(57)【要約】【課題】簡易な構造で、異なる仕様のエンジンに適用可能なバランスシャフトを提供する。【解決手段】バランスシャフトは、内燃機関のクランク軸に連動して回転するシャフトと、前記シャフトとは別部材で構成され、前記シャフトの重心の両側に設けられ、任意の角度で前記シャフトに固定可能な１組の第１マスと、前記シャフトの重心の両側に設けられた１組の第２マスと、を備え、前記第１マスの質量をｍ１、前記第１マスの重心の回転半径をｒ１、前記シャフトの軸方向における前記第１マスの重心と前記シャフトの重心との間の距離をＬ１とし、前記第２マスの質量をｍ２、前記第２マスの重心の回転半径をｒ２、前記シャフトの軸方向における前記第２マスの重心と前記シャフトの重心との間の距離をＬ２としたとき、ｍ１×ｒ１×Ｌ１＝ｍ２×ｒ２×Ｌ２の関係が成立する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のクランク軸に連動して回転するシャフトと、
前記シャフトとは別部材で構成され、前記シャフトの重心の両側に設けられ、任意の角度で前記シャフトに固定可能な１組の第１マスと、
前記シャフトの重心の両側に設けられた１組の第２マスと、
を備え、
前記第１マスの質量をｍ１、前記第１マスの重心の回転半径をｒ１、前記シャフトの軸方向における前記第１マスの重心と前記シャフトの重心との間の距離をＬ１とし、前記第２マスの質量をｍ２、前記第２マスの重心の回転半径をｒ２、前記シャフトの軸方向における前記第２マスの重心と前記シャフトの重心との間の距離をＬ２としたとき、
ｍ１×ｒ１×Ｌ１＝ｍ２×ｒ２×Ｌ２
の関係が成立することを特徴とするバランスシャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バランスシャフトに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関においては、ピストンの往復運動により生じる慣性力によって振動が生じる。当該振動が車体に伝達すると、車体を構成する鋼板より放射される、こもり音と呼ばれる騒音が発生する。このため、回転軸に対して不平衡質量を有する１本または複数のバランスシャフトを回転させることにより、慣性力や慣性偶力を打ち消したり、また慣性力などの向きを変えたりすることにより車体に伝達する振動の低減が図られている。
【０００３】
ところで、内燃機関の振動は、ピストンやコネクティングロッドの慣性力によってその大きさが変化するため、内燃機関が異なるとその振動特性も変化する。そのため、通常、内燃機関の振動特性に応じて、不平衡質量の質量や重心位置を変更したバランスシャフトを準備しなければならず、バランスシャフトの種類が多くなってしまう。そこで、部品の共通化をはかるため、異なる振動特性の内燃機関に適用可能なバランスシャフトが提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１８６７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のバランスシャフトは、シャフトの軸心に対して偏心するウェイト部を、板状のウェイトプレートをシャフトの軸方向に複数枚重ね合わせることによって構成しており、構造が複雑となっている。
【０００６】
