バランスシャフト

バランスシャフト：エンジンの振動を制御する技術

レシプロエンジンは、ピストンの往復運動によって発生する振動が課題となります。特に直列4気筒以下のエンジンでは、クランクシャフトの設計上、振動を完全に相殺することが難しく、乗り心地や耐久性に悪影響を及ぼします。そこで登場するのが、バランスシャフトです。

バランスシャフトは、クランクシャフトの回転運動から生じる振動を打ち消すための補助シャフトです。クランクシャフトと逆方向に回転することで、エンジンの振動を低減する仕組みです。

バランスシャフトの役割

バランスシャフトは、主に一次振動と二次振動の抑制に用いられます。

一次振動: エンジン回転数と同じ周波数の振動。
二次振動: エンジン回転数の2倍の周波数の振動。

一次振動の抑制には、クランクシャフトと同等の回転数のバランスシャフトが、二次振動の抑制には、クランクシャフトの2倍の回転数のバランスシャフトが用いられます。バランスシャフトの本数や回転方向は、エンジンの種類や振動特性に応じて最適化されます。

バランスシャフトの必要性

直列4気筒エンジンでは、各気筒のピストンが交互に動いて発生する振動を完全に打ち消すことが困難です。特に、排気量が大きくなると、ピストンの慣性力が大きくなり、振動も増大します。そのため、直列4気筒エンジンでは、バランスシャフトが広く用いられてきました。

一方、水平対向エンジンでは、左右のピストンが同時に動いて振動が打ち消し合うため、バランスシャフトは不要です。また、直列6気筒エンジンなど、もともと振動が少ないエンジンにもバランスシャフトは不要です。

バランスシャフトの歴史

バランスシャフトの基本概念は、1904年にフレデリック・ランチェスターによって発明されました。彼の発明したランチェスターバランサーは、2本のバランスシャフトを反対方向に回転させることで、水平方向の振動を低減しました。しかし、鉛直方向の振動が発生するという課題がありました。

この課題を解決したのが、1974年に三菱自動車が開発したサイレントシャフトです。サイレントシャフトは、2本のバランスシャフトを最適な位置に配置することで、水平方向だけでなく鉛直方向の振動も効果的に抑制することに成功しました。

バランスシャフトのメリット・デメリット

メリット

エンジンの振動を低減し、乗り心地を向上させる。
エンジン騒音を低減する。
エンジンの耐久性を向上させる。

デメリット

製造コストの増加。
エンジン重量の増加。
出力のわずかなロス。
整備の複雑化。
バランスシャフトの軸受けの磨耗リスク。

特に、小型エンジンでは、コスト増加や重量増加がデメリットとして大きいため、バランスシャフトが省略されることもあります。

バランスシャフトの採用例

バランスシャフトは、主に直列4気筒以下のエンジンに採用されています。特に三菱自動車のサイレントシャフトは、多くの自動車メーカーに採用され、大排気量直列4気筒エンジンの開発に大きく貢献しました。

V型6気筒エンジンでも、振動抑制のためにバランスシャフトが用いられることがあります。しかし、最近のV型6気筒エンジンは、シリンダーバンク角度を60度に設計することで振動を低減する傾向があり、バランスシャフトの採用率は低下しています。

まとめ

バランスシャフトは、レシプロエンジンの振動抑制に有効な技術です。しかし、コストや重量増加などのデメリットも存在するため、エンジン設計においては、メリットとデメリットを総合的に考慮して採用が決定されます。現代でも、多くのエンジンでバランスシャフトの技術は進化を続け、より静かで快適な運転を実現しています。

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