JP4741733B2

JP4741733B2 - 同軸に前後してかつ互いに軸平行に横方向間隔を置いて配置された２つの軸を連結するためのカップリング要素

Info

Publication number: JP4741733B2
Application number: JP2000606914A
Authority: JP
Inventors: ピッシンガー・シュテファン; ヤピツィ・クルト・イムレン
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1999-03-24
Filing date: 2000-03-22
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2020-03-22
Also published as: EP1080315A1; DE50001035D1; WO2000057073A1; EP1080315B1; JP2002540355A; ATE230828T1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同軸に前後してかつ互いに軸平行に横方向間隔を置いて配置された２つの軸を連結するためのカップリング要素に関する。定められた用途の場合に、固定基準平面に対する軸のうちの一方の軸の高さ位置を変えなければならないが、他方の軸は基準平面に対するその限定された位置をもっていることが必要である。ここで、問題は、両方の軸が基準平面に対する高さ位置の調整可能な変更にもかかわらず同じ回転方向にかつ特に同じ回転数で回転しなければならず、その場合カップリング要素により被駆動軸に回転数の変動が現れてはならないことにある。
【０００２】
【従来の技術】
そのような用途の場合は、例えば可変な燃焼室を有するピストン内燃機関で生じ、このピストン内燃機関では、燃焼室の変更が基準平面に対してクランク軸回転軸線を持ち上げたりまたは下げたりすることにより行われる。このように基準平面に対するクランク軸の高さ位置を変化させると、出力側に接続された、その高さ位置に固定配置された動力取出軸の回転軸線に対するクランク軸の回転軸線の横方向間隔も変化する。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許公開第 36 44 721号から、そのようなピストン内燃機関が知られており、この内燃機関では、クランク軸の高さ位置を変えるための調整偏心輪に軸受ハウジングを固定し、その中へ一端でクランク軸と連結された駆動ピニオンを突出させかつ他端で所定の横方向間隔を置いて動力取出軸と連結された動力取出ピニオンを突出させることにより解決されている。調整偏心輪の回転軸線が動力取出ピニオンの回転軸線と一致している。クランク軸の駆動ピニオンと動力取出ピニオンとの間の動力伝達は同軸の回転ホイール対により行われ、そのうち一方のホイールが駆動ピニオン上を転動しかつ他方のホイールが動力取出ピニオン上を転動する。この配置では、動力取出ラインへの回転不均一性の影響を残さずにすべての高さ調整が確保される。しかしながら、小さな歯車直径のための空間しか自由にならないので、ピストン内燃機関の全体のトルクを小さな直径を有する歯車を介して伝達しなければならないということに不利益がある。これにより、伝達可能なトルクの大きさに非常に早い限界が生ずる。さらに、反作用力として歯の力を対応する軸受を介して直接変速機領域で受けなければならない。この配置の別の不利益は比較的大きな構造長さにある。
【０００４】
ドイツ特許明細書第 733 932号から、同軸にかつ横方向に間隔を置いて互いに軸平行に配置された２つの固定軸を連結するためのカップリング要素が知られている。この周知の解決は大きな構造長さを有し、それらの回転体の互いの間隔により、およびそれにより条件づけられた、これらを連結するクランク要素の長さにより、いっそう大きなトルクの伝達の際にクランク要素に著しい曲げ応力が生ずる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、軸変位の問題を解決しかつ大きなトルクで伝達することができ、そして同時にしかも短く構成されるカップリング要素を提供することを課題の基礎とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明によれば、同軸に前後してかつ互いに軸平行に横