JP2007162534A - 内燃機関とポンプとの双方可逆共通機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 往復運動および回転運動を相互に変換する揺動板およびピストン間の駆動力伝達系に発生する振動を最小限に抑える。
【解決手段】 軸線ｙを中心とする円周上に配置した複数のシリンダ２３に嵌合するピストン２４と揺動ロッド２１に固定した揺動板２２とを連結ロッド２６で連結し、入力軸２０を駆動して揺動ロッド２１および揺動板２２を歳差運動させることでピストン２４を往復運動させ、ピストン２４に接続されたダイヤフラム３３によりポンプ機能を発揮させる。揺動板２２は入力軸２０と一体に回転することなく歳差運動を行うだけなので、連結ロッド２６は角度が僅かに変化するだけで揺動板２２およびピストン２４間で駆動力を伝達することができ、揺動板２２およびピストン２４間の駆動力伝達系に発生する摩擦を低減して振動の発生を最小限に抑えることが可能になる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、軸線を囲むように環状に配置された複数のシリンダに摺動自在に嵌合する複数のピストンと回転軸に設けた揺動板との間で駆動力を伝達する内燃機関とポンプとの双方可逆共通機構に関する。

従来のアキシャルピストンポンプは、軸線を中心とする円周上に配置した複数のシリンダにそれぞれピストンを摺動自在に嵌合させ、前記軸線上に配置した入力軸に固定した斜板をピストンの端部に当接させた構造を備えており、駆動源で入力軸を回転させると、斜板に当接する複数のピストンが交互にシリンダ内を往復動して流体の吸入および吐出を行うようになっている。

しかしながら上記従来のものは、ピストンが軸線方向の往復動のみを許容されているのに対し、斜板は入力軸と一体に回転するため、ピストンの端部と斜板とが該斜板の周速に等しい速度で摺動することになり、斜板の回転に伴って大きな振動が発生するという問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、往復運動および回転運動を相互に変換する揺動板およびピストン間の駆動力伝達系に発生する振動を最小限に抑えることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、軸線を中心とする円周上に配置された複数のシリンダと、前記シリンダにそれぞれ摺動自在に嵌合する複数のピストンと、前記軸線上に配置された回転軸と、一端が前記軸線上で固定部に枢支されて他端が前記前記軸線から偏心した位置で前記回転軸に枢支された揺動ロッドと、前記揺動ロッドに固定された揺動板と、一端が前記揺動板に枢支されて他端が前記ピストンに枢支された複数の連結ロッドとを備えたことを特徴とする内燃機関とポンプとの双方可逆共通機構が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記連結ロッドは引張方向の荷重を支持し得るように前記揺動板および前記ピストンに枢支されることを特徴とする内燃機関とポンプとの双方可逆共通機構が提案される。

尚、実施例の本体ケーシング１１は本発明の固定部に対応し、実施例の入力軸２０は本発明の回転軸に対応する。

請求項１の構成によれば、回転軸を回転駆動すると揺動ロッドおよび揺動板が軸線まわりに歳差運動を行うため、揺動板に連結ロッドを介して連結された複数のピストンがシリンダ内を往復運動し、流体を吸入および吐出するポンプの機能が発揮される。逆に複数のシリンダに所定の位相で流体を供給および排出すると、複数のピストンが所定の位相でシリンダ内を往復運動し、ピストンに連結ロッドを介して連結された揺動板が揺動ロッドと一体に歳差運動するため、この歳差運動により回転軸を回転駆動する内燃機関やモータの機能が発揮される。

上記何れの場合にも、揺動板は回転軸と一体に回転することなく歳差運動を行うだけなので、揺動板およびピストン間の駆動力伝達系に発生する摩擦を低減して振動の発生を最小限に抑えることが可能になる。

請求項２の構成によれば、連結ロッドが引張方向の荷重を支持できるように揺動板およびピストンに枢支されるので、揺動板およびピストンが相互に離反する方向に相対移動するとき、ピストンを揺動板に向けて付勢する特別の弾発手段を設けることなく、揺動板およびピストン間の連結を確保することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図６は本発明の一実施例を示すもので、図１は流体ポンプの縦断面図、図２は図１の２−２線断面図、図３は図１の３−３線断面図、図４は図１の４−４線断面図、図５は図１の５−５線断面図、図６は直線運動機構の説明図である。

