JPH022500B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、自動車用３気筒エンジンにおいて、
クランク軸自体にカウンタウエイトを設け、更に
クランク軸に対し同じ速度で逆方向に回転するバ
ランサ軸を設けて、各気筒の往復及び回転質量に
よる１次の慣性力とＸ軸回りの１次の慣性偶力を
釣合わせ、加えてクランク軸の長手方向の１次の
慣性偶力をも釣合わせたバランサ装置に関するも
のである。

【従来の技術】

各気筒においては往復質量と回転質量による慣
性力があり、回転質量による慣性力はクランク腕
と反対側にカウンタウエイトを設けることにより
全部釣合わせることができ、往復質量による慣性
力は回転質量による場合と同じ位置でハーフバラ
ンスさせ、残りの部分をクランク軸と同じ速度で
逆方向に回転するバランサ軸で釣合わせることが
できる。ところで３気筒エンジンの場合は上述の
ようにして各気筒毎の慣性力は釣合い、同時にＸ
軸回りの慣性偶力も釣合つていても、長手方向の
慣性偶力が生じ、この慣性偶力を釣合い除去する
ため、従来例えば特開昭55−6035号公報の如くク
ランク軸のカウンタウエイトを特定の分離構造に
したもの、または特公昭54−2333号公報の如くク
ランク軸系の慣性偶力とは大きさが同じて逆方向
の慣性偶力をバランサ軸に発生させて相殺するも
のがある。

【発明が解決しようとする課題】

以上は３気筒エンジンで一般に言わせている慣
性力及び慣性偶力の釣合に関するものである。即
ち３気筒の如き奇数気筒のエンジンでは、中間の
第２気筒を中心にしてその左右両側に第１及び第
３気筒の慣性力が点対称的に作用しているので、
これによるクランク軸長手方向の慣性偶力を考慮
しなければならず、これがエンジンの振動に与え
る影響も大きい。一方、この慣性力による振れ回
りの長手偶力はバランサ軸のバランサで釣合わせ
ることもできるが、この場合に偶力が一定でもバ
ランサ相互の距離に応じてその質量を変えること
ができるので、バランサの取付位置を特定するこ
とにより、バランサ軸自体の構造、設計自由度、
クランク軸に対する配置関係等において非常に有
利になる。 本発明はこのような事情に鑑み、クランク軸の
カウンタウエイトとバランサ軸のバランサにより
慣性力及び慣性偶力に対する釣合いを達成し、且
つバランサ軸をクランク軸側に近付けると共にそ
の軽量小型化を図り、更にはバランサ軸の軸支及
びそれがオイル中につかる際のバランサによる不
具合にも対処し得るようにした３気筒エンジンの
バランサ装置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】

上記目的を達成するため、本発明は、クランク
腕が順次120゜の等間隔に配設されるクランク軸
の、第１ないし第３気筒にエンジンの往復及び回
転質量に対するカウンタウエイトを均等に設け、
上記クランク軸に対し同じ速度で反対方向に回転
する１本のバランサ軸を設け、該バランサ軸の第
１気筒側２個の軸受相当部と、第３気筒側２個の
軸受相当部とにバランサを２個ずつ２相設けるよ
うに構成されている。

【実施例】

以下、図面を参照して本発明の一実施例を具体
的に説明する。まず第１図において１気筒当りの
バランス系について説明すると、図において符号
１はクランク軸、２は順次120゜の等間隔に配置さ
れるクランク腕、３はクランクピン、４はコンロ
ツド、５はピストンであり、クランク腕２のクラ
ンクピン３と反対側延長線上に回転質量による慣
性力の全部と、往復質量による慣性力をハーフバ
ランスさせるカウンタウエイト６を設ける。ま
