| 【発明の名称】 |
クランク軸構造 |
| 【発明者】 |
【氏名】山内 孝宏
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| 【要約】 |
【課題】クランクピンに設けるマス抜用中空穴を、クランク軸に生じる剪断応力が均等化して剛性のバランスが良くなる形状に形成し、捩じり剛性のバランスを取りながら効率よく軽量化することができるクランク軸構造を提供する。
【解決手段】クランク軸20のクランクアーム34の肩部34ａから該クランクピン22の中心側に向かってマス抜用中空穴10ａ，10ｂを形成するクランク軸構造において、前記マス抜用中空穴10ａ，10ｂの軸線Ｘａ，Ｘｂを、平面視でクランクピン22の軸線Ｄに対して、最大捩じりトルクＴAmaxが作用した時には、最大剪断応力τt が発生する側Ａ1 ，Ａ2 の肉厚が、最小捩じりトルクＴCminが作用した時に剪断応力τc が発生する側Ｂ3 ，Ｂ4 の肉厚よりも厚くなるように傾斜させて、前記マス抜用中空穴10ａ，10ｂを形成する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 クランク軸のクランクアームの肩部から該クランクピンの中心側に向かってマス抜用中空穴を形成するクランク軸構造において、前記マス抜用中空穴の軸線を、平面視でクランクピンの軸線に対して、機関通常運転時に最大捩じりトルクが作用した時に、最大剪断応力が発生する側の肉厚が、最小捩じりトルクが作用する時の剪断応力が発生する側、即ち、前記マス抜用中空孔に対し対峙した側の肉厚よりも厚くなるように傾斜させて、前記マス抜用中空穴を形成したことを特徴とするクランク軸構造。
【請求項２】 前記クランクピンの両側のクランクアームの肩部からそれぞれ削孔する２つの前記マス抜用中空穴の前記軸線を同一面内に配して、前記マス抜用中空穴を設けたことを特徴とする請求項１記載のクランク軸構造。
【請求項３】 該クランク軸に加わると予測される捩じりトルクの最大ピークの絶対値と最小ピークの絶対値との差の拡大と共に、平面視において、前記マス抜用中空穴の軸線が、前記クランクピンの軸線に対して傾斜する傾斜角を拡大して、前記マス抜用中空穴を設けることを特徴とする請求項１又は２記載のクランク軸構造。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は自動車のエンジン等のクランク軸において、軽量化を促進したクランク軸構造に関するものである。
【０００２】より詳細には、捩じり剛性を勘案した合理的な軽量化穴の加工形状を有するクランク軸構造に関する。
【０００３】
【従来の技術】自動車においては、燃費の向上や積載量の増加に対する要求が強まると共に、エンジンの軽量化が要求されており、しかも、この要求は、年々強いものとなっている。そのため、ピストンの往復運動をコンロッドを介して回転運動に変えるためのクランク軸構造に対しても軽量化が要求され、促進されてきている。
【０００４】このクランク軸構造は、図６〜図７に示すように、クランクジャーナル31、クランクピン32、バランスウエイト33、クランクアーム34、出力用フランジ部35、補機駆動用軸部36等で構成され、プレス型鍛造、あるいは、炭素鋼や特殊鋼などの鍛造と必要に応じた部分的な高周波焼き入れ等の熱処理により製造される。
【０００５】また、このクランクピン32の反対側に釣り合い用のバランスウエイト33を一体成形やボルトで結合される分割式でクランクアーム34に設けて、クランク軸40の回転の際のバランスを取っている。
【０００６】更に、クランクピン32とコンロッドとの間の潤滑を行なうために、クランクジャーナル31からの潤滑油を油孔37ｂ経由で供給できるように、クランクアーム34からクランクピン32の内部に油孔（油路）37ａをドリルで削孔している。
【０００７】そして、このクランク軸の軽量化のためと、回転運動部質量の低減を目的として、クランクピンにマス（質量）抜用中空孔を設けることが、クランク軸に対して行なわれている。
