特開 2024-125602 クランク軸

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024125602

(43)【公開日】2024-09-19

(54)【発明の名称】クランク軸

(51)【国際特許分類】

   F16C 3/22 20060101AFI20240911BHJP

   F16C 3/08 20060101ALI20240911BHJP

   F02B 75/18 20060101ALI20240911BHJP

   F02B 77/00 20060101ALI20240911BHJP

【ＦＩ】

F16C3/22

F16C3/08

F02B75/18 M

F02B77/00 J

F02B77/00 L

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023033524

(22)【出願日】2023-03-06

(71)【出願人】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001553

【氏名又は名称】アセンド弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】木村 幸彦

(72)【発明者】

【氏名】吉永 将大

(72)【発明者】

【氏名】西原 基成

【テーマコード（参考）】

3J033

【Ｆターム（参考）】

3J033AA02

3J033BA01

3J033BA13

3J033CA01

3J033CA10

(57)【要約】      （修正有）

【課題】エンジン全体の振動を抑制することのできるクランク軸を提供する。
【解決手段】クランク軸１０は、複数のジャーナルＪと、複数のピンＰと、複数のウェブＷと、フロントＦｒと、フランジＦｌと、を備える。複数のウェブは、フロントからフランジに向かって順に第１ウェブＷ１と、第２ウェブＷ２と、第３ウェブＷ３と、第４ウェブＷ４と、第５ウェブＷ５と、第６ウェブＷ６と、を含む。第１ウェブ及び第２ウェブの剛性の関係は、下記の式を満たし、第２ウェブ、第３ウェブ、第４ウェブ及び第５ウェブそれぞれの剛性の関係は、下記の式（２）を満たす。Ｒ１＞Ｒ２（１）Ｒ２≦Ｒ３≦Ｒ４≦Ｒ５（２）ただし、式（１）及び式（２）中の記号ＲＮ（Ｎは１≦Ｎ≦５を満たす自然数）は、第Ｎウェブの剛性を意味する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

３気筒エンジン用のクランク軸であって、
複数のジャーナルと、
前記複数のジャーナルに対して偏心して配置される複数のピンと、
各々が対応する前記ジャーナルと前記ピンとを接続する複数のウェブと、
前記エンジンの補機が取り付けられるフロントと、
フライホイールが取り付けられるフランジと、を備え、
前記複数のウェブは、前記フロントから前記フランジに向かって順に第１ウェブと、第２ウェブと、第３ウェブと、第４ウェブと、第５ウェブと、第６ウェブと、を含み、
前記第１ウェブ及び前記第２ウェブの剛性の関係は、下記の式（１）を満たし、前記第２ウェブ、前記第３ウェブ、前記第４ウェブ及び前記第５ウェブそれぞれの剛性の関係は、下記の式（２）を満たす、クランク軸。
Ｒ１＞Ｒ２ （１）
Ｒ２≦Ｒ３≦Ｒ４≦Ｒ５ （２）
ただし、式（１）及び式（２）中の記号ＲＮ（Ｎは１≦Ｎ≦５を満たす自然数）は、第Ｎウェブの剛性を意味する。

【請求項2】

請求項１に記載のクランク軸であって、
前記第５ウェブ及び前記第６ウェブの剛性の関係は、前記第６ウェブの剛性をＲ６としたとき、下記の式（３）を満たす、クランク軸。
Ｒ５≧Ｒ６ （３）

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、クランク軸に関する。

【背景技術】

【0002】

旧来より、自動車は、動力源として内燃機関を利用している。内燃機関は、効率良く動力を生むが、振動を引き起こし、騒音を発生しやすい。内燃機関が搭載された自動車には、乗り心地の向上及び環境の保護のため、振動を抑制し、騒音を抑制することが要求される。特に、騒音は、その最大レベルが法律で規制されている。そのため、自動車において騒音を抑制することは、技術上の課題であるだけでなく、法律順守の観点からも重要である。

【0003】

内燃機関は、自動車のほか、船舶や工事用重機等の車両、手押し式の雪かき機のような移動機械、チェーンソーや草刈り機などの手持ち式の機械、又は発電機などの据え置き型の機械に利用されている。これらの機械においても、騒音を抑制することは重要である。

