JPWO2006006434A1 - バランサ機構付きエンジン - Google Patents
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Abstract
Description
1軸1次バランサ機構付きエンジンにおいて発生する1次慣性力は次の2つである。
(2)前記偶力による加速度am を目標位置Pでキャンセルするための力(方向一定、大きさは偶力の位相に同期して変化する。以下往復成分という。)
以下このようなことが可能であることを証明する。今重心Gから離れたクランク軸Cに作用する並進力F・σは、そのまま重心Gに作用する並進力(F・σ)と両点GとCとの距離Lにより発生する偶力の2つの作用を持つ。従ってこれらが目標位置Pに作用する加速度ar は、
ar =F・σ・cosθ[1/M+LC ・LP /I]
=F・σ・cosθ[I+M・Lc ・LP ]/IM
am =ar とするためには
F・kB ・LB ・LP /I=F・σ[I+M・LC ・LP ]/IM
kB /σ=[I+M・LC ・LP ]/M・LB ・LP ≡λ
この結果、1次慣性力の回転成分の大きさ(kB )を、往復成分の大きさ(σ)のλ倍にすれば前記の仮定すなわち目標位置Pにおいて偶力による加速度am を並進力による加速度ar でキャンセルできることが解る。ここにλはλ=(F・kB )/(F・σ)であり、回転成分と往復成分の大きさの比である。
前記の条件を満たす1次慣性力楕円は、図12(A)に示す非対称クランクバランスの公式(クランクバランスから慣性力楕円を求める公式)を利用して求めることができる。この公式は例えば、日刊工業新聞社発行の「機械設計」第8巻第9号第43〜44頁、に示されているのでその説明は省き、その結果だけを用いる。この結果前記公式(11)、(12)、(13)を求めることができる。ここに公式(13)のηは仮想的な慣性力の主軸方向であり、この仮想的な主軸方向ηと本来の主軸方向χ、および重心・目標位置方向(G−P線方向)とシリンダ軸方向の角度ΨF は、ΨF +χ+η=90°の関係にあるから、公式(14)の式が得られる。
前記した非対称クランクバランスの公式により公式(15)、(15′)が得られる。また非対称クランクバランスの公式による長径A、短径Bを用いて、1次慣性力の往復成分の大きさσは、
σ=kB /λ=cosη/[cosη+2λcos(β−η)]
=sinη/[2λsin(β−η)−sinη]
となる。
λ=kB /σ、kB =λ・σ
であるから、前記σの式を用いることにより公式(16)、(16′)が得られる。
(2)1次慣性力の振幅倍率 ε: ε={ 1+(δ/l)2 }1/2
(3)1次慣性力の長軸方向χはオフセット無しの場合と共通
χ=χ0 =90°−(η+ΨF )
(4)1次慣性力楕円の長径Aは振幅倍率εだけ大きくなり、下記式で表される。
(6)バランサの方向 (角度)αB は位相遅れτだけ大きくなる。
(7)クランクバランスの大きさkは次の式となる。
1a ピボット軸(目標位置)
1b クランク機構
1c クランク軸
1g カウンタウェイト
1h バランサ機構
1i バランサ軸
22 ブッシュ(防振部材)
34 フートレスト(目標位置)
36 防振部材
F1 クランク機構の1次慣性力
F2 バランサ機構の慣性力
L1 重心・目標位置直線
L2 クランク・バランサ直線
図1は、本発明の第1実施形態によるバランサ機構付きエンジンを搭載したスクータ型自動二輪車(以下、「スクータ」という)の全体構造を示した側面図である。図2は、図1に示したバランサ機構付きエンジンを搭載したスクータのエンジン周辺の拡大側面図である。図3〜図5は、図2に示したバランサ機構付きエンジンの瞬間回転中心の配置方法を説明するための図である。
=A×Fcosθ×l+ A×Fcos(π+θ)×l+(1−A)×Fsinθ×c+A×Fsin(π+θ)×b ・・・・(1)
ここで、cos(π+θ)=−cosθ、sin(π+θ)=−sinθであるから、前記式(1)は、次の式(2)のように表わされる。
N=(1−A)×Fsinθ×c−A×Fsinθ×b ・・・・(2)
