JP2929143B2 - 揺動ヨーク装置 - Google Patents

揺動ヨーク装置

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JP2929143B2
JP2929143B2 JP6525288A JP52528894A JP2929143B2 JP 2929143 B2 JP2929143 B2 JP 2929143B2 JP 6525288 A JP6525288 A JP 6525288A JP 52528894 A JP52528894 A JP 52528894A JP 2929143 B2 JP2929143 B2 JP 2929143B2
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16HGEARING
    • F16H23/00Wobble-plate gearings; Oblique-crank gearings
    • F16H23/04Wobble-plate gearings; Oblique-crank gearings with non-rotary wobble-members
    • F16H23/08Wobble-plate gearings; Oblique-crank gearings with non-rotary wobble-members connected to reciprocating members by connecting-rods
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
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    • Y10T74/18Mechanical movements
    • Y10T74/18056Rotary to or from reciprocating or oscillating
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  • Dental Preparations (AREA)
  • Forging (AREA)
  • Finger-Pressure Massage (AREA)
  • Hydraulic Motors (AREA)
  • Forklifts And Lifting Vehicles (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は往復ピストン機械またはその他の位置決め装
置に用いる揺動ヨーク機構に関する。このような機械は
たとえばポンプ、冷凍機、コンプレッサ、内燃機関また
はその他のエンジンたとえばスターリングエンジン等で
ある。またこのような機械にはサテライトディッシュ等
のような正確な位置決めを必要とする装置のための位置
決めラムも含まれる。ピストン軸は駆動軸(存在する場
合には)と平行でなくてもよい。
本発明の目的は往復運動を回転運転に(またはその逆
に)変換するためのコンパクトな機構を提供することに
ある。ピストンは揺動機構を介して駆動を行ない、摺動
体、歯車および多自由度の継手を必要としない。
従来技術の説明 一枚の揺動板を用いるエンジン機構は公知である。こ
の設計には大きな難点があった。たとえば、揺動板は通
常不適切にまたは過度に拘束されていた。しかし揺動板
の設計の大きな問題は連接棒の軌跡が一方の面内では円
弧を描き第二の面内では八の字型を描くことである。し
たがって連接棒の各端部(一端は揺動板に他端はピスト
ンに)の継手がボールあるいはユニバーサル継手または
ベアリングあるは多自由度の継手/ベアリングを必要と
することである。米国特許第4852418号(アームストロ
ング)および第4106354号(ギロディン)がこのような
例であり、また米国特許第4491051号(ツイグラ)およ
びWO91/2889(メイラーズ)も同様である。
このような揺動板を用いることによって生じる別の問
題は揺動板のトルク反力をエンジンのケーシングに対し
て伝達する問題である。これはトルクアームまたは傘歯
車によって達成することができる。しかしこれらの解決
は理想的なものではない。
揺動板に代るものとしては回転斜板がある。しかしこ
れらの斜板は設計上に不利なところがある。潤滑が必須
の要件であり、流体力学的な潤滑が完全になされない結
果として高トルク時の低速での問題が認められ、潤滑油
が機構のハウジングから作動空間に入ることを妨げられ
る問題があり(たとえばスターリングエンジンの場
合);回転傾斜板に対する反力によりピストンロッドに
高域の負荷が生じ、そして目的に合せてつくられる高精
度の部品を必要とする。
これに代わる機構としては多くの内燃機関や圧縮機で
用いられているスライダクランクがある。しかし、この
クランクについては連接棒の角度によってピストン側に
大きな負荷を生じる欠点がある。このような問題はクロ
