JP2001050362A

JP2001050362A - ピストン・クランク機構

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Publication number: JP2001050362A
Application number: JP11219169A
Authority: JP
Inventors: Goro Urushiyama; 伍郎漆山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-08-02
Filing date: 1999-08-02
Publication date: 2001-02-23
Also published as: US6227161B1; EP1074724A3; EP1074724A2

Abstract

(57)【要約】【課題】往復運動／回転運動の変換を行うピストン・
クランク機構のピストン／シリンダ間の摺接面の摩擦負
荷、クランクピンの摩擦負荷とに起因する摺接面の損耗
と伝達動力の損失を軽減する。【解決手段】一端がピストンピン８に、他端がクロス
リンク１０にそれぞれ枢支されたフリーリンク９が、ク
ランクケース１２との枢支点１３を中心としたクロスリ
ンク１０の揺動運動に拘束されて、ピストン１の往復運
動の中間点で、フリーリンク９の向き（Ｃ9 ）が、ピス
トン１の往復運動方向（ピストン中心軸線Ｃp 方向）に
対して傾斜を少なくなるとともに、クランクピン７の上
下死点を結ぶ線と、クロスリンク１０のクランクケース
１２との枢支点１３とコネクションロッド５との枢支点
１１とを結ぶ線とほぼ直交させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、自動車用エンジ
ン等に使用されるピストン・クランク機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】ピストンの往復運動を回転運動に変換す
るピストン・クランク機構は、蒸気機関の発明から始ま
って、現代では自動車用エンジンにおいても採用され、
広く普及している。このピストン・クランク機構には、
シリンダ・ピストン間、クランクピンの軸受部等の摺動
部分があって、そこに摩擦抵抗が生じ、動力伝達に伴う
過酷な荷重変動、摩擦力変動、発熱による動力損失が大
きく、伝動効率を低下させ、また、シリンダ・ピスト
ン、軸受部等の損耗を早める元となっていることは周知
のことである。

【０００３】伝動効率を向上し、シリンダ・ピストン、
軸受部等の部品の損耗を防ぐために、従来から、材料、
構造、潤滑、冷却等に関して種々の改良が重ねられてき
ている。しかし、従来のピストン・クランク機構は、基
本的には、図７に示す機構が用いられており、この機構
に関する画期的な改良は行われていなかった。

【０００４】従来のピストン・クランク機構の構造は、
ひとつの気筒に関しては、図７に模式的に示したよう
に、ピストン１０１、ピストンロッド１０６、クランク
シャフト１０３が一直線上に配置され、ピストン１０１
の上死点（図７（ａ））ではシリンダ１０２室の爆発行
程または吸引行程の直前、下死点（図７（ｃ））では、
排気行程または圧縮行程の直前であって、ピストン１０
１がほぼ静止状態にある一方、他の気筒の爆発力やクラ
ンクシャフト１０３とこれと一体のクランクアーム１０
４との慣性力によりクランクシャフト１０３の回転方向
Ａに回転する。クランクアーム１０４とコネクションロ
ッド１０５、コネクションロッド１０５とピストンロッ
ド１０６の各連結部は、それぞれクランクピン１０７、
ピストンピン１０８により枢支されているから、ピスト
ンロッド１０６にはほとんど曲げモーメントが掛から
ず、シリンダ１０２とピストン１０１との摺接面Ｄには
側圧も側圧による摩擦力も加わっていない。

【０００５】一方、ピストンの行程の上から下への中間
点（図７（ｂ））では、爆発行程においては、クランク
シャフト１０３の回転Ａは、主に、図７のピストン１０
１の下向きの推力、すなわち、シリンダ１０２の爆発力
に依存することになる。ここでは、コネクションロッド
１０５からクランクアーム１０４に回転力を与えるが、
このとき、コネクションロッド１０５は、ピストンロッ
ド１０６に対してその軸線が大きくθだけ傾いている。
ピストンロッド１０６はピストン１０１と一体に固着さ
れているので、コネクションロッド１０５がクランクア
ーム１０４を強く押す回転駆動力の反力がピストンピン
１０８に加わり、ピストンロッド１０６に曲げモーメン
トが加わる。これによりシリンダ１０２内でピストン１
０１がこじられ、摺接面Ｄには大きな側圧とこれに伴う
摩擦力が加わる。

【０００６】このように、図７（ａ）〜（ｃ）における
クランクピン１０７摺動部の側圧とこれに起因する摩擦
力の変化は、およそ図８のＰO1に示すように、上死点
（ａ）、下死点（ｃ）で小さく、爆発行程の中間点
（ｂ）で大きくなっている。

【０００７】なお、ピストン・シリンダの吸引行程では
駆動側が入れ替わって、クランクアーム１０４からコネ
クションロッド１０５が駆動され、コネクションロッド
１０５がピストンロッド１０６をその軸線方向に押上げ
る。このときも、コネクションロッド１０５とピストン
ロッド１０６との傾きθによって、摺接面Ｄに側圧とこ
れに伴う摩擦力が加わる。吸引の抵抗力はクランクアー
ム１０４の駆動力よりは小さいから、その値はやや下が
り、図８のＰO2のようになるが、ピストン１０１の往復
行程の中間点で最大となる点はＰO1と同様である。

【０００８】図７（ｄ）、すなわち、ピストン１０１の
排気行程あるいは圧縮行程では、他の気筒の爆発力やク
ランクシャフト１０３やクランクアーム１０４の慣性力
によりクランクアーム１０４がクランクシャフト１０３
の回転方向Ａに回転していて、コネクションロッド１０
５との連結部であるクランクピン１０７の摺動部を押
す。この押す力は、コネクションロッド１０５、ピスト
ンロッド１０６、ピストン１０１を押上げて、排気ある
いは圧縮するだけなので、爆発行程の場合ほどではな
く、吸入行程とほぼ同様のＰO2となる。

