JPH0751881B2 - ピストンの側圧低減機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、レシプロ式の内燃機関や空気圧縮機などで、
ピストンの往復運動を出力軸の回転運動に、又は、入力
軸の回転運動をピストンの往復運動に変えるための運動
変換装置に関し、より詳しくは運動系のバランスを良く
し振動を低減するようなエンジン等における運動変換装
置において、ピストンの側圧をより低減するように工夫
した機構に関する。

［従来の技術および発明が解決しようとする問題点］ 本発明の基本発明は「エンジン等における運動変換装
置」として既に特許願昭60−259336として出願されてお
り、関連発明に「対向ピストンエンジン」として既に特
許願昭61−046753等がある。これらの発明はその明細書
のなかに詳しく述べられているが、基本的にバランスが
非常に優れており従来のレシプロに比べて振動、騒音が
格段に低下する。又、従来はピストンに与えられた運動
エネルギーは下死点付近でクランク機構の効率が悪いた
め出力トルクにならず、殆どが振動や熱になっていた
が、本基本発明では菱型リンク機構により直接隣のシリ
ンダーの圧縮仕事として回収されるためエネルギー効率
が非常に高くなる。更に、ピストンの運動について考察
すれば、従来のクランク機構のピストン速度は正弦運動
と比較して上死点付近で速くなり、下死点付近で遅くな
る。それに対し本機構は全く従来の逆で、上死点付近で
遅くなり、下死点付近で速くなる。これは燃焼機構の点
で非常に有利になり、燃焼効率が良くなり排気損失が少
なくなる。又、ピストン運動機構の相違がトルク変動を
非常に滑らかにし、より一層振動、騒音を低下すること
ができる。

このように多くの利点を持ったエンジン等の運動変換装
置において、そのトルクを発生する機構は、爆発によっ
て得られたピストンの圧力がリンクを介して揺動軸に直
結したクロスアームに揺動トルクを与えて、それが直交
軸受を介してＺクランク軸の回転トルクに変換される。
その際、Ｚクランク軸にかかる負荷からの反力が爆発し
たシリンダーのピストンに側圧を発生させる。対向した
シリンダーに同時に圧力が加わる例えばコンプレッサー
や２サイクルエンジンのような例では４サイクルと同一
トルクを発生する時、ピストンの側圧は対向した２つの
シリンダーに半減して分散されるため潤滑条件の目安と
なるPV値が半減し、振動や摩耗による寿命の点で有利で
ある。前記出願例で述べている４サイクルエンジンでは
爆発したシリンダーに負荷からの反力によるピストンの
側圧が集中するためPV値に関して不利である。但し、ピ
ストンの側圧が大きくなる上死点付近でピストン速度は
従来のレシプロに比べてかなり遅いのでピストンの側圧
が増加してもPV値として見ると従来と殆ど変わらない。

本発明は先の本人出願による特許願昭60−259336号「エ
ンジン等における運動変換装置」等の主としてクロスア
ームの軸受け部分の機構に工夫を加えて４サイクルエン
ジンのピストンの側圧をより一層低減し、振動や摩耗を
減少させたものである。

［問題点を解決するための手段］ 前記基本特許の出願例にみられる４サイクルエンジンの
ピストンの側圧の発生メカニズムを考えると、揺動軸か
ら上の菱形リンク機構とクロスアーム及びシリンダーが
完全な剛体で各摺動部分のクリアランスが零であれば、
ピストンの側圧は、構造が幾何学的に揺動軸の中心線に
関し対称な形状をしているため爆発圧力のかかったシリ
ンダーと向い合ったシリンダーに均等に二分されて加わ
るが、実際の状態を考えると爆発圧力によって各部分が
非対称で微小な弾性変形を生じ、各摺動部分も油膜が必
要なため微小なクリアランスを持っている。更に、機械
工作上の誤差があるためＺクランク軸に加わった負荷か
らの反力は大部分が爆発シリンダーの方のピストンの側
圧となる。

前述の基本発明では十字型に交差したシリンダーの中心
軸の交点で、その中心軸に直交した直線とＸ状に交差し
た２本のクロスアームの揺動中心が一致するように軸受
けで支持しており、対向したシリンダーに同時に圧力が
加わる例えばコンプレッサーや２サイクルエンジンのよ
うな場合は弾性歪み等が対称的になるため前記の構造で
対応できる。

