(57)【要約】【課題】クランクシャフトに形成されるＲ部おける応力集中を緩和してクランクシャフトの耐久性を高める。【解決手段】クランクシャフト１４には、コネクティングロッドの端部側面が突き当てられる突き当て段部４１，４２が設けられており、突き当て段部４１，４２とピン３３の端部との間には突き当てＲ部４３，４４が設けられている。それぞれのクランクアーム３４，３５とバランスウエイト３６，３７の内側対向面４５，４６には傾斜面４５ａ，４６ａが形成され、傾斜面４５ａ，４６ａと突き当てＲ部４３，４４との間には、突き当てＲ部４３，４４よりも曲率半径が大きな内側Ｒ部４７，４８が設けられている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクケースに回転自在に支持される２つのジャーナルと、ジャーナルに基端部が一体になり先端部にコネクティングロッドの端部が装着されるピンが一体となったクランクアームと、前記クランクアームの基端部に一体となったバランスウエイトとを有する一体型のクランクシャフトであって、
前記コネクティングロッドの端部側面が突き当てられる前記クランクアーム先端部の突き当て段部と前記ピンの端部との間に設けられた突き当てＲ部と、
前記クランクアームと前記バランスウエイトの内側対向面に設けられ、前記クランクアームの基端部からバランスウエイトの先端部に向かうに従って対をなす他のクランクアームと前記バランスウエイトに向けて接近する方向に傾斜した傾斜面と、
前記傾斜面と前記突き当てＲ部との間に設けられ、前記突き当てＲ部よりも曲率半径が大きな内側Ｒ部とを有することを特徴とするクランクシャフト。
【請求項２】
請求項１記載のクランクシャフトにおいて、前記ピンの外周面に形成される高周波焼き入れ硬化層の内側の軟化層を前記内側Ｒ部に位置させることを特徴とするクランクシャフト。
【請求項３】
請求項１または２記載のクランクシャフトにおいて、前記内側Ｒ部の曲率半径を、前記突き当てＲ部の曲率半径の３倍以上とすることを特徴とするクランクシャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関のクランクシャフトに関し、特に、クランクアームとクランクピンとが一体となった一体型のクランクシャフトに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関は、シリンダブロックに直線往復動自在に装着されるピストンと、ピストンにコネクティングロッドを介して連結されるクランクシャフトとを有しており、クランクシャフトはピストンの直線往復動によって回転駆動される。クランクシャフトはクランクケースに回転自在に支持されるジャーナルと、ピストンロッドの端部が組み付けられるピンと、ジャーナルからピンに向けて径方向に伸びて先端部にピンが設けられるアームとを有しており、アームの基端部にはバランスウエイトが径方向外方に突出して設けられている。
【０００３】
クランクシャフトには、特許文献１に記載されるように、ピンとアームとが一体となった一体型のクランクシャフトと、特許文献２に記載されるように、ピンをアームの先端に圧入や焼き嵌めにより組み立てるようにした組立型のクランクシャフトとがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭４７−２１０１２号公報
【特許文献２】特開昭６１−２１８８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
４サイクルエンジンには一体型のクランクシャフトが主として使用され、２サイクルエンジンには、ジャーナルにベアリングが装着されるので、組立型のクランクシャフトが使用されることが多い。エンジン発電機のような汎用エンジンであって、単気筒のエンジンが駆動源として使用される場合には、一体型と組立型のいずれも使用可能であり、単気筒エンジンのクランクシャフトは、コネクティングロッドの端部が装着されるピンとそれぞれクランクケースに支持される２つのジャーナルとの間に、２つのクランクアームが対をなして設けられており、クランクアームの基端部にはそれぞれバランスウエイトが設けられている。
【０００６】
一体型のクランクシャフトは、鋼製の棒材を鍛造加工により所定の形状に加工した後に、コネクティングロッドが装着されるピンの外周面には、その耐摩耗性を高めるために、高周波焼き入れにより表面処理が施されており、高周波焼き入れによりピンの外周面には焼き入れ硬化層が形成される。ピンとクランクアームとの境界部には、ピンに装着されるコネクティングロッドの端面が突き当てられる突き当て段部が設けられており、ピンの外周面を高周波焼き入れすると、突き当て段部の円弧面形状の突き当てＲ部にも焼き入れ硬化層が形成されることになる。従来のクランクシャフトにおける対をなす２つのクランクアームの内側対向面は相互に平行となっており、クランクアームの内側対向面と段部の外周エッジとの間には、円弧面形状の内側Ｒ部が形成されている。
