WO1983003125A1 - Vibrationless piston mechanism - Google Patents

Description

明 細 書

無振動 ビ ス ト ン核構

技術分野

本発明は、 ビ ス ト ン · シ リ ン ダ ー ' ク ラ ン ク機構の 作動時における振勛や反動の発生を防止する こ と がで き る無振動 ビス ト ン 核構に 関する も のであ る 。

背景技術

ピ ス ト ン · シ リ ン ダ ー · ク ラ ン ク ^構は、 往復運動 を回転運動に変えた ) 、 ま たその逆に回転運動を往復 運 10に変え る も の であ 、 蒸気機関や内燃核関等の原 動機への応用、 空気圧縮機や ^ン プ等への応用 な ど広 範な利用分野を有す る核撂で あ る 。 したがって、 従来 か ら ビス ト ン · シ リ ン ダー · ク ラ ン ク檢構の実用化に 際 して、 その作勣時に発生す る振動や反動を如何に小 さ く するかが重要 な 課題 と な っていた。 ピ ス ト ン * シ リ ン ダ 一 · ク ラ ン ク 恡構におい て、 振勤発生の主 原因は、 第 1 カ ビ ス ト ン の往復運動 に よ る も の であ 、 第 2 が コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ドの運動に よ る も ので あ る 。 こ こ で、 第 1 の ビス ト ン の往復運勣に よ る も の に 関 しては、 既に 1 対の ビス ト ン を対向型に配蘆する こ と で解決する 方法が提案さ れてい る。 しか し、 第 2 の コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ 'ドの運動に よ る も の に関 しては、 現在ま で完全な 方法が具体的に は実現 してい な い。

不発明は、 上記の問題を 解決 した も ので あ j 、 その

OMPI 目 的 と する 所は、 相互に歯合する 4 つの同形、 同大、 同質量の歯車で構成され る 四重極同調歯車を 中心と し て、 これに結合さ れ る ピ ス ト ンや コ ネ ク テ ィ ン グ ' 口 ッ ドを対称型に配盧する こ と に よ って、 ビス ト ン · シ リ ン ダ 一 · ク ラ ン ク核構の無振動かつ無反動作動を可 能 と した無振動 ビ ス ト ン機構を 提供する こ と にある 。

発明の開示

- す ¾わち、 本発明は、 ¾、 大き さ、 質量 ¾ どが等 し い 4 つの歯車を相互に歯合させる と共に、 これ等の歯 車の軸を弒ぶ線が正方形を成す よ う に同一平面上に配 直 し、 かつ各軸の位 が変化 しな よ う に剛体、 実際 には銅製等の近似剛体に よ つて回 可能な状態で支持 して歯車の結合 ( 以下 （ 四重極同調歯車」 と いう。 ） を形成 し、 この 四重極同調歯車の 1 組又は複数組を 中 心 と して、 これ と 結合さ れる複数の ピ ス ト ン · シ リ ン ダー及びコ ネク テ ィ ン グ · ロ ッ ド ¾対称型に配直 した も の であ る 。

こ の よ う に構成 された本発明 に よ れば、 ピ ス ト ン · シ リ ン ダ 一 · ク ラ ン ク核構における ヒ。ス ト ン の往復違 動及 びコ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ドの運動に よ る振勤発生 に係わる諸問題を総合的に解決 し、 その無振 Ιδかつ無 反動作動を実現する こ と がで き る 。

^面の簡単 ¾説明

第 1 図は 1 組の 四重極同 調歯革を ¾念的に示 した平

'

