(57)【要約】【課題】低コスト化及び小型化に有利であり、疲労強度を向上させることができるクランクシャフトを提供する。【解決手段】本発明は、内燃機関に備えられるクランクシャフト１であって、クランクアーム３からクランクピン４にかけて形成されるクランクピンフィレット部５を有し、クランクピンフィレット部５の外周面６は、第１の曲率Ｒ１からなるクランクピン４側の第１凹曲面６ａと、第２の曲率Ｒ２からなるクランクアーム３側の第２凹曲面６ｂと、から構成され、第１の曲率Ｒ１、第２の曲率Ｒ２、及びクランクピンの延在方向におけるクランクピンフィレット部５の長さＬは、所定の関係を満たす。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に備えられるクランクシャフトであって、
クランクアームからクランクピンにかけて形成されるクランクピンフィレット部を有し、
前記クランクピンフィレット部の外周面は、第１の曲率Ｒ１からなる前記クランクピン側の第１凹曲面と、第２の曲率Ｒ２からなる前記クランクアーム側の第２凹曲面と、から構成され、
前記第１の曲率Ｒ１、前記第２の曲率Ｒ２、及び前記クランクピンの延在方向における前記クランクピンフィレット部の長さＬは、次の式（１），（２）又は式（３），（４）又は式（５），（６）の何れかを満たすことを特徴とするクランクシャフト。
０．１≦Ｒ１／Ｌ≦０．２５・・・（１）
１．１３≦Ｒ２／Ｌ≦１．１８・・・（２）
０．２５＜Ｒ１／Ｌ≦０．６５・・・（３）
１．１４≦Ｒ２／Ｌ≦１．２３・・・（４）
０．６５＜Ｒ１／Ｌ≦０．７５・・・（５）
１．１１≦Ｒ２／Ｌ≦１．２・・・（６）
【請求項２】
前記第１の曲率Ｒ１、前記第２の曲率Ｒ２、及び前記クランクピンフィレット部の長さＬは、前記式（３），（４）を満たすことを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフト。
【請求項３】
前記第１の曲率Ｒ１、前記第２の曲率Ｒ２、及び前記クランクピンフィレット部の長さＬは、上記式（３）及び次の式（７）を満たすことを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフト。
１．１７≦Ｒ２／Ｌ≦１．２・・・（７）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に備えられるクランクシャフトに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関に備えられるクランクシャフトに関する技術文献として、特開昭６２−７５１１８号公報が知られている。この公報には、クランクジャーナルに接続されたクランクアームと、該クランクアームの端面に突設されるクランクピンと、を備え、クランクアームの端面とクランクピンの外周面の間の環状フィレット部の凹曲面を、クランクアーム側の第１曲面とクランクピン側の第２曲面により構成したものが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−７５１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、内燃機関において燃費改善のために筒内圧の高圧化を図る場合やフリクション低減のためクランクピン径の細軸化を図る場合、クランクシャフトが強度不足となるおそれがある。
【０００５】
対策としては、クランクピンフィレット部の曲率Ｒを大きくすることにより応力低減（疲労強度向上）を図ることができるが、クランクピンと連結するコネクティングロッドのメタル幅を狭くする必要があり、高筒内圧時にメタル面圧が高くなり焼付きや摩耗量の増大などの不具合の要因になる。これを回避するためにはクランクピンを長くする必要があるが、そうするとクランクシャフトの全長が長くなり、エンジンの前後幅も長くなってしまう。
