クランク軸 (Crankshaft)

クランク軸は回転する軸 (shaft) であり、 (連接棒 (connecting rod) と共に) ピストンのレシプロ運動 (reciprocating motion) を回転運動に変換する。クランク軸は内燃エンジンで普通に使用され、一連のクランクとクランクピン (crankpin) から構成され、クランクピンに連接棒 (connecting rod) が取り付けてある。

クランク軸はメイン軸受け (main bearing) の使用により、エンジン・ブロックの中で回転し、クランクピンは連接棒の中で、棒の軸受けを使用して回転する。クランク軸は通常金属で製造され、最も現代的なクランク軸は成形した鋼 (forged steel) を使用して製造される。

古典古代 (Classical Antiquity)

ローマの鉄のクランク軸 -- 用途が不明で、 2 世紀のもの -- が、スイスのアウグスタ・ラウリカ (Augusta Raurica) で発掘された。この長さ 82.5 cm のものは、一方の端に長さ 15 cm の青銅のハンドルがあり、もう一方のハンドルは失われている。

機械の中のクランクと連接棒 (connecting rod) の最も初期の証拠は後期ローマ時代の AD 3 世紀ヒエラポリスの鋸ミル (sawmill) と 2 台のローマの石材用鋸 (stone sawmill) で、ローマ領シリア (Roman Syria) のゲラサ (Gerasa) と小アジア半島のエフェソス (Ephesus) にある (どちらも AD 3 世紀)。ヒエラポリス・ミルのペディメントには、ミル水路 (mill race) により給水された水車が歯車列 (gear train) を通して、 2 台の枠鋸 (frame saw) に動力を伝達していることが表示され、この鋸がある種の連接棒と (機械的必然性から) クランクにより長方形のブロックを切断している。付随する碑文はギリシャ語である。

他の 2 つの考古学的に証明された鋸ミルのクランクと連接棒のメカニズムは歯車列なしで動作した。古代の文献で、現在のドイツのトリーア (Trier) 近くの水力による大理石鋸の動作の言及は、 4 世紀末の詩人のアウソニウス (Ausonius) によるものである、このほゞ同じ頃に、これらの形式のミルがアナトリアのキリスト教の聖人であるニュッサのグレゴリオス (Gregory of Nyssa) によって指摘され、彼はローマ帝国の多くの場所で色々な水力使用を実演した。 3 つの発見はクランクと連接棒の発明の日付を完全に 1000 年古くすることになる；ずっと後の蒸気エンジンの本質的な構成要素が始めて 1 つの技術文化でまとめあげられた。

クランクと連接棒のシステムにより、蒸気エンジン (1712 年に発明【訳注：ニューコメン・エンジンのこと】) のすべての要素 -- ヘロンのアイオロスの球 (蒸気力の生成)、シリンダーとピストン (金属製のフォース・ポンプ)、逆止弁 (水ポンプ)、歯車列 (水車ミルと時計) がローマ時代に知られていた。

中世 (Middle Age)

イタリア人の医者であるグイド・ダ・ヴィジェヴァノ (Guido da Vigevano、1280年 − 1349 年頃) は、新しい十字軍を計画し、外輪ボートと戦争車両 (war carriage) のイラストを描いた、この車両は手動で複合クランク (compound crank) と歯車 (画像中央) を回転して前進した。およそ 1340 年頃の「ラトレル詩編書」 (The Luttrell Psalter) は 2 本のクランクで回転する回転砥石 (grindstone) を記述し、クランクは回転軸の両端についていた。歯車が付いた手作業のミルは、1 つあるいは 2 つのクランクがついて、15 世紀末に登場した。

ルネッサンス

ハンド・ドリル (carpenter's brace) における複合クランク (compound crank) の最初の描写は 1420 年と 1430 年の間の色々な北ヨーロッパの芸術作品に登場する。複合クランク (compound crank) の急速な採用は「フス戦争の匿名人」 (Anonymous of the Hussite Wars) の作品でたどることができ、彼は無名のドイツの技術者で、彼の時代の軍事技術について記述している：最初は連接棒でクランクに適用し、再登場し、 2 番目に二重複合クランク (double compound crank) も連接棒で装備され始め、 3 番目にはずみ車がこれらのクランクに採用されて死点 (dead spot) を乗り越えた。

ルネッサンスのイタリアで、複合クランク (compound crank) と連接棒の最も早い証拠は、タッコラ (Taccola) のスケッチ・ブックに見出せるが、装置はなお、機械的に誤解されている。関連するクランクの動きの正常な把握は少々後のピサネロ (Pisanello) で実証され、彼はピストン・ポンプ (piston-pump) を描き、これは水車で駆動され、 2 本の単純クランク (simple cranks) と 2 本の連接棒で操作された。

