WO1995030847A1

WO1995030847A1 - Dispositif a manivelle et dispositif de machine

Info

Publication number: WO1995030847A1
Application number: PCT/JP1995/000362
Authority: WO
Inventors: Ken Takachi; Shuji Ogai
Original assignee: Longwell Japan Co., Ltd.
Priority date: 1994-05-10
Filing date: 1995-03-06
Publication date: 1995-11-16
Also published as: EP0708274A4; CN1128557A; EP0708274A1; EP0708274B1; TW320679B; MY138260A; JP2683218B2; KR960704180A; JPH07305601A; KR100379701B1; DE69519273D1

Description

明細書クランク装置及び機械装置技術分野

この発明はクランク装置に関し、さらに詳細には、蒸気機関、内燃機関、コンブレッサおよびポンプなどにおいて、その往復運動と回転運動の動力変換部分に適用される動力変換技術に関する。背景技術

この種のクランク装置を利用した機械装置の一例として、図 1 9に示すようなレシプロガソリンエンジンがある。

このエンジンは、往復運動を回転運動に動力変換する機械装置の典型例で、密閉容器であるシリンダ a内のビストン b力連接棒（コンロッド） cを介してクランク軸 dのクランクビン eに連結されてなる。

そして、上記シリンダ aの燃焼室内で燃焼するガソリンの爆発力により、上記ピストン bが上死点と下死点との間で往復直線運動して、この往復直線運動が、コンロッド cを介してクランク軸 dの連続回転運動に変換される。

レシプロガソリンエンジンは、構造が簡単軽量で高速性に富む等の特徴を有することから、作動原理が蒸気機関の発明以来すでに 2 0 0年以上を経ているにもかかわらず変わらず、現在も自動車ェンジンの主流をなしているものであるが、反面、クランク軸 dの構造的特徴に関連して以下に述べるような問題点も有している。

すなわち、クランクビン eは図示のごとく、クランク軸 dの回転中心、つまり主軸 f の軸心からクランクアーム gの長さ分だけずれた偏心位置にあるため、クランク軸 dの回転により、コンロッド cは左右方向へ揺動しながらビストン bと共に上下動することになり、クランク装置の基本動作である往復運動や回転運動に加えて横振運動も複雑に加わり、その動的バランスが非常に不安定となる。この目的のため、従来、バランスゥヱイトの重さ、形状および取付け位置などについて種々の工夫がなされて、ピストン bゃコンロッド cを含めた運動部分における動的バランスを取る方法がとられるものの、非常な困難を伴う、実際には、運動部分についての回転質量は補正できるが、往復質量は完全な補正が不可能であって、その次善策として、動的アンバランスの低減下が図られているというのが実状である。これがため、上記運動部分の不釣合い慣性力が振動や騒音の大きな要因となっていた。

また、上記のようにコンロッド cが揺動して、ピストン bの往復運動方向に対して傾く（傾き角 6 ) ことから、このピストン bには、ガス圧と慣性力によるスラスト力（側圧） Rが作用して、シリンダ aに衝突させられ（ビストンスラップ： piston slap)₀ やはり、振動 ·騒音 ·キヤビテ一シヨン ·摩擦損失などの障害の大きな要因となっていた。

この問題は、特に超大形ディーゼル期間では最大であり、これを避けるため、図 2 0に示すようないわゆるクロスへッド方式のものが採用されている。この構造においては、ピストン bとコンロッド cの間に、ピストン bの往復動方向へ摺動可能に設けられたクロスへッド hを備えてなり、ビストン bにスラストカ尺が作用するのが防止されているが、これでも根本的な問題の解消にはならないばかり力、、シリンダ aの高さの增大、さらにはエンジン自体の大型化を余儀なくされている。

この他、図示しないが、一般的なオフセットシリンダの採用や多気筒化、あるいはいわゆるサイレントシヤフト構造やロンビック機構などの特別な構造が開発されて、ピストン bの往復運動による上下方向の振動ゃコンロッドの傾きによる横方向の振動、あるいは爆発時の振動などをバランスさせて打ち消す方策が種々試みられている。

しかしながら、例えば、サイレン'トシャフト構造にあっては完全な動的バランスをとることは不可能であり、またロンビック機構にあっては、動的バランスを取ることは可能であるものの、往復運動部に逆往復のカウンタバランスを用いているため、この往復運動部の合計質量が増大して、高速運動には不向きであるなど、いずれの方策も完全なものではなかった。

さらに、上記運動部分の不釣合い慣性力等に対処するべく、ピストン b、コンロッド cあるいはクランク軸 dなどの主要部品にも十分な機械的強度や剛性が要求され、これがため装置重量の増大、さらには動力伝達効率の低下なども招いていた。

以上の問題点は、上記レシプロエンジンを含めた内燃機関にとどまらず、蒸気機関、コンプレッサあるいはポンプなど、およそクランク装置を備える他の機械装置にも共通のものである。

本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、動力伝達効率および動的バランスが良く、往復直線運動と連続回転運動の双方向の動力変換が可能で、しかも高速運転に適した、単純かつコンパクトな構造を備えたクランク装置およびこのクランク装置を備える機械装置を提供すとぁ O o 発明の開示

上記目的を達成するため、本発明のクランク装置は、往復運動と回転運動の動力変換部分に適用される装置であって、回転側に連結されるクランク軸と、往復運動側に連結される連接棒と、これらクランク軸および連接棒間に介装される遊星機構とを備えてなり、上記遊星機構は、上記クランク軸の回転中心と同心状に配置された太陽部材とこの太陽部材の内周に沿つて転動する遊星部材を備え、この遊星部材の外径が上記太陽部材の内径の 1 Z 2に設定され、上記遊星部材の回転中心に、上記クランク軸のクランクピンが回転可能に枢支連結されるとともに、遊星部材の外周部分に、上記連接棒の一端が回転可能に枢支連結され、上記各構成部材の質量配分が上記クランク軸の回転中心を中心とした動的バランスを考慮して設定されていることを特徴とする。

