JP4344648B2 - エンジンのバランサ装置 - Google Patents

Description

本発明は，クランク軸の回転に連動して往復運動するピストンを誘導するシリンダの軸線を前記クランク軸の軸線の一側方にオフセットして配置したエンジンに関するもので，特にそのエンジンにおける往復運動部の慣性力による振動の低減を図るためのバランサ装置に関する。

従来，クランク軸の回転に連動して往復運動するピストンを誘導するシリンダの軸線を前記クランク軸の軸線の一側方にオフセットして配置した，所謂オフセットシリンダ型エンジンは，例えば下記特許文献１に開示されるように知られている。
特開２００２−２２７６０１号公報

かゝるオフセットシリンダ型エンジンでは，ピストン系往復運動部の慣性力の出方が，シリンダ軸線がクランク軸の軸線と交差する一般のエンジンとは異なるため，振動の出方も相違してくるが，その振動を低減するバランサ装置については，技術的な指針が未だ提案されていない。

そこで，本発明は，オフセットシリンダ型エンジンにおいて，ピストン系往復運動部の慣性力による振動を効果的に低減し得，しかもエンジンの大型化を招くことがないバランサ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために，本発明は，クランク軸の回転に連動して往復運動するピストンを誘導するシリンダの軸線を前記クランク軸の軸線の一側方にオフセットして配置したエンジンにおいて，前記クランク軸の回転に連動して前記ピストンとは反対方向に往復運動するバランス・ウエイトを誘導するガイド軸の軸線を，前記シリンダの軸線と平行に，且つ前記クランク軸の軸線の他側方にオフセットして配置したことを第１の特徴とする。

また本発明は，第１の特徴に加えて，前記バランス・ウエイトを，その重心が前記クランク軸の軸線より前記シリンダの軸線側にくるように構成したことを第２の特徴とする。

シリンダの軸線をクランク軸の軸線の一側方にオフセットして配置したエンジンにおいて，クランクピンの回転半径をＲ，クランクピンの回転角度をθ，クランク軸の軸線に対するシリンダの軸線のオフセット量をδとすると，（δ／Ｒ）ｓｉｎθの１次慣性力が，シリンダの軸線がクランク軸の軸線に対してオフセットしていない通常エンジンよりも余分に加わることになる。

そこで本発明の第１の特徴によれば，ピストンとは反対方向に往復運動するバランス・ウエイトを誘導するガイド軸の軸線を，シリンダの軸線と平行に，且つクランク軸の軸線に対して，シリンダの軸線とは反対側にオフセットして配置したので，補助クランクピンの回転半径をＲ′，補助クランクピンの回転角度をθ′，クランク軸の軸線に対するガイド軸の軸線のオフセット量をδ′とすると，前記（δ／Ｒ）ｓｉｎθの１次慣性力に対向する１次慣性力（δ′／Ｒ′）ｓｉｎθ′が発生することになる。したがって，ピストン系往復運動部の慣性力にバランス・ウエイト系往復運動部の慣性力を正確に対抗させて，その慣性力に起因してエンジンに発生する１次振動を効果的に低減することができる。しかもガイド軸に沿って往復運動するバランス・ウエイトの両側には張り出し部が存在しないから，バランス・ウエイトによるエンジンの大型化を回避することができる。

また本発明の第２の特徴によれば，ピストンの往復運動軌跡と，バランス・ウエイトの往復運動軌跡とがクランク軸の軸線に対して互いに反対方向にオフセットすることに起因してエンジンに生ずる不平衡偶力をも低減することができる。

本発明の実施の形態を，添付図面に示す本発明の好適な実施例に基づいて説明する。

図１は本発明に係るバランサ装置を備えたエンジンの縦断側面図，図２は図１の２−２線断面図，図３は図１の要部拡大断面図，図４は図１の４−４線断面図，図５は上記エンジンの等価線図，図６は比較例エンジン（Ａ）と本発明エンジン（Ｂ）との慣性力線図，図７は比較例エンジン（Ａ）と本発明エンジン（Ｂ）との不平衡偶力線図である。

