JP2000291624A

JP2000291624A - クランク軸構造

Info

Publication number: JP2000291624A
Application number: JP10520599A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Yamauchi; 孝宏山内
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2000-10-20

Abstract

(57)【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34
ａ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。

Description

【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，Ｙ
ｂ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Ｔ
B 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Ｔ
A 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、ＴAm
in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５６−１２１２
１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Ｆ
ＥＭ（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10
ａ，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10
ａ，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Ｘ
ａ，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Ｔ
m 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σtmax
4 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Ｔ
m 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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るクランク軸構造のマス抜用中空穴
の状況を示すクランク軸の部分平面図である。

【図２】図１のクランク軸の部分側面図である。

【図３】図１のクランク軸のクランクピン部分の部分平
面図である。

【図４】クランク軸系の捩じりトルクの時間変動を説明
するための模式図である。

【図５】マイナス側の作動トルクも加わるクランク軸系
の捩じりトルクの時間変動を説明するための模式図であ
る。

【図６】クランク軸の例を示す図である。

【図７】先行技術のクランク軸構造のマス抜用中空穴の
状況を示すクランク軸の部分図である。

【図８】図７のクランク軸の部分側面図である。

【図９】図７のクランク軸のクランクピン部分の部分平
面図である。

【図１０】マス抜用中空穴を設けていないクランク軸構
造のクランクピンの捩じり応力分布を説明するためのク
ランクピン部分の部分平面図である。

【符号の説明】

10ａ，10ｂ，11ａ，11ｂマス抜用中空穴 20，30，40，50 クランク軸 22，32，42，52 クランクピン 31 クランクジャーナル 33 バランスウエイト 34 クランクアーム 34ａ肩部 37ａ，37ｂ油孔Ａ1 ，Ａ2 捩じり応力の大きい部分Ｂ3 ，Ｂ4 捩じり応力の小さい部分Ｃクランク軸の軸線Ｄクランクピンの軸線Ｔ，ＴA ，ＴB ，ＴC 捩じりトルクＸａ，Ｘｂマス抜用中空穴の軸線（加工軸）Ｙａ，Ｙｂマス抜用中空穴の軸線（加工軸）Ｚａ，Ｚｂマス抜用中空穴の軸線（加工軸）

Claims

【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。