(57)【要約】【課題】飛躍的に軽量化を図ることができるレシプロエンジンのクランク軸を提供する。【解決手段】クランク軸は、回転中心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をつなぐクランクアーム部Ａと、このアーム部Ａに設けられた扇形状のカウンターウエイト部Ｗと、を有し、ウエイト部Ｗのジャーナル部Ｊ側の端面の外周縁に、ジャーナルスラスト面Ｊｔの位置を超えて軸方向に突出する凸部Ｏｊが設けられている。【選択図】図１４
2015010642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転中心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クランクアーム部と、このクランクアーム部に設けられた扇形状のカウンターウエイト部と、を有し、レシプロエンジンに搭載されるクランク軸であって、
カウンターウエイト部のジャーナル部側端面の外周縁に、ジャーナルスラスト面の位置を超えて軸方向に突出する凸部が設けられていること
を特徴とするレシプロエンジンのクランク軸。
【請求項２】
さらに、前記カウンターウエイト部のピン部側端面の外周縁に、ピンスラスト面の位置を超えて軸方向に突出する凸部が設けられていること
を特徴とする請求項１に記載のレシプロエンジンのクランク軸。
【請求項３】
回転中心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クランクアーム部と、このクランクアーム部に設けられた扇形状のカウンターウエイト部と、を有し、レシプロエンジンに搭載されるクランク軸であって、
カウンターウエイト部のピン部側端面の外周縁に、ピンスラスト面の位置を超えて軸方向に突出する凸部が設けられていること
を特徴とす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、発電機など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、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。同図に例示するクランク軸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、およびジャーナル部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から構成され、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を有する４気筒−８枚カウンターウエイトのクランク軸である。
【０００４】
以下では、ジャーナル部Ｊ１〜Ｊ５、ピン部Ｐ１〜Ｐ４、アーム部Ａ１〜Ａ８およびウエイト部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およびこのピン部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。
【０００５】
ジャーナル部Ｊ、フロント部Ｆｒおよびフランジ部Ｆｌは、クランク軸１の回転中心と同軸上に配置され、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の一方の軸端であり、タイミングベルトやファンベルト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の他方の軸端であり、フライホイール３が取り付けられる。ウエイト部Ｗは、軸方向から見て扇形状でアーム部Ａと一体化されたものあり、主に重心位置と質量を調整し質量バランスをとる役割を担う。
【０００６】
エンジンの各シリンダ内で燃料が爆発するのに伴い、その爆発による燃焼圧は、ピストンの往復運動をもたらしてクランク軸１のピン部Ｐに作用し、これと同時に、そのピン部Ｐにつながるアーム部Ａを介してジャーナル部Ｊに伝達され、回転運動に変換される。その際、クランク軸１は、弾性変形を繰り返しながら回転する。
【０００７】
クランク軸のジャーナル部を支持する軸受けには潤滑油が存在しており、クランク軸の傾斜や弾性変形に応じ、軸受け内で油膜圧力や油膜厚さが、軸受け荷重やジャーナル部の軸心軌跡と相互に関連しながら変化する。さらに、軸受けにおけるジャーナル部の表面粗さと軸受けメタルの表面粗さに応じ、油膜圧力だけでなく、局部的な金属接触も生じる。油膜厚さの確保は、油切れによる軸受け焼き付きを防止するとともに、局部的な金属接触を防止するために重要であり、燃費性能に影響する。
【０００８】
