特許 6816570 バランスウェイトおよびクランクシャフト

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6816570

(24)【登録日】2020年12月28日

(45)【発行日】2021年1月20日

(54)【発明の名称】バランスウェイトおよびクランクシャフト

(51)【国際特許分類】

   F16C 3/20 20060101AFI20210107BHJP

   F16C 3/08 20060101ALI20210107BHJP

【ＦＩ】

   F16C3/20

   F16C3/08

【請求項の数】4

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-42641(P2017-42641)

(22)【出願日】2017年3月7日

(65)【公開番号】特開2018-146051(P2018-146051A)

(43)【公開日】2018年9月20日

【審査請求日】2019年11月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000116655

【氏名又は名称】愛知製鋼株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115646

【弁理士】

【氏名又は名称】東口 倫昭

(74)【代理人】

【識別番号】100115657

【弁理士】

【氏名又は名称】進藤 素子

(74)【代理人】

【識別番号】100196759

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 雪

(72)【発明者】

【氏名】景山 健太

【審査官】 中島 亮

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１０６６６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０９２１８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５７−０１６６２１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平０７−００４４２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−１７２６５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｃ ３／００−９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸に配置され、
ウェイト本体と、
前記ウェイト本体の径方向外側に配置されるマス部と、
前記ウェイト本体と前記マス部とを連結し、前記ウェイト本体および前記マス部よりも径方向のばね定数が小さいばね部と、
を備え、
前記ウェイト本体と前記マス部との間に前記ばね部だけが配置されるバランスウェイト。

【請求項2】

前記ばね部は、エラストマー製である請求項１に記載のバランスウェイト。

【請求項3】

回転軸と、
前記回転軸に対して平行に配置されるピンと、
前記回転軸と前記ピンとを径方向に連結するショルダーと、前記回転軸を挟んで前記ショルダーの径方向反対側に配置されるカウンターウェイトと、を有するアームと、
を備えるクランクシャフトであって、
少なくとも一つの前記カウンターウェイトは、請求項１または請求項２に記載のバランスウェイトであることを特徴とするクランクシャフト。

【請求項4】

前記回転軸から前記ショルダーに向かう方向を上向き、前記回転軸から前記カウンターウェイトに向かう方向を下向きとして、
任意の単一の気筒に対応する部分について、
回転慣性釣合率＝（前記回転軸に対して下向きに加わる慣性力／前記回転軸に対して上向きに加わる慣性力）×１００
として、エンジン無回転時に対して、エンジン回転時の方が、前記回転慣性釣合率が向上する請求項３に記載のクランクシャフト。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転軸の回転バランスを維持するために用いられるバランスウェイト、および当該バランスウェイトを備えるクランクシャフトに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば特許文献１に示すように、クランクシャフトは、回転軸とピンとアームとを備えている。回転軸は、軸受により、回転可能に支持されている。アームは、ショルダーとカウンターウェイトとを備えている。ショルダーは、回転軸とピンとを連結している。カウンターウェイトは、回転軸を挟んで、ショルダーの径方向反対側に配置されている。クランクシャフトには、燃費向上等の観点から、軽量化が要求されている。クランクシャフト軽量化の一つの方策として、カウンターウェイトの軽量化が考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６−９８８６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、カウンターウェイトは、ピン、ショルダーの慣性力（遠心力）を、打ち消す機能を有している。このため、ピン、ショルダーの形状をそのままにしてカウンターウェイトのみを軽量化すると、慣性力のバランスが崩れ、クランクシャフトに対する、ピン、ショルダーの慣性力の影響が大きくなってしまう。したがって、軸受に加わる荷重（軸受荷重）が大きくなってしまう。そこで、本発明は、軸受荷重の増加を抑えながら、軽量化が可能なバランスウェイト、および当該バランスウェイトを備えるクランクシャフトを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決するため、本発明のバランスウェイトは、回転軸に配置され、ウェイト本体と、前記ウェイト本体の径方向外側に配置されるマス部と、前記ウェイト本体と前記マス部とを連結し、前記ウェイト本体および前記マス部よりも径方向のばね定数が小さいばね部と、を備えることを特徴とする。

