JP2005106071A - Power transmission mechanism - Google Patents
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Description
本発明は、動力伝達機構に関する。 The present invention relates to a power transmission mechanism.
従来、自動車等のエンジンにおいては、ピストンにコンロッドの一端が連結され、コンロッドの他端がクランクシャフトに連結されている。クランクシャフトには、クランクシャフトと同軸まわりに回転する伝達ギヤが設けられ、伝達ギヤには出力ギヤが噛み合わされている。このような構造とすることにより、クランクシャフトの回転が伝達ギヤ、出力ギヤの順に伝達され、出力ギヤの回転がエンジン外部のモータ等に伝達されるようになっている。(例えば、特許文献1参照。)。
ところで、エンジン(レシプロエンジン)等のようにピストン、コンロッド、クランクシャフトがあり、直線往復運動と回転運動がある系においては、ピストンを往復させる運動エネルギーはクランクシャフトの運動エネルギーから授受される。
すなわち、ピストンが上死点にいるときの運動エネルギーは0であり、そのときのクランクシャフトの回転速度は最大であり、運動エネルギーも最大になる。クランクが90度回ってピストンの位置が中点になると、ピストンの速度は最大となり、ピストンの運動エネルギーも最大になる。このエネルギーはクランクシャフトからもらったものであるから、その分、クランクシャフトの回転速度は減少する。更に、ピストンが中点から下死点に移動する間は、ピストンの慣性力がクランクシャフトの回転を速める方向に働き、すなわち、ピストンの運動エネルギーをクランクシャフトに与えることになる。したがって、クランクシャフトは、回転速度を増加させることになる。そして、下死点に到達すると、ピストンの運動エネルギーは0に、クランクシャフトの運動エネルギーは最大になる。そして、どの時点においても、クランクシャフトの運動エネルギーと、ピストンの運動エネルギーの総和は一定となる(もちろん、エンジンの回転速度全体が変われば変わってしまう。)。したがって、クランクシャフトの回転速度の脈動は必然的に発生するものである。実際には、エンジンは、吸気、圧縮、爆発、排気の各工程で様々な力を受けるので、その際に回転速度の変動を受けるが、従来のエンジンの設計においては、回転速度の脈動についてはそれほど考慮されていなかった。
しかし、エンジンの性能を向上させるためにはこれらの各工程の力を無視することができず、エンジンそのものが基本的に有する脈動要因を排除する必要があった。
By the way, in a system having a piston, a connecting rod, and a crankshaft such as an engine (reciprocating engine) and having a linear reciprocating motion and a rotational motion, the kinetic energy for reciprocating the piston is transferred from the kinetic energy of the crankshaft.
That is, the kinetic energy when the piston is at top dead center is zero, the rotational speed of the crankshaft at that time is maximum, and the kinetic energy is also maximum. When the crank rotates 90 degrees and the piston position reaches the midpoint, the piston speed becomes maximum and the piston kinetic energy also becomes maximum. Since this energy is obtained from the crankshaft, the rotational speed of the crankshaft decreases accordingly. Further, while the piston moves from the midpoint to the bottom dead center, the inertial force of the piston acts in a direction that accelerates the rotation of the crankshaft, that is, gives the piston kinetic energy to the crankshaft. Therefore, the crankshaft increases the rotational speed. When the bottom dead center is reached, the kinetic energy of the piston becomes zero and the kinetic energy of the crankshaft becomes maximum. At any point in time, the sum of the kinetic energy of the crankshaft and the kinetic energy of the piston is constant (of course, it will change if the overall rotational speed of the engine changes). Therefore, the pulsation of the rotational speed of the crankshaft inevitably occurs. Actually, the engine receives various forces in each process of intake, compression, explosion, and exhaust, and in that case, it undergoes fluctuations in rotational speed. However, in conventional engine design, about pulsation of rotational speed, It was not considered so much.
However, in order to improve the performance of the engine, the power of each of these processes cannot be ignored, and it is necessary to eliminate the pulsation factor that the engine itself basically has.