【０００９】このように、吸入、圧縮、爆発、排気の各
行程中、ピストン１０１の速度が最高となる中間点（図
７（ｂ）、（ｄ））において、ピストン１０１とシリン
ダ１０２との摺接面Ｄの側圧、摩擦力が、図８に示すよ
うに、最大となる。

【００１０】上記のピストン１０１とシリンダ１０２と
の摺接面Ｄの側圧、摩擦力の問題は、燃料の吸入、圧縮
を行わない、燃料噴射式のエンジンに使用されるピスト
ン・クランク機構においてもほぼ同様に発生する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のピストン・クランク機構においては、ピストン１０１
の速度が最高となる中間点において、ピストン１０１と
シリンダ１０２との摺接面Ｄの側圧、摩擦力が最大とな
るので、シリンダ１０２と、シリンダ１０２に摺接する
ピストン１０１とは、非常に過酷な状態に耐えなければ
ならない。特にシリンダ１０２の中間部は、ピストン１
０１のスピードと側圧、摩擦力が最大となる部分だか
ら、状態は過酷である。

【００１２】長期間の使用や焼き付きを生じたピストン
・シリンダを分解すると、図９（ａ）に示すように、シ
リンダ１０２の中間点Ｃと、ピストン１０１の摺接面Ｄ
とが著しく損傷していることからも、ピストン１０１の
スピードと側圧、摩擦力が最大のきびしい状態をうかが
い知ることができる。また、このピストン１０１のスピ
ードと側圧、摩擦力は、ピストン１０１、シリンダ１０
２の寿命を短くするだけでなく、無用な側圧、摩擦力に
エンジンのパワーが消費され、ピストン・シリンダ機構
の伝動効率、エンジン効率を低下させる元になってい
る。

【００１３】一方、ピストン１０１の往復行程の上下死
点に達するときは、ピストン１０１とシリンダ１０２と
の摺接面Ｄの摩擦力が小さく、制動が効いていない状態
となっているので、オーバーラン気味となって、クラン
クアーム１０４を上死点、下死点で無意味に押したり、
引いたりして、クランクシャフト１０３の軸受や、クラ
ンクピン１０７、ピストンピン１０８に衝撃的に側圧を
加え、いたずらに、これらの部品の損傷を早めることに
なる。

【００１４】長期間の使用や焼き付きを生じたクランク
ピンを分解すると、図９（ｂ）に示すように、クランク
ピン１０７の損傷面Ｅが上記の衝撃を発生する角度位置
に集中していることからも、この事実をうかがうことが
できる。この衝撃力にも、エンジンのパワーが消費さ
れ、ピストン・シリンダ機構の伝動効率、エンジン効率
を低下させる。

【００１５】また、上述したピストン１０１、ピストン
ロッド１０６、クランクシャフト１０３の一直線上の配
置も、エンジン設計上の制約となっていた。

【００１６】この発明は、上述の課題を解決し、ピスト
ン・シリンダ間のピストン行程中間点の摺接面の側圧、
摩擦力が少なく、上下死点の衝撃力が少なく、円滑にピ
ストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換
でき、しかも、ピストン・シリンダとクランクシャフト
との配置上の制約を解消するピストン・クランク機構を
提供するものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに、請求項１のピストン・クランク機構の発明は、ピ
ストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換
するピストン・クランク機構において、シリンダ内を往
復摺動するピストン部と、上記ピストン部の中心軸線付
近に配置されたピストンピンを介してピストン部に枢支
されたフリーリンクと、上記フリーリンクの他端のフリ
ーリンク枢支点に連結されるとともに、クランクシャフ
トとともに回動自在のクランクアームのクランクピンに
連結されて、ピストン部の往復運動をクランクシャフト
に伝達する、複数のリンクからなる中間リンク機構とを
具備し、上記中間リンク機構には、クランクケースおよ
び上記クランクピンに枢支され、かつ、上記フリーリン
クと連結されたクロスリンクを含み、このクロスリンク
がクランクケースとの枢支点を中心とした揺動運動に拘
束されることにより、ピストンの往復運動の中間点にお
いて、上記フリーリンクの軸線のピストン中心軸線に対
する傾斜が少なく維持されるとともに、上記クランクピ
ンの上下死点を結ぶ線と、クロスリンクのクランクケー
スとの枢支点とコネクションロッドとの枢支点とを結ぶ
線とがほぼ直交するようになることを特徴とする。

【００１８】請求項２のピストン・クランク機構の発明
は、ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動
に変換するピストン・クランク機構において、シリンダ
内を往復摺動するピストン部と、上記ピストン部の中心
軸線付近に配置されたピストンピンを介してピストン部
に枢支されたフリーリンクと、一端が上記フリーリンク
に枢支され、他端がクランクシャフトを囲うクランクケ
ースに枢支されたクロスリンクと、上記クロスリンクの
クランクケースとの枢支点を除く任意の部位に一端が枢
支され、他端が上記クランクシャフトとともに回動自在
のクランクアームに枢支されたコネクションロッドとを
具備し、上記クロスリンクがクランクケースとの枢支点
を中心とした揺動運動に拘束されることにより、ピスト
ンの往復運動の中間点において、上記フリーリンクの軸
線のピストン中心軸線に対する傾斜が少なく維持される
とともに、上記クランクピンの上下死点を結ぶ線と、ク
ロスリンクのクランクケースとの枢支点とコネクション
ロッドとの枢支点とを結ぶ線とがほぼ直交するようにな
ることを特徴とする。

