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JFRMCブログ

レーシングマシンについての記事は「その他」にもあります。

URSのクランクシャフト(修正あり)

 こちら(リンク)で取り上げたURSエンジンについてコメント欄に次の質問がありました。

「私の能力では慣性偶力に関する有利・不利についてはイマイチ理解できていないのですが、エンジンの構造的にこのクランクピンの配置は片側のクランクシャフトをそのまま反転してもう片側に使える、という狙いもあるのではないでしょうか?」

 この写真では、確かに2本のクランクシャフトのベアリング/ギア/クランクウェブの位置関係が左右対称に配置されています。


 しかし、左右のクランクシャフトは共通ではなく、それぞれ専用品です(構成部品は共通化できます)。

 下図において、左のクランクシャフトと同じクランクシャフトを180度反転させて右側2気筒分のクランクシャフトとして配置すると下右のようになり、URSのクランクピン配列になりませんし、1次慣性力も釣り合いません。さらに右側のクランクを手前に90度回せば、URSのクランクピン配列になります。

 左側2気筒のクランクシャフト      右側2気筒のクランクシャフ



 ですからただ、レーシングエンジンにおいて、2本のクランクシャフトを共通にする意味は量産車ほど大きくはありません。URSのクランクピン配列が採用された理由は、1次慣性偶力を小さくするためだと考えています。

 仮に2004年型YZR-M1 (ganriki.net) のケース2と同じだったとすると、バランサーシャフトがなければ、単純に考えて両外側2気筒の1次慣性偶力は180度クランクの250㏄2気筒の3倍になってしまいます。

 また、2006ZX-RRのようなクランクピン配列にすれば1次慣性偶力はさらに小さくなりますが、2次慣性偶力が大きくなりすぎます。
 
 その兼ね合いがURSのクランクピン配列だと考えます。

 なお、URSのクランクピン配列で、2本のクランクシャフトを共通にするために、左右のクランクシャフトを左右対称ではなく、下図のように並べて配置する必要があります。ことも可能です。





 URSのクランクピン配列が 2004年型YZR-M1 (ganriki.net) のケース2と同じだったとしても、左右のクランクシャフトはそれぞれ専用にする必要があります。

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コメント

無題

ご回答ありがとうございます。
うーむ、反転して使えないのですね。

私は以下のサイトで近年URSエンジンの点火系を修理したという方が掲載しているメモを見て、右側のクランクシャフトを反転して#3と#2を重ね合わせれば#4と#1が重なるものと思ってしまったのですが…
http://allumage-electronique.blogspot.com/2012/09/lionel-brancquart-prepa-750cb.html
http://4.bp.blogspot.com/-taQu2FHhfPY/US-0sQxwmiI/AAAAAAAAA38/aCun7KoQSNQ/s1600/URS+hfath1.jpg

野田様の掲載した白黒写真のクランクピンの位置関係が頭の中で整理できていないので、もう一度自分で考えてみます。
【2020/12/23 20:51】 NAME[Kuboi] WEBLINK[] EDIT[〼]

無題

考えを整理するため、ボール紙で簡単に立体化してみました。
クランクの外側をピンクに塗っています。
https://1.bp.blogspot.com/-sWXSGaOdMMU/X-RoygheUBI/AAAAAAAAyMo/Kxitt20AGZY3YpRDJfb6oMcpKsakEvonACNcBGAsYHQ/s800/DSC_0045.jpg

これは2枚別のものを作成したのではなく1枚のものを向きを変えて撮影したのですが、ちゃんとフランス語サイトにあった図を再現できているようです。

また、これを手にとって他の写真や図と見比べても、これと矛盾すると思えるものはありませんでした。
【2020/12/24 19:16】 NAME[Kuboi] WEBLINK[] EDIT[〼]

丁寧な

ご指摘ありがとうございました。
 ご指摘のとおりです。
 というわけで記事も修正しました。
【2020/12/24 22:43】 NAME[野田] WEBLINK[URL] EDIT[〼]

URSエンジンと捻り振動

以前投稿してから結構な時間が空いてしまいましたが、このエンジンのクランクピン配置について私が考えていたことを説明させてください。(長文になります)

まず、ヘルムート・ファスの記念碑披露に関する記事に以下のような記述があります。
http://www.classic-motorrad.de/v35/index.php/stories/166-2010-fath-denkmal-ursenbach

(以下ドイツ語文をGoogle翻訳により英文で引用)
"The two individual twin crankshafts solved the torsional vibration problem that would have had to be dealt with at the speed level required for the projected performance."