【０００７】
クランクシャフトのピンにはピストンとコネクティングロッドを介して燃焼圧の負荷が加わるとともにピストンの往復動によってクランクシャフトにはねじり振動と曲げ振動が加わることになる。これら負荷と振動とがクランクシャフトに加わっても、突き当てＲ部には高周波焼き入れにより焼き入れ硬化層が形成されているので、突き当てＲ部に振動に起因した応力に対して突き当てＲ部はその強度が確保されることになる。
【０００８】
一方、ピンの外周面に高周波焼き入れ処理を施しても、クランクアームの内側Ｒ部には焼き入れ硬化層が形成されずに、ピン部への焼き入れにより形成される硬化層よりもピン部の内部に形成され強度の劣る軟化層が露出することになる。これは、高周波焼き入れの焼き入れ境界の特性であり、内側Ｒ部に軟化層がかかるのは、クランクアーム部断面の急激な拡大により、伝熱が拡散することで焼き入れ温度の急激な低下があるためである。このように、内側Ｒ部に軟化層が存在すると、エンジン駆動時、燃焼圧の負荷やクランクシャフトにねじり振動や曲げ振動が加わることにより、内側Ｒ部に過度の応力集中が重なり亀裂が発生する恐れがあり、クランクシャフトの耐久性が低下することなる。そのため、クランクアームの厚みを十分に確保して内側Ｒ部が応力集中に起因して亀裂が発生しない程度の強度を確保するようにしている。エンジンの小型化のためにクランクシャフトの軸長を短くするには、クランクアームやバランスウエイトの厚みを薄くする必要があるが、クランクアームの内側Ｒ部における応力集中を緩和するには、それぞれの厚み寸法を薄くすることはできなかった。
【０００９】
バランスウエイトは、エンジンの振動を抑えるため、所定の質量を確保して回転バランスを確保する必要があり、過度にバランスウエイトの厚みを薄くすると、回転バランスが低下し振動増大、エンジンの強化低下につながる。クランクアームが薄くなっても内側Ｒ部の曲率半径を大きくすれば、その部分における応力集中を緩和することが可能となるが、クランクアームの基端部の厚みが薄くなるので、バランスウエイトに所定の質量を確保するためにはバランスウエイトの厚みのみを大きくし、クランクアーム基端部との間に段差を設ける必要がある。その場合には段差部が応力集中部となってしまい、クランクシャフトの耐久性を低下させるとともに、段差部による鋳造性悪化の恐れがある。
【００１０】
本発明の目的は、クランクシャフトに形成される内側Ｒ部おける応力集中を緩和し、クランクシャフトの耐久性を高めるとともに最適な回転バランスを確保することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のクランクシャフトは、クランクケースに回転自在に支持される２つのジャーナルと、ジャーナルに基端部が一体になり先端部にコネクティングロッドの端部が装着されるピンが一体となったクランクアームと、前記クランクアームの基端部に一体となったバランスウエイトとを有する一体型のクランクシャフトであって、前記コネクティングロッドの端部側面が突き当てられる前記クランクアーム先端部の突き当て段部と前記ピンの端部との間に設けられた突き当てＲ部と、前記クランクアームと前記バランスウエイトの内側対向面に設けられ、前記クランクアームの基端部からバランスウエイトの先端部に向かうに従って対をなす他のクランクアームと前記バランスウエイトに向けて接近する方向に傾斜した傾斜面と、前記傾斜面と前記突き当てＲ部との間に設けられ、前記突き当てＲ部よりも曲率半径が大きな内側Ｒ部とを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明のクランクシャフトは、前記ピンの外周面に形成される高周波焼き入れ硬化層の内側の軟化層を前記内側Ｒ部に位置させることを特徴とする。また、本発明のクランクシャフトは、前記内側Ｒ部の曲率半径を、前記突き当てＲ部の曲率半径の３倍以上とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、クランクシャフトは、相互に対向して対をなす２つのクランクアームと、クランクアームに一体となったバランスウエイトとを有し、クランクアームとバランスウエイトの相互に対向する内側対向面には、傾斜面が設けられているので、内側対向面に段差部を設けることなく、内側Ｒ部の曲率半径を突き当てＲ部よりも大きく設定することができる。これにより、エンジン駆動時に高周波焼き入れ軟化層と重なる内側Ｒ部に過度の応力が集中することなく、その部分に加わる応力を緩和することができる。これにより、クランクシャフトの耐久性を高めることができる。
