JPH1068411A - クランクシャフト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 直列４気筒型内燃機関において、クランクシ
ャフトの重量を殆ど増大させることなしに、機関の振動
を低減させる。 【解決手段】 ジャーナル４Ａ〜４Ｅがシリンダブロッ
ク２の下端において５個の軸受５にて軸支され、その一
端が変速機６と結合された直列４気筒型内燃機関のクラ
ンクシャフト３において、第２気筒と第３気筒のクラン
クピンの両側に位置するクランクアームＷ３〜Ｗ６の幅
を増大させるか、或いは厚さを増すことによって、クラ
ンクアームＷ３〜Ｗ６の剛性を他の部位よりも大きくす
る。この結果、クランクシャフト３の重量の増加を抑え
つつ、内燃機関１の爆発行程におけるクランクシャフト
３の振動が低減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はクランクシャフトに
関し、特に、直列４気筒型内燃機関の爆発行程における
振動が小さくなるような構造を有するクランクシャフト
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、内燃機関のシリンダブロックの下
端部にはピストンの上下動によって回転するクランクシ
ャフトが軸受によって軸支されて設けられている。そし
て、内燃機関の爆発行程により、クランクシャフトの軸
受を通じてシリンダブロックは加振され、内燃機関は振
動する。クランクシャフトにかかる力、モーメントと機
関の振動との関係はまだ十分に解明されておらず、計算
や実験から簡単に算出することはできない。

【０００３】しかしながら、一般的に直列４気筒型内燃
機関では、第１気筒の爆発時に振動が大きいことが知ら
れている。従って、第１気筒の爆発直後のクランクシャ
フトの変形が小さく、シリンダブロックを加振する力を
小さくすることが内燃機関の振動を抑えるのに重要であ
る。一方、内燃機関の振動を低減させるために、４気筒
内燃機関用のクランクシャフトにおいて、クランクシャ
フトにかかるトルク、曲げ、駆動負荷等の抵抗モーメン
トが、クランクシャフトの一端から他端に向かうにつれ
て小さくなるとして、この抵抗モーメントに対応して、
クランクシャフトを一端から他端に向かうにつれてクラ
ンクアームのクランクシャフト方向の厚さ、またはクラ
ンクシャフトに垂直な方向の幅を小さくすることが提案
されている（特開昭５８−８８１８号公報参照〕。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
５８−８８１８号公報に記載の技術では、クランクシャ
フトの強度特性のみを考慮しており、クランクシャフト
の形状は強度と重量低減の目的に適した形状にはなって
いるが、内燃機関の振動低減を考慮した形状になってい
ないという問題点がある。

【０００５】即ち、特開昭５８−８８１８号公報に記載
の技術は、クランクシャフトの強度特性を劣化させるこ
となくクランクシャフトの重量を低減することを目的と
しているために、クランクシャフトの各部位にかかる全
ての力とモーメントの総和を考慮してクランクシャフト
の形状を決定している。しかしながら、現在のクランク
シャフトは、強度だけではなく更に振動低減の要求も満
足させる必要があり、クランクシャフトの重量低減は振
動騒音との両立を図った上で行われなければならず、特
開昭５８−８８１８号公報に記載の技術はこの要求を満
足するものではない。

【０００６】したがって、本発明の目的は、クランクシ
ャフトの形状の工夫により、クランクシャフトの重量を
殆ど増大させることなしに、機関の振動を低減すること
ができる直列４気筒型内燃機関用のクランクシャフトを
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明のクランクシャフトは、ジャーナルがシリンダブロッ
クの下端において５個の軸受にて軸支される直列４気筒
型内燃機関のクランクシャフトであって、その一端が変
速機と結合されたクランクシャフトにおいて、第２気筒
と第３気筒のクランクピンの両側に位置するクランクア
ームの剛性を他の部位よりも大きくしたことを特徴とし
ている。

【０００８】本発明のクランクシャフトによれば、クラ
ンクシャフトの重量の増加を抑えつつ、内燃機関の爆発
行程におけるクランクシャフトの振動が低減される。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下添付図面を用いて本発明の実
施の形態を具体的な実施例により詳細に説明するが、本
発明の実施例を説明する前に、本発明の実施例の構成の
根拠について図１から図５を用いて説明する。図１(a)
は直列４気筒型内燃機関１のシリンダブロック２、クラ
ンクシャフト３、クランクプーリ４、シリンダブロック
２にあるクランクシャフト３を受ける軸受部５、および
変速機６の位置を機関１の側面から見て示す骨組み図で
ある。図に示す線Ｃはシリンダブロックのロアデッキの
位置を示している。また、線Ｄはシリンダブロック２内
のボア間に引かれた線を示している。なお、この図１
(a) に示す線は、静止状態の内燃機関１に図示しない加
速度センサを貼り付けた位置を線で結んだ状態を示して
いる。

