クランクシャフト

クランクシャフトは、ピストンエンジンで往復運動を回転運動に変換する機械部品です。クランクシャフトは、 1つまたは複数のクランクピン^[1]を含む回転軸であり、コネクティングロッド^[2]を介してピストンによって駆動されます。

クランクピンはロッドベアリングジャーナルとも呼ばれ、コネクティングロッドの「ビッグエンド」内で回転します。

現代のクランクシャフトのほとんどはエンジンブロック内にあり、鍛造、鋳造、機械加工のいずれかの工程で鋼鉄または鋳鉄から作られています。

クランクシャフトはエンジンブロック内に配置され、メインベアリングによって固定されており、ブロック内でクランクシャフトが回転できるようにします。^[3]各ピストンの上下運動は、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに伝達されます。^[4]フライホイールは、動力伝達をスムーズにし、振動を減らすために、クランクシャフトの一端に取り付けられることがよくあります。^[5]

クランクシャフトには大きな応力がかかり、場合によってはシリンダーあたり8.6トン（19,000ポンド）を超えることもあります。^[6]単気筒エンジンのクランクシャフトは、通常、複数気筒エンジンのクランクシャフトよりも設計が単純です。

クランクシャフトは「メインベアリング」のおかげでエンジンブロック内で回転することができます。クランクシャフトは各シリンダーから大きな水平方向およびねじり方向の力を受けるため、これらのメインベアリングは両端に1つだけではなく、クランクシャフトのさまざまなポイントに配置されています。^[7]メインベアリングの数は、全体的な負荷係数と最大エンジン速度に基づいて決定されます。ディーゼルエンジンのクランクシャフトでは、燃焼による大きな力が発生するため、各シリンダー間とクランクシャフトの両端にメインベアリングが使用されることがよくあります。^[8]

1950年代に直列8気筒エンジンがV8エンジンに置き換えられた要因の1つは、クランクシャフトのたわみでした。直列8気筒エンジンの長いクランクシャフトは、エンジン設計者がより高い圧縮比とより高いエンジン回転数（RPM）を使用し始めたときに、許容できないほどのたわみに悩まされました。 ^[9]

クランクピンの軸とクランクシャフトの軸の間の距離によってエンジンのストロークの長さが決まります。 ^[1]

現代の自動車エンジンのほとんどは「オーバースクエア」またはショートストロークに分類され、^{[要出典]、}ストロークはシリンダーボアの直径よりも小さい。エンジンの低回転トルクを高める一般的な方法は、ストロークを増やすことであり、エンジンの「ストローク」と呼ばれることもある。歴史的に、ロングストロークエンジンのトレードオフは、ピストン速度の増加により、回転数の制限が低くなり、高回転での振動が増加することでした。^[10]

エンジンを設計する際、クランクシャフトの構成はエンジンの点火順序と密接に関係しています。^{[11] [12]}

ほとんどの量産V8エンジン（フォード・モジュラーエンジンやゼネラルモーターズのLSエンジンなど）は、クランクスローが90度間隔で配置されたクロスプレーンクランクを使用しています。 ^[13]しかし、一部の高性能V8エンジン（フェラーリ488など）^{[14] [15]}は、代わりにフラットプレーンクランクを使用しており、スローが180度間隔で配置されており、基本的に2つの直列4気筒エンジンが共通のクランクケースを共有しています。フラットプレーンエンジンは通常、より高い回転数で動作できますが、2次振動が大きいため、^[16]レーシングカーのエンジンに適しています。^[17]

一部のエンジンでは、エンジンバランスを改善するために、ピストン、コンロッド、クランクシャフトの往復運動質量にカウンターウェイトを取り付ける必要があります。^{[18] [19]}これらのカウンターウェイトは通常、クランクシャフトの一部として鋳造されますが、ボルトで固定される場合もあります。^[要出典]

一部のエンジンでは、クランクシャフトには、通常の中間メインベアリングなしで、隣接するクランクピン間の直接リンクが含まれています。これらのリンクはフライングアームと呼ばれます。^{[20] : 16, 41}この配置は、異なるV角度を使用しても均一な点火間隔を維持し、必要なメインベアリングの数を減らすために、 V6およびV8エンジンで使用されることがあります。フライングアームの欠点は、クランクシャフトの剛性が低下するため、高回転または高出力で問題が発生する可能性があることです。^[21]