【0004】

騒音を抑制する手法として、内燃機関を取り囲むカバー等に、音を吸収する部材（吸音材や防音材等）を取り付けることが考えられる。しかしながら、この手法の場合、吸音材等の設置に伴って機械全体の重量が増加し、その上に、吸音材等の設置空間のために機械全体が大きくなる。特に、移動体である自動車にとって、重量の増加は燃費の悪化を招く。また、振動を抑制する手法として、機械のフレームと内燃機関本体との間にダンパーを設置し、ダンパーによって振動を遮断することが考えられる。しかしながら、ダンパーによって振動を遮断することには限界がある上に、ダンパーを適切に設計するのは技術的に困難である。したがって、騒音を抑制するための吸音材の設置、及び振動を抑制するためのダンパー等の設置は、技術的な困難さを伴う。

【0005】

ところで、内燃機関を搭載する機械において、内燃機関で発生した振動が機械の表面に伝播し、機械に伝播した振動が空気を振動させる。この空気の振動により、騒音が発生している。このことから、内燃機関から発生する振動を抑制できれば、騒音も抑制できることがわかる。

【0006】

一般に、内燃機関において最大の可動部品はクランク軸である。このクランク軸の振動を抑制できれば、内燃機関全体の振動を抑制する効果が期待できる。以上より、内燃機関から発生する振動を抑制し、騒音を抑制するためには、クランク軸の振動を抑制することが重要である。

【0007】

例えば、特許文献１には、直列３気筒内燃機関に使用されるクランクシャフト（クランク軸）が開示されている。特許文献１には、例えば、回転軸の一端側のアームとピンとの連結部（第１連結部）の剛性及び回転軸の他端側のアームとピンとの連結部（第２連結部）の剛性が、他のアームとピンとの連結部の剛性よりも高く形成されたクランク軸が記載されている。このように、第１連結部の剛性及び第２連結部の剛性を高くすることにより、連結部の全てを同一の剛性とした場合と比較して、振動低減効果を向上させることができる、と特許文献１には記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０２２－１１１４１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

クランク軸はエンジン内で回転すると同時に振動している。クランク軸の振動は、振動モード（以下、単にモードとも言う。）毎に分解することができる。言い換えると、各モードの振動の和がクランク軸の全体の振動となる。

【0010】

一般に、クランク軸の振動の振幅は、モード毎に異なっている。振幅は、各モードの振動のエネルギーの大きさを意味する。クランク軸の振動は、クランク軸の外の部品（エンジンブロック等）に伝達される。この振動は、エンジン全体の振動、あるいはエンジンのうち振動が問題となる部位（例えば軸受やマウント）の振動として計測される。ここで、各モードの振動がエンジン全体の振動に及ぼす影響は一様ではない。要するに、特定のモードの振動がエンジン全体の振動に大きく寄与している。したがって、クランクシャフトの設計を適切に行い、エンジン全体の振動への寄与が大きいモードの振動の振幅を下げれば、クランク軸の振動を抑制することができる。

【0011】

なお、クランク軸各部の剛性を大幅に向上させ、全てのモードの振動の振幅を抑制しても、クランク軸の振動を抑制することができる。しかしながら、この場合、クランク軸の重量が大幅に増加する。クランク軸の重量の増加は、燃費の悪化を招くため好ましくない。したがって、クランク軸の重量を大幅に増加させることなくエンジン全体の振動への寄与が大きいクランク軸の振動を抑制することが求められる。

【0012】

本開示は、エンジン全体の振動を抑制することのできるクランク軸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】

【0013】

本開示に係る３気筒エンジン用のクランク軸は、複数のジャーナルと、複数のピンと、複数のウェブと、フロントと、フランジと、を備える。複数のピンは、複数のジャーナルに対して偏心して配置される。複数のウェブは、各々が対応するジャーナルとピンとを接続する。フロントは、エンジンの補機が取り付けられる。フランジは、フライホイールが取り付けられる。複数のウェブは、フロントからフランジに向かって順に第１ウェブと、第２ウェブと、第３ウェブと、第４ウェブと、第５ウェブと、第６ウェブと、を含む。第１ウェブ及び第２ウェブの剛性の関係は、下記の式（１）を満たし、第２ウェブ、第３ウェブ、第４ウェブ及び第５ウェブそれぞれの剛性の関係は、下記の式（２）を満たす。
Ｒ１＞Ｒ２ （１）
Ｒ２≦Ｒ３≦Ｒ４≦Ｒ５ （２）
ただし、式（１）及び式（２）中の記号ＲＮ（Ｎは１≦Ｎ≦５を満たす自然数）は、第Ｎウェブの剛性を意味する。

