JP5912360B2 - ロッキングジョイントアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、直線運動を回転運動に変換する機械の分野に属し、接続ロッドとピンの間の接続に特に関連している。

連結棒をピンで接続して持つ内燃エンジンの例を図１に示す。図１に示すエンジンは、合衆国特許第６，１７０，４４３号および第７，４３４，５５０号に明示されているタイプの対向ピストンや対向シリンダーを持つＯＰＯＣエンジン１０で、これを引用によって本特許に組み込む。

外部ピストン１２と内部ピストン１４は（図１に開示されていない）左シリンダーの中に位置している。外側ピストン１２は２本のプル・ロッド１８によってクランクシャフト２０にその大端部において連結されている。プル・ロッド１８はその小端部上でブリッジ２２に連結されている。内部ピストン１４はプッシュ・ロッド１６によってクランクシャフト２０に連結されている。（図に開示されていない）右シリンダー内のピストン１２とピストン１４はそれぞれ、プッシュ・ロッド１６とプッシュ・ロッド１８によって、クランクシャフト２０に連結されている。クランクシャフトには、２つのメインベアリング２６、プッシュ・ロッド１６が連結される（図には開示されていない）中央ジャーナルベアリングおよび各々に２個のプル・ロッド１８が連結されている２個のオフセットジャーナルが付いている。

ブリッジ２２は実際にＺ方向に動かず、Ｙ軸に沿って往復移動する。それと対照的に、プル・ロッド１８の大端部２８はクランクシャフト２０の回転運動に呼応してＺ方向に動く。プル・ロッド１８の大端部２８のＺ方向の動きによって、プル・ロッド１８はブリッジ２２と相対的に揺れ動く。ブリッジ２２から伸びるシリンダーピン２３とその中に当該ピン２３が伸びベアリングかニードルベリングにすることができる。

２ストロークのＯＰＯＣエンジンが運転されている間には、プル・ロッドには引っ張り応力が、プッシュ・ロッド１６には圧縮応力がそれぞれほぼ常時負荷される。ベアリング２４がスリーブベアリングの場合、潤滑油が押し出されるように、スリーブベアリングの一方の側が、プル・ロッド１８とピン２３の間に詰め込まれる。連結棒とピンの間に起こる相対的な動きにより、潤滑不足に起因して、ベアリングの表面に摩耗が引き起こされることがある。当該摩耗の導入を減らすため、ベアリング２４をニードルベリングに替える。ニードルベアリングには、十分な接触面積を提供する問題がある。さらに、ニードルベアリングが適当でない利用もある。連結棒と潤滑に対する依存度が低く、実用的に摩擦のないピンの間に、ジョイントを付けることが望ましい。

本発明の具体例によれば、往復エレメントに関連して、連結棒とピンの間に位置するベアリングの表面に相対運動が殆どまたはまったく起こらない場所に、ロッキングジョイントアセンブリが開示される。アセンブリには、クランクシャフトの偏心ジャーナルと連結された大端部および非円形ピンを経由して往復エレメントに連結された小端部が付いた接続ロッドが含まれる。当該接続ロッドには、ベアリングの表面と偏心ジャーナルの中央軸の間の距離と実質等しい曲率半径のロッドベアリング表面が付いている。ロッドベアリング表面上を揺れ動くピンの表面、即ちピンベアリング表面は、ロッドベアリング表面の曲率半径より小さい曲率半径を持っている。幾つかの具体例では、連結ロッドは、ロッドベアリング表面と共にメインボディおよび端部キャップを含み、端部キャップの一部となっている。端部キャップはボルトによって接続ロッドのメインボディと連結されている。

代わりに、接続ロッドには、メインボディ、ロッドベアリング表面を含むベアリングエレメントおよび端部キャップが含められる。ベアリングエレメントは、端部キャップによって定位置に保たれる。端部キャップは、ボルトによるかその他の接続スキームによって、メインボディにしっかりと固定される。ピンベアリング表面はクランクシャフトの回転に応えて、ロッドベアリング表面上で揺れ動く。

１つの具体例で、接続ロッドはプル・ロッドで、ロッドベアリングの表面は凹状に、ピンベアリングのそれは凸状にそれぞれカーブしている。幾つかの具体例における往復エレメントは、ブリッジに連結されたピストンで、ピンは、ブリッジのクロスピン延長部である。接続ロッドのピンベアリング表面の曲率半径は最小半径より大きく、最小半径は、少なくとも材料の性質、ピンベアリングの表面仕上げ、および、ロッキングジョイントが伝達するよう設計されているピークフォースに基づいている。ベアリング表面上に置かれたピンの表面が持つ曲率半径は、ピンの表面の中心に於いて最大となり、当該曲率半径は、ローカルフォースと表面の中心に近い部位を起点とする距離の関数として単調に減少する。ピンのベアリング表面の持つ曲率半径は、ピンベアリング表面の表面に沿って変化し、曲率半径は、ロックジョイントが伝達するよう設計されたピークフォースに於いて受容できるヘルツ圧の維持に基づいて決まる。必要なローカル半径、即ち、ローカルピーク設計フォースに対して十分である可能性が高い最小半径に対して、ピンのベアリング表面の曲率半径を正確に調整すると、ロッキングジョイントの幅が最小化される利点が得られる。幾つかの具体例における接続ロッドはプッシュ・ロッドである；ベアリング表面は凸状にカーブし、ベアリング表面に置かれているピンの表面は凸状にカーブさせるか、凹状にカーブさせるか、もしくは凸状にカーブした部分と凹状にカーブした部分を組み合わせた状態にすることができる。ピンベアリング表面の凹状にカーブした部分は、ロッドベアリング表面の曲率半径より大きい曲率半径を持っている。ピンベアリング表面に必要なローカル半径は、表面に沿って変化し、ロッドベアリング表面およびピンベアリング表面の材料の性質および表面仕上げ並びにロッキングジョイントが伝達するよう設計されたローカルピークフォースに基づいて決まる。

