JP4411043B2

JP4411043B2 - 動力伝達機構

Info

Publication number: JP4411043B2
Application number: JP2003335888A
Authority: JP
Inventors: 正貴後藤
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: JP2005106071A

Description

本発明は、動力伝達機構に関する。

従来、自動車等のエンジンにおいては、ピストンにコンロッドの一端が連結され、コンロッドの他端がクランクシャフトに連結されている。クランクシャフトには、クランクシャフトと同軸まわりに回転する伝達ギヤが設けられ、伝達ギヤには出力ギヤが噛み合わされている。このような構造とすることにより、クランクシャフトの回転が伝達ギヤ、出力ギヤの順に伝達され、出力ギヤの回転がエンジン外部のモータ等に伝達されるようになっている。（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−３４９３０３号公報

ところで、エンジン（レシプロエンジン）等のようにピストン、コンロッド、クランクシャフトがあり、直線往復運動と回転運動がある系においては、ピストンを往復させる運動エネルギーはクランクシャフトの運動エネルギーから授受される。
すなわち、ピストンが上死点にいるときの運動エネルギーは０であり、そのときのクランクシャフトの回転速度は最大であり、運動エネルギーも最大になる。クランクが９０度回ってピストンの位置が中点になると、ピストンの速度は最大となり、ピストンの運動エネルギーも最大になる。このエネルギーはクランクシャフトからもらったものであるから、その分、クランクシャフトの回転速度は減少する。更に、ピストンが中点から下死点に移動する間は、ピストンの慣性力がクランクシャフトの回転を速める方向に働き、すなわち、ピストンの運動エネルギーをクランクシャフトに与えることになる。したがって、クランクシャフトは、回転速度を増加させることになる。そして、下死点に到達すると、ピストンの運動エネルギーは０に、クランクシャフトの運動エネルギーは最大になる。そして、どの時点においても、クランクシャフトの運動エネルギーと、ピストンの運動エネルギーの総和は一定となる（もちろん、エンジンの回転速度全体が変われば変わってしまう。）。したがって、クランクシャフトの回転速度の脈動は必然的に発生するものである。実際には、エンジンは、吸気、圧縮、爆発、排気の各工程で様々な力を受けるので、その際に回転速度の変動を受けるが、従来のエンジンの設計においては、回転速度の脈動についてはそれほど考慮されていなかった。
しかし、エンジンの性能を向上させるためにはこれらの各工程の力を無視することができず、エンジンそのものが基本的に有する脈動要因を排除する必要があった。

そこで、本発明の課題は、クランクシャフトの回転速度に脈動が生じても、一定の回転速度の出力を得ることができる動力伝達機構を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、例えば、図１に示すように、シリンダ（例えば、シリンダ１）内を往復運動するピストン（例えば、ピストン２）と、前記ピストンに一端が連結されたコンロッド（例えば、コンロッド３）と、前記コンロッドの他端が連結されたクランクシャフト（例えば、クランクシャフト４）と、前記クランクシャフトに設けられ、前記クランクシャフトと同軸まわりに回転する伝達ギヤ（例えば、伝達ギヤ５）と、前記伝達ギヤに噛み合わされ、前記クランクシャフトの回転を外部へ出力する出力ギヤ（例えば、出力ギヤ６）と、を備える動力伝達機構（例えば、動力伝達機構１００）であって、前記伝達ギヤ及び前記出力ギヤを、前記伝達ギヤ及び前記出力ギヤを、前記伝達ギヤ及び前記出力ギヤの長半径ｒ ₁ と、前記伝達ギヤ及び前記出力ギヤの短半径ｒ ₂ と、前記クランクシャフトの慣性モーメントＩと、前記ピストンの質量Ｍと、前記クランクシャフトにおけるクランクの半径Ｒとに基づいて、ｒ ₂ ／ｒ ₁ ＝｛Ｉ／（Ｉ＋Ｍ・Ｒ ² ）｝ ^1/4 を満たす楕円状に形成し、前記出力ギヤを前記伝達ギヤに対して９０度回転させた状態で噛み合わせるとともに、前記ピストンの上死点位置において、前記コンロッドの長手方向及びクランクシャフト中心とクランクピンとを結ぶ線と、前記伝達ギヤの短半径方向と、前記出力ギヤの長半径方向と、が同一直線上になるように配置したことを特徴とする。ただし、この式はコンロッドの質量を０とした場合の式であり、実際には適宜補正される。

