JPS58102861A - 往復ピストン機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、カム制御往復ピストン装置に関する。

一層有効、かつ一層安価な非汚染性の多重燃料機関がど
うしても必要なことは現在では一般によく知られている
。嫉近の主な研究では、往復ピストン機関は１９８０年
代を通じて自動車原動機の要求に適合する最高の潜在力
を持つものとされている。

要するにガソリン・ピストン機関、ディーゼルｅピスト
ンエンジン及びスターリング・ピストン機関は、これ等
の機関が自動車に使用される場合に、タービンよりすぐ
れた決定的な利点の得られる良好な部分負荷効率を備え
ている。しかしエネルギー保存及び環境保護の目標に適
合するのに必要な性能向上を得るには、性能向上のため
の全部の機会をできるだけ多く探査して、基本にもどり
各種のピストン機関の設計をやり直さなければならない
。

本発明のできをだけ多くの用途により種種の往復ピスト
ン機関の性能特性の向上ができる。

実際上多くの種類の損失によりピストン機関の熱効率が
低下する。時間損失は、燃焼中又は熱伝達中のピストン
運動に基づく損失である。排気損失は、下死点前の排気
弁又は排気口の開きに基づく損失である。熱損失は、動
作ガスからの熱の伝導、対流及び放射に基づく損失であ
る。漏れ及び不完全燃焼は、効率にわずかな影響だけし
か及ぼさないが、これ等の損失は、空気汚染の主な原因
となり従って極めて注意深く制御されなければならない
。

又容積効率もピストン機関の重要な特性である。

たとえば良好な高速容積効率は、ガス、ディーゼル及び
水蒸気のピストン機関から高い動力対重量比を得るのに
必要である。しかし良好な高速容積効率に必要な弁又は
口の長いタイミングにより、これ等の機関の低速性能が
著しく低下する。従って乗用車機関の広い範囲の速度要
求に適合しようとする技術者は、その機関設計の際に高
低両方の速度の容積効率の妥協点を取らなければな、ら
ない。

ピストンの往復運動を回転運動に変換するのに使用され
るクランク及び棒機構は、多くの設計者て認めなかった
ほど多年にわた９十分な働きをしている。クランク及び
棒装置の基本運動は、エンジンの有効膨張比す下げその
時間損失、排気損失及び熱損失を増すヒとにより、効率
及び性能を共に向上しようとする設計者の努力を妨げて
いる。

この基本運動により又高速及び低速の容積効率間の妥協
点を取らざるをえない。

クランク及び棒装置の運動力学を考えることにする。ク
ランク軸の回転角ωｔの関数としてのピストン位置Ｐの
式は次のようになる。

この式でＳは行程長さであり、Ｒは棒の長さであり、φ
はピストンピンの片寄りである。クランク及び棒装置は
、ピストンをその行程の両端で急激に動かす望ましくな
い特性を持つ。

上死点（ＴＤＣ）、の付近の早いピストン運動は、とく
に有害である。前記したようなタイミング損失は、Ｔ′
ＤＣにおける運動の直接の結果である。マサチュセツツ
工科大学のチャールズ・エフ・ティラー（Ｃｈａｒｌｅ
ｓ　Ｆ、　Ｔａｙｌｏｒ　）教授は「内燃機関の理論と
実際」の第１４１頁に「遅い燃焼は、制限した圧力の燃
料−空気サイクルと、実際のディーゼルサイクルとの間
の出力及び効率の差の大部分の原因になる」ことを記載
している。さらにクランクケース掃気２竹程エンジンの
容積効率は、ピストンがＴＤＣを横切る間に、全チャー
ジを吸引するのに利用できる時間が極めて短いことによ
り、実質的に低下する。

クランク及び棒機構の別の欠点は、ピストン加速がＴＤ
Ｃで最高になることである。高いｒｐｍでは、ピストン
のこの急速な加速により、ピストンリングがそのみそ内
で浮き上がり、シリンダ圧力が最高になるその瞬間に密
封能力を失う。このようにしてガス漏れにより機関の汚
染物放出が増し、この放出が十分に顕著になる場合には
、ピストンが過熱し、シリンダ内で焼付く。

下死点（ＢＣＤ　）における急速なピストン運動は、４
行程内燃機関の性能に、幾つかの分野において有害であ
る。吸込み行程の終りにピストンは、最大容積で２つの
重要な機能を生じさせるのに十分な程度長くは停止しな
い。オｌにシリンダに新しいチャージを十分に満たさな
ければならない。第２に吸込み弁は、新たなチャージが
引続く圧縮行程の始まる間に失われないように完全に閉
じなければならない。この問題を補償するために、設計
者は、ＢＤＣ後６０°又はそれ以上で閉じるように吸込
み弁のタイミングを定めることが多い。この技術によシ
高速効率を向上させるが、この場合低速効率は低下する
。従って急速なりＤＣにおける運動は、高い容積効率を
得るのに有害である。４行程エンジンのピストンは、膨
張行程の終りと、排気行程の始めとにふたたびＢＤＣを
通る。このときには、シリンダ圧力が、排気マニホルド
圧力に近ずくように高温ガスを釈放し、引続く排気行程
中に失なわれる動力が最少になるようにしなければなら
ない。これを行う唯一の方法は、ピストンがＢＤＣに達
するかなり前に排気弁を開くことである。

しかし排気弁を早く開くと１．膨張行程の有効性が低下
し、排気損失が増して熱効率が低下する。

２行程内燃機関は、早いＢＤＣ，ピストン運動により、
４行程機関より一層障害を受ける。２行程のピストンが
７リングの底部に近づくと、次の事象順序が生ずる。オ
ｌに排気口が開き、高温ガスが逃げ始める。実際上排気
口は、移送口の開く前に、シリンダ圧力が移送圧力より
低くなるまで排出されるように、十分早く開かれなけれ
ばならない。

