JP5103653B2

JP5103653B2 - 往復機械用振動除去装置

Info

Publication number: JP5103653B2
Application number: JP2008067238A
Authority: JP
Inventors: 匡岡部
Original assignee: 国立大学法人宮崎大学
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2008-03-17
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2028-03-17
Also published as: JP2009222135A

Description

本発明は、スライダ・クランク機構で駆動される往復機械の振動除去装置であって、とくに単一のスライダ・クランク機構の振動を防止する往復機械用振動除去装置に関するものである。

エンジン、ポンプ、空気圧縮機など、回転運動を往復運動へ、または往復運動を回転運動に変換する機構として、スライダ・スランク機構が広く利用されている。この機構においては、往復運動部（スライダ）、クランク、コネクティングロッド（以下コンロッドと呼ぶ）の運動に起因した不つり合い慣性力を励振力として、有害な振動や騒音が発生する。この不つり合い慣性力は、クランクのクランク軸の回転と同期した１次成分以外に、クランク軸１回転あたり偶数回変動する高次成分を有する。

例えば、自動車用の多気筒エンジンのように、複数個のスライダ・クランク機構を直列に連結した機械の場合、各気筒の位相をずらすことによって、上記の不つり合い慣性力の１次成分のつり合わせを行なうことが可能であり、振動を低減することができる。

しかしながら、単気筒エンジンのように単一のスライダ・クランク機構のみで構成される往復機械の場合、上記の不つり合い慣性力の１次および高次成分をつり合わせを行なうことは困難である。

そこで、エンジンのクランクケースとリコイルスタータとの間に、クランク軸に連動して、互いに反対方向に、かつ回転位相に対称に回転する一対の重錘をクランク軸と等しい回転速度で回転して設け、エンジンの往復運動部分の運動と、この往復運動方向における重錘の運動を互いに反対方向に設けたバランサー付エンジンが提案されている（特許文献１参照。）。

特開平０５−１４９３８７号公報

しかしながら上記のバランサー付エンジンは、単気筒エンジンの１次慣性力をつり合わせる構造であり、２次慣性力に関しては何ら考慮したものではなく、十分な振動除去ができるものではなかった。

上記の問題点に鑑み本発明者は、鋭意研究の結果、単一のスライダ・クランク機構による往復機械において、つり合い錘と２種のバランスシャフトを用いることによって、１次および２次の慣性力をつり合わせ、この慣性力のつり合わせによる１次および２次振動の除去を可能とする往復機械用振動除去装置を提供するにいたった。

このため本発明の往復機械用振動除去装置は、スライダ・クランク機構を用いた往復機械において、該クランク機構のクランク軸に設けられた一対のつり合い錘と、該クランク軸と平行に配設され、該クランク軸と１次バランスシャフトに設けられた歯車対、又はプーリーとタイミングベルトから構成される第一の回転伝達機構によって夫々前記クランク軸の回転数と同一回転数、且つ逆方向に回転する一対の１次バランスシャフトと、該１次バランスシャフトの軸方向中央部に保持され、前記２次バランスシャフトの端部に設けられた外歯車と、該外歯車と歯合すると同時に前記１次バランスシャフトを挿通し、架台に固定された内歯車とから構成される第二の回転伝達機構によって前記クランク軸の回転数の２倍の回転数で１次バランスシャフトと逆方向に回転する一対の２次バランスシャフトを備え、前記１次バランスシャフトと２次バランスシャフトの夫々の重心位置が、クランク機構のスライダ部重心軸に対して対称位置であり、且つ前記クランク機構のコンロッドとクランクの運動平面と同一平面上とされたことを第１の特徴とする。

しかも、前記１次バランスシャフトおよび２次バランスシャフトは、柱状部材の重心位置を回転軸から径方向にずらして形成されたことを第４の特徴とする。

本発明に係る往復機械用振動除去装置によれば、クランク機構のクランク軸に設けられたつり合い錘と、該クランク軸と平行に配設され、第一の回転伝達機構によって夫々逆方向に回転する一対の１次バランスシャフトと、該１次バランスシャフトの軸方向中央部に保持され、第二の回転伝達機構によって前記クランク軸の回転数の２倍の回転数で１次バランスシャフトと逆方向に回転する一対の２次バランスシャフトを備えているため、往復機械の振動源である１次、２次の不つり合い慣性力を除去できるという優れた効果を有する。

また、前記１次バランスシャフトと２次バランスシャフトの夫々の重心位置が、クランク機構のスライダ部重心軸に対して対称位置であり、且つ前記クランク機構のコンロッドとクランクの運動平面と同一平面上とされているため、バランスシャフトを設置することによるクランク軸回りの慣性偶力が発生しないという効果を有する。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１はスライダ・クランク機構で駆動される往復機械の原理を説明する説明図、図２は本発明のスライダ・クランク機構で駆動される往復機械用振動除去装置の原理を示す説明図である。

