KR20200003412A - 직선 왕복/회전 운동 변환 장치 및 실린더 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직선 왕복/회전 운동 변환 장치 및 실린더 장치를 개시하며, 특히 기계적 변속 분야에서 사용되는 직선 왕복/회전 운동 변환 장치 및 실린더 장치에 관한 것이다. 직선 왕복/회전 운동 변환 장치는 메인 샤프트, 직선 운동 가이드 기구, 섹터 기어 및 랙 프레임을 포함한다. 섹터 기어는 상기 메인 샤프트와 고정 연결된다. 랙 프레임의 내부 벽에는 기어 랙 쌍이 배치된다. 기어 랙 쌍은 섹터 기어의 양측에 분리 배치된 제1 기어 랙 및 제2 기어 랙을 포함한다. 직선 왕복/회전 운동 변환 장치는 상기 메인 샤프트와 고정 연결된 역전 기구를 더 포함한다. 실린더 장치는, 직선 왕복/회전 운동 변환 장치, 커넥팅 로드, 피스톤, 및 실린더 몸체를 포함한다. 실린더 몸체는 피스톤에 슬리브되고, 실린더 몸체의 일단에 실린더 헤드가 배치된다. 본 발명의 해결 수단으로 변속 효율이 현저하게 개선되고 에너지 소비를 감소 시키고 매끄럽고 연속적인 동작을 이룰 수 있다.

Description

직선 왕복/회전 운동 변환 장치 및 실린더 장치
본 발명은 직선 왕복/회전 운동 변환 장치 및 실린더 장치에 관한 것으로, 특히 기계적 변속 분야에서 사용되는 직선 왕복/회전 운동 변환 장치 및 실린더 장치에 관한 것이다.
종래기술에는 직선 왕복 운동 및 회전 운동 사이의 변환을 위한 복수의 기구들이 있으며, 가장 널리 사용되는 기구는 공기 압축기 또는 엔진에 사용되는 크랭크 링크 기구다. 그러나, 크랭크 링크 기구는 상대적으로 낮은 변속 효율을 갖는다. 피스톤 엔진을 예로 들면, 크랭크 링크 기구를 갖는 엔진의 연료 사용 효율은 장시간 동안 크게 향상되지 않고 약 30%에 불과하다.
피스톤 엔진의 효율을 향상시키기 위해, 통상의 기술자는 피스톤 엔진의 변속 장치를 지속적으로 개선하고 최적화하였다. 예를 들어, 특허 번호 CN105114179A는 샤프트형 커넥팅 로드 변속 시스템 및 대향하는 피스톤 엔진을 개시한다. 변속 시스템은 메인 샤프트 및 적어도 하나의 직선 왕복 운동 유닛을 포함한다. 직선 왕복 운동 유닛은 적어도 하나의 직선 왕복 운동 몸체를 포함한다. 대응하는 샤프트형 커넥팅 로드의 일단은 직선 왕복 운동 몸체와 고정 연결되고, 커넥팅 로드의 타단은 대응하는 푸시-풀 프레임과 연결된다. 푸시-풀 프레임에는 슬라이드 블록이 배치된다. 슬라이드 블록의 두 개의 외부 벽과 푸시-풀 프레임의 두 개의 횡방향 내부 벽은 슬라이딩 맞춤 결합되어 있다. 타원형의 기준원을 갖는 내부 톱니가 슬라이드 블록의 내부 링에 배열된다. 내부 톱니는 메인 샤프트상에서 대응되게 배치된 기어와 원형으로 맞물린다. 메인 샤프트와 역전 블록(reversing block) 사이에 역전 기구(reversing mechanism)가 배치된다. 샤프트형 커넥팅 로드 변속 시스템은 직선 왕복 운동을 회전 운동으로 변환할 수 있지만, 작동 중에 슬라이드 블록의 왕복 운동은 시스템의 하중 및 기계적 마찰을 증가시키고, 시스템을 진동시킨다. 샤프트형 커넥팅 로드 변속 시스템은 효율이 낮고, 소음이 크고, 불안정적으로 작동하며, 이 기구는 쉽게 막히고 정지되며 신뢰성이 낮다.
다른 예로서, 발명의 특허 CN1399063A는 섹터-기어 엔진을 개시하고, 엔진은 피스톤 왕복 운동을 섹터 기어 회전으로 변환하기 위한 섹터-기어 기구를 채택하고, 섹터 기어는 양(positive)의 방향으로 기어 랙 쌍과 맞물리고, 음(negative)의 방향으로 기어 랙 쌍으로부터 분리된다. 그러나 기술적인 해결방안에서, 기어 랙 쌍은 섹터 기어로부터 분리된 후 구속되지 않는다. 피스톤은 피스톤 로드와 일체화된 기어 랙 쌍을 연속적으로 구동하며, 섹터 기어는 기어 랙 쌍과 다시 정확하게 맞물릴 수 없다. 이에 따라 변속이 매끄럽고 안정적일 수 없다.