先ず，図１及び図２において，図示例のエンジンＥは４サイクル２気筒エンジンである。そのエンジン本体１は，下面に据え付けフランジ２Ａを有してクランク軸４を水平に支承するクランクケース２と，このクランクケース２から一側方に斜め上向きに突出するシリンダブロック３と，このシリンダブロックの上端面に接合されるシリンダヘッド４とからなっている。そのクランクケース２は，据え付けフランジ２Ａ及びシリンダブロック３と一体に成形されて，一側面を開放したケース本体２ａと，このケース本体２ａの開放側面にボルト接合される軸受ブラケット２ｂとで構成され，このケース本体２ａの側壁と，軸受ブラケット２ｂとでクランク軸５の両端部がそれぞれボールベアリング６，７を介して支承される。このクランク軸５は，同位相の左右一対のクランクピン５ａ，５ａと，これらクランクピン５ａ，５ａの中間部にそれらと逆位相に配置される補助クランクピン５ｂとを備えており，上記クランクピン５ａ，５ａに対応して互いに平行して左右に並ぶ一対のシリンダ９，９がシリンダブロック３に形成される。シリンダ９，９における点火時期は，互いにクランク角で３６０°ずれるように設定される。

図３及び図５に示すよう，上記シリンダ９，９は，それらの軸線Ａｙがクランク軸５の軸線Ａｃの上方に所定距離δ，オフセットするように配置される。そしてシリンダ９，９にそれぞれ摺動可能に嵌装される一対のピストン８，８に一対のコンロッド１０，１０を介して前記クランクピン５ａ，５ａが連接される。

このように，シリンダ９，９の軸線Ａｙをクランク軸５の軸線Ａｃに対してオフセットすることは，エンジンＥの膨張行程における最大圧力時，コンロッド１０，１０の傾き角度の減少をもたらす。その結果，ピストン８，８がシリンダ９，９内面から受けるサイドスラストが減少し，ピストン８，８の摺動摩擦抵抗が減じて，出力性能の向上に寄与することになる。

クランクケース２内には，ピストン８，８等の往復運動部の慣性力と対抗する慣性力を発揮すべく往復運動するバランス・ウエイト１１が配設される。バランス・ウエイト１１は円板状をなすと共に，それを直径線に沿って貫通するガイド孔１２を有しており，このガイド孔１２に相対摺動自在に嵌合するガイド軸１３がクランクケース２の周壁に螺着される。このガイド軸１３は，その軸線Ａｂがシリンダ９，９の軸線Ａｙと平行し，且つクランク軸５の軸線Ａｃからシリンダ９，９の軸線Ａｙと反対側に所定距離δ′，オフセットするように配置される。バランス・ウエイト１１は，補助コンロッド１４を介して前記補助クランクピン５ｂに連接される。即ち，補助クランクピン５ｂの一端に形成された小径環状部１４ａが補助クランクピン５ｂの外周に相対回転自在に嵌合され，その他端に形成された大径環状部１４ｂが円板状のバランス・ウエイト１１の外周に相対回転自在に嵌合される。この大径環状部１４ｂには，ガイド軸１３に貫通される長孔１７が設けられ，この補助コンロッド１４のバランス・ウエイト１１周りの揺動がガイド軸１３に干渉されないようになっている。

再び図１及び図２において，各コンロッド１０，１０の大端部にはオイルディッパ１６，１６が形成され，これらが，クランク軸５の回転に伴ない，クランクケース２内の底部に貯留する潤滑オイルを飛散させることにより，クランクケース２内の各部を潤滑するようになっており，その飛散オイルをバランス・ウエイト１１のガイド孔１２に導入するオイル孔１５（図４参照）がバランス・ウエイト１１の両側壁に設けられる。

