(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク軸（１００）と少なくとも一つのコンロッド（２００）とから成り、コンロッド（２００）がクランク軸（１００）のクランクピン（１０２）に据え付けられる大きな端部（２０１）を備え、クランクピン（１０２）と大きな端部（２０１）の支持面（１０８、２０２）は、装置が作動される時にコンロッド（２００）の大きな端部（２０１）とクランクピン（１０２）との間に作用する力を支持する荷重支持領域にて互いに密接接触し、荷重支持領域におけるクランクピン（１０２）の支持面（１０８）が長手方向軸部分において凹状に彎曲された輪郭を形成し、そして大きな端部（２０１）の支持面（２０２）がクランクピン（１０２）の凹状輪郭と密接接触している凸状輪郭を形成するクランク駆動装置において、
有限要素方法或いは近似方法により、クランクピン（１０２）の支持面（１０８）の輪郭は、本質的に等価応力が時間平均でこの支持面（１０８）に全体的に一様に分布されるように決定されていることを特徴とするクランク駆動装置。
【請求項２】
軸の回転軸線（１０４）を定義するメインジャーナル（１０１）と、クランクピン（１０２）と、クランクピン（１０２）をメインジャーナル（１０１）と連結させるウエブ（１０３）とを備えて、クランクピン（１０２）がコンロッド用の支持面（１０８）を形成し、メインジャーナル（１０１）がエンジンブロック軸受に収容する支持面（１１０）を形成する請求項１に記載のクランク駆動装置用のクランク軸において、クランク軸に作用する力を支持する荷重支持領域におけるクランクピン（１０２）の支持面（１０８）が長手方向軸部分において凹状彎曲輪郭を形成することを特徴とするクランク軸。
【請求項３】
クランク軸に作用する力を支持する荷重支持領域におけるメインジャーナル（１０１）の支持面（１１０）が長手方向軸部分において凹状彎曲輪郭を形成し、有限要素方法或いは近似方法により、このメインジャーナル（１０１）の支持面（１１０）の輪郭は、本質的に等価応力が時間平均で支持面（１１０）に全体的に一様に分布されるように決定されていることを特徴とする請求項２に記載のクランク軸。
【請求項４】
荷重支持面（１０８、１１０）が連続曲率をもつ両側面でウエブ（１０３）の支持推力面（１１１）に結合させることを特徴とする請求項２または３に記載のクランク軸。
【請求項５】
支持面（１０８、１１０）の荷重支持領域が支持面の中心（１１２）に対称的である連続彎曲輪郭を形成することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載のクランク軸。
【請求項６】
輪郭の対称的部分がより高い等級の多項式函数によって記載されていることを特徴とする請求項５に記載のクランク軸。
【請求項７】
メインジャーナル（１０１）とクランクピン（１０２）の支持面（１１０、１０８）が異なって彎曲されていることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一項に記載のクランク軸。
【請求項８】
メインジャーナル（１０１）とクランクピン（１０２）が鋳造の場合に中空部分（１０５、１０６）を含有することを特徴とする請求項２乃至７のいずれか一項に記載のクランク軸。
【請求項９】
カウンタウエイト（１０７）が不均衡を補償するためにウエブ（１０３）に形成されていることを特徴とする請求項２乃至８のいずれか一項に記載のクランク軸。
【請求項１０】
クランク軸のクランクピンを収容する大きな端部（２０１）から成り、大きな端部（２０１）がコンロッドの大きな端部（２０１）に作用する力を支持する荷重支持領域を備える支持面（２０２）から成る、請求項１に記載のクランク駆動装置用のコンロッドにおいて、荷重支持領域における大きな端部（２０１）の支持面（２０２）が長手方向軸部分において凸状彎曲輪郭を形成することを特徴とするコンロッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、クランク軸と少なくとも一つのコンロッドとから成るクランク駆動装置に関し、コンロッドがクランク軸のクランクピンに据え付けられた大きな端部から成る。クランクピンとコンロッドの大きな端とは、装置が作動されるときにコンロッドの大きな端部とクランクピンとの間に作用する力を受ける荷重支持領域において互いに閉鎖接触している支持表面から成る。
「コンロッド」との用語は「連結ロッド」の共通の短縮語である。
【背景技術】
【０００２】