따라서, 종래 기술에는 변속 효율을 현저하게 개선하고 에너지 소비를 감소시키며 매끄럽고 연속적인 동작을 지원할 수 있는 직선 왕복/회전 운동 변환 장치가 없다.
본 발명에 의해 해결될 기술적인 과제는 변속 효율을 현저하게 개선하고 에너지 소비를 감소시키며 매끄럽고 연속적인 동작을 지원할 수 있는 직선 왕복/회전 운동 변환 장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적인 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 메인 샤프트, 직선 운동 가이드 기구, 상기 직선 운동 가이드 기구에 따라 직선 이동하는 섹터 기어 및 랙 프레임을 포함하는 직선 왕복/회전 운동 변환 장치를 제공한다. 상기 섹터 기어는 상기 메인 샤프트와 고정 연결된다. 상기 랙 프레임의 내부 벽에는 기어 랙 쌍이 배치된다. 상기 기어 랙 쌍은 상기 섹터 기어의 양측에 분리 배치된 제1 기어 랙 및 제2 기어 랙을 포함한다. 상기 직선 왕복/회전 운동 변환 장치는 상기 메인 샤프트와 고정 연결된 역전 기구를 더 포함한다. 상기 역전 기구에는 가이드 곡면 및 가이드 부재가 배치된다. 상기 랙 프레임에는 역전 블록이 배치된다. 상기 역전 블록에는 제1 곡면 및 제2 곡면이 배치된다. 상기 직선 왕복/회전 운동 변환 장치가 변속 상태에 있을 경우, 상기 섹터 기어는 상기 기어 랙 쌍과 맞물린다. 상기 직선 왕복/회전 운동 변환 장치가 전환 상태에 있을 경우, 상기 섹터 기어는 상기 기어 랙 쌍과 맞물리고, 상기 역전 블록의 상기 제1 곡면은 상기 가이드 부재의 외부 표면에 의해 구속되고, 상기 역전 블록의 상기 제2 곡면은 상기 가이드 곡면에 의해 구속된다. 상기 직선 왕복/회전 운동 변환 장치가 역전 상태에 있을 경우, 상기 섹터 기어는 상기 기어 랙 쌍으로부터 해제되고, 상기 역전 블록의 상기 제1 곡면은 상기 가이드 부재의 상기 외부 표면에 의해 구속되고, 상기 역전 블록의 상기 제2 곡면은 상기 가이드 곡면에 의해 구속된다.
또한, 상기 가이드 부재는 상기 역전 기구와 고정 연결된 가이드 샤프트 및 상기 가이드 샤프트에 슬리브된 롤러 휠을 포함한다.
또한, 상기 롤러 휠과 상기 가이드 샤프트 사이에 롤링 베어링이 배치된다.
또한, 상기 기어 랙 쌍의 상기 제1 기어 랙과 상기 제2 기어 랙은 외부 기어 랙이며, 상기 섹터 기어의 축과 상기 메인 샤프트의 축은 정렬되지 않는다.
또한, 상기 직선 운동 가이드 기구는 가이드 레일이며, 상기 가이드 레일과 상기 랙 프레임 사이에 롤러가 배치된다.
또한, 두 개의 역전 블록은 상기 랙 프레임의 좌측 단부 외부 표면과 우측 단부 외부 표면 각각에 배치되며, 상기 두 개의 역전 블록은 상기 랙 프레임의 수평 횡방향 중심 축에 대해 대칭이다.
또한, 역전 기구가 단 하나만 있으며, 상기 역전 블록은 단일 측에 배치된다.
또한, 상기 제1 곡면은 전환 곡면 및 역전 곡면으로 구성되며, 상기 역전 곡면은 원형 아크 곡면으로서, 역전 프로세스 동안 상기 메인 샤프트의 중심선에 원형 중심을 갖는다.
본 발명에 의해 해결될 다른 기술적인 과제는 변속 효율을 현저하게 개선하고 에너지 소비를 감소시키며 매끄럽고 연속적인 동작을 지원할 수 있는 실린더 장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적인 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 상기 직선 왕복/회전 운동 변환 장치, 커넥팅 로드, 피스톤, 및 실린더 몸체를 포함하는 실린더 장치를 제공한다. 상기 실린더 몸체는 상기 피스톤에 슬리브된다. 상기 커넥팅 로드의 일단은 피스톤과 연결되고, 상기 커넥팅 로드의 타단은 상기 랙 프레임과 연결된다. 상기 실린더 몸체의 일단에 실린더 헤드가 배치된다. 상기 직선 왕복/회전 운동 변환 장치에 헤드 커버가 배치된다. 상기 실린더 몸체의 타단은 상기 헤드 커버와 연결된다.