そこで、本明細書開示のバランスシャフトは、簡易な構造で、異なる仕様のエンジンに適用可能なバランスシャフトを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するために、本明細書に開示されたバランスシャフトは、内燃機関のクランク軸に連動して回転するシャフトと、前記シャフトとは別部材で構成され、前記シャフトの重心の両側に設けられ、任意の角度で前記シャフトに固定可能な１組の第１マスと、前記シャフトの重心の両側に設けられた１組の第２マスと、を備え、前記第１マスの質量をｍ１、前記第１マスの重心の回転半径をｒ１、前記シャフトの軸方向における前記第１マスの重心と前記シャフトの重心との間の距離をＬ１とし、前記第２マスの質量をｍ２、前記第２マスの重心の回転半径をｒ２、前記シャフトの軸方向における前記第２マスの重心と前記シャフトの重心との間の距離をＬ２としたとき、ｍ１×ｒ１×Ｌ１＝ｍ２×ｒ２×Ｌ２の関係が成立するバランスシャフトである。
【発明の効果】
【０００８】
本明細書開示のバランスシャフトは、簡易な構造で、異なる仕様のエンジンに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、一実施形態に係るバランスシャフトの配置の一例を示す図である。
【図２】図２は、一実施形態に係るバランスシャフトの外観を示す斜視図である。
【図３】図３（ａ）は、往復質量が最も重い仕様のエンジンに適用したときのバランスシャフトの構成を示すモデル図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の構成を有するバランスシャフトにおける慣性力を示す図であり、図３（ｃ）は、図３（ａ）の構成を有するバランスシャフトにおける慣性偶力を示す図である。
【図４】図４（ａ）は、往復質量が軽い仕様のエンジンに適用したときのバランスシャフトの構成を示すモデル図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の構成を有するバランスシャフトにおける慣性力を示す図であり、図４（ｃ）は、図４（ａ）の構成を有するバランスシャフトにおける慣性偶力を示す図である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｄ）は、タイミングマークの位相角について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。
【００１１】
図１〜図４を参照し、一実施形態に係るバランスシャフトについて説明する。
【００１２】
図１は、一実施形態に係るバランスシャフト１０の配置の一例を示す図である。図１の例では、内燃機関の一例であるエンジンのクランクシャフト５０の回転がチェーン（又は、歯付きベルト）５２を介してアイドラシャフト６０に伝達されて、アイドラシャフト６０が回転駆動する。アイドラシャフト６０には、アイドラギヤ６１が連結されており、アイドラギヤ６１は、バランスシャフト１０に連結されたギヤ２０と噛合している。これにより、クランクシャフト５０の回転に連動して、バランスシャフト１０が回転する。なお、バランスシャフト１０の駆動方法は、本実施形態に限られるものではない。アイドラシャフト６０を省略し、バランスシャフト１０を、ギヤを介してクランクシャフト５０から直接駆動するようにしてもよいし、チェーン及びスプロケットを介して直接駆動するようにしてもよい。
【００１３】
図２は、実施形態に係るバランスシャフト１０の外観を示す斜視図である。
【００１４】
バランスシャフト１０には、ギヤ２０が組み付けられている。ギヤ２０は、図１で示したように、クランクシャフト５０の回転をバランスシャフト１０に伝達する。ギヤ２０には、タイミングマーク４０が形成されている。ギヤ２０はタイミングマーク４０の位置をずらしてバランスシャフト１０に組み付けできるようボルト７０やノックピン等で組み付けられる。
【００１５】
バランスシャフト１０は、シャフト１１、ジャーナル部１４、並びに１組の固定バランスマス１３及び１組の組立バランスマス１５を備えている。
【００１６】
シャフト１１は、クランクシャフト５０に連動して回転する。
【００１７】
ジャーナル部１４は、不図示のジャーナル軸受により支持される。
【００１８】