本発明は４サイクルエンジン等の場合にピストンの側圧
を分散させるため、後述の各実施例のように、十字型に
配置したシリンダーの中心軸Ｘ−X,Y−Ｙの交点Ｏで、
その中心軸に直交した直線Ｚ−Ｚ又はＸ−Ｚ平面に対し
て、菱形リンク機構の中心部分で互いに逆方向に揺動す
る一部又は全部のクロスアームの揺動中心がある方向に
偏心可能な軸受け支持構造とし、爆発側のシリンダーの
向かいのシリンダーにもピストンの側圧がかかり、負荷
からの反力を２個のシリンダーで分散して受けるように
したものである。

［実施例１］ 第１図は本発明の基本特許である運動変換機構の上半分
の主要機構を示している。

等辺のリンクL1〜L4で構成された菱形リンク機構の各連
結部分にピストンピンp1〜p4を配置し、ピストンと連結
する。各リンクのピストンピンの中心で滑節j1,j3を介
してクロスアームA1と、滑節j2,j4を介してクロスアー
ムA1,A2と連結している。

今、ピストンP1のシリンダーが爆発しピストンをＦの力
で押し下げるとする。クロスアームA1に揺動トルクＴを
与える力の伝達経路は第３図（ａ）の太線部分でp1→L1
→j1となる。もう一方の伝達経路は第３図（ｂ）の太線
部分でp1→L4→j4→A2→j2→L2→p3→L3→j3となる。こ
の２つの伝達経路を比較すれば（ａ）は（ｂ）よりもリ
ンクの剛性が非常に高い。さらに、摺動部分の数が少な
いため摺動部分の累積隙間が非常に小さい。クロスアー
ムA1とクロスアームA2がシリンダーの中心軸Ｘ−X,Y−
Ｙの交点Ｏで中心軸に直交した直線Ｚ−Ｚとクロスアー
ムA1とクロスアームA2の揺動中心が重なるように軸受け
で支持した場合、ピストンに力Ｆを加えたとき上記の理
由で第３図（ｂ）は（ａ）に比べて若干の伝達遅れが生
じる。従って、通常の剛性や摺動部分の隙間で設計すれ
ば力Ｆは全て（ａ）の伝達経路でヨーク３に伝わる。図
示しないＺクランク軸に加わる負荷から来る反力が
（ａ）の伝達経路を逆行し、ピストンP1の側圧を発生す
る。この時、（ｂ）の伝達経路を経た力は伝達遅れのた
めトルクの発生に寄与しないから反力を受けることもな
く、従って反力から来るピストンP2の側圧も無い。

第３図の考え方を簡単にする為、この機構を例えば第４
図の模擬機構に置換える事ができる。

第４図（Ｃ）で上から下へ入力を伝えるとし、第３図
（ａ），（ｂ）の摺動部分の隙間と伝達経路のリンクの
剛性をばねに例えてそれぞれδ1,δ２及びS1,S2とす
る。第４図（ｄ）で力Ｆを下に伝える時、部材５と６及
び７と８はそれぞれ固着されており、偏心荷重でも傾か
ないようにする。力Ｆは右側の伝達経路を経て下に伝わ
る。その際、S1は力に比例した弾性変形を生じる。第３
図（ｂ）は左側の伝達経路に例えられ、通常の負荷では
力は伝達されない。今、第４図（ｅ）のように部材７と
８がピン９により自由に傾くようにすれば、力Ｆを加え
ると左右の力が平衡さるまで部材８が傾いて力Ｆは左右
に分散されて下に伝わる。

第２図は第１図のＡ−Ａ断面を示し、揺動軸２はＺ−Ｚ
に対して偏心可能な浮動構造になっている。従って、ク
ロスアームA1はヨーク３のピン穴の中心を結ぶ直線Ｗ−
Ｗとの交点Ｐを頂点として円錐状に動くことができる。
一方、クロスアームA2,A2は揺動中心が直線Ｚ−Ｚとな
るようにピン４やフランジ11で支持されている。

今、力Ｆが菱形リンク機構に加わるとまずリンクL1を経
てクロスアームA1を押すがクロスアームが浮動するため
その力が向かいの滑節j3に伝わり、一方、第３図（ｂ）
の経路からの力が滑節j3に伝わり、その力が互いの累積
隙間と弾性変形を補償し、力が平衡する位置までクロス
アームA1が移動する。そこでクロスアームA1に偶力が発
生してヨーク３に伝わる。この原理は第４図（ｅ）とし
て説明ができる。このようにして負荷からの反力がピス
トンP1,P3の側圧として分散し、１個当りの側圧が低減
される。