【発明の効果】

【0014】

本開示に係るクランク軸によれば、エンジン全体の振動を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、一般的なクランク軸の一例を示す正面図である。

【図2】図２は、ピンの位相を示す模式図である。

【図3】図３は、図１に示すクランク軸におけるウェブの側面図である。

【図4】図４は、実施形態に係るクランク軸の正面図である。

【図5】図５は、クランク軸の第１ウェブについての解析モデルの正面図である。

【図6】図６は、クランク軸のアームの側面図である。

【図7】図７は、クランク軸の第１ウェブ及び第２ウェブ近傍の拡大図である。

【図8】図８は、本実施例の結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１は、一般的なクランク軸９０の一例を示す正面図である。クランク軸９０は、３気筒エンジンに搭載される。図１を参照して、クランク軸９０は、４つのジャーナルＪ１～Ｊ４と、３つのピンＰ１～Ｐ３と、６つのウェブＷ１～Ｗ６と、フロントＦｒと、フランジＦｌと、を含む。

【0017】

図１を参照して、クランク軸９０は、使用時に中心軸Ｘ１周りに回転する。第１ジャーナルＪ１～第４ジャーナルＪ４は、それぞれ、中心軸Ｘ１を中心軸とする概略円柱状をなす。第１ジャーナルＪ１～第４ジャーナルＪ４は、中心軸Ｘ１が延びる方向に沿って、フロントＦｒからフランジＦｌに向かってこの順で配列され、クランク軸９０の主軸部を構成する。第１ジャーナルＪ１は、フロントＦｒに連結される。第４ジャーナルＪ４は、フランジＦｌに連結されている。フロントＦｒには、図示しない補機が取り付けられる。補機は、例えばタイミングベルト及びファンベルト等を駆動するためのプーリである。フランジＦｌには、図示しないフライホイールが取り付けられる。以下、４つのジャーナルＪ１～Ｊ４を特に区別する必要がないときは、これらをジャーナルＪと総称する。

【0018】

第１ピンＰ１～第３ピンＰ３は、それぞれ概略円柱状をなし、中心軸Ｘ１に沿ってジャーナルＪと交互に配置される。第１ピンＰ１～第３ピンＰ３は、フロントＦｒからフランジＦｌに向かってこの順で配置される。ただし、第１ピンＰ１～第３ピンＰ３の各々は、ジャーナルＪに対して偏心している。以下、３つのピンＰ１～Ｐ３を特に区別する必要がないときは、これらをピンＰと総称する。

【0019】

図２は、ピンＰの位相を示す模式図である。図２には、第１ピンＰ１～第３ピンＰ３を中心軸Ｘ１に沿って見たときの様子が示される。図２に示すように、３つのピンＰ１～Ｐ３は、ジャーナルＪを中心として１２０°ずつ、ずれて配置される。つまり、第１ピンＰ１～第３ピンＰ３の各々は、互いに１２０°の位相差で中心軸Ｘ１の周りに配置されている。

【0020】

図１を参照して、第１ウェブＷ１～第６ウェブＷ６の各々は、中心軸Ｘ１の延びる方向においてジャーナルＪとピンＰとの間に配置される。第１ウェブＷ１～第６ウェブＷ６は、それぞれ、ジャーナルＪとピンＰとを接続する。第１ウェブＷ１～第６ウェブＷ６は、フロントＦｒからフランジＦｌに向かってこの順で配置される。以下、６つのウェブＷ１～Ｗ６を特に区別する必要がないときは、これらをウェブＷと総称する。各ピンＰは２つのウェブＷ，Ｗと隣接し、２つのウェブＷ，Ｗ間に配置されている。ピンＰと隣接する２つのウェブＷ，Ｗは、典型的には、中心軸Ｘ１が延びる方向において互いに対称な形状を有する。

