CN1128557A - 曲柄装置及机械装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的为提供在往复直线运动和旋转运动之间转换动力的曲柄装置，它具有良好动力传递效率和动态平衡，并适合于高速运转的构造。
行星机构4的行星齿轮21的外径设定为固定内齿轮20内径的1/2，以曲柄轴2的曲柄销12为枢轴，可旋转地连结于行星构件21的旋转中心，且，行星齿轮21的外围部分以枢轴可旋转地连结于连杆3。由此，连杆3不摇动地在活塞15的往复运动方向上做直线运动，可确保安定的动态平衡。又，各构成构件的质量分配设定为其在往复运动部分和旋转运动部分能取得动态平衡，因此从低速旋转范围到高速旋转范围均可确保均等且安定的运转。

Description

曲柄装置及机械装置
技术领域
本发明为有关一种曲柄装置，尤其有关在蒸气机、内燃机、压缩机及泵等中，在其往复运动和旋转运动之间的转换动力部分所适用的动力转换技术。
技术背景
利用这种曲柄装置的机械装置的例子包括如图19所示的往复式汽油发动机。
这种发动机是将往复运动转换为旋转运动的典型例，其中，在密闭容器的汽缸a内的活塞b，通过一连杆c连结于曲柄轴d的曲柄销e。
由上述汽缸a的燃烧室内所燃烧汽油的爆发力，使上述活塞b在上死点和下死点之间作往复直线运动，该直线运动通过连杆c转换为曲柄轴d的连续旋转运动。
往复式汽油发动机具有构造简单、重量轻、富有高速性等优点。因此虽然蒸汽机原理已发明了200多年，但到现在这种往复式汽油机仍然成为汽车发动机的主流。但从另一方面来看由于其曲柄轴d的构造上的特点，也带来下列所述的几个问题。
即，曲柄销e如图所示，从曲柄轴d的旋转中心，也即主轴f的轴线偏离开对应于曲柄臂g的长度的一段距离。因而连杆c会一面向左右方向侧向摇动一面和活塞b一起上下运动。因此曲柄装置由其基本动作的往复运动和旋转运动，而再加上复杂的横向摆动，其动态平衡成为非常不稳定。
要消除这个问题，以往是在平衡锤的重量、形状及安装位置等上，想出各种各样平衡办法，以使包括活塞b及连杆c在内的运动部分取得动态平衡。然而，要实现这些平衡措施是非常困难的。在实际上，对其运动部分虽可补正其旋转质量，但要对其往复质量做完全的补正是不可能的事。因而，以现在的实况，只能求其次而谋求降低其动态的不平衡。因此，上述运动部分的不平衡贯性力成为震动和噪音的重大要因。
如上述，由于连杆c会侧向摇动而对活塞b往复运动方向倾斜(倾斜角θ)，因而由气体压力和惯性力引发的推力(侧压)R施加在活塞b上，使活塞对汽缸a产生撞击(活塞撞击)。这也是造成震动、噪音、空穴作用、摩擦损失等障碍的重大要因。
上述问题在大柴油机中尤为明显。为避免此问题，通常采用如图20所示的十字头系统。该构造是在活塞b和连杆c之间设有可在活塞b往复方向滑动的十字头h，由此可防止活塞b受到推力R的作用。但这种平衡措施不仅无法根本上解决上述问题，而且不可避免的要拉长汽缸a的高度并使发动机本身大型化。
另外，已经开发采用例如传统的偏置缸，或多气缸，及无声轴构造或菱形机构，以消除由活塞b的往复运动所产生的垂直震动，及由连杆c的倾斜所产生的横向震动，或燃料爆发时的震动，然而，例如无声轴构造并不可能取得完全的动态平衡。而菱形机构虽可取得动态平衡，但它是在往复运动部分上使用作用于逆往复方向的配重，因而会加大该往复运动部分的总质量，因此不适合于高速运转。
而且，为了要应付上述运动部分的不平衡惯性力，其活塞b、连杆c、或曲柄轴d等主要零件也要有充分的机械强度或刚性，由此会招致装置重量的增大，而且降低其动力传递效率。
以上的问题，不仅存在于包括上述往复式发动机的内燃机，而且是蒸气机，压缩机和泵等具有曲柄装置的其他机械装置的共同问题。
在这种情况下，本发明的目的在于提供一种具有提高的动力传递效率及稳定的动力平衡，可在往复直线运动和连续旋转运动双方向之间进行动力转换，而且适合于高速运转，且结构简单紧凑的曲柄装置，及具有该曲柄装置的机械装置。发明的概述
为达成上述目的，本发明的曲柄装置为适用于在往复运动和旋转运动之间进行动力转换的转换动力部分，其特征为具有：
