JPH1089002A - 往復動ピストン機構等のクランク機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動及び機械的騒音がほとんど発生せず、摩
擦損失が少なくて機械効率がよく、しかもコンパクトに
構成できる往復動ピストン内燃機関、コンプレッサ、ポ
ンプ等に利用可能なクランク機構を提供することを課題
とする。 【解決手段】 相関的に逆方向に移動する少なくとも一
対のピストン４１、４１ａの動作を、質量及び揺動回転
半径の等しい左右部分を有する揺動ア−ム４５を介して
揺動型回転運動に変換した後、その運動を二手に均等に
分けてリンク機構に伝達し、前記リンク機構に組み込ま
れた回転軸６５の回転に変換して出力することを特徴と
する。前記ピストンの動作軌跡は、直線的な場合と円弧
状の場合とがある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、往復動ピストン内
燃機関、コンプレッサ、ポンプ等に利用可能なクランク
機構に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】往復動ピストン内燃機関は一般に、シリ
ンダ内を直線的に往復動するピストンと、ピストンピン
を介して一端がピストンに回動自在に取り付けられるコ
ンロッド（コネクティングロッド）と、コンロッドの他
端に回動自在に取り付けられるクランクシャフトとによ
ってすべり子クランク機構として構成され、コンロッド
を介して伝わるピストンの直線的な往復運動を回転運動
に変換する。

【０００３】この従来の往復動ピストン内燃機関の場合
は、ピストンを上下動させるに際しコンロッドがピスト
ンの往復動方向に対し揺動傾斜するため、ピストンに燃
焼圧縮力、慣性力等による不均一な側圧がかかり、これ
が機械的振動及び騒音の大きな要因となっている。ま
た、回転軸（出力軸）に加わる荷重及び偶力が釣り合っ
ていないことが、騒音発生の一因となっているだけでな
く、摩擦損失が大きくなって、機械効率を悪化させる原
因となっている。

【０００４】これらの振動及び騒音、機械効率の悪さ等
の問題は、内燃機関と入出力軸が逆となるコンプレッ
サ、ポンプ等の装置においても起こることである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の往復動ピストン
内燃機関、コンプレッサ、ポンプ等には上述したような
欠点があったので、本発明はそのような欠点のない、即
ち、振動及び機械的騒音がほとんど発生せず、摩擦損失
が少なくて機械効率がよく、しかもコンパクトに構成で
きる往復動ピストン内燃機関、コンプレッサ、ポンプ等
に利用可能なクランク機構を提供することを課題とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、相関的に逆方
向に移動する少なくとも一対のピストンの動作を、質量
及び揺動回転半径の等しい左右部分を有する揺動ア−ム
を介して揺動型回転運動に変換した後、その運動を二手
に均等に分けてリンク機構に伝達し、前記リンク機構に
組み込まれた回転軸の回転に変換して出力することを特
徴とする往復動ピストン機構等のクランク機構、を以て
上記課題を解決した。前記ピストンの動作軌跡は、直線
的な場合と円弧状の場合とがある。

【０００７】上記手段においては、ピストンの動作軌跡
が直線的な場合には、動作中のピストンと揺動ア−ムを
連結するコンロッドの傾きが全くないか、あっても僅か
であるので、ピストン側圧の発生も極く僅かであり、ま
たピストンの動作軌跡が円弧状の場合にはピストン側圧
が全く発生しないので、いずれの場合も振動及び機械的
騒音がほとんど発生しない。

【０００８】また、本発明は、揺動回転軸の揺動型回転
運動をコンロッド等の振分手段で二手に均等に分けてリ
ンク機構に伝達し、前記リンク機構に組み込まれた回転
軸の回転に変換して出力することを特徴とするクランク
機構を提唱する。