非圧縮性の流体を供給するための流体ポンプは、段付き円筒状の本体ケーシング１１と、本体ケーシング１１の一端を閉塞してボルト１２…で固定されるフロントケーシング１３と、本体ケーシング１１の他端を閉塞するリヤケーシング１４と、リヤケーシング１４の外面にシール部材１５を介して重ね合わされるバルブブロック１６とを備えており、リヤケーシング１４およびバルブブロック１６はボルト１７…で本体ケーシング１１に共締めされる。

本体ケーシング１１の軸線ｙ上に位置するように、フロントケーシング１３に２個のボールベアリング１８，１９を介して入力軸２０が回転自在に支持される。入力軸２０の大径になった端面に軸線ｙから偏心するように円筒状の凹部２０ａが形成されるとともに、本体ケーシング１１の軸線ｙ方向中間部に形成された隔壁１１ａの中心に球状凹部１１ｂが形成される。そして入力軸２０の凹部２０ａと隔壁１１ａの球状凹部１１ｂとに、揺動ロッド２１の両端に形成した第１、第２球状端部２１ａ，２１ｂがそれぞれ摺動自在に嵌合する。揺動ロッド２１の中間部に円形の揺動板２２の中心が圧入により固定されており、この状態で揺動板２２は揺動ロッド２１に対して直交している。

本体ケーシング１１の隔壁１１ａに軸線ｙを囲むように９０°間隔で４個のシリンダ２３…が形成されており、これらのシリンダ２３…にそれぞれピストン２４…が摺動自在に嵌合する。各ピストン２４の外周面に植設した回り止めピン２５がシリンダ２３の内周面に軸線ｙ方向に形成したガイド溝２３ａに摺動自在に嵌合しており、回り止めピン２５およびガイド溝２３ａの係合により、ピストン２４は軸線ｙ方向の移動を許容されながらシリンダ２３の内部での回転を規制される。

揺動板２２の左端面の相互に９０°ずつ離間した４か所に球状凹部２２ａ…が形成されており、各々の球状凹部２２ａに連結ロッド２６の右端の第１球状端部２６ａが嵌合してキャップ２７で抜け止めされる。各連結ロッド２６の左端の第２球状端部２６ｂがピストン２４の右端面に形成した球状凹部２４ａに嵌合してキャップ２８で抜け止めされる。

本体ケーシング１１の左端に、前記４個のシリンダ２３…にそれぞれ連通する４個の有底円筒状のダイヤフラム室２９…が開口する。各々のダイヤフラム室２９の内部に、環状の第１ダイヤフラム支持部材３０、円板状の第１ダイヤフラム３１、環状の第２ダイヤフラム支持部材３２、円板状の第２ダイヤフラム３３および環状の第３ダイヤフラム支持部材３４が順次嵌合し、バルブブロック１６に押さえられて固定される。第１ダイヤフラム３１の外周部は第１、第２ダイヤフラム支持部材３０，３２に挟持されて固定され、第２ダイヤフラム３３の外周部は第２、第３ダイヤフラム支持部材３２，３４に挟持されて固定される。

第１、第２ダイヤフラム３１，３３間にスライドブロック３５が配置されるとともに、第１ダイヤフラム３１およびピストン２４間にスペーサブロック３６が配置されており、で第１ダイヤフラム３１、スライドブロック３５、第２ダイヤフラム３３およびスペーサブロック３６がピストン２４の左端面に共通のボルト３７固定される。スライドブロック３５は第２ダイヤフラム支持部材３２の内周面に摺動自在に嵌合し、軸線ｙ方向の移動のみが許容される。