또한, 상기 커넥팅 로드, 상기 피스톤, 상기 실린더 헤드, 상기 헤드 커버 및 상기 실린더 몸체는 상기 랙 프레임의 양측에 쌍으로 배치된다.
본 발명의 이점은 다음과 같다: 본 출원의 상기 직선 왕복/회전 운동 변환 장치는 랙 프레임에 배치된 메인 샤프트 및 역전 블록과 동기적으로 회전하는 역전 기구를 통해, 전환 단계 및 역전 단계에서 역전 기구에 의해, 랙 프레임상에 정확한 구속을 가능하게 한다. 따라서, 랙 프레임은 미리 결정된 트레일(trail)에 따라 이동하고, 섹터 기어는 기어 랙 쌍의 기어 랙으로부터 동기적으로 해제되며 기어 랙 쌍의 다른 기어 랙과 매끄럽고 안정적이며 중단되지 않는 방식으로 맞물린다. 섹터 기어는 기어 랙 쌍과 다시 정확하게 맞물린다. 따라서, 왕복하는 직선 운동을 회전 운동으로 변환하는 전체 프로세스가 작동 중 장치의 적은 충격, 매끄러운 역전 및 적은 기계적 소모로 연속적이며 정확하게 완료된다.
도 1은 변속 단계에서의 장치의 정면도이다.
도 2는 변속 단계에서의 장치의 단면도이다.
도 3은 변속 단계에서의 장치의 평면도이다.
도 4는 전환 단계에서의 장치의 정면도이다.
도 5는 전환 단계에서의 장치의 단면도이다.
도 6은 전환 단계에서의 장치의 평면도이다.
도 7은 역전 단계에서의 장치의 정면도이다.
도 8은 역전 단계에서의 장치의 단면도이다.
도 9는 역전 단계에서의 장치의 평면도이다.
도 10은 대향하는 이중 실린더 4 행정 피스톤 엔진에서의 장치의 구조도이다.
도 11은 대향하는 이중 실린더 이중 2 행정 피스톤 엔진에서의 장치의 구조도이다.
도 12는 대칭적으로 배치된 역전 기구의 구조도이다.
도 13은 역전 블록의 구조도이다.
도 14는 대향 피스톤 대향 실린더(Opposed Piston Opposed Cylinder, OPOC) 2 행정 엔진에서의 장치의 구조적 평면도이다.
본 발명은 도면과 함께 더 설명된다.
상기 기술적인 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 메인 샤프트(1), 직선 운동 가이드 기구(2), 직선 운동 가이드 기구(2)에 따라 직선 이동하는 섹터 기어(3) 및 랙 프레임(4)을 포함하는 직선 왕복/회전 운동 변환 장치를 제공한다. 섹터 기어(3)는 메인 샤프트(1)와 고정 연결된다. 랙 프레임(4)의 내부 벽에는 기어 랙 쌍이 배치된다. 기어 랙 쌍은 섹터 기어(3)의 양측에 분리 배치된 제1 기어 랙(41) 및 제2 기어 랙(42)을 포함한다. 직선 왕복/회전 운동 변환 장치는 메인 샤프트(1)와 고정 연결된 역전 기구(5)를 더 포함한다. 역전 기구(5)에는 가이드 곡면(51) 및 가이드 부재(52)가 배치된다. 랙 프레임(4)에는 역전 블록(43)이 배치된다. 역전 블록(43)에는 제1 곡면(431) 및 제2 곡면(432)이 배치된다. 구성 요소 사이의 이동 관계는 다음과 같이 설명된다: 직선 왕복/회전 운동 변환 장치가 변속 상태에 있을 경우, 섹터 기어(3)는 기어 랙 쌍과 맞물리며; 직선 왕복/회전 운동 변환 장치가 전환 상태에 있을 경우, 섹터 기어(3)는 기어 랙 쌍과 맞물리고, 역전 블록(43)의 제1 곡면(431)은 가이드 부재(52)의 외부 표면에 의해 구속되고, 역전 블록(43)의 제2 곡면(432)은 가이드 곡면(51)에 의해 구속되며; 직선 왕복/회전 운동 변환 장치가 역전 상태에 있을 경우, 섹터 기어(3)는 기어 랙 쌍으로부터 해제되고, 역전 블록(43)의 제1 곡면(431)은 가이드 부재(52)의 외부 표면에 의해 구속되고, 역전 블록(43)의 제2 곡면(432)은 가이드 곡면(51)에 의해 구속된다. 본 발명의 직선 왕복/회전 운동 변환 장치는 랙 프레임(4)의 직선 왕복 운동과 메인 샤프트(1)의 연속 회전 운동 사이의 상호 변환을 실현할 수 있다. 동작은 세 단계로 구성된다:
1. 변속 단계: 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 섹터 기어(3)는 본 단계에서 기어 랙 쌍과 맞물리며, 기어 랙 쌍은 랙 프레임(4)과 직선으로 이동하고, 섹터 기어(3)는 메인 샤프트(1)와 동기적으로 회전한다. 섹터 기어(3)와의 맞물림에 의해, 기어 랙 쌍은 랙 프레임의 직선 왕복 운동과 메인 샤프트(1)의 회전 운동 사이의 상호 변환을 실현한다.
