JP6124185B2 - 直線運動を回転運動に変換するデスモドロニック軸及びヨークアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、直線運動を回転運動に変換するアセンブリ、特に、ヨーク構造体及び関連するピストン等の直線往復運動部材とクランク軸等の回転可能軸との間の改善された関係に関する。本発明は、例えばコンプレッサーにおけるような、運動が回転運動から直線運動に、その逆もまた同様に変換される任意の用途において用いることができる。

内燃機関は今や、開発されてから数十年経ち、往復運動ピストンがコネクティングロッドを用いてピストンをクランク軸のクランクピンに接続し、ピストンの直線往復運動をクランク軸の回転運動に変換する、最もよく知られた設計となっている。

ほとんどの場合、コネクティングロッドは、それがピストン及びクランクピンに取り付けられる両端において関節接合可能である。このピストンは、ピストン及びコネクティングロッドを通るリストピンによってコネクティングロッドに接続されている。ほとんどの場合、そのような内燃機関のこれらの種類の設計はスライダークランクエンジンとして知られている。それにもかかわらず、時代とともに、これらのタイプの内燃機関には重大な欠点及び限界があることが分かってきた。

従来のスライダークランクエンジンを改良する動きがあったが、特に、現在では化石燃料は希少になってきており、従来の内燃エネルギーに由来する排気から環境を保護しようという社会全体の注目が大きくなってきている。

スライダークランクエンジン上での周期的な原動力を利用しようと特定の機関設計においてスコッチヨークが用いられてきた。ほとんどの場合、従来のスコッチヨークエンジンは、２つの水平に対向するピストンを、関節接合可能ではないコネクティングロッドによって、クランク軸のクランクピンを収容する溝穴を有するシャトルに接続する。案内サービスがシャトルの運動を直線経路に制限し、クランクピンは、クランク軸がその範囲内で回転すると溝穴内で摺動し、ピストンの直線往復運動をクランク軸の回転運動に変換する。

当業者であれば認識するように、シャトル内の溝穴は、少なくともクランクピン径ほどの幅であり、少なくともクランクピン行程の径ほどの長さでなければならない。さらに、ピストンロッドは、直線往復運動に制限されるピストンプレート等の一部であるため、クランク軸の任意の運動によって、ピストンは点火位置を含む任意の設定可能な瞬間的位置に対して自動的に伸張又は後退する。

機関設計の現在の傾向は、スコッチヨーク構造を有する従来のピストンロッドを用いて機関のｒｐｍを増加させることである。従来のスコッチヨークの使用は、ほとんどの場合に、ピストンストロークが短く、燃焼室に空気を引き込むのに利用可能な時間が非常に短いため、必ずしも可能というわけではない。これによって、燃料にとって理想的な１５：１の空燃比に満たない状態での燃焼が生じ、これは更に、未燃焼の燃料が汚染物質として大気中に排気されることになる。排気された未燃焼燃料とともに浪費されたエネルギーが出ていくが、これはピストンを駆動するために動力に変換されるべきであったものである。

ともに現在利用可能なスライダークランクエンジン及びスコッチヨークベースの設計において事実上起こっていることは、ピストンロッドとクランク軸が非効率的に連結されていることである。コンロッドエンジンでは、ストローク長、すなわちコネクティングロッドの高さ、したがって機関の高さを増大させることによって特定のクランク角においてより大きいトルクを達成することができる。しかし、これは多くの用途では実用的ではなく、関連する種々の欠点がある。

当業者は、スコッチヨークが、その最大のトルクのためにその力を９０°のクランク角度でクランクピン（従来のクランク）の中心線位置に伝達することを認識するであろう。したがって、スコッチヨークの直線行程は、それが停留に関して変更されるか否かにかかわらず常に一定であり、その最大のてこ作用は常に９０°においてである。クランク軸は通常、クランク軸の３６０度全体の回転のためにヨーク上で摺動／転動する、クランク軸に関連する摺動／転動要素を有する。スコッチヨークはしたがって用途が非常に限られている。

本発明者らは、直線運動を回転運動に、またその逆に変換する改良された手段、並びに、燃焼機関用途における、ヨークとクランクとの、及びヨークとピストンとの関係を改善し、例えばスコッチヨークよりもはるかに大きい力でトルクが最大限に高められることを確実にすることが必要とされていることを認識している。

本出願人によって所有されており参照により本明細書に援用される、国際特許出願である特許文献１は、燃焼を改善するための増大したてこ作用（より大きいてこ作用点に伝達される圧力）及びピストン停留時間を達成するように、クランク軸の一回転においてクランクモードとカムモードとの間で交替可能な動作モードを提供することによって、上述した問題の幾つかを克服するカムヨークタイプの係合の一例を提供している。この発明には、クランク軸に関連するクランクアームの端部を中心に回転可能であるとともに、ピストンが関連する直線運動可能なヨーク構造体の内面に係合可能であるベアリング又は輪部材の使用を伴うものである。内面は、ピストンの直線運動をクランクの回転運動に変換することを瞬間的に妨げるように働く肩部を含み、ベアリングはしたがってクランクモードからカムモードへの機能の変更を受ける。

