JP2011069301A

JP2011069301A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2011069301A
Application number: JP2009221222A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Fujimura; 一郎藤村; Shun Yoshikawa; 峻吉川; Masaki Kamakura; 正樹鎌倉
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2011-04-07

Abstract

【課題】連接棒が回動せずに往復動のみするタイプの内燃機関において、クランク軸の撓みを防止して軸受けの耐久性を向上させる。
【手段】クランク軸４は回転中心軸６と第１クランク部７と第２クランク部８とを有し、第１クランク部７は、回転中心軸６の偏心位置に回転可能な状態で連結されている。回転中心軸６は機関本体１に軸受け５で回転自在に支持されており、軸受け５の外側にバランスウエイト１５を設け、更に、遊星ギア１７と内歯ギア１８は回転中心軸６の外側に配置している。クランクアーム９のバランスウエイト１４は軸受け５に近接している。左右軸受け５の間の間隔を短くできることと、回転中心軸６のバランスウエイト１５がクランク部７，８に曲げ力として作用しないことが相まって、クランク軸４の撓みを防止でき、その結果、軸受け５の耐久性を向上できる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンのようにピストンの往復動を回転動力として取り出すレシプロ内燃機関に関するもので、より詳細には、連接棒が回動せずに往復動のみするタイプの内燃機関に関するものである。

内燃機関において、ピストンの往復動を回転動力として取り出す手段としては一般にクランク機構が採用されており、通常の内燃機関ではクランク軸はその回転中心軸が機関本体に回転自在に保持されていて、回転軸心から偏心した状態でクランクピンを設けており、このクランクピンとピストンとが連接棒で連結されている。従って、連接棒は角度を変えながら往復動するが、連接棒の角度が変わることでピストンにはこれを倒そうとする外力が作用することになるため、ピストン及びシリンダボアに磨耗が発生し易い点や摺動抵抗（エネルギロス）が大きい等の問題があった。

そこで、連接棒を往復動のみさせて回転運動を得る機構が考えられており、その一例として特許文献１には、連接棒の大端部に大径の偏心カラ（一種の回転ダンパ）を回転自在に嵌め込み、偏心カラをクランク軸のクランクピンに偏心した状態で連結し、偏心カラの偏心寸法をクランクピンの偏心寸法と同じ寸法に設定することにより、偏心カラがクランクピンの軸心回りに公転しながらクランクピンの軸心回りに回転することを許容し、更に、偏心カラにはクランクピンと同心の遊星ギアを設ける一方、機関本体には遊星ギアが噛合する内歯ギアを設け、内歯ギアの歯数を遊星ギアの歯数の２倍に設定することにより、自転カラがクランク部の回動方向と逆方向に回転するように規制し、以て、連接棒が回動せずに往復動のみする機構が開示されている。

特許文献１において、クランクピンはクランクアームを介して回転中心軸に連結されており、クランクアームには遠心力を打ち消すためのバランスウエイトを一体に設けている。また、偏心カラにも遠心力を打ち消すためのバランスウエイトを一体に設けている。

特開昭５４−１１３７７５号公報

さて、特許文献１ではクランクアームもクランクピンも回転中心軸の軸心回りに回動（公転）するものであり、従って、クランク軸はその両端の回転中心軸を軸受けで支持することになり、特許文献１は軸受けとしてボールベアリングを採用している。

しかるに、特許文献１は両端支持の状態でクランク軸を支持してはいるが、左右の軸受けの間にバランスウエイト等の部材が全て配置されるため、左右軸受けの間のスパンが長くなるのみならず、クランク軸に対する曲げ荷重も大きくならざるを得ず、このためクランク軸に撓みが発生しやすくて軸受けの耐久性が低くなるおそれがあった。