【0006】

また、上記課題を解決するため、本発明のクランクシャフトは、回転軸と、前記回転軸に対して平行に配置されるピンと、前記回転軸と前記ピンとを径方向に連結するショルダーと、前記回転軸を挟んで前記ショルダーの径方向反対側に配置されるカウンターウェイトと、を有するアームと、を備えるクランクシャフトであって、少なくとも一つの前記カウンターウェイトは、前記バランスウェイトであることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明のバランスウェイトのばね部は、回転軸の径方向に弾性的に変形することができる。このため、回転軸の回転に伴って、遠心力により、ばね部は、径方向に弾性的に伸張することができる。並びに、マス部は、径方向外側に移動することができる。したがって、バランスウェイトの重心を、径方向外側に移動させることができる。

【0008】

このように、本発明のバランスウェイトによると、回転軸の回転により発生する遠心力を利用して、重心を径方向外側に移動させることができる。このため、バランスウェイトを軽量化しても、従来のバランスウェイトと同等の回転バランス（クランクシャフトに作用する慣性力のバランス）を確保することができる。よって、本発明のバランスウェイトによると、軸受荷重の増加を抑えながら、バランスウェイトを軽量化することができる。すなわち、バランスウェイトの軽量化と、回転バランスの維持と、を両立することができる。また、本発明のクランクシャフト（本発明のバランスウェイトを少なくとも一つのカウンターウェイトとして用いるクランクシャフト）によると、カウンターウェイト、延いてはクランクシャフト自体を軽量化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施形態のクランクシャフトの前面図である。

【図2】図１のＩＩ−ＩＩ方向断面図である。

【図3】（ａ）は、従来のクランクシャフトの単一のスパンの前面図である。（ｂ）は、同クランクシャフトのカウンターウェイトを小型化した場合の単一のスパンの前面図である。

【図4】（ａ）は、本発明の一実施形態のクランクシャフトの静止状態における単一のスパンの前面図である。（ｂ）は、同クランクシャフトの回転状態における単一のスパンの前面図である。

【図5】（ａ）〜（ｃ）は、その他の実施形態（その１〜その３）のクランクシャフトの径方向断面図である。

【図6】任意の軸受に加わる１サイクル分の軸受荷重の模式図である。

【図7】（ａ）は、解析１における軸受♯１Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。（ｂ）は、解析１における軸受♯１Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。

【図8】（ａ）は、解析１における軸受♯２Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。（ｂ）は、解析１における軸受♯２Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。

【図9】（ａ）は、解析１における軸受♯３Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。（ｂ）は、解析１における軸受♯３Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。

【図10】（ａ）は、解析１における軸受♯４Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。（ｂ）は、解析１における軸受♯４Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。

【図11】（ａ）は、解析１における軸受♯５Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。（ｂ）は、解析１における軸受♯５Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。

【図12】（ａ）は、解析２における軸受♯１Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。（ｂ）は、解析２における軸受♯１Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。

【図13】（ａ）は、解析２における軸受♯３Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。（ｂ）は、解析２における軸受♯３Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。

【図14】（ａ）は、解析２における軸受♯５Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。（ｂ）は、解析２における軸受♯５Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。

【図15】（ａ）は、解析３における軸受♯１Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。（ｂ）は、解析３における軸受♯１Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。

【図16】（ａ）は、解析３における軸受♯３Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。（ｂ）は、解析３における軸受♯３Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。

【図17】（ａ）は、解析３における軸受♯５Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。（ｂ）は、解析３における軸受♯５Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明のバランスウェイトおよびクランクシャフトの実施の形態について説明する。

【0011】

＜クランクシャフトの構成＞
まず、本実施形態のクランクシャフトの構成について説明する。図１に、本実施形態のクランクシャフトの前面図を示す。図２に、図１のＩＩ−ＩＩ方向断面図を示す。図１、図２に示すように、本実施形態のクランクシャフト１は、直列４気筒のエンジン用のクランクシャフトである。クランクシャフト１は、５つの回転軸２と、４つのピン３と、８つのアーム４と、を備えている。クランクシャフト１の左側には、プーリ（図略）が配置されている。クランクシャフト１の右側には、フライホイール（図略）が配置されている。回転軸２は、左右方向に延在している。５つの回転軸２は、各々、軸受５により、自身の軸周りに回転可能に支持されている。

【0012】

ピン３は、左右方向に延在している。ピン３には、軸受（図略）を介して、コンロッド（図略）が装着されている。ピン３には、上側から、ピストン（図略）の質量、コンロッドの質量、燃焼室（図略）からの燃焼荷重が加わる。左側または右側（軸方向）から見て、左から１番目、４番目の２つのピン３と、左から２番目、３番目の２つのピン３と、は逆位相である。すなわち、左から１番目、４番目の２つのピン３と、左から２番目、３番目の２つのピン３と、は回転軸２の軸心Ｏに対して、１８０°ずれて配置されている。

