JP3425736B2 - クランク装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】この発明はクランク装置に関
し、さらに詳細には、蒸気機関、内燃機関、コンプレッ
サおよびポンプなどにおいて、その往復運動と回転運動
の動力変換部分に適用される動力変換技術に関する。 【０００２】 【従来の技術】この種のクランク装置を利用した機械装
置の一例として、図１４に示すようなレシプロガソリン
エンジンがある。 【０００３】このエンジンは、往復運動を回転運動に動
力変換する機械装置の典型例で、密閉容器であるシリン
ダａ内のピストンｂが、連接棒（コンロッド）ｃを介し
てクランク軸ｄのクランクピンｅに連結されてなる。 【０００４】そして、上記シリンダａの燃焼室内で燃焼
するガソリンの爆発力により、上記ピストンｂが上死点
と下死点との間で往復直線運動して、この往復直線運動
がコンロッドｃを介してクランク軸dの連続回転運動に
変換される。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】レシプロガソリンエン
ジンは、構造が簡単軽量で高速性に富む等の特徴を有す
ることから、作動原理が蒸気機関の発明以来すでに２０
０年以上を経ているにもかかわらず、現在の自動車エン
ジンの主流をなしているものであるが、反面、クランク
軸dの構造的特徴に関連して以下に述べるような問題点
も有している。 【０００６】すなわち、クランクピンｅは図示のごと
く、クランク軸ｄの回転中心、つまり主軸fの軸心から
クランクアームｇの長さ分だけずれた偏心位置にあるた
め、クランク軸ｄの回転により、コンロッドｃは左右方
向へ揺動しながらピストンｂと共に上下動することにな
り、クランク装置の基本動作である往復運動や回転運動
に加えて横振運動も複雑に加わり、その動的バランスが
非常に不安定となる。 【０００７】このため、従来、バランスウェイトの重
さ、形状および取付け位置などについて種々の工夫がな
されて、ピストンｂやコンロッドｃを含めた運動部分に
おける動的バランスを取る方法がとられているものの、
非常に困難を伴う。実際には運動部分についての回転質
量は補正できるが、往復質量は完全な補正が不可能であ
って、その次善策として、動的アンバランスの低減下が
図られているというのが実状である。これがため、上記
運動部分の不釣合い慣性力が振動や騒音の大きな要因と
なっていた。 【０００８】また、上記のようにコンロッドｃが揺動し
て、ピストンｂの往復運動方向に対して傾く（傾き角
θ）ことから、このピストンｂには、ガス圧と慣性力に
よるスラスト力（側圧）Ｒが作用して、シリンダａに衝
突させられ（ピストンスラップ：piston slap）。やは
り、振動・騒音・キャビテーション・摩擦損失などの障
害の大きな要因となっていた。 【０００９】この問題は、特に超大形ディーゼル機関で
は重大であり、これを避けるため、図１５に示すような
いわゆるクロスヘッド方式のものが採用されている。こ
の構造においては、ピストンｂとコンロッドｃの間に、
ピストンｂの往復動方向へ摺動可能に設けられたクロス
ヘッドｈを備えてなり、ピストンｂにスラスト力Ｒが作
用するのが防止されているが、これでも根本的な問題の
解消にはならないばかりか、シリンダａの高さの増大、
さらにはエンジン自体の大形化が余儀なくされている。 【００１０】この他、図示しないが、一般的なオフセッ
トシリンダの採用や多気筒化、あるいはいわゆるサイレ
ントシャフト構造やロンビック機構などの特別な構造が
開発されて、ピストンｂの往復運動による上下方向の振
動やコンロッドの傾きによる横方向の振動、あるいは爆
発時の振動などをバランスさせて打ち消す方策が種々試
みられている。 【００１１】しかしながら、例えば、サイレントシャフ
ト構造にあっては完全な動的バランスをとることは不可
能であり、またロンビック機構にあっては、動的バラン
スを取ることは可能であるものの、往復運動部に逆往復
のカウンタバランスを用いているため、この往復運動部
の合計質量が増大して、高速運動には不向きであるな
ど、いずれの方策も完全なものではなかった。 【００１２】さらに、上記運動部分の不釣合い慣性力等
に対処するべく、ピストンｂ、コンロッドｃあるいはク
ランク軸ｄなどの主要部品にも十分な機械的強度や剛性
が要求され、これがため装置重量の増大、さらには動力
伝達効率の低下なども招いていた。 【００１３】以下の問題点は、上記レシプロエンジンを
含めた内燃機関にとどまらず、蒸気機関、コンプレッサ
あるいはポンプなど、およそクランク装置を備える他の
機械装置にも共通のものである。 【００１４】本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなさ
