特開 2024-51984 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】P2024051984

(43)【公開日】2024-04-11

(54)【発明の名称】クランク軸

(51)【国際特許分類】

   F02B 77/00 20060101AFI20240404BHJP

   F16C 3/08 20060101ALI20240404BHJP

【ＦＩ】

F02B77/00 J

F16C3/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022158400

(22)【出願日】2022-09-30

(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

【テーマコード（参考）】

3J033

【Ｆターム（参考）】

3J033AA02

3J033AB03

3J033BA01

3J033BA13

3J033BA20

(57)【要約】

【課題】エンジン全体の振動を抑制することが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、複数のアーム（Ａ）と、フロント（Ｆｒ）と、フランジ（Ｆｌ）と、を備える。複数のジャーナル（Ｊ）は、フロント（Ｆｒ）からフランジ（Ｆｌ）に向かって順に第１ジャーナル（Ｊ１）と、第２ジャーナル（Ｊ２）と、第３ジャーナル（Ｊ３）と、を含む。複数のピン（Ｐ）は、フロント（Ｆｒ）からフランジ（Ｆｌ）に向かって順に第１ピン（Ｐ１）と、第２ピン（Ｐ２）と、を含む。複数のアーム（Ａ）は、フロント（Ｆｒ）からフランジ（Ｆｌ）に向かって順に第１アーム（Ａ１）と、第２アーム（Ａ２）と、第３アーム（Ａ３）と、第４アーム（Ａ４）と、を含む。第１スロー（Ｔ１）の横曲げ剛性は、第２スロー（Ｔ２）の横曲げ剛性よりも小さい。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

４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アームと、
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、
前記複数のジャーナルは、前記フロントから前記フランジに向かって順に第１ジャーナルと、第２ジャーナルと、第３ジャーナルと、を含み、
前記複数のピンは、前記フロントから前記フランジに向かって順に第１ピンと、第２ピンと、を含み、
前記複数のアームは、前記フロントから前記フランジに向かって順に第１アームと、第２アームと、第３アームと、第４アームと、を含み、
前記第１ジャーナル、前記第１アーム、前記第１ピン、前記第２アーム及び前記第２ジャーナルからなる第１スローの横曲げ剛性は、前記第２ジャーナル、前記第３アーム、前記第２ピン、前記第４アーム及び前記第３ジャーナルからなる第２スローの横曲げ剛性よりも小さい、クランク軸。

【請求項2】

請求項１に記載のクランク軸であって、
前記第１スローの横曲げ剛性は、前記第２スローの横曲げ剛性の０．９５倍以上１．００倍未満である、クランク軸。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のクランク軸であって、
前記第１スローのねじり剛性は、前記第２スローのねじり剛性よりも大きい、クランク軸。

【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、補機駆動端から順に８つのクランクショルダー（１番～８番クランクショルダー）を備える直列４気筒エンジン用のクランクシャフトが開示されている。クランクショルダーの各々は、メインジャーナルとクランクピンとを接続する。特許文献１には、７番クランクショルダーの剛性比（曲げ剛性とねじり剛性の比）を１．８未満に設定することにより、クランクシャフトの振動、延いてはエンジンの騒音を低減させることができる、と記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０２１－１４８２８１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が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】

本開示の４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、複数のアームと、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。複数のアームは、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。複数のジャーナルは、フロントからフランジに向かって順に第１ジャーナルと、第２ジャーナルと、第３ジャーナルと、を含む。複数のピンは、フロントからフランジに向かって順に第１ピンと、第２ピンと、を含む。複数のアームは、フロントからフランジに向かって順に第１アームと、第２アームと、第３アームと、第４アームと、を含む。第１スローの横曲げ剛性は、第２スローの横曲げ剛性よりも小さい。第１スローは、第１ジャーナル、第１アーム、第１ピン、第２アーム及び第２ジャーナルからなる。第２スローは、第２ジャーナル、第３アーム、第２ピン、第４アーム及び第３ジャーナルからなる。

【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、図１に示すクランク軸におけるカウンターウエイト付きアームの側面図である。

【図3】図３は、実施形態に係るクランク軸の正面図である。

【図4】図４は、縦曲げ剛性の解析条件を示す模式図である。

【図5】図５は、横曲げ剛性の解析条件を示す模式図である。

【図6】図６は、ねじり剛性の解析条件を示す模式図である。

【図7】図７は、クランク軸のアームの側面図である。

【図8】図８は、クランク軸のスローの正面図である。

【図9】図９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、４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、５つのジャーナルＪ１～Ｊ５と、４つのピンＰ１～Ｐ４と、８つのアームＡ１～Ａ８と、８つのカウンターウエイトＷと、フロントＦｒと、フランジＦｌと、を含む。図２は、図１に示すクランク軸９０におけるカウンターウエイトＷ付きアームＡの側面図である。図２では、アームＡを代表して第１アームＡ１が示される。