【０００９】この手段によった場合は、揺動回転軸の左
右で発生する揺動軸荷重を完全に釣り合わせることがで
きる。このクランク機構は上記往復動ピストン機構の
他、コンプレッサ、ポンプ等に利用できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を添付図面に
依拠して説明する。先ず、図１乃至６に示された実施形
態から説明するに、そこに示されたものは、ピストンが
直線的往復動をする内燃機関であり、図中１、１ａがピ
ストンを示している（シリンダ−部分は図示してな
い）。ピストン１、１ａには、ピストンピン２、２ａを
介してコンロッド３、３ａが回動自在に取り付けられ
る。２つのピストン１、１ａとコンロッド３、３ａは、
それぞれ質量を等しくする。後述するように、各コンロ
ッド３、３ａは、僅かに傾斜してピストン１、１ａの運
動方向に移動する。

【００１１】コンロッド３、３ａの下端には、揺動回転
ピン４、４ａを以て揺動ア−ム５の端部が回動自在に取
り付けられる。揺動ア−ム５は、その中心部に固定され
た揺動回転軸６によって軸支される。従って、揺動回転
軸６は、ピストン１、１ａの上下逆方向への動きに伴っ
て、揺動ア−ム５を介して揺動回転駆動される。揺動ア
−ム５における揺動回転軸６の左右部分は、質量及び揺
動回転半径を等しくする。なお、図示した例ではピスト
ンは２対設置されているが（図２参照）、これに限られ
る訳ではなく、更に多数対にしたり、あるいは、１対と
する場合もある。

【００１２】揺動回転軸６にはコンロッド等の振分手段
８が取り付けられ、その振分手段８を介して揺動回転軸
６の回転動力が均等に振り分けられる。即ち、揺動回転
軸６の揺動回転動作が、振分手段８を介して揺動回転軸
１２、１８に伝達される。

【００１３】一方の揺動回転軸１２は１対の支持ア−ム
１６を下向きに備え、その支持ア−ム１６、１６間に揺
動支持ピン１７が設置される（図２参照）。また、他方
の揺動回転軸１８は２対の支持ア−ム１９、２０を上向
きに備え、支持ア−ム１９、１９間並びに支持ア−ム２
０、２０間に、それぞれ揺動支持ピン２１、２２が設置
される。

【００１４】揺動支持ピン１７には、通例２枚の連結材
２３、２３ａの一端部が回動自在に取り付けられ、ま
た、揺動支持ピン２１、２２には、それぞれ連結材２
４、２５の一端部が回動自在に取り付けられる。そし
て、連結材２３の他端部は、対置されたクランクア−ム
２６間に設置されたクランクピン２７に回動自在に連結
される。一方連結材２４、２５の他端部は、各クランク
ア−ム２６の外側端と回転軸２８の屈曲部２９間を連結
するクランクピン３０に回動自在に連結される。

【００１５】上記構成の動作について説明すると、ピス
トン１、１ａが互いに反対方向に上下動するに伴い揺動
ア−ム５が揺動回転軸６を軸にシ−ソ−運動をし、その
結果、揺動回転軸６が揺動型回転運動をする。その揺動
型回転運動は、振分手段８を介して左右に均等に振り分
けられ、その一方は揺動回転軸１２に伝達される結果、
支持ア−ム１６が図１に矢印で示すように振り子動作を
する。

【００１６】また、他方の側の揺動型回転運動は振分手
段８を介して揺動回転軸１８に伝達され、揺動回転軸１
８が同様に動作する結果、支持ア−ム１９、２０が支持
ア−ム１６の振り子動作と対称的な首振り動作をする。
これら支持ア−ム１６の振り子動作と支持ア−ム１９、
２０の首振り動作は、支持ア−ム１６が内方向に回動す
るときに支持ア−ム１９、２０も内方向に回動し、支持
ア−ム１６が外方向に回動するときに支持ア−ム１９、
２０も外方向に回動するという関係において起こる。そ
の結果、クランク２６が回転軸２８を中心に回転し、以
て回転軸２８を回転駆動する。

