JPH1037943A - クランク軸 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 クランク軸の重量軽減、捩じり振動共振回転
数の上昇等を図る。 【解決手段】 クランク軸のクランクスローを、二点鎖
線の大きな幅を持つクランクアーム７ａ、７ｂ〜９ａ、
９ｂと、実線の減少幅を持つクランクアーム１ａ、１ｂ
〜６ａ、６ｂ及び１０ａ、１０ｂとで構成する。幅は、
捩じり振動計算における各シリンダ間の全てのクランク
軸部における全捩じりトルクの計算値を考慮して定め
る。 【効果】 舶用大型エンジンでは、例えばクランクスロ
ーの全重量が１０％程度減少し、捩じり振動共振回転数
を２ＲＰＭ程度上昇することができる。機関のバランス
改善にも利用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のアーム部分
と軸部分とを備えた多気筒内燃機関のクランク軸に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば舶用２サイクルディーゼル機関で
は、クランク軸に発生する捩じり振動応力低減のため
に、捩じり振動共振回転数を機関運転回転数以上にでき
るだけ高く上げなけなばならない場合がある。そのため
従来では、ハズミ車の慣性モーメントを減少させたり、
フランジを厚くしたり軸長さを短縮して軸系の捩じり剛
性を高くする等の方法が用いられていたが、これらの方
法には、構造上及び性能上の制約のため限界があり、目
的とする値まで共振回転数を上昇できない場合があっ
た。

【０００３】なお、クランクアームに駄肉を設け、その
量の調整によってクランク軸の動的バランスを修正し、
振動を低減するようにしたクランク軸が提案されている
（実開平３−１１４６２０号公報参照）。しかしなが
ら、このような方法では、駄肉によってクランク軸の重
量が増加し、共振回転数を低下させることになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来技術に於
ける上記問題を解決し、捩じり振動の共振回転数を容易
に上昇させられると共に、動的バランスを改善でき重量
も軽減されるクランク軸を提供することを課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、請求項１の発明は、複数のアーム部分と軸
部分とを備えた多気筒内燃機関のクランク軸において、
前記複数のアーム部分は最大トルクを伝達できる最大幅
及び最大厚さを備えた最大寸法を持つものとトルクを伝
達できる範囲で前記最大幅又は最大厚さよりも幅又は厚
さのうちの少なくとも何れかが小さくなっている減少寸
法を持つものとを有することを特徴とする。

【０００６】請求項２の発明は、上記に加えて、前記複
数のアーム部分は最大トルクを伝達できる最大幅及び最
大厚さを備えた最大寸法を持つものとトルクを伝達でき
る範囲で前記最大幅よりも幅が小さくなっている減少幅
を持つものとを有することを特徴とする。

【０００７】請求項３の発明は、請求項１の発明の特徴
に加えて、前記アーム部分と前記軸部分とが組み立てら
れて形成されていることを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１及び図２は本発明を適用した
クランク軸のクランクスローの一例を示し、図３はこれ
らのクランクスローを持つクランク軸の全体構造の一例
を示す。本例のクランク軸は、複数のアーム部分として
ＮＯ１シリンダ部分乃至ＮＯ１０シリンダ部分のクラン
クアーム１ａ、１ｂ〜１０ａ、１０ｂを備えた多気筒内
燃機関の一例としての舶用大型２サイクルディーゼル機
関用のクランク軸である。このディーゼル機関は直径８
００ｍｍのシリンダを１０筒備え、連続最大出力及び回
転数は３４３００ＫＷ×９３ＲＰＭである。

【０００９】本例のクランク軸は組立式になっていて、
それぞれのクランクアーム１ａ、１ｂ〜１０ａ〜１０ｂ
とそれぞれの軸部分であるクランク軸部１１乃至２１と
は図３に示す対応関係になり、それぞれのクランク軸部
の両端又は片端は、図１、２に示すクランクアームの穴
ｈ内に焼嵌めされ、両者はトルク伝達が可能なように結
合されている。クランク軸部１６は１６ａ及び１６ｂに
分割されていて、フランジ部分でボルト結合されてい
る。それらの間にはカム軸駆動チェーン車２２が取り付
けられている。符号２３はスラスト軸受のためのスラス
トカラー部分、２４はターニングギヤー兼ハズミ車取付
フランジ部分、２５はプロペラが装着される船尾軸系を
結合するフランジ部分である。クランク軸部１１〜１６
ａ、１６ｂ〜２１は、主軸受によって回転自在に支持さ
れる。