【0017】

図１及び図２を参照して、クランク軸９０は、中心軸Ｘ１周りに回転する。第１ジャーナルＪ１～第５ジャーナルＪ５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５ジャーナルＪ５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５ジャーナルＪ５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、５つのジャーナルＪ１～Ｊ５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４ピンＰ４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４ピンＰ４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４ピンＰ４の各々は、ジャーナルＪに対して偏心している。第１ピンＰ１～第４ピンＰ４は、中心軸Ｘ１の周りに所定の位相差で配置される。第１ピンＰ１及び第４ピンＰ４と、第２ピンＰ２及び第３ピンＰ３とは、１８０°の位相差で中心軸Ｘ１の周りに配置されている。以下、４つのピンＰ１～Ｐ４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】

第１アームＡ１～第８アームＡ８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アームＡ１～第８アームＡ８は、それぞれ、ジャーナルＪとピンＰとを接続する。第１アームＡ１～第８アームＡ８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、８つのアームＡ１～Ａ８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。

【0020】

第１アームＡ１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アームＡ２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アームＡ３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アームＡ４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アームＡ５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アームＡ６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。第７アームＡ７は、第４ジャーナルＪ４と第４ピンＰ４との間に配置され、第４ジャーナルＪ４と第４ピンＰ４とを接続する。第８アームＡ８は、第４ピンＰ４と第５ジャーナルＪ５との間に配置され、第４ピンＰ４と第５ジャーナルＪ５とを接続する。

【0021】

第１アームＡ１～第８アームＡ８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、それぞれアームＡ１～Ａ８と一体的に形成されている。

【0022】

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、ピンＰの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、第２ピンＰ２が偏心する方向を下と言う場合がある。

【0023】

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、横曲げ振動及びねじり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。

【0024】

逆に、分析の結果、縦曲げ振動の影響は、横曲げ振動及びねじり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。

【0025】

したがって、クランク軸９０において横曲げ振動及びねじり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、本発明者らは、特に第２スローの横曲げ剛性に対する第１スローの横曲げ剛性の比（横曲げ剛性比）を規定することが振動を抑制するために重要であることを明らかにした。ここで、スローとは、１つのピンと、ピンの両側に接続されるアームと、アームの各々に接続されるジャーナルと、からなる。クランク軸９０は、フロントＦｒからフランジＦｌに向かって順に第１～第４スローを備える。第１スローは、第１ジャーナルＪ１、第１アームＡ１、第１ピンＰ１、第２アームＡ２及び第２ジャーナルＪ２からなる。第２スローは、第２ジャーナルＪ２、第３アームＡ３、第２ピンＰ２、第４アームＡ４及び第３ジャーナルＪ３からなる。

【0026】

第１スロー及び第２スローの横曲げ剛性比を規定することが振動を抑制するために重要である理由は、第１スロー及び第２スローの横曲げの振動が、エンジン全体の振動に対して大きく寄与しているからである。クランク軸９０のフランジＦｌ側には、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）が接続される。これらの質量及び慣性はクランク軸９０に対して非常に大きい。そのため、クランク軸９０のフランジＦｌ側には強い拘束力が働く。したがって、クランク軸９０のフランジＦｌ側では、振動の振幅は比較的小さい。逆に、クランク軸９０のフロントＦｒ側、すなわち第１スロー及び第２スローでは、フランジＦｌ側と比較して振幅が大きい。第１スロー及び第２スローにはたらく振幅の大きい振動が、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てエンジン全体の振動が大きくなると推定される。

【0027】

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。

【0028】

実施形態に係る４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、複数のアームと、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。複数のアームは、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。複数のジャーナルは、フロントからフランジに向かって順に第１ジャーナルと、第２ジャーナルと、第３ジャーナルと、を含む。複数のピンは、フロントからフランジに向かって順に第１ピンと、第２ピンと、を含む。複数のアームは、フロントからフランジに向かって順に第１アームと、第２アームと、第３アームと、第４アームと、を含む。第１スローの横曲げ剛性は、第２スローの横曲げ剛性よりも小さい。第１スローは、第１ジャーナル、第１アーム、第１ピン、第２アーム及び第２ジャーナルからなる。第２スローは、第２ジャーナル、第３アーム、第２ピン、第４アーム及び第３ジャーナルからなる（第１の構成）。