【００１７】上記動作において、ピストン１、１ａの上
下動に際してのコンロッド３、３ａの傾きは、揺動回転
ピン４、４ａの軌跡の範囲内のものであるため僅かなも
のである。そのため、コンロッド３、３ａが傾くことに
よってもたらされるピストン側圧は極く僅かなものとな
り、ピストン側圧が大きいことに起因する騒音の発生が
なく、機械効率もかなり向上する。

【００１８】また、左右のピストン１、１ａ、コンロッ
ド３、３ａ、揺動回転ピン４、４ａ及び揺動ア−ム５の
左右部分の質量が等しく、且つ、揺動回転半径の長さも
等しいため、左右で発生する慣性力と遠心力は、完全に
打ち消されることになる。そして、ピストン１とピスト
ン１ａの速度は等しく、ないし、ほぼ等しくなり、ピス
トン１とピストン１ａに発生する慣性力は、大きさは等
しく方向は正反対方向になるので、互いに打ち消すこと
になり、揺動回転軸６に対する荷重は、ピストン１、１
ａの燃焼圧縮力により発生した荷重のみとなる。

【００１９】更に、揺動回転運動を回転運動に変換する
機構の動作において、揺動回転軸６の動力が揺動回転軸
１２、１８に均等に振り分けられることにより、回転軸
２８に発生する荷重が互いに打ち消し合う。そして、揺
動回転軸１２に取り付けた連結材２３と揺動回転軸１８
に取り付けた連結材２４に発生する偶力ＦＹとが互いに
打ち消し合い、また、連結材２３ａに発生する偶力ＦＹ
と連結材２５に発生する偶力ＦＹとが互いに打ち消し合
う結果、回転軸２８の偶力が無くなる（図５、図６参
照）。

【００２０】本発明においては上記作用により、慣性力
によるピストン側圧、回転軸荷重による摩擦損失が大幅
に減少し、一次振動、二次振動、偶力振動が無くなるた
めに、機械効率の向上及び振動、騒音の減少という効果
が生じ、また、燃焼圧縮力によるピストン側圧及び回転
軸荷重による摩擦損失が減少し、偶力振動が無くなるこ
とによる機械効率の向上及び振動、騒音の減少という効
果が生ずるのである。

【００２１】図７に示す例は、コンロッド３、３ａが全
く傾くことがない構成としたもので、揺動ア−ム５の両
端部に横長のスライド孔３１を形成し、揺動回転ピン
４、４ａをそれぞれスライド孔３１にスライド可能に挿
通すると共に、コンロッド３、３ａをそれぞれピストン
１、１ａに固定状態にしたものである。

【００２２】この場合も、ピストン１、１ａの上下動に
伴ってコンロッド３、３ａが傾こうとするが、その力は
揺動回転ピン４、４ａがスライド孔３１内を移動するこ
とにより逃がされるため、コンロッド３、３ａが傾くこ
とはない。そのため、ピストン側圧がかからず、上記例
の場合に比較して、騒音の発生は一層少なくなり、機械
効率も向上する。なお、この実施形態の他の部分の構成
及び作用効果は、図１に示す例の場合と同じであるの
で、説明を省略する。

【００２３】次いで、図８乃至図１０に示された実施形
態について説明する。この実施形態はピストンの動きが
円弧軌道をなすことを特徴とするものである。図中４
１、４１ａが円弧ピストンで、円弧状のシリンダ−４
２、４２ａ内を円弧状に往復動する。円弧ピストン４
１、４１ａは、質量及び揺動半径が等しくなるようにさ
れる。円弧ピストン４１、４１ａには円弧状に湾曲する
コンロッド４３、４３ａが固定され、コンロッド４３、
４３ａの下端部は、それぞれ揺動ア−ム４５の端部に固
定される。

【００２４】揺動ア−ム４５は左右対称形で、その中心
部に設置された揺動回転軸４６に軸支され、円弧ピスト
ン４１、４１ａの動きに従って往復型回転運動をする揺
動ア−ム４５の左右部分の質量及び揺動半径は等しくな
るようにされる。揺動ア−ム４５の動きはそのまま揺動
回転軸４６に伝達される。なお、図示した例では円弧ピ
ストンは２対設置されているが（図９参照）、これに限
られる訳ではなく、更に多数対にしたり、あるいは、１
対とする場合もある。