【００１４】
クランクアームとバランスウエイトの内側対向面に傾斜面を設けることにより、バランスウエイトに所定の質量を確保しつつクランクシャフトの軸長を短くしてエンジンを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態であるクランクシャフトを有するエンジンを示す断面図である。
【図２】図１に示されたクランクシャフトとこれに装着されたエンジン構成部品とを示す正面図である。
【図３】図１および図２に示されたクランクシャフトを示す斜視図である。
【図４】図３の正面図である。
【図５】図４の一部を示す拡大断面図である。
【図６】比較例１のクランクシャフトを示す一部切欠き正面図である。
【図７】比較例２のクランクシャフトを示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示すエンジンは４サイクルの単気筒エンジンであり、エンジン発電機やランマー等の駆動源として使用される汎用エンジンである。このエンジン１０は、図１に示されるように、シリンダ１１が設けられたクランクケース１２を有している。シリンダ１１内には直線往復動自在にピストン１３が設けられており、ピストン１３はクランクケース１２に回転自在に装着されたクランクシャフト１４にコネクティングロッド１５を介して連結されており、クランクシャフト１４はピストン１３の直線往復動によって回転駆動される。図２に示されるように、クランクシャフト１４の端部は出力端１４ａとなっており、エンジン１０が発電機やランマー等の汎用エンジンの動力源として使用される場合には、出力端１４ａは被駆動部材に連結されて被駆動部材を回転駆動することになる。
【００１７】
シリンダ１１にはシリンダヘッド１６が取り付けられており、シリンダヘッド１６には空気と燃料との混合気を燃焼室１７に供給する吸気ポート１８と、燃焼ガスを排出する排気ポート１９とが形成されている。吸気ポート１８を開閉するための吸気弁２１と排気ポート１９を開閉する排気弁２２がそれぞれシリンダヘッド１６に設けられている。シリンダヘッド１６に取り付けられるロッカシャフト２３には、吸気弁２１を開閉駆動する吸気側のロッカアーム２４ａと、排気弁２２を開閉駆動する排気側のロッカアーム２４ｂとが揺動自在に装着されている。吸気弁２１の弁軸部２１ａはロッカアーム２４ａの一端部に当接し、ロッカアーム２４ａの揺動により吸気ポート１８を開閉する。排気弁２２の図示しない弁軸部はロッカアーム２４ｂの一端部に当接し、ロッカアーム２４ｂの揺動により排気ポート１９を開閉する。なお、符号２０は点火プラグである。
【００１８】
図２に示されるように、クランクシャフト１４に平行にカムシャフト２５が配置されており、カムシャフト２５はシリンダヘッド１６に回転自在に装着されている。カムシャフト２５に設けられた動弁カム２６には、それぞれのロッカアーム２４ａ，２４ｂの他端部が当接しており、カムシャフト２５の回転により動弁カム２６を介してそれぞれのロッカアーム２４ａ，２４ｂは揺動される。カムシャフト２５に取り付けられたスプロケット２７と、クランクシャフト１４に取り付けられた図示しないスプロケットとの間にはタイミングベルト２８が掛け渡されており、カムシャフト２５はクランクシャフト１４により回転駆動される。
【００１９】
図２に示されるように、クランクシャフト１４に隣り合ってガバナー２９が配置されており、ガバナー２９はクランクケース１２に装着されてエンジン回転数を設定されたアクセル開度に対応した回転数に調整する。ガバナー２９には、クランクシャフト１４に取り付けられた駆動側歯車３０ａと噛み合う従動側歯車３０ｂを有している。
【００２０】
クランクシャフト１４は、図３および図４に示されるように、それぞれクランクケース１２に回転自在に支持される２つのジャーナル３１，３２を有しており、クランクシャフト１４はジャーナル３１，３２の回転中心軸Ｏを中心に回転駆動される。クランクシャフト１４はコネクティングロッド１５の端部が装着されるピン３３を有しており、ピン３３の中心はジャーナル３１，３２の回転中心軸Ｏから偏心している。ピン３３の両端部はジャーナル３１，３２のそれぞれの端部から径方向外方に延びるクランクアーム３４，３５の先端部と一体となっており、クランクアーム３４，３５を介してピン３３はジャーナル３１，３２と一体となっている。
【００２１】