この構造は上のシリンダブロックの振動を下のＺクラン
ク軸に伝えにくく、互いの位置関係を厳密にセッティン
グする必要がない。

「実施例２」 第５図はクロスアームA1から下を見た「特許請求の範囲
２」の菱形リンク機構である。

第６図は第５図Ｂ−Ｂ断面を示し、第７図は第６図Ｃ−
Ｃ断面である。

第７図のフランジ11aの丸穴は直線Ｚ−Ｚと同心に位置
しブッシュ12aが揺動自在に嵌まっている。揺動軸２の
上部2aを平面加工し、ブッシュ12aの加工穴に摺動自在
に嵌まっている。揺動軸2aはクロスアームA1の滑節位置
j1,j3の中心を結ぶ直線Ｊ−Ｊに対して直角方向に動く
ようになっている。揺動軸２はヨーク3aのピン穴の中心
を結ぶ直線Ｗ−ＷとＺ−Ｚの交点Ｐを頂点として扇形状
に動くことができる。クロスアームA2,A2は揺動軸２の
働きに追従して揺動中心が変動し、同一揺動中心で揺動
軸２と逆方向に揺動するようになっている。

今、第５図Ｙ−Ｙの上から力Ｆがピストンピンp1に加わ
るとピストンP1はシリンダーの左の壁を滑りながらＹ−
Ｙに沿って下る。ここで、前述の軸受け構造により菱形
リンク機構全体が交点Ｏから直線Ｊ−Ｊと直角方向（斜
め右下方向）に移動しようとする。ピストンピンp1はＹ
−Ｙに沿って下がるため菱形リンク機構全体がピストン
ピンp1を中心として左回転しようとするが、微小回転す
るとピストンp3がシリンダーの右壁に当たって止まり、
そこでピストンの側圧が発生する。従って、力Ｆは滑節
j1に伝わると同時にピストンP3の側圧から来る反力が滑
節j3に伝わるので２つの力が合成されて揺動軸２の揺動
トルクに変換される。

この揺動トルク交換方法は第４図（ｆ）に例えることが
できる。菱形リンク機構を駆動側、揺動軸２を被動側と
すると、駆動側と被動側が同時に微小移動することによ
り第３図（ａ）の伝達経路と（ｂ）の伝達経路の累積隙
間や弾性歪みを補償し、クロスアームA1の両端の滑節に
かかる力が平衡した位置で停止し揺動トルクを発生す
る。第４図（ｆ）で部材５と６及び部材７と８がピン10
と９により自由に回転できる機構とすると、力Ｆが上部
の駆動側から下部の被動側に伝わるときに部材６と８が
傾いて左右の力が平衡するように自動調整するのと類似
している。但し、上下の部材の動きは関連性がなく別々
に動くが、実施例は一定の制約をもって動く点が異なっ
ている。

上記の機構によりピストンの側圧が上下のシリンダーに
かかり、１個あたりのピストンの側圧を低減させ摩耗や
振動をより低下させることができる。

本実施例で力Ｆを支持するのは第６図のフランジ11aと
図示しないＺフランク軸の軸受けであり、図示しない直
交軸受の両端や主軸受け等にスラスト力に関する対策を
施して、従来揺動軸を支持していた軸受けを省くことが
できる。

［実施例３］ 第８図は特許請求の範囲３の菱形リンク機構部分を示
し、第９図は第８図のＥ−Ｅ断面、第10図は第９図のＤ
−Ｄ断面を示している。

第10図からわかるように揺動軸２の上部2bがブッシュ12
aに揺動自在に嵌まり、ブッシュ12bはシリンダーの中心
軸Ｘ−ＸまたはＹ−Ｙに対して45度の角度（Ｍ−Ｍ方
向）でスライド出来るようにフランジ11bに嵌まってい
る。

従って、揺動軸２はヨーク3bのピン穴の中心を結ぶ直線
Ｗ−ＷとＺ−Ｚの交点Ｐを頂点としてＭ−Ｍ方向に扇形
状に動くことができる。クロスアームA2,A2は揺動軸２
に追従して動き、揺動軸２と同一中心で逆方向に揺動す
るように嵌まっている。