この場合、好適には、各構成部材に設けられる全てのカウンタバランサが回転慣性力として働くように設定される。

また、本発明の機械装置は、上記クランク装置を少なくとも 1組備えてなり、上記連接棒の他端が入力側である往復部に連結されるとともに、上記クランク軸の主軸が出力側である回転部に連結されていること、あるいは、上記クランク軸の主軸が入力側である回転部に連結されるとともに、上記連接棒の他端が出力側である往復部に連結されていることを特徴とする。

例えば、本発明のクランク装置をレシプロガソリンエンジンに適用した場合、シリンダ内のビストン力《、連接棒および遊星機構を介してクランク軸のクランクピンに連結され、上記シリンダの燃焼室内で燃焼するガソリンの爆発力により、上記ビストンが上死点と下死点との間で往復直線運動して、この往復直線運動が、連接棒および遊星機構を介してクランク軸の連続回転運動に変換される。この場合、上記遊星機構の太陽部材が、上記クランク軸の回転中心と同心状に配置され、この太陽部材の内周に沿って転動する遊星部材の回転中心に、上記クランク軸のクランクビンが回転可能に枢支連結されるとともに、遊星部材の外周部分に、上記連接棒の一端が回転可能に枢支連結されているから、連接棒は左右横方向へほとんど摇動することなく、ビストンの往復動方向へビストンと共にほぼ直線運動して、安定した動的バランスが確保される。

特に、上記クランク軸のクランクアーム長さと、上記遊星部材の回転中心から上記連接棒の連結点までの距離が等しく設定されて、この連結点が、上記遊星部材の転動に伴って、上記クランク軸の回転中心を通る直線上を移動するように設定されていれば、連接棒の揺動は全くなくて横に揺れないため、ビストンのスラストが全くなくなる。

しかも、遊星部材を太陽部材が取り囲むように配置されて、遊星部材の回転慣性力が太陽部材により確実に受け止められるため、この点からも、安定した動的バランスが確保されるとともに、これら両者間の密接な係合状態も得られて、動力伝動効率の向上も図られる。

また、上記各構成部材の質量配分が、上記クランク軸の回転中心を中心とした動的バランスを考慮して設定されているから、低速回転域から高速回転域まで均一で安定した運動が確保される。この場合、特に、各構成部材に設けられる全てのカウンタバランサ装置は、上記レシプロガソリンエンジンのような内燃機関や蒸気機関などの往復運動を回転運動に動力変換する装置の他、これと逆の構成とすることにより、つまり、上記クランク軸の主軸を入力側である回転部に連結するとともに、上記連接棒の他端を出力側である往復部に連結することにより、コンブレッサゃポンブなどの回転運動を往復運動に動力変換する装置にも全く同様に適用可能である。図面の簡単な説明

図 1 本発明に係る実施例 1であるクランク装置の基本構造を一部切開して示す斜視図である。

図 2 同基本構造の正面断面図である。

図 3 同基本構造の側面断面図である。

図 4 同基本構造の各構成部材の寸法関係を説明するための概略構成図である c 図 5 同基本構造の各構成部材の質量配分を説明するための概略構成図である c 図 6 同基本構造をレシプロガソリンエンジンに適用した場合の運動行程説明図である。

図 7 同基本構造におけるクランク軸の回転角度とビストン 1 5のストロークとの関係を示す線図である。

図 8 本発明に係る実施例 2である水平 2気筒ェンジンの基本構造を示す断面図で、図 8 (a) は平面断面図、図 8 (b) は側面断面図である。

図 9 本発明に係る実施例 3である水平 4気筒ェンジンの基本構造を示す断面図で、図 9 (a) は平面断面図、図 9 (b) は側面断面図である。

図 1 0 本発明に係る実施例 4である V型 2気筒エンジンの基本構造を示す図で、図 1 0 (a) は側面図、図 1 0 (b) は図 1 0 (a) の X— X線方向から見た正面図、図 1 0 (c) は出力軸が一側部に配置された変形例を示す図 1 0 (b) に対応する正面図である。

図 1 1 本発明に係る実施例 5である直列 2気筒エンジンの基本構造を示す図で、図 1 1 (a) は側面図、図 1 1 (b) は図 1 1 (a) の XI-XI 線方向から見た正面図である。

図 1 2 本発明に係る実施例 6である直列型エンジンの変形例の基本構造を示す図で、図 1 2 (a) は側面断面図、図 1 2 (b) はその隣合う一対の遊星歯車と歯車ピンを示す斜視図、図 1 2 (c) は同じく正面図である。

図 1 3 本発明に係る実施例 7である 2サイクルエンジンの基本構造を示す概略構成図である。図 1 4 本発明に係る実施例 9である機械式過給機付きの 4サイクルエンジンの基本構造を示す概略構成図である。

図 1 5 同 4サイクルエンジンにおける過給機の変形例を示す概略構成図で、図 1 5 (a) は燃料噴射ノズルの配置が変更されたもの、図 1 5 (b) はインタ一ク —ラを備えているものがそれぞれ示されている。

図 1 6 本発明に係る実施例 1 0である単気筒式コンブレッサの基本構造を示す概略構成図である。

図 1 7 本発明に係る実施例 1 1である 2気筒式コンブレッサの基本構造を示す概略構成図である。

図 1 8 本発明に係る実施例 1 2であるディーゼルエンジンの燃料噴射ポンプの基本構造を示す概略構成図で、図 1 8 (a) は側面断面図、図 1 8 (b) はスト口 —ク最大時の正面図、図 1 8 (c) がストローク最小時の正面図である。

図 1 9 従来のクランク装置を備えた一般的なレシプロガソリンエンジンの基本構造を示す正面断面図である。

図 2 0 従来のクランク装置を備えたディ一ゼルエンジンの変形型の基本構造を示す正面断面図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

実施例 1

本発明に係るクランク装置の基本構造が図 1ないし図 3に示され、このクランク装置 1は、具体的には往復運動と回転運動の動力変換部分に適用される装置であって、本実施例においては、例えば単気筒エンジンの主要部を構成する。