したがって、本出願人の以前の国際出願は、燃焼を改善するとともに、てこ効果を導入し、従来のスコッチヨークよりもはるかに大きい力で最大トルクを増大するアセンブリを提案している。しかし、本出願人自身の従来技術はその目的を果たし、従来のこのタイプのアセンブリに勝る独自の利点を提供するが、本発明は、限定はされないが以下の、
・てこ作用が完全には最大化されない；
・燃焼及びエネルギー効率が最適ではない；
・構成部材の設計及び構成が、アセンブリが多数の部品を含み、簡単な製造に適していないようなものであり；
・構成部材の設計及び構成が、アセンブリを、様々な用途に合うようにてこ作用／停留を容易に調整可能ではないようなものであり；かつ
・複数の構成部材の使用及び単一の転動要素に対するかなりの耐荷重性によって振動／ガタ音の問題が生じる
といった問題に対処することによって、更に改善されたアセンブリを提供しようとするものである。

ＰＣＴ／ＡＵ２０１１／０００３９８号

したがって、本発明の目的は、上述した問題の少なくとも幾つかを克服するか又は公衆に有用な代替案を提供することである。

最初に、本明細書における「カム効果」へのいかなる言及も、本出願人の従来技術の特許出願におけるベアリングの前述した「カムモード」と同じ現象であるものと解釈されるべきではないことを理解されたい。

本発明の更なる目的及び利点は、以下の明細書を全て読むことによって明らかとなるであろう。

本発明は、回転可能軸と直線往復運動部材との間の改善された関係に関し、それによって、軸の直線運動の結果として、軸を回転させるように最大のエネルギーが軸に伝達される。本明細書において具現される本発明は内燃機関に関するものであるが、本発明は、直線運動を回転運動に、その逆もまた同様に変換することを伴う任意の用途にも同様に適用することができることを理解されたい。

本明細書を読めば、クランクとピストンとの相互作用が部分的にカムに関連するという点で、アセンブリが、スコッチヨークタイプ又はコンロッドエンジンタイプよりも大きいてこ作用を提供することが明らかとなるであろう。本発明は、剛性である直線運動機構を提供し、これは、ピストン運動が直線的であり、ヨーク構造体の運動と一体的であることを意味し、また直線運動機構は、エネルギーを、同じストローク長で従来のエンジンよりも大きいてこ作用点まで変換することが可能である。その結果、てこ効果が確立され、クランクに伝達される圧力が最大になる。

したがって、本発明の一形態では、但しこれは唯一の形態である必要はなく、また実際に本発明の最も広範な形態である必要もないが、第１の軸に沿って上死点と下死点位置との間で運動可能な直線運動可能部材の直線運動を、上記第１の軸に対して実質的に垂直に延びる第２の軸を中心に回転可能な回転可能軸の回転運動に変換するアセンブリであって：
上記直線運動可能部材に関連するヨーク構造体であって、上記第２の軸によって画定される半径を有する少なくとも１つの弧状の内面を有する内面を含む、ヨーク構造体；
回転可能軸に関連し、上記第２の軸を中心に回転可能軸とともに回転可能なてこ手段であって、当該てこ手段の外周縁が、上記第２の軸と平行に延びるが当該第２の軸から離間した距離に配置される第３の軸によって画定される半径を有する少なくとも１つの弧状の接触面を含み、上記外周縁は、ヨーク構造体の内面に係合するようになっており、当該係合は、直線運動可能部材の伸縮運動が軸の回転運動に変換される、少なくとも第１の範囲の軸回転角度にわたるクランクに関連するもの、及び、直線運動可能部材の位置が伸張位置又は後退位置において停留する、少なくとも第２の範囲の軸回転角度にわたるカムに関連するものであり、上記弧状の面は、上記係合が、各軸の回転の開始から９０度の軸の回転まではカムに関連し、上死点において上記直線運動可能部材を停留させるものであり、また、９０度〜１８０度の軸の回転の間はクランクに関連するものであるように寸法決めされ、それによって、少なくとも９０度〜１８０度の間の角度範囲内では、上記ヨーク構造体の弧状の内面は、上記第１の軸に平行に延びるが上記第２の軸から離間した距離に配置される第４の軸に沿って上記弧状の接触面に接触し、上記距離は、第２の軸と第３の軸との間の離間した距離よりも大きい、てこ手段
を特徴とする、アセンブリが提供される。

本アセンブリを従来のスコッチヨークタイプのアセンブリから区別し、２つの構成部材間の改善された相互作用及びはるかに大きいトルク範囲を生じるのは、摺動又は転動ではなく、特定の角度範囲を通るこれらの構成部材間の、９０度〜１８０度の軸の回転の間に起こる揺動運動すなわち「カム効果」である。

したがって、本発明のアセンブリは、ヨーク構造体の内面に係合可能な回転可能軸を組み込み、軸は、軸の回転中の任意の１つの時点でてこ手段に関連する弧状の面に沿ってヨーク構造体の内面に接触するようになっている外周縁を含むてこ手段として本明細書において称されるものを含む。構成部材は、少なくとも広範な角度の間で、てこ手段の弧状の面とヨークの内面との間に、重要なことには、一定の接触力をヨーク構造体から軸に伝達する、（床に対して揺動する揺り木馬の運動と同様の）「揺動運動」の相互作用が存在するように寸法決めされる。この効果は本明細書では「カム効果」と称される。

本発明の一形態では、てこ手段は、本明細書においてカムフォロア部材と称されるもの、及びヨーク構造体の弧状の内面に接触するようになっている弧状の面を含む関連するより大きい転動要素を含み、そのような相互作用は、少なくとも広範な軸回転角度の間で上記「カム効果」を引き起こす。