2. 전환 단계: 도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 섹터 기어(3)는 본 단계에서 기어 랙 쌍의 단부와 맞물리며, 역전 기구(5)는 메인 샤프트(1)에 의해 구동되어, 가이드 부재(52) 및 가이드 곡면(51)이 랙 프레임(4) 상에서 역전 블록(43)을 구속하는 위치로 회전된다. 한편, 역전 블록(43)은 가이드 부재(52)와 가이드 곡면(51) 사이에 갇혀 있고 자유 이동이 불가능하다.
3. 역전 단계: 도 7, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 섹터 기어(3)는 본 단계에서 기어 랙 쌍으로부터 완전히 해제되며, 가이드 부재(52) 및 가이드 곡면(51)은 여전히 역전 블록(43)을 구속하는 위치에 있다. 한편, 역전 블록(43)은 가이드 부재(52)와 가이드 곡면(51) 사이에 갇혀 있고 자유 이동이 불가능하다.
전환 단계 및 역전 단계에서, 가이드 부재(52) 및 가이드 곡면(51)은 랙 프레임(4) 상에서 역전 블록(43)을 구속하고, 즉, 역전 블록(43)은 가이드 부재(52) 및 가이드 곡면(51) 사이에 형성된 구역 내에서만 이동한다.
역전 단계가 끝나면, 상기 장치는 전환 단계에 다시 진입하며, 섹터 기어(3)는 타측에 있는 기어 랙 쌍의 기어 랙의 단부와 맞물리기 시작한다. 상기 장치의 연속적인 동작으로, 섹터 기어(3)는 기어 랙 쌍과 완전히 맞물려지며, 그 후에 상기 장치는 변속 단계에 진입하기 시작한다. 상기 장치는 연속 동작을 위해 상기 세 단계에 연속적인 방식으로 진입한다.
역전 단계에서, 기어 랙 쌍은 섹터 기어(3)로부터 완전히 해제되며, 기어 랙 프레임(4)은 섹터 기어(3)의 구속 없이 연속적으로 이동하고자 하는 경향을 갖는다. 랙 프레임(4)이 계속 이동하면, 섹터 기어(3)는 다음 단계에서 기어 랙 쌍과 제대로 맞물리지 못하여, 장치의 작동 오류를 발생하게 된다. 본 출원의 역전 기구(5)는 메인 샤프트(1)와 동기적으로 회전한다. 섹터 기어(3)가 역전 단계로 회전하면, 역전 기구(5)도 역전 위치로 회전된다. 한편, 역전 블록(43)의 제1 곡면(431)은 가이드 부재(52)의 외부 표면과 접촉하게 되어, 이에 따라 가이드 부재(52)의 외부 표면이 역전 블록(43)의 일측을 구속하며; 역전 블록(43)의 제2 곡면(432)은 가이드 곡면(51)과 접촉하게 되어, 이에 따라 가이드 곡면(51)이 역전 블록(43)의 타측을 구속한다. 섹터 기어(3)가 회전하고 기어 랙 쌍과 다시 맞물려서 전환 단계에 진입하지 않는 이상, 가이드 부재(52) 및 가이드 곡면(51)의 구속으로, 랙 프레임(4)과 고정 연결된 가이드 블록은 랙 프레임(4)이 구속된 후, 랙 프레임(4)을 정지 상태로 유지한다.