た、クランク軸１に対し同じ速度で逆方向に回転
するバランサ軸７を１本設け、往復質量による慣
性力の残りも全部ハーフバランスさせるバランサ
８を設ける。そして図のようにクランク腕２がＺ
軸上部からθ右回り位置した場合に、バランサ軸
７のバランサ８はＺ軸下部から同じθだけ左回り
に位置するように設ける。ここで、往復部分の慣
性質量をmp、説明を判り易くするため回転部分
のクランクピン３における等価の慣性質量をmc
とすると、クランク軸側のカウンタウエイト６の
質量は往復質量mpに対してはハーフバランスさ
せれば良いのでmp／２、回転質量mcに対しては
クランク軸１と同方向に回転するのでその全部を
バランスさせることができてmcになり、合計す
ると（mp／２）＋mcとなる。また、バランンサ
軸側のバランサ８の質量は上記往復質量の残りに
なつてmp／２となる。 こうすることで、往復部分及び回転部分のＺ，
Ｙ方向の慣性力はいずれも釣合うことになる。従
つて３気筒エンジンにおいては各気筒相当位置に
それぞれ上記各質量のカウンタウエイト６、バラ
ンサ８を付けるとすると、この場合にクランク軸
側のカウンタウエイト合計質量は３｛（mp／２）＋
mc｝に、バランサ軸側のバランサ合計質量は
（３／２）mpとなる。 次いで３気筒エンジンにおいて往復部分の質量
による釣合いについて第２図により説明すると、
図において第１ないし第３気筒をサフイクスａな
いしｃで示してあり、また第２気筒が上死点にあ
つて、第１気筒はそれから240゜回転位置し、第３
気筒は120゜回転位置した状態になつている。そこ
でこの状態からθだけ動いた場合の、第１気筒の
起振力Fp1、第２気筒の起振力Fp2、第３気筒の
起振力Fp3は次のようになる。 Fp1＝mprω²cos（θ＋240゜） Fp2＝mprω²cosθ Fp3＝mprω²cos（θ＋120゜） そこで全体の慣性力は、 Fp1＋Fp2＋Fp3＝０ で釣合つている。 またクランク軸長手方向の慣性偶力は、一般性
を持たせるため第１気筒から或る距離Ｓだけ離れ
た点Ｐからみることにし、各気筒のピツチをＬと
すると、 Fp1.S＋Fp2（Ｓ＋Ｌ）＋Fp3（Ｓ＋2L） で示される。 即ち、 Fp1・Ｓ＋Fp2（Ｓ＋Ｌ）＋Fp3（Ｓ＋2L） ＝−√３mprω²Lsinθ ………(1) となつて、Ｚ方向荷重である往復質量によりＹ軸
周りの長手偶力が生じる。 第３図において各気筒毎にハーフバランスさせ
るカウンタウエイト６ａ，６ｂ，６ｃの質量によ
る釣合いについて説明すると、第２図同様に第２
気筒が上死点の場合が示してあり、このとき各気
筒のカウンタウエイト６ａ，６ｂ，６ｃはクラン
ク腕２ａ，２ｂ，２ｃに対し180゜位相が進んだ位
置にある。そこで、この状態からθだけ動いた場
合のＺ方向では、各カウンタウエイト質量による
力Frec1、Frec2、Frec3が次のようになる。 Frec1＝（mp／２）rω²cos（θ＋240゜ ＋180゜） Frec2＝（mp／２）rω²cos（θ＋180゜） Frec3＝（mp／２）rω²cos（θ ＋120°＋180゜） 従つて、Ｚ方向の慣性力は、 Frec1＋Frec2＋Frec3＝０ となつて釣合う。 一方、このようなＺ方向の力による長手方向の
慣性偶力は上述と同様に求めると、 Frec1・Ｓ＋Frec2（Ｓ＋Ｌ） ＋Frec3(S+2L)＝（√３／２）mprω² Lsinθ ……(2a) となつて、同様にＹ軸周りの長手偶力を生じる。 また、カウンタウエイト６ａ，６ｂ，６ｃはＺ
方向のみならずＹ方向の成分も有し、このＹ方向
については慣性力は釣合い、Ｙ方向の力による長