第２ダイヤフラム３３、第３ダイヤフラム支持部材３４およびバルブブロック１６に囲まれるように作動室３８が区画されており、バルブブロック１６に設けた吸入弁３９と作動室３８とが吸入通路１６ａで連通するとともに、バルブブロック１６に設けた吐出弁４０と作動室３８とが吐出通路１６ｂで連通する。吸入弁３９および吐出弁４０は各作動室３８に対応して一対ずつ設けられており、４個の吸入弁３９…の上流側は共通の吸入通路に連通し、４個の吐出弁４０…の下流側は共通の吐出通路に連通する。

図６は特許第３２８６５６８号公報に開示された直線運動機構を示すものである。ｘ−ｙ直交座標系の第１、第２象限に、ｙ＝ tanθｘで規定される直線と、ｙ＝− tanθｘで規定される直線とを描き、長さ２Ｒ cosθの線分の両端の点Ａおよび点Ｂを、それぞれ前記２本の直線に沿って移動させる。θは０＜θ＜π／２の任意の角度であるが、ここではθ＝π／４とされる。すると前記線分ＡＢの垂直２等分線上であって該線分ＡＢから原点側に距離Ｒ sinθ離れた点Ｃは、ｙ＝０により規定される直線上を移動し、前記線分ＡＢの垂直２等分線上であって該線分ＡＢから反原点側に距離Ｒ（cos²θ／ sinθ）離れた点Ｄは、ｘ＝０により規定される直線上を移動する。また前記線分ＡＢの両端を通過して反原点側に突出する半径Ｒの円弧Ｅ（劣弧）の包絡線が存在し、その包絡線は直線ｙ＝Ｒで規定される。

このことは、４個の点Ａ〜Ｄおよび１個の円弧Ｅを有する図形が、点Ａが直線ｙ＝ tanθｘに沿い、点Ｂが直線ｙ＝− tanθｘに沿い、点Ｃが直線ｙ＝０に沿い、点Ｄが直線ｘ＝０に沿い、かつ円弧Ｅが直線ｙ＝Ｒに沿うように移動可能であること示している。

前記５本の直線ｙ＝ tanθｘ、ｙ＝− tanθｘ、ｙ＝０、ｘ＝０、ｙ＝Ｒのうちの何れか２本の直線を選択して第１カムおよび第２カムとし、それら第１カムおよび第２カムに沿って対応する２個の点（或いは１個の点と１個の円弧）を移動させれば、残りの３本の直線のうちの任意の１本の直線に沿って、それに対応する１個の点（或いは１個の円弧）が移動することになる。

本実施例は、図１において上側の連結ロッド２６の第１球状端部２６ａの中心を点Ａとし、下側の連結ロッド２６の第１球状端部２６ａの中心を点Ｂとし、揺動ロッド２１の第１球状端部２１ａの中心を点Ｃとし、揺動ロッド２１の第２球状端部２１ｂの中心を点Ｄとしたものである。従って、図１における直線ＣＡは直線ｙ＝ tanθｘに対応し、直線ＣＢは直線ｙ＝− tanθｘに対応し、角ＡＣＢは９０°になる。

入力軸２０を回転させると、図１および図２において軸線ｙから偏心した点Ｃは、軸線ｙに直交する軸線ｘ上を往復運動することになり、点Ｄは軸線ｙ上に拘束されているので、点Ａ（図１の上側の連結ロッド２６の第１球状端部２６ａの中心）は直線ｙ＝ tanθｘ上を往復運動し、点Ｂ（図１の下側の連結ロッド２６の第１球状端部２６ａの中心）は直線ｙ＝− tanθｘ上を往復運動し、これによりピストン２４が往復駆動される。

次に、上記構成を備えた本発明の実施例の作用を説明する。

入力軸２０を電動モータのような駆動源（図示せず）で回転駆動すると、第２球状端部２１ｂを本体ケーシング１１の球状凹部１１ｂに支持された揺動ロッド２１の第１球状端部２１ａが軸線ｙを中心とする円周上を移動することで、揺動ロッド２１は第２球状端部２１ｂを頂点とする円錐面上を歳差運動する。その結果、揺動ロッド２１に固定された揺動板２２も歳差運動し、その揺動板２２に連結ロッド２６…を介して連結されたピストン２４…は、入力軸２０の１回転を１周期としてシリンダ２３…内を軸線ｙ方向に往復運動する。このとき、４個のピストン２４…が往復動する位相は、揺動板２２の傾斜に応じて９０°づつずれている。

