(57)【要約】  クランク軸は、回転中心軸となるジャーナル部（Ｊ）と、このジャーナル部（Ｊ）に対して偏心したピン部（Ｐ）と、ジャーナル部（Ｊ）とピン部（Ｐ）をつなぐ複数のクランクアーム部（Ａ）と、を備える。複数のクランクアーム部（Ａ）はカウンターウエイト部（Ｗ）を一体で有する。アーム部（Ａ）のピン部（Ｐ）側の表面に肉抜き部（１０）を備える。肉抜き部（１０）の２つの側部のそれぞれに、アーム部（Ａ）の輪郭に沿ってリブ部（１１）が設けられる。
2016199711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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複数のクランクアーム部と、を備え、レシプロエンジンに搭載されるクランク軸であって、
前記複数のクランクアーム部の全部又は一部はカウンターウエイト部を一体で有し、
前記カウンターウエイト部を有する前記複数のクランクアーム部のうちの全部又は一部は、前記クランクアーム部の前記ピン部側の表面に肉抜き部を備え、
前記肉抜き部の２つの側部のうちの少なくとも一方に、前記クランクアーム部の輪郭に沿ってリブ部が設けられた、レシプロエンジンのクランク軸。
【請求項２】
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、
前記リブ部が前記肉抜き部の前記２つの側部のそれぞれに設けられる、レシプロエンジンのクランク軸。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のレシプロエンジンのクランク軸であって、
前記リブ部は、前記肉抜き部の前記ピン部側の端から、前記クランク軸の回転中心よりも前記カウンターウエイト部寄りの位置まで延び、
前記クランクアーム部を側面から見たとき、前記リブ部の前記カウンターウエイト部側の端部は、前記ジャーナル部の軸心の位置から、前記ジャーナル部の外周と前記クランクアーム部との交点のうちで前記カウンターウエイト部に最も近い点の位置までの範囲に存在する、レシプロエンジンのクランク軸。
【請求項４】
請求項３に記載のレシプロエンジンのクランク軸であって、
前記クランクアーム部を側面から見たとき、前記リブ部の頂面は、前記ピン部の外周と前記クランクアーム部との交点のうちで前記カウンターウエイト部に最も近い点と、前記ジャーナル部の外周と前記クランクアーム部との交点のうちで前記カウンターウエイト部に最も近い点と、を結ぶ直線と平行である、レシプロエンジンのクランク軸。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用エンジン、船舶用エンジン、発電機等の汎用エンジンといったレシプロエンジンに搭載されるクランク軸に関する。
【背景技術】
【０００２】
レシプロエンジンは、シリンダ（気筒）内でのピストンの往復運動を回転運動に変換して動力を取り出すため、クランク軸を必要とする。クランク軸は、型鍛造によって製造されるものと、鋳造によって製造されるものとに大別される。特に、気筒数が２以上の多気筒エンジンには、強度と剛性に優位な前者の型鍛造クランク軸が多用される。【０００３】
図１及び図２は、一般的な多気筒エンジン用クランク軸の一例を模式的に示す側面図である。図１及び図２に示すクランク軸１は、４気筒エンジンに搭載されるものであり、５つのジャーナル部Ｊ１〜Ｊ５、４つのピン部Ｐ１〜Ｐ４、フロント部Ｆｒ、フランジ部Ｆｌ、及びジャーナル部Ｊ１〜Ｊ５とピン部Ｐ１〜Ｐ４をそれぞれつなぐ８枚のクランクアーム部（以下、単に「アーム部」ともいう）Ａ１〜Ａ８を備える。【０００４】
図１に示すクランク軸１は、８枚の全てのアーム部Ａ１〜Ａ８にカウンターウエイト部（以下、単に「ウエイト部」ともいう）Ｗ１〜Ｗ８を一体で有する。このクランク軸１は４気筒−８枚カウンターウエイトのクランク軸と称される。【０００５】
以下では、ジャーナル部Ｊ１〜Ｊ５、ピン部Ｐ１〜Ｐ４、アーム部Ａ１〜Ａ８及びウエイト部Ｗ１〜Ｗ８のそれぞれを総称するとき、その符号は、ジャーナル部で「Ｊ」、ピン部で「Ｐ」、アーム部で「Ａ」、ウエイト部で「Ｗ」とも記す。ピン部Ｐ及びこのピン部Ｐにつながる一組のアーム部Ａ（ウエイト部Ｗを含む）をまとめて「スロー」ともいう。【０００６】
図２に示すクランク軸１は、８枚のアーム部Ａ１〜Ａ８のうち、先頭の第１アーム部Ａ１、最後尾の第８アーム部Ａ８、及び中央の２枚のアーム部Ａ（第４アーム部Ａ４、第５アーム部Ａ５）に、ウエイト部Ｗを一体で有する。残りの第２、３、６及び７アーム部Ａ２、Ａ３、Ａ６及びＡ７は、ウエイト部を有しない。このクランク軸１は４気筒−４枚カウンターウエイトのクランク軸と称される。【０００７】
