(57)【要約】【課題】アームの軽量化による回転バランスの向上を図りつつ、アームに設けられた凹部の深さに起因する捩り剛性の許容レベル未満への低下を抑制する。【解決手段】クランクジャーナル２とクランクピン３とを繋ぐアーム４において、それらクランクジャーナル２とクランクピン３とのオーバラップに対応する部分には凹部８が設けられる。この凹部８の深さについては、底面８ａの位置がクランクジャーナル２の外径とクランクピン３の外径との接線よりも外側に位置するよう、またアーム４の回転方向の幅がクランクジャーナル２の外径よりも大となるよう設定される。このように凹部８の深さを設定したときには、上記幅が同幅の減少に伴うクランクシャフト１の捩り剛性の低下率が急に大となるときの値よりも大となる。この幅の減少に伴う捩り剛性の低下率が急に大となるときには、クランクシャフト１の捩り剛性が許容レベル未満になると判断される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクジャーナルとクランクピンとを繋ぐアームを備え、このアームの回転方向前面と回転方向後面との少なくとも一方における前記クランクジャーナルと前記クランクピンとのオーバラップ部分に対応する部分に凹部を設けたクランクシャフトにおいて、
前記凹部の深さについては、その凹部の底面の位置が前記クランクジャーナルの外周と前記クランクピンの外周との接線よりも外側になるよう設定されている
ことを特徴とするクランクシャフト。
【請求項２】
クランクジャーナルとクランクピンとを繋ぐアームを備え、このアームの回転方向前面と回転方向後面との少なくとも一方における前記クランクジャーナルと前記クランクピンとのオーバラップ部分に対応する部分に凹部を設けたクランクシャフトにおいて、
前記凹部の深さについては、前記アームの当該凹部が設けられた位置での回転方向の幅が前記クランクジャーナルの外径よりも大となるよう設定されている
ことを特徴とするクランクシャフト。
【請求項３】
クランクジャーナルとクランクピンとを繋ぐアームを備え、このアームの回転方向前面と回転方向後面との少なくとも一方における前記クランクジャーナルと前記クランクピンとのオーバラップ部分に対応する部分に凹部を設けたクランクシャフトにおいて、
前記凹部の深さについては、その深さを変化させたときのクランクシャフトの捩り剛性の変化率が急変する深さよりも浅くなる値に設定されている
ことを特徴とするクランクシャフト。
【請求項４】
前記凹部は、前記アームの回転方向前面と回転方向後面との両方に設けられている
請求項１〜３のいずれかに記載のクランクシャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クランクシャフトに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両等に搭載されるエンジンのクランクシャフトにおいては、クランクジャーナルがエンジンのクランクケースに回転可能に支持されるとともに、クランクピンがクランクジャーナルに対し径方向に所定量だけオフセットした状態でアームによって同ジャーナルと繋がっている。また、クランクピンは、エンジンのピストンに対しコネクティングロッドを介して連結されている。従って、エンジンの駆動時にピストンが往復移動すると、同ピストンに連結されたコネクティングロッドがクランクピンを径方向について押したり引いたりする。その結果、クランクピンがクランクジャーナルの軸線周りで回転し、その回転がアームを介してクランクジャーナルに伝達されることで、クランクシャフト全体がクランクジャーナルの軸線を中心に回転するようになる。
【０００３】
クランクシャフトが回転するとき、同シャフトにはその回転方向にピストンの往復移動に伴う力が働くとともに、同シャフトに連結されたフライホイールやチェーン等の慣性力や回転抵抗による力が上記ピストンの往復移動に伴う力とは逆方向に働く。この互いに逆方向に働く力によってクランクシャフトが捩られ、同シャフトのアームにて応力集中が生じ易くなることから、それに耐えうる捩り剛性が確保されるようアームの大きさや厚さ等が予め設定される。
【０００４】
また、クランクシャフトにおいては、その回転時にクランクピンやアームがクランクジャーナルの軸線から離れた位置で回転するため、クランクシャフト全体としての回転バランスが低下する。このため、クランクシャフトにおいては、アームの位置に対し同シャフトの軸線を中心線とする線対称の位置にカウンタウェイトが設けられ、回転バランスの改善が図られている。ただし、このようにカウンタウェイトを設けたとしても、同ウェイトの質量を大きくすることには限界があり、上記回転バランスの低下を完全に抑制することはできないのが実情である。
【０００５】