次に移送口が開き、新たなチャージがシリンダに流入し
、残留排気を排気′口から追い出す。次でピストンがＢ
ＤＣから遠ざかるに伴い、この場合排気口は迅速に閉じ
て次の圧縮サイクルの始まる間に新らたなチャージを捕
捉しなければならない。４行程で共に３６００の回転を
要する排気サイクル及び吸気ｖイクルは、理想的には２
行程のピストンがＢＤＣを越える短い時間中に生じなけ
ればならない。早いＢＤＣ運動によって２行程機関は、
狭い動力帯域を持つようになる。すなわち２行程機関の
使用は、低速ディーゼル及び高速オートバイのような特
殊な用途に限定される。

以上の説明及び解析により、ピストン装置の性能が、こ
れ等のピストンの上死点及び下死点の付近で費すサイク
ル時間の１００分率を増すことにより、著しく向上でき
ることが明らかである。クランク制御ピスト／の与えら
れた長さの行程に対し、棒長さ及びピストンピンの片寄
りだけが技術者の変えることのできるパラメータである
。これ等の両パラメータは極めてわずかしか変えられな
くて、行程の二端で得られる増加により他端では減少す
ることが多い。この場合性能の実質的な向上のためには
異る機構を必要とするのは明らかである。

従来は幾つかのわく制御ピストン装置が、クランク及び
棒の代りに設計されている。しかし実質的な成功を修め
たものがないから、なぜこれ等が受は入れられなかった
かを見極めるのに、これ等の装置を一層精密に調べるこ
とは価値のあることである。

最も旧式な最も、簡単な装置はスコッチわくであ　　□
る。ネルドナー（Ｎｅ１ｄｎｅｒ　）は、その１９２８
年の特許（米国特許オｌ　、　７７４　、１０５号明細
書）による内燃機関にこのようなｐＧ構を使った。この
装置はクランクピン及び扁平側部を持つわくから成って
いる。

このわくの幅は、クランクピンの直径、又は設けである
場合にピン軸受の幅に等しい。この装置は、ピストンを
、無限に長い棒を持つクランクの運動と同じ単弦運動で
動かす。従ってスコッチゎくは、その運動がその代りの
普通のクランク及び棒とゎずかしか異らないので広く普
及するには到らなかった。

ドック（Ｔｏｃｈ　）及びクラーク（Ｃ１ａｒｋ　）は
、３重カムわくを発明した（米国特許第１　、８１０．
６８８号明細書）。この発明においては、１回転描たり
６行程を生ずるように作った３つのロープを持つカムを
使ったが、ピストンが上死点及び下死点で費す時間を増
すには役立たなかった。この設計はわくアセンブリの往
復質量をっ９あわせる手段に欠けている。カム軸に設け
るっシあい重シは、カム軸の１回転ごとにわくが３回往
復動するので有効でなかった。ドック及びクラークの設
計の別の障害は、ころ軸受付きカム従節を使うことであ
った。カム軸のｒｐｍが増加すると、従節内のこけ軸受
の加速度が増加し、最終的にころがすべり始める。この
場合摩耗が過度になり、信頼性が低下する。ころ軸受付
従節のなお別の障害は、その圧力角の大きいことである
。この場合わくに対する横荷重が過大になる。要するに
この装置は、ピストン遅延ができなくて、つりおいが悪
く、ころ軸受付カム従節の問題になやまされた。

ポージ（Ｐｏａｇｅ　）は内燃機関用の興味あるピスト
ン及びクランク軸連結手段を発明した（米国特許第２，
５１３，５１４号明細書）。この装置はピストンを上死
点及び下死点に滞留させるが、その構造は他の理由で有
効でなかった。スコッチわくとは異ってこの機構は、わ
くをローラクランクに絶えず接触した状態に保つのに、
シリンダ圧力に依存している。この状態は、動的負荷が
ガス負荷より低い場合に、低い運転速度で保つことがで
きるが、速度の増加に伴ない動的負荷はガス負荷を急速
に越える。従ってポージの発明は、低速低負荷用に使え
るだけである。この場合も又ころ軸受の加速及びジャー
ク（ｊｅｒｋ）により摩耗及び信頼性の問題を生ずる。

つりあい重りは、これ等を３重カムに設けた場合よりボ
ージのクランクでは一層有効であるが、この装置の滞留
及び偏心運動は振動の問題を生ずる。

本発明によれば、１個又は複数個のわく、ピストン及び
シリンダに協働するカム軸に、１個又は複数個のカムを
設けである。各シリンダは、カムケースに固定されてい
る。カム軸は、カムケースに軸架されている。カム軸の
軸線は、シリンダ軸線にほぼ直交している。ピストンは
、各シリンダ内で往復動するように配置されている。棒
は、各ピストンをわくに連結する。互いに対向するシリ
ンダ関係で各わくは、２組の棒及びピストンで共有され
るのがよい。各わくは、カム軸を囲みローラなしカム従
節又は複合のローラなしカム従節及びローラ付きカム従
節を備えている。各わくは、カム軸に固定した１個又は
複数個の非円形の有限ジャークカム円板によりつねに積
極的に制御され、各ピストンわくアセンブリが、カム軸
の１回転ごとに２行程を生ずるようにしである。

積極的制御とは、カム及びカム従節面がわくの位置をつ
ねに精密に制御することを意味する。積極的制御は、カ
ムを互いに対向するカム従節面により次の程度に拘束す
ることを意味する。一方の面がカムに接触すると、他方
の面はカムから運転公差（たとえば約０．００１ないし
０．０１インチ）だけしか離れていない。一方の面から
他方の面への制御の転移中にカムがどちらの面にも接触
しない瞬間があるのはもちろんである。すなわち持上げ
及びもどりの運転が共にカムにより生ずる。

本発明の好適とする実施例においては、２・組のわくア
センブリを相互に１８００だけ位相をずらせることによ
り、これ等のわくアセンブリの往復質量をつりあわせる
。本発明の他の好適とする実施例すなわち互いに対向す
る２シリンダと、Ｘ形の４シリンダとは、２行程の機関
及びポンプ用に理想的に適している・。なお他の実施例
においては、カム及び従節の強制潤滑装置を協働させ、
機構の荷重支持能力を増すようにしである。

