JP2004060769A

JP2004060769A - 動力機構

Info

Publication number: JP2004060769A
Application number: JP2002220077A
Authority: JP
Inventors: Genichi Murakami; 村上　元一
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】ピストンに側圧力が生じない動力機構を提供すること
【解決手段】往復運動する少なくとも一つのピストン１〜４と、ピストン１〜４の運動方向に平行な回転軸に固定され、高さが波形に変化する第１カム面５１が上面縁に沿って形成された第１の面カム５と、第１の面カム５と同軸に回転し、高さが波形に変化する第２カム面６１が上面縁に沿って形成された第２の面カム６と、第２の面カム６が第１の面カム５に対して逆回転したときに第１面カム５と同方向の回転力を回転軸に伝達する伝達機構８，９とを備え、第１カム面５１および第２カム面６１の高さおよび波数は互いに同じであり、ピストン１〜４は第１カム面５１と接する第１ローラ１１，２１，３１，４１と第２カム面６１と接する第２ローラ２１，２２，３２，４２とを有し、第１カム面５１と第１ローラ１１，２１，３１，４１との接触角θ１と第２カム面６１と第２ローラ２１，２２，３２，４２との接触角θ２とがピストン１〜４の運動方向に対して対称であることを特徴とする。
【選択図】
図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直線運動を回転運動に変える機構を含む動力機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な４サイクルエンジンでは、クランク・コンロッド機構を利用してピストンの往復運動を回転運動に変換して出力している。これに対して、大幅な部品点数の低減および小型化を目的として、クランク・コンロッド機構の代わりにローラと面カムを用いたカムエンジンがある（Ｄｙｎａ−Ｃａｍ　ｅｎｇｉｎｅ　（ＡＯＰＡ−４５−ＯＣＴＯＢＥＲ１９９７）。このカムエンジンでは、ピストン下部に設けられたローラが面カムのカム面上を転がることにより、ピストンの往復運動が面カムの回転運動に変換される機構がクランク・コンロッド機構の代わりに用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来のカムエンジンの場合、面カムからピストンのローラに与えられる反力のうち、ピストンの往復運動方向に垂直な方向の成分が大きいという問題があった。この反力は、ピストンがシリンダ壁面を押し付ける力すなわち側圧力となり、これが大きくなるにしたがってピストンとシリンダとの間の摩擦力が大きくなり、エネルギー効率の低下をまねく。特に、小型化を図るために、面カムのカム径を小さくしようとすると、側圧力が増大してしまうという問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の動力機構はこのような問題を解決するためになされたものであり、往復運動する少なくとも一つのピストンと、ピストンの運動方向に平行な回転軸に固定され、高さが波形に変化する第１カム面が上面縁に沿って形成された第１の面カムと、第１の面カムと同軸に回転し、高さが波形に変化する第２カム面が上面縁に沿って形成された第２の面カムと、第２の面カムが第１の面カムに対して逆回転したときに第１面カムと同方向の回転力を回転軸に伝達する伝達機構とを備え、第１カム面および第２カム面の高さおよび波数は互いに同じであり、ピストンは第１カム面と接する第１ローラと第２カム面と接する第２ローラとを有し、第１カム面と第１ローラとの接触角と第２カム面と第２ローラとの接触角とがピストンの運動方向を基準にして対称であることを特徴とする。
【０００５】
ピストンの往復運動に伴って第１および第２ローラが往復運動すると、第１ローラにカム面が接触している第１の面カムおよび第２ローラにカム面が接触している第２の面カムが互いに逆方向に回転する。第１の面カムの回転力は直接回転軸に伝達され、第２の面カムの回転力は伝達機構を介して回転軸に伝達される。第２の面カムの回転力は、伝達機構によって第１の面カムと同方向の回転力として回転軸に加えられる。これによって、ピストンの往復運動が回転運動に変換されることになる。
【０００６】
一方、第１カム面と第１ローラとの接触角と第２カム面と第２ローラとの接触角とがピストンの運動方向を基準にして常に対称となっているので、第１カム面から第１ローラに与えられる反力ベクトルと第２カム面から第２ローラに与えられる反力ベクトルはピストンの運動方向を基準にして常に対称となっている。そのため、これら二つの反力におけるピストンの往復運動方向に垂直な方向の成分が互いに相殺され、ピストンがシリンダ壁面を押し付ける側圧力が生じない。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態である動力機構を示す斜視図である。この動力機構は、４つのピストン１〜４を備える４気筒の４サイクルエンジンであり、往復運動を回転運動に変換する要素として、回転中心が一致している２つの面カム５および６を備える。
【０００８】
４つのピストン１〜４は、面カム５および６の回転中心線７から等距離の位置に互いに等間隔に配置されている。また、ピストン１〜４は、図示を省略したシリンダ内を上下に往復運動するように構成されており、ピストンの往復運動方向は、面カム５および６の回転中心線７に平行である。
【０００９】
ピストン１〜４の下部には、それぞれ面カム５のカム面５１に接する第１ローラ１１、２１、３１、４１と、面カム６のカム面６１に接する第２ローラ１２、２２、３２、４２とを備える。ただし、ピストン２の第２ローラ２２およびピストン４の第１ローラ４１は、図１には表記されていない。
【００１０】