１組の固定バランスマス１３は、シャフト１１の重心Ｇの両側に、位相を１８０度ずらした状態で設けられている。固定バランスマス１３は、シャフト１１と一体に形成されている。１組の固定バランスマス１３は、１組の第２マスの一例である。
【００１９】
１組の組立バランスマス１５は、シャフト１１の重心Ｇの両側に、位相を１８０度ずらした状態で設けられている。組立バランスマス１５は、シャフト１１とは別部材で構成されており、任意の角度でシャフト１１に固定可能となっている。より詳細には、組立バランスマス１５は、後述する条件を満たすように、対応する固定バランスマス１３に対する位相角を変えて、例えばノックピンやボルト等によってシャフト１１に固定される。１組の組立バランスマス１５は、１組の第１マスの一例である。
【００２０】
前述したように、エンジンの振動は、ピストンやコネクティングロッドの慣性力によってその大きさが変化する。したがって、同じ排気量のエンジンであっても、エンジンの仕様が異なる場合、各仕様に応じてピストン、コネクティングロッド等を最適設計すると、バランスシャフトでキャンセルすべき回転１次モーメント量も変化する。例えば、同排気量の直列３気筒エンジンであっても、過給機を備える場合、自然吸気の場合、ハイブリッドの場合では、ピストン及びコネクティングロッド等の使用条件が異なるため、ピストン及びコネクティングロッドの仕様も異なる。例えば、過給機を備えるエンジンでは筒内圧が高くなるため、強度を維持するために往復運動部品は重くなる。また、圧縮比が異なれば、ピストン頂面の形状も変わり、ピストンの質量も変わる。
【００２１】
したがって、異なる仕様のエンジンにおいて、バランス率が１００％となるようにバランスシャフトを設計すると、エンジンの仕様（過給機付き、自然吸気、ハイブリッド等）毎にバランスシャフトを準備する必要があり、バランスシャフトの種類が増え、生産効率が悪くなる。
【００２２】
本実施形態のバランスシャフト１０は、組立バランスマス１５の配置及びギヤ２０の配置を変更することによって、仕様の異なるエンジンに適用可能となっている。
【００２３】
以下、組立バランスマス１５の配置及びギヤ２０の配置の適合方法について説明する。
【００２４】
まず、１組の固定バランスマス１３及び１組の組立バランスマス１５の質量及びシャフト１１上での配置の決定方法について説明する。
【００２５】
図３（ａ）は、所定の排気量の直列３気筒エンジンの中で、往復質量が最も重い仕様のエンジン（例えば、過給機付きのエンジン）に適用したときのバランスシャフト１０の構成を示すモデル図である。図中の黒丸は、固定バランスマス１３及び組立バランスマス１５の重心を表している。
【００２６】
図３（ａ）に示すように、組立バランスマス１５の質量をｍ１、組立バランスマス１５の重心の回転半径をｒ１、シャフト１１の軸方向におけるシャフト１１の重心Ｇから組立バランスマス１５の重心までの距離をＬ１とする。また、固定バランスマス１３の質量をｍ２、固定バランスマス１３の重心の回転半径をｒ２、シャフト１１の軸方向におけるシャフト１１の重心Ｇから固定バランスマス１３の重心までの距離をＬ２とする。なお、図中の▽及び△は、軸受部を表すが、軸受部は、組立バランスマス１５が組み付け可能であれば、どの位置にあってもよい。
【００２７】
直列３気筒エンジンにおいて往復質量が最も重い仕様のエンジンにおけるバランスシャフトのターゲットモーメントＭ１は、一般に次式（１）で表される。
【００２８】
【数１】
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【００２９】