【0029】

第１の構成のクランク軸では、第１スローの横曲げ剛性が、第２スローの横曲げ剛性よりも小さく設定されている。このように、クランク軸において第１スロー及び第２スローの横曲げ剛性の大小関係を規定することにより、クランク軸において横曲げ振動の振幅を低減することができる。上述した通り、クランク軸の横曲げ振動は、エンジン全体の振動に大きい影響を及ぼす。したがって、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。

【0030】

第１の構成のクランク軸において、好ましくは、第１スローの横曲げ剛性は、第２スローの横曲げ剛性の０．９５倍以上１．００倍未満である（第２の構成）。第２の構成のクランク軸では、第２スローの横曲げ剛性に対する第１スローの横曲げ剛性の比（横曲げ剛性比）が具体的に０．９５以上１．００未満に規定される。これにより、エンジン全体の振動を確実に抑制することができる。

【0031】

第１又は第２の構成のクランク軸において、好ましくは、第１スローのねじり剛性は、第２スローのねじり剛性よりも大きい（第３の構成）。上述した通り、クランク軸の横曲げ振動だけでなく、ねじり振動も、エンジン全体の振動に大きい影響を及ぼす。第３の構成のクランク軸では、第１スロー及び第２スローのねじり剛性の大小関係が規定されている。これにより、クランク軸においてねじり振動の振幅を低減することができ、エンジン全体の振動をより抑制することができる。

【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３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】

第１スローＴ１の横曲げ剛性は、第２スローＴ２の横曲げ剛性よりも小さい。第１スローＴ１の横曲げ剛性は、好ましくは第２スローＴ２の横曲げ剛性の０．９５倍以上１．００倍未満である。言い換えると、第２スローＴ２の横曲げ剛性に対する第１スローの横曲げ剛性の比（横曲げ剛性比）は、好ましくは０．９５以上１．００未満である。各スローの横曲げ剛性を算出する方法については後述する。

【0035】

本実施形態の例では、第１スローＴ１のねじり剛性は、第２スローＴ２のねじり剛性よりも大きい。言い換えると、第２スローＴ２のねじり剛性に対する第１スローのねじり剛性の比（ねじり剛性比）は１．００より大きい。各スローのねじり剛性を算出する方法については後述する。

【0036】

なお、上述した通り、クランク軸１０のフランジＦｌ側には強い拘束力が働く。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３スローＴ３及び第４スローＴ４の剛性は、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３スローＴ３及び第４スローＴ４の横曲げ剛性及びねじり剛性は、特に限定されない。ここで、第３スローＴ３は、第３ジャーナルＪ３、第５アームＡ５、第３ピンＰ３、第６アームＡ６及び第４ジャーナルＪ４からなる。第４スローＴ４は、第４ジャーナルＪ４、第７アームＡ７、第４ピンＰ４、第８アームＡ８及び第５ジャーナルＪ５からなる。

【0037】

また、クランク軸１０の各モードの振動のうち縦曲げ振動がエンジン全体の振動に及ぼす影響は、横曲げ振動及びねじり振動と比較して小さい。そのため、各スローの縦曲げ剛性も特に限定されない。

【0038】

クランク軸１０は、第１スローＴ１～第４スローＴ４を備える。第１スローＴ１～第４スローＴ４はそれぞれ２つのアームＡを有する。この２つのアームＡは、典型的には軸方向において互いに対称な形状である。つまり、軸方向において、第１アームＡ１は第２アームＡ２と、第３アームＡ３は第４アームＡ４と、第５アームＡ５は第６アームＡ６と、第７アームＡ７は第８アームＡ８と、それぞれ対称な形状を有する。

【0039】

［剛性の算出方法］
以下、クランク軸１０において縦曲げ剛性、横曲げ剛性及びねじり剛性を算出する方法について説明する。縦曲げ剛性、横曲げ剛性及びねじり剛性を算出するには、クランク軸１０のスロー毎に解析モデルを作成し、剛性解析を行えばよい。以下では、第１スローＴ１の縦曲げ剛性、横曲げ剛性及びねじり剛性を算出する場合について説明するが、第２スローＴ２～第４スローＴ４の縦曲げ剛性、横曲げ剛性及びねじり剛性も同様の手順で算出することができる。