バランス・ウエイト１１は，図３及び図４に示すように，その両側面に三日月状の付加ウエイト部１１ａ，１１ａを突出させており，これら付加ウエイト部１１ａ，１１ａをクランク軸５の軸線Ａｃからシリンダ９，９の軸線Ａｙ側にオフセットすることにより，バランス・ウエイト１１の重心Ｇは，クランク軸５の軸線Ａｃからシリンダ９，９の軸線Ａｙ側へ所定距離δ″，オフセット配置される。

而して，ピストン８，８がシリンダ９，９に沿って往復運動すると，その往復運動はコンロッド１０，１０及びクランクピン５ａ，５ａにより回転運動に変換されてクランク軸５に伝達され，クランク軸５から回転動力として外部に出力される。またこのクランク軸５の回転運動は，補助コンロッド１４及び補助クランクピン５ｂを介して再び往復運動に変換されてバランス・ウエイト１１に伝達され，バランス・ウエイト１１はガイド軸１３に沿って往復運動をする。

その際，クランクピン５ａ，５ａ及び補助クランクピン５ｂは，互いに逆位相の関係にあり，即ち１８０°の位相差があるので，ピストン８，８系の往復運動方向とバランス・ウエイト１１系の往復運動方向とは互いに正反対となる。したがって，ピストン８，８系の往復運動部のシリンダ軸線Ａｙ方向の慣性力と，バランス・ウエイト１１のガイド軸１３の軸線Ａｂ方向の慣性力とを釣り合わせれば，ピストン８，８等の往復運動に伴ない発生するエンジンＥの１次振動を無くすることができる。

図５に基づいて，ピストン８，８系の往復運動部のシリンダ軸線Ａｙ方向の慣性力と，バランス・ウエイト１１のガイド軸１３の軸線Ａｂ方向の慣性力との釣り合いについて解析する。

ピストン８，８系の往復運動部のシリンダ軸線Ａｙ方向の慣性力Ｆは次式で表すことができる。

但し，Ｍ・・・ピストン８系の往復運動部の質量
Ｌ・・・コンロッド１０の有効長
Ｒ・・・クランクピン５ａの回転半径
λ・・・Ｌ／Ｒ
δ・・・クランク軸５の軸線Ａｃに対するシリンダ９の軸線Ａｙのオフセット量 θ・・・軸線Ａｃ周りのクランクピン５ａの回転角度
ω・・・クランク軸５の回転速度
上式中の（δ／Ｒ）ｓｉｎθは，シリンダ９の軸線Ａｙがクランク軸５の軸線Ａｃに対してオフセットしていない通常エンジンよりも余分に発生する慣性力である。

一方，バランス・ウエイト１１系のガイド軸１３の軸線Ａｂ方向の慣性力Ｆ′は次式で表すことができる。

但し，Ｍ′・・・バランス・ウエイトの質量
Ｌ′・・・補助コンロッド１４の有効長
Ｒ′・・・補助クランクピン５ｂの回転半径
λ′・・・Ｌ′／Ｒ′
δ′・・・クランク軸５の軸線Ａｃに対するガイド軸１３の軸線Ａｂのオフセッ ト量
θ′・・・軸線Ａｃ周りの補助クランクピン５ｂの回転角度
上式中の（δ′／Ｒ′）ｓｉｎθ′は，前記（δ／Ｒ）ｓｉｎθの１次慣性力に対向する１次慣性力となる。

上記二式より明らかなように，バランス・ウエイト１１が往復運動する軌跡，即ちガイド軸１３の軸線Ａｂをクランク軸５の軸線Ａｃに対してシリンダ９の軸線Ａｙと反対側に距離δ′オフセットすることにより，ピストン５及びバランス・ウエイト１１は，クランク軸５の回転に連動して常にシリンダ９の軸線Ａｙに沿って互いに正反対方向に往復運動することになり，これにより二つの慣性力ＦとＦ′を正確に対抗させ，１次振動を低減することができる。そのオフセット量δ′の最適値は，
δ′＝−（Ｌ′／Ｌ）δ
である。

