KR20010053224A - 왕복 메커니즘 및 왕복 메커니즘을 포함하는 기관 - Google Patents

왕복 메커니즘 및 왕복 메커니즘을 포함하는 기관 Download PDF

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KR20010053224A
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알란 로저 바빙턴
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알란 로저 바빙턴
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Abstract

기관에서 사용되는 왕복 메커니즘은 행정(21)의 양 단부사이를 실질적으로 직선 왕복 방향으로 운동하는 왕복부재(1)를 포함하고, 양 기어휠(31)은 왕복부재(1)의 접선을 따라 연결되어 왕복부재(1)의 직선운동을 실질적으로 일정한 회전운동으로 전환하며, 행정의 양 단부에서 왕복부재(1)의 운동을 후진시키는 후진 크랭크 메커니즘(41,44)을 포함한다. 기관에서 사용되는 대안적인 비기어 왕복 메커니즘에서, 왕복부재(1)는 일정 폭 캠 및 피동체(51,52)에 직접 접선을 따라 운동하도록 연결되어 있다.

Description

왕복 메커니즘 및 왕복 메커니즘을 포함하는 기관{A RECIPROCATING MECHANISM AND ENGINE INCLUDING THE SAME}
도 1은 본 발명의 제 1 양상 및 제 2 양상을 구체화한 장치의 부분 정면도;
도 2는 도 1의 평면도;
도 3은 도 1 및 도 2에서 도시된 기어 메커니즘과 후진 메커니즘의 배면을 개략적으로 도시하는 도면;
도 4는 도 3의 후진 메커니즘의 대안적 실시예를 도시하는 도면;
도 5는 도 4의 후진 메커니즘의 상세히 도시하는 사시도;
도 6은 도 1, 도 2 및 도 3의 장치에서 채용된 크랭크 메커니즘의 사시도;
도 7은 도 1 및 도 2에서 도시된 기어 랙(11,12)을 구체화한 왕복부재의 사시도;
도 8은 왕복부재에 직접 연결된 일정 폭 캠 부재의 평면도;
도 9는 알기 쉽게 도시된 일정 폭 캠 부재 및 표면 베어링을 도시하는 평면도;
도 10은 피동체 부재에 캠의 표면 베어링을 지지하는 베어링의 사시도;
도 11은 베어링 가이드를 위한 대안적인 배열을 가진 부동 부재의 사시도;
도 12는 진자 평형추를 도시하는 도면;
도 13은 왕복부재 와 일정 폭 캠 부재가 분해되어 도시된 사시도; 및
도 14a 및 도 14b는 왕복부재와 일정 폭 캠 부재가 조립되어 도시된 사시도이다.
본 발명은 왕복 메커니즘에 관한 것으로, 구체적으로는 이런 왕복 메커니즘을 포함한 내연기관과 같은 기관에 관한 것이다.
알려져 있는 왕복 메커니즘은 크랭크 메커니즘 및 캠 메커니즘을 포함한다. 내연기관은 상하로 활주하는 피스톤의 직선운동을 출력축의 회전운동으로 전환하기 위해 배타적으로 크랭크 메커니즘을 이용한다.
본 발명은 제 1 양상에 따라, 두 단부사이를 실질적으로 직선 왕복 방향으로 운동하는 왕복부재, 왕복부재의 직선운동을 회전운동으로 전환하기 위해 왕복부재에 접선을 따라 작용하도록 연결되어 있는 회전수단, 및 상기 회전 수단의 회전에 따라 두 단부를 왕복하는 왕복부재의 운동을 후진시키는 후진수단을 포함하는 왕복 메커니즘이 제공된다.
본 발명의 제 2 양상에 따라, 본 발명의 제 1 양상의 왕복 메커니즘을 포함하는 기관이 제공되며, 기관의 피스톤은 왕복 부재상에 제공된다.
회전운동은 양 왕복 방향에 대해 동일한 방향으로 회전하는 것이 바람직하다.
