エンジンの中で最も強度が高くて重要な役割を果たす「クランクシャフト(クランク軸)」について、その仕組みをわかりやすく解説します。
クランクシャフトの仕組み
クランクシャフト(クランク軸)は、ピストンやコンロッドの運動に連動して動く回転軸です。ピストンの往復運動はコンロッドによって回転運動に変換され、コンロッドと接続されたクランクシャフトがエンジンの外部へエンジン動力として回転運動を伝達しています。コンロッドは往復運動と回転運動の両方を担っていますが、クランクシャフトは回転運動のみを担っています。自動車用エンジンであれば、クランクシャフトの回転がトランスミッションギヤを介して、タイヤを回転させています。
燃焼・膨張行程では、ピストンがコンロッドとクランクシャフトへ力を伝達していきますが、排気行程、吸気行程、圧縮行程の3行程では、クランクシャフトの慣性による回転力によってピストンが往復運動させられています。
4シリンダエンジンの場合は、以下の模式図のようにピストンが4つ並んでいて、赤線部分がクランクシャフト(クランク軸)になります。上の図は軸方向からエンジンを見ているのに対して、下の図は横方向からエンジンを見た模式図になります。福引き機はハンドルを回すことで中心軸がガラガラと回転しますが、クランクシャフトの仕組みもこれと似ていてます。ピストンの上下運動によってクランクウェブが回されて、クランクジャーナルは中心軸として同じ位置で回転しています。
クランクシャフトの回転は軸端に付いているフライホイールという部品にも伝えられ、駆動力としてエンジン外部へ出力されます。フライホイールはエンジンの回転数を安定させるための重りになっています。また、反対の軸端側には、バルブシステムの稼働やオルタネーターの発電など、様々な装置の原動力として使われることが多いです。
クランクシャフトの構造
福引き機のハンドルに当たる部分が「クランクピン」で、コンロッドの大端部と接続されます。中心軸に当たる部分は「クランクジャーナル」と呼ばれ、クランクピンとクランクジャーナルは「クランクアーム(もしくはクランクウェブ)」と呼ばれる腕でつながれています。
クランクウェブは、クランクピンと接続する側と逆の側が重くなるように設計されています。これは、回転のときに重心の位置を中心軸に合わせ、回転に伴う振動を減らすためです。この重りを「バランスウェイト」といいます。
クランクピンとコンロッドの間には、回転を滑らかにするベアリング(軸受)という部品が挟み込まれています。さらに、クランクピンの内部の油路からオイルが流し込まれ、ベアリングの摩耗を防いでいます。
クランクシャフトの材質
クランクシャフトは、エンジン部品の中で、最も高い強度が要求される重要部品です。そのため、材質にはクロムモリブデン鋼(鍛造品)などの高強度材が使われることが多いです。
また、クランクシャフトは4シリンダーの取り付け角度をずらしていることが模式図からわかると思います。これはそれぞれのシリンダーの燃焼のタイミングを変えているためです。そして、圧縮・膨張行程と排気・吸気行程もずらすことで、燃焼のタイミングが別のシリンダーで同時に起こらないようにしています。これによって、部品強度を過剰に上げることや過度な振動が生じることを避け、部品軽量化に貢献しています。
まとめ
今回は、エンジンの動力を外部へ伝える重要な部品であり、また、エンジン部品の中での最も高強度な部品でもあるクランクシャフトについて解説しました。エンジンをより深く理解することにつながれば幸いです。
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