手方向の慣性偶力は次のようになる。 −（√３／２）mprω²Lcosθ ……(2b) 即ち、Ｙ方向の力によるＺ軸周りの長手偶力を生
じることになる。 以上、クランク軸側のカウンタウエイト６ａな
いし６ｃにより生じる長手方向の慣性偶力は、Ｚ
方向によるＹ軸周りと、Ｙ方向によるＺ軸周りに
生じ、両者を合成したものは次のようになる。 （√３／２）mprω²Lsinθ−（√３／２）mpr ×ω²Lcosθ＝（√３／２）mprω² Ｌ(sinθ-cosθ) ……(3) 以上、クランク軸における往復質量及びカウン
タウエイトによる慣性力の釣合い、長手方向慣性
偶力、即ち振れ回りについて説明したが、ここで
(1)式及び(3)式の長手偶力が残ることになり、これ
を合成すると、 −√３mprω²Lsinθ＋（√３／２）mprω² ×Ｌ(sinθ-cosθ)＝−（√３／２）mprω² Ｌ(sinθ+cosθ) ……(4) となる。そこで、このような長手偶力をバランサ
軸側で釣合わせることについて第４図により説明
する。まず、バランサ軸７においても各気筒に対
応したバランサ８ａ，８ｂ，８ｃでハーフバラン
スさせるとすると、各バランサ８ａないし８ｃの
質量はクランク軸側往復質量に対してmp／２で
ある。また、図のように第２気筒が上死点の場合
にその第２気筒相当のバランサ８ｂは反対の下死
点側の位置にあり、第１気筒相当のバランサ８ａ
は、左回り240゜位相が進んだ位置から更に180゜ず
れた位置に、第３気筒相当のバランサ８ｃは左回
り120゜の位置から更に180゜位相が進んだ位置にあ
る。 そこでこの状態からθだけ動いた場合のＺ方向
の力Frec1、Frec2、Frec3は、 Frec1＝(mp/2)rω²cos(θ+240゜+180゜) Frec2＝(mp/2)rω²cos(θ+180゜) Frec3＝(mp/2)rω²cos(θ+120゜+180゜) となつて、Ｚ方向慣性力は釣合い、このＺ方向の
力によるＹ軸周りの長手偶力は、 （√３／２）mprω²Lsinθ ……(2a′) また、Ｙ方向ではクランク軸と逆方向に回るた
め極性が負になるが、同様にして慣性力は釣合
い、このＹ方向の力によるＺ軸周りの長手偶力
は、 （√３／２）mprω²Lcosθ ……(2b′) 従つてバランサ軸側のバランサ８ａないし８ｃ
により生じる長手方向の慣性偶力も、Ｚ方向によ
るＹ軸周りと、Ｙ方向によるＺ軸周りとに生じ、
その合成したものは上記２a′式と２b′式により次
のようになる。 （√３／２）mprω²L(Sinθ+cosθ) ……(4′) ところで、このバランサ軸側のバランサは各気
筒相当部毎に設ける外に、中央の第２気筒を除き
その両側の第１及び第３気筒相当部に分離集合し
て設けることも可能であり、この場合について第
５図により説明する。途中の経過は省略して結果
と述べると、第１及び第３気筒相当部のバランサ
８a′，８c′の質量は（mp／２）に（√３／２）
を乗じたものであり、第１気筒相当部のバランサ
８a′は上述のハーフバランスしたものより更に
30゜位相を進めて位置し、第３気筒相当部のバラ
ンサ８c′は逆に30゜位相が遅れて位置する。即ち、
両バランサ８a′，８c′は中央の第２気筒のクラン
ク腕２ｂに対し直角となる位置に設けられる。 この場合についても図の状態からθだけ動いた
ときのＺ方向の力Frec1′，Frec3′は、 Frec1′＝（√３／２）(mp/2)rω² ×cos(θ+240゜+180゜+30゜) Frec3′＝（√３／２）(mp/2)rω² ×cos(θ+120゜+180゜-30゜) となつて、このＺ方向慣性力は、 Frec1′＋Frec3′＝０ で釣合う。 次いで、このＺ方向の力によるＹ軸周りの長手