【００１０】クランクアーム１ａ、１ｂ〜１０ａ、１０
ｂは、最大トルクを伝達できる最大幅及び最大厚さを備
えた最大寸法を持つものとして、本例では同じ最大幅及
び最大厚さを持つ図２に示すクランクアーム７ａ、７ｂ
〜９ａ、９ｂと、トルクを伝達できる範囲で最大幅又は
最大厚さよりも幅又は厚さのうちの少なくとも何れかが
小さくなっている減少寸法を持つものとして、本例では
幅が小さくなった同じ減少幅を持つ図１に示すクランク
アーム１ａ、１ｂ〜６ａ、６ｂ及び１０ａ、１０ｂとで
構成されている。なお図１では、比較のために図２の幅
の大きいクランクアームの形状を二点鎖線で示してい
る。

【００１１】クランクアーム１ａ、１ｂは、クランクピ
ン１ｃ部分を含んで一体として鍛造され、クランクスロ
ー１を構成している。他のクランクアーム部分も同様
で、ａ、ｂ一対のクランクアーム及びクランクピンｃに
より、図３に示すようにＮＯ１乃至ＮＯ１０シリンダに
対応するクランクスロー１〜１０を形成している。クラ
ンクピン１ｃ部分には、図示しないが、ピストンや連接
棒等を介してシリンダ内の爆発力が伝達され、その力が
クランクスロー１を介してクランク軸部１１、１２の出
力トルクに変換され、負荷となるプロペラ等を回転させ
る。

【００１２】このトルクにより、クランクアームとクラ
ンク軸部間の焼嵌部には剪断応力が発生するが、焼嵌め
による両者間の面圧によって剪断応力に対応する摩擦力
が発生し、両者間が滑ることなくトルクが伝達される。
このためには、伝達トルクの大きさに対応した伝達面の
面圧が必要であると共に、この面圧によって生ずる応力
を所定値以下に押さえられるように、クランクアームの
メガネ部分の幅及び厚みを定める必要がある。図１、図
２のクランクアームの幅Ｗ、Ｗ´又はｗ、ｗ´及び厚み
Ｔは、上記のように伝達トルクに対応して必要となる寸
法以上の寸法になるように定められている。

【００１３】図４は、国際船級協会（ＩＡＣＳ）で認め
られたプログラムによる捩じり振動計算で得られたクラ
ンク軸の軸部の捩じりトルクの状態を示す。この軸部ト
ルクは、出力トルクと捩じり振動による付加トルクとを
加えた値になっている。図中の右端の符号は図３のクラ
ンク軸部の符号と同じであり、算出したトルクの位置を
示す。

【００１４】図示の如く、軸部トルクはシリンダの位置
によって大きく異なる。連続最大出力以下の出力及び回
転数の範囲において、Ａ点及びＢ点であるＮＯ７〜ＮＯ
９シリンダに対応するクランクスロー７〜９に関係する
軸部トルクは、最大トルク約５６００（ＫＮｍ）及び二
番目のトルク約５４００（ＫＮｍ）である。これに対し
て、中間的トルクになるＣ点のクランクスロー９及び１
０に関係する軸部トルクは約４８００（ＫＮｍ）で、最
大トルクの約８６％になり、Ｃ点のクランクスロー１及
び２に関係する軸部トルクは最小トルク約３０００（Ｋ
Ｎｍ）で、最大トルクの約５４％になっている。

【００１５】上記のような計算結果により、本例のクラ
ンク軸では、既述の如く、小さい軸部トルクに関係する
クランクスロー１〜６及び１０に対して、図１の如くＷ
及びｗの幅を持つクランクアームを採用し、大きい軸部
トルクに関係するクランクスロー７〜９に対しては、図
２の如くＷ及びｗより大きいＷ´及びｗ´の最大幅を持
つクランクアームを用い、何れのクランクアームにおい
ても対応するクランク軸部の捩じりトルクを伝達できる
ようにしている。