【００２５】第１揺動回転軸４６にはリンク機構が取り
付けられ、そのリンク機構を介して第１揺動回転軸４６
の回転動力が均等に振り分けられる。即ち、第１揺動回
転軸４６にコンロッド等の動力振分手段５３、５４が設
置され、第１揺動回転軸４６を挾んで第２揺動回転軸４
９及び第３揺動回転軸５０が対設され、以て第１揺動回
転軸４６の揺動回転動作が、第２揺動回転軸４９及び第
３揺動回転軸５０に振り分け伝達される。

【００２６】第２揺動回転軸４９には１又は複数の第１
揺動ア−ム５５が設置され、第１揺動ア−ム５５の端部
に第１連結材５６が回動自在に取り付けられる。そし
て、第１連結材５６の他端部は、回転軸（出力軸）５７
に設けた回転軸クランクア−ム５７ａに偏心的に回動自
在に取り付けられる。

【００２７】一方、第３揺動回転軸５０にも１又は複数
の揺動ア−ム５８が設置され、揺動ア−ム５８の端部に
第２連結材５９が回動自在に取り付けられる。そして、
第２連結材５９の他端部は、回転軸５７の回転軸クラン
クア−ム５７ａに、第１連結材５６の取付位置と対称的
配置にて回動自在に取り付けられる。

【００２８】この構成において、左右の円弧ピストン４
１、４１ａ及び揺動ア−ム４５の質量及び揺動半径の長
さを等しくし、且つ、重心を揺動軸の中心とすることに
より、円弧ピストン４１、４１ａが往復円弧運動を行う
に伴って、揺動回転軸４６に揺動運動が得られる。その
場合、揺動ア−ム５８の左右で発生する燃焼圧縮力、慣
性力、遠心力による揺動軸荷重は発生しない。

【００２９】次いで、揺動回転軸４６の揺動運動が回転
軸５７の回転運動に変換される。即ち、揺動回転軸４６
の揺動回転動力は、動力振分手段５３、５４を介して第
２揺動回転軸４９と第３揺動回転軸５０とに振り分け伝
達され、第１連結材５６及び第２連結材５９を介して回
転軸５７の回転運動に変換される。その際、回転軸５７
の左右で発生する回転軸荷重と回転軸偶力とを完全に釣
り合わせることができる（図１０参照、図１０において
Ｃは回転軸荷重、Ｆは揺動トルク、Ｒはコンロッドに加
わる力、Ｔは回転軸トルク、Ｋは揺動軸荷重であ
る。）。

【００３０】図１１乃至図１３に示す実施形態は上記実
施形態を更にコンパクト（特に上下方向）な構成とした
もので、そこにおいては、上記実施形態同様の円弧ピス
トン４１、４１ａ、コンロッド４３、４３ａ及び揺動ア
−ム４５が配備され（図示した例では２組）、揺動ア−
ム４５の揺動軸の中程に、揺動支持ア−ム６１が１又は
複数（図示した例では２）固定状態に取り付けられる。
揺動支持ア−ム６１の両端部には、それぞれコンロッド
６２、６２ａが回動自在に取り付けられる。

【００３１】コンロッド６２、６２ａの他端は、それぞ
れ円板クランク６３、６３ａに偏心的に連結され、以て
揺動ア−ム４５の揺動軸を軸に四節機構が対称的に構成
される。円板クランク６３、６３ａの回転軸にはそれぞ
れ駆動ギア６４、６４ａが取り付けられ、各駆動ギア６
４、６４ａは出力軸たる回転軸６５に設置された被動ギ
ア６６に噛合し、これを回転駆動する。

