JPS63208622A - 直列４気筒エンジンのバランサ装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、いわゆる１次振動および２次振動を除去する
ことのできる直列４気筒エンジンのバランサ装置に関す
るものである。

先行技術 一般に、ピストン等の往復運動によって生ずるエンジン
の振動は、クランク角３６０度で１周期の１次振動、１
８０度周期の２次振動、９０度周期の４次振動などの種
々の周期の振動が合成されたものであることが知られて
いる。したがって、エンジンの振動を完全に除去するた
めには、理論上は、これらの振動のすべてについて対策
を講することが必要となるが、現実には、４次振動以上
の高次振動は、その大きさが小さいため、１次振動およ
び２次振動の除去が、主として重要な問題とされていた
。

第１図は、１次往復慣性力および２次往復慣性力の波形
を模式的に示したものであり、横軸は、クランク角であ
る。１次往復慣性力の波形は、曲線Ｘで、２次往復慣性
力の波形は、曲線Ｙで、それぞれ示されている。第１図
に示されるように、ピストンが上死点から下死点まで移
動すると、すなわち、クランク角がゼロから１８０度ま
で変化すると、エンジンに加わる１次往復慣性力は、反
対向きになるが、２次往復慣性力は、クランク角がゼロ
の、ピストンが上死点にあるときと、大きさ、向きとも
に同一になり、さらに、ピストンが下死点から上死点に
移動し、クランク角が１８０度から３６０度まで変化す
ると、エンジンに加わる１次往復慣性力および２次往復
慣性力は、クランク角がゼロのときと、その大きさ、向
きともに同一になる。多気筒のエンジンには、各気筒に
おいて、このような１次往復慣性力および２次往復慣性
力が発生するため、鉛直方向、水平方向の合力と、１次
往復慣性力および２次往復慣性力の作用点が異なること
に起因する偶力（モーメント）により、それぞれ、１次
振動および２次振動が発生する。

直列４気筒エンジンにおいては、１次のアンバランスを
除去することは、容易であるが、２次の往復慣性力のア
ンバランスが残り、その結果、クランク角１８０度で１
周期の低周波数のエンジン振動（２次振動）が生じ、車
室内騒音や補機振動強度の低下などの問題が生じること
があった。

このような、低周波数のエンジン振動を除去して、振動
の小さいエンジンを実現するため、エンジンの出力軸の
２倍の速度で互いに逆回転する２本のバランスシャフト
を設けて、上記２次の往復慣性力のアンバランスを解消
しようとする試みが特公昭５７−３４４４４号公報によ
り提案されている。

発明の解決しようとする問題点 しかしながら、このようにバランスシャフトによって２
次の往復慣性力のアンバランスを解消しようとする場合
には、バランスシャフトを駆動するベルトなどによる騒
音の発生や抵抗の増大、エンジンの大型化などの問題が
あった。

発明の目的 本発明は、簡単な機構で、直列４気筒エンジンの２次振
動を効果的に除去することのできる直列４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ものである
。

発明の構成 本発明のかかる目的は、前方より第１気筒、第２気筒、
第３気筒および第４気筒の順で各気筒が配置された直列
４気筒エンジンにおいて、各気筒の中心を結ぶ線上の、
第２気筒と第３気筒間の中央部に出力軸の速度の２倍の
速度回転するクランクを有する往復動バランサを設け、
該往復動バランサの位相を、前記第１気筒が上死点にあ
るときに、下死点にあるように設定して直列４気筒エン
ジンのバランサ装置を構成することによって達成される
。

実施例 以下、添付図面に基づいて、本発明の実施例につき、詳
細に説明を加える。

第２図は、本発明に係る直列４気筒エンジンのバランサ
装置の一実施例における各気筒と往復動バランサの位相
関係を示す概略図である。第３図は、本発明に係る直列
４気筒エンジンのバランサ装置の一実施例において用い
られた往復動バランサの構成を示す概略図である。

第２図において、本実施例における直列４気筒エンジン
は、図中、右側をトランスミッショ、ン側として、第１
気筒１、第２気筒２、第３気筒３および第４気筒４の順
に、各気筒が配置されている。

本実施例においては、第１気筒１、第３気筒３、第４気
筒４および第２気筒２の順に点火されるように構成され
ており、その結果、各気筒のピストンの位置関係は、第
１気筒１のピストンが上死点にあるときに、第４気筒４
のピストンは上死点、第２気筒２および第３気筒３のピ
ストンは下死点に、それぞれ位置するようになっている
。

本実施例においては、往復動バランサ１０は、第１気筒
１ないし第４気筒４の中心を結ぶ線上の、第２気筒２と
第３気筒３との中央に、各気筒と同じ向きに設けられて
いる。