先行技術において、クランクピンの支持面とコンロッドの大きな端部とは円筒状に形成されている。大抵は、クランクピンの円筒状支持面がリボンとして形成されたアンダーカットを備えるメインジャーナルとクランクピンを連結させるクランク軸のウエブを結合させる（米国特許第４３５６７４１号明細書［特許文献１］）。荷重印加の場合に隅肉のまわりに、高い局部化応力が生じる。ドイツ特許第２９４７６９９号明細書［特許文献２］から、ジャーナルとウエブの間の正接半径をもつ移行部を形成するのが普通である。半径が数ミリメータの寸法であり、クランク軸に作用する力を受ける荷重支持面の一部である。材料強度の理由により、冷間圧延（ディープ圧延）によってクランク軸の表面を歪硬化させることは普通である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４３５６７４１号明細書
【特許文献２】ドイツ特許第２９４７６９９号明細書
【非特許文献】
【０００４】
クラウス・マテック著; 「自然の設計」４版（２００６年）ローマンバック出版社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この背景によると、この発明の目的は、荷重に適する方法と適切な成形によりクランクピンの支持面とコンロッドの大きな端部の輪郭を最大限に利用して、クランク軸の疲労強度や装置の寿命を改良し且つ生産処理を簡単に保つことである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の目的は、クランクピンの支持面がその荷重支持領域において長手方向軸部分を凹状湾曲輪郭に形成し、コンロッドの大きな端部の支持面がクランクピンの凹状輪郭に密接接触している凸状輪郭に形成することにより、達成される。クランクピンとコンロッドの大きな端部の間に大きな接触面が達成されるので、部材間に弱い接触圧が生じる。コンロッドの凸状輪郭の大きな端部はコンロッドの大きな端部の質量減少を発生させる。さらに、支持面の彎曲輪郭が支持面の有効な潤滑を可能とする、というのは、クランク駆動装置の作用変位や弾性変形は共働する凸状と凹状支持面の間に油ポンプ効果を生じるからである。  
【０００７】
装置のクランク軸が請求項２の主題である。クランク軸がメインジャーナルと、クランクピンと、メインジャーナルとクランクピンを連結させるウエブとから成る。メインジャーナルは軸の回転の軸線を定義する。クランクピンはコンロッドの支持面から成り、メインジャーナルはエンジンブロック軸受に収容する支持面から成る。クランク軸が鍛造或いは鋳造により単一片として形成される。この発明によると、クランク軸に作用する力を受ける荷重領域におけるクランクピンの支持面が凹状輪郭を長手方向軸部分に形成する。輪郭は好ましくは一様に分布された応力の原理によって決定されて、同じ等価応力が平均時間、即ち一完全エンジン点火周期の平均で支持面にわたり分布される。ホンミセス（von-Mises)による等価応力が例えばベースとして使用される。一定応力の原理が強い荷重領域では材料の増加を招き、弱い荷重領域では材料の減少を招く。これにより、成分部品の強度とその耐久性が向上される。この発明の支持面の輪郭に生じる一定応力の原理による設計最適化は、クラウス・マテック（Claus Mattheck) により開発された方法により、有限要素方法により或いは近似方法により(Claus Mattheck 著; 「自然の設計」４版（２００６年）ローマンバック出版社）達成され得た。
【０００８】
この発明の好ましい実施例によると、メインジャーナルの支持面がクランク軸に作用する力を受ける荷重支持領域において長手方向軸部分に凹状輪郭を有する。
【０００９】
クランク軸の支持面の荷重支持領域が好ましくはウエブの開始点で連続曲率により両側面に結合する。輪郭は連続的に彎曲されて、支持面の中間に対称的に形成されている。輪郭の対称的部分が円形状からそれて、より高い等級の多項式函数によって記載され得る。  
【００１０】
メインジャーナルとクランクピンの支持面が互いに独立的に最大限に利用される好都合な輪郭を形成し、最大限利用結果として異なる曲率を形成する。
【００１１】
この発明による装置用のコンロッドはクランク軸のクランクピンに収容する大きな端部から成る。この大きな端部がコンロッドの大きな端部に作用する力を支持する荷重支持領域を備える支持面から成る。コンロッドの支持面がクランクピンの支持面の輪郭に適合されて、荷重支持領域に長手方向軸部分の凸状輪郭を形成する。また、支持面はコンロッドの大きな端部の孔に収容された支持シェルによって形成され得る。従って、クランク軸用のエンジンブロック軸受がメインジャーナルの輪郭に適合されている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明によるクランク駆動装置を示す。