本発明の目的は、普通のピストン、クランク及び棒装置
より設計上の融通性の高い往復ピストン装置を提供しよ
うとするにある。

本発明の他の目的は、カム制御ピストン装置の信頼性を
高めようとするにある。

なお本発明の他の目的は、カム制御ピストン装置の荷重
支持特性を改良しようとするにある。

なお本発明の他の目的は、カム制御ピストン装置の往復
動つりおいを改良しようとするにある。

本発明の他の目的は、カム制御ピストン装置のカム及び
従節用の潤滑装置を改良しようとするにある。

なお本発明の他の目的は、時間損失を減らし、内燃式及
び外燃式のピストン機関の有効膨張比を増そうとするに
ある。

なお本発明の他の目的は、種種のピストン機関の排気損
失を減らそうとするにある。

本発明の他の目的は、ピストン装置の容積効率を改良し
ようとするにある。

なお本発明の他の目的は、簡単で製造しやすいピストン
装置を提供しようとするにある。

なお本発明の他の目的は、上死点の付近のピストンリン
グ加速を減らそうとするにある。

本発明の他の目的は、２行程及び４行程の火花点火及び
圧縮点火式の機関の低速及び高速の性能特性を改良しよ
うとするにある。

なお本発明の他の目的は、燃焼を向上し内燃ピストン機
関の排気放出を減らそうとするにある。

なお本発明の目的は、ピストン機関の多燃料運転特性を
向上するピストン装置を提供しようとするにある。

なお本発明の他の目的は、ピストン機関の燃料経済を向
上するピストン装置を提供しようとするにある。

なお本発明の他の目的は、ランキン機関、オツトー機関
、ディーゼル機関及びスターリング機関の全部の機能的
要求に一層よく適合させることのできるピストン装置を
提供しようとするにある。

以下本発明による往復ピストン機構の２つの実施例を添
付図面について詳細に説明する。

第１図に示した実施例は回転カム設計に関する。

この設計は、その最も簡単な形において、２つの可動部
分、すなわち１個の有限ジャーク（ｊｅｒｋ）一定幅カ
ム（１１）を取付けた回転カム軸（１のと、往復動する
わ＜　（１２）、棒（１３）及びピストン（１４）から
成るアセンブリとを備えている。これ等の可動部分は、
カムケース（１６）　、カム軸軸受及びシリンダ（１７
）から成る固定のブロック（１５）と協働して作用する
。

ｌ変型として回転カムの代りに回転ブロックを使っても
よい。この変型の機構は、カラ軸は固定的に保持される
が、ブロック、　シリンダ、わく、棒及びピストンから
成るアセンブリが、カム軸のまわりに回転することを除
いて同様である。簡単のために以下の説明では回転カム
の実施例だけを述べる。

本発明では直列形、７字形、対向形、放射形等のような
全形式の多シリンダ構造を構成することができる。実際
上本発明は、何等かの形で既存の単シリンダ又は多シリ
ンダ往復ピストン機構の代りに使うことができる。特定
の２種類の構造すなわち対向２シリンダと放射状Ｔ形又
はＸ形の４シリンダとについて述べる。

第２図に示した対向２シリンダ構造は、第１図の単シリ
ンダ構造一対し幾つかの利点がある。第２のシリンダ（
１７′）、ピストン（１４’）及び棒（１３’）が加え
られ、付加的な可動部分はなんら加えられていない。排
気量は、第１図の実施例の２倍であり、しかも寸法及び
重量はわずかに約３０チ大きくなるだけである。各シリ
ンダが同じわくを分は合うから、これ等のシリンダ間に
片寄シがなく、従って揺動連成振動をつ＃）あわせるこ
とがむずがしくない。又各シリンダは、相互に正確に１
８００だけ位相がずれており、これは２シリンダ２行程
作動サイクルに理想的である。この構造の別の利点は、
その一定のカムケース容積である。一方の棒及びピスト
ンが、カムケース容積を減らすので、対向する部品はこ
の容積を正確に同じ量だけ増し、一定の容積を保つ°。

カムケースポンプ作用損失は最小になり、複雑なカムケ
ース通気装置の必要がなくなる。温度による膨張及び収
縮に適応できる小さなろ過式息抜き管が通常適当である
。又２シリンダがわくをカム軸軸線に直交する平面内に
位置させ、どちらのピストンもそのシリンダ内で傾かな
いようにしてカムケースを案内として使わないでわくを
自由に往復動させる。又この構造により、本発明の多く
の空冷式の実施例に極めて望ましい最適の２シリンダ熱
散逸特性が得られる。前記した原理を使う対向２シリン
ダ内燃機関の作用模型を作り本発明の多くの目的を示す
ように運転した。これについては、さらに詳しく後述す
る。

第３図に示した４シリンダ放射状Ｔ形又はＸ形構造は、
一層高い動力、一層高度のなめらかさ又は一層簡潔な構
造のために付加的なシリンダを必要とする応用例には極
めて望ましい。同じカム（１１）Ｋ、第１　（Ｄｂ　＜
　（１２）の背後に別の２ピストンわく（２２）を、カ
ム軸軸線に直交する平面内で９０’だけ食い違わせて設
けると、わずかに３つの可動部分だけしか持たない４シ
リンダ機構が得られる。各シリンダ（１７）　、　（１
７’　）　、　（２７）　、　（２７’　）　／ｆｉ、
とくに全側部がら操作でき、保守と、必要に応じ冷却と
が容易になる。又４シリンダの運転サイクルが、均等に
９Ｃずつ食い違い、これは４シリンダ２行程運転には理
想的である。