一个连结于旋转侧的曲柄轴；一个连结于往复运动侧的连杆；及一个装在该曲柄轴和连杆之间的行星机构。上述行星机构包括；一个和上述曲柄轴旋转中心成同心状配置的太阳(恒星)构件，及沿该太阳构件内周滚动的行星构件。该行星构件的外径设定为上述太阳构件内径的1/2；上述曲柄轴以其曲柄销为枢轴，连结于上述行星构件的旋转中心，并可转动。而且上述连杆的一端以枢轴连结于上述行星构件的外周部分并可转动。上述各构成构件的质量分配成使相对于上述曲柄轴旋转中心实现动态平衡。
这时候，最好是将设在各构成构件上的所有平衡重设定成为可产生一旋转惯性力。
本发明的机械装置至少具备一套上述的曲柄装置。上述连杆的另一端连结于构成输入侧的往复部分，并且上述曲柄轴的主轴连结于构成输出侧的旋转部分。或者，上述曲柄轴的主轴连结于构成输入侧的旋转部分，而上述连杆的另一端连结于构成输出侧的往复部分。
例如将本发明的曲柄装置应用于往复式汽油发动机时，汽缸内的活塞通过连杆及行星机构连结于曲柄轴的曲柄销。由上述汽缸的燃烧室内所燃烧汽油的爆发力，使上述活塞在上死点和下死点之间做往复直线运动，该往复直线运动经由连杆及行星机构转换为曲柄轴的连续旋转运动。
这时，上述行星机构的太阳构件和上述曲柄轴的旋转中心成同心配置。上述曲柄轴系以其曲柄销为枢轴连结于沿该太阳构件内周滚动的行星构件的旋转中心，并可转动。并且，行星构件的外围部分以枢轴连结于上述连杆的一端，并可转动。因而，连杆几乎不会在左右横方向摇动，而是和活塞一起在活塞的往复方向上大致成直线运动，可确保安定的动态平衡。
尤其是，上述曲柄轴的曲柄臂长度和上述行星构件旋转中心到上述连杆的连结点的距离设定为相等。而该连结点设定为可随着上述行星构件的滚动在通过上述曲柄轴旋转中心的直线上移动。这样，连杆完全不会有横方向摇动，也即其对活塞的推力也会完全消除。
行星构件配置成为受太阳构件所包围，行星构件的旋转惯性力由太阳构件确实挡住，因而由此一点，也可确保安定的动力平衡，同时也可得到其两者之间的紧密啮合状态，从而可提高动力传动效率。
上述各构成构件的质量分配成相对于上述曲柄轴的旋转中心在动力上平衡。因而，从低速旋转到高速旋转的宽广范围内都可确保一致且安稳的运转。这种设于各构成构件的所有配衡装置，除可应用于如上述往复式汽油发动机等的内燃机或蒸汽机中将往复运动转换为旋转运动的动力转换装置之外，也可通过使其为相反的构成，也即将上述曲柄轴的主轴连结于构成输入侧的旋转部分，并且将上述连杆的另一端连结于构成输出侧的往复部分，则可完全同样也应用于压缩机或泵中将旋转运动转换为往复运动的动力转换装置上。
图面的简单说明
图1：本发明实施例1的曲柄装置基本构造经部分剖开的斜视图。
图2：同上，基本构造的正面断面图。
图3：同上，基本构造的侧面断面图。
图4：同上，基本构造的各构成构件尺寸关系说明用概略构成图。
图5：同上，基本构造的各构成构件质量分配说明用概略构成图。
图6：同上，基本构造应用于往复式汽油发动机时的运动行程说明图。
图7：同上，基本构造中，曲柄轴的旋转角度和活塞15的行程关系曲线图。
图8：本发明实施例2的水平二汽缸发动机基本构造的断面图，图8(a)为平面断面图，图8(b)为侧面断面图。
图9：本发明实施例3的水平四汽缸发动机基本构造的断面图，图9(a)为平面断面图，图9(b)为侧面断面图。
图10：本发明实施例4的V型二汽缸发动机的基本构造，图10(a)为侧面图，图10(b)为从图10(a)X—X线方向所见的正面图，图10(c)为输出轴配置于一旁边的变形例中，对应于图10(b)的正面图。
图11：本发明实施例5的直列二汽缸发动机的基本构造图，图11(a)为侧面图，图11(b)为从图11(a)XI—XI线方向所见的正面图。
图12：本发明实施例6的直列型发动机变形例的基本构造图，图12(a)为侧面断面图，图12(b)为其相邻一对行星齿轮和齿轮销的斜视图，图12(c)为同图12(b)的正面图。
图13：本发明实施例7的二行程发动机基本构造的概略构成图。
图14：本发明实施例8的附有机械式增压横四行程发动机的基本构造概略构成图。
图15：同上，四行程发动机中，增压机的变形例概略构成图，图15(a)为变更燃料喷嘴的配置，图15(b)为配备中间冷却器的结构。
图16：本发明实施例9的单汽缸式压缩机基本构造的概略构成图。
图17：本发明实施例10的二汽缸式压缩机基本构造的概略构成图。
图18：本发明实施例11的柴油机燃料喷射泵基本构造的概略构成图，图18(a)为侧面断面图，图18(b)为行程最大时的正面图，图18(c)为行程最小时的正面图。