ジャーナル部Ｊ、フロント部Ｆｒ及びフランジ部Ｆｌは、クランク軸１の回転中心と同軸上に配置される。ピン部Ｐは、クランク軸１の回転中心からピストンストロークの半分の距離だけ偏心して配置される。ジャーナル部Ｊは、すべり軸受けによってエンジンブロックに支持され、回転中心軸となる。ピン部Ｐには、すべり軸受けによってコネクティングロッド（以下、「コンロッド」ともいう）の大端部が連結され、このコンロッドの小端部にピストンが連結される。フロント部Ｆｒは、クランク軸１の前端部である。フロント部Ｆｒには、タイミングベルト、ファンベルト等を駆動するためのダンパプーリ２が取り付けられる。フランジ部Ｆｌは、クランク軸１の後端部である。フランジ部Ｆｌには、フライホイール３が取り付けられる。【０００８】
エンジンにおいて、各シリンダ内で燃料が爆発する。その爆発による燃焼圧は、ピストン及びコンロッドを介してクランク軸１のピン部Ｐに作用する。その際、エンジンブロックに固定された軸受けによってジャーナル部Ｊが支持されている。そのため、ピン部Ｐとジャーナル部Ｊをつなぐアーム部Ａは、曲げ荷重及びねじり荷重を受ける。これにより、クランク軸１は、各種の荷重に応じた弾性変形を繰り返しながら回転する。【０００９】
クランク軸１の弾性変形が大きいと、ジャーナル部Ｊを支持する軸受け内で油膜厚さが大きく変化する。これにより、軸受けで焼き付きが起こるかもしれない。更に、ジャーナル部の回転を阻害する抵抗が上昇し、燃費性能が悪化するかもしれない。そのため、クランク軸１の弾性変形は小さい方がよい。【００１０】
ここで、クランク軸１の弾性変形の大きさは、クランク軸１（特にアーム部Ａ）の剛性によって決まる。弾性変形は小さい方がよいため、剛性は高い方がよい。ただし、一般には、クランク軸１の剛性を高めると、クランク軸１の重量が増加する。【００１１】
クランク軸１のアーム部Ａの剛性を高めることと軽量化を図ることは、トレードオフの関係にある。両者の要請を同時に達成するために、従来からアーム部形状に関する技術が様々提案されている。従来技術としては下記のものがある。【００１２】
特開２０１０−２５５８３４号公報（特許文献１）は、アーム部のピン部側の表面に肉抜き部を備えたクランク軸を開示する。図３Ａ及び図３Ｂは、特許文献１に開示された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。これらの図のうち、図３Ａは側面図を示し、図３Ｂはピン部側からの軸方向視での正面図を示す。肉抜き部１０は、アーム部Ａの幅方向の全域にわたり設けられる。【００１３】
特開２０００−３２０５３１号公報（特許文献２）は、アーム部の肉抜き部に補強リブ部を備えたクランク軸を開示する。補強リブ部は、ジャーナル部Ｊの軸心Ｊｃとピン部Ｐの軸心Ｐｃとを結ぶ直線Ａｃ（以下、「アーム部中心線」ともいう）上に設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１０−２５５８３４号公報
【特許文献２】特開２０００−３２０５３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
前記特許文献１に開示された技術によれば、アーム部の剛性を維持しつつ、肉抜き部によってクランク軸の軽量化を実現できる。しかし、剛性の向上は望めない。一方、前記特許文献２に開示された技術によれば、肉抜き部によってクランク軸の軽量化を実現できる上、アーム部中心線上のリブ部によって曲げ剛性の向上を期待できる。しかし、ねじり剛性の向上は望めない。【００１６】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、軽量化とともに、曲げ剛性及びねじり剛性の向上を実現できるレシプロエンジンのクランク軸を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の実施形態によるレシプロエンジンのクランク軸は、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、ジャーナル部とピン部をつなぐ複数のクランクアーム部と、を備える。複数のクランクアーム部の全部又は一部はカウンターウエイト部を一体で有する。カウンターウエイト部を有する複数のクランクアーム部のうちの全部又は一部のピン部側の表面に肉抜き部を備える。