クランクアーム３４，３５の基端部にはクランクアーム３４，３５に対して逆方向に径方向外方に突出するバランスウエイト３６，３７が一体に設けられている。このように、クランクシャフト１４は、ジャーナル３１，３２とピン３３とクランクアーム３４，３５とバランスウエイト３６，３７が全体的に一体となった一体型となっている。
【００２２】
コネクティングロッド１５の一端部は小径端部となっており、ここを貫通するピストンピン３８によりコネクティングロッド１５はピストン１３に連結されることになる。一方、コネクティングロッド１５の他端部は大径端部となっており、大径端部は半円形の凹面が形成されたロッド本体１５ａと、半円形の凹面を有しロッド本体１５ａにボルト３９により締結される連結金具４０とにより形成されている。
【００２３】
クランクシャフト１４には、コネクティングロッド１５の大径端部の左右両側面が突き当てられる突き当て段部４１，４２がそれぞれのクランクアーム３４，３５の先端部に位置させて設けられている。したがって、コネクティングロッド１５の大径端部がピン３３に装着されたときには、大径端部の両側面は、突き当て段部４１，４２に対向した状態となる。突き当て段部４１，４２には、ピン３３の端部に円弧状に連なる突き当てＲ部４３，４４が設けられており、それぞれの突き当てＲ部４３，４４はエンジンが駆動されたときにはコネクティングロッド１５からクランクシャフト１４に加わる推力により応力が集中する第１の応力集中部となる。
【００２４】
クランクアーム３４とこれと一体となったバランスウエイト３６は、他方のクランクアーム３５とこれと一体のバランスウエイト３７と対をなしている。クランクアーム３４とバランスウエイト３６の内側対向面４５は、他方のクランクアーム３５とバランスウエイト３７の内側対向面４６に対向しており、これらの内側対向面４５，４６は相互に対向し合っている。相互に対向し合う２つの内側対向面４５，４６は、これらがそれぞれのバランスウエイト３６，３７の先端部に向かうに従って相互に接近する方向に傾斜している。それぞれの内側対向面４５，４６は、図４に示されるように、回転中心軸Ｏに対して直角方向の径方向線Ｖに対して傾斜角度θで傾斜した傾斜面４５ａ，４６ａとなっている。この傾斜角度θは８〜１５度に設定されている。
【００２５】
それぞれの内側対向面４５，４６における傾斜面４５ａ，４６ａと突き当てＲ部４３，４４との間には、これらを円弧状に連ならせる内側Ｒ部４７，４８が設けられている。それぞれの内側Ｒ部４７，４８は、突き当てＲ部４３，４４の曲率半径よりも大きな曲率半径を有する円弧状となっており、それぞれの内側Ｒ部４７，４８は第２の応力集中部となっている。
【００２６】
クランクシャフト１４は、図３および図４に示されるように、鍛造加工によって突き当てＲ部４３，４４、傾斜面４５ａ，４６ａおよび内側Ｒ部４７，４８を有する一体形状に加工された後に、高周波焼き入れによりピン３３の外周面に焼き入れ処理が施される。これにより、図５に示されるように、ピン３３の外周部と突き当てＲ部４３，４４には所定の深さに焼き入れ硬化層５１が形成される。この硬化層５１は第１の応力集中部としての突き当てＲ部４３，４４にも形成されるので、突き当てＲ部４３，４４にコネクティングロッド１５によって負荷が加えられても、その部分の強度が確保されてそこに亀裂が発生することを防止できる。
【００２７】
一方、ピン３３の外周面に高周波焼き入れ処理を施すと、焼き入れ硬化層５１に対してピン３３の内側には、硬化層５１よりも硬度が低い軟化層５２が形成されることになる。ピン３３の外周面に高周波焼き入れ処理を施すと、硬化層５１は突き当て段部４１，４２を介してクランクアーム３４，３５の先端部にも形成されることになり、硬化層５１の内側に形成される軟化層５２が内側Ｒ部４７，４８に露出することになる。このように、内側Ｒ部４７，４８に軟化層５２がかかるのは、クランクアーム３４，３５の断面積がピン３３の断面積よりも急激に拡大しているので、焼き入れ処理時の伝熱がクランクアーム３４，３５の先端部で拡散し、内側Ｒ部４７，４８の部分の焼き入れ温度が低下するためである。
【００２８】
軟化層５２が内側Ｒ部４７，４８に露出するようになっているが、それぞれの内側Ｒ部４７，４８の曲率半径が突き当てＲ部４３，４４の曲率半径よりも大きく設定されているので、コネクティングロッド１５を介して燃焼圧の負荷がクランクシャフト１４に加えられても、内側Ｒ部４７，４８には過度の応力集中が発生することなく、その部分の応力が緩和されることになる。これにより、クランクシャフト１４の耐久性を向上させることが可能となった。
【００２９】