請求項１に記載の発明によれば、ピストンがシリンダ内を往復運動すると、コンロッドがピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動へと変換する。クランクシャフトが回転することにより、伝達ギヤはクランクシャフトと同軸まわりに回転し、伝達ギヤに噛み合わされた出力ギヤは、伝達ギヤと出力ギヤとのギヤ比に基づいた回転数で回転する。ここで、伝達ギヤ及び出力ギヤは楕円状に形成されていることから、クランクシャフトの回転時に伝達ギヤと出力ギヤとが噛み合う位置においてギヤ比が可変となるため、上死点付近及び下死点付近のギヤ比が軽くなる。これにより、クランクシャフトの脈動を受容し、クランクシャフトの回転速度に脈動が生じても、出力ギヤを一定の速度で回転させることができる。
また、伝達ギヤ及び出力ギヤを、ｒ ₂ ／ｒ ₁ ＝｛Ｉ／（Ｉ＋Ｍ・Ｒ ² ）｝ ^1/4 を満たす楕円形状に形成したので、クランクシャフトの脈動を受容し、クランクシャフトの回転速度に脈動が生じても、出力ギヤを一定の速度で回転させることができる。

以下、図面を参照して本発明に係る動力伝達機構を実施するための最良の形態について詳細に説明する。なお、本形態においては、エンジンを例に挙げて動力伝達機構について説明する。
図１及び図２に示すように、動力伝達機構１００には、エンジンにおける燃焼室として円筒状に形成された複数のシリンダ１（例えば、図２に示すように４つ）がほぼ平行に設けられている。このシリンダ１は、その内部が燃焼室として機能し、その上方には、点火プラグやシリンダヘッド（図示しない）等が設けられている。このシリンダ１内には、シリンダ１の内壁をシリンダ１の軸方向に沿って往復運動するピストン２が設けられており、ピストン２の上端面とシリンダヘッドとの間で燃焼室を形成する。ピストン２には、コンロッド３の一端が連結されており、このコンロッド３の他端がクランクシャフト４に連結されている。すなわち、コンロッド３は、ピストン２の往復運動をクランクシャフト４の回転運動に変換する機能を有する。

クランクシャフト４は、軸方向に間隔をあけて対向する一対のクランクウエブ４ａを複数備えており、それぞれ一対のクランクウエブ４ａは、クランクピン４ｂによって連結されている。クランクピン４ｂには、コンロッド３の他端が回転自在に連結されており、コンロッド３の一端がシリンダ１の内壁に沿って往復運動することにより、クランクピン４ｂをクランクシャフト４と同軸の軸線周りに回転させ、クランクシャフト４を回転させる。クランクシャフト４の軸部４ｃの一端はシリンダ１に回転自在に連結されており、他端はクランクシャフト４の回転を出力ギヤ６に伝達する伝達ギヤ５がクランクシャフト４と同じ回転軸上に位置するように設けられている。また、伝達ギヤ５は、クランクシャフト４に固定されており、クランクシャフト４の回転とともに同じ回転数で回転する。この伝達ギヤ５には、伝達ギヤ５に噛み合わされ、クランクシャフト４の回転を出力する出力ギヤ６が設けられている。出力ギヤ６は、駆動輪やモータの回転軸と同じ回転軸上に位置するように設けられており、クランクシャフト４の回転を伝達ギヤ５及び出力ギヤ６を介して駆動輪やモータに動力を供給する。
伝達ギヤ５及び出力ギヤ６は、互いに歯数が等しく、互いの長半径同士、短半径同士が等しい同じ大きさの楕円形状に形成されており、出力ギヤ６は伝達ギヤ５に対して９０度回転させた状態で噛み合わされている。

