(57)【要約】【課題】軽量化しつつ、クランクピンに生じる応力集中を緩和させるクランクシャフト構造を提供することを目的とする。【解決手段】クランクピン（３）とメインジャーナル（２）とが径方向に重なり合うオーバーラップ部（１０）と、前記クランクピン（３）のオーバーラップ領域で前記クランクピン（３）及び前記メインジャーナル（２）の軸方向に延びるように形成される中空部（１１）と、を備え、前記中空部（１１）は、前記クランクピン（３）のメインジャーナル中心（Ｃ２）側の端部の肉厚（Ｄ１）がそれぞれその両側部の肉厚（Ｄ２）よりも薄肉になるよう設けられる、ことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクピンとメインジャーナルとが径方向に重なり合うオーバーラップ部と、
前記クランクピンのオーバーラップ領域で前記クランクピン及び前記メインジャーナルの軸方向に延びるように形成される中空部と、
を備え、
前記中空部は、前記クランクピンのメインジャーナル中心側の端部の肉厚がそれぞれその両側部の肉厚よりも薄肉になるよう設けられる、
ことを特徴とするクランクシャフト構造。
【請求項２】
前記中空部の断面は、前記クランクピンに対してその中心から前記メインジャーナルの中心に向けて偏心された真円である、
ことを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフト構造。
【請求項３】
前記中空部は、前記クランクピン、クランクアーム、前記メインジャーナル及びカウンターウェイトに貫通して形成され、その端部は前記クランクピンを底面とし、前記カウンターウェイトに開口する有底形状である、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のクランクシャフト構造。
【請求項４】
前記中空部は、異なる位相の隣り合う気筒間に位置するメインジャーナルに複数設けられる、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のクランクシャフト構造。
【請求項５】
前記クランクピンに、追加で設けられる第２の中空部、
を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のクランクシャフト構造。
【請求項６】
前記中空部は、フライホイールに最も近い最後端のクランクピンに設けられる、
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のクランクシャフト構造。
【請求項７】
前記中空部は、フライホイール側の後端複数気筒のクランクピンに設けられる、
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のクランクシャフト構造。
【請求項８】
前記中空部は、クランクシャフト油穴構造の一部である、
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のクランクシャフト構造。
【請求項９】
クランクシャフトは、前記中空部に中子を用いて鋳造によって一体成形される、
ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のクランクシャフト構造。
【請求項１０】
クランクシャフトは、組み立て式クランクシャフトである、
ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のクランクシャフト構造。
【請求項１１】
クランクシャフトは、接合式クランクシャフトである、
ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のクランクシャフト構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、クランクシャフト構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
クランクシャフトは、一端にフライホイールが結合される。スターターは、フライホイールに嵌められるリングギアとかみ合ってフライホイールを回転させる。そしてフライホイールの回転力はコネクティングロッドを介してピストンの往復運動に変換される。フライホイールは一旦回転し始めると、自身の慣性力により回り続けようとするので、クランクシャフトの回転を円滑にする働きをする。このようにクランクシャフトは内燃機関の主運動部品であるので、クランクシャフトの構造が内燃機関の性能に直結する。
