JP6629733B2 - レシプロエンジンのクランク軸 - Google Patents
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Description
回転中心軸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、前記ジャーナル部と前記ピン部をつなぐクランクアーム部と、前記クランクアーム部と一体のカウンターウエイト部と、を備える。前記クランク軸は、レシプロエンジンに搭載される。
前記クランクアーム部の前記ピン部側の表面において、この表面の輪郭に沿った両側それぞれの縁部の内側にこの縁部に沿って凹部が形成されている。
1−1.アーム部の曲げ剛性
図2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。図2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が軸受けによって支持されるので、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、板厚方向の内側(ピン部P側)では引張応力が発生する。
u ∝ F/(曲げ剛性) …(1)
図3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、図3(a)は1スローの側面図を示し、図3(b)はその1スローの軸方向視での正面図を示す。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、図3に示すように、ねじりトルクTが発生する。そこで、アーム部Aのねじり剛性を高めることが必要である。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である。
γ ∝ T/(ねじり剛性) …(2)
2−1.アーム部剛性向上のための考え方
上述のとおり、ウエイト部は曲げ剛性とねじり剛性にほとんど寄与しない。そこで、本実施形態では、軽量で曲げ剛性とねじり剛性が同時に向上するアーム部形状を提示する。
ここでは、材料力学の理論に基づいて、ねじり剛性を向上させるための典型的な形状を検討する。前記図3に示すアーム部Aについて、軽量化を維持しつつねじり剛性を向上させるには、極2次モーメントを大きくすることが有効である。
極2次モーメント:J=(π/32)×d4 …(4)
ねじれ角:γ=T×L/(G×J) …(5)
式(3)〜式(5)中、Lは軸方向長さ、Gは横弾性率、dは丸棒の半径、Tはねじりトルクである。
(π/4)×B0×B0×H0=(π/4)×(B0×B0×H1+B2×B2×H2)=(π/4)×{B0×B0×(H1+H3)−B3×B3×H3)} …(6)
矩形断面円板の極2次モーメント:
J(A)=(π/32)×H1×B0 4 …(7)
J(B)=(π/32)×(H1×B0 4+H2×B2 4) …(8)
J(C)=(π/32)×{(H1+H3)×B0 4−H3×B3 4} …(9)
J(B) < J(A) < J(C) …(10)
B0=100mm、H0=20mm、H1=10mm、H2=H3=20mm、B2=B3=100/√2=70.71mm。
J(A)=1.96×108 …(11)
J(B)=1.47×108 …(12)
J(C)=2.45×108 …(13)
ここでは、材料力学の理論に基づいて、曲げ剛性を向上させるための典型的な形状を検討する。前記図2に示すアーム部Aについて、軽量化を維持しつつ曲げに対する曲げ剛性を向上させるには、断面形状の曲げ断面2次モーメントを大きくすることが効率的である。
断面2次モーメント:I=(1/12)×b×h3 …(15)
たわみ変位:u=k(M/(E×I)) …(16)
式(14)〜式(16)中、bは幅、hは厚み、Eは縦弾性率、Mは曲げモーメント、kは形状係数である。
B3×H0=(H2×B2+B1×H1)=(H2×B2+B1×H1) …(17)
矩形断面梁の断面2次モーメント:
I(D)=(1/12)×B3×H0 3 …(18)
I(E)=1/3×(B3×E2 3−B1×H3 3 +B2×E1 3) …(19)
式(19)中、
E2は「(B2×H2 2+B1×H1 2)/{2×(B2×H2+B1×H1)}」、
E1は「H2−E2」、
H3は「E2−H1」である。
I(F)=1/3×(B3×E2 3−B1×H3 3 +B2×E1 3) …(20)
式(20)中、
E2は「(B2×H2 2+B1×H1 2)/{2×(B2×H2+B1×H1)}」、
E1は「H2−E2」、
H3は「E2−H1」である。
I(D) < I(E) = I(F) …(21)
B1=B2=50mm、B3=100mm、H0=20mm、H1=10mm、H2=30mm。このとき、E1=12.5mm、E2=17.5mm、H3=7.5mmとなる。
I(D)=6.67×104 …(22)
I(E)=2.04×105 …(23)