れたものであって、その目的とするところは、動力伝達
効率および動的バランスがよく、往復直線運動と連続回
転運動の双方向の動力変換が可能で、しかも高速回転に
適した、単純かつコンパクトな構造を備えたクランク装
置およびこのクランク装置を備える機械装置を提供する
ことにある。 【００１５】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のクランク装置は、往復運動と回転運動の動
力変換部分に適用される装置であって、基端側の軸受で
支持される主軸と、該主軸の先端側で半径方向に延在し
たクランクアームとを有するクランク軸と、上記クラン
ク軸の先端側前方位置において往復運動側に連結される
連接棒と、クランク軸および連接棒間に介装される遊星
機構とを備えてなり、上記遊星機構は、上記クランク軸
の回転中心と同心状に固定配置された太陽部材と、この
太陽部材の内周に沿って転動する遊星部材を備え、この
遊星部材の外径が上記太陽部材の内径の１／２に設定さ
れ、上記遊星部材の一側面の回転中心に、上記クランク
アームの先端のクランクピンが回転可能に枢支連結され
るとともに、遊星部材の外周部他側面に突設された歯車
ピンに上記連接棒の一端が回転可能に枢支連結され、該
連接棒の一端の往復動の軌跡が上記クランクピンの円形
回転軌跡を横断するようにされ、上記各構成部分の重量
配分は、往復運動部と回転運動部の動的バランスがとれ
るように設定され、上記遊星部材と太陽部材との周方向
係合位置が調整可能とされていることを特徴とする。 【００１６】この場合、好適には、各構成部材に設けら
れる全てのカウンタバランサが回転慣性力として働くよ
うに設定される。 【００１７】また、本発明の機械装置は、上記クランク
装置を少なくとも１組備えてなり、上記連接棒の他端が
入力側である往復部に連結されるとともに、上記クラン
ク軸の主軸が出力側である回転部に連結されているこ
と、あるいは、上記クランク軸の主軸が入力側である回
転部に連結されるとともに、上記連接棒の他端が出力側
である往復部に連結されていることを特徴とする。 【００１８】 【作用】例えば、本発明のクランク装置をレシプロガソ
リンエンジンに適用した場合、シリンダ内のピストン
が、連接棒および遊星機構を介してクランク軸のクラン
クピンに連結され、上記シリンダの燃焼室内で燃焼する
ガソリンの爆発力により、上記ピストンが上死点と下死
点との間で往復直線運動して、この往復直線運動が連接
棒および遊星機構を介してクランク軸の連続回転運動に
変換される。 【００１９】この場合、上記遊星機構の太陽部材が、上
記クランク軸の回転中心と同心状に配置され、この太陽
部材の内周に沿って転動する遊星部材の一側面の回転中
心に、上記クランク軸のクランクピンが回転可能に枢支
連結されるとともに、遊星部材の外周部他側面に上記連
接棒の一端が回転可能に枢支連結されているから、連接
棒は左右横方向へほとんど揺動することなく、ピストン
の往復動方向へピストンと共にほぼ直線運動して、安定
した動的バランスが確保される。 【００２０】特に上記クランク軸のクランクアーム長さ
と、上記遊星部材の回転中心から上記連接棒の連結点ま
での距離が等しく設定されて、この連結点が、上記遊星
部材の転動に伴って、上記クランク軸の回転中心を通る
直線上を移動するように設定されていれば、連接棒の揺
動は全くなくて横に振れないため、ピストンのスラスト
が全くなくなる。 【００２１】しかも、遊星部材を太陽部材が取り囲むよ
うに配置されて、遊星部材の回転慣性力が太陽部材によ
り確実に受け止められるため、この点からも、安定した
動的バランスが確保されるとともに、これら両者間の密
接な係合状態も得られて、動力伝動効率の向上も図られ
る。 【００２２】また、上記各構成部材の質量配分が、上記
クランク軸の回転中心を中心とした動的バランスを考慮
して設定されているから、低速回転域から高速回転域ま
で均一で安定した運転が確保される。この場合、特に、
各構成部材に設けられる全てのカウンタバランサが、回
転慣性力として働くように設定されるのが好ましい。 【００２３】本発明のクランク装置は、上記レシプロガ
ソリンエンジンのような内燃機関や蒸気機関などの往復
運動を回転運動に動力変換する装置の他、これと逆の構
成とすることにより、つまり、上記クランク軸の主軸を
入力側である回転部に連結するとともに、上記連接棒の
他端を出力側である往復部に連結することにより、コン
プレッサやポンプなどの回転運動を往復運動に動力変換
する装置にも全く同様に適用可能である。 【００２４】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。 実施形態１ 本発明に係るクランク装置の基本構造が図１ないし図３
