JP2005315165A

JP2005315165A - エンジンなどの運動変換機構

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Publication number: JP2005315165A
Application number: JP2004133873A
Authority: JP
Inventors: Akira Korosue; 明頃末
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2005-11-10

Abstract

【課題】
４つのシリンダーとリンク機構によって構成される運動変換機構において、ピストンに側圧が作用せず、円滑な動きを実現する。
【解決手段】
同一平面上で４つのシリンダーを十字状に配置し、等寸法である４つのリンク杆L₁〜L₄の各端部を軸着してリンク機構Ｌを構成し、リンク機構の軸着部分に４つのシリンダーのピストンを軸着する。リンク杆には、対向するリンク杆の中間位置どうしに掛け渡して２つの第一クロスアーム１及び第二クロスアーム２を配置し、各クロスアームの中間位置に第一揺動軸３及び第二揺動軸４を固定することによってピストンの往復運動を揺動軸の揺動運動に変換し、少なくとも一方の揺動軸にＺクランク５を介在させることによって揺動軸の揺動運動を回転軸６の回転運動に変換する。そして、第一揺動軸３と第二揺動軸４の動きを、逆転機構を介在させて連動する。
【選択図】図1

Description

この発明は、レシプロエンジンや空気圧縮機などで、ピストンの往復運動を出力軸の回転運動に、あるいは入力軸の回転運動をピストンの往復運動に変えるための運動変換機構に関する発明である。

エンジンなどの運動変換機構として、本発明者は先に特許文献１に開示される運動変換機構を発明している。この発明は、同一平面上に４つのシリンダーを十字状に配置し、４つのシリンダーによって一つの回転軸を回転させるものである。シリンダーの往復運動はリンク機構と、Ｚクランク機構を利用することによって回転運動に変換される。具体的には、等寸法である４つのリンク杆の各端部を軸着してリンク機構を構成し、リンク機構の軸着部分に４つのシリンダーのピストンピンを軸着するとともに、対向するリンク杆の中間位置どうしに掛け渡してクロスアームを配置し、これらクロスアームの中間位置に揺動軸を固定する。ピストンの往復運動は揺動軸の揺動運動となり、揺動軸に直交軸受とＺクランクを介在させることによって揺動運動を回転軸の回転運動に変換するものである。
この発明の改良として特許文献２には、揺動軸に作用する負荷によって発生するピストンの側圧を減少させる方法として、対向する２つのシリンダーに側圧を分散させる方法を提案している。
特公平７−５１８８１号特公平６−２３５２１号

特許文献１に開示される、４つのリンク杆を軸着したリンク機構とＺクランク機構を利用した往復運動と回転運動の運動変換機構では、４つのリンク杆のうち対向する２つのリンク杆に掛け渡したクロスアームの中間位置に固定した揺動軸の揺動運動を回転軸の回転運動に変換している。そのため、回転軸に作用する負荷がリンク杆の対向する２つのリンク杆に作用し、リンク機構の正常な開閉運動に対して変形力が作用する。換言すれば、リンク機構を開閉させるピストンの往復運動に対して横方向の力、すなわちピストンに側圧が作用し、ピストンの円滑な往復運動が阻害されることが判明した。

前記、側圧の軽減を目的とした特許文献２に記載された発明においても、側圧を軽減することはできても、側圧が作用することに変わりはなく、円滑なピストンの往復運動を正常に維持することが困難であった。このような従来技術の欠点に鑑み、本発明はリンク機構とＺクランク機構を利用した運動変換装置において、往復運動を行うピストンに対して側圧が作用せず、もしくは側圧が極めて小さく、円滑な往復運動を行うことができる運動変換機構を実現することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、内燃機関又は空気圧縮機などでピストンの往復運動と回転軸の回転運動を変換する運動変換機構において、同一平面上で４つのシリンダーC₁〜C₄を十字状に配置するとともに、等寸法である４つのリンク杆L₁〜L₄の各端部を軸着してリンク機構Ｌを構成し、前記リンク機構Ｌの軸着部分に４つのシリンダーのピストンP₁〜P₄を軸着する。リンク杆L₁〜L₄には、対向するリンク杆L₁とL₃及びL₂とL₄の中間位置どうしに掛け渡して第一クロスアーム１及び第二クロスアーム２の２つのクロスアームを配置し、該第一クロスアーム１及び第二クロスアームの中間位置にそれぞれ第一揺動軸３及び第二揺動軸４を固定することによってピストンP₁〜P₄の往復運動を揺動軸の揺動運動に変換する。そして、第一揺動軸３及び第二揺動軸４のいずれか一方にＺクランク５を介在させることによって、第一揺動軸３及び第二揺動軸４揺動軸３の揺動運動を回転軸６の回転運動に変換する。このとき第一揺動軸３及び第二揺動軸４の２つの揺動軸の動きを、逆転機構を介在させることによって連動させる。これにより、全てのリンク杆L₁〜L₄に等しく負荷が掛かり、リンク機構ＬやピストンP₁〜P₄がバランス良く駆動される。

