KR20100014311A

KR20100014311A - 선형-회전 운동 변환 메커니즘

Info

Publication number: KR20100014311A
Application number: KR1020097014491A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 이안 패너; 도널드 머레이 클루카스; 마크 하리누이 톰슨; 앤드류 칼 디흘
Original assignee: 휘스퍼 테크 리미티드
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2010-02-10
Also published as: CN101641497A; US20100132354A1; JP2010512499A; EP2097614A2; CA2672649A1; EP2097614A4; WO2008072984A3; WO2008072984A2

Abstract

선형 왕복 운동과 회전 운동 사이를 변환하는 축방향 메커니즘은 제트-크랭크 샤프트와, 제트-크랭크 샤프트의 경사진 크랭크 핀에 회전 가능하게 장착되는 워블 부재와, 워블 부재의 피봇 조인트와 각각의 피스톤 사이에 커넥팅 로드를 구비하는 하나 이상의 피스톤을 포함한다. 일 실시예에서, 커넥팅 로드는, 커넥팅 로드의 워블 부재 단부에서 360°의 궤도에서 비스듬한 운동을 수용하기에 충분한 고유 가요성을 구비한다. 다른 실시예에서, 이러한 피봇 조인트 각각은 일체형 유닛을 워블 부재에 끼워진다. 다른 실시예에서, 제트-크랭크 샤프트는 제트-크랭크 샤프트의 출력 구동 단부를 따라 이격된 베어링에 의해 회전하도록 지지되며, 이러한 베어링은 모두 제트-크랭크 샤프트의 일 측면에 배치된다. 다른 실시예에서, 토크 억제 부재는, 토크 억제 부재의 제한된 진동 및 길이방향 운동을 허용하는 탄성 부재 또는 베어링을 통해, 워블 부재와 비이동 기준점 사이에 결합된다.

제트-크랭크 샤프트(z-crank shaft), 워블 부재(wobble member), 윤활 연통 통로 (lubrication communication passage), 토크 억제 부재(torque restraint member), 피스톤(piston)

Description

선형-회전 운동 변환 메커니즘 {LINEAR-ROTARY MOTION CONVERSION MECHANISM}

본 발명은 예컨대 하나 이상의 피스톤의 선형 왕복 운동을 피스톤의 선형 운동 축에 평행한 축 주위의 회전 운동으로 변환하는 메커니즘을 포함한다. 이와 달리, 메커니즘은 회전 운동을 선형 왕복 운동으로 변환시킬 수도 있다. 메커니즘은 예를 들어 엔진, 펌프, 냉장고 또는 압축기에 사용될 수 있다.

축방향 엔진에서, 피스톤의 선형 왕복 운동은 선형 왕복 피스톤 운동의 축에 평행한 축 주위의 회전 운동으로 변환된다. 통상적으로, 복수의 피스톤이 엔진의 출력 샤프트의 축 주위에 배열된다. 이와 달리, 유사한 구조의 펌프 또는 압축기에서는, 입력 회전 운동이 평행 축 또는 회전 입력 운동의 축에 평행한 축을 따르는 다수의 피스톤의 선형 왕복 운동으로 변환된다.

스와시판 메커니즘(swash plate mechanism)은 선형 왕복 운동과 회전 운동 사이를 변환하는 것으로 알려져 있다. 스와시판 메커니즘은 예를 들어 차량용 공기 조화 펌프에 널리 사용되며, 몇가지 형태의 스털링 엔진(열기관)에 사용된다.

또한, 워블 또는 제트-크랭크 메커니즘(z-crank mechanism)은 선형 왕복 운동과 회전 운동 사이를 변환하는 것으로 알려져 있으며, 저동력 용도에서 보다 높 은 기계적 효율을 제공할 수 있다.

본 발명의 목적은 선형 왕복 운동과 회전 운동 사이를 변환하는 개선된 또는 적어도 다른 형태의 축방향 메커니즘을 제공하는 것이다.

일 태양에서, 대체로 본 발명은 선형 왕복 운동과, 실질적으로 평행한 축 주위의 회전 운동 사이를 변환하는 축방향 메커니즘을 포함한다. 축방향 메커니즘은 제트-크랭크 샤프트를 포함한다. 제트-크랭크 샤프트는 제트-크랭크 샤프트의 길이방향 축 주위로 회전하도록 장착되며, 출력 구동 단부 및 경사진 크랭크 핀을 포함한다. 축방향 메커니즘은 제트-크랭크 샤프트의 경사진 크랭크 핀에 회전가능하게 장착되는 워블 부재를 포함한다. 축방향 메커니즘은 피스톤과 워블 부재 사이에 선형 왕복 운동을 연결하기 위해, 워블 부재의 조인트와 각각의 피스톤 사이에 커넥팅 로드를 구비하는 하나 이상의 피스톤을 포함한다. 커넥팅 로드는 커넥팅 로드의 워블 부재 단부에서 또는 워블 부재 단부를 향하여 360°의 궤도에서 비스듬한 운동을 수용하기에 충분한 고유 가요성을 구비한다.

바람직하게, 각각의 커넥팅 로드는 커넥팅 로드의 상부 단부에서 커넥팅 로드의 피스톤에 실질적으로 견고하게 결합된다.

바람직하게, 각각의 커넥팅 로드는 원형 단면으로 형성되며, 원형 단면은 커넥팅 로드에 필요한 정도의 가요성을 부여하도록 길이에 대응하는 직경을 갖는다. 커넥팅 로드는 커넥팅 로드의 길이보다 10배 이상 작은 직경을 가질 수 있다.

