JP3626018B2

JP3626018B2 - 直線往復２移動体の直結型クランク装置

Info

Publication number: JP3626018B2
Application number: JP24211398A
Authority: JP
Inventors: 健高地; 秀司大貝
Original assignee: LWJ CO., LTD.
Current assignee: LWJ CO., LTD.
Priority date: 1998-08-27
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2018-08-27
Also published as: JP2000073701A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直線往復移動可能に配設された２つの移動体を直結するクランク装置に関する。
【０００２】
特に、内燃機関のピストンに直結して、コンプレッサのピストンを始めとする各種直線往復移動体を有する被駆動機械を駆動するものであって、動力伝達効率の向上及び振動や騒音の低減を図るものとして好適である。
【０００３】
【従来の技術】
クランク装置は、内燃機関やコンプレッサ等において直線往復運動と回転運動間で動力変換を行う装置として周知であるが、ピストンとクランク軸を連結する連結棒がピストン上死点及び下死点以外では常にシリンダ軸線に対して傾斜していることから動力変換効率の上で無駄があるし、連接棒から反作用としてピストンが受ける横方向分力でシリンダの内壁を擦るいわゆるピストンストラップが生じ、これが振動、騒音、摩耗などの原因となっている。
【０００４】
しかし、コンプレッサのピストンなど直線往復移動する移動体を有する被駆動機械を、内燃機関を動力源として駆動しようとする場合、従来のクランク装置の利用は避けることができない。図７は内燃機関ＥとコンプレッサＣの３種類の結合態様を示したもので、図７（ａ）と（ｂ）は内燃機関ＥとコンプレッサＣのいずれもクランク装置を具備するもので、（ａ）はプーリ５０ａ，５０ｂとベルト５１で回転運動を伝達し、（ｂ）はカップリング５２で回転運動を伝達している。また、図７（ｃ）は内燃機関ＥとコンプレッサＣのシリンダ軸線の交差部に共通のクランク装置５３を配設し、内燃機関ＥとコンプレッサＣでクランクピン５４を共通にしたものである。これら３種の結合方式は、いずれもクランク装置を利用していることから、動力変換にかなりの無駄が生じてしまう。
【０００５】
このような従来のクランク装置の課題を解決するため、本願発明者らは新しい発想に基づく新型のクランク装置を先に提案した（特許第２６８３２１８号）。この新型クランク装置は、連接棒とクランク軸との間に遊星歯車機構を介装することによって、クランク軸の回転に伴う連接棒下端の横方向の振幅を遊星歯車機構で吸収するようにしている。これによって連接棒は、常にシリンダ軸線上を傾斜揺動することなく上下動し、動力変換効率が向上し、ピストンスラップも解消される。
【０００６】
さらに、本願発明者らは、この新型クランク装置を応用して、内燃機関のピストンにコンプレッサのピストン等の各種直線往復移動体を直結し、効率的な動力伝達を可能とする。内燃機関直結型の駆動機械を提案している（特願平７−２８４９３４号）。
【０００７】
これにより、従来のクランク機構を介する動力伝達に比べ、ピストンスラップ等に起因する効率上のロスや振動、騒音が無く、極めて効率的な動力伝達を実現させた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、この内燃機関直結型の駆動機械は、内燃機関のピストンと被駆動機械の移動体との両方に連接棒が連接しているので、被駆動機械の構造によっては、連接棒に横方向の振れ許容量が小さくなる。例えば、被駆動機械が、ピストンがシリンダ内を往復移動するコンプレッサである場合、連接棒の両端の動きが、内燃機関のシリンダとコンプレッサのシリンダによって規制されるので、連接棒に横方向の振れ許容量が小さくなる。このとき、クランク装置に配設された遊星歯車機構にバックラッシが生じると、連接棒に横方向の振れが生じるため、それに相当するピストンスラップが、内燃機関及び被駆動機械のピストンに生じる可能性があり、動力伝達効率の向上等を図る上で問題となる。