このクランク装置 1は、クランク軸 2、連接棒（コンロッド） 3、およびこれらクランク軸 2と連接棒 3間に介装される遊星機構 4を備えてなり、上記連接棒 3が往復シリンダ装置 5に連結される構造とされている。なお、図面においては、機械駆動系統における概略構成のみ示されて、他の周辺構成例えば吸入排気系統の動弁機構等の構成は図示省略されている。

クランク軸 2は回転側に連結される部分で、主軸 1 0、クランクアーム 1 1およびクランクビン 1 2がー体的に構成されてなり、主軸 1 0が軸受 1 3を介してクランクケース 1 4に回転可能に軸支されるとともに、この主軸 1 0とクランクビン 1 2の軸心が平行とされている。

コンロッド 3は往復運動側である往復シリンダ装置 5のビストン 1 5に連結される部分で、具体的にはこのピストン 1 5と一体成形されてなる。コンロッド 3 は図示のごとく全長にわたってほぼ同一太さの細い棒状とされるとともに、ビストン 1 5も薄肉の円板状とされて、従来の一般周知の構造におけるようなスカート部はなく、これら往復運動部の軽量化が図られている。この往復運動部の軽量化はスラスト力の大幅な低減と関連して実現されるものであるが、従来と同程度の重量の往復運動部でも本発明の実施にはまったく不都合はない。

なお、上記コンロッド 3とビストン 1 5の一体構造は、後述するように、コンロッド 3が往復直線運動することから採用され得る構造であるが、もちろん、従来のピストン · 口ッドのように、各構成部品の加工誤差や組付け誤差等を吸収する目的等から、コンロッド 3とビストン 1 5がビストンビン（図示省略）を介して揺動可能に枢支連結されてもよい。

遊星機構 4は、上記クランク軸 2とコンロッド 3を連結する部分で、太陽部材としての円環状の固定内歯車 2 0と、この固定内歯車 2 0に嚙合する遊星部材としての遊星歯車 2 1とから構成されている。

上記固定内歯車 2 0は上記クランクケース 1 4に固定的に設けられるとともに、その円筒内周の太陽歯車 2 0 aが上記クランク軸 2の主軸 1 0と同心状に配置されている。

上記遊星歯車 2 1は、上記太陽歯車 2 0 aに嚙合しつつ、その軸心まわりに転動可能に設けられている。この遊星歯車 2 1の回転中心には、上記クランク軸 2 のクランクビン 1 2が軸受 2 2を回転可能に枢支連結されるとともに、遊星歯車 2 1の外周部分には歯車ビン 2 4が設けられ、この歯車ビン 2 4に、上記コンロッド 3の一端 3 aが軸受 2 5を介して回転可能に枢支連結されている。上記各構成部材の寸法関係は、図 4に示すように、まず、上記遊星歯車 2 1の外径（ピッチ円直径） D 1 が上記太陽歯車 2 0 aの内径（ピッチ円直径） D 2 の 1 Z 2に設定されている。換言すれば、上記遊星歯車 2 1の外周長さが上記太陽歯車 2 0 aの外周長さの 1 2に設定されている。

また、上記クランク軸 2のクランクアーム 1 1の長さ L 1 (主軸 1 0の軸心からクランクビン 1 2の軸心までの距離）と、上記遊星歯車 2 1の回転中心 021 (クランクビン 1 2の軸心）から上記コンロッド 3の連結点 03 (歯車ピン 2 4 の軸心）までの距離 L 2 が等しく設定されている。図示の実施例においては、上記連結点 03 は遊星歯車 2 1のピッチ円上に配置されている。

これにより、遊星歯車 2 1力 2回転して太陽歯車 2 0 a上を 1周転動するとともに、上記連結点 03 が、この遊星歯車 2 1の転動に伴って、上記クランク軸 2の回転中心 02 (主軸 1 0の軸心）を通る直線上を往復移動するように設定されている。

また、本実施例においては、コンロッド 3の他端 3 bがビストン 1 5の下面中心位置に固定的に連結されているのに関連して、ビストン 1 5の軸心 X (シリンダ 1 6の円筒内面 1 6 aの軸心に一致）が、上記クランク軸 2の回転中心 02 を通るとともに、遊星歯車 2 1と太陽歯車 2 0 aとの周方向嚙合位置も、上記連結点 03 の移動軌跡がビストン 1 5の軸心 Xに一致するように設定されている。

これにより、遊星歯車 2 1の転動に伴って、コンロッド 3はビストン 1 5と完全に一体となって直線 XI、つまりクランク軸 2の回転中心 02 を通る直線上を揺動する（横に振れる）ことなく往復直線運動することとなる。一方、クランク軸 2も、上記遊星歯車 2 1の転動に伴って回転中心 02 まわりに回転する。

このクランク軸 2の回転角度 øと上記ビストン 1 5のストローク Sとの関係を示すと図 7の実線に示すようなサインカーブの基本形で表される（破線はクランクの動き）。

また、クランク装置 1を構成する上記各構成部材の質量配分は、往復運動部と回転運動部の動的バランスがとれるように、上記クランク軸 2の回転中心 02 を中心とした動的バランスを考慮して設定されている。この場合、好ましくは各構成部材に設けられる全てのカウンタバランサが回転慣性力として働くように設定される。

図示の実施例においては、図 5において、遊星歯車 2 1の回転中心 021を中心とした両側の質量配分が等しくなるように、また、上記クランク軸 2の回転中心 02 を中心とした両側の質量配分が等しくなるように設定されている。

具体的には、往復運動部（ピストン 1 5、コンロッド 3、歯車ビン 2 4 ) の質量を W1 、この往復運動部に対する釣合い重り（カウンタバランサ） 3 0の質量を W2 、遊星歯車 2 1の回転中心 021から歯車ビン 2 4および釣合い重り 3 0の取付け位置までのそれぞれの距離を A， Bとし、また、回転運動部（上記往復運動部、遊星歯車 2 1、釣合い重り 3 0 ) の質量を W3 、この回転運動部に対する釣合い重り 3 1の質量を W4 、クランク軸 2の回転中心 02 から遊星歯車 2 1の回転中心 021および釣合い重り（カウンタバランサ） 3 1の取付け位置までのそれぞれの距離を C， Dとすると、