ところで、エンジン軽量化の一環として、コネクティングロッドにおけるクランクピンとの連結部分が薄型化されている場合、それに合わせてクランクピンの軸線方向長さが短くされるようになる。この場合、クランクピンが短くなる分だけその端部がクランクジャーナルの端部から軸線方向に離れて位置するようになり、クランクジャーナルとクランクピンとを繋ぐアームについてのクランクシャフトの軸線方向長さが長くなる。このため、クランクシャフトでは、アームの質量が増加してコネクティングロッド軽量化の効果が抑えられてしまうとともに、アームの質量増加分だけクランクシャフトの回転バランスが低下する。
【０００６】
こうした不都合を抑制するためには、アームに凹部を設けるなどして同アームを極力軽量化することが有効であるが、当該凹部を適切に設けないとクランクシャフトの捩り剛性が低下する。このため、非特許文献１に示されるように、アームにおいて凹部を設けることによる捩り剛性への影響が少ない部分、即ちアームの回転方向前面や回転方向後面におけるクランクジャーナルとクランクピンとのオーバラップ部分に対応する部分に凹部を設けることが提案されている。このように凹部を設ける位置を工夫することで、クランクシャフトの捩り剛性の低下を抑制しつつアームの軽量化を図ることができる。
【非特許文献１】発明協会公開技報  公技番号２００２−２９１７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アームにおいて上述した位置に凹部を設けることでクランクシャフトの捩り剛性の低下を抑制しつつアームの軽量化を図ることはできるが、上記捩り剛性はアームにおける凹部の位置だけでなく当該凹部の深さにも影響を受ける。従って、アームにおいて上述した位置に凹部を設けたとしても、当該凹部の深さによってはクランクシャフトの捩り剛性が低下する。このようにクランクシャフトの捩り剛性が低下すると、それに起因した同シャフトの回転方向についての振動、並びに同振動に伴う騒音も無視できない問題となる。
【０００８】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、アームの軽量化による回転バランスの向上を図りつつ、アームに設けられた凹部の深さに起因する捩り剛性の許容レベル未満への低下を抑制することのできるクランクシャフトを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、クランクジャーナルとクランクピンとを繋ぐアームを備え、このアームの回転方向前面と回転方向後面との少なくとも一方における前記クランクジャーナルと前記クランクピンとのオーバラップ部分に対応する部分に凹部を設けたクランクシャフトにおいて、前記凹部の深さについては、その凹部の底面の位置が前記クランクジャーナルの外周と前記クランクピンの外周との接線よりも外側になるよう設定されていることを要旨とした。
【００１０】
凹部の深さが深くなるほどアームの回転方向の幅が狭くなるため、クランクシャフトの捩り剛性は低下する。特に、凹部の底面の位置が上記接線よりも内側になるほど同凹部が深いときには、クランクシャフトの捩り剛性の低下が顕著なものになり、当該捩り剛性が許容レベル未満であると判断することができる。従って、凹部の底面の位置が上記接線よりも外側になるよう同凹部の深さを設定することにより、アームの軽量化による回転バランスの向上を図りつつ、アームに設けられた凹部の深さに起因する捩り剛性の許容レベル未満への低下を抑制することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明では、クランクジャーナルとクランクピンとを繋ぐアームを備え、このアームの回転方向前面と回転方向後面との少なくとも一方における前記クランクジャーナルと前記クランクピンとのオーバラップ部分に対応する部分に凹部を設けたクランクシャフトにおいて、前記凹部の深さについては、前記アームの当該凹部が設けられた位置での回転方向の幅が前記クランクジャーナルの外径よりも大となるよう設定されていることを要旨とした。
【００１２】
凹部の深さが深くなるほどアームの回転方向の幅が狭くなるため、クランクシャフトの捩り剛性は低下する。また、凹部の深さが徐々に深くなってゆくとき、アームの回転方向の幅が所定の値を越えて狭くなると、同幅の減少に伴うクランクシャフトの捩り剛性の低下がそれまでよりも顕著になる。このときにはクランクシャフトの捩り剛性が許容レベル未満であると判断することができる。アームにおける凹部が設けられた位置での回転方向の幅がクランクジャーナルの外径と等しくなるときには、その幅が同幅の減少に伴うクランクシャフトの捩り剛性の低下が顕著になるときの値よりも大きい値をとる。このことから、上記幅がクランクジャーナルの外径よりも大となるときには、クランクシャフトの捩り剛性が許容レベル以上である旨判断することができる。従って、アームの凹部が設けられた位置での回転方向の幅がクランクジャーナルの外径よりも大となるよう凹部の深さを設定することにより、アームの軽量化による回転バランスの向上を図りつつ、アームに設けられた凹部の深さに起因する捩り剛性の許容レベル未満への低下を抑制することができる。