【００３２】この構成の場合、揺動ア−ム４５の揺動軸
に生ずる揺動回転動力は、揺動支持ア−ム６１を介して
コンロッド６２側とコンロッド６２ａ側とに振り分け伝
達され、それぞれ円板クランク６３、６３ａの回転運動
に変換される。そして、円板クランク６３、６３ａの回
転運動は直接駆動ギア６４、６４ａに伝達され、合成さ
れて被動ギア６６並びにこれと一体となった回転軸６５
を回転駆動する。

【００３３】この構成の場合も左右で発生する燃焼圧縮
力、慣性力、遠心力による揺動軸荷重は発生せず、ま
た、左右で発生する回転軸荷重と回転軸偶力を完全に釣
り合わせることが可能となる（図１３参照、図１３にお
ける符号は図１０の場合と同じ。）。

【００３４】上記いずれの実施形態においても、出力軸
たる回転軸を入力軸として回転動力を反対に伝達するこ
ととすることにより、種々の圧縮機関やポンプ等に利用
することが可能となる。

【００３５】

【発明の効果】本発明は上述した通りであって、本発明
に係るクランク機構によれば、ピストン側圧が無くなる
ためにピストン部における振動、騒音、摩擦損失を大幅
に減少させて機械効率を高めることができ、燃料、電
力、潤滑オイルの消費を少なくすることが可能となり、
また、燃焼圧縮力、慣性力を釣り合わせているので、燃
焼圧縮力振動、慣性力振動を抑制して、低振動・低騒音
機関を実現することができ、更に往復直線運動を直接に
回転運動に変換しないので、回転軸クランク部に発生す
るトルクが均一になり、回転軸クランク部にねじり振動
が発生しないという効果がある。

【００３６】請求項３及び請求項４に記載の発明におい
ては更に、円弧ピストン等の往復質量を従来の４０パ−
セント以下に設計することが可能となり、以て出力性能
を大幅に向上させることが可能となる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態の一例を示す正面図であ
る。

【図２】 本発明の実施形態の一例を示す平面図であ
る。

【図３】 本発明の実施形態の一例の動作図である。

【図４】 本発明の実施形態の一例の動作図である。

【図５】 本発明の実施形態の一例におけるクランク部
の動作図である。

【図６】 本発明の実施形態の一例におけるクランク部
の動作図である。

【図７】 本発明の実施形態の第２の例を示す正面図で
ある。

【図８】 本発明の実施形態の第３の例を示す正面図で
ある。

【図９】 本発明の実施形態の第３の例を示す平面図で
ある。

【図10】 本発明の実施形態の第３の例におけるクラン
ク部の動作図である。

【図11】 本発明の実施形態の第４の例を示す正面図で
ある。

【図12】 本発明の実施形態の第４の例を示す平面図で
ある。

【図13】 本発明の実施形態の第４の例におけるクラン
ク部の動作図である。

【符号の説明】

１ ピストン １ａ ピストン ３ コンロッド ３ａ コンロッド ５ 揺動ア−ム ６ 揺動回転軸 ８ 振分手段 12 揺動回転軸 18 揺動回転軸 28 回転軸 41 円弧ピストン 41ａ 円弧ピストン 45 揺動ア−ム 46 揺動回転軸 47 リンク機構

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相関的に逆方向に移動する少なくとも一
   対のピストンの動作を、質量及び揺動回転半径の等しい
   左右部分を有する揺動ア−ムを介して揺動型回転運動に
   変換した後、その運動を振分手段によって二手に均等に
   分けてリンク機構に伝達し、前記リンク機構に組み込ま
   れた回転軸の回転に変換して出力することを特徴とする
   往復動ピストン機構等のクランク機構。
2. 【請求項２】 前記ピストンの動作軌跡が直線的である
   請求項１に記載の往復動ピストン機構等のクランク機
   構。
3. 【請求項３】 前記ピストンの動作軌跡が円弧状である
   請求項１に記載の往復動ピストン機構等のクランク機
   構。
4. 【請求項４】 揺動回転軸の揺動型回転運動を振分手段
   によって二手に均等に分けてリンク機構に伝達し、前記
   リンク機構に組み込まれた回転軸の回転に変換して出力
   することを特徴とするクランク機構。