JPWO2016009640A1 - レシプロエンジンのクランク軸 - Google Patents
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Abstract
Description
回転中心軸となるジャーナル部と、このジャーナル部に対して偏心したピン部と、前記ジャーナル部と前記ピン部をつなぐクランクアーム部と、前記クランクアーム部と一体のカウンターウエイト部と、を備える。前記クランク軸は、レシプロエンジンに搭載されて、前記ピン部にはコネクティングロッドを介してピストンピンの軸心から前記ピン部の軸心に向かう方向に燃焼圧による荷重が負荷される。
前記クランクアーム部は、前記ジャーナル部側の表面に、この表面の輪郭に沿った縁部の内側にこの縁部に沿って凹部を備える。前記凹部は、前記ピン部の軸心と前記ジャーナル部の軸心とを結ぶアーム部中心線に対して非対称である。
前記クランクアーム部の曲げ剛性が、前記ピン部への前記燃焼圧による前記荷重の負荷が最大になる時点において最大となる。
前記アーム部中心線を境界にして前記クランクアーム部を左右のアーム部要素に区分したとき、
前記クランクアーム部の前記アーム部中心線に垂直な各断面のうち、前記ピン部の軸心より外側の各断面では、前記最大の前記荷重が負荷される側の前記アーム部要素の断面2次モーメントが、前記最大の前記荷重が負荷される側とは反対側の前記アーム部要素の断面2次モーメントよりも大きく、
前記クランクアーム部の前記アーム部中心線に垂直な各断面のうち、前記ピン部の軸心より内側の各断面では、前記最大の前記荷重が負荷される側とは反対側の前記アーム部要素の断面2次モーメントが、前記最大の前記荷重が負荷される側の前記アーム部要素の断面2次モーメントよりも大きい。
前記ピン部の軸心より外側の前記各断面では、前記最大の前記荷重が負荷される側の前記アーム部要素の最大厚みが、前記最大の前記荷重が負荷される側とは反対側の前記アーム部要素の最大厚みよりも大きく、
前記ピン部の軸心より内側の前記各断面では、前記最大の前記荷重が負荷される側とは反対側の前記アーム部要素の最大厚みが、前記最大の前記荷重が負荷される側の前記アーム部要素の最大厚みよりも大きい構成とすることができる。
前記ピン部の軸心より外側の前記各断面では、前記最大の前記荷重が負荷される側の前記アーム部要素の幅が、前記最大の前記荷重が負荷される側とは反対側の前記アーム部要素の幅よりも大きく、
前記ピン部の軸心より内側の前記各断面では、前記最大の前記荷重が負荷される側とは反対側の前記アーム部要素の幅が、前記最大の前記荷重が負荷される側の前記アーム部要素の幅よりも大きい構成とすることもできる。
1−1.アーム部の曲げ剛性
図2は、アーム部の曲げ剛性の評価法を説明するための模式図である。図2に示すように、クランク軸の各スローについて、シリンダ内での爆発による燃焼圧の荷重Fは、コンロッドを経由してピン部Pに負荷される。このとき、各スローは両端のジャーナル部Jが軸受けによって支持されているので、荷重Fはピン部Pからアーム部Aを介してジャーナル軸受けに伝わる。これにより、アーム部Aは3点曲げの荷重負荷状態となり、アーム部Aに曲げモーメントMが作用する。これに伴って、アーム部Aには、板厚方向の外側(ジャーナル部J側)で圧縮応力が発生し、板厚方向の内側(ピン部P側)では引張応力が発生する。
u ∝ F/(曲げ剛性) …(1)
図3は、アーム部のねじり剛性の評価法を説明するための模式図である。図3(a)は1スローの側面図を示し、図3(b)はその1スローの軸方向視での正面図を示す。クランク軸はジャーナル部Jを中心に回転運動をしているので、図3に示すように、ねじりトルクTが発生する。そこで、アーム部Aのねじり剛性を高めることが必要である。クランク軸のねじり振動に対し、共振を起こすことなくスムーズな回転を確保するためである。
γ ∝ T/(ねじり剛性) …(2)
2−1.アーム部剛性向上のための考え方
上述のとおり、ウエイト部は曲げ剛性とねじり剛性にほとんど寄与しない。そこで、本実施形態では、軽量で曲げ剛性とねじり剛性が同時に向上するアーム部形状を提示する。
