トンネルクランクケース
トンネルクランクケース、トンネルクランクシャフト、またはディスクウェブクランクシャフト[ 1 ]は、ピストンエンジンの設計上の特徴の一つで、クランクケース内でクランクシャフトを支持するメインベアリングの直径がクランクシャフト全体の中で最も大きく、クランクウェブよりも大きい構造となっている。この構造では、メインベアリングを狭くするために、クロスウェブ支持ではなく、大きなトンネル構造のクランクケースが必要となるため、この名称が付けられている。
トンネルクランクケースは、1930年代に最初の高速ディーゼルエンジンとともに登場しました。このクランクケースは、スイスのザウラー社[ 2 ]とフリードリヒスハーフェンのマイバッハ・モトーレンバウ社（現MTU）など、一部のメーカーによって好まれていました。トンネルクランクケースは「トンネルクランクケース」と「ローラーベアリングクランク」の両方と呼ばれますが[ 2 ]、この2つの側面は関連しており、どちらがもう一方の起源であるかは不明です。
起源
1930年頃の高速ディーゼルエンジンの開発により、低出力のガソリンエンジンと同じサイズで、強力なディーゼルエンジンが利用可能になりました。特に、その高いBMEP（ベースエネルギー有効利用効率）と高トルクは、クランクシャフトベアリングに大きな力をもたらしました。この力は、ガソリンエンジンに使用されていた小型のホワイトメタルベアリングでは耐えられないほどでした。1920年代の航空機やスポーツカーのエンジンは、小さなスペースでかなりのパワーを発揮できるようになりましたが、定期的なメンテナンスが必要となる高メンテナンスの機械でした。新しいディーゼルエンジンは、メンテナンスコストの削減が重要な、長期にわたる商用利用を目的としていました。
ベアリング技術の向上が求められた結果、ホワイトメタルではなくローラーベアリングが採用されました。今日では難解に思えるかもしれませんが、ボールベアリングとローラーベアリングは1920年代にはすでにオースティン7のような一般的なエンジンに使用されていました。
ローラーベアリングは、内輪と外輪の両方に一体型のレースを必要とします。分割レースも可能ですが、高価で取り付けが困難です。 [注 1 ]ローラーベアリングを取り付けるより簡単な方法は、ベアリングの直径を大きくし、クランクシャフトウェブ全体よりも大きくすることです。現在では、2つの部品をラジアル方向に組み立てるのではなく、ベアリングの外輪をクランクシャフトの一方の端から軸方向にかぶせることで組み立てられています。
初期の開発はセミトンネル型クランクシャフトでした。センターベアリングにはトンネル型の大型ボールベアリングまたはローラーベアリングが採用されましたが、エンドベアリング（ピストンの荷重を片側のみで受ける）には従来型の小径ベアリングが採用されました。これによりベアリングコストが削減され、小型ベアリングの直線速度も低下しました。これは、隣接するクランクケースオイルシールの速度も低下させるため、重要な意味を持ちました。
英語圏で 滑り軸受材料用に開発されていた冶金技術の向上とは対照的に、中央ヨーロッパのドイツ、スイス、チェコスロバキアでは、転がり軸受が現地で開発され、優位に立っていたため、ローラー ベアリング クランクシャフトが好まれました。
マイバッハのガソリンエンジン
トンネルクランクシャフトはガソリンエンジンにはほとんど適用されませんでした。航空機エンジンのような希少な航空宇宙材料を除けば、大型で強力なエンジンの開発は、ガソリンエンジンに取って代わる傾向のある実用的な軽量ディーゼルエンジンの開発と同時期に起こりました。
ガソリンエンジンが残った市場の一つは飛行船用エンジンで、この市場ではマイバッハが優勢でした。[ 3 ]飛行船用にディーゼルエンジンが開発されましたが、概して成功しませんでした。イギリスのベアドモア トルネードは中速ディーゼルエンジンの慣例に基づいていましたが、重く、出力不足で、信頼性が低かったです。[ 4 ]マイバッハだけが、飛行船エンジンと、マイバッハ HL210やHL230など、第二次世界大戦の戦車エンジンの両方で、ガソリンエンジン用のトンネルクランクシャフトを多用しました。[ 5 ]これらのエンジンは、ドイツの中戦車と重戦車すべてに使用されました。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]これらのエンジンは数千台生産されましたが、現存するもの、特に作動可能なものは、現在では非常に稀です。[ 9 ]
マイバッハのディーゼルエンジン