また、クランク軸の回転に伴う弾性変形や、軸受け内のクリアランスの中で移動する軸心軌跡は、回転中心のズレを生じさせるので、エンジン振動（マウント振動）に影響する。さらにその振動は、車体を伝播して乗車室内のノイズ、乗り心地に影響する。
【０００９】
このようなエンジン性能を向上させるため、クランク軸は剛性が高く、変形し難いことが求められる。これに加えて、クランク軸は軽量化が求められる。
【００１０】
クランク軸は、筒内圧（シリンダ内の燃焼圧）や回転遠心力の荷重が付加されることから、これらの荷重に対する変形抵抗の付与のために、ねじり剛性、曲げ剛性の向上が図られる。クランク軸の設計においては、ジャーナル部の直径、ピン部の直径、ピストンストロークといった主要諸元が決定され、その後にあっては、アーム部の形状設計が残された設計領域となる。このため、アーム部の形状設計により、ねじり剛性と曲げ剛性をともに向上させることが、先ずは重要な要件となる。
【００１１】
さらに、クランク軸は回転体としてスムーズな回転を行えるように、静バランス、動バランスの釣り合いがとれた質量配分が必要である。これらのバランスをとるために、曲げ剛性とねじり剛性の要件から決定されたアーム部側の質量に対し、ウエイト部側の質量を、軽量化を踏まえて調整することが重要な要件となる。
【００１２】
以上の観点からの従来技術としては下記のものがある。
【００１３】
特許文献１には、クランク軸の軽量化を図りつつ、ねじり剛性と曲げ剛性を高めるために、アーム部のピン側表面およびジャーナル側表面の中央部に肉抜き凹部を設ける技術が開示されている。同文献に開示された技術は、アーム部に対する軽量化、高剛性化に着目し、アーム部に対する設計方法を示すものである。つまり、設計上である剛性値の目標が与えられたときに、いかにしてアーム部の軽量化を図るかを示す設計方法であり、また、逆に設計上で軽量化の目標値が与えられたときに、いかにしてアーム部の剛性を上げるかを示す設計方法である。
【００１４】
特許文献２には、クランク軸のアーム部の曲げ剛性を上げるために、ジャーナル部の軸心とピン部の軸心とを結ぶ直線（以下、「アーム部中心線」ともいう）に沿って補強リブを設けたアーム部が開示されている。
【００１５】
特許文献３には、クランク軸の軽量化を図ると同時に、曲げ剛性を上げるために、ピン部を中空とし、その中空部分に補強リブを立て、さらにアーム部にも補強リブを設けることが開示されている。これらの補強リブは、アーム部中心線に沿って設置されたり、アーム部中心線に対し、最大燃焼圧の負荷される角度の分を傾斜させて設置されたりする。
【００１６】
特許文献４には、カウンターウエイト部を軸方向から見たときの形状に着目し、アーム部中心線に対し、ジャーナル部の軸心（回転中心）を中心とするウエイト部の重心の配置角度が、最大燃焼圧の負荷されるクランク角（２０°程度）の分シフトするように、ウエイト部形状がアーム部中心線を境界にして左右非対称とされることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００９−１３３３３１号公報
【特許文献２】特開２０００−３２０５３１号公報
【特許文献３】実開昭６１−１３３１１５号公報
【特許文献４】特許第２８６６３７９号公報
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】石川義和，「自動車用ガソリンエンジン設計の要諦」，山海堂，２００３年，ｐ．７６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
確かに、前記特許文献１〜４に開示された技術によれば、クランク軸の軽量化と曲げ剛性の向上を図ることができる。しかし、特にクランク軸の軽量化については、それらの従来技術では限界があり、その技術革新が強く望まれている。
【００２０】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、飛躍的に軽量化を図ることができるレシプロエンジンのクランク軸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】
【００２１】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記に示すレシプロエンジンのクランク軸を要旨とする。
【００２２】
回転中心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クランクアーム部と、このクランクアーム部に設けられた扇形状のカウンターウエイト部と、を有し、レシプロエンジンに搭載されるクランク軸であって、
