JP3637933B2 - 内燃機関の軸受装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の軸受装置に係り、特にクランクシャフトに複数個の主軸受を備えている多気筒内燃機関における主軸受装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
多気筒内燃機関のクランクシャフトは、その両端に近い部分及び隣接する気筒に対応するクランクウエブの間に形成される円柱形のジャーナル部からなる所謂主軸部が、それぞれ主軸受と呼ばれる軸受を介して回転自由にシリンダブロックによって支持されている。各主軸受はそれぞれ2つ割りとされた上下の軸受メタルによって構成するのが普通である。多気筒内燃機関においてクランクシャフトを支持する軸受装置が複数個の軸受によって構成される場合、従来は、図4に示すように、全ての軸受の実質的な中心軸線をクランクシャフトの主軸部の軸線と一致させることが当然のこととして行われていた。
【0003】
この点を図4に例示する従来の4気筒の内燃機関100について説明すると、クランクシャフト101の両端に近い位置に形成される円柱形のジャーナルからなる主軸部、即ちジャーナル部102a及び102eと、各気筒のピストン103に枢着されるコンロッド104の大端部にクランクピンを介して回転自由に連結しているクランクウエブ105を、隣接する気筒の間において接続する主軸部として形成されたジャーナル部102b,102c,及び102dは、全て主軸線L上に配列されているだけでなく、それら同軸の5個のジャーナル部102をそれぞれ軸支している5個の主軸受106a,106b,106c,106d,106eもまた、それぞれの中心軸線が全てクランクシャフト101の主軸線Lと合致するように配置されている。
【0004】
どのような面軸受でも同じであるが、内燃機関においても主軸受によって支持されるクランクシャフトの主軸部(ジャーナル部)の自由な回転を許すために、軸受メタルの表面とジャーナル部の表面との間には予め僅かな隙間が与えられており、その隙間を埋めるように潤滑油膜が形成される。内燃機関の膨張行程において燃焼による衝撃的な荷重がクランクシャフトに作用すると、クランクシャフトの主軸部の表面が油膜を介して軸受メタルの表面を瞬間的に叩くことになる。それによってクランク打音と呼ばれる異音が発生し、軸受には弾性変形としての歪みが生じると共に、燃焼の振動成分を含んでいるために騒音の起振力となり得る変動する燃焼ガス圧力がシリンダブロックに伝達される。更に軸受に生じた歪みが解放されるときには減衰する自由振動が生じるので、いずれも内燃機関の騒音の発生原因となる。(昭和55年10月22日に自動車技術会秋季学術講演会において発表され、自動車技術会論文集No.23,1981の第42頁から第47頁に掲載された窪塚孝夫他3名による研究論文「エンジン運転中のクランク軸挙動及びエンジン振動の実験解析」を参照)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
図4に示したような従来の軸受構造を有する4気筒の内燃機関を4000rpmの全負荷で運転している状態において、クランクシャフト101の各部分が、部分的に作用する荷重の大きさに応じて微小な変形をして、No.1からNo.5までの5個の軸受106a,106b,106c,106d,106eの各位置において振れ回りをすることによって、クランクシャフト101の各ジャーナル部102a,102b,102c,102d,102eの軸心が本来一点であるべき軸心位置から外れたところを複雑な形状の軌跡を描いて移動するので、その移動軌跡を実測した結果を図5に線図として示す。5つの図面に記入された×印は軌跡を描いて移動する軸心の平均的な位置を示しており、その位置は、本来不動の1点の位置であるべきX軸とY軸の交点に対していずれも下方へずれている。なお、この4気筒内燃機関の点火順序は通常のものと同様であって、点火は#1→#3→#4→#2→#1→の順に繰り返される。
【0006】