【００１０】また、図２(a) は図１(a) に示した直列４
気筒型内燃機関１を上方から見た平面図であり、図３
(a) は図１(a) に示した直列４気筒型内燃機関を斜め前
方から見た斜視図である。従って、図２(a) ，図３(a)
では、図１(a) と同じ構成部材には同じ符号を付してそ
の説明を省略する。なお、図１(a) に図示がなく、図２
(a) ，図３(a) に図示があるものは、ディファレンシャ
ルギヤ８とクランク軸高さを示す線Ｅ（図３(a) のみ）
である。なお、本発明においては、変速機６から遠い側
の気筒を第１気筒♯１とし、同様に、変速機６から遠い
側の軸受部を１番目の軸受部とする。

【００１１】図１(b),図２(b),および図３(b) は、図１
(a),図２(a),および図３(a) に示した直列４気筒型内燃
機関１の第１気筒♯１が爆発した直後のシリンダブロッ
ク２、クランクシャフト３、軸受部５および軸受キャッ
プ７の変形を示す実験図である。更に、図３(c) は図３
(b) の状態を第１気筒側から見た正面図である。一般的
に、直列４気筒型内燃機関の振動騒音は第１気筒♯１の
爆発行程時の振動が最も大きいことが知られている。従
って、軸受部の構成については、第１気筒♯１の爆発直
後のクランクシャフト３が受ける力をシリンダブロック
２に伝達しないことが重要である。

【００１２】図１(b) から分かるように、第１気筒♯１
付近のクランクシャフト３は爆発力により下方に下が
り、軸受キャップ７が前後方向に押し拡げられる。一
方、図２(b),図３(b) を見ると、軸受部５の前後方向の
変形はシリンダブロック２全体の変形に余り寄与してい
ない。そして、図２(b) から分かるように、第１気筒♯
１が爆発した直後では、クランクシャフト３がＳ字形に
変形しており、それにならってシリンダブロック２もＳ
字形に変形している。このクランクシャフト３のＳ字形
の変形は、図３(b) においても確認することができる。

【００１３】これらの図から、直列４気筒型内燃機関１
の第１気筒♯１が爆発した直後のシリンダブロック２で
は、２番目と４番目の軸受部５が強い力を受けることが
分かる。すなわち、以上の結果から、第１気筒♯１の爆
発時には２番目と４番目の軸受部５の左右方向からシリ
ンダブロック２への加振力が伝達されることが分かっ
た。

【００１４】次に、前述の現象が直列４気筒型内燃機関
において一般的な直列４気筒型内燃機関の現象であるか
否かを確認するために、図４に示すような直列４気筒型
内燃機関用のクランクシャフト２を、図５に示すような
モデルに置き換えてシミュレーションを行った結果を図
６に示す。なお、図４において、４Ａ〜４Ｅはそれぞれ
クランクシャフト２の１番目〜５番目のジャーナルを示
しており、４ａ〜４ｄはそれぞれ各気筒のクランクピン
を示しており、４１はクランクアーム、４２はバランス
ウエイト、４３はフライホイールが取り付けられるフラ
ンジを示している。また、図５に示したモデルは、クラ
ンクシャフト２のＦＥＭ梁モデルを軸受部５に相当する
ばね９とフライホイールに相当する３方向拘束１０で支
持し、爆発力に相当する荷重１１を各クランクピン４ａ
〜４ｄに印加した場合の各軸受部が受ける左右方向の力
を計算するためのものである。

【００１５】図６は図５のクランクシャフトのモデルを
使用し、第１気筒♯１のクランクピン４ａに荷重1000kg
f を加えた時の各軸受部に加わる平均荷重を示す特性図
であり、横軸にジャーナル番号、縦軸に０を基準として
ベアリング荷重の正負の大小を示してある。図６に示す
ように、第１気筒のクランクピン４ａに荷重を加えた時
に、２番目、４番目の軸受に左右逆方向の力が加わるの
は実験と一致している。また、このシミュレーション結
果は、クランクシャフト３の剛性、軸受部のばね定数、
クランクピン４ａ〜４ｄに加える荷重を変えても傾向は
変わらないことが分かった。従って、第１気筒♯１の爆
発直後にクランクシャフト３がＳ字形に変形してシリン
ダブロック２を強く加振するのは、直列４気筒型内燃機
関の一般的な現象であると判断できる。