Wl X A =W2 X B ①

W3 X C =W4 X D ②

上記①式および②式の関係が成り立つように設定されている。この場合、クランクアーム 1 1などは、回転中心 02 に対して予め両側の質量バランスがとられているものとする。これは前記計算式の考え方を簡単にするためである。ただし、これは実際のクランク装置においてクランクアーム 1 1の重心が回転中心 02に —致しなければならないことを意味するものでは勿論ない。クランクアーム 1 1 と約合い重り 3 1の合計重量を W4とし、クランクアーム 1 1と釣合い重り 3 1 を一体とした重心と回転中心 02との距離を Dとして、同様の計算式が成立するように設定してもよい。

しかして、以上のように構成されたクランク装置が、例えばレシプロガソリンエンジンに適用された場合においては、図 6に示すように、シリンダ 1 3の燃焼室内で燃焼するガソリンの爆発力により、ビストン 1 5が上死点と下死点との間で往復直線運動すると、このピストン 1 5と一体となったコンロッド 3の運動により遊星機構 4が遊星運動して、クランク軸 2の連続回転運動に動力変換される

(同図において、 ① （クランク軸 2の回転角度 0 = 0。） —② （同 4 5 ° ) —③

(同 9 0。） —④ （同 1 3 5。） →⑤ （同 1 8 0。） ~ D (同 2 2 5 ° ) —⑦ (同 2 7 0 ° ) →® (同 3 1 5 ° ) —① （同 3 6 0 ° ) の順に行程が繰り返される c ) C

この場合、上述したような構成とされていることにより、コンロッド 3は左右橫方向へはほとんど揺動することなく、ビストン 1 5と完全に一体となって、クランク軸 2の回転中心 02 を通る直線 X (ピストン 1 5の軸心）上を往復直線運動することとなり、安定した動的バランスが確保されている。

このコンロッド 3の直線 X上の往復運動（ビストン 1 5の往復運動方向に対しての傾き角 0 = 0。）により、従来のクランク装置のような偏荷重が全く生じず、ビストン 1 5には、従来のクランク装置におけるスラストカ R (図 1 9および図 2 0参照）は全く作用しない。このため、理論上は、従来のクランク装置を採用する機械装置におけるようなビストンスラッブは生じず、シリンダ 1 6の円筒内面 1 6 aに作用する力はビストン 1 5との摩擦力のみとなり、振動 ·騒音 ·キヤビテ一シヨン ·摩擦損失などの障害が大幅に減少されて、動力伝達効率も従来のものに比較して大幅な向上が望める。

また、遊星歯車 2 1を太陽歯車 2 0 aが取り囲むように配置されて、遊星歯車 2 1の回転慣性力が太陽歯車 2 0 aにより確実に受け止められるため、ギヤ効率が高く、この点からも安定した動的バランスが確保される。また、遊星歯車 2 1 の回転慣性力により、遊星歯車 2 1と太陽歯車 2 0 aの密接な嚙合状態も得られて、動力伝動効率も高い。

さらに、上述したように、クランク装置 1の各構成部材の質量配分が上記クランク軸 2の回転中心 02 を中心とした動的バランスを考慮して設定されているから、特に、図示の実施例においては、各構成部材に設けられる全てのカウンタバランサ 3 0， 3 1等が回転慣性力として働くように設定されているから、低速回転域から高速回転域まで均一で安定した運転が確保される。

なお、本実施例のクランク装置 1における入出力の方向は双方向が可能である。したがって、後述する具体的実施例に示されるように、上記レシプロガソリンェンジンを始めとした内燃機関や蒸気機関などの往復運動を回転運動に動力変換する装置の他、これと逆の構成とすることにより、つまり、上記クランク軸の主軸を入力側である回転部に連結するとともに、上記コンロッド 3の他端を出力側である往復部に連結することにより、コンプレッサやポンプなどの回転運動を往復運動に動力変換する装置にも全く同様に適用可能である。

また、本実施例においては、以下に列挙するような種々の設計変更も可能であ。

(1) 遊星歯車 2 1の回転中心 021からコンロッド 3の連結点 03 までの距離 L 2 を適宜調整することにより、クランク軸 2の回転角度 0に対するピストン 1 5のストローク Sを調整して、図 7のサインカーブを対象となる機械装置の運動特性、例えば燃料の爆発の特性等に最適な形状に設定することができる。この場合は、コンロッド 3とピストン 1 5がピストンピン（図示省略）を介して揺動可能に枢支連結されて、コンロッド 3の運動軌跡も図示の実施例のような直線ではなく、この直線の近傍を通過する楕円等になる。

例えば、距離 L 2 を大きくすることにより、サインカーブの山部と谷部が立ち上がり急激な曲線になり（図 7の一点鎖線参照）、逆に、距離 L 1 を大きくすることにより、サインカーブの山部と谷部が低くなり緩やかな曲線になる（図示省略）。

(2) 上記遊星歯車 2 1と太陽歯車 2 0 aとの周方向係合位置を調整可能として、上記ビストン 1 5のストローク Sが可変とすることもできる（後述の実施例 1 2 参照）。

具体的には、例えば固定内歯車 2 0力、クランクケース 1 4に周方向へ調整回転可能に設けられて、太陽歯車 2 0 aの周方向位置が適宜調整可能な構成とすることにより、太陽歯車 2 0 aと遊星歯車 2 1との嚙合位置を相対的に調整可能となる。この場合も、上記（1) と同様、コンロッド 3とビストン 1 5がピストンピン（図示省略）を介して揺動可能に枢支連結される。

(3) 図示の実施例においては、最も構造が簡単で、大きな動力伝達と高い伝達効率が得られることから、特にレシプロエンジンに最適な構造として、遊星機構 4 が固定内歯車 2 0と遊星歯車 2 1とから構成されている。しかし、これに限定されることなく、同様の嚙合機能を備える他の構造も採用可能である。

図示しないが、例えば、円環状部材の円筒内周面にチヱ一ンが全周にわたって設けられた太陽部材と、上記チヱ一ンに嚙合する遊星部材としてのスプロケットホイールとの組合わせ、あるいは、円環状部材の円筒内周面に歯付きベルトが全周にわたって設けられた太陽部材と、上記歯付きベルト（タイミングベルト）に嚙合する遊星部材としてのプーリとの組合わせなどが採用され得る。

