JP2006515662A - 回転クランク軸 - Google Patents

Abstract

直線運動を回転運動に、あるいは回転運動を直線運動に変換するための装置は、固定軸線回りに回動自在で、固定軸線に対し偏心して取り付けられた円形カムを支持する軸を備えており、カムはディスク内に回動自在に取り付けられ、ディスクは、軸の固定軸線を横切る方向に直線状軸線に沿って往復直線運動を行うハウジングに回動自在に取り付けられている。直線状軸線に沿ったハウジングの往復運動は軸の回転に変換されるか、あるいは、軸の回転は直線状軸線に沿ったハウジングの往復運動に変換される。

Description

本発明は、直線運動を回転運動に、あるいは回転運動を直線運動に変換する装置に関し、特に内燃機関において直線運動を回転運動に変換するための装置に関する。

クランク軸と連結棒とガジョンピンとピストンとを備え、直線運動を回転運動に変換するための装置は公知である。典型的なクランク軸装置は、クランク軸が、クランク軸の回転軸から偏心した一つもしくはそれ以上の偏心部を備えており、連結棒は偏心部の一つの回りに回動自在に取り付けられている。連結棒の回転軸がクランク軸の回転軸から離隔していることで、シリンダ内に拘束され連結棒の自由端に取り付けられたピストンは、クランク軸が回転すると往復直線運動を行う。このような装置は、ピストンが圧縮行程と同様に出力（膨張）行程において同じ平均速度で運動するので、対称サイクルに限定されるという欠点がある。また、この種の典型的な装置は、連結棒を回転継ぎ手（通常はピン）を介してピストンに連結する必要があることから、大きな応力を受けたり摩耗あるいは破壊しやすいという欠点もある。

往復運動を行うピストンと回転するクランク軸を連結するための様々な代替装置も提案されている。その一つがカーソン（Carson）の米国特許第５，６６４，４６４号に開示されており、ピストンは、円筒部４０を介して取り付けられた偏心クランクピン３４によりクランク軸に連結されており、円筒部はさらに往復運動体１０内に回動自在に取り付けられている。

しかしながら、この装置も、出力行程と圧縮行程とにおいて同じ平均速度でピストンが運動する対称サイクルに限定される。加えて、この公報に開示された装置は、円筒部４０がクランクピン３４の軸心から偏心しているのと同様に、クランク軸の軸心からクランクピン３４が偏心しているものに限定され、装置サイクルを達成する形状が限定される。

本発明は、直線運動を回転運動に、あるいはその逆に変換するための代替装置を提供することを目的としている。

本発明は、直線運動を回転運動に、あるいは回転運動を直線運動に変換するための装置を提供するものであり、固定軸線回りに回動自在の軸と、該軸に支持され固定軸線に対し偏心して取り付けられた円形カムとを備えている。カムはジャーナル内に回動自在に取り付けられ、ジャーナルに対するカムの回転軸はジャーナルの中心より離隔しており、ジャーナルは、軸の固定軸線を横切る方向に第２の軸線に沿って往復運動を行うハウジングに回動自在に取り付けられて、第２の軸線に沿ったハウジングの往復運動が軸の回転に変換されるか、あるいは軸の回転が第２の軸線に沿ったハウジングの往復運動に変換される。

好ましくは、軸の固定軸線が第２の軸線から離隔している。この特徴により非対称サイクルを有する装置が可能となり、この装置を使用することで、エンジンの出力行程と圧縮行程の継続時間を異なるように設定してエンジンの効率及び／又は出力を適正化することができる。

あるいは、軸の固定軸線は第２の軸線と同じ線上にある。

ハウジングは内燃機関のピストンに固定されるのが好ましい。

第２の軸線からの軸の固定軸線の間隔を、ピストンの出力行程の継続時間がピストンの圧縮行程より短くなるように設定するのがよい。また、出力行程の継続時間の短縮により出力行程におけるピストンの平均速度を増大するのが好ましい。

また、軸の固定軸線に対する１方向の回転に応答して、中心に対するジャーナルの回転が時計方向の回転と反時計方向の回転との間で振動するようにジャーナルが配置されるのが好ましい。