【０００６】
このクランクシャフトの全長を抑えるためにクランクアームの幅を小さくすることも考えられるが、この場合には再び強度不足を招くおそれがある。また、クランクアームにバランスウェイトを付けている場合には、クランクアームの狭幅化により回転バランスが取りにくくなるという問題もある。クランクピン及びクランクジャーナルの大径化も応力低減に有効だが、これもエンジンの大型化を招く上にフリクションロスが増大する結果となる。
【０００７】
形状を伴わない対策としては、高強度材の採用、研削時の送り速度低減などがあるが、これらはコスト増を伴う。なお、研削時の送り速度低減は、加工時の熱によりクランクシャフトの圧縮残留応力が開放されることを抑制する対策である。しかしながら、研削時の送り速度を遅くすると、製品の製造効率が低下するため、一定時間で多数の製品を製造しなければならない場合には、加工ラインを増やすなどの設備投資が必要となりコスト増を招く。
【０００８】
そこで、本発明は、低コスト化及びエンジン小型化に有利であり、疲労強度を向上させることができるクランクシャフト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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は、内燃機関に備えられるクランクシャフトであって、クランクアームからクランクピンにかけて形成されるクランクピンフィレット部を有し、クランクピンフィレット部の外周面は、第１の曲率Ｒ１からなるクランクピン側の第１凹曲面と、第２の曲率Ｒ２からなるクランクアーム側の第２凹曲面と、から構成され、第１の曲率Ｒ１、第２の曲率Ｒ２、及びクランクピンの延在方向におけるクランクピンフィレット部の長さＬは、次の式（１），（２）又は式（３），（４）又は式（５），（６）の何れかを満たすことを特徴とする。
０．１≦Ｒ１／Ｌ≦０．２５・・・（１）
１．１３≦Ｒ２／Ｌ≦１．１８・・・（２）
０．２５＜Ｒ１／Ｌ≦０．６５・・・（３）
１．１４≦Ｒ２／Ｌ≦１．２３・・・（４）
０．６５＜Ｒ１／Ｌ≦０．７５・・・（５）
１．１１≦Ｒ２／Ｌ≦１．２・・・（６）
【００１０】
本発明に係るクランクシャフトによれば、クランクピンフィレット部の外周面がクランクピン側の第１凹曲面とクランクアーム側の第２凹曲面とから構成され、応力集中の起こりやすいクランクアーム側に曲率のより大きい第２凹曲面が形成されるので、第２凹曲面において応力集中を緩和することができる。また、このクランクシャフトによれば、曲率Ｒ１、曲率Ｒ２、及びクランクピンの延在方向におけるクランクピンフィレット部の長さＬが式（１），（２）又は式（３），（４）又は式（５），（６）の何れかを満たすので、曲率一定の場合と比べて効果的な応力緩和を実現することができ、クランクシャフトの疲労強度を向上させることができる。しかも、このクランクシャフトによれば、大径化や全長を長くすることなく疲労強度の向上を達成できるので、低コスト化及びエンジンの小型化に有利である。
【００１１】
また、本発明に係るクランクシャフトにおいて、第１の曲率Ｒ１、第２の曲率Ｒ２、及びクランクピンフィレット部の長さＬは、式（３），（４）を満たしてもよい。
この場合、より効果的なクランクシャフトの疲労強度の向上を達成することができる。
【００１２】
更に、第１の曲率Ｒ１、第２の曲率Ｒ２、及びクランクピンフィレット部の長さＬは、上記式（３）及び次の式（７）を満たしてもよい。
１．１７≦Ｒ２／Ｌ≦１．２・・・（７）
【００１３】
この場合、より一層効果的なクランクシャフトの疲労強度の向上を達成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るクランクシャフトよれば、低コスト化及び小型化に有利であり、疲労強度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るクランクシャフトの一実施形態を示す拡大図である。