更に述べると、特許文献１は大きな重量を有する偏心カラが往復動することでクランク軸への負担も大きくなるため、軸受けの耐久性の問題は切実であると言える。更に、多気筒内燃機関に適用してクランクピンに複数本の連接棒を連結すると、左右軸受けの間のスパンが一層長くなると共に曲げ荷重も増大するため、クランク軸の撓み（曲がり）に起因した弊害が顕著に顕れると言える。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものであり、連接棒が往復動のみする内燃機関を改良された形態で提供せんとするものである。

本願発明は内燃機関に係るもので、この内燃機関は、シリンダボアを往復動するピストンと、前記ピストンに一端を連結した連接棒と、前記連接棒の往復動で駆動されるクランク軸とを有しており、前記クランク軸は、機関に軸受けを介して回転自在に保持された回転中心軸と、前記回転中心軸のうちその軸心から偏心した部位に回転可能に連結された第１クランク部とを有しており、前記第１クランク部には、前記連接棒に対して相対回転可能に連結されたクランクピン部を有する第２クランク部が、前記第１クランク部の回転中心から偏心するようにクランクアームを介して一体的に設けられている。

また、前記回転中心軸の回転軸心に対する第１クランク部の偏心寸法と、第１クランク部の回転軸心に対する第２クランク部の偏心寸法とを同じ寸法に設定することにより、第２クランク部を回転中心軸の回転方向と逆方向に公転させると連接棒が回動せずに往復動のみすることが許容されており、更に、前記第２クランク部とクランクアームとのうち何れか一方又は両方、及び、前記回転中心軸には、それぞれ遠心力を打ち消すためのバランスウエイトが設けられている。

そして請求項１の発明では、上記の構成に加えて、前記回転中心軸は、当該回転中心軸に設けたバランスウエイトと前記クランクアームとの間の部位において前記軸受けで支持されている。請求項２の発明は、請求項１において、前記軸受けはボールベアリング又はメタル軸受けであり、前記クランクアームには前記軸受けに近接した状態でバランスウエイトを設けている。

本願発明では、回転中心軸のバランスウエイトが軸受けの外側に位置しているため、左右の軸受けの間のスパンを短くできると共に、回転中心軸のバランスウエイトがクランク軸に曲げ力として作用することがないためクランク軸に作用する曲げ力も低減できる。その結果、クランク軸の撓みを防止又は著しく抑制して軸受けの耐久性を格段に向上できる。

クランク軸の軸受けとして従来からボールベアリングとメタル軸受けとが多用されているが、いずれにしても、請求項２のように軸受けをクランクアームのバランスウエイトに近接して設けると、クランクアームのバランスウエイトの運動エネルギが第２クランク部に対して曲げ力として作用することは無いため、滑らかな回転を確保しつつクランク軸の撓み防止を一層確実に得ることができる。

（Ａ）は実施形態の縦断正面図、（Ｂ）は構造の模式図、（Ｃ）は動きを示す模式図である。縦断正面図である。（Ａ）は図２のＡ−Ａ視図、（Ｂ）は図２のＢ−Ｂ視断面図、（Ｃ）は図２のＣ−Ｃ視断面図である。（Ｄ）は図２のＤ−Ｄ視断面図、（Ｅ）は図２のＥ−Ｅ視断面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明で方向を特定するため「左右」「前後」の文言を使用するが、これは、主軸の軸線と直交した方向から見た状態（すなわち図１（Ａ）や図２を正視した状態）を基準にしている。

(1).構造
本実施形態の内燃機関は２気筒４サイクル方式であり、従って、機関本体（クランクケース）１には２つのシリンダボア２が平行に形成されており、各シリンダボア２にはピストン３が摺動自在に嵌まっている。

ピストン３の下方には、当該ピストン３の並び方向に沿って延びる軸線を有するクランク軸４が配置されている。クランク軸４は、機関本体１に軸受け（ボールベアリング）５を介して回転自在に保持された左右２本の回転中心軸６と、回転中心軸６から偏心した左右２本の第１クランク部７と、左右の第１クランク部７の間に位置した第２クランク部８とを有している。