【００１９】請求項１および２の発明によれば、ピスト
ンの往復行程の中間点でピストンとシリンダとの側圧、
摺動摩擦が著しく低減され、ピストンが滑らかに摺動
し、上下死点では、若干の側圧、摩擦力が生じて、ピス
トンの制動作用が出る。

【００２０】請求項３の発明のピストン・クランク機構
は、ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動
に変換するピストン・クランク機構において、シリンダ
内を往復摺動するピストン部と、上記ピストン部の中心
軸線付近に配置されたピストンピンを介してピストン部
に枢支されたフリーリンクと、中間点が上記フリーリン
クの他端に枢支されたアイドラーリンクと、一端が上記
アイドラーリンクの一端に枢支され、他端がクランクシ
ャフトを囲うクランクケースの一側に枢支されたクロス
リンクと、一端が上記アイドラーリンクの他端に枢支さ
れ、他端が上記クランクケースの他側に枢支されたガイ
ドリンクと、上記クロスリンクのクランクケースとの枢
支点を除く任意の部位に一端が枢支され、他端がクラン
クシャフトとともに回動自在のクランクアームに枢支さ
れたコネクションロッドとを具備し、上記クロスリンク
がクランクケースとの枢支点を中心とした揺動運動に拘
束されることにより、ピストンの往復運動の中間点にお
いて、上記フリーリンクの軸線のピストン中心軸線に対
する傾斜が少なく維持されるとともに、上記クランクピ
ンの上下死点を結ぶ線と、クロスリンクのクランクケー
スとの枢支点とコネクションロッドとの枢支点とを結ぶ
線とがほぼ直交するようになることを特徴とする。

【００２１】請求項３の発明によれば、フリーリンク軸
線とピストン部の往復運動方向（ピストン中心軸線方
向）とが合致するストローク範囲が広くなり、ピストン
部からクランクシャフトへの伝動効率が一層向上する。

【００２２】また、以上のいずれの発明においても、ピ
ストン・シリンダとクランクシャフトとを一直線上に配
置しなければならないという制約が解消される。

【００２３】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を、以下、
図面を参照して説明する。

【００２４】〔第１実施形態〕図１は、この発明に係る
ピストン・クランク機構の第１の実施の形態を示す説明
図で、ピストン１は、シリンダ２の内径に往復摺動可能
に接している。このピストン１のシリンダ２内での往復
運動が、エンジンの燃料ガスの吸収、圧縮、爆発、燃焼
済みのガスの排気に対応して行われることは、従来のピ
ストン・クランク機構と同様である。

【００２５】３はクランクシャフト、４はクランクアー
ム、５はコネクションロッド、６はピストンロッドであ
る。上記クランクシャフト３は、図示省略の軸受に回転
自在に支承され、クランクアーム４がこのクランクシャ
フト３に固定されている。クランクアーム４の先端部に
は、クランクピン７が設けられ、このクランクピン７に
上記コネクションロッド５の一端に設けた軸受部が回転
自在に嵌合されて、枢支されている。上記クランクシャ
フト３は、上記ピストン１、ピストンロッド部６（この
明細書では、これらをピストン部という）のピストン中
心軸線Ｃp 上にはなく、Ｋだけオフセットして配設され
ている。

【００２６】また、上記ピストンロッド６は、上記ピス
トン１の下側に一体に形成され、ピストン１とともにピ
ストン部を形成している。ピストンロッド６の先端部に
は、ピストンピン８が設けられている。なお、ピストン
部のピストンロッド６を省略して、ピストン１に直接ピ
ストンピン８を設けることもできる。これらの点も、従
来のピストン・クランク機構と同様である。

【００２７】ピストンピン８は、ピストン１の中心軸線
Ｃp 上またはその付近に配置されていて、ピストンピン
８を介して中心軸線Ｃp 方向に外力が加わったとき、ピ
ストン１に中心軸線Ｃp と直交する軸回りの回転モーメ
ントが加わるのを防止している。回転モーメントが加わ
ると、ピストン１とシリンダ２との摺接面に無用な側圧
が加わるからである。

【００２８】上記ピストンロッド６には、ピストンピン
８を介してフリーリンク９の一端が枢支されている。ま
た、このフリーリンク９の他端には、クロスリンク１０
の一端が枢支（１１）されている。このクロスリンク１
０の他端は、クランクシャフト３を囲うクランクケース
１２の一側に枢支（１３）され、また、フリーリンク９
とのフリーリンク枢支点１１には、上記コネクションロ
ッド５の他端が枢支されている。

【００２９】上記の各枢支点７、８、１１、１３では、
それぞれのリンクが相互に揺動自在であるから、ピスト
ン１のシリンダ２内での往復摺動に応じて、フリーリン
ク９、クロスリンク１０およびコネクションロッド５が
揺動し、これによって、クランクアーム４と一体のクラ
ンクシャフト３は、図示しない軸受に支持されて回動す
るようになっている。

【００３０】ピストン１の往復行程の上死点と下死点と
の中間点にあるとき、図１（ｂ）に示すように、フリー
リンク９のピストンロッド６との枢支点８とクロスリン
ク１０との枢支点１１とを結ぶフリーリンク軸線Ｃ9
と、ピストン１の往復運動方向（ピストン中心軸線Ｃp
方向）との傾斜は少なくなるように設定してある。

【００３１】図１の第１の実施の形態では、クロスリン
ク１０およびコネクションロッド５が、ピストン部１、
６の往復運動をクランクシャフト３に伝達する中間リン
ク機構を構成している。そして、アイドラーリンク１７
がピストンの往復運動を伝達してくるリンクとなってい
る。