図5から判るように、クランクシャフト101が最も大きく撓むことによって平均的な軸心位置×が本来の軸心位置から最も大きくずれるのは、No.2の軸受106bの位置と、No.4の軸受106dの位置にある部分であって、これはジャーナル部102b及び102dのことである。この2つの部分において平均的な軸心位置×が最も大きくずれる理由は点火順序にあるものと考えられる。即ち点火順序が前述のように#1→#3→#4→#2→#1であれば、隣接する#3気筒と#4気筒、及び#2気筒と#1気筒では相次いで燃焼が起こって膨張行程に入るので、それら隣接する気筒の間にあるジャーナル部102b及び102dと、それらの部分を支持しているNo.2の軸受106b及びNo.4の軸受106dは、連続する2つの行程にわたって大きな荷重を受け続けることになるから、それらの部分の変形が大きくなって振れ回りの程度も大きくなるのである。
【0007】
これらに対して、No.1,No.3,及びNo.5の各軸受106a,106c,及び106eによって支持されるジャーナル部102a,102c,102eでは、連続する2つの行程にわたって大きな荷重を受け続けることはないから、変形の量が比較的少なくて、軸心の振れ回りの軌跡が許容し得る範囲を例示する楕円の内部に概ねとどまっている。
【0008】
クランクシャフトの一部にでも振れ回りの程度の大きい部分が生じると、その部分を支持している軸受に無理な力が作用するので、軸受の摩耗が局部的に大きくなって軸受装置全体の耐用期間を縮めるばかりでなく、クランクシャフトを回転させるためのトルクが増大するので、内燃機関全体の摩擦損失が増大して機関効率が低下し、燃費が増大する要因になる。更に、振れ回りが設計上の回転バランスを崩す程度の大きさになる場合には機関の振動が増大することにもある。
【0009】
クランク打音を低減させるために軸受の剛性を高めるとか、クランクシャフトのジャーナル部とそれを支持する軸受面との隙間を小さくするというような方法は公知である。しかしながら、前者のように軸受の剛性を高めるためには軸受の数を増加させるとか、軸受面積を増大させる必要が生じるので、設計においてスペースの面やコストの面から制約を受ける。また後者によって軸受面の隙間を小さくとると油膜の厚さも減少するので、摩擦が増大して機関効率の低下を招いたり、軸受面の摩耗や焼き付きが生じやすくなる。
【0010】
従って、本発明は、従来技術における前述のような問題点に対処して、それらの問題点を解消することを目的としている。特に本発明は、機関の重量やコストの増加を伴うことがない簡単な手段によって摩擦トルクを減少させて燃費を向上させると同時に、振動を低減させることができる軸受装置を提供することを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するための第1の手段として、請求項1に記載された内燃機関の軸受装置を提供する。クランクシャフトのうちで最も大きな荷重を受けて大きく撓み変形をすることによって大きな振れ回りを起こす可能性がある部分は、膨張行程が連続している隣接する2個の気筒の間にあるジャーナル部であるから、第1の手段においてはそのようなジャーナル部を、ピストンの運動方向に見てピストン寄りに偏心して設置した主軸受によって支持し、ジャーナル部の表面とそれを支持する軸受面との隙間が小さくなるようにしているので、そのジャーナル部に大きな荷重が作用しても撓みが小さく抑えられ、振れ回りも小さくなる。
【0012】
本発明は、より実際的な第2の手段として請求項2に記載された内燃機関の軸受装置を提供する。この場合はクランクシャフトのうちで大きな振れ回りを起こす可能性がある部分を2つ割りのメタル軸受によって支持する。基本的な作用、効果は第1の手段の場合と同じであるが、通常のメタル軸受の利点として上下同じ形の軸受メタルを使用することができるのと、軸受装置の組み立て分解が容易になる。
【0013】