I(F)=2.04×105 …(24)
図6は、曲げ剛性とねじり剛性に直接関連する断面2次モーメント及び極2次モーメントについて、断面形状に応じて大小関係をまとめた図である。図6では、前記図4及び図5に示す矩形断面、凸型断面及び凹型断面の断面形状ごとに、極2次モーメント及び断面2次モーメントを、矩形断面を基準「1」とした比率で表示する。
上述したように、曲げ剛性とねじり剛性を共に向上させるには、アーム部の断面形状を凸型と凹型を組み合わせた形状に設計することが有効である。すなわち、アーム部の輪郭に沿った両側の縁部を厚肉化し、この縁部の内側を薄肉化する。更にその薄肉化された部分の内側である中央部(アーム部中心線上でジャーナル部寄りの部分)を厚肉化する。アーム部のねじり中心から遠い縁部を厚肉化すると同時に、その内側を薄肉化することにより、軽量化を実現しつつ、ねじり剛性を高く確保できる。アーム部の縁部の厚肉化は、曲げ剛性の確保に寄与する。加えて、曲げ剛性の確保には、アーム部の中央部の厚肉化が寄与する。
[第1実施形態]
図7は、第1実施形態のクランク軸におけるアーム部形状の一例を模式的に示す図である。図7(a)はピン部側からの軸方向視での正面図を示し、図7(b)はA−A断面図を示し、図7(c)はB−B断面図を示し、図7(d)はC−C断面図を示し、図7(e)はD−D断面図を示す。図7(b)のA−A断面は、アーム部中心線Ac上の断面である。図7(c)のB−B断面図は、アーム部中心線Acに直角でクランク軸の回転中心(ジャーナル部の軸心Jc)を通る断面である。図7(d)のC−C断面は、B−B断面と平行でクランク軸の回転中心よりもピン部寄りの断面であり、図7(e)のD−D断面は、B−B断面と平行でクランク軸の回転中心よりもウエイト部寄りの断面である。
図8は、第2実施形態のクランク軸におけるアーム部形状の一例を模式的に示す図である。図8(a)はピン部側からの軸方向視での正面図を示し、図8(b)はE−E断面図を示し、図8(c)はF−F断面図を示し、図8(d)はG−G断面図を示し、図8(e)はH−H断面図を示す。図8のE−E断面、F−F断面、G−G断面、H−H断面は、それぞれ前記図7のA−A断面、B−B断面、C−C断面、D−D断面の位置に対応する。
図9は、第3実施形態のクランク軸におけるアーム部形状の一例を模式的に示す図である。図9(a)はピン部側からの軸方向視での正面図を示し、図9(b)はI−I断面図を示し、図9(c)はJ−J断面図を示し、図9(d)はK−K断面図を示し、図9(e)はL−L断面図を示す。図9のI−I断面、J−J断面、K−K断面、L−L断面は、それぞれ前記図7のA−A断面、B−B断面、C−C断面、D−D断面の位置に対応する。
図10は、第4実施形態のクランク軸におけるアーム部形状の一例を模式的に示す図である。図10(a)はピン部側からの軸方向視での正面図を示し、図10(b)はM−M断面図を示し、図10(c)はN−N断面図を示し、図10(d)はO−O断面図を示し、図10(e)はP−P断面図を示す。図10のM−M断面、N−N断面、O−O断面、P−P断面は、それぞれ前記図7のA−A断面、B−B断面、C−C断面、D−D断面の位置に対応する。
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、
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、
10:凹部、 11:縁部
Claims (2)
- 回転中心軸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、前記ジャーナル部と前記ピン部をつなぐクランクアーム部と、前記クランクアーム部と一体であって前記クランクアーム部の前記ピン部とは反対側に設けられたカウンターウエイト部と、を備え、前記クランクアーム部と、前記カウンターウエイト部とは、継ぎ目を有しない一体形状であり、レシプロエンジンに搭載されるクランク軸であって、
前記クランクアーム部の前記ピン部側の表面において、この表面の輪郭に沿った両側それぞれの縁部のうち、一方の前記縁部の内側にこの縁部に沿って第1の凹部が形成されており、他方の前記縁部の内側にこの縁部に沿って前記第1の凹部と分離した第2の凹部が形成されており、
前記第1の凹部の、前記クランクアーム部の縁部側の縁は、前記クランクアーム部の縁部に沿い、
前記第2の凹部の、前記クランクアーム部の縁部側の縁は、前記クランクアーム部の縁部に沿い、
前記クランクアーム部の前記第1の凹部と前記第2の凹部との間の領域が厚肉化されている、レシプロエンジンのクランク軸。 - 請求項1に記載のレシプロエンジンのクランク軸であって、
前記第1の凹部と前記第2の凹部とは、前記ジャーナル部の軸心と前記ピン部の軸心とを結ぶ直線に対して対称である、レシプロエンジンのクランク軸。
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