わく、棒及びピちトンは単一の材料体から作ることがで
きるが、談計者は第４図に示したのと同様な複合アセン
ブリを採用する傾向がある。この複合設計は、種種の組
立て及び保守の手順を簡単にし、各部品をこの部品の機
能的要求に最も適した材料から作ることができる。又複
合アセンブリにより、保守費用が著しく減少する。第４
図に示したアセンブリは、ピストンピン（３２）によシ
棒（３１）に取付けたピストン（３０）から成っている
。棒（３１）は、２個のカム従節挿入部片（３４）、（
３５）を持つわく（３３）にねじ込まれている。

クランク作動ピストンに必須のピストンピンは、本発明
においては随意である。市販品のピストンを利用し、又
は大量生産単位に一層大きい製造公差を許すにはピスト
ンピンを使うことが望ましい。

しかしピストンが、エンジンの場合のように著しい熱に
さらされる場合には、ピストンピンを除いて半径方向に
対称なピストンを使えばよい。半径方向対称の利点は、
ピストンが加熱されたときに一様に膨張しその円形の形
状を保つことである。

半径方向対称でない普通のピストンピン付きピストンは
、高価なカム研削手順を経て形成され、加熱したときに
シリンダ内で焼付かないようにしなければならない。

ピストンを棒に取り付けるのにピストンピンの代りに種
種の手段、たとえば共に半径方向対称であるねじ連結又
は玉継手を使うことができる。玉継手は、不整合を補償
し、一様な熱膨張を生ずる。

棒をピストンの中心に取り付けるときは、ピストンの中
心を冷却する付加的利点がある。すなわちピストンピン
をなくすると、可動部品の個数が減り、ピストンピン軸
受の破損のおそれがなくなり、ピストン冷部が向上し、
ピストンがシリンダ内に一層緊密にはまり、ガス漏れ、
ピストン騒音及び摩耗が減るようになる。要するに本発
明により得られるピストン設計の融通性は、ピストン装
置の性能を実質的に高めるのに利用できる。

案内なしわ（（ｕｎｇｕｉｄｅｄ　ｙｏｋｅ　）連接棒
には多くのものがある。連接棒は、ピストンにピストン
ピンで増付けられ、他端部はわくにねじ込まれる。

連接棒は、一端部に玉継手形ピストン取付部を持ち、他
端部をわくにねじ込んでもよい。連接棒は、中空の中心
部を持ち、質量を減らし剛性を増すようにしてもよい。

連接棒を、ピストン及びわくの両方にねじ込んでもよｌ
：Ａ。連接棒をわくに取り付ける場合に、余分な力を必
要とする高トルク用としては、連接棒にテーパを付ける
。連接棒は、ピストン及びわくの両方に直交軸線を持つ
ピストンピンにより取シ付けてもよい。ピストンは、カ
ム軸に直交する平面内で自由に回動してもよいが、わく
への連接棒の取付けは、わ・く自体が、カムケース内の
案内のような若干の外部手段により回らないように保持
されているのでないならば、通常は前記平面内で相対運
動しないようにされなければならない。この機構の信頼
性は、通常、連接棒及びわくを、これ等の２部品間の潜
在的相対回動が最小になるように設計することによシ向
上する。

又多くの案内付きわ（（ｇｕｉｄｅｄ　ｙｏｋｅ）連接
棒構造も得られる。たとえば両端部に玉継手を設けた連
接棒を拘束されたわくと共に使うことができる。

わく及びピストンに対し回動する連接棒の自由度は、各
シリンダ及び往復動わく間の軸線方向の一致の欠除を補
償するのに使うことができ乞。

一定の横断面を持つ連接棒は、カムケースに増付けた往
復動軸受により支えることができる。この構造によりピ
ストン及びシリンダでなくて往復動軸受及び連接棒・を
カム軸トルクに対抗させることができる。

第５図に例示したわくは、単一体として構成しである。

このわくの左側には連接棒を増付けることができるよう
にねじ付きソケットを設けである。

外面（４０人（４１）は、互いに平行に機械加工され、
カムケースわく案内に沿いなめらかに滑動するように仕
上げられている。内側の受は面（４２）、（４３）は平
らに互に平行に機械加工されカム従節として作用する。

第６図に示したわくは、２個の手部分〔４５〕、（４６
〕を頂部及び底部で互いにボルト締めすることにより作
られる。わくの２部品構造により、カム軸をカムケース
からはずさないで、この構造をカム軸から容易に窄り除
くことができる。このわくは、そめ内側にカム従節挿入
部片用のくぼみ（４７）、（４８）を持ち、２本の互い
に対向する棒と共に使うようにしである。このわくの垂
直方向側部の横断面は、中央に向って増し荷重による曲
げを減らす。わくの各手部分（４５）、（４６）には５
個の穴（４９）をあけ、質量を減らし、支持荷重、摩擦
及び摩耗を減らすようにしである。このわくは、カムケ
ース案内を設けないで作動するようにしである。

オフ図に示したわくに、幾つかの有利な特徴を持つ。そ
の最も著しい特徴は、その傾斜した垂直方向従節面であ
る。本願を通じてカムに当たるわく表面は、カム従節面
と称する。傾斜の効果は、１／ｓｉｎαの率だけ本機構
の行程を増すことである。

このわくは、各従節が連接棒の軸、線に直交しなくても
よいことを示す。又このわくは、カムケースわく案内に
沿って移動するようにころ軸受を備えている。

このわくの内側面をカム従節（すなわちプレツサー）と
して使うことができるが、オ８図に示すような別個の従
節挿入部片（４９’　）を設けることにより幾つかの利
点がある。別個の従節挿入部片（４９’）のオｌの利点
は、わく全体が従節材料で作られる場合に、望ましくな
い往復動重量を加え又は強度を弱める特殊な耐摩耗材料
でこれ等の従節挿入部片を作ることができることである
。別の利点は、従節面が摩耗してもわく全体を交換する
よりも従節だけを交換する方がはるかに安いことである
。