ほとんどのエンジンでは、各コネクティングロッドには単一のクランクシャフトが取り付けられているため、ピストンがストロークするにつれてコネクティングロッドの角度が変化する。この角度の変化によりピストンがシリンダー壁に押し付けられ、ピストンとシリンダー壁の間に摩擦が発生する。^{[22]これを防ぐために、1900～1904年の}ランチェスターエンジン社のフラットツインエンジンなど、初期のエンジンでは、各ピストンを反対方向に回転する2つのクランクシャフトに接続していました。この配置により横方向の力が相殺され、カウンターウェイトの必要性が減ります。この設計はほとんど使用されませんが、同様の原理がバランスシャフトにも適用され、時々使用されます。

クランクシャフトはロール鍛造を使用して鋼棒から作ることができます。今日、製造業者は軽量、コンパクトな寸法、およびより優れた固有減衰のため、鍛造クランクシャフトの使用を好む傾向があります。^[23]鍛造クランクシャフトでは、ベアリング面の表面硬化を除いて、追加の熱処理なしで高強度に達した後、空冷することができるバナジウムマイクロアロイ鋼が主に使用されます。合金含有量が少ないため、材料も高合金鋼よりも安価になります。炭素鋼も、所望の特性に達するために追加の熱処理が必要です。

別の製造方法は、ダクタイル鋳鉄からクランクシャフトを鋳造することです。鋳鉄製のクランクシャフトは現在、負荷が低い安価な生産エンジンに主に使用されています。

クランクシャフトは、ビレット（多くの場合、高品質の真空再溶解鋼の棒）から機械加工することもできます。ファイバーフロー（鋳造中に生成される材料の化学組成の局所的な不均一性）はクランクシャフトの形状に従わないため望ましくありませんが、通常は鍛造が難しい高品質の鋼を使用できるため、これは通常問題にはなりません。旋盤やフライス盤で除去する必要がある材料の量が多いこと、材料コストが高いこと、追加の熱処理が必要なことなどから、これらのクランクシャフトはユニットあたり非常に高価になる傾向があります。ただし、高価なツールは必要ないため、この製造方法では初期費用を高くすることなく少量生産を行うことができます。

最も古い手動クランクは、中国で漢代（紀元前202年-紀元後220年）に登場しました。製糸、麻紡ぎ、農業用箕、水力小麦粉ふるい、油圧冶金ふいご、井戸用巻き上げ機に使用されました。 [ 26 ]クランクで^操作する箕を備えた陶器の模型は、前漢代（紀元前202年-紀元後9年）にまで遡って発見されています。^{[27] [26]}回転式箕により、穀粒を殻や茎から分離する効率が大幅に向上しました。^{[28] [29]}中国では、遅くとも前漢代（紀元前202年-紀元後9年）には、古代の発破装置、繊維機械、農業機械にクランクとコネクティングロッドが使用されていました。最終的に、クランクとコネクティングロッドは、小麦粉ふるい、足踏み紡ぎ車、水力炉のふいご、絹繰り機などの他の用途で、回転運動と往復運動の相互変換に使用されるようになりました。^{[30] [26]}

古代エジプト人は古王国時代（紀元前2686-2181年）にクランクに似た手動ドリルを持っており、その道具を表す象形文字さえありました。^[31]しかし、古代エジプトのドリルは真のクランクとしては機能しませんでした。^[32]

その後、機械内でコネクティングロッドと組み合わされたクランクの証拠は、紀元3世紀のローマ帝国アジアにある古代ギリシャのヒエラポリスの製材所、ローマ帝国シリアのゲラサとローマ帝国支配下のギリシャイオニアのエフェソスにある2つの石造製材所（ともに紀元6世紀）に見られる。 ^[33]ヒエラポリス製材所のペディメントには、水車が水路から水を送り、歯車列を介して2つのフレームソーに動力を与え、何らかのコネクティングロッドと、機械的な必要性からクランクを介して長方形のブロックを切断する様子が描かれている。付随する碑文はギリシャ語で書かれている。^[34]考古学的に証明されている他の2つの製材所のクランクとコネクティングロッドの機構は、歯車列なしで動作していた。^{[35] [36]}