また本発明は内燃エンジン用のピストンとクランクのアセンブリを開示している。このアセンブリは少なくとも１個の偏心ジャーナルを持つクランクシャフト、第１非円形ピンを持つ第１コンポーネントに連結された第１往復エレメント、第２非円形ピンを持つ第２コンポーネントに連結された第２往復エレメントおよび各々が、クランクシャフトに連結された偏心ジャーナルに連結された大端部およびピンに連結された接続ロッドの小端部を持つ第１と第２接続ロッドを有する。接続ロッドには、ロッドベアリング表面と接続ロッドに添付した偏心ジャーナルの中央軸の間の距離と本質的に等しい曲率半径のシリンダーの部分からなるロッドベアリング表面が付いている。幾つかの適用における第１往復エレメントと第２往復エレメントは、第１クロスヘッドと第２クロスヘッドで、アセンブリには以下が含まれる：互いに向き合い、シリンダーライナーの中で往復するよう配置された第１ピストンと第２ピストンの頂部と反対に配置された第１ピストンと第２ピストン、第１プッシュ・ロッドの第１端部上の第１ピストンに、更に第１プッシュ・ロッドの第２端部上の第１クロスヘッドに連結された第１プッシュ・ロッド、および第２プッシュ・ロッドの第２端部上の第２ピストンに連結され、更に第２プッシュ・ロッドの第２端部上の第２クロスヘッドに連結された第２プッシュ・ロッドを持つシリンダーライナー。

他の適用では：第１往復エレメントは第１シリンダーライナー中に配置した第１ピストンで；第２往復エレメントは第２シリンダーライナー中に配置した第２ピストンで；第１接続ロッドは第１プル・ロッドで；第２接続ロッドは第２プル・ロッドで；第１往復エレメントは第１ブリッジで；第２往復エレメントは第２ブリッジで；第１プル・ロッドと第２プル・ロッドは、エンジンを運転している間、主にテンションが負荷された状態になり更に、ロッドベアリング表面は凹形である。アセンブリには以下が更に含まれる：第１シリンダーライナーに配置し、第１ピストンに関して、対向位置に配置される第３ピストン、第２シリンダーライナーに配置し、第２ピストンに関して、対向位置に配置される第４ピストン、第３ピストンを第３非円形ピンによるロッドとピストンの接続を使って、クランクシャフトの偏心ジャーナルの１つに連結する第３接続ロッド、および第４ピストンを第４非円形ピンによるロッドとピストンの接続を使って、クランクシャフトの偏心ジャーナルの１つに連結する第４接続ロッド。第３接続ロッドと第４接続ロッドは、エンジンを運転している間主に圧縮応力が負荷されるプッシュ・ロッドである。第３接続ロッドと第４接続ロッドには、クランクシャフトの偏心ジャーナルに連結された大形端部と第３非円形ピン第４非円形ピンがそれぞれまたがっているロッドベアリング表面を含む小型端部がそれぞれ含まれている。第３接続ロッド上と第４接続ロッド上のピンベアリング表面は：凸状または、凹状にカーブするかあるいは凸状と凹状が混ざってカーブしている：凸状にカーブした部分と凹状にカーブした部分が含まれている。ピンベアリング表面に必要なローカル半径は、表面に沿って変化し、ロッドベアリング表面およびピンベアリング表面の材料の性質および表面仕上げ並びにロッキングジョイントが伝達するよう設計されたローカルピークフォースに基づいて決まる。

第１接続ロッドと第２接続ロッドのロッドベアリング表面−プル・ロッド−は、凹状にカーブし、ベアリング表面にまたがるピンのピンベアリング表面は第１接続ロッドベアリングと第２接続ロッドベアリングの曲率半径より小さな曲率半径で凸状にカーブしている。

幾つかの具体例におけるピンベアリング表面の曲率半径はかなり一定である。プル・ロッドの場合、曲率半径は、ピンベアリング表面およびロッドベアリング表面の材料特性と表面仕上げ状態ならびに接続ロッドがピン接続に伝達するよう設計されているピークフォースに基づく最小半径より大きい。ピンベアリング表面が凹形であるプッシュ・ロッドセクションがコンパクトであるためには、ピンの半径は可能な限り大きく、受容できるヘルツ圧を維持しなければならない。更に、曲率半径は、ピンベアリング表面に対して揺れ動くロッドベアリング表面のそれより大きくなければならない。プッシュ・ロッドベアリング中のピンベアリング表面の凸状にカーブしたセクションの場合、コンパクトさは、受容可能なヘルツ圧を維持した状態の出来るだけ小さい曲率半径によって達成される。