そこで、本発明の課題は、クランクシャフトの回転速度に脈動が生じても、一定の回転速度の出力を得ることができる動力伝達機構を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a power transmission mechanism that can obtain an output at a constant rotational speed even if pulsation occurs in the rotational speed of the crankshaft.
以上の課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、例えば、図1に示すように、シリンダ(例えば、シリンダ1)内を往復運動するピストン(例えば、ピストン2)と、前記ピストンに一端が連結されたコンロッド(例えば、コンロッド3)と、前記コンロッドの他端が連結されたクランクシャフト(例えば、クランクシャフト4)と、前記クランクシャフトに設けられ、前記クランクシャフトと同軸まわりに回転する伝達ギヤ(例えば、伝達ギヤ5)と、前記伝達ギヤに噛み合わされ、前記クランクシャフトの回転を外部へ出力する出力ギヤ(例えば、出力ギヤ6)と、を備える動力伝達機構(例えば、動力伝達機構100)であって、前記伝達ギヤ及び前記出力ギヤを楕円状に形成したことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the invention described in claim 1 includes, for example, as shown in FIG. 1, a piston (for example, piston 2) that reciprocates in a cylinder (for example, cylinder 1) and the piston. A connecting rod (for example, connecting rod 3) having one end connected thereto, a crankshaft (for example, crankshaft 4) having the other end connected to the connecting rod, and provided on the crankshaft, rotate around the same axis as the crankshaft. A power transmission mechanism (for example, power transmission mechanism) including a transmission gear (for example, transmission gear 5) and an output gear (for example, output gear 6) that meshes with the transmission gear and outputs the rotation of the crankshaft to the outside. 100), wherein the transmission gear and the output gear are formed in an elliptical shape.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の動力伝達機構において、例えば、図1に示すように、前記伝達ギヤ及び前記出力ギヤを、前記伝達ギヤ及び前記出力ギヤの長半径r1と、前記伝達ギヤ及び前記出力ギヤの短半径r2と、前記クランクシャフトの慣性モーメントIと、前記ピストンの質量Mと、前記クランクシャフトにおけるクランクの半径Rとに基づいて、r2/r1={I/(I+M・R2)}1/4を満たす楕円形状に形成したことを特徴とする。
ただし、この式はコンロッドの質量を0とした場合の式であり、実際には適宜補正される。
According to a second aspect of the present invention, in the power transmission mechanism according to the first aspect, for example, as shown in FIG. 1, the transmission gear and the output gear are connected to the major radius r 1 of the transmission gear and the output gear. And r 2 / r 1 based on the short radius r 2 of the transmission gear and the output gear, the moment of inertia I of the crankshaft, the mass M of the piston, and the radius R of the crank on the crankshaft. = {I / (I + M · R 2 )} It is formed into an elliptical shape satisfying 1/4 .
However, this expression is an expression when the mass of the connecting rod is 0, and is actually corrected as appropriate.
請求項1に記載の発明によれば、ピストンがシリンダ内を往復運動すると、コンロッドがピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動へと変換する。クランクシャフトが回転することにより、伝達ギヤはクランクシャフトと同軸まわりに回転し、伝達ギヤに噛み合わされた出力ギヤは、伝達ギヤと出力ギヤとのギヤ比に基づいた回転数で回転する。ここで、伝達ギヤ及び出力ギヤは楕円状に形成されていることから、クランクシャフトの回転時に伝達ギヤと出力ギヤとが噛み合う位置においてギヤ比が可変となるため、上死点付近及び下死点付近のギヤ比が軽くなる。これにより、クランクシャフトの脈動を受容し、クランクシャフトの回転速度に脈動が生じても、出力ギヤを一定の速度で回転させることができる。 According to the first aspect of the present invention, when the piston reciprocates in the cylinder, the connecting rod converts the reciprocating motion of the piston into the rotational motion of the crankshaft. As the crankshaft rotates, the transmission gear rotates about the same axis as the crankshaft, and the output gear engaged with the transmission gear rotates at a rotational speed based on the gear ratio between the transmission gear and the output gear. Here, since the transmission gear and the output gear are formed in an elliptical shape, the gear ratio becomes variable at the position where the transmission gear and the output gear mesh with each other when the crankshaft rotates. Nearby gear ratio is lighter. Thereby, even if the pulsation of the crankshaft is received and the pulsation occurs in the rotational speed of the crankshaft, the output gear can be rotated at a constant speed.
