JP5753343B2 - 遊星歯車複偏心盤を用いた2気筒1クランクピン型多気筒サイクロイド往復動機関 - Google Patents

遊星歯車複偏心盤を用いた2気筒1クランクピン型多気筒サイクロイド往復動機関 Download PDF

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本発明は、中央遊星歯車複偏心盤ハイポサイクロイド遊星歯車機構を用いた2気筒
1クランクピン型多気筒サイクロイド往復動機関に関するものであり、小型軽量、滑
らかな動き、高強度、低振動、低燃費と清浄な排気ガスの高圧・低速・ロングストロ
ーク・多気筒の往復動機関への道を拓くものである。
以後、簡明な記述とするため、とくに必要な場合を除き、機関及び機構の名称を下
記のように略記する。
1)往復動機械用のハイポサイクロイド遊星歯車機構をサイクロイド機構と略記する。
2)サイクロイド機構を用いた往復動機関をサイクロイド機関と略記する。
3)中央遊星歯車複偏心盤を用いた2気筒1クランクピン型多気筒サイクロイド機関
中央遊星歯車複偏心盤2気筒1クランクピン多気筒サイクロイド機関と略記する。
4)中央遊星歯車複偏心盤2気筒1クランクピン多気筒サイクロイド機関の機構を
遊星歯車複偏心盤2気筒1クランクピン多気筒サイクロイド機構と略記する。
5)ピストンクランク機構を用いた往復動機関をピストン機関と略記する。
これまで、サイクロイド機構を用いた往復動機関並びに往復動ポンプ装置(コンプレッサを含む。)が提案されている(特許文献1〜3及び非特許文献1〜3参照)。
図1を用いて,サイクロイド機構の単位である基本構造を説明する,クランクケース1に固定した基準ピッチ円直径4eの静止内歯車10とクランクピン付クランクウェブ6bのクランクピン上にクランクピン軸受7で回転自在に支えられた基準ピッチ円直径2eの遊星歯車9bがかみあい、遊星歯車9bはクランクピン軸心O2周りに角速度ωで自転するとともに、クランク軸心O1周りに逆向きに角速度ωで公転する。このとき、遊星歯車9bのピッチ円筒面上にある偏心盤9aの軸心O3は、シリンダ中心線C上をストローク4eの直線往復運動を行う。そして、この直線往復運動が,偏心盤9a上に偏心盤軸受11を介して回転自在に支えられシリンダ2に案内されたピストン4の運動となる。このように,ピストン4の直線往復運動は,互いに逆向きの2つの等速回転運動,即ち,偏心量eの偏心盤9aがクランクピン軸心O2周りに自転すると同時に,クランク半径eのクランク軸6がクランク軸心O1周りに逆向きに同じ角速度で公転することにより創成される。したがって,サイクロイド機構の往復質量M3及び自転質量M2に生じる慣性力及びそのモーメントは,等速で自転と公転を行う回転体の場合と同様に,自転つりあい錘質量MA及び公転つりあい錘質量MBL及びMBRにより,式(1)から(3)に示す条件のもとで完全につりあわせることができる。これをサイクロイド機構の完全つりあい理論という。
Figure 0005753343
Figure 0005753343
Figure 0005753343
ピストンクランク機構と比較して、背景技術であるサイクロイド機構の基本的な特長は以下のように整理できる。
「ピストンの直線往復運動は、サイクロイド機構では静止内歯車と遊星歯車の歯数比が2:1の等速運動機構である遊星歯車機構により創成され,ピストンクランク機構ではシリンダによるピストンの強制案内と不等速運動機構であるリンク機構により創成される。このため、サイクロイド機関では,ピストン機関で不可避のシリンダ側圧(ピストン側圧)および慣性不つりあいを,除去できる。」
この特長に拠り、ピストン機関に比べて、シリンダ及びクランクケースの剛性、摩擦損失、ピストンスラップ,振動および燃焼ガス漏れの低減、上下死点近傍の低ピストン速度,適切なロングストロークと燃焼室形状の最適化などに拠る燃焼状態の改善、さらなる高圧・ロングストローク化による高トルク化と低速化を期待できるなど、サイクロイド機関の実用可能性は高く評価できる。また,ピストン側圧が発生せず連接棒が不要なこと及びクランク半径がピストンストロークの1/4と小さいことを利用して,図1に示すように,長円筒のピストン4及びシリンダ2と,クランクウェブ軸受8を採用して,機構の軸方向寸法やシリンダ高さ方向寸法を低減できる.