本発明の更なる形態では、てこ手段は「カムフォロア部材」であって、軸の回転中に実質的に常にカムフォロア部材の弧状の面に沿ってヨーク構造体の内面に接触するようになっている外周縁を有する「カムフォロア部材」を含み、そのような相互作用は、少なくとも広範な軸回転角度の間で上記「カム効果」を引き起こす。

好ましくは、カムフォロア部材及びヨーク構造体の内面は、少なくとも軸の９０度〜１８０度の回転の間に上記「カム効果」が生じるように寸法決めされる。

好ましくは、カムフォロア部材及びヨーク構造体の内面は、軸が０度〜９０度の間で回転するが、そのような回転運動がいずれもヨーク構造体の直線的な運動に変換されないように寸法決めされる。したがって、本発明は、燃焼機関に適用される場合、上死点において停留時間を導入することによっても燃焼効率を改善する。

好ましくは、カムフォロア部材及びヨーク構造体の内面は、軸が１８０度〜２７０度の間で回転するが、そのような回転運動がいずれもヨーク構造体の直線的な運動に変換されないように寸法決めされる。したがって、本発明は、燃焼機関に適用される場合、下死点において停留時間を導入することによっても燃焼効率を改善する。

好ましくは、上記少なくとも１つの弧状の接触面は、上記カムフォロア部材の半円形の縁である。好ましくは、上記カムフォロア部材は少なくとも第２の弧状の接触面を含み、上記ヨーク構造体の内面は少なくとも１つの直線的な面を含み、上記第２の弧状の接触面は、上記直線的な面に接触することによって第２の接触点を提供するようになっている。好ましくは、上記少なくとも第２の弧状の接触面は、上記半円形の縁の基底線に沿って中心軸が配置される四分円の縁である。好ましくは、上記少なくとも第２の弧状の接触面は更なる四分円の縁を含み、当該四分円の縁の中心軸は、上記半円形の縁の上記基底線に沿って配置されているとともに上記回転可能軸の第２の軸と位置合わせされている。好ましくは、上記四分円の縁は直線的な縁によって接合される。

アセンブリは、カムフォロア部材に関連する四分円及び半円のそれぞれの半径を同じ割合だけ調整することによって、てこ作用に関して調整可能である。さらに、直線運動可能部材のストロークも、軸の中心点と遠位の四分円の中心点との間の距離を調整することによって調整可能である。

本発明のまた更なる好ましい形態では、軸はデスモドロニック軸であり、上記少なくとも第２の弧状の接触面は、カムフォロア部材内に実質的に収容されている転動要素を露出させるように鋸断される四分円の縁であり、それによって、転動要素の接触点のみがカムフォロア部材のフットプリントから延出する。転動要素は、上記「カム効果」の間に上記ヨーク構造体の内面に接触し、転動要素は、上記弧状の面に等しい半径を有し、上記弧状の面は、鋸断先端部であって、本来であれば当該先端部が上記内面に接触するであろうときに上記転動要素が上記ヨーク構造体に接触することを可能にする鋸断先端部を含む。減摩要素又は転動要素の使用は、接触する面間に生じかねないカタカタ音を低減するために軸の９０度〜１８０度の回転の間で特に重要である。

一定の接触による「カム効果」はしたがって、従来のスコッチヨークのように「摺動」することなく、９０度〜１８０度の間の広範な回転角度にわたって揺動運動でピストンの力をヨーク構造体からクランク軸に伝達する。これは、任意の従来の／スコッチヨーク設計のエンジンよりもはるかに大きいトルク範囲を可能にする。本明細書において具現されるカムフォロア部材及びヨーク構造体の使用時には、本発明のてこ作用及び停留の態様の双方を、明らかとなるように、製造業者の要件に合わせて変えることができる。

本発明は、本明細書においててこ手段と称される相互作用手段が、その周囲に沿ってヨーク構造体の内面と相互作用するカムフォロア部材を含むか又は備えるという点で、プリアンブルにおいて言及した国際出願において開示されているアセンブリに対する改良である。そのようなてこ手段を組み込むアセンブリは、本発明のプリアンブルにおいて特定された問題の少なくとも幾つかに対処することが明らかとなるであろう。

好ましくは、アセンブリは内燃機関であり、上記直線運動可能部材は、直線運動可能部材に関連する少なくとも１つのピストンを有するヨークアセンブリであり、上記回転可能軸はクランク軸である。有利には、上記軸はデスモドロニッククランク軸である。

本明細書に組み込まれて本明細書の一部をなす添付の図面は、本発明の幾つかの実施態様を示し、説明とともに、本発明の利点及び原理を説明する役割を果たす。

本発明の第１の実施形態による、クランク軸に組み込まれるてこ手段を含むクランクアセンブリの端面図である。 ２つの単一のピストンヨーク構造体を有する、図１のてこ手段を組み込んでいるクランクアセンブリを含む直線ヨークアセンブリの斜視図である。 図２の部分分解図である。 図２及び図３に示されているクランクアセンブリとヨーク構造体との間の関連する運動の変換の概略図であり、０°〜３６０°の間の完全なクランク軸の回転が、その対応する回転について変換されるヨーク構造体の行程に対して認められる。 本発明の第２の実施形態による、クランク軸に組み込まれるてこ手段を含むクランクアセンブリの端面図である。 図５のてこ手段が係合可能なヨーク構造体の内寸を示す図である。 図５のクランクアセンブリ及びてこ手段と図６のヨーク構造体との間の関連する運動の変換の概略図であり、０℃〜３６０℃の間の完全なクランク軸の回転が、その対応する回転について変換されるヨーク構造体の行程に対して認められる。 本発明の第３の好ましい実施形態による、内部転動要素を用いるてこ手段を含むクランクアセンブリの斜視図である。 図８の２つのてこ手段を有するクランクアセンブリ及び対応する単一のピストンヨーク構造体を含む直線ヨークアセンブリの斜視図である。 図８及び図９に示されているクランクアセンブリ及びてこ手段の拡大斜視図である。