オ８図は、わくの互いに対向する側にボルト締めした２
つの長方形の扁平な従節挿入部片（４９’　）を示す。

この種の従節は作るのが最も簡単で多くの用途に適当で
ある。しかし製造公差により従節をカム面に直角に接触
しないようにすると、オ９図に示すような自動整合従節
挿入部片（４９ｂ）を使えばよい。従節挿入部片（４９
ｂ）の外面と、わくの内面とは共に各わく面間の距離り
の棒に等しい円筒半径Ｒを持つように仕上げる。従節円
筒の軸線は、クランク軸の軸線と、わくアセンブリの中
心の軸線とにより形成される平面に直交する。

高圧高速の用途には摩擦及び摩耗がとくに注意を必要と
する臨界晶設計要因になる。カム構造は、これが圧縮点
火エンジンの場合のようにＴＤＣに静止部があると、従
節及びカム間の接触面積を増すことが望ましい。第１０
図の従節挿入部片（４９ｃ）の中心は浅い円筒形の切欠
きを形成しである。この切欠きの半径はＴＤＣでわくに
接触するカムの最大半径に等しい。切欠きにより生ずる
受は面積が大きいほど、カム及び従節の荷重支持能力が
増す。

カム及びわくの荷重支持能力を高める別の方法では、最
高の力を受ける従節挿入部片表面の後方から材料を除く
。このようにしてカム表面に適合するように従節表面を
たわませ、接触面積及び荷重支持能力を増す。たとえば
時計回りに回転する２サイクル対向玉ンジンでは、最高
シリンダ圧力がＴＤＣｖ）直後に起る場合に、材料を除
く場所は従節の中心から片寄らされる。

２層従節挿入部片を使ってもよい。薄い内側層は、鋼の
ような硬いたわみ性材料から作られる。

又外側の厚い層は、荷重のもとてカム及び従節の間の表
面接触を一層広くする比較的柔らかい弾性材料から作ら
れる。前記した荷重増大法の２種類又はそれ以上を組合
わせることにより、技術者は多くの他の信頼性のある高
負荷用固定従節を設計することができる。

荷重能力を増し、摩耗及び摩擦を減らすなお別の研究で
は、第１１図に示した扁平な浮動従節（５０）を使う。

扁平な浮動従節（５０）は、すべてカムとの接触を保つ
平行４辺形である。この構造により浮動従節（５０）　
’ｅ　、カムの持上げ面と同じ方向に滑動させ、それぞ
れの接触点でカム及び従節間の相対速度を減らす。又浮
動従節（５０）は、単一の点で接触を保つ固定の従節挿
入部片とは異って従節表面のかなりの長さにわたるＴＤ
Ｃ滞留中に生ずる摩耗を広げる。浮動従節は、カム及び
わくの両方と同等の熱膨張率を持つ材料から作られ、こ
の機構の温度の変化に伴なって、従節とカム又はわくと
の間にかみ込みが起らないようにしなければならない。

第１２図は、扁平な挿入部片（４９ｄ）及びころ軸受（
５１）の複合の従節わくを示す。ころ軸受付き従節は、
一般に摩擦を減らすのに使用される。これ等の従節は、
その回転速度が、装置の全作動サイクル中に所定ｒｐｍ
において適宜に一定であるような用途において非常に良
好に作動する。しかしこれ等の従節は、運転サイクル中
に著しい加減速を必要とする場合に、“高いｒｐｍでは
、ころ軸受自体の慣性により、カム面に沿い転動しない
で滑動する。

〜この滑動により摩擦が急激に増し、ころ軸受及びカム
を共に破壊しやすい。第１２図に示した構造はころがシ
接触を、運転サイクルのわずかに小部分だけに制限する
ことによりころ軸受の加速を制限する。

ころ軸受は、わくの中央に取り付けられ、このころ軸受
の外部円筒面の頂部は、図示のように扁平な従節理め全
表面のわずかに上方に延びている。

カムは、わくがＴＤＣに近い間だけころ軸受に接触し、
わく表面がふたたびＴＤＣに近づくまで自由に回すよう
にしである。カムのＢＣＤ表面は、中央でわずかにくぼ
ませられ、わくがＢＤＣにあるときは、カム表面がころ
軸受に触れないようにしなければならない。ころ軸受を
延ばし、カムにくぼみを形成することをしないで、ころ
軸受にくほみを形成し、ＴＤＣにおけるカムのころ軸受
接触区域を延ばすように選定してもよい。どちらの方法
によっても、ころ軸受加速を減らす目的を達成できる。

ころ軸受の接触は、ＴＤＣにおける静止部に制限するこ
とができる。又はころ軸受接触はＴＤＣに近い行程部分
に使うこともできる。たとえばカムは、行程の９５％中
に扁平な従節表面に接触し、ＴＤＣ付近の行程の５％中
にころ軸受及びその対向する扁平従節に接触するように
しである。この構造は、ころ軸受速度の変化を５チに制
限しながら、サイクルの高圧部分中にころ軸受接触の利
点を利用できる。

積極的制御カムという用語は、この説明で使うときは偏
心円板の劣化した場合を含まない。全部の偏心円形カム
及びわくは、単弦運動を生ずるから、これ等は本発明に
基本的な構造上の融通性に欠ける。しかし他や非円形カ
ムを評価するのに、性能基準線を設定するときに、円形
カムは興味がある。

最も簡単な非円形積極制御カムは、第１３図に示した一
定幅カムである。このカムは正３角形の３頂点から円弧
を引くことにより構成される。第１３図においては円弧
半径は側辺の長さに等しい。第１４図においては、円弧
半径は側辺の長さより大きい。長い円弧区分は最も近い
頂点から引いた短い円弧により連結されている。第１４
図に示したカムは、第１３図に示したカムよシなめらか
な輪郭を持つように見えるが、その運動は同じである。

第１５図はこれ等の両方のカムによる加速曲線を示す。

横軸は角度ωｔを表わし、縦軸はピストン棒の軸線に沿
うわくの加速度を表わす。各点Ａ１Ｂ％Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆ
にはカムの加速度の不連続部がある。各不連続部は第１
６図に示すような無限ジャーク（ｊｅｒｋ　）　　の点
に対応する。第１６図では横軸は角度ωｔ　を表わし、
縦軸はジャークを表わす。