회전수단은 하나 이상의 기어휠을 포함할 수 있고, 기어휠 또는 각 기어휠은 한 왕복 방향에 대해서만 왕복부재에 맞물려 연결된다.
회전수단은 하나 이상의 일정한 반지름의 기어휠을 포함할 수 있다.
회전수단은 두 개의 마주보는 기어휠을 포함할 수 있으며, 두 개의 마주보는 기어휠은 왕복부재 및 서로에 대해 동일한 방향으로 회전하도록 연결되어 있다.
다른 대안으로, 회전수단은 왕복부재에 직접 연결되어 있는 피동체 및 일정 푹 캠을 포함할 수 있다.
일정 폭 캠 및 피동체 부재는 진자 평형추에 연결될 수 있다.
후진수단(reversing means)은 왕복 부재와 회전수단사이에 연결된 크랭크 메커니즘을 포함할 수 있다.
후진수단은 캠 및 피동체 메커니즘을 포함할 수 있다.
캠은 회전수단에 연결될 수 있고 피동체는 크랭크 메커니즘의 랙 및 피니언에 연결될 수 있다.
크랭크 메커니즘은, 회전수단과 왕복부재가 맞물려 있는 영역 양쪽 각각의 공간거리를 두고 있는 위치에서 왕복부재에 연결된 두 개의 커넥팅 로드를 포함할 수 있다.
크랭크 메커니즘과 회전수단은 다른 크랭크 메커니즘에 의해 연결될 수 있다.
피스톤은 왕복부재의 각 단부에 제공될 수 있다.
피스톤 또는 각 피스톤은 왕복부재에 단단히 장착될 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 3은 두 개의 피스톤(2)이 양 단부에 각각 하나씩 연결된 왕복부재(1), 회전수단(3), 그리고 후진수단(4)을 포함하고 있는 내연 기관이 채용된 본 발명의 제 1양상을 구현한 왕복 메커니즘을 도시하고 있다.
왕복부재(1)는 마주보는 길이 방향을 따라 부분적으로 제공된 기어(11,12)의 랙을 구체화한 축이다. 어떠한 톱니 기어(gear teeth)도 가지지 않은 영역(13)이 톱니의 각 세트에 제공된다. 또한 왕복부재(1)는 기어 랙(11,12) 및 크랭크 메커니즘에 근접하여 배치된 커넥팅 로드를 장착하기 위한 횡방향 홀 또는 액슬과 같은 수단(15)을 포함한다. 행정의 두 단부 사이에서 정해진 직선경로에서 활주하도록 왕복부재(1)를 장착하기 위해 베어링 블록(16)이 기어(11,12)의 양측에 제공된다. 왕복부재(1)는 가벼운 합금 재료로 만들어지는 것이 바람직하고, 랙(11,12)은 고강도 재료로 만들어지는 것이 바람직하며, 왕복부재(1)는 가능한 가벼운 재료로 만들어지는 것이 바람직하다. 피스톤(2)은 각 단부에 하나씩 왕복부재(1)에 단단히 연결되는 것이 바람직하고, 이 연결은 나사 또는 핀 및 클립에 의하여 연결된다.
회전수단(3)은 서로 연결되어 실질적으로 동일한 속도 및 동일한 방향으로 회전하는 두 개의 기어휠을 포함하며, 여기서 동일한 속도란 동일한 각속도를 의미한다. 이런 기어는 스프래그 클러치, 램프 및 로울러 형태의 기어로서, 한 방향으로 회전하고 반대방향으로는 자유롭게 회전하거나, 도시된 바와 같이 세그먼트 기어일 수 있다. 각 세그먼트 기어 휠(31)은 기어부(32) 및 비기어부(33)를 가진다. 기어부(32)는 왕복부재(1)의 기어(11,12)와 맞물려 연결되도록 배열된 반면, 비기어부(33)는 항상 기어(11,12)와 맞물리지 않도록 배열된다. 각 기어휠은 베어링(161)을 가지고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 각 기어휠(31)의 동일한 축상에, 각 부(32,33)의 후방 또는 전방에, 기어 사이에 배열된 중간 기어에 의해 서로 맞물려 있는 기어(34)가 제공된다.