本発明の以下の詳細な説明は、添付の図面を参照する。この説明は例示的な実施形態を含むが、他の実施形態が可能であり、本発明の主旨及び範囲から逸脱することなく記載される実施形態に対して変更を加えることができる。可能であれば常に、実施形態及び以下の説明を通して同じ参照符号を用いて同じ部分及び同様の部分を指す。

本発明は、内燃機関（図示せず）の一部を形成することができるアセンブリ１０に関し、アセンブリは、クランク軸１２、クランク軸に関連するか又は組み込まれるてこ手段１４、及び、ヨーク構造体１８を含む少なくとも１つの直線ヨークアセンブリ１６を含み、てこ手段はヨーク構造体と相互作用し、例えばヨーク構造体に関連するピストン２０の直線運動を、クランク、又は広範には軸１２の回転運動に変換する。

図２を見ることによって、例えば、本発明を内燃機関の変換アセンブリとして用いることができることが認識されるであろう。てこ手段１４及び直線ヨークアセンブリ１６は、内燃機関環境に適用される場合には、運動するピストンの直線的な運動をクランク軸１２に対する回転運動に効率的に変換するよう働く。図示されていないが、ピストンヨークの直線摺動運動を助けるように案内部材を含めることができる。好ましい実施形態では、ピストンは、シリンダーの側面に接触しないという点で無摩擦であるように構成されている。

図２及び図３に示されているアセンブリは、２つ以上のヨークアセンブリが、どのようにクランク軸に沿って並んで配置されるようになっているか、また、一方のピストンがＴＤＣにあるときに隣接するピストンがＢＤＣにあり、その逆もまた同様であるように動作可能に連結されるかを示している。ヨークを通って延びるクランク軸１２は、モジュールセクションに分割することができ、モジュールセクションは分離可能であり、複数のモジュールセクションを接続し、付加的な直線ヨークアセンブリ、それによって必要に応じて機関のシリンダー容量を構築することができる。

本明細書において記載されている各実施形態では、てこ手段１４は、クランク軸１２とともに回転可能であり、その少なくとも１つの弧状の面が回転中に直線ヨーク構造体１８に関連する内面に接触するように構成されている。これは、燃焼サイクルにわたって実質的に常にクランクとヨークとが全体的に接触することを確実にし、前述した「カム効果」を生み出す。

カムフォロア部材２２の使用は、様々な要件／用途に合うようにアセンブリを変更する簡単な手段を提供することが明らかとなるであろう。部材２２、及び部材２２に接触する適切に変更されたヨーク構造体１８の使用によって、アセンブリ１０は１回又は２回停留するように構成することができるため、燃焼効率も最適にすることができる。部材は製造も容易であり、多数の個々の移動部品又は重い荷重を支持するベアリングを含まないという点で複雑ではない。

アセンブリ１０、てこ手段１４、ヨークアセンブリ１６及びヨーク構造体１８を示すのに用いられる参照符号は、参照符号ａ、ｂ及びｃを用いて、本明細書において記載される３つの実施形態のそれぞれの間で区別される。例えば、第１の実施形態のアセンブリは１０ａとして言及され、一方で第２の実施形態のてこ手段は１４ｂとして言及される、といった具合である。分かりやすくするために、本発明の重要な態様及び発明の態様をよりはっきりと説明することができるように、それぞれのピストンがその内部で伸張及び後退する実際のシリンダー室等の幾つかの構成部材は取り除いてあることに留意されたい。

図１〜図４は、クランク軸１２の０度〜９０度の回転の１回の停留に関して構成されているアセンブリ１０ａである本発明の第１の実施形態を示しており、このアセンブリは、力がヨークから運ばれてクランクを回転させるようにクランク軸１２に取り付けられているとともにヨーク構造体１８ａと相互作用する２つのカムフォロア部材２２を有するてこ手段１４ａを含む。

特に、てこ手段１４ａは、ヨーク構造体１８ａのそれぞれの内面２４に接触するようになっている弧状の面を含む２つの平行な横方向に離間したカムフォロア部材２２を含み、面２４は、ヨークアセンブリ１６ａの「基部」、すなわちピストン２０の反対端に位置するヨーク構造体の内面である。てこ手段１４ａは、２つのカムフォロア部材間に延びるとともにヨーク構造体の弧状の内面２８に接触するようになっている大径の転動要素又はベアリング２６を更に含む。大径の転動要素２６の内部に配置されているのは、小径のベアリング３０であり、小径のベアリングを通って、クランク軸１２、及び２つのカムフォロア部材２２を接続する接続ピン３２が延びる。当業者であれば、クランク軸１２が回転すると、小径のベアリング３０が大径の転動要素２６の内部でクランク軸とともに回転し、２つのカムフォロア部材２２及び２つの部材を接続しているピン３２も回転することを認識するであろう。

図１は、接続ピン３２を中心に軸支されている別の更に小径のベアリングを示しているが、これは図２〜図４には示されていない。３つの実施形態を互いから区別したままにするために、任意選択的な構成部材として図１に示されているこの付加的なベアリングは、本明細書において後で図８〜図１０に示されている好ましいデスモドロニック軸の実施形態を特に参照するまで説明されない。

