JP7425234B2 - 大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド内燃機関用クランクシャフト - Google Patents

Description

本発明は、２つのクランクウェブ及びクランクピンを有するクランクスローを複数備える大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド内燃機関のためのクランクシャフトに関する。前記クランクウェブは各々孔を有し、前記複数のクランクスローはメインジャーナルピンによって互いに結合されており、前記メインジャーナルピンは、直径Ｄｃを有するメインジャーナルピン中央部と直径Ｄｓを有する二つの円柱形メインジャーナルピン端部とを有すると共に、関連する前記クランクウェブの孔に挿入される。

前記クランクシャフトは、前記メインジャーナルピン中央部と前記メインジャーナルピン端部との間の移行領域における応力集中を低減するために、前記メインジャーナルピンにフィレットを有する。

前記メインジャーナルピンにおける前記フィレットの少なくとも幾つかは、前記メインジャーナルピンのみに設けられている。

発明の背景

大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド内燃機関は、タンカーやコンテナ船などの大型外航船や発電所の原動機として使用されることが多い。

前述の形式のクランクシャフトはよく知られており、例えばＵＳ１，１３６，５２４Ａに記載されている。大型２ストローク内燃機関用のクランクシャフトは、その大きさのために半組立式である。すなわち、複数の小さな部品をまず製造し、後でそれらを組み立てて製造する。添付図面において、図１は半組立式クランクシャフト２０の一例を示し、図２は半組立式クランクシャフト２０の要部を示している。半組立式クランクシャフト２０は、機関の複数のシリンダの各々にそれぞれ対応する複数のシリンダ部を有する。図１を参照すると、しばしばクランクスロー３と呼ばれるクランクシャフトシリンダ部３は、２枚のクランクウェブ５と、１本のクランクピン４から構成されている。クランクウェブ５はクランクピン４の端部のいずれかに取り付けられている。図２を参照すると、各クランクウェブ５は孔６を有する。この孔にはメインジャーナルピン１の端部１ａが挿入され、それによって複数のクランクスロー３が結合される。

半組立式クランクシャフト２０を組み立てるとき、メインジャーナルピン１は、クランクウェブ５の穴６に挿入され、焼き嵌めの手法を用いてそれぞれのクランクスロー３のクランクウェブ５と接合される。すなわちジャーナルピンは、クランクウェブ５の穴６の直径よりも大きなサイズを有している。組み立てられた後、大型旋盤でクランクシャフト全体を機械加工し、最終的にメインジャーナルとクランクピンジャーナルを作成し、全てのジャーナルの共線性を確保する。

図１、図２及び図３を参照すると、メインジャーナルピン１は、メインジャーナルピン中央部１ｂとメインジャーナルピン端部１ａとを有し、その直径は、メインジャーナルピン中央部の直径Ｄｃよりメインジャーナルピン端部１ａの縮径部Ｄｓの方が太い。クランクシャフト２０の最終加工時に、メインジャーナルピン中央部１ｂとメインジャーナルピン端部１ａとの間の移行領域における応力集中を低減するために、メインジャーナルピン１上にフィレット１１を形成することが既知の手法である。これらのフィレット１１をメインジャーナルピンフィレット１１と呼ぶ。同時に、クランクウェブ５においても、クランクウェブ５とメインジャーナルピン端部１ａとの焼き嵌め部の周囲孔６において、メインジャーナルピン１からクランクウェブ５への完全に滑らかな移行を確保するために、フィレット１２が加工される。それゆえ、メインジャーナルピンフィレット１１とクランクウェブ５上に機械加工されたフィレット１２とからなるフィレット１３が、メインジャーナルピン１とクランクウェブ５の穴６との間の移行部に設けられる。焼き嵌め接続は、クランクウェブ５の孔６の軸方向長からフィレット１２の深さを差し引いた長さＬに一致する長さを有する。

