JP3975568B2 - 直列４気筒内燃機関の主運動系部品構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用の主運動系部品構造に関し、特に、内燃機関の振動、放射音を低減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関においては、ピストンの往復運動を受けて回転するように、シリンダブロックに、メインジャーナルとクランクウェブとピンジャーナルとからなるクランクシャフトを軸支している（特開平９−３２８４３号公報参照）。
このような内燃機関では、前記クランクシャフトの１次の捩じり運動の節の位置には、特に、着目、考慮されておらず、例えば、直列４気筒内燃機関では、第４気筒のクランクピン付近に位置することとなっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構造においては、１次の捩じり運動の節がクランクピン付近に位置する振動モードでは、同軸上に設定されている各メインジャーナル位置がずれる。
この結果、クランクシャフトの振動がシリンダブロックへと伝達され易くなり、機関振動、放射音のレベルが大きくなるという問題がある。
【０００４】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、クランクシャフトの１次の捩じり運動の節の位置に着目、考慮することによって、クランクシャフトの振動がシリンダブロックへと伝達され難くして、機関振動、放射音のレベルの低減を図ることが可能な内燃機関の主運動系部品構造を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明に係る直列４気筒内燃機関の主運動系部品構造は、クランクシャフトの１次の捩じり運動の節が、第３気筒と第４気筒間のメインシャーナル幅内の軸方向の略中間部に位置するように、前記クランクシャフトの先端部に連結されるクランクプーリ及び前記クランクシャフトの後端部に連結されるフライホイールの慣性モーメントが設定されていることを特徴とする。
【０００６】
かかる本発明の作用について説明する。
【０００７】
本発明に係る直列４気筒内燃機関において、クランクシャフトの１次の捩じり運動の節が、第３気筒と第４気筒間のメインシャーナル幅内に位置されることによって、クランクシャフトの振動がシリンダブロックへと伝達され難くなる。
特に、クランクシャフトの１次の捩じり運動の節が、第３気筒と第４気筒間のメインシャーナル幅内の軸方向の略中間部に位置されることによって、上記効果をより確実かつ高レベルで得られる。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、クランクシャフトの１次の捩じり運動の節の位置に着目、考慮し、第３気筒と第４気筒間のメインジャーナル幅内に位置させることによって、クランクシャフトの振動がシリンダブロックへと伝達され難くして、直列４気筒内燃機関において、機関振動、放射音のレベルの低減を図ることが可能となる。
【０００９】
特に、クランクシャフトの１次の捩り運動の節を、第３気筒と第４気筒間のメインジャーナル幅内の軸方向の略中間部に位置させることによって、クランクシャフトの振動がシリンダブロックへと伝達され難くなるという効果をより確実かつ高レベルで得られ、機関振動、放射音のレベルの低減の効果が高い。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
先ず、両端部に運動系部品を備えたシャフトを模式的に示した図３を参照して、本発明の概要について説明する。