「フス戦争の匿名人」 (Anonymous of the Hussite Wars、 [訳注：フス戦争]) の絵の 1 つが見せるのは 1 隻のボートで、両端に 1 対の外輪があり、複合クランク (compound crank) を操作する人により回転される (下を見よ)。概念は 1463 年のイタリアのロベルト・ヴァルトゥーリオ (Roberto Valturio) により随分改善し、彼は、5 セットを持つボートを考案し、これでは平行なクランクは一つの連接棒 (connecting-rod) によって全て一つの動力源に結合されている。このアイデアは同胞のフランチェスコ・ディ・ジョルジョ (Francesco di Giorgio) によっても取り上げられた。

クランク軸 (crankshaft) も描いたのはコンラート・キーザー (Konrad Kyeser、1405 年死亡)、レオナルド・ダ・ヴィンチ (Leonardo da Vince、1452 年 - 1519 年)、そして 1592 年にオランダの農夫で名前がコーネリス・コーネリスゾーン・ファン・アイトヘースト (Cornelis Corneliszoon van Uitgeest) によっていた。彼の風力鋸ミル (sawmill) はクランク軸を使用して、風車の円形の動きを往復運動に変換し、鋸に動力を与えた。コーネリスゾーン (Corneliszoon) は 1597 年に彼のクランク軸で特許を与えられた。

16 世紀以後、クランクと連接棒が機械デザインの組み込まれた証拠は当時の技術論文で随分と増えた；アゴスティーノ・ラメッリ (Agostino Ramelli) の 1588 年の『種々の精巧な機械』 (The Diverse and Artifactitious Machines) のみでも、 18 件の異なる実例を描写している。ゲオルク・アンドレアス・ベックラー (Georg Andreas Böckler) による『新しい機械の劇場』 (Theatrum Machinarum Novum) では、この数が 45 件の異なる機械に増え、全体の 1/3 になった。

ジャザリー (Al-Jazari、1136 年 – 1206 年) は彼の 2 台の揚水機械 (water-raising machine) で、回転機械の中にクランクと連接棒のシステムを記述している。彼の双子のシリンダー・ポンプはクランク軸を組み込んだが、装置は不必要に複雑で、彼はなお動力の変換の考えを完全に理解していないことを示していた。中国では、円運動をレシプロ運動に変換するクランクの可能性は完全には理解されなかったように見え、クランクは 20 世紀の変わり目まで、このような機械には典型的に存在しなかった。

クランク軸 (crankshaft) はエンジン・ブロックで支えられ、エンジンのメイン軸受けにより、クランク軸がブロックの中で回転することが可能となっている。各ピストンの上下運動は連接棒を経由してクランク軸に伝達する。しばしば、はずみ車がクランク軸の一方の端に取り付けられて回転エネルギーを貯え、連接棒からクランク軸が一連のパルスとしてエネルギーを受け取る時に、はずみ車はもっと一貫した回転速度を維持する。これは動力の伝達を滑らかにすることを助け、しばしばハーモニック・ダンパー (Harmonic damper) -- クランク軸の反対側に取り付け -- と共同で「ねじり振動」 (torsional vibration) を削減する。

クランク軸は巨大な力にさらされ、ある場合にはシリンダー毎に 8.6 トン (19,000 ポンド) 以上である。シリンダーが 1 個しかないクランク軸は通常は、複数のシリンダーがあるエンジンよりも単純なデザインである。

クランク軸は一体成形 (one-piece forgings) もしくは別々の個々のクランク・ウェッブ (crank-web、クランク腕)、シャフト、そしてピン (pin) から、互いにプレスして作られ、後者は時々ビルト・アップ (built-up、組み立て) クランク軸と呼ばれる。大半の自動車の応用 (4 ストローク・エンジン) では、一体成形が滑り軸受け/シェル軸受け (plain/shell bearing) と共同で使用され、後者は加圧エンジン・オイルの安定した供給に依存する。この加圧オイルは軸受け (bearing) とクランク軸のジャーナル (journals、軸受けと接する軸の部分) の間の余地 (clearance) を充満し、オイルの薄い「流体力学の層」 (hydrodynamic layer) を作り、これが金属面を分離して浮かし、部品が回転する時に金属と金属の接触が起きないようにしている。このオイルの薄膜はとても摩擦が低く、油圧が維持されている限りは、ピストンの加速、減速、逆転、及び連接棒の揺れにより生成される力を処理できる。