【００３２】上記クランクシャフト３には、通常の多気
筒エンジンと同様に、図１に示したピストン・シリンダ
機構が複数組、ピストン１−クランクアーム４の位相を
ずらして設けてある。

【００３３】次に、図１に示したピストン・クランク機
構の動作を、エンジンの燃料ガス吸引、圧縮、爆発、燃
焼済みガスの排気の行程に沿って順次説明する。

【００３４】図１（ａ）は、燃料ガスの圧縮行程から爆
発行程へ移る、あるいは、燃焼済みガスの排気から新し
い燃料ガスの吸気へ移る、クランクが上死点にあるとき
の状態である。

【００３５】この状態に至るには、同一クランクシャフ
ト３に設けられた他のピストン・クランク機構（図示省
略）の回転駆動力、あるいは、前行程の爆発行程による
回転駆動に起因する２次慣性力によるクランクシャフト
３のＡ方向への回転により、コネクションロッド５を押
し上げ、クロスリンク１０を枢支点１３を支点として図
の上方向に揺動し、ピストンロッド６を介してピストン
１を押し上げてシリンダ２内の燃料ガスを圧縮し、ある
いは、燃焼済みガスを排気する。この圧縮行程あるいは
排気行程の終点である図１（ａ）の状態になるまでに、
クランクシャフト３の速い回転により、ピストン１には
上方への大きな速度が与えられていて、図１（ａ）の付
近に来たときは、この速度をクランクアーム４と、圧縮
行程の場合は更に圧縮されたガスの圧力とで、抑え込む
のであるが、各リンクの枢支点８、１１、７には駆動時
とは逆の大きい負荷が加わる。

【００３６】ところで、図１（ａ）の上死点付近におい
ては、フリーリンク９のピストンロッド６との枢支点８
とクロスリンク１０との枢支点１１とを結ぶフリーリン
ク軸線Ｃ9 がピストン１の往復運動方向（ピストン中心
軸線Ｃp 方向）となす角度θが０ではなく、フリーリン
ク９からピストン１に下方向に加わる制動力は、真下方
向からθだけ傾いている（図７に示した従来のピストン
・クランク機構では真下）。この傾きにより、ピストン
１は、ピストン中心軸線Ｃp に直交する軸回り（紙面に
垂直の軸回り）の回転モーメントを受け、シリンダ２と
の摺接面Ｄに側圧を加え、摺動により摩擦力を生じる
（図８のＰB ）。この摩擦力が上記の制動力に加担する
ので、その分、各リンクの枢支点８、１１、７の負荷は
軽減されることになる。

【００３７】図１（ａ）からクランクシャフト３が更に
Ａ方向に進んで、爆発行程あるいは吸引行程に移ると、
フリーリンク９の傾きθは次第に小さくなり、それとと
もに摺動面Ｄの側圧、摩擦力は減少していく。爆発行程
の場合は、ピストン１が、ピストンロッド６、フリーリ
ンク９、コネクションロッド５、クランクアーム４を図
の下方へ強力に押し下げ、クランクシャフト３をＡ方向
に回転駆動する。吸引行程の場合は、他のピストン・ク
ランク機構による駆動力や２次慣性力によるクランクシ
ャフト３のＡ方向の回転により、クランクアーム４、コ
ネクションロッド５、フリーリンク９、ピストンロッド
６、ピストン１を下方へ押し下げる。

【００３８】いずれの場合も、図１（ａ）の上支点付近
では、摺動面Ｄの側圧、摩擦力が大きいが、ピストン部
の往復行程の中間点（図１（ｂ））では、クロスリンク
１０のクランクケース１２との枢支点１３を中心とした
揺動（クランクケース１２を基準とした所定の軌跡（枢
支点１３を中心とした円弧）に沿って運動）により、フ
リーリンク９軸線Ｃ9 とピストン中心軸線Ｃp との傾斜
は非常に少なくなる。このため、最もクランクシャフト
３を強く加速する図１（ｂ）の付近では、フリーリンク
９のフリーリンク軸線Ｃ9 がピストン１の往復運動方向
（ピストン中心軸線Ｃp 方向）とほぼ一致して、フリー
リンク９とピストンロッド６の傾きθがほぼ０となり、
ピストン１とシリンダ２との摺接面Ｄの側圧が理論上０
となって摩擦抵抗がなくなり、ピストン１が最もパワー
を出す図１（ｂ）の付近で、ピストン１は非常に効率よ
く、滑らかにクランクシャフト３を駆動することにな
る。

【００３９】図１（ｃ）の下死点に向かうと、クロスリ
ンク１０が更に揺動して、今度は、フリーリンク９のク
ロスリンク１０との枢支点１１がピストン中心軸線Ｃp
から離れ、フリーリンク９とピストンロッド６の傾きθ
が増加し始め、これにより摺接面Ｄの側圧、摩擦抵抗も
増えて、下死点に向けて制動力を生じ、ピストン１の下
降から上昇への運動の反転に有効に作用する。

【００４０】図１（ｃ）の下死点から、排気行程あるい
は圧縮行程に入り、図１（ａ）に至る状態は、図示は省
略したが、ピストン１を加速する行程の中間で、図１
（ｂ）付近と同様に、フリーリンク９のフリーリンク軸
線Ｃ9 がピストン１の往復運動方向（ピストン中心軸線
Ｃp 方向）とほぼ一致して、フリーリンク９とピストン
ロッド６の傾きθがほぼ０となり、ピストン１とシリン
ダ２との摺接面Ｄの側圧が理論上０となって摩擦抵抗が
なくなり、ピストン１は、摺接部Ｄの側圧、摩擦抵抗に
妨げられることなく、効率よく、スムーズに上昇する。
そして、前述のように、上死点付近に近づくと摺接面Ｄ
の側圧、摩擦抵抗が大きくなって、制動力として作用す
る。