方向間隔を置いて配置された２つの軸を連結するためのカップリング要素であって、軸はピストン内燃機関のクランク軸であり、かつ固定基準平面に対する軸の回転軸線の高さ位置が、固定旋回軸線を中心とする円軌道上の回転軸線の軸平行な運動により調整可能であり、円軌道のその半径は回転軸線と旋回軸線の間の偏心距離（ｅ）に一致していることにより、その半径は最大横方向間隔に一致しており、またカップリング要素には、緊密に相並んで配置されかつ平行な回転平面内で配向された２つの回転体が設けられ、これらの回転体はそれぞれ両軸の互いに関連した端部と連結されかつ前記回転体にはそれぞれの回転軸線に対しそれぞれ同じ半径方向間隔で軸受孔が設けられ、これらの軸受孔に両回転体を相互に連結するクランク要素が支承され、前記クランク要素のクランク半径は偏心距離に一致しており、クランク要素は周方向に互いに間隔を置いて配置され、前記クランク要素はそれぞれ第一および第二の円柱体から形成され、これらの円柱体は両軸線の間隔寸法（ｅ）だけ互いに間隔を置いて配置され、第一の円柱体は第二の円柱体により覆われてないその領域に不釣り合いを減少させる凹所が設けられているカップリング要素により解決される。
そのようなカップリング要素を用いて、所定の最大横方向間隔内で、軸平行に移動可能な軸の随意の高さ位置を調整することが可能であり、その際駆動回転体の回転数がいかなる回転数変動もなく被駆動回転体に伝達されることが確保される。回転体におけるクランク要素の寸法決めを経て、その都度伝達すべき最大トルクのための設計が可能である。クランク要素の対応する寸法決めと並んで、なお回転体におけるクランク要素の数の増加によっても１つの部分円にまたは種々の部分円にも、通し得る最大トルクを大きくすることもできる。本発明のカップリング要素の特別な利点は、回転体の軸受に全く戻り力が作用しないことにある。このことは、特に、ピストン機械のクランク軸に、例えばエンジンまたはコンプレッサのクランク軸に使用したときに、重要である。横に移動可能な回転体と空間固定の回転体の間の限定された幾何学的な割当てを確保するために、本発明の有利な構成では、回転体がその都度少なくとも３つのクランク要素を有する場合が、目的に叶っている。比較的多くのクランク要素の配置において、回転体毎にこれらのクランク要素が周方向に見て互いに同じ間隔で配置されているのが目的に叶っている。回転体の直径に関して鏡像対称な配置も可能である。このことは、特に速く回転する軸の場合に不釣り合いを避けるために有利である。
【０００７】
本発明の他の特徴は、従属請求項からならびに次の記載から推定することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を概略的な図面により詳細に説明する。
【０００９】
図１による概略図から認められるように、４シリンダ−ピストン内燃機関のクランク軸１がそのクランク軸軸受２で偏心輪３に支承されており、これらの偏心輪は図示のエンジンブロック４の対応する担持軸受に回転可能に支承されている。クランク軸１には、連接棒５を介してそれぞれ、ここには概略的にのみ示したピストン６が連結されている。クランク軸は、ピストン６₁および６₂が上死点位置にあると共に、一方ピストン６₂および６₃が下死点位置にある位置に示されている。少なくとも偏心輪３のうちの一方が旋回レバーとして形成された回転装置７と固定連結されており、回転装置７はそれぞれクランク軸１のフライイング円から導かれている。旋回レバー７は連接棒８を介して互いに固定連結されているので、全ての偏心輪３の同期した回転が可能である。連接棒８が引張要素９を介して概略的に示した駆動部１０と連結されている。引張要素が複合矢印１１の方向に運動すると、旋回レバー７が対応して前後に回転される（複合矢印１２）ので、それに応じて固定旋回軸線１４を中心としての偏心輪３の回転により、それぞれクランク軸２の回転軸線１３の高さ位置ａも基準平面としての水平平面Ｂに対して変化する。参照数字１３は次にクランク軸１に所属の軸端部のためにも用いられる。
【００１０】
図１からさらに明らかなように、クランク軸１の回転軸線１３が偏心輪３の旋回軸線１４に対して偏心距離ｅを置いて配置されかつ旋回レバー７を介して仮の中心位置（ここでは旋回レバー７が下方に向かって垂直に指向している）から高さ位置ａを変えるために上方に向かってまたは下方に向かって動かされる。それにより、クランク軸の回転軸線１３が偏心輪３の固定旋回軸線１４に対しても持ち上げられるかまたは下げられる。しかしながら、このことは、ピストン６がそれぞれ上死点位置で同じ程度だけシリンダの燃焼室屋根にいっそう近く到達することを意味し、その結果それに応じて圧縮比が高められかつ偏心輪３が逆方向に回転されるときに減らされる。