これ等の点における無限ジャークにより、任意の速度た
だし極めて遅い速度でも最終的に機構を破壊する激しい
打撃作用を生ずる。すなわち無限ジャークカムはすべて
その信頼性が先天的に低いために、本発明には使用でき
ない。

本発明によれば各カムは、積極制御作用をするように構
成され、非円形の有限ジャークカムだけを備えている。

一定幅カムは、オｌの１８０ｏの運動が、対向シリンダ
２行程装置に理想的である第２のｉｓｏｏの運動の正反
対であることを必要とする。マグロ−・ヒル社から１９
６０年刊行のフェアズ（Ｆａｉｒｅｓ）及びケラ７　（
Ｋｅｏｗｎ）　　を著者とするメカニズム（Ｍｅｃｈａ
ｎｉｓｍ　）のような工学論文には有限ジャーク形一定
幅カムを作る方法を記載しである。

カムの実際の輪郭は、技術者によって用途により定めら
れるが、複数の互いに異なる一定幅カム輪郭を一層精密
に観察すると、この機構の設計の融通性が一層よく分る
。ＴＤＣ及びＢＤ’Ｃに６ありムドウエルを持つ第１４
図の簡単、な無限ジャークカムとは異なって、第１７図
に線図的に例示したカム輪郭は、含＜カムドウエルを持
たない（第１７図にはカムの側面図は示してなくて１つ
の従節面の移動距離り対角度紐離ωｔを示しである）。

この例は、本発明がカムドウエルを必要としなくて技術
者が無限の種類のカムドウエルなしカムを設計できるこ
とを示す。

第１８図は、加速及び減速が行程の中間点の付近で互い
に等しく反対になる５°のカムドウエルを持つカム輪郭
を示す。この輪郭は複動ピストンを持つポンプ又は時計
回９或は逆時計回りに運転するようにしたエンジンに十
分適している。

第１９図は、時計回りに回るとき、相対的に述べるとカ
ムがＴＤＣのカムドウエルに近づく際には遅く減速、さ
れ、又相対的に述べると、カムがＴＤＣから遠ざかる−
には一層早く加速される１６°のカムドウエルヲ持つカ
ム輪郭を示す。この同シカムを逆時計口シに回すと、わ
くはその加速の際より一層早く減速される。このカムは
、設計者が点火に先だって燃焼室の乱れを制御し、点火
後に燃焼力によりわくを一緒に加速し正常な運転速度で
振動及び摩耗を最少にする手段を示す。対称の加速減速
作用を生ずる一定幅カムは、２行程シリンダロを遅く開
き、早く閉じシリンダ掃気効率及び捕捉比を高めるよう
に作ることができる。

しかし一定幅カムの１８σの対称拘束作用が望ましくな
い場合には、技術者は、わくを制御するのに２個又はそ
れ以上のカム円板を使うことができる。

第２０図及び第２１図は、どのようにして２個の一定幅
カムを組合わせて異る持上げ運動及びもどり運動を生じ
させるかを示す。カム（６０）を使い、持上げすなわち
オｌの１８σの回転を制御し、第２カム（６１）を使い
もどりすなわち第２の１８０°の回転を制御する。各従
節（６２）、（６３）は、持上げ用カム（６０）が、も
どりの１８０°の間は、従節に接触しなくて、もどり用
カム（６１）は、移動の１８０°の間は、従節に接触し
ないように。、凹みを形成しである。

第２２図及び第２３図は、どのようにして互いに共役の
カムを使い、３６０°の回転中にわくを制御するかを示
す。カム（６６）は、３６００にわたって従節（６７）
との接触を保つが、カム（６８）は３６０°にわたって
従節（６９）との接触を保つ。第２４図のカム（７０）
、（７１）は、同じもど、°り輪郭を持っており、カム
を第２２図及び牙２３図に宗したカムで生ずる揺動作用
を伴なわないで、どのようにして互いに共役のカムを設
計できるかを示す。

この場合各従節が実際上扁平でなくてもよいことは重要
なことである。コンピュータ支援設計と、数値制御工作
機械とにより、彎曲従節と、共に作用する単−及び多重
円板形積極制御カムを作ることができる。扁平従節は、
単に製造過程を簡単にするだけである。

本発明のカム部品により生ずる不規則運動は、往復質量
のつりあいのきびしい問題を生ずる。カム軸は純粋な回
転運動で回るから、このカム軸は簡単なつりあ虐重りで
静的及び動的につりあわせることができる。しかしわく
及びピストンアセンブリは、用途及びカム輪郭に従って
つりあい重りによっては満足できるつシあいの得られな
い純粋な往復運動で動く。このような場合には設計者は
、ピストンわくと位相がずれて作動するつりあいわくを
使うことができる。

第２５図は１個のピストンわくカム（７５）と、　この
ピストンわくカム（７５）と同じであるが力、４油周囲
に１８０°回動した１個のつりあいわくカム（７６）と
を持つカム軸を示す。ピストンわくの質量中心は直線Ｘ
に沿い、又つりあいわくの質量中心は直線Ｙに沿う。こ
の構造によシ往復動つりおいが向上するが、中心線Ｘ、
Ｙ間の片寄りＤは小さな揺動偶力を伴なう。直線Ｘ、Ｙ
をできるだけ近づけることにより、揺動偶力を減らし、
この単一つりあいわくカム軸構造が多くの用途に良好な
働きをするようにすることができる。

設計者が揺動偶力をなくそうとする場合には第２６図に
示すような２個のつりあいわくカムを使うことができる
。ピストンわ＜　（７７）の質量の半分を、各カム（７
８人（７９）により制御される２個のつりあいわくに正
確に置くことによシ、つりあいわくの質量中心を、ピス
トンわくの質量中心に一致させ、揺動偶力を除去するよ
うにすることができる。