【0040】

図４は、縦曲げ剛性の解析条件を示す模式図である。図４は、クランク軸１０の第１スローＴ１の解析モデルの正面図（幅方向に沿って見た図）である。縦曲げ剛性の解析では、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、クランク軸１０の第１ジャーナルＪ１の軸方向中央及び第２ジャーナルＪ２の軸方向中央をそれぞれ拘束する。第１ジャーナルＪ１及び第２ジャーナルＪ２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及び第２ジャーナルＪ２の下端）である。これにより、第１ジャーナルＪ１及び第２ジャーナルＪ２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、クランク軸１０は上下方向にたわんだ状態となる。

【0041】

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、第２ジャーナルＪ２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は第２ジャーナルＪ２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。縦曲げ剛性は、荷重Ｆ１を変位差Δ１で除すことによって算出される。

【0042】

図５は、横曲げ剛性の解析条件を示す模式図である。図５は、クランク軸１０の第１スローＴ１の解析モデルの上面図（上下方向に沿って見た図）である。横曲げ剛性の解析では、第１ピンＰ１の軸方向における中央に幅方向の荷重Ｆ２を加える。その際、クランク軸１０の第１ジャーナルＪ１の軸方向中央及び第２ジャーナルＪ２の軸方向中央をそれぞれ拘束する。第１ジャーナルＪ１及び第２ジャーナルＪ２の拘束位置は、幅方向において、第１ピンＰ１に荷重Ｆ２が負荷される側とは反対側である。これにより、第１ジャーナルＪ１及び第２ジャーナルＪ２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Ｆ２により、クランク軸１０は幅方向にたわんだ状態となる。

【0043】

このような条件下で、荷重Ｆ２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、第２ジャーナルＪ２の点Ｄの幅方向における変位量を解析する。そして、荷重Ｆ２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Δ２）を算出する。横曲げ剛性は、荷重Ｆ２を変位差Δ２で除すことによって算出される。

【0044】

図６は、ねじり剛性の解析条件を示す模式図である。図６は、クランク軸１０の第１スローＴ１の解析モデルの正面図である。ねじり剛性の解析では、第２ジャーナルＪ２に中心軸Ｘ１周りのトルクＴを加える。その際、第１ジャーナルＪ１の軸方向におけるフロントＦｒ（図３）側の端を拘束する。これにより、第１ジャーナルＪ１のフロントＦｒ側の端面は完全拘束される。第２ジャーナルＪ２に負荷されたトルクＴにより、クランク軸１０は中心軸Ｘ１周りにねじられた状態となる。

【0045】

このような条件下で、トルクＴを負荷した後の第１ジャーナルＪ１の点Ｅと点Ｆとを結んだ直線と、第２ジャーナルＪ２の点Ｇと点Ｈとを結んだ直線とが、軸方向に沿って見たときになす角度θを解析する。ここで、点Ｅ及び点Ｆは、それぞれ第１ジャーナルＪ１の軸方向における中央に位置する。第２ジャーナルＪ２にトルクＴが負荷される前において、点Ｅは第１ジャーナルＪ１の上端に位置し、点Ｆは第１ジャーナルＪ１の下端に位置する。点Ｇ及び点Ｈは、それぞれ第２ジャーナルＪ２の軸方向における中央に位置する。第２ジャーナルＪ２にトルクＴが負荷される前において、点Ｇは第２ジャーナルＪ２の上端に位置し、点Ｈは第２ジャーナルＪ２の下端に位置する。ねじり剛性は、トルクＴを角度θで除すことによって算出される。

【0046】

［クランク軸の形状］
本実施形態に係るクランク軸１０において、第１スローＴ１の横曲げ剛性は、第２スローＴ２の横曲げ剛性よりも小さい。一方、第１スローＴ１のねじり剛性は、第２スローＴ２のねじり剛性よりも大きい。以下、このような横曲げ剛性及びねじり剛性の条件を満たすクランク軸１０の具体的な形状について説明する。

【0047】

クランク軸１０の横曲げ剛性及びねじり剛性を大きくするためには、アームＡの幅Ｌ及び厚みｔを大きくすればよい。ここで、アームＡの幅Ｌ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ｔとは、アームＡの上端の軸方向における寸法である。ただし、クランク軸１０の横曲げ剛性は、アームＡの幅Ｌを大きくするよりも、アームＡの厚みｔを大きくした方が高まりやすい。一方、クランク軸１０のねじり剛性は、アームＡの厚みｔを大きくするよりも、アームＡの幅Ｌを大きくした方が高まりやすい。