【００１３】
請求項３記載の発明では、クランクジャーナルとクランクピンとを繋ぐアームを備え、このアームの回転方向前面と回転方向後面との少なくとも一方における前記クランクジャーナルと前記クランクピンとのオーバラップ部分に対応する部分に凹部を設けたクランクシャフトにおいて、前記凹部の深さについては、その深さを変化させたときのクランクシャフトの捩り剛性の変化率が急変する深さよりも浅くなる値に設定されていることを要旨とした。
【００１４】
凹部の深さを徐々に深くしてゆくと、アームの回転方向の幅が徐々に狭くなるため、クランクシャフトの捩り剛性が所定の低下率で低下してゆく。そして、アームの回転方向の幅が所定の値を越えて狭くなると、クランクシャフトの捩り剛性が急激に低下することとなる。凹部の深さが、このようにクランクシャフトの捩り剛性の変化率を急変させる値以上の深さであるときには、当該捩り剛性が許容レベル未満であると判断することができる。従って、凹部の深さの変化に伴いクランクシャフトの捩り剛性の変化率が急変するときの同凹部の深さよりも浅くなる値に凹部の深さを設定することにより、アームの軽量化による回転バランスの向上を図りつつ、アームに設けられた凹部の深さに起因する捩り剛性の許容レベル未満への低下を抑制することができる。
【００１５】
請求項４記載の発明では、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記凹部は、前記アームの回転方向前面と回転方向後面との両方に設けられているものとした。
アームの回転方向前面と回転方向後面との両方に凹部が設けられている場合、アームの回転方向の幅が狭くなってクランクシャフトの捩り剛性が低下し易くなる。しかし、上述したように凹部の深さを設定することで、アームの軽量化による回転バランスの向上を図りつつ、アームに設けられた凹部の深さに起因する捩り剛性の許容レベル未満への低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図５に従って説明する。
図１は、自動車用エンジンのクランクシャフト１を示す側面図である。このクランクシャフト１は、エンジンのクランクケースに回転可能に支持されるクランクジャーナル２と、同ジャーナル２に対し径方向に所定量だけオフセットして位置するクランクピン３と、同ピン３をクランクジャーナル２に繋ぐアーム４とを備えている。このアーム４は、一つのクランクピン３につき二つずつ設けられている。そして、二つのアーム４において、一方はクランクピン３の一端部を所定のクランクジャーナル２の端部に繋ぎ、他方はクランクピン３の他端部を別のクランクジャーナル２の端部に繋いでいる。
【００１７】
クランクシャフト１のクランクピン３には、エンジンのピストン５がコネクティングロッド６を介して連結されている。そして、エンジン駆動時にピストン５が往復移動すると、その往復移動がコネクティングロッド６によってクランクピン３におけるクランクシャフト１（クランクジャーナル２）の軸線Ｌ１周りでの回転に変換される。このクランクピン３の回転がアーム４を介してクランクジャーナル２に伝達されることで、クランクシャフト１全体が軸線Ｌ１を中心に回転する。
【００１８】
こうしたクランクシャフト１の回転時には、ピストン５の往復移動に伴う力が働くとともに、同シャフト１に連結されたフライホイールやチェーン等の慣性力や回転抵抗による力が上記ピストン５の往復移動に伴う力とは逆方向に働く。この互いに逆方向に働く力によってクランクシャフト１が軸線Ｌ１を中心に捩られ、アーム４に応力集中が生じ易くなる。同アーム４の大きさや厚さ等は、上述した捩りによる応力集中に耐え得る値に予め設定されている。
【００１９】
また、クランクシャフト１においては、所定のアーム４の位置に対し軸線Ｌ１を中心とする線対称の位置に、アーム４やクランクピン３によるクランクシャフト１の回転バランスの低下を抑制するためのカウンタウェイト７が設けられている。このようにカウンタウェイト７を設けることで、クランクシャフト１の回転バランスの改善が図られるものの、同カウンタウェイト７によっては上記回転バランスの低下を完全に抑制することは困難である。このため、当該回転バランスの低下を少しでも抑制するために、アーム４等を軽量化することが望まれている。
【００２０】
アーム４等の軽量化を図るためにクランクシャフト１においては、アーム４に凹部８が設けられている。以下、この凹部８の詳細について図２〜図５を参照して説明する。
