JPS58166159A - 往復運動と回転運動との交換機構 - 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】 従来、ピストンを使用した往復運動機構の内燃機構、外
燃機構（蒸気機関）、ポンプ又は圧縮機等においては、
１個のピストンについて１ほんの連接棒及び１軸のクラ
ンク軸がリンクを連結形成する機構のものであつたので
、ピストンの往復方向に作用する力Ｐは、連接棒方向の
分力Ｐｒとピストンの往復方向に直角な分力Ｐｓとに分
けられ、Ｐｓはいわゆる側圧となつてピストンとシリン
ダーとの摩擦熱損失及び不釣合力による振動の原因にな
つていた。

この発明は、１個のピストンについて２本の連接棒及び
２軸のクランク軸が対称的なリンクを連結形成する機構
のものであり、それによつてピストン側圧を除去し、任
せて平衡性能の向上及び不釣合力の除去による振動の低
減を行い、もつて往復運動と回転運動との変換性能の向
上をはかるものである。

図について説明すると、この発明は次のような機構のも
のである。

（イ）ピストン（１）に作用する往復方向の力Ｐを、側
圧を発生させることなく対称的に分力するため、１個の
ピストン（１）に天びん材（３）を介して２本の連接棒
（６）（６）を組合わせる。

（ロ）天びん材（３）は、中央上部にピストンピン（２
）でピストン（１）と連接するための上部軸受（４）を
、下部両脇に連接ピン（８）（８）で連接棒小端（７）
（７）と連接するための下部軸受（５）（５）を有する
ものである。

（ハ）天びん材（３）は、上部軸受（４）においてピス
トンピン（２）でピストン（１）と連結し、下部軸受（
５）（５）において連接ピン（８）（８）で連接棒小端
（７）（７）と連接する。

（ニ）連接棒（６）（６）は、連接ピン（８）（８）で
天びん材下部軸受（５）（５）と連接するに適するよう
、その実施態様としてふたまた状の小端（７）（７）を
有する。

（ホ）連接棒大端（９）（９）は、クランク軸（１０）
（１０）のクランクピン（１１）（１１）と連接する。

（ヘ）クランク軸（１０）（１０）は、２軸で一対とし
、それぞれ同軸に固定された歯車（１２）（１２）でか
み合い、対称的な逆回転を行う。

本発明はこのようにして、ピストン（１）の往復運動を
２軸のクランク軸（１０）（１０）の対称的な逆回転運
動に、又はその反対に２軸のクランク軸（１０）（１０
）の対称的な逆回転運動をピストン（１）の往復運動に
変換するものである。

クランク軸（１０）（１０）から被駆動体へ（本機構が
内燃機関又は外燃機構である場合）又は駆動体からクラ
ンク軸（１０）（１０）へ（本機構がポンプ又は圧縮機
であ（る場合）回転力を伝えるには、通常２軸のクラン
ク軸（１０）（１０）のうちいずれか１軸を駆動軸とし
て使用し、特別な場合は両軸駆動とする。又、歯車（１
２）（１２）から第３の歯車によつて伝動することもで
きる。

歯車（１２）（１２）は、クランク軸（１０）（１０）
相互又は連接棒大端（９）（９）相互の干渉を避けるた
め、クランク軸回転円よりもかなり大きなピッチ円を有
するものであることを要するが、同時にはずみ車を兼用
できるので、それに起因する重量の増加は無駄にならな
い。

この発明のリンク機構においては、ピストンピン（２）
の上死点（Ａ１）において連接棒（６）（６）はピスト
ン（１）の中心線ＸＸに対して角αの傾きを有し、ピス
トンピン（２）の下死点（Ａ２）においては連接棒（６
）（６）はピストン（１）の中心線ＸＸに対して角βの
傾きとなり、β＞αの関係にあつて、ピストン１個によ
つて対称的な一対の偏心ピストンクランク運動を行う。

クランク軸（１０）（１０）の回転方向を外回りにする
か内回りにするかについては、いずれの方向ととつても
良く、ピストン（１）が能動態（内燃機関又は外燃機関
）であるか受動体（ポンプ又は圧縮機）であるかによつ
て、効率の良い適当な方向をとることができる。クラン
ク軸（１０）（１０）の回転方向が外回りの場合は、ピ
ストン（１）の往路（吸引又は膨張行程）においては、
クランク軸（１０）（１０）の回転角はθとなり、その
復路（圧縮又は排出工程）においては、クランク軸（１
０）（１０）の回転角はδとなる。逆にクランク軸（１
０）（１０）の回転方向が内回りの場合は、ピストン（
１）の往路（吸引又は膨張行程）においては、クランク
軸（１０）（１０）の回転角はδとなり、その往路は（
圧縮又は排出工程）においては、クランク軸（１０）（
１０）の回転角はθとなる。そしていずれの場合χθ＜
δの関係になる。