機関の高出力化と小型化は、半組立式クランクスローが伝達しうるトルクと、それが耐えられうる動的負荷によって制限される。トルク容量は、焼き嵌め接続長Ｌ、オーバーサイズ／直径干渉、シャフトとハブの直径などの単純な幾何学的尺度によって決まり、応力は、メインジャーナルピン１ｂの中央部分の直径Ｄｃ（図２参照）とメインジャーナルピン１のフィレット１１半径によって支配される。これらのパラメータを増加させる最も簡単な方法は焼き嵌め接続長さＬとメインジャーナルピンフィレット半径の増大であるが、どちらもシリンダ距離の増大とそれによる機関全体の重量増加につながる。機関の設計目標が、性能向上と（重量による）コストダウンであることを考えると、焼き嵌め接続長、メインジャーナルピンフィレット半径、シリンダ距離の既存の関連性は不利である。

本発明の目的は、メインジャーナルピン中央部とメインジャーナルピン端部との間の移行領域にフィレットを有する、冒頭に述べた種類のクランクシャフトであって、伝達可能なトルクとそれに耐えられる動的負荷に関する上記の課題を少なくとも大幅に軽減することができる、クランクシャフトを提供することである。

上述の課題やその他の課題が、独立請求項に記載の特徴により解決される。より具体的な実装形態は、従属請求項や発明の詳細な説明、図面から明らかになるだろう。

第１の捉え方によれば、２つのクランクウェブ及びクランクピンを有するクランクスローを複数備える大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド内燃機関のためのクランクシャフトが提供される。このクランクシャフトにおいて、前記クランクウェブは各々孔を有し、前記複数のクランクスローはメインジャーナルピンによって互いに結合されており、前記メインジャーナルピンは、直径Ｄｃを有するメインジャーナルピン中央部と直径Ｄｓを有する二つの円柱形メインジャーナルピン端部とを有すると共に、関連する前記クランクウェブの孔に挿入される。
前記クランクシャフトは、前記メインジャーナルピン中央部と前記メインジャーナルピン端部との間の移行領域における応力集中を低減するために、前記メインジャーナルピンにフィレットを有する。
前記メインジャーナルピンにおける前記フィレットの少なくとも幾つかは、前記メインジャーナルピンのみに設けられている。そして前記クランクシャフトは、前記メインジャーナルピン端部の直径Ｄｓが前記メインジャーナルピン中央部の直径Ｄｃよりも太く、前記フィレットは、前記メインジャーナルピン端部の端面であって前記メインジャーナルピン中央部に面する端面に形成されていることを特徴とする。

提案のようにメインジャーナルピンのみにフィレットを設けることにより、焼き嵌め接続長Ｌとその結果得られるトルク容量は、もはやメインジャーナルピンフィレットの半径に関連しない。これにより、シリンダ距離及び機関全長を増加させることなく、疲労に対するメインジャーナルピンフィレットの安全性を高め、トルク容量に妥協のない（あるいは改善された）クランクスロー設計が可能となる。また、クランクウェブの加工が不要なため、焼き嵌め接続長をメインジャーナルピンフィレット半径から独立させることができる。

最適な効果を得るために、前記メインジャーナルピンのみに作られたフィレットは、環状のフィレットとして作られることが好ましい。さらに、これらのフィレットは、メインジャーナルピンの全周に亘って延在していることが好ましい。

メインジャーナルピンフィレットの形状は、メインジャーナルピンの上部で完全なフィレットであるように、下部では切り詰められたフィレットであるように、形状を変えることができる。なぜなら、クランクピンに最も近いフィレットの半分で負荷が最も高くなるからである。従って、メインジャーナルピンにおけるフィレットの形状は、非対称に作成されることができる。なぜなら、本発明によるクランクシャフトのメインジャーナルピンにおけるフィレットは、クランクシャフトが組み立てられる前に作成される可能性があるからである。

フィレットは、実際には、メインジャーナルピン中央部とメインジャーナルピン端部との間の移行領域における応力集中を低減する任意の適切な形状を有することができる。本発明の好ましい実施形態では、前記フィレットは、断面で見て、それぞれが曲率半径を有する複数の円形部分を有する表面を有する。前記複数の円形部分の角度和は、全円の少なくとも１２０度、好ましくは少なくとも１５０度、最も好ましくは少なくとも１８０度であることが好ましい。