本発明の具体例によれば、往復エレメントに関連して、連結棒とピンの間に位置するベアリングの表面の相対運動が殆ど起こらない場所に、ロッキングジョイントアセンブリが開示される。アセンブリには、クランクシャフトの偏心ジャーナルと連結された大端部および非円形ピンを経由して往復エレメントに連結された小端部が付いた接続ロッドが含まれる。当該接続ロッドには、ベアリングの表面と偏心ジャーナルの中央軸の間の距離と実質等しい曲率半径のロッドベアリング表面が付いている。プル・ロッドの場合、ピンベアリング表面の持つ曲率半径は、ロッドベアリング表面の曲率半径より小さい。プッシュ・ロッドの場合、ロッドベアリング表面は凸状にカーブしている。ピンベアリング表面も凸であるとき、ジョイントをコンパクトにすることができる。凹形のベアリング表面は対照的に、それ程コンパクトではないが、より大きい負荷輸送能力を持っている。凹形ベアリング表面用の曲率半径は、凸形ロッドベアリング表面用の曲率半径より大きくなければならない。幾つかの具体例では、プル連結ロッドは、ベアリング表面と共にメインボディおよび端部キャップを含み、端部キャップの一部となっている。端部キャップはボルト、ピンまたはその他のコネクターによって接続ロッドのメインボディと連結されている。

代わりに、接続ロッドには、メインボディ、ロッドベアリング表面を含むベアリングエレメント、および端部キャップが含められる。ロッドベアリングエレメントは、端部キャップによって定位置に保持される。端部キャップは、ボルトによってメインボディにしっかり固定される。ピンはクランクシャフトの回転あるいは連結ロッドが連結される可動エレメントに応えて、ロッドベアリング表面上を揺れ動く。

本発明には、シリンダーライナー、互いに向き合うピストンの頂部と反対の部位にあるシリンダーライナー中に配置した１組のピストン、プッシュ・ロッドの第１端部で各ピストンに連結されているプッシュ・ロッド、ガイド表面上にまたがっているプッシュ・ロッドの第２端部と共に、各プル・ロッド用に用意され、シリンダーの軸と略平行になるよう配置されているガイド表面並びにプル・ロッドの第１端部に連結されたプッシュ・ロッドの第２端部を使って、プッシュ・ロッドの各々と連結されたプル・ロッドおよび２個のメインベアリングジャーナル、第１偏心ジャーナルおよび第２偏心ジャーナルを付けたクランクシャフトを含む内縁エンジンも含まれる。プル・ロッドの第１の第２端部は、第１偏心ジャーナルに、プル・ロッドの第２の第２端部は、第２偏心ジャーナルにそれぞれ連結されている。

プッシュ・ロッドの第２端部とプル・ロッドの第１端部の間にあるジョイントは、プッシュ・ロッドの第２端部に連結された非シリンダーピンの凸状にカーブしたベアリング表面と組をなすプル・ロッド上の凸状にカーブしたベアリング表面とのロッキングジョイントである。凹状にカーブしたロッドベアリング表面の曲率半径は、ロッドベアリング表面とオフセンター偏心ジャーナルの中央軸の間の距離にほぼ等しい。凸状にカーブしたピンベアリング表面は、凸状にカーブしたロッドベアリング表面の曲率半径より小さい曲率半径を持っている。既存のものの代替となる具体例では、凸状にカーブしたピンベアリング表面は、２つの表面の間に起こるスライドモーションを本質的に避けて揺動するように、凹状にカーブしたロッドベアリング表面上に乗っている。もう１つの代替具体例では、プッシュ・ロッドの第２端部とプル・ロッドの第１端部の間にあるジョイントは、プッシュ・ロッドの第２端部およびプル・ロッドの第１端部の上にシリンダーピンを搭載するため形成した円筒状開口部と連結したスライドジョイントで、ここでは、ピンが円筒状開口部に関して前後に回転して相対的な動きを引き起こす。第１偏心ジャーナルは、第２偏心ジャーナルからクランクシャフトの回転で１５０度〜１８０度の範囲移動させられる。幾つかの具体例における第２プル・ロッドには、クランクシャフトと連結されたプル・ロッドの端部上のＶおよび第２偏心ジャーナルおよび第３偏心ジャーナルにおけるクランクシャフトに連結されたＶが含まれ：第１偏心ジャーナルは、第２偏心ジャーナルと第３偏心ジャーナルの間に位置し：更に、第２プル・ロッド中のＶは、第１プル・ロッドと第２プル・ロッドの間に干渉を引き起こすことなく第１プル・ロッドをクランクシャフトと連結するコンポーネントに回転を許すに十分な深さと幅を持っている。

これから、発明を添付図面と関連させて説明する：
技術的に既知な対向ピストン、対向シリンダーエンジンの構成を説明する等角投影図である。 本発明の１部に記載のロッキングジョイントの等角投影図である。 本発明に基づく１つの具体例におけるロッキングジョイントの断面図である。 本発明に基づく１つの具体例におけるロッキングジョイントの断面図である。 ニュートラルポジションと先端ポジションのロッキングジョイントの詳細を示す図面である。 ニュートラルポジションと先端ポジションのロッキングジョイントの詳細を示す図面である。 ニュートラルポジションと先端ポジションのロッキングジョイントの詳細を示す図面である。 図５〜図７のベアリングエレメントの平面図を示す。 ２ストロークエンジンを対象として、シリンダーの圧力をクランク角の関数として例証したグラフを示す。 １つの具体例で使用するピンの最小曲率半径を接続ロッド角の関数として例証したグラフである。 本発明の要件を満たす具体例で使用したプッシュ・ロッドロッキングジョイントについて、ニュートラルポジションと先端ポジションの状態をそれぞれ開示した図面である。 本発明の要件を満たす具体例で使用したプッシュ・ロッドロッキングジョイントについて、ニュートラルポジションと先端ポジションの状態をそれぞれ開示した図面である。 プッシュ・ロッド中のロッキングジョイントを明細に説明した図面である。 代替となる具体例で使用するピンベアリング表面の形を例証する図面である。 ベアリングによって伝達された力を図１３と関連するロッキング角の関数として示すグラフである。 代替となる具体例で使用するピンベアリング表面の形を例証する図面である。 ベアリングによって伝達された力を図１５と関連するロッキング角の関数として示すグラフである。 代替となる具体例で使用するピンベアリング表面の形を例証する図面である。 ベアリングによって伝達された力を図１７と関連するロッキング角の関数として示すグラフである。 プル・ロッドの代替となる具体例を説明する図面である。 第一ロッドベアリング表面と第ニベアリング表面の両方を持つプル・ロッド４００を示す図面である。

