JP2007071227A - 直列４気筒エンジンのクランクシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】 全体の重量増加を抑えつつ、ねじり変形に対する剛性並びにジャーナル油膜厚さを確保することができる直列４気筒エンジンのクランクシャフトを提供する。
【解決手段】 直列４気筒エンジンのクランクシャフト１について、各アーム１３１〜１３８のうち、フライホイールＦＷに最も近接するアーム１３８は回転軸方向における平均肉厚ｔを他のアームよりも大きく設定するとともに、フライホイールＦＷが装着される側から３番目のジャーナル１１３の両側に連結されるアーム１３４、１３５については、それらとクランクピン１２２、１２３を挟んで対向するアーム１３３、１３６と比較して、その重心が相対的にカウンタウェイト１４４、１４５側に位置するように設定する。
【選択図】 図１

Description

この発明は直列４気筒エンジンのクランクシャフトに関する。

内燃機関では、各気筒におけるピストンの直線運動をクランクシャフト及びコネクティングロッドによって回転運動に変換するようにしている。クランクシャフトはコネクティングロッドを介してピストンから大きな荷重を受けながら高速回転するため、高い剛性が求められる。また、クランクシャフトの回転中心に対して偏心した位置にクランクピンが設けられているため、円滑に回転せずに振動を発生する。このため、こうした振動を抑制するために、アームの各クランクピンが連結される部分と反対側にカウンタウェイトを設け、クランクシャフト全体の回転中のバランスをとるようにしている（例えば特許文献１参照）。

ここで、図３は、一般的な直列４気筒エンジンのクランクシャフトの正面構造（同図３（ａ））、並びにアーム及びそのカウンタウェイトの側面構造（同図３（ｂ））を示している。

同図に示されるように、クランクシャフトには５つのジャーナルが形成されており、これらジャーナルはシリンダブロック（図示略）に設けられた軸受けによって支持されている。各ジャーナルＪ１〜Ｊ５は８つのアームＡ１〜Ａ８を介して各気筒に対応する４つのクランクピンＰ１〜Ｐ４に連結されている。また、各アームＡ１〜Ａ８の端部にはクランクシャフトの回転バランスをとるためのカウンタウェイトＷ１〜Ｗ８が設けられている。
特開平５−２６２９７号公報

ところで、図３に示すようなクランクシャフトでは、４つのクランクピンＰ１〜Ｐ４のうちクランクピンＰ２及びクランクピンＰ３が同一の回転位相となるように設けられているため、その間にあるジャーナルＪ３は特に大きな偏心荷重を受け、油膜の確保が難しくなる。

また、クランクシャフトの一端には回転を円滑にするためのフライホイールが装着される。このため、クランクシャフトには、このフライホイール側を振動の節とするねじり共振が生じ、そのねじり共振によってエンジンの振動が発生するようになる。ここで、ねじり共振を抑制するために、クランクシャフトを全体にわたって肉厚にしてねじり剛性を向上させることは、クランクシャフトの重量増加を招くこととなるため好ましくない。

このように、従来のクランクシャフトにあっては、その実使用状態において偏心荷重が作用することに起因する局所的な油膜切れやねじり共振の発生といった動的特性を十分に考慮した形状とはいえず、この点において改善の余地を残すものとなっている。

そこで、この発明の目的は、クランクシャフト全体の重量増加を抑えつつ、ねじり変形に対する剛性並びにジャーナル油膜厚さを好適に確保することができるクランクシャフトを提供することにある。

以下、上記目的を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、シリンダブロックの軸受けによって支持される５つのジャーナルとエンジンの各気筒に対応する４つのクランクピンとが各々にカウンタウェイトを備える８つのアームを介して交互に連結される態様で構成され、その回転軸方向の一端にフライホイールが装着される直列４気筒エンジンのクランクシャフトにおいて、前記各アームのうち、前記フライホイールに最も近接するアームは前記回転軸方向における平均肉厚が他のアームよりも厚く設定されるとともに、前記フライホイールが装着される側から３番目のジャーナルの両側に連結される各アームは、それらとクランクピンを挟んで対向するアームと比較して、その重心が相対的にカウンタウェイト側に位置することを要旨としている。