今、爆発力がピストンピンp1に加わるとピストンピンp1
はＹ−Ｙに沿って下がるが、揺動軸２の上部2bはＭ−Ｍ
に沿って右下方向へ下がるため菱形リンク機構全体がピ
ストンピンp1を中心として左回転しようとするが、微小
回転すれば図示しない向かい側のピストン３が右のシリ
ンダ一壁にあたってピストンの側圧となる。この側圧の
反力が滑節j3にかかり、リンクL1から直接滑節j1に加わ
った力と合成されてクロスアームA1の揺動トルクとな
る。

このトルク発生メカニズムは第４図（ｆ）に例えること
ができ実施例２と同様の説明ができる。但し、実施例２
では揺動軸２の微小移動の方向がピストン変位に応じて
変わるのに対し、本実施例は移動方向が常にＭ−Ｍ方向
に一定している。

以上のようの機構でピストンの側圧を低減し、摩耗や振
動を低下することができる。

［実施例４］ 第12図は特許請求の範囲４の実施例であり、第13図はそ
のＦ−Ｆ断面、第11図は第12図のＧ−Ｇ断面である。

本実施例は対向する一対だけをエンジンとして利用する
時のピストンの側圧低減機構であるが、このエンジンは
中小馬力として低振動等の優れた特徴をもち、更に、他
の一対をコンプレッサーとすれば直接菱形リンク機構が
コンプレッサーのピストンを押すため非常に効率の高い
変換機構となり、又、関連発明の「対向ピストンエンジ
ン」ではピストンの下死点の隙間容積が非常に小さいの
を利用してこれをスーパーチャージャーとし、小型、軽
量で非常に比出力の高いエンジンにすることができる。
本実施例はそれらに応用できる対向ピストンエンジンの
ピストンの側圧を低減するようにしたものである。

第11図は、揺動軸２の上部2cがブッシュ12cに揺動自在
に嵌まり、ブッシュ12cはフランジ11cにＸ−Ｘ方向にの
み摺動自在に嵌まっている。

今、爆発力がピストンピンp1に加わるとまずリンクL1を
介して滑節j1を押すが、クロスアームA1に負荷があると
その反力でピストンP1がシリンダーの左壁を押す。その
とき、第11図の軸受け構造によって揺動軸２がＸ−Ｘに
沿って右方向へ動き、菱形リンク機構がピストンピンp1
を中心に左回転しようとするが、ピストンP3がシリンダ
ーの右壁にあたりピストンの側圧となる。この状態から
第３図（ａ）と（ｂ）に於いて２つの伝達経路の摺動部
分の累積隙間と弾性歪みが補償されてピストンピンp1と
p2の力が平衡したときに揺動軸２の偶力トルクとなりＺ
クランク軸に伝わる。その際、ピストンの側圧はピスト
ンP1に集中せず、上下のピストンに分散されるため１個
あたりのピストンの側圧は半減する。

実施例１〜４でクロスアームA1を上下から挟むように配
置した一対のクロスアームA2,A2はクロスアームA1と形
状が異なり、滑節の両側が幅広くなっている。これは揺
動軸２やヨーク３が揺動するときに角振動が起振される
が、これと逆方向に揺動するクロスアームA2,A2を幅広
くし、極慣性能率をクロスアームA1よりも大きくし、一
部又は全ての角振動を相殺することにより振動を低下さ
せる効果がある。必要により揺動バランスウェイトを適
宜追加することもできる。又、第14図は実施例１〜３の
４気筒エンジンに於いてピストンP1が上死点付近にある
ときピストンピンp2,p4はシリンダー下部からはみ出す
時がある。この時、ピストンP1に爆発力が加わると菱形
リンク機構が弾性変形し、又は実施例２や３では揺動軸
の微小な下方向の変位成分があるため菱形リンク機構が
若干下がることがある。つまりピストンピンp2,p4がＹ
−Ｙから僅かに下がってピストンP2,P4が図のように傾
く、この時、シリンダーの下部とピストンの隙間が非常
に小さければ、過大な摩擦を生じピストンやシリンダー
に損傷を与える。そこでシリンダーの下部を点線のよう
に拡大すれば過大な摩擦によるトラブルから回避するこ
とができる。