2 ストローク・エンジンは密閉されたクランクケースを、シリンダーに新鮮な燃料/空気を誘導する一部として使用する。これはオイルで加圧したメイン滑り軸受け (plain main) とクランクピンの軸受けの使用を除外する。その代わりに転がり軸受 (rolling element ball) と針状ころ軸受 (needle roller bearing) が使用され、クランク軸は幾つかの部品をまとめてプレスフィット (press-fitted、プレス接合) する、この時、 1 つの連接棒を使用し、滑り軸受け (plain bearing) の 4 ストローク・エンジンでは、至る所にある 2 つの連接棒デザインを使用しない。 2 ストローク・クランク軸の潤滑は燃料と混合したオイルを経由し、燃料タンク内で混合 (pre-mix) するか、あるいは別のオイル・システムを経由し、これでは、オイルをクランクケースに配送して、回転速度 (rpm) と負荷に応じて、燃料と混合する。主に 2 ストローク・エンジン (チェーンソー (chainsaw) から、大きな複数シリンダーの船外モーターに至るすべて) に使用されるが、幾つかの古い 4 ストローク・エンジン (主にオートバイ) はビルト・アップ (built up) ローラー・クランク軸を使用する。

クランク軸はメイン軸受けにより、エンジン・ブロックで回転することができる。クランク軸は各シリンダーからの大きな横方向の力にさらされるが、軸受けは、クランク軸に沿った色々な場所にあり、両端に 1 個づつのみではない。これは、1950 年代に V8 エンジン (V8 engines) が直列8気筒エンジン (straight-eight engine) の代りになった一因である。後者の長いクランク軸は、エンジンのデザイナーが高い圧縮比と高いエンジン速度 (RPM) を使用し始めた時に、許容できない量の屈曲 (flex) で苦しんだ。高性能エンジンはしばしば、より性能が落ちるエンジンよりも、この理由からもっと多くのメイン・ベアリングを持っている。

クロス - プレーン対フラット - プレーン (cross-plane vs flat-plane)

大半の製造 V8 エンジンは間隔を 90° 離したクランク・スロー (crank throws) を使用し、これは "クロス - プレーン" 配置 (cross-plane configuration) と呼ばれる。 (フォード・モジュラー・エンジン (Ford Modular engine) とジェネラル・モーターズ LS エンジン (General Motors LS engine) に使用されるもの。) 幾つかの高性能 V8 エンジン (例えばフェラーリ 355 (Ferrari 355)) はこの代わりに "フラット・プレーン" クランク軸 ("flat - plane" crankshaft) を使用し、クランク・スロー (crank throws) が 180° 離れ、基本的に 2 台のイン・ライン・フォー・エンジン (in line-four engine、4 シリンダー・エンジン) が共通のクランクケースで走る。

フラット - プレーン・エンジン (Flat - plane engines) は通常は高速回転 (rev higher) するが、振動が大きい。フラット - プレーン・クランク軸 (Flat - plane crankshafts) は幾つかの初期の V8 エンジンで使用された。「クロスプレーン・クランク軸」に関しての主項目を参照せよ (未翻訳)。

エンジンによっては、各ピストンと連接棒 (connecting rod) の往復する質量のカウンターウェイト (counterweight、[訳注：釣り合いをとる重し]) を提供して、エンジン・バランスを改善する必要がある。これらは典型的にはクランク軸 (crankshaft) の 1 部分として鋳造されるが、時にはボルト付けされる部品である。

1916 年に、ハドソン・モーター・カー会社 (Hudson Motor Car Company) は均衡を取るクランク軸を使用する最初のエンジンの製造を始め、これによりエンジンが、通常のエンジンよりも高速 (RPM) で走ることが可能になった。

エンジンによっては、クランク軸は隣接するクランク・ピンとの間で、通常の中間の主軸受け (main bearing) なしで、直接接続している。これらの接続はフライイング・アーム (flying arm) と呼ばれる。この配置は時々、 V6 と V8 エンジンで使用される、というのは、これにより均等な点火間隔を作るのに必要であるものよりも異なる V アングル (V angles) でエンジンをデザインすることが可能となり、一方で、クランクスロー (crank throw) 一台ごとのピストンに通常必要とされるよりも主軸受け (main bearing) が少なくなるからである。この配置はクランク軸の剛性を犠牲にして、重さとエンジン長を少なくする。

クランク軸 (crankshaft) の軸からクランク・スロー (crank throws) の軸の距離はエンジンのストローク長を決定する。

大半の現代の車のエンジンはオーバー・スクエア ("over square") あるいはショート・ストローク (short - stroke) として分類され、ストロークはシリンダーの内腔の直径よりも少ない。エンジンの低速トルク (low-RPM torque) を増やす普通の方法は、ストロークを増やすことで、時々エンジンの "ストローキング" (stroking) と呼ばれる。伝統的にはストロークの長いエンジンの代償は馬力がなくなり、高回転 (RPM) で振動が増えることである。