肉抜き部の２つの側部のうちの少なくとも一方に、クランクアーム部の輪郭に沿ってリブ部が設けられる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、カウンターウエイト部を有するクランクアーム部のピン部側の表面に肉抜き部が設けられ、この肉抜き部の２つの側部のうちの少なくとも一方にリブ部が設けられる。そのため、アーム部の側部がリブ部によって厚肉化され、その側部の内側の領域が肉抜き部によって薄肉化される。その結果、クランク軸の軽量化とともに、曲げ剛性及びねじり剛性の向上を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、一般的な多気筒エンジン用クランク軸の一例を模式的に示す側面図である。
【図２】図２は、一般的な多気筒エンジン用クランク軸の他の一例を模式的に示す側面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、特許文献１に開示された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って、側面図を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、特許文献１に開示された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って、ピン部側からの軸方向視での正面図を示す。
【図４】図４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５Ａ】図５Ａ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って、１スローの側面図を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂ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って、１スローの軸方向視での正面図を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、アーム部を単純な円板とみなした場合の典型例を示す図であって、矩形断面円板を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、アーム部を単純な円板とみなした場合の典型例を示す図であって、凸型断面円板を示す。
【図６Ｃ】図６Ｃは、アーム部を単純な円板とみなした場合の典型例を示す図であって、凹型断面円板を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、アーム部の断面形状を単純化しアーム部を単純な梁とみなした場合の典型例を示す図であって、矩形断面梁を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、アーム部の断面形状を単純化しアーム部を単純な梁とみなした場合の典型例を示す図であって、凸型断面梁を示す。
【図７Ｃ】図７Ｃは、アーム部の断面形状を単純化しアーム部を単純な梁とみなした場合の典型例を示す図であって、凹型断面梁を示す。
【図８】図８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９Ａ】図９Ａ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って、側面図を示す。
【図９Ｂ】図９Ｂ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って、ピン部側からの軸方向視での正面図を示す。
【図９Ｃ】図９Ｃは、図９ＢのIXＣ−IXＣ断面図を示す。
【図９Ｄ】図９Ｄは、図９ＢのIXＤ−IXＤ断面図を示す。
【図９Ｅ】図９Ｅは、図９ＢのIXＥ−IXＥ断面図を示す。
【図１０Ａ】図１０Ａ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って、側面図を示す。
【図１０Ｂ】図１０Ｂ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って、ピン部側からの軸方向視での正面図を示す。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、図１０ＢのXＣ−XＣ断面図を示す。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、図１０ＢのXＤ−XＤ断面図を示す。