【０００８】Ｖ型エンジンのクランク軸においては、このマス抜用中空穴11ａ，11ｂは、図７、図８に示すように、クランクピン42内部にクランクアーム34の肩部34ａからクランク軸40の軸線Ｃに向かって設けられているが、この加工軸でもある軸線Ｙａ，Ｙｂは、図７に示すように、平面視、即ち、クランクピン42の軸線Ｄがクランク軸31の軸線Ｃの上側に来て、軸線Ｄと軸線Ｃとが同一直線上になる位置で、上側から見下ろす場合には、クランク軸40の軸線Ｃに対して傾斜したＶ字形状を形成し、また、図８に示す側面視においても、軸線Ｙａ，Ｙｂの先端がクランク軸40の軸線Ｃに向かうＶ字形状に形成される。
【０００９】この平面視における軸線Ｙａ，ＹｂのＶ字形状は、以前から設けられているクランクピン42を貫通する油孔37ａとの干渉を避けて、油穴37ａに沿って加工軸を設けたためである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】一方、実際の自動車のエンジンにおいては、クランク軸に作用する捩じりトルクは、図４に示すように、駆動トルクである平均トルクＴAmで示す周期的な爆発荷重とクランク軸系の共振によって生じる横軸のクランク角度によって変化する点線ＴB で示すようなトルク変動（捩じり振動）が伴っており、これらが加え合わさった実線ＴA で示すような変動トルクとなっている。
【００１１】通常の運転時では、この変動トルクＴB に平均トルクＴAmが加わるので、総合的な捩じりトルクＴA は、＋（プラス）側の最大値ＴAmaxの絶対値の方が、−（マイナス）側の最小値ＴAminの絶対値より大きくなるため、最大捩じり応力が発生するのは、＋側の最大値ＴAmaxの場合となる。
【００１２】従って、図１０に示すように、マス抜用中空穴12ａ，12ｂの軸線Ｚａ，Ｚｂを、クランクピン52の軸線Ｄ上に設けた場合では、クランク軸50に捩じりトルクＴA が作用すると、クランクピン52に発生する剪断応力は、回転方向トルクの最大剪断応力（Ａ1 ，Ａ2 ）が反回転方向の最大剪断応力（Ｂ3 ，Ｂ4 ）よりも大きくなる。
【００１３】特に、図７、図８に示すような、マス抜用中空穴11ａ，11ｂの軸線が、平面視でＶ形となる場合、即ち、図９に示す点線のマス抜用中空穴11ａ，11ｂを形成した場合には、クランク軸40に作用する捩じりトルクＴA によって、ＴAmaxが作用するＡ1 ，Ａ2 側の片方のＡ1 側の肉厚が薄くなり、また、ＴAminが作用するＢ3 ，Ｂ4 側の片方のＢ4 の肉厚が厚くなり、ＴAmax時、Ａ1 部がＡ2 部より剪断応力が大きくなる。また、ＴAmin時ではＢ3 部がＢ4 部より剪断応力が大きくなる。しかし、通常の運転時による捩じりトルクは、＋振幅側のトルクが−側のトルクより大きいため、最大剪断応力はＡ1 部＞Ｂ3 部となる。
【００１４】そのため、最大剪断応力が発生するため強度が必要な、Ａ1 部位において、肉厚が薄く、発生する剪断応力がＡ1 部位より低いＢ4 部位において肉厚が厚くなるという、強度上好ましくない状態が発生する。そのため、軽量化を促進した時に、図９の特にＡ１部分の強度が不足し、捩じり剛性に関して強度上で不利となるという問題がある。
【００１５】また、実開昭５６−１２１２１号公報には、クランク軸のクランクアームの肩部からマス抜用中空穴を開口し、この中空穴の先端からクランク軸の軸受け油孔へ連通する油孔を削孔し、この油孔経由でピストン部に潤滑油の供給を円滑に行なうクランク軸構造が提案されている。
【００１６】しかしながら、この実開昭５６−１２１２１号公報のクランク軸構造の場合には、このマス抜用中空孔は、各油孔の通路の一部を構成することになるために、閉塞用のプラグが設けられ、マス抜用中空孔内には潤滑油が充満することになる。そのため、完全な中空孔と比較して、潤滑油及びプラグの質量分だけ、慣性が増加することになり、しかも、このクランクピン側の質量増加はバランスウエイトの質量増加を伴うので、マス抜用中空孔を設けた効果は小さいものとなってしまうという問題がある。