전환 단계에서, 기어 랙 쌍은 섹터 기어(3)와 부분적으로만 맞물리며, 기어의 단일 톱니는 상대적으로 무거운 하중을 견딘다. 이에 따라 본 출원에서는, 역전 기구(5)가 메인 샤프트(1)와 동기적으로 회전함으로써, 섹터 기어(3)가 전환 단계로 회전되며, 역전 블록(43)의 제1 곡면(431)은 가이드 부재(52)의 외부 표면과 접촉하게 되며, 이와 중에 역전 블록(43)의 제2 곡면(432)은 가이드 곡면(51)과 접촉하게 되고, 역전 기구(5)의 곡면은 역전 블록(43)을 가이드 한다. 역전 블록(43)은, 역전 기구(5)와 역전 블록(43) 사이의 상호 작용 및 구속 하에 미리 결정된 트레일을 따라 수평으로 직선 이동한다. 전환 단계에서, 섹터 기어(3) 및 기어 랙 쌍에 작용되는 하중은 역전 기구(5)의 가이드 부재(52)의 외부 표면과 역전 블록(43)의 곡면에 더 분배되어, 상기 장치가 멈추거나 정지되지 않으면서 전환 프로세스 동안에 매끄럽게 작동되도록 한다. 본 출원의 직선 운동 가이드 기구(2)는, 랙 프레임(4)이 직선 운동 가이드 기구(2)의 구속 하에 정확하게 직선형으로 이동되도록 보장하기 위한 가이드 역할을 한다.
가이드 부재(52)는 역전 기구(5)와 고정 연결된 가이드 샤프트(512) 및 가이드 샤프트(512)에 슬리브된 롤러 휠(511)을 포함한다. 가이드 부재(52)의 롤러 휠(511)은 역전 기구(5)에 대해 자유롭게 회전 가능하다. 역전 블록(43)이 가이드 부재(52)와 롤링 마찰 방식으로 접촉하게 되면서 마찰이 감소된다.
롤러 휠(511)과 가이드 샤프트(512) 사이에 롤링 베어링이 배치되어 마찰이 최소화된다.
기어 랙 쌍은 한 쌍의 외부 기어 랙이며, 섹터 기어(3)의 축과 메인 샤프트(1)의 축은 정렬되지 않아 섹터 기어와 기어 랙 쌍 사이의 신뢰할 수 있는 맞물림에 적응한다. 섹터 기어의 축은 섹터 기어에 해당되는 기어의 축을 의미한다. 랙 프레임(4) 상의 기어 랙은 직선 기어 랙 또는 외부 기어 랙 중에 해당되며, 기어 랙과 매칭되는 섹터 기어(3)의 축은 메인 샤프트(1)의 축에 대해 동축이거나 비-동축이기도 한다. 바람직하게는, 외부 기어 랙은 오프셋-축(offset-axis) 섹터 기어(3)와 매칭되도록 사용된다. 직선 기어 랙과 비교하여, 외부 기어 랙은 다음과 같은 이점을 갖는다: 전환 단계에서 섹터 기어(3)와 맞물린 기어 랙의 기어 절삭 정도를 감소시키며; 섹터 기어(3)와 기어 랙 사이의 맞물림을 개선하여 이들 상에 하중, 특히 마지막 톱니의 하중을 균일하게 분배하며; 섹터 기어(3) 및 기어 랙의 내마모성을 증가시키며; 그리고 매끄러운 전환 프로세스를 실현시켜 거기서 발생되는 충격 소음을 방지한다.
직선 운동 가이드 기구(2)는 가이드 레일이며, 가이드 레일과 랙 프레임(4) 사이에 롤러가 배치된다. 가이드 레일의 구속하는 구조는 간단하고 콤팩트하며 정확한 한정 기능을 갖는다. 랙 프레임(4)과 가이드 레일 사이의 마찰을 줄이기 위해 롤러가 추가로 위치된다. 또한, 한정 롤러 휠(511) 및 다른 한정 방식은 선택적이다.
두 개의 역전 블록(43)은 랙 프레임(4)의 좌측 단부 외부 표면과 우측 단부 외부 표면 각각에 배치되며, 두 개의 역전 블록은 랙 프레임(4)의 수평 횡방향 중심 축에 대해 대칭이다. 상기 해결 방안으로, 대칭적인 배치를 통해 구조의 안정성이 향상되어 상기 장치의 안정적인 동작 프로세스가 가능하게 된다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 출원의 역전 기구는 대칭적으로 배치될 수 있다.
하나의 구조 형태로서, 상기 장치의 역전 기구(5)는 단 하나일 수 있으며, 해당되는 역전 블록(43)은 대응되게 단일 측에 배치된다.