【００４１】以上のように、図１に示した実施の形態に
おいては、ピストンの往復行程の中間点では、ピストン
中心軸線Ｃp とフリーリンク軸線Ｃ9 との傾斜が少な
く、ピストン１とシリンダ２との摺接面Ｄの側圧、摩擦
抵抗が０になり、また、クランクピンの上下死点Ｃb 、
Ｃd を結ぶ線と、クロスリンク１０のクランクケース１
２との枢支点１３とコネクションロッド５との枢支点１
１ａとを結ぶ線とがほぼ直交するようになって各枢支点
の軸受負荷が過大とならず、一方、上死点と下死点とで
は摺接面Ｄの側圧、摩擦抵抗が適度に生じて、ピストン
１の往復運動を非常に効率よく、スムーズに行うことが
でき、ピストン１、シリンダ２間の摺接面Ｄでのエネル
ギー損失を減少し、伝動効率が向上する。

【００４２】〔第２実施形態〕図２に示した第２実施形
態は、クランクシャフト３を、ピストン部のピストン中
心軸線Ｃp 上に配設した例であり、同一機能の部分には
同一の符号を付してある。

【００４３】この実施の形態においても、ピストンの往
復行程の中間点では、ピストン中心軸線Ｃp とフリーリ
ンク軸線Ｃ9 との傾斜が少なく、ピストン１とシリンダ
２との摺接面Ｄの側圧、摩擦抵抗が０になり、また、ク
ランクピンの上下死点Ｃb 、Ｃd を結ぶ線と、クロスリ
ンク１０のクランクケース１２との枢支点１３とコネク
ションロッド５との枢支点１１ａとを結ぶ線とがほぼ直
交するようになって各枢支点の軸受負荷が過大となら
ず、一方、上死点と下死点とでは摺接面Ｄの側圧、摩擦
抵抗が適度に生じて、ピストン１の往復運動を非常に効
率よく、スムーズに行うことができ、ピストン１、シリ
ンダ２間の摺接面Ｄでのエネルギー損失を減少し、伝動
効率が向上する。

【００４４】〔第３実施形態〕図３に示した第３実施形
態は、上記第１および第２の実施の形態と異なり、クロ
スリンク１０のコネクションロッド５との枢支点１１ａ
をフリーリンク９との枢支点１１と別の位置に設けたも
のである。

【００４５】〔第４実施形態〕図４は、この発明の第４
の実施の形態を示す。この第４の実施の形態は、クロス
リンク１４とコネクションロッド５との枢支点が異なる
点を除けば、上述の第１の実施の形態と同様である。従
って、第１の実施の形態と同一の部分については、同一
の符号を付けて、その詳細な説明は省略する。

【００４６】図４において、クロスリンク１４とコネク
ションロッド５との枢支点１５は、クロスリンク１４と
フリーリンク９とのフリーリンク枢支点１１よりもクラ
ンクケース１２との枢支点１３側にあって、クロスリン
ク１４のコネクションロッド５との枢支点１５からクラ
ンクケース１２の枢支点１３までの長さＬ１が、ピスト
ン１側に連なるフリーリンク９との枢支点１１からクラ
ンクケース１２の枢支点１３までの長さＬ２よりも短く
配設されている。

【００４７】ピストン１の中間点では、フリーリンク枢
支点１１は、図２の１１ｂ（１１ｄ）に、枢支点１５は
１５ｂ（１５ｄ）に、そして、枢支点７は７ｂ（７ｄ）
にあって、ピストンロッド６とフリーリンク９は、ピス
トンの中心軸線Ｃp 上で一直線状になり、上死点では、
枢支点１５は１５ａに、枢支点７は７ａに、下死点で
は、枢支点１５は１５ｃに、枢支点７は７ｃにそれぞれ
移動する。

【００４８】この実施の形態においては、「てこ」の原
理によって、ピストン１の往復運動に対してコネクショ
ンロッド５の動きは、図１の実施の形態と比べて、ほぼ
Ｌ１／Ｌ２と減少し、コネクションロッド５がクランク
アーム４を駆動する力は、Ｌ２／Ｌ１と増加する。この
「てこ」の原理により、図２の実施の形態においては、
クランクシャフト３を回転駆動する力が一層強力にな
る。なお、吸気、圧縮、爆発、排気の工程における状態
は、図１の場合と同様である。

【００４９】図４の第４の実施の形態では、クロスリン
ク１４およびコネクションロッド５が、ピストン部１、
６の往復運動をクランクシャフト３に伝達する中間リン
ク機構を構成している。そして、アイドラーリンク１７
がピストンの往復運動を伝達してくるリンクとなってい
る。

【００５０】〔第５実施形態〕図５は、この発明の第５
の実施の形態を示す。この第５の実施の形態は、クロス
リンク１４をＬ字形のレバーとした点を除けば、上述の
第３の実施の形態と同様である。従って、第３の実施の
形態と同一の部分については、同一の符号を付けて、そ
の詳細な説明は省略する。

【００５１】この第５の実施の形態においても、クロス
リンク１４のコネクションロッド５との枢支点１５から
クランクケース１２の枢支点１３までの長さＬ１が、ピ
ストン１側に連なるフリーリンク９とのフリーリンク枢
支点１１からクランクケース１２の枢支点１３までの長
さＬ２よりも短くしてあって、「てこ」の原理によっ
て、クランクシャフト３を回転駆動する力が一層強力に
なっている。