当業者は、図面のどれか１つに関して説明および詳述されている具体例の持つ様々な特徴を理解するので、１つまたはそれ以上の他の図面の中で説明された特徴と組み合わせて、明確に例証または説明されていない代替となる具体例を生成することができる。例証された特徴の組み合わせは典型的な適用に代表的な具体例を提供する。しかし、本発明に含まれる技術と一致する特徴の様々な組み合わせと改良が、特定の応用あるいは実施に対して切望されてもよい。技術的に普通レベルの技能を持つ人々は、明確に説明もしくは例証されたか否かを問わず、類似な応用あるいは実施を認識することができる。

本発明の具体例の要件を満たすロッキングジョイント３０に関与する部品を強調する対向形ピストン、対向形シリンダー式エンジンの一部を示す等角等軸投影図が図２に例証されている。外側ピストン１２は、（開示されない）左シリンダーからブリッジ４２を経由してプル・ロッド３１と連結される。プル・ロッド３１には以下が含まれる：ボルト４０を経由して一緒に保持されるプル・ロッドメインボディ３２、センターエレメント３４、ベアリングエレメント３６および端部キャップ３８。代わりに、ナット付きスタッドボルトがボルト４０の場所に使われる。ブリッジ４２には、プル・ロッドに向かって外側に伸びるクロスピン延長部４４が含まれている。ロッキング表面の詳細について、以下で説明する：
代替となる具体例に使用するロッキングジョイント５０の断面を図３に示す。プル・ロッド６０には以下が含まれる：メインボディ５２、端部キャップ５４、ベアリングエレメント５６およびボルト５８。（ブリッジもピストンも図３には開示されていない）ピストンに連結されたブリッジの一部であるクロス・延長ピン６２は、端部キャップ５４中の開口部６３と噛み合い、ベアリングエレメント５６のベアリング表面の上にまたがるか、そこで揺れ動く。ボルト５８は、ボルトの頭から離れた部位にあるボルトの端部にネジが切られている。５９におけるネジはプル・ロッド６０のメインボディ５２と噛み合う。ボルト５８の領域６１の中で、ボルトの外面が端部キャップ５４に制限を加える。図３に示したロッキングジョイントの断面は図４に開示される。ベアリングエレメント５６は、端部キャップ５４とベアリングエレメント５６の中に生成された窪みの中に置かれているボール６４によって、端部キャップ５４とピン６２に関して正位置に保たれる。（図４中には見えない）ボルト５８の締め付けがタイトであると、ボール６４はベアリングエレメント５６を正しい位置に保持する。延長ピン６２と共にブリッジが曲がることを可能にするため、開口部６３の表面と対峙するように置かれているベリングエレメント５６の表面は、凸状にカーブさせられる。

プル・ロッド２８０の代替となる具体例は図２５に開示されている。ピン２８２は、プル・ロッド２８０の中に定義される開口部２８４の中で揺れ動く。当該具体例には、別なベアリングエレメントは含まれていない。その代わりに、ロッドベアリング表面を、ロッドベアリング表面とピンベアリング表面がロッキングジョイント２８６で相互に作用する開口部２８４の表面である。このような具体例では、端部キャップは使用されないので、ボルト接続は除去される。さらに、別なベアリングがないので、ボールまたは他のキーパーも除去される。拡張ピンを使ったブリッジの曲げ行為は、長いプル・ロッドの持つ優れた柔軟性によって補償される。もう一つの代替となる具体例で使用されるプル・ロッドには開口部に置かれた別なベアリングエレメントが含まれているが、端部キャップは含まれていない。

ロッキングジョイントの１部は、図５、図６および図７に誇張された形で開示されている。ブリッジの１部か、ピストンと接続ロッドの間のその他のコネクターであるピン１６２には、その上でベアリングエレメント１５６のロッドベアリング表面１６６が揺れ動くピンベアリング表面１６６が含まれている。エンジンを運転している間、ピン１６２はＹ方向に往復運動を繰り返し、接続ロッドは、Ｙ方向に往復運動を繰り返しながら、Ｚ方向に動く。ベアリングエレメント１５６のロッドベアリング表面１６４は、ピン１６２のロッドベアリング表面１６６の上を揺れ動く。ピンベアリング表面１６６は、凸状にカーブさせられた表面で、これによって、曲率半径がｒ＿１のシリンダーの１部が形成される。図５、図６および図７に開示されている具体例に使用するピンベアリング表面１６６の持つ曲率半径の値は一定している。代わりに、曲率半径を表面に沿って変化させることができる。以下で、ピンベアリング表面１６６の曲率半径の大きさについて考察する。ベアリングエレメント１５６の凹状にカーブしたロッドベアリング表面１６４は、ｒ＿２の曲率半径を持つシリンダーの一部である。この場合、ｒ＿１はｒ＿２より小さい。ｒ＿２の値は、ロッドベアリング表面から（開示されていないが、Ａに位置していると説明されている）クランクピンの中心までの距離である。以下で考察するように、ｒ＿１の値は少なくとも、ベアリングエレメント１５６とピン１６２の材料特性並びにジョイントが伝達するよう設計される最大フォースに基づいて決められる。