다른 태양에서, 대체로 본 발명은 선형 왕복 운동과, 실질적으로 평행한 축 주위의 회전 운동 사이를 변환하는 축방향 메커니즘을 포함한다. 축방향 메커니즘은 제트-크랭크 샤프트를 포함한다. 제트-크랭크 샤프트는 제트-크랭크 샤프트의 길이방향 축 주위로 회전하도록 장착되며, 출력 구동 단부 및 경사진 크랭크 핀을 포함한다. 축방향 메커니즘은 제트-크랭크 샤프트의 경사진 크랭크 핀에 회전가능하게 장착되는 워블 부재와, 워블 부재에 선형 왕복 운동을 연결하기 위해 조인트를 통해 워블 부재에 각각 연결되는 하나 이상의 피스톤을 포함한다. 축방향 메커니즘은 워블 부재 내로부터 각각의 상기 조인트까지 윤활 연통 통로를 포함한다. 상기 조인트에 의해, 피스톤은 워블 부재에 연결된다.

통상적으로, 각각의 조인트는, 워블 부재 내로부터 윤활유가 제공되는 다수의 베어링을 포함한다.

바람직하게, 워블 부재는 윤활유를 포함할 수 있는 중공 내부를 구비한다.

일 형태에서, 제트-크랭크 샤프트는 워블 부재의 중공 내부로의 내부 윤활 연통 통로를 포함하며, 내부 윤활 연통 통로에 의해 메커니즘이 작동하는 동안 가압 윤활유가 워블 부재 및/또는 워블 부재를 제트-크랭크 샤프트의 크랭크 핀에 장착하는 베어링 및/또는 각각의 상기 조인트에 제공되고, 상기 조인트에 의해 피스톤은 워블 부재에 연결된다.

다른 태양에서, 대체로 본 발명은 선형 왕복 운동과, 실질적으로 평행한 축 주위의 회전 운동 사이를 변환하는 축방향 메커니즘을 포함한다. 축방향 메커니즘은 제트-크랭크 샤프트를 포함한다. 제트-크랭크 샤프트는 제트-크랭크 샤프트의 길이방향 축 주위로 회전하도록 장착되며, 출력 구동 단부와 경사진 크랭크 핀을 포함한다. 축방향 메커니즘은 제트-크랭크 샤프트의 경사진 크랭크 핀에 회전가능하게 장착되는 워블 부재와, 조인트를 통해 워블 부재에 각각 연결되는 하나 이상의 피스톤을 포함한다. 조인트는 다수의 베어링을 포함하며, 일체형 유닛으로서 워블 부재에 끼워진다.

바람직하게, 다수의 베어링을 포함하는 상기 일체형 조인트 유닛 각각은 워블 부재에 나사식으로 장착된다.

다른 태양에서, 대체로 본 발명은 선형 왕복 운동과, 실질적으로 평행한 축 주위의 회전 운동 사이를 변환하는 축방향 메커니즘을 포함한다. 축방향 메커니즘은 제트-크랭크 샤프트를 포함한다. 제트-크랭크 샤프트는 제트-크랭크 샤프트의 길이방향 축 주위로 회전하도록 장착되며, 출력 구동 단부와 경사진 크랭크 핀을 포함한다. 제트-크랭크 샤프트는 베어링에 의해 회전하도록 지지된다. 베어링은 모두 제트-크랭크 샤프트의 일 측면에 배치되며, 제트-크랭크 샤프트의 출력 구동 단부를 따라 이격되어 있다. 축방향 메커니즘은 제트-크랭크 샤프트의 경사진 크랭크 핀에 회전가능하게 장착되는 워블 부재와, 워블 부재에 선형 왕복 운동을 연결하는 하나 이상의 링키지를 포함한다.

이러한 구성에서, 크랭크 핀의 다른 측면에는 베어링이 없다. 또한, 바람직하게 제트-크랭크의 동일한 출력 구동 단부 상에 평형추가 제공된다.

다른 태양에서, 대체로 본 발명은 선형 왕복 운동과, 실질적으로 평행한 축 주위의 회전 운동 사이를 변환하는 축방향 메커니즘을 포함한다. 축방향 메커니즘은 제트-크랭크 샤프트를 포함한다. 제트-크랭크 샤프트는 제트-크랭크 샤프트의 길이방향 축 주위로 회전하도록 장착되며, 출력 구동 단부와 경사진 크랭크 핀을 포함한다. 축방향 메커니즘은 제트-크랭크 샤프트의 경사진 크랭크 핀에 회전가능하게 장착되는 워블 부재와, 스와시 부재에 선형 왕복 운동을 연결하는 하나 이상의 링키지를 포함한다. 축방향 메커니즘은 탄성 지지부 또는 베어링을 통해 스와시 부재와 비이동 기준점 사이에 결합되는 토크 억제 부재를 포함한다. 탄성 지지부 또는 베어링은 토크 억제 아암의 제한된 진동 운동을 허용하며, 또한 바람직하게는 토크 억제 아암의 길이방향 축의 방향으로 제한된 운동을 허용한다.

바람직하게, 탄성 지지부 또는 베어링은 토크 억제 아암의 단부에 허브 중심을 향하는 인장을 어느 정도 인가하도록 배열된다.

바람직하게, 출력 구동 단부의 길이방향 축은 제트-크랭크 샤프트의 크랭크 핀의 길이방향 축을, 구체적으로 본 명세서에서 "허브 중심"으로 언급되는 지점의 양 측면을 통과하는 지점에서, 토크 억제 부재는 크랭크 핀의 길이방향 축을 횡단하여 통과하는 축을 따라 제트-크랭크 샤프트의 회전 축의 양 측면 상에서 워블 부재에 피봇가능하게 결합된다.