次に、伝達ギヤ５及び出力ギヤ６の設計方法について説明する。
図１に示す動力伝達機構１００において、クランクシャフト４の慣性モーメントをＩ、ピストン２の質量（本実施の形態のように複数ある場合はその総和）をＭ、クランク半径をＲ、上死点及び下死点でのクランクシャフト４の回転速度をＶｒ、上死点と下死点の中間位置におけるピストン２の速度をＶｐ、上死点と下死点の中間位置におけるクランクシャフト４の回転速度をＶｒ’とすると、上死点及び下死点におけるクランクシャフト４の回転による運動エネルギーは、
Ｅｒ＝Ｉ・Ｖｒ²／２・・・（１）
で表される。また、上死点及び下死点におけるピストン２の運動エネルギーは、
Ｅｐ’＝０・・・（２）
で表される。

一方、上死点と下死点の中間位置におけるクランクシャフト４の回転による運動エネルギーは、
Ｅｒ’＝Ｉ・Ｖｒ’²／２・・・（３）
で表される。また、上死点と下死点の中間位置におけるピストン２の運動エネルギーは、
Ｅｐ＝Ｍ・Ｖｐ²／２・・・（４）
で表される。

ここで、エネルギーの総和は一定であるから、
Ｅｒ＋Ｅｐ’＝Ｅｒ’＋Ｅｐ・・・（５）
となる。
式（１）〜（４）を式（５）に代入すると、
Ｉ・Ｖｒ²／２＝（Ｉ・Ｖｒ’²／２）＋（Ｍ・Ｖｐ²／２）・・・（６）
となる。
更に、
Ｖｐ＝Ｒ・Ｖｒ’・・・（７）
であるから、式（７）を式（６）に代入すると、
Ｉ・Ｖｒ²／２＝（Ｉ・Ｖｒ’²／２）＋（Ｍ・Ｒ²・Ｖｒ’²／２）・・・（８）
となり、式（８）を展開すると、
Ｉ・Ｖｒ²／２＝｛（Ｉ＋Ｍ・Ｒ²）・Ｖｒ’²／２｝・・・（９）
となり、更に式（９）を展開すると、
Ｖｒ’²／Ｖｒ²＝Ｉ／（Ｉ＋Ｍ・Ｒ²）・・・（１０）
となる。よって、脈動率は、式（１０）を展開して、
Ｖｒ’／Ｖｒ＝｛Ｉ／（Ｉ＋Ｍ・Ｒ²）｝^1/2・・・（１１）
で表され、クランクシャフト４の慣性モーメントＩ、ピストン２の質量Ｍ、クランク半径Ｒの関係式で表すことができ、クランクシャフト４の回転速度の影響を受けないことがわかる。

更に、伝達ギヤ５及び出力ギヤ６の長半径をｒ₁、短半径をｒ₂とすると、
（ｒ₂／ｒ₁）²＝Ｖｒ’／Ｖｒ・・・（１２）
で表されるので、式（１２）を展開すると、
ｒ₂／ｒ₁＝（Ｖｒ’／Ｖｒ）^1/2＝｛Ｉ／（Ｉ＋Ｍ・Ｒ²）｝^1/4・・・（１３）
で表される。
よって、伝達ギヤ５及び出力ギヤ６の長半径ｒ₁、短半径ｒ₂を、式（１３）の関係を満たすように形成すればよい。ただし、この式はコンロッド３の質量を０とした場合の式であるため、エンジンの構造によってコンロッド３の質量を考慮する必要がある。