カウンターウエイト部のジャーナル部側端面の外周縁に、ジャーナルスラスト面の位置を超えて軸方向に突出する凸部が設けられていることを特徴とするレシプロエンジンのクランク軸である。
【００２３】
また、上記のクランク軸は、前記凸部に加え、または前記凸部代えて、前記カウンターウエイト部のピン部側端面の外周縁に、ピンスラスト面の位置を超えて軸方向に突出する凸部が設けられている構成とすることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、ウエイト部の外周縁に凸部を設けることにより、ウエイト部全体の質量モーメントが効率良く増大するため、設計段階でクランク軸の軽量化を飛躍的に図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】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】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３】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り、同図（ａ）は１スローの側面図を、同図（ｂ）はその軸方向視での正面図をそれぞれ示す。
【図４】クランク軸のバランス設計に用いるアーム部およびバランス部の諸設計値の代表例を模式的に示す図である。
【図５】ウエイト部の基本的な形状を模式的に示す図であり、同図（ａ）は軸方向視での正面図を、同図（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。
【図６】従来の手法により質量モーメントを調整する場合のウエイト部の形状を模式的に示す図であり、同図（ａ）は軸方向視での正面図を、同図（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。
【図７】本発明で質量モーメントを調整する場合のウエイト部の形状を模式的に示す図であり、同図（ａ）は軸方向視での正面図を、同図（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。
【図８】本発明で質量モーメントを調整する場合のウエイト部の形状を模式的に示す図であり、同図（ａ）は軸方向視での正面図を、同図（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。
【図９】従来の手法により質量モーメントを調整する際のウエイト部の質量Ｍ、重心半径ａおよび質量モーメントＭａのそれぞれと中心角θとの関係を示す図である。
【図１０】図９の一部を拡大した図であって、従来手法の一例としてウエイト部の中心角θを６０°から９０°に増加させたときの諸量の変化状況を説明するための図である。
【図１１】本発明のウエイト部における凸部の重心半径ａzの求め方を説明する図である。
【図１２】本発明のウエイト部全体の重心半径ａtの求め方を説明する図である。
【図１３】図９の一部を拡大した図であって、本発明のウエイト部の一例として、中心角θが６０°のままで、ウエイト部の外周縁に凸部を付加し、ウエイト部の質量を５０％増加させたときの諸量の変化状況を説明するための図である。
【図１４】本発明のクランク軸におけるウエイト部形状の一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は軸方向視での正面図を、同図（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。
【図１５】本発明のクランク軸におけるウエイト部形状の別例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は軸方向視での正面図を、同図（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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。
【００２７】
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２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。同図に示すように、クランク軸の各スローについて、シリンダ内での点火・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が軸受けで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。
【００２８】
