JP2017180545A - 内燃機関のフライホイール - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの慣性力又は慣性偶力を打ち消すためのバランサ装置において、構造が簡単で汎用性に優れると共に機能面でも優秀な改良策を提供する。
【解決手段】フライホイール１１の内面に、複数の遊星ギア１６を周方向に等間隔で配置している。遊星ギア１６は、フライホイール１１に固定された内歯ギア１３と、クランク軸１に回転自在に保持された外歯ギア１４とに噛合している。いずれかのピストン２が上死点にあるときに、フライホイール１１の全体としての重心２１が回転軸心２０の真下に位置している。フライホイール１１を利用したバランサ装置であるため、構造は簡単で汎用性に優れている。遊星ギア１６はクランク軸１の外側に位置しているため、小型であっても、高い重り機能を発揮してピストン２２の慣性力又は慣性偶力を的確に打ち消すことができる。
【選択図】図２

Description

本願発明は、内燃機関のフライホイールに関するものである。

ピストンの往復動をクランク軸の回転に変換する内燃機関では、クランクアームにカウンターウエイトを設けて慣性力又は慣性偶力の低減を図っているが、カウンターウエイトのみではピストンの慣性力又は慣性偶力を打ち消せないことがあるため、バランサ装置を設けることがある。

このバランサ装置は、従来は、例えば特許文献１に開示されているように、シリンダブロックにクランク軸と平行なバランス軸を設けて、クランク軸とバランス軸とをギアで連動させている。バランス軸は、重量の重心を回転軸心から偏心させており、この偏心によって生じる慣性力又は慣性偶力により、クランク軸の慣性力又は慣性偶力が打ち消されるようになっている。

特開２００６−１３２４０９号公報

従来のようにバランス軸を設ける対策には、幾つかの問題が挙げられる。例えば、バランス軸や連動ギアは、クランクアーム等の部材に当たらないようにクランクケースに配置せねばならないが、クランクケースはできるだけコンパクトにすべきであるため、設計が非常に厄介であり、更に、組み立てにも多大の手間がかかるという問題があった。

また、バランス軸は、設置スペースが限られることから外径や長さをあまり大きくできないという制約があり、すると、クランク軸の慣性力又は慣性偶力の打ち消しに十分な慣性力又は慣性偶力を付与できないことも懸念される。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明は、クランク軸の一端部に固定されるフライホイールにバランサ機能を持たせたものである。すなわち、本願発明は、フライホイールの片面に、ピストンの慣性力又は慣性偶力を打ち消すバランサ（カウンターウエイト）となる遊星ギアが、前記クランク軸の回転に連動して自転しつつクランク軸の軸心周りに公転するように取り付けられている、
けられている。

本願発明において、フライホイールには、遊星ギアの自転と公転とを許容するために遊星ギアと噛合するギアを設ける必要があるが、内歯ギアと外歯ギアを設けて、遊星ギアを内歯ギアと外歯ギアとで挟んだ方式が好ましい。この場合、内歯ギアをフライホイールに固定して、外歯ギアはクランク軸に回転自在に保持された遊びギアとする（外歯ギアは、クランク軸１に対して空回りさせる）のが好ましい。

また、本願発明では、遊星ギアの個数は任意に設定できるが、遊星ギア自体が慣性力又は慣性偶力の原因になることを防止するために、３個以上に設定するのが好ましい。また、遊星ギアとこれに噛合するギアは平歯車でもよいが、噛み合いが滑らかで静粛性に優れているハスバ歯車を採用すると好適である。

本願発明では、遊星ギアがクランク軸の慣性力又は慣性偶力を打ち消すバランサ（重り）として機能する。すなわち、ピストンが上死点にあるときに、遊星ギア（或いは遊星ギアの群の重心）が下死点に位置するように遊星ギアの動き（公転）を設定しておくことにより、ピストンの慣性力又は慣性偶力を打ち消して、クランク軸の滑らかな回転を実現できる。