【００５２】なお、ピストン１の中間点では、上記フリ
ーリンク９の軸線のピストン中心軸線Ｃｐに対する傾斜
が少なく、クランクピン７の上下死点７ａ、７ｃを結ぶ
線と、クロスリンク１４のクランクケース１２との枢支
点１３とコネクションロッド５との枢支点とを結ぶ線と
がほぼ直交するようになる。

【００５３】図５の第５の実施の形態では、クロスリン
ク１４およびコネクションロッド５が、ピストン部１、
６の往復運動をクランクシャフト３に伝達する中間リン
ク機構を構成している。

【００５４】第５の実施の形態によれば、ピストン１と
クランクシャフト３とのレイアウトの自由度を増し、ク
ランクシャフト３をピストン１の中心軸線Ｃp から大き
くずらした設計を可能とする。

【００５５】〔第６実施形態〕図６は、この発明の第６
の実施の形態を示す。この第６の実施の形態は、コネク
ションロッド５とクランクアーム４との関係は、図４の
第４の実施の形態と同様である。ピストン中心軸線Ｃp
からクランクシャフトは外れた位置に配置してある。

【００５６】第６の実施の形態では、ピストン１の往復
運動中にフリーリンク９がピストン中心軸線Ｃp からあ
まりずれないにように、いわゆる、パラレルリンクを使
用している。

【００５７】すなわち、アイドラーリンク１７は、その
中心がフリーリンク９の下端に枢支（１８）され、ま
た、図の右端がクロスリンク１４の一端に枢支（１９）
され、他端がガイドリンク２０の一端に枢支（２１）さ
れている。上記ガイドリンク２０は、その他端がクラン
クケース１２のクロスリンク１４との枢支点１３と反対
側のクランクケース１２に枢支（２２）されている。

【００５８】ガイドリンク２０の長さ（アイドラーリン
ク１７との枢支点２１からクランクケース１２との枢支
点２２までの長さ）を、クロスリンク１４の長さ（アイ
ドラーリンク１７との枢支点１９からクランクケース１
２との枢支点１３までの長さ）と等しくし、また、アイ
ドラーリンク１７のフリーリンク９とのフリーリンク枢
支点１８からクロスリンク１４との枢支点１９までの長
さを、フリーリンク９とのフリーリンク枢支点１８から
ガイドリンク２０との枢支点２１までの長さと等しくし
てある。そして、ピストン１の行程の中間点で、クロス
リンク１４とガイドリンク２０とがピストン中心軸線Ｃ
p と直交（アイドラーリンク１７との枢支点１９または
２１とクランクケース１２との枢支点１３または２２と
を結ぶ直線がピストン中心軸線Ｃp と直交）し、アイド
ラーリンク１７がこの間で傾斜しているようにする。こ
のように構成したパラレルリンクにおいては、ピストン
１の行程の中間点の前後の広い範囲で、アイドラーリン
ク１７の中心点、すなわち、フリーリンク枢支点１８が
ほぼピストン中心軸線Ｃp に沿って移動する。

【００５９】なお、ピストン１の中間点では、枢支点１
５は１５ｄ（１５ｂ）に、枢支点７は、７ｄ（７ｂ）に
あり、上死点では、枢支点１５は１５ａに、枢支点７は
７ａに、また、下死点では、枢支点１５は１５ｃに、枢
支点７は７ｃにそれぞれ移動する。

【００６０】図６の第６の実施の形態では、アイドラー
リンク１７、ガイドリンク２０、クロスリンク１４およ
びコネクションロッド５が、ピストン部１、６の往復運
動をクランクシャフト３に伝達する中間リンク機構を構
成している。そして、アイドラーリンク１７がピストン
の往復運動を伝達してくるリンクとなっている。

【００６１】この実施の形態においては、フリーリンク
９のピストンロッド６との枢支点８とアイドラーリンク
１７との枢支点１８とを結ぶフリーリンク軸線Ｃ9 が、
ピストン１往復行程にわたって、ピストン１の往復運動
方向（ピストン中心軸線Ｃp方向）とほぼ同じ傾きとな
っているから、ピストン１とシリンダ２との摺接面Ｄに
加わる面圧、摩擦力はピストン１の広いストローク範囲
で常に非常に小さく、また、この中間点でクランクピン
の上下死点を結ぶ線と、クロスリンクのクランクケース
との枢支点とコネクションロッドとの枢支点とを結ぶ線
とがほぼ直交するようになるから、ピストン１からクラ
ンクシャフト３への伝動効率が一層向上する。

【００６２】以上、詳細に説明したように、この発明の
ピストン・クランク機構においては、ピストン１とシリ
ンダ２との摺接面Ｄに加わる面圧、摩擦力が著しく小さ
くなり、これによるエネルギー損失が大幅に減少して伝
動効率が向上するから、相対的に低出力のエンジンを使
用することができる。燃料、燃料ガスの圧力、着火時
期、燃焼時間、燃焼温度等も選択可能範囲が広がり、最
適な選択を行うことによって、低燃費化、出力向上、排
出ガス中のＣＯ、Ｈ、Ｃ等の削減効果をもたらすことが
できる。

【００６３】また、駆動トルクが比較的小さくて済むか
ら、アイドリング回転を低くすることができ、稀薄燃
料、代替燃料の使用でも充分の出力を得ることができ
る。

【００６４】上述の実施の形態では、内燃機関の場合に
ついて説明したが、他のエンジンにこの発明を用いても
同様の作用効果があることは勿論である。

【００６５】また、上述の実施の形態では、中間リンク
機構のうち、ピストン部の往復摺動行程に応じて、クラ
ンクシャフトを囲うクランクケースを基準とした所定の
軌跡に沿って運動するリンクとして、クランクケースに
枢支されたクロスリンク１０、１４を用いたが、例え
ば、クランクケースに取り付けた溝カムにクロスリンク
をガイドさせてもよい。クロスリンクの運動軌跡は、必
ずしも円弧でなくてもよい。