に示され、このクランク装置１は、具体的には往復運動
と回転運動の動力変換部分に適用される装置であって、
本実施形態においては、例えば単気筒エンジンの主要部
を構成する。 【００２５】このクランク装置１は、クランク軸２、連
接棒（コンロッド）３、およびこれらクランク軸２と連
接棒３間に介装される遊星機構４を備えてなり、上記連
接棒３が往復シリンダ装置５に連結される構造とされて
いる。なお、図面においては機械駆動系統における概略
構成のみ示されて、他の周辺構成例えば吸入排気系統の
動弁機構等の構成は図示省略されている。 【００２６】クランク軸２は回転側に連結される部分
で、主軸１０、クランクアーム１１およびクランクピン
１２が一体的に構成されてなり、主軸１０が軸受１３を
介してクランクケース１４に回転可能に軸支されるとと
もに、この主軸１０とクランクピン１２の軸心が平行と
されている。 【００２７】コンロッド３は往復運動側である往復シリ
ンダ装置５のピストン１５に連結される部分で、具体的
にはこのピストン１５と一体成形されてなる。コンロッ
ド３は図示のごとく全長にわたってほぼ同一太さの細い
棒状とされるとともに、ピストン１５も薄肉の円板状と
されて、従来の一般周知の構造におけるようなスカート
部はなく、これら往復運動部の軽量化が図られている。 【００２８】なお、上記コンロッド３とピストン１５の
一体構造は、後述するように、コンロッド３が往復直線
運動することから採用され得る構造であるが、もちろ
ん、従来のピストン・ロッドのように、各構成部品の加
工誤差や組付け誤差等を吸収する目的等から、コンロッ
ド３とピストン１５がピストンピン（図示省略）を介し
て揺動可能に枢支連結されてもよい。 【００２９】遊星機構４は、上記クランク軸２とコンロ
ッド３を連結する部分で、太陽部材としての円環状の固
定内歯車２０と、この固定内歯車２０に噛合する遊星部
材としての遊星歯車２１とから構成されている。 【００３０】上記固定内歯車２０は上記クランクケース
１４に固定的に設けられるとともにその円筒内周の太陽
歯車２０aが上記クランク軸２の主軸１０と同心状に配
置されている。 【００３１】上記遊星歯車２１は、上記太陽歯車２０ａ
に噛合しつつ、その軸心まわりに転動可能に設けられて
いる。この遊星歯車２１の一側面の回転中心には、上記
クランク軸２のクランクピン１２が軸受２２を介して回
転可能に枢支連結されるとともに、遊星歯車２１の外周
部他側面には歯車ピン２４が突設され、この歯車ピン２
４に、上記コンロッド３の一端３ａが軸受２５を介して
回転可能に枢支連結されている。 【００３２】上記各構成部材の寸法関係は、図４に示す
ように、まず、上記遊星歯車２１の外径（ピッチ円直
径）Ｄ₁が上記太陽歯車２０ａの内径（ピッチ円直径）
Ｄ₂の１／２に設定されている。換言すれば、上記遊星
歯車２１の外周長さが上記太陽歯車２０ａの外周長さの
１／２に設定されている。 【００３３】また、上記クランク軸２のクランクアーム
１１の長さＬ₁ （主軸１０の軸心からクランクピン１２
の軸心までの距離）と、上記遊星歯車２１の回転中心Ｏ
₂₁（クランクピン１２の軸心）から上記コンロッド３の
連結点Ｏ₃（歯車ピン２４ の軸心）までの距離Ｌ₂が等
しく設定されている。図示の実施形態においては、上記
連結点Ｏ₃は遊星歯車２１のピッチ円上に配置されてい
る。 【００３４】これにより、遊星歯車２１が、２回転して
太陽歯車２０ａ上を１周転動するとともに、上記連結点
Ｏ₃が、この遊星歯車２１の転動に伴って、上記クラン
ク軸２の回転中心Ｏ₂（主軸１０の軸心）を通る直線上
を往復移動するように設定されている。 【００３５】また、本実施形態においては、コンロッド
３の他端３ｂがピストン１５の下面中心位置に固定的に
連結されているのに関連して、ピストン１５の軸心Ｘ
（シリンダ１６の円筒内面１６ａの軸心に一致）が、上
記クランク軸２の回転中心Ｏ₂を通るとともに、遊星歯
車２１と太陽歯車２０ａとの周方向噛合位置も、上記連
結点Ｏ₃の移動軌跡がピストン１５の軸心Ｘに一致する
ように設定されている。これより、遊星歯車２１の転動
に伴って、コンロッド３はピストン１５と完全に一体と
なって直線Ｘ上、つまりクランク軸２の回転中心Ｏ₂を
通る直線上を揺動する（横に振れる）ことなく往復直線
運動することとなる。一方、クランク軸２も、上記遊星
歯車２１の転動に伴って回転中心Ｏ₂まわりに回転す
る。 【００３６】このクランク軸２の回転角度φと上記ピス
トン１５のストロークＳとの関係を示すと図７の実線に
示しすようなサインカーブの基本形で表される。（破線
はクランクの動き）。 【００３７】また、クランク装置１を構成する上記各構
成部材の質量配分は、往復運動部と回転運動部の動的バ