図６において、ベアリングエレメント１５６は、その中でベアリングエレメント１５８が上方に傾く１つの先端ポジションに開示されている。ベアリングエレメント１５６とピン１６２の間の接点における力は、すべてのポジションでピンの表面およびロッドの表面とほぼ直角である。その中でベアリングエレメント１５６が下方に傾くその他の先端ポジションは、図７に開示されている。図５〜図７の中に示されているロッキングジョイントは、ｒ＿１の曲率半径とｒ＿２の曲率半径が、最も実用的な状況で見られるより遙かに小さく誇張されている。このような小さい半径は、ベアリングエレメント１５６とピン１６２上の曲率を視覚化することを可能する。図３のロッキングジョイントの中で、ベアリングエレメント５６は、ピン６２に対しておよそ５度揺れ動く。これによって、接触しているベアリングエレメント５６とピン６２の表面は、殆ど平らであるように見える。

図２に例証されているようなベアリングエレメント３６を使った具体例では、開口部４６の表面に向けて置かれているベアリングエレメント３６の後方側面は、図７‘に見ることができるような凸状にカーブした表面を含む。図７−２中のベアリングエレメント１５６は、図５〜図７のベアリングエレメント１５６の平面図である。ベアリングエレメントの長方向と平行な軸１６９は図５の中に開示されている。図７−２中の表面１６８の曲率半径の中心は、（図７−２の中で点として見ることができる）軸１６９とおおむね平行している。表面１６８の曲率は、エンジンを運転している間に起こるピストンピン（またはクロスヘッドピン）の曲がりを補償するために提供される。

ロッキングジョイントの表面間に起こる相対的な動きは、力が接触している曲面部分の法線であるとき妨げられる。しかしながら、幾つかの状況で、穏やかな横力が存在する。（図５〜図７の）ベアリングエレメント１５６の曲率は、合力がベアリング表面に対して直角になるよう修正することができる。しかしながら、図１に示す内燃エンジンを含む多くの実用的な装置では、横力は無視することができる。さらに、サイドフォース（横力）の大きさはエンジンのスピードによって変化する。従って、設計スピードを除く一切のスピードにおいて、当該サイドフォースの存在を認めて妥協しなければならない。存在するサイドフォースの大きさは滑走が起きない程小さいので、殆どの具体例で調整を行わない。

ロッキングジョイントが力を運べることを保証するため、ピン１６２の曲率半径をより大きくすることができる。しかし、そうしたことによる罰として、ジョイントの幅であるＷがより広くなる。連結ロッドがコンパクトになるように、ジョイントにできるだけ狭い幅を持たせることが望ましい。１つの具体例で、表面１６４に一定の半径値、ジョイントが伝達するよう設計されたピークフォースによって規定されたｒ＿１を持たせる。図８で、ジョイントにおける力とエンジン中に最も高いシリンダー圧力状態を得るためのクランク角の関係を関数としてプロットする。圧力は燃焼によって増加し、シリンダー中に起こる圧縮によって、ＴＤＣ（上死点）の近くでピークに達する。しかしながら、圧力はピークのいずれの側面でも急激に低下する。これによって、シリンダー内のピーク圧力によって定義された一定の半径の値であるｒ＿１を持たせると、曲率半径がピーク圧から離れたクランク角の位置で必要であるより大きくさせることができる。代替となる具体例では、ピンの上の表面の持つ曲率半径の値は一定ではないが、クランク角の関数として変化する。（ここでは、連結ロッドの角度であるｂとの関係で定義することができるかもしれない。）定数でない当該半径を圧力が受容できるヘルツ圧より小さくなるように選択し、ピンとベアリングエレメントの間にある接触のラインにおけるローラーコンポーネントの材料によって定義する。その中でｒ＿１が定数でなく、連結ロッドのアングルであるｂの関数として変化する具体例では、ピン上の最小ローカル半径は受容できる最大ヘルツ圧であるＨｐに基づいて決定される。ジョイントに固有な半径であるｒは以下に式によって定義される
１／ｒ＝１／ｒ＿１＋１／ｒ＿２
更に、Ｈｐ＝［（Ｆ＊Ｃ）／（ｒ＊Ｌ）］＾０．５但し、Ｆはジョイントによって運ばれる力、Ｃはピンとベアリングエレメントの材料に基づく材料定数、Ｌは一定の長さとする。結果として連結ロッドアングルの関数として得られるｒ＿１は図９の中に実線で開示されている。図９中の点線は、使用してもよい安全な最小半径を示す。図９中の点線に基づいて非定数の半径を規定することによって、ジョイントの幅を、ｒ＿１が遭遇することが期待されるピークフォースによって定義された定数であると仮定した場合より、小さくすることができる。

図３に開示されているベアリングエレメント５６は端部キャップ５４から分離されたエレメントである。代わりに、ベアリングエレメント５６を端部キャップ５４に含める。分離されたベアリングエレメント５６には、カーブした表面を機械加工し、材料に端部キャップ５４に対して望ましくないかもしれないものを選ぶことが容易であると言う利点がある。端部キャップ５４をベアリングエレメント５６と一体化して含めることによって、部品数の削減や組み立てを更に容易にする等の利点が得られる。