ピン部Ｐおよびジャーナル部Ｊの各直径が設計諸元として既に指定されている場合、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（１）式で示すように、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）
【００２９】
１−２．アーム部のねじり剛性
図３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り、同図（ａ）は１スローの側面図を、同図（ｂ）はそ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、同図に示すように、ねじりトルクＴが発生する。そこで、クランク軸のねじり振動に対し、共振を起こすことなくスムーズな回転を確保するために、アーム部Ａのねじり剛性を高めることが必要である。
【００３０】
ピン部Ｐおよびジャーナル部Ｊの各直径が設計諸元として既に指定されている場合、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（２）式で示すように、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）
【００３１】
１−３．カウンターウエイト部
クランク軸は回転運動するが、回転体として静バランスと動バランスのそれぞれの釣り合いをとることが、スムーズな回転を実現する上で重要となる（後述する（３）式、（４）式参照）。そのためには、クランク回転軸（回転中心であるジャーナル部の軸心）を基本線とし、アーム部側の質量およびその重心位置と、ウエイト部側の質量およびその重心位置について、バランスが必要である。アーム部側については、上記１−１項および１−２項で説明した剛性に対する要件と、さらに軽量化の観点から形状が決まり、まずアーム部側の質量およびその重心位置が決定される。そして、次にウエイト部側でバランスがとれるように質量、その重心位置および質量モーメントを調整する必要がある。
【００３２】
１−４．クランク軸のバランス
クランク軸は回転体であるので、以上に示した設計方法のほかに、基礎技術として、回転軸に対して、静バランスと動バランスをとり、さらにバランス率を満足することが、回転運動を滑らかにするために必須の設計条件となる。これらの条件をウエイト部の重量配分で調整し満足することが、クランク軸を設計する上での前提条件である。
【００３３】
１−４−１．静バランス
図４に示すように、直列４気筒エンジンに搭載される８枚カウンターウエイトのクランク軸を例に挙げ、クランク軸の静バランスを説明する。静バランスを検討するにあたり、各アーム部、各ウエイト部の質量と重心半径をそれぞれ次のとおりに定義する。
アーム部の質量：ＭAj、
アーム部の重心半径：ａAj、
ウエイト部の質量：ＭWj、
ウエイト部の重心半径：ａWj。
ここで、「ｊ」は、クランク軸のフロント部側から順に付したアーム部、ウエイト部の番号であり、４気筒エンジン用クランク軸の場合、ｊ＝１、・・・、８である。
【００３４】
なお、図４には、フロント部側から３番目の第３アーム部Ａ３、第３ウエイト部Ｗ３の諸設計値を代表的に例示している。
【００３５】
この場合に、静バランスをとるとは、下記の（３）式を満足することである。
【００３６】
【数１】
2015010642.tif 000003
【００３７】
同式中、「ＭWj×ａWj」はウエイト部の質量モーメントを意味する。
【００３８】
１−４−２．動バランス
同様に図４に示すクランク軸を例に挙げ、クランク軸の動バランスを説明する。動バランスを検討するにあたり、さらにクランク軸の回転軸のある１点を基点とし、各アーム部の重心までの軸方向の距離、各ウエイト部の重心までの軸方向の距離をそれぞれ次のとおりに定義する。
アーム部の重心までの距離：ＬAj、
ウエイト部の重心までの距離：ＬWj。
ここで、「ｊ」は、上記（３）式と同様に、４気筒エンジン用クランク軸の場合、ｊ＝１、・・・、８である。
【００３９】
この場合に、動バランスをとるとは、下記の（４）式を満足することである。
【００４０】
【数２】
2015010642.tif 000004
【００４１】
上記（３）式、（４）式は、従来から行われている静バランス、動バランスの設計方法であり、それぞれクランク軸の各アーム部、各ウエイト部の重心に対して和を求め、その和が０（ゼロ）になるようにクランク軸の形状を調整し設計する。
【００４２】
１−４−３．バランス率
