JP2006038126A

JP2006038126A - 往復動式内燃機関の振動低減装置

Info

Publication number: JP2006038126A
Application number: JP2004219851A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Kinomura; 茂樹木野村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】往復動式内燃機関の上下振動とローリングモーメントの発生を同時に抑制可能な振動低減装置を提供すること。
【解決手段】クランクシャフト（２０）のカウンタウェイト（２４）及びバランサウェイト（５１）はそれぞれピストン（１０）とコネクティングロッド（１２）の慣性重量に対して５０％の慣性重量と、逆の位相を有している。また、バランサ歯車（５０）を含むバランサ（５１）の等価慣性モーメントは、クランクシャフトと一体に回転するフライホイール（３０）、駆動歯車（４０）を含むクランクシャフトの等価慣性モーメントと同じ大きさとされている。
【選択図】図１

Description

本発明は往復動式内燃機関の振動低減装置に関する。

往復動式内燃機関ではピストンとコネクティングロッドがシリンダ内を上下動することに起因する一次上下振動と、爆発行程で生じる回転変動に起因するローリングモーメントが発生することが知られている。特許文献１にはローリングモーメントの発生を抑制する振動低減装置が開示されている。非特許文献１には上下振動を抑制する装置が開示されている。しかしながら、一次上下振動とローリングモーメントを同時に抑制できるものはない。

特開平６−３３９９０号公報

自動車技術会、「自動車技術ハンドブック」、第１分冊、P71〜P77

本発明は上記問題に鑑み、ローリングモーメントと一次上下振動を同時に抑制できる振動低減装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明によれば、ピストンがコネクティングロッドを介してクランクシャフトと結合されている往復動式内燃機関の振動低減装置であって、
クランクシャフトに取付けられるカウンタウェイトと、
クランクシャフトと等速で逆転する少なくとも一つのバランサとを具備し、
カウンタウェイトとバランサの慣性重量の総和が、ピストンとコネクティングロッドの慣性重量の総和に等しく、位相が１８０°異なるようにされていて、
かつ、バランサと一体に回転する部材を含むバランサの等価慣性モーメントがクランクシャフトと一体に回転する部材を含むクランクシャフトの等価慣性モーメントと等しくされている、振動低減装置が提供される。

このように構成される振動低減装置ではピストンとコネクティングロッドの慣性重量はカウンタウェイトとバランサの慣性重量で相殺され、クランクシャフトと一体に回転する部材を含むクランクシャフトの等価慣性モーメントはバランサと一体に回転する部材を含むバランサの等価慣性モーメントで相殺され、一次上下振動とローリングモーメントを同時に抑制できる。

請求項２の発明では、カウンタウェイトとバランサが、それぞれ、ピストンとコネクティングロッドの慣性重量の５０％の慣性重量を有するようにされている。
請求項３の発明では、２つのバランサを有するようにされており、請求項４の発明では２つのバランサの慣性重量が互いに等しくされており、請求項５の発明では２つのバランサ及びクランクシャフトの回転中心が一本の直線上にあるようにされている。請求項６の発明では２つのバランサ及びクランクシャフトの回転中心を結ぶ直線がピストンの移動軸線に対して直角をなすようにされている。
請求項７の発明では、往復動式内燃機関が単気筒または同方向に形成されたクランクピンを有する直列２気筒の機関とされている。

各請求項に記載の発明では、クランクシャフトに取付けられるカウンタウェイトと、クランクシャフトと等速で逆転する少なくとも一つのバランサとを具備し、カウンタウェイトとバランサの慣性重量の総和が、ピストンとコネクティングロッドの慣性重量の総和に等しく位相が１８０°異なるようにされているので一次上下振動が抑制され、バランサと一体に回転する部材を含むバランサの等価慣性モーメントがクランクシャフトに取付けられてクランクシャフトと一体に回転する部材を含むクランクシャフトの等価慣性モーメントと等しくされているのでローリングモーメントの発生が抑制される。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は第１の実施の形態を説明する図である。機関１は単気筒の往復動式内燃機関を示している。機関１のシリンダ２内をピストン１０が上下動する。コネクティングロッド１２は小端部１３と大端部１４を有する。ピストン１０とコネクティングロッド１２は往復動をするのでこれらをまとめて往復動部材１５という。ピストン１０のピストンピン１１にコネクティングロッド１２の小端部１３が回動可能に結合されている。