請求項2に記載の発明によれば、伝達ギヤ及び出力ギヤを、r2/r1={I/(I+M・R2)}1/4を満たす楕円形状に形成したので、クランクシャフトの脈動を受容し、クランクシャフトの回転速度に脈動が生じても、出力ギヤを一定の速度で回転させることができる。 According to the second aspect of the present invention, the transmission gear and the output gear are formed in an elliptical shape satisfying r 2 / r 1 = {I / (I + M · R 2 )} 1/4. Even if pulsation occurs in the rotational speed of the crankshaft, the output gear can be rotated at a constant speed.
以下、図面を参照して本発明に係る動力伝達機構を実施するための最良の形態について詳細に説明する。なお、本形態においては、エンジンを例に挙げて動力伝達機構について説明する。
図1及び図2に示すように、動力伝達機構100には、エンジンにおける燃焼室として円筒状に形成された複数のシリンダ1(例えば、図2に示すように4つ)がほぼ平行に設けられている。このシリンダ1は、その内部が燃焼室として機能し、その上方には、点火プラグやシリンダヘッド(図示しない)等が設けられている。このシリンダ1内には、シリンダ1の内壁をシリンダ1の軸方向に沿って往復運動するピストン2が設けられており、ピストン2の上端面とシリンダヘッドとの間で燃焼室を形成する。ピストン2には、コンロッド3の一端が連結されており、このコンロッド3の他端がクランクシャフト4に連結されている。すなわち、コンロッド3は、ピストン2の往復運動をクランクシャフト4の回転運動に変換する機能を有する。
The best mode for carrying out a power transmission mechanism according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In this embodiment, the power transmission mechanism will be described by taking an engine as an example.
As shown in FIGS. 1 and 2, the
クランクシャフト4は、軸方向に間隔をあけて対向する一対のクランクウエブ4aを複数備えており、それぞれ一対のクランクウエブ4aは、クランクピン4bによって連結されている。クランクピン4bには、コンロッド3の他端が回転自在に連結されており、コンロッド3の一端がシリンダ1の内壁に沿って往復運動することにより、クランクピン4bをクランクシャフト4と同軸の軸線周りに回転させ、クランクシャフト4を回転させる。クランクシャフト4の軸部4cの一端はシリンダ1に回転自在に連結されており、他端はクランクシャフト4の回転を出力ギヤ6に伝達する伝達ギヤ5がクランクシャフト4と同じ回転軸上に位置するように設けられている。また、伝達ギヤ5は、クランクシャフト4に固定されており、クランクシャフト4の回転とともに同じ回転数で回転する。この伝達ギヤ5には、伝達ギヤ5に噛み合わされ、クランクシャフト4の回転を出力する出力ギヤ6が設けられている。出力ギヤ6は、駆動輪やモータの回転軸と同じ回転軸上に位置するように設けられており、クランクシャフト4の回転を伝達ギヤ5及び出力ギヤ6を介して駆動輪やモータに動力を供給する。
伝達ギヤ5及び出力ギヤ6は、互いに歯数が等しく、互いの長半径同士、短半径同士が等しい同じ大きさの楕円形状に形成されており、出力ギヤ6は伝達ギヤ5に対して90度回転させた状態で噛み合わされている。
The crankshaft 4 includes a plurality of pairs of
The
次に、伝達ギヤ5及び出力ギヤ6の設計方法について説明する。
図1に示す動力伝達機構100において、クランクシャフト4の慣性モーメントをI、ピストン2の質量(本実施の形態のように複数ある場合はその総和)をM、クランク半径をR、上死点及び下死点でのクランクシャフト4の回転速度をVr、上死点と下死点の中間位置におけるピストン2の速度をVp、上死点と下死点の中間位置におけるクランクシャフト4の回転速度をVr’とすると、上死点及び下死点におけるクランクシャフト4の回転による運動エネルギーは、
Er=I・Vr2/2・・・(1)
で表される。また、上死点及び下死点におけるピストン2の運動エネルギーは、
Ep’=0・・・(2)
で表される。
Next, a method for designing the
In the
Er = I · Vr 2/2 ··· (1)
It is represented by The kinetic energy of the
Ep ′ = 0 (2)
It is represented by
一方、上死点と下死点の中間位置におけるクランクシャフト4の回転による運動エネルギーは、
Er’=I・Vr’2/2・・・(3)
で表される。また、上死点と下死点の中間位置におけるピストン2の運動エネルギーは、