【図２】クランクピンフィレット部を示す拡大図である。
【図３】Ｒ１／Ｌが０．１４３、０．１６７、０．２の場合における応力比とＲ２／Ｌの関係を示すグラフである。
【図４】Ｒ１／Ｌが０．４、０．６の場合における応力比とＲ２／Ｌの関係を示すグラフである。
【図５】Ｒ１／Ｌが０．３３３、０．５の場合における応力比とＲ２／Ｌの関係を示すグラフである。
【図６】Ｒ１／Ｌが０．２８６、０．４２９、０．５７１の場合における応力比とＲ２／Ｌの関係を示すグラフである。
【図７】Ｒ１／Ｌが０．６６７の場合における応力比とＲ２／Ｌの関係を示すグラフである。
【図８】Ｒ１／Ｌが０．７１４の場合における応力比とＲ２／Ｌの関係を示すグラフである。
【図９】Ｒ１／Ｌが０．８の場合における応力比とＲ２／Ｌの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１に示すクランクシャフト１は、例えば車両のレシプロエンジンに備えられ、ピストンの往復運動を回転力に変えるための部品である。クランクシャフト１は、クランクジャーナル２、クランクアーム３、及びクランクピン４を有している。
【００１８】
クランクジャーナル２は、クランクシャフト１の主軸となる部位である。クランクジャーナル２は、回転軸ＣＬに沿って延在する円柱状の部位であり、クランクシャフト１上で複数に分かれて設けられている。各クランクジャーナル２は、エンジンの各シリンダ間とシリンダブロックの両端に位置しており、シリンダブロックの両端に位置するクランクジャーナル２は、エンジンに対して回転自在に支持されている。
【００１９】
各クランクジャーナル２の間には、クランクアーム３及びクランクピン４が設けられている。クランクアーム３は、クランクピン４を挟み込むように形成された略板状の部位である。クランクアーム３は、クランクジャーナル２の端面から回転軸ＣＬに直交する方向に突出しており、回転軸ＣＬから外れた位置でクランクピン４を支持している。なお、クランクアーム３には回転バランスを取るためのバランスウェイトを取り付けてもよい。
【００２０】
クランクピン４は、ピストンから伸びるコネクティングロッドが接続される円柱状の部位である。クランクピン４は、一対のクランクアーム３に挟持されており、回転軸ＣＬと平行に延在している。図１に、クランクピン４の延在軸Ａを示す。
【００２１】
クランクピン４はコネクティングロッドの大端部の貫通穴に挿通され、これによりコネクティングロッドがクランクシャフト１に対して回転自在に接続される。なお、コネクティングロッドの貫通孔の内側には、クランクピン４との摺動による摩擦増化や焼付きを防ぐための環状のメタル部が設けられる。クランクピン４及び一対のクランクアーム３は、エンジンのピストン数に応じて複数設けられている。
【００２２】
クランクアーム３の端面とクランクピン４の外周面の間には、環状のクランクピンフィレット部５が形成されている。クランクピンフィレット部５は、クランクアーム３からクランクピン４にかけて形成され、クランクピン４を囲む環状をなしている。
【００２３】
図２は、クランクピンフィレット部５を示す拡大図である。図２に示されるように、クランクピンフィレット部５の外周面６は、第１凹曲面６ａ及び第２凹曲面６ｂから構成されている。外周面６は、曲率の異なる第１凹曲面６ａ及び第２凹曲面６ｂから構成された複合Ｒを有する凹曲面である。
【００２４】
図２に、外周面６のクランクピン４側の始点Ｐ１、第１凹曲面６ａ及び第２凹曲面６ｂを分ける中間点Ｐ２、及びクランクアーム３側の終点Ｐ３を示す。また、クランクピン４の延在方向（延在軸Ａの延在方向）におけるクランクピンフィレット部５の長さをＬとして示す。更に、第１凹曲面６ａの曲率中心をＣ１、第２凹曲面６ｂの曲率中心をＣ２として示す。