ジャーナルはディスク状であるのが好ましい。

まず図１を参照すると、直線運動を回転運動に変換する装置１０が図示されており、固定軸線１４の回りに回動自在で円形カム１６を支持する軸１２を備えている。円形カム１６は軸１２に対し偏心して取り付けられており、カム１６の中心軸１８は固定軸線１４から離隔している。カム１６は、これに対応して寸法設定された円形キャビティ２０内に回動自在に取り付けられており、キャビティ２０は、カム１６と同じ平面を持つジャーナル（ディスク２２の形態）に形成されている。ディスク２２は、軸１２の固定軸線１４を横切る方向の第２の直線状軸線２６に沿って往復運動を行うために設けられたハウジング２４の内部に回動自在に取り付けられている。直線状軸線２６に沿ったハウジング２４の往復運動は、軸１２の回転に変換される。連結棒２８はハウジング２４に一体的に形成されており、その他端はピストン３０と一体的に形成されている。

装置１０は内燃機関に使用することができ、直線状軸線２６に沿ったピストン３０の直線運動を軸１２の回転運動に変換する。内燃機関において直線運動を回転運動に変換するのに装置１０を使用する場合についてさらに説明するが、この装置１０は回転運動を直線運動に変換する場合にも同様に使用することができる。特に、装置１０は、例えば船舶の操舵装置及び／又は発電機のように、回転運動を直線運動に変換したり、あるいはその逆に変換することが必要な他の特定の場合にも使用することができる。

内燃機関において直線運動を回転運動に変換する場合、ピストン３０はシリンダ３２内において、矢印Ａで示される方向に直線状軸線２６に沿って下方に圧力を受ける。内燃機関において知られているように、ピストン３０に作用する力は、ピストン３０上面の上方に形成された燃焼室で燃料（例えば、ガソリン）が燃焼して発生するものであり、燃料は燃焼することで膨張する。連結棒２８とハウジング２４はピストン３０と一体的に形成されているので、連結棒２８とハウジング２４は同様に、出力行程中にピストン３０に作用する力により直線状軸線２６に沿って下方に圧力を受ける。図１に示されるように、ハウジング２４は、ガイド面３４により直線状軸線２６を沿った運動以外の運動は阻止されている。カム１６は円形キャビティ２０内に保持されてカム１６の中心軸１８の回りを回転するように拘束され、カム１６は軸１２の固定軸線１４の回りを回転するように拘束されており、固定軸線１４は直線状軸線２６上の位置に固定されているので、ディスク２２とカム１６と軸１２は全てこのような拘束下で運動する。この拘束により、ピストン３０の出力及び圧縮行程の相対的継続時間や物理的長さのような装置１０のサイクル特性が決定される。

自動車の内燃機関に使用される場合、装置１０の軸１２は、ギヤボックス、プロペラ軸、差動装置、駆動軸を備えた動力伝達装置に連結されて操作され、自動車の車輪を駆動する。

図２には直線運動を回転運動に変換するための別の装置が示されており、同じ構成要素には同じ参照番号を付している。図１の装置と比較すると、図２に示される装置の主な相違点は、軸１２の固定軸線１４が直線状軸線２６から離隔していることである。このように直線状軸線２６から固定軸線１４を離隔することで、装置１０のサイクルが非対称になり、この非対称性は、装置１０を使用して内燃機関の出力及び／又は効率を改善するように設定することができる。本実施の形態においては、カム１６の直径は十分に大きく、カム１６がサイクルにおける最も右側の位置にある場合（図２に示される）、カム１６の左側は直線状軸線２６を通り越してディスク２２の左半分まで延びることになる。

直線運動を回転運動に変換するための非対称サイクルを有するさらに別の装置１０が図３に示されており、この装置１０は図示されているように、カム１６がサイクルにおける最も右側の位置にある場合、ディスク２２の右半分に収まるほどの比較的小さいカム１６を備えている。この装置１０はまた、軸１２の固定軸線１４が直線状軸線２６から離隔していることで非対称サイクルを有している。したがって、この装置１０のピストン３０の出力及び圧縮行程は、サイクルの非対称性によりその継続時間は相対的に異なっている。図２及び図３に示される装置は両方とも非対称ではあるが、上述したようにカム１６と軸１２のサイズ及び配置が異なっているので、そのサイクルの特性は異なっている。