(4) さらに、上記 (3) のように、太陽部材の円筒内周と遊星部材の円筒外周の係合が嚙合とされる他、太陽部材の円筒内周と遊星部材の円筒外周の係合が相互に滑りのない摩擦係合とされてもよく、この構造は特に、軽負荷の動力伝達に有効である。具体的には、例えば、太陽部材と遊星部材の両者がまたはその係合面部がゴム製とされて、ゴム同士の摩擦係合が採用され得る。

実施例 2

本実施例は図 8に示され、 2組のクランク装置 1 , 1が水平対向状に組み合わされて、水平対向 2気筒エンジンとされたものである。

これら両クランク装置 1 , 1の基本構造は実施例 2のものと同様とされ、そのクランク軸 2， 2および遊星機構 4 , 4が左右対向状に配置されるとともに、コンロッド 3， 3が同軸状に一対成形されている。つまり、一対のビストン 1 5 , 1 5およびコンロッド 3， 3が完全な一体物とされてなる。

これに関連して、遊星機構 4， 4の遊星歯車 2 1 , 2 1同士が、共通する 1本の歯車ビン 2 4により一体的に構成され、この歯車ビン 2 4に、両コンロッド 3 , 3の中央部 3 cが軸受 2 5を介して回転可能に枢支連結されている。

上記クランク軸 2は、主軸 1 0、駆動歯車 4 1およびクランクビン 1 2がー体的に構成されてなり、上記駆動歯車 4 1がクランクアームとしての機能を兼備している。

また、上記両クランク軸 2， 2に平行して、出力軸 4 2が設けられている。この出力軸 4 2は、クランク軸 2 , 2の主軸 1 0， 1 0に平行に配置されるとともに、軸受 4 3 , 4 3を介して、図示しないクランクケースに回転可能に軸支されている。上記出力軸 4 2には、一対の被動歯車 4 4， 4 4がー体的に設けられており、これら両被動歯車 4 4， 4 4が上記クランク軸 2， 2の駆動歯車 4 1 , 4 1に嚙合されて、駆動伝達可能とされている。出力軸 4 2の一端 4 2 aは図示しない回転出力側に連結されている。

しかして、上記一対のピストン 1 5 , 1 5力それぞれ図示しないシリンダ内で燃焼するガソリンの爆発力により、往復直線運動して、上記クランク軸 2， 2 が連続回転され、この回転力が上記出力軸 4 2を介して出力側へ取り出される。この場合、上記両ピストン 1 5， 1 5のシリンダ内の爆発が交互に同期して行われて、両側のピストン 1 5， 1 5のパワーが有効に連続回転運動として取り出される。

その他の構造および作用は実施例 1と同様である。

実施例 3

本実施例は図 9に示され、実施例 2の水平対向 2気筒ェンジンの構造が横方向に 2組組み合わされて、水平対向 4汽筒エンジンとされたものである。

この場合、中央の一対のクランク軸 2， 2同士は、共通の一本の主軸 1 0により同軸状に一体的に構成されるとともに、各クランク軸 2 , 2 , …の駆動歯車 4 1， 4 1， …に、一本の出力軸 5 2の被動歯車 5 4 , 5 4， …がそれぞれ嚙合されて、駆動伝達可能とされている。

その他の構造および作用は実施例 2と同様である。

実施例 4

本実施例は図 1 0に示され、 2組のクランク装置 1， 1が交互に角度をつけて V字型に並べられて、 V型 2気筒エンジンとされたものである。

これら両クランク装置 1 , 1の基本構造は実施例 1のものと同様とされ、各クランク軸 2， 2 , …の主軸 1 0， 1 0…が同軸状に配されている。

上記クランク軸 2は、実施例 2と同様、主軸 1 0、駆動歯車 4 1およびクランクビン 1 2がー体的に構成されてなり、上記駆動歯車 4 1がクランクアームとしての機能を兼備している。

また、上記両クランク軸 2 , 2に平行して、その下側には出力軸 6 2が設けられている。この出力軸 6 2は、クランク軸 2の主軸 1 0に平行に配置されるとともに、軸受 6 3， 6 3を介して、図示しないクランクケースに回転可能に軸支されている。上記出力軸 6 2には、 4つの被動歯車 6 4， 6 4 , …がー体的に設けられており、これら被動歯車 6 4 , 6 4 , …が上記クランク軸 2， 2 , …の駆動歯車 4 1， 4 1 , …にそれぞれ嚙合されて、駆動伝達可能とされている。出力軸 6 2の一端 6 2 aは図示しない回転出力側に連結されている。しかして、以上のように構成されたエンジンにおいては、実施例 2と同様、一対のピストン 1 5 , 1 5力^ それぞれ図示しないシリンダ内で燃焼するガソリンの爆発力により往復直線運動して、上記クランク軸 2 , 2が連続回転され、この回転力が上記出力軸 6 2を介して出力側へ取り出される。この場合、上記両ビストン 1 5 , 1 5のシリンダ内の爆発が交互に同期して行われて、両側のビストン 1 5 , 1 5のパワーが有効に連続回転運動として取り出される。

なお、上記出力軸 6 2の配置箇所は、往復運動部であるビストン 1 5， 1 5とコンロッド 3， 3と干渉しない位置であれば任意であり、例えば、図 1 0 ( に示すようにクランク軸 2， 2の一側部に配置されたり、あるいは図示しないが、クランク軸 2， 2の上側に配置されてもよい。

その他の構造および作用は実施例 1と同様である。 '

実施例 5

本実施例は図 1 1に示され、 2組のクランク装置 1 , 1がー列に並べられて、直列 2気筒エンジンとされたものである。

具体的には、実施例 4におけるクランク装置 1 , 1の V字型の配列が起立状一列とされたのみで、その他の構造および作用は実施例 4と同様である。

実施例 6

本実施例は図 1 2に示され、直列型エンジンの変形例であって、具体的には、実施例 5の直列型構造において、出力軸 6 2が省略されるとともに、各クランク装置 1， 1 , …に共通のクランク軸 7 2が採用されたものである。