クランクは、9世紀半ばにバヌー・ムーサ兄弟が著書『巧妙な装置の書』で説明したいくつかの油圧装置に登場します。^[37]しかし、これらの装置は部分的な回転しかできず、大きな動力を伝達できませんでした。^[38]ただし、クランクシャフトに変換するにはわずかな改造で済みました。^[39]

アル＝ジャザリ（1136-1206）は、2つの揚水機にクランクとコネクティングロッドのシステムを搭載した回転機械を記述している。^[40]彼のツインシリンダーポンプにはクランクシャフトが組み込まれていた。^{[41]クランクは後に、15世紀初頭の}アレクサンドリアのヘロンの『機械工学』のアラビア語写本にも記述されている。^[42]

最初の回転式手臼、または回転石臼は、スペイン（紀元前600年-紀元前500年）で登場し、^{[44] [45]}、その後東に広まりました。^{[44] [45]}回転部分の外縁近くにあるハンドルがクランク^{[44] [25] [46]}であり、回転を動かす人間の腕がコネクティングロッドです。^[44]

紀元前200年頃のアンティキティラ島の機械^{[47] [48]}は、その機構の一部としてクランクを使用していました。^[49]クランクは手動で日付を入力するために使用されました。^[50]

クランクとコネクティングロッドを組み合わせた構造の証拠は、ローマ帝国時代の紀元後3世紀の 古代ギリシャのヒエラポリス製材所に見られる。また、ローマ領シリアとローマ領イオニアのエフェソスにある、6世紀の石造りの製材所にも見られる。 ^[43]ヒエラポリス製材所のペディメントには、水車が水車レースから電力を供給され、歯車列を介して2つのフレームソーに動力を与え、何らかのコネクティングロッドとクランクを介してブロックを切断している様子が描かれている。[ 34 ]考古学的に^証明されている他の2つの製材所のクランクとコネクティングロッドの機構は、歯車列なしで動作していた。^{[35] [51]}

スイスのアウグスタ・ラウリカで、西暦2世紀に遡るローマ時代の鉄製クランクが発掘された。^{[52] [53]}クランクで動くローマ時代の風車は2世紀後半に遡る。^[54]

ドイツの水力大理石鋸については、 4世紀後半の詩人アウソニウスが言及している。^[43]同じ頃、アナトリアのギリシャ人聖人グレゴリウス・オブ・ニュッサもこのタイプの製粉所について言及している。^{[55] [43] [56]}

クランクハンドルで操作する回転砥石^[57]は、カロリング朝写本『ユトレヒト詩篇』に描かれている。830年頃のペン画は後期古代のオリジナルに遡る。^[58]車輪を回すために使われるクランクは、10世紀から13世紀にかけてのさまざまな作品にも描かれている。^{[57] [59]}

複合クランクが大工の支柱に描かれた最初の例は、1420年から1430年にかけての北ヨーロッパの芸術作品である。^[60]複合クランクが急速に採用された経緯は、フス戦争中の軍事技術の現状について書いた無名のドイツ人技術者の著作に遡ることができる。まず、クランクに使用されたコネクティングロッドが再び登場し、次に、二重複合クランクにもコネクティングロッドが装備されるようになり、最後に、これらのクランクが「デッドスポット」を越えるためにフライホイールが使用された。^[61]このコンセプトは、1463年にイタリアの技術者で作家のロベルト・ヴァルトゥーリオによって大幅に改良され、5組のクランクを備えたボートを考案した。このボートでは、並列クランクがすべて1本のコネクティングロッドによって単一の動力源に結合されており、このアイデアは同国のイタリア人画家フランチェスコ・ディ・ジョルジョにも採用された。^[62]