図２は、面カム５および６をその回転中心線７を通る面で切断したときの断面図である。面カム５は４サイクルエンジンとしての出力軸５１を回転中心線７と同軸に備えている。面カム５の円周方向外側には面カム６が配置されており、面カム５の外周壁および面カム６の内周壁にはそれぞれ歯車としての歯が切られている。内歯車としての面カム５と外歯車としての面カム６は遊星歯車８および９によって連結されている。
【００１１】
面カム６が時計方向（矢印Ａ方向）に回転すると、遊星歯車８および９もそれぞれ時計方向（矢印Ｃ方向および矢印Ｄ方向）に回転する。そして遊星歯車８および９の回転はさらに面カム５に伝達され、面カム５は反時計方向（矢印Ｂ方向）に回転する。このように、面カム５および６は互いに逆回転したとき、出力軸５１に同方向の回転力が伝達されるようになっている。
【００１２】
図３は面カム５および６をそれぞれ展開した図であり、横軸に展開角度をとり、縦軸にカム面の高さをとっている。面カム５のカム面５１の高さが実線で示されており、面カム６のカム面６１の高さが破線で示されている。同図からわかるように、カム面５１および６１の高さはいずれも同一の振幅で正弦波状に変化しており、いずれも一周が正弦波の二周期に対応している。
【００１３】
図３において、各ピストンの動作タイミングは、たとえば、ピストン１が膨張行程において下降中だとすると、ピストン３が吸気行程で下降中であり、ピストン２または４は圧縮行程または排気行程で上昇中となる。
【００１４】
図４および図５は、図３におけるピストン１の第１ローラ１１および第２ローラ１２とカム面５１およびカム面６１との当接状態を示すものであり、図４を正面図とすると図５が側面図となる。
【００１５】
第１ローラ１１とカム面５１との接触角（ピストン１の往復運動方向に垂直な面と接触面とのなす角度）をθ１とし、第２ローラ１２とカム面６１との接触角をθ２とすると、θ１とθ２は、ピストン１の上下位置にかかわらず常にピストン１の往復運動方向を基準にして対称となり等しい値となる。
【００１６】
今、ピストン１が下降局面にあるすると、第１ローラ１１からカム面５１に対して垂直な力Ｆ１が加わる。この力Ｆ１は水平方向成分Ｆ２を含んでいるため、面カム５は矢印Ｄ１の方向に回転する。同様に、第２ローラ１２からカム面６１に対して垂直な力が加わり、その水平成分の力によって面カム６は矢印Ｄ２の方向に回転する。
【００１７】
このとき、面カム５および６は、回転方向と反対向きの水平方向反力をローラ１１および１２を介してピストン１に与えることになるが、これら二つの反力は値が等しく向きが反対であるため、相互に相殺される。したがって、ピストン１がシリンダ壁１００を押圧するいわゆる側圧力は実質的に零となる。
【００１８】
以上はシリンダ１が膨張行程にある場合を例にとって、側圧力が零となることを説明したが、排気行程、吸気行程および圧縮行程においても、接触角θ１とθ２は、ピストン１の往復運動方向を基準にして対称となり等しい値となるので、面カム５および６がローラ１１および１２を介してピストン１に与える水平方向成分の力は常に相殺され、側圧力は常に零である。
【００１９】
他のシリンダ２〜４についても、シリンダ１と全く同様のメカニズムによって側圧力は常に零となる。
【００２０】
なお、本実施形態は４気筒４サイクルエンジンであるが、４気筒に限定されるものではない。
【００２１】
本実施形態では、カム面５１および６１は正弦波状であるが、接触角θ１とθ２が等しくなるような波形であれば、正弦波に限定されるものではない。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明の動力機構によれば、ピストンの往復運動を面カムの回転運動に変換する機構を備えた動力機構において、ピストンに側圧力を全く生じさせないので、ピストンとシリンダとの間の無用な摩擦力を抑制することができ、高いエネルギー効率で駆動することができる。特に、小型化を目的として面カムの径を小さくしても側圧力を生じさせないという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である４気筒４サイクルエンジンの主要部を示す斜視図。
【図２】面カム５および６をその回転中心線７を通る面で切断したときの断面図。
【図３】面カム５および６をそれぞれ展開した図。
【図４】図３におけるピストン１の第１ローラ１１および第２ローラ１２とカム面５１およびカム面６１との当接状態を示す正面図。
【図５】図３におけるピストン１の第１ローラ１１および第２ローラ１２とカム面５１およびカム面６１との当接状態を示す側面図。
【符号の説明】
１〜４…ピストン、５…第１面カム、６…第２面カム、７…回転中心線、８，９…遊星歯車、１１，２１，３１，４１…第１ローラ、１２，２２，３２，４２…第２ローラ、５１…第１カム面、６２…第２カム面、１００…シリンダ。

Claims

往復運動する少なくとも一つのピストンと、
前記ピストンの運動方向に平行な回転軸に固定され、高さが波形に変化する第１カム面が上面縁に沿って形成された第１の面カムと、
前記第１の面カムと同軸に回転し、高さが波形に変化する第２カム面が上面縁に沿って形成された第２の面カムと、
前記第２の面カムが前記第１の面カムに対して逆回転したときに前記第１面カムと同方向の回転力を前記回転軸に伝達する伝達機構と、を備え、
前記第１カム面および前記第２カム面の高さおよび波数は互いに同じであり、
前記ピストンは前記第１カム面と接する第１ローラと前記第２カム面と接する第２ローラとを有し、前記第１カム面と前記第１ローラとの接触角と前記第２カム面と前記第２ローラとの接触角とが前記ピストンの運動方向を基準にして対称であることを特徴とする動力機構。
前記第２の面カムが前記第１の面カムの外周に配置され、前記第１の面カムが内歯車となっており、前記第２の面カムが外歯車となっており、前記内歯車と前記外歯車の間に遊星歯車が介在することにより前記伝達機構が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の動力機構。