ランスがとれるように、上記クランク軸2の回転中心Ｏ2
を中心とした動的バランスを考慮して設定されている。
この場合、好ましくは、各構成部材に設けられるすべて
のカウンタバランサが回転慣性力として働くように設定
される。 【００３８】図示の実施形態においては、図５におい
て、遊星歯車２１の回転中心Ｏ₂₁を中心とした両側の質
量配分が等しくなるように、また、上記クランク軸２の
回転中心Ｏ₂を中心とした両側の質量配分が等しくなる
ように設定されている。 【００３９】具体的には、往復運動部（ピストン１５、
コンロッド３、歯車ピン２４）の質量をＷ₁、この往復
運動部に対する釣合い重り（カウンタバランサ）３０の
質量をＷ₂、遊星歯車２１の回転中心Ｏ₂₁から歯車ピン
２４および釣合い重り３０の取付け位置までのそれぞれ
の距離をＡ，Ｂとし、また、回転運動部（上記往復運動
部、遊星歯車２１、釣合い重り３０）の質量をＷ₃、こ
の回転運動部に対する釣合い重り３１の質量をＷ₄、ク
ランク軸２の回転中心Ｏ₂から遊星歯車２１の回転中心
Ｏ₂₁および釣合い重り（カウンタバランサ）３１の取付
け位置までのそれぞれの距離をＣ，Ｄとすると、 Ｗ₁×Ａ＝Ｗ₂×Ｂ ・・・・・ Ｗ₃×Ｃ＝Ｗ₄×Ｄ ・・・・・ 上記式および式の関係が成り立つように設定されて
いる。この場合、クランクアーム１１などは、回転中心
Ｏ₂に対して予め両側の質量バランスがとられているも
のとする。 【００４０】しかして、以上のように構成されたクラン
ク装置が、例えばレシプロガソリンエ内ジンに適用され
た場合においては、図６に示すように、シリンダ１３の
燃焼室内で燃焼するガソリンの爆発力により、ピストン
１５が上死点と下死点との間で往復直線運動すると、こ
のピストン１５と一体となったコンロッド３の運動によ
り遊星機構４が遊星運動して、クランク軸２の連続回転
運動に動力変換される（同図において、（クランク軸
２の回転角度φ＝０゜→（同４５゜）→（同９０
゜）→（同１３５゜）→（同１８０゜）→（同２
２５゜）→（同２７０゜）→（同３１５゜）→
（同３６０゜）の順に行程が繰り返される。）。 【００４１】この場合、上述したような構成とされてい
ることにより、コンロッド３は左右横方向へはほとんど
揺動することなく、ピストン１５と完全に一体となっ
て、クランク軸２の回転中心Ｏ₂を通る直線Ｘ（ピスト
ン１５の軸心）上を往復直線運動することとなり、安定
した動的バランスが確保されている。 【００４２】このコンロッド３の直線Ｘ上の往復運動
（ピストン１５の往復運動方向に対しての傾きθ＝０）
により、従来のクランク装置のような偏荷重が全く生じ
ず、ピストン１５には、従来のクランク装置におけるス
ラスト力Ｒ（図１４および図１５参照）は全く作用しな
い。このため、理論上は、従来のクランク装置を採用す
る機械装置におけるようなピストンスラップは生じず、
シリンダ１６の円筒内面１６ａに作用する力はピストン
１５との摩擦力のみとなり、振動・騒音・キャビテーシ
ョン・摩擦損失などの障害が大幅に減少されて、動力伝
達効率も従来のものに比較して大幅な向上が望める。 【００４３】また、遊星歯車２１を太陽歯車２０ａが取
り囲むように配置されて、遊星歯車２１の回転慣性力が
太陽歯車２０ａにより確実に受け止められるため、ギヤ
効率が高く、この点からも安定した動的バランスが確保
される。また、遊星歯車２１の回転慣性力により、遊星
歯車２１と太陽歯車２０ａの密接な噛合状態も得られ
て、動力伝動効率も高い。 【００４４】さらに、上述したように、クランク装置１
の各構成部材の質量配分が上記クランク軸２の回転中心
Ｏ₂を中心とした動的バランスを考慮して設定されてい
るから、特に、図示の実施形態においては、各構成部材
に設けられる全てのカウンタバランサ３０,３１等が回
転慣性力として働くように設定されているから、低速回
転域から高速回転域まで均一で安定した運転が確保され
る。 【００４５】なお、本実施形態のクランク装置１におけ
る入出力の方向は双方向が可能であるしたがって、後述
する具体的実施形態に示されるように、上記レシプロガ
ソリンエンジンを始めとした内燃機関や蒸気機関などの
往復運動を回転運動に動力変換する装置の他、これと逆
の構成とすることにより、つまり、上記クランク軸の主
軸を入力側である回転部に連結するとともに、上記コン
ロッド３の他端を出力側である往復部に連結することに
より、コンプレッサやポンプなどの回転運動を往復運動
に動力変換する装置にも全く同様に適用可能である。 【００４６】また、本実施形態においては、以下に列挙
するような種々の設計変更も可能である。 (１)遊星歯車２１の回転中心Ｏ₂₁からコンロッド３の連
結点Ｏ₃ までの距離Ｌ₂を適宜調整することにより、ク
ランク軸２の回転角度φに対するピストン１５のストロ