クランクシャフト２０は、一体的に形成されたクランクピン２１とクランクアーム２２とクランクジャーナル２３とカウンタウェイト２４を含む。コネクティングロッド１２の大端部１４がクランクピン２１に回動可能に結合されている。クランクピン２１はクランクアーム２２と結合され、クランクアーム２２はクランクジャーナル２３と結合されている。クランクジャーナル２３は機関１の図示しない本体部材に取付けられたクランクベアリング４により回転可能に支持されている。

クランクアーム２２はクランクジャーナル２３を越えてクランクピン２１と反対側に延伸し、この延伸した部分はカウンタウェイト２４とされている。カウンタウェイト２４の重心２５はクランクシャフト２０の中心軸に関してクランクピン２１と反対側の位置にある。
そして、カウンタウェイト２４の慣性重量Ｗ_Bが往復動部材１５（ピストン１０＋コネクティングロッド１２）の慣性重量Ｗ_Aの５０％の大きさとなるようにカウンタウェイト２４は形成されている。

クランクシャフト２０にはフライホイール４０が取付けられている。フライホイール４０は図示しないが外周に歯列が形成され、この歯列には図示しないスタータのギヤが噛合する。

クランクシャフト２０にはさらに駆動歯車４０が固定結合されている。駆動歯車４０にはバランサ歯車５０が噛合しており、バランサ歯車５０は駆動歯車４０と同じ径を有している。したがって、バランサ歯車５０はクランクシャフト２０と同じ速度で逆方向に回転する。バランサ歯車５０にはバランサウェイト５１が取付けられていて、バランサウェイト５１は慣性重量Ｗ_Bが往復動部材１５の慣性重量Ｗ_Aの５０％となるように形勢されている。

ここで、ピストン１０が移動する軸をＹとし、バランサ歯車５０の回転中心５０’を通りピストン１０の移動軸Ｙに平行な軸をＹ１とする。
カウンタウェイト２４の重心２５とクランクシャフト２０の中心２０’を結ぶ線の軸Ｙから回転方向（この場合時計回り方向）に計った角度θ₀と、バランサウェイト５１の重心５２とバランサ歯車５０の中心５０’を結ぶ線の軸Ｙ１から回転方向（この場合反時計回り方向）計った角度θ₁が同一となるようにバランサウェイト５１は取付けられている。

このように構成することにより、往復運動部（ピストン１０＋コネクティングロッド２０）の慣性重量が、カウンタウェイト２４の慣性重量とバランサウェイト５１の慣性重量により打ち消され上下方向の振動が発生しない。
図２は上記の効果を説明する図であって（Ａ）は往復運動部（ピストン１０＋コネクティングロッド１２）の慣性重量Ｗ_Aの変化を示し、（Ｂ）はカウンタウェイト２４の慣性重量Ｗ_Bの変化を示し、（Ｃ）はバランサウェイト５１の慣性重量Ｗ_Cの変化を示し、（Ｄ）はカウンタウェイト２４の慣性重量Ｗ_Bとバランサウェイト５１の慣性重量Ｗ_Cの和Ｗ_Dの変化を示している。
（Ａ）に示される往復運動部の慣性重量Ｗ_Aに対して（Ｄ）に示されるカウンタウェイト２４の慣性重量Ｗ_Bとバランサウェイト５１の慣性重量Ｗ_Cの和Ｗ_Dは同じ大きさで位相が１８０°異なっており、往復運動部の慣性重量Ｗ_Aはカウンタウェイト２４の慣性重量Ｗ_Bとバランサウェイト５１の慣性重量Ｗ_Cによって相殺される。

ここで、クランクピン２１とクランクアーム２２とクランクジャーナル２３とカウンタウェイト２４を含むクランクシャフト２０にフライホイール３０及び駆動歯車４０を加えたものをクランクシャフト系回転体と称し、バランサ歯車５０にバランサウェイト５１を加えたものをバランサ系回転体と称する。

そして、クランクシャフト系回転体の等価慣性モーメントをＩ₀とし、バランサ系回転体の等価慣性モーメントをＩ₁とすると、Ｉ₀とＩ₁の大きさが同じになるようにバランサ歯車５０とバランサウェイト５１は形成されている。
しかしながら回転方向は逆であるので両者は互いに相殺されローリングモーメントの発生が抑制される。

第１の実施の形態は上記のように構成され、往復動部材の往復動に起因する一次上下振動と燃焼圧力に起因するローリングモーメントを同時に消去できる。
なお、クランクシャフト系回転体の等価慣性モーメントＩ₀が大きいと、それを打ち消すためのバランサ系回転体の等価慣性モーメントＩ₁も大きくしなければならず全体の重量が増加する。したがって、クランクシャフト系回転体の等価慣性モーメントＩ₀をできるだけ小さくすることが好ましい。そのために、例えば、制約の少ない駆動歯車４０をできるだけ等価慣性モーメントが小さくなるように形成することが好ましい。