ここでは、材料力学の理論に基づいて、ねじり剛性を向上させるための典型的な形状を検討する。前記図3に示すアーム部Aについて、重量を維持しつつねじり剛性を向上させるには、極2次モーメントを大きくすることが有効である。
極2次モーメント:J=(π/32)×d4 …(4)
ねじれ角:γ=T×L/(G×J) …(5)
式(3)〜式(5)中、Lは軸方向長さ、Gは横弾性率、dは丸棒の半径、Tはねじりトルクである。
(π/4)×B0×B0×H0=(π/4)×(B0×B0×H1+B2×B2×H2)=(π/4)×{B0×B0×(H1+H3)−B3×B3×H3)} …(6)
矩形断面円板の極2次モーメント:
J(A)=(π/32)×H1×B0 4 …(7)
J(B)=(π/32)×(H1×B0 4+H2×B2 4) …(8)
J(C)=(π/32)×{(H1+H3)×B0 4−H3×B3 4} …(9)
J(B) < J(A) < J(C) …(10)
B0=100mm、H0=20mm、H1=10mm、H2=H3=20mm、B2=B3=100/√2=70.71mm。
J(A)=1.96×108 …(11)
J(B)=1.47×108 …(12)
J(C)=2.45×108 …(13)
ここでは、材料力学の理論に基づいて、曲げ剛性を向上させるための典型的な形状を検討する。前記図2に示すアーム部Aについて、重量を維持しつつ曲げ剛性を向上させるには、曲げに対する断面2次モーメントを大きくすることが効率的である。
断面2次モーメント:I=(1/12)×b×h3 …(15)
たわみ変位:u=k(M/(E×I)) …(16)
式(14)〜式(16)中、bは幅、hは厚み、Eは縦弾性率、Mは曲げモーメント、kは形状係数である。
B3×H0=(H2×B2+B1×H1)=(H2×B2+B1×H1) …(17)
矩形断面梁の断面2次モーメント:
I(D)=(1/12)×B3×H0 3 …(18)
I(E)=1/3×(B3×E2 3−B1×H3 3 +B2×E1 3) …(19)
式(19)中、
E2は「(B2×H2 2+B1×H1 2)/{2×(B2×H2+B1×H1)}」、
E1は「H2−E2」、
H3は「E2−H1」である。
I(F)=1/3×(B3×E2 3−B1×H3 3 +B2×E1 3) …(20)
式(20)中、
E2は「(B2×H2 2+B1×H1 2)/{2×(B2×H2+B1×H1)}」、
E1は「H2−E2」、
H3は「E2−H1」である。
I(D) < I(E) = I(F) …(21)
B1=B2=50mm、B3=100mm、H0=20mm、H1=10mm、H2=30mm。このとき、E1=12.5mm、E2=17.5mm、H3=7.5mmとなる。
I(D)=6.67×104 …(22)
I(E)=2.04×105 …(23)
I(F)=2.04×105 …(24)
図6は、曲げ剛性とねじり剛性に直接関連する断面2次モーメント及び極2次モーメントについて、断面形状に応じて大小関係をまとめた図である。図6では、前記図4及び図5に示す矩形断面、凸型断面及び凹型断面の断面形状ごとに、極2次モーメント及び断面2次モーメントを、矩形断面を基準「1」とした比率で表示している。
図7は、4サイクルエンジンにおける筒内圧曲線を示す図である。図7に示すように、クランク軸のピン部が圧縮工程の上死点にあたる位置(クランク角θが0°)を基準にすると、圧縮工程上死点の直後に爆発が生じる。そのため、筒内圧(シリンダ内の圧力)は、クランク角θが約8〜20°になった時点で最大の燃焼圧となる。クランク軸には、図7に示す筒内圧(燃焼圧)の荷重が負荷され、その他に回転遠心力の荷重が負荷される。その際、クランク軸のピン部には、クランク角θが約8〜20°の時点で、最大の燃焼圧がコンロッドを介して負荷される。クランク軸の設計において、その最大燃焼圧による荷重に対する変形抵抗を得るために、曲げ剛性、更にはねじり剛性を向上させ、これと同時に重量を軽減することが、目標とされる。
上述のとおり、アーム部には、アーム部中心線に対して最大荷重負荷角αで傾斜した方向に、最大の曲げ荷重が負荷される。この点に着目し、軽量で剛性の高い梁の形状から、アーム部形状を左右非対称とすることが効果的であることを以下に示す。