図２は、図１のアーム４を拡大して示したものである。図２に示されるように、クランクシャフト１においては、アーム４によって繋がれたクランクジャーナル２とクランクピン３との間にクランクシャフト１の径方向についてのオーバラップＯＲが生じている。アーム４において、その回転方向前面４ａ及び回転方向後面４ｂ（図には前面４ａのみ図示）のオーバラップＯＲに対応した部分は、凹部を設けることによるクランクシャフト１の捩り剛性への影響が少ない部分であり、この部分に上記凹部８が設けられている。凹部８は、アーム４の回転方向前面４ａ及び回転方向後面４ｂにおける上記オーバラップＯＲに対応する部分の径方向全体に亘って設けられている。この凹部８の内形を図３に示す。なお、図３において、（ａ）は図２の凹部８を矢印Ｚ−Ｚ方向から見た断面図であり、（ｂ）は図２の凹部８を矢印Ｙ−Ｙ方向から見た断面図である。
【００２１】
続いて、凹部８の深さについて説明する。
図４はクランクジャーナル２、クランクピン３、及びアーム４をクランクシャフト１の軸方向から見た状態を示す模式図である。クランクシャフト１は軸線Ｌ１を中心に図中右回転方向に回転するものであって、アーム４においては図中右側面が回転方向前面４ａになるとともに図中左側面が回転方向後面４ｂになる。そして、回転方向前面４ａ及び回転方向後面４ｂにおけるオーバラップＯＲに対応する部分には、それぞれ凹部８が設けられている。
【００２２】
クランクシャフト１の捩り剛性は、アーム４における回転方向の幅Ｗの大きさによって変化し、当該幅Ｗが小になるほど低下することとなる。ここで、アーム４の回転方向の幅Ｗとクランクシャフト１の捩り剛性との関係をグラフに示すと図５のようになる。同図から分かるように、クランクシャフト１の捩り剛性は、幅Ｗが狭くなるにつれて低下するようになる。ただし、当該捩り剛性の低下率は常に一定というわけではなく幅Ｗが所定の値を越えて小さくなったとき急激に大となっていることが分かる。即ち、幅Ｗが広い場合には幅Ｗの減少に伴う捩り剛性の低下率が小であって、幅Ｗが狭い場合には幅Ｗの減少に伴う捩り剛性の低下率が大となる。
【００２３】
アームの幅Ｗは、凹部８の深さによって影響を受ける。即ち、凹部８が深くなるほど、凹部８の底面８ａの位置がクランクジャーナル２及びクランクピン３の中心側に移行することから、アーム４の幅Ｗが狭くなる。そして、アーム４の幅Ｗが狭くなるほど、クランクシャフト１の捩り剛性は低下する。
【００２４】
上記凹部８の深さについては、底面８ａの位置がクランクジャーナル２の外径とクランクピン３の外径との接線ＳＬよりも外側になるよう設定されている。仮に、凹部８の底面８ａが上記接線ＳＬ上に位置するよう当該凹部８の深さが設定されていたとすると、そのときのアーム４における凹部８に対応する位置での回転方向についての幅Ｗは例えば所定値ａとなる。この所定値ａは、図５に示されるように、幅Ｗの減少に対しクランクシャフト１の捩り剛性の低下率が急に大となるときの当該幅Ｗに対応する値となる。凹部８の深さが、幅Ｗの減少に対する捩り剛性の低下率が急に大となるときの値以上の深さであるとき、即ち幅Ｗが所定値ａ未満であるときには、当該捩り剛性が許容レベル未満であると判断することができる。従って、凹部８の深さについて、底面８ａの位置が上記接線ＳＬよりも外側（幅Ｗの増大側）になるよう設定することで、捩り剛性が許容レベル未満となるのを抑制することができる。
【００２５】
更に、凹部８の深さについては、上記幅Ｗがクランクジャーナル２の外径よりも大きくなるようにも設定されている。仮に、上記幅Ｗがクランクジャーナル２の外径と等しくなるよう凹部８の深さが設定されていたとすると、そのときの上記幅Ｗは例えば所定値ｂとなる。この所定値ｂは、図５に示されるように、所定値ａよりも幅Ｗの増大側に位置する値となる。このことから、上記幅Ｗがクランクジャーナル２の外径よりも大きくなるよう凹部８の深さを設定することで、クランクシャフト１の捩り剛性を許容レベル以上とすることができる。
【００２６】
以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）凹部８の深さについては、底面８ａの位置が接線ＳＬよりも外側に位置するよう、またアーム４の幅Ｗがクランクジャーナル２の外径よりも大となるよう設定される。このように凹部８の深さを設定したときには、上記幅Ｗが同幅Ｗの減少に伴うクランクシャフト１の捩り剛性の低下率が急に大となるときの値よりも大となる。即ち、この捩り剛性の低下率が急に大となるときの凹部８の深さよりも浅くなる値に当該凹部８の深さが設定されることとなる。凹部８の深さが、幅Ｗの減少に伴う捩り剛性の低下率が急に大となるときの値以上の深さであるときには、クランクシャフト１の捩り剛性が許容レベル未満であると判断することができる。従って、上記のように凹部８の深さを設定することにより、アーム４の軽量化による回転バランスの向上を図りつつ、当該凹部８の深さに起因するクランクシャフト１の捩り剛性の許容レベル未満への低下を抑制することができる。また、クランクシャフト１の捩り剛性が低下することによる振動や、同振動に伴う騒音も抑制することができる。