本発明は、更に第3の手段として請求項3に記載された内燃機関の軸受装置を提供する。この場合も主軸受としてメタル軸受を使用するが、クランクシャフトのうちで最も大きな振れ回りを起こす可能性がある部分を支持する軸受の軸受メタルの肉厚はピストンの運動方向に見てピストンから比較的遠い側において厚くすると共に、ピストンに比較的近い側において薄くしている。従って、第3の手段によれば、問題のジャーナル部を支持する軸受も、他の軸受と見かけ上は全く同じように配置することができる。この場合の主たる作用、効果は、やはり第1の手段や第2の手段のそれと同様である。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の軸受装置を最も一般的な形で備えている第1実施形態としての4気筒の内燃機関50を示すものである。第1の実施形態から第3の実施形態(図1から図3)までに共通な参照符号として、1はクランクシャフト、2、即ち2a,2b,2c,2d,2eはクランクシャフト1に主軸部として形成された円柱形のジャーナル部であって、それらの軸心は全て共通の主軸線Lに合致している。3は各気筒のピストン、4は各気筒のコンロッド、5はクランクシャフト1の各気筒に対応する部分においてコンロッド4の大端部の両側に形成された一対のクランクウエブ、6a,6b,6c,6d,6eは、ジャーナル部2a,2b,2c,2d,2eをそれぞれ回転自由に支持する主軸受であって、本発明の各実施形態はこれらの主軸受6a,6b,6c,6d,6eの配置或いは構造に特徴を有するものである。
【0015】
第1実施形態の特徴は、点火順序が#1→#3→#4→#2→#1→である4気筒内燃機関50において、図1に示されているように、5個の主軸受6a,6b,6c,6d,6eのうちの2個の主軸受6b及び6dだけが、それらの軸心線Eが主軸線Lから距離eだけピストン3に近づくように、5μm程偏心した位置に設置(オフセット)されていることである。2個の主軸受6b及び6dは、点火順序が#2→#1及び#3→#4の場合に膨張行程が連続している隣接する2個の気筒の間にあるジャーナル部2b及び2dに対応するものであって、これらのジャーナル部が連続して大きな荷重を受けるために、最も大きく撓み変形をして大きな振れ回りを起こすことは前述の説明によって明らかである。
【0016】
ジャーナル部2b及び2dのように振れ回りの大きくなる主軸部を支持している軸受だけを、その軸心がピストン3に近づくようにオフセットすることによって、隣接する気筒の連続する膨張行程によって大きな荷重を受けても、主軸受6b及び6dをオフセットしたことによって、クランクシャフト1が大きく撓み変形するのを抑制し、それによって振れ回りが起こるのを効果的に防止する。
【0017】
オフセット配置する主軸受6b及び6d以外の主軸受6a,6c,6eの軸心線は主軸線Lと一致しており、前述のようにクランクシャフト1の全てのジャーナル部2a〜2eの軸心線も主軸線Lと一致しているから、2個の主軸受6b及び6dだけがピストン3寄りに偏心しており、主軸受6b及び6dにおいては、軸受面とジャーナル部2b及び2dの表面との隙間gが下部において狭くなっていると共に、上部において広くなっている。
【0018】
この場合、ジャーナル部2b及び2dの表面と主軸受6b及び6dの軸受面との間の隙間gは、従来の軸受の場合に比べてジャーナル部2b及び2dの下面において小さくなるが、従来から振動防止のために軸受の全周にわたって隙間を5μm程度減少させることは試みられており、それによって油膜切れ等の問題を生じていないのと、本発明の場合は軸受の偏心配置によって隙間gが従来よりも寧ろ大きくなる部分があり、その部分に十分な厚さの油膜が形成されるために従来と同程度の潤滑油が供給されるので、潤滑油による冷却効果は十分であって、全周の一部に隙間gの小さくなる箇所があっても、それによって焼きつきが生じるような恐れはない。
【0019】