제1 곡면(431)은 전환 곡면(4311) 및 역전 곡면(4312)으로 구성되며, 역전 곡면(4312)은 원형 아크 곡면으로서, 역전 프로세스 동안 메인 샤프트(1)의 중심선에 원형 중심을 갖는다. 전환 프로세스 동안, 역전 블록(43)은 전환 곡면(4311)에 의해 구속되어, 랙 프레임(4)이 이동 중에 전환 프로세스로부터 역전 프로세스로 매끄럽게 변환될 수 있게 한다. 역전 프로세스에서, 역전 블록(43)은 역전 곡면(4312)에 의해 구속된다. 역전 곡면(4312)이 원형 아크 곡면이며, 대응되는 원형 중심이 메인 샤프트(1)의 중심선에 있는 것으로, 랙 프레임은 역전 프로세스의 끝과 전환 단계의 재시작까지 역전 프로세스 동안 한 위치에 남는다. 상기 장치를 연속적이고 매끄럽게 작동시키기 위해 상기 방법을 사용함으로써 프로세스들은 원활하게 연결될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실린더 장치는, 상기 직선 왕복/회전 운동 변환 장치, 커넥팅 로드(6), 피스톤(7), 및 실린더 몸체(8)를 포함한다. 실린더 몸체(8)는 피스톤(7)에 슬리브된다. 커넥팅 로드(6)의 일단은 피스톤(7)과 연결되고, 커넥팅 로드(6)의 타단은 랙 프레임(4)과 연결된다. 실린더 몸체(8)의 일단에 실린더 헤드(9)가 배치된다. 직선 왕복/회전 운동 변환 장치에 헤드 커버(10)가 배치된다. 실린더 몸체(8)의 타단은 헤드 커버(10)와 연결된다. 본 출원의 실린더 장치는 피스톤, 실린더 및 직선 왕복/회전 운동 변환 장치에 기초한 기타 주요 구성 요소로 형성된다. 직선 왕복/회전 운동 변환 장치는 높은 변속 효율, 낮은 에너지 소비 및 안정적이고 연속적인 동작의 특성을 갖는다. 따라서, 변속을 위해 종래 기술의 크랭크 링크 6 기구를 본 출원의 직선 왕복/회전 운동 변환 장치로 대체함으로써 실린더 장치의 효율을 현저하게 향상시키며, 종래 기술에서 피스톤(7)에 의해 발생하는 실린더 몸체(8)의 마모를 감소시킨다. 본 실시예에서, 피스톤(7)과 랙 프레임(4) 사이에 커넥팅 로드(6)만 추가로 배치되며, 피스톤(7)의 직선 운동은 커넥팅 로드(6)를 통해 랙 프레임(4)으로 전달될 수 있으며, 그 다음에 랙 프레임(4)의 직선 왕복 운동이 메인 샤프트(1)의 연속적인 회전 운동으로 변환되어 상기 장치를 통해 출력된다. 또한, 본 출원의 실린더 장치로는, 종래 기술에 비하여 피스톤(7)의 양측에 있는 공동이 효과적으로 사용될 수 있다. 또한, 본 출원의 장치의 랙 프레임(4) 및 피스톤(7)에 작용하는 측력(side force)은 온전히 가이드 레일에 의해 전달되므로, 종래 기술에서 피스톤(7)에 의해 발생되는 실린더 몸체(8)의 측벽들의 마모가 방지될 수 있다. 엔진 또는 압축기의 핵심 변속 수단은 직선 왕복/회전 운동 변환 장치로서, 본 출원의 실린더 장치는 특정 요건에 따라 통상의 기술자에 의해 엔진 또는 압축기로서 설계될 수 있다.
본 출원의 실린더 장치는 다양한 형태의 엔진 및 압축기에 조립될 수 있으며, 다음을 포함하나 한정되지 않는다:
바람직한 일 실시예로서, 본 출원의 실린더 장치에서, 커넥팅 로드(6), 피스톤(7), 실린더 헤드(9), 헤드 커버(10) 및 실린더 몸체(8)는 랙 프레임(4)의 양측에 쌍으로 배치되어, 이중 피스톤 엔진 또는 이중 피스톤 압축기의 역할을 한다.
직선 왕복/회전 운동 변환 장치는 복수의 장치로 구성된다. 이러한 직선 왕복/회전 운동 변환 장치들은 동력(power) 샤프트를 통해 동력을 출력하거나 동력 샤프트를 통해 입력된 동력을 받는다.
엔진 또는 압축기의 핵심 변속 수단은 직선 왕복/회전 운동 변환 장치로서, 본 출원의 실린더 장치는 특정 요건에 따라 통상의 기술자에 의해 엔진 또는 압축기로서 설계될 수 있다.
이러한 형태에 따라 합리적인 조합이 사용될 수 있다.