图19：具备以往的曲柄装置的一般往复式汽油发动机基本构造的正面断面图。
图20：具备以往的曲柄装置的柴油机变形型基本构造的正面断面图。
本发明的最佳实施例
以下，将本发明实施例参照图面说明之。
实施例1
本发明的曲柄装置的基本构造如图1至图3所示，其曲柄装置1在具体上，是适用于往复运动和旋转运动之间的动力转换部分的装置，在本实施例中，它构成单气缸发动机的主要部分。
该曲柄装置1包括：曲柄轴2、连杆3及装在该曲柄轴2和连杆3之间的行星机构4。上述连杆3连结于往复汽缸装置5。在图面中，仅表示出机械驱动系统的概略构成，其他的外围机构，例如吸入/排气系统等的动作阀机构等，在图上均省略之。
曲柄轴2是连结于旋转侧的一部分，它包括主轴10、曲柄臂11、及曲柄销12。主轴10经轴承13由曲柄箱14支撑并可转动，并且，该主轴10和曲柄销12的轴线相互平行。
连杆3与构成往复运动侧的往复汽缸装置5的活塞15相连，实际上它和该活塞15一体成形。连杆3如图3所示，为在全长度范围大致形成为同一粗细的细棒状。活塞15形成为薄壁的圆盘状，并没有以往一般已知构造中的裙部。这样，可获得该往复运动部分的轻量化。这种往复运动部分的轻量化之得以实现，是和推力的大幅减低有所关连。但如果具有和以往的重量相同的往复运动部分，对本发明之实施并无任何影响。
上述连杆3和活塞15为一体的构造，如后面将要说明的，连杆3只作往复直线运动时才可采用此构造。当然为了吸收各构成构件的加工误差和或装配误差，可和以往的活塞/连杆一样，连杆3和活塞15也可通过用于枢转的活塞销(图示省略)枢轴连结。
行星机构4为连结上述曲柄轴2和连杆3的部分，它由当作太阳构件的圆环状固定内齿轮20和咬合于该内齿轮20的作为行星构件的行星齿轮21所构成。
上述固定内齿轮20固定设在上述曲柄箱14，而其圆环内周的太阳齿轮20a和上述曲柄轴2的主轴10成同心状配置。
上述行星齿轮21一面咬合于上述太阳齿轮20a，一面可绕其轴心转动。而上述曲柄轴2的曲柄销12经轴承22枢轴连结于该行星齿轮21的旋转中心，并可转动。行星齿轮21的外围部分设有齿轮销24，该齿轮销24经轴承25枢轴连结于上述连杆3的一端3a，并可转动。
上述各构成构件的尺寸关系如图4所示。上述行星齿轮21的外径(节圆直径D1设定为上述太阳齿轮20a的内径(节圆直径)D2的1/2。换言之，上述行星齿轮21的外周长设定为上述太阳齿轮20a的外周长的1/2。
上述曲柄轴2的曲柄臂11的长度L1(主轴10的轴心到曲柄销12的轴心的距离)设定为和上述行星齿轮21的旋转中心021(曲柄销12的轴心)到上述连杆3的连结点03(齿轮销24的轴心)的距离L2相等。图示的实施例中，上述连结点03配置在行星21的节圆上。
由此，行星齿轮21绕其轴线旋转2圈会在太阳齿轮20a上滚动1圈，并且，上述连结点03随该行星齿轮21的滚动，会在于通过上述曲柄轴2的旋转中心02(主轴10的轴心)的直线上往复运动。
在本实施例中，由于连杆3的另一端3b固定连结于活塞15下表面的中心位置，因而活塞15的轴心X(和汽缸16的圆筒内面16a的轴心一致)会通过上述曲柄轴2的旋转中心02。行星齿轮21和太阳齿轮20a的圆围方向的啮合位置，设定为使上述连结点03的移动轨迹和活塞15的轴心X成为一致。
由此，随着行星齿轮21的滚动，连杆3和活塞15以完全一体的形式，在直线X上，也即在通过曲柄轴2的旋转中心02的直线上，不摇动(横向运动)地做往复直线运动。另一方面，曲柄轴2也随着上述行星齿轮21的滚动，环绕着旋转中心02旋转。
该曲柄轴2的旋转角度Φ和上述活塞15的行程S之间的关系，可如图7中实线所示的正弦曲线的基本形状来表示(虚线表示曲柄的运动)。
构成曲柄装置1的上述各构成构件的质量分配，设定为使往复运动部分和旋转运动部分取得动态平衡，为此应考虑使以上述曲柄轴2的旋转中心02为中心实现动态平衡。这时，最好是将设在各构成构件的所有配衡设定成为产生旋转惯性力。在图示实施例中，图5的各构件质量设定成，以行星齿轮21的旋转中心021为中心的两侧的质量分配相等，同时，以上述曲柄轴2的旋转中心02为中心的两侧的质量分配也相等。