【００１６】次に、図７(a) ，(b) に図５のシミュレー
ションモデルの第１気筒♯１のピン４ａに荷重を加えた
時のクランクシャフト３の歪みエネルギの密度分布を示
す。尚、図７(b) は図７(a) を反対側から見た図であ
る。図７(a) ，(b) において、クロスハッチングの部分
が最も歪みエネルギ密度が低く、間隔の狭いハッチング
の部分は歪みエネルギ密度がこれより大きくなり、間隔
の広いハッチングの部分は歪みエネルギ密度が更に大き
くなり、ハッチングの無い部分が歪みエネルギ密度が最
も大きい。クランクシャフト３の変形を抑えるには、歪
みエネルギ密度が大きい部位を重点的に補強するのが、
重量効率の良い方法である。

【００１７】図７(a) ，(b) から分かるように、歪みエ
ネルギ密度の大きい部位は、ジャーナル４Ａ〜４Ｅやク
ランクピン４ａ〜４ｄとクランクアーム４１との結合部
である。そこで、ジャーナル径、クランクピン径を拡大
し、クランクシャフトに直角方向のジャーナル幅とクラ
ンクピン幅を縮小すれば、クランクシャフト３の変形を
抑えることができる。しかしながら、この対策では、ク
ランクシャフト３の基本諸元であるジャーナル径、クラ
ンクピン径、ジャーナル幅、およびクランクピン幅を変
更することになり、生産設備や関連部品の変更を伴い、
通常は困難である。

【００１８】そこで、比較的設計変更が容易なクランク
アーム４１の部分に着目すると、図７(a) ，(b) から、
第２気筒♯２と第３気筒♯３のクランクピン４ｂ，４ｃ
の両側にあるクランクアーム４１の歪みエネルギ密度
が、他のクランクアーム４１の歪みエネルギ密度よりも
大きいことが分かる。即ち、クランクアーム４１をプー
リ側から順にＷ１〜Ｗ８とすると、クランクアームＷ３
〜Ｗ６の歪みエネルギ密度が、クランクアームＷ１，Ｗ
２，Ｗ７，Ｗ８の歪みエネルギ密度よりも大きいことが
分かる。

【００１９】従って、第１気筒♯１の爆発直後にシリン
ダブロック２を加振する原因となるクランクシャフト３
の変形を小さく抑えるには、クランクアームＷ３〜Ｗ６
の幅を拡大することが最も重量効率の良い方法であるこ
とが分かる。以下に説明する実施例はこれらの実験とシ
ミュレーションの結果に基づくものである。

【００２０】図８(a) ，(b) は本発明の第１の実施例を
示すものであり、図８(b) は直列４気筒内燃機関１の動
弁機構の系統図である。図８(b) において、１２はクラ
ンクシャフト３のプーリ側に取り付けられたクランクシ
ャフトタイミングプーリ、１３はタイミングベルト、１
４はカムシャフトタイミングプーリ、１５はカムシャフ
ト、１６はクランクシャフト３の１つのクランクピン４
ｄに取り付けられたピストンである。また、図８(a) は
各気筒のクランクアーム４１を、それぞれの気筒のクラ
ンクピン４ａ〜４ｄが上になるようにして、クランクシ
ャフト３の中心線方向から見た図である。

【００２１】第１の実施例では、図８(a) 及び図８(b)
に破線で示すように、第２気筒♯２と第３気筒♯３のク
ランクピン４ｂ，４ｃの両側にあるクランクアームＷ３
〜Ｗ６の幅Ｈを拡大して、幅ＥＨになるように増大させ
ている。このように、第２気筒♯２と第３気筒♯３のク
ランクピン４ｂ，４ｃの両側にあるクランクアームＷ３
〜Ｗ６の幅Ｈを拡大すると、この部分の剛性が他の部分
よりも増す。この構造により、歪みエネルギ密度が大き
い部位が重点的に補強されるので、第１気筒♯１の爆発
直後のクランクシャフト３の変形が小さく抑えられ、シ
リンダブロック２の振動が小さく抑えられる。また、従
来のクランクシャフトに比べて変更する部分が僅かであ
るので、クランクシャフト自体の重量もそれほど増加せ
ず、重量効率が良い。