すなわち、図 1 2 (b) に示すように、隣合う一対の遊星歯車 2 1 , 2 1に共通の歯車ビン 7 4が大径の円筒形状とされて、これら遊星歯車 2 1、歯車ビン 7 4 および遊星歯車 2 1を貫通する中空穴 7 4 aを介して、クランク軸 7 2のクランクビン 8 2主軸 021が揷通支持されてなるものである。

これに関連して、図 1 2 (c) に示すように、歯車ビン 7 4には、上記中空穴 7 4 a周囲のボス部を残して凹部 7 4 bが形成されて、軽量化が図れている。

なお、図面においては、 2組のクランク装置 1 , 1のみ示されているが、その組数は目的に応じて適宜増設可能である。

その他の構造および作用は実施例 5と同様である。実施例 Ί

本実施例は図 1 3に示され、実施例 1のクランク装置 1を備えた 2サイクルエンジンである。

すなわち、このエンジンにおいては、コンロッド 3がシリンダ 1 6の円筒内面 1 6 aの軸心 Xに沿って直線運動することを利用して、シリンダ 1 6の底部 1 6 bがシール 9 0により完全に密封され、ピストン 1 5の下部にクランク室 9 1と完全に隔離された予圧室 9 2が形成されている。これに関連して、コンロッド 3 の断面はシールが容易な形状とされ、例えば円形状に形成される。

9 3および 9 4はそれぞれ、ビストン 1 5の上下によって開閉される掃気孔および排気孔を示している。また、 9 5は吸気管で、この吸気管 9 5はロータリバルブ 9 6により開閉制御される。このロータリバルブ 9 6は、クランク軸 2の主軸 1 0に回転連結されて、ピストン 1 5の往復動作に同期して開閉動作する。

しかして、ピストン 1 5の下降に伴って、予圧室 9 2内に吸気管 9 5から吸入された混合気が圧縮されて、ビストン 1 5が下死点近くまで下降すると、排気孔 9 4および掃気孔 9 3が開口されて、予圧室 9 2内の混合気による掃排気作用が行われることとなる。

その他の構造および作用は従来周知の 2サイクルェンジンと同様である。

本実施例においては、コンロッド 3が揺動することなく直線運動するため、シリンダ 1 6の下部に小さな予圧室 9 2を形成することができる。これにより、従来に比較して予圧室 9 2の容量を大幅に小さくして、大きな圧縮比を得ることができる。この結果、高圧の一次圧を取り出して効率の良い掃排気作用が行われて、 2サイクルエンジン 2の特性を従来に比較して大幅に改善することができる。実施例 8

本実施例は図 1 4に示され、クランク装置 1を備えた 4サイクルエンジンであつて、さらに機械式過給機 1 0 0を備えるものである。

すなわち、このエンジンにおいては、実施例 7と同様、コンロッド 3がシリンダ 1 6の円筒内面 1 6 aの軸心 Xに沿って直線運動することを利用して、シリンダ 1 6の底部 1 6 bがシール 1 0 1により完全に密封され、ピストン 1 5の下部に圧力室 1 0 2が形成されている。この圧力室 1 0 2はビストン 1 5と共働して過給機 1 0 0の圧縮機を構成している。

1 0 3は吸気用逆止弁、 1 0 4は過給用逆止弁、 1 0 5はエアチャンバ、 1 0 6は燃料噴射ノズル、 1 0 7は吸気弁および 1 0 8は排気弁をそれぞれ示してい o

しかして、ビストン 1 5の下降に伴う圧力室 1 0 2の縮小により、吸気用逆止弁 1 0 3を介して吸入された空気は、圧縮されながら過給用逆止弁 1 0 4からェァチャンバ 1 0 5へ送られ、さらに、燃料噴射ノズル 1 0 6からの燃料と混合されて、吸気弁 1 0 7からシリンダ 1 6上部の燃料室内に送り込まれ、過給作用が行われることとなる。

その他の構造および作用は従来周知の過給機および 4サイクルエンジンと同様である。

本実施例においては、クランク装置 1の構造を利用して、従来のような外付けの駆動源を用いることなく圧縮機を構成することができ、構造が簡単でかつ小型の機械式過給機を備えた 4サイクルェンジンを構成することができる。

なお、過給機 1 0 0の具体的構成は、従来周知のものと同様種々設計変更可能であり、例えば、図 1 5 (a) に示すように、燃料噴射ノズル 1 0 6が吸気用逆止弁 1 0 3の上流側に配されて、混合気が圧縮機により圧縮される構成や、あるいは図 1 5 (b) に示すように、インタークーラ 1 0 9を備えて、加圧後の吸気温度が下げられる構成などが適宜採用され得る。

実施例 1 0

本実施例は図 1 6に示されており、クランク装置 1を備えた往復式の単気筒コンブレッサである。

すなわち、このコンブレッサにおいては、やはりコンロッド 3がシリンダ 1 6 の円筒内面 1 6 aの軸心 Xに沿って直線運動することを利用して、外部から密閉されたシリンダ 1 6の底部 1 6 b力、ら、コンロッド 3がシール 1 1 0を介して外部へ突出されて、ビストン 5の上下にそれぞれシリンダ室 1 1 1 , 1 1 2が形成されてなる。

クランク軸 2の主軸 1 0には、被動プーリ 1 1 3が取り付けられており、この被動ブーリ 1 1 3が、伝動ベルト 1 1 4を介して、駆動モ一タ 1 1 5の駆動軸 1 1 5 aに取り付けられた駆動プーリ 1 1 6に駆動連結されている。

また、上記上下シリンダ室 1 1 1 , 1 1 2には、吸込弁 1 1 1 a、 1 1 2 aおよび吐出弁 1 1 1 b、 1 1 2 bがそれぞれ設けられ、これらを介して吸込管 1 1