ここで、Ｗｒｅｃは、ピストン、ピストンリング、スナップリングを含むピストンピン、及びコネクティングロッドの小端側（ピストンピン側）を含む往復運動部品の質量の総和である往復質量を表す。また、ｒはクランク半径、ωはクランク角速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）、Ｌはボアピッチを表す。
【００３０】
図３（ａ）に示すバランスシャフト１０では、図３（ｂ）に示すように、慣性力は、
ｍ１×ｒ１＋ｍ２×ｒ２＝ｍ１×ｒ１＋ｍ２×ｒ２
となり、つりあっている。
【００３１】
一方、慣性偶力は、図３（ｃ）に示すように、
ｍ１×ｒ１×Ｌ１＋ｍ２×ｒ２×Ｌ２＋ｍ１×ｒ１×Ｌ１＋ｍ２×ｒ２×Ｌ２
＝（ｍ１×ｒ１×Ｌ１＋ｍ２×ｒ２×Ｌ２）×２
となる。
【００３２】
したがって、式（１）に示すターゲットモーメントＭ１とのバランス率を１００％とするには、ｍ１、ｒ１、Ｌ１、ｍ２、ｒ２、及びＬ２が次式（２）を満たせばよい。
Ｍ１＝ωｂ２×（ｍ１×ｒ１×Ｌ１＋ｍ２×ｒ２×Ｌ２）×２        （２）
ここで、ωｂは、バランスシャフト１０の回転速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）であり、直列３気筒のバランスシャフトにおいてはクランクシャフトと回転方向が逆である。
【００３３】
本実施形態では、ｍ１、ｒ１、Ｌ１、ｍ２、ｒ２、及びＬ２が、更に、次式（３）を満たすようにバランスシャフト１０を設計する。
ｍ１×ｒ１×Ｌ１＝ｍ２×ｒ２×Ｌ２                              （３）
【００３４】
図３（ａ）から明らかなように、Ｌ１＞Ｌ２のため、（ｍ１×ｒ１）と（ｍ２×ｒ２）との比率をＬ１とＬ２との比に合わせれば、ｍ１，ｒ１，ｍ２，ｒ２の値は、周辺部品との隙間を確保する等の制約の中で自由に変更することができる。
【００３５】
次に、上述の式（２）及び式（３）を満たすようにｍ１、ｒ１、Ｌ１、ｍ２、ｒ２、及びＬ２が決定されたバランスシャフト１０を、往復質量が軽い仕様のエンジンに適用する場合について説明する。なお、往復質量が軽いとは、往復運動部品の質量が、往復質量が最も重い仕様のエンジンの往復運動部品の質量と比較して軽いということを意味する。
【００３６】
図４（ａ）は、所定の排気量の直列３気筒エンジンの中で、往復質量が軽い仕様のエンジン（例えば、自然吸気のエンジン）に適用したときのバランスシャフト１０の構成を示すモデル図である。図４（ａ）に示すように、往復質量が軽い仕様のエンジンでは、組立バランスマス１５が、固定バランスマス１３に対して位相をα度ずらしてシャフト１１に組み付けられている。また、ギヤ２０は、タイミングマーク４０が往復質量が最も重い仕様のエンジンにおいて取り付けられているギヤ２０のタイミングマーク４０に対し位相がγ度ずれた状態で、組み付けられている。以下、位相角α及びγの設定について説明する。
【００３７】
まず、位相角αについて説明する。
【００３８】
図４（ａ）に示すバランスシャフト１０において、慣性力は、図４（ｂ）に示すように、位相角αにかかわらずつりあい状態を保つ。
【００３９】
往復質量が軽い仕様のエンジンでのターゲットモーメントＭ２は、式（１）に基づき、往復質量が最も重い仕様のエンジンの往復運動部品の質量と往復質量が軽い仕様のエンジンの往復運動部品の質量との比を表すＡを用いて、式（４）で表される。
Ｍ２＝Ａ×Ｍ１                                      （４）
ここで、
Ａ＝（往復質量が軽い仕様のエンジンの往復質量）／
（往復質量が最も重い仕様のエンジンの往復質量）        （５）
である。ただし、往復質量が最も重い仕様のエンジンと、往復質量が軽い仕様のエンジンとでボアピッチＬが異なる場合、ターゲットモーメントにはボアピッチ比も影響するため、それぞれのエンジンの仕様に基づいて、式（１）に従ってＭ１とＭ２とを求め、Ａ＝Ｍ２／Ｍ１とする。
【００４０】