上に述べた具体例はテンションが負荷されている連結ロッド、即ちプル・ロッドと関連している。本発明は、圧縮応力が負荷されている連結ロッド、即ち、図１０および図１１に開示されているようなプッシュ・ロッドとも関連している。ロッキングジョイント２００は、プッシュ・ロッド２０２と非円形ピン２１０の間に開示されている。プッシュ・ロッド２０２には（開示されていない）クランクシャフトの偏心ジャーナルと連結される大形端部２０４が含まれている。小形端部２０６には、その中でピン２１０が揺れ動く開口部２０８が含まれている。プッシュ・ロッド２０２の（図１１には開示されているが、図１１には別に見えない）ロッドベアリング表面２１２およびピン２１０のピンベアリング表面２１４は両方とも凸状である。ニュートラルポジションのロッキングジョイントは図１０に、先端ポジションの１つの状態にある当該ジョイントは図１１にそれぞれ開示されている。ベアリング表面２１２は値がｒ＿３の曲率半径を持ち、当該半径は、表面２１２とプッシュ・ロッド２０２の大形端部２０４の中央軸２１６の間の距離である。中央軸２１６は、その周りのプッシュ・ロッド２０２と（図示されていない）偏心ジャーナルの間に相対的な動きが起こるセンターである。しかしながら、代替となる具体例では、運動部分は、クランクシャフトの一部でなく、潜在的に複雑な軌跡を持つ運動部分である。にもかかわらず、ジョイントに相対的な動きの中心が存在し、ロッドベアリング表面の曲率半径は、そのセンターの位置までの距離に基づいている。

プッシュ・ロッド２２２中のロッキングジョイント２２０の誇張されたバージョンは図１２に開示されている。ここでは、ベアリング表面２３２に形成されている湾曲の半径、ｒ＿４およびベアリング表面２３４の湾曲の半径は、典型的な場合より遙かに小さい。図１２中の具体例では、ピン２３０は、プッシュ・ロッド２２２の端部にある開口部の中に含まれている。プッシュ・ロッド２２２上のベアリング表面２３２は、凸状にカーブしている。ピン２３０上のベアリング表面２３４も凸状にカーブしている。このような状況で、２つの凸状表面を持つロッキングジョイントを使うと、コンパクトにし、凹状にカーブしたロッキングジョイントより少ない力を運ぶことができる。ベアリング表面２３４の曲率半径は、ｒ＿４より小さい定数にすることができる。その代り、ベアリング表面２３４の曲率半径はピン２３０のシンメトリー２３８の軸の近くでピークに達し、シンメトリーの軸から遠ざかるにつれて単調に減少する。

凹形のベアリング表面２４２を持つピン２４０の例を図１３に示す。図１４には、ジョイント中を伝送される力のグラフがロッキングアングルの関数として開示されている。表面２４２は一定の曲率半径、ｒ＿５を持っているので、図１３に実線で示す受容できるヘルツフォースは一定である。ピーク設計圧力を１つの例として、鎖線２４４として開示する場合、ジョイント内のピーク設計フォースは、すべてのロッキングアングルで、受容可能なヘルツフォースより小さく、ロッキングジョイントは、ピーク設計フォースを超えない限り生き残る。

図１５に示されたもう１つの例では、ピン２５０は、凸形の部分２５６と凹形の部分２５４を部分２５６のアウトボードに有するベアリング表面２５２を有する。このような形状に対して受容可能なヘルツフォースは、部分２５６に付随するロッキングアングルでは高く、部分２５４に付随するロッキングアングルに対して劇的に下落する。特定の適用のためのピーク設計フォースが図１６に示す例と同等である限り、表面２５２は適切である。

図１７に示す更なるもう１つの例では、ピン２６０は、一方の端部の近くに凸形のセクションを、図１８に示すような受容可能なヘルツ・フォースリミットを提供する他の端部の近くに凹形のセクションをそれぞれ含むベアリング表面２６２を持っている。開示されたピン、ベアリング、表面の大部分の例は、対称的な外形を持っているが、図１７中のピン２６０はこのような外形を持っていない。ピンベアリング表面の外形は、受容可能なヘルツ圧を維持するため選択され、望みのピークローカルフォースが複雑な外形を持っている場合には、複雑な外形を割り当てることができる。

図１９の中に、別な端部キャップもベアリングエレメントも存在しないプル・ロッド２８０の具体例が示されている。その代わりに、開口部２８４がプル・ロッド２８０の端部に定義される。ロッドベアリング表面２８６が開口部２８４の表面上に形成される。ピン２８２が開口部２８４の中で揺れ動く。プル・ロッド２８０には、殆ど排他的にテンションが負荷されているが、ピン２８２と開口部２８４の他の表面の間に隙間が形成されることを回避することが望ましい。ピン２８２の中間側面２８８および開口部２８４のサイド・表面２９０は、永久グライデング・コンタクトを使ってギヤーの歯にて成形される。この方向に作用する最小の力があるので、側面２９０の上をスライドするピン２８の側面に関連づけられた摩擦を無視することができる。更に、ピン２８２のチップ２９２は開口部２８４の頂部表面２９４に沿ってスライドする。開口部２８４の側面２９０および頂部表面２９４並びにピンの側面２８８およびチップ２９２は、ギヤーの外形を使って設計される。

説明した具体例は、２サイクルあるいは４サイクルの対向ピストンエンジン並びに可動エレメントを付けた往復エレメントを連結する連結ロッドを含むその他のマシンのほかに、内燃エンジンにも適用できる。表面の相対的な動きを許すよりむしろ揺れ動くジョイントを提供することによって、ジョイントの潤滑が取り除かれる。あるいは、ロッキング表面中の欠陥に起因して、わずかな量のスライデングが起こる場合、潤滑のプレゼンスは有用であるが、その必要性はスライデング・ジョイントの場合より低い。