請求項２記載の発明は、一方の揺動軸(第一揺動軸３)と、逆方向に揺動する他方の揺動軸(第二揺動軸４)との逆転機構の具体的な一方法である。すなわち、対向するリンク杆の中間位置に軸着された一方のクロスアーム、具体的には第二クロスアーム２に固定した第二揺動軸４に第二傘歯車13を設ける。前記第二揺動軸４が固定される第二クロスアーム２が軸着されるリンク杆とは別のリンク杆の中間位置に軸着した第一クロスアーム１の中間位置に第一揺動軸３を固定する。第一揺動軸３は第二揺動軸４の中心を遊貫通し、その突出端に第一傘歯車12を設け、第二揺動軸４に設けた第二傘歯車13と第一揺動軸３に設けた第一傘歯車12を、複数のピニオン14，14を介在させて逆転させるものである。

請求項３記載の発明は、第一揺動軸３及び第二揺動軸４の２つの揺動軸３,４にそれぞれ直交軸受5’とＺクランク５,７を介在させて揺動運動を回転運動に変換し、この２つの回転運動を同期回転機構により連動させるものである。また、請求項４記載の発明は、請求項２記載の発明における二つの回転運動を連動させるための伝導軸８の一部にカム９,９を設け、このカムの働きによってシリンダーの弁10，11を駆動させるものである。

請求項１記載の発明によれば、４つのリンク杆で構成されるリンク機構の対向する２組のリンク杆にクロスアームを掛け渡し、各クロスアームに揺動軸を固定する。この２つの揺動軸は対称的な揺動運動を行うものであるが、逆転機構を介在させて連動させるため、運動変換に際し作用する負荷が、４つのリンク杆で構成されるリンク機構の各リンク杆に等しく作用する。すなわち、従来の機構はシリンダーの側面をガイドとしてピストンが往復運動を行なうため、ピストンに対して側圧が発生することを避けることができないものであったが、本発明ではピストンに対して側圧が発生しないため、運動変換に際し例え回転軸に大きな負荷が作用してもピストンを円滑に往復動させることができる。

請求項２記載の発明によれば、一つのＺクランクによる運動変換機構によって揺動運動を回転運動に変換するものであって、一つのＺクランクに掛かる負荷の反力が、リンク機構Ｌを構成するリンク杆L₁〜L₂に均等に掛かる。そして、その構造は傘歯車を利用した比較的簡単な構造で実現することができるため、全体としてコンパクトな運動変換装置を実現することができる。

請求項３記載の発明によれば、相反する方向に揺動する２つ揺動軸、すなわち第一揺動軸３と第二揺動軸４の揺動運動をそれぞれ回転運動に変換し、二つの回転運動を正確に連動させることができる。また、請求項４記載の発明によれば、二つの揺動軸の揺動運動を連動させるための動力伝達機構の、伝動軸にカム９を設け、その動きをシリンダーの、吸気弁や排気弁の動きに連動させるため、ピストンの動きと正確に一致する弁の開閉運動を実現することができる。したがって、新たに吸、排気弁を駆動するカムのカム軸を設ける必要がない。

以下、本発明に係るエンジン等における運動変換機構の好ましい実施形態を、添付の図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るエンジン等における運動変換機構の実施形態を示す分解斜視図、図２及び図３はシリンダーとリンク機構の基本的な関係を示す横断面図である。

本発明に係る運動変換機構の基本的な構造は、図２及び図３に示すように、４つのレシプロエンジンのシリンダーC₁〜C₄を同一平面上において十字状に配置し、４つのシリンダーを連動させてリンク機構Ｌを駆動する。リンク機構Ｌは、等寸法である４つのリンク杆L₁〜L₄の各端部をピン15，15で軸着して４節リンクを構成し、リンク機構Ｌのピン15，15による軸着部分に、それぞれ４つのシリンダーのピストンピンを軸着する。リンク機構Ｌを構成するピン15とピストンピンは同位置であるため、図面上ピン15と表示する。

