JPS58178012A - クランクシヤフト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は往復圧縮機におけるクランクシャフトに係り、
特に高速で、大容量の往復圧縮機に好適なりランクシャ
フトに関する。

比較的大形（１００ＫＷ以上）の圧縮機においては、ク
ランクシャフトのベアリングはプレーンベアリングを採
用している。これらのベアリングは可動部品に装着され
ており、各ベアリングへの給油は第１図に示すように、
先ずフレーム２のメインベアリング３に加圧した油を給
油し、メインベアリング３を潤滑したその油を、クラン
クシャフト１のジャーナル部１ａからビン部１ｂへ貫通
するように形成された油入から大メタル４へ送す、その
大メタル４を潤滑する。大メタル４からさらにコネクチ
ングロッド５を介して小メタル（図示せず）へ油を送り
、潤滑する。上記の通り、クランクシャフト１には油入
１ｄがあり、クランクシャフト１における前記油入１ｄ
の開口部に大きな応力集中が発生し７、このためクラン
クシャフト１の軸径を細くすることが難しかった。すな
わち。

従来のものは第１図および第２図に示すような２次元的
な穴形状であったため、応力解析をするとクランクシャ
フト１の最も応力の高い位置に油入の開口部が形成され
ており、したがって極めて大きな応力を生じていた。し
たがって、クランクシャフト１の軸径を大きくせざる得
ないが、シャフト１の軸径が太いと、シャフト１の重量
のみならず、大メタル４およびそのノ・クランクである
コネクチングロッド５も大きくなるからそれらの重量も
大きくなる。これらの重量が大きいと、慣性力が大きく
なるから、クランクシャフト１に作用する荷重が大きく
なり、従ってクランクシャフト１に生じる応力が太きく
なる。応力を低減するためには軸径を太くしなければな
らない。このように悪循環が生じ、高速化が難しがった
。

本発明の目的はクランクシャフトの油入開口部に発生す
る応力を低減することにより、その軸径を細くでき、こ
れにより圧縮機の可動部を軽量化し、慣性力を小さくす
ることのできるクランクアーヤフトを提供することにあ
る。

本発明の特徴は、往復圧縮機におけるクランクシャフト
のジャーナル部からビン部へ貫通する油入を形成してな
るクランクシャフトにおいて、前記ビン部における油入
開口部を、前記ジャーナル部とビン部とを連結している
クランクアームの軸線に対し９０°またけ一９０°の位
置に形成した点にある。

クランクシャフトに作用する荷重は、慣性力と。

シリンダ内の圧力がピストンを押す刀、すなわちピスト
ン力の２つの荷重が合成され、クランクシャフトのピン
部に作用する。さらに、往復圧縮機は吸込弁開放形アン
ローダによりピストンの押倒または引例またはその両方
の吸込弁を開放しアンロードすることができるが、この
とき前記ピストン力が変る。大形圧縮機では基礎に作用
する往復動慣性力を小さくするためフレームに対し２個
のシリンダを対向させたバランス形としているが、この
場合、２箇所のピン部に作用するカが、２個のメインベ
アリングに反力を発生させる。クランクシャフトでは、
この反力による曲げ応力が大きくなる。応力集中係数は
前記第１図に示すものの場合、ピン部１ｂとクランクア
ーム１ｃとを接続しているフィレット部１ｅで約２であ
り、またビン部１ｂの中央部に開口している油入の部分
では約３にもなる。フィレット部３は応力集中係数が比
較的小さい上にモーメントの腕長さが前記油入開口部よ
りも短いので応力はあ１り大きくなく、クランクシャフ
ト１の応力はビン部１ｂの油入開口部で最大となる。

本発明ではクランクシャフトにおけるビン部中央部の円
周上の各部の応力をクランクシャフトの１回転における
時間変化で解析し、往復圧縮機のロード時およびアンロ
ード時の場合について検討した。その結果、ピストンの
押倒あるいは引例の一方側がアンロードの時に大きな応
力が発生することがわかり、筐た。ビン部中央部の円周
上でも大きな応力が発生する処と、そうでない処がある
ことが解った。さらに、従来のクランクシャフトでは最
も応力の高い処に油穴の開口部を形成していることが解
った。本発明は油入の開口位置をビン部円周上の最も応
力の低い処にすることにより油入開口部に発生する応力
を低減し、クランクシャフトの軸径を小さくできるよう
にしたものである。

上述した本発明の原理をさらに詳しく説明する。

第３図に示すように、クランクシャフト１のビンの１ｂ
ＫＦ１およびＦ２の力が作用すると、メインベアリング
３には反力Ｒ１およびＲ１が作用する。力の釣合および
モーメントの釣合かつＲ８゜Ｒ２を求めると次式のとお
りになる。