각 기어휠(31)의 기어부(32) 및 비기어부(33)는, 한 기어휠(31)이 행정의 양 방향 중 어느 한 방향에서 왕복부재(1)에 맞물릴 수 있도록 그리고 다른 기어휠(31)이 반대방향에서 왕복부재(1)에 맞물릴 수 있도록 적용되지만, 양 기어휠은 동일한 방향으로 함께 회전한다.
따라서, 한 기어휠(31)에서 기어휠의 톱니(32)와 톱니, 예를 들어 왕복부재(1)의 톱니(11)가 맞물리도록 배열될 때, 다른 기어휠(31)은 비기어부(33)가 톱니(32)의 위를 지나치며 맞물림 없이 회전한다. 왕복부재 행정의 양 단부에서, 기어휠(31)은 양 톱니(11,12)로부터 맞물림이 풀린다. 이 이탈은 기어휠(31)이 일정한 각속도로 회전하기 위해 필요하며, 왕복부재(1)는 행정의 양 각 단부에서 거의 동시에 멈추고 후진한다. 스프래그 클러치 및 램프 및 로울러 기어(31)는 톱니 기어(11,12)에 맞물린 채로 머물 것이며, 이들은 행정의 한 방향으로 회전할 것이고 행정의 복귀 반대방향으로 축을 중심으로 자유롭게 회전할 것이다.
중간 기어휠(35)은 메커니즘의 출력을 제공하고 이 출력은 기어박스(도시 안됨)로 전달된다. 양 기어휠(35) 중 어느 하나의 휠로부터 출력을 얻는 것이 바람직하며, 기어휠(35)은 기어휠을 연결하는 아이들러로서 작동한다. 중간 기어휠(35)과 기어휠(31)이 실질적으로 일정한 각속도로 회전하는 것이 바람직하다. 이것은 왕복부재(1)가 실질적으로 행정의 양 단부사이를 일정한 속도로 운동하고, 운동의 방향 및 각 단부에서의 속도가 매우 빨리 변화되는 것을 요구한다. 기어휠(31)의 회전속도와 일치하도록 행정의 각 단부에서 반대 방향으로 느린 속도로 정지하고 가속하도록 왕복부재(1)에 더 많은 시간을 부여하기 위해, 기어휠(31)은 행정의 각 단부에서 왕복부재(1)의 운동의 단거리에서 양 톱니(11,12)와 맞물림이 풀어질 것이다. 기어휠(35)에 일정한 각속도 출력을 허용하면서, 왕복부재(1)의 속도를 일정하지 않게 하기 위해, 적절히 형성된 톱니(11,12)와 함께 작동되는 기어휠(31)의 반지름을 변화시킬 수 있다. 기어휠이 일정한 각속도를 지니고 반지름이 큰 것은, 기어휠에 접선방향으로 배열된 왕복부재(1)가 빠르게 운동할 수 있도록 허용한다. 이것은 각 행정의 중간부 근처에서 바람직하다. 반대로, 작은 반지름은 왕복부재(1)가 느리게 운동하도록 한다. 이것은 행정의 단부 근처에서 바람직하다. 물론, 모든 경우에 채용된 기어휠은 높은 물림률은 가진 헬리컬 기어(helical gear)이다.
