JPH09250597A - ４気筒エンジンのバランサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の生産設備を大きく変更しないで生産可
能であって、１次および２次の慣性力と、１次慣性力に
よる起振モーメントの全てが０となる変形列型４気筒エ
ンジンのバランサ装置を提供する。 【解決手段】 クランクピン配列が第１気筒０°、第２
気筒９０°、第３気筒２７０°、第４気筒１８０°のク
ランク軸６に対し、等速等方向と等速逆方向の２本のバ
ランサ軸１１、１２を前記クランク軸と平行に設けた４
気筒エンジンのバランサ装置において、ピストン・クラ
ンク機構の等価質量系のクランク回転部分質量を往復部
分質量の２分の１未満とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は変形列型４気筒エン
ジンのバランサ装置に関し、１次および２次の慣性力お
よび慣性偶力と１次慣性力によるクランク軸廻りのロー
リング起振モーメントを完全に０にするバランサ装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来広く採用されている４気筒４サイク
ルエンジンのクランクピン配置は、第１気筒および第４
気筒が０°で第２気筒および第３気筒が１８０°であ
り、４気筒が全て１平面内に収るため１プレーンクラン
ク配列と呼ばれる。このような１プレーンクランク４気
筒エンジンでは、１次の慣性力および慣性偶力は０であ
るが、２次の慣性力および１次慣性力によるクランク軸
廻りの２次ローリング起振モーメントが残る。

【０００３】この２次の慣性力を消去しようとすれば、
クランク軸に対し、２倍速等方向と２倍速逆方向の２本
のバランサ軸をシリンダ両側の対称な位置に設ける必要
がある。

【０００４】さらに２次ローリングモーメントを消去し
ようとすれば、バランサ軸をシリンダ方向で一定量オフ
セットする必要がある。

【０００５】このようなバランサ軸は、一定の幾何学的
条件を満たす必要があり、設計の自由度が大幅に制限さ
れる。

【０００６】また、バランサ軸がクランク軸の２倍速で
回るため高回転エンジンではバランサ軸受けの耐久性や
機械騒音上の種々の問題を伴う。

【０００７】一方、前述の１プレーンクランクピン配列
と異なり、クランクピンが、第１気筒０°、第２気筒９
０°、第３気筒２７０°、第４気筒１８０°として、第
１、第４気筒の平面と第２、第３気筒の平面が直交２平
面を構成するようにした２プレーンクランク配列構造が
提案されている。このような２プレーンクランクピン構
造のエンジンは、１プレーンクランクピン配列に比べ、
気筒同士による往復運動部分質量の打消作用が小さいた
め、振動防止技術の点で難しさがあるが、逆に自動二輪
車等においては、振動の振幅、Ｓ／Ｎ比および周波数の
点でエンジンの燃焼圧を身体で感じ、加速フィーリング
が向上し運転感覚が非常に良好となるため、このような
２プレーンクランクエンジン構造における振動抑制技術
の実用化が望まれている。

【０００８】前述の１プレーンクランクピン構造の各種
問題点を解決するため、エンジンを２プレーンクランク
ピン構造として、等速逆回転の１本のバランサ軸をクラ
ンク軸と平行に設け、バランサ軸上に第１、第２気筒用
と第３、第４気筒用の２個のバランサウェイトを設け
て、エンジンの振動を軽減することが提案されている
（特開昭５７−６９１７３号公報）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな公報記載の４気筒エンジンは、基本的に各気筒の回
転部分質量（クランクピン位置換算値でありピンの逆方
向を向いているとする）が各気筒の往復部分質量の２分
の１である必要がある。しかし、このような質量に対応
する回転部分を従来広く採用されている１プレーンクラ
ンクピン配列の４気筒エンジンと同一部材で同一の空間
内に設置することは困難であり、仮に同一空間内に設置
するとすれば、カウンターウェイトのヘビーメタル化や
コンロッドのチタン化が必要となり、技術的な構成や組
立ておよび価格の点で不利であり生産性が悪くなる。

【００１０】また、高回転速度エンジンにおいては、ネ
ジリ固有振動数低下による耐久性の点で問題となる。

【００１１】一方、本発明者等は前述のクランク配列と
異なる配列で１次モーメントを最小にし、２次モーメン
トが最大になるような形態の２プレーンクランク（第１
気筒０゜、第２気筒１８０°、第３気筒２７０°、第４
気筒９０°）を用いて加速および振動フィーリングの改
善を図ったが、１次および２次モーメントにより振動の
抑制が困難であった。そこで本発明者等はクランク形態
を変えて２次モーメントが０で１次モーメントが最大の
２プレーンクランクを採用し、その１次モーメントをバ
ランサで完全に消すことを図った。

