JPH0627537B2 - 往復ピストン機構 - Google Patents

往復ピストン機構

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JPH0627537B2
JPH0627537B2 JP57188281A JP18828182A JPH0627537B2 JP H0627537 B2 JPH0627537 B2 JP H0627537B2 JP 57188281 A JP57188281 A JP 57188281A JP 18828182 A JP18828182 A JP 18828182A JP H0627537 B2 JPH0627537 B2 JP H0627537B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、カム制御往復ピストン装置に関する。
一層有効、かつ一層安価な非汚染性の多重燃料機関がど
うしても必要なことは現在では一般によく知られてい
る。最近の主な研究では、往復ピストン機関は1980年代
を通じて自動車原動機の要求に適合する最高の潜在力を
持つものとされている。要するに、ガソリン・ピストン
機関、ディーゼル・ピストンエンジン及びスターリング
・ピストン機関は、これ等の機関が自動車に使用される
場合に、タービンよりすぐれた決定的な利点の得られる
良好な部分負荷効率を備えている。しかしエネルギー保
存及び環境保護の目標に適合するのに必要な性能向上を
得るには、性能向上のための全部の機会をできるだけ多
く探査して、基本にもどり各種のピストン機関の設計を
やり直さなければならない。
本発明のできるだけ多くの重要な用途により種種の往復
ピストン機関の性能特性の向上ができる。
実際上多くの種類の損失によりピストン機関の熱効率が
低下する。時間損失は、燃焼中又は熱伝達中のピストン
運動に基づく損失である。排気損失は、下死点前の排気
弁又は排気口の開きに基づく損失である。熱損失は、動
作ガスからの熱の伝導、対流及び放射に基づく損失であ
る。漏れ及び不完全燃焼は、効率にわずかな影響けしか
及ぼさないが、これ等の損失は、空気汚染の主な原因と
なり従つて極めて注意深く制御されなければならない。
又容積効率もピストン機関の重要な特性である。たとえ
ば良好な高速容積効率は、ガス、デイーゼル及び水蒸気
のピストン機関から高い動力対重量比を得るのに必要で
ある。しかし良好な高速容積効率に必要な弁又は口の長
いタイミングにより、これ等の機関の低速性能が著しく
低下する。従つて乗用車機関の広い範囲の速度要求に適
合しようとする技術者は、その機関設計の際に高低両方
の速度の容積効率の妥協点を取られなければならない。
ピストンの往復運動を回転運動に変換するのに使用され
るクランク及び棒機構は、多くの設計者がこれを著しい
性能向上を得るのに主な障害として認めなかつたほど多
年にわたり十分な働きをしている。クランク及び棒装置
の基本運動は、エンジンの有効膨張比を下げその時間損
失、排気損失及び熱損失を増すことにより、効率及び性
能を共に向上しようとする設計者の努力を妨げている。
この基本運動により又高速及び低速の容積効率間の妥協
点を取らざるをえない。
クランク及び棒装置の運動力学を考えることにする。ク
ランク軸の回転角ωｔの関数としてのピストン位置Ｐの
式は次のようになる。
この式でＳは行程長さであり、Ｒは棒の長さであり、φ
はピストンピンの片寄りである。クランク及び棒装置
は、ピストンをその行程の両端で急激に動かす望ましく
ない特性を持つ。
上死点（TDC）の付近の早いピストン運動は、とくに有
害である。前記したようなタイミング損失は、TDCにお
ける運動の直接の結果である。マサチユセツツ工科大学
のチヤールズ・エフ・テイラー（Charles F.Taylor）教
授は『内燃機関の理論と実際』の第141頁に『遅い燃焼
は、制限した圧力の燃料−空気サイクルと、実際のデイ
ーゼルサイクルとの間の出力及び効率の差の大部分の原
因になる』ことを記載している。さらにクランクケース
掃気２行程エンジンの容積効率は、ピストンがTDCを横
切る間に、全チヤージを吸引するのに利用できる時間が
極めて短いことにより、実質的に低下する。
クランク及び棒機構の別の欠点は、ピストン加速がTDC
で最高になることである。高いrpmでは、ピストンのこ
の急速な加速により、ピストンリングがそのみぞ内で浮
き上がり、シリンダ圧力が最高になるその瞬間に密封能
力を失う。このようにしてガス漏れにより機関の汚染物