偶力は、 Frec1′・Ｓ＋Frec3′(S+2L) ＝（√３／２）mprω²Lsinθ となつて、（2a′）式と一致する。 一方、Ｙ方向では極性が負になりcosがsinにな
るだけであつて、慣性力は釣合い、Ｙ方向の力に
よるＺ軸周りの長手方向慣性偶力は（2b′）式と
一致する。このことから、第１及び第３気筒相当
部に設けた２個のバランサ８a′，８c′によつても
慣性力は釣合い、長手方向の慣性偶力は（4′）式
と一致してハーフバランスの場合と同じ結果にな
つて、それに置き変えることができるのである。 以上、バランサ軸側のバランサによる慣性力の
釣合い、及び長手方向の慣性偶力についての説明
であり、この結果が式（4′）である。そこで、こ
の式（4′）を先の式(4)と合成すると零になり、こ
のことからクランク軸側に生じた往復質量及びそ
れをハーフバランスさせるカウンタウエイトの質
量による長手方向の慣性偶力がバランサ軸側のバ
ランサで釣合うことになる。 続いて３気筒エンジンの回転部分の質量による
釣合いについて説明すると、その構成は第２図と
同じであり、θだけ動いた位置での第１ないし第
３気筒に働く力、Fc1、Fc2、Fc3は次のように
なる。 Fc1＝mcrω²cos（θ＋240゜） Fc2＝mcrω²cosθ Fc3＝mcrω²cos（θ＋120゜） これにより回転質量によるＹ軸周りの長手偶力
が、 −√３mcrω²Lsinθ ……(5a) Ｚ軸周りの長手偶力が、 √３mcrω²Lcosθ ……(5b) になつて、同様にＺ方向によるＹ軸周りと、Ｙ方
向によるＺ軸周りに生じることになり、合成する
と次のようになる。 −√３mcrω²L(sinθ-cosθ) ……(6) 次いで、この回転質量を各気筒毎に１：１でバ
ランスさせるカウンタウエイト６ａないし６ｃの
質量による釣合いについて説明すると、第３図の
構成と同じであり、各カウンタウエイト質量によ
る力、Frot1、Frot2、Frot3は次のようになる。 Frot1＝mcrω²cos(θ+240゜+180゜) Frot2＝mcrω²cos(θ+180゜) Frot3＝mcrω²cos(θ+120゜+180゜) これにより、Ｚ方向によるＹ軸周りの長手偶力
が、 √３mcrω²Lsinθ ……(7a) Ｙ方向によるＺ軸周りの長手偶力が、 −√３mcrω²Lcosθ ……(7b) になり、両者を合成した振れ回りが次のようにな
る。 √３mcrω²L(sinθ-cosθ) ……(8) かくして回転質量に関しては(6)式のＹ軸及びＺ
軸回りの合成振れ回り長手偶力が、カウンタウエ
イトによる(8)式の同様の長手偶力と合成すること
により零になつて、２者が釣合うことになる。 本発明はこのような技術思想に立脚するもの
で、第６図によりその具体的な実施例について説
明すると、上述の説明から明らかなようにエンジ
ンについては各気筒毎に往復部分と回転部分の質
量による慣性力及び偶力が生じるものであるか
ら、クランク軸１では各気筒毎に往復及び回転部
分の質量を一緒にまとめたものに対するカウンタ
ウエイト６ａ−１と６ａ−２，６ｂ−１と６ｂ−
２，６ｃ−１と６ｃ−２がそれぞれのクランク腕
のクランクピンと反対側に第３図の如く設けられ
る。またバランサ軸７では往復部分の質量に対す
るものとして、第５図の如く中央の第２気筒相当
部分を除く第１及び第３気筒相当部側で、特にそ
れぞれ２個のクランク軸軸受９ａと９ｂ，９ｃと
９ｄに相当する個所に２組のバランサ８a′−１と
８a′−２，８c′−１と８c′−２が設けてある。 かかる構成において、まずクランク軸側の釣合
