JPH10103441A - 歯車装置、およびそれを利用したエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 歯車装置とそれを利用したエンジンとに関わ
り、クランク機構に変わる新規な構成からなる歯車装置
を提供すると共に、その歯車装置を利用して、レシプロ
エンジンに代わる、小型、軽量化できる新規な機構から
なる新規なエンジンを提供する。 【解決手段】 平行な回転支持軸２，３に一対の同一構
成の平歯車４，４が互いに噛合されて取着され、該平歯
車４，４の夫々に同心状に固着され、平歯車４よりも小
径で、所定範囲にのみ歯５ａ，６ａが設けられた一対の
間欠歯車５，６が設けられ、該間欠歯車５，６の双方の
ピッチ円に接線状に配置されたラック７を接線方向に往
復動自在に支持し、ラック７が往復動の前進で一方の間
欠歯車５のみに噛合し、後退で他方の間欠歯車６のみに
噛合する如く構成され、ラック７の直線的往復動を回転
動に変換、もしくは逆に、平歯車４または回転支持軸
２，３の回転動をラック７の往復動に変換可能とした歯
車装置１である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の目的】この発明は、直線的な往復運動を回転運
動に変換するための歯車装置に係り、特に、エンジン等
のクランク機構に替わり、応用することが可能な歯車装
置と、それを利用したエンジンとを提供するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から内燃機関として最も主流をなし
てきた２サイクルエンジンや４サイクルエンジン等のレ
シプロエンジンは、シリンダーブロック内を往復動する
ピストンにより、燃焼室内に供給された燃料ガスを圧縮
し、燃焼させることにより、ピストンの往復動力を発生
するものであって、エンジンとして利用するには、この
ピストンの往復動を、連接棒を介してクランク軸に伝達
して回転運動に変換する必要があり、そのために、ピス
トンの中心部とクランク軸の回転中心から径方向に折曲
された部分とを連接棒で連結し、自転車のペダルを漕ぐ
如くクランク軸を回転駆動するように構成していた。

【０００３】このようなクランク軸は、円滑な回転を得
るために回転半径が拡大され、クランク軸を収容するク
ランク室も、これに伴いシリンダーブロックよりも遥か
に大型化してしまうものであったし、また、クランク軸
は、ピストンから伝達される衝撃的な直線駆動力による
振動を、バランスウェイトを設けることによって減衰
し、滑らかな回転力を発生させる工夫が必要であり、エ
ンジンに充分な静粛性を確保しようとすると、上記バラ
ンスウェイトを大型化する必要もあって、エンジンの大
型化、重量増大化を抑えることが極めて困難で、車体
は、必然的に大型化せざるを得ないと共に、フロントエ
ンジン型の車両においては、ボンネットを大きく且つ高
い位置に止めざるを得ず、勢い視認性の確保も困難にな
って交通安全面からも課題を残すものになっている。

【０００４】レシプロエンジンのこうした課題を解決す
べく、近年の自動車のデザインは、前方視野を広く確保
すると共に、空力特性を高めるために、ボンネットをよ
り低く傾斜させ、さらに、短縮化させたものとなってい
る。このため、エンジンルームが次第に縮小され、部品
が隙間無く詰め込まれる構造となり、現在の自動車市場
においては、より軽量コンパクトで、且つ、より高性能
のエンジンの要求が高まっている。

【０００５】本願発明者は、上述のような、自動車市場
の現状を鑑みて、エンジン性能を低下することなく、よ
り小型、軽量化することを可能とするエンジンの開発に
着手し、幾多の試作と実験を繰り返してた結果、今回遂
に、画期的な機構からなる歯車装置を実現することに成
功したものであり、この新規な構成からなる歯車装置
と、それを利用することにより、長い歴史の中でレシプ
ロエンジンには必要不可欠とされてきたクランク軸を不
要として、小型、軽量化される新規なエンジンとを提供
しようとするものである。以下では、図面に示すこの発
明を代表する実施例と共に、その構成を詳述することと
する。