ークＳを調整して、図７のサインカーブを対象となる機
械装置の運動特性、例えば燃料の爆発の特性等に最適な
形状に設定することができる。この場合は、コンロッド
３とピストン１５がピストンピン（図示省略）を介して
揺動可能に枢支連結されて、コンロッド３の運動軌跡も
図示の実施形態のような直線ではなく、 この直線の近
傍を通過する惰円等になる。 【００４７】例えば、距離Ｌ₂ を大きくすることによ
り、サインカーブの山部と谷部が立ち上がり急激な曲線
になり（図７の一点鎖線参照）、逆に、距離Ｌ₁ を大き
くすることにより、サインカーブの山部と谷部が低くな
り穏やかな曲線になる（図示省略）。 (２)上記遊星歯車２１と太陽歯車２０ａとの周方向係合
位置を調整可能として、上記ピストン１５のストローク
Ｓが可変とすることもできる（後述の実施形態１２参
照）。 【００４８】具体的には、例えば固定内歯車２０が、ク
ランクケース１４に周方向に調整回転可能に設けられ
て、太陽歯車２０ａの周方向位置が適宜調整可能な構成
とすることにより、太陽歯車２０ａと遊星歯車２１との
噛合位置を相対的に調整可能となる。この場合も、上記
(１)と同様、コンロッド３とピストン１５がピストンピ
ン（図示省略）を介して揺動可能に枢支連結される。 (３)図示の実施形態においては、最も構造が簡単で、大
きな動力伝達と高い伝達効率が得られることから、特に
レシプロエンジンに最適な構造として、遊星機構４が固
定内歯車２０と遊星歯車２１とから構成されている。し
かし、これに限定されることなく、同様の噛合機能を備
える他の構造も採用可能である。 【００４９】図示しないが、例えば、円環状部材の円筒
内周面にチェーンが全周にわたって設けられた太陽部材
と、上記チェーンに噛合する遊星部材としてのスプロッ
ケトホイールとの組合わせ、あるいは、円環状部材の円
筒内周面に歯付きベルトが全周にわたって設けられた太
陽部材と、上記歯付きベルト（タイミングベルト）に噛
合する遊星部材としてのプーリとの組合わせなどが採用
され得る。 (４)さらに、上記(３)のように、太陽部材の円筒内周と
遊星部材の円筒外周の係合が噛合とされる他、太陽部材
の円筒内周と遊星部材の円筒外周の係合が相互に滑りの
ない摩擦係合とされてもよく、この構造は特に、軽負荷
の動力伝達に有効である。具体的には、例えば、太陽部
材と遊星部材の両者がまたはその係合面部がゴム製とさ
れて、ゴム同士の摩擦係合が採用され得る。 【００５０】実施形態２ 本実施形態は図８に示され、実施形態１のクランク装置
１を備えた２サイクルエンジンである。 【００５１】すなわち、このエンジンにおいては、コン
ロッド３がシリンダ１６の円筒内面１６ａの軸心Ｘに沿
って直線運動することを利用して、シリンダ１６の底部
１６ｂがシール９０により完全に密封され、ピストン１
５の下部にクランク室９１と完全に隔離された予圧室９
２が形成されている。これに関連して、コンロッド３の
断面はシールが容易な形状とされ、例えば円形状に形成
される。 【００５２】９３および９４はそれぞれ、ピストン１５
の上下によって開閉される掃気孔および排気孔を示して
いる。また、９５は吸気管で、この吸気管９５はロータ
リバルブ９６により開閉制御される。このロータリバル
ブ９６は、クランク軸２の主軸１０に回転連結されて、
ピストン１５の往復動作に同期して開閉動作する。 【００５３】しかして、ピストン１５の下降に伴って、
予圧室９２内に吸気管９５から吸入された混合気が圧縮
されて、ピストン１５が下死点近くまで下降すると、排
気孔９４および掃気孔９３が開口されて、予圧室９２内
の混合気による掃排気作用が行われることとなる。 【００５４】その他の構造および作用は従来周知の２サ
イクルエンジンと同様である。 【００５５】本実施形態においては、コンロッド３が揺
動することなく直線運動するため、シリンダ１６の下部
に小さな予圧室９２を形成することができる。これによ
り、従来に比較して予定圧室９２の容量を大幅に小さく
して、大きな圧縮比を得ることができる。この結果、高
圧の一次圧を取り出して効率の良い掃排気作用が行われ
て、２サイクルエンジンの特性を従来に比較して大幅に
改善することができる。 【００５６】実施形態３ 本実施形態は図９に示され、クランク装置１を備えた４
サイクルエンジンであって、さらに機械式過給機１００
を備えるものである。 【００５７】すなわち、このエンジンにおいては、実施
形態２と同様、コンロッド３がシリンダ１６の円筒内面
１６ａの軸心Ｘに沿って直線運動することを利用して、
シリンダ１６の底部１６ｂがシール１０１により完全に
密封され、ピストン１５の下部に圧力室１０２が形成さ
れている。この圧力室１０２はピストン１５と共働して
過給機１００の圧縮機を構成している。 【００５８】１０３は吸気用逆止弁、１０４は過給用逆