次に第２の実施の形態について説明する。
図３が第２の実施の形態の構成を示す図である。同図に示されるようにこの第２の実施の形態は第１バランサ歯車６０と第２バランサ歯車７０の２つのバランサ歯車が駆動歯車４０に噛合している点が、第１の実施の形態とは異なる。
第１バランサ歯車６０、第２バランサ歯車７０は共に駆動歯車４０と同じ径を有しており、駆動歯車４０と同じ速度で逆方向に回転する。第１バランサ歯車６０、第２バランサ歯車７０には、それぞれ、第１バランサウェイト６１、第２バランサウェイト７１が取付けられている。参照符号６２、７２は第１バランサウェイト６１、第２バランサウェイト７１の重心を示している。

また、第１バランサ歯車６０の中心６０’、第２バランサ歯車７０の中心７０’とクランクシャフト２０の中心２０’は一直線上にあり、かつ、この直線はピストン１０の移動軸Ｙに対して直角を成している。このようにすることにより機関１の全体のバランスをよくしている。

クランクシャフト２０のカウンタウェイト２４は第１の実施の形態と同様に往復動部材１５（ピストン１０＋コネクティングロッド１２）の慣性重量Ｗ_Aの５０％の慣性重量を有する。
第１バランサ歯車６０に往復動部材１５の慣性重量Ｗ_Aの２５％の慣性重量Ｗ_C1を有するバランサウェイト６１が取付けられ、第２バランサ歯車７０にも往復動部材１５の慣性重量Ｗ_Aの２５％の慣性重量Ｗ_C2を有するバランサウェイト７１が取付けられている。

ここで、第１バランサ歯車６０の回転中心６０’を通りピストン１０の移動軸Ｙに平行な軸をＹ１、第２バランサ歯車７０の回転中心７０’を通りピストン１０の移動軸Ｙに平行な軸をＹ２とする。
カウンタウェイト２４の重心２５とクランクシャフト２０の中心２０’を結ぶ線の軸Ｙから回転方向（この場合時計回り方向）に計った角度θ₀と、第１バランサウェイト６１の重心６２と第１バランサ歯車６０の中心６０’を結ぶ線の軸Ｙ１から回転方向（この場合反時計回り方向）計った角度θ₁が同一となるように第１バランサウェイト６１は取付けられている。

同様に、カウンタウェイト２４の重心２５とクランクシャフト２０の中心２０’を結ぶ線の軸Ｙから回転方向（この場合時計回り方向）に計った角度θ₀と、第２バランサウェイト７１の重心７２と第２バランサ歯車７０の中心７０’を結ぶ線の軸Ｙ２から回転方向（この場合反時計回り方向）計った角度θ₁が同一となるように第２バランサウェイト７１は取付けられている。

このように構成することにより、往復運動部（ピストン１０＋コネクティングロッド２０）の慣性重量Ｗ_Aが、カウンタウェイト２４の慣性重量Ｗ_Bと第１バランサウェイト６１の慣性重量Ｗ_C1、第２バランサウェイト７１の慣性重量Ｗ_C2により打ち消され上下方向の振動が発生しない。

図４は上記の効果を説明する図であって（Ａ）は往復運動部（ピストン１０＋コネクティングロッド１２）の慣性重量Ｗ_Aの変化を示し、（Ｂ）はカウンタウェイト２４の慣性重量Ｗ_Bの変化を示し、（Ｃ１）は第１バランサウェイト６１の慣性重量Ｗ_C1の変化を示し、（Ｃ２）は第２バランサウェイト７１の慣性重量Ｗ_C2の変化を示し、（Ｄ）はカウンタウェイト２４の慣性重量Ｗ_Bと第１バランサウェイト５１の慣性重量Ｗ_C1と第２バランサウェイト７１の慣性重量Ｗ_C2との和Ｗ_Dの変化を示している。

（Ａ）に示される往復運動部の慣性重量Ｗ_Aに対して（Ｄ）に示されるカウンタウェイト２４の慣性重量Ｗ_Bと第１バランサウェイト６１の慣性重量Ｗ_C1と第２バランサウェイト７１の慣性重量Ｗ_C2の和Ｗ_Dは同じ大きさで、位相が１８０°異なっており、往復運動部の慣性重量Ｗ_Aはカウンタウェイト２４の慣性重量Ｗ_Bと第１バランサウェイト６１の慣性重量Ｗ_C1と第２バランサウェイト７１の慣性重量Ｗ_C2によって相殺される。