【0021】

第１ウェブＷ１は、第１ジャーナルＪ１と第１ピンＰ１との間に配置され、第１ジャーナルＪ１と第１ピンＰ１とを接続する。第２ウェブＷ２は、第１ピンＰ１と第２ジャーナルＪ２との間に配置され、第１ピンＰ１と第２ジャーナルＪ２とを接続する。第３ウェブＷ３は、第２ジャーナルＪ２と第２ピンＰ２との間に配置され、第２ジャーナルＪ２と第２ピンＰ２とを接続する。第４ウェブＷ４は、第２ピンＰ２と第３ジャーナルＪ３との間に配置され、第２ピンＰ２と第３ジャーナルＪ３とを接続する。第５ウェブＷ５は、第３ジャーナルＪ３と第３ピンＰ３との間に配置され、第３ジャーナルＪ３と第３ピンＰ３とを接続する。第６ウェブＷ６は、第３ピンＰ３と第４ジャーナルＪ４との間に配置され、第３ピンＰ３と第４ジャーナルＪ４とを接続する。

【0022】

図３は、図１に示すクランク軸９０におけるウェブＷの側面図である。図３では、ウェブＷを代表して第１ウェブＷ１が示されるが、第２ウェブＷ２～第６ウェブＷ６は第１ウェブＷ１と実質的に同じ形状を有する。図１及び図３を参照して、第１ウェブＷ１～第６ウェブＷ６の各々は、第１アームＡ１～第６アームＡ６を含む。第１アームＡ１～第６アームＡ６には、それぞれカウンターウエイトＷ´が設けられている。カウンターウエイトＷ´の各々は、第１アームＡ１～第６アームＡ６と一体的に形成されている。以下、６つのアームＡ１～Ａ６を特に区別する必要がないときは、これらをアームＡと総称する。

【0023】

本実施形態の例では、第１ウェブＷ１～第６ウェブＷ６は、いずれもカウンターウエイトＷ´を含む。しかしながら、第１ウェブＷ１～第６ウェブＷ６のうち一部又は全部は、カウンターウエイトＷ´を含まなくてもよい。例えば、第１ウェブＷ１、第２ウェブＷ２、第５ウェブＷ５及び第６ウェブＷ６は、それぞれアームＡ及びカウンターウエイトＷ´から構成され、第３ウェブＷ３及び第４ウェブＷ４は、それぞれアームＡのみから構成されてもよい。

【0024】

以下では、説明の便宜上、クランク軸９０の中心軸Ｘ１が延びる方向を軸方向とも言う。また、第１ピンＰ１が偏心する方向を上下方向とも言い、軸方向及び上下方向の両方に垂直な方向を幅方向とも言う。さらに、本明細書において、上下方向のうち、クランク軸９０の中心軸Ｘ１に対して第１ピンＰ１が偏心する方向を上、上とは反対の方向を下と言う場合がある。

【0025】

本発明者らは、このクランク軸９０の振動を振動モード毎に分解し、各モードの振動がエンジン全体の振動に及ぼす影響を分析した。ここで、振動モード毎に分解した振動とは、例えば、縦曲げ振動、横曲げ振動及びねじり振動である。分析の結果、各モードの振動のうち、縦曲げ振動の影響が比較的大きいことが分かった。クランク軸９０における縦曲げ振動とは、クランク軸９０の一部を上下方向に変位させ、クランク軸９０を上下方向にたわんだ状態にする振動を意味する。

【0026】

逆に、分析の結果、横曲げ振動及びねじり振動の影響は、縦曲げ振動と比較して小さいことが分かった。クランク軸９０における横曲げ振動とは、クランク軸９０の一部を幅方向に変位させ、クランク軸９０を幅方向にたわんだ状態にする振動を意味する。また、クランク軸９０におけるねじり振動とは、クランク軸９０の一部を軸方向周りに回転させ、クランク軸９０をねじれた状態にする振動を意味する。

【0027】

したがって、クランク軸９０において縦曲げ振動の振幅が小さければ、エンジン全体の振動が抑制される。さらに、本発明者らは、クランク軸の各部分の剛性を種々変更して解析を行い、クランク軸のどの部分の剛性がエンジン全体の振動に影響を及ぼしているかを検討した。その結果、以下の事項が見出された。第１ウェブＷ１の剛性が、エンジン全体の振動に及ぼす影響が大きい。また、第２ウェブＷ２～第５ウェブの剛性がフロントＦｒからフランジＦｌに向かって徐々に大きくなっていれば、クランク軸９０の振動がいなされてエンジンブロック等のクランク軸の外の部品に伝達されにくい。なお、本明細書において、「剛性」とは縦曲げ振動に対する剛性を意味する。

