JP3657474B2 - 内燃機関のクランク軸 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として車両に搭載される内燃機関のクランク軸に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関のクランク軸は、コネクティングロッドを介して伝達されるピストンの上下動を回転運動に変換する機能を有している。このようなクランク軸は、コネクティングロッドの回転軸であるクランクピンと、そのクランクピンを挟持する一対のクランクアームと、クランクピンの軸心とは異なる位置でクランクアームの外面に結合されるクランクジャーナルと、クランクアームと一体に形成されるカウンタウエイトとを備えている。このようなクランク軸では、ピストンの上下動に応じて、曲げ応力や剪断応力が各部に加わるが、内燃機関の重量を軽量化するために、剛性、強度を維持したままで軽量にすることが試みられている。例えば特開平９−３１７７５０号公報には、カウンタウエイトにおいて肉抜きを行い、強度、耐久性を維持しながら軽量化を図ったクランク軸が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記したカウンタウエイトに肉抜き部があるクランク軸では、例えば爆発行程後のピストンの降下動により、下向きの曲げ応力がクランクアームの、いわゆる危険断面と呼ばれる部分に集中して加わることが知られている。すなわち、通常のクランク軸では、クランクジャーナル端部において、軸受との関係で小さな曲率でその全周にわたって設けられる溝が形成してあるとともに、クランクピン端部においても小さな曲率でその全周にわたって溝が設けられており、これらの溝が爆発工程後においてクランク軸が下向きの力を受けた場合に、クランクアームがクランクピンとクランクジャーナルとにより引っ張られるように歪もうとすることにより応力が集中する隅部となり、この隅部と隅部との間に上記危険断面が生じるものである。
【０００４】
つまり、例えば、図７に示す応力分布図により明らかなように、クランクピン側の隅部Ｇｐ及びクランクジャーナル側の隅部Ｇｊをそれぞれ中心として曲げ応力が集中し（領域Ｒａ）、クランクアームの内部に向かって曲げ応力の大きさは減少するものの、応力の大きな領域Ｒｄが狭い範囲で生じることにより、その間つまり危険断面Ｓｄに曲げ応力が集中するものとなる。このように、曲率の小さな溝部には応力が発生しやすく、その結果その危険断面に曲げ応力が集中すると、クランク軸に不具合が生じることがある。
【０００５】
本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。すなわち、本発明に係る内燃機関のクランク軸は、クランクアームの危険断面に集中する曲げ応力を、カウンタウエイトに設ける肉盗み部の形状に基づいて複数の断面に分散させて、軽量化を図りつつ一つの断面に集中することを防止する構成である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、クランクピンにより連結される対をなすクランクアームに連続するカウンタウエイトの対向する面の少なくとも一方の面に肉盗み部を有してなり、クランクピンに垂直にかかる力により撓む際に応力が集中するクランクジャーナル側隅部とクランクピン側隅部との間及びクランクジャーナル側隅部と肉盗み部側隅部との間のクランクアームに生じる曲げ応力の集中するそれぞれの断面にかかる曲げ応力が略等しくなるように、肉盗み部に隣接するクランクジャーナルの軸心方向の中点から前記それぞれの断面の中点までの前記軸心方向のそれぞれの距離と前記それぞれの断面の厚さとが、前記それぞれの距離が大きくなるに伴い前記それぞれの断面の厚さが厚くなる関係を維持してカウンタウエイトに肉盗み部形状を設定することを特徴とする内燃機関のクランク軸である。
【０００８】
このような構成のものであれば、爆発工程においてクランクピンに垂直に力がかかれば、その力により生じた曲げ応力は、クランクジャーナル側隅部とクランクピン側隅部との間及びクランクジャーナル側隅部と肉盗み部側隅部との間のそれぞれの断面に分散して、略等しくなる。つまり、クランクアームに生じた応力は、肉盗み部を形成することにより形成される断面にもかかることになり、クランクジャーナル側隅部とクランクピン側隅部との間に存在する断面にのみ集中することがなくなる。したがって、一つの断面に曲げ応力が集中することを防止することが可能になり、クランク軸に不具合が生じるのを防止することが可能になる。
【０００９】
