JP2009121540A - クランク装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸２の回転にて往復動部材６を往復動するか，往復動部材６の往復動にて回転軸２を回転するクランク装置において，その小型・軽量化と低価格化を図る。
【解決手段】前記回転軸２のうちその回転中心から適宜の軸間距離Ｓだけ偏芯した部位にピン軸９を回転自在に軸支し，このピン軸に固着したクランクアーム１２のうち前記軸間距離と等しいクランク半径Ｒだけ偏芯した部位にクランクピン１３を設けて，このクランクピンに前記往復動部材６を連結する一方，前記ピン軸に，前記軸間距離をピッチ円直径にした遊星歯車１１を固着し，この遊星歯車を，前記回転軸と同心に当該回転軸に固定して配設した太陽歯車１０に噛合する。
【選択図】図１

Description

本発明は，回転運動を往復運動に変換するか，又は，その逆に往復運動を回転運動に変換するようにしたクランク装置に関するものである。

従来，この種のクランク装置は，入力又は出力用の回転軸と，ピストン等の往復動部材とから成り，前記回転軸に固着したクランクアームにクランクピンを，前記回転軸の回転中心から偏芯した部位に設けて，このクランクピンと，前記往復動部材との間をコンロッドを介して連結するという構造であった。

しかし，この構造では，前記クランクピンが，回転軸を中心として回転することにより，これに一端が連結された前記コンロッドが，前記往復動部材における往復動の方向に対して横方向に揺動運動するから，前記往復動部材及びコンロッドに横方向への大きな振動が発生するばかりか，前記往復動部材には，横方向に大きなスラストが発生するのであった。

そこで，先行技術としての特許文献１及び２は，入力又は出力用の回転軸と，この回転軸の軸線方向から見てその回転中心から半径方向外向きに延びる往復動軸線に沿って往復動する往復動部材とから成り，前記回転軸のうちその回転中心から半径方向外向きに適宜の軸間距離だけ偏芯した部位に，当該軸間距離の二倍をピッチ円直径とする外歯歯車の遊星歯車をピン軸にて回転自在に軸支し，この遊星歯車のうちそのピッチ円上の部位にクランクピンを設けて，このクランクピンと，前記往復動部材との間をコンロッドを介して連結する一方，前記遊星歯車におけるピッチ円直径の二倍をピッチ円直径とする内歯歯車の太陽歯車を，前記回転軸の回転中心と同心にして配設して非回転に固定し，この内歯歯車の太陽歯車に，前記遊星歯車を噛合して成るという構成のクランク装置を提案している。

この構造において，前記クランクピンを，前記往復動軸線上のうち前記往復動部材に近い上死点に位置し，この状態から前記回転軸を，例えば時計方向に回転する。これにより，前記回転軸に軸支した遊星歯車が，非回転の太陽歯車に噛合していることに基づいて，前記回転軸の公転方向と逆方向に同じ回転角度だけ自転することにより，この遊星歯車に設けたクランクピンは，常に，前記往復動軸線上に位置して，この往復動軸線に沿って直線的に往復動するから，このクランクピンに一端を連結されたコンロッドにおける横方向への揺動を無くすることができ，振動の低減と，スラスト荷重の低減を図ることができる。
特開平７−３０５６０１号公報 特開平９−１１９３０１号公報

しかし，この先行技術の構造において，その往復動部材における往復動ストロークは，前記遊星歯車におけるピッチ円直径の二倍に等しく，従って，前記内歯歯車の太陽歯車におけるピッチ円直径を，前記往復動部材における往復動ストロークと同じ寸法にしなければならず，換言すると，ピッチ円直径を往復動ストロークと同じにした大径の内歯歯車による太陽歯車を必要とすることに加えて，この大径の太陽歯車を非回転に固定するための構造とを必要とするので，この部分における前記太陽歯車における直径方向の横幅寸法が大幅に増大し，大型化及び重量のアップを招来するという問題がある。

しかも，遊星歯車における外歯の太陽歯車における内歯への噛合であるから，かみ合いの騒音及び振動が大きいばかりか，耐久性が低く，且つ，製造価格も可成りアップするという問題もあった。