ヨーク構造体の弧状の内面２８は、実質的にＪ字形のインサート３４によって提供され、インサートの湾曲した縁がそれぞれの内面２４に隣接する縁を形成する。インサート３４は好ましくは、大きい方のベアリング２６の応力を取り除くためにばね鋼から作られる。内面２４は、ヨーク構造体の「基部」を形成する直線的なロッド３６によって提供される。

カムフォロア部材２２及び転動要素２６を含むてこ手段１４ａ、並びにヨーク構造体１８ａの内面は、クランクの回転毎に少なくとも１回のピストンの停留時間があり、少なくとも回転期間中にカム効果があることを確実にするように構成されている。これは、図示の実施形態では、中心線を含む剛性の構造を有するカムフォロア部材２２の使用によって達成され、この中心線に沿って、部材２２の３つの弧状の外面の半径の中心をそれぞれ画定する３つの中心点３８、４０及び４２が配置されている。これはおそらくは、本発明の第２の実施形態に関するが、この第１の実施形態のカムフォロア部材と直接比較可能な図５において最も良く分かる。

第１の中心点３８は、部材２２の基部の角部において四分円を形成する第１の弧状の面４４の半径の中心である。第２の中心点４０は、部材の反対側の基部の角部において第２の四分円を形成する第２の弧状の面４６の半径の中心である。第３の中心点４２は、半円及び中心線上に部材２２の完全な上側部分を形成する第３の弧状の面４８の半径の中心である。第１の面４４及び第２の面４６は、好ましくは半円の面４８の半分の半径である等しい半径の四分円であり、好ましくは第４の直線的な外面５０によって接合される。

図４を見ることによって、クランクの回転中は常に、各カムフォロア部材２２の３つの弧状の面のうちの１つに沿う点、及び大径の転動要素２６の面がヨーク構造体１８の内面のうちの１つと接触することを認識することができる。特に、転動要素２６はＪ字形のインサート３４の面２８に接触し、一方で各カムフォロア部材２２の３つの弧状の面のうちの１つはヨーク構造体のロッド３６の面２４に接触する。したがって、てこ手段の各「円弧」に２つの接触点３８が存在する。図１に示されているヨーク接触点はクランク軸が９０°回転した状態に対応する。２つの接点を有するという点で、アセンブリは、これまでに知られているこの種のアセンブリよりもはるかにロバストでありバランスが取れており、振動の可能性がはるかに低い。

この第１の実施形態では、ヨーク構造体の内面は０度〜９０度のクランクの回転間で停留するように構成されている。少なくともこの停留時間の期間中に、外側ベアリング２６は、外側ベアリング２６とＪ字形のインサートの接触面２８との間に「カム効果」が確立されるまでＪ字形のインサート上を転動する。カム効果の結果として、少なくとも９０度〜１８０度の軸回転角度にわたってヨーク構造体からクランク軸に一定の接触力が印加される。燃焼機関環境において用いられる場合の本発明の１つの利点は、ピストン行程とともに生じる燃焼圧の低下がてこ作用の増大によって相殺されることである。

各カムフォロア部材２２の第１の中心点３８と第２の中心点４０との間の距離は、ピストンのストローク長を画定する。したがって、当業者であれば、本発明のアセンブリ１０ａを様々なトルク範囲を必要とする様々な用途に合うように変更することができる容易さを認識するであろう。トルク容量を増大させるには、四分円の面４４及び４６のそれぞれの半径を増大させ、次に半円の面４８の半径を増大させて部材の増大した長さを補償すればよい。中心点３８及び４０間の距離は同じままであるため、ストローク長は同じままであり、これは、アセンブリを、ストローク、したがって機関又はアセンブリの高さを変更する必要なく様々なトルク範囲に合わせて変更することができることを意味する。同様に、ストロークを調整することが望まれる場合には、中心点３８及び４０間の距離を容易に調整することができる。当業者であれば、カムフォロア部材を調整する場合、ヨーク構造体の内面を同等に寸法決めし直すことが必要であることを認識するであろう。

要するに、アセンブリ１０ａは、クランク軸の０度〜９０度の回転でピストンの１回の停留を提供し、次に、従来のスコッチヨークタイプの構成のように摺動することなく、むしろ、プリアンブルにおいて述べたように例えば揺り木馬の「揺動する」動きと同様であるものとみなすことができる揺動運動で、直線ヨーク構造体からてこ手段に一定の接触力を伝達する。任意の従来のすなわちスコッチヨーク設計の機関よりもはるかに大きいトルク範囲を可能にするのがこの「カム効果」である。ピストンの９０度以降の行程の残りは、９０度〜１８０度への上死点から下死点への移動、及び１８０度〜３６０度への下死点から上死点へ戻る移動を含む。

てこ手段、具体的には外側ベアリング２６及びヨーク構造体とのその相互作用の使用は、てこ部材が単一の剛性部材であるという点で部品の総数が少なく、製造及び組み立てが簡単であり、てこ手段の設計の僅かな変更によって任意の用途の要件に合うようにてこ作用及び停留時間が変化するという点で調整機能が十分であることを含む、従来技術に勝る利点を提供する。