【図１０Ｅ】図１０Ｅは、図１０ＢのXＥ−XＥ断面図を示す。
【図１１Ａ】図１１Ａ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って、側面図を示す。
【図１１Ｂ】図１１Ｂ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って、ピン部側からの軸方向視での正面図を示す。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、図１１ＢのXIＣ−XIＣ断面図を示す。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、図１１ＢのXIＤ−XIＤ断面図を示す。
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、図１１ＢのXIＥ−XIＥ断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明のレシプロエンジンのクランク軸について、その実施形態を詳述する。
【００２１】
本発明の実施形態によるクランク軸は、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、ジャーナル部とピン部をつなぐ複数のクランクアーム部と、を備える。複数のクランクアーム部の全部又は一部はカウンターウエイト部を一体で有する。カウンターウエイト部を有する複数のクランクアーム部のうちの全部又は一部のピン部側の表面に肉抜き部を備える。肉抜き部の２つの側部のうちの少なくとも一方に、アーム部の輪郭に沿ってリブ部が設けられる。
【００２２】
本実施形態によれば、カウンターウエイト部を有するクランクアーム部のピン部側の表面に肉抜き部が設けられ、この肉抜き部の２つの側部のうちの少なくとも一方にリブ部が設けられる。そのため、アーム部の側部がリブ部によって厚肉化され、その側部の内側の領域が肉抜き部によって薄肉化される。その結果、クランク軸の軽量化とともに、曲げ剛性及びねじり剛性の向上を実現できる。
【００２３】
上記のクランク軸において、リブ部が肉抜き部の２つの側部のそれぞれに設けられることが好ましい。この場合、クランク軸の曲げ剛性及びねじり剛性がより向上する。
【００２４】
上記のクランク軸が次の構成を含むことが好ましい。リブ部は、肉抜き部のピン部側の端から、クランク軸の回転中心よりもカウンターウエイト部寄りの位置まで延びる。クランクアーム部を側面から見たとき、リブ部のカウンターウエイト部側の端部は、ジャーナル部の軸心の位置から、ジャーナル部の外周とクランクアーム部との交点のうちでカウンターウエイト部に最も近い点の位置までの範囲に存在する。この場合、リブ部による重量の増加を抑えつつ、曲げ剛性及びねじり剛性の向上を期待できる。
【００２５】
上記のクランク軸が次の構成を含むことが好ましい。クランクアーム部を側面から見たとき、リブ部の頂面は、ピン部の外周とクランクアーム部との交点のうちでカウンターウエイト部に最も近い点と、ジャーナル部の外周とクランクアーム部との交点のうちでカウンターウエイト部に最も近い点と、を結ぶ直線と平行である。この場合、高い曲げ剛性を確保しつつ、重量の増加を抑えることができる。
【００２６】
１．クランク軸の設計で考えるべき基本技術
１−１．アーム部の曲げ剛性
図４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４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ているので、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、それとは反対の内側（ピン部Ｐ側）では引張応力が発生する。
【００２７】
ピン部Ｐ及びジャーナル部Ｊの各直径が設計諸元として決定されている場合、アーム部Ａの曲げ剛性は、各スローのアーム部形状に依存する。ウエイト部Ｗは曲げ剛性にほとんど寄与しない。このとき、ピン部Ｐの軸方向中央における燃焼圧負荷方向の変位ｕは、下記の式（１）に示すように、ピン部Ｐに負荷される燃焼圧の荷重Ｆに比例し、曲げ剛性に反比例する関係にある。
ｕ  ∝  Ｆ／（曲げ剛性）  …（１）
【００２８】
１−２．アーム部のねじり剛性