具体说，设往复运动部分(活塞15、连杆3、齿轮销24)的质量为W1，相对于该往复运动部分的平衡重(配衡)30的质量为W2，行星齿轮21的旋转中心021到齿轮销24及到平衡重30安装位置的距离分别为A及B，旋转运动部分(上述往复运动部分、行星齿轮21、平衡重30)的质量为W3，相对于该旋转运动部分的平衡重31的质量为W4，曲柄轴2的旋转中心02到行星齿轮21的旋转中心021及到平衡重(配衡)31安装位置的距离分别为C及D。则，设定的质量分布满足下列①式及②的关系：
    W1×A＝W2×B………①
    V3×C＝W4×D………②
这时，假设，曲柄臂11已对于旋转中心02的两侧，在质量上取得平衡。这样可使上式计算式得以简化。当然，这并不意味着实际的曲柄装置必须使曲柄臂11的重心要和旋转中心02为一致。如曲柄臂11和平衡重31的合计重为W4，曲柄臂11与平衡重31为一体的重心和旋转中心02的距离为D，也可使用同样的计算式确定质量分布。
于是，如上述构成的曲柄装置，例如应用于往复式汽油发动机时，如图6所示，由于汽缸13的燃烧室内所燃烧汽油的爆发力，使活塞15在上死点和下死点之间往复运动。则和该活塞15成为一体的连杆3的运动，会使行星机构4做行星运动，并将其转换为曲柄轴2的连续旋转运动〔图6中按①(曲柄轴2的旋转角度Φ＝0°)→①(Φ＝45°)→③(Φ＝90°)→④(Φ＝135°)→⑤(Φ＝180°)→⑥(Φ＝225°)→⑦(Φ＝270°)→⑧(Φ＝315°)→①(Φ＝360°)的顺序进行行程循环。
这时候，由于该曲柄装置具有上述的构成，其连杆3几乎不会在左右横方向摇动，而和活塞15成为一体，在通过曲柄轴2的旋转中心02的直线X(活塞15的轴心)上做往复直线运动，由此可确保安定的动态平衡。
由于该连杆3在直线X上往复运动(对于活塞15的往复运动方向的倾斜角θ＝0°)，因此完全不会产生如以往的曲柄装置的偏向荷重，活塞15上也就绝不会有如以往的曲柄装置中的推力R(参照图19及图20)的作用。因此，在理论上不会有如采用以往曲柄装置的机械装置中所产生的活塞撞击，其在汽缸16的圆筒内面16a所作用的力，只是和活塞15的摩擦力，由此可大幅减小振动、噪音、空穴现象、和摩擦损失等问题，其动力传递效率和以往的曲柄装置相比也可大幅提高。
行星齿轮21配置成受太阳齿轮20a所包围，行星齿轮21的旋转惯性力受太阳齿轮20a确实挡住，因而齿轮效率高，由此点也可确保安定的动态平衡。而且，由于行星齿轮21的旋转惯性力，也可使行星齿轮21和太阳齿轮20a之间获得紧密的咬合状态，这样就能获得高的动力传动效率。
如上所述，曲柄装置1的各构成构件的质量分配，是考虑到使以上述曲柄轴2的旋转中心02为中心的动力平衡而设定的。特别在图示的实施例中，设在各构成构件上的所有配衡30、31等被设定成为产生旋转惯性力，因此，可从低速旋转范围到高速旋转范围，确保均等安定的运转。
本实施例的曲柄装置1的输出和输入方向，是可变方向互换的。因而，如后述具体实施例所述，除了可用于上述往复式汽油发动机为首的内燃机及蒸气机等的将往复运动转换为旋转运动的动力转换装置之外，还可以其相反的构成，即上述曲柄轴2的主轴10连结于输入侧的旋转部分，并将上述连杆3的另一端连结于输出侧的住复部分，则可同样地完全应用于压缩机或泵等的将旋转运动转换为往复运动的动力转换装置上。
本实施例也可如下列各种各样的设计变更。
(1)适当调整行星齿轮21的旋转中心021到连杆3的连结点03的距离L2，可以调整相对于曲柄轴2的旋转角度Φ的活塞15的行程S，由此可将图7所示的正弦曲线的形状设定成最适合于机械装置的运动特性，例如为燃料的爆发特性等。这时，连杆3以活塞销(图中未示)为枢轴连结于活塞15并可摇动。连杆3的运动轨迹也不是如图示实施例的直线，而是成为通过该直线近旁的椭圆等形。
例如将距离L2加长，可使正弦曲线的峰顶和底部间成为急速升降的曲线(参照图7的点划线)。相反的，将距离L1加长时，可使正弦曲线的峰顶和底部降低，成为缓和的曲线(图中未示)。
(2)使上述行星齿轮21和太阳齿轮20a的圆周方向的啮合位置构成为可调整，则也可使得上述活塞15的行程成为可变(参照后述实施例12)。
具体说，例如将固定内齿轮20设置成为可在曲柄箱14上在其圆周方向调整并转动，以使太阳齿轮20a在圆周方向的位置可适当调整，则可调整太阳齿轮20a和行星齿轮21的相对咬合位置。这时，也和上述(1)同样，连杆3和活塞15也以活塞销(图示省略)为枢轴连结并可摇动。
(3)图示的实施例的构造极为简单，可得大的动力传递和高传递效率，尤其最适合于往复式汽油发动机，这种发动机中的行星机构4中固定内齿轮20和行星齿轮21构成。然而，本发明并不限定于此，也可采用具有同样啮合功能的其他构造。