【００１７】本発明は、上述の問題を解決するためになされたもので、その目的は、クランクピンに設けるマス抜用中空穴を、実際にクランクピンにかかる捩じりトルクに対し、マス抜用中空穴に対して回転方向のＡ部位側および反回転方向側Ｂ部位の最大剪断応力を同等にする形状に、つまり剛性のバランスが良くなる形状で形成し、捩じり剛性のバランスを取りながら効率よく軽量化することができるクランク軸構造を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】以上のような目的を達成するためのクランク軸構造は、次のように構成される。
１）クランク軸のクランクアームの肩部から該クランクピンの中心側に向かってマス抜用中空穴を形成するクランク軸構造において、前記マス抜用中空穴の軸線を、平面視でクランクピンの軸線に対して、機関通常運転時に最大捩じりトルクが作用した時に、最大剪断応力が発生する側の肉厚が、最小捩じりトルクが作用する時の剪断応力が発生する側、即ち、前記マス抜用中空孔に対し対峙した側の肉厚よりも厚くなるように傾斜させて、前記マス抜用中空穴を形成して構成される。
【００１９】この平面視とは、図３に示すように、クランクピン22の軸線Ｄがクランク軸20の軸線Ｃの上側に来て、軸線Ｄと軸線Ｃとが同一直線上になる位置で、上側から見下ろした場合のことを意味し、また、最大捩じりトルクとは、絶対値が最大になる捩じりトルクのことを意味し、図４で言えば、ＴAmaxに相当する捩じりトルクである。
【００２０】この構成によれば、剪断応力の比較的小さいＢ部側の肉厚が薄く、最大剪断応力発生側のＡ部側の肉厚が厚くなるので、マス抜用中空穴の周囲の発生応力の差が小さくなる。
【００２１】２）更に、前記クランクピンの両側のクランクアームの肩部からそれぞれ削孔する２つの前記マス抜用中空穴の前記軸線を同一面内に配して、前記マス抜用中空穴を設けることにより、加工軸とマス抜用中空穴の軸線が同じ傾斜角となるので、穿孔加工時の工具のセット角が固定したままとなるので、加工作業性が向上する。
【００２２】３）また、該クランク軸に加わると予測される捩じりトルクの最大ピークの絶対値と最小ピークの絶対値との差の拡大と共に、平面視において、前記マス抜用中空穴の軸線が、前記クランクピンの軸線に対して傾斜する傾斜角を拡大して、前記マス抜用中空穴を設ける。
【００２３】この構成により、図４に示す捩じりトルクＴA の最大ピークＴAmaxの絶対値と最小ピークＴAminの絶対値との差が拡大すると、図３の最大ピーク時のＡ1 部位に発生する最大剪断応力の大きさと、最小ピーク時のＢ4 部位に発生する最大剪断応力の大きさとの差が拡大するので、より大きい傾斜角とすることにより、剛性のバランスがより向上し、実質的な強度に関して、実際にクランクピンにかかるトルクに対し各Ａ・Ｂ部位の最大剪断応力が略同じになるので、剛性及び強度に関してバランスが非常に良くなり、少ない材料で充分な剛性強度を発揮できる。
【００２４】このような最小捩じりトルクが問題となる場合としては、自動車のエンジンにおいては、排気ブレーキを使用する場合が考えられる。また、その他の機器のクランク軸では、その使用状況による。
【００２５】そして、このクランク軸の具体的な対象としては、内燃機関のクランク軸やエアコンプレッサのクランク軸などが考えられるが、トルクを受け、軽量化が要求されるクランク軸であれば良く、特に、前記のクランク軸に限定されるものではない。また、オイル穴の有無も関係ない。
【００２６】従って、実際にクランクにかかるトルクに対して、バランスの取れた剛性及び強度を有することになる。つまり、クランク軸の捩じりに対する剛性及び強度がアンバランスになることを避けながら、クランクピンにマス抜用中空穴を設けることができる。従って、より大きなマス抜用中空穴を設けることができるので、クランク軸の軽量化が達成できる。
