JP2015010634A - レシプロエンジンのクランク軸、およびそのクランク軸の設計方法 - Google Patents
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Abstract
Description
燃焼圧による荷重の負荷が最大になる時点において、当該最大荷重の負荷方向におけるクランクアーム部の曲げ剛性が目標剛性を満足し、且つ、クランクアーム部の重量が目標重量を満足するように、クランクアーム部の形状が、ピン部の軸心とジャーナル部の軸心とを結ぶアーム部中心線を境界にして非対称とされていることを特徴とするレシプロエンジンのクランク軸である。
燃焼圧による荷重の負荷が最大になる時点において、当該最大荷重の負荷方向におけるクランクアーム部の曲げ剛性が目標剛性を満足し、且つ、クランクアーム部の重量が目標重量を満足するように、クランクアーム部の形状を、ピン部の軸心とジャーナル部の軸心とを結ぶアーム部中心線を境界にして非対称とすることを特徴とするクランク軸の設計方法である。
1−1.アーム部の曲げ剛性
図3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。同図に示すように、クランク軸の各スローについて、シリンダ内での点火・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が軸受けで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、それとは反対の内側(ピン部P側)では引張応力が発生する。このときに影響するのがアーム部Aの曲げ剛性Mcである。この曲げ剛性Mcと、ピン部およびジャーナル部の曲げ剛性を含めた1スロー全体の曲げ剛性Mtは、下記の(1)式で評価できる。
同式中、Fはピン部に負荷される燃焼圧の荷重であり、uはピン部の軸方向中央における燃焼圧負荷方向の変位である。
図4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り、同図(a)は1スローの側面図を、同図(b)はその軸方向視での正面図をそれぞれ示す。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、同図に示すように、ねじりトルクTが発生する。そこで、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に、アーム部Aのねじり剛性Tcを高めることが必要である。各スローのねじり剛性は、ピン部Pの直径、ジャーナル部Jの直径が指定されている場合、アーム部Aのねじり剛性に大きく依存するからである。アーム部Aのねじり剛性Tcと、ピン部およびジャーナル部のねじり剛性を含めた1スロー全体のねじり剛性Ttは、下記の(2)式で与えられる。
同式中、Tはねじりトルクであり、γはジャーナル部のねじれ角である。
2−1.概要
図5は、従来のクランク軸のアーム部形状を模式的に示す図であり、同図(a)は軸方向視での正面図を、同図(b)は側面図をそれぞれ示す。同図に示すように、従来のクランク軸のアーム部Aは、ピン部Pの軸心Pcとジャーナル部Jの軸心Jcとを結ぶアーム部中心線Acを境界にして、左右対称の形状とされている。すなわち、アーム部Aは、右半分(以下、「アーム右半分」ともいう)Arと左半分(以下、「アーム左半分」ともいう)Afがアーム部中心線Acに対して対称である。従来のアーム部Aの形状設計は、最大燃焼圧によるアーム部Aへの最大荷重がアーム部中心線Acに沿う方向に負荷されると仮定して行われるからである。
図6は、本発明のクランク軸のアーム部形状の一例を模式的に示す図であり、同図(a)は軸方向視での正面図を、同図(b)はアーム部の右半分におけるA−A’断面図を、同図(c)はアーム部の左半分におけるB−B’断面図をそれぞれ示す。同図に示すように、本発明のクランク軸のアーム部Aは、アーム部中心線Acを境界にして、左右非対称の形状とされている。すなわち、アーム右半分Arとアーム左半分Afがアーム部中心線Acに対して非対称である。
ねじり剛性:Tc=(Tr+Tf)/2 …(4)
Tc=(Tr+Tf)/2 > Tp …(6)
アーム部の曲げ剛性を高める実際の設計は、ノンパラメトリック形状最適化ソフトを用いることができる。ノンパラメトリック形状最適化ソフトでは、最大荷重負荷角αが約10〜20数°に傾斜した曲げ荷重が負荷されるアーム部をモデルとし、目的関数を曲げ剛性、制約条件を重量として、曲げ剛性やねじり剛性の高い左右非対称形状のアーム部を設計できる。
2−3−1.目的関数として曲げ剛性の最大化
最大荷重負荷角αの曲げ荷重が負荷される時点でアーム部の曲げ剛性が最大になるようにアーム部形状を設計するためには、非対称なアーム部形状が必要条件である。以下では、材料力学に基づく簡単な具体例を示すが、これに限定した訳ではない。
断面2次モーメント:I=(1/12)×b×h3 …(8)
たわみ変位:v=k(M/(E×I)) …(9)
(7)〜(9)式中、アーム部断面を矩形とみなし、b:アーム部幅、h:アーム部肉厚、E:縦弾性率、M:曲げモーメント、k:形状係数である。
断面極2次モーメント:J=(π/32)×d4 …(11)
ねじれ角:γ=T×L/(G×J) …(12)
(10)〜(12)式中、L:軸方向長さ、G:横弾性率、d:丸棒の半径、T:ねじりトルクである。
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。
最大荷重負荷角αの曲げ荷重が負荷される時点でのアーム部の曲げ剛性を一定にした条件で、アーム部の重量が最小となるようにアーム部形状を設計することは、上述したように、最大荷重負荷角αの曲げ荷重が負荷される時点でアーム部の曲げ剛性が最大になるようにアーム部形状を設計することと同等である。すなわち、目的関数として重量の最小化は曲げ剛性の最大化を表現上で変えたものであり、両者は、最適設計後に同一のアーム部形状を示し、要件が同じことを意味する。
図18は、本発明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19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。さらに、(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。
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:アーム部の右半分、 Af:アーム部の左半分、
W、W1〜W8:カウンターウエイト部、
2:ダンパプーリ、 3:フライホイール、
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)
Claims (4)
- 回転中心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、ジャーナル部とピン部をつなぐクランクアーム部と、を有し、レシプロエンジンに搭載されて、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、
燃焼圧による荷重の負荷が最大になる時点において、当該最大荷重の負荷方向におけるクランクアーム部の曲げ剛性が目標剛性を満足し、且つ、クランクアーム部の重量が目標重量を満足するように、クランクアーム部の形状が、ピン部の軸心とジャーナル部の軸心とを結ぶアーム部中心線を境界にして非対称とされていること
を特徴とするレシプロエンジンのクランク軸。 - 回転中心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、ジャーナル部とピン部をつなぐクランクアーム部と、を有し、レシプロエンジンに搭載されて、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の設計方法であって、
燃焼圧による荷重の負荷が最大になる時点において、当該最大荷重の負荷方向におけるクランクアーム部の曲げ剛性が目標剛性を満足し、且つ、クランクアーム部の重量が目標重量を満足するように、クランクアーム部の形状を、ピン部の軸心とジャーナル部の軸心とを結ぶアーム部中心線を境界にして非対称とすること
を特徴とするクランク軸の設計方法。 - 燃焼圧による荷重の負荷方向におけるクランクアーム部の曲げ剛性が、燃焼圧による荷重の負荷が最大になる時点で最大になるように、クランクアーム部の形状を設計すること
を特徴とする請求項2に記載のクランク軸の設計方法。 - 燃焼圧による荷重の負荷が最大になる時点において、当該最大荷重の負荷方向におけるクランクアーム部の曲げ剛性を一定にした条件で、クランクアーム部の重量が最小となるように、クランクアーム部の形状を設計すること
を特徴とする請求項2に記載のクランク軸の設計方法。
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JPH11153125A (ja) * | 1997-11-25 | 1999-06-08 | Mitsubishi Motors Corp | クランクシャフト構造 |
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