クランクは15世紀初頭までにヨーロッパで一般的になり、軍事技術者コンラート・キーザー（1366年 - 1405年以降）の著作にも見られる。^{[63] [64]}キーザーの『鐘楼の鐘』に描かれた装置には、包囲クロスボウを張るためのクランク付き巻き上げ機、水を汲み上げるためのクランク付きバケツの鎖、鐘の輪に取り付けられたクランクなどがある。^{[64]キーザーはまた、水を汲み上げるための}アルキメデスのスクリューにクランクハンドルを装備した。この革新はその後、パイプを踏みつけて操作する古代の慣習に取って代わった。^[65]

ピサネロは、水車で駆動され、2つの単純なクランクと2つのコネクティングロッドで操作されるピストンポンプを描いています。^[61] 15世紀には、クランク付きのラックアンドピニオン装置、いわゆるクレーンキンも導入されました。これはクロスボウのストックに取り付けられ、ミサイル兵器を振り回す際にさらに大きな力を加えるための手段でした。^[66]繊維産業では、糸束を巻き取るためのクランク付きリールが導入されました。^[64]

1340年頃の『ルトレル詩篇』には、車軸の両端に1つずつ付いた2つのクランクで回転する砥石について記述されている。1つまたは2つのクランクで操作するギア付き手臼は、15世紀後半に登場した。^[64] 1480年頃、中世初期の回転砥石は、踏み車とクランクの機構で改良された。手押し車に取り付けられたクランクは、1589年のドイツの彫刻に初めて登場している。^[67]

9世紀のアッバース朝 バグダッドでは、バヌー・ムーサ兄弟が『巧妙な装置の書』で記述した油圧装置のいくつかに、自動で作動するクランクが登場している。^[37]これらの自動で作動するクランクはいくつかの装置に登場し、そのうち2つにはクランクシャフトの動作に近いものが含まれている。これは、ヨーロッパでクランクシャフトが記述された最古のものより5世紀も前のことである。しかし、バヌー・ムーサが記述した自動クランク機構では完全な回転はできなかったが、クランクシャフトに変換するにはわずかな変更だけで済んだ。^[39]

アルトゥク朝では、アラブ人技術者イスマイール・アル・ジャザリー（1136-1206）が、回転機械にクランクとコネクティングロッドのシステムを採用し、2つの揚水機に使用していたと説明している。 ^[40]これらの揚水機にはクランクとシャフトの両方の機構が含まれていた。 ^[68]

イタリアの医師グイド・ダ・ヴィジェーヴァノ（ 1280年頃-  1349 年頃）は、新たな十字軍の計画を立て、手動で回転する複合クランクと歯車で推進する外輪船と戦闘用馬車のイラストを描いた。 ^{[69 ] これは}リン・タウンゼント・ホワイトによって初期のクランクシャフトのプロトタイプであると特定された。^[70]

クランクシャフトは、レオナルド・ダ・ヴィンチ（1452–1519）^[40]とオランダの農民で風車所有者のコルネリス・ファン・ウイトヘーストによって1592年に記述されました。彼の風力製材所は、クランクシャフトを使用して風車の円運動を鋸に動力を与える前後運動に変換しました。コルネリスゾーンは1597年にクランクシャフトの 特許を取得しました。

16世紀以降、クランクとコネクティングロッドが機械設計に組み込まれていた証拠は、その時代の技術論文の中に豊富に見られるようになった。 1588年のアゴスティーノ・ラメッリの『多種多様な人工機械』には18の例が描かれており、ゲオルク・アンドレアス・ベックラーの『新機械劇場』ではその数は45の異なる機械にまで増えている。^[71]クランクは20世紀初頭には一部の機械では一般的だった。例えば、1930年代以前のほぼすべての蓄音機は、クランクで巻かれたゼンマイ仕掛けのモーターによって動いていた。往復ピストンエンジンは、クランクを使ってピストンの直線運動を回転運動に変換する。20世紀初頭の自動車の内燃機関は、電動スターターが一般的に使用されるようになる前は、通常、手動クランクで始動していた。

ウィキメディア・コモンズには、クランクシャフトに関連するメディアがあります。

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• インタラクティブなクランクアニメーション https://www.desmos.com/calculator/8l2kvyivqo
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