ΟΜΡΙ 面図、 第 2 | ^ は第 1 凶の A - A線に沿 う 断面凶、 第 3 図は 1 組の 四重極 同調歯車の回転状態を示す詋明囟、 第 図は説明の便宜のため に四重極同調歯車の軸に符号 を付 して示 した說明図、 第 5 凶はク ラ ン クを兼ねた 1 組の 四重極同調歯車 と 4 組の ピ ス ト ン を用いた 1 単位 の無振動 ビ ス ト ン核搆の断面図、 第 ό 図 は第 5 図の Β - Β 線に沿 う 断面図、 第 7 図 は ク ラ ン ク を兼ねた 1 組の四重極同 調歯車 と 2 組の ビス ト ン を 用いた 1 単位 の無振動 ビス ト ン檢構の断面図、 第 8 図 は 1 つの ビ ス ト ン と 2 つ の コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ドを違結す る場合 の 1 対の コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ドの平面図、 第 9 図は 第 8 図の C - C 線に沿 う 断面図、 第 1 0 図 は第 8 図を 分解 し て示 した斜視図、 第 1 1 囟は 1 組の四重極同調 歯車と 4 個の ビ ス ト ン の組合せを 1 単位 と する無振動 ビス ト ン 機構を平面的 （ 四重極同調歯車の 面 と 同 じ面） に 3 単位連結 した状態を示す説明図、 第 1 2 図は 1 組 の 四重極同調歯車 と 2 つの ビス 卜 ン の組合せを 1 単位 と する無振動 ビス ト ン檢構を平面的に 5 単位連結 した 状態を示す説明図、 第 1 3 図 は第 1 1 囟 と 同 じ型の単 位形を有す る無振動 ビ ス ト ン 構を立体的 （ 四重極同 調歯車を構成する歯車の各軸の方向 に対 し ） に 3 単位 連結 した状態を示す斜視説明 ^、 第 1 4 図 は第 1 2 図 と 同 じ型の単位形を有する 無振動 ビ ス ト ン核構を立体 的に 3 単位連結 した状態 を示す斜視説明図、 第 1 5 図 は四重極同調歯車を構成する 2 つの隣 ！） 合 う 歯車につ いての回転時の状態を示す平面図、 第 1 ό 図は第 1 5 図に示す 2 つの歯車の歯合状態 （ a 状態、 b 状態 ） を 示す拡大部分平面図、 第 1 7 図は四重極同調歯車に使 用する歯車における実用性の ある歯形の一例である連 続接触歯車を示す平面図であ る。

発明を実施するための最良の形態

本発明を よ 詳細に説明するために、 以下添付図面 に従って説明する。

本発明に係る無振動 ピス ト ン核構は、 相互に歯合す る 4つの形、 大き さ、 質量 ¾ どが等 しい歯車で構成さ れる四重極同調歯車を利用する こ とによって成立する も のである。 即ち第 1 図及び第 2 図に示すよ う に、 4 つの歯車 1 を相互に歯合させ、 これ等の歯車 1 の 4 つ の軸 2 を結ぶ線が正方形を成すよ う に同一平面上に配 置 し、 各軸 2 の位置が変化 し ¾ よ う 剛体 3 、 例えぱ 鋼製等の近似剛体に よって回転可能 ¾ 吠態で支持 して 歯車の結合体 と も い う べき 四重極同調菌車を形成する, こ の四重極同調歯車の第 1 の特性は、 「四重極同調歯 車は回転可能であ ]? 、 その 回転の方向は、 隣 合った もの同志は互いに逆方向であ 、 その回 ¾数は、 各歯 車において等 し 。 」 とい う こ と である。 この第 1 の 特性は、 4 つの菌車 1 が相互に菌み合ってお ]? 、 その 回転方向が第 3 図 に示す矢印方向 と なる こ と、 及び 4 つの歯車 1 の歯数が等 しいので回転数が等 し く な る こ とか ら詋明する こ と がで き る。 ま た第 2 の特性は、 「四 重極同調歯車は、 回転時に移動や振動が生じ ない。 こ の特性は、 等速回転時及び加速回転時にお て一般的 に成立する。 」 と い う こ と で ある。 この第 2 の特性は、 4 つの歯車の軸 2 の中心を第 4 図に示す よ う に、 P i , P₂ ， P₃ , P₄ とする と、 各歯車 1 が等質であ 、 力 つ軸 2 に対 して対称の回転体であ る こ と から、 その回転運 動に よ って軸 2 に加わる 力は偶力のみであ ]) 、 その偶 力の大 き さは 4 つの軸 2 につ て同時刻にお ては同 一である こ と、' 及びその偶力の向 き は隣 合った歯車 1 において逆向 き である力 ら、 P, と P₃ とを ブラ ス とす る と P₂と P₄ はマ イ ナ ス と な り 、 したがって相互に結合 された 4 つの軸 2 に加わる偶力の総和が零 と な る こ と 力 ら説明する こ と 力 で き る。