第１クランク部７は回転中心軸６のうちその回転軸心Ｏ１から適宜寸法Ｅだけ偏心した部位に回転自在に嵌まっている。他方、第１クランク部７と第２クランク部８とはクランクアーム９を介して一体に繋がっている。第２クランク部８に左右一対の真円形のクランクピン部１０を形成しており、このクランクピン部１０とピストン３とが連接棒１１で連結されている。

連接棒１１の下端部はクランクピン部１０を抱持する大径の下軸受け部１１ａになっており、下軸受け部１１ａの下半分を別パーツの下部材１１ｂで構成し、これをボルト１２で締結している。連接棒１１の上端はピストン３にピストンピン（図示せず）で連結されている。回転中心軸６の軸心Ｏ１に対する第１クランク部７の軸心Ｏ２の偏心寸法と、第１クランク部７の軸心Ｏ２に対するクランクピン部１０の軸心Ｏ３の偏心寸法とは同じ寸法Ｅに設定されている。

クランク軸４における第２クランク部８のうち左右のクランクピン部１０で挟まれた部分はクランクピン部１０よりもやや大径になっており、この部分に第１バランスウエイト１３を一体に設けている。第１バランスウエイト１３は、第２クランク部８の軸心Ｏ３から見てクランクアーム９の突出方向と同じ方向に突出している（第１クランク部７を基準にして見ると、第１バランスウエイト１３は、第１クランク部７からクランクアーム９が突出している方向と逆の方向に向いて第２クランク部８から突出している。）。

クランクアーム９には、第２クランク部８の突出方向と反対方向に延びる第２バランスウエイト１４を設けている。第２バランスウエイト１４は軸受け５に近接している。他方、左右の回転中心軸６は軸受け５の外側にはみ出した露出部を有しており、この露出部に第３バランスウエイト１５と主動ギア１６とを設けている。図面では第３バランスウエイト１５が内側に位置して主動ギア１６が外側に位置しているが、内外逆の配置にすることも可能である。第３バランスウエイト１５は回転中心軸６の軸心Ｏ１を挟んで第１クランク部７と反対方向に向いて突出している。

一方の第１クランク部７（図１（Ａ）及び図２で右側の第１クランク部７）の先端部は回転中心軸６に完全に隠れているが、他方の（左側の）第２クランク部７の先端部は回転中心軸６から突出した露出部７ａになっており、この露出部７ａに遊星ギア１７を相対回転不能に固定し、遊星ギア１７を内歯ギア１８に噛み合わせている（遊星ギア１７と内歯ギア１８とを左右に配置することも可能である。）。内歯ギア１８は回転中心軸６と同心に配置されており、機関本体１に回転不能に固定されている。内歯ギア１８の歯数は遊星ギア１７の歯数の２倍に設定されている。

左右の主動ギア１６にはそれぞれ従動ギア１９が噛合しており、左右の従動ギア１９は等速軸２０で一体に連結されている。従って、従動ギア１９はクランク軸４をねじれのない状態に回転させる等速機構を構成している。遊星ギア１７と反対側に位置した回転中心軸６には主動ギア１６の外側に突出したボスを設け、これにフライホイール２１を固定している。

(2).まとめ
以上の構成において、１つのシリンダボア２ではピストン３が２往復する４サイクルごとに爆発・排気・吸気・圧縮が行われ、かつ、２つのシリンダボア２の爆発行程・排気工程は２サイクル（クランク軸の回転角度で３６０度）ずれている。