후진수단(4)은 일 실시예로서 도 1 내지 도 3에 도시되어 있고 대안적인 배열은 도 1, 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 각 경우에, 후진수단(4)은 두 개의 커넥팅 로드(41), 두 개의 크랭크 암을 가진 중앙 크랭크(44), 그리고 중앙 크랭크(44)에 연결되어 있는 왕복 메커니즘(38 또는 39)을 포함한다. 추가적으로 도 6 및 도 7을 참조로 하여, 커넥팅 로드(41)는 커넥팅 로드의 각 단부가 왕복부재(1)의 양 지점(15)에 회전할 수 있도록 장착된다. 크랭크 암은, 왕복부재(1)가 도 1에 도시된 바와 같이 왕복부재의 단부 어느 한쪽에 위치할때, 각 커넥팅 로드(41)가 왕복부재(1)상에서 크랭크 축의 중앙과 지점(15)사이로 연장되도록 배열한다. 이런 방식으로, 크랭크(44) 및 커넥팅 로드(41)는, 피스톤(2)과 왕복부재(1)가 원하는 행정의 단부보다 더 멀리 이동하여 각 피스톤의 실린더 헤드(21; 하나만 도시)와 충돌하는 것을 방지한다. 후진수단(4)은 행정의 각 단부에서 왕복부재(1)를 정지하고 후진하도록 작동할 수 있다. 이것은 도 1에 도시된 위치로부터 크랭크(44)를 회전시킴으로써 달성되는데, 크랭크를 시계방향으로 회전시켜 왕복부재(1)를 왼쪽으로 이동시켜 커넥팅 로드와 크랭크 축의 거리가 좁혀지고, 동시에 왕복부재(1)가 행정의 최대치에 도달한다.
도 3은 왕복부재(1)가 거의 행정의 단부에 있을 때, 크랭크(44)를 회전하도록 하는 메커니즘(38)을 도시하고 있다. 메커니즘(38)은 변위캠(45; 일정 폭 캠 도시됨) 그리고 랙 및 피동체 부재(46)를 포함하며, 피동체 부재(46)는 랙 및 피니언 조인트(44,46)에 의해 크랭크에 연결된다. 연결된 기어휠(31)에 의해 구동되는 캠(45)의 표면은 랙 및 일정 폭 피동 부재(46)를 변위시키도록 작동되며, 이 변위운동은 크랭크 피니언(44)을 회전시켜, 왕복부재(1)의 행정의 각 단부에서 크랭크와 원하는 동시적 회전으로 만든다. 로울러 베어링은 캠(45) 및 랙과 피동체 부재(46)의 표면사이의 접촉점에 제공된다.
도 4 및 도 5는 대안적인 왕복 메커니즘(39)을 도시하고 있다. 메커니즘(39)은 기어휠(31)과 크랭크(44)를 연결하는 추가적인 메커니즘을 포함한다. 기어휠(31)이 회전하면, 왕복운동이 톱니 기어(50)가 제공된 커넥팅 로드(47)에 전달된다. 이렇게 발생된 왕복운동은 왕복부재(1)의 행정의 각 단부에서 크랭크의 원하는 회전과 동시에 일어난다. 커넥팅 로드(47)는 피니언 조인트(44,47) 및 랙에 의해 크랭크와 연결된다.
위의 왕복 메커니즘 중 하나가 채용된 내연기관은 2행정 또는 4행정 기관으로 기능을 한다. 시작위치로서 도 1을 참고로 하여, 기관의 2행정 실시예가 다음과 같이 기능한다:
(I) 양 기어휠(31)은 시계방향으로 회전하며, 연료-공기 혼합물의 연소 및 폭발은 피스톤(2) 및 왕복부재(1)를 왼쪽으로 가속하도록 하며, 크랭크(44)의 시계방향의 회전과 상사점으로부터 우측 커넥팅 로드(41)의 반시계방향으로의 회전에 의해, 기어(31,11,12)의 양 세트는 서로 맞물림이 풀어지게 된다;
(II) 하부 기어휠(31)은 왕복부재(1)의 톱니 기어(12)가 왼쪽으로 이동할때, 하부 기어휠의 비기어부와 함께 회전하고, 상부 기어휠(31)의 접선 속도와 일치하며, 크랭크 메커니즘(41,44)은 왕복부재(1)를 변위시켜 톱니(11)와 상부 기어휠(31)의 톱니 기어(32)가 맞물리고;
(III) 우측 피스톤은 왼쪽으로 이동되고, 피스톤의 배럴은 아래로 이동하며, 연료-공기 혼합물은 연소되어 배기구를 통해 배출되어, 좌측 배럴의 혼합물이 압축되기 시작하고;
(IV) 좌측 혼합물은 추가적으로 압축되면, 커넥팅 로드(41)와 크랭크(44) 각각은 상사점에 도달하며, 상부 기어휠(31)의 기어부(32)는 톱니(11)와 맞물림이 풀어지고, 하부 기어휠(31)의 비기어부(33)는 톱니(12)와 맞물려 지며, 압축된 혼합물의 점화가 일어나게 되고; 그리고
(V) 크랭크 메커니즘(41,44)은 상사점에 도달하고, 왕복부재(1)는 정지상태가 되는데, 양 기어휠(31)은 톱니(11,12)로부터 맞물림이 풀어지고, 크랭크(44)는 왕복부재(1)를 복귀하도록 하기 위해 반시계방향으로 회전하기 시작하며, 혼합물이 점화가 연소 및 폭발을 전개한다.