【0013】

アーム４は、回転軸２とピン３との間に介在している。アーム４は、ショルダー４０と、カウンターウェイト４１と、を備えている。ショルダー４０は、任意のピン３の左右両側に配置されている。

【0014】

カウンターウェイト４１は、ウェイト本体４１０と、マス部４１１と、ばね部４１２と、を備えている。ウェイト本体４１０は、金属製であって、回転軸２の軸心Ｏを挟んで、ショルダー４０の径方向（回転軸２の軸方向に対する径方向）反対側に配置されている。マス部４１１は、金属製であって、ショルダー４０の径方向外側に配置されている。ばね部４１２は、エラストマー製であって、径方向内側のウェイト本体４１０と、径方向外側のマス部４１１と、を径方向に連結している。ばね部４１２と、ウェイト本体４１０およびマス部４１１と、は架橋接着されている。ばね部４１２を形成する材料（エラストマー）は、ウェイト本体４１０およびマス部４１１を形成する材料（金属）よりも、ヤング率が小さい。このため、ばね部４１２は、ウェイト本体４１０およびマス部４１１よりも、径方向のばね定数が小さい。

【0015】

＜作用効果＞
次に、本実施形態のクランクシャフトの作用効果について説明する。まず、クランクシャフト１の回転慣性釣合率について説明する。回転慣性釣合率とは、回転軸２の軸心Ｏを中心とする、上下方向（軸心Ｏを挟んで、ショルダー４０と、カウンターウェイト４１と、が並ぶ方向）の慣性力の釣合率である。図１に示す単一のスパン（任意の単一の気筒に対応する部分）Ｓについて考えると、回転慣性釣合率（スパン回転慣性釣合率）Ｂは以下の式（１）から導かれる。
Ｂ＝（Ｍｃ１×Ｒｃ１）＋（Ｍｃ２×Ｒｃ２）／｛（Ｍｓ１×Ｒｓ１）＋（Ｍｓ２×Ｒｓ２）＋（Ｍｐ×Ｒｐ）｝×１００ ・・・式（１）
なお、Ｒｐは、ピン３の重心Ｇｐと、軸心Ｏと、の間の径方向距離である。Ｒｓ１は、ピン３の左側のショルダー４０の重心Ｇｓ１と、軸心Ｏと、の間の径方向距離である。Ｒｃ１は、ピン３の左側のカウンターウェイト４１の重心Ｇｃ１と、軸心Ｏと、の間の径方向距離である。Ｒｓ２は、ピン３の右側のショルダー４０の重心Ｇｓ２と、軸心Ｏと、の間の径方向距離である。Ｒｃ２は、ピン３の右側のカウンターウェイト４１の重心Ｇｃ２と、軸心Ｏと、の間の径方向距離である。Ｍｐは、ピン３の質量とコンロッドの大端部質量との合計質量である。Ｍｓ１は、ピン３の左側のショルダー４０の質量である。Ｍｃ１は、ピン３の左側のカウンターウェイト４１の質量である。Ｍｓ２は、ピン３の右側のショルダー４０の質量である。Ｍｃ２は、ピン３の右側のカウンターウェイト４１の質量である。式（１）の分子は、回転軸２に対して下向きに加わる慣性力に対応している。式（１）の分母は、回転軸２に対して上向きに加わる慣性力に対応している。ピン３には、上側から、ピストンの質量、コンロッドの質量、燃焼室からの燃焼荷重が加わる。このため、理想的な回転慣性釣合率Ｂは１００％であるものの、実際の回転慣性釣合率Ｂは、ピン３に加わる荷重を考慮して、ガソリンエンジンでは６０〜８０％程度に設定されることが多い。

【0016】

図３（ａ）に、従来のクランクシャフトの単一のスパンの前面図を示す。図３（ｂ）に、同クランクシャフトのカウンターウェイトを小型化した場合の単一のスパンの前面図を示す。図４（ａ）に、本実施形態のクランクシャフトの静止状態における単一のスパンの前面図を示す。図４（ｂ）に、同クランクシャフトの回転状態における単一のスパンの前面図を示す。