クランク軸のピン部を含む（厳密にはコンロッドの一部も含む）アーム部側の質量モーメントに対するウエイト部側の質量モーメントの割合をバランス率と呼ぶ。バランス率がある一定範囲内であることが、燃焼圧による荷重を受けるクランク軸のスムーズな回転に寄与するので、ウエイト部の質量は０（ゼロ）を含まないある範囲内で付加することが必要である。そのため、ウエイト部を小さくして軽量化するには限度がある。したがって、剛性確保のためにアーム部の質量の調整が必要である一方、静バランスと動バランスの確保のためにウエイト部の質量の調整が必要であるが、バランス率に下限があるため、クランク軸の軽量化に際しては、適切な質量が総合的に決定される。
【００４３】
２．本発明のクランク軸
２−１．概要
静バランス、動バランス、バランス率といった物理量を調整するに当たり、ウエイト部の質量ＭWjと重心半径ａWjを乗じた質量モーメント「ＭWj×ａWj」の大きさがそれらの物理量に効き、クランク軸の性能に影響を及ぼす。したがって、例えば質量モーメント「ＭWj×ａWj」を一定としたとき、それらの物理量は一定になるが、ウエイト部の重心半径ａWjを大きくとることができれば、ウエイト部の質量ＭWjを小さくできるので、クランク軸の質量を減少することができる。すなわち、静バランス、動バランス、バランス率を一定にした状態でクランク軸の軽量化を図るには、ウエイト部の重心半径ａWjを大きくすればよいことになる。
【００４４】
要するに、ウエイト部の重心半径ａWjの拡大がクランク軸の軽量化をもたらす。このためには、ジャーナル部の軸心（クランク回転軸）から離れた位置にウエイト部の質量を多く配置すればよいが、クランク軸の回転半径の制限から、上限が存在する。そこで、ウエイト部の質量を限られた範囲内に多く配置するには、定性的に言えばウエイト部の板厚の厚肉化が有効であるといえる。
【００４５】
この点、本発明のクランク軸は、ウエイト部のジャーナル部側の端面の外周縁に、ジャーナルスラスト面の位置を超えて軸方向に突出する凸部が設けられたり、ウエイト部のピン部側の端面の外周縁に、ピンスラスト面の位置を超えて軸方向に突出する凸部が設けられたりしたものである。すなわち、本発明のクランク軸は、ウエイト部外周縁の凸部がジャーナル部やピン部の領域までオーバーハングし、これにより、ウエイト部の外周縁の板厚が凸部によって従来よりも著しく厚肉化されたものである。これにより、ウエイト部の重心半径ａWjが効率的に拡大されることから、凸部を除くウエイト部の領域で質量減少が許容され、ウエイト部の軽量化、ひいてはクランク軸の軽量化を飛躍的に図ることができる。
【００４６】
２−２．カウンターウエイト部のオーバーハングによる軽量化の一般表示
図５は、ウエイト部の基本的な形状を模式的に示す図であり、同図（ａ）は軸方向視での正面図を、同図（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。ウエイト部Ｗは扇形状であり、その中心角、質量、外周半径および重心半径をそれぞれ以下のとおりに定義する。
中心角：θ、質量：Ｍ、外周半径：Ｒ、重心半径：ａ。
【００４７】
図６は、従来の手法により質量モーメントを調整する場合のウエイト部の形状を模式的に示す図であり、同図（ａ）は軸方向視での正面図を、同図（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。従来、ウエイト部Ｗの質量モーメントを調整するために質量ｍを付加する場合、ウエイト部Ｗの中心角θの外側に付加質量ｍを配置する（図６中の斜線部参照）。その際、その付加質量ｍの半分の質量（２／ｍ）を均等に分配するとすれば、付加質量ｍが中心角θの外側に配置されているため、付加質量ｍ（＝ｍ／２＋ｍ／２）の重心半径ａmは、質量Ｍのもともとのウエイト部Ｗの重心半径ａよりも小さな値にならざるを得ない。
【００４８】
その上、質量ｍの付加が多いほど、個々の付加質量（ｍ／２）の設置角度αが広がり、これに伴って、全体の付加質量ｍ（＝ｍ／２＋ｍ／２）の重心位置がジャーナル部Ｊの軸心Ｊｃに近付くことから、重心半径ａmが一層小さくなる。このため、質量モーメントの調整効率がますます下がる事態が避けられない。
【００４９】
このとき、ウエイト部全体の重心半径ａtcは、下記の（５）式で表わされる。付加質量ｍの重心半径ａmが小さいので、ウエイト部全体の重心半径ａtcも小さくならざるを得ない。
ａtc＝（Ｍ×ａ＋ｍ×ａm）／（Ｍ＋ｍ）  …（５）
【００５０】
図７、図８は、本発明で質量モーメントを調整する場合のウエイト部の形状を模式的に示す図であり、同図（ａ）は軸方向視での正面図を、同図（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。図７に示すウエイト部Ｗは、ジャーナル部Ｊ側の端面の外周縁に凸部Ｏｊが設けられ、この凸部Ｏｊにより質量ｍが付加されている（図７中の斜線部参照）。この凸部Ｏｊは、クランク軸の軸方向にジャーナル部Ｊのスラスト面Ｊｔの位置を超えて突出し、ジャーナル部Ｊの領域までオーバーハングした状態で、ウエイト部Ｗと一体化されている。