【００１１】
【外１】

【００１２】
従って、本発明においては、クランクシャフトの１次の捩じり運動の節が、いずれかのメインシャーナル幅内に位置するように、主運動系部品としての例えばクランクプーリとフライホイールの慣性モーメントを設定する。
この場合、内燃機関が直列４気筒内燃機関の場合には、クランクシャフトの１次の捩じり運動の節が、第３気筒と第４気筒間のメインシャーナル幅内に位置するように、クランクプーリとフライホイールの慣性モーメントを設定する。
【００１３】
この慣性モーメントの設定は、概略的に説明すれば、例えば次のようにして行う。
先ず、運動方程式によって所定の演算式を得る。
この演算式から得られる捩れ１次モーメントの固有値ω₁ を、別の運動方程式により得られた演算式に代入して、θ₅ ／Ｔを求める。
【００１４】
そして、θ₅ ／Ｔ＝０となるような慣性モーメントを持つ主運動系部品構造、即ち、クランクプーリ及びフライホイール（ドライブプレート及びトルクコンバータ）とすることによって、クランクシャフトの１次の捩じり運動の節が、第３気筒と第４気筒間のメインシャーナル幅内に位置される。
ここで、図１は、クランクシャフト１の構造の一例を示しており、クランクシャフト１は、第１〜第５（＃１〜＃５）のメインジャーナル２〜６と、第１〜第４気筒（＃１〜＃４）のピンジャーナル７〜１０と、を含んで構成される。
【００１５】
かかるクランクシャフト１の先端部には、主運動系部品（クランクプーリ）１１が連結され、後端部には、主運動系部品（クラッチ、クラッチカバー及びフライホイール［ドライブプレート及びトルクコンバータ］）１２が連結されている。
又、図２は、かかるクランクシャフト１の略図である。
【００１６】
次に、以上の図１及び図２を参照しつつ、運動方程式と演算式によって上記のθ₅ ／Ｔ＝０となるクランクプーリ及びフライホイールの慣性モーメントを求める手法について詳述する。
クランクシャフト１先端部〜＃１ピンジャーナル７中央部のねじれ剛性をｋ_CP（Ｎ／ｒａｄ）とする。
【００１７】
＃１ピンジャーナル７中央部〜＃２ピンジャーナル８中央部のねじれ剛性をｋ_C1（Ｎ／ｒａｄ）とする。
＃２ピンジャーナル８中央部〜＃３ピンジャーナル９中央部のねじれ剛性をｋ_C2（Ｎ／ｒａｄ）とする。
＃３ピンジャーナル９中央部〜＃４ピンジャーナル１０中央部のねじれ剛性をｋ_C3（Ｎ／ｒａｄ）とする。
【００１８】
＃４ピンジャーナル１０中央部〜クランクシャフト１後端部のねじれ剛性をｋ_FWとする。
＃３ピンジャーナル９中央部〜＃３ピンジャーナル９中央部から距離ｌ₀ 主運動系部品１２側へ移動した点Ａ（但し、ａ≦ｌ₀ ≦ｂ）のねじれ剛性をｋ_l とする。
【００１９】
かかるｋ_CP，ｋ_C1，ｋ_C2，ｋ_C3，ｋ_FW，ｋ_l は、クランクシャフト１の形状が決まることにより、ＦＥＭ、実験等により求められる定数である。
主運動系部品１１の慣性モーメントをＩ_CP（ｋｇｍ² ）とする。
図１のｃ間の慣性モーメントをＩ_C1（ｋｇｍ² ）とする。
図１のｄ間の慣性モーメントをＩ_C2（ｋｇｍ² ）とする。
【００２０】
図１のｅ間の慣性モーメントをＩ_C3（ｋｇｍ² ）とする。
図１のｆ間の慣性モーメントをＩ_C4（ｋｇｍ² ）とする。
主運動系部品１２の慣性モーメントをＩ_FWとする。
上記のＩ_C1，Ｉ_C2，Ｉ_C3，Ｉ_C4は、ピストン及びコネクティングロッドの慣性モーメントを含み、クランクシャフト、コネクティングロッド、ピストンの形状が決まることにより求められる定数である（デンハルトック著 機械振動論参照）。
【００２１】
尚、各メインジャーナル部の慣性モーメントは小さく無視できる。