断面で見た前記フィレットの表面は、さらに、複数の線形部分を有してもよい。

前記フィレットの実際の設計は、円形部分及び線形部分の選択に依存し、前記フィレットの高さを定義する。

メインジャーナルピン端部の強度が、クランクウェブの孔の軸方向長に対応する長さの効果的な焼き嵌め接続を提供するのに十分であることを保証するために、メインジャーナルピン端部は、フィレットを囲む環状のリップを備えることが好ましい。当該リップは適切な高さを有する。

提案したような方法でメインジャーナルピンフィレットの半径から焼き嵌め接続長の関連性を取り除くために、メインジャーナルピンの端部部分の直径は、既知のクランクシャフトと比較して太くさせられるべきであり、メインジャーナルピンのメインジャーナルピン中央部の直径よりも太くすることが望ましい。従って、メインジャーナルピンの端部部分の直径は、メインジャーナルピンの中央部の直径より太くすることが好ましく、断面で見て環状フィレットの高さの少なくとも２倍に環状リップの高さの２倍を加えた太さにすることが好ましい。従って、様々な機関サイズに対する推定は、比Ｄｓ／Ｄｃが１．１～２の範囲であるべきであることを示す。

断面で見た各フィレットの高さは、好ましくはメインジャーナルピン１の中央部の直径の１～１０％、最も好ましくは３％程度である。また、環状リップの高さは、好ましくはメインジャーナルピンの中央主部の直径の０，５～５％、最も好ましくは１，５％程度である。

このように、メインジャーナルピン端部に、フィレットと環状リップを共に十分な高さで収容できる空間を確保するために、メインジャーナルピンの端部の直径は、メインジャーナルピンの中央部の直径より少なくとも１０％、好ましくは２５％、最も好ましくは５０％大きいことが好ましい。これにより、記載したフィレットを有するメインジャーナルピンを製造することができ、比較的大きな径のフィレットを完全にメインジャーナルピン内に配することができる。加えて、メインジャーナルピンの端部は、環状フィレットを囲む環状リップを備えることができ、これにより、フィレットを作らない場合とほぼ同じ長さの焼き嵌め接続を得ることができる。

本発明の最も好ましい実施形態では、断面で見たフィレットの表面は、全円の少なくとも１８０度に亘る長さを有する。また、焼き嵌め長が、可能な最大の長さを有するため、選択されたウェブの厚さで最大のトルク伝達能力を提供する。

疲労強度や降伏強度の高い高規格材料を使用することで、より高いトルク容量とメインジャーナルピンフィレットの安全性を得ることができる。しかし、高スペックな材料はかなり高価であり、全てのクランクシャフトメーカーが容易に入手できるものではありない。提案する設計は、広く入手可能な標準的な材料を使用して同様の利点を提供しる。

以下、図面に示される例示的な実施形態を参照しつつ、本願発明をより詳細に説明する。
既知の半組立式クランクシャフトの一例を示す。 図１の半組立式クランクシャフトの要部を示す。 図１の半組立式クランクシャフトの詳細を示す。 本発明による実施形態の半組立式クランクシャフトの部分をより詳細に示す 本発明による半組立式クランクシャフトのフィレット設計の一例を示す。

好適な実施形態の詳細説明

図１～３は、本書の冒頭部分で前述した既知の半組立式クランクシャフトの一例を示すものである。

図４は、本発明による半組立式クランクシャフトの一実施形態の断面図である。図４では、図１～３と同じ参照番号が対応する要素に使用されている。

図４の左側には、孔６を有するクランクウェブ５と、メインジャーナルピン中央部１ｂ及び端部１ａを有するメインジャーナルピン１の一部が示されている。図示のように、メインジャーナルピン１の端部１ａは、クランクウェブ５の孔６に挿入され、通常焼き嵌めによりクランクウェブ５に結合される。すなわちメインジャーナルピン１は、クランクウェブ５の孔６の直径によりも大きなサイズを有している。焼き嵌め接続は、クランクウェブ５の穴６の軸方向延長にほぼ対応する長さＬを有している。