第３図を参照すると、本実施例の往復動バランサ１０は
、各気筒の軸と平行な軸を有するシリンダ１１、シリン
ダ１１内を上下方向に往復運動するバランスウェイト１
２、出力軸の回転速度の２倍の速度で回転するクランク
ピン１３、バランスウェイト１２とクランクピン１３と
を結合するコンロッド１４、クランクピン１３の回転軸
１５および回転軸１５のまわりにクランクピン１３とと
もに回転するカウンタウェイト１６よりなっている。カ
ウンタウェイト１６は、回転質量によるモーメントに相
当するモーメントを有している。ここに、回転質量とは
、周知のように、コンロッド１４の大端部質量とクラン
クスロ一部（クランクピン１３＋クランクピンアーム）
相当の質量の和をいう。クランクピン１３を出力軸の回
転速度の２倍の速度で回転させるためには、出力軸と回
転軸１５の間に、２つの歯車を介在させ、出力軸側の歯
車と回転軸１５側の歯車のギア比を２：１とすればよい
。

第２図は、第１気筒１のピストンが上死点にある状態を
示しており、第２図に示されるように、本実施例の往復
動バランサ１０のバランスウェイト１２の位相は、第１
気筒１のピストンが上死点にあるときに、下死点にある
ように設定されている。

以上のように構成された本実施例の直列４気筒エンジン
においては、各気筒のピストンなどの往復運動により、
それぞれ、往復慣性力が発生する。

また、各気筒の回転質量およびカウンタウェイトによっ
て遠心力が発生するが、金気筒の遠心力の合力は釣り合
っており、往復慣性力のみを考慮すればよい。各気筒の
位相差を考慮すると、それぞれ、次のような往復慣性力
が発生する。

第１気筒１： Ｆ、　＝ｍｒａ＋２（ｃｏｓ　ωｔ　＋ρｃｏｓ２ωを
一ρ３／４・ｃｏｓ４ωｔ＋・・・） 第２気筒２： Ｆ２−ｍｒω２（−ＣＯ５ωｔ＋ρＣ０８２ωを一ρ３
／４・ｃｏｓ４ωｔ＋・・・） 第３気筒３： Ｆ３＝ｍｒω２（−ＣＯ８ｏ）ｔ＋ρＣ０８２ωｔ−ρ
３／４・ｃｏｓ４ωｔ＋・・・） 第４気筒４： Ｆ４＝ｍｒω２（ＣＯ８ωｔ＋ρＣＯ５２ωｔ−ρ３／
４・ｃｏｓ４ωｔ＋・・・） ここに、 ｍ：往復慣性質量 ｒ；クランク半径 ω：クランク角速度 ρ：クランク半径／コンロッド長 である。

したがって、本実施例のエンジンにおけるピストン等の
往復運動によって生ずる往復慣性力の合力Ｆ、は、１次
の往復慣性力は互いに相殺され、次のように、２次成分
以下の往復慣性力のみとなる。

ＦＥ＝４ｍｒω２（ρＣｏ５２ωを 一ρ３／４・ｃｏｓ４ωｔ＋・・・） したがって、ピストン等の往復運動によってエンジンに
生ずる２次の振動を除去するためには、上記２次の往復
慣性力を相殺する力を、往復動バランサ１０によりエン
ジンに加えればよいことになる。

前述のように構成された本実施例の往復動バランサ１０
においては、回転質量部のモーメントに相当するモーメ
ントを有するカウンタウェイト１６が設けられているた
め、回転質量による遠心力は相殺され、次式のように、
往復質量による往復慣性力のみが発生する。

Ｆｉｌ　＝ｍ’ｒ’（２ω）２（−ｃｏｓ２ωを十ρ’
ｃｏｓ４ωｔ＋１ｌｌ） ここに、 ｍ″：往復動バランサ１０の往復質猾 ｒ°：クランク半径（クランクピン１３と回転軸１５と
の距離） ρ’：１”／コンロッド１４の長さ である。

したがって、エンジンと往復動バランサの発生する２次
の力の合力は、 Ｆ２　＝４ω２（ｍｒρ−ｍ’ｒ’）　　１ｃｏｓ２ω
ｔで表わされ、力の振幅は、 １Ｆ２　　ｌ＝４ω２１ｍｒρ−ｍ’ｒ’　１となる。

上式を、バランサの諸元であるｍ’　ｒ’を変数として
、グラフ化すると、第４図のようになる。

第４図より、 ｍ１ｒＩく２ｍｒρ　。

を満たすように、バランサの諸元の設定すれば、２次の
アンバランス力を低減することが可能となり、さらに、 ｍｒ＝ｍｒρ を満たすように、バランサの諸元の設定すれば、２次の
アンバランス力を完全に消去することができることがわ
かる。