止弁、１０５はエアチャンバ、１０６は燃料噴射ノズ
ル、１０７は吸気弁および１０８は排気弁をそれぞれ示
している。 【００５９】しかして、ピストン１５の下降に伴う圧力
室１０２の縮小により、吸気用逆止弁１０３を介して吸
入された空気は、圧縮されながら過給用逆止弁１０４か
らエアチャンバ１０５へ送られ、さらに、燃料噴射ノズ
ル１０６からの燃料と混合されて、吸気弁１０７からシ
リンダ１６上部の燃焼室内に送り込まれ、過給作用が行
われることとなる。 【００６０】その他の構造および作用は従来周知の過給
機および４サイクルエンジンと同様である。 【００６１】本実施形態においては、クランク装置１の
構造を利用して、従来のような外付けの駆動源を用いる
ことなく圧縮機を構成することができ、構造が簡単でか
つ小型の機械式過給機を備えた４サイクルエンジンを構
成することができる。 【００６２】なお、過給機１００の具体的構成は、従来
周知のものと同様種々設計変更可能であり、例えば、図
１０(ａ)に示すように、燃料噴射ノズル１０６が吸気用
逆止弁１０３の上流側に配されて、混合気が圧縮機によ
り圧縮される構成や、あるいは図１０(ｂ)に示すよう
に、インタークーラ１０９を備えて、加圧後の吸気温度
が下げられる構成などが適宜採用され得る。 【００６３】実施形態４ 本実施形態は図１１に示されており、クランク装置１を
備えた往復式の単気筒コンプレッサである。 【００６４】すなわち、このコンプレッサにおいては、
やはりコンロッド３がシリンダ１６の円筒内面１６ａの
軸心Ｘに沿って直線運動することを利用して、外部から
密閉されたシリンダ１６の底部１６ｂから、コンロッド
３がシール１１０を介して外部へ突出されて、ピストン
５の上下にそれぞれシリンダ室１１１，１１２が形成さ
れてなる。 【００６５】クランク軸２の主軸１０には、被動プーリ
１１３が取り付けられており、この被動プーリ１１３
が、伝導ベルト１１４を介して、駆動モータ１１５の駆
動軸１１５ａに取り付けられた駆動プーリ１１６に駆動
連結されている。 【００６６】また、上記上下シリンダ室１１１，１１２
には、吸込弁１１１ａ，１１２ａおよび吐出弁１１１
ｂ，１１２ｂがそれぞれ設けられ、これらを介して吸込
管１１７および吐出管１１８に連結されている。 【００６７】しかして、ピストン１５の下降に伴う下側
シリンダ室１１２の縮小により、ここに導入された空気
が圧縮されながら吐出弁１１２ｂから吐出管１１８へ吐
出されるとともに、この際、上側シリンダ室１１１に
は、空気が吸込管１１７から吸込弁１１１ａを介して導
入される。続いて、ピストン１５の上昇に伴い、上下シ
リンダ室１１１，１１２内では上記と逆の動作が行われ
る。 【００６８】本実施形態においては、従来の往復式単気
筒コンプレッサにおいて不可能であった２シリンダ室構
造が採用されて、従来の２気筒コンプレッサに近い運転
効率が実現する。 【００６９】実施形態５ 本実施形態は図１２に示されており、実施形態４の単気
筒コンプレッサがクランク軸２を挾んで、上下に２組配
設されてなる２気筒コンプレッサである。 【００７０】すなわち、このコンプレッサにおいては、
上下一対のピストン１５，１５が一台の駆動モータ１１
５により往復運動される構成とされている。 【００７１】その他の構造および作用は実施形態４と同
様である。 【００７２】実施形態６ 本実施形態は図１３に示されており、高圧定量ポンプ、
具体的にはディーゼルエンジンの燃料噴射ポンプであ
る。 【００７３】実施形態１におけるクランク装置１におい
て、上記遊星歯車２１と太陽歯車２０ａとの周方向係合
位置が調整可能とされて、コンロッド３の一端３ｂに枢
支ピン１２０を介して枢支連結されたプランジャ１２１
の往復動ストロークＳが可変とされたものである。 【００７４】すなわち、内歯車２０が、回転操作部１２
２を介して、クランクケース１４に周方向へ回転可能に
設けられるとともに、この回転操作部１２２の操作レバ
ー１２２ａが、図示しない駆動機構により回動操作可能
とされている。 【００７５】そして、この操作レバー１２２ａを適宜回
動操作することにより、内歯車２０の太陽歯車２０ａと
遊星歯車２１の周方向係合位置が適宜調整されて、図１
３（ｂ）に示す最大ストロークＳmax と図１３(ｃ)に示
す最小ストロークＳminとの間で調整される。 【００７６】プランジャバレル１２３のプレッシャチャ
ンバ１２４は、吸入弁１２５ａおよび吐出弁１２６ａを
それぞれ介して、供給管１２５および噴射管１２６に連
通されている。 【００７７】また、クランク軸２の主軸１０は、図示し
ないディーゼルエンジンのクランク軸に駆動連結され
て、例えば４サイクルエンジンの場合、このクランク軸
の１／２の回転速度で回転駆動される。 【００７８】しかして、以上のように構成された燃料噴