【図２】この発明によるクランク軸の長手方向部分を示す。
【図３】この発明によるクランク軸の一部をより大きい細部で示す。
【図４】比較用の先行技術クランク軸の細部を示す。
【図５】先行技術クランク駆動装置の一部を示す。
【図６ａ】クランク駆動装置が作動される時にオイルポンプ効果に基づいた潤滑の改良状態を示す。
【図６ｂ】クランク駆動装置が作動される時にオイルポンプ効果に基づいた潤滑の別の改良状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
この発明は、以下に、好ましい実施例によって説明され得る。                        
【００１４】
図１に例示された装置は、クランク軸１００とクランク軸のクランクピン１０２に据え付けられた大きな端部２０１を有する少なくとも一つのコンロッド２００とから成る。クランクピン１０２とコンロッド２００の大きな端部２０１とは、装置が作動される時にコンロッドの大きな端部２０１とクランクピン１０２との間に作用する力を支持する荷重支持領域において互いに密接接触している支持面１０８、２０２から成る。荷重支持領域におけるクランクピン１０２の支持面１０８が長手方向軸部分に凹状に彎曲された輪郭を形成する。大きな端部２０１の支持面２０２がクランクピン１０２の輪郭に適合されて、クランクピン１０２の凹状輪郭と密接接触している凸状輪郭を形成している。
【００１５】
クランク軸１００が単一片として形成されて、メインジャーナル１０１と、クランクピン１０２とウエブ１０３とから成る（図２）。メインジャーナル１０１は軸の回転軸線１０４を定義する。ウエブ１０３はメインジャーナル１０１とクランクピン１０２と連結させて、クランク軸１００が鋳造により形成されるならば、中空部分１０５、１０６を含有する。ウエブ１０３の一部には、カウンタウエイト１０７が不均衡を補償させるように形成されている。
【００１６】
クランクピン１０２の各々はコンロッド２００用の支持面１０８を形成する。明確にするために、コンロッド２００の外形のみが図２の点線によって示されている。メインジャーナル１０１は示されていないエンジンブロック軸受に収容する支持面１１０を形成する。クランク軸１００に作用する力を支持する荷重支持領域において互いにクランクピン１０２とメインジャーナル１０１の支持面１０８、１１０は長手方向軸部分において凹状彎曲された輪郭を形成する。クランクピン１０２とメインジャーナル１０１との輪郭が好ましくは一定応力の原理によって決定されて、時間平均で、即ち一完全エンジン点火周期に関する平均で本質的に一様な等価応力が支持面に全体的に分布されている。円筒状ピンと比較してこの発明によって形成されたクランクピン１０２とメインジャーナル１０１とがより大きい荷重の領域において材料の増加を生じる。これはクランク軸の疲労強度の増加を生じる。デザイン最大限利用が有限要素方法の使用の下でクラウス・マテック著「自然の設計」第４版（２００６年）によって展開された方法によって実施され得る。
【００１７】
図２の例示から、支持面１０８、１１０の荷重支持領域がウエブ１０３の支持推力面１１１に連続曲率をもつ両側面を結合することを引き出す。さらに、支持面１０８、１１０の荷重支持領域が支持面中心１１２に対称的である連続彎曲輪郭を形成する。輪郭が円形形状から引き出し、より高い等級の多項式函数によって記載され得る。
【００１８】
メインジャーナル１０１とクランクピン１０２とは互いに無関係に一様分布応力の原理によって且つデザイン最大限利用の結果として好都合に最大利用され、それらが異なる曲率を形成する。
【００１９】
発明を例示する図３と先行技術クランク軸を示す図４或いは５とを比較して見ると、発明の基本原理が明らかになる。先行技術（図４と５）によって形成されたクランク軸のクランクピン１０２’とメインジャーナル１０１’は円筒状支持面１１３を形成する。僅かな移行領域１１４が曲率１１５から成る両側面の円筒状支持面１１３に取付けられる。この曲率１１５は基本的に円形円弧輪郭と数ミリメータの半径を有する。この曲率１１５は円筒状支持面１１３から結合ウエブ１０３’の側面１１６までの移行部を形成し、クランク軸の疲労強度のキー要因である。鋳造クランク軸の場合には、移行領域１１４が冷間圧延によって硬化された加工されなければならない。鍛造クランク軸の場合には、半径を形成する移行領域が冷間圧延によって機械加工されて疲労強度を改良させる加工硬化を加える。彎曲移行領域１１４に結合するウエブの側面１１６がコンロッド用の横ガイドとして用いられる。