放出が増し、この放出が十分に顕著になる場合には、ピ
ストンが過熱し、シリンダ内で焼付く。
下死点（BDC）における急速なピストン運動は、４行程
内燃機関の性能に、幾つかの分野において有害である。
吸込み行程の終りにピストンは、最大容積で２つの重要
な機能を生じさせるのに十分な程度長くは停止しない。
第１にシリンダに新しいチヤージを十分に満たさなけれ
ばならない。第２に吸込み弁は、新たなチヤージが引続
く圧縮行程の始まる間に失われないように完全に閉じな
ければならない。この問題を補償するために、設計者
は、BDC後60゜又はそれ以上で閉じるように吸込み弁の
タイミングを定めることが多い。この技術により高速効
率を向上させるが、この場合低速効率は低下する。従つ
て急速なBDCにおける運動は、高い容積効率を得るのに
有害である。４行程エンジンのピストンは、膨張行程の
終りと、排気行程の始めとにふたたびBDCを通る。この
ときには、シリンダ圧力が、排気マニホルド圧力に近ず
くように高温ガスを釈放し、引続く排気行程中に失なわ
れる動力が最少になるようにしなければならない。これ
を行う唯一の方法は、ピストンがＢＤＣに達するかなり
前に排気弁を開くことである。しかし排気弁を早く開く
と、膨張行程の有効性が低下し、排気損失が増して熱効
率が低下する。
２行程内燃機関は、早いBDCピストン運動により、４行
程機関より一層障害を受ける。２行程のピストンがシリ
ンダの底部に近づくと、次の事象順序が生ずる。第１に
排気口が開き、高温ガスが逃げ始める。実際上排気口
は、移送口の開く前に、シリンダ圧力が移送圧力より低
くなるまで排出されるように、十分早く開かれなければ
ならない。次に移送口が開き、新たなチヤージがシリン
ダに流入し、残留排気を排気口から追い出す。次でピス
トンがBDCから遠ざかるに伴い、この場合排気口は迅速
に閉じて次の圧縮サイクルの始まる間に新らたなチヤー
ジを捕捉しなければならない。４行程で共に360゜の回
転を要する排気サイクル及び吸気サイクルは、理想的に
は２行程のピストンがBDCを越える短い時間中に生じな
ければならない。早いBDC運動によつて２行程機関は、
狭い動力帯域を持つようになる。すなわち２行程機関の
使用は、低速デイーゼル及び高速オートバイのような特
殊な用途に限定される。
以上の説明及び解析により、ピストン装置の性能が、こ
れ等のピストンの上死及び下死点の付近で費すサイクル
時間の100分率を増すことにより、著しく向上できるこ
とが明らかである。クランク制御ピストンの与えられた
長さの行程に対し、棒長さ及びピストンピンの片寄りだ
けが技術者の変えることのできるパラメータである。こ
れ等の両パラメータは極めてわずかしか変えられなく
て、行程の一端で得られる増加により他端では減少する
ことが多い。この場合性能の実質的な向上のためには異
る機構を必要とするのは明らかである。
従来は幾つかのわく制御ピストン装置が、クランク及び
棒の代りに設計されている。しかし実質的な成功を修め
たものがないから、なぜこれ等が受け入れられなかつた
かを見極めるのに、これ等の装置を一層精密に調べるこ
とは価値のあることである。
最も旧式な最も簡単な装置はスコツチわくである。ネル
ドナー（Neldner）は、その1928年の特許（米国特許第
1,774,105号明細書）による内燃機関にこのような機構
を使つた。この装置はクランクピン及び扁平側部を持つ
わくから成つている。このわくの幅は、クランクピンの
直径、又は設けてある場合にピン軸受の幅に等しい。こ
の装置は、ピストンを、無限に長い棒を持つクランクの
運動と同じ単弦運動で動かす。従つてスコツチわくは、
その運動がその代りの普通のクランク及び棒とわずかし
か異らないので広く普及するには到らなかつた。
トツク（Toch）及びクラーク（Clark）は、３重カムわ
くを発明した（米国特許第1,810,688号明細書）。この
発明においては、１回転当たり６行程を生ずるように作
つた３つのローブを持つカムを使つたが、ピストンが上
死点及下死点で費す時間を増すには役立たなかつた。こ
の設計はわくアセンブリの往復質量をつりあわせる手段
に欠けている。カム軸に設けるつりあい重りは、カム軸
の１回転ごとにわくが３回往復動するので有効でなかつ
た。トツク及びクラークの設計の別の障害は、ころ軸受
付きのカム従節を使ることであつた。カム軸のrpmが増
加すると、従節内のころ軸受の加速度が増加し、最終的
にころがすべり始める。この場合摩耗が過度になり、信
頼性が低下する。ころ軸受付従節のなお別の障害は、そ
