JPS63208623A - 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。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気筒エンジンにふいては、現在、第１気筒と第２
気筒右よび第３気筒と第４気筒の気筒中心間距離を同一
に設定することにより、１次のアンバランスの除去が図
られているが、２次の往復慣性力のアンバランスが残り
、その結果、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、第１気筒ふよび第４気筒の端
部気筒群と、第２気筒および第３気筒の中央部気筒群の
うち、一方の群のそれぞれの気筒に自己の気筒の回転質
量によるモーメントに相当するモーメントを有するカウ
ンタウェイトを設け、他方の群のそれぞれの気筒に自己
の気筒の回転質量と往復質量によるモーメントの和に相
当するモーメントを有するカウンタウェイトを設けると
ともに、第２気筒と第３気筒間の中央部に出力軸と等速
度で逆向きに回転するクランクを有し、前記各気筒のシ
リンダとは逆向きのシリンダを有する往復動バランサを
設け、該往復動バランサに自己のバランサの回転質量に
よるモーメントと往復質量によるモーメントの１／２の
モーメントの和に相当するモーメントを有するカウンタ
ウェイトを設け、該往復動バランサの位相を、前記一方
の群の気筒が上死点にあるときに、上死点にあるように
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２Ａ図および第２Ｂ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り、第２Ａ図は
側面図、第２Ｂ図は正面図である。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２Ａ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２気筒
２と第３気筒３との中央部に設けられている。

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、出力軸と逆向きに等速度で回転するクランクピン１
３、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、往復動バランサ１０の回転質
量によるモーメントに往復質量によるモーメントの１／
２が加わったモーメントを有している。ここに、往復質
量とは、周知のように、バランスウェイト１２の質量と
、コンロッド１４の小端部の和をいい、回転質量とは、
コンロッド１４の大端部質量とクランクスロ一部相当質
量の和をいう。なお、クランクピン１３を、出力軸と逆
向きに等速度で回転させるためには、出力軸と回転軸１
５の間に、２つの同一径の歯車を介在させればよい。

第２Ａ図に示されるように、本実施例の往復動バランサ
１０のシリンダ１１は、第１気筒１、第２気筒２、第３
気筒３および第４気筒４のシリンダ２１．２２．２３お
よび２４とは、逆向きになるように設けられている。

第２Ａ図に示されるように、通常、各気筒のクランク軸
には、それぞれカウンタウェイトが設けられており、本
実施例においては、第１気筒１のカウンタウェイト５お
よび第４気筒４のカウンタウェイト８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おり、第２
気筒２のカウンタウェイト６および第３気筒３のカウン
タウェイト７は、回転質量によるモーメントと、往復質
量によるモーメントの１／２のモーメントの和に相当す
るモーメントを有している。

第２Ａ図および第２Ｂ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２Ａ図および第２Ｂ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、逆向き（第２Ａ図および第２Ｂ図
では下向き）の−上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、次のような往復慣性力が発生する。

第１気筒１においては、回転質量によるモーメントに相
当する質量を有するカウンタウェイト５が設けられてい
るため、回転質量によるモーメント分は相殺され、次式
の往復質量による鉛直方向の往復慣性力ＦＩＶのみが発
生する。

Ｆｌｖ二ｍｒω２（ＣＯ８ωｔ＋ρＣ０８２ωｔ）Ｆ、
、＝０ ここに、 ｍ、：往復質量 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。

第２気筒２においては、カウンタウェイト６は、回転質
量によるモーメントと往復質量によるモーメントの和に
相当するモーメントを有しているので、回転質量による
遠心力と往復慣性力の一部が相殺され、また、その位相
が第１気筒１と１８０度の差があるので、次式の鉛直方
向および水平方向の往復慣性力Ｆ２ＶＮ　Ｆ２Ｏがそれ
ぞれ発生する。

Ｆ２ｖ＝ｍ　ｒ　ｏａ２ｐｃｏＳ２ωｔＦ２．＝ｍ　ｒ
　ω２ｓｉｎ　ωｔ また、第３気筒３においては、カウンタウェイト７は、
第２気筒２と同様に、回転質量によるモーメントと往復
質量によるモーメントの和に相当するモーメントを有し
、その位相は第１気筒１と１８０度の差があるので、第
２気筒２と全く同様に、次式で表される鉛直方向および
水平方向の往復慣性力Ｆ３ｖＳＦ’３Ｈがそれぞれ発生
する。