この記述では「2+2気筒の連結エンジンとしたことで捻り振動の問題を解決した」と読めますが、個人的にはこれは記事執筆者の理解不足で「180度クランクの2+2気筒で問題となる慣性トルクによる捻り振動を、270度クランクとしたことで解決した」のだと考えています。

実際このエンジンの構造を見るとエンジン背面の連結・出力シャフトがいかにも細く、そこに大径で慣性モーメントの大きいドリブンギヤが取り付いているわけですから、トルク変動により捻り振動を起こしやすい構造と言えます。

このエンジンの成立過程について、私の推測としては以下の通りです。

1) もともとこのエンジンは180度クランク2気筒×2で通常の直列4気筒と同じクランクピン配置で設計された
2) その際左右両ペアのクランクは反転してして使用可能な共通アッセンブリーとして設計した
3) エンジンが組み上がり、試運転または外部電気モータリング試験をした段階で捻り振動の問題が生じた
4) そのため慣性トルクの変動が小さい270度クランク2気筒×2の構成に変更を行った

上記 1)に関してはJFRMCのページにカワサキが2気筒×2のエンジンの試作を行ったことが記されているので、同様の発想からスタートしたものと思われます。

上記 2)に関しては、特に高価なチタンコンロッドを組み上げた状態で使用することを考えれば左右共用で運用し予備アッセンブリー数を減らせることが望ましかったでしょう。
(直接は関係ありませんが、あのコスワースDFVも左右バンクのシリンダーヘッドが共通部品だったと聞きます)

上記 3) に関してはカワサキの試作エンジンもギヤの歯打ち音により断念したとあることに注目すべきでしょう。

上記 4)は気筒全てで考えるとわかりにくいのですが、要はシャフトの先の#1・#2のペアの方のトルク変動が小さければ良いのですから、まずここを270度クランクとするのが肝要です。
(慣性トルク変動だけでなく燃焼トルクの変動もあるわけですが、良く語られるように高回転まで回した場合慣性トルクの変動は燃焼トルク変動よりもずっと大きくなります)

さてここで慣性力の釣り合いのためには、クランクピンの配置は

A. ヤマハクロスプレーン型(#1と#4が180度、それに直交した平面上で#2と#3が180度)のクランクピン配置
B. 実際に採用されたURS型(#1と#3が180度、それに直交して#2と#4が180度)のクランクピン配置

の2種がありますが、先述の推測 2)のコンセプトを引き継ぐのであれば左右アッセンブリーが共通となるURS型は自然な選択かと思います。
(ヤマハ型は検討すらしなかった可能性もあると思っています。)

以上、長くなりましたがよろしければご意見を頂けますと幸いです。
【2025/01/13 10:09】 NAME[Kuboi] WEBLINK[] EDIT[〼]

URSクランクのねじれ

お久しぶりですね。
 まず、クランクシャフトのねじれに影響するものとして、1次慣性力による慣性トルク(Ti)だけを考えます。
 360度クランク2気筒では各気筒のクランクピンが全く同じ動きをしますので、ねじれは小さなものとなります。180度クランク2気筒でもTiに関しては同じです。
 しかし、URSの片側2気筒ではクランクピンが90度ずれており、各気筒のTiが逆方向なのでねじれが大きなものになります。

 さらに実エンジンでは動力取出部に大きなトルクが作用しますので、これもねじれの原因になります。

 URSの動力取出方法はこれらを考慮したものではないかと想像します。
 以上、素人の意見です。
【2025/01/13 18:20】 NAME[野田] WEBLINK[] EDIT[〼]

無題

ご返答ありがとうございます。

私が気にしているのはクランクシャフトではなく、エンジン背面のシャフトのねじれなのですが、いかがでしょうか?

先の文章にも書いた通り、径も細く、ギヤの慣性モーメントも大きくスパンもそこそこ長いので、これが180度クランクだった場合には慣性トルクによるねじれが問題となりそうに思えます。
http://www.winni-scheibe.com/images_textbildarchiv/sport/urs/kuhn/vorgelege.jpg
【2025/01/13 20:07】 NAME[Kuboi] WEBLINK[] EDIT[〼]

クロスプレーン4気筒

私がURSの慣性力の釣合いを初めて知ったのは1978年に読んだClassic Motorcycles by Vic Willoughbyからです。この本では慣性力の釣合いのみ触れていますし、著者がFathにインタビューしている写真が別の本に掲載されていますので、Fathがクロスプレーンを採用した理由は慣性力の釣合いだと考えます。