ピストンは直線往復運動し側圧を受けないので,ピストン形状は,ピストン機関に実用されている円筒に制約される必要がない.そこで,軸方向寸法及び機関高さの低減と燃焼改善のため,長円筒ピストンが提案されている.しかし,その製作性と燃焼性能への影響は今後の検討課題なので,本発明ではピストン形状については特定せず,図面でも長円筒または円筒ピストンを適宜使用する.(特許文献3及び非特許文献2〜3参照)
以上のように,機関、ポンプ、コンプレッサの分野で応用の可能性を有しているものの、図1のように,サイクロイド機関は,自動車の機関としては,構造が複雑で,寸法・重量が大きくなり,さらに,軸受直径の増大と,クランクピン直径及び遊星歯車のピッチ円直径が制約され十分な強度を与えるのが困難などの問題があり,その普及が進んでいないだけでなく,実用に向けた取り組みすらほとんど見当たらないのが現状である。
この問題を解決するため,高圧,低速及びロングストロークの水平対向多気筒サイクロイド機関を提案しているが,機構の滑らかな動きへの懸念及びシリンダ高さの増加による搭載性低下への対応が課題として残されている.(特許文献3及び非特許文献2〜3参照)
特開平09−119301号 公報 特開2000−073701号 公報 PCT/JP2007/064095
Norman H.Beachley and Martha A.Lenz,"A Critical Evaluation of the Geared Hypocycloid Mechanism for Internal Combustion Engine Application",SAE Technical Paper Series 880660,1988. 松田孝,佐藤元宥:サイクロイド遊星歯車機構に関する研究(第1報),自動車技術会論文集,Vol.39,No.2,p.311−316(2008). 松田孝,佐藤元宥:サイクロイド遊星歯車機構に関する研究(第2報),自動車技術会春季学術講演会にて2009年5月22日発表,文献No.20095326,学術講演会前刷集No.71−09.
高圧・低速・ロングストローク・多気筒のサイクロイド機関の機構に,小型軽量な構造,滑らかな動き及び優れた機械への搭載性を与えることを目的としている(特許文献3及び非特許文献2〜3参照).なお,慣性つりあいについては,前記の完全つりあい理論と多気筒化による慣性つりあわせに基づき実施するが,非特許文献3を深く理解すれば発展的に実施できる内容なので本発明の対象外とし,記載しない.
本発明は,前記課題を解決して、高圧、低速,ロングストローク,多気筒と燃焼室形状の最適化による燃焼改善,高強度,シリンダ及びクランクケースの低剛性、低摩擦損失、低振動,低燃費,清浄な排気ガスの高品質な往復動機関の可能性を高めるものである。
本発明では、前項で述べた課題を解決する手段として、中央遊星歯車複偏心盤2気
筒1クランクピンサイクロイド機構を次のように考案している。
図2は、遊星歯車と一体の空間にハイポサイクロイド運動を与えて、ピストンの直
線往復運動を創成する遊星歯車機構の説明図であり、機構の初期位置と静止座標系01
−xyを示している。基準ピッチ円直径2eの遊星歯車は基準ピッチ円直径4eの静
止内歯車とかみあい、遊星歯車の自転軸心であるクランクピン軸心O2回りに角速度ω
で自転すると同時に遊星歯車の公転軸心であるクランク軸心O1回りに逆向きに同じ
角速度ωで公転するこのとき、遊星歯車の基準ピッチ円上の任意点は、軸心O1を
通るストローク4eの直線往復運動を行う。