フライホイールの装着されるクランクシャフトでは、フライホイールに近接する位置にあるアームほど大きなねじり応力を受けるため、その肉厚を厚くするなどしてねじり変形に対する剛性を高くする必要がある。逆にフライホイールと離間する位置にあるアームについてはこうしたねじり応力が小さいため、その肉厚を薄くすることができ、クランクシャフト全体の重量増加を抑えることができる。また、フライホイールの装着される側から３番目のジャーナルの両側にアームを介して連結される２つのクランクピンは同一の回転位相となるように設けられているため、同ジャーナルは偏心荷重を受け油膜の確保が難しくなる。

上記構成では、フライホイールに最も近接するアームの平均肉厚を他のアームよりも厚くするようにしている。すなわち、ねじり応力が作用することに起因するねじり変形の発生が最も懸念される部位の肉厚を局所的に厚くして、その変形を効果的に抑制するようにしている。また、フライホイールが装着される側から３番目のジャーナルの両側に連結される各アームの重心を、それらアームとクランクピンを挟んで対向するアームと比較して、相対的にカウンタウェイト側に位置させるようにしているため、クランクシャフトが回転する際に３番目のジャーナルに生じる偏心荷重の大きさを極力小さくすることができる。その結果、上記構成によれば、クランクシャフト全体の重量増加を抑えつつ、ねじり変形に対する剛性並びにジャーナル油膜厚さを好適に確保することができる。

また、このように３番目のジャーナルの両側に連結される２つのアームの重心位置を、それらとクランクピンを挟んで対向するアームと比較して相対的にカウンタウェイト側に位置させる際には、例えば請求項２に記載の発明によるように、前記フライホイールが装着される側から３番目のジャーナルの両側に連結される各アームは、それらとクランクピンを挟んで対向するアームと比較して、重量の大きいカウンタウェイトを備えてなるといった構成を採用するのが望ましい。

また、クランクシャフト全体の重量増加を抑えつつ、ねじり変形に対する剛性とジャーナル油膜厚さとを確保するためには、請求項３に記載の発明によるように、前記各アームの前記回転軸方向における平均肉厚は、それらを前記フライホイールが装着される側から順にｔ８、ｔ７、ｔ６、ｔ５、ｔ４、ｔ３、ｔ２、ｔ１としたとき、ｔ８＞ｔ７＞ｔ５＝ｔ４＞ｔ６，ｔ３，ｔ２，ｔ１、といった関係を満たすように設定されるといった構成を採用することが望ましい。

以下、この発明の一実施形態について、図１及び図２を参照して詳しく説明する。図１は、直列４気筒エンジンのクランクシャフトの正面図である。クランクシャフト１は、シリンダブロックの軸受け（図示略）によって回転自在に支持される５つのジャーナル１１１〜１１５と、エンジンの各気筒（図示略）に対応する４つのクランクピン１２１〜１２４と、これらジャーナル１１１〜１１５とクランクピン１２１〜１２４とを連結する８つのアーム１３１〜１３８とを備えている。これらアーム１３１〜１３８の各々においてクランクピン１２１〜１２４の反対側に位置する端部にはカウンタウェイト１４１〜１４８が設けられている。なお、クランクシャフト１は、そのジャーナル１１１〜１１５がシリンダブロックの軸受けによって支持された状態において、クランクシャフト端部１０にフライホイールＦＷが取り付けられる。

この実施形態にかかるクランクシャフト１は、各アーム１３１〜１３８がそれぞれの位置に応じた異なる形状を有している。この点、各アームが同一の形状を有している通常のクランクシャフトと構成が異なっている。

すなわち、各アーム１３１〜１３８の回転軸方向における平均肉厚ｔを、それらをフライホイールＦＷが装着される側から順にｔ８、ｔ７、ｔ６、ｔ５、ｔ４、ｔ３、ｔ２、ｔ１としたとき、それら平均肉厚ｔ１〜ｔ８が、

ｔ８＞ｔ７＞ｔ５＝ｔ４＞ｔ６，ｔ３，ｔ２，ｔ１

なる関係を満たすように設定されている。すなわち、フライホイールＦＷから大きなねじり応力を受けるアーム１３８の平均肉厚ｔ８を相対的に大きく設定する一方、ねじり応力による影響を受けにくいアームについては、その平均肉厚ｔを相対的に小さくするようにしている。

図２（ａ）〜（ｈ）は、各アーム１３１〜１３８の側面構造を示す断面図である。フライホイールＦＷが装着される側から３番目のジャーナル１１３の両側に連結されるアーム１３４（図２（ｄ））、１３５（図２（ｅ））は、それらとクランクピン１２２、１２３を挟んで対向するアーム１３３（図２（ｃ））、１３６（図２（ｆ））と比較して、大きなカウンタウェイト１４４、１４５を有している。そのため、ジャーナル１１３の両側に連結されるアーム１３４、１３５は、それらに対向するアーム１３３、１３６と比較して重心が相対的にカウンタウェイト側に位置している。