【０００３】
従来、クランクシャフトを軽量化するためにクランクピンやメインジャーナルに中空部を設けたクランクシャフト構造が知られている（特に特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３５１４５２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
クランクピンとメインジャーナルが径方向に重なり合う領域を有するクランクシャフトにおいて、エンジンブレーキが働いてフライホイールの左右の面振れが生じると、クランクピンの付け根側部に応力集中が生じる。このような応力集中は、クランクピンの劣化を招く虞がある。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、軽量化しつつ、クランクピンに生じる応力集中を緩和させるクランクシャフト構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００８】
本発明は、クランクピン（３）とメインジャーナル（２）とが径方向に重なり合うオーバーラップ部（１０）と、前記クランクピン（３）のオーバーラップ領域で前記クランクピン（３）及び前記メインジャーナル（２）の軸方向に延びるように形成される中空部（１１）と、を備え、前記中空部（１１）は、前記クランクピン（３）のメインジャーナル中心（Ｃ２）側の端部の肉厚（Ｄ１）がそれぞれその両側部の肉厚（Ｄ２）よりも薄肉になるよう設けられる、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、クランクピンに形成する中空部は、クランクピンのメインジャーナル中心側の端部の肉厚がそれぞれその両側部の肉厚よりも薄肉になるように設けられる。これによりフライホイールの左右の面振れによって生じるクランクピンの付け根側部の応力が、両側部よりも薄肉となるメインジャーナル中心側の端部の方に分散される。よってクランクピンの付け根側部の応力集中を緩和することができる。また中空部を設けるので軽量化も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態のクランクシャフト構造を示す図である。
【図２】第１実施形態のメインジャーナル、クランクピン及び中空部の位置関係を示す図である。
【図３】クランクピンの応力分布について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下では図面等を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
【００１２】
図１は、第１実施形態のクランクシャフト構造を示す図である。
【００１３】
クランクシャフト１は、直列４気筒エンジン用である。クランクシャフト１は、メインジャーナル２と、クランクピン３と、クランクウェブ４と、フライホイール取付フランジ部５と、クランクシャフトプーリー取付部６と、を有する。クランクシャフト１は、クランクピン３に連結されるコネクティングロッドを介して、回転運動をピストンの往復運動に変換する。またクランクシャフト１は、後述する中空部１１を中子で形成し、鋳造で一体成形される。
【００１４】
エンジンの当業者においては重力方向とは別に上死点／下死点という表現が使用される。水平対向エンジン等においては、必ずしも上死点が重力方向の上、下死点が重力方向の下になるとは限らないし、また仮にエンジンを倒立した場合には、上死点が重力方向の下、下死点が重力方向の上になる。本明細書においては、慣習にしたがい、上死点側を上、下死点側を下、とし、さらにピストンが上死点にあるときの配置を基準にクランクシャフト１の部位を表現する。図１において両端の気筒はピストンが上死点にあるときの配置である。例えばクランクピン３の上部とは、クランクウェブ４のクランクアーム４ａの頂点側を示す。そしてクランクピン３の下部とは、クランクウェブ４のカウンターウェイト４ｂ側を示す。ピストンが下死点にあるときは、１８０度回転するのでクランクピン３の下部が上、クランクピン３の上部が下、となる。また上下方向はクランクウェブ４（クランクアーム４ａ）の軸方向となるのでクランク腕方向とも表現する。またエンジンの当業者においてはクランクシャフト１のクランクシャフトプーリー取付部６を前端部、フライホイール取付フランジ部５を後端部、と表現される。
【００１５】