多気筒内燃機関の場合は、複数のピストンが順次、上死点に移行していくが、本願発明では、遊星ギアの公転状態を各ピストンの動きに対応させることにより、各ピストンに対するカウンターウエイトとして機能させることができる。つまり、例えば３気筒の内燃機関であると、３個のピストンが１２０°の回転間隔で上死点に移行していくが、フライホイールにおける遊星ギアの位置又は遊星ギア群の重心位置を、フライホイールの１回転に対して１２０°ずつ変えることにより、遊星ギアを各ピストンに対するカウンターウエイトとして機能させることができる。

そして、本願発明では、内燃機関の必要部材であるフライホイールをバランサ装置に利用するものであるため、スペース上の問題はなくて、汎用性が高い。更に述べると、フライホイールの両面は一般に凹んでいることが多くてデッドスペースを有することが多いが、本願発明は、このデッドスペースを遊星ギアの配置に有効利用できるため、内燃機関の大型化を招来することもない。

なお、自動車内燃機関においては、フライホイールのうちシリンダブロックと反対側の外面には変速機の部材が固定されているのが普通であるので、遊星ギアは、シリンダブロックと対向した内面に設けるのが好ましい。この場合、遊星ギアをフライホイールの厚さ内に納めることはごく簡単であるので、内燃機関の大型化を招来することはない。

更に、本願発明の遊星ギアはクランク軸の外周外側に配置されているため、小さい重量であっても高いカウンターウエイト効果を発揮する。従って、クランク軸の慣性力又は慣性偶力を的確に打ち消して、クランク軸の円滑な回転を実現できる。

更に、フライホイールは、その機能からしてある程度の重量があるが、本願発明では、遊星ギアもフライホイールの一部として利用できるため、遊星ギアを設けても内燃機関の重量はそのままに保持できる。従って、バランス軸を設けた従来構造に比べて内燃機関を軽量化でき、その結果、燃費の向上に貢献できる。

また、バランス軸を設けた場合は、軸受け部の潤滑の問題などがあるが、本願発明では、潤滑は不要とするか簡単にできる。この面でも有益である。

要部の縦断側面図である。 （Ａ）は図１のII-II 視方向から見たフライホイールの図、（Ｂ）は３気筒内燃機関のピストンとクランク軸の動きを示す模式図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。クランク軸１は、前後のエンドジャーナル２と複数の中間ジャーナル３とを有しており、エンドジャーナル２と中間ジャーナル３とは、一対のクランクアーム４及びクランクピン５とによって連結されている。シリンダブロック６には、各ジャーナル２，３に対応した軸受け部７，８が形成されており、エンドジャーナル２はエンドキャップ８でエンド軸受け７に回転自在に保持されて、中間ジャーナル３は、中間キャップ８で中間軸受け７に回転自在に保持されている。

クランク軸１の一端部（後端部）はシリンダブロック６の外側に露出しており、この露出部に、フライホイール１１がボルト１１ａで固定されている。フライホイール１１の内外側面のうち、シリンダブロック６に向いた内面には、外周近くまで位置した凹所１２が形成されており、この凹所１２に、バランサ装置を構成する内歯ギア１３が固定されている。

他方、クランク軸１の露出部には、内歯ギア１３に対応した外歯ギア１４がベアリング１５を介して相対回転自在に装着されており、これら内歯ギア１３と外歯ギア１４との間に、それら両ギア１３，１４に噛合した３個の遊星ギア１６が、周方向に等間隔で配置されている。

各遊星ギア１６には外向きのボス１７を設けており、このボス１７が、フライホイール１１の凹所１２に形成した環状溝１８に摺動自在に嵌まっている。また、フライホイール１１の内面には、遊星ギア１６の打ち抜き抜けを防止するためのリング板１９が固定されている。

内歯ギア１３はフライホイール１１と一体に回転するのに対して、外歯ギア１４はクランク軸１に対して遊転するため、各遊星ギア１６は、フライホイール１１が回転すると、自転しながらクランク軸１の軸心周りに公転する。各遊星ギア１６のボス１７がフライホイール１１の環状溝１８に嵌まっているため、遊星ギア１６の公転はスムースに行われる。

クランク軸１の１回転当たりに遊星ギア１６がどれだけ周方向に移動するかは、内歯ギア１３の歯数と遊星ギア１６の歯数とによって定まる。本実施形態は３気筒内燃機関に対応しており、各遊星ギア１６は、フライホイール１１が１回転すると１２０°ずつ進むように設定している。