본 명세서에서, 다른 지시가 없다면 "왕복 운동을 회전 운동으로 변환" 한다는 것은 반대로 회전 운동을 왕복 운동으로 변환하는 것을 포함한다. 또한, "피스톤"이란 용어는, 단일 또는 이중-작동 엔진의 공지된 형태의 피스톤, 배제기(displacer) 및 위치 설정 메커니즘에 사용될 수 있는 것과 같은 왕복 램을 포함하지만, 이러한 것들로 제한되는 것은 아니다.

본 명세서 및 청구항에서 사용되는 '포함한다'라는 용어는 '적어도 일부를 포함하는' 것을 의미하며, 이는 이러한 용어를 독립 청구항에 개재하고 있는 경우, 각각의 청구항에서는 이러한 용어로 서술되는 구성이 제공될 필요가 있으나, 또한 다른 구성도 제공될 수 있다는 것을 의미한다.

첨부된 도면은 외부 연소/열 기관에 이용되는 본 발명의 메커니즘의 바람직한 형태를 예시로서 도시하며, 이는 본 발명을 제한하지 않는다.

도 1은 바람직한 형태의 메커니즘을 포함하는 엔진의 제트-크랭크 샤프트와, 워블 부재와, 내부의 피스톤 및 커넥팅 로드를 구비한 실린더와, 토크 억제 부재의 사시도이며, 엔진은 스털링 엔진이다.

도 2는 바람직한 형태의 메커니즘의 제트-크랭크 샤프트와, 워블 부재와, 토크 억제 부재의 사시도이며, 여기서 피스톤 및 커넥팅 로드는 엔진으로부터 떨어져 있고 실린더로부터 분리되어 있으나, 커넥팅 로드에 결합하는 4개의 유니버셜 조인트는 워블 부재에 의해 지지되어 도시되어 있다.

도 3은 엔진으로부터 떨어져 있는 메커니즘의 사시도이며, 도 2와 동일한 부품들 및 커넥팅 로드를 일 측면으로부터 도시한다.

도 4는 전술한(또는 후술할) 메커니즘에 대한 도면이다.

도 5는 도 4의 선 A-A를 따라 취해진 도 3의 메커니즘의 단면도이다.

도 6은 도 3의 선 C-C를 따라 취해진 도 3의 메커니즘의 단면도이다.

도 7은 도 5와 유사한 단면도이나, 메커니즘은 엔진-발전기의 케이싱 내의 제 위치에 있으며, 또한 단면으로 발전기와 메커니즘의 하부 평형추를 도시한다.

도 8은 도 3내지 도 6의 바람직한 형태의 메커니즘에 있는 토크 억제 부재의 확대 사시도이며, 토크 억제 부재는 메커니즘의 남은 부분으로부터 분리되어 있다.

도 9는 토크 억제 부재, 워블 부재 및 베어링의 분해도이다.

도 10은 전술한 바람직한 형태의 메커니즘의 부분 분해 사시도이다.

도 11은 일 측면에서 바라본 바람직한 형태의 메커니즘의 부분 분해도이다.

도 12a는 일 형태의 토크 억제 부재의 외부 단부에 베어링을 장착하는 일 구성의 근접도이며, 도 12b는 이러한 구성의 단면도이다.

선형 왕복 피스톤 운동을 엔진의 출력 샤프트의 회전 운동으로 변환하는 본 발명의 선형-회전 운동 변환 메커니즘의 바람직한 형태가 엔진, 구체적으로 스털링 엔진의 부분으로서 설명된다. 본 명세서에서, "상부(upper)"나 "상측(top)", "하부(lower)"나 "바닥(bottom)", 또는 유사한 용어들은 메커니즘의 방향을 설명하기 위해 사용되며, 본 명세서에서는 제트-크랭크 샤프트의 출력 구동 단부가 가장 아래에, 제트-크랭크 샤프트의 크랭크 핀이 가장 위에 있으나, 본 메커니즘은 크랭크 샤프트의 출력 단부가 가장 위에, 양 측면에, 또는 임의의 방향에 있는 엔진(또는 펌프나 압축기)에도 사용될 수 있으며, 상부나 상측, 하부나 바닥, 또는 유사한 상대적인 용어들의 사용으로 인해 이하의 설명이 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다.

먼저 도 1 내지 도 7을 참조하면, 바람직한 형태의 메커니즘의 제트-크랭크 샤프트(1)가 도시되어 있다. 제트-크랭크 샤프트(1)는 출력 구동 단부(2) 및 경사 진 크랭크 핀(3)을 포함한다(구체적으로, 도 5를 참조). 제트-크랭크 샤프트(1)는 출력 구동 단부(2)의 길이방향 축 주위로 회전하도록 장착된다. 도시된 바람직한 형태에서, 제트-크랭크 샤프트(1)는 엔진의 엔진 케이싱(5) 내에 제공되는 상부 베어링(4a) 및 하부 베어링(4b)에 장착된다(도 7을 참조). 도시된 실시예에서, 스털링 엔진은 전기 발전기 또는 교류 발전기(편의상, 본 명세서에서는 발전기로 언급)를 구동한다. 발전기의 로터 조립체(50)는 제트-크랭크 샤프트의 출력 구동 단부(2) 상에 지지된다. 로터 조립체는 도시된 바와 같은 적층 구조 및 권선 구조(winding)를 포함하거나, 권선형 고정자(wound stator)와 상호작용하는 영구자석이 될 수 있다. 하부 베어링(4b)은 발전기 케이싱(53)의 하부에서 제트-크랭크 샤프트의 출력 구동 단부(2)의 바닥 단부 주위에 장착된다. 또한, 상부 베어링(4a)은 크랭크 핀(3) 아래에서 제트-크랭크 샤프트의 출력 구동 단부(2) 주위에 장착된다.