본 출원의 일부 실시예는 다음과 같다:
예시 1에서, 도 10에 도시된 바와 같이, 대향하는 이중 실린더 4 행정 피스톤 엔진은, 직선 왕복/회전 운동 변환 장치, 커넥팅 로드(6), 피스톤(7), 및 실린더 몸체(8)를 포함한다. 커넥팅 로드(6)의 일단은 피스톤(7)과 연결되고, 커넥팅 로드(6)의 타단은 랙 프레임(4)과 연결된다. 실린더 몸체(8)의 일단에 실린더 헤드(9)가 배치된다. 직선 왕복/회전 운동 변환 장치에 헤드 커버(10)가 배치되며; 실린더 몸체(8)의 타단은 헤드 커버(10)와 연결된다. 피스톤(7)은 실린더 내에 위치되며 실린더 내에서 왕복 가능하다. 피스톤(7)은 실린더를 전방 가변 공동 및 후방 가변 공동으로 분리한다. 피스톤(7)의 전면에 해당하는 공동은 전면 공동으로 지칭된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 전면 공동은 순서대로 압축 행정, 동력 행정, 배기 행정, 및 공기 유입 행정으로 구성된 4 행정 사이클을 실린더 헤드(9)에 구성된 공기 유입구 및 공기 배출구의 제어를 통해 피스톤(7)의 왕복 운동과 공기 분배 시스템의 조함에 의해 반복적으로 수행된다.
예시 2에서, 도 11에 도시된 바와 같이, 대향하는 이중 실린더 이중 2 행정 피스톤 엔진은, 직선 왕복/회전 운동 변환 장치, 커넥팅 로드(6), 피스톤(7), 및 실린더 몸체(8)를 포함한다. 커넥팅 로드(6)의 일단은 피스톤(7)과 연결되고, 커넥팅 로드(6)의 타단은 랙 프레임(4)과 연결된다. 실린더 몸체(8)의 일단에 실린더 헤드(9)가 배치된다. 직선 왕복/회전 운동 변환 장치에 헤드 커버(10)가 배치되며; 실린더 몸체(8)의 타단은 헤드 커버(10)와 연결된다. 피스톤(7)은 실린더 내에 위치되며 실린더 내에서 왕복 가능하다. 피스톤(7)은 실린더를 전방 가변 공동 및 후방 가변 공동으로 분리한다. 피스톤(7)의 전면에 해당하는 공동은 전면 공동으로 지칭되며, 피스톤(7)의 후면에 해당하는 공동은 후면 공동으로 지칭된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 피스톤(7)의 왕복 운동을 통해, 실린더 몸체(8) 상의 공기 유입구는 피스톤 스커트에 의해 제어되며, 실린더 헤드(9) 상의 공기 배출구는 공기 분배 시스템에 의해 제어되어, 전면 공동이 압축 행정, 동력 행정, 소기 행정(scavenge stroke), 2 행정 사이클, 및 후면 공동의 공기 흡입 행정과 압축 사이클을 수행하고, 소기 프로세스에서 실린더 몸체의 공기 통로 및 실린더 몸체 상의 공기 유입구를 통해 전면 공동으로 압축된 공기를 공급 가능하게 한다.
예시 3에서, 예시의 단일 실린더 4 행정 피스톤 엔진은 예시 1의 대향하는 이중 실린더 4 행정 피스톤 엔진의 일측에 있는 실린더, 실린더 헤드(9), 피스톤(7) 및 커넥팅 로드(6)를 제거함으로써 형성된다.
예시 4에서, 예시의 단일 실린더 2 행정 피스톤 엔진은 예시 2의 대향하는 이중 실린더 이중 2 행정 피스톤 엔진의 일측에 있는 실린더, 실린더 헤드(9), 피스톤(7) 및 커넥팅 로드(6)를 제거함으로써 형성된다.
예시 5에서, 도 14에 도시된 바와 같이, 세 개의 직선 왕복/회전 운동 변환 장치들이 사용되며, 두 개의 커넥팅 로드(6) 및 두 개의 피스톤(7)이 피스톤 실린더 내 양측 각각에 배치되어, (OPOC 엔진이라고도 공지된) 대향 피스톤 대향 실린더 2 행정 엔진을 형성한다.