スヘッドを用いることにより解決されるが、これによっ
て付加的な潤滑やエンジンの特別な長さが必要となる。
通常これによって付加的な摩擦が生じかつロッドのシー
リングに複雑さが加わる。またこのスライダグラング機
構についてはエンジンの動作中における掃引容積を変化
させることが極めて困難であるかまたはまたは不可能で
ある。
スライダクランクを有するスターリングエンジンの特
別な場合には、機構ハウジングは数キロワット以上のエ
ンジンの加圧には一般に適していない。このような場合
でないときにはピストンロッドに複雑なシールが必要と
なる。
したがって本発明の目的は前記の問題および欠点を回
避ないしは最小限にする往復動を回転運動に(またはそ
の逆に)変換するための改善された機構を提供すること
にある。
本発明のさらに別の目的はこれらの改善においてピス
トンが機械または機構の駆動軸と平行であることを要し
ないような機械を提供することにある。
本発明のさらに別の目的はほとんどもしくは完全に力
学的な平衡を達成できる前記の改善された機械を提供す
ることにある。
明細書の以下の部分において、「往復運動を回転運動
に変換する」という用語は反対方向の変換−回転運動か
ら往復運動へ−を含むものとする。また明細書中におい
て「ピストン」という用語は単動または複動エンジンに
おける公知の形式のピストン、ディスプレーサ;および
位置決め機構として用いることのできるような往復動ラ
ムを含むがこれらに限定されるものではない。
発明の概要 本発明は往復運動を回転運動に変換するための揺動ヨ
ーク機構において、前記機構が揺動ヨーク機構およびク
ランクシャフトに作動的に結合されたピストンヘッドを
有する複数のピストン(前記定義による)を備え、 前記揺動ヨーク機構が、 トルク反力がそこを通過する中心枢支点と、 少なくとも一つのピストンの少なくとも一つの端部が
一つの自由度を有するベアリングを介してそれに対して
取り付けられている前記点のまわりを一つの平面内にお
いて回動する第1のビームと、 その軸が中心枢支点を通過し夫々が一つの自由度を有
する少なくとも一つのベアリングを介して前記第1のビ
ームの少なくとも一つの端部に結合させられた少なくと
も一つの第1のヨークと、 少なくとも一つのピストンの少なくとも一つの端部が
一つの自由度を有するベアリングを介してそれに対して
取り付けられている前記点のまわりを一つの平面内にお
いて回動する第2のビームと、 前記第1のヨークの対して90゜ずれた位相にあり、そ
の軸が中心枢支点を通過し夫々が一つの自由度を有する
少なくとも一つのベアリングを介して前記第2のビーム
の少なくとも一つの端部に結合された一つの第2のヨー
クと、 クランクシャフトまたそのまわりに固定されかつ前記
第1および第2の夫々のヨークの一方の端部に結合され
た偏心ベアリングとを備えており、 いずれのベアリングも1を越える自由度を有しておら
ず 全てのベアリングの軸は前記中心枢支点を通過してお
り、そして 偏心ベアリングの軸のまわりにおいて二つのヨークの
間に回転自由度があることを特徴とする前記揺動ヨーク
機構。
二つのヨークの間にそれによってなお回転自由度が与
えられる場合においては、必ずしも必要ではないがクラ
ンクシャフトまたはその周辺に固定されることのできる
第2の偏心ベアリングのあることが好ましい。
本発明の第一の好ましい実施態様においては、ピスト
ンはベアリングとピストンとの間に位置される公知の形
式の連接棒と共に駆動軸に対して平行である。ピストン
軸は駆動軸に対してある角度で開いていてもよい。
本発明の第二の好ましい実施態様においては、各ヨー
クは夫々が中空のトロイダルシリンダの内部においてト
ライダル状である各ピストンと連結する円滑で一様な剛
性のある構成部材に連続している。
本発明の第三の好ましい実施態様においては、偏心ベ
アリングの偏心角度を変化させることができる。この実
施態様においては、ピストンは第一および第二の実施態
様における前記のいずれの形状のピストンであってもよ
い。
発明の簡単な説明 本発明の好ましい実施態様を例としてのみ4気筒複動
形エンジンに関し添付図面を参照して詳細に説明する
と、 図1は本発明の第一の好ましい実施態様を含むエンジ
ンの断面図であり; 図2は本発明の第一の好ましい実施態様を含むエンジ
ンの横断平面図であり; 図3は本発明の第二の好ましい実施態様を含むエンジ
ンの断面図であり; 図4は本発明の第三の好ましい実施態様を具体化した
スターリングエンジンの断面図であり;そして 図5は本発明の第三の好ましい実施態様についての自
由度の方向と位置を示す図である。
詳細な説明 第一の好ましい実施態様 図1、2および5について説明すると、エンジン2が
図2中に反時計方向において示すピストン1′、2′、
3′および4′と共に示されている。
エンジン2は4つの同一のシリンダアセンブリィ21、
一本の出力クランクシャフト12および一つの揺動ヨーク
アセンブリィ4を収容するハウジングアセンブリィ20を
含んでいる。4基のピストンは符号6、7および6′お