【０００９】
本発明は、直線往復移動可能に配設された２つの移動体を直結するクランク装置において、移動体のスムーズな往復移動を確保することを目的とし、また、それが適用される駆動機械（例えば、内燃機関直結型の駆動機械）における動力伝達効率の向上、振動や騒音等の低減を図ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る直線往復２移動体の直結型クランク装置は、一直線上に互いに整合し、直線往復移動可能に配設された２つの移動体の移動領域の中間位置において、一直線に直交する線上に中心を有し、固定的に配設された内周太陽歯車と、内周太陽歯車と噛合して自転及び公転可能であって、内周太陽歯車のピッチ円直径の二分の一のピッチ円直径を有する遊星歯車と、遊星歯車の中心部を自転可能に支持する腕部と、遊星歯車の公転を許容するように中心の回りに回転自在な軸部とを有するクランク部材と、２つの移動体の間で前記一直線に沿って延在し、２つの移動体を連結するとともに、遊星歯車の外周部分に枢支連結される連接棒とを備えた直線往復２移動体の直結型クランク装置において、連接棒は、遊星歯車の公転平面と平行な状態で屈曲可能な関節構造を備えていることを特徴とする。
【００１１】
なお、この直線往復２移動体の直結型クランク装置は、遊星歯車の中心部回りの静的および動的重量バランスがとられ、かつ、クランク部材の軸部回りの静的および動的重量バランスがとられているものであることが望ましい。
【００１２】
また、連接棒の関節構造は、遊星歯車の公転平面と平行に回動可能に枢支される係合部を有し、係合部の係合端部が回動中心を中心とする円弧形状をもって、互いに対応するものであることが望ましい。
【００１３】
この直線往復２移動体の直結型クランク装置は、上述の２移動体のうち、一の移動体を内燃機関のピストンとし、他の一の移動体を被駆動機械の直線往復移動部材とする内燃機関直結型の駆動機械や、２移動体を共に内燃機関のピストンとする２機関直結型の内燃機関や、２移動体を共に被駆動機械の直線往復移動部材とする２移動体直結型の駆動機械に適用することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の直線往復２移動体の直結型クランク装置を内燃機関直結型のコンプレッサ１に適用した実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。
【００１５】
この内燃機関直結型のコンプレッサ１は、内燃機関Ｅと、コンプレッサＣと、クランク装置Ａとを有し、内燃機関Ｅのピストン２ａの直線往復動を、そのままコンプレッサＣ（被駆動機械）のピストン２ｂ（移動体）に伝達して直線往復動させるようにしたものである。
【００１６】
内燃機関Ｅは、燃焼室がシリンダ４ａとピストン２ａによって構成された、周知の４サイクルエンジン構造である。コンプレッサＣは、シリンダ４ｂとピストン２ｂによって構成される圧縮室の圧縮側端部に、給気弁と排気弁とが取り付けられた構造を有し、ピストン２ｂが上死点から下死点に移動する際に吸気弁４ｂ１が開口して吸気が行われ、ピストン２ｂが下死点から上死点に移動する際に排気弁４ｂ２が開口して排気が行われるものである。
【００１７】
内燃機関Ｅのシリンダ４ａとコンプレッサＣのシリンダ４ｂは、各軸線が一直線となるように整合して配設されている。また内燃機関Ｅのピストン２ａとコンプレッサＣのピストン２ｂは、連接棒６で一体に連結されている。
【００１８】
クランク装置Ａは、内周太陽歯車８ａと、遊星歯車１０とを有する。内周太陽歯車８ａは、内燃機関ＥとコンプレッサＣの中間で、かつ、それぞれのシリンダ４ａ，４ｂの整合軸線上に、中心Ｏを定めて固定的に配設される。遊星歯車１０は、この内周太陽歯車８ａの半分のピッチ円直径を有し、内周太陽歯車８ａの内周を公転するように噛合される。
【００１９】
連接棒６は、遊星歯車１０の周縁部側面に一致して配設された軸部１２に、その中間部が連結されている。軸部１２は、遊星歯車１０に回転自在に配設すれば連接棒６とは固定結合でよいし、また軸部１２を連接棒６に回転自在に枢支させれば軸部１２は遊星歯車１０に固定配設してよい。なお、連接棒６上における軸部１２の位置は、コンパクトに構成するために連接棒６の長さの中間位置であることが望ましい。なお、軸部１２は連接棒６のいずれか一端にやや寄せて配設することも可能である。