【0028】

本開示の実施形態に係るクランク軸は、上記の知見に基づいて完成されたものである。

【0029】

実施形態に係る３気筒エンジン用のクランク軸は、複数のジャーナルと、複数のピンと、複数のウェブと、フロントと、フランジと、を備える。複数のピンは、複数のジャーナルに対して偏心して配置される。複数のウェブは、各々が対応するジャーナルとピンとを接続する。フロントは、エンジンの補機が取り付けられる。フランジは、フライホイールが取り付けられる。複数のウェブは、フロントからフランジに向かって順に第１ウェブと、第２ウェブと、第３ウェブと、第４ウェブと、第５ウェブと、第６ウェブと、を含む。第１ウェブ及び第２ウェブの剛性の関係は、下記の式（１）を満たし、第２ウェブ、第３ウェブ、第４ウェブ及び第５ウェブそれぞれの剛性の関係は、下記の式（２）を満たす。
Ｒ１＞Ｒ２ （１）
Ｒ２≦Ｒ３≦Ｒ４≦Ｒ５ （２）
ただし、式（１）及び式（２）中の記号ＲＮ（Ｎは１≦Ｎ≦５を満たす自然数）は、第Ｎウェブの剛性を意味する（第１の構成）。

【0030】

上述した通り、第１ウェブの剛性Ｒ１は、エンジン全体の振動に大きい影響を及ぼす。第１の構成に係るクランク軸では、第１ウェブの剛性Ｒ１がある程度大きく設定されている。具体的には、第１ウェブの剛性Ｒ１は、第２ウェブの剛性Ｒ２と比較して大きい。さらに、第１の構成のクランク軸では、第２ウェブ～第５ウェブそれぞれの剛性Ｒ２～Ｒ５は、フロントからフランジに向かって徐々に大きくなっている。この場合、クランク軸の振動がいなされて、クランク軸の外の部品に伝達されにくい。以上より、第１の構成のクランク軸によれば、エンジン全体の振動を抑制することができる。

【0031】

第１の構成のクランク軸において、好ましくは、第５ウェブ及び第６ウェブの剛性の関係は、第６ウェブの剛性をＲ６としたとき、下記の式（３）を満たす（第２の構成）。第５ウェブの剛性Ｒ５と第６ウェブの剛性Ｒ６との大小関係が規定されることにより、エンジン全体の振動がより抑制される。
Ｒ５≧Ｒ６ （３）

【0032】

以下、本開示の実施形態に係るクランク軸について、図面を参照しながら説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

【0033】

［クランク軸］
図４は、本実施形態に係るクランク軸１０の正面図（幅方向に沿って見た図）である。クランク軸１０は、図１に示すクランク軸９０と概ね同じ構成を有する。そのため、以下ではクランク軸１０の構成のうち、クランク軸９０とは異なる部分について説明する。

【0034】

本実施形態に係るクランク軸１０では、各ウェブＷの剛性が適切に設定されている。そのため、ピンＰと隣接する２つのウェブＷ，Ｗは、必ずしも軸方向において互いに対称な形状を有するわけではなく、非対称な形状を有する場合がある。以下、各ウェブＷの剛性の大小関係について具体的に説明する。

【0035】

第１ウェブＷ１及び第２ウェブＷ２の剛性の関係は、上記の式（１）を満たす。式（１）は、第１ウェブＷ１の剛性Ｒ１が、第２ウェブＷ２の剛性Ｒ２よりも大きいことを意味する。そのため、第１ピンＰ１と隣接する第１ウェブＷ１及び第２ウェブＷ２は、軸方向において互いに非対称な形状を有する。各ウェブＷの剛性を算出する方法については後述する。