そして、連接棒１１による押圧・引っ張り作用により、第１クランク部７は自転しながら回転中心軸６の軸心回りに公転するが、遊星ギア１７と内歯ギア１８との噛み合いによる規制作用により、回転中心軸６の回転方向と第１クランク部７の回転方向とが逆方向になる。このことと、回転中心軸６の軸心に対する第１クランク部７の偏心寸法Ｅと、第１クランク部７に対する第２クランク部８の偏心寸法Ｅとが同じであることにより、図１（Ｃ）に示すように、第２クランク部８は公転しつつ自転する。これにより、連接棒１１の往復動のみによって回転動力を得ることができる。

そして、第２クランク部８は２本の連接棒１１が連結されるため一定の長さが必要であるが、軸受け５は回転中心軸６のうちクランクアーム９に近接した端部を支持しているため、左右の軸受け５の間隔をできるだけ短かくできる。しかも、第３バランスウエイト１５は軸受け５の外側に位置しているため、第３バランスウエイト１５の荷重が第１クランク部７や第２クランク部８に曲げ力として作用することはないのであり、これら支持スパンの縮小化と曲げ荷重抑制とにより、クランク軸４の撓みを防止して軸受け５の耐久性を格段に向上させることができるのである。

また、クランクアーム９の第２バランスウエイト１４は軸受け５に近接しているため、第２バランスウエイト１４の回動に伴う遠心力が第１クランク部７に対する曲げ力として作用することは殆どないのであり、この面でもクランク軸４の撓み防止効果が助長されている。

第２クランク部８に第１バランスウエイト１３を設ける場合、図２に二点鎖線で示すように、第２クランク部８の左右中間点からできるだけ離して（クランクピン部１０にできるだけ近づけて）設けることも可能であり、この構成を採用すると撓み防止の点でより好ましい。

(3).その他
本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば気筒数は２気筒に限らず、単気筒又は３気筒以上の内燃機関にも適用できる。また、第１クランク部とクランクアームと第２クランク部とは全体を一体構造にする必然性はなく、別々に製造したものを組み立てて一体化してもよい。多気筒内燃機関の場合、複数の第２クランクを設けることも可能である（この場合は回転中心軸は３つ以上設けることになる。）。回転中心軸の軸受けにメタル軸受けを使用できることは言うまでもない。

本願発明は内燃機関に適用してその有用性を発揮できる。従って産業上利用できる。

１機関本体
２シリンダボア
３ピストン
４クランク軸
５軸受け（ボールベアリング）
７第１クランク部
８第２クランク部
９クランクアーム
１０クランクピン部
１１連接棒
１３第１バランスウエイト
１４第２バランスウエイト
１５第３バランスウエイト
１７遊星ギア
１８内歯ギア

Claims

シリンダボアを往復動するピストンと、前記ピストンに一端を連結した連接棒と、前記連接棒の往復動で駆動されるクランク軸とを有しており、
前記クランク軸は、機関に軸受けを介して回転自在に保持された回転中心軸と、前記回転中心軸のうちその軸心から偏心した部位に回転可能に連結された第１クランク部とを有しており、前記第１クランク部には、前記連接棒に対して相対回転可能に連結されたクランクピン部を有する第２クランク部が、前記第１クランク部の回転中心から偏心するようにクランクアームを介して一体的に設けられており、
前記回転中心軸の回転軸心に対する第１クランク部の偏心寸法と、第１クランク部の回転軸心に対する第２クランク部の偏心寸法とを同じ寸法に設定することにより、第２クランク部を回転中心軸の回転方向と逆方向に公転させると連接棒が回動せずに往復動のみすることが許容されており、
更に、前記第２クランク部とクランクアームとのうち何れか一方又は両方、及び、前記回転中心軸には、それぞれ遠心力を打ち消すためのバランスウエイトが設けられている、
という構成であって、
前記回転中心軸は、当該回転中心軸に設けたバランスウエイトと前記クランクアームとの間の部位において前記軸受けで支持されている、
内燃機関。
前記軸受けはボールベアリング又はメタル軸受けであり、前記クランクアームには前記軸受けに近接した状態でバランスウエイトを設けている、
請求項１に記載した内燃機関。