いを考えるに、各気筒毎に往復及び回転部分の質
量を一緒にしたものに対するカウンタウエイトを
有するものであるから、第１気筒のカウンタウエ
イト６ａ−１と６ａ−２、第２気筒のカウンタウ
エイト６ｂ−１と６ｂ−２、及び第３気筒のカウ
ンタウエイト６ｃ−１と６ｃ−２のそれぞれの合
成質量Mca、Mcb、Mccは、クランク軸上の慣
性力の釣合いを考慮して、Mca＝Mcb＝Mccを
保持し、mc＋（1/2）mpであれば良い。ところ
で、各気筒でのカウンタウエイトの合成重心位置
は各気筒の中心に一致させる必要はなく、改気筒
のピツチをＬ、第２気筒のカウンタウエイト６ｂ
−１と６ｂ−２の合成重心位置に対する第１気筒
のカウンタウエイト６ａ−１と６ａ−２の合成重
心位置をＬ×ｘ、第３気筒のカウンタウエイト６
ｃ−１と６ｃ−２の合成重心位置をＬ＋ｙとする
と、 Mca（Ｌ＋ｘ）＝Mcc（Ｌ＋ｙ） から、ｘ＝ｙを保持する。 そして、長手偶力に対しては、Ｙ方向成分を取
出して、 ｛Mca(L+x)＋Mcc(L+y)｝cos30゜ ＝｛mc＋（1/2）mp｝√３Ｌ を満たせば良く、次の一般式となる。 Mca＝Mcb＝Mcc＝｛mc＋（1/2）mp］ Ｌ／(L+x) ……(9) これにより、各気筒でのカウンタウエイト合成
重心位置をその中心に一致させて、ｘ＝ｙ＝０と
すると、上述のように各カウンタウエイト合成質
量がmc＋（1/2）mpになるが、その合成重心位置
との関係で任意に定めることができる。即ち、
ｘ、ｙの値を大きくして合成重心位置を相互に遠
ざける程質量は上述の値より小さくて済む。 次いで、バランサ軸７では、上述の説明から明
らかなように、エンジンの往復部分の質量に関す
るものだけであり、第１及び第３気筒側に分離集
中する場合は、改気筒相当部の質量を（mp／２）
に（√３／２）を乗じ、且つ30゜位相調整すれば
良く、 （mp／２）（√３／２）2L＝（√３／２）mpL の長手偶力を生じさせれば良いことになる。 そこで、バランサ８a′−１と８a′−２の合成質
量をMba′、バランサ８c′−１と８c′−２の合成質
量をMbc′とすると、バランサ軸上の慣性力の釣
合いを考慮してMba′＝Mbc′を保持し、且つバラ
ンサ８a′−１と８a′−２の合成重心位置をＬ＋
x′、バランサ８c′−１と８c′−２の合成重心位置
をＬ＋y′とすると、 Mba′(L+x′+L+y′)＝（√３／２）mpL の関係を満たせば良く、次の一般式になる。 Mba′＝Mbc′＝（√３／２）mpL ／(2L+x′+y′) ……(10) 従つて、かかるバランサ軸７でも２個ずつ２組
設けたバランサの合成重心位置との関係でその質
量を任意に定めることができ、更にその合成重心
位置を互に遠ざけることでバランサ質量は小さく
て済む。 このことから、クランク軸１では第１ないし第
３気筒に(9)式の合成質量のカウンタウエイト６ａ
−１と６ａ−２，６ｂ−１と６ｂ−２，６ｃ−１
と６ｃ−２を各クランク腕のクランクピンと反対
側の位置に設ける。また、バランサ軸７では第１
及び第３気筒側の２個の軸受９ａと９ｂ，９ｃと
９ｄの各相当部に(10)式の合成質量のバランサ８
a′−１と８a′−２，８c′−１と８c′−２を、第２
気筒のクランク腕と直角となるような位置にして
設けるのであり、これにより３気筒エンジンにお
ける往復部分と回転部分の質量による慣性力と不
釣合いな偶力が釣合う。 そして、２個ずつ２組に分散して設けてある合
計４個のバランサ８a′−１と８a′−２，８c′−１
と８c′−２がいずれもクランク軸１の各気筒にお
けるカウンタウエイト位置からずれた軸受９ａな
いし９ｄの相当部に配置されてそのカウンタウエ