図2に本発明の第2実施形態としての4気筒の内燃機関60を示す。点火順序は第1実施形態の場合と同じである。第1実施形態における主軸受6a〜6eは構造、材質等において特に限定のない一般的な軸受であるが、第2の実施形態における主軸受6a’,6b’,6c’,6d’,6e’は、いずれもクランクシャフトの主軸受として内燃機関に従来からよく使用されているメタル軸受であって、その一部の隣接する気筒の連続する膨張行程によって大きな荷重を受ける主軸受6b’及び6d’だけを、略5μm程度ピストン3寄りにずらせて、オフセット配置する点だけが従来のものと異なっている。
【0020】
第2の実施形態における主軸受6b’及び6d’がクランクシャフト1の過大な振れ回りを抑制することができる理由は、前述の第1の実施形態の場合と同じである。第2実施形態の利点として、主軸受6a’,6b’,6c’,6d’,6e’を2つ割りの軸受メタルによって構成する場合には、上下同じ形の軸受メタルを使用することができる。また、メタル軸受の利点として軸受装置の組み立てや分解が容易になる。
【0021】
図3に本発明の第3実施形態としての4気筒の内燃機関70を示す。点火順序はやはり第1実施形態の場合と同じである。第2の実施形態と同じように、第3実施形態における主軸受6a”,6b”,6c”,6d”,6e”もまたメタル軸受ではあるが、主軸受6b”及び6d”の軸受メタルは、その肉厚がピストン3から見て比較的遠い下部において厚く、ピストン3から見て比較的近い上部において薄くなっている。従って、主軸受6b”及び6d”を上下2つ割りの軸受メタルによって構成する場合には、下部に肉厚の大きな軸受メタルを使用すると共に、上部に肉厚の小さい軸受メタルを使用することになる。
【0022】
第3の実施形態によれば、主軸受6b”及び6d”の取り付け位置についての特別の配慮が不要になる。第1の実施形態や第2の実施形態の場合と同様に、主軸受6b”及び6d”の軸心も5μm程度オフセットされるが、それは主軸受6b”及び6d”の内部に異形の軸受メタルを使用することによって達成されるので、見かけ上は主軸受6b”及び6d”をそれ以外の主軸受と全く同じように配置することができる。第3実施形態の主たる作用、効果が実質的に第1実施形態や第2実施形態のそれと同様であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示す断面図である。
【図2】本発明の第2の実施形態を示す断面図である。
【図3】本発明の第3の実施形態を示す断面図である。
【図4】従来技術を例示する断面図である。
【図5】軸受位置におけるクランクシャフトの軸心の軌跡を示す線図である。
【符号の説明】
1,101…クランクシャフト
2,2a〜2e,102a〜102e…ジャーナル部
3,103…ピストン
4,104…コンロッド
5,105…クランクウエブ
6,6a,6c,6e,106,106a,106c,106e…主軸受
6b,6d,6b’,6d’,6b”,6d”…偏心している主軸受
50…第1実施形態としての4気筒の内燃機関
60…第2実施形態としての4気筒の内燃機関
70…第3実施形態としての4気筒の内燃機関
100…従来の内燃機関
L…主軸線
E…偏心した軸受の軸心線
e…偏心量
g…隙間
Claims (3)
- 複数個のピストンに連結されているクランクシャフトを支持するために複数個の主軸受を備えている多気筒内燃機関において、点火順序に応じて膨張行程が連続している隣接した2個の気筒の間にある前記クランクシャフトのジャーナル部を支持している主軸受を、その軸心が他の主軸受の軸心に対して前記ピストンの運動方向に見て前記ピストン寄りに所定の距離だけ接近するように偏心させて設置したことを特徴とする内燃機関の軸受装置。
- 偏心させて設置される前記主軸受が、2個の半円筒からなる2つ割りの軸受メタルを有するメタル軸受であることを特徴とする請求項1に記載された内燃機関の軸受装置。
- 2つ割りの前記軸受メタルの肉厚が、ピストンの運動方向に見て、軸心が偏心していない主軸受のそれに対して、前記ピストンに近い側において薄く、前記ピストンから遠い側において厚くなっていることを特徴とする請求項2に記載された内燃機関の軸受装置。
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