各ピストン２４がシリンダ２３内を往復動すると、ピストン２４に接続された第１、第２ダイヤフラム３１，３３が往復動し、第２ダイヤフラム３３の左側に区画された作動室３８の容積が増減する。第２ダイヤフラム３３が右動して作動室３８の容積が増加すると、吐出弁４０が閉弁して吸入弁３９が開弁することで作動室３８内に流体が吸入され、それに続いて第２ダイヤフラム３３が左動して作動室３８の容積が減少すると、吸入弁３９が閉弁して吐出弁４０が開弁することで作動室３８から流体が吐出される。このように４個の作動室３８…が異なる位相で交互に流体を吐出することで、流体ポンプの吐出圧の脈動を低減することができる。

第１、第２ダイヤフラム３１，３３を設けたことにより、作動室３８に面する第２ダイヤフラム３３が万一破損した場合でも、作動室３８の流体は第１ダイヤフラム３１に阻止されてピストン２４や揺動板２２を汚損する虞がない。

また揺動板２２は入力軸２０と一体に回転することなく、揺動ロッド２１と一体に歳差運動を行うだけなので、連結ロッド２６は角度が僅かに変化するだけで揺動板２２およびピストン２４間で駆動力を伝達することができる。これにより、揺動板２２が回転運動を行う場合に比べて振動の発生を最小限に抑えることが可能になる。

しかも連結ロッド２６の両端の第１、第２球状部２６ａ，２６ｂは、引っ張っても抜けないように揺動板２２およびピストン２４…に枢支されているので、揺動板２２がピストン２４から離反する方向に相対移動するときでも両者の連結が失われることがない。これにより、ピストン２４を揺動板２２に向けて付勢するリターンスプリングのような特別の弾発手段を廃止することができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施例ではピストン２４…で駆動される第２ダイヤフラム３３…によりポンプ機能を発揮させているが、ピストン２４…により直接ポンプ機能を発揮させても良い。

また実施例では流体ポンプについて説明したが、本発明は内燃機関に対しても適用することができる。この場合、燃料の燃焼圧で４個のピストン２４…を交互に押圧すると、それらピストン２４…の往復動を揺動板２２によって入力軸２０（この場合は出力軸となる）の回転運動に変換することができ、その際に振動の発生を抑制することができる。

また本発明の内燃機関とポンプとの双方可逆共通機構の作動流体は、液体および気体の何れであっても良い。

流体ポンプの縦断面図 図１の２−２線断面図 図１の３−３線断面図 図１の４−４線断面図 図１の５−５線断面図 直線運動機構の説明図

符号の説明

ｙ 軸線
１１ 本体ケーシング（固定部）
２０ 入力軸（回転軸）
２１ 揺動ロッド
２２ 揺動板
２３ シリンダ
２４ ピストン
２６ 連結ロッド

Claims (2)

1. 軸線（ｙ）を中心とする円周上に配置された複数のシリンダ（２３）と、
   前記シリンダ（２３）にそれぞれ摺動自在に嵌合する複数のピストン（２４）と、
   前記軸線（ｙ）上に配置された回転軸（２０）と、
   一端が前記軸線（ｙ）上で固定部（１１）に枢支されて他端が前記前記軸線（ｙ）から偏心した位置で前記回転軸（２０）に枢支された揺動ロッド（２１）と、
   前記揺動ロッド（２１）に固定された揺動板（２２）と、
   一端が前記揺動板（２２）に枢支されて他端が前記ピストン（２４）に枢支された複数の連結ロッド（２６）と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関とポンプとの双方可逆共通機構。
2. 前記連結ロッド（２６）は引張方向の荷重を支持し得るように前記揺動板（２２）および前記ピストン（２４）に枢支されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関とポンプとの双方可逆共通機構。
   

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