JP4411043B2 - 動力伝達機構 - Google Patents
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Description
すなわち、ピストンが上死点にいるときの運動エネルギーは0であり、そのときのクランクシャフトの回転速度は最大であり、運動エネルギーも最大になる。クランクが90度回ってピストンの位置が中点になると、ピストンの速度は最大となり、ピストンの運動エネルギーも最大になる。このエネルギーはクランクシャフトからもらったものであるから、その分、クランクシャフトの回転速度は減少する。更に、ピストンが中点から下死点に移動する間は、ピストンの慣性力がクランクシャフトの回転を速める方向に働き、すなわち、ピストンの運動エネルギーをクランクシャフトに与えることになる。したがって、クランクシャフトは、回転速度を増加させることになる。そして、下死点に到達すると、ピストンの運動エネルギーは0に、クランクシャフトの運動エネルギーは最大になる。そして、どの時点においても、クランクシャフトの運動エネルギーと、ピストンの運動エネルギーの総和は一定となる(もちろん、エンジンの回転速度全体が変われば変わってしまう。)。したがって、クランクシャフトの回転速度の脈動は必然的に発生するものである。実際には、エンジンは、吸気、圧縮、爆発、排気の各工程で様々な力を受けるので、その際に回転速度の変動を受けるが、従来のエンジンの設計においては、回転速度の脈動についてはそれほど考慮されていなかった。
しかし、エンジンの性能を向上させるためにはこれらの各工程の力を無視することができず、エンジンそのものが基本的に有する脈動要因を排除する必要があった。
また、伝達ギヤ及び出力ギヤを、r 2 /r 1 ={I/(I+M・R 2 )} 1/4 を満たす楕円形状に形成したので、クランクシャフトの脈動を受容し、クランクシャフトの回転速度に脈動が生じても、出力ギヤを一定の速度で回転させることができる。
図1及び図2に示すように、動力伝達機構100には、エンジンにおける燃焼室として円筒状に形成された複数のシリンダ1(例えば、図2に示すように4つ)がほぼ平行に設けられている。このシリンダ1は、その内部が燃焼室として機能し、その上方には、点火プラグやシリンダヘッド(図示しない)等が設けられている。このシリンダ1内には、シリンダ1の内壁をシリンダ1の軸方向に沿って往復運動するピストン2が設けられており、ピストン2の上端面とシリンダヘッドとの間で燃焼室を形成する。ピストン2には、コンロッド3の一端が連結されており、このコンロッド3の他端がクランクシャフト4に連結されている。すなわち、コンロッド3は、ピストン2の往復運動をクランクシャフト4の回転運動に変換する機能を有する。
伝達ギヤ5及び出力ギヤ6は、互いに歯数が等しく、互いの長半径同士、短半径同士が等しい同じ大きさの楕円形状に形成されており、出力ギヤ6は伝達ギヤ5に対して90度回転させた状態で噛み合わされている。
図1に示す動力伝達機構100において、クランクシャフト4の慣性モーメントをI、ピストン2の質量(本実施の形態のように複数ある場合はその総和)をM、クランク半径をR、上死点及び下死点でのクランクシャフト4の回転速度をVr、上死点と下死点の中間位置におけるピストン2の速度をVp、上死点と下死点の中間位置におけるクランクシャフト4の回転速度をVr’とすると、上死点及び下死点におけるクランクシャフト4の回転による運動エネルギーは、
Er=I・Vr2/2・・・(1)
で表される。また、上死点及び下死点におけるピストン2の運動エネルギーは、
Ep’=0・・・(2)
で表される。
Er’=I・Vr’2/2・・・(3)
で表される。また、上死点と下死点の中間位置におけるピストン2の運動エネルギーは、
Ep=M・Vp2/2・・・(4)
で表される。
Er+Ep’=Er’+Ep・・・(5)
となる。
式(1)〜(4)を式(5)に代入すると、
I・Vr2/2=(I・Vr’2/2)+(M・Vp2/2)・・・(6)
となる。
更に、
Vp=R・Vr’・・・(7)
であるから、式(7)を式(6)に代入すると、
I・Vr2/2=(I・Vr’2/2)+(M・R2・Vr’2/2)・・・(8)
となり、式(8)を展開すると、
I・Vr2/2={(I+M・R2)・Vr’2/2}・・・(9)
となり、更に式(9)を展開すると、
Vr’2/Vr2=I/(I+M・R2)・・・(10)
となる。よって、脈動率は、式(10)を展開して、
Vr’/Vr={I/(I+M・R2)}1/2・・・(11)
で表され、クランクシャフト4の慣性モーメントI、ピストン2の質量M、クランク半径Rの関係式で表すことができ、クランクシャフト4の回転速度の影響を受けないことがわかる。
(r2/r1)2=Vr’/Vr・・・(12)
で表されるので、式(12)を展開すると、
r2/r1=(Vr’/Vr)1/2={I/(I+M・R2)}1/4・・・(13)
で表される。
よって、伝達ギヤ5及び出力ギヤ6の長半径r1、短半径r2を、式(13)の関係を満たすように形成すればよい。ただし、この式はコンロッド3の質量を0とした場合の式であるため、エンジンの構造によってコンロッド3の質量を考慮する必要がある。
2 ピストン
3 コンロッド
4 クランクシャフト
5 伝達ギヤ
6 出力ギヤ
100 動力伝達機構
Claims (1)
- シリンダ内を往復運動するピストンと、前記ピストンに一端が連結されたコンロッドと、前記コンロッドの他端が連結されたクランクシャフトと、前記クランクシャフトに設けられ、前記クランクシャフトと同軸まわりに回転する伝達ギヤと、前記伝達ギヤに噛み合わされ、前記クランクシャフトの回転を外部へ出力する出力ギヤと、を備える動力伝達機構であって、
前記伝達ギヤ及び前記出力ギヤを、前記伝達ギヤ及び前記出力ギヤの長半径r 1 と、前記伝達ギヤ及び前記出力ギヤの短半径r 2 と、前記クランクシャフトの慣性モーメントIと、前記ピストンの質量Mと、前記クランクシャフトにおけるクランクの半径Rとに基づいて、r 2 /r 1 ={I/(I+M・R 2 )} 1/4 を満たす楕円形状に形成し、
前記出力ギヤを前記伝達ギヤに対して90度回転させた状態で噛み合わせるとともに、前記ピストンの上死点位置において、前記コンロッドの長手方向及びクランクシャフト中心とクランクピンとを結ぶ線と、前記伝達ギヤの短半径方向と、前記出力ギヤの長半径方向と、が同一直線上になるように配置したことを特徴とする動力伝達機構。
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- 2003-09-26 JP JP2003335888A patent/JP4411043B2/ja not_active Expired - Fee Related
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