图虽未示，也可采用例如为：在圆环状构件的圆筒内周面的整个周围上设有链条的太阳构件，和咬合于上述链条的扣链齿轮为行星构件的组合；或在圆环状构件的圆筒内周面上的整个周围上设置有齿皮带的太阳构件，和咬合于上述有齿皮带(同步皮带)的皮带轮为行星构件的组合。
(4)除上述(3)以太阳构件的圆筒内周和行星构件的圆筒外周进行咬合之外，也可使太阳构件的圆筒内周和行星构件的圆筒外周进行互相不滑动的摩擦接合，这种构造尤其在轻载的动力传递上很有效果。具体地，例如太阳构件和行星构件两者或其接合面部分都采用橡胶材料，以橡胶相互间的摩擦构成啮合。
实施例2
本实施例如图8所示，以2组曲柄装置1、1水平相对组合成为水平对置2汽缸发动机。
该两柄装置1、1的基本构造和实施例1的相同，其曲柄轴2、2及行星机构4、4为左右相对的配置，并且其连杆3、3为同轴状一对成形。即，一对的活塞15、15及连杆3、3完全成为一体。
在此，其行星机构4、4的行星齿轮21、21互相之间也由一支共用的齿轮销24构成为一体，而以该齿轮销24为枢轴，经以轴承25连结于两连杆3、3的中央部位3c，以便转动。
上述曲柄轴2由主轴10、驱动齿轮41、及曲柄销12构成为一体，上述驱动齿轮41兼具有曲柄臂的功能。
输出轴42设置成和上述两曲柄轴2、2平行。该输出轴42和曲柄轴2、2的主轴10、10成平行配置，且经过轴承43、43受未图示的曲柄箱支撑，并可转动。上述输出轴42上设有和其成为一体的一对从动齿轮44、44该两从动齿轮44、44咬合于上述曲柄轴2、2的驱动齿轮41、41，以便传递驱动。输出轴42的一端42a连结于未图示的旋转输出侧。
于是，上述一对活塞15、15分别受到未图示的汽缸内燃烧的汽油爆发力而做往复直线运动，使上述曲柄轴2、2连续旋转，该旋转力经由上述输出轴42输出到输出侧。
这时候，上述两活塞15、15的汽缸内的爆发交替地同步进行，两活塞15、15的动力以有效的方式转换成为连续旋转运动输出。
此实施例其他的构造及作用和实施例1相同。
实施例3
本实施例如图9所示，以2组按实施例2构造的水平对置2汽缸发动机，横方向组合成为水平对置4汽缸发动机。
这种情形时，中央的一对曲柄轴2、2相互间由共用的一根主轴10构成为同轴状的一体，而且，各曲柄轴2、2、…的驱动齿轮41、41、…分别咬合于同一输出轴52上的从动齿轮54、54、…并可传达区动。
其他的构造及作用和实施例2相同。
实施例4
本实施例如图10所示，2组曲柄装置1、1相互成一角度排成V字型，构成为V型2汽缸发动机。
该两曲柄装置1、1的基本构造和实施例1中的相同，各曲柄轴2、2…的主轴10、10、…为同轴状配置。
上述曲柄轴2和实施例2同样，和主轴10、驱动齿轮41及曲柄销12构成为一体，上述驱动齿轮41兼具曲柄臂的功能。
在上述两曲柄轴2、2的下面，设有与其平行的输出轴62。该输出轴62和曲柄轴2的主轴10成平行的配置，并且通过轴承63、63受未图示的曲柄箱所支撑，并可转动。上述输出轴62上设有和其成为一体的4只从动齿轮64、64、…，这些从动齿轮64、64、…分别咬合于上述曲柄轴2、2、…的驱动齿轮41、41、…，并以便传递驱动。输出轴62的一端62a连结于旋转输出侧(未示出)。
于是，如上述构成的发动机和实施例2同样，其一对活塞15、15分别受到未图示的汽缸内燃烧的汽油爆发力，而做往复直线运动，使上述曲柄轴2、2连续旋转，该旋转力经由上述输出轴62输出于输出侧。这时候，上述两活塞15、15的汽缸内的爆发交替地同步进行，两侧活塞15、15的动力转换成为连续旋转运动，有效的输出于外。
上述输出轴62的配置处所，可在于不干预到往复运动部分的活塞15、15和连杆3、3的任意位置，例如图10(c)所示可配置于曲柄轴2、2的一旁边，或图虽未示，也可配在曲柄轴2、2的上面。其他的构造及作用和实施例1相同。
实施例5
本实施例如图11所示，将2组曲柄装置1、1排成一行，构成为直列2汽缸发动机。
在具体上，其只是将实施例4中的曲柄装置1、1的V字型配置改成竖立状排成一行，其他的构造及作用和实施例4相同。
实施例6
本实施例如图12所示，是一种直列型发动机的变形例，在具体上，其是将实施例5的直列型构造中的输出轴62予以省略，并且其各曲柄装置1、1、…采用共同的曲柄轴72。