次に、主運動系部品１１の捩じり角をθ₁ とする。
＃１ピンジャーナル７の捩じり角をθ₂ とする。
＃２ピンジャーナル８の捩じり角をθ₃ とする。
＃３ピンジャーナル９の捩じり角をθ₄ とする。
【００２２】
＃４ピンジャーナル１０の捩じり角をθ₆ とする。
主運動系部品１２の捩じり角をθ₇ とする。
＃３ピンジャーナル９から距離ｌ₀ を主運動系部品１２側に移動した点の捩じり角をθ₅ とする。
【００２３】
【外２】

【００２４】
又、ここでは、例として一般的な主運動系について示す。
つまり、ｋ_C1＝ｋ_C2＝ｋ_C3＝ｋ_C とする。
Ｉ_C1＝Ｉ_C2＝Ｉ_C3＝Ｉ_C とする。
これより、上記（１）式は、
次のように変換される。
【００２５】
−Ｔ＋（ｋ_CP−ω² Ｉ_CP）θ₁ −ｋ_CPθ₂ ＝０
−ｋ_C θ₁ ＋（ｋ_CP＋ｋ_C −ω² Ｉ_C ）θ₂ −ｋ_C θ₃ ＝０
−ｋ_C θ₂ ＋（２ｋ_C −ω² Ｉ_C ）θ₃ −ｋ_C θ₄ ＝０
−ｋ_C θ₃ ＋（２ｋ_C −ω² Ｉ_C ）θ₄ −ｋ_C θ₆ ＝０
−ｋ_C θ₄ ＋（ｋ_C ＋ｋ_FW−ω² Ｉ_C ）θ₆ −ｋ_FWθ₇ ＝０
−ｋ_FWθ₆ ＋（ｋ_FW−ω² Ｉ_FW）θ₇ ＝０
これより、コンプライアンスθ₁ ／Ｔを求める。
【００２６】
θ₁ ／Ｔ＝１／Ｂ
Ｂ＝（ｋ_CP−ω² Ｉ_CP）−｛ｋ_CP ² ［（２ｋ_C −ω² Ｉ_C ）² −ｋ_C ² ］・［（ｋ_C ＋ｋ_FW−ω² Ｉ_C ）（ｋ_FW−ω² Ｉ_FW）−ｋ_FW ² ］−ｋ_CP ² ｋ_C ² （２ｋ_C −ω² Ｉ_C ）（ｋ_FW−ω² Ｉ_FW）｝／｛〔（ｋ_CP＋ｋ_C −ω² Ｉ_C ）［（２ｋ_C −ω² Ｉ_C ）² −ｋ_C ² ］−ｋ_C ² （２ｋ_C −ω² Ｉ_C ）〕〔（ｋ_C ＋ｋ_FW−ω² Ｉ_C ）（ｋ_FW−ω² Ｉ_FW）−ｋ_FW ² 〕＋ｋ_C ⁴ （ｋ_FW−ω² Ｉ_FW）−ｋ_C ² （ｋ_CP＋ｋ_C −ω² Ｉ_C ）（２ｋ_C −ω² Ｉ_C ）（ｋ_FW−ω² Ｉ_FW）｝・・・（２）
ここで、（２）式において、Ｂ＝０・・・（３）とするω（≧０）が固有値である。
【００２７】
このうち、捩れの１次モードの固有値（固有値のうちの最も小さいもの）をω₁ とする。このω₁ は、ｋ_CP, ｋ_{C ,} ｋ_FW, Ｉ_C が定数であることから、Ｉ_CPとＩ_FWの関数となる。
【００２８】
【外３】

【００２９】
これによって、
（ｋ_CP−ω₁ ²Ｉ_CP）θ₁ −ｋ_CPθ₂ ＝０
−ｋ_CPθ₁ ＋（ｋ_CP＋ｋ_C −ω₁ ²Ｉ_C ）θ₂ −ｋ_C θ₃ ＝０
−ｋ_C θ₂ ＋（２ｋ_C −ω₁ ²Ｉ_C ）θ₃ −ｋ_C θ₄ ＝０
−ｋ_C θ₃ ＋（３ｋ_C −ω₁ ²Ｉ_C ）θ₄ −２ｋ_C θ₅ ＝０
−２ｋ_C θ₄ ＋４ｋ_C θ₅ −２ｋ_C θ₆ ＝Ｔ
−２ｋ_C θ₅ ＋（２ｋ_C ＋ｋ_FW−ω₁ ²Ｉ_C ）θ₆ −ｋ_FWθ₇ ＝０
−ｋ_FWθ₆ ＋（ｋ_FW−ω₁ ²Ｉ_FW）θ₇ ＝０
・・・（５）
これより、θ₅ ／Ｔを求める。
【００３０】
θ₅ ／Ｔ＝ＣＦ／（ＣＥ−ＦＤ）・・・（６）
ここで、
Ｃ＝（３ｋ_C −ω₁ ²Ｉ_C ）［（２ｋ_C −ω₁ ²Ｉ_C ）｛（ｋ_CP−ω₁ Ｉ_CP）（ｋ_CP＋ｋ_C −ω₁ ²Ｉ_C ）−ｋ_CP ² ｝−ｋ_C ² （ｋ_CP−ω₁ ²Ｉ_CP）］−ｋ_C ² ｛（ｋ_CP−ω₁ ²Ｉ_CP）（ｋ_CP＋ｋ_C −ω₁ ²Ｉ_CP）−ｋ_CP ² ｝