図14は、本実施形態のクランク軸におけるアーム部形状の一例を示す図である。図15は、その別例を示す図である。図16及び図17は、更にその別例を示す図である。図17は、従来のクランク軸におけるアーム部形状の一例を示す図である。いずれの図でも、(a)は1スローの斜視図を示し、(b)は(a)におけるアーム部中心線に垂直なC−C’位置での断面図を示す。更に、(c)は(a)におけるアーム部中心線に垂直でC−C’位置とは異なるD−D’位置での断面図を示す。ここで、各図(b)に示すC−C’位置は、ピン部の軸心より外側の位置である。また、各図(c)に示すD−D’位置は、ピン部の軸心より内側の位置である。
J、J1〜J5:ジャーナル部、 Jc:ジャーナル部の軸心、
P、P1〜P4:ピン部、 Pc:ピン部の軸心、
Fr:フロント部、 Fl:フランジ部、
A、A1〜A8:クランクアーム部、 Ac:アーム部中心線、
Ar:右側のアーム部要素、 Af:左側のアーム部要素、
W、W1〜W8:カウンターウエイト部、
4:コネクティングロッド、 4S:小端部、
4Sc:小端部の軸心(ピストンピンの軸心)、
10:凹部、 11:縁部
Claims (5)
- 回転中心軸となるジャーナル部と、このジャーナル部に対して偏心したピン部と、前記ジャーナル部と前記ピン部をつなぐクランクアーム部と、前記クランクアーム部と一体のカウンターウエイト部と、を備え、レシプロエンジンに搭載されて、前記ピン部にはコネクティングロッドを介してピストンピンの軸心から前記ピン部の軸心に向かう方向に燃焼圧による荷重が負荷されるクランク軸であって、
前記クランクアーム部は、前記ジャーナル部側の表面に、この表面の輪郭に沿った縁部の内側にこの縁部に沿って凹部を備え、前記凹部は、前記ピン部の軸心と前記ジャーナル部の軸心とを結ぶアーム部中心線に対して非対称であり、
前記クランクアーム部の曲げ剛性が、前記ピン部への前記燃焼圧による前記荷重の負荷が最大になる時点において最大となる、レシプロエンジンのクランク軸。 - 請求項1に記載のレシプロエンジンのクランク軸であって、
前記クランクアーム部の前記縁部の厚みが前記アーム部中心線に対して非対称である、レシプロエンジンのクランク軸。 - 請求項1又は2に記載のレシプロエンジンのクランク軸であって、
前記アーム部中心線を境界にして前記クランクアーム部を左右のアーム部要素に区分したとき、
前記クランクアーム部の前記アーム部中心線に垂直な各断面のうち、前記ピン部の軸心より外側の各断面では、前記最大の前記荷重が負荷される側の前記アーム部要素の断面2次モーメントが、前記最大の前記荷重が負荷される側とは反対側の前記アーム部要素の断面2次モーメントよりも大きく、
前記クランクアーム部の前記アーム部中心線に垂直な各断面のうち、前記ピン部の軸心より内側の各断面では、前記最大の前記荷重が負荷される側とは反対側の前記アーム部要素の断面2次モーメントが、前記最大の前記荷重が負荷される側の前記アーム部要素の断面2次モーメントよりも大きい、レシプロエンジンのクランク軸。 - 請求項3に記載のレシプロエンジンのクランク軸であって、
前記ピン部の軸心より外側の前記各断面では、前記最大の前記荷重が負荷される側の前記アーム部要素の最大厚みが、前記最大の前記荷重が負荷される側とは反対側の前記アーム部要素の最大厚みよりも大きく、
前記ピン部の軸心より内側の前記各断面では、前記最大の前記荷重が負荷される側とは反対側の前記アーム部要素の最大厚みが、前記最大の前記荷重が負荷される側の前記アーム部要素の最大厚みよりも大きい、レシプロエンジンのクランク軸。 - 請求項3又は4に記載のレシプロエンジンのクランク軸であって、
前記ピン部の軸心より外側の前記各断面では、前記最大の前記荷重が負荷される側の前記アーム部要素の幅が、前記最大の前記荷重が負荷される側とは反対側の前記アーム部要素の幅よりも大きく、
前記ピン部の軸心より内側の前記各断面では、前記最大の前記荷重が負荷される側とは反対側の前記アーム部要素の幅が、前記最大の前記荷重が負荷される側の前記アーム部要素の幅よりも大きい、レシプロエンジンのクランク軸。
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