（この式において、ｌおよびａは第３図に示す部分の寸
法である。ン このＪおよびＲ２はクランクビンに曲げモーメントとし
て作用する。第３図に示すように圧縮機のピストン６は
対向配置したバランス形となっているので、一般に前記
刀Ｆ１とＦ、は符号が逆（力の向きが逆）になっている
。第３図から。

Ｌ　＋　ａ　）　Ｏ、Ｌ　−ａ　）　０であるから、力
Ｆ、とＦ、の正負の符号が逆の方が反力Ｒ，，Ｒｔの絶
対値は小さくなる。

圧縮機は一般に複動で、ピストンの押倒および引例の両
側で気体を圧縮する１００％負荷（押引両側とも負荷〕
および０％負荷（押引両側とも無負荷）の場合は、力Ｆ
１　とＦ！の絶対値がほぼ等しく、正負の符号が逆であ
り、反力Ｒ１およびＲ３の絶対値は小さくなる。５０％
負荷（押倒または引例の一方が負荷で他方が無負荷）の
場合は次のようになる。−１なわち、力Ｆｔ（またはＦ
２）は慣性力と、ピストンの抑制と引例の差圧による力
（ピストン力）の２つの合成された力であり、この合成
された力を図示すると、５０％負荷の場合第４図のよう
になる。

図において、横軸はクランク角で５クランクの１回転を
Ｏ〜３６０°で示している。縦軸はクランクシャフト１
のビン部１ｂに作用する力である。

曲線Ａは、ピストンの引例か無負荷の場合におけるビン
部１ｂに作用する力であり、い１仮に力Ｆ１とする。曲
線Ｂはピストンの抑制か無負荷の場合におけるビン部１
ｂに作用する力であり、これを仮に力Ｆ、とする。図の
ように、ピストンの列側無負荷と伸側無負荷とでは波形
が異なる。ピストンが対向する側に配置されている場合
、力Ｆ、とＦ２の正負の符号は逆になる。図の破線Ｂ′
は力Ｆ２の正負の符号を逆にした場合の曲線である。

従って１両ピストンが、引例無負荷重たは伸側無負荷の
場合はＲ、またはＲ２の絶対値が小さくなるが、この場
合トルク変動が太きくなるため、モータが大きくなる欠
点があり、このため一般には一方のピストンを押１目１
１無負荷、他方を列側無負荷として使用する。前述した
ように、　Ｆｔ　を列側無負荷、Ｆ２を伸側無負荷とす
るとＴｈ　Ｆ、は対向側ピストンのため破線のように正
負の符号が逆になる。

この場合、Ｆ、　、　Ｆ、の両方とも＋側で大きくなり
、−側は小さい。従って（１）式で反力Ｒ１゜Ｒ１は大
きくなる。

Ｆ、が大きいことがわかる。この力Ｆ、、Ｆ、によるビ
ン部１ｂに発生する曲げ応力を考えると、応力σは、 （Ｍ：モーメント、Ｚ：断面係数） であり、（３）式でモーメントＭは （Ｒ：反力） で表わすことができる。

第５図はクランクシャフト１の中心０回りを回転するク
ランクシャフト１のビン部１ｂを示す。

ビン部１ｂの外側をａ、内側をｂとすれは、前記第４図
および式（１）より、０　のときはＦｔは０で、Ｆ、は
正であるから、Ｒ１は負となり第５図で左方向の向きと
なる。また％　ａ部は引張りであり。

ｂ部は圧縮応力となる。１８０°の位置では、Ｆ。

が正で太き（Ｆｌ　は負であるが絶対値が小芯いのでや
はりＲ１は左向きとなる。この１８０　α寵では０　の
場合とは逆に、ａ部が圧縮、ｂ部が引張応力となる。こ
のようにして、ビン部１ｂのａ部およびｂ部には大きな
応力が発生し、しかもａ部およびｂ部共引張り、圧縮応
力の振幅が大きくなり、疲労破損し易くなっている。第
５図で、９０　の位置でａ部とｂ部を結ぶ線に直角な位
置にある点を０部、ｄ部とすれば、第４図からＲ１（９
） は左向きであり、その絶対値は小さい。従って０部およ
びｄ部付近の応力は小さいことがわかる。