第２５図及び第２６図に示した技術は、多シリンダ構造
に容易に広げることができる。良好に設計されたつりあ
いわく装置においては、本発明の大きいカムドウエルを
持つ実施例においてさんも、振動を減らし、純粋な回転
装置のなめらかさに対抗することができる。

カム面の焼入れ及び潤滑は、摩耗を減らすのに極めて重
要である。前記の従節について述べると、摩耗を減らす
ために機械的設計技術に多大の注意を払った。又これ等
の技術の利用点を得るためには１、カム及び従節の表面
を適正に焼入れし、適当彦カム従節潤滑装置を備えなけ
ればならない。

第２７図はこのような潤滑系統の油通路を示す。

油は、カムにその基円の中心で入り、半径方向外向きに
カム面に流れる。カム自体は、潤滑剤をカム従節に投げ
つける油切シになる。回転速度の増すのに伴ない、従°
節に送出される潤滑剤の体積が増す。第２８図のカムは
、その潤滑径路の若干を彎曲させである。これ等の曲線
は、荷重が最高であるカム及び従節に潤滑剤の流れを一
層よく差向けるように、形成されている。

又潤滑剤が、カム及び従節の冷却剤になるのはもちろん
である。技術者は油冷却器を加え、カム及び従節への潤
滑済の流れを増すことによりこの特性を一層利用するこ
とができる。このようにして冷却作用を向上することに
より、この機構の荷重支持特性が増す。

本発明の原理を示すように作業用原型を作った。

この原型は、排気量１１０　Ｃｃの対向２シリンダ２行
程ガソリンエンジンである。カム軸は、カムケースに堆
り付けたころ軸受で回転する。カム軸は、中央に位置す
る１つのカムドウエルを備えた一定幅ピストンカムと、
このピストンカムの各側に位置す、る１つのカムドウエ
ルを備えた一定幅つりあいカムとを持つ。各つりあいカ
ムは、ピストンカムと同じ輪郭を持つが、ピストンカム
に対し１８０゜だけづらせて取り付けられている。全部
のカムの＼移動又は行程は４０ｍｍである。各カムは、
わくがその行程軸線のまわりに回転しないよう°にする
円び往復わくにより、カムケースにはねかけられる１５
　Ｗ　４０モータ油により潤滑される。アルミニウム製
わくは、鋼製棒（連結されている。これ等の棒はそのカ
ムケース赤ら出る場所でオイルシールを貫通する。各つ
りあいわくは、各オイルシールの外側でカムケースに取
り付けられた平軸受内で滑動する。カムケースの各側部
にシリンダアダプタをボルト締めし、ヤマハ（Ｙａｍａ
ｈａ）ＲＤ６０シリンダを、それぞれアダプタにボルト
締めして対向シリンダを形成できるようにしである。ヤ
マハ即６０　　ピストンは、ピストンピンによシ、ピス
ト／わくの各端部に連結されている。ＲＤ６０シリンダ
ヘッドは、各シリンダの端部に取シ付けられている。各
シリンダは、その燃料空気混合気を別個の１６　ｍｍ三
国気化器から受は取る。この気化器は、短い吸気マニホ
ルドにより、シリンダの底部のリード（ｒｅｅｄ　）弁
入口に連結されている。クラ／り軸の端部の切欠き付き
プーリにより、エンジンを、短いひも片で始動すること
ができる。エンジンの点火装置には電子式回転計を増シ
付け、カム軸の回転速度を監視するようにしである。

エンジンは容易に始動し、１０００　ｒｐｍで無負荷運
転する。絞り弁を開くと、エンジンは急速に４０Ｏｒｐ
ｍ以上に加速し、実質的なトルクの存在を指示する。こ
のエンジンは全部の速度で極めてなめらかに運転でき、
８ポンド以上の往復質量があるとは考えられないほどで
あ−る。

「積極的制御Ｊ　（ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ
　）とは、カム及びカム従節面によシ、わくの位置をつ
ねに精密に制御することを意味する。積極的制御は、カ
ムを互いに対向するカム従節面によシ次の程度に閉じ込
めることを意味する。一方の表面がカムに接触した場合
、他方の表面はカムから運転公差（たとえば約ｏ、ｏｏ
ｉないし０．０１インチ）だけしか離れていない。一方
の表面から他方の表面への制御の転移中に、カムがどち
らの表面にも接触しない瞬間があるのはもちろんである
。