リンク機構Ｌには、対向するリンク杆L₁とL₃，L₂とL₄の中間位置どうしに掛け渡してクロスアームを軸着する。すなわち、リンク杆L₁とL₃に軸着される第一クロスアーム１と、リンクL₂とL₄に軸着される第二クロスアーム２を配置し、これらクロスアームの中間位置に揺動軸、すなわち第一クロスアーム１に第一揺動軸３を、第二クロスアーム２に揺動軸４をそれぞれ固定する。この状態で、図２に示すようにシリンダーC₁が爆発工程であると、ピストンP₁はシリンダーC₁の側壁をガイドとするまでもなく、リンク機構Ｌの中心方向に移動し、リンク機構Ｌが図２のように変形することによって第一揺動軸３は図面上右方向に揺動する。このとき、シリンダーC₂は圧縮、シリンダーC₃は吸気、シリンダーC₄は排気工程にある。各シリンダーに設けられている弁10，11のうち、弁10は吸気弁、弁11は排気弁である。

図２に示す状態に続いてシリンダーC₂が爆発工程を向かえると、ピストンP₂がリンク機構Ｌの中心方向に移動し、リンク機構Ｌが図３のように変形する。これによって第一揺動軸３は図面上左方向に揺動する。このとき、シリンダーC₃は圧縮、シリンダーC₄は吸気、シリンダーC₁は排気工程にある。このように、４つのシリンダーの爆発工程が順次移動することによって、第一揺動軸３は右回動と左回動の揺同を繰り返すことになり、この揺動運動はＺクランクを介することによって回転運動に変換することができる。第一クロスアーム１が軸着されているリンク杆L₁，L₃とは別のリンク杆L₂，L₄に軸着されている第二クロスアーム２は、第一クロスアーム１とは対称的な動きとなり、第二揺動軸４は第一揺動軸３と逆方向に揺動する。

本発明は、上記対称的な揺動を行なう第一揺動軸３の動きと第二揺動軸４の動きを逆転機構を介して連動させることによって、負荷の反力によって発生するピストンの側圧を解消するものである。
図１及び図４に示す実施形態は、傘歯車とピニオンを用いて第一揺動軸３と第二揺動軸４を連動させ、一つのＺクランク５によって揺動軸３の揺動を回転軸６の回転運動に変換する。リンク杆L₁〜L₄で構成するリンク機構Ｌには、対向するリンク杆L₁とL₃のそれぞれ中間位置に両端を軸着した第一クロスアーム１と、対向する別のリンク杆L₂とL₄のそれぞれ中間位置に両端を軸着した第二クロスアーム２を設け、第一クロスアーム１に第一揺動軸３を第二クロスアーム２に第二揺動軸４を固定する。

第一クロスアーム１には、上下両方向に揺動軸を固定している。すなわち、第一クロスアーム１の下面に主揺動軸3aを固定し、主揺動軸3aの先端に設けたヨーク16によってＺクランク５を駆動させるとともに、第一クロスアーム１の上面には上方に向けて従揺動軸3bを突出させる。また、第二クロスアーム２の上面には筒状の第二揺動軸４を固定し、その先端に第二傘歯車13を設ける。前記第一クロスアーム１の上面に固定した従揺動軸3bは、筒状の第二揺動軸４の中心を遊貫通し、遊貫通させた従揺動軸3bの先端に第一傘歯車12を取り付けることによって、第一傘歯車12と第二傘歯車13を対向させ、第一傘歯車12と第二傘歯車13の間に配置したピニオン14を噛合させて第一揺動軸３と第二揺動軸４を反転状態で連動させるものである。図示実施形態では、第一クロスアーム１の下方に、第二クロスアームと同じ方向に補助クロスアーム17を配置している。補助クロスアーム17は、第二クロスアーム２とでリンク杆L₂及びL₄を挟むようにしている。したがって、第二クロスアーム２を軸支しているピンの傾きを防止する効果がある。もっとも、補助クロスアームは、動力伝達には関与しないため、主揺同軸3aが遊貫通する状態で取り付けられる。補助クロスアーム17は取り付け位置の関係から、一体の板状であると取り付けが困難であるため二つ割で構成し、ボルトなどで接続するようにして実施することができる。