Ep=M・Vp2/2・・・(4)
で表される。
On the other hand, the kinetic energy due to the rotation of the crankshaft 4 at an intermediate position between the top dead center and the bottom dead center is
Er '= I · Vr' 2 /2 ··· (3)
It is represented by In addition, the kinetic energy of the
Ep = M · Vp 2/2 ··· (4)
It is represented by
ここで、エネルギーの総和は一定であるから、
Er+Ep’=Er’+Ep・・・(5)
となる。
式(1)〜(4)を式(5)に代入すると、
I・Vr2/2=(I・Vr’2/2)+(M・Vp2/2)・・・(6)
となる。
更に、
Vp=R・Vr’・・・(7)
であるから、式(7)を式(6)に代入すると、
I・Vr2/2=(I・Vr’2/2)+(M・R2・Vr’2/2)・・・(8)
となり、式(8)を展開すると、
I・Vr2/2={(I+M・R2)・Vr’2/2}・・・(9)
となり、更に式(9)を展開すると、
Vr’2/Vr2=I/(I+M・R2)・・・(10)
となる。よって、脈動率は、式(10)を展開して、
Vr’/Vr={I/(I+M・R2)}1/2・・・(11)
で表され、クランクシャフト4の慣性モーメントI、ピストン2の質量M、クランク半径Rの関係式で表すことができ、クランクシャフト4の回転速度の影響を受けないことがわかる。
Here, the total energy is constant, so
Er + Ep ′ = Er ′ + Ep (5)
It becomes.
Substituting Equations (1) to (4) into Equation (5),
I · Vr 2/2 = ( I · Vr '2/2) + (M ·
It becomes.
Furthermore,
Vp = R · Vr ′ (7)
Therefore, substituting equation (7) into equation (6),
I · Vr 2/2 = ( I · Vr '2/2) + (M ·
And expanding equation (8),
I · Vr 2/2 = { (I + M · R 2) · Vr '2/2} ··· (9)
And further expanding equation (9),
Vr ′ 2 / Vr 2 = I / (I + M · R 2 ) (10)
It becomes. Therefore, the pulsation rate is obtained by developing equation (10).
Vr ′ / Vr = {I / (I + M · R 2 )} 1/2 (11)
It can be expressed by the relational expression of the moment of inertia I of the crankshaft 4, the mass M of the
更に、伝達ギヤ5及び出力ギヤ6の長半径をr1、短半径をr2とすると、
(r2/r1)2=Vr’/Vr・・・(12)
で表されるので、式(12)を展開すると、
r2/r1=(Vr’/Vr)1/2={I/(I+M・R2)}1/4・・・(13)
で表される。
よって、伝達ギヤ5及び出力ギヤ6の長半径r1、短半径r2を、式(13)の関係を満たすように形成すればよい。ただし、この式はコンロッド3の質量を0とした場合の式であるため、エンジンの構造によってコンロッド3の質量を考慮する必要がある。
Furthermore, when the major radius of the
(R 2 / r 1 ) 2 = Vr ′ / Vr (12)
Therefore, when formula (12) is expanded,
r 2 / r 1 = (Vr ′ / Vr) 1/2 = {I / (I + M · R 2 )} 1/4 (13)
It is represented by
Therefore, the long radius r 1 and the short radius r 2 of the
動力伝達機構100による動力伝達の作用について説明すると、シリンダ1内における燃料の燃焼により、ピストン2がシリンダ1内を往復運動すると、コンロッド3がピストン2の往復運動をクランクシャフト4の回転運動へと変換する。クランクシャフト4が回転することにより、伝達ギヤ5はクランクシャフト4と同軸まわりに回転し、伝達ギヤ5に噛み合わされた出力ギヤ6は、伝達ギヤ5と出力ギヤ6とのギヤ比(本形態においては1)に基づいた回転数で回転する。ここで、伝達ギヤ5及び出力ギヤ6は楕円状に形成されていることから、クランクシャフト4の回転時に伝達ギヤ5と出力ギヤ6とが噛み合う位置においてギヤ比が可変となるため、上死点付近及び下死点付近のギヤ比が軽くなる。
The operation of power transmission by the