そこで、不発明ではこのＣ部寸たけｄ部に油入１ｄの開
口部を形成したものである。

以下、不発明の一実施例を第６図〜第８図により説明す
る。クランクシャフト１のビン部１ｂ中央部Ｍにおける
円周上の点を、第７図に示したように９０　毎にａｔ　
ｂｅ　Ｃｓ　ｄとすると、その各点の応力をクランクシ
ャツ）１の１回転中の時間的変化について解析した結果
、ピストンの抑制あるいは引例の片側をアンロードした
場合に応力が最大となり、その場合における応力の時間
的変化（クランク角に対する変化）を示すと第８図のよ
うになる。応力はその最大値およびその振幅の両方共ａ
部およびｂ部が０部およびｄ部の応力に対し、大幅に大
きいことがわかった。従来のクランクシャフトにおける
油入１ｄの開口部の位置は第７図に示すａ部の位置にあ
り、応力集中係数が前述した通り約３であるので、第８
図のａ部における応力の約３倍となる。本発明のクラン
クシャツ（１０） トでは、クランクアームＩＣの軸線Ｋに対し９０　の位
置となるクランクシャフト１のジャーナル部１ａに油入
１ｄの開口部を設け、さらに、ビン部１ｂの前記軸線Ｋ
に対し９０　の位置であるＣ部に油入１ｄの開口部を設
けるように油入１ｄを形成している。これにより、油入
１ｄはクランクアームＩＣの軸線Ｋに対し９０　−４５
（あるいは−９０°−４５°　）の傾きに形成されるこ
とになる。ビン部１ｂの油入開口部であるＣ部では応力
集中係数は約３になるが、Ｃ部やｄ部の応力はａ部−？
ｂ部の応力に対してもともと数分の１と小さいので、本
発明のビン部１ｂにおける油入開口部の応力は従来のも
のよりはるかに小さくなる。この結果、ビン部１ｂの軸
径を細くでき、圧縮機可動部を軽量化できるから、慣性
力も小さくなる。

なお、上述した実施例では油入開口部をビン部１ｂのＣ
部に形成しているが、ｄ部に形成しても同様の効果が得
られる。この場合にはジャーナル部１ａにおける油入開
口部はクランクアーム軸線（１１） Ｋに対し一９０°の位置に形成すれば、油入１ｄは前記
軸線Ｋに対し−９０＋４５　　（あるいは９０　　＋４
５　　）の傾きを有する直線となるから。

その油入の加工が容易である。すなわち１本発明におい
て、ビン部１ｂにおける油入開口部の応力を小さくシ、
かつ油入１ｄを直線とするには、油入１ｄの傾きをクラ
ンクアーム軸＠Ｋに対し、±９０°±４５　となるよう
に形成すればよい。

筐だ、ビン部１ｂにおける油入開口部の応力は小さくす
るだけなら、その油入開口部の位置をクランクアーム軸
線Ｋに対し、±９０　の位置となるように形成すればよ
い。このように構成することにより、クランクシャフト
１の軸径を従来のものの７０％程度細くすることができ
、この効果は特に昼速圧縮機で太きい。すなわち、クラ
ンクシャフトに作用する力は慣性力とピストン力である
が、高速圧縮機では慣性力が非常に大きくなるから、軸
径を細くしたことにより、クランクシャフトのみならず
コネクチングロッドも小形軽量となり、慣性力が小さく
なる力１らクランクシャフトの応力（１２） が下がる。したがって、圧縮機の小形化、高速化。

経済性、効率向上に大きく寄与できる工業的価値の大な
るクランクシャフトを提供できる。

本発明のクランクシャフトは以上説明したように、クラ
ンクシャフトのビン部における油入開口部を、クランク
アーム軸線に対し、９０’Ｅたは−９０の位置に形成し
ているので、そのビン部における油入開口部に発生する
応力を低減することができ、その結果クランクシャフト
の軸径を細くできるから、圧縮機の可動部を軽量化して
その慣性力を小さくできるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のクランクシャフトを示す縦断面図、第２
図は第１図に示すクランクシャフトのみをＩＩ−ＩＩ線
矢視方向から見た図、第３図〜第５図は本発明の詳細な
説明するための図で、第３図は往復圧縮機の全体構造を
−示す簡略図、第４図はクランク角とクランクシャフト
部に作用する力との関係を示す線図、第５図はクランク
シャフトの中心の回りを回転するビン部の各位置を示す
説明図、第６図〜第８図は不発明の一実施例を説明する
図で、第６図はクランクシャフトの正面図、第７図は第
６図の■−■線矢視図、第８図はクランクシャフトのピ
ン部中央部における円周上の各点の応力とクランク角と
の関係を示す線図である。 １・・・クランクシャフト、ｌａ・・・ジャーナル部。 １ｂ・・・ビンｓ、ｉｃ・・・クランクアーム、ｌｄ・
・・油入、Ｋ・・・クランクアーム軸線。 χ　３　図 Ｙ　４　図 ■　５　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 往復圧縮機におけるクランクシャフトのジャーナル部か
   らビン部へ貫通する油入を形成してなるクランクシャフ
   トにおいて、前記ビン部における油入開口部を、前記ジ
   ャーナル部とビン部とを連結しているクランクアームの
   軸線に対し、９０゜または−９０°の位置に形成したこ
   とを特徴とするクランクシャフト。