が大きいので、カウン
タウェイト３２は、クランクアーム２４に接合するの
で、カウンタウェイト３２の重心位置は、回転中心側、
つまりクランクシャフト８の軸心Ｃ側となる。これによ
り、バランス率は、０％に維持される。

【００３３】機関回転数が高くなると、つまりクランク
シャフトの回転速度が高くなると、図８、図９に示す如
く、カウンタウェイト３２の遠心力が制御用スプリング
６０の付勢力よりも大きくなり、カウンタウェイト３２
がクランクアーム２４から離れる。よって、カウンタウ
ェイト３２の重心位置は、回転中心から遠ざかり、これ
により、バランス率は、５０％になる。

【００３４】この結果、機関回転数によってカウンタウ
ェイト３２がクランクアーム２４に接離してバランス率
を適正に維持することができるので、摩擦損失の低減を
図るとともに、機関回転数に応じた適切な油膜厚さを確
保させてメインベアリングの焼付きの発生を防止し、ま
た、振動・騒音の発生を低減し、しかも、クランクシャ
フト８の強度を弱めることがない。

【００３５】また、クランクシャフト８の軽量化、小型
化を図り、しかも、材料を削減して廉価とすることがで
きる。

【００３６】図１０は、この発明の第２実施例を示すも
のである。以下の実施例においては、上述の実施例と同
機能を果す箇所には同一符号を付して説明する。

【００３７】この第２実施例の特徴とするところは、ボ
ルト穴５２に油圧を作用させて、この油圧によってカウ
ンタウェイト３２を移動させるウェイト移動機構６２を
構成した点にある。即ち、クランクシャフト８の軸心方
向にシャフトオイル孔７２を形成し、このシャフトオイ
ル孔７０をガイドボルトねじ穴４２に連通し、ガイドボ
ルト５４の軸部５４ｂには軸心上にボルトオイル孔７４
を先端側から形成し、このボルトオイル孔７４とボルト
穴５２とをオイル連通孔７６で連通する。

【００３８】また、シャフトオイル孔７２には、一端側
がオイルポンプ７８に隣接するオイル通路８０の他端側
を接続する。このオイル通路８０の途中には、オイルポ
ンプ７８側からのオイル量を調整する電磁弁８２を介設
する。

【００３９】この第２実施例の構成によれば、電磁弁８
２のオン・オフ作動によって、バランス率を制御するこ
とができ、よって、機関回転数の他に燃焼ガス荷重の変
化に対応したバランス率の制御が可能となるものであ
る。

【００４０】

【発明の効果】以上詳細な説明から明らかなようにこの
発明によれば、クランクシャフトのクランクアームにカ
ウンタウェイトを別体に設け、クランクシャフトの回転
速度に応じてカウンタウェイトをクランクアームに接離
移動させるウェイト移動機構を設けたことにより、クラ
ンクシャフトの回転数に応じて、カウンタウェイトがク
ランクアームから接離移動するので、機関回転数に応じ
た適正なバランス率を確保し、摩擦損失の低減や、ベア
リングの焼付きを防止し、振動・騒音の発生を低減し、
さらに、クランクシャフトの強度を弱めることもなく、
しかも、クランクシャフトの軽量化を図り得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】内燃機関の断面図である。

【図２】この発明の第１実施例におけるクランクシャフ
トのクランクアームの一部拡大断面図である。

【図３】カウンタウェイトの断面図である。

【図４】ガイドボルトの正面図である。

【図５】スプリングの正面図である。

【図６】機関回転数が低い場合におけるカウンタウェイ
トの位置を説明する一部断面図である。

【図７】機関回転数が低い場合におけるカウンタウェイ
トの位置を説明する一部断面図である。

【図８】機関回転数が高い場合におけるカウンタウェイ
トの位置を説明する一部断面図である。

【図９】機関回転数が高い場合におけるカウンタウェイ
トの位置を説明する一部断面図である。

【図１０】第２実施例におけるウェイト移動機構の断面
図である。

【図１１】従来におけるバランス構造の一部断面図であ
る。

【図１２】図１１におけるバランス構造の一部断面図で
ある。

【図１３】バランス率の説明のための符号の説明図であ
る。

【図１４】バランス率の説明のための符号の説明図であ
る。

【図１５】摩擦損失とバランス率との関係図である。

【図１６】メインベアリング最小油膜厚さとバランス率
との関係図である。

【図１７】往復部慣性荷重の説明図である。

【図１８】バランス率５０％の慣性荷重の説明図であ
る。

【図１９】ベアリングの極荷重の説明図である。

【図２０】機関回転数７０００ｒｐｍにおけるバランス
率０％の荷重の変化状態を示す説明図である。

【図２１】機関回転数７０００ｒｐｍにおけるバランス
率５０％の荷重の変化状態を示す説明図である。

【図２２】機関回転数１３０００ｒｐｍにおけるバラン
ス率０％の荷重の変化状態を示す説明図である。

【図２３】機関回転数１３０００ｒｐｍにおけるバラン
ス率５０％の荷重の変化状態を示す説明図である。

【符号の説明】

２ 内燃機関 ４ シリンダブロック ８ クランクシャフト ２０ クランクジャーナル ２２ クランクピン ２４ クランクアーム ３２ カウンタウェイト ４２ ガイドボルトねじ穴 ５２ ボルト穴 ５４ ガイドボルト ６０ 制御用スプリング ６２ ウェイト移動機構

【数１】

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成３年９月６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】 このバランス率の説明は、図１３、図１
４に示されている。即ち、クランクシャフト２００のカ
ウンタウェイト２０２の重量をＷｃ、カウンタウェイト
２０２の重心位置をＬｃ、クランクピン２０４及びコン
ロッド回転部分の重量をＷｐ、クランクピン２０４及び
コンロッド回転部分の重心位置をＬｐ、ピストン、コン
ロッド往復部分の重量をＷｒ、クランクピン２０４の中
心位置をＬとすると、バランス率Ｒは、添付した化学式
等を記載した書面に記載した数１の如き算出される。

【数１】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図１１】

【図１２】

【図１３】

【図６】

【図７】

【図８】

【図９】

【図１０】

【図１４】

【図１７】

【図１８】

【図１９】

【図１５】

【図１６】

【図２０】

【図２１】

【図２２】

【図２３】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関のクランクシャフトの不釣合を
   なくして該クランクシャフトの回転を円滑に維持するク
   ランクシャフトのバランス構造において、前記クランク
   シャフトのクランクアームにカウンタウェイトを別体に
   設け、前記クランクシャフトの回転速度に応じて前記カ
   ウンタウェイトを前記クランクアームに接離移動させる
   ウェイト移動機構を設けたことを特徴とするクランクシ
   ャフトのバランス構造。