WO2006049268A1 - レシプロ機関の直線・回転運動相互間の変換方法 - Google Patents

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups
    • F01B9/04—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16H—GEARING
    • F16H19/00—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion
    • F16H19/02—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion for interconverting rotary or oscillating motion and reciprocating motion
    • F16H19/04—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion for interconverting rotary or oscillating motion and reciprocating motion comprising a rack
    • F16H19/043—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion for interconverting rotary or oscillating motion and reciprocating motion comprising a rack for converting reciprocating movement in a continuous rotary movement or vice versa, e.g. by opposite racks engaging intermittently for a part of the stroke

Definitions

  • crank mechanism performs the conversion of motion smoothly and continuously.
  • the vertical force applied to the rotational force is 0 at the top dead center of the crank mechanism, and the following is 0 at the bottom dead center of ⁇ radians of 1.0 at the crank angle of ⁇ / 2 radians.
  • This is the sin curve shown in Fig. 1. Crank angle.
  • the total work of the force applied to the rotation from 0 to ⁇ radians is the area of the diagonal line surrounded by the sin carp. And for the combination of pinions and racks, the corresponding area is Oab Ti, and the area ratio is ⁇ : 2.
  • a work volume equivalent to ⁇ —2 1.14 was not used in the past. The following shows that the work conversion rate is a sin curve.
  • Fig. 3 shows the force in each direction at points A and B of the crank mechanism, and the displacement in a minute range when the force is applied.
  • F represents force and d displacement.
  • the angle between the perpendicular and the connecting rod is 0, and the crank rotation angle is J3.
  • the pinion moves from its starting position ⁇ and reverses at the limit of the length of the rack so that it can return smoothly and continuously to the starting point.
  • the conversion efficiency should be higher than that of the crank mechanism.
  • the internal gear is made oval or elliptical and part of it is racked. 'And put this on the big end of the connecting rod.
  • the external gear is connected to the output shaft.
  • any part of the connecting rod can be used, but one or more pins are provided parallel to the output shaft, and these pins are inserted into a groove having a predetermined locus so that the gears are always in contact with each other. This will be described below with reference to the drawings. Note that the number of pins is one.
  • 1 is a connecting rod, which has a biston pin hole at the small end.
  • the large end is an internal gear 2 that is oval, elliptical, or similar.
  • 3 is an external gear connected to the output shaft, and 4 is a guide pin.
  • 5 is a guide groove that is opposite to the guide bin 4 and its shape is the guide rod of the connecting rod so that the gear does not come off. Is controlled so that it moves continuously and smoothly as shown by the arrows. The opposite direction is also possible.
  • 6 is a guide wall provided on both sides of the connecting rod to prevent the connecting rod from moving in the direction of the output shaft. In this explanation, 5 guide grooves are each provided with 6 forces. You may make money.
  • the biston's reciprocating linear motion force can be converted into rotational motion more efficiently than the crank mechanism. As a result, rotational power and output are increased, and fuel consumption is improved.
  • the width of the machine is larger than twice the rotation radius of the crank and the biston f3 ⁇ 4, so in the present invention, the corresponding value is obtained by subtracting the gear of the output gear from the width of the internal gear. Value.
  • the inner length of the internal gear of the present invention is naturally the same value as the Biston stroke, so the dimension of the direction of movement of the biston is also reduced, and the machine The overall size can be reduced.
  • the Viston fi3 ⁇ 4 and the rotation of the crank are irrelevant, so a large stroke can be designed freely. This is advantageous for large diesels.
  • the pump efficiency of the compression stroke is improved.
  • the compression speed near the top dead center of the compression stroke is much faster than the crank mechanism because of its structure.
  • the compression ratio can be increased.
  • the internal gear Comparing the circumferential movement distance of the large end of the connecting rod and the linear movement distance of the internal gear, the internal gear is shorter. Can rotate at higher speed than the crank mechanism. Or, a longer stroke can be adopted if the rotation range is the same as the crank mechanism. Long strokes are known to have better fuel economy than short strokes.
  • Figure 1 shows a combination of a rack and pinion, and a rectangle and sin curve that show the work efficiency when converting the crank mechanism to rotation.
  • Figure 2 is a projection diagram of a device that converts linear reciprocating motion into rotational motion.
  • 1 is a connecting rod
  • 2 is an internal gear
  • 3 is an external gear
  • 4 is a guide pin
  • 5 is a guide groove
  • 6 is a guide wall.
  • Figure 3 shows the force and displacement in the crank mechanism.
  • F is the force at each point and d is the corresponding displacement.
  • ⁇ , ⁇ , and 1 are 90 degrees, the angle formed by the connecting rod and the vertical, and the crack angle.