メインジャーナルピン１は、メインジャーナルピン中央部１ｂとメインジャーナルピン端部１ａとを有し、その直径は、メインジャーナルピン中央部の直径Ｄｃよりメインジャーナルピン端部１ａの縮径部Ｄｓの方が太い。メインジャーナルピン中央部１ｂとメインジャーナルピン端部１ａとの間の移行領域における応力集中を低減するために、メインジャーナルピン１上にフィレット１１を形成することが一般的である。

本発明によれば、フィレット１１はメインジャーナルピン１にのみ設けられ、好ましくは機械加工によって、メインジャーナルピン１のメインジャーナルピン端部１ａの端面１ｃに設けられる。端面１ｃはメインジャーナルピン中央部１ｂに面している。それによって、焼き嵌め接続長Ｌは、クランクウェブ５とその中の孔６の選択された寸法のうちで可能な限り長くなり、結果としてクランクシャフト２０のトルク容量は、もはやメインジャーナルピンフィレットの半径に関連しないようにすることができる。というのは、クランクウェブ５又はメインジャーナルピン端部１ａのいずれのフィレット又は部分も、これらの要素が出会う領域においては機械加工されないからである。ただし、小さな面取り部２は作成されることがあり、これは、焼き嵌め接続の端部で高い収縮圧力を確保するために、メインジャーナルピン中央部に面したメインジャーナルピン端部の端部に作成されることがあるためである。高い収縮圧力は、焼き嵌め接続部における微小な滑りやフレッティングを抑制するため好ましい。シリンダ距離や機関全長を増加させることなく、トルク容量を維持、あるいは増加させることができる。

図から解るとおり、フィレット１１は、メインジャーナルピン１の全周に亘って設けられる環状のフィレットとされている。

本発明の例示的な実施形態では、フィレット１１は、図５に見られるように、断面で見て、曲率半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３をそれぞれ有する３つの円部分３０ａ、ｂ、ｃ、及び２つの直線部分３０ｄ、３０ｅを有する表面３０を有している。直線部３０ｅはフィレット１１の底部に位置している。ここで、円形部分の角度和は、図示の実施形態では１８０度以上、より正確には約１９４度である。

図５に示す実施形態では、フィレット１１は、円形部分３０ａにアンダーカット３０ｕを有しており、この部分はメインジャーナルピン１中央部１ｂにわずかな距離入り込んでいる。このアンダーカット３０ｕは、クランクシャフトが軸方向の異常振動を受けたときに、メインジャーナルピン１に関連して配置されている軸受シェル（図示せず）の端部がフィレット１１に当たらないようにするために用いられるが、最も重要なことは、メインジャーナルピンフィレット１１の組み立て前に機械加工性を与えていることである。アンダーカットがなければ不可能な軸受面の組み立て後加工により、軸受面の共線性（Collinearity）を確保することができる。

フィレット１１の実際の設計は、円形部分及び線形部分の選択に依存し、フィレット１１の高さＨｆを定義する。図５に示された実施形態は例示に過ぎず、他に非常に多くの可能な実施形態が考えられる。実際の設計は、機関サイズや動的負荷など、他の多くの設計基準に依存する。

図４及び図５の両方に示すように、メインジャーナル端部１ａは、フィレット１１を囲む環状のリップ８を有している。リップ８は、クランクウェブ５内のそれぞれの孔６の軸方向長さに対応する長さＬでの高圧焼き嵌めを保証する十分な剛性を確保するために、適切な高さＨ_ｌを備えている。

提案したような方法でメインジャーナルピンフィレット１１の半径から焼き嵌め接続長Ｌの関連性を取り除くために、メインジャーナルピン１の端部部分の直径Ｄｓは、既知のクランクシャフトと比較して太くさせられるべきであり、メインジャーナルピン１のメインジャーナルピン中央部１ｂの直径Ｄｃよりも大きくすることが望ましい。従って、メインジャーナルピン１の端部部分１ａの直径Ｄｓは、メインジャーナルピン１のメインジャーナルピン中央部１ｂの直径Ｄｃより太くすることが好ましく、断面で見て環状フィレット１１の高さＨｆの少なくとも２倍に環状リップ８の高さＨ_ｌの２倍を加えた太さにすることが好ましい。従って、様々な機関サイズに対する推定は、比Ｄｓ／Ｄｃが１．１～２の範囲であるべきであることを示す。