【0017】

図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように（図１参照）、従来のクランクシャフト１ａは、本実施形態のクランクシャフト１と同様に、５つの回転軸２ａと、４つのピン３ａと、８つのアーム４ａと、を備えている。アーム４ａは、ショルダー４０ａと、カウンターウェイト４１ａと、を備えている。従来のクランクシャフト１ａは、金属製の一体物である。

【0018】

図３（ａ）、図３（ｂ）、式（１）に示すように、従来のクランクシャフト１ａの場合、カウンターウェイト４１ａを、径方向長さＬ１ａ分だけ、軽量化（小型化）すると、質量Ｍｃ１、Ｍｃ２が小さくなる。また、重心Ｇｃ１、Ｇｃ２が径方向内側に移動する。すなわち、径方向距離Ｒｃ１、Ｒｃ２が短くなる。このため、上向きの慣性力（式（１）の分母に対応）に対して、下向きの慣性力（式（１）の分子に対応）が小さくなってしまう。したがって、回転慣性釣合率Ｂが低下してしまう。よって、軸受５ａに加わる荷重が大きくなってしまう。

【0019】

これに対して、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、本実施形態のクランクシャフト１のカウンターウェイト４１は、図３（ａ）に示す従来のクランクシャフト１ａのカウンターウェイト４１ａに対して軽量化（小型化）されている。この点については、図３（ｂ）に示すクランクシャフト１ａ同様である。

【0020】

しかしながら、本実施形態のクランクシャフト１のカウンターウェイト４１は、図３（ａ）に示すカウンターウェイト４１ａのような金属製の一体物ではない。本実施形態のクランクシャフト１のカウンターウェイト４１は、マス部４１１、ばね部４１２を備えている。図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、回転状態において、ばね部４１２は、クランクシャフト１の回転に伴う慣性力により、径方向外側に伸張する。このため、回転状態において、マス部４１１を、径方向長さＬ１分だけ、径方向外側に移動させることができる。したがって、カウンターウェイト４１の重心Ｇｃ１、Ｇｃ２を、径方向外側に移動させることができる。

【0021】

このように、本実施形態のクランクシャフト１によると、回転状態において、式（１）に示す質量Ｍｃ１、Ｍｃ２の軽量化分を、径方向距離Ｒｃ１、Ｒｃ２を伸張させることにより、相殺することができる。このため、軸受荷重の増加を抑えながら、カウンターウェイト４１を軽量化（小型化）することができる。したがって、クランクシャフト１を軽量化しながら、従来のクランクシャフト１ａ同等の回転慣性釣合率Ｂを維持することができる。

【0022】

また、従来のカウンターウェイト４１ａ同等の質量のカウンターウェイト４１を配置すると、回転状態において、重心Ｇｃ１、Ｇｃ２を、より径方向外側に移動させることができる。このため、エンジンの回転数が高い高回転領域において、クランクシャフト１の回転バランスを向上させることができる。つまりは、従来と同等質量で軸受への負荷を低減することも可能である。

【0023】

また、ばね部４１２は、エラストマー製である。このため、ばね部４１２が金属製の場合（この場合も、本願の権利範囲に含まれる）と比較して、材料固有の物性であるヤング率を利用することにより、簡単に、ばね部４１２を径方向に弾性的に変形させることができる。

【0024】

エンジンの回転数が低い低回転領域（例えば、０ｒｐｍ超過２０００ｒｐｍ以下）においては、クランクシャフト１の回転数も低い。このため、低回転領域において、軸受５に加わる荷重の大部分を占めるのは、慣性力ではなく、燃焼室の燃焼荷重である。この点、本実施形態のクランクシャフト１によると、図４（ａ）に示すように、カウンターウェイト４１を軽量化することができる。このため、低回転領域において、軸受５に加わる荷重を小さくすることができる。

【0025】

一方、エンジンの回転数が高い高回転領域（例えば、４０００ｒｐｍ以上レッドゾーン未満）においては、クランクシャフト１の回転数も高い。このため、高回転領域において、軸受５に加わる荷重の大部分を占めるのは、燃焼室の燃焼荷重ではなく、慣性力である。この点、本実施形態のクランクシャフト１によると、図４（ｂ）に示すように、マス部４１１を径方向外側に移動させることができる。このため、従来のクランクシャフト１ａ同等の回転慣性釣合率Ｂを維持することができる。