【００２７】なお、この捩じりトルクによって発生する両振の最大剪断応力の値は、クランクピンのマス抜用中空穴の周りの肉厚にも依存するので、この傾斜角は、クランクピンの径に対するマス抜用中空穴の径の大きさ等によって変化することになる。
【００２８】そのため、各種の形状のクランク軸の捩じりトルクによって発生する応力の測定実験を行なって決定することも可能であるが、ＢＥＭ（境界要素法）やＦＥＭ（有限要素法）等の解析的な数値計算手法により、図３に示すマス抜用中空穴10ａ，10ｂの径ｄａ，ｄｂや傾斜角αａ，αｂを変えた状態で、クランク軸20に発生する捩じり応力をシミュレーション計算して、このシミュレーション計算結果に基づいて、マス抜用中空穴10ａ，10ｂの径ｄａ，ｄｂや傾斜角αａ，αｂを決定することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。本発明の実施の形態のクランク軸構造におけるクランク軸は、図６、７に示すクランク軸30と同様に、ジャーナル31、クランクピン32、バランスウエイト33、アーム34、出力用フランジ部35、補機駆動用軸部36等で構成され、この補機駆動用軸部36には、図示しないクランクプーリが取り付けられる。なお、この他に、オイル穴37や取付け穴39などが形成され、図示していない分割式のバランスウエイトが、雌ねじ部43を有するバランスウエイト取付部44に取り付けられる。
【００３０】そして、図１〜図３に示すように、このクランク軸20に、マス抜用中空穴10ａ，10ｂが形成される。このマス抜用中空穴10ａ，10ｂは、クランク軸20のクランクアーム34の肩部34ａから、クランクピン22の中心側に向かって設けられるが、このマス抜用中空穴10ａ，10ｂの軸線（加工軸）Ｘａ，Ｘｂを、図１、図３に示すように、平面視でクランクピン22の軸線Ｄに対して、図４に示すような最大捩じりトルクＴAmaxが作用した時に、図３のクランクのＡ1 ，Ａ2 の肉厚が、ＴAminが発生する側Ｂ3，Ｂ4 の肉厚よりも厚くなるように傾斜させて、マス抜用中空穴10ａ，10ｂを形成する。
【００３１】以上の構成のクランク軸構造によれば、エンジン等のクランク軸20にマス抜用中空穴10ａ，10ｂを設ける際に、最大捩じりトルクＴAmaxによってマス抜用中空穴10ａ，10ｂの周りの剪断応力τt が発生する部位Ａ1 ，Ａ2 を肉厚に、また、ＴAminによる剪断応力τc が発生する部位Ｂ3 ，Ｂ4 を肉薄に形成することができるので、クランク軸20の剛性及び強度をバランス良く維持したまま、マス抜用中空穴10ａ，10ｂを設けてクランク軸20の軽量化を図ることができる。
【００３２】そして、更に、このクランクピン22の両側のクランクアーム34の肩部34ａからそれぞれ削孔する２つのマス抜用中空穴10ａ，10ｂの軸線Ｘａ，Ｘｂを同一面内に配して、マス抜用中空穴10ａ，10ｂを設ける。即ち、傾斜角αａ＝αｂであり、図１、図３の平面視で軸線Ｘａ，Ｘｂが一直線になるように形成する。
【００３３】この構成にすると、マス抜用中空穴10ａ，10ｂの軸線Ｘａ，Ｘｂが穿孔加工時の加工軸と同じとなるので、両方のマス抜用中空穴10ａ，10ｂの加工軸Ｘａ，Ｘｂの傾斜角が同じになり、穿孔加工時の工具のセット角を固定したままとすることができ、加工の際の作業性を向上できる。
【００３４】次に、クランク軸20に加わる平均トルクＴm の変動範囲が、図４に示すＴBmとＴAmの間のように、ＴAmがＴBmより大きく、最大ピークＴAmaxの絶対値が最小ピークＴBminの絶対値より著しく大きい場合についての傾斜角αａ，αｂの設定について説明する。
【００３５】この傾斜角αａ，αｂは、クランク軸20に加わると予測される、図４に示すような捩じりトルクＴの最大ピークＴAmaxの絶対値と最小ピークＴBminの絶対値との差（｜ＴAmax｜−｜ＴBmin｜）の拡大と共に、平面視における傾斜角αａ，αｂを拡大して、マス抜用中空穴10ａ，10ｂを設ける。