又、ピストンクランク機構において、従来の１ピストン
１クランク方式と本発明の１ピストン２クランク方式と
を比較し、ピストン側からの力の伝わり方を解析すれば
、従来の方式においては、ピストン（１）に作用する力
Ｐは、Ａ点において連接棒方向の分力Ｐｒと側圧Ｐｓと
に分けられる。Ｐｒは更にＢ点でクランク回転力Ｐｃと
クランク軸心方向の分力Ｐｏに分けられ、Ｐｃがクラン
ク軸を回転する力として作用する。一方、本発明の方式
においては、ピストン（１）に作用する力Ｐは、Ａ点に
おいてＣ・Ｃ方向の対称的な分力Ｐ・Ｐ１に分けられ、
側圧の発生要因にはならない。Ｐ１は次にＣ点で連接棒
方向の分力Ｐ２とそれに直角に天びん材に作用する分力
Ｐｂとに分けられ、Ｐ２は更にＢ点でクランク回転力Ｐ
３とクランク軸心方向の分力Ｐｑとに分けられ、Ｐ３が
クランク軸を回転する力として作用する。このように、
従来のピストンクランク機構においては、往復運動から
変換される回転運動はピストン側圧を伴つて片方から１
方向のみに伝えられるのに比べ、本発明のピストンクラ
ンク機構においては、均等に振り分けられた２方向から
ピストン側圧を伴わず対称的に伝えられるという違いが
ある。

本発明においては、ピストン（１）は側圧を受けないの
で、従来側圧に耐えるために必要であつた程のピストン
の側面積は必要でなくなり、ピストン直径に比べかなり
高さの低い偏平上のもので足りるようになる。又、ピス
トン（１）のぶれを防ぐための案内面が必要であるとす
れば、ピストンピン（２）を中心として左右両側をピス
トンリング（１４）の近くまで切り次ぎ、前後に案内用
のスカート（１５）を有する形状のピストン（１′）を
使用することもできる。それは一面ピントン（１′）と
天びん材（３）との干渉を防ぎ、併せてピストン重量を
軽減し、往復運動体の慣性力を少なくするうえに効果が
ある。そのことは更に同様の目的でシリンダー（１３）
の長さをできるだけ短くし、シリンダー（１３）の下端
と天びん材（３）が干渉しない限度に天びん材（３）の
高さを低くかつ軽くするうえにも有効である。

なお、この発明の機構においては、ピストン側圧が消滅
する代りに、天びん材（３）という新たな構成要素の増
加によつて、ｌ２（一定でない。）がｌ１（連接棒の長
さに等しい。）より長くなり、その分だけ往復運動部分
の重量が増加するという帰結は否めない。往復運動部分
の重量の増加はとりもなおさずその部分の慣性力の増加
を意味する。慣性力の増加は低速機構においては、シリ
ンダー内圧力との相殺の効果もあり、さ程支障にはなら
ないが、高速機構にとつては少なからぬ障害となる。

従つて、この発明を高速機構に適用する場合において、
考慮すべき課題の一つは、いかにしてピストン（１）、
天びん材（３）及び連接棒（６）（６）など往復運動部
分の重量を軽減するかということである。そのため、シ
リンダー口径ｄに比べストロークｓを可能な限り小さく
する設計上の配慮のほか、それらの材質について検討が
必要である。それらに適する材質としては、軽合金類の
ほか、殊に最近実用価値が認められつつある炭素繊維や
ニューセラミック等、軽くて丈夫ないわゆる新素材は充
分注目に値すると考えられる。

本発明のように、ピストンクランク機構の中間に天びん
材（３）を介在させたリンク機構においても、天びん材
（３）及び連接棒（６）（６）が自由な不規則運動をす
るおそれはない。その理由は、２軸のクランク軸（１０
）（１０）は歯車（１２）（１２）によつて対称逆回転
運動をするよう制御され、クランクピン（１１）（１１
）は常に左右対称の位置にあることを義務づけられる。

一方ピストンピン（２）はピストン（１）の中心線上を
往復するよう規制される。従つてその両者を連接する左
右同形の連接棒（６）（６）及び天びん材（３）は、そ
れら自身が対称的な規則正しい連動をするよう制約を受
けるからである。

このような往復運動と回転運動との変換機構においては
、慣性偶力の発生要因は消去され、不釣合の要因として
は、往復運動部分即ちピストン（１）、天びん材（３）
及び連接棒（６）（６）の往復運動による慣性力、シリ
ンダー内における流体の圧力変化並びにクランク軸（１
０）（１０）の不釣合重量が残るが、これらを相殺する
には、その機構のサイクル数に応じて適宜必要な複数の
シリンダーを配置すれば良い。

このようにしてこの発明は、ピストンクランク方式の往
復運動と回転運動とのリンク機構において、理想的な平
衡及び無振動機構を実現することができる。なお、現実
的にはそれらの製作にあたつて、往復運動部分各部の完
全対称寸法及び完全釣合重量の実現は期し難いと考えら
れるので、それらの微差による微少な不釣合に起因する
若干の不平衡及び振動は避け難いことを付記する。