【００１１】
ピストン内燃機関の動力取出しはクランク軸１が延長している軸端部１３により動力取出軸１５を介して行われ、この動力取出軸は偏心輪３の固定支承された旋回軸線１４と一直線に並ぶように配置されている。偏心距離ｅにより与えられた、回転軸線１３と動力取出軸１５の軸線との間の横方向間隔を橋渡しするために、クランク軸１と連結された軸端部１３がカップリング要素１６を介して動力取出軸１５と連結されている。カップリング要素１６は、実質的に、クランク軸１の軸端部１３と固定連結された第一の回転体１７と、動力取出軸１５に固定連結された第二の回転体１８とにより形成される。両方の回転体１７と１８は平行な回転平面に接近して相並んで配置されかつクランク要素１９を介して互いに連結されている。クランク要素１９のクランク半径は偏心輪３の固定旋回軸線１４に対するクランク軸１の回転軸線１３の偏心距離ｅに一致する。次に、機能および構成を図２と３によりならびに特に好都合な実施の形態について図７により詳細に説明する。
【００１２】
図２には、概略的にカップリング要素１６のための実施例が断面で示されかつ図３には、軸方向に組み込まれた平面図で示されている。
【００１３】
この実施例では、クランク軸１の軸端部１３が例えば円盤状に形成された回転体１７と固定連結されており、その回転軸線はクランク軸の回転軸線１３と一致する。
【００１４】
動力取出軸１５は対応して回転体１８と固定連結され、その回転軸線はクランク軸の旋回軸線１４と一致する。両方の軸１３と１５の回転軸線１３と１５が同軸に配向されかつ偏心距離ｅの横方向間隔で軸平行に配置されている。
【００１５】
両方の回転体１７と１８は少なくとも２つのクランク要素１９を介して互いに連結され、前記クランク要素はそれらのクランクピン２０および２１で、組み込まれた回転体１７と１８に自由に回転可能に支承されている。両方のクランクピン２０と２１の軸線の間の間隔は、両方の回転軸線１３と１４の間の偏心距離ｅに一致する。ここで、クランク要素は、それらのクランク軸線２０．２および２１．２が、両軸線１３と１４により限定された平面内をまたはこの平面に対し平行に延びるように配向されている。図２が示すように、クランク要素は、クランクピンとして、大きな直径を有する第一の円柱体２０．１と、その軸線２１．２でこれに対し間隔ｅを置いてクランクピンとして配置されたいっそう小さい直径の第二の円柱体２１を有するように形成されている。円柱体２０．１は駆動回転体１７に支承され、一方円柱体２１は被駆動回転体１８に支承されている。組み込まれた回転体における、クランク要素を形成する円柱体の支承は、例えばころがり軸受、特にニードル軸受の形態のころがり軸受を介して行うことができる。ここで、少なくとも１つの回転体にころがり軸受を回転体に対して弾性的に支持すれば、合目的であることができる。
【００１６】
図３の平面図で認められるように、実施例では、４つのそのようなクランク要素１９がそれぞれの回転体に周方向に見て同じ間隔で支承されている。クランクピン２０．１の軸線２０．２の間隔Ｒはクランクピン２１．１の軸線２１．２の間隔Ｒに一致する。図３からさらに認められるように、一方では両方の回転軸線１３と１４の間および他方では軸線２０．２と２１．２の間の連結線は同じに配向され、ここに示した実施例では水平に、すなわち図１にも示すように、基準平面Ｂに対し平行に配向されている。
【００１７】
今や、図１により説明されるように、調整装置１０を介して、クランク軸が偏心輪３の回転により変位されると、回転軸線１３が旋回軸線１４を中心とする対応する円軌道２２上を動かされ、それに応じてクランク軸１がひっくるめて水平な基準平面Ｂに対して旋回角度に対応する程度だけ垂直に持ち上げらるかまたは反対方向に対応する程度だけ下げられる。
【００１８】
クランク要素の軸線２０．２と２１．２は回転軸線１３および１４と互いに同じ間隔を互いに有するので、軸線２１．２も円軌道２２に対応する軌道上を動く。それ故、クランク要素１９の軸線２０．２と２１．２についての基準平面Ｂに対して、軸線１３および１４についてと同じ配向が生ずる。
【００１９】