【0026】

また、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、ウェイト本体４１０、マス部４１１、ばね部４１２の左右方向長さ（軸方向長さ）Ｌ２は同一である。すなわち、マス部４１１、ばね部４１２は、ウェイト本体４１０の左右方向長さＬ２内に収まっている。このため、マス部４１１、ばね部４１２がウェイト本体４１０から左右方向に突出している場合と比較して、カウンターウェイト４１の回転抵抗が小さくなる。例えば、クランクシャフト１がオイルパンに溜まったオイルを撹拌しながら回転している場合は、撹拌抵抗が小さくなる。

【0027】

また、カウンターウェイト４１の小型化により、図２に実線で示す静止状態において、マス部４１１と、最寄りの隣接部材９０（図２に一点鎖線ハッチングで示す）と、の間には隙間Ｃが確保されている。隙間Ｃは、ばね部４１２の伸び代である。このため、図２に点線で示す回転状態において、隣接部材９０にマス部４１１が干渉しにくい。

【0028】

また、ウェイト本体４１０とばね部４１２とは接着されている。並びに、マス部４１１とばね部４１２とは接着されている。すなわち、ウェイト本体４１０とばね部４１２とマス部４１１とは一体化されている。このため、ウェイト本体４１０、ばね部４１２、マス部４１１のうち少なくとも一つが別体化されている場合と比較して（この場合も、本願の権利範囲に含まれる）、カウンターウェイト４１の部品点数を少なくすることができる。

【0029】

＜その他＞
以上、本発明のバランスウェイトおよびクランクシャフトの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

【0030】

図５（ａ）〜（ｃ）に、その他の実施形態（その１〜その３）のクランクシャフトの径方向断面図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。図５（ａ）に示すように、径方向のばね定数が異なる複数のばね部４１２ａ、４１２ｂを、積層して配置してもよい。こうすると、回転数の変化（慣性力の変化）に応じて、段階的にマス部４１１を移動させることができる。図５（ｂ）に示すように、ばね部４１２の径方向内面、径方向外面に、釘状（茸状）のアンカー部４１２ｃを形成してもよい。こうすると、ウェイト本体４１０から、ばね部４１２が脱落しにくい。また、ばね部４１２から、マス部４１１が脱落しにくい。図５（ｃ）に示すように、ウェイト本体４１０とマス部４１１との間に空間Ｓを配置してもよい。こうすると、ばね部４１２（空間Ｓを含む）の径方向のばね定数を小さくすることができる。

【0031】

マス部４１１の材質は特に限定しない。好ましくは、マス部４１１を形成する材料は、ウェイト本体４１０を形成する材料よりも、密度が高い方がよい。例えば、鋳鉄製のウェイト本体４１０に対して、タングステン製のマス部４１１を配置してもよい。こうすると、マス部４１１を形成する材料が、ウェイト本体４１０を形成する材料と、密度が同じ場合と比較して、同じ質量を確保しながら、よりマス部４１１を小型化することができる。具体的には、マス部４１１を径方向に薄肉化することができる。このため、ばね部４１２の伸び代（図２の隙間Ｃ）を、大きくすることができる。したがって、回転状態において、カウンターウェイト４１の重心Ｇｃ１、Ｇｃ２を、径方向外側に大きく移動させることができる。

【0032】

クランクシャフト１の種類は特に限定しない。図１に示すように、フルカウンターウェイトタイプ（全てのアーム４がカウンターウェイト４１を備えるタイプ）のクランクシャフト１を用いてもよい。また、セミカウンターウェイトタイプ（一部のアーム４だけがカウンターウェイト４１を備えるタイプ）のクランクシャフトを用いてもよい。また、クランクシャフト１に対して、カウンターウェイト４１が着脱可能であってもよい。

【0033】

ばね部４１２の材質は特に限定しない。エラストマー（ゴム、ＴＰＥ（熱可塑性エラストマー））、樹脂、金属などであってもよい。径方向に弾性的に変形すればよい。ばね部４１２の材質（物性）により、弾性を確保してもよい。例えば、ばね部４１２を、エラストマー製などとしてもよい。ばね部４１２の構造により、弾性を確保してもよい。例えば、ばね部４１２を、コイルばね、板ばねなどとしてもよい。