また、ピボット軸1aの軸中心1mにおけるエンジン1の重心Gを中心とする偶力によるE1方向の加速度および角加速度を、それぞれ、a1[m/s2 ]およびβ[rad/s2 ]とすると、偶力によるE1方向の加速度a1および角加速度βは、それぞれ、次の式(3)および式(4)のように表わされる。
β=N/I ・・・・(4)
前記式(2)より、前記式(4)は、次の式(5)のように表わされる。
前記式(3)および式(5)より、E1方向の偶力による加速度a1は、次の式(6)のように表わされる。
=p×{(1−A)×Fsinθ×c−A×Fsinθ×b}/I・・・(6)
また、ピボット軸1aの軸中心1mにおけるE1方向の並進力による加速度a2は、次の式(7)のように表わされる。
={(1−A)×Fsinθ+A×Fsin(π+θ)}/M
={(1−A)×Fsinθ−A×Fsinθ}/M
=(1−2A)×Fsinθ/M ・・・・(7)
ここで、ピボット軸1aを、エンジン1の瞬間回転中心とするためには、偶力による加速度a1と並進力による加速度a2とを逆方向にし、かつ、同じ大きさにすることにより、E1方向における偶力による加速度a1と並進力による加速度a2とが釣り合う(相殺される)ようにする必要がある。すなわち、a1+ a2=0を満たす必要があるので、前記式(6)および(7)より次の式のようになる。
これを整理すると次の式のようになる。
このとき、F≠0であるから、
sinθ[p×{(1−A)×c−A×b}/I+(1−2A)/M]=0
となる。ここで、sinθ≠0(θ≠0、πの場合)のときは、次の式(8)を満たす。
前記式(8)を整理することによって、瞬間回転中心をピボット軸1aに配置する場合の、クランク機構1bの1次慣性力F1の楕円S1の長軸と短軸との比率Aを示す次の式(9)が導かれる。
前記式(9)を満たすクランク1bの1次慣性力F1の楕円形状を有するエンジン1では、エンジン1の瞬間回転中心をピボット軸1aの近傍に配置することが可能になるので、本実施形態によるエンジン1では、ピボット軸1aが振動するのを抑制することが可能になる。
={A×Fcosθ+A×Fcos(π+θ)}/M
={A×Fcosθ−A×Fcosθ}/M
=0 ・・・・(10)
これにより、a3+a4=0を満たすので、ピボット軸1aがE2方向に振動するのを抑制することが可能になる。
実施例ではΨB=180°、β=360°−ΨB=180°、η=90°になるから、公式(15′)は下記のようになる。
また、本実施形態では、並進力による加速度と偶力による加速度とを、瞬間回転中心を配置するピボット軸1aにおいて、逆方向で、かつ、同じ大きさになるように調整することによって、容易に、ピボット軸1aの近傍に瞬間回転中心を配置することができるので、容易に、偶力に起因する振動をピボット軸1aの近傍で抑制することができる。
また、本実施形態では、クランク機構1bによる1次慣性力F1の楕円形状を、カウンタウェイト1gを調整することにより制御するようにしたので、カウンタウェイト1gの位置および重さなどを調整することにより、容易に、クランク1bによる1次慣性力F1の楕円形状を所定の楕円形状に制御することができる。
この発明によれば請求項17に示した手順により設計することができるから、この設計に用いる公式(11)〜(16′)、非対称クランクバランスの公式などを予めメモリ52に記憶させておく。入力手段54からはエンジンの設計に必要な諸元、すなわちクランクC、バランサB、重心G、目標位置Pの配置、その他図6に示したM、I、LP 、LB 、LC 、ΨB 、ΨF などを入力する(図10、11のステップS100)。
前記第1実施形態では、ユニットスイング式エンジン1の伝動ケース1nの上壁に設けたピボットボス部1pをピボット軸1aにより上下揺動自在に枢支し、該ピボットボス軸1aに瞬間回転中心を位置させた場合を説明した。
また、前記2次慣性力F等は以下の式により求められる。
β=F×g/ I
n= 〔j2 ×h2 −2 jh×cos(Φ) 〕1/2
h=I/(M×g)
本第2実施形態では、ピボット軸1a又はこれの近傍において、並進力による加速度と偶力による加速度とが逆方向で、かつ、同じ大きさになるようにクランク機構1bの1次慣性力F1の楕円形状及びバランサ機構1hの慣性力F2の円形状が制御されている。これにより、クランク機構1bの1次慣性力による振動がピボット軸1aから車体フレーム8に伝達されるのを抑制している。