またＭ′＝Ｍ，λ′＝λ，θ′＝θとすることにより，二つの慣性力ＦとＦ′とを完全に釣り合わせて，１次振動を無くすることができる。

図６（Ａ）は，バランス・ウエイト１１の往復運動軌跡をクランク軸５の軸線Ａｃからオフセットさせない場合の慣性力線図であり，１次慣性力が残存していることがわかる。それに対して，同図（Ｂ）は本発明の実施例における慣性力線図であり，１次慣性力がゼロとなることがわかる。

ところで，ガイド軸１３に沿って往復運動するバランス・ウエイト１１の両側には張り出し部が存在しないから，バランス・ウエイト１１の存在によってエンジンＥが特別大型化することもない。

またバランス・ウエイト１１の重心Ｇは，クランク軸５の軸線Ａｃに対してシリンダ９，９の軸線Ａｙ側に距離δ″，オフセットしてあるので，ピストン８，８の往復運動軌跡と，バランス・ウエイト１１の往復運動軌跡とがクランク軸５の軸線Ａｃに対して互いに反対方向にオフセットすることに起因してエンジンＥ全体に生ずる不平衡偶力をも低減することができ，その最適値は，δ″＝δであり，そうすることで不平衡偶力をゼロにすることができる。

図７（Ａ）は，バランス・ウエイト１１の重心Ｇをガイド軸１３の軸線Ａｂ上に設定した場合の不平衡偶力線図であり，ピストン８，８系の往復運動による不平衡偶力に，バランス・ウエイト１１系の往復運動に不平衡偶力が加算されて，エンジンＥ全体に大きな不平衡偶力が発生することがわかる。それに対して，同図（Ｂ）は本発明の実施例における不平衡偶力線図であり，ピストン８，８系の往復運動による不平衡偶力と，バランス・ウエイト１１系の往復運動に不平衡偶力とが互いに釣り合って，エンジンＥには不平衡偶力が殆ど発生しないことがわかる。

本発明は，上記実施例に限定されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば本発明を単気筒エンジンに適用することもできる。勿論，２サイクルエンジンへの適用も可能である。

本発明に係るバランサ装置を備えたエンジンの縦断側面図。 図１の２−２線断面図。 図１の要部拡大断面図。 図１の４−４線断面図。 上記エンジンの等価線図。 比較例エンジン（Ａ）と本発明エンジン（Ｂ）との慣性力線図。 比較例エンジン（Ａ）と本発明エンジン（Ｂ）との不平衡偶力線図。

Ｅ・・・・・エンジン
５・・・・・クランク軸
８・・・・・ピストン
９・・・・・シリンダ
１１・・・・バランス・ウエイト
１３・・・・ガイド軸
Ａｃ・・・・クランク軸５の軸線
Ａｂ・・・・ガイド軸１３の軸線
Ａｙ・・・・シリンダ９の軸線

Claims (2)

1. クランク軸（５）の回転に連動して往復運動するピストン（８）を誘導するシリンダ（９）の軸線（Ａｙ）を前記クランク軸（５）の軸線（Ａｃ）の一側方にオフセットして配置したエンジンにおいて，
   前記クランク軸（５）の回転に連動して前記ピストン（８）とは反対方向に往復運動するバランスウエイト（１１）を誘導するガイド軸（１３）の軸線（Ａｂ）を，前記シリンダ（９）の軸線（Ａｙ）と平行に，且つ前記クランク軸（５）の軸線（Ａｃ）の他側方にオフセットして配置したことを特徴とする，エンジンのバランサ装置。
2. 請求項１記載のエンジンのバランサ装置において，
   前記バランスウエイト（１１）を，その重心（Ｇ）が前記クランク軸（５）の軸線（Ａｃ）より前記シリンダ（９）の軸線（Ａｙ）側にくるように構成したことを特徴とする，エンジンのバランサ装置。
   

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