워블 부재(6)는 경사진 크랭크 핀(3)에 회전가능하게 장착된다. 바람직한 형태에서, 워블 부재(6)는 도시된 바와 같이 대체로 관형 또는 실린더형이며, 예컨데 볼 베어링(도 5, 도 7 및 도 9를 참조)이 될 수 있는 상부 베어링(7a) 및 하부 베어링(7b)에 의해 제트-크랭크 샤프트(1) 상에 지지되고, 여기서 상부 베어링(7a) 및 하부 베어링(7b)은 워블 부재(6)의 양 단부, 구체적으로는 워블 부재의 보스부(6a)의 양 측면에, 또는 그 근처에 제공되며, 이 지점에서 실린더(19; 도 1을 참조) 내에서 작동하는 4개의 피스톤에 연결되는 커넥팅 로드(29)의 하부 단부를 연결하는 4개의 너클 조인트가 워블 부재(6)에 장착된다. 후술할 바와 같이, 전술한 보스부(6a)에서 토크 억제 부재는 워블 부재(6)에 결합된다. 볼트(30)는 워블 부재(6)의 상측을 관통하여 크랭크 핀(3; 도 5를 참조)의 상측에 있는 축방향 보어에 나사결합한다(도 5를 참조).

편의상, 본 명세서에서 워블 부재(6)는 이후 보스(boss;6)로 언급될 것이다.

언급한 바와 같이, 엔진에서 작동하는 피스톤의 커넥팅 로드에 결합하는 4개의 너클 조인트는 도시된 바와 같이 보스(6) 주위에 등간격으로 이격되어 보스(6)에 고정된다. 바람직한 형태에서, 4개의 허브 핀(9) 각각에서 감소된 직경의 단부(8)는 보스(6) 주위에 반경방향으로 이격된 횡방향 보어(10)에 나사결합된다(도 6을 참조). 도시된 바람직한 형태에서는 보스(6)와 허브 핀(9)이 별도의 구성요소로서 형성되어 있으나, 이와 달리 보스(6)와 허브 핀(9), 또는 이들의 등가물은 단일의 일체형 구성요소로서 임의의 형태로 형성될 수 있다. 클레비스(11;clevis)는 횡방향 축 주위에서 허브 핀 베어링(12) 및 콘 로드 핀(13;con rod pin)을 통해 각각의 허브 핀(9)의 외부 단부에 피봇가능하게 장착된다. 콘 로드 핀(13)은 콘 로드 핀(13)의 길이방향 축을 가로지르는 보어가 있는 확대된 요크(14)를 구비하며, 이에 의해 콘 로드 핀은 허브 핀(9)의 외부 단부에 끼워져, 바람직한 형태에서 니들 롤러 베어링으로서 도시된 허브 핀 베어링(12)을 통해 허브 핀(9)에 장착된다. 클레비스(11)의 아암은 콘 로드 컵스(15;con rod cups)를 통해 콘 로드 핀(13)의 단부에 결합되며, 콘 로드 컵스(15)는 클레비스의 아암에 있는 구멍을 통해 커넥팅 로드 베어링(16), 바람직하게는 허브 핀(9)의 단부에 제공된 것과 같은 니들 롤러 베어링에 끼워진다. 또한, 내부 스러스트 베어링(17) 및 외부 스러스트 베어 링(17a)이 허브 핀의 외부 단부에서 콘 로드 핀(13)과 허브 핀(9) 사이에 제공된다. 내부 및 외부 스러스트 베어링(17, 17a)은 허브 핀(9)의 외부 주위에 있는 캡(18)의 입구부(mouth)에서 밀봉부와 함께 캡(18)에 의해 덮인다. 커넥팅 로드(29)의 하부 단부는 각각의 클레비스(11)에 결합되며, 바람직한 형태에서는 각각의 클레비스의 상부 브릿지부 내에 나사로 연결된다(구체적으로, 도 5를 참조). 기재된 실시예와 다른 실시예에서, 각각의 베어링(12, 16, 17)은 부싱에 의해 대체될 수 있다.

구체적으로 도 4, 도 6, 도 8 및 도9를 참조하면, 바람직한 형태의 메커니즘의 토크 억제 부재(20)가 도시되어 있다. 일 단부에서 토크 억제 부재는 보스(6)에 결합되며, 도시된 구체적인 실시예에서 토크 억제 부재는 또한 제트-크랭크 샤프트를 둘러싼다. 크랭크 핀(3)은 토크 억제 부재(20)의 구멍(22)을 통과하여, 구멍(22) 내에서 자유롭게 이동한다(토크 억제 부재와 접촉하지 않음). 제트-크랭크 샤프트(1)의 출력 구동 단부(2)의 길이방향 축이 크랭크 핀의 길이방향 축과 교차하는 지점에서, 스터브 샤프트(27)는 스터브 샤프트(27)를 관통하는 길이방향 축이 경사진 크랭크 핀(3)의 길이방향 축을 횡단하여 통과하도록, 토크 억제 부재로부터 보스(6)의 내부에 있는 보스(6)의 양 측면 상의 니들 롤러 베어링과 같은 베어링(21) 내로 돌출한다. 편의상, 본 명세서에서 이 지점은 "허브 중심"(또는, 이와 달리 회전 중심이나 워블 중심)으로 언급된다. 이로 인해, 토크 억제 부재(20)는 메커니즘이 운동하는 동안 허브 중심을 통과하는 축 주위로 피봇할 수 있다. 베어링(21)은 보스(6)의 측면에서 양 측면에 있는 구멍에 장착된다. 다른 형태에서는, 2개의 토크 억제 아암이 엔진의 양 측면으로부터[각각의 토크 억제 아암의 단부(24)는 메커니즘/엔진의 양 측면에 있다] 동일한 피봇 지점에서(횡방향으로 보스 중심을 관통하는 동일한 축을 따라) 보스(6)에 결합될 수 있다.