よび7′(図示せず)で示され、かつ連接棒8、9およ
び8′および9′(図2参照)を夫々有している。
各シリンダアセンブリィ21は一般的に周知の形式のも
のであって、それらの軸は相互にかつ主中心軸A(図
1)に対して平行である。これらの軸は必要によっては
平行でなくてもよくまた軸A(図1)に対して平行でな
くてもよい。
エンジン2はその中心点5のまわりを回転する第1の
ヨーク4aのビーム3を含んでいる。ビーム3は一対のベ
アリング10を介して2基のピストン6、7(ピストン連
接棒8、9の一方の端部において夫々の連接棒を介し
て)に取り付けられている。ビーム3は一対のベアリン
グ10と同様に一つの自由度(R2:図5参照)を有してい
る。第2のヨーク4bがベアリング10′と直角をなす一対
のベアリング15′を介して第二のビーム3aに結合されて
いる。第二のヨーク4bの中心は軸BCを通過している。こ
のように、ベアリング15、15′は一つだけの自由度を有
している。
二つの偏心ベアリング11が傾斜軸16の回りに固定され
かつ双方の揺動ヨーク4a,4bに対して夫々固定的に取り
付けられている。ベアリング11は中心軸Aに対して角度
θをなす第2の軸BC(図1)に沿って位置決めされてい
る。第2の軸BC及び傾斜軸16は中心軸Aの回りを回動す
る。第2の軸BCは中心点5において中心軸Aと交差す
る。傾斜軸16は公知の形態で駆動軸12aに結合されてい
る。
第2の揺動ヨーク4bが第1の揺動ヨーク4aに対して直
角に置かれている。第1の揺動ヨーク4aはピストン6お
よび7の運動を制御する。第2の揺動ヨーク4bはピスト
ン6′および7′(図2中、2′、4′に位置)の運動
を制御する。第1のヨーク4aについてすでに述べたよう
に、第2のヨーク4bは一つの自由度を有する一対のベア
リング10′を介して夫々の連接棒8′および9′に結合
されている(図5参照)。
ピストン6および7の往復動に伴って、ビーム3とヨ
ークアセンブリィ4とが中心点5のまわりに回動する。
ビーム3と水平面との間の最大の角度、すなわち最大ビ
ーム角度はφによって示されている。最大ビーム角度φ
が小さい場合(すなわち15゜以下)に、ピストン(6、
6′、7、7′)がエンジン2の中心軸Aに対して平行
またはほぼ平行であればクランクシャフト12の回転によ
り各ピストン(6、7、6′、7′)のほぼ正弦状の運
動が生じる。このことは第二および第三の好ましい実施
態様についても生じる。ベアリング10、10′、15および
ベアリング11の対はすべてのベアリングの軸線が中心軸
Aと中心点5との交点において交差するようになされて
いる。この中心点はまたビームベアリング14の中心でも
ある。
このようにして一つの平面上を180゜位相で移動する
連接棒8、9は下方の連接棒ベアリング10に一つの自由
度Ryを与えることができる。別の対のピストン(6′、
7′)のための連接棒(8′、9′)はビーム3に対し
て90゜だけ位相がずれかつ(xy面上ではなく)yz面上に
おいて円弧状に移動する。
このようにして、一つだけの自由度(RxまたはRz)を
必要とする継手またはベアリング10、10′が連接棒
(8、8′、9、9′)の両端において必要とされる。
いずれの継手またはベアリング(10、10′)も公知の形
式の撓み継手とすることができる。
二つの揺動ヨーク4a、4bの間には軸BCに関してある程
度の回転自由度がある。連接棒(8、8′9、9′)の
夫々のピストン(6、6′、7、7′)への結合は剛性
的なものとすることができる。そのようにする場合に
は、一つの自由度を有するベアリング(図示せず)を介
して結合させることができる。
エンジン2についてのヨークアセンブリィ4のこのよ
うな構成によってトルク反力はビームベアリング14を介
して受けられる。すべてのベアリングの対が一つだけの
自由度を有しているので、このようなベアリングは深み
ぞ玉軸受等とすることができまた予め潤滑されたシール
ベアリングを用いることができる。
適当な公知の付加的なバランス重錘34を付け加えるこ
とにより、エンジンがその走行中に力学的に極めて平衡
に近ずくことが判明した。駆動軸12aを用いて例えばバ
ルブやポンプまたはエンジン2の走行のために必要な機
構などのような補助的装置(図示せず)を駆動すること
ができる。
連接棒の底端部におけるベアリング10、10′の運動に
よってすべての四つのベアリング10、10′に円弧DE(図
1に示す)を描く運動が与えられる。この円弧から見ら
れるように、ベアリング10、10′の水平方向の変位は極
めて小さい。この水平方向の変位が極めて小さな結果と
して、ピストン側の負荷は極めて小さく、従ってエンジ
ン2の効率と使用寿命とが増大する。それはまた連接
棒、シールおよびベアリングの設計を簡単にする。
ベアリング15の対はビーム3を連接棒8、9に結合さ
れるベアリング10よりも中心軸Aにより近く位置される
ものとして図1に示されている。必要によってはこれら
のベアリング10をベアリング10に関して中心軸Aよりも
さらに外側に位置させることができる。