そして、遊星歯車の基準ピッチ円上に、x軸及びそれと角γをなす直線上を直線往
復運動する点P及びPを選ぶと、それぞれ、AとB間及びAとB間でストロー
ク4eの直線往復運動を行う。
図3は、これに基づき角γで配置した気筒1及び2に中央遊星歯車複偏心盤と1ク
ランクピンで対応する構成で、クランク軸心O1、クランク半径eにクランクピン軸心
O2をもつクランクと、偏心盤9a及び9aの中心O3及びO3から偏心量eだけ
偏心した回転軸心O2(偏心盤9a及び9aの回転軸心O2及びO2はクランクピ
ン軸心O2である。)まわりに自転する偏心盤9a及び9aで構成している、気筒1
が上死点である初期位置から、クランクが角γ回転したとき、気筒2が上死点となる。
なお、遊星歯車9b12、偏心盤9a及び9aは一体構造の中央遊星歯車複偏心盤で
ある。
以上に拠れば、複偏心盤を介して同一のクランクピンに接続された2つのピストン
に、それぞれが連結された偏心盤中心と同じ運動をクランク角の位相差γで行わせる、
2気筒が角γで配置された中央遊星歯車複偏心盤2気筒1クランクピンサイクロイド
機構を創出できる。以後、この機構を気筒配置角γのサイクロイド機構ユニットとも
いう。
この気筒配置角γのサイクロイド機構ユニットをクランク軸方向に連接して、等ク
ランク回転角間隔で爆発する気筒配置角γの多気筒サイクロイド機関とすれば水平対
向多気筒サイクロイド機関(特許文献3及び非特許文献2〜3参照)の特長を損なう
ことなく、前項の課題を解決する。
以後、この多気筒サイクロイド機関を気筒配置角γの2気筒1クランクピン多気筒
サイクロイド機関または気筒配置角γの多気筒サイクロイド機関という。また、この
機関の機構を気筒配置角γの2気筒1クランクピン多気筒サイクロイド機構または気
筒配置角γの多気筒サイクロイド機構という。
なお、気筒配置角γはシリンダ中心線とクランク軸心を含む2つの平面がなす角度
で、0゜≦γ≦180゜とする。
前記の気筒配置角γのサイクロイド機構ユニットをクランク軸方向に自然数n個連
接して、クランク回転角(180/n)の間隔で爆発する気筒配置角γの2ストロ
ーク2n気筒サイクロイド機構に適用した例をつぎに示す。
ここでは、n≦3について例示するが、n≧4についても同様に適用できる。なお、
この気筒配置角γのサイクロイド機構ユニットは、クランク軸方向に任意配置できる。
1.2気筒機関 γ=180
2.4気筒機関 γ= 90または180
3.6気筒機関 γ= 60または180
前記の気筒配置角γのサイクロイド機構ユニットをクランク軸方向に自然数n個連
接してクランク回転角(360/n)の間隔で爆発する気筒配置角γの4ストロー
ク2n気筒サイクロイド機構に適用した例をつぎに示す。
ここで、n≦6を例示するが、n≧7についても同様に適用できる。なお、この
筒配置角γのサイクロイド機構ユニットは、クランク軸方向に任意配置できる.
1.2気筒機関 γ=0
2.4気筒機関 γ=0または180
3.6気筒機関 γ=0または120
4.8気筒機関 γ=0または 90または180
5.10気筒機関γ=0または 72
6.12気筒機関γ=0または 60または120または180
請求項4に記載の機構を用いることを特徴する往復動ポンプ装置。
請求項1記載の発明に拠れば,高強度,小型軽量,低剛性構造,低振動,低速,低摩擦損失,低燃費,高出力が期待される高圧・低速・ロングストローク・多気筒の水平対向サイクロイド機関(特許文献3及び非特許文献2〜3参照)の特長を損なわずに,滑らかな動きの確保と機械への搭載性の向上により,サイクロイド機関の実用性が高まる.