以上説明したこの実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
各アームの平均肉厚ｔを、フライホイールＦＷに近接した位置にあり同フライホイールから大きなねじり応力を受けるアーム１３８については大きく、逆にフライホイールＦＷと離間した位置にあるアームについては、平均肉厚ｔを小さく設定している。その結果、クランクシャフト全体の重量増加を抑えつつ、ねじり応力に対する剛性を確保することができる。更に、ジャーナル１１３の両側に連結されるアーム１３４、１３５の重心をこれらと対向するアーム１３３、１３６と比較して、相対的にカウンタウェイト側に位置するように設定している。そのため、クランクピン１２２、１２３が同一の回転位相となるように設けられている場合であっても、ジャーナル１１３が偏心荷重を受けることを抑制することができるようになる。つまり、ジャーナル１１３の油膜厚さを確保することができる。

なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施の形態では、各アームの平均肉厚ｔ１〜ｔ８の関係が
ｔ８＞ｔ７＞ｔ５＝ｔ４＞ｔ６，ｔ３，ｔ２，ｔ１
を満たすように設定しているが、少なくともフライホイールＦＷに最も近接するアーム１３８の平均肉厚ｔ８が、他のアームの平均肉厚ｔ１〜ｔ７のいずれよりも大きければよく、これ以外の大小関係を有するように設定してもよい。
・上記実施の形態では、ジャーナル１１３の両側に連結されるアーム１３４、１３５は、クランクピン１２２、１２３を挟んで対向するアーム１３３、１３６と比較して、大きなカウンタウェイト１４４、１４５を有するようにしている。この構成に代えて、カウンタウェイトの大きさを等しく設定するとともに、上記アーム１３４、１３５についてクランクピン１２２、１２３の近傍に位置する部分の肉厚を薄くする等、アーム１３３、１３６と比較して相対的に重心をカウンタウェイト側に位置させる構成であれば、他の構成を採用することもできる。

直列４気筒エンジンのクランクシャフトの正面図。 （ａ）〜（ｈ）は同クランクシャフトのアームの側面構造を示す断面図。 （ａ）は一般的な直列４気筒エンジンのクランクシャフトの正面図、（ｂ）は同クランクシャフトのアームの側面構造を示す断面図。

符号の説明

１…クランクシャフト、１０…クランクシャフト端部、１１１〜１１５…ジャーナル、１２１〜１２４…クランクピン、１３１〜１３８…アーム、１４１〜１４８…カウンタウェイト、ＦＷ…フライホイール。

Claims (3)

1. シリンダブロックの軸受けによって支持される５つのジャーナルとエンジンの各気筒に対応する４つのクランクピンとが各々にカウンタウェイトを備える８つのアームを介して交互に連結される態様で構成され、その回転軸方向の一端にフライホイールが装着される直列４気筒エンジンのクランクシャフトにおいて、
   前記各アームのうち、前記フライホイールに最も近接するアームは前記回転軸方向における平均肉厚が他のアームよりも厚く設定されるとともに、前記フライホイールが装着される側から３番目のジャーナルの両側に連結される各アームは、それらとクランクピンを挟んで対向するアームと比較して、その重心が相対的にカウンタウェイト側に位置する
   ことを特徴とする直列４気筒エンジンのクランクシャフト。
2. 請求項１に記載の直列４気筒エンジンのクランクシャフトにおいて、
   前記フライホイールが装着される側から３番目のジャーナルの両側に連結される各アームは、それらとクランクピンを挟んで対向するアームと比較して、重量の大きいカウンタウェイトを備えてなる
   ことを特徴とする直列４気筒エンジンのクランクシャフト。
3. 請求項１又は２に記載の直列４気筒エンジンのクランクシャフトにおいて、
   前記各アームの前記回転軸方向における平均肉厚は、それらを前記フライホイールが装着される側から順にｔ８、ｔ７、ｔ６、ｔ５、ｔ４、ｔ３、ｔ２、ｔ１としたとき、
   ｔ８＞ｔ７＞ｔ５＝ｔ４＞ｔ６，ｔ３，ｔ２，ｔ１
   なる関係を満たすように設定される
   ことを特徴とする直列４気筒エンジンのクランクシャフト。

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