本発明は，これらの問題を解消したクランク装置を提供することを技術的課題とするものである。

この技術的課題を達成するため本発明の請求項１は，
「入力又は出力用の回転軸と，この回転軸の軸線方向から見てその回転中心から半径方向外向きに延びる往復動軸線に沿って往復動する往復動部材とから成り，前記回転軸のうちその回転中心から適宜の軸間距離だけ偏芯した部位に，ピン軸を前記回転軸と平行にして回転自在に軸支し，このピン軸に固着したクランクアームのうち前記ピン軸の回転中心から前記軸間距離と等しいクランク半径だけ偏芯した部位に，クランクピンを設けて，このクランクピンに，前記往復動部材を当該クランクピンが自在に回転し得るようにして連結する一方，前記ピン軸に，前記軸間距離をピッチ円直径にした遊星歯車を固着し，この遊星歯車を，当該遊星歯車と同じピッチ円直径にして前記回転軸と同心に配設した太陽歯車に噛合し，この太陽歯車を前記回転軸に固定する。」
ことを特徴としている。

また，本発明における請求項２は，
「前記請求項１の記載において，前記回転軸には，その軸線を挟んで前記ピン軸と反対側の部分，及び，前記ピン軸には，その軸線を挟んで前記クランクピンと反対側の部分にバランスウエイトを設ける。」
ことを特徴としている。

前記請求項１の記載において，前記回転軸を，前記ピン軸及びクランクピンが前記往復動軸線上のうち前記回転軸よりも前記往復動部材側の上死点に位置し，この状態から例えば時計方向に回転することにより，前記回転軸に適宜の軸間距離を隔てて軸支したピン軸が，前記回転軸の回りを同じく時計方向に公転する。

このとき前記ピン軸に固着した遊星歯車が，前記回転軸の中心に当該回転軸に固定して配設した太陽歯車に噛合していることにより，前記ピン軸は，当該ピン軸における公転と同じ回転角度だけ逆の反時計方向に自転するから，このピン軸に固着したクランクアームにおけるクランクピンは，そのクランク半径が前記軸間距離と等しいために，前記往復動軸線上に位置したままでこの往復動軸線に沿って前記上死点とは回転軸を挟んで反対側の下死点に向かって直線状に移動し，やがて，前記回転軸が１８０度回転したときに，前記クランクピンは，前記下死点に至る。

そして，前記回転軸が更に時計方向に１８０度回転すると，これと同じだけ前記ピン軸が時計方向に公転して，クランクアームが同じ回転角度だけ逆方向に自転することになるから，このクランクアームにおけるクランクピンは，前記往復動軸線上に位置したままで，この往復動軸線に沿って直線状に移動して前記上死点に戻ることを繰り返す。

つまり，前記クランクピンは，前記回転軸の回転中心を通る往復動軸線上に位置したままでこの往復動軸線に沿って上死点と下死点との間を直線状に往復動するから，これに連結した往復動部材を，当該往復動部材に横方向のスラストを付与したり，或いは，当該往復動部材及びコンロッドに横方向の振動を付与したりすることなく，円滑に往復動することができる。

前記往復動部材における往復動ストロークは，前記往復動軸線上におけるクランクピンの上死点から下死点までの距離に等しく，この上死点から下死点までの距離は，前記回転軸からピン軸までの軸間距離の二倍に，前記ピン軸からクランクピンまでのクランク半径の二倍を加算した寸法に等しい。

そして，前記回転軸と前記ピン軸との間に，互いに噛合する太陽歯車及び遊星歯車を設けるという構成であるから，前記太陽歯車におけるピッチ円直径，及び前記遊星歯車におけるピッチ円直径は，そのいずれも，前記往復動ストロークの１／４になる。

従って，本発明によると，太陽歯車におけるピッチ円直径を，当該太陽歯車を内歯歯車に構成した場合のように，往復動ストロークと等しくする必要はなく，前記太陽歯車と，この太陽歯車に噛合する遊星歯車との両方を，前記先行技術の場合よりも遥かに小径にできるから，クランク装置における大幅な小型化と軽量化を達成できる。

しかも，前記太陽歯車と遊星歯車との両方がいずれも外歯歯車であることにより，そのかみ合いの騒音及び振動を低減できるとともに，耐久性が高く，しかも，製造価格も大幅に低減できる。