図５Ａ及び図５Ｂ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る。これらの図のうち、図５Ａは１スローの側面図を示し、図５Ｂはその１スローの軸方向視での正面図をそれぞれ示す。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、ねじりトルクＴが発生する。
【００２９】
ピン部Ｐ及びジャーナル部Ｊの各直径が設計諸元として決定されている場合、アーム部Ａのねじり剛性は、各スローのアーム部形状に依存する。ウエイト部Ｗはねじり剛性にほとんど寄与しない。このとき、ジャーナル部Ｊのねじれ角γは、下記の式（２）に示すように、ねじりトルクＴに比例し、ねじり剛性に反比例する関係にある。
γ  ∝  Ｔ／（ねじり剛性）  …（２）
【００３０】
２．本実施形態のクランク軸
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。
【００３１】
２−１−１．ねじり剛性を向上させる形状
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。アーム部Ａについて、重量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。
【００３２】
図６Ａ〜図６Ｃは、材料力学的にねじり剛性の観点からアーム部を単純な円板とみなした場合の典型例を示す図である。これらの図のうち、図６Ａは矩形断面円板を示し、図６Ｂは凸型断面円板を示し、図６Ｃは凹型断面円板を示す。いずれの図でも、上段が斜視図を示し、下段が断面図を示す。図６Ａに示す矩形断面円板、図６Ｂに示す凸型断面円板、及び図６Ｃに示す凹型断面円板の各重量は、同一としている。すなわち、これらの円板は、断面形状が矩形、凸型及び凹型と互いに異なっているが、それらの体積は同一である。
【００３３】
具体的には、図６Ａに示す矩形断面円板の断面形状は、矩形であり、厚みがＨ０で直径がＢ０である。図６Ｂに示す凸型断面円板の断面形状は、中央部が外周部よりも突出した凸型であり、最外周の直径がＢ０である。その中央部は、突出した分の厚みがＨ２で直径がＢ２であり、その外周部は厚みがＨ１である。図６Ｃに示す凹型断面円板の断面形状は、中央部が外周部よりも窪んだ凹型であり、最外周の直径がＢ０である。その中央部は、厚みがＨ１で窪みの深さがＨ３であり、窪みの直径がＢ３である。
【００３４】
これらの円板のねじり剛性の大小関係について、重量を同一とした条件下で調べる。一般に、材料力学の理論によれば、ねじり剛性と極２次モーメントとねじれ角の間には、下記の式（３）〜式（５）で表される関係がある。これらの式の関係より、極２次モーメントを大きくすることが、ねじり剛性の向上に有効である。
【００３５】
ねじり剛性：Ｇ×Ｊ／Ｌ  …（３）
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：軸方向長さ、Ｇ：横弾性率、ｄ：丸棒の半径、Ｔ：ねじりトルクである。
【００３６】
図６Ａ〜図６Ｃに示す３種の円板において、重量が同一という条件は、体積が同一であるという条件を意味する。このため、それらの３種の円板の各寸法パラメータに関して下記の式（６）の関係がある。
（π／４）×Ｂ０×Ｂ０×Ｈ０＝（π／４）×（Ｂ０×Ｂ０×Ｈ１＋Ｂ２×Ｂ２×Ｈ２）＝（π／４）×｛Ｂ０×Ｂ０×（Ｈ１＋Ｈ３）−Ｂ３×Ｂ３×Ｈ３）｝  …（６）
【００３７】
そして、３種の円板それぞれの極２次モーメントは、厚みを考慮して、下記の式（７）〜式（９）で表される。
矩形断面円板の極２次モーメント：
Ｊ（Ａ）＝（π／３２）×Ｈ０×Ｂ０４  …（７）
【００３８】
凸型断面円板の極２次モーメント：
Ｊ（Ｂ）＝（π／３２）×（Ｈ１×Ｂ０４＋Ｈ２×Ｂ２４）  …（８）
【００３９】
凹型断面円板の極２次モーメント：
Ｊ（Ｃ）＝（π／３２）×｛（Ｈ１＋Ｈ３）×Ｂ０４−Ｈ３×Ｂ３４｝  …（９）
【００４０】
これらの式（７）〜（９）から、矩形断面円板の極２次モーメントＪ（Ａ）、凸型断面円板の極２次モーメントＪ（Ｂ）及び凹型断面円板の極２次モーメントＪ（Ｃ）の大小関係は、下記の式（１０）で示すとおりになる。
Ｊ（Ｂ）  ＜  Ｊ（Ａ）  ＜  Ｊ（Ｃ）  …（１０）
【００４１】
この式（１０）が材料力学から理論的に導かれる結論である。この結論は、定性的に言えば、ねじりの中心からの距離が遠いところに多くの部材が配置される断面形状の方が、極２次モーメントが高くなる、という材料力学的な考察から理解できる。
【００４２】