【0036】

また、第２ウェブＷ２、第３ウェブＷ３、第４ウェブＷ４及び第５ウェブＷ５それぞれの剛性の関係は、上記の式（２）を満たす。式（２）は、第２ウェブＷ２～第５ウェブＷ５それぞれの剛性Ｒ２～Ｒ５は、フロントＦｒからフランジＦｌに向かって徐々に大きくなっていることを意味する。ただし、第２ウェブＷ２～第５ウェブＷ５のうち、隣接する２つのウェブＷの剛性は同じであってもよい。そのため、第２ピンＰ２と隣接する第３ウェブＷ３及び第４ウェブＷ４は、軸方向において互いに対称な形状を有していてもよいし、非対称な形状を有していてもよい。

【0037】

なお、クランク軸１０のフランジＦｌ側には強い拘束力が働く。クランク軸１０のフランジＦｌ側に接続されるフライホイールやトランスミッション（あるいはトランスミッションへの接続軸）の質量及び慣性はクランク軸１０に対して非常に大きいからである。そのため、クランク軸１０のうちフランジＦｌ側の部分、すなわち第６ウェブＷ６の剛性Ｒ６は、エンジンの振動に対してあまり影響を及ぼさない。そのため、第６ウェブＷ６の剛性Ｒ６は、特に限定されない。

【0038】

一般に、第５ウェブＷ５は、第６ウェブＷ６と比較してフランジＦｌから離れているため、第５ウェブＷ５を節とした振動が比較的発生しやすい。このような振動が発生するとクランク軸１０の振動の振幅が大きくなりやすく、クランク軸１０の振動はエンジンブロック等のクランク軸１０の外の部品に伝達されてエンジン全体の振動が大きくなると推定される。そこで、本実施形態の例では、第５ウェブＷ５及び第６ウェブＷ６の剛性の関係は、上記の式（３）を満たす。式（３）は、第５ウェブＷ５の剛性Ｒ５が、第６ウェブＷ６の剛性Ｒ６以上であることを意味する。この場合、第５ウェブＷ５を節とした振動の振幅が抑えられるため、エンジン全体の振動がより抑制される。第３ピンＰ３と隣接する第５ウェブＷ５及び第６ウェブＷ６は、軸方向において互いに対称な形状を有していてもよいし、非対称な形状を有していてもよい。

【0039】

［剛性の算出方法］
以下、クランク軸１０において剛性を算出する方法について説明する。剛性を算出するには、クランク軸１０のウェブＷ毎に解析モデルを作成し、剛性解析を行えばよい。

【0040】

図５は、クランク軸１０の第１ウェブＷ１についての解析モデルの正面図である。剛性解析は、スロー毎に行う必要がある。ここで、スローは、１つのピンＰと、ピンＰの両側に接続される２つのウェブＷ，Ｗと、２つのウェブＷ，Ｗの各々に接続されるジャーナルＪと、からなる。そのため、第１ウェブＷ１の剛性を算出する場合、第１スローＴ１の解析モデルを作成する。第１スローＴ１は、第１ピンＰ１と、第１ピンＰ１の両側に接続される第１ウェブＷ１及び反転第１ウェブＲＷ１と、この２つのウェブＷ１，ＲＷ１の各々に接続される第１ジャーナルＪ１及び反転第１ジャーナルＲＪ１と、から構成される。第１ウェブＷ１についての解析モデルとは、第１スローＴ１の解析モデルを意味する。

【0041】

図５を参照して、反転第１ウェブＲＷ１は、第１ウェブＷ１を軸方向において反転させたものであり、第１ウェブＷ１と互いに対称な形状を有する。反転第１ジャーナルＲＪ１は、第１ジャーナルＪ１を軸方向において反転させたものであり、第１ジャーナルＪ１と互いに対称な形状を有する。図５において、反転第１ウェブＲＷ１及び反転第１ジャーナルＲＪ１は、それぞれ点線で示される。

【0042】

以下、第１スローＴ１の剛性を算出する手順について説明する。まず、第１ピンＰ１の軸方向における中央に上下方向下向きの荷重Ｆ１を加える。荷重Ｆ１は、第１ピンＰ１の上端に負荷される。その際、第１ジャーナルＪ１の軸方向中央及び反転第１ジャーナルＲＪ１の軸方向中央をそれぞれ拘束する。第１ジャーナルＪ１及び反転第１ジャーナルＲＪ１の拘束位置は、上下方向において、第１ピンＰ１に荷重Ｆ１が負荷される側とは反対側（第１ジャーナルＪ１及び反転第１ジャーナルＲＪ１の下端）である。これにより、第１ジャーナルＪ１及び反転第１ジャーナルＲＪ１の拘束点では、それぞれ平行移動及び中心軸Ｘ１周りの回転が拘束される。第１ピンＰ１に負荷された荷重Ｆ１により、第１スローＴ１は上下方向にたわんだ状態となる。