1 메인 샤프트
2 직선 운동 가이드 기구
3 섹터 기어
4 랙 프레임
41 제1 기어 랙
42 제2 기어 랙
43 역전 블록
431 제1 곡면
4311 전환 곡면
4312 역전 곡면
432 제2 곡면
5 역전 기구
51 가이드 곡면
511 롤러 휠
512 가이드 샤프트
52 가이드 부재
6 커넥팅 로드
7 피스톤
8 실린더 몸체
9 실린더 헤드
10 헤드 커버

Claims (10)

  1. 직선 왕복/회전 운동 변환 장치에 있어서, 메인 샤프트(1), 직선 운동 가이드 기구(2), 상기 직선 운동 가이드 기구(2)에 따라 직선 이동하는 섹터 기어(3) 및 랙 프레임(4)을 포함하고; 상기 섹터 기어(3)는 상기 메인 샤프트(1)와 고정 연결되며; 상기 랙 프레임(4)의 내부 벽에는 기어 랙 쌍이 배치되며; 상기 기어 랙 쌍은 상기 섹터 기어(3)의 양측에 분리 배치된 제1 기어 랙(41) 및 제2 기어 랙(42)을 포함하며; 상기 직선 왕복/회전 운동 변환 장치는 상기 메인 샤프트(1)와 고정 연결된 역전 기구(reversing mechanism)(5)를 더 포함하며, 상기 역전 기구(5)에는 가이드 곡면(51) 및 가이드 부재(52)가 배치되며, 상기 랙 프레임(4)에는 역전 블록(43)이 배치되며, 상기 역전 블록(43)에는 제1 곡면(431) 및 제2 곡면(432)이 배치되며; 상기 직선 왕복/회전 운동 변환 장치가 변속 상태에 있을 경우, 상기 섹터 기어(3)는 상기 기어 랙 쌍과 맞물리며; 상기 직선 왕복/회전 운동 변환 장치가 전환 상태에 있을 경우, 상기 섹터 기어(3)는 상기 기어 랙 쌍과 맞물리고, 상기 역전 블록(43)의 상기 제1 곡면(431)은 상기 가이드 부재(52)의 외부 표면에 의해 구속되고, 상기 역전 블록(43)의 상기 제2 곡면(432)은 상기 가이드 곡면(51)에 의해 구속되며; 상기 직선 왕복/회전 운동 변환 장치가 역전 상태에 있을 경우, 상기 섹터 기어(3)는 상기 기어 랙 쌍으로부터 해제되고, 상기 역전 블록(43)의 상기 제1 곡면(431)은 상기 가이드 부재(52)의 상기 외부 표면에 의해 구속되고, 상기 역전 블록(43)의 상기 제2 곡면(432)은 상기 가이드 곡면(51)에 의해 구속되는 것을 특징으로 하는, 직선 왕복/회전 운동 변환 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가이드 부재(52)는 상기 역전 기구(5)와 고정 연결된 가이드 샤프트(512) 및 상기 가이드 샤프트(512)에 슬리브된 롤러 휠(511)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 직선 왕복/회전 운동 변환 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 롤러 휠(511)과 상기 가이드 샤프트(512) 사이에 롤링 베어링이 배치되는 것을 특징으로 하는, 직선 왕복/회전 운동 변환 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기어 랙 쌍의 상기 제1 기어 랙과 상기 제2 기어 랙은 외부 기어 랙이며, 상기 섹터 기어(3)의 축과 상기 메인 샤프트(1)의 축은 정렬되지 않은 것을 특징으로 하는, 직선 왕복/회전 운동 변환 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 직선 운동 가이드 기구(2)는 가이드 레일이며, 상기 가이드 레일과 상기 랙 프레임(4) 사이에 롤러가 배치되는 것을 특징으로 하는, 직선 왕복/회전 운동 변환 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    두 개의 역전 블록(43)은 상기 랙 프레임(4)의 좌측 단부 외부 표면과 우측 단부 외부 표면 각각에 배치되며, 상기 두 개의 역전 블록은 상기 랙 프레임(4)의 수평 횡방향 중심 축에 대해 대칭인 것을 특징으로 하는, 직선 왕복/회전 운동 변환 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    역전 기구(5)가 단 하나만 있으며, 상기 역전 블록(43)은 단일 측에 배치되는 것을 특징으로 하는, 직선 왕복/회전 운동 변환 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 곡면(431)은 전환 곡면(4311) 및 역전 곡면(4312)으로 구성되며, 상기 역전 곡면(4312)은 원형 아크 곡면으로서, 역전 프로세스 동안 상기 메인 샤프트(1)의 중심선에 원형 중심을 갖는 것을 특징으로 하는, 직선 왕복/회전 운동 변환 장치.
  9. 청구항 1에 따른 직선 왕복/회전 운동 변환 장치를 사용하는 실린더 장치에 있어서, 상기 실린더 장치는 상기 직선 왕복/회전 운동 변환 장치, 커넥팅 로드(6), 피스톤(7), 및 실린더 몸체(8)를 포함하고; 상기 실린더 몸체(8)는 상기 피스톤(7)에 슬리브되며; 상기 커넥팅 로드(6)의 일단은 피스톤(7)과 연결되고, 상기 커넥팅 로드(6)의 타단은 상기 랙 프레임(4)과 연결되며; 상기 실린더 몸체(8)의 일단에 실린더 헤드(9)가 배치되며, 상기 직선 왕복/회전 운동 변환 장치에 헤드 커버(10)가 배치되며, 상기 실린더 몸체(8)의 타단은 상기 헤드 커버(10)와 연결되는 것을 특징으로 하는, 실린더 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 커넥팅 로드(6), 상기 피스톤(7), 상기 실린더 헤드(9), 상기 헤드 커버(10) 및 상기 실린더 몸체(8)는 상기 랙 프레임(4)의 양측에 쌍으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 실린더 장치.
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