したがって、ねじり荷重に対しては、凹型断面円板が最も好ましい形状であると言える。凸型断面円板、矩形断面円板、及び凹型断面円板の順序で、ねじり剛性が高くなるからである。
【００４３】
２−１−２．曲げ剛性を向上させる形状
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。アーム部Ａについて、重量を維持しつつ曲げ剛性を向上させるには、曲げに対する断面２次モーメントを大きくすることが効率的である。
【００４４】
図７Ａ〜図７Ｃは、材料力学的に曲げ剛性の観点からアーム部の断面形状を単純化しアーム部を単純な梁とみなした場合の典型例を示す図である。これらの図のうち、図７Ａは矩形断面梁を示し、図７Ｂは凸型断面梁を示し、図７Ｃは凹型断面梁を示す。いずれの図でも、上段が斜視図を示し、下段が断面図を示す。図７Ａに示す矩形断面梁、図７Ｂに示す凸型断面梁、及び図７Ｃに示す凹型断面梁の各重量は、同一としている。すなわち、これらの梁は、断面形状が矩形、凸型及び凹型と互いに異なっているが、それらの断面の面積は同一である。
【００４５】
具体的には、図７Ａに示す矩形断面梁の断面形状は、矩形であり、厚みがＨ０で幅がＢ３である。図７Ｂに示す凸型断面梁の断面形状は、中央部が両側部よりも突出した凸型であり、全幅がＢ３である。その中央部は、厚みがＨ２で幅がＢ２であり、その両側部はそれぞれ厚みがＨ１で幅がＢ１／２である。図７Ｃに示す凹型断面梁の断面形状は、中央部が両側部よりも窪んだ凹型であり、全幅がＢ３である。その中央部は、厚みがＨ１で幅がＢ１であり、その両側部はそれぞれ厚みがＨ２で幅がＢ２／２である。
【００４６】
これらの梁の曲げ荷重に対する剛性の大小関係について、重量を同一とした条件下で調べる。一般に、材料力学の理論から、矩形梁の曲げ剛性と断面２次モーメントの関係は下記の式（１１）〜式（１３）で表される。これらの式の関係より、断面２次モーメントを大きくすることが、曲げ剛性を高めることになる。
【００４７】
曲げ剛性：Ｅ×Ｉ  …（１１）
断面２次モーメント：Ｉ＝（１／１２）×ｂ×ｈ３  …（１２）
たわみ変位：ｕ＝ｋ（Ｍ／（Ｅ×Ｉ））  …（１３）
式（１１）〜（１３）中、ｂ：幅、ｈ：厚み、Ｅ：縦弾性率、Ｍ：曲げモーメント、ｋ：形状係数である。
【００４８】
図７Ａ〜図７Ｃに示す３種の梁において、重量が同一という条件は、体積が互いに同一、すなわち断面の面積が互いに同一であるという条件を意味する。このため、それらの３種の梁の各寸法パラメータに関して下記の式（１４）の関係がある。
Ｂ３×Ｈ０＝（Ｈ２×Ｂ２＋Ｂ１×Ｈ１）＝（Ｈ２×Ｂ２＋Ｂ１×Ｈ１）  …（１４）
【００４９】
そして、３種の梁それぞれの断面２次モーメントは、下記の式（１５）〜式（１７）で表される。
矩形断面梁の断面２次モーメント：
Ｉ（Ｄ）＝（１／１２）×Ｂ３×Ｈ０３  …（１５）
【００５０】
凸型断面梁の断面２次モーメント：
Ｉ（Ｅ）＝１／３×（Ｂ３×Ｅ２３−Ｂ１×Ｈ３３  ＋Ｂ２×Ｅ１３）  …（１６）
この式中、
Ｅ２は「（Ｂ２×Ｈ２２＋Ｂ１×Ｈ１２）／｛２×（Ｂ２×Ｈ２＋Ｂ１×Ｈ１）｝」、
Ｅ１は「Ｈ２−Ｅ２」、
Ｈ３は「Ｅ２−Ｈ１」である。
【００５１】
凹型断面梁の断面２次モーメント：
Ｉ（Ｆ）＝１／３×（Ｂ３×Ｅ２３−Ｂ１×Ｈ３３  ＋Ｂ２×Ｅ１３）  …（１７）
この式中、
Ｅ２は「（Ｂ２×Ｈ２２＋Ｂ１×Ｈ１２）／｛２×（Ｂ２×Ｈ２＋Ｂ１×Ｈ１）｝」、
Ｅ１は「Ｈ２−Ｅ２」、
Ｈ３は「Ｅ２−Ｈ１」である。
【００５２】
上記式（１６）と上記式（１７）は形が同じである。これは、重量が同一という条件下では、凸型断面梁の断面２次モーメントＩ（Ｅ）と凹型断面梁の断面２次モーメントＩ（Ｆ）が同じになることを示している。
【００５３】
要するに、矩形断面梁の断面２次モーメントＩ（Ｄ）、凸型断面梁の断面２次モーメントＩ（Ｅ）及び凹型断面梁の断面２次モーメントＩ（Ｆ）の大小関係は、下記の式（１８）で示すとおりになる。
Ｉ（Ｄ）  ＜  Ｉ（Ｅ）  ＝  Ｉ（Ｆ）  …（１８）
【００５４】
この式（１８）が材料力学から理論的に導かれる結論である。この結論は、定性的に言えば、曲げの中立面からの距離が遠いところに、多くの部材が配置される断面形状の方が、断面２次モーメントが高くなる、という材料力学的な考察から理解できる。
【００５５】
したがって、曲げ荷重に対しては、凸型断面梁又は凹型断面梁が好ましい形状であると言える。アーム部の一部が厚肉化された凸型断面梁と凹型断面梁は同等の曲げ剛性を有し、それらの曲げ剛性は矩形断面梁の曲げ剛性よりも高いからである。
【００５６】