【００２５】
第１凹曲面６ａは、第１の曲率Ｒ１からなる凹曲面であり、クランクピン４側に位置している。具体的には、第１凹曲面６ａは、外周面６のうち始点Ｐ１と中間点Ｐ２の間の部位である。第１凹曲面６ａの第１の曲率Ｒ１は、第２凹曲面６ｂの第２の曲率Ｒ２よりも小さい。
【００２６】
第２凹曲面６ｂは、第２の曲率Ｒ２からなる凹曲面であり、外周面６のうちクランクアーム３側に位置している。第２凹曲面６ｂは、外周面６のうち中間点Ｐ２と終点Ｐ３の間の部位である。第２凹曲面６ｂの第２の曲率Ｒ２は、第１凹曲面６ａの第１の曲率Ｒ１よりも大きい。なお、第１の曲率Ｒ１及び第２の曲率Ｒ２は、延在軸Ａに直交する方向から見た場合の曲率である。
【００２７】
次に、第１の曲率Ｒ１、第２の曲率Ｒ２、クランクピンフィレット部５の長さＬの関係について説明する。本発明における第１の曲率Ｒ１、第２の曲率Ｒ２、クランクピンフィレット部５の長さＬは、次の式（１），（２）又は式（３），（４）又は式（５），（６）を満たしている。
０．１≦Ｒ１／Ｌ≦０．２５・・・（１）
１．１３≦Ｒ２／Ｌ≦１．１８・・・（２）
０．２５＜Ｒ１／Ｌ≦０．６５・・・（３）
１．１４≦Ｒ２／Ｌ≦１．２３・・・（４）
０．６５＜Ｒ１／Ｌ≦０．７５・・・（５）
１．１１≦Ｒ２／Ｌ≦１．２・・・（６）
【００２８】
また、特に式（３），（４）を満たすことが好ましい。更には、上記式（３）と次の式（７）を満たすことがより好ましい。
１．１７≦Ｒ２／Ｌ≦１．２・・・（７）
【００２９】
続いて、図３〜図９を参照して、第１の曲率Ｒ１、第２の曲率Ｒ２、クランクピンフィレット部５の長さＬの好適な関係について説明する。以下、クランクピンフィレット部５の長さＬとクランクピン４の直径Ｄとの比Ｌ／Ｄが０．０３〜０．０５程度であることを前提として説明する。
【００３０】
図３は、Ｒ１／Ｌが０．１４３、０．１６７、０．２の場合における応力比とＲ２／Ｌの関係を示すグラフである。図３の横軸はＲ２／Ｌ、縦軸は応力比を示している。図３は、ＦＭＥ［Finite Element Method：有限要素法］の解析結果を示している。Ｌは、Ｒ１／Ｌが０．１４３のとき３．５ｍｍ、０．１６７のとき３．０ｍｍ、０．２のとき２．５ｍｍとなっている。
【００３１】
この場合の応力比は、所定の加重をクランクピンに加えた場合において、本実施形態に係る複合Ｒのクランクピンフィレット部５に生じる応力と、単一の曲率からなる従来のクランクピンフィレット部に生じる応力の比を意味する。なお、従来のクランクピンフィレット部の単一の曲率は、クランクピンフィレット部の長さＬが曲率半径と等しい曲率とする。
【００３２】
図３に示されるように、Ｒ１／Ｌが０．１４３、０．１６７、０．２の場合には、１．１３≦Ｒ２／Ｌ≦１．１８の範囲で適切な応力低減効果が得られた。この範囲では応力比が０．９５を下回っている。
【００３３】
図４は、Ｒ１／Ｌが０．４，０．６の場合における応力比とＲ２／Ｌの関係を示すグラフである。図４は、Ｌが３．０ｍｍの場合におけるＦＭＥの解析結果を示している。
【００３４】
図４に示されるように、Ｒ１／Ｌが０．４又は０．６の場合には、１．１４≦Ｒ２／Ｌ≦１．２３の範囲において、応力比が０．９５を下回っており、特に有効である。
【００３５】
図５は、Ｒ１／Ｌが０．３３３，０．５の場合における応力比とＲ２／Ｌの関係を示すグラフである。図５は、Ｌが３．０ｍｍの場合におけるＦＭＥの解析結果を示している。
【００３６】
図５に示されるように、Ｒ１／Ｌが０．４又は０．６の場合においても、１．１４≦Ｒ２／Ｌ≦１．２３の範囲で適切な応力低減効果が得られた。この範囲では、応力比が０．９５を下回っており有効である。
【００３７】