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Abstract

[課題]レシプロ機関における直線運動から回転運動の変換をより効率的におこなえるようにしたものである。[解決手段]クランク機構に変えてコネクチングロッドの端部に長円形の内歯歯車をもうけ、外歯歯車と組み合わせて変換をおこなう。

Description

[明細書] レシプロ機関の直線 ·回転運動相互間の変換方法
[技術分野]
内燃機関に代表される往復 運動を回^！動に変換して使用する機械全般。
[背景技術]
従来から往復直線運動を回 ¾1動に変える方法は、 ピニオンとラックの組み合 わせとクランク機構の二つに大別されてきた。
[0001]
そしてピユオンとラックの組み合わせにおいては、 運動部分の »摩擦を除け ばラックの直線運動の仕事量は、全てピニオンの回 動の仕事量に変換される。 しかしながら、 往と復とでピニオンを同じ方向に連続して回転させるには、 ピ- オンをラックから切り離す力 \ あるいは空転させておこなつてきた。 ピニオンの 同一方向えの滑らかな回転運動への変換は出来ないのである。
[0002]
一方クランク機構はよく知られているように運動の変換を滑らかに、. つ、邃 続的におこなわれる。 しカゝし、.回転力に関.与する垂直方向の力はクランク機構の 上死点においては 0であり、 以下、. クランク角 π/2ラヂアンにおいて 1.0下死点 の πラヂアンで 0となる図 1 に示す sinカーブとなる。. クランク角. 0ラヂァ ンから πラヂァンまでの回転に関.与する力の全仕事量は、 sinカープに囲まれた 斜線の面積になる。そしてピニオンとラックの組み合わせにお!/ヽては，当該する面 積は Oab Tiとなりその面積比は π 対 2 となる。 π— 2 1.14に相当する仕 事量が、 従来は使われていなかった。 仕事の変換率が sinカーブなることを以下 にしめす。
[0003]
図 3はクランク機構の点 A、 Bにおける各方向の力おょぴ、 力が働いたときの 微小範囲の変位をしめす。 F は力を、 d 変位を表す。 また、 垂線とコネクチン グロッドとがなす角度を 0、 クランクの回転角を J3とする。 垂直方向 Fl dl
コネクチングロッド方向 F2 d2
円周方向 F3 d3 従来の計算では、 F2=Fl/cos0、F3=Flsin(0 + j3)/cos0 でしめされている。 し力 し、 これらの式は静的な力の釣り合いを基にした、 力の三角形より導き出さ れており、 動いているものに正しく適用できるとはいえない。
仕事をする力は、 大きさと方向および変位できめられる。 いま点 Aで力 F1が 垂直方向に作用し dlだけ変位し仕事 Wをしたものとする。 このとき力の伝達手 段はコネクチングロッドだけなので F1はその方向に変えられ F2に変換される。 動いている力がその作用方向から向きを変えるのであるから、 F2は F1より小さ くなり F2=Flcos0 ただし、 マサッを無視して
W=F1 - dl=F2 - d2
d2=Fl - dl/ Flcos0
=dl/ cos θ
点 Bにおける d2と d3の相互の関係は幾何学的にきまり図 3に示すとうりとなる。 d2と d3の方向と水平線とのなす角度は各々 π/2+θ、 )3である。 正弦法則を もちいて、 d2/sinj3 = d3/siii(7t/2+0)
= d3/cos θ
Figure imgf000004_0001
= dl//sin)3
Fl - dl=F3 - d3 であるから
F3=F1 · d廳
各々に代入すると
F3=Flsinj3
[0004]
直線運動を回転運動に変換することではピニオンとラックの組み合わせのほ うが π/2倍だけクランク機構より効率が良い。 しかしこれは直線運動の力が上 死点から下死点まで同じ大きさのときで、 実際のレシプロ機関において内圧は、 上死点を過ぎてからクランク角約 20度で最高となり、 以下急激に減少し π Ζ2 ではその半分以下となり、 下死点よりかなり前で 0となることを考えれば、 変換 効率の差はさらに大きくなる。
[発明の開示]
[発明が解決しようとする課題〕
ピニオンとラックの組み合わせにおいて、 ピニオンがその始動^から 運動 をおこないラックの長さのの限界で反転し滑らかに、 かつ、 連続的に、 始動点に 戻れるようにし、 直線往復運動から回転運動への変換効率をクランク機構に比べ て高くなるようにする。
[課題を解決するための手段]
[0001]
内歯歯車と外歯歯車の組み合わせにおいて、 内歯歯車を長円形または楕円形に なし一部分をラック状にする。'そしてこれを、 コネクチングロッドの大端部にお く。 外歯歯車は出力軸につながつている。 次に小端部はピストンビンによって往 復直線運動のみおこなうのでコネクチングロッドの動きを規制しないと、 歯車同 士が嚙み合わなくなる。 そこで、 コネクチングロッドのどの部分でもよいが、 1 つまたは複数個のピンを出力軸に平行に設け、 歯車同士が常に嗨 合うように、. あらかじめ定めた軌跡を持つ溝にこのピンを差し込む。 以下図面によつて説明す る。 なおピンの数は 1つとして説明する。