戦後、マイバッハは小型で高速なエンジンに関する知識をディーゼルエンジンに応用し、新興のディーゼル鉄道機関車市場向けに開発した。これらのエンジンは重量、容積ともに特に強力であり、他のメーカーのエンジンとは対照的だった。これは特に長さにおいて顕著で、マイバッハのエンジンはコンパクトなV型レイアウトを採用していた当時、ほとんどのメーカーはまだ長い単バンク直列エンジンを製造していた。[ 10 ]マイバッハの名前は特にトンネルクランクケース設計と結びつくようになり、これらのエンジンは今でもトンネルクランクシャフトの最もよく知られた用途である。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]これらのエンジンはドイツでV200クラスなどの機関車に広く使用された。英国では輸入されたほか、ライセンスに基づいて現地で製造された。ドイツの慣例に従い、これらの高速エンジンは油圧トランスミッションと組み合わせて使用され、競合するディーゼル電気設計に比べて強力でありながら軽量な機関車が製造された。[ 14 ]このエンジンはアメリカにも販売されたが、アメリカではより確立されたディーゼル電気設計に使用された。[ 15 ]
一体型クランクと一体型クランク
最初のトンネル式クランクシャフトは、従来のクランクシャフトと同様に、メインベアリングの側面にウェブをボルトで固定して作られており、サイズは従来のクランクシャフトよりも大きい（ザウラーエンジンの断面図を参照）。このクランクシャフトの例は、イギリスのジョン・ファウラー社でも製造された。 [ 16 ]
その後の開発で、メインベアリングがクランクウェブ全体よりも大きくなるまで拡大されました。これにより、一体型のクランクシャフトの使用が可能になりました。
トンネル型クランクシャフトは、取り付けられたベアリングの外輪上の外径がウェブの最大サイズよりも大きい場合、「トンネル」とみなされます。初期のエンジン、あるいは小型エンジンでは、ベアリングジャーナル[注 2 ]がこれよりも小さいクランクシャフトが使用されていた可能性がありますが、ベアリングが取り付けられた時点でクランクシャフトが大きくなったため、トンネル型とみなされました。
クランクシャフト全体がベアリングを通過するのを避けるため、ベアリングの直径は通常、円錐状に段階的に変化していました。各ベアリングは、その幅の長さ分だけスライドさせるだけでよく、先行するハウジングを容易に通過できるほど小さくなっていました。つまり、クランクシャフトはクランクケースの片側からしか挿入できませんでした。[ 15 ]
利点
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- ベアリング直径
より大きなベアリングは、これらの高出力エンジンの負荷を支えることができます。
- ローラーベアリングの使用
これらは、新しい高速エンジンのより大きな力とより高い速度に対応できます。
- 組み立て
クランクシャフトは、ベアリングキャップを組み付けた状態でクランクケースに挿入するのではなく、組み立てられたクランクケースに挿入することができます。これは通常、クランクケースの端を上向きに回転させ、クランクシャフトを垂直に下げて挿入することで行われます。[ 15 ]
これは、ディーゼル機関車に使用されていた 1960 年代の一部のマイバッハ エンジンの注目すべき特徴でした。
- クランクシャフトの長さを短縮
以前は 1 つの (ウェブ + ベアリング + ウェブ) グループに必要だった長さが、両方のウェブとしても機能する単一のベアリング長さに置き換えられました。
クランクシャフトの長さが短くなるとシリンダー間の間隔も狭くなるため、隣接するシリンダー間の軸方向距離が広いV型エンジンではトンネル型クランクシャフトの使用が促進される要因の一つとなりました。これにより、トンネル型クランクシャフトエンジンの全長がさらに短縮されます。
- クランクシャフトの剛性向上
クランクシャフトは、特にウェブに沿って幅が広くなり、剛性が増します。
デメリット
- リニアベアリング速度の向上
単純な形状により、ベアリング径が大きくなると、ベアリング面における線速度も増大します。これはホワイトメタルベアリングの限界を超えています。したがって、ローラーベアリングはトンネル型クランクシャフトの大型化の一因であるだけでなく、トンネル型クランクシャフトの大型化によって必要になったのです。
- クランクシャフト製造
クランクシャフトの直径と質量が増加するため、標準的なクランクシャフト研削盤には収まらなくなり、製造には特殊な機械が必要になる場合があります。ただし、クランクシャフトの長さが短くなるため、より短い機械で大型エンジンを製造できる可能性があります。
- クランクシャフトの慣性
拡大されたウェブは質量が大きく、特にクランクシャフトの軸から最も離れた半径に位置するため、回転慣性が大きくなります。これによりエンジンの加速は遅くなりますが、同時に、急激に変化する負荷下でも一定速度を維持しやすくなります。