請求項3記載の割型中央遊星歯車複偏心盤に拠れば、組立式クランク軸6に代わる
一体型クランク軸の使用、組立の容易化及びクランクピン軸受7及び遊星歯車の保守
点検が可能となり、請求項1に記載した本発明の実用性向上に寄与できる。
請求4記載の発明に拠れば、小型軽量、高圧、低速、低剛性構造、低摩擦損失、
低振動で、滑らかに動き機械への搭載性に優れた往復動ポンプを期待できる。
本発明の背景に係わるサイクロイド機構の基本構造及び慣性つりあわせの方法を示す図であり、(a)は断面E−E,(b)は断面D−Dを示している。 本発明の背景に係わるサイクロイド機構による直線往復運動創成の説明図である 気筒配置角γの2気筒サイクロイド機関に、気筒配置角γの中央遊星歯車複偏心盤2気筒1クランクピンサイクロイド機構ユニットで対応する方法の説明図である。 γ=902ストローク中央遊星歯車複偏心盤2気筒1クランクピン4気筒サイクロイド機構の構造を示す図であり、(a)は軸方向からの正面図,(b)は断面A−Aを示している。 γ=04ストローク中央遊星歯車複偏心盤2気筒1クランクピン4気筒サイクロイド機構の構造を示す図であり、(a)は軸方向からの正面図、(b)は断面A−Aを示している。 γ=902ストローク中央遊星歯車複偏心盤2気筒1クランクピン4気筒サイクロイド機構における気筒1と2のサイクロイド機構ユニットの中央遊星歯車複偏心盤の実体図である。 γ=902ストローク中央遊星歯車複偏心盤2気筒1クランクピン4気筒サイクロイド機構における気筒1と2のサイクロイド機構ユニットの割型中央遊星歯車複偏心盤の実体図である。
本発明は,図4,図5,図6及び図7に示す実施例により開示されている。なお,図4及び図5では,シリンダヘッド3及びシリンダ2は図示を省略し,クランクケース1はクランクウェブ軸受及び静止内歯車の支持部のみを図示している.
る.また,4ストロークまたは2ストロークなどの仕様態様に応じたシリンダヘッド部の吸排気弁,シリンダ部の掃排気ポート,点火プラグ,燃料噴射ノズルなど並びにオイルシール,油道,潤滑ポンプ及びシリンダヘッドとシリンダのねじ締結なども周知であり,発明の本質に直接関わらないので説明を省略している。
図4は、段落0010,0011を適用し、気筒配置角γのサイクロイド機構ユニ
ットを自然数n個連接したクランク回転角(180/n)の間隔で爆発する2スト
ローク中央遊星歯車複偏心盤2気筒1クランクピン2n気筒サイクロイド機構の一例
として,気筒配置角γ=902ストローク中央遊星歯車複偏心盤2気筒1クラン
クピン4気筒サイクロイド機構を示している。
図4においては、気筒1及び2のサイクロイド機構ユニットと気筒3及び4のサイ
クロイド機構ユニットが軸方向に連接され、気筒1、2、3及び4のクランク角が、
それぞれ0゜、−90゜、−180゜及び−270゜の位置で示されている。
構造と運動について、つぎに述べる。
クランクケース1とこれにクランクウェブ軸受8を介して回転支持された2つのク
ランクピンを持つクランク半径eのクランク軸6、及びクランクケースに取り付けら
れたシリンダ内をストローク4eで直線往復運動し偏心盤9aに偏心盤軸受11を介
して回転自在に支持されたピストン4、及びそれとクランク軸6との間に介在する、
クランクピン付クランクウェブ6bのクランクピンにクランクピン軸受7を介して回