今や回転体１７が駆動回転されると、クランク要素１９を介して回転運動が、したがってトルクも同じ方向にかつ回転数の変動もなく回転体１８に伝達される。なぜなら、両方のクランク軸線２０．２と２１．２の配向および両方の回転軸線１３と１４の配向も回転運動中変化しないからである。もっぱらクランク要素１９だけが両方の回転体１７と１８の間で相応して相対的に回転される。
【００２０】
圧縮比を変えるためにクランク軸を変位させたときの冒頭に述べた問題は、動力取出軸１５へのクランク軸１の駆動トルクの伝達に関してだけではなく生ずる。本発明による構造原理は制御駆動部にも使用することができ、すなわちカム軸の駆動にも、場合によっては追加の組立体の駆動にも使用することもできる。特に制御駆動はここでは問題がある。なぜなら、それは大きなトルクの伝達にかかっているのではなく、所定の伝達比でクランク軸回転の、１つ以上のカム軸への正確な同期した伝達にかかっているからである。このために、図１と類似して、クランク軸１の、カップリング要素１６と反対側端部に、明らかにいっそう低い伝達すべきトルクに関して小さい寸法で構想することができる相応するカップリング要素が同一の配分で配置されている。
【００２１】
これについての実施例は図４に部分縦断面として示されている。その動力取出側端部と反対側に、クランク軸１の端面には円板状の端面１７．１を有する、端部軸受を形成する円柱体が設けられ、この円柱体には図２と３により記載された回転体１７の機能が付設されている。
【００２２】
クランク軸１の回転軸線１３に対し間隔ｅを置いて、エンジンブロック４．１には対応する軸受４．２に軸端部１５．１の形態の動力取出軸が固定支承され、この動力取出軸に動力取出ホイール２３、例えば歯付きベルトデスクが固定連結されている。クランク軸１に付設されたその端部には、軸端部１５．１に、デスク状の回転体１８．１が設けられている。
【００２３】
今や、端面１７．１および回転体１８．１には、図２および３による表現に対応して軸受孔が設けられており、これらの軸受孔にそれぞれ１つのクランク要素１９が対応して支承されている。クランク要素１９はここでも同様に、クランク軸１の端部により形成された回転体におよび軸端部１５．１で回転体１８．１に、例えば特にニードル軸受の形態に形成されているころがり軸受に支承されている。この配置の構成と機能は、そのほか図２と３により記載された実施の形態に対応する。
【００２４】
ピストン内燃機関の制御駆動については、小さなトルクしか伝達することができないが、他方ではそれは、駆動すべきカム軸へのクランク軸の回転の同期した伝達にかかっているので、図４により記載された実施の形態では、図５の拡大した部分図が示すように、ニードル軸受２６として形成された軸受が対応する硬度を有するゴム弾性的な材料からなるスリーブ２４、２５に保持されかつそれぞれ所属の回転体１７．１および１８．１に固定されている。これにより、クランク軸に起因する回転振動を減衰することがうまくゆき、場合によっては、クランク軸軸受が滑り軸受として形成されているときに、クランク軸軸受の軸受隙間を均一化することがうまくゆく。
【００２５】
図５に示した実施例では、クランク要素１９が、軸方向にずらされた２つの同じ直径の円柱体により形成されている。
【００２６】
しかしながら、図２によるクランク要素１９は、例えば回転体１８と、円柱体２０の対応する軸受孔に係合するクランクピンが固定結合され、すなわちこのクランクピンが円柱体２１の個所に入る。ころがり軸受の代わりに、用途に応じて滑り軸受を使用することもできる。
【００２７】
さらに図２から明らかなように、円柱体２０には、クランク要素１９がそれ自体でその回転軸線２０．２に関して釣り合わされるように、円柱体２１により覆われていないその領域に不釣り合いを減らす凹所２０．３が設けられている。
【００２８】
本発明を上記のようにピストン内燃機関の用途により説明した。本発明は同じように、クランク軸の変位により運転条件を変えるために、個々のシリンダの「アクテブな」行程容積が調整可能であるすべてのピストン機械について使用可能であり、例えばピストン圧縮機の場合に使用可能である。このために、本発明によるカップリング要素では、クランク軸を駆動軸に対して変位させたときでも、動力取出軸、すなわちクランク軸が回転数の変動なしで駆動されるので、カップリングにより発生した回転不釣り合いのときに発生し得る駆動部への不利な反作用がなくなる。
【００２９】