토크 억제 부재(20)의 다른 단부(24)는 비이동 기준점으로서 엔진의 케이싱에 직접 또는 간적접으로 결합된다. 바람직한 형태에서, 토크 억제 아암(20)의 단부(24)는 베어링(25; 본 명세서에서는 회전 방지 베어링으로 언급)에 장착되고, 이어서 엔진 케이싱의 부분(5)에 장착된다. 토크 억제 아암(20)의 단부(24)는 임의의 방법으로 엔진 본체나 케이싱, 또는 임의의 다른 비이동 기준점에 고정될 수 있으나, 만일 토크 억제 아암(20)의 단부(24)의 길이방향 축이 메커니즘의 허브 중심을 정확하게 통과한다면, 토크 억제 아암(20)의 단부(24)는 토크 억제 아암(20)의 단부(24)의 길이방향 축 주위에서 토크 억제 아암의 왕복 진동 운동을 허용하는 베어링에 의해 고정되어야만 한다. 그렇지 않다면, 또한 토크 억제 아암(20)은 또한 메커니즘이 회전할 때 얼마간의 길이방향 왕복 운동[토크 억제 아암(20)의 단부(24)의 축을 따르는 왕복 운동]을 할 수 있다. 이러한 길이방향 왕복 운동의 적어도 적은 정도를 수용하기 위해, 회전 방지 베어링(25)을 장착해, 회전 방지 베어링이 토크 억제 아암의 길이방향 축의 방향으로 어느 정도 이동하게 할 수 있다. 예를 들어, 회전 방지 베어링(25)은 토크 억제 아암의 단부(24)의 임의의 이러한 길이방향 왕복 운동을 허용하도록 탄력있게 장착될 수 있다. 도 12a 및 도 12b는 회전 방지 베어링(25)을 장착하기 위한 일 구성을 예시로서 도시한다. 도면 부호 26은 엔진 케이싱의 부분(5)에서 직립부를 나타낸다. 직립부(26)의 하부에 관통 구멍이 형성되고, 이 관통 구멍 내로 토크 억제 아암(20)의 단부(24)가 연장하며, 그 위에 니들 롤러 베어링으로서 도시된 회전 방지 베어링이 구비된다. 이어서, 회전 방지 베어징(25)은, 예컨데 스프링 스틸로 형성될 수 있는 탄성 요소(63)의 자유 단부에 고정되는 베어링 장착 캡(62) 내에 유지되며, 탄성 요소(63)의 다른 단부는 도시된 바와 같이 체결구(64)에 의해 직립부(26)에 고정된다. 이러한 구성으로 인해, 토크 억제 아암(20)의 단부(24)에 허브 중심을 향하여, 예를 들어 유리하게 화살표 A2 방향으로 어느 정도의 힘이 인가되는 동안, 스프링 스틸 요소(63)의 하부 단부는 도 12b의 화살표 A1-A2의 방향으로 자유롭게 왕복하여 굽히게 된다. 이러한 탄성 장착의 다른 이점은 자기-정렬(self-aligning) 된다는 것이다. 또한, 어느 정도의 길이방향 운동 및/또는 자기 정렬이 가능하도록 회전 방지 베어링(25)을 장착하는 임의의 다른 대체 구성이 적용될 수 있다.

작동 상태에서, 엔진의 피스톤에 의해 도 3의 화살표 LM 방향으로 구동되는 커넥팅 로드(29)의 선형 왕복 운동은 화살표 RM(또는, 예컨데 역방향은 펌프 또는 압축기 용도이다)으로 도시된 바와 같이 제트-크랭프 부재(1)의 출력 샤프트 단부(2)의 회전 운동으로 변환된다.

허브 중심을 통과하는 횡방향 축을 따라 워블 부재 또는 보스(6)에 피봇가능하게 결합되는 토크 억제 부재로 인해, 토크 억제 아암과 워블 부재 또는 보스 사이에 있는 베어링(21)에는 비교적 가벼운 하중이 인가되어 상대적으로 작은 베어링이 사용될 수 있다. 바람직하게, 토크 억제 아암과 보스 사이에 있는 베어링(21)을 통과하는 축은 엔진의 실린더 및 커넥팅 로드의 길이방향 축에 45°를 이루고, 이는 작동하는 동안 콘 로드 연결 너클 조인트에 의해 실행되는 8개의 작동 형상의 폭을 최소화하며, 결과적으로 피스톤에 인가되는 측방 하중 및 진동을 최소화한다.

커넥팅 로드 단부의 8개의 작동 형상으로 인해, 2배의 엔진 진동수에서 엔진의 비틀림 진동이 발생한다. 4개의 실린더로 구성된 장치에서 바람직하게 베어링(25)의 위치가 적합한 위상을 가지고 접선방향으로 샤프트 회전 위치로 이동되면, 비틀림 진동은 상쇄된다.