 2次慣性力が釣り合うクランクシャフトにすると、そのねじれが問題になり、特異な動力取出し方法採用に至ったと考えます。

 例えば当時のホンダ4気筒はクランクシャフト中央ギアの1か所で動力を取り出していますし、MV、ジレラ、ベネリも動力取出しは1か所です。
 URSが動力取出箇所が2つもあるような、無駄に見えるレイアウトを採用した理由が「当初は180度クランクだった」では説明できないように思います。

 なお、URSの動力取出シャフトが細いかどうかの判断は私にはできません。
【2025/01/13 22:17】 NAME[野田] WEBLINK[] EDIT[〼]

URSエンジンの設計者

ご返答ありがとうございます

どうも自分には2次慣性力を消去する配置とするために1次偶力が残る形式を選ぼうとしていたというのは疑問なような気がするのですが…

現在でも2次バランサーを採用する直列4気筒エンジンは2輪なら1000ccクラス以上ですから、500ccクラスでそこまで2次振動を気にしていたというのはどうも腑に落ちません。

また、以下のサイトを読むかぎりこのエンジンの設計者はあくまでもPeter Kuhn博士であり、Fath氏はメカニック・チューナー・車体製作者・レーサーであってもエンジニアとまでは呼べなさそうなので、インタビューを受けてもエンジンの成り立ちを正確に説明する工学的素養があったかは不明です。
(少なくともFath氏は大学卒では無いはずです)
http://www.winni-scheibe.com/ta_portraits/urs_kuhn.htm

> 例えば当時のホンダ4気筒はクランクシャフト中央ギアの1か所で動力を取り出していますし、MV、ジレラ、ベネリも動力取出しは1か所です。

これについてはKuhn博士はホンダのことはプレスリリースで発表された内容程度しか知らなかったし興味も無かったと述べているので、同時代の2輪用直列多気筒エンジンの構造はあまり知らなかったのだろうと思います。

また上に挙げられた各社のエンジンは分割クランクシャフトだったのでしょうか?

> URSが動力取出箇所が2つもあるような、無駄に見えるレイアウトを採用した理由が「当初は180度クランクだった」では説明できないように思います。

私個人としてはカワサキでも分割クランクシャフトによる4気筒を試作までしていたのだから同様の構造を考えても不思議ではないと思いますし、その場合動力取り出し箇所は各1ヶ所の2ヶ所となるのは普通ではないでしょうか?
【2025/01/13 22:21】 NAME[Kuboi] WEBLINK[] EDIT[〼]

分割クランクシャフト

「現在でも2次バランサーを採用する直列4気筒エンジンは2輪なら1000ccクラス以上ですから、500ccクラスでそこまで2次振動を気にしていたというのはどうも腑に落ちません。」

 これは180度クランクが前提です。

 ご存じだと思いますが、4気筒エンジンの2次慣性力の不釣合いは125㏄1気筒でクランクバランスウェイトのないエンジンの1次慣性力の不釣合いに近く、しかも1/2の周期です。

 この2次慣性力が釣り合うのなら、125㏄1気筒×0.5(バランスウェイトで打ち消した残り)の1次慣性力×2気筒による偶力を許容する選択肢は不思議ではないでしょう。

 当時のホンダ、MV、ジレラ、ベネリは組立クランクですが、分割クランクではありません。
 分割クランクの例としては、ヤマハの2ストローク500/750㏄4気筒レーサーがあります。各クランクシャフトの内側(エンジン中心側)にそれぞれギアがあり、それぞれ動力取出シャフトのギア(1つ)に噛合います。2本のクランクシャフトを結合しなかったのは、2ストロークエンジンで時々起きるクランクシャフト焼付時の整備性に配慮したもの等々によるのでしょう。
 少なくともURSのように長い動力取出シャフトを設けるような(一見)間延びした設計ではありません。

 自動車用並列4気筒であれば動力取出シャフトがないのに、敢えて動力取出シャフトを設けるのにはそれなりの理由があるはずです。前述のようにURSの(一見)間延びした動力取出方法は180度クランクでは説明できないと思います。

 なお、1次慣性力、2次慣性力の釣合についての基本的事項は、大学工学部を出ていなくても高校数学、物理の教科書が読めた人なら理解できるはずだと思います。
 エンジンの設計ができるかどうかは別の話です。
【2025/01/13 23:24】 NAME[野田] WEBLINK[] EDIT[〼]

分割クランクシャフトと動弁系

ご返答ありがとうございます。

これ以上お手数をかけるのも申し訳ないので以下の点についてだけ意見を述べさせてください。

> 分割クランクの例としては、ヤマハの2ストローク500/750㏄4気筒レーサーがあります。
> 各クランクシャフトの内側(エンジン中心側)にそれぞれギアがあり、それぞれ動力取出シャフトのギア(1つ)に噛合います。

TZ500/750は2ストロークでですが、4ストロークエンジンの場合動弁系の駆動を含めた全体のレイアウトも考慮すべきではないでしょうか?