また、バランサ歯車６０にバランサウェイト６１を加えたものの等価慣性モーメントをＩ_1Aとし、バランサ歯車７０にバランサウェイト７１を加えたものの等価慣性モーメントをＩ_1Bとし、すると、Ｉ₀＝Ｉ_1A＋Ｉ_1Bとなるようにされている。しかしながら回転方向は逆である。したがって、クランクシャフト２０がベアリングを介して機関１の本体に作用するローリングモーメントを打ち消すことができる。
第２の実施の形態は上記のように構成され、往復動部材の往復動に起因する一次上下振動と燃焼圧力に起因するローリングモーメントを同時に消去できる。

第２の実施の形態は上記のように構成され、第１の実施の形態と同様に、往復動部材の往復動に起因する一次上下振動と燃焼圧力に起因するローリングモーメントを同時に消去できる。

第１の実施の形態では１個のバランサウェイトを使用し、第２の実施の形態では２個のバランサウェイトを使用しているが、往復動部材の慣性重量をカウンタウェイトと共に相殺でき、かつ、主回転系の等価慣性モーメントがバランサウェイトを含む回転体の等価慣性モーメントと等しくされている限り、さらに多くのバランサウェイトを使用することもできる。

また、第１の実施の形態と第２の実施の形態では共に、カウンタウェイトの慣性重量が往復動部材の慣性重量の５０％にされ、バランサウェイトの慣性重量が往復動部材の慣性重量の５０％にされているが、６０％対４０％のように他の比率としてもよい。また、第２の実施の形態では２つのバランサウェイトの慣性重量がそれぞれ往復動部材の慣性重量の２５％とされ同じ値を有するようにされているが同じ値にすることが必須ではない。

また、第１、第２の実施の形態は単気筒におけるものであるが、本発明は直列２気筒（クランクピンが同じ方向に形成されたもの）の機関の場合にも効果がある。

本発明は往復動式内燃機関、特に単気筒、または直列２気筒（クランクピンが同じ方向に形成されたもの）の往復動式内燃機関に適用すると効果がある。

本発明の第１の実施の形態の構成を説明する図である。第１の実施の形態における慣性重量の相殺を説明する図である。本発明の第２の実施の形態の構成を説明する図である。第２の実施の形態における慣性重量の相殺を説明する図である。

符号の説明

１機関
４ベアリング
１０ピストン
１２コネクティングロッド
１５往復動部材（ピストン＋コネクティングロッド）
２０クランクシャフト
２１クランクピン
２２クランクアーム
２３クランクジャーナル
２４カウンタウェイト
３０フライホイール
４０駆動歯車
５０バランサ歯車
５１バランサウェイト
６０第１バランサ歯車
６１第１バランサウェイト
７０第２バランサ歯車
７１第２バランサウェイト

Claims

ピストンがコネクティングロッドを介してクランクシャフトと結合されている往復動式内燃機関の振動低減装置であって、
クランクシャフトに取付けられるカウンタウェイトと、
クランクシャフトと等速で逆転する少なくとも一つのバランサとを具備し、
カウンタウェイトとバランサの慣性重量の総和が、ピストンとコネクティングロッドの慣性重量の総和に等しく、位相が１８０°異なるようにされていて、
かつ、バランサと一体に回転する部材を含むバランサの等価慣性モーメントがクランクシャフトと一体に回転する部材を含むクランクシャフトの等価慣性モーメントと等しくされている、
ことを特徴とする振動低減装置。
カウンタウェイトとバランサが、それぞれ、ピストンとコネクティングロッドの慣性重量の５０％の慣性重量を有することを特徴とする請求項１に記載の振動低減装置。
２つのバランサを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の振動低減装置。
２つのバランサの慣性重量が互いに等しい、ことを特徴とする請求項３に記載の振動低減装置。
２つのバランサ及びクランクシャフトの回転中心が一本の直線上にある、ことを特徴とする請求項３に記載の振動低減装置。
２つのバランサ及びクランクシャフトの回転中心を結ぶ直線がピストンの移動軸線に対して直角をなしている、ことを特徴とする請求項４に記載の振動低減装置。
往復動式内燃機関が単気筒または同方向に形成されたクランクピンを有する直列２気筒の機関である、ことを特徴とする請求項４に記載の振動低減装置。