【００５１】
一方、図８に示すウエイト部Ｗは、ピン部Ｐ側の端面の外周縁に凸部Ｏｐが設けられ、この凸部Ｏｐにより質量ｍが付加さている（図８中の斜線部参照）。この凸部Ｏｐは、クランク軸の軸方向にピン部Ｐのスラスト面Ｐｔの位置を超えて突出し、ピン部Ｐの領域までオーバーハングした状態で、ウエイト部Ｗと一体化されている。
【００５２】
なお、図７、図８に示す凸部Ｏｊ、Ｏｐは、説明の簡素化のために同心円周上に設けられ、また、断面が矩形状になっているが、同心円周上でなくてもよく、また断面が矩形状でなくてもよい。すなわち、これらの形状に限定したものでは無く、オーバーハングして設けられることが要点である。
【００５３】
図７、図８に示すように、質量がＭのウエイト部Ｗに質量がｍの凸部Ｏｊ、Ｏｐを付加する場合、凸部Ｏｊ、Ｏｐの質量ｍは、ウエイト部Ｗの中心角θの内側に配置され、しかも、ジャーナル部Ｊの軸心Ｊｃから離れた位置に配置されることになる。このため、凸部Ｏｊ、Ｏｐの重心半径ａhを大きくすることができる。このことから、凸部Ｏｊ、Ｏｐの重心半径ａhと、前記図６に示す従来手法による付加質量ｍの重心半径ａmとの大小関係は、下記の（６）式のようになる。
ａh  ＞  ａm  …（６）
【００５４】
このとき、ウエイト部全体の重心半径ａthは、下記の（７）式で表わされる。
ａth＝（Ｍ×ａ＋ｍ×ａh）／（Ｍ＋ｍ）  …（７）
【００５５】
そして、上記（５）〜（７）式の関係から、下記の（８）式が導き出される。
ａth  ＞  ａtc  …（８）
【００５６】
上記（８）式より、本発明のウエイト部全体の重心半径ａthは、従来手法によるウエイト部全体の重心半径ａtcよりも大きくなる。すなわち、付加質量ｍが同じでも、本発明の方が従来手法によるよりも、ウエイト部全体の重心半径を効率的に大きくできる。これは同じ付加増加ｍで質量モーメントを効率的に大きくできるという、本発明の利点である。このことは、別の設計上の観点から、従来手法によるよりも小さな質量の付加で同一質量モーメントを得ることができ、また、もともとのウエイト部の領域で質量減少を許容することができると言い換えられる。すなわち、本発明はカウンターウエイト部の軽量化、ひいてはクランク軸の軽量化に有用である。
【００５７】
２−３．具体例
２−３−１．カウンターウエイト部の重量を５０％増加する場合
ウエイト部を単純な扇形と見なすと、ウエイト部Ｗの質量Ｍ、重心半径ａ、質量モーメントＭａの間には、下記の（９）〜（１１）式に示す関係がある（非特許文献１参照）。
Ｍ＝１／２×ｂ×ρ×θ×Ｒ2  …（９）
ａ＝２／３×｛ｓｉｎ（θ／２）／（θ／２）｝×Ｒ  …（１０）
Ｍａ＝Ｍ×ａ  …（１１）
同式中、ｂ：ウエイト部の厚さ（板厚）、ρ：密度である。
【００５８】
図９は、従来の手法により質量モーメントを調整する際のウエイト部の質量Ｍ、重心半径ａおよび質量モーメントＭａのそれぞれと中心角θとの関係を示す図である。ウエイト部の質量モーメントを調整するとき、従来手法による場合は、前記図６に示すように、ウエイト部Ｗの両側に質量ｍを分配して付加し、ウエイト部Ｗの開きの中心角θを拡大させる。図９では、上記（９）〜（１１）式を用い、中心角θの変化に対するウエイト部の質量Ｍ、重心半径ａおよび質量モーメントＭａのそれぞれの変化を、ウエイト部の中心角θが１８０°のときを基準（１）とした比率で示している。
【００５９】
図９に示すように、ウエイト部の中心角θが増加すると、質量Ｍは、中心角θに比例して直線的に増加する。重心半径ａは、中心角θが０°のときに約１．６であり、中心角θの増加に伴って単調に減少する。その結果、質量モーメントＭａは、中心角θの増加に伴って増加するものの、中心角θが１８０°の近辺では飽和する傾向を示す。つまり、ウエイト部の扇形の中心角θを増加させる従来手法では、中心角θが大きくなると、質量Ｍは増加する一方、質量モーメントＭａの増加の仕方は次第に減少する。このため、従来手法は、質量モーメントＭａを効率的に増加させる手法として効果的であるとはいえない。
【００６０】
ここで、中心角θが６０°のウエイト部をベースにし、その中心角θを９０°に増加させる場合を例に挙げて考える。
【００６１】