このようなこの発明によると、従来の側圧によるピスト
ンとシリンダーとの摩擦熱損傷は著るしく減少し、往復
運動と回転運動との変換効率が向上するので、エネルギ
ーの消費殊に燃料消費量の減少という効果を期待できる
。又広範な速度領域において平衡性が優れているので、
振動が少なくなり運動が静かになる。

このようなこの発明の特性は、この機構を採用する車両
、船舶その他の交通機関を始め、あらゆる設備、機器お
よび装置において、技術的及び経済的有利性をもたらす
のみでなく、人間工学的にも人類の福祉に貢献すること
ができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は、この発明の正面図 第２図は、そのＸＸ断面図 第３図は、シリンダーの数が４個ある場合の実施例にお
けるクランク軸の組合せ平面 図 第４図は、ピストンの実施例を示す正面図第５図は、天
びん材の正面図 第６図は、そのＹＹ断面図 第７図は、連接棒の正面図 第８図は、そのＺＺ断面図 第９図は、従来のピストンクランク機構において、ピス
トン側からクランク軸へ力が 伝わる場合における力の解析図 第１０図は、この発明のピストンクランク機構において
、ピストン側からクランク軸へ 力が伝わる場合における力の解析図 第１１図は、この発明のリンク機構図 １は、ピストン １′は実施例によるピストン ２は、ピストンピン ３は、天びん材 ４は、天びん材上部軸受 ５は、天びん材下部軸受 ６は、連接棒 ７は、連接棒小端 ８は、連接ピン ９は、連接棒大端 １０は、クランク軸 １１は、クランクピン １２は、歯車 １３は、シリンダー １４は、ピストンリング １５は、スカート Ａは、ピストンピンの位置 Ａ１は、上死点におけるピストンピンの位置Ａ２は、下
死点におけるピストンピンの位置Ｂは、クランクピンの
位置 Ｂ１は、ピストン上死点におけるクランクピンの位置 Ｂ２は、ピストンの下死点におけるクランクピンの位置 Ｃは、天びん材下部軸受の位置 Ｃ１は、ピストンの上死点における天びん材下部軸受の
位置 Ｃ２は、ピストンの下死点における天びん材下部軸受の
位置 Ｏは、クランク軸の中心 Ｐは、ピストンに作用する力 Ｐｒは、従来のピストンクランク機構において、連接棒
方向に作用するＰの分力 Ｐｓは、従来のピストンクランク機構において、ピスト
ンの往復方向に直角に作用するＰの分力（側圧） Ｐｃは、従来のピストンクランク機構において、クラン
ク円の切線方向に作用するＰｒの分力（クランク回転力
） Ｐｏは、従来のピストンクランク機構において、クラン
ク軸心方向に作用するＰｒの分力Ｐ１は、天びん材で分
けられるＣ方向のＰの分力Ｐ２は、Ｃ点で連接棒方向に
作用するＰ１の分力Ｐｂは、Ｃ点で連接棒方向に直角に
作用するＰ１の分力 Ｐ３は、クランク円の切線方向に作用するＰ２の分クラ
ンク軸心方向に作用するＰ２の分力ｄは、シリンダー口
径 ｓは、ストローク ｌ１は、従来のピストンクランク機構におけるＡとＢと
の距離 ｌ２は、ＡとＢとの距離 αは、ピストンの上死点における中心線ＸＸに対する連
接棒の傾斜角 βは、ピストンの下死点における中心線ＸＸに対する連
接棒の傾斜角 θは、Ｂ１からＢ２にいたる外回りのクランク軸の回転
角 δは、Ｂ１からＢ２にいたる内回りのクランク軸の回転
■

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）（イ）１個のピストン（１）に天びん材（３）を
   介して２本の連接棒（６）（６）を組合わせる。 （ロ）天びん材（３）は、上部軸受（４）においてピス
   トンピン（２）でピストン（１）と連接し、下部軸受（
   ５）（５）において連接ピン（８）（８）で連接棒小端
   （７）（７）と連接する。 （ハ）連接棒大端（９）（９）は、クランク軸（１０）
   （１０）のクランクピン（１１）（１１）と連接する。 （ニ）クランク軸（１０）（１０）は、２軸で一対とし
   、それぞれ同軸に固定された歯車（１２）（１２）でか
   み合い、対称的な逆回転を行う。 このように構成し、ピストン（１）の往復運動を２軸の
   クランク軸（１０）（１０）の対称的な逆回転運動に、
   又は、その反対に２軸のクランク軸（１０）（１０）の
   対称的な逆回転運動をピストン（１）の往復運動に変換
   する方式の往復運動と回転運動との変換機構
2. （２）中央上部にピストンピン（２）でピストン（１）
   と連接するための上部軸受（４）を、下部両脇に連接ピ
   ン（８）（８）で連接棒小端（７）（７）と連接するた
   めの下部軸受（５）（５）を有する天びん材（３）（３
   ）天びん材（３）の下部軸受（５）を連接ピン（８）で
   連接するため、ふたまた状の小端（７）を有する連接棒
   （６）