【０００６】

【発明の構成】図面に示すこの発明を代表する実施例か
らも明確に理解されるように、この発明に包含される歯
車装置は、基本的に次のような構成から成り立ってい
る。即ち、基本的に同一構成を成す一対の平歯車を、双
方の平歯車の中心間距離に平行に配置された一対の回転
支持軸に夫々取着して噛合し、該平歯車よりも小径に形
成され、所定範囲にのみ連続して形成された歯を備えた
一対の間欠歯車を、夫々の平歯車に隣接して同心状且つ
一体的に結合し、さらに、該間欠歯車の歯の双方に噛合
可能なラックを２つの間欠歯車のピッチ円に接線状に配
置して往復動自在に支持すると共に、該ラックが何れか
一方の間欠歯車に噛合し往復方向に前進し、また、該ラ
ックが何れか他方の間欠歯車に噛合し往復方向に後退す
る如く噛合して構成された歯車装置である。

【０００７】平歯車は、平行な一対の回転支持軸を互い
に逆転方向に回転駆動する如く噛合するものであって、
双方の回転支持軸が同一の速度で回転されるものであれ
ばよい。また、はすば歯車、やまば歯車等、その他同等
の機能を果たす歯車であれば、置き換えも可能である。

【０００８】回転支持軸は、間欠歯車および平歯車が固
着されたものであってもよく、また、間欠歯車と平歯車
のみを互いに固着して回転支持軸には固着されずに、回
転自在に軸受け等を介して、取着することも可能である
が、ラックからの往復動力の入力を回転支持軸より回転
動力として取り出す場合や、回転支持軸からの回転動力
の入力をラックより直線的往復動力を取り出す場合に
は、間欠歯車と平歯車および回転支持軸を夫々互いに結
合する必要がある。なお、歯車の回転支持軸との結合に
は、キーやコックおよびピン等によって固定する。

【０００９】間欠歯車は、所定の範囲にのみ歯が形成さ
れ、歯を設けた範囲の他の部分は、噛合するラックの歯
が干渉しない程度に切り下げられており、歯の無い範囲
がラックに対応した場合には、平歯車から伝えられた回
転力を受けて空転する如く構成されている。したがっ
て、間欠歯車は、歯が設けられた範囲のみを有する扇状
に形成することも可能である。また、この間欠歯車は、
双方の歯数と、その歯の形状寸法およびピッチが同一に
形成され、さらに、何れか一方の間欠歯車のピッチ円直
径を、他方の間欠歯車のピッチ円直径より小さく設定し
たり、あるいは、双方の歯数、歯の形状寸法、および、
ピッチが同一に設定され、また、双方の間欠歯車のピッ
チ円直径も同一寸法に設定されてなるものにすると好都
合のものとなる。

【００１０】ラックは、間欠歯車の歯に噛合し、該間欠
歯車のピッチ円の接線状に配置されるものであればよ
く、駆動力を間欠歯車側に伝達するか、もしくは、間欠
歯車側からの駆動力に従動して往復運動する如く構成さ
れたものである。

【００１１】以上の何れかの歯車装置とすることによ
り、直線的往復運動を回転運動に変換することが可能で
あり、また、回転運動を直線的往復運動に変換すること
も可能となる。さらに、一対の間欠歯車のピッチ円直径
を変更すれば、ラックの往復移動のうちの一方への移動
速度を高めることができ、また、間欠歯車のピッチ円直
径を同一にすれば、ラックの往復移動は一定の速度で行
われるように設定されるものである。

【００１２】

【関連する発明１】上記した歯車装置に関連し、この発
明には、その歯車装置を利用してなるエンジンもまた包
含しており、その構成の要旨は、基本的に次のとおりの
ものである。即ち、上記歯車装置のラックの一端にピス
トンを連結すると共に、該ピストンをシリンダーブロッ
クに挿入して、該ラックの往復動方向に一致する方向に
進退する如く構成し、ピストンとシリンダーブロックと
により構成された燃焼室にて発生した直線往復動の駆動
力を、該ラック、間欠歯車および平歯車を介して、回転
駆動力に変換することを可能とするエンジンである。