また，請求項２に記載した構成によると，前記回転軸及び前記ピン軸が回転するときにおける動的なアンバランスを，その各々に設けたバランスウエイトによって無くしたり，或いは小さくできるから，振動を抑制することができる。

以下，本発明の実施の形態を図面について説明する。

図１〜図５は，第１の実施の形態を示し，この第１の実施の形態は，ピストン式の内燃機関に適用した場合である。

これらの図において，符号１は，内燃機関におけるシリンダブロックを示し，このシリンダブロック１の下部におけるクランクケース内には，出力用の回転軸２が，軸受け部３にて回転自在に軸支されている。

また，前記シリンダブロック１には，前記回転軸２の軸線方向から見て当該回転軸２の回転中心を通って半径方向に延びる往復動軸線４を中心線とするシリンダ５が設けられ，このシリンダ５の内部には，往復動部材としてのピストン６が設けられ，且つ，このシリンダ５の頂部は，前記シリンダブロック１に締結したシリンダヘッド７にて塞がれている。

前記回転軸２の一端部には，半径方向に延びるアーム部材８を回転不能に固着（キー止め）し，このアーム部材８のうち前記回転軸２の回転中心から適宜の軸間距離Ｓの部位に，ピン軸９を，前記回転軸２と平行にして回転自在に軸支する。

また，前記回転軸２の一端部には，前記軸間距離Ｓをピッチ円直径Ｄ１とする外歯歯車の太陽歯車１０が，同心とするように回転自在に被嵌され，この太陽歯車１０は，前記回転軸２と一緒に回転するように固定（キー止め）されている。

一方，前記ピン軸９のうちアーム部材８を挟んで外端部には，前記軸間距離Ｓをピンチ円直径Ｄ２とする外歯歯車の遊星歯車１１が回転不能に固着（キー止め）され，この遊星歯車１１は，前記非回転の太陽歯車１０に噛合している。

また，前記ピン軸９のうちアーム部材８を挟んで内端部には，クランクアーム１２が，半径方向の外向きに延びるように回転不能に固着（キー止め）され，このクランクアーム１２のうち前記ピン軸９の回転中心から前記軸間距離Ｓと等しいクランク半径Ｒだけ偏芯した部位には，クランクピン１３が，前記回転軸２及び前記ピン軸９と平行にして設けられており，このクランクピン１３には，前記ピストン６から延びるコンロッド１４の先端が，自在に回転するように連結されている。

前記回転軸２におけるアーム部材８のうち前記回転軸２の軸線を挟んで前記ピン軸９と反対側の部分，つまり，前記ピン軸９から回転角度で１８０度の部分には，当該アーム部材８及び前記ピン軸９に対する釣り合い用の第１バランスウエイト１５が設けられており，この第１バランスウエイト１５は，前記回転軸２に直接に設ける構成にしても良い。

また，前記ピン軸９におけるクランクアーム１２のうち前記ピン軸９の軸線を挟んで前記クランクピン１３と反対側の部分，前記クランクピン１３から回転角度で１８０度の部分には，当該クランクアーム１２及び前クランクピン１３に対する釣り合い用の第２バランスウエイト１６が設けられており，この第２バランスウエイト１６は，前記ピン軸９に直接に設ける構成にしても良い。

この構成において，図２に示すように，前記ピン軸９及びクランクピン１３を，前記往復動軸線４上のうち前記回転軸２よりも前記ピストン６側の上死点ＴＤＣに位置し，前記回転軸２を，前記の状態から例えば矢印Ａで示す時計方向に回転することにより，前記回転軸２に適宜の軸間距離Ｓを隔てて軸支したピン軸９が，前記回転軸２の回りを同じく矢印Ａで示す時計方向に公転する。

このとき前記ピン軸９に固着した遊星歯車１１が，前記回転軸２の中心にこの回転軸２に固定して配設した太陽歯車１０に噛合していることにより，前記ピン軸９は，図３に示すように，当該ピン軸９における公転と同じ回転角度だけ矢印Ｂで示す反時計方向に自転するから，このピン軸９に固着したクランクアーム１２におけるクランクピン１３は，そのクランク半径Ｒが前記軸間距離Ｓと等しいために，前記往復動軸線４上に位置したままで，この往復動軸線４に沿って前記上死点ＴＤＣとは前記回転軸２を挟んで反対側の下死点ＢＤＣに向かって直線状に移動する。