第 5 図及び第 ό 図は、 1 組の四重極同調歯車 と 4 組 の ヒ。 ス ト ン · シ リ ン ダ一 と を 4 つ の コ ネ ク テ ィ ン グ ， ロ ッ ド で結合 して 4 気筒の ビ ス ト ン 構と して構成 し た実施例を示す も の であ ！？ 、 ビス ト ン · シ リ ン ダ 一は 2 組ずつ四重極同調歯車を 中心と して対称型に配置さ れ て い る 。 4 は ピ ス ト ン · シ リ ン ダ ー の ビ ス ト ン 、 5 は同 じ く シ リ ン ダ ー、 ό は四重極同調歯車を構成する 各歯車 1 と ビス ト ン 5 を連結する コ ネ ク テ ィ ン グ · 口 ッ ド、 7 は コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ド ό の ビ ス ト ン 5 側

¾ΕΑ Ο ΡΙ 垂 の軸、 8 は同 じ く 歯車 1 側の 軸、 9 は 4 つの シ リ ン ダ — 5 を一体化する と共に、 四重毺同調歯車のハ ウ ジ ン グと も な る ク ラ ン ク * ケ — ス ゝ 1 0 は ヒ。 ス ト ン · シ リ ン ダ 一の吸入弁、 1 1 は同 じ く 排気弁、 1 2 は歯車の ク ラ ン ク 部で あ る 。 4 つの コ ネ ク テ ィ ン グ ロ ッ ド ό の 各歯車 1 に対する取付位置は、 こ れを対称型 と し、 各 歯車 1 が同調 して回転す る よ う に構成する 。 この ビス ト ン機構の作動時の部品の質量に よ る 力を検討する と 次の よ う にな る。 即 ち、 作動する 構成部品の第 1 は四 重極同調歯車、 第 2 は 4 つの ビス ト ン 5 、 第 5 は両端 の軸 7 、 8 を含め て 4 つの コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ド ό で あ る。 第 1 の四重極同調歯車の 回転は、 上記の如 く 振動や反動を生じ 。 第 2 の 4 つの ビス ト ン 4 に関 しては、 第 5 図 に示すよ う に同調され てお 、 かつ 4 つの ヒ。 ス ト ン 4 は夫々 等 し 質量を持つ も ので あ る。 したがって、 歯車の軸 2 の 中心 と ； Ρ₄ , Ρ₂ と Ρ ₃ は、 夫 々 向一作用線上において、 相互 に対向 して逆向 き に 作動する の で、 その合力は零 と な ]? 、 振動や反勤を生 じ い。 第 3 の 4 つの コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ド ό に関 しては、 第 5 図 に示す よ う に同調され てお ]? 、 かつ、 4 つの コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ド ό は、 すべて等 し 質 量を有する も の で あ る 。 したがって、 各 コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ド ό の作勤 によ る反動 力は、 次の通 であ る X方向のべク ト ル成分 に関 しては、 と C₄ , 及 び、 C₂

OMPI と C₃の組が夫 々 互いに大 き さが等 し く 向 き が反対で同 一作用線上に作用する の で、 打消 し合ってその合力は 零 と な る 。 Y 方 尚のべク ト ル成分に関 しては、 と c₂ 及び、 c ₃と C₄ の組が、 X方向 の場合 と 同様に作用 して その合力 は零 と な る 。 したがって、 第 5 図 の よ う に同 調 された コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ド ό の質量に よ る作動 時の振動や反動は生 じ い。 即 ち、 第 5 図 に示す よ う な四重極同調歯車を 有する 4 気筒の ビス 卜 ン機構は、 その部品の質量の作動時に振動や反動 を生 じ な い無振 動 ビ ス ト ン核構の単位.形を形成する こ と がで き る 。

第 7 凶は、 1 組の四重極同調歯車 と 2 組の ピ ス ト ン シ リ ン ダー と を、 部分的 な形状は異 な る も のの質量の 全 く 等 しい 4 つの コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ド ό で結合 し て成 る最 も 単純な型の無振動 ビス 卜 ン檨構の単位形を 示す も ので あ る 。 こ の実施例 においては-、 1 対の コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ド ό 力 1 つの ピ ス ト ン 4 に結合さ れ ている こ と と 、 ビ ス ト ン 4 が 2 つであ る こ と 以外は、 第 5 凶 に示す実施例の場合 と 同様であ る。 ま ず、 1 対 の コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ド ό カ 1 つの ビス ト ン 4 に結 合する 場合について說明する 。 こ の場合に コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ド ό の作勤時 におけ 振動や反動の発生を 防止す るた め には、 コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ド ό の形態 と 質量 と が問題 に な る 。 第 8 図 の コ ネ ク テ ィ ン グ · 口 ッ ド ό を C - C 線にお て 切断 して示 した も のが第 9