【0043】

このような条件下で、荷重Ｆ１を負荷した後の第１ジャーナルＪ１の点Ｂ、第１ピンＰ１の点Ｃ、反転第１ジャーナルＲＪ１の点Ｄの上下方向における変位量を解析する。ここで、第１ピンＰ１に荷重Ｆ１が負荷される前において、点Ｂは第１ジャーナルＪ１の重心に位置し、点Ｃは第１ピンＰ１の重心に位置し、点Ｄは反転第１ジャーナルＲＪ１の重心に位置する。そして、荷重Ｆ１を負荷した後の点Ｃの変位量と、点Ｂの変位量及び点Ｄの変位量の平均との差（変位差Δ１）を算出する。第１スローＴ１の剛性は、荷重Ｆ１を変位差Δ１で除すことによって算出される。

【0044】

このように、第１ウェブＷ１について作成した解析モデルから、第１スローＴ１の剛性が算出される。第２ウェブＷ２～第６ウェブＷ６についても同様に解析モデルを作成し、解析を行うことにより、各ウェブＷに対応するスローの剛性が算出される。各ウェブＷに対応するスローの剛性をそれぞれ比較することにより、第１ウェブＷ１～第６ウェブＷ６の剛性Ｒ１～Ｒ６の大小関係を調べることができる。

【0045】

［クランク軸の形状］
本実施形態に係るクランク軸１０では、上述した通り、各ウェブＷの剛性が適切に設定されている。以下では、ウェブＷの剛性を調整する方法を説明する。

【0046】

ウェブＷの剛性を大きくするためには、ウェブＷのうちアームＡの幅及び厚みを大きくすればよい。ここで、アームＡの幅とは、アームＡの上端の幅方向における寸法である。アームＡの厚みとは、アームＡの上端の軸方向における寸法である。

【0047】

図６は、クランク軸１０のアームＡの側面図である。図６には、アームＡを代表して第１アームＡ１が示される。図６に示す例では、第１アームＡ１は加肉部１１を含む。加肉部１１は、アームＡの幅を大きくするために設けられる。要するに、加肉部１１を含むアームＡの幅Ｌ１は、加肉部１１を含まないアームＡの幅Ｌ２よりも大きい。加肉部１１は、例えば、ピンＰ付近のアームＡの幅方向両側に設けられる。

【0048】

図７は、クランク軸１０の第１ウェブＷ１及び第２ウェブＷ２近傍の拡大図である。図７に示す例では、第１アームＡ１は加肉部１２を含む。一方、第２アームＡ２は加肉部１２を含んでいない。加肉部１２は、アームＡの厚みを大きくするために設けられる。要するに、加肉部１２を含む第１アームＡ１の厚みｔ１は、加肉部１２を含まない第２アームＡ２の厚みｔ２よりも大きい。加肉部１２は、ピンＰ付近のアームＡの表面に設けられる。具体的には、加肉部１２は、軸方向において、アームＡのうちアームＡに接続されるジャーナルＪ側に設けられる。

【0049】

逆に、ウェブＷの剛性を小さくするためには、アームＡの幅及び厚みを小さくすればよい。あるいは、アームＡに溝や孔を設けることにより、ウェブＷの剛性を小さくしてもよい。以上説明した方法でウェブＷの剛性を大きくする、あるいは剛性を小さくすることにより、各ウェブＷの剛性を適切に設定することができる。

【0050】

［効果］
第１ウェブＷ１の剛性Ｒ１は、エンジン全体の振動に大きい影響を及ぼす。本実施形態に係るクランク軸１０では、第１ウェブＷ１の剛性Ｒ１がある程度大きく設定されている。具体的には、第１ウェブＷ１の剛性Ｒ１は、第２ウェブＷ２の剛性Ｒ２と比較して大きい。さらに、本実施形態のクランク軸１０では、第２ウェブＷ２～第５ウェブＷ５それぞれの剛性Ｒ２～Ｒ５は、フロントＦｒからフランジＦｌに向かって徐々に大きくなっている。この場合、クランク軸１０の振動がいなされて、クランク軸１０の外の部品に伝達されにくい。以上より、本実施形態のクランク軸１０によれば、エンジン全体の振動を抑制することができる。