図６は、Ｒ１／Ｌが０．２８６，０．４２９，０．５７１の場合における応力比とＲ２／Ｌの関係を示すグラフである。図６は、Ｌが３．５ｍｍの場合におけるＦＭＥの解析結果を示している。
【００３８】
図６に示されるように、Ｒ１／Ｌが０．２８６，０．４２９，０．５７１の場合においても、１．１４≦Ｒ２／Ｌ≦１．２３の範囲で適切な応力低減効果が得られた。また、図４〜図６に示す場合においては、１．１７≦Ｒ２／Ｌ≦１．２の範囲で応力比が０．９３５以下を下回っており更に有効である。
【００３９】
図７は、Ｒ１／Ｌが０．６６７の場合における応力比とＲ２／Ｌの関係を示すグラフである。図７は、Ｌが３．０ｍｍの場合におけるＦＭＥの解析結果を示している。
【００４０】
図７に示されるように、Ｒ１／Ｌが０．６６７の場合には、１．１１≦Ｒ２／Ｌ≦１．２の範囲で適切な応力低減効果が得られた。この範囲では、応力比が０．９５を下回っている。
【００４１】
図８は、Ｒ１／Ｌが０．７１４の場合における応力比とＲ２／Ｌの関係を示すグラフである。図８は、Ｌが３．５ｍｍの場合におけるＦＭＥの解析結果を示している。
【００４２】
図８に示されるように、Ｒ１／Ｌが０．７１４の場合においても、１．１１≦Ｒ２／Ｌ≦１．２の範囲で適切な応力低減効果が得られた。この範囲では、応力比が０．９５を下回っている。
【００４３】
図９は、Ｒ１／Ｌが０．８の場合における応力比とＲ２／Ｌの関係を示すグラフである。図９は、Ｌが２．５ｍｍの場合におけるＦＭＥの解析結果を示している。
【００４４】
図９に示されるように、Ｒ１／Ｌが０．８を超えると、応力比が０．９５を上回り、応力低減効果が限定的になる結果となった。
【００４５】
以上説明した本実施形態に係るクランクシャフト１によれば、クランクピンフィレット部５の外周面６がクランクピン４側の第１凹曲面６ａとクランクアーム３側の第２凹曲面６ｂとから構成され、応力集中の起こりやすいクランクアーム３側に曲率のより大きい第２凹曲面６ｂが形成されるので、第２凹曲面６ｂにおいて応力集中を緩和することができる。
【００４６】
しかも、このクランクシャフト１によれば、第１の曲率Ｒ１、第２の曲率Ｒ２、及びクランクピンフィレット部５の長さＬが式（１），（２）又は式（３），（４）及び（５），（６）の何れかを満たすので、図４〜図９から明らかなように、曲率一定の場合と比べて効果的な応力緩和を実現することができ、クランクシャフト１の疲労強度を向上させることができる。また、このクランクシャフト１によれば、大径化や全長を長くすることなく疲労強度の向上を達成できるので、低コスト化及びエンジンの小型化に有利である。
【００４７】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明に係るクランクシャフトは、車載用の内燃機関以外にも、船舶などの内燃機関や定地用の内燃機関に備えることができる。図１に示すクランクシャフトの形状及び図２に示すクランクピンフィレット部の形状は一例であり、図示したものに限られない。また、本発明に係るクランクピンフィレット部の形状をジャーナルフィレット部（クランクジャーナルの外周面からクランクアームに向かって形成されるフィレット）に適用してもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１…クランクシャフト  ２…クランクジャーナル  ３…クランクアーム  ４…クランクピン  ５…クランクピンフィレット部  ６…外周面  ６ａ…第１凹曲面  ６ｂ…第２凹曲面  Ａ…延在軸  ＣＬ…回転軸  Ｐ１…始点  Ｐ２…中間点  Ｐ３…終点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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