【００１３】ラックの一端にのみピストンを設けるもの
の他に、ラックの両端にピストンを水平対向状に設け、
間欠歯車のピッチ円直径を同一にする等して、ラックの
往復動速度を同一に設定して水平対向エンジンを構成す
ることも可能である。また、回転支持軸を延長し、複数
の歯車装置を隣接して設け、複数気筒のエンジンを構成
することもまた可能である。回転力の取り出しを回転支
持軸からではなく平歯車に噛合する別の歯車より取り出
すことも可能である。さらに、吸排気弁の駆動力を上記
平歯車または回転支持軸より取り出すことで、ピストン
の往復動に精密に対応する吸排気弁機構を構成すること
が可能となり、また、同様に発電機や、過給用タービン
を駆動する駆動力を取り出すことも可能である。

【００１４】また、ラックに対してトランスミッション
を構成する如くに、他のギヤ比に設定された別の歯車装
置を相互に進退可能に対峙して設け、必要に応じて歯車
装置を切り替えることにより、エンジンの回転数や必要
トルクに応じて、運転特性を変更することも可能であ
る。

【００１５】

【実施例１】図１の歯車装置の平面図、および、図２の
図１におけるＡ−Ａ線部分の断面図に示される事例は、
本願発明に包含される一実施例である。図１に示される
歯車装置１は、対峙する本体壁１ａに埋設された軸受け
１ｂに対して互いに平行且つ回転自在に支持された一対
の回転支持軸２，３に対して、全く同一形状の平歯車
４，４が取着され、キーみぞに挿着された沈みキー４
ａ，４ａにより、一体的に固着されており、該平歯車
４，４は共に、同一モジュールで同一歯数に形成され、
ピッチ円直径Ｄ，Ｄも同一に形成されており、双方の平
歯車４，４が互いに噛合して、何れか一方の駆動力によ
り、他方が従動回転され、他方の駆動力に従って、一方
の平歯車４が従動する如くに構成されている。平歯車
４，４はピッチ円直径Ｄが５６ｍｍであり、歯数が５６
枚に形成され、ＪＩＳ規格に基づくモジュール＝１を基
準とする寸法の歯が形成されている。

【００１６】更に、上記回転支持軸２，３の夫々には、
上記平歯車４，４の同一面側に配置され、平歯車４，４
よりも小さいピッチ円直径に形成され、且つ、そのピッ
チ円直径が互いに異なる間欠歯車５，６が、上記沈みキ
ー４ａ，４ａにより一体的に固着されており、該間欠歯
車５，６の夫々の歯５ａ，６ａは同一平面上に配置され
ている。

【００１７】一方の間欠歯車５は、ピッチ円の直径ｒ１
が２５ｍｍに形成され、一部が平歯車状に形成されてな
り、１１枚の歯５ａが約１４０度の角度範囲で、周方向
の範囲寸法Ｌ１が約３０ｍｍの範囲に渡って形成されて
おり、歯５ａの設けられていない範囲では、直径が歯底
円直径よりも小さい直径に削られて上記歯５ａに噛合す
る歯が干渉しないように構成されている。１１枚の歯５
ａは、上述の平歯車４，４と同様にＪＩＳ規格に基づく
モジュール＝１を基準とする寸法の歯に形成されてい
る。

【００１８】また、他方の間欠歯車６は、ピッチ円の直
径ｒ２が４２ｍｍに形成され、周壁の一部分にのみ１１
枚の歯６ａが約８５度の角度範囲で、周方向の範囲寸法
Ｌ２が約３０ｍｍに渡って形成され、歯６ａが設けられ
ない範囲は、直径が歯底円直径よりも小さく設定されて
おり、上記歯６ａはＪＩＳ規格に基づくモジュール＝１
を基準として形成されている。

【００１９】更に、間欠歯車５，６の一側部には、双方
のピッチ円の接線状に配置され、同接線方向に進退移動
自在に支持されたラック７が設けられており、該ラック
７には歯５ａ，６ａに噛合するラック歯７ａが所定範囲
に渡って形成されている。ラック７は回転支持軸２，３
の軸端に対応する表裏側面に、進退方向のレール溝７
ｂ，７ｂ，…が形成され、該レール溝７ｂ，７ｂ…に本
体壁１ａに固着された支持体８，８の案内片８ａまたは
転動輪８ａ等が挿入され、ラック７の往復動を案内支持
するように構成されている。