即，如图12(b)所示，相邻的一对行星齿轮21、21的共同齿轮销74形成为大直径的圆筒形状，曲柄轴72的曲柄销82的主轴021穿通于贯通上述行星齿轮21、齿轮销74及行星齿轮21的中空孔74a中并受其支承。
与此相关的，有如图12(c)所示，在齿轮销74上除保留上述中空孔74a周围的轮毂，其余的形成凹部74b，以谋求其轻量化。
虽然图面上仅表示2组曲柄装置1、1，但其组数也可随使用目的而适宜的增设。
此实施例其他的构造及作用和实施例5相同。
实施例7
本实施例如图13所示，其为具备实施例1的曲柄装置1的2行程发动机。
该发动机是利用连杆3会沿汽缸16圆筒内面16a的轴线X做直线运动，而将汽缸16底部16b以密封件90完全密封，以在活塞15下面形成和曲柄室91完全隔离的预压室92。与之相关的，连杆3的断面要形成为容易密封的形状，例如为圆形。
标号93及94分别表示为受活塞15的上下动作而开闭的扫气孔及排气孔。又，标号95表示为吸气管，该吸气管95受旋转阀96的控制而开闭。该旋转阀96连结于曲柄轴2的主轴10而旋转，以同步于活塞15的往复动作而做开闭动作。
于是，随着活塞15的下降，由吸气管95吸入预压室92内的混合气受到压缩。当活塞15下降到下死点附近时，排气孔94及扫气孔93会打开，由预压室92内的混合气进行扫排气的作用。
本实施例其他的构造及作用和以往众所周知的2行程发动机相同。
本实施例中，由于连杆3不摇动而成直线运动，因而可在汽缸16的下段形成小容量预压室92。由此，其与以往的比较，可大幅缩小预压室92的容量，可得到大的压缩比。结果，可取得高压力的一次压来进行高效率的扫排气作用，从而与以往的相比，可将2行程发动机的特性作大幅改善。
实施例8
本实施例如图14所示，为具有曲柄装置1的4行程发动机，并具有机械式增压机100。
该发动机和实施例7同样，利用连杆3会沿汽缸16圆筒内面16a的轴线X做直线运动，而将汽缸16底部16b以密封件101完全密封，以在活塞15下面形成压力室102。该压力室102和活塞15协作，构成为增压机100的压缩机。
图14中，103为吸气用止回阀，104为增压用止回阀，105为空气室，106为燃料喷嘴，107为吸气阀，而108为排气阀。
于是，随着活塞15的下降，压力室102缩小，使得经由吸气用止回阀103被吸入的空气，一面被压缩，一面经由增压用止回阀104被送到空气室105，再和燃料喷嘴106喷出的燃料混合，经由吸气阀107送入汽缸16上段的燃料室内，由此产生增压作用。
本实施例其他的构造和以往众所周知的增压机及4行程发动机相同。
本实施例利用曲柄装置1的构造，不必采用像以往的外加的驱动源，就可构成压缩机，由此可构成具有构造简单且小型的机械式增压机的4行程发动机。
增压机100的具体构成，如以往众所周知的同样，可作各式各样的设计变更。例如，如图15(a)所示，可将燃料喷嘴106配置在吸气用止回阀103的上流侧，使混合气经压缩机压缩；或如图15(b)所示，设置中间冷却器109，以降低加压后的吸气温度。这些构成均可适用。
实施例9
本实施例如图16所示，为具有曲柄装置1的往复式单气缸压缩机。
该压缩机也是利用连杆3会沿汽缸16圆筒内面16a的轴线X做直线运动，而将连杆3经以密封件110从密闭的汽缸16底部16b伸出于外，以在活塞15的上下分别形成汽缸室111、112。
曲柄轴2的主轴10上装有从动皮带轮113，该皮带轮113经过传动皮带114与装在驱动马达115的驱动轴115a的驱动皮带轮116驱动连接。
上述上下汽缸室111、112分别设有吸入阀111a、112a及排出阀111b、112b，并经由这些阀连结于吸入管117及排出管118。
于是，随着活塞15的下降而下侧汽缸室112的缩小，导入于该下侧汽缸室112的空气一面被压缩，一面从排出阀112b排出到排出管118。这时候，上侧汽缸室111中，空气从吸入管117经吸入阀111a被吸入于该汽缸室111内。接着，随活塞15的上升，上下汽缸室111、112内会有和上述相反的操作。
本实施例中，可以使以往的往复式单汽缸压缩机所不可能有的2汽缸室构造产生作用，得以实现具有接近以往的2汽缸压缩机的运转效率。
实施例10
本实施例如图17所示，是以实施例9的单汽缸压缩机2组，中间夹以曲柄轴2，上下配置成为2汽缸压缩机。