図１及び図４に示す実施形態においては、ピストンP₁〜P₄によってリンク機構Ｌが駆動され、第一クロスアーム１の動きによって主揺動軸3aが揺動されると、下端に固定されたヨーク16によって、直交軸受5’を含むＺクランク５が駆動される。すなわちＺクランク機構によって回転軸６の回転運動に変換される。このとき、第二クロスアーム２によって第二揺動軸４が第一揺動軸３とは反対方向に揺動するが、第二揺動軸４に固定されている第二傘歯車13はピニオン15に噛合し、ピニオン15が第一傘歯車12に噛合しているため、第二揺動軸４の揺動が第一傘歯車12と連動し、第一揺動軸３を逆転するように機能する。換言すれば、第一揺動軸３と第二揺動軸４が、傘歯車12，13とピニオン14によって構成される逆転機構によって連動されることになる。

図５に示す実施形態は、リンク機構Ｌに設けた第一クロスアーム１に固定され揺動運動を行なう第一揺動軸３でＺクランク５を駆動し、Ｚクランク機構によって第一揺動軸３の揺動運動が回転軸６の回転運動に変換される。一方リンク機構Ｌに設けた第二クロスアーム２の揺動運動は、第二揺動軸に設けた別のＺクランク７によって中間軸18の回転運動に変換される。そして、回転軸６に設けたタイミングプーリ19と、中間軸18に設けたタイミングプーリ20の間にタイミングベルト21を掛け渡して連動させることによって、回転軸６と中間軸18は同期回転を行なう。図示実施形態では、回転軸６と中間軸18の回転方向が一致するように図示しているが、両軸の回転方向は必ずしも同一である必要はない。

回転軸６の回転方向と、中間軸18の回転方向は必ずしも一致する必要はないが、回転数は同一となる。したがって、タイミングプーリ19と20の直径は同一としておく必要があり、これによって第一揺動軸３と第二揺動軸４を連動することができる。すなわち、第一揺動軸３と第二揺動軸４が、タイミングプーリ19，20を介して連動するものであって、回転軸６と中間軸18が同期回転をする。なお回転伝動手段として、滑りを生じないタイミングベルト使用するほか、図示していないチェーン伝動とすることもできる。

図６に示す実施形態は、第一揺動軸３の揺動による回転と第二揺動軸４の揺動による回転を、歯車伝動機構によって連動させ同期回転を行なう実施形態を示すものである。リンク機構Ｌの第一クロスアーム１に固定され、揺動運動を行う第一揺動軸３の先端に設けたヨーク16によってＺクランク５が駆動され、揺動軸３の揺動運動が回転軸６の回転運動に変換される。一方、リンク機構Ｌの第二クロスアーム２に固定され、前記第一揺動軸３と逆方向に揺動運動運動を行う第二揺動軸４の先端には、別のＺクランク機構が設けられている。すなわち第二揺動軸４の先端に固定されたヨーク22によってＺクランク７を介して中間軸18を回転駆動する。

第一揺動軸３によって駆動されるＺクランク５には、その左右両側に軸6aと軸6bが固定され、Ｚクランク５を回転自在に支持している。軸6a，6bの一方の軸6aは出力軸、他方の軸6bは支持軸であって、軸6aにピニオン23が、軸6bにピニオン24がそれぞれ固定されている。一方、第二揺動軸４によって駆動されるＺクランク７には、その左右両側に中間軸18として軸18aと軸18bが固定されている。この軸18aと軸18bは、それぞれ回転自在に支持され、軸18aにはピニオン25が、軸18bにはピニオン26が装着されている。

図６および図７から理解されるように、リンク機構Ｌと接近する位置に、第一揺動軸３及び第二揺動軸４と平行に二つの伝動軸８，８が回転自在に配置され、一方の伝動軸８の下端に前記軸6aに固定されたピニオン23に噛合する傘歯車27が、上端に軸18aに固定されたピニオン25に噛合する傘歯車29が取り付けられている。また、他方の伝動軸の下端には軸6bに固定されたピニオン24と噛合する傘歯車28が、上端には軸18bに固定されたピニオン26に噛合する傘歯車30がそれぞれ取り付けてある。しかして、リンク機構Ｌによって駆動される第一揺動軸３と、第一揺動軸３と反対方向に揺動する第二揺動軸４は、逆転機構を介して同期回転をすることになる。