ΟΜΡΙ 凶であ り 、 分解 して斜視方向か ら示 した も のが第 1 0 図で あ る 。 これ等の第 8 乃至第 1 0 囟に よ って明 ら かな よ う に、 2 本 1 組の コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ド ό の 形態は、 ビス ト ン 4 側の 軸受部分を除いては対称型で あ る 。 ピ ス ト ン 4 側の 軸受部分は、 第 9 図に示す よ う に、 組合せた状態で Ζ 方向に対 して対称型 と り 、 作 動時にお て軸 7 側に偶力が生じな い よ う にするため、 1 方の コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ド ό a の 2 つの軸受部の 厚さを夫 々 d と した場合、 他方の コ ネ ク テ ィ ン グ · 口 ッ ド 0 b の 1 つの軸受部の厚さを 2 d とする。 而 して、 第 8 図 乃至第 1 0 図 に示す 1 対の コ ネ ク ティ ン グ · 口 ッ ド ό は、 その質量が X 軸に対 して対称に運動する の で第 7 図に示す実施例の無振動 ビス ト ン檨構において 有効に使用する こ と がで き る 。

次に、 上記 2 種類の無振動 ビス ト ン 構の 「単位形」 を複釵個違結す る場合について説明する。

第 1 1 凶は、 1 組の 四重極同調歯車 と 4 つの ピス ト ン 4 と の組合せを単位形 とする無振動 ビス ト ン核構を 四重極同調歯車の 面 と同一面上にお て平面的に 3 単 位連結 した状態 を示すも の で あ ]? 、 四重極同調歯軍は、 それ 自体がク ラ ン ク を兼ねる （ ク ラ ン ク を別に して四 重極同調歯車に連結す 方法 も 可能 ） と 同時に、 各ビ ス ト ン 4 に作用す る 力を互 に連結する 作用 を持つ。 そ して連続的に ¾結され た 5 単位の等 し 四重 ¾同調

Ο ΡΙ 歯車は、 全て回転 し、 相互に同調する 。 こ の場合、 ピ ス ト ン 4 や コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ド ό の 同調は 、 ヒ。 ス ト ン機構の性能に対応 して 自 由に決め る こ と がで き る。 第 1 2 図は、 1 組の四重極同調歯車 と 2 つ.の ビス ト ン 4 と の組合せを単位形 と する無振勦 ビ ス ト ン檨構を 四 重極同調歯車の 面 と 同一面上にお いて平面的に 3 単位 連結 した状態を示す も の で あ 、 連続的に連結された 3 単位の等 しい 四重極同調歯車は、 全て 回 ¾ し、 相互 に同調す る 。 こ の場合について も 、 ビ ス ト ン 4 や コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ド ό の 同調は 、 ビス ト ン核構の性倉 g に対応 し て 自 由に決め る こ とがで き る 。 なお、 上記の 2 つの実施例にお て、 動力の入出 に関 して は、 歯車 1 自 体、 _Λ又は歯車の軸 2 'の いずれか ら で も 自 由 に入 出 させる こ と がで き る。 連結させる無振動 ビス ト ン核構 の単位形の数は、 上記の 2 実施例 に限定 され る こ と は な く 、 2 以上の複数単位 と す る こ と がで き る。 更に、 連結の方向 について も 、 第 1 3 図及 び第 1 4 図 に示す よ う に、 複数の単位形を歯車の 軸 2 の方向へ立体的に 連結す る ·こ と も 可能で あ る _ff

ま ^四重極 同調歯車は、 複数の ビス ト ン 4 か ら の応 力に対応 して作勤する こ と があ るので、 降 ] 9 合 う 歯車 1 が交互に原動車 と 従動車に な る こ と があ る 。 こ の よ う な場合に、 第 1 5 図 に示す よ う に、 2 つの歯車 1 を 取 ]) 出 してみる と、 左側の歯車 1 a が原動車 と な ] 、