【００１６】図１乃至図３の例では、クランクアームの
幅を減少する例について説明した。幅を減少させる場合
には、クランク軸部の長さが変わらず、当然エンジン全
体の構成を変える必要もないので、本発明の適用が極め
て容易であるが、量産エンジン等で当初から本発明を適
用した設計を行うことにより、幅に代えて又は幅と共に
厚みＴを減少させることもできる。

【００１７】厚みを変える場合には、焼嵌部の応力より
も図１に示すクランクアームのフィレット部ｆの応力が
問題になる。この応力に対してはシリンダ内最高圧力及
び軸部の捩じりトルクがほぼ同程度に影響すること、及
び、応力と厚みとがほぼ２乗の関係になる（厚みの二乗
に反比例して応力が変わる）ことから、捩じりトルクの
減少によって厚み減少できる量は幅ほど顕著ではない。
しかし、例えば上記の如く最小トルク３０００（ＫＮ
ｍ）が最大トルク５６００（ＫＮｍ）の約５４％である
場合には、フィレット部の応力は約７７％になり、許容
応力を同じにすれば、厚みＴを１２％程度まで減少させ
ることが可能である。そして、このような厚みの減少に
より、重量減少効果や捩じり振動共振回転数上昇効果を
得ることができる。

【００１８】従来では、通常軸部トルクの最大値である
５６００（ＫＮｍ）のみを計算し、これを用いて全ての
シリンダのクランクスローの幅及び厚みを図２のサイズ
のものにしていたが、クランク軸部の各位置の捩じりト
ルクを算出し、これを利用して本発明を適用し、例えば
３シリンダ分のものを図２のサイズにして残りの７シリ
ンダ分を図１のサイズにすることにより、合計重量を約
１４トン（クランクスロー１〜１０の全重量に対して約
１０％）軽減することができた。又、これによって回転
慣性質量が減少し、捩じり振動の共振回転数を約２ＲＰ
Ｍ上昇させ、連続最出力時の回転数である９３ＲＰＭよ
り十分高い回転数まで危険回転数を追い上げることがで
きた。その結果、連続最大出力時及び所定のオーバース
ピード回転数の範囲の捩じり振動応力を安全な範囲まで
低減することができた。又、機関の動的バランスも改善
された。更に、クランク軸重量の減少により、クランク
軸の製造コストが低減した。そして更に、機関全体の重
量が減少することになり、機関が船舶に搭載される場合
には、船の自重であるライトウエィトを減少させ、それ
だけ載貨重量の増加できる効果も生ずる。

【００１９】なお以上の例では、部品の共通性や機関の
バランス等を考慮して、１つのクランクスローでは同じ
幅のクランクアームを用いているが、例えばクランクス
ロー１では船首側に相当するクランクアーム１ａに対し
ては殆どトルクがかからず、クランクスロー７ではその
クランクアーム７ａと７ｂにかかるトルクが大幅に異な
る等、両側のクランクアームで伝達トルクが異なるの
で、場合によっては１つのクランクスローにおけるクラ
ンクアームの幅を変え、より大幅な重量軽減等を図るこ
とも可能である。又、以上では軸部トルクの大きさに基
づいて２種類のクランクアーム幅のクランクスローに統
一した設計にしたが、対応する軸部トルクの大きさ毎に
クランクアーム幅を細かく変えて、更に重量低減や共振
回転数の上昇を図るようにしてもよい。