【００２０】
連接棒６は、軸部１２の取付け位置よりも内燃機関Ｅのピストン２ａ側の位置に、遊星歯車１０の公転平面と平行に屈曲可能な関節構造６ａを有する。
【００２１】
図４に示すように、この関節構造６ａは、内燃機関Ｅのピストン２ａ側の連接棒６ａ１と、コンプレッサＣのピストン２ｂ側の連接棒６ａ２とに、遊星歯車１０の公転平面と平行で互いに対応する係合部を形成し、遊星歯車１０の公転平面と直角に係合ピン６ａ３で枢支したものである。連接棒６ａ１，６ａ２の係合端部６ａ４，６ａ５、及び、係合端部６ａ４，６ａ５が対応する受け部は、互いに対応し係合ピン６ａ３を中心とする円弧形状を有する。これによって、内燃機関Ｅのピストン２ａ側の連接棒６ａ１と、コンプレッサＣのピストン２ｂ側の連接棒６ａ２とは、互いに支持しつつスムーズな回動が担保されている。
【００２２】
この内燃機関直結型のコンプレッサ１は、連接棒６に関節構造６ａを有しているので、クランク装置Ａを構成する遊星歯車機構のバックラッシに基づく横方向振れが、関節構造６ａが適切に折れ曲ることによって吸収される。これにより、内燃機関Ｅのピストン２ａに横方向の振れが伝わらず、内燃機関Ｅのピストンスラップを低減させることができる。
【００２３】
本実施形態では、より大きな力がかかる内燃機関Ｅにおけるピストンスラップを低減させるために、連接棒６の内燃機関Ｅ側に関節構造が構成されている。なお、関節構造６ａは、軸部１２やコンプレッサＣ（被駆動機械）側に構成しても良い。
【００２４】
図３のように、遊星歯車１０の中心部は、内周太陽歯車８ａの中心Ｏ位置に軸部１４ａを定めたクランク部材１４の腕部１４ｂの先端部に回転自在に支持されている。このクランク部材１４は、図１，図３で紙面に垂直な方向に延在しており、遊星歯車１０を内周太陽歯車８ａの内側で自転自在かつ公転自在に支持している。
【００２５】
内燃機関直結型のコンプレッサ１の基本構造は以上の通りであるが、これを図２に基づいてさらに具体的に説明する。図２は内周太陽歯車８ａと遊星歯車１０からなる遊星歯車機構１６を連接棒６の左右に一対で配設したものである。遊星歯車機構１６を連接棒６の片側だけに配設してもよいが、このように遊星歯車機構１６を左右一対で配設することにより、機械的な安定度が格段に高まる。内燃機関Ｅのシリンダ４ａとコンプレッサＣのシリンダ４ｂとの間に、円筒部１８ａを有するハウジング１８が配設され、このハウジング１８の内周部に太陽歯車部材８の外周部が固定嵌合されている。
【００２６】
太陽歯車部材８はリング状をなし、その内周部片側に内周太陽歯車８ａが形成されている。この内周太陽歯車８ａには、そのピッチ円直径の半分のピッチ円直径の遊星歯車１０が自転自在かつ公転自在に噛合されている。遊星歯車１０は反対側の遊星歯車と屈曲軸部２０を介して一体連結されており、この屈曲軸部２０の中間に形成された軸部１２に、連接棒６の中間部に形成された軸孔２２が回転自在に枢支され、さらに連接棒６の両端には、ピストンピン２４ａ，２４ｂによってピストン２ａ，２ｂが取付けられている。なお、屈曲軸部２０から軸部１２と反対側で半径方向外方に延在して釣合錘Ｍ１が一体形成されている。
【００２７】
太陽歯車部材８の内周部には、クランク部材１４を回転自在に支持するため、内周太陽歯車８ａに隣接した軸受２６が形成されている。クランク部材１４は内周太陽歯車８ａの内側空間にあって遊星歯車１０を取り囲むように配設され、クランク部材１４の片側外周が軸受２６によって回転自在に支持されている。クランク部材１４の反対側外周はハウジング１８の内周に形成された別の軸受２８で回転自在に支持されている。
【００２８】
遊星歯車１０の中心には油孔を兼ねた軸孔３０が形成され、この軸孔３０にクランク部材１４から突設された支軸部１４ｃが回転自在に嵌合されている。遊星歯車１０に隣接する屈曲軸部２０の外周は、クランク部材１４に形成された軸受１４ｄによって回転自在に支持されている。なお、クランク部材１４から腕部１４ｂと反対側で半径方向外方に延在して釣合錘Ｍ２が一体形成されている。