【００２０】上記ラック７には、凡そ常に間欠歯車５，
６の何れか一方のみが、噛合されるように構成されてお
り、ラック７の往復動を間欠歯車５，６側に伝達する
か、もしくは、間欠歯車５，６の回転動をラック７側に
伝達することが可能な構造となっている。つまり、間欠
歯車５，６は、平行歯車４，４が噛合することで、互い
に逆転するごとく歯車機構が構成されており、ラック７
が進退方向の一方に移動する場合には、一方の間欠歯車
５がラック７に噛合し、他方の間欠歯車６は、噛合せず
空転し。また、ラック７が進退方向の他方に移動する場
合には他方の間欠歯車６がラック７に噛合し、他方の間
欠歯車５が噛合せずに、空転する如く構成されている。

【００２１】上記間欠歯車５，６は、歯５ａ，６ａの範
囲寸法Ｌ１，Ｌ２が同じ寸法に設定され、且つ、個々の
歯５ａ，６ａも同一寸法で形成されているので、ラック
７の往復移動量は、同一に設定され、往復動の速度のみ
が変化するように設定され、しかも、この間欠歯車５，
６は、一方の間欠歯車５のピッチ円直径ｒ１が他方の間
欠歯車６のピッチ円直径ｒ２よりも小さく設定されてお
り、且つ、平行歯車４，４は互いに噛合されているの
で、他方の間欠歯車６の歯６ａの方が高速で転動するも
のである。つまり、図１および図２に示されるラック７
は、間欠歯車６に噛合している間は高速で移動し、ま
た、間欠歯車５に噛合している間は低速で移動する如く
設定されている。

【００２２】このようなラック７の移動方向による移動
速度の変化を利用することにより、本実施例における歯
車装置１は図３の４サイクルエンジンの概略的側断面図
に示されるようなエンジン９に応用することができる。
なお、図２中に本体壁１ａを貫通する如く延出された回
転支持軸２は、回転駆動力を取り出するためのものであ
り、該回転支持軸２の先端部に図示しないクラッチや変
速ギヤ等を設けることができるようになっている。

【００２３】

【実施例２】以下、図２の歯車装置１の側断面図、およ
び、図３の歯車装置１を使用したエンジンの概略的側断
面図を参照して、本願発明における歯車装置１を４サイ
クルエンジンに応用した一例について説明することとす
る。

【００２４】上記実施例１に説明したような基本的構成
を備えた歯車装置１のラック７は、その一端側が更に延
長され、先端部にピストン１０が一体的に固着されてお
り、該ピストン１０は、ラック７の進退方向に平行に形
成された、シリンダー部１１に挿入されて、吸排気弁１
２ａ，１２ｂを備えた燃焼室１２に先端部を対峙し、上
記シリンダー部１１内を往復動するように構成されてい
る。更に、一端にピストン１０が一体形成されたラック
７の他端側には、支持体８が設けられ、ラック７は間欠
歯車５，６のピッチ円の接線状に配置され、往復動自在
に支持されている。

【００２５】以上の如く構成されることにより、ピスト
ン１０が燃焼室１２に向けて前進移動し、燃料ガスを圧
縮する場合には、上記ラック７がピッチ円直径の小さい
間欠歯車５に噛合して移動し、圧縮後に燃料ガスが燃焼
を開始すると略同時に、ラック７がピッチ円直径の大き
な間欠歯車６に噛合して後退移動するようになってい
る。更に、上記間欠歯車５，６は互いに一方が噛合して
いる間は、他方が噛合せずに空転するので、平歯車４，
４は夫々一定方向に回転を続け、図２中に示す出力軸
（回転支持軸）２もこれに従い、同一方向に回転し続け
るように構成されている。