動力伝達機構１００による動力伝達の作用について説明すると、シリンダ１内における燃料の燃焼により、ピストン２がシリンダ１内を往復運動すると、コンロッド３がピストン２の往復運動をクランクシャフト４の回転運動へと変換する。クランクシャフト４が回転することにより、伝達ギヤ５はクランクシャフト４と同軸まわりに回転し、伝達ギヤ５に噛み合わされた出力ギヤ６は、伝達ギヤ５と出力ギヤ６とのギヤ比（本形態においては１）に基づいた回転数で回転する。ここで、伝達ギヤ５及び出力ギヤ６は楕円状に形成されていることから、クランクシャフト４の回転時に伝達ギヤ５と出力ギヤ６とが噛み合う位置においてギヤ比が可変となるため、上死点付近及び下死点付近のギヤ比が軽くなる。

このように、動力伝達機構１００によれば、クランクシャフト４の脈動を受容し、クランクシャフト４の回転速度に脈動が生じても、出力ギヤ６を一定の速度で回転させることができる。また、伝達ギヤ５及び出力ギヤ６を、ｒ₂／ｒ₁＝｛Ｉ／（Ｉ＋Ｍ・Ｒ²）｝^1/4を満たす楕円形状に形成したので、クランクシャフト４の脈動を受容し、クランクシャフト４の回転速度に脈動が生じても、出力ギヤ６を一定の速度で回転させることができる。

よって、エンジンが低回転時におけるノッキングやトルク不足の問題を解消することができる。また、出力ギヤ６の脈動が無くなることにより、振動の低減は勿論のこと、各ギヤへの負荷を低減させることができる。更に、エンジンスタート時の駆動力を出力側から入力することにより、最もトルクの必要なピストンが中間位置で出力軸から見たギヤ比が軽くなるため、負荷を低減させることができる。また、上死点付近及び下死点付近におけるピストン２の停止時間が短くなるので、燃焼時間及び給排気時間が従来に比べて長くとれるので、燃焼効率を向上させることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、伝達ギヤ５及び出力ギヤ６の長半径及び短半径の長さは自由に設計変更が可能である。また、伝達ギヤ５と出力ギヤ６のギヤ比も自由に設計変更が可能である。また、本発明は、エンジンのみに限らず、エアコンプレッサ等のように、ピストン、コンロッド、クランクシャフトを使用するシステムに適用することができる。

本発明の実施の形態における動力伝達機構の正面図である。本発明の実施の形態における動力伝達機構の側面図である。

符号の説明

１シリンダ
２ピストン
３コンロッド
４クランクシャフト
５伝達ギヤ
６出力ギヤ
１００動力伝達機構

Claims

シリンダ内を往復運動するピストンと、前記ピストンに一端が連結されたコンロッドと、前記コンロッドの他端が連結されたクランクシャフトと、前記クランクシャフトに設けられ、前記クランクシャフトと同軸まわりに回転する伝達ギヤと、前記伝達ギヤに噛み合わされ、前記クランクシャフトの回転を外部へ出力する出力ギヤと、を備える動力伝達機構であって、
前記伝達ギヤ及び前記出力ギヤを、前記伝達ギヤ及び前記出力ギヤの長半径ｒ ₁ と、前記伝達ギヤ及び前記出力ギヤの短半径ｒ ₂ と、前記クランクシャフトの慣性モーメントＩと、前記ピストンの質量Ｍと、前記クランクシャフトにおけるクランクの半径Ｒとに基づいて、ｒ ₂ ／ｒ ₁ ＝｛Ｉ／（Ｉ＋Ｍ・Ｒ ² ）｝ ^1/4 を満たす楕円形状に形成し、
前記出力ギヤを前記伝達ギヤに対して９０度回転させた状態で噛み合わせるとともに、前記ピストンの上死点位置において、前記コンロッドの長手方向及びクランクシャフト中心とクランクピンとを結ぶ線と、前記伝達ギヤの短半径方向と、前記出力ギヤの長半径方向と、が同一直線上になるように配置したことを特徴とする動力伝達機構。