図５及び図６は、クランク軸１２を、本発明の第２の実施形態に従って構成されるカムフォロア部材２２を含むてこ手段１４ｂ及びヨーク構造体１８ｂとともに示している。これらの構成部材は、前述したフォロワ部材２２の外周縁が燃焼サイクルにわたって常に図７に示されているようにヨーク構造体１８ｂの内周縁５４に接触するように寸法決めされる。接触点５５が９０度のクランク角度では第１の実施形態の接触点３８と同様の位置にあることが明らかである。

この第２の実施形態のアセンブリ１０ｂは、ヨーク構造体１８ｂの内面が外部転動要素の必要性に取って代わり、内面に係合するのに１つのカムフォロア部材２２しか必要とされないという点で、第１の実施形態よりも少ない構成部材を提供する。さらに、この構成は、以下でより詳細に説明するように、クランクの回転毎にピストンの２倍の停留を導入する。

ヨークの内周縁５４は、カムフォロア部材２２の面４４及び４６のうちの一方とヨークの内縁５４との、さらに面４８と縁５４との接触が維持されることを確実にするように寸法決めされる。図示の実施形態では、ヨークの内縁５４は、図７のＴＤＣ位置に示されているようなカムフォロア部材２２の長さに対応する距離だけ離間している２つの平行な面５６及び５８、並びに、それぞれ９０°及び２７０°に位置決めされるときにクランク軸の中心から測定して等しい半径を有する２つの曲線状の縁６０及び６２を含む。図示されている付加的な曲線状の縁６４は必須ではないが、ヨークの製造を簡単にするように寸法決めされる。カムフォロア部材２２は、弧状の面４８がヨーク構造体の弧状の面６２と接触する軸の９０度の回転で確立される「カム効果」に関して前述したものと同じように働く。

幾つかの特定の半径が図５及び図６において提供されているが、本発明は任意の特定のカムフォロア又はヨークの内縁の半径に限定されることは意図しないことを理解されたい。前述したように、これらの寸法は、てこ作用、及び特定の用途に合うことが必要とされる停留構成に応じて十分に調整可能であることが意図される。

したがって、ピストン２０はこの場合も同様に０度〜９０度のクランクの回転で停留するが、行程の残りは、９０度以降のその行程が、９０度〜１８０度への上死点から下死点への移動、１８０度〜２７０度のクランクの回転の第２の停留時間、及び２７０度〜３６０度への下死点から上死点へ戻る移動を含むという点で第１の実施形態の行程とは異なる。

ここで図８及び本発明の好ましい形態を参照すると、図９に示されているアセンブリ１０ｃの一部を形成するてこ手段１４ｃが示されており、てこ手段１４ｃは、第２の実施形態において示されているような同様のカムフォロア部材及びヨーク構造体のプロファイルを含むが、内部ローラー７２が間に回転可能に取り付けられている中空のチャネル７０を含む。ローラーはピン７３を中心に回転可能である。内部ローラー７２を含むように構成されているカムフォロアを含む軸はここではデスモドロニッククランク軸と称される。

図９及び図１０は、使用時のてこ手段１４ｃを直線ヨークアセンブリ１６ｃとともに示し、ヨーク構造体は、第２の実施形態に関して説明したものと本質的に同じであるが僅かに異なるように構成される内面を有することが認識されるはずである。内面は第２の実施形態の主な曲線状の縁６０及び６２並びに平行な面５６及び５８を依然として含むが、その付加的な縁６４が異なる半径を有することを理解されたい。したがって、この第３の実施形態は、ヨーク構造体の内寸を、本発明の働きを必ずしも変えることなくどのように変える（例えば製造を簡単にする）ことができるかについての例を提供するものである。

この第３の実施形態における更なる注目すべき違いは、面４６及び４８間の接合部においてカムフォロア部材の先端部にある鋸断部分７４である。平坦なスポット７４は、例えば９０度〜１８０度で部材１４ｃの先端部、すなわち面４６及び４８間の接合部が本来であればヨークの内面に接触するであろう時点において、ローラー７０とヨークの内周縁５４との接触を可能にする。ローラー７０はしたがって、クランクの３６０度の回転にわたって適切な時点でこれらの表面間の摩擦及びカタカタ音を低減する働きをする。

図面及び上記の説明を考慮すると、当業者は、本発明のアセンブリ１０がどのように動作し、直線運動を回転運動に変換し、その逆もまた同様に変換する、これまでに知られているアセンブリに勝る種々の利点を提供するかを認識するはずである。直線運動可能部材がヨークピストン構造であり回転可能軸がクランク軸である内燃機関に適用される場合、当業者であれば、本発明のアセンブリの使用によって、機関の各シリンダーが、単に或る時点ではなく点火の時点で或る期間その最上位置にあるピストンを有するため、ピストンがその最上位置に留まることができ、空気／燃料吸入口の全ての炭化水素燃料が、排気されることになるいかなる未燃焼燃料も残すのではなく燃焼されることを確実にすることを理解するであろう。本発明の更なる形態では、アセンブリは、２回停留するように構成することもでき、この場合、ピストンの最下位置において第２の停留時間がある。

したがって、図７において最も良く分かるように、クランク軸が０°〜９０°の間でその回転を続けるが、ピストン自体はその最上位置から移動せず、これは、クランク軸がその回転を続けているにもかかわらずピストンが或る時間にわたってその最上位置に停留することが可能であることを意味し、これは、この付加的な時間によって炭化水素燃料の完全な燃焼が可能となることを意味する。同様に、この実施形態では、クランク軸が１８０°〜２７０°の間でその回転を続けるが、ピストンはその最下位置から移動せず、これは、ガスがシリンダーからより効率的に出ることができることを意味する。これは、カムフォロアセンブリとヨーク構造体との間の嵌合するプロファイルによって達成される。