一方、合成慣性偶力は、図４（ｃ）の矢印Ａ１で示され、その値は、
[（ｍ１×ｒ１×Ｌ１×ｃｏｓα＋ｍ１×ｒ１×Ｌ１＋ｍ１×ｒ１×Ｌ１＋ｍ１×ｒ１×Ｌ１×ｃｏｓα）２＋（ｍ１×ｒ１×Ｌ１×ｓｉｎα＋ｍ１×ｒ１×Ｌ１×ｓｉｎα）２]０．５
で表される。
【００４１】
ここで、
Ｍ２＝Ａ×Ｍ１＝（ｍ１×ｒ１×Ｌ１＋ｍ２×ｒ２×Ｌ２）×２Ａ
＝４Ａ×（ｍ１×ｒ１×Ｌ１）
であるため、
[（ｍ１×ｒ１×Ｌ１×ｃｏｓα＋ｍ１×ｒ１×Ｌ１＋ｍ１×ｒ１×Ｌ１＋ｍ１×ｒ１×Ｌ１×ｃｏｓα）２＋（ｍ１×ｒ１×Ｌ１×ｓｉｎα＋ｍ１×ｒ１×Ｌ１×ｓｉｎα）２]０．５＝４Ａ×（ｍ１×ｒ１×Ｌ１）
が成り立つ。
上式を整理すると、
ｃｏｓα＝２Ａ２−１
となり、
α＝ｃｏｓ−１（２Ａ２−１）                                      （６）
が導かれる。
【００４２】
したがって、組立バランスマス１５を、固定バランスマス１３に対して位相をα＝ｃｏｓ−１（２Ａ２−１）度ずらしてシャフト１１に組み付けることによって、組立バランスマス１５及び固定バランスマス１３の合成慣性偶力を、往復質量が軽い仕様のエンジンでのターゲットモーメントＭ２とバランスさせることができる。
【００４３】
次に、位相角γについて説明する。ここで、図５（ａ）に示すように、往復質量が最も重い仕様のエンジンにおいて、例えば、クランクシャフトの＃１気筒のクランクピンを上死点方向（真上方向）にしたときに、組立バランスマス１５及び固定バランスマス１３の重心が垂直方向に対し所定の角度β（一般的に、３０度）傾いた方向となるようにし、タイミングマーク４０の位置を決定したとする。ここで、図５（ｂ）に示すように、往復質量が軽い仕様のエンジンに適用するために組立バランスマス１５を固定バランスマス１３に対し角度αずらして設置したバランスシャフト１０において、タイミングマーク４０の位相を往復質量が最も重い仕様のエンジンにおけるタイミングマーク４０の位相と同じにしたままギヤ２０を組み付けたとする。この場合、組立バランスマス１５と固定バランスマス１３の合成慣性偶力の向きは、図５（ｂ）に示す方向となり、本来＃１気筒のクランクピンが上死点にあるときに満たすべき合成慣性偶力の方向（図５（ａ）参照）とずれてしまう。そこで、往復質量が軽い仕様のエンジンでは、図５（ｃ）に示すように、タイミングマーク４０の位置を、往復質量が最も重い仕様のエンジンのタイミングマーク４０の位置に対し、合成慣性偶力の方向がずれた分だけずらす必要がある。これにより、図５（ｄ）に示すように、往復質量が軽い仕様のエンジンにおいて、＃１気筒のクランクピンが上死点にあるときに、組立バランスマス１５と固定バランスマス１３の合成慣性偶力の向きが、満たすべき合成慣性偶力の方向と一致する。
【００４４】
ここで、合成慣性偶力の方向のずれを、角度γであらわすと、次式（７）が成立する（図４（ｃ）参照）。
ｔａｎγ＝（ｍ１×ｒ１×Ｌ１×ｓｉｎα＋ｍ１×ｒ１×Ｌ１×ｓｉｎα）／
（ｍ１×ｒ１×Ｌ１×ｃｏｓα＋ｍ１×ｒ１×Ｌ１＋ｍ１×ｒ１×Ｌ１＋ｍ１×ｒ１×Ｌ１×ｃｏｓα）
＝ｓｉｎα／（１＋ｃｏｓα）                                        （７）
式（７）を整理すると、
ｔａｎ２γ＝ｓｉｎ２α／（１＋ｃｏｓα）２
＝（１−ｃｏｓ２α）／（１＋ｃｏｓα）２
＝（１＋ｃｏｓα）（１−ｃｏｓα）／（１＋ｃｏｓα）２
＝（１−ｃｏｓα）／（１＋ｃｏｓα）
＝［（１−ｃｏｓα）／２］／［（１＋ｃｏｓα）／２］
＝ｓｉｎ２（α／２）／ｃｏｓ２（α／２）＝ｔａｎ２（α／２）
となり、
γ＝α／２                                                        （８）
が導かれる。
【００４５】