図１は通常のスライダ・クランク機構で駆動される往復機械の原理図を示している。図に示すように、往復機械１はクランク２、コンロッド３、スライダ部４からなり、スライダ部４はｙ軸方向の往復運動、コンロッド３は揺動運動、クランク２は回転運動が生じる。これらの運動に伴って下記の数式１に示す、不つり合い慣性力が発生し、この慣性力がクランク軸５の支持部（図示せず）を通して往復機械１本体に有害な振動を発生させる。

数式１において、不つり合い力ｆの第１添字は、不つり合い慣性力の分力の方向を示し、第２添字は不つり合い慣性力の回転速度の次数を示している。例えばｆ_x,1は不つり合い慣性力のｘ軸の方向分力の１次成分を示し、ｆ_y,2は不つり合い慣性力のｙ軸の方向分力の２次成分を示している。

図２は本発明の往復機械用振動除去装置２０の原理説明図であり、図１に示した単一のスライダ・クランク機構からなる往復機械１のクランク軸５につり合い錘６を設置し、クランク軸５を中心として平行且つ対称位置に一対の１次バランスシャフト７、７が設けられ、クランク２の回転と同期して夫々クランク軸５の回転数と同一回転数、且つ逆方向に回転する。さらに、この１次バランスシャフト７、７には２次バランスシャフト８、８が回転可能に設けられ、後述する外歯車１２及び内歯車２２の歯合によって、クランク軸５の回転数の２倍の回転数で夫々逆方向に回転する。

まず数式１に示した１次の不つり合い慣性力のｘ方向分力ｆ_x,1は、図２に示すつり合い錘６の回転による遠心力のｘ方向成分によって相殺し、完全に除去することができる。次に、一対の１次バランスシャフト７、７が夫々逆方向に同一の回転数で回転する際に発生する遠心力のｘ方向成分は、互いに打ち消し合って相殺され、ｙ方向成分のみの慣性力が発生する。また、上記つり合い錘６の回転による遠心力のｙ方向成分は前記数式１の１次の不つり合い慣性力のｙ方向分力ｆ_y,1に付加されるため、このｙ方向の合力と、上記した１次バランスシャフト７のｙ方向成分の慣性力のつり合わせを行なうことによって、１次の振動は発生しない。

次に、２次不つり合い慣性力は数式１から明らかなように、ｙ方向分力ｆ_y,2のみであり、図２に示す２次バランスシャフト８、８を夫々クランク軸５の回転数の２倍の回転数で逆方向に回転させることによってつり合わせが可能である。すなわち、この２次バランスシャフト８、８を夫々逆方向に回転させることによって上記した１次バランスシャフト７、７と同様に２次バランスシャフト８、８の遠心力のｘ方向成分は相殺され、ｙ方向成分のみが発生する。このｙ方向成分と上記の数式１の不つり合い慣性力の２次成分ｆ_y,2をつり合わせることによって、２次の不つり合い慣性力のつり合わせが可能となり、２次の振動を低減できる。

尚、スライダ・クランク機構においては、４次以上の高次不つり合い慣性力ｆ_y,n（ｎ＝２（ｍ＋１）ｍは自然数）も発生するが、上記の１次および２次の慣性力と比較して非常に小さいため、上述した１次および２次バランスシャフトを用いることで、単一のスライダ・クランク機構からなる往復機械の振動を大幅に低減できる。

以下本発明を、一実施例を示す図面に基づいて詳細に説明する。尚、本発明が本実施例に限定されないことは無論である。

図３乃至図５は本発明の往復機械用振動除去装置の１実施例を示しており、図３は１次及び２次バランスシャフトの斜視説明図、図４は本発明の往復機械用振動除去装置の斜視図、図５は２次バランスシャフトの回転伝達機構を示す斜視図である。

図３に示すように、１次バランスシャフト７は、金属製の円柱体の一部に切り欠き部９と軸受部１０を形成し、軸方向の中央部で軸受部１０を介して金属製の２次バランスシャフト８を回転可能に保持している。この２次バランスシャフト８は中央部に切り欠き部１１を形成し、軸受部１０近傍に外歯車１２を取り付け、後述する内歯車２２と歯合して２次バランスシャフト８を回転させる。ここで、１次バランスシャフト７及び２次バランスシャフト８の重心位置は、切り欠き部９、１１によって夫々回転軸１３、１４から径方向にずれて形成されており、上述した不つり合い慣性力とのつり合い力を発生する。また、２次バランスシャフト８は外歯車１２と内歯車２２と歯合によって１次バランスシャフト７の１回転に対して２回転する構成となっており、上述した不つり合い慣性力の２次成分とのつり合わせ力を生じる。尚、１次バランスシャフト７及び２次バランスシャフト８の重心位置を径方向に移動させる手段は、上記の切り欠き部９及び１１の形成ばかりでなく、重心位置修正用の錘を取り付ける手段も可能である。そして、１次バランスシャフト７上の切り欠き部９や軸受部１０及び２次バランスシャフト８の外歯車１２の質量は予め上述した往復機械１の１次不つり合い慣性力を考慮して設計される。