【００２６】また、上記ラック７は、燃焼室１２の吸
気、圧縮、燃焼、排気の各工程ごとに往復動を行い、従
来のクランク機構と略同様の速度変化を発生しながら、
駆動することが可能であり、歯車装置１に置き換えたこ
とによっても、燃焼の特性や燃費等、エンジン特性に影
響を及ぼすことなく、低速回転域から高速回転域まで、
安定した性能を保つことができるものである。

【００２７】

【作 用】実施例１に説明された歯車装置１によれば、
ラック７の往復動力を間欠歯車５，６の回転力に変換す
ることが可能であり、ラック７の一方への前進移動の際
に間欠歯車６に噛合し、間欠歯車５には噛合せず、該間
欠歯車６のみを従動させ、また、ラック７の後退移動の
際には間欠歯車５にのみ噛合し、間欠歯車６には噛合せ
ず、該間欠歯車５のみを従動させる。このような駆動に
よれば、間欠歯車５，６の夫々に固着され、互いに噛合
する平歯車４，４は常に一定方向に回転し続ける。

【００２８】上記間欠歯車５，６は、一方の間欠歯車５
が他方の間欠歯車６よりもピッチ円直径が小さく設定さ
いれているので、ラック７が間欠歯車５に噛合している
間は、低速移動し、ラック７が間欠歯車６に噛合してい
る間は高速移動するものである。これにより、ラック７
は移動方向によって、その移動速度が変化するように設
定されている。

【００２９】また、逆に、間欠歯車５，６を所定速度で
回転駆動することにより、ラック７が往復従動する如く
構成することも可能である。この場合においても、間欠
歯車５，６の互いのピッチ円直径ｒ１，ｒ２を変更すれ
ば、ラック７の往復動の進退速度が変化されるものであ
る。

【００３０】実施例２のエンジン９には図３中に二点鎖
線で示されるクランク室９ａ内に収容される図示しない
クランクシャフトに替えて歯車装置１を設けたものであ
り、図中に示される如く、エンジン９そのものを、小型
軽量化することができるものであり、また、薄型化も可
能な構造となっている。薄型化されたエンジン９を自動
車のボンネット内にピストン１０の進退方向を水平にす
る如く横置に収容することにより、ボンネットの薄型化
を計ることが容易になり、空力特性に優れた車体への適
用が可能なものとなる。

【００３１】更に、上記歯車装置１の間欠歯車５，６の
ピッチ円直径ｒ１，ｒ２を互いに異にして、ラック７の
往復移動の速度を変化させることにより、従前にクラン
ク軸を使用することにより、最適な運転が可能であった
機構に極めて近い、速度変化を発生し、より適正な運転
制御が可能なエンジン９を提供することが可能である。

【００３２】

【効 果】以上のとおり、この発明の歯車装置は、通常
不可能とされているギヤによる直線的往復駆動力の一方
向回転力への変換を極めて簡素化された歯車機構により
実現することに成功したものであり、従前の如何なるク
ランク機構やリンク機構に比較しても、小型軽量で、大
動力の変換伝達に応用することが可能なものとして完成
されたことは、先ず何よりも高く評価されなければなら
ない。

【００３３】そして、一対の間欠歯車を利用して、ラッ
クの往復運動を歯車の回転運動として取り出す構造と
し、且つ、上記間欠歯車のピッチ円直径を変更したこと
により、ラックの進退運動の中の前進と後退の速度を変
更することが可能となり、工作機械の早戻り機構等にも
応用することが可能となった。また、自動車用のワイパ
ーに応用することにより、ウインドーガラスに付着した
雨水を拭き取る際にはゆっくり移動し、拭き取り後の退
避には素早く移動するワイパーを提供することも可能と
なる等、応用の範囲は極めて広く、今後、あらゆる方面
での有効利用が期待されるものである。

【００３４】更に、間欠歯車のピッチ円直径を変更した
ことによりラックの進退速度を変更し、レシプロエンジ
ンのクランク機構に替えて、本願発明の歯車装置を利用
することが可能となり、クランク機構によって発生して
いた、ピストンの往復速度の変動を、歯車機構により忠
実に再現することに成功したことは極めて画期的なこと
であり、また、現在、クランク機構を備えることで略完
成の域に達し、エンジンの基本的構成の小型軽量化は、
限界とされていたが、本願発明の歯車装置を利用するこ
とにより、寸法設定を全く異にするエンジンの開発が可
能となり、従前には不可能であった極薄型化、軽量化さ
れた車体を実現し、今後カーデザインの自由度を大きく
広げる基本的技術となることが予想されるものである。