図１０は、図９の一部を拡大した図であって、従来手法の一例としてウエイト部の中心角θを６０°から９０°に増加させたときの諸量の変化状況を説明するための図である。同図に示すように、ベースとしてウエイト部の中心角θが６０°のとき、質量Ｍは０．３３３であり、この質量Ｍを５０％増加させて０．５にする状況、すなわち中心角θを９０°に増加させる状況を考える。このときの重心位置ａは、１．５０１から１．４１５に減少し、これにより、質量モーメントＭａは、０．５から０．７０８に２９．２％増加する。すなわち、質量Ｍの増加量が５０％であるのに対し、質量モーメントＭａの増加量は２９．２％に止まり、質量Ｍの増加量に対する質量モーメントＭａの増加量で表される質量モーメント増加効率は約５８％となる。
【００６２】
一方、前記図７に示す本発明のようにオーバーハングを許容し、中心角θが６０°のままで、ウエイト部Ｗの外周縁に質量がＭ／２の凸部Ｏｊを付加して、ウエイト部Ｗの質量Ｍを５０％増加させる場合について考える。
【００６３】
図１１は、本発明のウエイト部における凸部の重心半径ａzの求め方を説明する図である。図１２は、本発明のウエイト部全体の重心半径ａtの求め方を説明する図である。
【００６４】
この場合、上記（９）式より、凸部の半径Ｒxは、下記の（１２）式、（１３）式で表される。
Ｍ／２＝１／２×ｂ×ρ×θ×Ｒx2  …（１２）
Ｒx＝１／√２×Ｒ  …（１３）
【００６５】
上記（１０）式および（１３）式より、凸部の領域を取り除いた半径がＲxの小さい扇形の重心半径ａxは、下記の（１４）式で表される。
ａx＝１／√２×ａ  …（１４）
【００６６】
図１１に示すように、凸部と半径Ｒxの扇形を足し合わせると、ウエイト部と同じ半径がＲの扇形ができることから、質量モーメントの釣り合いに基づき、オーバーハングした凸部の重心半径ａzは、下記の（１５）式を満たす。
Ｍ×ａ＝Ｍ／２×ａx＋Ｍ／２×ａz  …（１５）
【００６７】
この（１５）式より、凸部の重心半径ａzは、下記の（１６）式で示される。
ａz＝２ａ−ａx＝（２−１／√２）×ａ  …（１６）
【００６８】
そして、図１２に示すように、半径Ｒのもとのウエイト部の質量Ｍと凸部の質量Ｍ／２を複合した本発明のウエイト部全体の重心半径ａtは、下記の（１７）式を満足する。
（Ｍ＋Ｍ／２）×ａt＝Ｍ×ａ＋Ｍ／２×ａz  …（１７）
【００６９】
この（１７）式に、上記（１６）式を代入すると、下記の（１８）式が導かれる。
ａt＝２／３×｛１＋（２−１／√２）／２｝×ａ≒１．０９８×ａ  …（１８）
【００７０】
本発明のウエイト部の一例として、中心角θが６０°のままで、ウエイト部の外周縁に凸部を付加し、ウエイト部の質量を５０％増加させる場合、（１８）式より、ウエイト部全体の重心位置ａtは、もとのウエイト部の重心位置ａよりも約１０％大きくなる。
【００７１】
図１３は、図９の一部を拡大した図であって、本発明のウエイト部の一例として、中心角θが６０°のままで、ウエイト部の外周縁に凸部を付加し、ウエイト部の質量を５０％増加させたときの諸量の変化状況を説明するための図である。同図に示すように、ベースとしてウエイト部の中心角θが６０°のときの質量Ｍが０．３３３であるところ、上述のとおり、ウエイト部に凸部を付加して、ウエイト部の質量Ｍを５０％増加させる状況を考える。
【００７２】
このときの重心位置ａ（ａt）は、上記（１８）式より、１．５０１から１．６４８に増加し、これにより、質量モーメントＭａは、０．５から０．８２４に６４．８％増加する。すなわち、質量Ｍの増加量が５０％であるのに対し、質量モーメントＭａの増加量は６４．８％と著しく上昇する。したがって、本発明は、質量モーメント増加効率（質量モーメントの増加量／質量の増加量）が約１２９．６％となり、従来手法よりも効率良く質量モーメントを増大できることが分かる。
【００７３】
２−３−２．カウンターウエイト部と周辺部品の形状例
クランク軸は、ピン部にコンロッドの大端部が取り付けられ、ジャーナル部がエンジンブロックのジャーナル軸受けによって支持される。コンロッド大端部およびジャーナル軸受けはいずれも半割りである。
【００７４】
クランク軸のウエイト部に、ピン部の領域までオーバーハングした凸部が設けられている場合、凸部の存在しない方から半割りのコンロッド大端部を個々に装着すれば、ピン部にコンロッド大端部を取り付けることができる。一方、クランク軸のウエイト部に、ジャーナル部の領域までオーバーハングした凸部が設けられている場合、凸部の存在しない方からジャーナル部を半割りのジャーナル軸受けに挿入し、クランク軸を半回転させてから半割りの他方のジャーナル軸受けを装着すれば、ジャーナル部をエンジンブロックのジャーナル軸受けによって支持した状態に組み付けることができる。したがって、ウエイト部に凸部が設けられていても、周辺部品の組み付けに支障はない。
【００７５】