転自在に支持された偏心の向きが逆の偏心量eの偏心盤9aと遊星歯車9bが一体
となった2つの中央遊星歯車複偏心盤9と、クランクケース1に固定された2つの静
止内歯車10を主要部材とする。 なお、気筒1、2、3及び4のそれぞれに対応し
て偏心盤9a、偏心盤軸受11、ピストン4が、また、気筒1及び2と気筒3及び4
にそれぞれ中央遊星歯車偏心盤9と1クランクピンが構成されている。
つぎに、ピストン4の大端部軸心O3をシリンダ中心線C上でストローク4eの直線
往復運動させる遊星歯車機構について説明する。中央遊星歯車複偏心盤9は、クラン
クピン軸受7を介してクランクピン付クランクウェブ6bのクランクピンに対して回
転自在に外嵌されるとともに、偏心盤9aが偏心盤軸受11を介してピストン大端部
4cに回転自在に内嵌されている。そして、遊星歯車9bは、クランクケースに固定
された静止内歯車10とかみあって、中央遊星歯車複偏心盤9に、クランクピン軸心
O2周りの角速度ωの自転と同時にクランク軸心O1周りの逆向きの角速度ωの公転
を与えている。なお、遊星歯車9bと静止内歯車10の基準ピッチ円直径はそれぞれ
2eと4eであり、クランク軸6のクランク半径及び偏心盤9aの偏心量は、それぞ
れ、eである。ピストン4はシリンダ中心線C上をストローク4eで直線往復運動す
る偏心盤9aの軸心O3と共に運動する。
この構造から明らかなように、水平対向サイクロイド機関の軸方向寸法及び部品数
の低減という特長をほとんど損なわずに、気筒配置角による搭載性向上と、1クラン
クピンに2つのピストン、中央遊星歯車複偏心盤の軸方向長さの増加及び歯車の中央
配置により、機構の滑らかな動きが保証されている。(特許文献3及び非特許文献2〜
3参照)。
図5は、段落0010、0012を適用し、気筒配置角γのサイクロイド機構ユニ
ットを自然数n個連接したクランク回転角(360/n)の間隔で爆発する気筒配
置角γの4ストローク2n気筒サイクロイド機構の一例として、気筒配置角γ=
4ストローク中央遊星歯車複偏心盤2気筒1クランクピン4気筒サイクロイド機構
を示している。
基本的には、この構造と運動は、図4の2ストローク中央遊星歯車複偏心盤2気筒
1クランクピン4気筒サイクロイド機構と同様なので説明を省略する。
この構造から明らかなように、水平対向サイクロイド機関の軸方向寸法及び部品数
の低減という特長をほとんど損なわずに、気筒配置角による搭載性向上と、1クラン
クピンに2つのピストン、中央遊星歯車複偏心盤の軸方向長さの増加及び歯車の中央
配置により、機構の滑らかな動きが保証されている。(特許献3及び非特許文献2〜3
参照)。
クランク軸6は,図4及び図5に示すように,クランクウェブ軸受8を介してクランクケース1に回転支持される。そして,クランクピン付クランクウェブ6bのクランクピンをクランクウェブ6aのクランクピン嵌込孔に圧入する組立式クランク軸である。
図1,図4及び図5に示すように,ピストン4は一体構造で,シリンダ内でシリンダ中心線C上を直線往復運動するもので,ピストン大端部4cが,偏心盤軸受11を介して偏心盤9aと回転自在に連結されているが,ピストン大端部4cを2分割して,ねじ締結とすることもできる。また,ピストンヘッド4aとピストンロッド4bを別部部品として,Z軸まわりに相対回転微動できるように,ピンで結合することもできる.