［発明の効果］ 本発明は既述の「エンジン等における運動変換装置」や
「対向ピストンエンジン」のピストンの側圧を低減する
ものであるが、実際のエンジンでは高温でピストンの側
圧が高く、しかも潤滑条件が悪い上死点付近はシリンダ
ーの摩耗が非常に大きい。従って上死点付近でピストン
の側圧を低減することにより摩耗や摩擦損失を減らし、
振動も低下する。又、基本特許で揺動軸を指示していた
軸受けを省略できるため構造が簡単になり、上部のシリ
ンダー部分と下部のＺクランク軸部分とがフレキシブル
な軸受け支持構造により柔軟に連結しているため、互い
の位置関係を厳密にセッティングする必要がない。又、
実施例１では上部と下部が滑節のみでつながっているの
で振動を伝えにくい。

以上のように、簡単な構造でピストンの側圧を低減する
ことにより耐久性が向上するばかりでなく数多くの長所
を備えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１の一部を断面した平面図、第２図は第
１図のＡ−Ａ断面、第３図は力の伝達経路を示す簡略図
を示す。 第４図は力の伝達状態を表す模擬機構を示す。 第５図は実施例２の菱形リンク機構、第６図は第５図の
Ｂ−Ｂ断面、第７図は第６図Ｃ−Ｃ断面を示す。 第８図は実施例３の菱形リンク機構、第９図は第８図Ｅ
−Ｅ断面、第10図は第９図Ｄ−Ｄ断面を示す。 第12図は実施例４の一部を断面した平面図、第13図は第
12図Ｆ−Ｆ断面、第11図は第12図Ｇ−Ｇ断面を示す。 第14図はシリンダーの下部を拡大加工した状態を示す説
明図を示す 1;シリンダブロック、2;揺動軸、3,3a〜3c;ヨーク、4,
9,10;ピン、5,6,8;部材、11,11a〜11c;フランジ、2a〜2
c;揺動軸２の上部、12a〜12c;ブッシュ A1,A2;クロスアーム L1〜L4;リンク P1〜P4;ピストン p1〜p4;ピストンピン j1〜j4;滑節 δ１〜δ2;摺動部分の累積隙間。 S1〜S2;リンクの弾性変形をばねに置換えた時の状態
図。 Ｘ−X,Y−Y;シリンダーの中心軸。 Ｚ−Z;中心軸の交点Ｏで中心軸と直交した直線。 Ｗ−W;ヨークのピン穴の中心を結ぶ直線。 Ｊ−J;クロスアームA1の滑節j1,j3の中心を結ぶ直線。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジン等における運動変換装置におい
   て、十字型に配置したシリンダーの中心軸Ｘ−Ｘ、Ｙ−
   Ｙの交点Ｏで、その中心軸に直交した直線Ｚ−Ｚと菱形
   リンク機構の上下一対のクロスアームA2,A2の揺動中心
   を一致させ、ヨークに直結した方のクロスアームA1の揺
   動中心を前記直線Ｚ−Ｚに対して偏心可能にしたピスト
   ンの側圧低減機構。
2. 【請求項２】エンジン等における運動変換装置におい
   て、十字型に配置したシリンダーの中心軸Ｘ−Ｘ、Ｙ−
   Ｙの交点Ｏで、その中心軸に直交した直線Ｚ−Ｚに対し
   て菱形リンク機構のクロスアームの揺動中心が偏心可能
   で、ヨークに直結した方のクロスアームA1の両端の滑節
   j1,j3の中心を結ぶ直線と直角方向になるように偏心方
   向を規制したピストンの側圧低減機構。
3. 【請求項３】エンジン等における運動変換装置におい
   て、十字型に配置したシリンダーの中心軸Ｘ−Ｘ、Ｙ−
   Ｙの交点Ｏで、その中心軸に直交した直線Ｚ−Ｚ対して
   菱型リンク機構のクロスアームの揺動中心を偏心可能と
   し、ヨークに直結した方のクロスアームA1の両端の滑節
   の中心を結ぶ直線が描く揺動角の２等分線と直角方向に
   偏心方向を規制したピストンの側圧低減機構。
4. 【請求項４】対向する一対のシリンダーだけをエンジン
   として使うエンジン等における運動変換装置おいて、菱
   形リンク機構のクロスアームの揺動中心が一対のシリン
   ダーの中心軸Ｙ−Ｙと直交するＸ−Ｚ平面上を移動自在
   にしたピストンの側圧低減機構。