断面で見た各フィレット１１の高さＨｆは、好ましくはメインジャーナルピン１の中央主部１ｂの直径の１～１０％、より好ましくは２～５％、最も好ましくは３％程度とする。また、環状リップ８の高さＨ_ｌは、好ましくはメインジャーナルピン１の中央主部１ｂの直径の０，５～５％、最も好ましくは１，５％程度とするとよい。

このように、メインジャーナルピン端部１ａに、フィレット１１と環状リップ８を共に十分な高さで収容できる空間を確保するために、メインジャーナルピン１の端部１ａの直径Ｄｓは、メインジャーナルピン１の中央部１ｂの直径Ｄｃより少なくとも１０％、好ましくは２５％、最も好ましくは５０％大きいことが好ましい。これにより、記載したフィレット１１を有するメインジャーナルピン１を製造することができ、比較的大きな径のフィレット１１を完全にメインジャーナルピン１内に配することができる。加えて、メインジャーナルピン１の端部１ａは、環状フィレット１１を囲む環状リップ８を備えることができ、これにより、フィレット１１を作らない場合とほぼ同じ長さＬの焼き嵌め接続を得ることができる。

本発明の最も好ましい実施形態では、断面で見たフィレット１１の表面は、全円の少なくとも１８０度に亘る長さを有する。また、焼き嵌め長さＬが、可能な最大の長さを有するため、選択されたウェブの厚さで最大のトルク伝達能力を提供する。

Claims (8)

1. ２つのクランクウェブ及びクランクピンを有するクランクスローを複数備える大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド内燃機関のためのクランクシャフトであって、前記クランクウェブは各々孔を有し、前記複数のクランクスローはメインジャーナルピンによって互いに結合されており、前記メインジャーナルピンは、直径Ｄｃを有するメインジャーナルピン中央部と直径Ｄｓを有する二つの円柱形メインジャーナルピン端部とを有すると共に、関連する前記クランクウェブの孔に挿入され、前記クランクシャフトは、
   前記メインジャーナルピン中央部とメインジャーナルピン端部との間の移行領域における応力集中を低減するために、前記メインジャーナルピンにフィレットを有し、
   前記メインジャーナルピンにおける前記フィレットの少なくとも幾つかは、前記メインジャーナルピンのみに設けられており、
   前記メインジャーナルピン端部の直径Ｄｓが前記メインジャーナルピン中央部の直径Ｄｃよりも太く、前記フィレットは、前記メインジャーナルピン端部の端面であって前記メインジャーナルピン中央部に面する端面に形成されており、
   前記メインジャーナルピン端部に前記フィレットを囲む環状のリップが設けられ、前記環状のリップと前記クランクウェブは前記フィレットの上方で面一であり、
   前記環状のリップの高さＨ_ｌは、前記メインジャーナルピン中央部の直径の０．５～５％であり、最も好ましくは約１．５％である、
   クランクシャフト。
2. 前記フィレットを環状フィレットとしたことを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフト。
3. 前記フィレットは、前記メインジャーナルピンの全周に亘って延在していることを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフト。
4. 前記フィレットは、断面で見て、それぞれが曲率半径を有する複数の円形部分を有する表面を有し、
   前記複数の円形部分の角度和は、全円の少なくとも１２０度であり、好ましくは少なくとも１５０度、最も好ましくは少なくとも１８０度である、請求項１に記載のクランクシャフト。
5. 前記フィレットの表面は、断面で見て、複数の線形部分を有することを特徴とする請求項４に記載のクランクシャフト。
6. 比Ｄｓ／Ｄｃが１．１～２の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフト。
7. 断面で見た前記フィレットの高さＨｆは、前記メインジャーナルピン中央部の直径の１～１０％であり、より好ましくは２～５％、最も好ましくは３％程度である、請求項１に記載のクランクシャフト。
8. 前記メインジャーナルピン端部の直径Ｄｓは、前記メインジャーナルピン中央部の直径Ｄｃよりも少なくとも１０％であり、好ましくは２５％、最も好ましくは５０％大きい、請求項１に記載のクランクシャフト。