【００１２】本発明は上記の点に鑑みなされたものであ
り、従来の生産設備を大きく変更しないで生産可能であ
って、１次および２次の慣性力および慣性偶力と、１次
慣性力によるクランク軸廻りのローリング起振モーメン
トの全てが０となる変形列型４気筒エンジンのバランサ
装置の提供を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明では、クランクピン配列が第１気筒０°、第
２気筒９０°、第３気筒２７０°、第４気筒１８０°の
クランク軸に対し、等速等方向と等速逆方向の２本のバ
ランサ軸を前記クランク軸と平行に設けた４気筒エンジ
ンのバランサ装置において、ピストン・クランク機構の
等価質量系のクランク回転部分質量を往復部分質量の２
分の１未満としたことを特徴とする４気筒エンジンのバ
ランサ装置を提供する。

【００１４】このようなバランサ装置において、クラン
クの回転部分質量が０、あるいは各気筒の往復部分質量
の２分の１より小とすれば、クランク軸回りの１次ピッ
チング起振モーメントを、クランク軸に対し、等速等方
向と等速逆方向の２本のバランサ軸が発生する１次ピッ
チング起振モーメントと１次ヨーイング起振モーメント
により相殺し打消すことができる。

【００１５】

【実施例】以下図１、図２および図３を用いて本発明の
バランサ装置についてさらに説明する。なお以下の説明
において、座標系はｚ軸が紙面手前を向いた右手座標系
を用いている。また、クランクの回転方向は、紙面手前
側からみて反時計方向とする。

【００１６】図１は本発明が適用される４気筒エンジン
の１気筒を示す構成説明図であり、図２は４気筒のクラ
ンク配列の説明図である。クランク軸６に結合されたク
ランク２０はクランクピン２３を介してコンロッド２１
に連結され、さらにピストンピン２４を介してピストン
２２に連結される。各気筒の往復部分質量の質点はピス
トンピン２４の位置であり、回転部分質量の質点はクラ
ンクピン２３の位置である。図２に示すように、このエ
ンジンは、４気筒の各気筒のクランクピン配置が、第１
気筒のクランク２０ａは０°、第２気筒のクランク２０
ｂは９０°、第３気筒のクランク２０ｃは２７０°、第
４気筒のクランク２０ｄは１８０°の２プレーンクラン
クピン配列構造である。

【００１７】このようなクランク構造のエンジンの往復
部分質量が発生する起振モーメントについては以下のよ
うに算出される。

【００１８】シリンダピッチをｌ、往復部分質量をｍ、
角速度をω、クランク半径をｒとすると、１次ピッチン
グモーメントＭｙ１は以下の数式（１）で表わされる。

【００１９】

【数１】

【００２０】また、２次ピッチングモーメントＭｙ２は
２次の項が以下の数式（２）のように０となるからＭｙ
２＝０である。

【００２１】

【数２】

【００２２】クランク軸の回転部分質量（クランクピン
位置換算値でありピンの逆方向を向いているとする）
を、各気筒の往復部分質量の２分の１より小、Ａ＜１、
Ａ＋Ｂ＝１とすると、以下の数式（３）のモーメントを
発生する。ここで、Ａ、Ｂはクランク軸の回転部分質量
と等速等方向バランサとの分担割合を表わす比であり、
例えばクランク軸の回転部分質量が各気筒の往復部分質
量の１／２の場合、Ａ＝１、Ｂ＝０であり等速等方向バ
ランサを持たない構造となる。これは特開昭５７−６９
１７３号の構造に相当する。また、本願の請求項２の場
合は、Ａ＝０、Ｂ＝１となる。なお、Ａはマイナスの値
でもよい。

【００２３】

【数３】

【００２４】ここで、クランク軸に対し、等速等方向の
バランサ軸により以下の数式（４）のモーメントを発生
させ、同じく等速逆方向のバランサ軸により数式（５）
のモーメントを発生させる。

【００２５】

【数４】

【００２６】

【数５】

【００２７】これにより、 Ｍｙ１＋Ｍｙｃ１＋Ｍｙ１ｂ１＋Ｍｙ１ｂ２＝０ となり、１次ピッチングモーメントは消去される。

【００２８】なお、クランク軸とバランサ軸によるｘ方
向の起振モーメントはそれぞれ以下の（数６）で示す数
式（６−１）（６−２）（６−３）となる。

【００２９】

【数６】

【００３０】これにより、 Ｍｘ１ｃ１＋Ｍｘ１ｂ１＋Ｍｘ１ｂ２＝０ となり、互いに打消合う。

【００３１】次に、１次慣性力によるクランク軸まわり
の２次ローリング起振モーメントについて説明する。

【００３２】従来広く採用されている４気筒エンジンの
クランクピン配置（１プレーンクランクピン配列）であ
る第１気筒、第４気筒０°、第２気筒、第３気筒１８０
°において、１次慣性力による起振モーメントＭｚ１
は、以下の数式（７）のように表わされ、クランク軸ま
わりの２次ローリング起振モーメントとなって残る。