図３の装置１０の概略側面図が図４に図示されている。この図は、カム１６が一体的に取り付けられた軸１２の一部を示している。この図は、カム１６の両側で軸１２の周囲に軸受３６が使用されており、軸１２の軸回りの回転運動が容易になり、望ましくない並進運動をしないように軸１２を支持している状態を示している。分かりやすくするために、軸１２の一部とカム１６の側面図は、軸１２とカム１６の正面図の上方に図示されている。回転要素を支持するために軸受を使用することは周知である。他の軸受を使用してカム１６とディスク２２を支持することもできる。

図５はさらに別の装置１０の概略正面図を示しており、軸１２の固定軸線１４は直線状軸線２６から離隔して非対称サイクルを呈している。図６（Ａ）乃至図６（Ｄ）は、時計方向に９０度（あるいはπ／２ラジアン）の間隔で軸１２の一連の回転位置を示す図５の装置の状態を示している。詳述すると、図６（Ａ）は軸１２の固定軸線１４の右側にカム１６の中心軸１８がある場合の装置１０の状態を示しており、図６（Ｂ）は軸１２の固定軸線１４の真下にカム１６の中心軸１８がある場合の装置１０の状態を示しており、図６（Ｃ）は軸１２の固定軸線１４の左側にカム１６の中心軸１８がある場合の装置１０の状態を示しており、図６（Ｄ）は軸１２の固定軸線１４の真上にカム１６の中心軸１８がある場合の装置１０の状態を示している。図６（Ｄ）に示される状態から軸１２が時計方向にさらに９０度（あるいはπ／２ラジアン）回転すると、装置１０は図６（Ａ）の状態に復帰する。直線状軸線２６に直交する共通の基準線３８を見ると、直線状軸線２６に沿ったディスク２２の相対直線運動は明らかである。

図６（Ａ）〜（Ｄ）に示される四つの状態の各々における直線状軸線２６に沿ったディスク２２の相対運動は、図７に概略的に示されている。図７は、図５及び図６に示される装置１０の非対称サイクルの圧縮行程が、軸１２の０ラジアンの位置（図６（Ａ）に示される状態の軸１２の回転に対して）から図６（Ｄ）に示される３π／２ラジアンの位置までにわたりサイクルの所要時間（軸１２が一定の各速度で回転していると仮定しているが、フライホイールが軸１２に連結されていればこの仮定には合理性がある）の３／４で発生していることを示している。逆に言えば、装置１０の非対称サイクルの出力（膨張）行程は、図６（Ｄ）に示される状態と図６（Ａ）に示される状態の間の比較的短期間−サイクルの所要時間のちょうど１／４−に発生する。したがって、膨張行程におけるピストン３０の平均速度は、この装置１０の非対称性により増加する。内燃機関においては膨張行程は出力行程に相当するので（２ストロークサイクルでは、各膨張行程は出力行程であり、４ストロークサイクルでは、膨張行程は一つおきに出力行程となる）、出力行程におけるピストン３０の平均速度は、装置１０の非対称性により増大する。内燃機関の出力は出力行程におけるピストン速度に比例するので、本発明の装置１０を使用することで内燃機関の出力も増大する。軸１２とカム１６とディスク２２の間隔、サイズ、相対位置の特定の幾何学的寸法は、サイクルの所望の特性、特に出力行程においてピストン３０の速度をどの程度増大するかにより調整される。