【００３５】叙上の如く、この発明による歯車装置は、
摩擦車やベルト車等と異なり、大きな回転力を確実に伝
達できると共に、耐久性に富む等の歯車の機械的特性を
充分に活かし、広範囲に渡る技術分野において応用を可
能にするものであり、今後多くの産業分野において有効
利用されるものと予想される。

【図面の簡単な説明】

図面は、この発明の歯車装置と、それを利用したエンジ
ンの技術的思想を具現化した実施例を示すものである。

【図 １】本願発明に包含される歯車装置の一例を示す
平面図である。

【図 ２】図１におけるＡ−Ａ線部分の断面図である。

【図 ３】図１に示される歯車装置を４サイクルエンジ
ンに適用した一例を示す概略的構造の説明図である。

【符号の説明】

１ 歯車装置 １ａ 同 対峙する本体壁 １ｂ 同 軸受け ２ 回転支持軸 ３ 回転支持軸（出力軸） ４ 平歯車 ４ａ 同 沈みキー Ｄ ピッチ円直径（平歯車） ５ 間欠歯車（小） ５ａ 同 歯 ６ 間欠歯車（大） ６ａ 同 歯 ７ ラック ７ａ 同 ラック歯 ７ｂ 同 レール溝 ８ 支持体 ８ａ 同 案内片（または転動輪） ９ エンジン １０ ピストン １１ シリンダー部 １２ 燃焼室 １２ａ 同 吸気弁 １２ｂ 同 排気弁

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平行に配置された回転支持軸により、夫
   々回転自在に支持され、互いに噛合する基本的構成が同
   一の一対の平歯車を備え、該一対の平歯車の双方に一体
   的に結合して設けられ、所定範囲にのみ連なって歯が形
   成され、且つ、上記平歯車よりも小径に形成された間欠
   歯車を有し、該間欠歯車の双方のピッチ円に接線状に配
   置され、該接線方向に進退自在に保持されると共に、何
   れか一方の間欠歯車にのみ噛合して、進退方向に前進
   し、また、何れか他方の間欠歯車にのみ噛合して、進退
   方向に後退する如く設けられたラックを備えてなり、ラ
   ックが往復動する間、上記一対の平歯車は互いに噛合し
   て一定方向に回転するように構成されたことを特徴とす
   る歯車装置。
2. 【請求項２】 一方の間欠歯車のピッチ円直径は、他方
   の間欠歯車のピッチ円直径よりも小さく設定され、且
   つ、互いの歯数と、その歯の形状寸法およびピッチは同
   一に形成され、ラックが往復動の一方に前進する場合に
   は上記ピッチ円直径の大きな一方の間欠歯車に噛合して
   移動速度を速め、ラックが往復の他方に後退する場合に
   はピッチ円直径の小さな他方の間欠歯車に噛合して移動
   速度を遅くする如く設定されてなることを特徴とする請
   求項１に記載の歯車装置。
3. 【請求項３】一対の間欠歯車のピッチ円直径は、互いに
   同一寸法に設定され、互いの歯数と、歯の形状寸法およ
   びピッチも同一に設定され、ラックの往復動の一方への
   前進移動と他方への後退移動の移動速度は同一に設定さ
   れていることを特徴とする請求項１に記載の歯車装置。
4. 【請求項４】 ラックの一端にピストンを一体的に結合
   し、該ピストンがシリンダブロックに対して、該ラック
   の往復動に一致する方向に進退自在に挿入され、該シリ
   ンダブロック内に燃焼室を備えて形成された内燃機関に
   よって発生される往復動力を上記ラックにて、一対の間
   欠歯車を従動し、平歯車または回転支持軸より回転力と
   して取り出すことを特徴とする請求項１から３の何れか
   に記載の歯車装置を利用したエンジン。