【００３３】

【数７】

【００３４】これに対し、本発明のエンジンでは、クラ
ンクピン配列が第１気筒０°、第２気筒９０°、第３気
筒２７０°、第４気筒１８０°の２プレーンクランクピ
ン配列であり、１次慣性力による起振モーメントＭｚ１
は、以下の数式（８）で示すように、Ｍｚ１＝０とな
り、各気筒で互いに打ち消し合う。

【００３５】

【数８】

【００３６】なお、上記説明においては、コンロッド質
量を一般的な往復部分質量と回転部分質量に分ける方法
で計算したため、クランク軸まわりのモーメント計算に
おいてはコンロッド重心まわりの慣性モーメントを用い
た値とは修正トルクと呼ばれる誤差がある。しかしなが
らこの誤差は比較的小さいため無視した。

【００３７】図３は、上記本発明の実施例に係るバラン
サ装置の基本構成図である。クランク軸６にギヤホイル
３１を固定し、このギヤホイル３１に係合するチェーン
３０を介して第１バランサ軸１１をクランク軸６に対し
等速等方向に回転させる。また一対のギヤ１４、１５を
介して第２バランサ軸１２を第１バランサ軸１１に対し
等速逆方向に回転させる。これにより２本のバランサ軸
が１本はクランク軸に対し等速等方向に、他の１本は等
速逆方向に回転する。このとき回転部分質量は往復部分
質量の２分の１より小さくなるように構成する。

【００３８】次に本発明の別の実施例について説明す
る。この実施例は、２プレーンクランクピン配列の４気
筒エンジンにおいて、クランク軸の回転部分質量を０と
したものである。この実施例では、クランク軸に対し、
前記実施例の数式（４）（５）に代えて、以下の数式
（９）（１０）のモーメントをそれぞれ等速等方向およ
び等速逆方向に発生させる。

【００３９】

【数９】

【００４０】

【数１０】

【００４１】これにより、Ｍｙｃ１＝０であるから、前
記実施例の場合と同様に、Ｍｙ１＋Ｍｙｃ１＋Ｍｙ１ｂ
１＋Ｍｙ１ｂ２＝Ｍｙ１＋Ｍｙ１ｂ１＋Ｍｙ１ｂ２＝０
となり、１次ピッチングモーメントは消去される。

【００４２】バランサ軸によるｘ方向の起振モーメント
は以下の数式（１１−１）（１１−２）となる。

【００４３】

【数１１】

【００４４】したがって、Ｍｘ１ｂ１＋Ｍｘ１ｂ２＝０
となって、互いに打消し合う。

【００４５】１次慣性力によるクランク軸まわりの２次
ローリング起振モーメントについては前記実施例と同様
に、Ｍｚ１＝０となって各気筒で互いに打消し合う。

【００４６】図４は本発明が適用される自動二輪車の左
側面図である。前輪１はヘッドパイプ２に連結されたフ
ロントフォーク３で支持され、ヘッドパイプ２に接続さ
れたメインフレーム前部の燃料タンク４の下側に４気筒
エンジン５が載置される。このエンジン５のクランク軸
６は車幅方向に配設され、エンジン５の各気筒がクラン
ク軸６に沿って配設されている。このクランク軸６の回
転運動がチェーン７を介して後輪８に伝達される。

【００４７】本発明が適用されるこの４気筒エンジン５
は前述の２プレーンクランクピン配列であり、２本のバ
ランサ軸を有するバランサ装置が設けられる。

【００４８】図５は本発明の実施例に係るバランサ装置
（図６の右側の装置）の基本構成図である。図５（Ａ）
は車両側方からの視図（断面）であり、図５（Ｂ）は車
両前方から即ち図６の方向からの視図（断面）である。
このバランサ装置１０は、クランク軸と等速等方向の第
１バランサ軸１１とクランク軸と等速逆方向の第２バラ
ンサ軸１２とにより構成される。各バランサ軸１１、１
２にはバランスウェイト１３が装着される。第１バラン
サ軸１１は、エンジンのクランク軸と直結でもよいし、
又はギヤ、チェーン等の適当な伝達機構を介してクラン
ク軸に対し等速等方向になるように連結してもよい。こ
の第１バランサ軸１１に第１ギヤ１４を固定し、この第
１ギヤ１４と同径同歯数の第２ギヤを第２バランサ軸１
２に固定し、これらの第１第２ギヤ１４、１５を噛み合
わせる。これにより第２バランサ軸１２はクランク軸に
対し等速逆方向に回転する。