【００２０】以上ではクランク軸が組立型である場合に
ついて説明した。その場合には、クランクアームが焼嵌
め用の穴の回りに焼嵌めに必要な幅ｗ´（図２参照）を
持っているので、軸部トルクに対応してこれを最適な寸
法にすることにより、極めて容易かつ効果的にクランク
アームの重量を軽減し、捩じり振動共振回転数を上昇さ
せることができる。しかし、一体鍛造の可能な一体型ク
ランク軸であっても、クランクアームの幅及び厚みの設
計には軸部トルクの大きさが関係するので、多気筒内燃
機関のクランクスロー又はクランクアーム毎にこれらを
それぞれの軸部トルクに対応した幅又は厚みにすること
により、組立型の場合と同様の効果を得ることができ
る。特に、用途及び負荷系の慣性質量が一定しているよ
うな量産型のエンジンでは、クランクスロー毎に細かく
軸部トルクに対応した設計をすることによって大きな効
果を期待することができる。

【００２１】

【発明の効果】以上の如く本発明によれば、請求項１の
発明においては、クランク軸が、最大トルクを伝達でき
る最大幅及び最大厚さを備えた最大寸法を持つクランク
アームと、トルクを伝達できる範囲でこれよりも幅又は
厚さのうちの少なくとも何れかが小さくなっている減少
寸法を持つクランクアームとを有するので、伝達トルク
に対応してクランクアームを減少寸法にして、クランク
軸の重量を軽減し、その製造コストを低減することがで
きる。又、これにより捩じり振動に影響を与える回転慣
性質量を減少し、捩じり振動共振回転数を高くすること
ができる。更に、トルク伝達の可能な範囲でクランクア
ームの質量を調整し、機関の動的バランスの改善を図る
ことができる。

【００２２】請求項２の発明においては、クランクアー
ムの幅に対して減少寸法を適用するので、容易に且つ大
幅に重量減少等を図ることができる。

【００２３】請求項３の発明においては、焼嵌め等によ
る組立型のクランク軸に対して減少寸法を持つクランク
アームを適用するので、組立部分の幅及び厚みを利用す
ることにより、一層容易且つ大幅に寸法の減少、これに
よる重量低減等を図ることができる。又、組立型のクラ
ンク軸は、一般に舶用の大型エンジンに用いられるの
で、重量軽減の効果が一層有用になる。即ち、船舶の載
荷重量を増加できる効果も生ずる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したクランクスローのうちの減少
幅をもつものの形状を示し、（ａ）は正面図で（ｂ）は
クランクピン断面を含む部分の縦断面図である。

【図２】本発明を適用したクランクスローのうちの最大
幅をもつものの形状を示し、（ａ）は正面図で（ｂ）は
クランクピン断面を含む部分の縦断面図である。

【図３】本発明を適用したクランク軸においてクランク
スローを全ての同じ位置に回転させて見た仮想の概略全
体構造を示す正面図である。

【図４】本発明を適用できるクランク軸の捩じり振動計
算における軸部捩じりトルクの計算結果を示す曲線図で
ある。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ〜１０ａ、１０ｂ クランクアーム（ア
ーム部分） １ａ、１ｂ〜６ａ、６ｂ 減少寸法のクランク
アーム ７ａ、７ｂ〜９ａ、９ｂ 最大寸法のクランク
アーム １０ａ、１０ｂ 減少寸法のクランク
アーム １１〜２１ クランク軸部（軸部
分） Ｔ 厚み（厚み、最大厚
み） Ｗ、ｗ 幅（減少幅、減少寸
法） Ｗ´、ｗ´ 幅（最大幅、最大寸
法）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のアーム部分と軸部分とを備えた多
   気筒内燃機関のクランク軸において、 前記複数のアーム部分は最大トルクを伝達できる最大幅
   及び最大厚さを備えた最大寸法を持つものと、トルクを
   伝達できる範囲で前記最大幅又は最大厚さよりも幅又は
   厚さのうちの少なくとも何れかが小さくなっている減少
   寸法を持つものとを有することを特徴とするクランク
   軸。
2. 【請求項２】 前記複数のアーム部分は最大トルクを伝
   達できる最大幅及び最大厚さを備えた最大寸法を持つも
   のと、トルクを伝達できる範囲で前記最大幅よりも幅が
   小さくなっている減少幅を持つものとを有することを特
   徴とする請求項１に記載のクランク軸。
3. 【請求項３】 前記アーム部分と前記軸部分とが組み立
   てられて形成されていることを特徴とする請求項１に記
   載のクランク軸。