메커니즘이 작동하는 동안, 커넥팅 로드의 하부 단부는 축방향의 왕복 운동 뿐만 아니라, 피스톤 실린더의 축방향에서 내려다 보았을 때 360°의 궤도에서 약간 비스듬한 운동도 한다. 바람직한 형태에서, 이러한 운동은, 이러한 운동을 수용하기에 충분한 고유 가요성(inherent flexibility)을 갖는 커넥팅 로드를 구성함으로써 수용된다. 통상적으로, 커넥팅 로드는 강성이 되도록 형성된다. 커넥팅 로드는 원형 또는 둥근 단면을 가질 수 있다. 커넥팅 로드의 길이에 대한 단면의 직경은 커넥팅 로드에 필요한 정도의 가요성을 부여하도록 구성된다(비록 커넥팅 로드가 예컨데 스틸로 형성될지라도). 이 때, 커넥팅 로드는 너클 조인트 단부에서 360°의 궤도를 통해 굽힐 것이다. 커넥팅 로드는 커넥팅 로드의 길이 보다 10배 이상 작은 직경을 가질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 커넥팅 로드는 커넥팅 로드의 좌굴(buckling) 없이 하향 피스톤력을 워블 메커니즘에 효과적으로 전달하기에 충분한 강성을 갖는다. 커넥팅 로드는 그것이 2개의 평면에서 굽힐 때 2중 만곡 커넥팅 로드로서 설명될 수 있다. 커넥팅 로드의 상부 단부에서 피스톤에 연결되는 커넥팅 로드의 연결부는 강성이 될 수 있으며, 이에 의해 이러한 연결부에서 유니버셜 조인트의 요구를 피할 수 있다. 게다가, 커넥팅 로드의 상부 단부와 피스톤 사이에 있는 임의의 이러한 조인트에 윤활을 제공할 필요가 없다.

기재된 바람직한 실시예에서, 제트-크랭크 샤프트(1)는 전술한 바와 같이 엔진 케이싱의 부분(5)에 장착된 베어링(4a)과, 발전기 케이싱(53)의 하부에 장착된 베어링(4b)에 의해 지지되며, 2개의 베어링은 모두 제트-크랭크 샤프트(1)의 경사진 크랭크 핀(3) 아래에 있다. 크랭크 핀 위에는 베어링이 없다. 또한, 평형추는 크랭크 핀(3) 아래에 제공된다. 상부 평형추(46)는 제트-크랭크 샤프트의 상부 단부쪽에 고정되며, 크랭크 핀(3)에 대해서는 아래에, 베어링(4a)에 대해서는 위에 있게된다. 하부 평형추(45)는 베어링(4b) 아래에 장착된다. 또한, 하부 평형추(4b)는 베인을 포함할 수 있으며, 베인은 발전기의 냉각 팬으로서 작동할 것이다. 이러한 구성에서는, 또한 보스(6)를 크랭크 핀(3)에 장착하는 하부 베어링(7) 아래의 밀봉부(31; 도 5를 참조)가 되는 단일 밀봉부를 제공하는 것이 필요하다. 이러한 밀봉부는 허브 조립체 내부의 윤활 상태를 유지시킨다.

바람직한 형태에서, 허브 핀(9)은 보스에 나사결합한다. 베어링(12, 16, 17)을 포함하는 커넥팅 로드 너클 조인트와, 허브 핀(9)은 각각 보스(6)와 별개의 유닛으로 형성되어, 보스(6)에 나사결합될 수 있다. 이러한 구조는, 단지 너클 조인트 허브 핀 조립체를 보스(6)로부터 풀어내고, 그곳에 교체품을 나사결합하는데, 커넥팅 로드를 클레비스(11)로부터 끊기만 하면 되므로, 메커니즘의 조립 및 후속으로 임의의 너클 조인트 베어링을 교체하는데 유리하다.

도시된 바람직한 형태의 메커니즘에서, 중공 보스(6)의 상측은 캡(도시되지 않음)에 의해 폐쇄된다. 보스(6)의 하부 단부는 회전 립 밀봉부(31; 도 5를 참조)에 의해 제트-크랭크 샤프트에 밀봉되며, 토크 억제 아암의 요크 단부(21a)와 보스 사이에 있는 각각의 베어링(32)들은 합체된 밀봉부를 구비한다. 보어(10)는 허브 핀(9)을 통해 커넥팅 로드 너클 조인트 베어링과 보스부의 내부벽 사이에서 연통한다. 오일 윤활 시스템에서, 가압 오일은 제트-크랭크 샤프트(1)를 통해 위쪽으로 보어를 경유해 가압되어, 허브 핀(9)을 통해 보어(10)를 경유하여 허브 핀 베어링(12), 커넥팅 로드 스러스트 베어링(17) 및 클레비스-허브 핀 베어링(16)에 공급될 수 있다. 오일은 허브 핀 단부와 제트-크랭크 샤프트의 크랭크 핀 사이에서 각각의 허브 핀(9)의 내부 단부 상의 슈(shoe)에 의해 보어(10)에 전달될 수 있으며, 이는 가압 오일 공급을 끌어올린다. 이와 달리, 비가압 오일 윤활 시스템에서, 보스(6)의 내부는 오일 저장소로서 역할을 할 수 있으며, 각각의 허브 핀(9)의 단부와 크랭크 핀 사이의 슈는 메커니즘이 작동할 때 오일을 끌어올려 이를 너클 조인트 베어링에 전달할 수 있다. 그리스 윤활 시스템에서, 보스(6)의 내부는 가압 그리스로 채워질 수 있으며, 가압 그리스는 보어(10)를 통해 너클 조인트 베어링에 공급된다. 엔진 메커니즘을 정비하는 동안에, 모든 베어링은 보스(6)의 벽을 통하는 단일 접관(nipple)에 가압 그리스를 공급함으로써 재윤활될 수 있다.