イトとは干渉しない構成になつているので、バラ
ンサ軸７をカウンタウエイトと干渉しない範囲で
クランク軸１側に近付けた配置が可能となる。

【発明の効果】

以上の説明から明らかなように本発明による
と、３気筒エンジンにおいて、１次の慣性力及び
慣性偶力の釣合いがなされることで振動等が非常
に少なくなる。クランク軸１において各気筒毎に
均等にカウンタウエイト６ａ−１と６ａ−２，６
ｂ−１と６ｂ−２，６ｃ−１と６ｃ−２が設けて
あるので、クランク軸１自体に曲げモーメントが
生じにくく、強度上及び弾性振動に対して有利で
ある。カウンタウエイト及びバランサの取付けに
関して一般性が加味されているので、設計の自由
度が増す。バランサ軸７ではバランサ８a′−１と
８a′−２，８c′−１と８c′−２がいずれもクラン
ク軸軸受相当部に配置されているから、その軸受
部のスペースの有効利用によりバランサ軸７をク
ランク軸１に近付けることが可能になつて小型化
に寄与する。更にバランサ質量が２個ずつ２組に
分散されることで、バランサの取付けが不足なく
行われる。 なお、第７図と第８図によりバランサ軸取付け
の具体例について説明する。第７図のものはＲ−
Ｒ方式でエンジンが荷台の下に組込まれる場合で
あり、エンジン本体１０が略水平に倒して搭載さ
れ、且つこのエンジン本体１０の途中のすぐ上に
エアクリーナ１１、気化器１２及び吸入管１３が
水平に連結して設置され、クーラコンプレツサ１
４、オルタネータ（ACG）15等も取付けられる。
従つて、バランサ軸７を油中に没しないように上
方に設けると、気化器１２、オルタネータ
（ACG）１５等と干渉するようになり、クランク
軸１側に近付け得ることはこのような干渉を回避
することができて有利になる。 第８図のものはＦ−Ｆ方式であり、エンジン本
体１０が略垂直に搭載されてエアクリーナ１１、
気化器１２及び吸入管１３が車室側に設けられ、
排気管１６がフロントパネル側に設けられてお
り、バランサ軸７をエンジン本体１０の前方に配
置すると排気管１６の触媒コンバータ１７と干渉
することになる。従つて、この場合もバランサ軸
７をクランク軸１に近付け得るならば、接触コン
バータ１７等との干渉が回避され、エンジン本体
１０をその分フロントパネル側に寄せて車室を広
くすることができる等、種々の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の原理を説明する
説明図、第６図は本発明による３気筒エンジンの
バランサ装置の一実施例を示す模式図、第７図及
び第８図は本発明を自動車用エンジンに適用した
場合の具体例を示す側面図である。 １……クランク軸、２ａ，２ｂ，２ｃ……クラ
ンク腕、６ａ−１，６ａ−２，６ｂ−２，６ｃ−
１，６ｃ−２……カウンタウエイト、７……バラ
ンサ軸、８a′−１，８a′−２，８c′−１，８c′−
２……バランサ、９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ……ク
ランク軸軸受。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ クランク腕が順次120゜の等間隔に配設される
   クランク軸の、第１ないし第３気筒にエンジンの
   往復及び回転質量に対するカウンタウエイトを均
   等に設け、上記クランク軸に対し同じ速度で反対
   方向に回転する１本のバランサ軸を設け、該バラ
   ンサ軸の第１気筒側２個の軸受相当部と、第３気
   筒側２個の軸受相当部とにバランサを２個ずつ２
   組設けたことを特徴とする３気筒エンジンのバラ
   ンサ装置。