剛性を落とさずして強度を維持するためには、それぞれの断面が、略同一断面積であるものが好適である。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を、図面を参照して説明する。
図１に示すクランク軸１００は、例えば鍛造製の３気筒エンジンのもので、気筒毎に対をなすクランクアーム１と、それぞれのクランクアーム１に一体に形成されるカウンタウエイト２と、クランクアーム１を連結するクランクピン３と、隣接するクランクアーム１を連結するクランクジャーナル４とを備えている。この実施例においては、３気筒エンジンにおける第１気筒に対するクランクアーム１の第２クランクアーム１２に連続する第２カウンタウエイト２２の、第１クランクアーム１１に連続する第１カウンタウエイト２１と対向する面２２ａ、及び第３気筒に対するそれぞれのカウンタウエイト２の対向するそれぞれの面２５ａ、２６ａには、クランクジャーナル４の軸心を中心として肉盗み部６が設けてある。なお、潤滑油を循環させるための内部の潤滑油経路Ｐについては、この分野で広く知られている構成と同じであってよい。
【００１１】
肉盗み部６は、クランクアーム１の厚み方向において連結するクランクジャーナル４方向に肉厚が薄くしてあるとともに、図２に示すように、クランクジャーナル４軸心方向から見た場合に、クランクジャーナル４の軸心を中心としてクランクアーム１の幅が狭くなるように対称に形成してある。すなわち、この肉盗み部６の形状は、クランクピン３に垂直にかかる力により撓む際に応力が集中するクランクジャーナル側隅部４ａとクランクピン側隅部３ａとの間及びクランクジャーナル側隅部４ａと肉盗み部側隅部６ａとの間のクランクアーム１に生じる曲げ応力の集中するそれぞれの断面にかかる曲げ応力が略等しくなるように設定するものである。なお、図２においては、第２気筒及び第３気筒のためのクランクアーム１やカウンタウエイト２等については、図示を省略している。
【００１２】
以上のように肉盗み部６を形成することにより、図３に示すように、クランクジャーナル側隅部４ａとクランクピン側隅部３ａとの間の第２クランクアーム１２に第１断面７を、また、クランクジャーナル側隅部４ａと肉盗み部側隅部６ａとの間の第２クランクアーム１２に第２断面８をそれぞれ想定する。第１断面７は、図４に示す形状をしており、その断面積は、この断面部分における第２クランクアーム１２の幅と厚みとで決定される。また第２断面８は、図５に示す形状をしており、第１断面７とは形状は異なるが、同様にこの断面部分における第２クランクアーム１２の幅と厚みとで決定され、第１断面７の断面積と略等しい断面積である。図５において、想像線で示すように、従来のクランク軸のクランクアームの同位置における断面形状と比較した場合、クランクジャーナル４の軸心に対応する部分の厚みは同一だが、それ以外の部分においては、肉盗み部６により第２カウンタウエイト２２の厚みが薄くなっているものである。
【００１３】
このような第１及び第２断面７、８はそれぞれ、第１断面７の幅をＵ₁、第１断面７の厚さをｈ₁、第２断面８の幅をＵ₂、第２断面８の厚さをｈ₂とした場合、以下の式で示される断面係数Ｚ₁，Ｚ₂を有している。
Ｚ₁＝Ｕ₁×ｈ₁ ²／６ （１）
Ｚ₂＝Ｕ₂×ｈ₂ ²／６ （２）
【００１４】
第１及び第２断面７、８には、図１の状態において、クランクピン３に上方から外力Ｆが加わると、次に示す式による曲げ応力σ₁及びσ₂が加わる。
Ｍ₁＝Ｆ×ａ₁ （３）
Ｍ₂＝Ｆ×ａ₂ （４）
σ₁＝Ｍ₁／Ｚ₁＝Ｆ×ａ₁／Ｚ₁ （５）
σ₂＝Ｍ₂／Ｚ₂＝Ｆ×ａ₂／Ｚ₂ （６）
ただし、Ｍ₁，Ｍ₂は、曲げモーメント、ａ₁は、隣接するクランクジャーナル４の軸心方向の中点から第１断面７の中点までの距離、ａ₂は、隣接するクランクジャーナル４の軸心方向の中点から第２断面８の中点までの距離である。
【００１５】
このように、第１及び第２断面７、８に加わる曲げ応力σ₁及びσ₂が略等しくなるように、肉盗み部６形状を設定する。この場合、第１断面７の幅Ｕ₁と第２断面８の幅Ｕ₂とは等しいので、式（１）、（２）、（５）及び（６）より、第１断面７の厚さｈ₁、第２断面８の厚さｈ₂、距離ａ₁及び距離ａ₂が次の式の関係になるように設定する。
σ₁≒σ₂
Ｆ×ａ₁／Ｚ₁≒Ｆ×ａ₂／Ｚ₂
ａ₁／Ｚ₁≒ａ₂／Ｚ₂
ａ₁×６／Ｕ₁×ｈ₁ ²≒ａ₂×６／Ｕ₂×ｈ₂ ²
ａ₁／ｈ₁ ²≒ａ₂／ｈ₂ ² （７）
【００１６】