２−１−３．曲げ剛性とねじり剛性を向上させる形状のまとめ
図８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８では、前記図６Ａ〜図６Ｃ及び図７Ａ〜図７Ｃ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」とした比率で表示している。
【００５７】
図８に示す結果から、アーム部の曲げ剛性とねじり剛性を向上させるための有効な手段として、アーム部の厚みを厚肉化することが効率的であると言える。とりわけ、断面形状が凹型であれば曲げ剛性及びねじり剛性が向上すると言える。
【００５８】
２−２．本実施形態のクランク軸の概要
本実施形態によるクランク軸は、アーム部のピン部側の表面に肉抜き部を備える。肉抜き部を備えるアーム部は、ウエイト部を有する複数のアーム部のうちの全部であってもよいし、一部であってもよい。更に、肉抜き部のアーム部中心線上ではなく、肉抜き部の２つの側部に、それぞれリブ部を備える。これにより、アーム部は、２つの側部がリブ部によって厚肉化され、その内側の領域が肉抜き部によって薄肉化される。このようなアーム部の断面形状は凹型となる。したがって、本実施形態によるクランク軸によれば、軽量化とともに、曲げ剛性及びねじり剛性の向上を実現できる。
【００５９】
本実施形態によるクランク軸は、肉抜き部の２つの側部のうちの一方にリブ部を備えてもよい。これにより、アーム部は、１つの側部がリブ部によって厚肉化される。このような場合であっても、軽量化とともに、曲げ剛性及びねじり剛性の向上を実現できる。ただし、曲げ剛性及びねじり剛性の向上をより効果的に得るためには、肉抜き部の２つの側部にそれぞれリブ部を備えることが好ましい。
【００６０】
２−３．具体例
［第１実施形態］
図９Ａ〜図９Ｅ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。これらの図のうち、図９Ａは側面図を示し、図９Ｂはピン部側からの軸方向視での正面図を示す。図９Ｃは図９ＢのIXＣ−IXＣ断面図を示し、図９Ｄは図９ＢのIXＤ−IXＤ断面図を示し、図９Ｅは図９ＢのIXＥ−IXＥ断面図を示す。図９Ｂ及び図９ＣのIXＣ−IXＣ断面は、ジャーナル部Ｊの軸心Ｊｃとピン部Ｐの軸心Ｐｃとを結ぶアーム部中心線Ａｃに垂直な断面であって、クランク軸の回転中心（ジャーナル部Ｊの軸心Ｊｃ）を通る断面である。図９Ｂ及び図９ＤのIXＤ−IXＤ断面は、IXＣ−IXＣ断面と平行でクランク軸の回転中心よりもピン部Ｐ寄りの断面である。図９Ｂ及び図９ＥのIXＥ−IXＥ断面は、IXＣ−IXＣ断面と平行でクランク軸の回転中心よりもウエイト部Ｗ寄りの断面である。第１実施形態のクランク軸は、４気筒−８枚カウンターウエイトのクランク軸であってもよいし、４気筒−４枚カウンターウエイトのクランク軸であってもよい。
【００６１】
図９Ａ〜図９Ｅに示すように、第１実施形態では、ウエイト部Ｗを有するアーム部Ａのピン部Ｐ側の表面に、アーム部Ａの幅方向（アーム部中心線Ａｃに垂直な方向）の全域にわたり肉抜き部１０が設けられる。ただし、その肉抜き部１０の幅方向の２つの側部のそれぞれには、アーム部Ａの輪郭に沿ってリブ部１１が設けられる。肉抜き部１０のウエイト部Ｗ側の端部の領域はアーム部Ａの側部まで広がっており、この領域にはリブ部１１が延びていない（図９Ｅ参照）。つまり、リブ部１１は、肉抜き部１０のピン部Ｐ側の端から、クランク軸の回転中心よりもウエイト部Ｗ寄りの位置まで延びていればよい。
【００６２】
例えば、図９Ａに示すように、アーム部Ａを側面から見たとき、リブ部１１のウエイト部Ｗ側の端部１１ｂは、ジャーナル部Ｊの軸心Ｊｃの位置から、ジャーナル部Ｊの外周とアーム部Ａとの交点のうちでウエイト部Ｗに最も近い点ＪＢの位置までの範囲に存在する。リブ部１１の端部１１ｂが点ＪＢの位置を超えても、剛性の向上は飽和するからである。リブ部１１の頂面１１ａの形状に特に限定はない。ただし、リブ部１１の端部１１ｂは肉抜き部１０のウエイト部Ｗ側の端につながっていない。つまり、リブ部１１は肉抜き部１０の領域内で途切れている。
【００６３】
このような構成により、アーム部Ａの２つの側部がリブ部１１によって厚肉化され、その側部の内側の領域が肉抜き部１０によって薄肉化される。その結果、クランク軸は軽量化され、これと合わせ、クランク軸の曲げ剛性及びねじり剛性はいずれも向上する。また、クランク軸がエンジン内で回転している際、途切れたリブ部１１によって潤滑剤が有効に攪拌される。要するに、リブ部１１は、剛性の向上に寄与するだけでなく、潤滑剤の攪拌にも寄与する。