プル・ロッドには主に引っ張り応力が負荷され、プッシュ・ロッドには主に圧縮応力が負荷されるエンジンの形態は既存であるが、プル・ロッドが安易に圧縮応力を経験し、プッシュ・ロッドが安易に引っ張り応力を経験する運転条件があってもよい。このように負荷が逆転すると、主要なロッキングジョイントは力を運ばず、ピンの反対側が代わりに力を運ぶ。図２０の中に、第一ロッドベアリング表面４０２と第ニロッドベアリング表面４０４を両方共含むプル・ロッド４００が開示されている。第一ロッドベアリング表面４０２の曲率半径は、Ｘ、それに対してプル・ロッド４００が連結される偏心ジャーナルの中心、即ち円４１０の部分から決められる。そして、第ニロッドベアリング表面４０４は円４１０と一致する。内燃エンジンの中では、ロッキングジョイントによって支えられている力は図２０に示されているように、中心位置、即ち上死点に近いポジションで最大となる。図１６に示すように、力はセンターポジションから離れると急速に低下する。これによって、曲率半径は、センターポジションにおけるロッドベアリング表面と接触するピンの表面から離れれば離れる程タイトになりうる。図２０の中では、第一ピンベアリング表面４２２上のピン４２０の曲率半径は、中心領域で大きくなり、端末領域４２４で小さくなる。領域４２４中の曲率半径は、少なくとも、第一ロッドベアリング表面４０２と第ニロッドベアリング表面４０４の幾何学的配置によって決まる。負荷が逆転されると、ベアリング表面は、第一ロッキングジョイント（第一ロッドベアリング表面４０２と第一ピンベアリング表面４２２）から第ニロッキングジョイント（第ニロッドベアリング表面４０４と第ニピンベアリング表面４２６）に切り替わり、その後の負荷の反転中にその反対に切り替わる。第ニジョイントが支えている力の大きさは、第一ロッキングジョイントが運ぶピークフォースよりずっと低い。このようにして、領域４２４の中のそれのようなタイトな曲率半径は、ヘルツ圧を超えないで、負荷を運ぶことができる。

本発明は、クランクシャフトとレシプロ部材の間に連結ロッドを持つ内燃エンジンの文脈の中に開示されているが、本発明は、レシプロ部材と複雑な動きをするタイプの可動エレメントの間に連結ロッドが含まれる状況にも適用される。このような状況で、連結ロッドと結び付けられたベアリング表面の形は、表面から連結ロッドと可能エレメントの間にある接続の中心までの距離に等しい半径を持っている。同じく、往復エレメントのピンベアリング表面の形は、ロッキングジョイントを通してロッキングアングルの関数として伝達されるピーク設計フォースに基づいている。同じく、ヘルツ圧力とヘルツフォースなる用語も使われた；これらは、ベアリング表面の接触表面の面積を通して関連付けられる。

現実に、多くの実用的具体例の中で、カーブした様々な表面の曲率半径は、図のように、殆ど平らに見える。例示を目的として、図５〜図７，図７、図１０〜図１３、図１５、図１７、図１９および図２０の中にあるような曲率半径は実際より小さく描かれている。

説明した具体例は、２サイクルあるいは４サイクルの対向ピストンエンジン並びに往復エレメントと回転エレメントを付けた他の機械のほかに、その他の内燃エンジンにも適用できる。表面の相対的な動きを許すよりむしろ揺れ動くジョイントを提供することによって、ロッキングジョイントの中から潤滑が取り除かれる。しかしながら、グライデングが起こる他の表面に発生する摩擦を無視できる程少なく保つために、潤滑は有用である。

特定な具体例について、最良の様態を明細に説明したが、当業者は、以下の請求項の範囲内に様々な代替となる設計や具体例を認識する。様々な具体例が、利点を提供するか、望ましい１つまたはそれ以上の特徴に関する他の具体例により好まれるか、当業者が気付いているものとして、説明されてもよかったかもしれないが、１つまたはそれ以上の特徴が、特定な出願と施行に頼る望みのシステム属性を達成するため、犠牲にされてもよい。これらの属性には以下が限定することなく含まれる：コスト、強度、耐久性、ライフ・サイクル・コスト、商品価値、外観、梱包、サイズ、有用性、重さ、製造能力、組み立ての容易さ等。本書で説明した具体例で、他の具体例または１つまたはそれ以上の特徴に関する従来技術の施行より望ましい恐れのあるものは、本発明の範囲から逸脱するものではなく特定の適用に対して望ましいかもしれない。

Claims (15)