【００２０】
図３を図４或いは５と比較すると、この発明の主題が曲率１１５から成る移行領域１１４を形成しないことが明らかである。発明によると、クランクピン１０２の支持面１０８及びメインジャーナル１０１の支持面１０８が円筒状に形成されていないが、しかし、凹状曲率をもつ一定曲線進行から成る。支持面１０８、１１０の輪郭１１７がしっかりとウエブ１０３の側面部分に曲がって支持推力面１１１を形成する。これにより、支持面１０８、１１０の外境界領域では先行技術によるクランク軸の同じ領域より多くの材料が存在する。この余剰の材料がクランク軸の疲労強度の意味のある増加を生じる。この発明は、特に疲労強度に関連し且つ制限するクランク軸の領域に影響させ、構造的デザイン修正によってこの領域にてクランク軸の疲労強度を改良させることを教示する。この発明により設計されたメインジャーナル１０１とクランクピン１０２の支持面１１０、１０８が先行技術の原理から引き出し、支持面セグメントを円筒状に設計し、コンロッドの大きなロッド目の円筒状孔或いはクランク軸軸受の円筒状支持シェルと相互に作用させる。
【００２１】
疲労強度の意味のある増加は特殊高強度材料の利用或いは疲労強度の増加用の追加的生産工程により達成される。この発明によるメインジャーナル１０１とクランクピン１０２のデザインは３０％から５０％までの荷重領域においてクランク軸の改良を生じ得る。
【００２２】
最近のエンジンのより高い作動圧力によるクランク軸に作用する荷重を増加させる場合にさえ、クランク軸のより高い（より強い）材料度合が必要とされない。この発明は、鋳造クランク軸及び鍛造クランク軸に使用できる。冷間圧延による次の加工硬化がもはや長い必要がない。
【００２３】
クランクピン１０２及び／又はメインジャーナル１０１の支持面１０８、１１０は誘導焼き鈍しされるか、或いは硬質材料により被覆され、それにより支持面の磨減抵抗が改良され得る。
【００２４】
クランク軸１００に位置されたコンロッド２００の大きな端部２０１及びエンジンブロック軸受は、クランクピン１０２或いはメインジャーナル１０１の輪郭に適合される支持面２０２から成る。この発明による支持面１０８、１１０の凹状曲率がクランクピン或いはメインジャーナルの支持面１０８とコンロッド２００の大きな端部２０１或いはエンジンブロック軸受の結合支持面２０２との間の油潤滑に有益である。油潤滑を改良させる効果が図６ａと図６ｂに例示されている。
【００２５】
クランク駆動装置が作動される時に、クランク軸１００が慣性とガス荷重効果により引張圧縮強度の下で加工する。引張圧縮力の下では、クランクピン１０２とその上に据え付けられた大きな端部２０１が弾性的に変形され、それで数マイクロメータの小さい隙間が図６ａと図６ｂに例示された領域ＡとＢにおいて開閉される。コンロッドのスロー（落差）が引張下にあるときに、領域Ａは噴霧油が冷却されてピストンピン領域を潤滑した後にピストンからしたたる油を捕えて、その間に領域Ｂは連結ロッド用のガイドとして、さらに、捕捉油をクランクピン１０２の中心まで供給するよう加工する。図６ｂには、スロー（落差）が圧縮下にあるときに領域Ａはコンロッド用のガイドとして、さらにクランクピン１０２の中心まで供給するよう加工する。
【００２６】
クランクピン１０２’とメインジャーナル１０１’の円筒状デザインにより、従って大きな端部或いはエンジンブロック軸受の円筒状孔により、図４と図５に示された先行技術により実現されるので、この油ポンプ効果が達成されない。それ故に、クランク軸とコンロッド／エンジンブロック軸受の間の支持面１０８、１１０の潤滑が十分にこの発明により改良され、磨滅が減少される。
【符号の説明】
【００２７】
１００．．．．クランク軸
１０２．．．．クランクピン
１０３．．．．ウエブ
１０５、１０６．．．中空部分
１０８、１１０、２０２．．．支持面
２００．．．．コンロッド
２０１．．．．大きな端部
【図１】
0005602011.tif 000002
【図２】
0005602011.tif 000003
【図３】
0005602011.tif 000004
【図４】
0005602011.tif 000005
【図５】
0005602011.tif 000006
【図６ａ】
0005602011.tif 000007
【図６ｂ】
0005602011.tif 000008