図６及び図７に示す実施形態では、第一揺動軸３及び第二揺動軸４の動きとピストンP₁，〜P₂の弁10，11の動きを連動させている。すなわち、伝動軸８の中間位置にカム９，９を形成し、該カム９にプッシュロッド32のタペット31を当接させ、ロッカーアーム33を駆動して弁10や11を開閉させている。図６においては一個の弁を記載しているが、ピストンの種類によって必要な数の弁を設ける。運動変換装置がエンジンである場合は、一つのシリンダーに対しそれぞれ吸気弁と排気弁を設け、これら吸気弁と排気弁をカム９の動きに連動させる。伝動軸８の回転は、第一及び第二揺動軸の動きと歯車機構によって連動しているため、ピストンの動きと正確に連動する。したがって、カム９によって伝動軸の回転と弁の開閉を連動させることによって、ピストンの動きに必要な弁の開閉動作を正確に行わせることができる。すなわち、弁の開閉動作に関する構造を簡単な構造で実現することができる。

図１は、本発明エンジン等における運動変換機構の実施形態を示す分解斜視図、図２は、四つのピストンとリンク機構の、動きを示す横断面図、図３は、図２に示す状態から次の動きを示す横断面図、図４は、図１に示す実施形態の縦断面図、図５は、本発明エンジン等における運動変換機構の別の実施形態を示す分解斜視図、図６は、本発明エンジン等における更に別の実施形態を示す、運動変換機構の実施形態を示す縦断面図、図７は、図６に示す実施形態の横断面図である。

符号の説明

１…第一クロスアーム、２…第二クロスアーム、３…第一揺動軸、４…第二揺動軸、 5’…直交軸受、５，７…Ｚクランク、６…回転軸、８…伝動軸、９…カム、 10，11…弁、 12…第一傘歯車、 13…第二傘歯車、 14…ピニオン、 15…ピン、 16…ヨーク、 17…補助クロスアーム、 18…中間軸、 19，20…タイミングプーリ、 21…タイミングベルト、 22…ヨーク、 23，24，25，26…ピニオン、 27，28，29，30…傘歯車、 31…プッシュロッド、 32…タペット、 C1〜C4…シリンダー、Ｌ…リンク機構、 L₁〜L₄…リンク杆、 P₁〜P₄…ピストン。

Claims

内燃機関又は空気圧縮機などでピストンの往復運動を回転運動に変える運動変換装置において、
同一平面上で４つのシリンダーを十字状に配置するとともに、等寸法である４つのリンク杆の各端部を軸着してリンク機構を構成し、前記リンク機構の軸着部分に４つのシリンダーのピストンを軸着し、
対向するリンク杆の中間位置どうしに掛け渡して２つのクロスアームを配置し、該クロスアームの中間位置にそれぞれ揺動軸を固定することによってピストンの往復運動を揺動軸の揺動運動に変換し、少なくとも一方の揺動軸にＺクランクを介在させることによって揺動軸の揺動運動を回転軸の回転運動に変換するに際し、前記２つの揺動軸の動きを、逆転機構を介在させることによって連動させることを特徴とするエンジン等における運動変換機構。
対向するリンク杆の中間位置に軸着された一方のクロスアームに固定した第二揺動軸に第二傘歯車を設けるとともに、前記第二揺動軸のクロスアームが固定されるリンク杆とは別のリンク杆の中間位置に軸着したクロスアームの中間位置に第一揺動軸を固定し、第一揺動軸は第二揺動軸の中心を遊貫通させその突出端に第一傘歯車を設け、前記第二揺動軸に設けた第二傘歯車と第一揺動軸に設けた第一傘歯車を、複数のピニオンを介在させて逆転させることを特徴とする請求項１記載のエンジン等における運動変換機構。
内燃機関又は空気圧縮機などでピストンの往復運動を回転運動に変える運動変換装置において、
同一平面上で４つのシリンダーを十字状に配置するとともに、等寸法である４つのリンク杆の各端部を軸着してリンク機構を構成し、前記リンク機構の軸着部分に４つのシリンダーのピストンを軸着し、
対向するリンク杆の中間位置どうしに掛け渡して２つのクロスアームを配置し、該２つのクロスアームの中間位置にそれぞれ揺動軸を固定するとともにＺクランクを介在させて揺動運動を回転運動に変換し、該２つの回転運動を同期回転機構により連動させることを特徴とするエンジン等における運動変換機構。
一方の揺動軸と他方の揺動軸を連動させる動力伝達機構の伝導軸の一部にカムを設け、該カムによってシリンダーの弁を駆動させることを特徴とする請求項２記載のエンジン等における運動変換機構。