【００２７】
（２）凹部８は、アーム４の回転方向前面４ａと回転方向後面４ｂとの両方に設けられている。この場合、アーム４の回転方向の幅Ｗが狭くなり易く、クランクシャフト１の捩り剛性が低下し易くなる。しかし、上述したように凹部８の深さを設定することで、アーム４の軽量化による回転バランスの向上を図りつつ、当該凹部８の深さに起因するクランクシャフト１の捩り剛性の許容レベル未満への低下を抑制することができる。
【００２８】
（３）アーム４の回転方向前面４ａ及び回転方向後面４ｂにおけるクランクジャーナル２とクランクピン３とのオーバラップＯＲに対応する部分は、凹部を形成したときにクランクシャフト１への捩り剛性に影響を与えにくい部分である。このため、当該部分におけるクランクシャフト１の径方向全体に亘って凹部８を形成することで、クランクシャフト１の捩り剛性の許容レベル未満への低下を抑制しながらのアーム４の軽量化を一層好適に行うことができる。
【００２９】
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・アーム４における回転方向前面４ａ及び回転方向後面４ｂにおけるオーバラップＯＲに対応する部分のクランクシャフト１の径方向全体に亘って凹部８を形成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、凹部８の一部のみが上記部分にさしかかるように当該凹部８が形成されていてもよい。
【００３０】
・凹部８をアーム４の回転方向前面４ａと回転方向後面４ｂとのいずれか一方のみに設けてもよい。
・凹部８の深さの設定については、幅Ｗの減少（凹部８の深さの増加）に対するクランクシャフト１の捩り剛性の低下率のみに着目して行い、その低下率が急に大きくなるときの凹部８の深さよりも浅い値を凹部８の深さとして設定してもよい。
【００３１】
・凹部８の深さについては、必ずしも幅Ｗがクランクジャーナル２の外径よりも大となるように設定する必要はない。例えば、幅Ｗがクランクジャーナル２の外径よりも小さくなるが、凹部８の底面８ａが接線ＳＬよりも外側にあるように当該凹部８を設定してもよい。
【００３２】
・凹部８の深さの設定については、必ずしも凹部８の底面８ａの位置が接線ＳＬよりも外側になるようにする必要はない。例えば、回転方向前面４ａと回転方向後面４ｂとの一方の凹部８の底面８ａの位置が接線ＳＬよりも内側になるが、幅Ｗがクランクジャーナル２の外径よりも大となるよう回転方向前面４ａと回転方向後面４ｂとの他方の凹部８の深さを設定してもよい。
【００３３】
次に、以上の実施形態から把握することのできる技術的思想をその効果とともに以下に記載する。
（１）請求項１〜４のいずれかに記載のクランクシャフトにおいて、前記凹部は、前記オーバラップ部分に対応する部分全体に亘る大きさに形成されていることを特徴とするクランクシャフト。
【００３４】
アームの回転方向前面及び回転方向後面におけるクランクジャーナルとクランクピンとのオーバラップ部分に対応する部分は、凹部を形成したときにクランクシャフトの捩り剛性に影響を与えにくい部分である。このため、当該部分全体に亘って凹部を形成することで、クランクシャフトの捩り剛性の許容レベル未満への低下を抑制しながらのアームの軽量化を一層好適に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本実施形態のクランクシャフト全体を示す側面図。
【図２】同クランクシャフトのアームを示す拡大側面図。
【図３】（ａ）は図２の凹部を矢印Ｚ−Ｚ方向から見た断面図であり、（ｂ）は図２の凹部を矢印Ｙ−Ｙ方向から見た断面図である。
【図４】クランクジャーナル、クランクピン、及びアームをクランクシャフトの軸方向から見た状態を示す模式図。
【図５】アームの回転方向の幅とクランクシャフトの捩り剛性との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３６】
１…クランクシャフト、２…クランクジャーナル、３…クランクピン、４…アーム、４ａ…回転方向前面、４ｂ…回転方向後面、５…ピストン、６…コネクティングロッド、７…カウンタウェイト、８…凹部、８ａ…底面。
【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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