URSエンジンの写真を見るとシリンダーピッチは当時の多くの多気筒エンジンとは違い完全な等間隔で、シリンダー部は各個別体で同じ形状をしたパーツ×4とすることが可能となっています。

たとえばTZと同様に中央1箇所での動力取り出しとした場合でカムチェーン駆動ギヤをそこから少しオフセットするものとすると、上記のような構成は難しいかと思います。

またカムチェーン駆動を例えば#3気筒と#4気筒の間に持ってくる手もあるかもしれませんが、そもそもTZ750の写真を見ると中央の#2と#3の間のピッチは少し広く見えますから、中央取り出しとした時点でシリンダー部を全て同じパーツとすることは難しいかもしれません。

ヤマハYZR-M1のようにエンジン背面のカムギアトレーンにするという方法もありますが、なにせフルタイムの仕事を持つ5人がプライベートな時間で作ったとされるエンジンですし、レースチームも二輪GPに比べ少人数だったでしょうから、そこまで製作・運用に手間がかかる構造にはしたくなかったでしょう。
(まあ当時その人数で燃料噴射・チタンコンロッドという時点で常識離れしてはいますが)
-------

先にお手数をかけるのは申し訳ないと言っておきながら、少し90度V4エンジンの慣性トルクのお話をしてよろしいでしょうか?

JFRMC内の以下のページでは2次の慣性トルクのみを考えるとし、90度V4エンジンの360度クランクと180度クランクでの慣性トルクの違いが考慮されていませんが、
http://jfrmc.ganriki.net/zatu/big-bang/big-bang.htm

実際には割と大きな3次と1次の成分があるため、360度クランクでは通常の直列4気筒に対し34%の慣性トルクが残ることになります。
(以下グラフを貼りますが、設定ミスで見られない場合は申し訳有りません)
https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEhSmCykUN0HhlD5JD8yQVD_JPYV4y6CiOauTqwo2Nr3B2xE8WjK8utvfq8w-49bL6rgvLmalfMCjDg1dBqcjbViqLxHJVLE89oeWW2waiU5CqO8WXB2EQVL02h7e8_vzwMysGgbAIVokFBS/w1000/TiVfour.png

野田様の感覚としてはこの程度の慣性トルク変動であれば影響は無さそう、というお考えでしょうか?

私はこの件で様々な計算・検討をしたのですが、ドゥカティの70度クランクは360度クランクより慣性トルクの影響を減らし、180度クランクよりは排気干渉の影響が少ない角度を狙ったものである、という結論を得ています。
(具体的には慣性トルクの積分値を考えるとこの角度が出てきます)

以上、差し支えなければご意見をお願いします。
【2025/01/14 22:52】 NAME[Kuboi] WEBLINK[] EDIT[〼]

慣性トルク


 空冷別体シリンダーの並列4気筒といえば、かつてのMVアグスタ、ジレラの4気筒があります。
 これらのエンジンは
動力取出し 1-2間(あるいは3-4間)ギア
カムシャフト駆動 2-3間ギア
でした。
 

慣性トルクに関する私の頁については、あくまで1次慣性力による慣性トルクについて近似式で示したものです。当時の雑誌、本、ネットではガス圧トルクしか頭にないような記事ばかりでしたので、これで十分だと考えたものです。

 2次慣性力による慣性トルクを加えますと、普通の4気筒の最大慣性トルクを100%とすると
 90度V4 33.6%
 YZR-M1 3.1%
 70度ドウカティ 14.7%
になるようですが、もちろん33.6%の影響は無視できませんし、ドウカティの70度位相差クランクの採用理由については、ご指摘のとおりと考えます
【2025/01/16 11:22】 NAME[野田] WEBLINK[] EDIT[〼]

慣性トルク(2)

 先の数字は
コンロッド長/クランク半径=4
の場合です。
【2025/01/16 23:31】 NAME[野田] WEBLINK[] EDIT[〼]

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