前記第2実施形態では、防振部材として弾性力の強さに方向性を持たせたブッシュを採用した場合を説明したが、本発明の防振部材には各種の変形例が採用可能である。図16は防振部材としてリンク部材を採用した第3実施形態を説明するための図であり、図13と同一符号は同一又は相当部分を示す。
前記第1〜第3実施形態では、エンジン1を車体フレームに対してピボット軸廻りに揺動可能に支持した例を説明したが、本発明は、エンジンを車体フレームに固定的に搭載した場合にも適用できる。
図17は本発明の第3実施形態を説明するための模式図であり、同図において、図1〜図16と同一符号は同一又は相当部分を示す。
Claims (29)
- クランク機構と、
前記クランク機構による振動を抑制するためのバランサ機構とを備え、
前記クランク機構の1次慣性力および前記バランサ機構の慣性力により生じる並進力による加速度と、前記クランク機構の前記1次慣性力および前記バランサ機構の前記慣性力により生じる偶力による加速度とを調整することにより、エンジンの瞬間回転中心を所定の目標位置の近傍に配置することを特徴とするバランサ機構付きエンジン。 - 請求項1において、前記並進力による加速度と前記偶力による加速度とは、前記瞬間回転中心を配置する前記所定の目標位置の近傍において、実質的に逆方向で、かつ、実質的に同じ大きさになるように調整されることを特徴とするバランサ機構付きエンジン。
- 請求項2において、前記クランク機構の前記1次慣性力は、力をベクトル表示したときに1周期分の軌跡の描く形状が所定の楕円形状になることを特徴とするバランサ機構付きエンジン。
- 請求項3において、前記クランク機構は、クランク軸を含み、
前記バランサ機構は、バランサ軸を含み、
前記バランサ軸は、該バランサ軸と前記クランク軸とを結ぶクランク・バランサ直線が、前記エンジンの重心と前記所定の目標位置とを結ぶ重心・目標位置直線と実質的に平行になるように配置され、
前記クランク機構の前記1次慣性力の楕円の長軸は、前記バランサ・クランク直線に実質的に平行になるよう配置され、
前記バランサ機構の前記慣性力は、力をベクトル表示したときに1周期分の軌跡の描く形状が実質的に真円形状になり、
前記バランサ機構の前記慣性力の真円の直径の大きさは、前記クランク機構の前記1次慣性力の前記楕円の長径の大きさと実質的に同一であることを特徴とするバランサ機構付きエンジン。 - 請求項3又は4において、前記クランク機構は、カウンタウェイトをさらに含み、
前記クランク機構による前記1次慣性力の前記楕円形状は、少なくとも前記カウンタウェイトを調整することにより制御されることを特徴とするバランサ機構付きエンジン。 - 請求項1ないし5の何れかにおいて、前記エンジンを支持するためのピボット軸をさらに備え、
前記エンジンの前記瞬間回転中心を配置する前記所定の目標位置は、前記ピボット軸であることを特徴とするバランサ機構付きエンジン。 - 請求項1ないし6の何れかにおいて、前記バランサ機構は、1軸式のバランサ機構であることを特徴とするバランサ機構付きエンジン。
- 請求項1ないし7の何れかに記載のバランサ機構付きエンジンを備えたことを特徴とする自動二輪車。
- クランク軸を含むクランク機構と、
バランサ軸を含むバランサ機構とを備え、
前記クランク軸の回転により発生する1次慣性力が、大きさ一定で回転する回転成分と、方向一定で前記クランク軸の回転に伴って大きさが変化する並進成分を含み、
前記クランク軸の回転により発生する1次慣性力の回転成分が前記バランサ軸の回転によって発生する慣性力と釣り合って発生する偶力による加速度と、前記クランク軸の1次慣性力の並進成分による加速度とが、所定の目標位置で互いに実質的に逆向きかつ実質的に同じ大きさとなることを特徴とするバランサ機構付きエンジン。 - 請求項9において、前記クランク軸の回転により発生する1次慣性力の回転成分と並進成分の大きさの比λが、
λ=[I+M・LP ・LC ]/[M・LP ・LB ]