即，该压缩机构成为由1台驱动马达115驱动，使其上下一对活塞15、15做往复运动。
此实施例其他的构造及作用和实施例9相同。
实施例11
本实施例如图18所示为一种高压定量泵，在具体上是柴油机的燃料喷射泵。
本实施例为在实施例1的曲柄装置1中，将上述行星齿轮21和太阳齿轮20a在周围方向的啮合位置构成为可调整的，其是将连杆3的一端3b通过枢销120所连结的柱塞121的往复运动行程S构成为可变的。
即，内齿轮20经旋转操作部分122装设于曲柄箱14，并可在圆周方向转动，且该旋转操作部分122的操作柄122a由未图示的驱动机构所操作转动。
操作该操作柄122a使其适当的转动，可使内齿轮20的太阳齿轮20a和行星齿轮21在圆周方向的啮合位置得到适当的调整，即可以在图18(b)所示的最大行程Smax和图18(c)所示的最小行Smin之间作调整。
柱塞筒123的压缩室124经由吸入阀125a及排出阀126a分别连通于供应管125及喷射管126。
曲柄轴2的主轴10与未图示的柴油机曲柄轴驱动连接，例如在4行程发动机中，以柴油机曲柄轴的1/2旋转速度驱动主轴10旋转。
于是，如上述构成的燃料喷射泵，由以发动机的1/2旋转速度旋转的曲柄轴2，使柱塞121在一定的往复行程S间做往复运动，由此使从供应管125吸入的燃料受到压缩，其被加压到所定高压的燃料，从排出阀126a压送到喷射管126，以从未图示的喷射阀喷射注入到燃烧室内。
依照本实施例，其与以往的具有凸轮/滚子机构的这种燃料喷射泵有所不同，本实施例中，柱塞121在其整个往复运动的行程S中，始终和曲柄轴2连结在一起，因而完全没有如以往的凸轮敲打滚子的敲击声，因此降低了作为柴油机的缺点的噪音，而且其操作也可在从低速到高速旋转范围中，得以连续性的圆滑的变化，运转精确度也高。
又，上述实施例1到实施例11的任何一项，仅仅是为表示本发明最合适的具体例而已，本发明并不限定于这些具体例，而在其范围内可作各种各样的设计变更。
例如，具备本发明曲柄装置的发动机，其汽缸配置数并不限定图示之例，可依使用目的作适当的增减。又如，汽缸的排列也采用直列型、水平对置型、V型或星形等以往众所知的排列方式，这取决于具体的使用目的或应用。
本发明除图示例所示之机械装置之外，就以往众所周知之，还可在往复运动和旋转运动相互间转换动力的机械装置上广泛应用。
如上所详述，本发明的曲槽柄装置包括：连结于旋转侧的曲柄轴；连结于往复运动侧的连杆；和装在上述曲柄轴和连杆间的行星机构。上述行星机构包括：和上述曲柄轴旋转中心成同心状配置的太阳构件；和可沿该太阳构件内周滚动的行星构件，而该行星构件的外径设定为上述太阳构件内径的1/2。上述曲柄轴以其曲柄销为枢轴连结于上述行星构件的旋转中心，并可旋转。同时上述连杆的一端以枢轴连结于上述行星构件的外周部位并可旋转。上述各构成构件的质量分配，设定为往复运动部分和旋转运动部分在动力上可取得平衡，因而该曲柄装置及利用该曲柄装置的机械装置，其可得到如下各种各样的效果，足以提供具有良好的动力传递效率及动力上的平衡；可在往复运动和旋转运动之间做双方向的动力转换；及简单而小型构造的装置。
(1)上述行星机构的太阳构件和上述曲柄轴旋转中心成同心状的配置；上述曲柄轴以其曲柄销为枢轴连结于沿上述太阳构件内周滚动的行星构件的旋转中心，并可转动；同时，行星构件的外周部分以枢轴连结于上述连杆的一端，并可转动；因而连杆几乎不会在左右横方向摇动，而是和活塞一起在活塞往复运动方向做大致直线运动，从而可确保安定的动态平衡；其结果，以往由于运动部分的不平衡惯性力为主要原因所产生的震动及噪音可大幅度减低。
(2)如上所述，连杆几乎不摇动，而在活塞往复运动方向做大致直线的运动，因而，该活塞上几乎没有燃气压力和惯性力所产生的推力的作用，难于产生所谓的活塞撞声。由此，也可使以往成问题的震动、噪音、空穴现象、及摩擦损失等现象大幅度降低。
尤为注意的是，上述曲轴的曲柄臂长度与上述行星构件的旋转中心到上述连杆的连结点的距离经设定为相等，而该连结点设定为会随着上述行星构件的滚动，而在通过上述曲柄轴旋转中心的直线上移动时，连杆完全不会有横方向的摇动，因而可完全防止对活塞的推力，这不只在低速旋转，也可充分对应于高速旋转。
(3)和以往的这种曲柄装置相较，其动态平衡的取得要容易得多且确实。理论说，处于比以往更高的高速旋转时也可完全取得动力上的平衡。