【0034】

ウェイト本体４１０とばね部４１２との接合構造は特に限定しない。溶接、接着などにより、ウェイト本体４１０とばね部４１２とを接合してもよい。また、接合具（ボルト、ナット、クリップ、クランプ、両面テープなど）を用いてもよい。ウェイト本体４１０が金属製であってばね部４１２がエラストマー製の場合は、例えば、加硫接着、架橋接着、接着剤などにより、ウェイト本体４１０とばね部４１２とを接合してもよい。また、接合面を粗面化する（例えば、凹凸形状を付与する）ことにより、接合面積を広くしてもよい。ウェイト本体４１０が金属製であってばね部４１２が樹脂製の場合は、例えば、インサート成形、接着剤などにより、ウェイト本体４１０とばね部４１２とを接合してもよい。また、接合面を粗面化することにより、接合面積を広くしてもよい。マス部４１１とばね部４１２との接合構造についても同様である。

【0035】

単一のクランクシャフト１の複数のカウンターウェイト４１間において、マス部４１１、ばね部４１２が共通でなくてもよい。例えば、クランクシャフト１のうち、特に回転慣性釣合率Ｂが低下しやすい部分に、密度が高いマス部４１１を配置してもよい。また、当該部分に、径方向のばね定数が小さいばね部４１２を配置してもよい。

【0036】

本発明のバランスウェイトを配置する回転軸の種類は特に限定しない。例えば、クランクシャフト、エキセントリックシャフト、バランスシャフトなどであってもよい。エンジンの用途（クランクシャフト１の用途）は特に限定しない。車両用の他、船舶用、航空機用のエンジンであってもよい。また、ピストンのストローク方向（上記実施形態の場合は上下方向）は、特に限定しない。ストローク方向は、例えば、上下方向に対して±３０°、±４５°、±６０°、±９０°傾斜した方向などであってもよい。すなわち、エンジンの種類は、直列型、Ｖ型、水平対向型などであってもよい。

【実施例】

【0037】

以下、本発明のクランクシャフトについて行ったＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）解析について説明する。

【0038】

＜解析１＞
解析１においては、図１に示すクランクシャフト１を、実施例１として用いた。また、図３（ａ）に示す従来のクランクシャフト１ａを、比較例として用いた。実施例１、比較例は、いずれも、直列４気筒の２リッターガソリンエンジン用のクランクシャフトである。実施例１の全てのカウンターウェイト４１には、本発明のバランスウェイトが採用されている。すなわち、全てのカウンターウェイト４１は、各々、ウェイト本体４１０、マス部４１１、ばね部４１２を備えている。ばね部４１２のヤング率は１１．９ＭＰａ（シリコ−ンゴム相当）とした。実施例１のばね部４１２以外の部分は、鋳鉄製とした。比較例の全てのカウンターウェイト４１ａは、一体物であって、ウェイト本体、マス部、ばね部に分かれていない。比較例は鋳鉄製とした。実施例１、比較例の質量は、共に１３．４１ｋｇとした。実施例１、比較例の静止状態における回転慣性釣合率Ｂは、共に６５％とした。

【0039】

図６に、任意の軸受に加わる１サイクル分の軸受荷重の模式図を示す。解析１においては、実施例１、比較例の各々について、５つの軸受５、５ａに加わる軸受荷重を解析した。また、図６にハッチングで示すように、１サイクル分（クランクシャフト１の２回転分）の軸受荷重（絶対値）の総計値を、評価指標とした。なお、総計値が小さい方が、軸受荷重が小さいため、回転バランスが良好である。解析に用いたエンジン回転数は、２０００ｒｐｍ、４０００ｒｐｍ、６０００ｒｐｍの３条件とした。また、解析に用いた荷重の方向は、垂直軸方向（図１における上下方向）、水平軸方向（図１における前後方向）とした。なお、コンロッドの質量、ピストンの質量、燃焼室の燃焼荷重等のデータについては、実機のエンジンの計測データを用いた。

【0040】

以下、図１に示すように、５つの軸受５、５ａを、左側（プーリ側）から順に、♯１Ｊ〜♯５Ｊと定義する。並びに、８つのカウンターウェイト４１、４１ａを、左側から順に、♯１Ｃ〜♯８Ｃと定義する。

【0041】

以降に示すグラフの縦軸の軸受荷重は、任意単位（Ａは自然数）である。図７（ａ）に、解析１における軸受♯１Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値（図６参照）を示す。図７（ｂ）に、解析１における軸受♯１Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示す。図８（ａ）に、解析１における軸受♯２Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示す。図８（ｂ）に、解析１における軸受♯２Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示す。図９（ａ）に、解析１における軸受♯３Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示す。図９（ｂ）に、解析１における軸受♯３Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示す。図１０（ａ）に、解析１における軸受♯４Ｊの垂直軸方向の軸受荷の総計値重を示す。図１０（ｂ）に、解析１における軸受♯４Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示す。図１１（ａ）に、解析１における軸受♯５Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示す。図１１（ｂ）に、解析１における軸受♯５Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示す。