(但し、Mはエンジンの質量、Iは慣性モーメント、Lpは目標位置と重心との距離、LB はクランク軸とバランサの軸間距離、LC は重心・目標位置方向のクランク軸と重心間の距離)
であり、前記回転成分が前記バランサ機構の慣性力と釣り合って発生する偶力が最大の時に並進成分も最大となり、その偶力が最小の時に並進成分も最小となるように前記クランク機構の1次慣性力の位相が設定され、
前記クランク機構の1次慣性力の並進成分の方向が、エンジン重心と目標位置を結ぶ重心・目標位置直線に直交するように設定されていることを特徴とするバランサ機構付きエンジン。 - 請求項10において、前記クランク機構の1次慣性力のベクトル軌跡が楕円となることを特徴とするバランサ機構付きエンジン。
- 請求項10において、前記バランサ機構の慣性力の方向が、前記クランク機構の1次慣性力がバランサ軸方向を向く時にクランク軸方向を向くことを特徴とするバランサ機構付きエンジン。
- 請求項9において、車両用エンジンであって、目標位置をエンジン支持点付近としたバランサ機構付きエンジン。
- 請求項18において、ユニットスイング式動力ユニットを持つスクータ型車両に搭載されるエンジンであって、目標位置を動力ユニットを車体フレームに揺動自在に軸支するピボット軸付近としたバランサ機構付きエンジン。
- 請求項19において、クランク・バランサ直線が重心・目標位置直線と平行であり、目標位置をクランク軸の上方又は下方に位置させたバランサ機構付きエンジン。
- 請求項9において、フートレストが固定される自動二輪車用エンジンであり、目標位置をフートレスト付近に位置させたバランサ機構付きエンジン。
- 請求項9において、前記バランサ機構はクランク軸に対し等速で逆転するバランサ軸を有することを特徴とするバランサ機構付きエンジン。
- 請求項9において、前記バランサ機構はクランク軸に対し等速で同方向に回転するバランサ軸を有することを特徴とするバランサ機構付きエンジン。
- 請求項9のバランサ機構付きエンジンを搭載した自動二輪車であって、前記エンジンの目標位置を車体フレームへのエンジン支持点付近に位置させたことを特徴とする自動二輪車。
- 請求項9のバランサ機構付きエンジンを車体中央付近に搭載し、このエンジンにフートレストを固定した自動二輪車であって、前記目標位置を前記フートレスト付近に位置させたことを特徴とする自動二輪車。
- クランク機構と、
前記クランク機構による振動を抑制するためのバランサ機構とを備え、
前記クランク機構の1次慣性力および前記バランサ機構の慣性力により生じる並進力による加速度と、前記クランク機構の前記1次慣性力および前記バランサ機構の前記慣性力により生じる偶力による加速度とを調整することにより、エンジンの瞬間回転中心を所定の目標位置の近傍に配置し、
前記クランク機構の2次慣性力による振動が前記目標位置から外方に伝達されるのを低減する防振部材を設けたことを特徴とするバランサ機構付きエンジン。 - 請求項26において、前記目標位置は、エンジンを上下揺動可能に支持するピボット軸であり、前記防振部材は、前記2次慣性力により前記ピボット軸に作用する加速度の主方向の弾性力が他方向の弾性力より小さくなるように構成された弾性部材製ブッシュであり、該ブッシュが前記ピボット軸に配設されていることを特徴とするバランサ機構付きエンジン。
- 請求項26において、前記目標位置は、エンジンを上下揺動可能に支持するピボット軸であり、前記防振部材は、軸受を介して車体フレームに取り付けられ、かつ中立位置に付勢されたリンク部材で構成されており、該リンク部材によりエンジンが前記ピボット軸を介して上下揺動可能に支持され、前記軸受を中心とするピボット軸の移動方向が前記2次慣性力により前記ピボット軸に作用する加速度の主方向に略一致することを特徴とするバランサ機構付きエンジン。
- 請求項26において、前記目標位置は、ライダが足を載せるフートレストであり、前記防振部材は、前記2次慣性力により前記フートレストに作用する加速度の主方向の弾性力が他方向の弾性力より小さくなるように構成されたダンパであり、該ダンパが前記フートレストに装着されていることを特徴とするバランサ機構付きエンジン。
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