7および吐出管 1 1 8に連結されている。

しかして、ビストン 1 5の下降に伴う下側シリンダ室 1 1 2の縮小により、ここに導入された空気が圧縮されながら吐出弁 1 1 2 bから吐出管 1 1 8へ吐出されるとともに、この際、上側シリンダ室 1 1 1には、空気が吸込管 1 1 7から吸込弁 1 1 1 aを介して導入される。続いて、ピストン 1 5の上昇に伴い、上下シリンダ室 1 1 1， 1 1 2内では上記と逆の動作が行われる。

本実施例においては、従来の往復式単気筒コンブレッサにお、て不可能であつた 2シリンダ室構造が作用されて、従来の 2気筒コンブレッサに近い運転効率が実現する。

実施例 1 1

本実施例は図 1 7に示されており、実施例 1 0の単気筒コンブレッサがクランク軸 2を挟んで、上下に 2組配設されてなる 2気筒コンブレッサである。

すなわち、このコンプレッサにおいては、上下一対のビストン 1 5， 1 5がー台の駆動モータ 1 1 5により往復運動される構成とされている。

その他の構造および作用は実施例 1 0と同様である。

実施例 1 2

本実施例は図 1 8に示されており、高圧定量ポンプ、具体的にはディーゼルェンジンの燃料噴射ポンプである。

実施例 1におけるクランク装置 1において、上記遊星歯車 2 1と太陽歯車 2 0 aとの周方向係合位置が調整可能とされて、コンロッド 3の一端 3 bに枢支ビン 1 2 0を介して枢支連結されたブランジャ 1 2 1の往復動ストローク Sが可変とされたものである。

すなわち、内歯車 2 0力、回転操作部 1 2 2を介して、クランクケース 1 4に周方向へ回転可能に設けられるとともに、この回転操作部 1 2 2の操作レバ一 1 2 2 a力図示しない駆動機構により回動操作可能とされている。

そして、この操作レバ一 1 2 2 aを適宜回動操作することにより、内歯車 2 0 の太陽歯車 2 0 aと遊星歯車 2 1の周方向係合位置が適宜調整されて、図 1 8 (b ) に示す最大ストローク S max と図 1 8 (c) に示す最小ストローク S min との間で調整される。

ブランジャバレル 1 2 3のプレツシャチヤンバ 1 2 4は、吸入弁 1 2 5 aおよび吐出弁 1 2 6 aをそれぞれ介して、供給管 1 2 5および噴射管 1 2 6に連通されている。

また、クランク軸 2の主軸 1 0は、図示しないディーゼルエンジンのクランク軸に駆動連結されて、例えば 4サイクルエンジンの場合、このクランク軸の 1 2の回転速度で回転駆動される。

しかして、以上のように構成された燃料噴射ポンプにおいて、エンジンの 1 2回転のクランク軸 2により、ブランジャ 1 2 1が一定の往復動ストロ一ク S間を往復運動して、供給管 1 2 5から吸い込まれた燃料が圧縮されて、所定の高圧に加圧された燃料は、吐出弁 1 2 6 aから噴射管 1 2 6へ圧送され、図示しない噴射弁から燃料室内へ噴射注入される。

本実施例によれば、従来のカム ·ローラ機構を備えるこの種の燃料噴射ポンプと異なり、ブランジャ 1 2 1がその往復動ストローク S全体を通じて、クランク軸 2と常時連結されていることから、従来のカムがローラを叩くときのような打音は全くなく、ディーゼルエンジンの欠点である騒音が少なく、また動きも低速から高速回転まで連続的かつスムーズで、運転精度も高い。

なお、上述した実施例 1ないし実施例 1 2はいずれも、あくまでも本発明の好適な具体例を示すためのものであって、本発明はこれら実施例に限定されることなく、その範囲内で種々設計変更可能である。

例えば、本発明のクランク装置を備えたエンジンについて、そのシリンダの配設数は図示例に限定されることなく目的に応じて適宜増減可能であり、またシリンダ配列も、直列型、水平対向型、 V型あるいは星型など従来周知のあらゆる配列が目的に応じて適用可能である。

また、本発明は、図示例に示された機械装置の他、従来周知の往復運動と回転運動相互間で動力変換を行う機械装置に広く適用可能である。

以上詳述したように、本発明のクランク装置は、回転側に連結されるクランク軸と、往復運動側に連結される連接棒と、これらクランク軸および連設棒間に介装される遊星機構とを備えてなり、上記遊星機構は、上記クランク軸の回転中心と同心状に配置された太陽部材と、この太陽部材の内周に沿つて転動する遊星部材を備え、この遊星部材の外径が上記太陽部材の内径の 1 2に設定され、上記遊星部材の回転中心に、上記クランク軸のクランクビンが回転可能に枢支連結されるとともに、遊星部材の外周部分に、上記連接棒の一端が回転可能に枢支連結され、上記各構成部材の質量配分は、往復運動部と回転運動部の動的バランスがとれるように設定されているから、このクランク装置およびそれを利用した機械装置においては、以下に列挙するような種々の効果が得られ、動力伝達効率および動的バランスが良く、往復運動と回転運動の双方向の動力変換が可能で、単純かつコンパクトな構造を備えた装置を提供することができる。

(1) 上記遊星機構の太陽部材が、上記クランク軸の回転中心と同心状に配置され、この太陽部材の内周に沿って転動する遊星部材の回転中心に、上記クランク軸のクランクビンが回転可能に枢支連結されるとともに、遊星部材の外周部分に、上記連接棒の一端が回転可能に枢支連結されているから、連接棒は左右横方向へほとんど摇動することなく、ビストンの往復動方向へビストンと共にほぼ直線運動して、安定した動的バランスが確保され、この結果、従来運動部分の不釣り合い慣性力が主要因として発生していた振動や騒音が大幅に低減される。

(2) 上記のようにコンロッドがほとんど揺動することなく、ビストンの往復運動方向へほぼ直線運動するから、このピストンには、ガス圧と慣性力によるスラスト力がほとんど作用せず、いわゆるビストンスラップが生じにくい。この点からも、従来問題となっていた、振動 ·騒音 ·キヤビテ一ション ·摩擦損失などの障害が大幅に低減される。