【００４９】このようなバランサ装置１０は、図６に示
すように、車体の左右両側に取付けられる。図６左側の
装置の軸配置に関しては、図６の右側装置の車両中心線
に対する左右対称配置である。また、バランスウェイト
１３の位相に関しては、バランサ軸１１、１２の各々に
対して１８０°の逆位相の位置である。即ちこの実施例
の場合、左右一対の等速等方向、同じく一対の等速逆方
向の合計４本のバランサ軸により構成されている。本願
発明の「２本のバランサ軸」とはこのような構成も含
む。なお、上記実施例では、ギヤ１４、１５を用いて第
１バランサ軸１１を介して上記第２バランサ軸１２をク
ランク軸に対し等速逆方向に回転させる構成としたが、
このような構成に代えて、クランク軸から適当な伝達機
構を介して等速逆方向の回転を得るように構成してもよ
い。この実施例の場合従来の自動二輪車のエンジン周囲
のレイアウト（エンジン搭載位置、気化器等の配置等）
を変更することなく、且つクランク軸部分の車幅方向へ
の突出量も少なく抑えることができてバンク角を減少す
ることのないバランサ装置の配置となっている。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、２プ
レーンクランクピン配列の直列４気筒エンジンにおい
て、クランク軸に対し等速等方向と等速逆方向の２本の
バランサ軸を用い、クランク軸の回転部分質量を往復部
分質量の２分の１未満として、ｘ、ｙ、ｚ方向の起振モ
ーメントが０になるように構成しているため、クランク
室空間をさほど大きくすることなく、エンジン振動を抑
制し、１次および２次の慣性力および慣性偶力と、１次
慣性力によるクランク軸廻りのローリング起振モーメン
トの全てが０となって、快適な運転感覚のエンジンを実
現することができるこの場合、実際にエンジンを生産す
るに際し、従来の生産設備に対し、ピン配置やオイル通
路等必要最小限の変更を行えば既設の生産ラインを使用
可能である。また、２本のバランサ軸は偶力バランサで
あるため、クランクに平行であれば設置位置の制限はな
い。したがって、クランク軸端部の外側や側部の空間部
の適当な位置に設けることができ、また等速等方向のバ
ランサ軸を等速逆方向のバランサ軸の反転装置として兼
用することができ、設計の自由度が大きいエンジンが得
られる。また、等速等方向のバランサ軸と等速逆方向の
バランサ軸の反転装置を背面ジェネレータの駆動軸とし
て兼用することもできる。クランク軸の回転部分質量を
０にした場合（請求項２の場合）には、クランク軸は従
来の１プレーンクランクと同サイズで従来の生産設備、
クランクケース等を共通使用できるものが多い。

【００５１】またクランク軸の回転部分質量を０より大
きく２分の１未満とすることにより、振動バランスに必
要な偶力（モーメント）の一部をクランクのウェブの大
きさや位相で実現し、不足分を等速等方向のバランサ軸
でまかなうことができる。したがって、等速等方向バラ
ンサ軸の大きさを回転部分質量を０位下にする場合に比
べ小さくすることができ、占有空間を小さくして消費エ
ネルギも少なくできる。即ち、クランク室にスペース的
余裕がある場合には、振動を打消すのに必要なモーメン
トのうち、クランク自体の分担割合を大きく、バランサ
軸の分担割合を小さくすることによりバランサ装置を小
型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のバランサ装置の各方向のモーメント
計算のための説明図である。

【図２】 本発明のクランクピン配列の説明図である。

【図３】 本発明のバランサ装置の基本構成図である。

【図４】 本発明が適用される自動二輪車の側面図であ
る。

【図５】 本発明のバランサ装置の基本構成図である。

【図６】 本発明のバランサ装置を備えた自動二輪車の
正面図である。

【符号の説明】

６：クランク軸 １０：バランサ装置 １１：第１バランサ軸 １２：第２バランサ軸 ２０：クランク ２１：コンロッド ２２：ピストン ２３：クランクピン ２４：ピストンピン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クランクピン配列が第１気筒０°、第２
   気筒９０°、第３気筒２７０°、第４気筒１８０°のク
   ランク軸を有する４気筒エンジンのバランサ装置におい
   て、ピストン・クランク機構の等価質量系のクランク回
   転部分質量を往復部分質量の２分の１未満とし、等速等
   方向と等速逆方向の２本のバランサ軸を前記クランク軸
   と平行に設けたことを特徴とする４気筒エンジンのバラ
   ンサ装置。
2. 【請求項２】 前記クランク回転部分質量を０としたこ
   とを特徴とする請求項１に記載の４気筒エンジンのバラ
   ンサ装置。