【0048】

図７は、クランク軸１０のアームＡの側面図である。図７には、アームＡを代表して第１アームＡ１が示される。図７を参照して、第１アームＡ１は、加肉部１１を含んでいてもよい。加肉部１１は、アームＡの幅Ｌ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は、加肉部１１を含まないアームＡと比較して、幅Ｌが大きい。加肉部１１は、ピンＰ付近のアームＡの幅方向両側に設けられる。

【0049】

図８は、クランク軸１０のスローの正面図である。図８には、スローを代表して第１スローＴ１が示される。図８を参照して、第１スローＴ１のうち第１アームＡ１及び第２アームＡ２は、加肉部１２を含んでいてもよい。加肉部１２は、アームＡの厚みｔを大きくするために設けられる。要するに、加肉部１２を含むアームＡは、加肉部１２を含まないアームＡと比較して、厚みｔが大きい。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。

【0050】

クランク軸１０において、第１スローＴ１の第１アームＡ１及び第２アームＡ２は加肉部１１を含み、第２スローＴ２の第３アームＡ３及び第４アームＡ４は加肉部１１を含まなくてもよい。この場合、第１アームＡ１及び第２アームＡ２の幅Ｌは第３アームＡ３及び第４アームＡ４の幅Ｌよりも大きくなる。そのため、第１スローＴ１の方が第２スローＴ２よりもねじり剛性が大きくなる。また、クランク軸１０において、第１アームＡ１及び第２アームＡ２は加肉部１２を含まず、第３アームＡ３及び第４アームＡ４は加肉部１２を含んでいてもよい。この場合、第１アームＡ１及び第２アームＡ２の厚みｔは第３アームＡ３及び第４アームＡ４の厚みｔよりも小さくなる。そのため、第１スローＴ１の方が第２スローＴ２よりも横曲げ剛性が小さくなる。つまり、第１スローＴ１及び第２スローＴ２をこのような形状とすれば、上述した横曲げ剛性及びねじり剛性の条件を満たす。

【0051】

［効果］
クランク軸１０の横曲げ振動は、エンジン全体の振動に大きい影響を及ぼす。そこで、本実施形態に係るクランク軸１０では、第１スローＴ１の横曲げ剛性が、第２スローＴ２の横曲げ剛性よりも小さく設定されている。このように、クランク軸１０において第１スローＴ１及び第２スローＴ２の横曲げ剛性の大小関係を規定することにより、クランク軸１０において横曲げ振動の振幅を低減することができる。したがって、本実施形態に係るクランク軸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。

【0052】

本実施形態に係るクランク軸１０では、第２スローＴ２の横曲げ剛性に対する第１スローＴ１の横曲げ剛性の比（横曲げ剛性比）が具体的に０．９５以上１．００未満に規定されている。これにより、エンジン全体の振動を確実に抑制することができる。

【0053】

クランク軸１０のねじり振動は、横曲げ振動と同様に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スローＴ１及び第２スローＴ２のねじり剛性の大小関係が規定されている。これにより、クランク軸１０においてねじり振動の振幅を低減することができ、エンジン全体の振動をより抑制することができる。

【実施例0054】

実施形態に係るクランク軸の効果を確認するため、クランク軸の第１スロー及び第２スローの各々について横曲げ剛性及びねじり剛性を変化させ、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振動レベルを調査した。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。

【0055】

図９は、本実施例の結果を示す図である。図９において、縦軸はクランク軸の振動レベル（Ｇ）を表し、横軸は第２スローの横曲げ剛性に対する第１スローの横曲げ剛性の比（横曲げ剛性比）を表す。図９を参照して、横曲げ剛性比が１．００以上の場合、振動レベルはいずれも８（Ｇ）より大きくなった。一方、横曲げ剛性比が１．００未満の場合、振動レベルはいずれも７（Ｇ）以下となった。その中でも、横曲げ剛性比が１．００未満かつねじり剛性比が１．００より大きい場合、振動レベルは特に小さくなった。以上より、横曲げ剛性比が１．００未満、すなわち、第１スローの横曲げ剛性が第２スローの横曲げ剛性よりも小さければ、エンジン全体の振動を抑制できることが分かる。

【0056】

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】

【0057】

１０、９０：クランク軸
Ｊ：ジャーナル
Ｐ：ピン
Ａ：アーム
Ｆｒ：フロント
Ｆｌ：フランジ
Ｔ１：第１スロー
Ｔ２：第２スロー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】