このように、動力伝達機構100によれば、クランクシャフト4の脈動を受容し、クランクシャフト4の回転速度に脈動が生じても、出力ギヤ6を一定の速度で回転させることができる。また、伝達ギヤ5及び出力ギヤ6を、r2/r1={I/(I+M・R2)}1/4を満たす楕円形状に形成したので、クランクシャフト4の脈動を受容し、クランクシャフト4の回転速度に脈動が生じても、出力ギヤ6を一定の速度で回転させることができる。
Thus, according to the
よって、エンジンが低回転時におけるノッキングやトルク不足の問題を解消することができる。また、出力ギヤ6の脈動が無くなることにより、振動の低減は勿論のこと、各ギヤへの負荷を低減させることができる。更に、エンジンスタート時の駆動力を出力側から入力することにより、最もトルクの必要なピストンが中間位置で出力軸から見たギヤ比が軽くなるため、負荷を低減させることができる。また、上死点付近及び下死点付近におけるピストン2の停止時間が短くなるので、燃焼時間及び給排気時間が従来に比べて長くとれるので、燃焼効率を向上させることができる。
Therefore, the problem of knocking or insufficient torque when the engine is running at a low speed can be solved. Further, since the pulsation of the
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、伝達ギヤ5及び出力ギヤ6の長半径及び短半径の長さは自由に設計変更が可能である。また、伝達ギヤ5と出力ギヤ6のギヤ比も自由に設計変更が可能である。また、本発明は、エンジンのみに限らず、エアコンプレッサ等のように、ピストン、コンロッド、クランクシャフトを使用するシステムに適用することができる。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the lengths of the long radius and the short radius of the
1 シリンダ
2 ピストン
3 コンロッド
4 クランクシャフト
5 伝達ギヤ
6 出力ギヤ
100 動力伝達機構
1
Claims (2)
前記伝達ギヤ及び前記出力ギヤを楕円形状に形成したことを特徴とする動力伝達機構。 A piston that reciprocates in the cylinder, a connecting rod having one end connected to the piston, a crankshaft to which the other end of the connecting rod is connected, and a transmission that is provided on the crankshaft and rotates about the same axis as the crankshaft. A power transmission mechanism including a gear and an output gear meshed with the transmission gear and outputting the rotation of the crankshaft to the outside,
A power transmission mechanism, wherein the transmission gear and the output gear are formed in an elliptical shape.
前記伝達ギヤ及び前記出力ギヤの長半径r1と、前記伝達ギヤ及び前記出力ギヤの短半径r2と、前記クランクシャフトの慣性モーメントIと、前記ピストンの質量Mと、前記クランクシャフトにおけるクランクの半径Rとに基づいて、r2/r1={I/(I+M・R2)}1/4を満たす楕円形状に形成したことを特徴とする請求項1に記載の動力伝達機構。 The transmission gear and the output gear;
The major radius r 1 of the transmission gear and the output gear, the minor radius r 2 of the transmission gear and the output gear, the moment of inertia I of the crankshaft, the mass M of the piston, and the crank of the crankshaft 2. The power transmission mechanism according to claim 1, wherein the power transmission mechanism is formed in an elliptical shape satisfying r 2 / r 1 = {I / (I + M · R 2 )} 1/4 based on the radius R. 3.
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