したがって、往復質量が軽い仕様のエンジンでは、タイミングマーク４０を、往復質量が最も重いエンジンのタイミングマーク４０に対しγ＝α／２度位相をずらしてギヤ２０を組み付ける。
【００４６】
このように、本実施形態に係るバランスシャフト１０では、往復質量が最も重い仕様のエンジンにおいて、式（２）及び（３）を満たすように、組立バランスマス１５及び固定バランスマス１３の重量及び位置を設計する。これにより、往復質量が軽い仕様のエンジンにおいては、往復質量が最も重い仕様のエンジンの往復質量との比率に基づいて、組立バランスマス１５の固定バランスマス１３に対する位相角α、及び、ギヤ２０のタイミングマーク４０の、往復質量が最も重いエンジンにおけるタイミングマーク４０に対する位相角γとを容易に算出することができる。また、算出された角度α及びγに基づいて組立バランスマス１５及びギヤ２０をそれぞれ組み付けることにより、往復質量が軽い仕様のエンジンにおいて発生する慣性偶力とのバランス率を１００％とすることができる。これにより、バランスシャフト１０を異なる仕様のエンジンに適用することができ、部品の共通化を図ることができる。
【００４７】
上述の説明から明らかなように、本実施形態に係るバランスシャフトは、エンジンのクランクシャフト５０に連動して回転するシャフト１１と、シャフト１１とは別部材で構成され、シャフト１１の重心Ｇの両側に設けられ、任意の角度でシャフト１１に固定可能な１組の組立バランスマス１５と、シャフト１１の重心Ｇの両側に設けられた１組の固定バランスマス１３と、を備え、組立バランスマス１５の質量をｍ１、組立バランスマス１５の重心の回転半径をｒ１、シャフト１１の軸方向における組立バランスマス１５の重心とシャフト１１の重心Ｇとの間の距離をＬ１とし、固定バランスマス１３の質量をｍ２、固定バランスマス１３の重心の回転半径をｒ２、シャフト１１の軸方向における固定バランスマス１３の重心とシャフト１１の重心Ｇとの間の距離をＬ２としたとき、ｍ１×ｒ１×Ｌ１＝ｍ２×ｒ２×Ｌ２の関係が成立する。これにより、基準となるエンジン機種（例えば、所定の排気量の直列３気筒エンジンのうち一番往復質量が重い仕様のエンジン）の往復運動部品の質量と、バランスシャフト１０を適用しようとする他のエンジン機種（例えば、所定の排気量の直列３気筒エンジンのうち往復質量が軽いエンジン）の往復運動部品の質量との比率に基づいて、バランスシャフト１０の組立バランスマス１５の配置及びギヤ２０の配置（位相角α及びγ）を容易に算出し、バランスシャフト１０を他のエンジン機種に適合させることができる。すなわち、組立バランスマス１５及びギヤ２０の組み付けを変更することにより、バランスシャフト１０を異なる仕様のエンジンに適用することができ、かつ、部品の共通化を図ることができる。
【００４８】
なお、上記実施形態では、固定バランスマス１３をシャフト１１の重心Ｇ側に配置したが、上述した式（２）及び式（３）を満足できるのであれば、組立バランスマス１５をシャフト１１の重心Ｇ側に配置してもよい。
【００４９】
なお、上記実施形態では、直列３気筒エンジンの例について説明したが、気筒数は上記実施形態に限られるものではなく、気筒数が３未満また気筒数が４以上のエンジンにも本発明を適用することができる。
【００５０】
上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【符号の説明】
【００５１】
１０    バランスシャフト
１１    シャフト
１３    固定バランスマス（第２マス）
１５    組立バランスマス（第１マス）
５０    クランクシャフト（クランク軸）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2018071587.tif 000007
【図５】
2018071587.tif 000008