Ｆ３．＝ｍ　ｒ　ω２ρｃｏｓ２ａ＋ｔＦ３．＝ｍｒ　
（ＩＪ２ｓｉｎ　ａｃｔさらに、第４気筒４においては
、カウンタウェイト８は、第１気筒１と同様に、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おり
、また、第１気筒１と同位相であるので、第１気筒１と
全く同様に、次式で表される往復質量による鉛直方向の
往復慣性力Ｆ４Ｖのみが発生する。

Ｆｎｖ＝ｍ　ｒ　ＱＪ２（ＣＯ３ωｔ　＋　ｐｃｏｓ２
ｔｕｔ　）Ｆ４１１＝０ 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鉛直方向および水平方向の合力
ＦｖおよびＦ□は、次のようになる。

Ｆ、＝２ｍｒω２（ＣＯ８ωｔ　＋２ρＣ０８２ωｔ）
ＦＨ＝　２ｍｒ　ＱＪ’　ｓｉｎ　　ｃｃ＋を上式より
、エンジンに発生する１次の合力Ｆ１は、一定の大きさ
２ｍｒω２で、クランク角ωｔと同じ角度を有している
こと、換言すれば、１次の合力Ｆ、は、大きさ一定で、
クランク軸と等速度で回転するものであることがわかる
。

また、２次の合力Ｆ２は、鉛直方向で、その大きさは、
Ｆ２＝４ｍｒω２　ρＣ０８２ωｔであることがわかる
。

他方、偶力（モーメント）は、発生しない。

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１次および２次の振動を除去するためには、上記
１次および２次の合力を相殺する力を、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、回転質量によるモーメントと、往復質量に
よるモーメントの１／２のモーメントの和に相当するモ
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、往復動バランサ１０の往復質量による往復慣性
力と、往復動バランサ１０の回転質量による遠心力と、
カウンタウェイト１６の遠心力との合力は、次のように
なる。

鉛直方向ニ ー１／２・ｍ′ｒｌω２ｃｏｓωｔ −ｍ１ｒｌω２ρ′ｃｏｓ２ωを 水平方向ニ ー　１　／　２　・ｍ’ｒ’　（ＩＪ２ｓｉｎ　ωｔこ
こに、 ｍ“：往復動バランサ１０の往復質量 ｒ”：クランク手桶（クランクビイ１３と回転軸１５と
の距離） ρ’：ｒ’／コンロッド１４の長さ である。

上式より、往復動バランサ１ｏの発生する１次の力は、
一定の大きさ１／２・ｍ’　ｒ’ω２を有し、その向き
がエンジンのピストンなどの往復運動によって発生した
１次の合力Ｆ１とは、常に反対向きであって、クランク
軸と等速度でクランク軸と同じ方向に回転することがわ
かる。

したがって、１次の合力Ｆ１は、 Ｆ、＝２ｍｒω２−１／２　・ｍ’ｒ’ω２−ω２／２
・　（４ｍｒ−ｍ’ｒ“） となり、その大きさは、 ｌ　Ｆ＋　　ｌ　＝ｃｏ２／　２　・ｌ　４ｍｒ−ｍ’
ｒ’　１・・・・・・・■ となる。また、２次の鉛直方向の合力Ｆ２Ｖは、Ｆ２ｖ
＝４ｍｒω２　ρＣＯ３２ωｔ −ｍ’ｒ’　ω”　／）’ＣＯ３２ωｔ＝ω２（４ｍｒ
　ｐ−ｍ’ｒ’　ρ’）ｃｏｓ　２ωｔ。

となり、その大きさは、 ｌ　Ｆ２Ｖ　ｌ−ω２１４ｍｒ　ｐ−ｍ’ｒ’　ｐ’　
　ｌ・・・パ・・・■ 式■および■を、バランサの諸元ｍ’　ｒ’およびｍｏ
ｒ“ρ”　を変数として図示すると、第４Ａ図および第
４Ｂ図に示されるようになる。