射ポンプにおいて、エンジンの１／２回転のクランク軸
２により、プランジャ１２１が一定の往復動ストローク
Ｓ間を往復運動して、供給管１２５から吸い込まれた燃
料が圧縮されて、所定の高圧に加圧された燃料は、吐出
弁１２６ａから噴射管１２６へ圧送され、図示しない噴
射弁から燃焼室内へ噴射注入される。 【００７９】本実施形態によれば、従来のカム・ローラ
機構を備えるこの種の燃料噴射ポンプと異なり、プラン
ジャ１２１がその往復動ストロークＳ全体を通じて、ク
ランク軸２と常時連結されていることから、従来のカム
がローラを叩くときのような打音は全くなく、ディーゼ
ルエンジンの欠点である騒音が少なく、また動きも低速
から高速回転まで連続的かつスムーズで、運転精度も高
い。 【００８０】なお、上述した実施形態１ないし実施形態
６はいずれも、あくまでも本発明の好適な具体例を示す
ためのものであって、本発明はこれら実施形態に限定さ
れることなく、その範囲内で種々設計変更可能である。 【００８１】例えば、本発明のクランク装置を備えたエ
ンジンについて、そのシリンダの配設数は図示例に限定
されることなく目的に応じて適宜増減可能であり、また
シリンダ配列も、直列型、水平対向型、Ｖ型あるいは星
型など従来周知のあらゆる配列が目的に応じて適用可能
である。 【００８２】また、本発明は、図示例に示された機械装
置の他、従来周知の往復運動と回転運動相互で動力変換
を行う機械装置に広く適用可能である。 【００８３】以上詳述したように、本発明のクランク装
置は、回転側に連結されるクランク軸と、往復運動側に
連結される連接棒と、これらクランク軸および連接棒間
に介装される遊星機構とを備えてなり、上記遊星機構
は、上記クランク軸の回転中心と同心状に配置された太
陽部材と、この太陽部材の内周に沿って転動する遊星部
材を備え、この遊星部材の外径が上記太陽部材の内径の
１／２に設定され、上記遊星部材の回転中心に、上記ク
ランク軸のクランクピンが回転可能に枢支連結されると
ともに、遊星部材の外周部分に、上記連接棒の一端が回
転可能に枢支連結され、上記各構成部材の質量配分は、
往復運動部と回転運動部の動的バランスがとれるように
設定されているから、このクランク装置およびそれを利
用した機械装置においては、以下に列挙するような種々
の効果が得られ、動力伝達効率および動的バランスが良
く、往復運動と回転運動の双方向の動力変換が可能で、
単純かつコンパクトな構造を備えた装置を提供すること
ができる。 (１)上記遊星機構の太陽部材が、上記クランク軸の回転
中心と同心状に配置され、この太陽部材の内周に沿って
転動する遊星部材の回転中心に、上記クランク軸のクラ
ンクピンが回転可能に枢支連結されるとともに、遊星部
材の外周部分に、上記連接棒の一端が回転可能に枢支連
結されているから、連結棒は左右横方向へほとんど揺動
することなく、ピストンの往復動方向へピストンと共に
ほぼ直線運動して、安定した動的バランスが確保され、
この結果、従来運動部分の不釣り合い慣性力が主要因と
して発生していた振動や騒音が大幅に低減される。 (２)上記のようにコンロッドがほとんど揺動することな
く、ピストンの往復運動方向へほぼ直線運動するから、
このピストンには、ガス圧と慣性力によるスラスト力が
ほとんど作用せず、いわゆるピストンスラップが生じに
くい。この点からも、従来問題となっていた、振動・騒
音・キャビテーション・摩擦損失などの障害が大幅に低
減される。 【００８４】特に、上記クランク軸のクランクアーム長
さと、上記遊星部材の回転中心から上記連接棒の連結点
までの距離が等しく設定されて、この連結点が、上記遊
星部材の転動に伴って、上記クランク軸の回転中心を通
る直線上を移動するように設定されていれば、連接棒の
揺動が全くなくて横に振れないため、ピストンのスラス
トも完全に防止でき、低速回転はもちろんのこと高速回
転にも十分対応できる。 (３)従来のこの種のクランク装置に比較して、はるかに
動的バランスをとることが容易かつ確実で、理論的には
従来以上の高速回転においても動的バランスを完全にと
ることが可能となる。 (４)連接棒が横に振れないから、理論上は連結棒にかか
る曲げ荷重がなく、他の周辺部品の影響を考慮しても、
従来に比較してはるかに細く構成することができ、また
ピストンにもスラストがかからないから、摩擦係数が低
く、またピストン自体も短い円板状とすることも可能
で、この点からも往復運動部の軽量化が可能である。 【００８５】さらに、運動部分の不釣り合い慣性力等に
よってクランク軸に係る偏荷重も小さく、クランク軸の
機械的強度や剛性も従来に比較して厳しいものが要求さ
れず、やはり従来に比較してはるかに細く構成すること