メインジャーナル２は、クランクシャフト１の回転軸である。メインジャーナル２は、図示を省略するがベアリング及びベアリングキャップを介してシリンダブロックに固定される。メインジャーナル２は、４気筒エンジンでは各気筒間と両外側との合計５個設けられる。メインジャーナル２の外表面にはオイル通路の入口である油孔２ａが設けられ、メインジャーナル２からクランクピン３にオイルを供給する。メインジャーナル２は、クランクピン３と径方向に重なり合うオーバーラップ部１０を有する。メインジャーナル２は、第１気筒と第２気筒及び第３気筒と第４気筒との間に位置するオーバーラップ部１０に合計４個の中空部１１が形成される。中空部１１についての詳細は後述する。
【００１６】
クランクピン３は、単リンク式機構の場合はコネクティングロッドの大端部の大端孔に挿通される軸であり、複リンク式機構の場合はロアリンクのピン孔に挿通される軸である。クランクピン３は、クランクウェブ４を介してクランクシャフト１のメイン軸であるメインジャーナル２同士をつなぐ部材であり、メインジャーナル２に対して上下方向に偏心している。クランクピン３は、各気筒ごとに、４気筒エンジンでは４個設けられる。クランクピン３は、オーバーラップ部１０に中空部１１が形成される。
【００１７】
ここで図２を参照して、中空部１１について説明する。図２は、メインジャーナル２、クランクピン３及び中空部１１の位置関係を示す図である。メインジャーナル２と、クランクピン３とは、軸方向から見て径方向に重なり合うオーバーラップ部１０（オーバーラップ領域＝斜線部）を有する。オーバーラップ部１０は、メインジャーナル２の上側とクランクピン３の下側とが重なり合って形成される。オーバーラップ部１０には、中空部１１が設けられる。中空部１１は断面が真円で円筒状である。これにより中空部１１の周りで応力集中が生じるのを抑制する効果がある。中空部１１はクランクウェブ４の端面からメインジャーナル２を通ってクランクピン３まで軸方向に貫通する。すなわち、中空部１１は、クランクピン３、クランクウェブ４（クランクアーム４ａ側）、メインジャーナル２、及びメインジャーナル２を挟んで反対側にあるもう一方のクランクウェブ４（カウンターウェイト４ｂ側）に貫通して形成され、その奥側の端部はクランクピン３とクランクウェブ４（クランクアーム４ａ側）の境界付近を底面とし、クランクウェブ４の外表面（カウンターウェイト４ｂ側）に開口する有底形状である。中空部１１の中心Ｃ１１は、メインジャーナル２の中心Ｃ２から下方向に偏心して設けられ、メインジャーナル２の中心Ｃ２とクランクピン３の中心Ｃ３との間に位置する。このような位置関係にあるので、図２において、クランクピン３の下端の肉厚Ｄ１は、クランクピン３のそれぞれ両側端の互いに均等な肉厚Ｄ２よりも薄肉となる。
【００１８】
再び図１に戻る。
【００１９】
クランクウェブ４は、クランクアーム４ａと、カウンターウェイト４ｂと、からなる。クランクウェブ４は、それぞれクランクピン３の両側に、合計８個設けられる。クランクアーム４ａは、メインジャーナル２とクランクピン３とをつなぐ部材である。カウンターウェイト４ｂは、バランスウェイトとも呼ばれ、クランクピン３側に偏る重心をバランスよくするためにクランクピン３と反対側に設けられる。第１気筒と第２気筒及び第３気筒と第４気筒との間に位置するメインジャーナル２の両側のクランクアーム４ａ及びカウンターウェイト４ｂには、中空部１１が形成される。
【００２０】
フライホイール取付フランジ部５は、クランクシャフト１の後端部に設けられる。フライホイール取付フランジ部５には、円板で回転慣性質量であるフライホイールが取り付けられる。フライホイールは、各気筒の筒内燃焼圧の間欠的な発生による回転ムラを小さくする。
【００２１】
クランクシャフトプーリー取付部６は、フライホイール取付フランジ部５とは反対側のクランクシャフト１の前端部に設けられる。クランクシャフトプーリー取付部６には、クランクシャフトプーリーが取り付けられる。クランクシャフトプーリーは、補機類を駆動させる。
【００２２】
次に図３を参照して、作用について説明する。図３はクランクピンの応力分布について説明する図で、（Ａ）は本実施形態の応力分布であり、（Ｂ）は従来の応力分布である。従来のクランクシャフト構造では、図３（Ｂ）に示すように中空部１１がクランクピン３と同心かつ真円で設けられるので、クランクピンの肉厚Ｄ１，Ｄ２は均等である。そしてクランクピン３の付け根にはフライホイールの左右の面振れによる曲げモードが発生する。このときの応力分布はクランクピン３の側端部に高応力が生じて応力集中している（図面右側部の図示は省略）。本実施形態では、図３（Ａ）に示すように、クランクピン３の側端部から下端部にかけて滑らかな応力分布となる。