前記回転軸２が，元の位置から矢印Ａで示す時計方向に９０度回転した状態では，図３に示すように，前記ピン軸９が９０度だけ矢印Ｂで示す反時計方向に自転しながら矢印Ａで示す時計方向に９０度だけ公転することにより，このピン軸９が，前記回転軸２に対して真横の位置し，これに設けたクランクアーム１２が横向きになるから，前記クランクピン１３は，前記回転軸２の同一軸線上の位置に至る。

次いで，前記回転軸２が，元の位置から矢印Ａで示す時計方向に１８０度回転した状態では，図４に示すように，前記ピン軸９が９０度だけ矢印Ｂで示す反時計方向に自転しながら矢印Ａで示す時計方向に９０度だけ公転することにより，このピン軸９が，前記回転軸２に対して真下に位置し，これに設けたクランクアーム１２が下向きになるから，前記クランクピン１３は，前記下死点ＢＤＣの位置に至る。

次いで，前記回転軸２が，元の位置から矢印Ａで示す時計方向に２７０度回転した状態では，図５に示すように，前記ピン軸９が９０度だけ矢印Ｂで示す反時計方向に自転しながら矢印Ａで示す時計方向に９０度だけ公転することにより，このピン軸９が，前記回転軸２に対して真横に位置し，これに設けたクランクアーム１２が横向きになるから，前記クランクピン１３は，前記回転軸２の同一軸線上の位置に至る。

そして，前記回転軸２が，元の位置から矢印Ａで示す時計方向に３６０度回転した状態では，図１に示すように，前記ピン軸９が９０度だけ矢印Ｂで示す反時計方向に自転しながら矢印Ａで示す時計方向に９０度だけ公転することにより，このピン軸９が，前記回転軸２に対して真上に位置し，これに設けたクランクアーム１２が上向きになるから，前記クランクピン１３は，前記上死点ＴＤＣの位置に戻る。

つまり，前記クランクピン１３は，前記回転軸２の回転中心を通る往復動軸線４上に常に位置したままでこの往復動軸線４に沿って上死点ＴＤＣと下死点ＢＤＣとの間を直線状に往復動するから，これにコンロッド１４を介して連結したピストン６を，当該ピストン６に横方向のスラストを付与したり，或いは，当該ピストン６及びコンロッド１４に横方向の振動を付与したりすることなく，円滑に往復動することができる。

この場合，前記ピストン６における往復動のストロークＬは，前記往復動軸線４上におけるクランクピン１３の上死点ＴＤＣから下死点ＢＤＣまでの距離Ｗに等しく，この上死点ＴＤＣから下死点ＢＤＣまでの距離Ｗは，前記回転軸２からピン軸９までの軸間距離Ｓの二倍に，前記ピン軸９からクランクピン１３までのクランク半径Ｒの二倍を加算した寸法に等しい。

そして，前記回転軸２と前記ピン軸９との間に，互いに噛合する太陽歯車１０及び遊星歯車１１を設けるのであるから，前記太陽歯車１０におけるピッチ円直径Ｄ１，及び前記遊星歯車１１におけるピッチ円直径Ｄ２は，そのいずれも，前記往復動のストロークＬの１／４になる。

この場合において，前記回転軸２における第１バランスウエイト１５を，前記ピン軸９における第２バランスウエイト１６よりも適宜重くすることにより，前記回転軸２と前記ピン軸９との間における不釣り合いを小さくできる。

すなわち，前記ピン軸９の部分には，当該ピン軸９における第２バランスウエイト１６が公転することによる遠心力が存在しているから，この分だけ前記回転軸２における第１バランスウエイト１５を重くすることにより，前記回転軸２と前記ピン軸９との間における不釣り合いを無くすることができる。