ができ、回転運動部の軽量化も可能である。 【００８６】これにより、装置全体重量の大幅な軽減も
可能で、上記動的バランスの良さとも相まって、高速回
転に最適な構造とすることができる。 (５)遊星部材を太陽部材が取り囲むように配置されて、
遊星部材の回転慣性力が太陽部材により確実に受け止め
られるため、この点からも安定した動的バランスが確保
されるとともに、これら両者間の密接な係合状態も得ら
れて、無駄な動きもない。これにより、動力伝動効率の
向上が図られるとともに、燃費も大幅に改善できる。 (6)上記各構成部材の質量配分が上記クランク軸の回転
中心を中心とした動的バランスを考慮して設定されてい
るから、低速回転域から高速回転域まで均一で安定した
運転が確保される。特に、各構成部材に設けられる全て
のカウンタバランスが、回転慣性力として働くように設
定されているとより大きな効果が得られる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明に係る実施形態１であるクランク装置の
基本構造を一部切開して示す斜視図である。 【図２】同基本構造の正面断面図である。 【図３】同基本構造の側面断面図である。 【図４】同基本構造の各構成部材の寸法関係を説明する
ための概略構成図である。 【図５】同基本構造の各構成部材の質量配分を説明する
ための概略構成図である。 【図６】同基本構造をレシプロガソリンエンジンに適用
した場合の運動工程説明図である。 【図７】同基本構造におけるクランク軸の回転角度とピ
ストンのストロークとの関係を示す線図である。 【図８】本発明に係る実施形態２である２サイクルエン
ジンの基本構造を示す概略構成図である。 【図９】本発明に係る実施形態３である機械式過給機付
きの４サイクルエンジンの基本構造を示す概略構成図で
ある。 【図１０】同４サイクルエンジンにおける過給機の変形
例を示す概略構成図で、図１５（ａ）は燃料噴射ノズル
の配置が変更去れたもの、図１５（ｂ）はインタークー
ラを備えているものがそれぞれ示されている。 【図１１】本発明に係る実施形態４である単気筒式コン
プレッサの基本構造を示す概略構成図である。 【図１２】本発明に係る実施形態５である２気筒式コン
プレッサの基本構造を示す概略構成図である。 【図１３】本発明に係る実施形態６であるディーゼルエ
ンジンの燃料噴射ポンプの基本構造を示す概略構成図
で、図１８（ａ）は側面断面図、図１８（ｂ）はストロ
ーク最大時の正面図である。 【図１４】従来のクランク装置を備えた一般的なレシプ
ロガソリンエンジンの基本構造を示す正面断面図であ
る。 【図１５】従来のクランク装置を備えたディーゼルエン
ジンの変形例の基本構造を示す正面断面図である。 【符号の説明】 １ クランク装置 ２ クランク軸 ３ 連接棒（コンロッド） ４ 遊星機構 ５ 往復シリンダ装置 １０ クランク軸の主軸 １１ クランクアーム １２ クランクピン １５ ピストン １６ シリンダ ２０ 固定内歯車（太陽部材） ２０ａ 太陽歯車 ２１ 遊星歯車（遊星部材） ２４ 歯車ピン ４１ 駆動歯車（クランクアーム） ４２ 出力軸 ５２ 出力軸 ６２ 出出軸 ７２ クランク軸 ７４ 歯車ピン ８２ クランクピン １２１ プランジャ Ｄ₁ 遊星歯車の外径 Ｄ₂ 太陽歯車の内径 Ｌ₁ クランクアームの長さ Ｌ₂ 遊星歯車の回転中心からコンロッドの
連結点までの距離 Ｏ₂₁ 遊星歯車の回転中心 Ｏ₂ クランク軸の回転中心 Ｏ₃ コンロッドの連結点

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 往復運動と回転運動の動力変換部分に適
   用される装置であって、 基端側の軸受で支持される主軸と、該主軸の先端側で半
   径方向に延在したクランクアームとを有するクランク軸
   と、上記クランク軸の先端側前方位置において往復運動
   側に連結される連接棒と、クランク軸および連接棒間に
   介装される遊星機構とを備えてなり、 上記遊星機構は、上記クランク軸の回転中心と同心状に
   固定配置された太陽部材と、この太陽部材の内周に沿っ
   て転動する遊星部材を備え、 この遊星部材の外径が上記太陽部材の内径の１／２に設
   定され、 上記遊星部材の一側面の回転中心に、上記クランクアー
   ムの先端のクランクピンが回転可能に枢支連結されると
   ともに、遊星部材の外周部他側面に突設された歯車ピン
   に上記連接棒の一端が回転可能に枢支連結され、該連接
   棒の一端の往復動の軌跡が上記クランクピンの円形回転
   軌跡を横断するようにされ、 上記各構成部分の重量配分は、往復運動部と回転運動部
   の動的バランスがとれるように設定され、 上記遊星部材と太陽部材との周方向係合位置が調整可能
   とされている ことを特徴とするクランク装置。