第2の好ましい実施対応 図3について説明すると、第一の好ましい実施態様に
ついての同様な部材には対応した符号が付されており、
ピストンの形状は第一の好ましい実施態様のものと同様
である。この好ましい実施態様においては、第1の揺動
ヨーク4のビーム3は連接棒29に対して一体にかつ剛性
的に結合されている。ピストン26および27はトロイダル
状の形状とすることができる。またピストンはシールを
維持するのに充分な単なる円板であってもよい。ピスト
ン26および27は軸方向の往復運動よりは円弧状の往復運
動を行う。連接棒19とビーム3とを一体的に形成するこ
とによって湾曲した軸FGに関するピストン26、27の側方
への力が全くなくなる。これによってすべてのピストン
の摩擦および潤滑の必要がなくなりそしてピストンにつ
いてはエンジン効率を低下させる要素としてシールの摩
擦だけが残る。
第三の好ましい実施態様 図4および図示されているスターリングエンジン30に
ついて説明すると、本発明の第一の好ましい実施態様の
揺動ヨーク機構4が含まれているが、一つの大きな改変
がなされている。第一の好ましい実施態様と同様な構成
部材は対応した符号で示されそしてピストンの形状は第
一の好ましい実施態様のものと同様である。大きな相違
はこの実施態様では偏心ベアリング11の主軸Aに対する
位置を変えることにより,角度(θ)を変化させること
ができる点にある。ベアリング11の変化可能な位置は機
械的、電機的または流体的に作動するアクチュエータ等
のような公知の手段によって得られる。ベアリングはク
ランクシャフト12上のバランス重錘34中の空所39の内部
に置かれている。
傾斜軸16は一方のヨーク(4aまたは4b)に対して剛性
的に固定されておりそして第2のヨーク(4bまたは4a)
に関して軸BCの回りに一つの自由度を有する。傾斜シャ
フト16は剥離偏心ベアリング11に関して一つの自由度を
有する。
エンジン30は公知のスターリングエンジン構成部材;
平坦な冷却板31;フィン付の熱端部32及びバランス重錘3
4を含む。スターリングエンジン30を図4の実施態様に
示すように12V蓄電池の充電器として用いる場合には、
エンジン30のその他の構成部材として静止磁界コイル3
5、スターター36、及び手動の反跳スタータ37及びロー
ター38があげられる。これらの後者の部材は蓄電池充電
器のための標準的な部品であり、公知の態様で動作す
る。
可変ストロークを有するピストンを備えたスターリン
グエンジンにおいて第三の好ましい実施態様のエンジン
30を用いることにより、40mm口径、20mmストロークおよ
び10バールの平均サイクル圧力で1500rpmの速度を有す
るエアチャージスターリングエンジンで400W以上の出力
を生じ得ることが試験によって示された。本発明をスタ
ーリングエンジンについて説明したが、これがヨークア
センブリィ4を用いることのできる唯一の機構またはエ
ンジンではない。それはガス圧縮器、冷凍機圧縮機およ
び油圧モーター/ポンプにおいて用いることができる。
空気の供給を行うために潤滑剤が用いられないようなコ
ンパクトなドライエアコンプレッサーは本発明を用いる
ための適当な機構である。ピストン側の低い負荷および
エンジンの平衡はヨークアセンブリィ4がコンパクトな
内燃機関または蒸気エンジンに効果的に用いられること
を示している。
連接棒ベアリングの中心と夫々のピストン連接棒ベア
リングの中心(または適当なベアリングがない場合には
夫々の連接棒の頂部のセンター)との間の距離を変える
ことにより、偏心ベアリング11の中心の位置(第三の好
ましい実施態様)または二つの偏心ベアリング11のうち
の一つのものゝ位置(第二および第一の好ましい実施態
様)を二つの公知の形式のリニアアクチュエータによっ
て制御することができる。すなわち軸BCと軸Aとの間の
角度を変化もしくは制御することができる。
このようなヨークアセンブリィの構成はその他の装置
を正確に位置決めするための機構において充分に適して
いる。このようなその他の装置は衛星板、ミラーまたは
太陽集光板であってもよい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−99845(JP,A) 特開 昭50−78728(JP,A) 特開 昭52−96407(JP,A) 英国公開677712(GB,A) 国際公開90/2247(WO,A1) 西独公開1954872(DE,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F16H 23/02 F16H 23/04 F16H 23/06 F16H 23/08

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】往復運動を回転運動に変換するための揺動
    ヨーク機構において前記機構が揺動ヨーク機構およびク
    ランクシャフトに作動的に結合されたピストンヘッドを
    有する複数のピストンを備え、 前記揺動ヨーク機構が、 少なくとも一つのピストンの端部が一つの自由度を有す