内側Ｒ部４７，４８の曲率半径を突き当てＲ部４３，４４の曲率半径の３倍以上に設定すると、内側Ｒ部に過度の応力集中が発生することなく、応力が緩和されることが実験により判明した。図示する場合には、約５倍に設定されている。
【００３０】
このように、内側Ｒ部４７，４８の曲率半径を突き当てＲ部４３，４４の曲率半径よりも３倍以上に設定しても、それぞれの内側対向面４５，４６に、傾斜面４５ａ，４６ａを形成することによって、内側対向面４５，４６には段差部が発生することが防止されるので、段差部に起因した応力集中部が内側対向面４５，４６に形成されることが防止され、クランクシャフト１４の耐久性を高めることが可能となった。
【００３１】
図６は比較例１としてのクランクシャフト１４を示す一部切欠き正面図であり、図７は比較例２としてのクランクシャフト１４を示す正面図である。
【００３２】
図６に示すように、内側対向面４５，４６に傾斜面を設けることなく、内側対向面４５，４６を回転中心軸Ｏに対して直角方向に形成すると、内側Ｒ部４７，４８の曲率半径を、突き当てＲ部４３，４４よりも大きく設定することができない。このため、ピン３３の焼き入れ処理により軟化層５２が内側Ｒ部４７，４８に露出することになるので、内側Ｒ部４７，４８にコネクティングロッド１５を介して燃焼圧の負荷が加えられると、内側Ｒ部４７，４８が過度の応力集中部となることが避けられず、クランクシャフトの耐久性を高めることが困難であった。これに対して本発明のクランクシャフト１４においては、内側Ｒ部４７，４８の曲率半径が突き当てＲ部４３，４４の３倍以上に設定されているので、内側Ｒ部４７，４８における応力集中が緩和され、クランクシャフト１４の耐久性を高めることが可能となった。
【００３３】
図７に示すように、内側Ｒ部４７，４８の曲率半径を突き当てＲ部４３，４４の曲率半径よりも大きくするために、クランクアーム３４，３５の厚みを薄くするとともに、バランスウエイト３６，３７のバランスファクターを確保するためにバランスウエイト３６，３７の厚みをクランクアーム３４，３５よりも厚くする試みがなされた。しかしながら、クランクシャフト１４をこのような形状に加工すると、クランクアーム３４，３５とバランスウエイト３６，３７との間に段差部５４，５５を形成することが不可避となる。このため、図７に示す場合には、クランクシャフト１４の形状が複雑化し、鍛造加工性が悪化するだけでなく、この段差部５４，５５が過度の応力が集中する応力集中部となってこの部分に亀裂が発生する恐れがあり、クランクシャフトの耐久性を高めることが困難であった。
【００３４】
これに対して本発明のクランクシャフト１４においては、内側対向面４５，４６に傾斜面４５ａ，４６ａを形成することによってバランスウエイト３６，３７のバランス性を確保しつつ鍛造加工性も高めることができるとともに内側Ｒ部４７，４８に応力を集中させることなく、耐久性に優れたクランクシャフト１４が得られた。しかも、クランクアーム３４，３５の厚みを大きくすることなく、Ｒ部における過度の応力集中の発生を防止して応力を緩和することかでき、軸長を短くし得る軽量のクランクシャフトが得られることになった。
【００３５】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、本発明のクランクシャフトは単気筒用のクランクシャフトに限られず、一体型であれば多気筒用のクランクシャフトにも適用することができる。また、４サイクルエンジンのみならず、２サイクルエンジンのクランクシャフトとしても本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１１      シリンダ
１２      クランクケース
１３      ピストン
１４      クランクシャフト
１５      コネクティングロッド
３１，３２      ジャーナル
３３      ピン
３４，３５      クランクアーム
３６，３７      バランスウエイト
４１，４２      突き当て段部
４３，４４      突き当てＲ部
４５，４６      内側対向面
４５ａ，４６ａ      傾斜面
４７，４８      内側Ｒ部
５１      硬化層
５２      軟化層
【図１】
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【図２】
2011043208.tif 000004
【図３】
2011043208.tif 000005
【図４】
2011043208.tif 000006
【図５】
2011043208.tif 000007
【図６】
2011043208.tif 000008
【図７】
2011043208.tif 000009