【００６６】

【発明の効果】以上に説明したように、この発明によれ
ば、ピストン部がその往復行程の中間点、あるいは、そ
の近辺にあるとき、ピストン部に連なるフリーリンクの
軸線と、ピストン部の往復運動方向（ピストン中心軸線
Ｃp 方向）との傾斜が少なく、クランクピンの上下死点
を結ぶ線と、クロスリンクのクランクケースとの枢支点
とコネクションロッドとの枢支点とを結ぶ線とがほぼ直
交するようにしたから、ピストンの往復行程の中間点、
あるいは、その近辺で、ピストンとシリンダとの側圧、
摺動摩擦が著しく低減され、ピストンが滑らかに摺動
し、上下死点では、若干の側圧、摩擦力が生じて、ピス
トンの制動作用が出て、ピストンの円滑な上下動折り返
しができ、ピストン・シリンダの損耗を低減するととも
に、伝動効率を向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るピストン・クランク機構の第１
の実施の形態を示す説明図で、（ａ）は、上死点におけ
る状態、（ｂ）は、上死点から下死点への行程の中間点
における状態、（ｃ）は、下死点における状態を示す。

【図２】この発明に係るピストン・クランク機構の第２
の実施の形態を示す説明図で、（ａ）は、上死点におけ
る状態、（ｂ）は、上死点から下死点への行程の中間点
における状態、（ｃ）は、下死点における状態を示す。

【図３】この発明に係るピストン・クランク機構の第３
の実施の形態を示す説明図で、（ａ）は、上死点におけ
る状態、（ｂ）は、上死点から下死点への行程の中間点
における状態、（ｃ）は、下死点における状態を示す。

【図４】この発明に係るピストン・クランク機構の第４
の実施の形態を示す説明図。

【図５】この発明に係るピストン・クランク機構の第５
の実施の形態を示す説明図。

【図６】この発明に係るピストン・クランク機構の第６
の実施の形態を示す説明図。

【図７】従来のピストン・クランク機構を示す説明図
で、（ａ）は、上死点における状態、（ｂ）は、上死点
から下死点への行程の中間点における状態、（ｃ）は、
下死点における状態、（ｄ）は、下死点から上死点への
行程の中間点における状態を示す。

【図８】ピストン・クランク機構のクランクロッドに加
わる側圧、摩擦力のストローク中の変化を、従来のもの
と、この発明のものとを比較して示す説明図。

【図９】従来のピストン・クランク機構を使用したエン
ジンの損耗状態を示す斜視図で、（ａ）は、ピストン／
シリンダの損耗状態、（ｂ）は、クランクピンとこれに
嵌合する軸受の損耗状態を示す。

【符号の説明】

１ピストン２シリンダ３クランクシャフト４クランクアーム５コネクションロッド６ピストンロッド７クランクピン（コネクションロッド５とクランクア
ーム４の枢支点）８ピストンピン（ピストンロッド６とフリーリンク９
の枢支点）９フリーリンク１０クロスリンク１１フリーリンク枢支点（フリーリンク９とクロスリ
ンク１０の枢支点）１２クランクケース１３枢支点（クロスリンク１０とクランクケース１２
の）１４クロスリンク１５枢支点（クロスリンク１４とコネクションロッド
５との）１７アイドラーリンク１８フリーリンク枢支点（フリーリンク９とアイドラ
ーリンク１７との枢支点）１９枢支点（クロスリンク１４とアイドラーリンク１
７との）２０ガイドリンク２１枢支点（アイドラーリンク１７とガイドリンク２
０との）２２枢支点（ガイドリンク２０とクランクケース１２
との）Ｃp ピストンの中心軸線Ｃ9 フリーリンク軸線Ｄ摺接面（ピストン１とシリンダ２との）Ｌ１クロスリンク１４のコネクションロッド５との枢
支点１５からクランクケース１２の枢支点１３までの長
さＬ２クロスリンク１４のフリーリンク９との枢支点１
１（または、アイドラーリンク１７との枢支点１９）か
らクランクケース１２の枢支点１３までの長さ