O Pし 右側の歯車 1 b が従動車と な って回転する と き は、 第 1 ό 図の（a)の よ う な状態 で 2 つの歯車 1 a , 1 b が接 する 。 逆に、 右側の歯車 1 b が原動車 と な ]? 、 左側の 歯車 1 a が従動車と るって回転する と き は、 第 1 ό 図 の（b)の よ う ¾状態で 2 つの歯車 1 a , 1 b が接する。

したがって、 交互に（a) と（b)の よ う な状態力； く ]9 返えさ れる と き は、 振幅の小さ な振動を発生する こ と がある , そ こ で、 四重極同調歯車においては、 歯車 1 の歯形と 精度 と 潤滑方式が重要な間題 と る 。 下、 こ の間題 につい て説明する。

隣 合った歯車 1 が交互に原動車 と従動車に な るの で、 歯車の形態は、 相互に逆方向に も 接触する形が好 ま しい。 その一例 と して、 第 1 7 図 に示す よ う な連続 接触歯車かある 。 ま た歯車 1 は、 強度と 同時に高精度 であ る こ と か必要である 。 更に、 潤滑方式 と しては、 潤滑油を用い る方法、 縮空気を用いる 方法、 磁気を 用いる 方法等があ る 。

本発明は、 以上の よ う に構成されてい るから、 四重 極同調歯車を正常に作動させ、 従来か ら振勣ゃ反動発 生の主要原因 と されて た ビ ス ト ン の往復違動及 びコ ネク テ ィ ン グ · ロ ッ ドの運動に関 して こ れ を無振動か つ無反動化す る こ と がで き る 。

産案上の利用可能性

発明に係る無振動 ビ ス ト ン 構は、 ビ ス ト ン棱構 r OMPI を用いる全ての檢器に応用する こ と が可能であ 、 そ れ等の核器の振動に よ る公害等、 及び、 梭器その も の の性能を向上させる こ とがで き る。 例えば、 これをェ ン ジ ン に用 る場合には、 無振動である こ との特性か ら セ ラ ミ ッ ク スを材料と する エ ン ジ ン の実用性を よ 現実の も の とする。 而 して、 このセ ラ ミ ッ ク ス · ェ ン ジ ン は 、 将来のエ ン ジ ン が水素を燃' ^:料と して使用 し得 る時期にお て、 金属性エ ン ジ ン が水素に対する耐腐 蝕性に劣る と い う 久点を解消 し、 核械の材料革命に と つて有勃な手段 と なる。

Claims

請求の範囲

1. 四重毺同調歯車 と、 こ の四重極同調歯車を中心と

して対称型に配置され、 これ と結合される複数の ピ ス ト ン · シ リ. ン ダ ー及びコ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ドの 組合せを単位形とする こ と を特徵と する無振動 ビス ト ン機構。 '- .

2. 単位形が 1 組の四重極同調歯車と 4 組の ビス ト ン シ リ ン ダ ー を 4 つ の コ ネ ク テ ィ ン グ · ロ ッ ドで結合 して成る こ とを特徵とする請求の範囲第 1 項記載の 無振動 ピ ス ト ン機構。 ·

3. 単位形が 1 組の四重極同調歯車と 2 組の ヒ。 ス ト ン シ リ ン ダ ーを部分的 形状は異 ¾ る も の の質量にお

' い て等しい 4 つの コ ネク テ ィ ン グ · ロ ッ ドで結合 し

て成る こ とを特徵とする請求の範囲第 1 項記載の無 振勤 ピ ス ト ン核構。

4. 複数の単位形を四重極同調歯車の面 と 同一面上に

おい て平面的に配列連結 した こ とを特徵 とする請求 の範囲第 2 項又は第 3項記載の無振動 ビス ト ン核構

5. 複数の単位形を四重極同調菌軍における歯車の軸

の方向へ立体的に配列連結 したこ と を特徵とする請 求の範囲第 2 項又は第 5 項記載の無振動 ビ ス ト ン核

6. 四重極同調歯車を構成する各歯草が違続接触歯車

である こ とを特徵とする請求の章 &囲第 1 項、 第 2項

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