도 8 내지 도 14는 도 1의 왕복 메커니즘과는 다른 기어를 포함하지 않는 대안적인 왕복 메커니즘(40)을 도시하고 있다. 왕복 메커니즘(40)은 왕복부재(1)를 포함하며, 도 1에서 도시된 메커니즘의 기어부가 숄더(58; 도 8 내지 도 13에서 언급됨)로 대체되어 있으며, 숄더는 일정 폭 피동체 부재(51; 도 8,11,13 및 14에 언급됨)의 파트(57)에 결부되어 연결되어 있다. 대안적인 메커니즘(도시 안됨)으로는, 왕복부재(1)가 일정 폭 피동체 부재(51)를 가진 완전한 하나의 유닛으로 형성되는 것이다. 왕복부재(1)의 직선운동은 일정 폭 피동체 부재(51)에 전달되고, 추가적인 베어링(54)에 의해 지지된 베어링 표면(53)은 내장되어 있다. 표면 베어링(53)은 일정 폭 캠(52)에 대해 지탱하고, 일정 폭 캠은 변위된 표면 베어링(53)의해 회전하고 캠에 연결된 출력축(59; 전체 도시 안됨)을 회전시킨다. 캠(52)의 측면은 변화되어 왕복부재(1)/피스톤(2) 속도의 이상적인 변화를 달성한다. 일정 폭 피동 부재(51)는 베어링 가이드(55)에 제공된다. 대안적으로, 원형 베어링(56)은 샤프트상에서 활주하도록 장착된다(도 11).
바람직하게, 평형을 달성하기 위해, 적어도 네 개 이상의 왕복부재(40)가 기관 내에 제공되여, 배열의 중앙부에 있는 두 메커니즘의 캠(52)은 동일한 방향으로 회전하고, 반대방향에서 중앙부의 어느 한 쪽상에 캠은 회전한다.
대안적으로, 도 12에 도시된 바와 같이, 균형 진자(60)는 일정 폭 피동체(51)에 연결되며, 이 진자(60)는 피동체(51)의 표면 베어링(53)의 단부중 어느 한쪽에 연결된 로드를 포함하고, 피벗(61)은 로드의 양 단부사이에 제공되고, 샤프트(53)는 피벗(62)에 연결되고, 질량(64)은 샤프트(63)에 활주할 수 있도록 장착된다. 베어링(53)으로부터 질량이 오른쪽으로 이동하면, 피벗(61)과 피벗(62)을 중심으로 하여 로드는 왼쪽으로 이동하게 되어, 질량(64)이 샤프트를 따라 이동하게 되므로, 균형이 잡힌다(베어링 및 가이드는 도시 안됨).