第４Ａ図および第４Ｂ図より、ｍ’　ｒ’　＜　３　ｍ
　ｒ、ｍｏ「′ρ’　　＜３ｍｒρが満足されるように
、バランサの諸元ｍ’ｒ′およびｍ’　ｒ’ρ′　を設
定すれば、１次および２次のアンバランスを、それぞれ
低減することが可能になることがわかる。

また、ｍ’ｒ’　＝　４　ｍ　ｒ、ｍ’ｒ’ρ’　　＝
４ｍｒρを満たすように、バランサの諸元ｍ’　ｒ’お
よびｍ’ｒ：ρ′を設定すれば、１次および２次のアン
バランスをそれぞれ完全に除去することが可能になるこ
とがわかる。

さら（こ（ま、ｍ″ｒ’　＝　４　ｒｎ　ｒでかつρ”
　＝ρをン萄だすように、バランサの諸元ｍ’　ｒ’お
よびｍ’　ｒ’ρ゛　を設定すれば、１次および２次の
アンバランスを同時に相殺することが可能となることが
わかる。

また、通常は、振動レベルが約１０ｄＢも下がれば、振
動は実質的に問題にならなくなるので、振動レベルが、
バランサがない場合の振動レベルの約２１５レベル（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、つまり、ｍ’　ｒ’および／また
はｍ’　ｒ’ρ′　の１直を、１次、２次のアンバラン
スを完全に相殺し得る値の約６０％〜１４０％の範囲に
設定することが実用上望ましい。すなわち、１次のアン
バランスに対しては、 ２．４ｍｒ＜ｍ’ｒ’＜５．　６ｍｒ の範囲にバランサの諸元を設定し、２次のアンバランス
に対しては、 ２、４ｍｒ　ｐ＜ｒｎ’ｒ’　ｐ’　＜　５．５ｍｒ　
ｐの範囲にバランサの諸元を設定することが望ましい。

さらには、同様の効果が得られるならば、バランサのカ
ウンタウェイトの質量が、小さい方が好ましいことはい
うまでもない。

このように、本実施例によれば、直列４気筒エンジンに
発生する１次および２次のアンバランスを、効果的に除
去することが可能となる。

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、前記実施例においては、気筒の回転質量によ
るモーメントに相当するモーメントのみを有するカウン
タウェイトを第１気筒および第２気筒に設けた例を示し
たが、かかるモーメントを有するカウンタウェイトを第
２気筒および第３気筒に設けるとともに、気筒の回転質
量と往復質量によるモーメントの和に相当するモーメン
トを有するカウンタウェイトを、第１気筒および第４気
筒に設け、往復動バランサの位相を第２気筒および第３
気筒が上死点にあるときに、上死点にあるように設定し
ても、前記実施例と同様の効果が得られる。

また、往復動バランサも、前記実施例において用いたタ
イプのものに限定されるものではない。

発明の効果 本発明によれば、コンパクトな装置により、直列４気筒
エンジンにおいて、１次のアンバランスを発生させるこ
となく、２次のアンバランスを低減させることが可能と
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２Ａ図および第２Ｂ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
図であり、第２Ａ図は側面図、第２Ｂ図は正面図である
。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４Ａ図および第４Ｂ図は、
それぞれ、本発明の実施例における１次の合力、２次の
鉛直方向の合力と、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、５．６．７．８・・・カウ
ンタウェイト、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、

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
   、第１気筒および第４気筒の端部気筒群と、第２気筒お
   よび第３気筒の中央部気筒群のうち、一方の群のそれぞ
   れの気筒に自己の気筒の回転質量によるモーメントに相
   当するモーメントを有するカウンタウェイトを設け、他
   方の群のそれぞれの気筒に自己の気筒の回転質量と往復
   質量によるモーメントの和に相当するモーメントを有す
   るカウンタウェイトを設けるとともに、第２気筒と第３
   気筒間の中央部に出力軸と等速度で逆向きに回転するク
   ランクを有し、前記各気筒のシリンダとは逆向きのシリ
   ンダを有する往復動バランサを設け、該往復動バランサ
   に自己のバランサの回転質量によるモーメントと往復質
   量によるモーメントの１／２のモーメントの和に相当す
   るモーメントを有するカウンタウェイトを設け、該往復
   動バランサの位相を、前記一方の群の気筒が上死点にあ
   るときに、上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。