【0042】

図７（ａ）〜図１１（ｂ）に示すように、本発明のバランスウェイトを全てのカウンターウェイト♯１Ｃ〜♯８Ｃに採用した場合、軸受♯１Ｊ、♯３Ｊ、♯５Ｊにおいて、かつエンジン回転数４０００ｒｐｍ、６０００ｒｐｍにおいて、比較例よりも実施例１の方が、軸受荷重の総計値が小さくなることが判った。すなわち、軸受荷重低減効果が大きいことが判った。

【0043】

エンジン回転数２０００ｒｐｍにおいて、軸受荷重低減効果が小さいのは、以下の理由による。すなわち、エンジンの回転数が低い低回転領域においては、クランクシャフト１の回転数も低い。このため、慣性力も小さい。したがって、低回転領域において、軸受５に加わる荷重の大部分を占めるのは、慣性力ではなく、燃焼室の燃焼荷重だからである。

【0044】

軸受♯２Ｊ、♯４Ｊにおいて、軸受荷重低減効果が小さいのは、以下の理由による。すなわち、図１に示すように、軸受♯２Ｊに着目すると、隣接する一対のカウンターウェイト♯２Ｃ、♯３Ｃが、互いに逆位相に（１８０°離間して）配置されている。このため、カウンターウェイト♯２Ｃ、♯３Ｃから加わる慣性力は、互いに相殺される。したがって、図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように、本来的に、軸受荷重の総計値が小さい。また、エンジン回転数の変化に伴う、軸受荷重の総計値の変化が小さい。このため、軸受荷重低減効果が小さくなる。図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、軸受♯４Ｊについても同様である。

【0045】

特に、軸受♯３Ｊにおいて軸受荷重低減効果が大きいのは、以下の理由による。すなわち、図１に示すように、軸受♯３Ｊに着目すると、隣接する一対のカウンターウェイト♯４Ｃ、♯５Ｃが、互いに同位相に配置されている。このため、カウンターウェイト♯４Ｃ、♯５Ｃから加わる慣性力は、大きくなる。したがって、図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、本来的に、軸受荷重の総計値が大きい。また、エンジン回転数の変化に伴う、軸受荷重の総計値の変化が大きい。このため、軸受荷重低減効果が大きくなる。このように、本発明のバランスウェイトは、同位相の一対のカウンターウェイト間に配置される軸受の軸受荷重低減用として、好適である。

【0046】

また、比較例の場合、エンジン回転数０ｒｐｍ、６０００ｒｐｍにおける回転慣性釣合率Ｂは、共に６５％だった。一方、実施例１の場合、エンジン回転数０ｒｐｍにおける回転慣性釣合率Ｂが６５％だったのに対して、６０００ｒｐｍにおける回転慣性釣合率Ｂは、７０％だった。このように、実施例１、比較例の質量が同じ場合、比較例よりも実施例１の方が、回転慣性釣合率Ｂが向上することが判った。逆に言えば、実施例１、比較例の６０００ｒｐｍにおける回転慣性釣合率Ｂが同じ場合、比較例よりも実施例１の方が、軽量化可能であることが判った。具体的には、実施例１、比較例の６０００ｒｐｍにおける回転慣性釣合率Ｂが同じ場合、実施例１の質量を、−０．２６ｋｇ（＝１３．１５ｋｇ−１３．４１ｋｇ）軽量化できることが判った。

【0047】

＜解析２＞
実施例２と実施例１との相違点は、図１に示す軸受♯３Ｊの左右方向両側のカウンターウェイト♯４Ｃ、♯５Ｃだけに、本発明のバランスウェイトが採用されている点である。図１２（ａ）に、解析２における軸受♯１Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示す。図１２（ｂ）に、解析２における軸受♯１Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示す。図１３（ａ）に、解析２における軸受♯３Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示す。図１３（ｂ）に、解析２における軸受♯３Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示す。図１４（ａ）に、解析２における軸受♯５Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示す。図１４（ｂ）に、解析２における軸受♯５Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示す。