このようにピストンの停留時間を作り出すことができることは、本発明の１つの利点に過ぎない。カムフォロア部材２２の構成、及びヨーク構造体１８とのその相互作用によって、てこ作用が最大化され、これらの構成部材の寸法の簡単な調整、並びに本発明の好ましい形態では摩擦及びカタカタ音を低減する転動要素を用いることによって停留及びてこ作用が十分に調整可能となる。

本発明の範囲から逸脱することなく、本発明に対して更なる利点及び改良を非常に良好に加えることができる。本発明は最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに関して図示及び説明されているが、本発明の範囲及び主旨内でそれらの実施形態から逸脱することができ、本発明の範囲及び主旨は、本明細書において開示されている詳細に限定されるべきではなく、あらゆる均等なデバイス及び装置を包含するように特許請求の範囲の全範囲が与えられるべきであると認識される。

特許請求の範囲では、明白な文言又は必要な含意に起因して文脈が他を意味する場合を除いて、「備える」という用語は「含む」の意味で用いられており、すなわち、明記される特徴は本発明の種々の実施形態の更なる特徴に関連付けることができる。

Claims (16)

1. 直線運動可能部材（２０）の直線運動を、第１の軸（３８）を中心に回転可能な回転可能軸（１２）の回転運動に変換する、又は前記回転可能軸（１２）の回転運動を、前記直線運動可能部材（２０）の直線運動に変換するアセンブリであって、前記アセンブリは、ヨーク構造体（１８）、及びてこ手段（１４）を備え、
   