このため、トンネルクランクシャフトは、発電機、鉄道機関車、船舶など、一定速度で長時間運転するエンジンに最適です。急激な加減速が必要な自動車には使用されません。
- クランクケース剛性
トンネルを設けるためにクランクケースから除去される材料の量が多いため、クランクケース全体に補強ウェブを設けるスペースがあまりなく、そのためクランクケース全体の剛性が低くなる可能性があります。
2ストロークエンジン
多くの小型クランクケース圧縮2ストロークエンジンは、トンネルクランクシャフトに似た大きな円形ウェブを備えたクランクシャフトを備えています[ 17 ] 。しかし、これらのウェブは単なるウェブであり、ベアリングではありません。また、ベアリングはウェブに沿って従来通りの小径です。これらの拡大されたウェブは、エンジンの圧縮比を高めるために使用されます。「デッド」クランクケース容積をより多く満たすことで、シリンダーの掃引容積と残りのクランクケース容積の比が増加します[ 17 ] 。
一部の多気筒2ストロークエンジンもクランクケース圧縮を採用しており、そのほとんどは船舶用船外機である。これらのエンジンでは、各シリンダーのクランクケース容積を独立して確保する必要がある。そのため、ウェブは円形で大型に設計され、外周にガスシールが取り付けられている。[ 18 ]また、ウェブにシールのみが取り付けられている場合はトンネルクランクシャフトとはみなされないが、大型ウェブがベアリングも兼ねている場合はトンネルクランクシャフトとみなされる場合がある。
参照
- 偏心装置 は、車軸によって駆動されるクランク、特に蒸気機関車の弁装置に用いられる同様の機構です。偏心装置の直径は、クランクウェブの全体直径よりも大きくなるまで拡大されます。
- アンダーカットクランクシャフトは、ベアリングを重ね合わせることでクランクシャフトの全長を短くする技術です。
参考文献
- ^スプリットレースローラーベアリングは、一部の3気筒蒸気機関車の連接棒の中央大端ベアリングに使用されてきた。クランク軸は複雑で車輪も含まれるため、他の方法ではローラーベアリングを中央部に取り付けることはできない。ホワイトメタルベアリングははるかに一般的であったが、 LNER A4などの一部の機関車では弱点として認識されていた。
- ^ 「ジャーナル」はベアリングを形成するシャフトの一部であり、ベアリングレースはこれにフィットする別のコンポーネントです。
- ^ボルトン、ウィリアム・F. (1963). 『鉄道員のためのディーゼルマニュアル』（第4版）p.77.
- ^ a b Chapman, GW (1949). 「19: クランクシャフトとメインベアリング」.現代の高速石油エンジン. 第2巻 (1956年6月2日版). Caxton. pp. 279– 280.
- ^デイビッド・ラチャンス（2006年9月）「マイバッハが空を駆け巡ったとき：海軍のツェッペリン飛行船はドイツのV-12エンジンで飛翔した」ヘミングス社。
- ^ 「HM飛行船R101」。フライト番号：1094。1929年10月11日。
- ^アラン・ハンビー (2003). 「マイバッハエンジン」 . タイガーIインフォメーションセンター.
- ^ 「25ページ – 最終ステージ！」ボービントン戦車博物館。
- ^ 「28ページ – タイガーエンジンの進捗状況」ボービントン戦車博物館。
- ^ 「エンジン状況の最新情報のお知らせ」ボービントン戦車博物館、2002年。
- ^ 「HL230エンジンを採用する理由」ボービントン戦車博物館、2003年。 2016年7月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。V12
HL210のコンパクトなクランクケース
- ^ディーゼルマニュアル 1963年、75～78ページ
- ^ Clough, David N. (2011). 「8. デザインの対比」油圧式 vs. 電気式：BRディーゼル機関車群をめぐる戦いイアン・アラン78–79頁 ISBN 978-0-7110-3550-8。
- ^ Lewis, JK (2006) [1977]. The Western's Hydraulics . Nottingham: Book Law Publications. p. 25. ISBN 1-901945-54-5。
- ^ 「マイバッハMD870」。サザンパシフィック9010プロジェクト。
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- ^ H. Kerr Thomas編 (1939).自動車工学ロンドン: Isaac Pitman. pp. 143 .
- ^ a b Irving, PE (1967). 2ストロークパワーユニット. Newnes . pp. 61– 63.
- ^アーヴィング 1967、257ページ