通常は、振動レベルが約１０ｄＢも下がれば、振動はあ
まり問題にはならないといえる。したがって、第４図に
おいて、振動レベルが、バランサがない場合の振動レベ
ルの約２１５　（約１０ｄＢの低減レベル）以下になる
ように、バランサの諸元を設定することが望ましく、具
体的には、ｍ’　ｒ’の値を、２次振動を完全に消去し
得るｍ’　ｒ’の値の６０％〜１４０％の範囲内に設定
すること、すなわち、０．６ｍｒρ＜ｍ’ｒ’＜１．４
ｍｒρとなるように設定することが望ましい。

また、同じ効果が得られるのであれば、バランサの往復
質量が小さい方が望ましいことはいうまでもない。

このとき、ρの値が、通常、１／３〜１１５に設定され
ることを考えると、ｒ＝ｒ’のときには、往復動バラン
サ１０のバランスウェイト１２の質量は、エンジンの各
気筒の往復質量ｍの１／３〜１１５程度の大きさで十分
ということになる。

な右、ｍ’ｒ’＝ｍｒρを満足するように、往復動バラ
ンサ１０の諸元を定めた場合に除去されずに残る４次成
分Ｆ４は、 Ｆ、　＝４ｍｒω２（−ｐ３／４　・ｃｏｓ４ωｔ　）
＋　４ｍ’ｒ’　ω２（ρ’ｃｏｓ　４ωｔ　）となる
が、ｍ’ｒ’＝ｍｒρが成立しているから、結局、４次
成分Ｆ４は、次のように表せる。

Ｆ４　＝４ｍｒ　ρｃｏ２（−ρ２／４＋ρ’）ｃｏｓ
　４　ｏａｔここに、ρが、１／３〜１１５程度に設定
されるのが、通常であることを考えると、上式において
、ρ２／４は、ρ°　に比べて、十分に小さいから、４
次成分以上の往復慣性力の大きさは、ρ′　の値によっ
て決まることになる。

したがって、４次以上の成分を低減させるためには、往
復動ツメランサ１０のρ°　の値、すなわちクランク半
径（クランクピン１３と回転軸１５との距Ａｌｔ）ｒ’
／コンロッド１４の長さの値を、気筒のρの値、すなわ
ち、クランク半径／コンロッドの長さの値よりも小さく
することが望ましい。

本発明は、以上の実施例に限定されることなく特許請求
の範囲に記載された発明の範囲内において、種々の変更
が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるも
のであることはいうまでもない。

たとえば、前記実施例によれば、往復動バランサ１０の
諸元を、ｍ’ｒ’＝ｍｒρを満足するように定めること
により、２次の往復慣性力の完全な除去を図っているが
、往復動バランサ１０の諸元が、ｍ’ｒ’−ｍｒρを完
全には満足しない場合でも、往復動バランサ１ｏの諸元
が、ｍ’ｒ’＝ｍｒρを近似的にでも満たしていれば、
直列４気筒エンジンにおいて発生する２次の振動をほぼ
除去することができ、さらには、ｍ’ｒ’＝ｍｒρを満
たさない場合でも、往復動バランサ１０の諸元をｍ’　
ｒ’　＜　２ｍ　ｒρを満たすように設定すれば、特許
請求の範囲の記載にしたがって、往復動バランサ１ｏを
設けることにより、直列４気筒エンジンにおいて発生す
る２次の振動を低減することが可能となる。

また、前記実施例のおいては、バランサ装置に、ピスト
ン・クランク方式の往復動バランサ１０を用いているが
、本発明は、このタイプの往復動バランサに限定される
ことなく、他のタイプの往復動バランサを用いることも
できる。

発明の効果 本発明によれば、簡易かつコンパクトを装置により、直
列４気筒エンジンにおいて発生する２次の振動を除去す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、１次往復慣性力および２次往復慣性力の波形
を示す模式図である。第２図は、本発明に係る直列４気
筒エンジンのバランサ装置の一実施例における各気筒と
往復動バランサの位相関係を示す概略図である。第３図
は、本発明に係る直列４気筒エンジンのバランサ装置の
一実施例において用いられた往復動バランサの構成を示
す概略図であり、第４図は、本発明の一実施例における
２次のアンバランス力の振幅と往復動バランサの諸元と
の関係を示すグラフである。 １・・・第１気筒、　２・・・第２気筒、３・・・第３
気筒、　４・・・第４気筒、１０・・・往復動バランサ
、 １１・・・シリンダ、 １２・・・バランスウェイト、 １３・・・クランクピン、 １４・・・コンロッド、 １５・・・回転軸、 １６・・・カウンタウェイト、 ２１．２２．２３．２４・・・シリンダ、第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 前方より第１気筒、第２気筒、第３気筒および第４気筒
   の順で各気筒が配置された直列４気筒エンジンにおいて
   、各気筒の中心を結ぶ線上の、第２気筒と第３気筒間の
   中央部に出力軸の速度の２倍の速度で回転するクランク
   を有する往復動バランサを設け、該往復動バランサの位
   相を、前記第１気筒が上死点にあるときに、下死点にあ
   るように設定することを特徴とする直列４気筒エンジン
   のバランサ装置。