Ｄ＝２ｋ_C （２ｋ_C −ω₁ ²Ｉ_C ）｛（ｋ_CP−ω₁ ²Ｉ_CP）（ｋ_CP＋ｋ_C −ω₁ ²Ｉ_C ）−ｋ_CP ² ｝−ｋ_CP ² ｝−２ｋ_C ³ （ｋ_CP−ω₁ ²Ｉ_CP）
Ｅ＝（ｋ_FW−ω₁ ²Ｉ_FW）（４ｋ_C ＋２ｋ_FW−２ω₁ ²Ｉ_C ＋１）−２ｋ_FW ²
Ｆ＝（２ｋ_C ＋ｋ_FW−ω₁ ²Ｉ_C ）（ｋ_FW−ω₁ ²Ｉ_FW）−ｋ_FW ²
Ａ点が節であるためには、θ₅ ／Ｔ＝０を満たせば良い。
【００３１】
よって、θ₅ ／Ｔ＝ＣＦ／（ＣＥ−ＦＤ）＝０ ゆえに、ＣＦ＝０・・・（７）
この（７）式は、ｋ_CP，ｋ_C ，ｋ_FW，Ｉ_C が定数であることから、ω₁ ，Ｉ_CP，Ｉ_FWの関数となる。
主運動系の慣性モーメントＩは、車両等の加速度性能等から、一般的に決められている。
【００３２】
よって、
Ｉ_CP＋Ｉ_C1＋Ｉ_C2＋Ｉ_C3＋Ｉ_C4＋Ｉ_FW＝Ｉ_CP＋４Ｉ_C ＋Ｉ_FW＝Ｉ・・・（８）
この（８）式は、Ｉ_C ，Ｉが定数であることから、Ｉ_CP，Ｉ_FWの関数となる。
従って、上記の（３），（７），（８）式を満たすような主運動系部品（クランクプーリ）１１及び主運動系部品（クラッチ、クラッチカバー及びフライホイール［ドライブプレート及びトルクコンバータ］）１２の慣性モーメント（Ｉ_CP，Ｉ_FW）とすることによって、クランクシャフト１の１次の捩じり振動の節を第３気筒と第４気筒の間のメインジャーナル５上（Ａ点）に位置させることができる。
【００３３】
この結果、１次の捩じり運動の節がある振動モードにおいて、メインジャーナルのずれがなくなり、クランクシャフト１の振動がシリンダブロックへと伝達され難くなり、機関振動、放射音のレベルの低減を図ることができる。
尚、上述した計算は、ｋ_C1＝ｋ_C2＝ｋ_C3＝ｋ_C 並びにＩ_C1＝Ｉ_C2＝Ｉ_C3＝Ｉ_C として解いたが、Ｉ_C1≠Ｉ_C2≠Ｉ_C3≠Ｉ_C4，ｋ_C1≠ｋ_C2≠ｋ_C3として解いても良い。
【００３４】
又、上記の例では、ｌ₀ ＝（ａ＋ｂ）／２として設定して、クランクシャフト１の１次の捩じり振動の節を第３気筒と第４気筒の間のメインシャーナル５の幅内の軸方向の中間部（Ａ点）に位置させる場合について解いたが、クランクシャフト１の１次の捩じり振動の節をａ≦ｌ₀ ≦ｂの間の任意の点に位置させる慣性モーメント（Ｉ_CP，Ｉ_FW）としても良く、同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る内燃機関の主運動系部品構造の一実施形態を説明する図で、クランクシャフトの正面図
【図２】 同上のクランクシャフトの略図
【図３】 本発明の概要を説明するためのクランクシャフトを模式的に示した図
【符号の説明】
１ クランクシャフト
２ ＃１メインジャーナル
３ ＃２メインジャーナル
４ ＃３メインジャーナル
５ ＃４メインジャーナル
６ ＃５メインジャーナル
７ ＃１ピンジャーナル
８ ＃２ピンジャーナル
９ ＃３ピンジャーナル
１０ ＃４ピンジャーナル
１１ 主運動系部品（クランクプーリ）
１２ 主運動系部品（クラッチ、クラッチカバー及びフライホイール［ドライブプレート及びトルクコンバータ］）

Claims (1)

1. クランクシャフトの１次の捩じり運動の節が、第３気筒と第４気筒間のメインシャーナル幅内の軸方向の略中間部に位置するように、前記クランクシャフトの先端部に連結されるクランクプーリ及び前記クランクシャフトの後端部に連結されるフライホイールの慣性モーメントが設定されていることを特徴とする直列４気筒内燃機関の主運動系部品構造。

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