【００２９】
前記釣合錘Ｍ１，Ｍ２について説明すると、まずＭ１は遊星歯車１０の軸孔３０を中心とする静的および動的重量バランス（すなわち遊星歯車１０の自転重量バランス）をとるためのものであって、図３のように遊星歯車１０の中心から釣合錘Ｍ１の重心までの距離をＬ１とし、連接棒６を含めたピストン２ａ，２ｂの重量をＡとすると、Ａ×Ｒ１＝Ｍ１×Ｌ１となるようにＭ１，Ｌ１が設定されている。ここでＲ１は遊星歯車１０の半径である。また、釣合錘Ｍ２はクランク部材１４の軸部１４ａを中心とする静的および動的重量バランス（すなわち遊星歯車１０の公転重量バランス）をとるためのものであって、クランク部材１４の軸部１４ａから釣合錘Ｍ２の重心までの距離をＬ２とし、前記重量Ａに遊星歯車１０とクランク部材１４の腕部１４ｂの重量を加算した重量をＢとすると、Ｂ×Ｒ２＝Ｍ２×Ｌ２となるようにＭ２，Ｌ２が設定されている。ここでＲ２はクランク部材１４の軸部１４ａの中心Ｏからクランク部材１４の腕部１４ｂの先端までの長さである。
【００３０】
本実施形態の内燃機関直結型のコンプレッサ１は、遊星歯車１０及びクランク部材１４に釣合錘Ｍ１及び釣合錘Ｍ２を構成することによって、振動を抑制することができ、さらに連接棒６に関節構造６ａを具備することと相俟って、動力伝達効率を向上させることができる。
【００３１】
前述の釣合式で釣合錘Ｍ１を軽量化するには、屈曲軸部２０の材料をできるだけ遊星歯車１０の自転中心から離間した位置に偏在させるか、距離Ｌ１を延長する。同様に釣合錘Ｍ２を軽量化するには、クランク部材１４の材料をできるだけ遊星歯車１０の公転中心から離間した位置に偏在させるか、距離Ｌ２を延長する。ただし、距離Ｌ１，Ｌ２の延長は組立体１の外形寸法にも影響してくるので、組立体１をコンパクトにするためにはこれら寸法を適当な大きさに抑える必要がある。
【００３２】
ハウジング１８の両端はクランク部材の両端面を隙間をあけて覆うように端壁部１８ｂで閉塞され、この端壁部１８ｂに油供給口３４が形成されている。この油供給口３４はクランク部材１４の油孔３６，３８と連通され、一方の油孔３６、軸孔３０および屈曲軸部２０の油孔３７を経由して連接棒６の支持部である軸部１２外周面の潤滑がなされ、他方の油孔３８および隙間３２をそれぞれ経由してクランク部材１４を支持する軸受２６および２８の潤滑がなされるようになっている。
【００３３】
以上、内燃機関直結型のコンプレッサ１を例に本発明に係る直線往復２移動体の直結型クランク装置の実施形態を説明した。
【００３４】
本発明に係る直線往復２移動体の直結型クランク装置は、種々の駆動機械に適用できる。上述の実施形態では、２移動体のうち一の移動体を内燃機関のピストンとし、他の一の移動体をコンプレッサのピストンとして内燃機関の動力を直接コンプレッサに伝えるものであるが、直線往復移動する移動体を有する被駆動機械であれば適用でき、例えば振動式地面打固め装置などにも適用できる。
【００３５】
また、本発明に係る直線往復２移動体の直結型クランク装置は、２移動体を共に内燃機関のピストンとする２機関直結型の内燃機関に適用することができる。図５に示すように、上述の実施形態の内燃機関Ｅを第一内燃機関Ｅ１とし、コンプレッサＣを第二内燃機関Ｅ２に置き換えると、クランク部材１４から回転動力を得ることができる。
【００３６】
また、本発明に係る直線往復２移動体の直結型クランク装置は、２移動体を共に被駆動機械の直線往復移動部材とする２移動体直結型の駆動機械に適用することができる。例えば、図６に示すように、上述の実施形態のコンプレッサＣを第一コンプレッサＣ１とし、内燃機関Ｅを第二コンプレッサＣ２に置き換えと、クランク部材１４に回転動力を付与することによって、両コンプレッサＣ１，Ｃ２を同時に駆動させることができる。
【００３７】
また、連接棒の関節構造は、上述の実施例の構造に限定されず、種々の関節構造を適用することができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は、一直線上において、直線往復移動可能に配設された２つの移動体を直結し、遊星歯車機構を備えたクランク装置において、２つの移動体を連結する連接棒に関節構造を備えたので、連接棒において遊星歯車機構のバックラッシに起因する横方向の振れを許容することができ、２つの移動体のスムーズな往復移動を担保することができる。