図８Ａ及び図８Ｂは、対称サイクルを有する装置（図８Ａ）と非対称サイクルを有する装置（図８Ｂ）の両方における固定軸線１４回りの軸１２の回転の４分区間でのディスク２２の相対回転を示している。どの場合もディスク２２の回転は振動的であり、ディスクが完全に１回転してもディスクは旋回しない。むしろ、図８Ａから分かるように、対称な装置の場合、約９０度の最大円弧でディスクは運動するのに対し、非対称な装置の場合、約１７０度の最大円弧でディスクは運動する。さらに詳しくは、参照記号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、固定軸線１４回りの軸１２の回転の４分区間に相当するディスク２２の相対回転を順次示しており、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ａ，Ｂ…のようにサイクルを繰り返す。図８Ｂの非対称な場合には、軸１２の時計方向の回転における最初の３区間ではディスク２２は時計方向に回転し、最後の区間で大きく反時計方向に回転する。逆に、対称な場合には、図８Ａに示されるように、軸１２の時計方向の回転における最初の１区間ではディスク２２は時計方向に回転し、次の１区間では反時計方向に回転し、３番目の区間では反時計方向に回転し、４番目の区間では時計方向に回転する。

直線運動を回転運動に変換する装置を特に参照して本発明を説明したが、回転運動を直線運動に変換する装置にも適用できることは言うまでもない。

本発明を非限定的な例を参照して説明したが、上述した発明の精神及び範囲を逸脱しない多くの変形例も可能である。特に、別の装置では、ディスクと周囲のハウジングは、直線状軸線に沿って運動する代わりに湾曲路に沿って往復運動を行うこともできる。

直線運動を回転運動に、あるいはその逆に変換するための対称サイクルを有する装置の概略正面図である。 直線運動を回転運動に、あるいはその逆に変換するための非対称サイクルを有する別の装置の概略正面図である。 直線運動を回転運動に、あるいはその逆に変換するための非対称サイクルを有するさらに別の装置の概略正面図である。 図３に示される装置の軸とカムの概略断面側面図である。 直線運動を回転運動に変換するためのさらに別の装置の軸とカムとジャーナルの概略正面図である。 軸の異なる回転位置における図５の装置の一連の状態を示す図である。 図６に示される状態の各々に対する直線状軸線に沿った図５及び図６の装置のジャーナルの相対運動を示すグラフである。 軸とカムとジャーナルの中心軸の相対位置を示す概略正面図であり、特に対称サイクルを有する装置のジャーナルの往復動的回転を示している。 軸とカムとジャーナルの中心軸の相対位置を示す概略正面図であり、特に非対称サイクルを有する装置のジャーナルの往復動的回転を示している。

Claims (10)

1. 直線運動を回転運動に、あるいは回転運動を直線運動に変換するための装置であって、固定軸線回りに回動自在の軸と、該軸に支持され前記固定軸線に対し偏心して取り付けられた円形カムとを備え、該カムはジャーナル内に回動自在に取り付けられ、ジャーナルに対するカムの回転軸は前記ジャーナルの中心より離隔しており、前記ジャーナルは、前記軸の固定軸線を横切る方向に第２の軸線に沿って往復運動を行うハウジングに回動自在に取り付けられており、前記第２の軸線に沿った前記ハウジングの往復運動が前記軸の回転に変換されるか、あるいは前記軸の回転が前記第２の軸線に沿った前記ハウジングの往復運動に変換されることを特徴とする装置。
2. 前記軸の固定軸線が前記第２の軸線から離隔している請求項１に記載の装置。
3. 前記軸の固定軸線が前記第２の軸線と同じ線上にある請求項１に記載の装置。
4. 前記軸の固定軸線に対する１方向の回転に応答して、中心に対するジャーナルの回転が時計方向の回転と反時計方向の回転との間で振動するように前記ジャーナルが配置されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記ジャーナルはディスク状である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記軸の回転に際し、前記固定軸線と前記ジャーナルに対する前記カムの回転軸と前記ジャーナルの中心が前記第２の軸線に直交する線上に配列される状態が存在する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置を備えた船舶用操舵装置。
8. 前記ハウジングが内燃機関のピストンに固定されている請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記第２の軸線からの前記軸の固定軸線の間隔は、前記ピストンの出力行程の継続時間が前記ピストンの圧縮行程より短くなるように設定されている請求項２に従属する請求項８に記載の装置。
10. 出力行程の継続時間の短縮により出力行程における前記ピストンの平均速度を増大するようにした請求項９に記載の装置。

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