なお、外歯ギア１４は、遊星ギア１６が内歯ギア１３と噛み合った状態を保持する支持部材である。従って、必ずしもギアである必要はないが、外歯ギア１４を使用すると、遊星ギア１６の動きは円滑になる。外歯ギア１４をクランク軸１に固定して内歯ギア１３をフライホイール１１に対して遊転させることも可能であるが、この場合はベアリングが大型化するため、外歯ギア１４を遊転させるのが合理的である。

図２（Ａ）では、３つの遊星ギア１６のうち２つはクランク軸１の回転軸心２０の真上に位置して、２つの遊星ギア１６は、回転軸心２０よりも下で左右対称に位置している。従って、３つの遊星ギア１６の全体の重心２１は、回転軸心２０の真下でかつ、下方の２つの遊星ギア１６の中心よりも上に位置している。従って、遊星ギア１６を含むフライホイール１１全体としての重心は、３つの遊星ギア１６の全体の重心２１と一致していて、回転軸心２０よりも下方に位置している。

他方、図２（Ｂ）では３つのピストン２２の動きを示しており、１つのピストン２２は上死点にある。３気筒なので、ピストン２２の動きは、クランク軸１の回転で１２０°ずつずれており、クランク軸１が１２０°回転するごとに、３つのピストン２２が順番に上死点に至る。

そして、図２（Ａ）は、１つのピストン２２が上死点にあるときの状態を示しており、この状態でフライホイール１１の全体の重心２１は回転軸心２０よりも下に位置しているため、フライホイール１１の全体の重心２１は、回転軸心２０を挟んでピストン２２と逆の位置関係になっている。従って、ピストン２２の慣性偶力とフライホイール１１の慣性偶力とが釣り合っている。その結果、クランク軸１に遠心力を作用させることなく、滑らかな回転を実現できる。

フライホイール１１が回転すると、各遊星ギア１６の高さが変わることにより、全体の重心２１の高さも変化していくが、いずれかのピストン２２が上死点にあるときには、３つの遊星ギア１６は常に図２（Ａ）の位置関係になっているため、常に滑らかな回転を実現できるのである。

そして、内燃機関の必要部材であるフライホイール１１をバランサ装置の構成部材として利用するものであるため、それだけ構造を簡素化することができると共に、汎用性に優れている。また、加工や組み立ても、従来のバランス軸方式に比べて遥かに簡単である。更に、遊星ギア１６はフライホイール１１の肉厚内に納めることができるため、機関の大型化を招来することはなくてコンパクトであると共に、重量増大もない。

遊星ギア１６の数は、必ずしも気筒数に一致させる必要はない。遊星ギア１６が３つでも、遊星ギア１６の群を９０度ずつ周方向に進行させると、４気筒の内燃機関に対応できる。安定性の点からは、３個か又は３の倍数個が好ましいと云える。

遊星ギア１６もフライホイール１１の質量として機能しているので、フライホイール１１の設計に当たっては、遊星ギア１６を含めて全体の重量を設定したらよい。例えば遊星ギア１６に鉛を埋め込むなどして、遊星ギア１６の比重をフライホイール１１の素材より大きくすることが可能である。この場合は、遊星ギア１６を小型化・薄型化して、一層コンパクト化できる。

各ギア１３，１４，１６としてハスバ歯車を採用すると、回転が滑らかで騒音対策にもなる。また、遊星ギア１６と内歯ギア１３及び外歯ギア１４との噛合個所の潤滑は、グリスで対応できると云える。外歯ギア１４のベアリング１５の潤滑もグリスで対応できる。従って、潤滑手段を不要にするか、著しく簡単化できる。本実施形態はこの面でも有利である。

本願発明は、実際にフライホイールに具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ クランク軸
１１ フライホイール
１３ 内歯ギア
１４ 外歯ギア
１５ ベアリング
１６ 遊星ギア

Claims (1)

1. クランク軸の一端部に固定されるフライホイールであって、
   その片面に、ピストンの慣性力又は慣性偶力を打ち消すバランサとなる遊星ギアが、前記クランク軸の回転に連動して自転しつつクランク軸の軸心周りに公転するように取り付けられている、
   内燃機関のフライホイール。

Images