次に，図６は，第２の実施の形態を示す。

この第２の実施の形態は，前記第１の実施の形態におけるクランクピン１３を，両端支持の構造にした場合である。

すなわち，回転軸を，同じ軸線上に位置する二つの回転軸２ａ，２ｂに分断する構成にして，この両回転軸２ａ，２ｂの各々に，それぞれバランスウエイト１５ａ，１５ｂを備えたアーム部材８ａ，８ｂを固着し，この両アーム部材８ａ，８ｂの各々に，ピン軸９ａ，９ｂを軸支し，この両ピン軸９ａ，９ｂの内端部の各々に，それぞれバランスウエイト１６ａ，１６ｂを備えたクランクアーム１２ａ，１２ｂを固着して，この両クランクアーム１２ａ，１２ｂにて，前記クランクピン１３の両端を支持する一方，前記両回転軸２ａ，２ｂのうちいずれか一方又は両方と，前記両ピン軸９ａ，９ｂのうちいずれか一方又は両方との間に，互いに噛合する太陽歯車１０と，遊星歯車１１とを設けるという構成にしたものである。その他の構成は，前記第１の実施の形態と同様である。

この第２の実施の形態によると，クランクピン１３をその両端において支持するから，前記クランクピン１３の強度を向上できることに加えて，クランク装置が，その両回転軸２ａ，２ｂの軸線と直角の方向から見た図６において，シリンダ５の軸線５ａを挟んで完全な左右対称の構造（太陽歯車及び遊星歯車を，両回転軸２ａ，２ｂの両方に設けた場合）になるか，これに左右対称に近い構造（太陽歯車及び遊星歯車を，両回転軸２ａ，２ｂのうちいずれか一方にのみ設けた場合）になるから，前記両回転軸２ａ，２ｂに，その軸線と前記シリンダ軸線５ａとの交点Ｑを中心として上下方向に首振り運動するような慣性力が発生することを確実に抑制でき，振動の低減を達成できる。

なお，この第２の実施の形態においても，バランスウエイト１５ａ，１５ｂ及び１６ａ，１６ｂを，両回転軸２ａ，２ｂ及び両ピン軸９ａ，９ｂに直接に設けるという構成にすることができるし，また，第１バランスウエイト１５ａ，１５ｂを，第２バランスウエイト１６ａ，１６ｂよりも適宜重くすることが好ましい。

ところで，前記した各実施の形態は，ピストンの往復動にて回転軸を回転するというピストン式の内燃機関に適用した場合であったが，本発明は，これに限らず，回転軸の回転によりピストンを往復動するようにした往復動ポンプ又は往復動空気圧縮機等に対しても適用できることはいうまでもない。

第１の実施の形態を示す図である。 図１のII−II視側面図である。 図１において回転軸が９０度回転した状態を示す図である。 図１において回転軸が１８０度回転した状態を示す図である。 図１において回転軸が２７０度回転した状態を示す図である。 第２の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１ シリンダブロック
２，２ａ，２ｂ 回転軸
３ 軸受け部
４ 往復動軸線
５ シリンダ
５ａ シリンダ軸線
６ ピストン（往復動部材）
７ シリンダヘッド
８，８ａ，８ｂ アーム部材
９，９ａ，９ｂ ピン軸
１０ 太陽歯車
１１ 遊星歯車
１２，１２ａ，１２ｂ クランクアーム
１３ クランクピン
１４ コンロッド
１５，１５ａ，１５ｂ バランスウエイト
１６，１６ａ，１６ｂ バランスウエイト

Claims (2)

1. 入力又は出力用の回転軸と，この回転軸の軸線方向から見てその回転中心から半径方向外向きに延びる往復動軸線に沿って往復動する往復動部材とから成り，前記回転軸のうちその回転中心から適宜の軸間距離だけ偏芯した部位に，ピン軸を前記回転軸と平行にして回転自在に軸支し，このピン軸に固着したクランクアームのうち前記ピン軸の回転中心から前記軸間距離と等しいクランク半径だけ偏芯した部位に，クランクピンを設けて，このクランクピンに，前記往復動部材を当該クランクピンが自在に回転し得るようにして連結する一方，前記ピン軸に，前記軸間距離をピッチ円直径にした遊星歯車を固着し，この遊星歯車を，当該遊星歯車と同じピッチ円直径にして前記回転軸と同心に配設した太陽歯車に噛合し，この太陽歯車を前記回転軸に固定することを特徴とするクランク装置。
2. 前記請求項１の記載において，前記回転軸には，その軸線を挟んで前記ピン軸と反対側の部分，及び，前記ピン軸には，その軸線を挟んで前記クランクピンと反対側の部分にバランスウエイトを設けることを特徴とするクランク装置。

Images