【００６４】
［第２実施形態］
図１０Ａ〜図１０Ｅ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。これらの図のうち、図１０Ａは側面図を示し、図１０Ｂはピン部側からの軸方向視での正面図を示す。図１０Ｃは図１０ＢのXＣ−XＣ断面図を示し、図１０Ｄは図１０ＢのXＤ−XＤ断面図を示し、図１０Ｅは図１０ＢのXＥ−XＥ断面図を示す。図１０Ｂ〜図１０ＥのXＣ−XＣ断面、XＤ−XＤ断面及びXＥ−XＥ断面は、それぞれ前記図９Ｂ〜図９ＥのIXＣ−IXＣ断面、IXＤ−IXＤ断面及びIXＥ−IXＥ断面の位置に対応する。
【００６５】
図１０Ａ〜図１０Ｅに示す第２実施形態のアーム部Ａは、前記図９Ａ〜図９Ｅに示す第１実施形態のアーム部Ａの構成を基本とし、その構成の一部を変形したものである。第２実施形態では、図１０Ａに示すように、ピン部Ｐの外周とアーム部Ａとの交点のうちでウエイト部Ｗに最も近い点ＰＢと、ジャーナル部Ｊの外周とアーム部Ａとの交点のうちでウエイト部Ｗに最も近い点ＪＢと、を結ぶ直線ＬＰＪを引く。アーム部Ａを側面から見たとき、リブ部１１の頂面１１ａは、その直線ＬＰＪと平行である。
【００６６】
ここで、アーム部Ａに曲げ荷重が負荷された場合、アーム部Ａでの曲げ荷重の伝達経路は上記直線ＬＰＪに沿う。そのため、リブ部１１の頂面１１ａが上記直線ＬＰＪと平行であれば、リブ部１１が効率よく曲げ荷重を負担できるようになる。
【００６７】
このような構成の第２実施形態のアーム部Ａであっても、上記した第１実施形態と同様の効果を奏する。しかも、第２実施形態の場合、リブ部１１によって高い曲げ剛性を確保しつつ、リブ部１１の大きさを最小限に抑えることができる。このため、第２実施形態は、クランク軸全体の更なる軽量化に有効である。
【００６８】
［第３実施形態］
図１１Ａ〜図１１Ｅ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。これらの図のうち、図１１Ａは側面図を示し、図１１Ｂはピン部側からの軸方向視での正面図を示す。図１１Ｃは図１１ＢのXIＣ−XIＣ断面図を示し、図１１Ｄは図１１ＢのXIＤ−XIＤ断面図を示し、図１１Ｅは図１１ＢのXIＥ−XIＥ断面図を示す。図１１Ｂ〜図１１ＥのXIＣ−XIＣ断面、XIＤ−XIＤ断面及びXIＥ−XIＥ断面は、それぞれ前記図９Ｂ〜図９ＥのIXＣ−IXＣ断面、IXＤ−IXＤ断面及びIXＥ−IXＥ断面の位置に対応する。
【００６９】
図１１Ａ〜図１１Ｅに示す第３実施形態のアーム部Ａは、前記図９Ａ〜図９Ｅに示す第１実施形態のアーム部Ａの構成を基本とし、その構成の一部を変形したものである。第３実施形態では、図１１Ｂ〜図１１Ｄに示すように、肉抜き部１０の幅方向の２つの側部のうちの一方に、リブ部１１が設けられる。
【００７０】
このような構成により、アーム部Ａの１つの側部がリブ部１１によって厚肉化される。この場合であっても、軽量化とともに、曲げ剛性及びねじり剛性の向上を実現できる。第３実施形態の構成は上記の第２実施形態に適用してもよい。
【００７１】
本発明のクランク軸は、あらゆるレシプロエンジンに搭載されるクランク軸を対象とする。すなわち、エンジンの気筒数は、２気筒、３気筒、４気筒、６気筒、８気筒及び１０気筒のいずれでもよく、更に多いものであってもよい。エンジン気筒の配列も、直列配置、Ｖ型配置、対向配置等を特に問わない。エンジンの燃料も、ガソリン、ディーゼル、バイオ燃料等の種類を問わない。また、エンジンとしては、内燃機関と電気モータを複合してなるハイブリッドエンジンも含む。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、あらゆるレシプロエンジンに搭載されるクランク軸に有効に利用できる。
【符号の説明】
【００７３】
１：クランク軸
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
ＰＢ：ピン部の外周とアーム部との交点のうちで最もウエイト部側の点
ＪＢ：ジャーナル部の外周とアーム部との交点のうちで最もウエイト部側の点
ＬＰＪ：点ＰＢと点ＪＢとを結ぶ直線
２：ダンパプーリ
３：フライホイール
１０：肉抜き部
１１：リブ部
１１ａ：リブ部の頂面
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【国際調査報告】
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