[0002]
1はコネクチングロッドで小端部にはビストンピン孔があり、 この部分は矢印 の方向に上下し、 直線運動をおこなう。 大端部は長円形 ·楕円形 るいはそれに 類する形状の内歯歯車 2となっている。 3は出力軸につながる外翁歯車、 4はガ イドピンである。 これはコネクチングロッドの、 どの部分にあってもよいが、 説 明では最下端にもうけている。 5はガイド溝で 4のガイドビンと対 ¾rなしており、 その形状は、 歯車が外れないようにコネクチングロッドのガイドヒ。ンが矢印のよ うに連続して滑らかに動くように規制している。 反対方向も可で る。 6はコネ クチングロッドが出力軸方向にぶれないようにコネクチングロッ の両側に設け る案内壁である。 本説明では、 5のガイド溝は 6に設けられている力 各々べつ にもうけてもよい。
[発明の効果]
[0001]
ビストンの往復直線運動の力をクランク機構より効率よく回転運動に変換で きる。 結果として回転力 ·出力が上がり、 燃費がよくなる。
[0002]
クランク機構におけるコネクチングロッドの反力によって生ずるビストンの 側面の振動、 いわゆるピストンスラップ努生を抑える。 雑音 減る。 また、 ビス トンリングの気密性が上昇する。
[0003]
クランクの回転半径の 2倍とビストン f¾は同じ長さだから、 機械の幅はこれ より大きくなるが、 本発明では、 それに該当する値は、 出力輙の歯車 を内歯 歯車の幅から、 引いた値となる。 また、 コネクチングロッド O長さは、 クランク の回転半径より長いので、 本発明の内歯歯車の内側の長さは当然ビストン行程と 同じ値となるから、 ビストンの運動方向の寸法も小さくなり、 機械全体の大きさ を小型化できる。
[0004]
本発明では、 ビストンの fi¾とクランクの回転 は、 関係なくなるので大行 程のものを自由に設計できる。 大型のヂィーゼルでは有利なことである。
[0005]
直列に配置した多気筒エンジンでは、 従来はクランク軸にねじり振動が発生し するので、 気筒数には限界があった。 しかし、 本発明では工 ί乍が難しく、 高価な クランク軸そのものが必要ないので設計の自由度が増すことになる。
[0006]
圧縮行程のポンプ効率が良くなる。
[0007]
従来のレシプロ機関ではビストンの最高圧力はクランク角 20度 (このときの回 転に関与する垂直方向の分力は約.0.34である)の近辺にあつ fei。 これをもっと上 死点側に動力すことができる。 [0008]
圧縮行程の上死点近傍の圧縮速度は構造からいってクランク機構よりはるか に速い。 圧縮比を高くすることができる。
[0009]
コネクチングロッドの大端部の円周運動距離と内歯歯車の直線運動距離を比 ベると、 内歯歯車の方が短くなる。 クランク機構より高速回転ができる。 または クランク機構と同回転域ならばよりロングストロークを採用することができる。 ロングストロークはショートストロ一クより燃費がよいことが知られている。
[発明を実施するための最良の形態]
従来から設計され作られているクランク機構を、 本発明の内歯 車形式に置き 変えれば、 より小型軽量で、 出力の大き 、燃費の少ないレシプロ機闋が製造でき る。
[図面の簡単な説明]
図 1はラックとピニオンの組み合わせと、 クランク機構の を回 ^動 に変換させるときの仕事量の効率をしめす長方形と sin曲線である《
図 2は直線往復運動を回転運動に変換させる装置の射影図であ ξ»。
[符号の説明]
1はコネクチングロッド、 2は内歯歯車、 3は外歯歯車、 4はガイ ピン、 5はガ ィド溝、 6は案内壁である。
図 3はクランク機構における力と変位を示したものである。
[符号の説明]
Fは各点における力を、 dはそれに対応する変位をしめす。 π、 θ、 1 は それぞれ 90度、コネクチングロッドと垂 のなす角度、クラ ク角である。

Claims

[請求の範囲] クランク機構において、コネクチングロッドの大端部にあるクランクシャフト用 の軸受けの代わりに、長円形 ·楕円形またはそれに類似する内歯歯家を設け、 これ に出力軸につながった外歯歯車を内接させて、内歯肯車の長手方向にコネクチング 口ッドの小端部で直線往復運動をおこなう力を回 feiS動の力に変換させる機構。
2,
長円形 ·楕円形またはそれに類似する内歯歯車を大端部側にもったコネクチン グロッド。
3^
[請求項 2] におけるコネクチングロッドが、 その内歯歯車と になる外歯歯 車の二つが常に接する動きをするように、あらかじめ定めた |¾»を掛く運動をおこ なうように規制するコネクチングロッドに設けたガイドビン、およびその対となる ガイド溝。
4:,
[請求項 2 ] におけるコネクチングロッドが、運動中に出力軸の； &手方向にぶれ るのを防ぐ案内壁の設置。
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