このように、隣接するクランクジャーナル４の軸心方向の中点から第１断面７の中点までの距離ａ₁、隣接するクランクジャーナル４の軸心方向の中点から第２断面８の中点までの距離ａ₂、第１断面７の厚さｈ₁及び第２断面８の厚さｈ₂を調整して、上記式（７）が成立するように肉盗み部６の形状を設定することにより、第１断面７及び第２断面８に加わる曲げ応力σ₁，σ₂を等しくすることができる。この結果、図６に示すように、第２クランクアーム１２における応力分布は、クランクピン側隅部３ａ及び肉盗み部側隅部６ａを中心に、第１断面７に集中することなく広く分散して、第１断面７と第２断面８との周囲に広く分散したものとなる。つまり、応力の分布は、クランクピン側隅部３ａ及び肉盗み部側隅部６ａにおいて集中するものの、これら隅部３a，６aを取り囲むように応力の集中の小さな領域Ｒ１が存在するものとなる。このように、肉盗み部６を所定条件の基に所定形状に形成することにより、第１断面７及び第２断面８のいずれにも曲げ応力が集中することがない。
【００１７】
したがって、肉盗み部６がない場合に第１断面７に集中していた曲げ応力を第２断面８に分散させることができるので、いわゆる危険断面である第１断面７に曲げ応力が集中することを防止することができ、クランク軸１００に不具合が生じるのを未然に防ぐことができる。また、肉盗み部６を形成することにより、軽量化することができるとともに、剛性を落とすことなく強度を高めることができ、クランク軸１００に要求される各種の性能を向上させることができる。
【００１８】
なお、本発明は以上に説明した実施例に限定されるものではない。
上記実施例においては、第１気筒及び第３気筒に対するカウンタウエイトに肉盗み部を設けるものを説明したが、これに限定されるものではなく、バランスを考慮して各気筒に対するカウンタウエイトに適宜設けるものであってもよい。
その他、各部の構成は図示例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、肉盗み部に隣接するクランクジャーナルの軸心方向の中点からそれぞれの断面の中点までの軸心方向のそれぞれの距離とそれぞれの断面の厚さとが、それぞれの距離が大きくなるに伴いそれぞれの断面の厚さが厚くなる関係を維持してカウンタウエイトに肉盗み部を形成することにより、爆発工程においてクランクピンに垂直に力がかかれば、その力により生じた曲げ応力を、クランクジャーナル側隅部とクランクピン側隅部との間及びクランクジャーナル側隅部と肉盗み部側隅部との間のそれぞれの断面に分散させて、略等しく加わるようにすることができる。このように、クランクアームに生じた応力が、肉盗み部を形成することにより形成される断面にも加われば、クランクジャーナル側隅部とクランクピン側隅部との間に存在する断面にのみ集中することがなく、よって一つの断面に曲げ応力が集中することを防止することができる。したがって、肉盗み部により軽量化を図ることができるとともに、剛性を落とさずして強度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す正面図。
【図２】図１における一部を省略して示すＡ−Ａ線断面図。
【図３】同実施例の第２カウンタウエイト部分を拡大して示す要部正面図。
【図４】同実施例の第１断面の形状を示す端面図。
【図５】同実施例の第２断面の形状を示す端面図。
【図６】同実施例の曲げ応力の分布状態を示す応力分布図。
【図７】従来例の曲げ応力の分布状態を示す応力分布図。
【符号の説明】
１…クランクアーム
２…カウンタウエイト
３…クランクピン
３ａ…クランクピン側隅部
４…クランクジャーナル
４ａ…クランクジャーナル側隅部
６…肉盗み部
６ａ…肉盗み部側隅部
７…第１断面
８…第２断面

Claims (2)

1. クランクピンにより連結される対をなすクランクアームに連続するカウンタウエイトの対向する面の少なくとも一方の面に肉盗み部を有してなり、クランクピンに垂直にかかる力により撓む際に応力が集中するクランクジャーナル側隅部とクランクピン側隅部との間及びクランクジャーナル側隅部と肉盗み部側隅部との間のクランクアームに生じる曲げ応力の集中するそれぞれの断面にかかる曲げ応力が略等しくなるように、肉盗み部に隣接するクランクジャーナルの軸心方向の中点から前記それぞれの断面の中点までの前記軸心方向のそれぞれの距離と前記それぞれの断面の厚さとが、前記それぞれの距離が大きくなるに伴い前記それぞれの断面の厚さが厚くなる関係を維持してカウンタウエイトに肉盗み部形状を設定することを特徴とする内燃機関のクランク軸。
2. それぞれの断面が、略同一断面積であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関のクランク軸。

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