以上本発明をその実施例について詳細に説明したが本発
明はなおその精神を逸脱しないで種種の変化変型を行う
ことができるのはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明往復ピストン機・轡の単シリンダの実施
例の縦断面図、第２図は本発明往復ピストン機構の対向
２シリンダの実施例の縦断面図、第３図は本発明往復ピ
ストン機構の丁字又はＸ字形４シリンダの実施例の縦断
面図、第４図は本発明往復ピストン機構の複合わくアセ
ンブリの縦断面図、第５図は単一わくの縦断面図、第６
図は複合わくの縦断面図、オフ図は傾斜従節面を持つわ
くの従断面図、第８図は挿入部片付きカム従節面を持つ
わくの縦断面図、第９図は本機構に使う自動整合カム従
節挿入部片の側面図、第１０図は荷重支持能力を増すよ
うにしたカム従節挿入部片の側面図、第１１図は浮動扁
平従節を持つわくの縦断面図、第１２図は扁平な従節挿
入部片及びころ軸受挿入部片を持つわくの側面図、第１
３図は本発明によらない従来の非円形一定幅カムの正面
図、第１４図は円弧半径が、囲んだ正３角形より大きい
本発明によらない非円形一定幅カムの正面図、第１５図
は第１３図及び第１４図に示したカムの加速曲線の線図
、第１６図は第１３図及び第１４図に示したカムのジャ
ーク曲線の線図、第１７図、第１８図及び第１９図は一
定幅有限ジャークカムの輪郭を表わす線図、牙２０図及
び第２１図はそれぞれ一定幅２重カムの端面図及び側面
図、第２２図及び第２３図はそれぞれ共役カムの側面図
及び端面図、第２４図は零偶力共役カムの端面図、第２
５図及び第２６図はそれぞれ異るつりあいわくの縦断面
図、第２７図及び第２８図はそれぞれ一定幅カムに形成
された潤滑通路の正面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）（イ）少くとも１個のシリンダ及びこれに一体の
   カムケースと、（ロ）カム軸及びこのカム軸に取り付け
   られた少くとも１個の非円形の有限ジャークカムと、（
   ハ）前記カム軸を前記カムケース内に支持するカム軸軸
   受と、に）前記少くとも１個のシリンダ内の往復ピスト
   ンと、（ホ）２つのカム従節面を持つわくと、（へ）前
   記往復ピストン及びわくのアセンブリが前記カム軸の１
   回転ごとに精密に２行程を生じさせるように、前記往復
   ピストンと前記わくとを連結する棒とを備え、前記有限
   ジャークカムが、前記わくの積極的な制御を常に維持し
   、又ある一つのカムの積極的な制御を常に維持するよう
   に、前記カム従節面を配置した往復ピストン機構。 （２）　　複数のシリンダ、カム、ピストン、わく及び
   棒を備えた特許請求の範囲オ（１）項記載の往復ピスト
   ン機構。 （３）　　互いに対向する２個のシリンダと、１つのわ
   く及び１つのカム軸と、２個のビ、ストンと、これ等の
   ピストンを前記わくに連結する２つの棒とを備えた特許
   請求の範囲オ（１）項記載の往復ピストン機構。 （４）前記カム軸に沿い軸線方向に互に間隔を隔てた互
   いに直角をなして配置された２対の互いに対向するシリ
   ンダと、２個のわくと、４個のピストンと、これ等のピ
   ストンの対を前記各わくに連結する４本の連接棒とを備
   えた゛特許請求の範囲オ（１１項記載の「復ピストン機
   構。 （５）　　前記カム及びカム従節面間の接触面を増加す
   る手段を備えた特許請求の範囲オ（１）項記載の往復ピ
   ストン機構。 （６）前記接触面を増加する手段を、たわみ性のカム従
   節挿入部片により構成した特許請求の範囲オ（５）項記
   載の往復ピストン機構。 （７）前記接触面を°増加する手段を、ピストンがＴＤ
   Ｃにあるときに接触場所におけるカム従節面の弧状面に
   より構成した特許請求の範囲オ（５）項記載の往復ピス
   トン機構。 （８１前記接触面を増加する手段を、圧縮自在なカム従
   節挿入部片により構成した特許請求の範囲オ（５）項記
   載の往復ピストン機構。 （９）前記カム軸に取り付けた第２のカム円板により制
   御される各わくアセンブリに対しつりあい往復質量を設
   け、前記第２のカム円板を前記第１のわくアセンブリに
   前記円板から零でない角度だけ片寄らせて連関するカム
   円板に類似させた特許請求の範囲オ山頂又はオ（２）項
   記載の往復ピストン機構。 （１α　一方のピストンわくアセンブリの往復質量を、
   別のピストンわくアセンブリの往復質量につりあうよう
   に配置し、互いに異なる前記各ピストンわくアセンブリ
   のカムを互いに異なる角度的配置方向にした特許請求の
   範囲オ（２１項記載の往復ピストン機構。 旧）　前記各カムが、その表面に油を投げつけるための
   通路を備えた特許請求の範囲オ（１）項又はオ（２）項
   記載の往復ピストン機構。 の範囲オ（１）項記載の往復ピストン機構。 ０ｙ　　扁平な浮動従節を、前記カムと前記わくとの間
   に位置させた特許請求の範囲オ（１）項記載の往復ピス
   トン機構。 ◇→　前記わくに、前記カム軸の各回転の一部の間にカ
   ムに接触する１個又は橡数個のころ軸受付きカム従節を
   設けた特許請求の範囲オ（１）項記載の往復ピストン機
   構。 ａ９　　前記往復ピストンが、ＴＤＣ及びＢＤＣにおい
   て、前記カム軸の回転の０ないし６０度の範囲にわたっ
   て休止するようにした特許請求の範囲オ（１）項記載の
   往復ピストン機構。 α（３（（）＋　くとも１個のシリンダ及びこれに一体
   のカムケースと、（ｃｉｔカム軸及びこのカム軸に取り
   付けられた少くとも１個の非円形の有限ジャークカムと
   、（ハ）前記カム軸を前記カムケース内に支持するカム
   軸軸受と、に）前記少くとも１個のシリンダ内の往復ピ
   ストンと、（ホ）２つのカム従節面を持・つわくと、（
   へ）前記往復ピストン及びわくのアセンツブＩＪが前記
   カム軸の１回転ごとに精密に２行程を生じさせるように
   、前記往復ピストンと前記わくとを連結する棒とを備え
   、前記有限ジャークカムが、前記わくの積極的な制御を
   常に維持し、又ある一つのカムの積極的な制御を常に維
   持するように、前記カム従節面を配置した、内燃機関。 （１７＋　　（イ）少くとも１個のシリンダ及びこれに
   一体のカムケースと、（ロ）カム軸及びこ′のカム軸に
   取り付けられた少くとも１個の非円形の有限ジャークカ
   ムと、ｅつ前記カム軸を前記カムケース内に支持するカ
   ム軸軸受と、自前記少くとも１個のシリンダ内の往復ピ
   ストンと、（ホ）２つのカム従節面を持つわくと、（へ
   ）前記往復ピストン及びわくのアセンブリが前記カム軸
   の１回転ごとに精密に２行程を生じさせるように、前記
   往復ピストンと前記わくとを連結する棒とを備え、前記
   有限ジャークカムが、前記わくの積極的な制御を常に維
   持し、又ある一つのカムの積極的な制御を常に維持する
   ように、前記カム従節面を配置した外燃機関。