【0048】

図１２（ａ）〜図１４（ｂ）に示すように、本発明のバランスウェイトを２つのカウンターウェイト♯４Ｃ、♯５Ｃに採用した場合、二つのカウンターウェイト♯４Ｃ、♯５Ｃの間の軸受♯３Ｊにおいて、かつエンジン回転数４０００ｒｐｍ、６０００ｒｐｍにおいて、比較例よりも実施例２の方が、軸受荷重の総計値が小さくなることが判った。また、二つのカウンターウェイト♯４Ｃ、♯５Ｃから離間した軸受♯１Ｊ、♯５Ｊにおいて、かつエンジン回転数４０００ｒｐｍ、６０００ｒｐｍにおいて、比較例よりも実施例２の方が、軸受荷重の総計値が小さくなることが判った。

【0049】

また、比較例の場合、エンジン回転数０ｒｐｍ、６０００ｒｐｍにおける回転慣性釣合率Ｂは、共に６５％だった。一方、実施例２の場合、エンジン回転数０ｒｐｍにおける回転慣性釣合率Ｂが６５％だったのに対して、６０００ｒｐｍにおける回転慣性釣合率Ｂは、７５％だった。このように、実施例２、比較例の質量が同じ場合、比較例よりも実施例２の方が、回転慣性釣合率Ｂが向上することが判った。逆に言えば、実施例２、比較例の６０００ｒｐｍにおける回転慣性釣合率Ｂが同じ場合、比較例よりも実施例２の方が、軽量化可能であることが判った。

【0050】

＜解析３＞
実施例３と実施例１との相違点は、図１に示すカウンターウェイト♯１Ｃ、♯４Ｃ、♯５Ｃ、♯８Ｃだけに、本発明のバランスウェイトが採用されている点である。図１５（ａ）に、解析３における軸受♯１Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示す。図１５（ｂ）に、解析３における軸受♯１Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示す。図１６（ａ）に、解析３における軸受♯３Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示す。図１６（ｂ）に、解析３における軸受♯３Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示す。図１７（ａ）に、解析３における軸受♯５Ｊの垂直軸方向の軸受荷重の総計値を示す。図１７（ｂ）に、解析３における軸受♯５Ｊの水平軸方向の軸受荷重の総計値を示す。

【0051】

図１５（ａ）〜図１７（ｂ）に示すように、本発明のバランスウェイトを４つのカウンターウェイト♯１Ｃ、♯４Ｃ、♯５Ｃ、♯８Ｃに採用した場合、これらのカウンターウェイト♯１Ｃ、♯４Ｃ、♯５Ｃ、♯８Ｃに近接する軸受♯１Ｊ、♯３Ｊ、♯５Ｊにおいて、かつエンジン回転数４０００ｒｐｍ、６０００ｒｐｍにおいて、比較例よりも実施例３の方が、軸受荷重の総計値が小さくなることが判った。

【0052】

＜解析４＞
実施例４と実施例１との相違点は、マス部４１１の材質を、鋳鉄からタングステンに変更した点である。すなわち、マス部４１１を高密度化した点である。実施例４、比較例の６０００ｒｐｍにおける回転慣性釣合率Ｂが同じ場合、比較例よりも実施例４の方が、軽量化可能であることが判った。具体的には、実施例４、比較例の６０００ｒｐｍにおける回転慣性釣合率Ｂが同じ場合、実施例４の質量を、−０．５８ｋｇ（＝１２．８３−１３．４１ｋｇ）軽量化できることが判った。

【符号の説明】

【0053】

１：クランクシャフト、１ａ：クランクシャフト、２：回転軸、２ａ：回転軸、３：ピン、３ａ：ピン、４：アーム、４ａ：アーム、５：軸受、５ａ：軸受、４０：ショルダー、４０ａ：ショルダー、４１：カウンターウェイト、４１ａ：カウンターウェイト、９０：隣接部材、４１０：ウェイト本体、４１１：マス部、４１２：ばね部、４１２ａ：ばね部、４１２ｂ：ばね部、４１２ｃ：アンカー部、Ｂ：回転慣性釣合率、Ｃ：隙間、Ｇｃ１：重心、Ｇｃ２：重心、Ｇｐ：重心、Ｇｓ１：重心、Ｇｓ２：重心、Ｌ１：径方向長さ、Ｌ１ａ：径方向長さ、Ｌ２：左右方向長さ、Ｏ：軸心、Ｒｃ１：径方向距離、Ｒｃ２：径方向距離、Ｓ：空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】