図6は、気筒配置角γのサイクロイド機構ユニットの中央遊星歯車複偏心盤として、
前記γ=90゜の2ストローク中央遊星歯車複偏心盤2気筒1クランクピン4気筒サ
イクロイド機構における気筒1と2のサイクロイド機構ユニットの中央遊星歯車複偏
心盤を例示している。
図7は、使途などに応じて、前項の一体型の中央遊星歯車複偏心盤に代えて使用す
る割型中央遊星歯車複偏心盤の一例として、前記γ=90゜の2ストローク中央遊星
歯車複偏心盤2気筒1クランクピン4気筒サイクロイド機構における気筒1と2のサ
イクロイド機構ユニットの割型中央遊星歯車複偏心盤を示している。上添字は部品の
上下2分割に伴う表示であり、上添字L及びUはそれぞれ中央遊星歯車複偏心盤の下
部及び上を示している。
遊星歯車の軸心を含む歯溝中央面で2分割した面を接合面として、ねじ12により
一体的に結合する。これを使用すれば、組立式クランク軸に代えて一体型クランク軸
を使用でき、組立の容易化及びクランクピン軸受及び遊星歯車の保守点検が容易にな
る。この場合、静止内歯車もその軸心を含む歯溝中央面で2分割し、ねじによる一体
的結合構造とする。
1 クランクケース
2 シリンダ
3 シリンダヘッド
気筒Kのピストン
4a 気筒Kのピストンヘッド
4b 気筒Kのピストンロッド
4c 気筒Kのピストン大端部
5 ピストンリング
6 クランク軸
6a クランクウェブ
6b クランクピン付クランクウェブ
7 クランクピン軸受
8 クランクウェブ軸受
9 従来の遊星歯車偏心盤
気筒Kの中央遊星歯車複偏心盤
9a 気筒Kの偏心盤
9b 気筒Kの遊星歯車/気筒Kの遊星歯車の基準ピッチ円
10 気筒Kの静止内歯車/気筒Kの静止内歯車の基準ピッチ円
11 気筒Kの偏心盤軸受
12 割型中央遊星歯車偏心盤の組付けねじ
気筒Kのシリンダ中心線
L2/LBL/LBR 質量M2/MBL/MBR重心のシリンダ中心線からの軸方
向距離
M2/M3 自転質量/往復質量
MA 自転つりあい錘の質量
MBL/MBR 公転つりあい錘の質量
O1 クランク軸心
O2 気筒Kのクランクピン軸心
O3 気筒Kの偏心盤軸心
O1−xyz 基準右手直角座標系
RA/RBL/RBR 質量M2/MBL/MBR重心の自転または公転軸
心からの半径距離
S 割型中央遊星歯車複偏心盤の上部と下部の接合面
x シリンダ軸心方向の座標軸
z クランク軸心の座標軸
γ 気筒配置角(deg)/気筒配置角γのサイクロイド機構
ユニットにおける2気筒のクランク角の位相差(deg)
ω クランク角速度
下添数字K 機関の点火順序を示す気筒番号
上添字 L 割型中央遊星歯車複偏心盤の下部
上添字 U 割型中央遊星歯車複偏心盤の上部
なお,気筒番号を示す下添数字Kについては,必要な場合のみ表示する.
また,気筒2及び3のように,2気筒に係わる場合はKを23と表示する.

Claims (3)

  1. 2気筒往復動機関において、2つのシリンダ内をそれぞれ往復動するピストンと、
    これらピストンの動きを回転運動に変えるクランク軸、そして、このクランク軸と前
    記ピストンとの間に介在する遊星歯車機構とを備え、この遊星歯車機構における基準
    円直径4eの内歯車が前記クランク軸と同心にクランクケースに固定され、一方、こ
    の内歯車とかみあう基準円直径2eの遊星歯車を挟んで両側にその遊星歯車と同一軸
    心で、偏心方向が互いに、角度2γをなし偏心量eの2つの偏心円板を備えた中央遊
    星歯車複偏心盤の軸孔を前記クランク軸のクランク半径eに軸心をもつクランクピン
    に軸受を介して回転可能に支えるとともに、前記ピストンのそれぞれの棒部軸孔をこ
    の2つの偏心円板にそれぞれ軸受を介して回転可能に支持することにより、前記クラ
    ンクケースに固定され、その中心線が前記クランク軸の軸心を通り、互いに、前記の
    角度γで配置された前記シリンダ中心上で、2つの前記ピストンにクランク角の位相
    差が前記角度γでストローク4eの直線往復運動させる2気筒1クランクピン型2気
    筒往復動機構をユニット機構とし、このユニット機構をクランク軸方向に自然数n個
    連接した機構を用いて、等クランク回転角間隔で爆発燃焼させることを特徴とする2
    n気筒往復動機関。
  2. 前記中央遊星歯車複偏心盤において、その遊星歯車軸心を含む歯溝中央平面で2つ
    に分割したものを、それぞれ製作して、その分割面を接合面として、ねじ締結した割
    型中央遊星歯車複偏心盤を用いることを特徴とする請求項1記載の2気筒往復動機
  3. 請求項1または2のいずれか1項に記載の2気筒往復動機関のうち2ストローク
    2n気筒往復動機関の機構を用いることを特徴とするポンプ装置
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