(4)由于连杆不会在横方向摇动，因而在理论上没有加于连杆的弯曲荷重。因此即使对其周边构件的影响也考虑进去时，也可使用较以往的细的多的连杆。又由于活塞不受到推力，因而摩擦系数也低。另外，活塞本身也可形成为短的圆板状，由此也可使往复运动部分得以轻量化。
此外，由于运动部分的不平衡惯性力等对于曲柄轴所加的偏心负荷小，所以其曲柄轴的机械强度及刚性和以往的相较，也不必要求那么严格，同样可具有较以往的细的多的构成，由此可使旋转运动部分得以轻量化。
因此，装置整体的重量可大幅度减轻，并与上述良好的动态平衡相辅相成，成为最适于高速运转的构造。
(5)行星构件的配置成受太阳构件所包围，行星构件的旋转惯性力被太阳构件确实挡住，由此一点也可确保安定的动态平衡，同时，也可得到其两者之间的紧密啮合状态，以防无功运动。由此可提高动力传动效率，同时，可大幅改善燃料消费。
(6)上述各构成构件的质量分配是通过考虑使以上述曲柄轴旋转中心为中心的动态平衡而设定的，因而，从低速旋转范围到高速旋转范围都可确保均等且安定的运转，特别是设在各构成构件的所有配衡被设定成具有旋转惯性力的功能，因而可得更大的效果。

Claims (17)

1.一种曲柄装置，它用于在往复运动和旋转运动之间进行动力转换，其特征为包括：
连结于旋转侧的曲柄轴；
连结于往复运动侧的连杆；及
装在该曲柄轴和连杆之间的行星机构；
上述行星机构包括：和上述曲柄轴旋转中心成同心状配置的太阳构件，及沿该太阳构件内周滚动的行星构件；
该行星构件的外径设定为上述太阳构件内径的1/2；
上述曲柄轴以其曲柄销为枢轴连结于上述行星构件的旋转中心并可旋转，而且上述行星构件的外围部位以枢轴连结于上述连杆的一端并可旋转；
上述各构件的质量分配设定成使其往复运动部分和旋转运动部分能获得动态平衡。
2.如权利要求1所述的曲柄装置，其中曲柄轴的曲柄臂长度设定成和行星构件的旋转中心到连杆的连结点的距离相等，而
该连结点设定成会随着上述行星构件的滚动，而在通过上述曲柄轴旋转中心的直线上移动。
3.如权利要求1所述的曲柄装置，其中各构成构件的质量分配是考虑到使以曲柄轴旋转中心为中心的动态平衡而设定的。
4.如权利要求3所述的曲柄装置，其中以行星构件旋转中心为中心的两侧的质量分配设定为相等，且以曲柄轴旋转中心为中心的两侧的质量分配也设定为相等。
5.如权利要求2所述的曲柄装置，其中行星构件和太阳构件的在圆周方向的接合位置是固定的。
6.如权利要求2所述的曲柄装置，其中行星构件和太阳构件的在圆周方向的接合位置是可调整的。
7.如权利要求1所述的曲柄装置，其中太阳构件的圆筒内周和行星构件的圆筒外周是互不滑动地摩擦接合的。
8.如权利要求1所述的曲柄装置，其中太阳构件的圆筒内周和行星构件的圆筒外周是咬合的。
9.如权利要求8所述的曲柄装置，其中太阳构件为其圆筒内周具有啮合齿的内齿轮，同时，行星构件为咬合于该内齿轮的行星齿轮。
10.如权利要求8所述的曲柄装置，其中太阳构件的圆筒内周面上设有遍及其全周围的链条，并且行星构件为咬合于该链条的链齿轮。
11.如权利要求7所述的曲柄装置，其中太阳构件的圆筒内周面上设有遍及其全周围的有齿皮带，并且行星构件为可咬合于该有齿皮带的皮带轮。
12.一种机械装置，其特征为包括：
至少一套如权利要求1至11中任一项所述的曲柄装置；
上述连杆的另一端连结于输入侧的往复部，并且，上述曲柄的主轴连结于输出侧的旋转部。
13.一种机械装置，其特征为包括：
至少具一套如权利要求1至11中任一项所述的曲柄装置；
上述曲柄轴的主轴连结于输入侧的旋转部，并且，上述连杆的另一端连结于输出侧的往复部。
14.如权利要求12或13所述的机械装置，其中往复部为往复汽缸装置的活塞；
曲柄轴的曲柄臂长度设定成和行星构件旋转中心到上述连杆连结点的距离相等；
该连结点设定为随上述行星构件的滚动，而会在上述活塞的往复方向，并且是通过上述曲柄轴旋转中心的直线上移动。
15.如权利要求14所述的机械装置，其中活塞和连杆的另一端为固定连结。
16.如权利要求12或13所述的机械装置，其中行星构件和连杆的连结点设定为随上述行星构件的滚动，而会在活塞的往复方向，并且是通过曲柄轴旋转中心的直线的近旁移动。
17.如权利要求16所述的机械装置，其中活塞和连杆的另一端以枢轴连结，以可摇动。
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