【００３６】この構成により、図４に示す捩じりトルクＴの最大ピークＴAmaxの絶対値と最小ピークＴBminの絶対値との差が拡大すると、最大ピークＴAmax時のＡ1 部位に発生する最大引張応力σtmax1 の大きさと、最小ピークＴBmin時のＢ4 部位に発生する最大引張応力σtmax4 の大きさとの差が拡大するので、傾斜角αａ，αｂをより大きくすることにより、剛性のバランスをより向上させることができる。
【００３７】次に、クランク軸20に加わる平均トルクＴm の変動範囲が、図５に示すように、マイナス側のＴCmまで広がり、このＴAmとＴCmの間で変動する場合について、即ち、ＴAmの絶対値がＴCmの絶対値より大きくて、最大ピークＴAmaxの絶対値が最小ピークＴCminの絶対値より大きいが、最小ピークＴCminを無視できない場合についての傾斜角αａ，αｂの設定について説明する。
【００３８】エンジンブレーキをかけた時には、図５に示すように、平均トルクＴCmが、通常運転の時と逆方向のマイナス側に加わるので、全体的にマイナス側にシフトし、ＴC 線のようになるが、エンジンブレーキ時の平均トルクＴCmの絶対値は、通常運転時の平均トルクＴAmよりも、小さく設定されるので、エンジンブレーキ使用時の最小ピークＴCminの絶対値は、変動トルクの最大ピークＴAmaxより小さくなる。しかし、この最小捩じりトルクＴCminの絶対値が大きくなる場合には、この最小捩じりトルクＴCminが作用した時に発生する最大剪断応力τtmaxC も考慮して、傾斜角αａ，αｂを設定してマス抜用中空穴10ａ，10ｂを設ける必要がある。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のクランク軸構造によれば、エンジンのクランク軸のクランクピンに形成される軽量化のためのマス抜用中空穴の軸線即ち加工軸を、平面視でクランクピンの軸線に対して、実際にクランクピンにかかるトルクを考慮し、傾斜して形成することにより、クランク軸に発生する応力と強度とのバランスを良くして、全体としての剛性強度を向上することができるので、クランク軸の捩じり剛性を低下させることなく、クランクピンにマス抜用中空穴を設けることができる。従って、より大きなマス抜用中空穴を設けることができるので、クランク軸の軽量化を達成できる。
【００４０】また、クランクピンの両側から設けられるマス抜用中空穴の軸線を同一面内に配すると、両者のマス抜用中空穴の加工軸が同じ傾斜角となるので、穿孔加工時の工具のセット角を固定した作業することができ、工具のセットを変更する手間が不要になるので、加工時の作業性を向上することができる。
【００４１】更に、クランク軸に加わると予測される最大捩じりトルクと最小捩じりトルクの大きさに応じて、平面視におけるクランクピンの軸線とマス抜用中空穴の軸線との傾斜角を設定してマス抜用中空穴を設けることにより、マス抜用中空穴の周囲部分の厚さを変化させて、剛性及び強度に関するバランスをより向上させることができるので、バランスよい剛性及び強度を持ち耐久性に優れた軽量なクランク軸構造を提供できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】００００００１７０
【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年４月１３日（１９９９．４．１３） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６６８６５
【弁理士】
【氏名又は名称】小川 信一 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２９１６２４（Ｐ２０００−２９１６２４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１０月２０日（２０００．１０．２０） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１０５２０５ |
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