이런 왕복 메커니즘(40)을 채용한 내연기관은 2행정 또는 4행정 기관으로 기능한다. 시작 위치로서 도 8을 참조로 하여 기관의 2행정 실시예는 다음과 같이 기능한다:
(I) 연료-공기 혼합물의 연소 및 폭발은 우측 피스톤(2)이 왼쪽으로 이동하게 되여, 왕복부재(1) 및 피동체 부재(51)가 왼쪽으로 가속되도록 하며;
(II) 우측 표면 베어링(53)이 피동체(51)와 함께 이동하여, 캠(52)에 대해 베어링과 캠(52)이 반시계방향으로 회전하고;
(III) 우측 피스톤은 왼쪽으로 이동하고 피스톤의 배럴은 아래쪽으로 이동하게 되며 연료-공기 혼합물이 연소되고 배기구를 통하여 배출되며, 좌측 배럴은 압축되기 시작하고;
(IV) 좌측 혼합물은 추가적으로 압축되어, 캠은 지속적으로 회전하며, 압축된 혼합물의 점화가 일어나며; 그리고
(V) 혼합물의 점화는 일어나고, 좌측 피스톤(2)은 오른쪽으로 가속되어 왕복부재(1) 및 피동 부재(51)의 직선운동이 후진되어, 좌측 표면 베어링(53) 캠(52)에 대해 지탱하고 반시계방향으로의 회전을 지속하도록 한다.

Claims (17)

  1. 왕복 메커니즘으로서,
    두 단부사이를 실질적으로 직선 방향으로 왕복 운동하는 왕복부재,
    왕복부재의 직선운동을 회전운동으로 전환시키는 왕복부재의 접선을 따라 작용하도록 연결되어 있는 회전수단, 및
    상기 회전 수단의 회전에 따라 두 단부를 왕복하는 왕복부재의 운동을 후진시키는 후진수단을 포함하는 메커니즘.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 회전 운동이 두 왕복 방향에 대해 동일한 회전방향으로 운동하는 메커니즘.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 회전수단이 하나 이상의 기어휠을 포함하며, 각 기어 바퀴가 오직 한 왕복 방향에 대해 왕복부재에 맞물려 연결되어 있는 메커니즘.
  4. 제 1, 제 2 또는 제 3항에 있어서, 회전수단이 일정 반지름의 하나 이상의 기어휠을 포함하는 메커니즘.
  5. 전 항중 어느 한 항에 있어서, 회전수단이 두 개의 마주보는 기어휠을 포함하며, 기어휠이 동일한 회전방향으로 왕복부재 및 서로에 대해 맞물려 연결되어 있는 메커니즘.
  6. 전 항중 어는 한 항에 있어서, 후진수단이 왕복부재와 회전수단사이에 연결된 크랭크 메커니즘을 포함하는 메커니즘.
  7. 전 항중 어느 한 항에 있어서, 후진수단이 캠 및 피동체 메커니즘을 포함하는 메커니즘.
  8. 제 7항에 있어서, 캠은 회전수단에 연결되고 피동체는 랙 부재와 크랭크 메커니즘의 피니언에 연결되는 메커니즘.
  9. 제 6항 내지 제 8항중 어느 한 항에 있어서, 크랭크 메커니즘이 왕복부재에 연결되어 있는 두 개의 커넥팅 로드를 포함하는 메커니즘.
  10. 제 6항 또는 제 9항에 있어서, 크랭크 메커니즘과 회전수단이 추가적인 크랭크 메커니즘에 의해 연결되는 메커니즘.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 회전수단 및 후진수단이 왕복부재에 직접 연결되어 있는 일정 폭 캠과 피동체를 포함하는 메커니즘.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 일정 폭 캠 및 피동체가 진자 평형추에 연결되는 메커니즘.
  13. 전 항중 왕복 메커니즘을 포함하는 기관에 있어서,
    기관의 피스톤이 왕복부재상에 제공되는 기관.
  14. 제 13항에 있어서, 기관의 피스톤이 왕복부재의 각 단부에 제공되는 기관.
  15. 제 13항 또는 제 14항에 있어서, 각 피스톤이 왕복부재에 단단히 장착되는 기관.
  16. 첨부된 도면중 도 1 내지 도 14를 참고로 하여 실질적으로 상술된 내연기관.
  17. 첨부된 도면중 도 1 내지 도 6 또는 도 8 내지 도 14를 참고로 하여 실질적으로 상술된 왕복 메커니즘.
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