【００２２】図９は本発明の第２の実施例を示すもので
あり、クランクシャフト３を側面から見た図である。第
２の実施例では、第２気筒♯２と第３気筒♯３のクラン
クピン４ｂ，４ｃの両側近傍にあるクランクアームＷ３
〜Ｗ６の厚さｔを、二点鎖線の位置からクランクピン４
ｂ，４ｃ方向に拡大している。このように、第２気筒♯
２と第３気筒♯３のクランクピン４ｂ，４ｃの両側にあ
るクランクアームＷ３〜Ｗ６の厚さｔを拡大すると、こ
の部分の剛性が他の部分よりも増す。この構造により、
歪みエネルギ密度が大きい部位が重点的に補強されるの
で、第１気筒♯１の爆発直後のクランクシャフト３の変
形が小さく抑えられ、シリンダブロック２の振動が小さ
く抑えられる。また、従来のクランクシャフトに比べて
変更する部分が僅かであるので、クランクシャフト自体
の重量もそれほど増加せず、重量効率が良い。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
直列４気筒型内燃機関において、そのクランクシャフト
の重量を殆ど増大させることなく、機関の振動を低減す
ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a) は直列４気筒型内燃機関のシリンダブロッ
ク、クランクシャフト、クランクプーリ、変速機の位置
を機関の側面から見て示す骨組み図、(b) は(a) の直列
４気筒型内燃機関の第１気筒が爆発した直後のシリンダ
ブロック、クランクシャフト、および軸受部の変形を示
す実験図である。

【図２】(a) は直列４気筒型内燃機関のシリンダブロッ
ク、クランクシャフト、クランクプーリ、変速機の位置
を機関を平面から見て示す骨組み図、(b) は(a) の直列
４気筒型内燃機関の第１気筒が爆発した直後のシリンダ
ブロック、クランクシャフト、および軸受部の変形を示
す実験図である。

【図３】(a) は直列４気筒型内燃機関のシリンダブロッ
ク、クランクシャフト、クランクプーリ、変速機の位置
を機関を斜め上側から見て示す骨組み図、(b) は(a) の
直列４気筒型内燃機関の第１気筒が爆発した直後のシリ
ンダブロック、クランクシャフト、および軸受部の変形
を示す実験図、(c) は(b) の状態を第１気筒側から見た
正面図である。

【図４】直列４気筒型内燃機関に使用するクランクシャ
フトの一例の構造を示す側面図である。

【図５】直列４気筒型内燃機関のクランクシャフトの軸
受部に掛かる荷重を測定するシミュレーションに使用す
るモデルを示す斜視図である。

【図６】図５のクランクシャフトのモデルを使用し、変
速機から遠い第１気筒のピンに荷重を加えた時の各軸受
部に加わる平均荷重を示す特性図である。

【図７】(a) は図５のシミュレーションモデルの第１気
筒のクランクピンに荷重を加えた時のクランクシャフト
の歪みエネルギの密度分布を示す図、(b) は(a) を反対
側から見た図である。

【図８】本発明の第１の実施例を示すものであり、(a)
は各気筒のクランクアームを、それぞれの気筒のクラン
クピンが上になるようにして、クランクシャフトの中心
線方向から見た図、(b) は本発明のクランクシャフトを
備えた直列４気筒内燃機関１の動弁機構の系統図であ
る。

【図９】本発明の第２の実施例を示すものであり、本発
明の第２の実施例のクランクシャフトを側面から見た側
面図である。

【符号の説明】

１…直列４気筒型内燃機関 ２…シリンダブロック ３…クランクシャフト ４ａ〜４ｄ…クランクピン ５…軸受部 ６…変速機 １２…軸受キャップ ４１…クランクアーム ４２…バランスウエイト Ｗ１〜Ｗ８…クランクアーム

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ジャーナルがシリンダブロックの下端に
   おいて５個の軸受にて軸支される直列４気筒型内燃機関
   のクランクシャフトであって、その一端が変速機と結合
   されたクランクシャフトにおいて、 第２気筒と第３気筒のクランクピンの両側に位置するク
   ランクアームの剛性を他の部位よりも大きくしたことを
   特徴とするクランクシャフト。