バランスシャフトとはレシプロエンジンにおけるエンジンの振動の抑制技術であり、直列4気筒に代表されるエンジンバランスが取られていないレイアウトにおいて、クランクシャフトから発生する振動を相殺する為の偏心シャフトである。バランスシャフトの基本概念は1904年にイギリスのフレデリック・ランチェスターによって発明された。[1]
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概要
バランスシャフトはクランクシャフトのデザインの関係上、内部構成部品が如何にバランスよく加工されていても二次振動(エンジン回転数の2倍の周波数の振動。回転数に応じて二次関数的に増大する)を除去出来ない直列4気筒にて最も一般的に使用されている。
水平対向エンジンの場合には向かい合ったピストンがお互いの振動を打ち消し合う為にこのような振動は発生せず、バランスシャフトは使用されない。直列エンジンの場合にはクランクシャフトの回転運動とコネクティングロッドの往復運動が対称関係ではない為に、直列6気筒のように各気筒の点火タイミングによって完全に振動が打ち消せるデザインではない限り、どのように内部部品のバランスを取っても振動が発生する。[2]
このようなエンジンの振動の問題は、排気量が大きくなる程より顕著に現れる。排気量増大の手法がボアアップとストローク増大に限られる為、排気量が大きくなるという事はクランクシャフトに掛かる慣性力が大きくなる事に直結する為である。
バランスシャフトの基本概念自体は、1904年の時点でフレデリック・ランチェスターにより見出されており特許も取得されていた。ランチェスターバランサーの基本デザインは2本のバランスシャフトがそれぞれ反対方向にエンジン回転数の2倍の速度で回転する。バランスシャフトには偏心した位置に錘が取り付けられており、同じ位相で回転する為にクランクシャフトの水平方向の振動が解消される。しかし、ランチェスターの基本デザインのままでは水平方向の振動は解消されるものの、鉛直方向に新たな振動が発生してしまう事にもなった。この問題を完全に解決するには1974年のサイレントシャフトの登場を待たねばならなかった。サイレントシャフトが登場する以前は二次振動の問題により、直列4気筒エンジンは2000ccまでが市販乗用車のNVH特性を満足できる上限排気量とされており、自動車の高出力化・軽量化の大きな足枷ともなっていたのである。
なお、バランスシャフトはクランクシャフトから駆動力を受け取って回転する為に、馬力のロスが確実に発生する。その数値はおおよそ15馬力前後とされており、クランクシャフトの2倍の速度で回転する関係上、バランスシャフトの軸受けの潤滑はエンジンオイルにとっても非常に過酷なものとなる。その為、モータースポーツなどにおいてはバランスシャフトを敢えて除去する事で馬力のロスとバランスシャフトの軸受け焼付きの問題を回避する手法が採られる事もあった。これは同時に、直列4気筒のレーシングカーにはドライバーにとって極めて過酷な振動がつきものである事も意味していた。
4気筒エンジンでの採用例
三菱自動車工業は1974年にサイレントシャフトを発表し、三菱・2G2系エンジンに初採用した。翌1975年からは最大排気量が2600ccに達する三菱・4G5系エンジンにも採用され、バランスシャフトのパイオニア的存在となった。サイレントシャフトはシリンダーブロックの下部に2本のシャフトの位置を上下にずらした形でオイルポンプと連結された状態で配置され、エンジンの振動のみならず、起振モーメントをも打ち消す事に成功した。当時の三菱は「サイレントシャフトを搭載した直列4気筒はV型8気筒に匹敵する低振動である」と宣伝し、三菱・デボネアにもそれまでの直列6気筒エンジンを排してまでサイレントシャフト付き直列4気筒エンジンを採用した。三菱は後にフィアット、サーブ、ポルシェにサイレントシャフトの特許使用を認可し、各社の2000cc以上の大排気量直列4気筒エンジンに採用された[1]。
なお、サイレントシャフト以前から各社でランチェスターバランサーの研究自体は行われていたが、シャフトの配置及び基本概念の多くを三菱が特許で押さえてしまった為に、各社はシャフトの配置についてはサイレントシャフトと異なる形とし、特許抵触の回避が不可能な部分については三菱との個別交渉で許諾を得る事で解決を図った。サーブの場合はB234エンジンにてサイレントシャフトとは異なるシャフト配置でサイレントシャフト以上の振動低減を実現。ポルシェの場合には自社のトランスアクスル技術とのクロスライセンス契約を結ぶ事で、サイレントシャフトと同じ配置のバランスシャフトの採用に漕ぎ着けた経緯がある。
現在では2000cc以上の大排気量エンジンの主流が6気筒エンジンに移行した為に、サイレントシャフトのような2本のシャフトを用いた完全バランサーを用いてまで大排気量直列4気筒エンジンを採用する事自体が少なくなったが、現在でも多くのエンジンでランチェスターの基本概念を応用したバランスシャフトは何らかの形で用いられ続けている。
6気筒エンジンでの採用例
6気筒エンジンにおいては、4気筒エンジンとは異なるバランスシャフトが用いられ、その多くがV型6気筒エンジンで採用されている。
現在のV型6気筒エンジンは偶力振動を可能な限り減らす為にシリンダーバンクが60度で設計される事が多くなったが、それ以前のV型6気筒エンジンはV型8気筒エンジンをベースに2気筒減じる形で設計された為、90度のシリンダーバンクを持つものが多かった。このようなエンジンの場合には一次振動と二次振動自体は直列6気筒同様にバランスされるが、上下方向にエンジン全体のみそすり運動が発生する。
このようなエンジンでも複雑な形状の高価なクランクシャフトを用いる事でみそすり運動の解消は可能であるが、バランスシャフトを使用した方が経済性が高い為に、多くのメーカーでは1本のバランスシャフトを配置してみそすり運動の低減を図ったのである。
関連項目
脚注
- ^ い ろ "Engine Smoothness", Mark Wan, AutoZine Technical School, 1998–2000
- ^ "Shaking forces of twin engines", Vittore Cossalter, Dinamoto.it
外部リンク
- "Weighing the Benefits of Engine Balancing", Larry Carley, Technical Editor, Babcox.com
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