    るベアリングを介して各ビーム端部に対して取り付けら
    れトルクの作用を受ける中心枢支点のまわりを一つの平
    面内において回動する第1のビームと、 回転軸線が前記中心枢支点を通りかつ一つの自由度を有
    する少なくとも一つのベアリングを介して前記第1のビ
    ームの各ビーム端部に対して結合させられた少なくとも
    一つの第1のヨークと、 少なくとも一つのピストンの端部が一つの自由度を有す
    るベアリングを介して各ビーム端部に対して取り付けら
    れ前記中心枢支点のまわりを一つの平面内において回動
    する第2のビームと、 前記第1のヨークを結合させるための前記第1のベーム
    のベアリングの回転軸線を含む平面上において前記第1
    のヨークに対して90゜ずれた位相にあり、回転軸線が前
    記中心枢支点を通りかつ一つの自由度を有する少なくと
    も一つのベアリングを介して前記第2のビームの各端部
    に対して結合された第2のヨークと、 クランクシャフトまたはそのまわりに固定されかつ前記
    第1および第2の夫々のヨークの一方の端部に結合され
    た偏心ベアリングとを備えており、 各ベアリングは1を越える自由度を有しておらず、 各ベアリングの軸線は前記中心枢支点を通過しており、
    そして 二つのヨークの間には偏心ベアリングの軸線のまわりに
    おいて回転する自由度があることを特徴とする前記揺動
    ヨーク機構。
  2. 【請求項2】前記機構がクランクシャフトまたはその周
    辺に固定される第2の偏心ベアリングをさらに含む請求
    範囲1記載の揺動ヨーク機構。
  3. 【請求項3】前記機構が駆動軸を含みそしてピストンの
    軸が駆動軸の軸線に平行である請求範囲1または2記載
    の揺動ヨーク機構。
  4. 【請求項4】往復動を回転運動に変換するための揺動ヨ
    ーク機構において、前記機構が揺動ヨーク機構に作動的
    に結合されるピストンヘッドを有する複数のピストンお
    よびクランクシャフトを備え、 前記揺動ヨーク機構が 少なくとも一つのピストンの端部が一つの自由度を有す
    るベアリングを介して各ビーム端部に対して取り付けら
    れトルクの作用を受ける中心枢支点のまわりを一つの平
    面内において回動する第1のビームと、 回転軸線が前記中心枢支点を通りかつ一つの自由度を有
    する少なくとも一つのベアリングを介して前記第1のビ
    ームの各ビーム端部に対して結合させられた少なくとも
    一つの第1のヨークと、 少なくとも一つのピストンの端部が一つの自由度を有す
    るベアリングを介して各ビーム端部に対して取り付けら
    れ前記中心枢支点のまわりを一つの平面内において回動
    する第2のビームと、 前記第1のヨークを結合させるための前記第1のビーム
    のベアリングの軸線を含む平面上において前記第1のヨ
    ークに対して90゜ずれた位相にあり、前記第2のビーム
    の各端部に剛性的に結合された第2のヨークと、 クランクシャフトにまたそのまわりに固定されかつ前記
    第1および第2の夫々のヨークの一方の端部に結合され
    た偏心ベアリングとを備えており、 各ベアリングは1を越える自由度を有しておらず、 各ベアリングの軸線は前記中心枢支点を通過しており、
    そして これらピストンは円弧状の往復運動をし、かつ 前記二つのヨークの間には偏心ベアリングの軸まわりに
    回転する自由度があることを特徴とする前記揺動ヨーク
    機構。
  5. 【請求項5】前記各偏心ベアリングがクランクシャフト
    に対して偏心角度を有しこの角度が可変である前記請求
    項ないし4項のいずれか一項に記載された揺動ヨーク機
    構。
  6. 【請求項6】夫々がピストンヘッドを有する複数のピス
    トンと、クランクシャフトと前記請求範囲1ないし5項
    のいずれか一項に記載された揺動ヨーク機構とからなる
    往復動ピストン機械。
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NZ247571 1993-05-07
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EP (1) EP0697076B1 (ja)
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AT (1) ATE199276T1 (ja)
AU (1) AU673074C (ja)
BR (1) BR9406392A (ja)
CA (1) CA2161868C (ja)
DE (1) DE69426724T2 (ja)
DK (1) DK0697076T3 (ja)
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