1. ロッキングジョイントアセンブリであって、
   クランクシャフトに連結された第１端部と、少なくとも非円形のピンを介してピストンに連結された第２端部とを有する接続ロッドを含み、
   前記接続ロッドは、ロッドベアリング面を有し、前記ロッドベアリング面が前記ロッドベアリング面から前記接続ロッドと前記クランクシャフトとの連結の中心までの距離に略等しい曲率半径を有し、
   前記ピンが前記ロッドベアリング面上で揺動するピンベアリング面を有する、ロッキングジョイントアセンブリ。
2. 前記ピンベアリング面が前記接続ロッドの動きに呼応して前記ロッドベアリング面上で揺動する、請求項１に記載のロッキングジョイントアセンブリ。
3. 前記接続ロッドが前記第２端部において開口を画定し、前記ロッドベアリング面が前記開口の面の１つを含む、請求項１に記載のロッキングジョイントアセンブリ。
4. 前記接続ロッドが、メインボディおよび端部キャップを有し、前記ロッドベアリング面は前記端部キャップの一部であり、
   前記端部キャップが前記接続ロッドの前記メインボディに連結される、請求項１に記載のロッキングジョイントアセンブリ。
5. 前記接続ロッドが前記第２端部において開口を画定し、
   前記ロッキングジョイントアセンブリが更に前記開口の面に接して嵌合するベアリングエレメントを含み、
   前記ロッドベアリング面は前記ベアリングエレメントの前記開口の面から遠い側に形成され、
   前記開口の面に接して嵌合する前記ベアリングエレメントの表面が凸状にカーブしている、請求項１に記載のロッキングジョイントアセンブリ。
6. 前記接続ロッドがメインボディ、前記メインボディに係合される端部キャップ、前記接続ロッドに画定された開口、および前記開口内に位置し、前記開口の面から遠い側に前記ロッドベアリング面が形成されるベアリングエレメントを含み、
   前記開口の面に近い側の前記ベアリングエレメントの表面が凸状にカーブしている、請求項１に記載のロッキングジョイントアセンブリ。
7. 前記接続ロッドがプル・ロッドであり、
   前記クランクシャフトが偏心ジャーナルを有し、
   前記接続ロッドが前記第１端部で前記偏心ジャーナルと連結され、
   前記接続ロッドと前記クランクシャフトとの間にある連結の中心は前記偏心ジャーナルの中央軸であり、
   前記ロッドベアリング面は凹状にカーブし、
   前記ピンベアリング面は凸状にカーブしている、請求項１に記載のロッキングジョイントアセンブリ。
8. 前記ピストンがブリッジに連結され、
   前記ピンが前記ブリッジのクロスピン状の延長部の一部である、請求項１に記載のロッキングジョイントアセンブリ。
9. 前記ピンベアリング面の曲率半径が、少なくとも前記ロッドベアリング面および前記ピンベアリング面の材料特性および表面仕上げ、ならびに前記ロッキングジョイントアセンブリが伝達するよう設計された最大の力に基づいて決定される最小半径より大きい、請求項７に記載のロッキングジョイントアセンブリ。
10. 前記ピンベアリング面の曲率半径が前記ピンベアリング面の表面に沿って変化し、前記ピンベアリング面の表面上の各位置における曲率半径が、前記ロッキングジョイントアセンブリが伝達するよう設計された最大の局所的な力が発生したときにおいて受容可能なヘルツ圧を維持できるように決定される、請求項７に記載のロッキングジョイントアセンブリ。
11. 前記接続ロッドがプッシュ・ロッドであり、
    前記ロッドベアリング面が凸状にカーブし、
    前記ロッドベアリング面に支えられて動く前記ピンの前記ピンベアリング面が凸状または凹状にカーブし、
    前記ピンベアリング面の局所的な半径が前記ピンベアリング面の表面に沿って変化し、かつ少なくとも、前記ロッドベアリング面および前記ピンベアリング面の材料特性および表面仕上げ並びに前記ロッキングジョイントアセンブリが伝達するよう設計された最大の局所的な力に基づいて決定される、請求項１に記載のロッキングジョイントアセンブリ。
12. 前記ピンが、前記ピンベアリング面の反対側にある先端部、および側面部を有し、前記先端部および前記側面部の外形がギヤー歯の外形に基づく、請求項１に記載のロッキングジョイントアセンブリ。
13. ピストンとクランクのアセンブリであって、
    偏心ジャーナルを有するクランクシャフトと、
    非円形のピンを有するコンポーネントに連結されたピストンと、
    前記クランクシャフトの前記偏心ジャーナルに連結された大形端部、および前記ピンに連結された小形端部を有する接続ロッドとを含み、
    前記接続ロッドが円弧状断面部分を含む第１ロッドベアリング面を有し、前記円弧状断面部分は、前記第１ロッドベアリング面から前記偏心ジャーナルの中央軸までの距離に略等しい曲率半径を有するアセンブリ。
14. 前記接続ロッドには主として引っ張り応力が負荷されており、
    前記ピンは第１ピンベアリング面を有し、前記第１ピンベアリング面上で前記第１ロッドベアリング面が揺動し、
    前記第１ピンベアリング面と前記第１ロッドベアリング面とは第１ロッキングジョイントを構成し、
    前記第１ピンベアリング面の曲率半径は前記第１ピンベアリング面の表面に沿って変化し、
    前記第１ピンベアリング面の局所的な曲率半径は少なくとも部分的に、前記第１ロッキングジョイントが伝達するよう設計された最大の局所的な力が発生したときに於いて受容可能なヘルツ圧を維持できるように決定される、請求項１３に記載のアセンブリ。
15. 前記接続ロッドにおいて前記第１ロッドベアリング面の反対側に位置する第２ロッドベアリング面と、
    前記ピンにおいて前記第１ピンベアリング面の反対側に位置する第２ピンベアリング面とを含み、
    前記第２ロッドベアリング面は円弧状断面部分を有し、前記円弧状断面部分は前記第２ロッドベアリング面から前記偏心ジャーナルの中央軸までの距離に略等しい曲率半径を有し、
    前記第２ロッドベアリング面は、前記接続ロッドに引っ張り応力が負荷されるときに前記第２ピンベアリング面上で揺動し、
    前記第２ピンベアリング面の曲率半径は、前記第１ロッドベアリング面および前記第２ロッドベアリング面によって規定される、請求項１４に記載のアセンブリ。