特に、上記クランク軸のクランクアーム長さと、上記遊星部材の回転中心から上記連接棒の連結点までの距離が等しく設定されて、この連結点が、上記遊星部材の転動に伴って、上記クランク軸の回転中心を通る直線上を移動するように設定されていれば、連接棒の揺動が全くなくて横に振れないため、ビストンのスラストも完全に防止でき、低速回転はもちろんのこと高速回転にも十分対応できる o (3) 従来のこの種のクランク装置に比較して、はるかに動的バランスをとることが容易かつ確実で、理論的には従来以上の高速回転においても動的バランスを完全にとることが可能となる。

(4) 連接棒が横に振れないから、理論上は連接棒にかかる曲げ荷重がなく、他の周辺部品の影響を考慮しても、従来に比較してはるかに細く構成することができ、またビストンにもスラストがかからないから、摩擦係数が低く、またビストン自体も短い円板状とすることも可能で、この点からも往復運動部の軽量化が可能であ。

さらに、運動部分の不釣り合い慣性力等によってクランク軸に係る偏荷重も小さく、クランク軸の機械的強度や剛性も従来に比較して厳しいものが要求されず、やはり従来に比較してはるかに細く構成することができ、回転運動部の軽量化も可能である。

これにより、装置全体重量の大幅な軽減も可能で、上記動的バランスの良さとも相まって、高速回転に最適な構造とすることができる。

(5) 遊星部材を太陽部材が取り囲むように配置されて、遊星部材の回転慣性力が太陽部材により確実に受け止められるため、この点からも安定した動的バランスが確保されるとともに、これら両者間の密接な係合状態も得られて、無駄な動きもない。これにより、動力伝動効率の向上が図られるとともに、燃費も大幅に改善できる。

(6) 上記各構成部材の質量配分が上記クランク軸の回転中心を中心とした動的バランスを考慮して設定されているから、低速回転域から高速回転域まで均一で安定した運転が確保される。特に、各構成部材に設けられる全てのカウンタバランサ力回転慣性力として働くように設定されているとより大きな効果が得られる。

Claims

請求の範囲

1 . 往復運動と回転運動の動力変換部分に適用される装置であつて、

回転側に連結されるクランク軸と、往復運動側に連結される連接棒、これらクランク軸および連接棒間に介装される遊星機構とを備えてなり、

上記遊星機構は、上記クランク軸の回転中心と同心状に配置された太陽部材と、この太陽部材の内周に沿つて転動する遊星部材を備え、

この遊星部材の外径が上記太陽部材の内径の 1 Z 2に設定され、

上記遊星部材の回転中心に、上記クランク軸のクランクピンが回転可能に枢支連結されるとともに、遊星部材の外周部分に、上記連接棒の一端が回転可能に枢支連結され、

上記各構成部材の質量配分は、往復運動部と回転運動部の動的バランスがとれるように設定されている

ことを特徴とするクランク装置。

2. 上記クランク軸のクランクアーム長さと、上記遊星部材の回転中心から上記連接棒の連結点までの距離が等しく設定されて、

この連結点が、上記遊星部材の転動に伴って、上記クランク軸の回転中心を通る直線上を移動するように設定されている請求項 1に記載のクランク装置。

3. 上記各構成部材の質量配分は、上記クランク軸の回転中心を中心とした動的バランスを考慮して設定されている請求項 1に記載のクランク装置。

4. 遊星部材の回転中心を中心とした両側の質量配分が等しくなるように設定されるとともに、上記クランク軸の回転中心を中心とした両側の質量配分が等しくなるように設定されている請求項 3に記載のクランク装置。

5 . 上記遊星部材と太陽部材との周方向係合位置が固定的に設定されている請求項 2に記載のクランク装置。

6 . 上記遊星部材と太陽部材との周方向係合位置が調整可能とされている請求項 2に記載のクランク装置。

7 . 上記太陽部材の円筒内周と遊星部材の円筒外周の係合が相互に滑りのない摩擦係合とされている請求項 1に記載のクランク装置。

8. 上記太陽部材の円筒内周と遊星部材の円筒外周の係合が嚙合とされている請求項 1に記載のクランク装置。

9. 上記太陽部材がその円筒内周に係合歯を備える内歯車とされるとともに、上記遊星部材がこの内歯車に嚙合する遊星歯車とされている請求項 8に記載のクランク装置。

1 0. 上記太陽部材の円筒内周面にチヱ一ンが全周にわたって設けられるとともに、上記遊星部材がこのチヱ一ンに嚙合するスプロケットホイールとされている請求項 8に記載のクランク装置。

1 1 . 上記太陽部材の円筒内周面に歯付きベルトが全周にわたって設けられるとともに、上記遊星部材がこの歯付きベルトに嚙合するプ一リとされている請求項

7に記載のクランク装置。

1 2 . 請求項 1から 1 1のいずれか一つに記載のクランク装置を少なくとも 1組備えてなり、

上記連接棒の他端が入力側である往復部に連結されるとともに、上記クランク軸の主軸が出力側である回転部に連結されている

ことを特徴とする機械装置。

1 3 . 請求項 1から 1 1のいずれか一つに記載のクランク装置を少なくとも 1組備えてなり、

上記クランク軸の主軸が入力側である回転部に連結されるとともに、上記連接棒の他端が出力側である往復部に連結されている

ことを特徴とする機械装置。

1 4. 上記往復部が往復シリンダ装置のビストンであり、

上記クランク軸のクランクアーム長さと、上記遊星部材の回転中心から上記連接棒の連結点までの距離が等しく設定されて、

この連結点が、上記遊星部材の転動に伴って、上記ピストンの往復動方向でかつ上記クランク軸の回転中心を通る直線上を移動するように設定されている請求項 1 2または 1 3に記載の機械装置。

1 5 . 上記ビストンと上記連接棒の他端が固定的に連結されている請求項 1 4に記載の機械装置。

1 6 . 上記遊星部材と上記連接棒の連結点が、上記遊星部材の転動に伴って、上記ビストンの往復動方向でかつ上記クランク軸の回転中心を通る直線の近傍を移動するように設定されている請求項 1 2または 1 3に記載の機械装置。

1 7. 上記ビストンと上記連接棒の他端が揺動可能に枢支連結されている請求項 1 6に記載の機械装置。