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年１１月１７日（１９９９．１１．
１７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに、請求項１のピストン・クランク機構の発明は、ピ
ストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換
するピストン・クランク機構において、シリンダ内を往
復摺動するピストン部と、上記ピストン部の中心軸線付
近に配置されたピストンピンを介してピストン部に枢支
されたフリーリンクと、上記フリーリンクに、その他端
のフリーリンク枢支点で連結されるとともに、クランク
シャフトととともに回動自在のクランクアームに、その
クランクピンで揺動自在に連結されて、ピストン部の往
復運動を伝達してクランクシャフトの回転運動に変換す
る、複数のリンクからなる中間リンク機構とを具備し、
上記中間リンク機構には、クランクピンで一端がクラン
クアームに揺動自在に連結されたコネクションロッド、
および、上記コネクションロッドの他端でコネクション
ロッドに、上記フリーリンク枢支点でフリーリンクにそ
れぞれ揺動自在に連結されるとともに、クランクケース
に枢支されたクロスリンクを含み、このクロスリンクが
クランクケースとの枢支点を中心とした揺動運動に拘束
されることにより、ピストンの往復運動の中間点におい
て、上記フリーリンクの軸線のピストン中心軸線に対す
る傾斜が少なく維持されるとともに、上記クランクピン
の上下死点を結ぶ線と、クロスリンクのクランクケース
との枢支点とコネクションロッドとの枢支点とを結ぶ線
とがほぼ直交するようになることを特徴とする。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】この発明に係るピストン・クランク機構の第３
の実施の形態を示す説明図。 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年１２月１７日（１９９９．１２．
１７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３１】図１の第１の実施の形態では、クロスリン
ク１０およびコネクションロッド５が、ピストン部１、
６の往復運動をクランクシャフト３に伝達する中間リン
ク機構を構成している。そして、クロスリンク１０およ
びコネクションロッド５は、また、ピストンの往復運動
を伝達してくるリンクとなっている。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４７】ピストン１の中間点では、フリーリンク枢
支点１１は、図４の１１ｂ（１１ｄ）に、枢支点１５は
１５ｂ（１５ｄ）に、そして、枢支点７は７ｂ（７ｄ）
にあって、ピストンロッド６とフリーリンク９は、ピス
トンの中心軸線Ｃp 上で一直線状になり、上死点では、
枢支点１５は１５ａに、枢支点７は７ａに、下死点で
は、枢支点１５は１５ｃに、枢支点７は７ｃにそれぞれ
移動する。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４８】この実施の形態においては、「てこ」の原
理によって、ピストン１の往復運動に対してコネクショ
ンロッド５の動きは、図１の実施の形態と比べて、ほぼ
Ｌ１／Ｌ２と減少し、コネクションロッド５がクランク
アーム４を駆動する力は、Ｌ２／Ｌ１と増加する。この
「てこ」の原理により、図４の実施の形態においては、
クランクシャフト３を回転駆動する力が一層強力にな
る。なお、吸気、圧縮、爆発、排気の工程における状態
は、図１の場合と同様である。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４９】図４の第４の実施の形態では、クロスリン
ク１４およびコネクションロッド５が、ピストン部１、
６の往復運動をクランクシャフト３に伝達する中間リン
ク機構を構成している。そして、フリーリンク９がピス
トンの往復運動を伝達してくるリンクとなっている。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ピストンの往復運動をクランクシャフト
の回転運動に変換するピストン・クランク機構におい
て、シリンダ内を往復摺動するピストン部と、上記ピストン部の中心軸線付近に配置されたピストンピ
ンを介してピストン部に枢支されたフリーリンクと、上記フリーリンクの他端のフリーリンク枢支点に連結さ
れるとともに、クランクシャフトとともに回動自在のク
ランクアームのクランクピンに連結されて、ピストン部
の往復運動をクランクシャフトに伝達する、複数のリン
クからなる中間リンク機構とを具備し、上記中間リンク機構には、クランクケースおよび上記ク
ランクピンに枢支され、かつ、上記フリーリンクと連結
されたクロスリンクを含み、このクロスリンクがクランクケースとの枢支点を中心と
した揺動運動に拘束されることにより、ピストンの往復
運動の中間点において、上記フリーリンクの軸線のピス
トン中心軸線に対する傾斜が少なく維持されるととも
に、上記クランクピンの上下死点を結ぶ線と、クロスリ
ンクのクランクケースとの枢支点とコネクションロッド
との枢支点とを結ぶ線とがほぼ直交するようになること
を特徴とするピストン・クランク機構。
【請求項２】ピストンの往復運動をクランクシャフト
の回転運動に変換するピストン・クランク機構におい
て、シリンダ内を往復摺動するピストン部と、上記ピストン部の中心軸線付近に配置されたピストンピ
ンを介してピストン部に枢支されたフリーリンクと、一端が上記フリーリンクに枢支され、他端がクランクシ
ャフトを囲うクランクケースに枢支されたクロスリンク
と、上記クロスリンクのクランクケースとの枢支点を除く任
意の部位に一端が枢支され、他端が上記クランクシャフ
トとともに回動自在のクランクアームに枢支されたコネ
クションロッドとを具備し、上記クロスリンクがクランクケースとの枢支点を中心と
した揺動運動に拘束されることにより、ピストンの往復
運動の中間点において、上記フリーリンクの軸線のピス
トン中心軸線に対する傾斜が少なく維持されるととも
に、上記クランクピンの上下死点を結ぶ線と、クロスリ
ンクのクランクケースとの枢支点とコネクションロッド
との枢支点とを結ぶ線とがほぼ直交するようになること
を特徴とするピストン・クランク機構。
【請求項３】ピストンの往復運動をクランクシャフト
の回転運動に変換するピストン・クランク機構におい
て、シリンダ内を往復摺動するピストン部と、上記ピストン部の中心軸線付近に配置されたピストンピ
ンを介してピストン部に枢支されたフリーリンクと、中間点が上記フリーリンクの他端に枢支されたアイドラ
ーリンクと、一端が上記アイドラーリンクの一端に枢支され、他端が
クランクシャフトを囲うクランクケースの一側に枢支さ
れたクロスリンクと、一端が上記アイドラーリンクの他端に枢支され、他端が
上記クランクケースの他側に枢支されたガイドリンク
と、上記クロスリンクのクランクケースとの枢支点を除く任
意の部位に一端が枢支され、他端がクランクシャフトと
ともに回動自在のクランクアームに枢支されたコネクシ
ョンロッドとを具備し、上記クロスリンクがクランクケースとの枢支点を中心と
した揺動運動に拘束されることにより、ピストンの往復
運動の中間点において、上記フリーリンクの軸線のピス
トン中心軸線に対する傾斜が少なく維持されるととも
に、上記クランクピンの上下死点を結ぶ線と、クロスリ
ンクのクランクケースとの枢支点とコネクションロッド
との枢支点とを結ぶ線とがほぼ直交するようになること
を特徴とするピストン・クランク機構。