   
   前記直線運動可能部材（２０）は、前記直線運動可能部材（２０）の長手軸方向に沿って上死点と下死点の間で直線運動可能であり、
   前記ヨーク構造体（１８）は、前記直線運動可能部材（２０）に取り付けられ、前記直線運動可能部材とともに移動可能であり、少なくとも１つの弧状の内面（２８，６２）を含み、
   前記てこ手段（１４）は、前記回転可能軸（１２）に組み込まれ、前記第１の軸（３８）を中心に前記回転可能軸（１２）とともに回転可能であり、該てこ手段（１４）の外周縁は、少なくとも１つの弧状の接触面を含み、
   前記てこ手段（１４）と前記ヨーク構造体（１８）は、前記ヨーク構造体（１８）の弧状の内面（２８，６２）と、前記てこ手段（１４）の弧状の接触面が、前記直線運動可能部材（２０）のストロークの間、互いに接触するように、寸法決めされ、
   ０度〜９０度の軸の回転までは、前記ヨーク構造体（１８）と前記てこ手段（１４）の接触は、前記てこ手段（１４）の弧状の接触面に沿った第１の接触点で起こり、前記第１の接触点は、前記第１の軸（３８）と、少なくとも１つの弧状の接触面の中心軸とを通過する直線上に位置し、また、
   ９０度〜１８０度の軸の回転の間は、前記てこ手段（１４）の弧状の接触面と前記ヨーク構造体（１８）の弧状の内面（２８，６２）との接触点は、前記てこ手段（１４）の弧状の接触面と前記ヨーク構造体（１８）の弧状の内面（２８，６２）間のカム効果によって、前記てこ手段（１４）の弧状の接触面に沿って単一方向に移動することを特徴とする、アセンブリ。
2. 前記てこ手段（１４）の弧状の接触面は、少なくとも１つの半円形の円周部（４８）を含み、前記ヨーク構造体（１８）の弧状の内面（２８，５４）は、少なくとも１つの四分円形の円周部を含み、前記ストロークの間に、少なくとも前記てこ手段（１４）の半円形の円周部（４８）と、少なくとも前記ヨーク構造体（１８）の四分円形の円周部が接触している、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記てこ手段（１４）は、前記半円形の円周部（４８）を有するカムフォロア部材（２２）を含む、請求項２に記載のアセンブリ。
4. 前記半円形の円周部（４８）の基底線は、前記第１の軸（３８）を通過する、
   請求項２又は３に記載のアセンブリ。
5. 前記カムフォロア部材（２２）は少なくとも第２の弧状の接触面（４４、４６）を含み、前記ヨーク構造体（１８）の内面は少なくとも１つの直線的な面（５６、５８）を含み、前記第２の弧状の接触面（４４、４６）は、前記回転可能軸（１２）の回転中に、前記直線的な面（５６、５８）に接触することによって前記てこ手段（１４）と前記ヨーク構造体（１８）の間に更なる接触点を提供するようになっている、請求項３又は４に記載のアセンブリ。
6. 前記カムフォロア部材（２２）の前記第２の弧状の接触面（４４、４６）は、前記半円形の円周部（４８）の基底線に沿って中心軸が配置される第１及び第２の四分円の縁（４４、４６）である、請求項５に記載のアセンブリ。
7. 前記カムフォロア部材（２２）は、前記半円形の円周部（４８）の基底線に沿って中心軸が配置され、第３の四分円の縁を形成する第３の弧状の接触面を含み、前記半円形の円周部（４８）の中心軸は、前第１及び第２の四分円の縁（４４、４６）の中心軸の間に配置され、前記第１及び第２の四分円の縁（４４、４６）は、前記第１及び第２の四分円の縁（４４、４６）の間に延びる直線的な縁（５０）と接合する、請求項５又は６に記載のアセンブリ。
8. 前記第１及び第２の四分円の縁（４４、４６）の各々は、前記半円形の円周部（４８）と接合され、前記第２の四分円の縁（４６）の少なくとも一部又は全部は、前記カムフォロア部材（２２）内に実質的に収容されている転動要素（７２）を露出させるように面取りされ、それによって、前記転動要素（７２）の円周の一部のみが前記カムフォロア部材（２２）のフットプリントから延出し、前記転動要素（７２）の中心軸は前記半円形の円周部（４８）の基底線に沿って配置される、請求項７に記載のアセンブリ。
9. 前記転動要素（７２）は、少なくとも部分的に前記上死点から９０〜１８０度までの軸の回転の間に、前記ヨーク構造体（１８）の弧状の内面（２８，６２）と接触する、請求項８に記載のアセンブリ。
10. ０度〜９０度の軸の回転の間において、前記第1の接触点で発生する、前記てこ手段（１４）と前記ヨーク構造体（１８）との間の接触は、前記上死点において、前記直線運動可能部材（２０）の停留を引き起こす、請求項１〜９に記載のアセンブリ。
11. ９０度〜１８０度の軸の回転の間における、前記てこ手段（１４）の弧状の接触面と前記ヨーク構造体（１８）の弧状の内面（２８，６２）の間の接触は、
    前記直線運動可能部材（２０）の伸張又は後退運動を引き起こして、前記回転可能軸（１２）の回転運動に変換する、又は前記回転可能軸（１２）の回転運動を前記直線運動可能部材（２０）の伸張又は後退運動に変換する、請求項１〜１０に記載のアセンブリ。
12. 前記てこ手段（１４）は、前記ヨーク構造体の弧状の内面（２８）に係合する少なくとも１つの弧状の接触面を有する前記外周縁を含む転動要素（２６）、及び、前記ヨーク構造体の直線的な面（２４）に接触し外周縁（５０）を含むカムフォロア部材を含み、前記直線的な面（２４）は、前記転動要素（２６）及び前記カムフォロア部材（２２）が前記回転可能軸（１２）に組込まれて並んだ構成で前記回転可能軸（１２）とともに回転可能であるように前記弧状の内面から前記回転可能軸（１２）方向に配置される、請求項１に記載のアセンブリ。
13. 前記アセンブリは、１８０度〜２７０度の間の軸回転角度で生じるような２回停留アセンブリであり、前記下死点において、前記直線運動可能部材（２０）の停留がある、請求項１〜１１に記載のアセンブリ。
14. 前記直線的な面（２４）は、該ヨーク構造体（１８）のフレームの一部を形成し、前記弧状の内面（２８）は、前記フレーム内に収容される実質的にＪ字形のインサート（３４）によって形成され、前記転動要素（２６）の弧状の接触面が、前記転動要素（２６）の円周であり、ヨーク構造体の弧状の内面（２８）が、前記Ｊ字形のインサート（３４）によって画定される内側の四分円形の円周部であり、前記第１の軸（３８）及び前記半円形の円周部（４８）の中心軸は、前記ストロークの間に、前記転動要素（２６）の弧状の接触面と、前記ヨーク構造体の弧状の内面（２８）が接触するように配置される、請求項１２に記載のアセンブリ。
15. 前記アセンブリは内燃機関であり、前記直線運動可能部材（２０）は少なくともピストンを含み、前記回転可能軸はクランク軸である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
16. 上死点位と下死点位置との間で運動可能な直線運動可能部材（２０）の直線運動を、第１の軸（３８）を中心に回転可能な回転可能軸（１２）の回転運動に変換するアセンブリであって、前記アセンブリは、ヨーク構造体（１８）、及びてこ手段（１４）を備え、
    前記ヨーク構造体（１８）は、前記直線運動可能部材（２０）に取り付けられ、前記直線運動可能部材（２０）とともに移動可能であり、前記第１の軸（３８）に平行に延びる第２の軸を中心とする半径を有する少なくとも１つの弧状の内面（２８，６２）を含み、
    前記てこ手段（１４）は、前記回転可能軸（１２）に組み込まれ、前記第１の軸（３８）を中心に前記回転可能軸（１２）とともに回転可能であり、前記てこ手段（１４）の外周縁は、前記第１及び第２の軸のそれぞれに平行に延びる第３の軸を中心とする半径を有する少なくとも１つの弧状の接触面を含み、前記てこ手段（１４）は、前記第１及び第３の軸の各々を通って延び、前記少なくとも１つの弧状の接触面の中心軸が配置される線である中心線を含み、
    ９０度〜１８０度の軸の回転の間において、前記てこ手段（１４）と前記ヨーク構造体（１８）は、前記ヨーク構造体（１８）の弧状の内面（２８，６２）が、前記てこ手段（１４）の弧状の接触面と接触するように、寸法決めされ、
    ０度〜９０度の軸の回転の間において、前記ヨーク構造（１８）と前記てこ手段（１４）の間で、前記中心線に沿って配置される、前記てこ手段（１４）の弧状の接触面に沿った第１の接触点において、前記ヨーク構造（１８）から前記てこ手段（１４）へのエネルギー変換をもたらす接触が起こり、
    ９０度の軸の回転からは、前記ヨーク構造体（１８）の弧状の内面（２８，６２）と前記てこ手段（１４）の弧状の接触面との間で、前記第１の接触点から円周方向に配置され、前記てこ手段（１４）の弧状の接触面に沿った第２の接触点において接触が起こることを特徴とする、アセンブリ。

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