図４は、本発明の往復機械用振動除去装置２０を示しており、架台１５に載置された往復機械１は、クランク２と、コンロッド３と、スライダ部４とからなり、クランク軸５の端部に設けられたモーター（図示せず）の回転によってスライダ部４が上下方向に往復運動する。このクランク軸５上には一対のつり合い錘６がクランク２を中心として対称位置に取り付けられ、クランク軸５の一端には歯付きプーリー１６及び歯車対１７が連結している。そして、クランク軸５と平行して一対の１次バランスシャフト７、７が架台１５に設けられた軸受１８によって回転可能に保持され、１次バランスシャフト７、７の端部には歯付きプーリー１９、１９が夫々歯付きプーリー１６と対向して取り付けられている。この歯付きプーリー１６、１９にはタイミングベルト２１が捲回され、クランク軸５の回転によって一対の１次バランスシャフト７、７はクランク軸５の回転数と同一回転数、且つ逆方向に回転する。また、１次バランスシャフト７の軸方向の中央部には軸受部１０を介して２次バランスシャフト８が設けられており、上述した外歯車１２と内歯車２２との歯合によって１次バランスシャフト７の回転数の２倍の回転数で、且つ逆方向に回転する。尚、本実施例においては、１次バランスシャフト７、７の回転伝達機構として歯付きプーリー１６、１９とタイミングベルト２１を組合せて構成したが、他の手段（例えばギアの組合せ）による構成であってもかまわない。

図５は２次バランスシャフト８の回転伝達機構を示しており、架台１５上に取り付けられた内歯車２２と、この内歯車２２の開口部２３を挿通して取り付けられた２次バランスシャフト８の外歯車１２からなり、この内歯車２２の歯数は、外歯車１２の歯合によって１次バランスシャフト７の回転数の２倍の回転数で２次バランスシャフト８が回転する歯数となっている。尚、上記１次バランスシャフト７と２次バランスシャフト８の夫々の重心位置は、図４に示すスライダ部４の重心軸に対して対称位置であり、且つコンロッド３とクランク２の運動平面と同一平面上とされている。

上記の構成からなる本発明の往復機械用振動除去装置２０は、クランク軸５上に設けられた一対のつり合い錘６と、クランク軸５と平行に配設された一対の１次バランスシャフト７、７の回転によって生じる慣性力で、往復機械１の往復運動の際に生じる１次振動を除去できる。さらに、１次バランスシャフト７、７上に設けられた２次バランスシャフト８、８がクランク軸５の２倍の回転数で回転することによって生じる慣性力で、往復機械１の往復運動の際に生じる２次振動を除去できる。しかも、この２種のバランスシャフト７、８を往復機械１に平行に配設して回転させても、これらバランスシャフト７、８の重心位置がスライダ部４の重心軸に対して対称位置であり、且つコンロッド３とクランク２の運動平面と同一平面上とされているため、慣性偶力が発生せず、この慣性偶力による振動も発生しない。

以上、本発明の往復機械用振動除去装置によれば、単一のスライダ・クランク機構による往復機械において、つり合い錘と２種のバランスシャフトを用いることによって、１次および２次の慣性力をつり合わせ、この慣性力のつり合わせによる１次および２次振動を除去することができる。

従来のスライダ・クランク機構で駆動される往復機械の原理を示す説明図である。本発明に係るスライダ・クランク機構で駆動される往復機械用振動除去装置の原理を示す説明図である。１次及び２次バランスシャフトの斜視説明図である。本発明の往復機械用振動除去装置の斜視図である。２次バランスシャフトの回転伝達機構を示す斜視図である。

符号の説明

１往復機械
２クランク
３コンロッド
４スライダ部
５クランク軸
６つり合い錘
７１次バランスシャフト
８２次バランスシャフト
９、１１切り欠き部
１０軸受部
１２外歯車
１３、１４回転軸
１５架台
１６、１９歯付きプーリー
１７歯車対
１８軸受
２０往復機械用振動除去装置
２１タイミングベルト
２２内歯車
２３開口部

Claims

スライダ・クランク機構を用いた往復機械において、該クランク機構のクランク軸に設けられた一対のつり合い錘と、該クランク軸と平行に配設され、該クランク軸と１次バランスシャフトに設けられた歯車対、又はプーリーとタイミングベルトから構成される第一の回転伝達機構によって夫々前記クランク軸の回転数と同一回転数、且つ逆方向に回転する一対の１次バランスシャフトと、該１次バランスシャフトの軸方向中央部に保持され、前記２次バランスシャフトの端部に設けられた外歯車と、該外歯車と歯合すると同時に前記１次バランスシャフトを挿通し、架台に固定された内歯車とから構成される第二の回転伝達機構によって前記クランク軸の回転数の２倍の回転数で１次バランスシャフトと逆方向に回転する一対の２次バランスシャフトを備え、前記１次バランスシャフトと２次バランスシャフトの夫々の重心位置が、クランク機構のスライダ部重心軸に対して対称位置であり、且つ前記クランク機構のコンロッドとクランクの運動平面と同一平面上とされたことを特徴とする往復機械用振動除去装置。
前記１次バランスシャフトおよび２次バランスシャフトは、柱状部材の重心位置を回転軸から径方向にずらして形成されたことを特徴とする請求項１記載の往復機械用振動除去装置。