さらに、本発明によるカップリング要素はその構造的な利点（構造長さが短いこと、大きなトルクを伝達するためにクランク要素の数量を何倍にもすること）によりおよび営業上の利点（互いに軸の位置を変化させたときに回転数が一定であること）により、互いに連結される２つの軸の比較し得る変位を互いに行わなければならないすべての用途について組み込み可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】クランク軸と動力取出軸を連結するためのカップリング要素で圧縮比を変えるための変位可能なクランク軸を有する４シリンダ−ピストン内燃機関の概略斜視図である。
【図２】図１の線II-II によるカップリング要素の断面図である。
【図３】図２によるカップリング要素を軸方向に見た平面図である。
【図４】図１の線II-II に沿った切断した断面と同様な、クランク軸に制御駆動部を連結する構成を示す図である。
【図５】クランク要素の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
１，１５２つの軸
３偏心輪
１４制御駆動部の回転軸線
１７，１８２つの回転体
１９クランク要素
２０．１第一の回転体
２０．３凹所
２１第二の回転体
２３動力取出ホイール
２４，２５スリーブ
Ｂ固定基準平面
ａ軸１の高さ位置
ｅ偏心距離
Ｒ半径方向間隔

Claims

同軸に前後してかつ互いに軸平行に横方向間隔を置いて配置された２つの軸（１，１５）を連結するためのカップリング要素であって、軸（１，１５）はピストン内燃機関のクランク軸（１，１５）であり、かつ固定基準平面（Ｂ）に対する軸（１）の回転軸線（１３）の高さ位置（ａ）が、固定旋回軸線（１４）を中心とする円軌道上の回転軸線（１３）の軸平行な運動により調整可能であり、円軌道のその半径は回転軸線（１３）と旋回軸線（１４）の間の偏心距離（ｅ）に一致していることにより、その半径は最大横方向間隔に一致しており、またカップリング要素には、緊密に相並んで配置されかつ平行な回転平面内で配向された２つの回転体（１７，１８）が設けられ、これらの回転体はそれぞれ両軸（１，１５）の互いに関連した端部と連結されかつ前記回転体にはそれぞれの回転軸線に対しそれぞれ同じ半径方向間隔（Ｒ）で軸受孔が設けられ、これらの軸受孔に両回転体（１７，１８）を相互に連結するクランク要素（１９）が支承され、前記クランク要素のクランク半径は偏心距離（ｅ）に一致しており、クランク要素（１９）は周方向に互いに間隔を置いて配置され、前記クランク要素（１９）はそれぞれ第一および第二の円柱体（２０．１，２１）から形成され、これらの円柱体は両軸線（１３，１４）の間隔寸法（ｅ）だけ互いに間隔を置いて配置され、第一の円柱体（２０．１）は第二の円柱体（２１）により覆われてないその領域に不釣り合いを減少させる凹所（２０．３）が設けられているカップリング要素。
円柱体は同じ直径を有することを特徴とする請求項１に記載のカップリング要素。
クランク要素（１９）が第一の円柱体（２０．１）を有し、この円柱体は第二の円柱体（２１）より大きい直径を有し、その際第二の円柱体（２１）は第一の円柱体（２０．１）の外周の内側を延びておりかつこの第一の円柱体を超えて軸方向に少なくとも一方の側で突出していることを特徴とする請求項１または２に記載のカップリング要素。
円柱体がころがり軸受（２６）に支承され、このころがり軸受はゴム弾性的な材料からなるスリーブ（２４，２５）を介して、それぞれ所属の回転体（１７，１８）と連結されていることを特徴とする請求項１から３までのうちのいずれか１つに記載のカップリング要素。
クランク軸（１）を駆動軸およびまたは制御駆動部と接続するためにクランク軸（１）を基準平面（Ｂ）に対して高さを変位させることにより可変調整可能な行程容積を有するピストン機械に使用することを特徴とする請求項１から４までのうちのいずれか１つに記載のカップリング要素。
軸（１５．１）が、実質的に動力取出ホイール（２３）と連結された軸延長部により形成された制御駆動部の部分であり、その回転軸線（１４）は偏心輪（３）の回転軸線（１４）に対し同軸に配向されかつ前記部分に回転体（１８．１）が設けられ、また軸（１）の端面（１７．１）が回転体として形成されかつ両方の回転体（１７．１，１８．１）がクランク要素（１９）を介して互いに連結されていることを特徴とする請求項１から５までのうちのいずれか１つに記載のカップリング要素。