전술한 기재는 본 발명의 바람직한 형태를 포함하여 본 발명을 설명한다. 당업자에게 자명한 변경 및 수정은 첨부된 청구의 범위에서 정의하는 바와 같은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims

선형 왕복 운동과, 실질적으로 평행한 축 주위의 회전 운동 사이를 변환하는 축방향 메커니즘이며,

제트-크랭크 샤프트의 길이방향 축 주위로 회전하도록 장착되며, 출력 구동 단부와 경사진 크랭크 핀을 포함하는 제트-크랭크 샤프트와,

상기 제트-크랭크 샤프트의 상기 경사진 크랭크 핀에 회전가능하게 장착되는 워블 부재와,

피스톤과 상기 워블 부재 사이에 선형 왕복 운동을 연결하기 위해, 상기 워블 부재의 피봇 조인트와 각각의 피스톤 사이에 커넥팅 로드를 구비하는 하나 이상의 피스톤을 포함하며,

상기 커넥팅 로드는, 상기 커넥팅 로드의 상기 워블 부재 단부에서 또는 상기 워블 부재 단부를 향하여 360°의 궤도에서 비스듬한 운동을 수용하기에 충분한 고유 가요성을 구비하는 축방향 메커니즘.
제1항에 있어서,

상기 각각의 커넥팅 로드는 상기 커넥팅 로드의 일 단부에서 상기 커넥팅 로드의 피스톤에 실질적으로 견고하게 결합되는 축방향 메커니즘.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 각각의 커넥팅 로드는 실질적으로 원형 단면을 포함하며,

상기 원형 단면은, 상기 커넥팅 로드의 상기 워블 부재 단부에서 또는 상기 워블 부재를 향하여 360°의 궤도에서 비스듬한 운동을 수용하기에 충분한 고유 가요성을 상기 커넥팅 로드에 부여하도록, 길이에 대응하는 직경을 갖는 축방향 메커니즘.
제3항에 있어서,

각각의 커넥팅 로드는 상기 커넥팅 로드의 길이보다 10배 이상 작은 직경을 갖는 축방향 메커니즘.
선형 왕복 운동과, 실질적으로 평행한 축 주위의 회전 운동 사이를 변환하는 축방향 메커니즘이며,

제트-크랭크 샤프트의 길이방향 축 주위로 회전하도록 장착되며, 출력 구동 단부와 경사진 크랭크 핀을 포함하는 제트-크랭크 샤프트와,

상기 제트-크랭크 샤프트의 상기 경사진 크랭크 핀에 회전가능하게 장착되는 워블 부재와,

상기 워블 부재에 선형 왕복 운동을 연결하기 위해, 하나 이상의 피봇 조인트를 통해 상기 워블 부재에 각각 연결되는 하나 이상의 피스톤과,

상기 워블 부재 내로부터 상기 하나 이상의 각각의 피봇 조인트까지 윤활 연통 통로를 포함하는 축방향 메커니즘.
제5항에 있어서,

상기 하나 이상의 피봇 조인트 각각은, 상기 윤활 연통 통로를 통해 상기 워블 부재 내로부터 윤활유가 제공되는 다수의 베어링을 포함하는 축방향 메커니즘.
제5항 또는 제6항에 있어서,

상기 제트-크랭크 샤프트는 상기 워블 부재의 중공 내부로의 내부 윤활 연통 통로를 포함하며,

상기 내부 윤활 연통 통로에 의해, 상기 메커니즘이 작동하는 동안, 가압 윤활유가 상기 워블 부재 및/또는 상기 워블 부재를 상기 제트-크랭크 샤프트의 상기 크랭크 핀에 장착하는 베어링 및/또는 상기 하나 이상의 피봇 조인트 각각에 제공되고,

상기 하나 이상의 피봇 조인트에 의해, 상기 하나 이상의 피스톤은 상기 워블 부재에 연결되는 축방향 메커니즘.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 윤활 연통 통로가, 초기에는 상기 피봇 조인트와 상기 워블 부재 사이에 있는 허브 핀을 통해, 상기 워블 부재의 내부와 상기 하나 이상의 피봇 조인트 각각의 사이에서 연통하는 축방향 메커니즘.
제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 워블 부재는 윤활유의 저장소를 포함하기 위한 중공의 내부를 구비하는 축방향 메커니즘.
선형 왕복 운동과, 실질적으로 평행한 축 주위의 회전 운동 사이를 변환하는 축방향 메커니즘이며,

제트-크랭크 샤프트의 길이방향 축 주위로 회전하도록 장착되며, 출력 구동 단부와 경사진 크랭크 핀을 포함하는 제트-크랭크 샤프트와,

상기 제트-크랭크 샤프트의 상기 경사진 크랭크 핀에 회전가능하게 장착되는 워블 부재와,

피봇 조인트를 통해 상기 워블 부재에 각각 연결되는 하나 이상의 피스톤을 포함하며,

상기 피봇 조인트는 다수의 베어링을 포함하고, 일체형 유닛으로서 상기 워블 부재에 끼워지는 축방향 메커니즘.
제10항에 있어서,

상기 일체형 피봇 조인트 유닛 각각은 상기 워블 부재에 나사식으로 장착되는 축방향 메커니즘.
제11항에 있어서,

상기 일체형 피봇 조인트 유닛 각각은, 상기 워블 부재에 나사결합되는 상기 피봇 조인트 유닛의 나사식 허브 핀 부분에 의해 상기 워블 부재에 나사식으로 장착되는 축방향 메커니즘.
선형 왕복 운동과, 실질적으로 평행한 축 주위의 회전 운동 사이를 변환하는 축방향 메커니즘이며,