高性能クランク軸によっては、重い金属製のカウンターウェイト (counterweights) も使用し、クランク軸をもっとコンパクトにしている。使用される重い金属は、もっとも頻繁にはタングステン合金であるが、劣化ウラン (depleted uranium) も使用された。安いオプションは鉛を使うことであるが、タングステンと比較すると、比重は随分小さい。

ピストン・エンジンの伝統的デザインは、各連接棒がクランク軸に取り付けられている場所で、ここでピストンがストロークを通じて動く時に連接棒の角度が変化する。この角度の変動はピストンにおける横方向の力となり、ピストンをシリンダーの壁に押す。この横方向の力はピストンとシリンダーの壁の間の追加の摩擦の原因となり、シリンダーの壁の追加の摩耗の原因となる。

この横方向の力を避けるために、各ピストンを逆方向に回転する 2 本のクランク軸に接続することができ、これが横方向の力をキャンセルする。この配置はカウンターウェイトの必要性を少なくし、クランク軸の質量を少なくする。逆回転するクランク軸の初期の実例は 1900 年 - 1904 年のランチェスター・エンジン会社 (Lanchester Engine Company) のフラット・ツイン (flat-twin) エンジンである。

小さなシリンダー・エンジンではコストと重さを減らすために、クランク軸の軸受けの 1 つを時々省略する。フル・クランク (full crank、[訳注：完全クランク]) は滑らかに動き、長持ちすると思われている。

クランク軸の最も普通な建造方法は、成形 (forging) である。 (通常はローラーによる成形 (roll forging) である。) 大半のクランク軸は 1 個の部品からできているが、小さな、あるいは大きなエンジンは多くの部品から組み立てたクランク軸を使用する。最近、成形 (forging) がクランク軸の最も普通な建造方法となり、これはより軽量であることと、よりコンパクトな大きさと、内在するエネルギーの減衰効果によっている。成形クランク軸 (forged crankshaft) には、大抵、バナジウムによるマイクロ合金鋼 (vanadium microalloyed steel) が使用される。というのは、これらの鋼は (ベアリング・ジャーナル (bearing journal) の表面硬化を除き) 追加の熱処理をせずに、空気で冷却できる。低合金 (low alloy) の成分により高合金 (high alloy) よりも原料が安くなる。

(鋳鉄を使用する) 鋳造は今日では、安く、性能が落ちるエンジンに大半が使用される。

クランク軸は鋼片 (billet of steel) から機械加工で作ることもできる。クランク軸が高価になる傾向があるのは：旋盤とフライス盤 (milling machine) によりくり抜かなければならない大量の原料、高い原料費、そして追加の熱処理が必要だからである。高価な道具が必要でないため、この製造方法は大半が小容量 (low-volume) のエンジンに使用される。機械で作ったクランク軸では、ファイバー・フロー (fibre flow) (鋳造工程で起きる材料の局所的不均質性 (local inhomogeneity)) はクランク軸の形に従っていない。しかし、これはほとんど問題とならない、というのは機械加工で作ったクランク軸は鋳造したクランク軸よりは往々にして、高品質な鋼を使用するからである。

疲労強度を改良するために、メイン軸受けとクランクピン軸受けの各々の端で、半径がローラーにかけられる。変形それ自身はこの重要な範囲で力を弱めるが、大半の場合に、半径はローラーにかけられているので、これは表面に何らかの圧縮の残留力を残しており、これがひび割れが形成されるのを防止している。

マイクロフィニッシング (Microfinishing) は研磨する工程で、金属オブジェクトの表面に滑らかな仕上げを作り、これも疲労応力 (fatigue stress) からひび割れが進展するのを防止するのに使用される。

大半の量産されたクランク軸は軸受けの表面に高周波焼入れ (induction hardening) を使用する。高性能クランク軸によっては、とりわけ鋼片クランク軸は、その代わりに窒化処理 (nitridization) を使用する。ローラー・ベアリングで作動するクランク軸では、浸炭 (carburization) の使用はこのような状況で高接触応力 (high contact stresses) により好まれる傾向がある。


AD 2 世紀のローマのクランク軸、右ハンドルは失われている。	AD 3 世紀のローマのヒエラポリスの鋸ミル、クランクと連接棒を結合する最古の既知の機械


クランク軸、連接棒、そしてピストンのの動作の概念図、	エンジンのクランク軸


コンチネンタルエンジンの海洋クランク軸、1942 年	成形したクランク軸