【0051】

本実施形態に係るクランク軸１０では、各ウェブＷの剛性について、大小関係が適切に設定されている。必ずしも各ウェブＷの剛性を高める必要はない。したがって、本実施形態に係るクランク軸１０によれば、各ウェブＷの剛性を高める場合と比較して軽量化を図ることができる。

【実施例0052】

実施形態に係るクランク軸の効果を確認するため、クランク軸の各ウェブの剛性を変化させ、エンジン全体の振動の大きさ（振動レベル）を評価した。本実施例では、クランク軸、エンジンブロック、エンジンを自動車に固定するために用いられるエンジンマウント、クランク軸のフランジに取り付けられるフライホイール及びトランスミッション等を含めたモデルを作成し、モデル全体の振動を数値解析により調査した。具体的には、エンジンマウントでの幅方向の振動加速度の実効値を調査した。エンジンマウントでの振動レベルが小さければ、自動車に伝達される振動が小さくなって自動車の乗り心地が向上する上、自動車から放出される騒音が小さくなる。ただし、人間が知覚可能な周波数の振動のみを確認すればよいため、周波数が１０００Ｈｚ以下の振動を評価対象とした。

【0053】

本実施例では、本発明例１～１５及び比較例１～５３について解析を行った。本発明例１～１５の諸元を表１に、比較例１～５３の諸元を表２にそれぞれ示す。表１及び表２には、第１ウェブの剛性に対する各ウェブの剛性の比が示される。表１及び表２において、各ウェブの剛性が条件１～３を満たすか否かを判定し、条件を満たす場合には「Ｔ」、満たさない場合には「Ｆ」と表した。条件１～３とは、それぞれ上記の式（１）～（３）を意味する。表１を参照して、本発明例１～１２はいずれも条件１～３を全て満たしていた。本発明例１３～１５は、条件１～２をいずれも満たしていたが、条件３を満たしていなかった。表２を参照して、比較例１～５３はいずれも条件１～２のうち少なくとも１つを満たしていなかった。

【0054】

【表1】

【0055】

【表2】

【0056】

図８は、本実施例の結果を示す図である。図８において、縦軸はエンジンマウントでの幅方向の振動加速度の実効値（ｍｍ／ｓ^２）を表す。具体的な振動加速度の実効値は、表１及び表２にも記載されている。表１、表２及び図８を参照して、本発明例１～１５では、振動加速度の実行値はいずれも２４００ｍｍ／ｓ^２より小さかった。特に、本発明例１～１４では、振動加速度の実行値はいずれも２０００ｍｍ／ｓ^２より小さかった。一方、比較例１～５３では、振動加速度の実行値はいずれも２４００ｍｍ／ｓ^２より大きかった。以上より、条件１～２を満たすように各ウェブの剛性を設定することにより、エンジン全体の振動を抑制できることが分かる。

【0057】

表１及び表２を参照して、本発明例１０と本発明例１５を比較すると、第１ウェブ～第５ウェブの剛性は同じであったが、第６ウェブの剛性が異なっていた。本発明例１０は条件３を満たしているのに対し、本発明例１５は条件３を満たしていなかった。本発明例１０の振動加速度の実効値は、本発明例１５の振動加速度の実効値よりも小さかった。このことから、条件３を満たすように各ウェブ（第５ウェブ及び第６ウェブ）の剛性を設定することにより、エンジン全体の振動がより抑制されることが分かる。

【0058】

以上、本開示の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本開示を実施するための例示に過ぎない。したがって、本開示は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

【符号の説明】

【0059】

１０、９０：クランク軸
Ｊ：ジャーナル
Ｐ：ピン
Ｗ：ウェブ
Ｗ１：第１ウェブ
Ｗ２：第２ウェブ
Ｗ３：第３ウェブ
Ｗ４：第４ウェブ
Ｗ５：第５ウェブ
Ｗ６：第６ウェブ
Ｆｒ：フロント
Ｆｌ：フランジ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】