제트-크랭크 샤프트의 길이방향 축 주위로 회전하도록 장착되며, 출력 구동 단부와 경사진 크랭크 핀을 포함하는 제트-크랭크 샤프트와,

상기 제트-크랭크 샤프트의 상기 경사진 크랭크 핀에 회전가능하게 장착되는 워블 부재와,

상기 워블 부재에 선형 왕복 운동을 연결하는 하나 이상의 링키지를 포함하며,

상기 제트-크랭크 샤프트는 상기 제트-크랭크 샤프트의 상기 출력 구동 단부를 따라 이격되어 있는 베어링에 의해 회전하도록 지지되고,

상기 베어링은 모두 상기 제트-크랭크 샤프트의 일 측면에 배치되는 축방향 메커니즘.
제13항에 있어서,

상기 제트-크랭크 샤프트의 상기 출력 구동 단부 상에 평형추가 제공되는 축방향 메커니즘.
제14항에 있어서,

상기 제트-크랭크 샤프트의 상기 출력 구동 단부의 양 단부에 또는 양 단부를 향해 평형추가 제공되는 축방향 메커니즘.
제15항에 있어서,

하나의 평형추는 냉각 팬으로서 작동하는 베인을 포함하는 축방향 메커니즘.
선형 왕복 운동과, 실질적으로 평행한 축 주위의 회전 운동 사이를 변환하는 축방향 메커니즘이며,

제트-크랭크 샤프트의 길이방향 축 주위로 회전하도록 장착되며, 출력 구동 단부와 경사진 크랭크 핀을 포함하는 제트-크랭크 샤프트와,

상기 제트-크랭크 샤프트의 상기 경사진 크랭크 핀에 회전가능하게 장착되는 워블 부재와,

스와시 부재에 선형 왕복 운동을 연결하는 하나 이상의 링키지와,

탄성 지지부 또는 베어링을 통해 상기 워블 부재와 비이동 기준점 사이에 결합되는 토크 억제 부재를 포함하며,

상기 탄성 지지부 또는 베어링은, 상기 토크 억제 부재의 길이방향 축 주위에서 상기 경사진 크랭크 핀에 대한 상기 토크 억제 부재의 제한된 진동 운동 및 상기 토크 억제 부재의 길이방향 축을 따르는 제한된 운동을 허용하는 축방향 메커 니즘.
제17항에 있어서,

상기 탄성 지지부 또는 베어링은 상기 토크 억제 부재에 상기 경사진 크랭크 핀을 향하는 힘을 인가하도록 배열되는 축방향 메커니즘.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 워블 부재와 비이동 기준점 사이에 결합되는 토크 억제 부재를 포함하며,

상기 토크 억제 부재의 일 단부는 상기 워블 부재의 내부에 있는 상기 제트-크랭크 샤프트의 상기 경사진 크랭크 핀에 결합되고,

상기 토크 억제 부재는 상기 토크 억제 부재의 상기 일 단부로부터 상기 워블 부재의 양 측면에 있는 베어링 내로 돌출하는 스터브 샤프트를 포함하는 축방향 메커니즘.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 워블 부재와 비이동 기준점 사이에 결합되는 토크 억제 부재를 포함하며,

상기 제트-크랭크 샤프트의 상기 출력 구동 단부의 길이방향 축이 상기 경사진 크랭크 핀의 길이방향 축과 교차하는 지점에서, 상기 토크 억제 부재가 상기 제 트-크랭크 샤프트의 상기 경사진 크랭크 핀의 길이방향 축을 횡단하여 통과하는 축을 따라 상기 워블 부재에 피봇가능하게 결합되는 축방향 메커니즘.
제20항에 있어서,

상기 토크 억제 부재는, 엔진의 실린더 및 커넥팅 로드의 길이방향 축에 대해 약 45°의 각도로, 상기 제트-크랭크 샤프트의 상기 경사진 크랭크 핀의 길이방향 축을 횡단하여 통과하는 축을 따라 상기 워블 부재에 피봇가능하게 결합되는 축방향 메커니즘.
제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 워블 부재는 대체로 관형 또는 실린더형이며, 상기 제트-크랭크 샤프트의 상기 경사진 크랭크 핀 주위에 있는 축방향 메커니즘.
제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 워블 부재는, 상기 경사진 크랭크 핀의 양 단부에 또는 양 단부 근처에 제공되는 상부 베어링 및 하부 베어링에 의해 상기 제트-크랭크 샤프트의 상기 경사진 크랭크 핀 상에 지지되는 축방향 메커니즘.
엔진에 있는 하나 이상의 피스톤의 선형 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하기 위하여, 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 축방향 메커니즘을 포함하는 엔진.
제24항에 있어서,

상기 엔진은 열기관인 엔진.
제24항에 있어서,

상기 엔진은 스털링 엔진인 엔진.
제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제트-크랭크 샤프트의 상기 출력 구동 단부에 결합되는 전기 발전기를 구비하는 엔진.
제27항에 있어서,

상기 전기 발전기의 로터 조립체는 상기 제트-크랭크 샤프트의 상기 출력 구동 단부 상에 지지되는 엔진.
제24항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,

마이크로 열병합 발전 유닛인 전기 발전기에 결합되는 엔진.
회전 운동을 펌프 또는 압축기에 있는 하나 이상의 피스톤의 선형 왕복 운동 으로 변환하기 위하여, 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 축방향 메커니즘을 포함하는 펌프 또는 압축기.
제24항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,

엔진, 펌프 또는 압축기가 복수의 실린더 장치인 엔진, 펌프 또는 압축기.