ただし、クランク軸はエンジン内で回転するため、回転中に、凸部がジャーナル軸受けの支持ブロックに干渉したり、コンロッドのロッド本体に干渉したりしないように、寸法設計を行う必要がある。これは、ジャーナル軸受けの支持ブロックに凹部を形成したり、コンロッドのロッド本体の厚みを小さくしたり、ウエイト部の凸部の突出高さを制限したりすることで可能である。
【００７６】
図１４は、本発明のクランク軸におけるウエイト部形状の一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は軸方向視での正面図を、同図（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。同図では、クランク軸がエンジンに組み込まれた状態、すなわち、ピン部Ｐにコンロッド４が取り付けられ、ジャーナル部Ｊがエンジンブロックのジャーナル軸受け５ａによって支持された状態を示している。
【００７７】
同図に示すウエイト部Ｗは、前記図７に示すウエイト部の概念を活用したものであり、ジャーナル部Ｊ側の端面の外周縁に、ジャーナルスラスト面Ｊｔの位置を越える凸部Ｏｊが設けられている。クランク軸において、そのような凸部Ｏｊ付きのウエイト部Ｗは、ピン部Ｐの配置角が同一のスロー（例：４気筒−８枚カウンターウエイトのクランク軸の場合、第１スローと第４スロー、または第２スローと第３スロー）に設置される。エンジンブロックへのクランク軸の組み込みを可能にするためである。もっとも、アーム部のいずれか１つに、凸部Ｏｊ付きのウエイト部Ｗが設置されてもよい。このようなクランク軸は、凸部Ｏｊによってウエイト部Ｗ全体の質量モーメントが効率良く増大するため、設計段階で予め軽量化を図ることが可能である。
【００７８】
この場合、図１４（ｂ）に示すように、エンジンブロックにおけるジャーナル軸受け５ａの支持ブロック５ｂには凹部５ｃが形成されており、ウエイト部Ｗの凸部Ｏｊとの干渉が防止されている。
【００７９】
図１５は、本発明のクランク軸におけるウエイト部形状の別例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は軸方向視での正面図を、同図（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。同図でも、前記図１４と同様に、クランク軸がエンジンに組み込まれた状態を示している。
【００８０】
同図に示すウエイト部Ｗは、前記図８に示すウエイト部の概念を活用したものであり、ピン部Ｐ側の端面の外周縁に、ピンスラスト面Ｐｔの位置を越える凸部Ｏｐが設けられている。クランク軸において、そのような凸部Ｏｐ付きのウエイト部Ｗは、スローのすべてに設置されてもよいし、選択したアーム部に設置されてもよい。ピン部Ｐへのコンロッド大端部４ｂの取付けに支障はないからである。このようなクランク軸は、凸部Ｏｐによってウエイト部Ｗ全体の質量モーメントが効率良く増大するため、設計段階で予め軽量化を図ることが可能である。
【００８１】
この場合、図１５（ｂ）に示すように、ウエイト部Ｗの凸部Ｏｐとコンロッド４のロッド本体４ａとが干渉しないように、ロッド本体４ａの厚みが小さく設計されている。ウエイト部Ｗの凸部Ｏｐの突出高さを制限することでも構わない。
【００８２】
なお、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気筒および１０気筒のいずれでもよく、さら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、対向配置など特に問わない。エンジンの燃料も、ガソリン、ディーゼル、バイオ燃料など種類を問わない。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】
【００８３】
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】
【００８４】
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、
Ｊｔ：ジャーナルスラスト面、
Ｐ、Ｐ１〜Ｐ４：ピン部、    Ｐｔ：ピンスラスト面、
Ｆｒ：フロント部、    Ｆｌ：フランジ部、
Ａ、Ａ１〜Ａ８：クランクアーム部、
Ｗ、Ｗ１〜Ｗ８：カウンターウエイト部、
Ｏｊ、Ｏｐ：カウンターウエイト部の凸部、
２：ダンパプーリ、    ３：フライホイール、
４：コネクティングロッド、    ４ａ：ロッド本体、    ４ｂ：大端部、
５ａ：ジャーナル軸受け、    ５ｂ：支持ブロック、    ５ｃ：凹部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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