【００２３】
本実施形態によれば、クランクピン３に真円断面の中空部１１を偏心させて設ける。そして中空部１１の中心Ｃ１１をクランクピン３の中心Ｃ３からクランク腕方向の下向きに偏心させる。このためクランクピン３の下部の肉厚Ｄ１は両側部の肉厚Ｄ２よりも薄肉になる。これによりフライホイールの左右の面振れによって生じるクランクピン３の付け根の応力は、クランクピン３の側端部から下端部に分散して生じる。よってクランクピン３の付け根側端部の応力集中を緩和することができ、側端部から劣化する心配はない。
【００２４】
特に可変圧縮比エンジンを構成する複リンク機構の場合は、ロアリンクがレバーのように回転してストローク量を変動させるので、クランクピン３とメインジャーナル２との偏心量が単リンク機構に比べて小さい。よってクランクピン３とメインジャーナル２とのオーバーラップ部１０が大きい。さらに、フライホイールの面振れモードは、クランクピン３への入力荷重の影響を受ける。複リンク機構の場合、ピストンピンと結合されるアッパーリンクとクランクピン３とはロアリンクを介して連動する。筒内燃焼圧及び慣性力によるクランクピン３への入力荷重は、てこ比の関係が成り立つので単リンク機構に比べて大きくなる。そのためフライホイールの面振れが大きく、クランクピン３に生じる応力が大きくなる。このような場合にも、本実施形態では確実に応力集中を緩和してクランクピン３の付け根に生じる最大応力値を下げることが可能である。
【００２５】
また、中空部１１はクランクピン３だけでなくクランクウェブ４及びメインジャーナル２にも貫通して設けられる。これによりクランクシャフト１の大幅な軽量化ができる。さらに中空部１１は、クランクウェブ４のカウンターウェイト４ｂに開口する。よって中空部１１は中子を用いて形成し鋳造で一体成形した後、中子をカウンターウェイト４ｂの開口から取り出せばよいので製造しやすい。
【００２６】
さらに、中空部１１はクランクシャフト１の軸に対してクランクピン３側を軽量化する。その結果、クランクピン３及びクランクアーム４ａの反対側に設けているカウンターウェイト４ｂも軽量化することができる。
【００２７】
また中空部１１は部材間を貫通していることから、クランクシャフト１のオイル通路としての役割を果たすことも可能である。
【００２８】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【００２９】
例えば実施形態において、中空部は真円を偏心させて設けたが、これに限らない。クランクピンの下部の肉厚が両側部の肉厚よりも薄肉になるような形状であればよい。また中空部はクランクピン、クランクウェブ及びメインジャーナルに貫通させて設けたが、クランクピンのみに設けてもクランクピンの応力集中を緩和させることは可能である。またさらなる軽量化、応力集中の緩和のためにクランクピンに追加して中空部を設けてもよい。例えば実施形態の場合は中空部を下部に設けたので、さらに上部に第２の中空部を設ける。これによりクランクピンの上部の肉厚が薄肉となり上部にも応力が分散されるので、さらに応力集中が緩和され、軽量化も図れる。
【００３０】
また、本実施形態では、中空部を全気筒のクランクピンに設けたが、フライホイールの面振れの影響を最も受ける最後端のクランクピンにのみ設けてもよいし、後端複数気筒のクランクピンに対して設けてもよい。
【００３１】
また、本実施形態では、中空部に中子を用いて鋳造で一体成形するクランクシャフト構造を前提としたが、これに限らない。各部材を個別に成形してボルト等で締結する組み立て式クランクシャフト構造でもよいし、高電流によって溶着させる接合式クランクシャフト構造でもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１    クランクシャフト
２    メインジャーナル
３    クランクピン
４    クランクウェブ
４ａ  クランクアーム
４ｂ  カウンターウェイト
１０  オーバーラップ部
１１  中空部
Ｃ２  メインジャーナル中心
Ｃ３  クランクピン中心
Ｃ１１中空部中心
Ｄ１  クランクピンの下部の肉厚
Ｄ２  クランクピンの側部の肉厚
【図１】
2010203518.tif 000003
【図２】
2010203518.tif 000004
【図３】
2010203518.tif 000005