【００３９】
係るクランク装置を、内燃機関直結型の駆動機械、２機関直結型の内燃機関、又は、２移動体直結型の駆動機械のクランク装置に適用することによって、内燃機関のピストンや被駆動機械の移動体の直線往復移動がスムーズなものとなるので、動力伝達効率の向上、及び、振動や騒音の抑制を図ることができる。
【００４０】
また、クランク装置内で、自転又は公転する遊星歯車及びクランク部材に、静的及び動的質量バランスを担保する構造を有することによって、クランク装置の振動を抑制することができるので、上述の連接棒の関節構造と相俟って、動力伝達効率の向上、及び、振動や騒音の抑制を図ることができる。
【００４１】
また、連接棒の関節構造を、遊星歯車の公転平面と平行に回動可能に枢支され、係合端部に回動中心を中心とする円弧形状をもって、互いに対応するものとすることによって、連接棒のスムーズな屈曲が担保される。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関直結型のコンプレッサの概略縦断面図。
【図２】内燃機関直結型のコンプレッサの具体的な縦断面図。
【図３】内燃機関直結型のコンプレッサの重量バランスを説明する構成図。
【図４】（ａ）は内燃機関直結型のコンプレッサにおける連接棒の関節構造の拡大図。（ｂ）は関節構造のＸ−Ｘ線における断面図。
【図５】本発明に係る直線往復２移動体の直結型クランク装置を適用した２機関直結型の内燃機関の概略図。
【図６】本発明に係る直線往復２移動体の直結型クランク装置を適用した２移動体直結型の駆動機械の概略図。
【図７】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、内燃機関とコンプレッサの動力伝達構造の３つの種類を示す概略図。
【符号の説明】
１内燃機関直結型のコンプレッサ
２ａ内燃機関のピストン
２ｂコンプレッサのピストン
６連接棒
６ａ関節構造
８ａ内周太陽歯車
１０遊星歯車
１４クランク部材
Ｅ内燃機関
Ｃコンプレッサ
Ａクランク装置

Claims

一直線上に互いに整合し、直線往復移動可能に配設された２つの移動体の移動領域の中間位置において、前記一直線に直交する線上に中心を有し、固定的に配設された内周太陽歯車と、
前記内周太陽歯車と噛合して自転及び公転可能であって、前記内周太陽歯車のピッチ円直径の二分の一のピッチ円直径を有する遊星歯車と、
前記遊星歯車の中心部を自転可能に支持する腕部と、前記遊星歯車の公転を許容するように前記中心の回りに回転自在な軸部とを有するクランク部材と、
前記２つの移動体の間で前記一直線に沿って延在し、前記２つの移動体を連結するとともに、前記遊星歯車の外周部分に枢支連結される連接棒とを備えた直線往復２移動体の直結型クランク装置において、
前記連接棒は、前記遊星歯車の公転平面と平行な状態で屈曲可能な関節構造を備えていることを特徴とする直線往復２移動体の直結型クランク装置。
前記遊星歯車の中心部回りの静的および動的重量バランスがとられ、かつ、前記クランク部材の軸部回りの静的および動的重量バランスがとられていることを特徴とする請求項１記載の直線往復２移動体の直結型クランク装置。
前記連接棒の関節構造が、前記遊星歯車の公転平面と平行に回動可能に枢支される係合部を有し、前記係合部の係合端部が回動中心を中心とする円弧形状をもって、互いに対応するものであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の直線往復２移動体の直結型クランク装置。
請求項１乃至３記載の直線往復２移動体の直結型クランク装置を有し、
前記２移動体のうち、一の移動体が内燃機関のピストンであって、他の一の移動体が被駆動機械の直線往復移動部材であることを特徴とする内燃機関直結型の駆動機械。
請求項１乃至３記載の直線往復２移動体の直結型クランク装置を有し、
前記２移動体が共に内燃機関のピストンであることを特徴とする２機関直結型の内燃機関。
請求項１乃至３記載の直線往復２移動体の直結型クランク装置を有し、
前記２移動体が共に被駆動機械の直線往復移動部材であることを特徴とする２移動体直結型の駆動機械。