の圧力角の大きいことである。この場合わくに対する横
荷重が過大になる。要するにこの装置は、ピストン遅延
ができなくて、つりあいが悪く、ころ軸受付カム従節の
問題になやまされた。
ポージ(Poage)は内燃機関用の興味あるピストン及びク
ランク軸連結手段を発明した（米国特許第2,513,514号
明細書）。この装置はピストンを上死点及び下死点に滞
留させるが、その構造は他の理由で有効でなかつた。ス
コツチわくとは異つてこの機構は、わくをローラクラン
クに絶えず接触した状態に保つのに、シリンダ圧力に依
存している。この状態は、動的負荷がガス負荷より低い
場合に、低い運転速度で保つことができるが、速度の増
加に伴ない動的負荷はガス負荷を急速に越える。従つて
ポージの発明は、低速低負荷用に使えるだけである。こ
の場合も又ころ軸受の加速及びジャーク(jerk)により摩
耗及び信頼性の問題を生ずる。つりあい重りは、これ等
を３重カムに設けた場合よりポージのクランクでは一層
有効であるが、この装置の滞留及び偏心運動は振動の問
題を生ずる。
本発明によれば、１個又は複数個のわく、ピストン及び
シリンダに協働するカム軸に、１個又は複数個のカムを
設けてある。各シリンダは、カムケースに固定されてい
る。カム軸は、カムケースに軸架されている。カム軸の
軸線は、シリンダ軸線にほぼ直交している。ピストン
は、各シリンダ内で往復動するように配置されている。
棒は、各ピストンをわくに連結する。互いに対向するシ
リンダ関係で各わくは、２組の棒及びピストンで共有さ
れるのがよい。各わくは、カム軸を囲みローラなしカム
従節又は複合のローラなしカム従節及びローラ付きカム
従節を備えている。各わくは、カム軸に固定した１個又
は複数個の非円形の有限ジャークカム円板によりつねに
積極的に制御され、各ピストンわくにアセンブリが、カ
ム軸の１回転ごとに２行程を生ずるようにしてある。
積極的制御とは、カム及びカム従節面がわくの位置をつ
ねに精密に制御することを意味する。積極的制御は、カ
ムを互いに対向するカム従節面により次の程度に拘束す
ることを意味する。一方の面がカムに接触すると、他方
の面はカムから運転公差（たとえば約0.001ないし0.01
インチ）だけしか離れていない。一方の面から他方の面
への制御の転移中にカムがどちらの面にも接触しない瞬
間があるのはもちろんである。すなわち持上げ及びもど
りの運転が共にカムにより生ずる。
本発明の好適とする実施例においては、２組のわくアセ
ンブリを相互に180゜だけ位相をずらせることにより、
これ等のわくアセンブリの往復質量をつりあわせる。本
発明の他の好適とする実施例すなわち互いに対向する２
シリンダと、Ｘ形の４シリンダとは、２行程の機関及び
ポンプ用に理想的に適している。なお他の実施例におい
ては、カム及び従節の強制潤滑装置を協働させ、機構の
荷重支持能力を増すようにしてある。
ジャーク(jerk)とは、加速度の変化する割合であり、位
置の時間による３回微分に等しく、単位は１ft/sec2/se
cである。
本発明の目的は、非円形有限ジャーク一定幅カムを使用
することにより、往復ピストン機構の動作を円滑にし、
摩擦を減少させ、振動を低下させ、カムの耐久性を増加
させることにある。そして振動の低下の程度は、往復ピ
ストン機構の頂部に載せたガラスのコップ内の水が加
速、減速の間にさざ波を立てない程度に低振動である。
本発明の目的は、普通のピストン、クランク及び棒装置
より設計上の融通性の高い往復ピストン装置を提供しよ
うとするにある。
本発明の他の目的は、カム制御ピストン装置の信頼性を
高めようとするにある。
なお本発明の他の目的は、カム制御ピストン装置の荷重
支持特性を改良しようとするにある。
なお本発明の他の目的は、カム制御ピストン装置の往復
動つりあいを改良しようとするにある。
本発明の他の目的は、カム制御ピストン装置のカム及び
従節用の潤滑装置を改良しようとするにある。
なお本発明の他の目的は、時間損失を減らし、内燃式及
び外燃式のピストン機関の有効膨張比を増そうとするに
ある。
なお本発明の他の目的は、種種のピストン機関の排気損
失を減らそうとするにある。
本発明の他の目的は、ピストン装置の容積効率を改良し
ようとするにある。
なお本発明の他の目的は、簡単で製造しやすいピストン
装置を提供しようとするにある。
なお本発明の他の目的は、上死点の付近のピストンリン
グ加速を減らそうとするにある。
本発明の他の目的は、２行程及び４行程の火花点火及び
圧縮点火式の機関の低速及び高速の性能特性を改良しよ
うとするにある。
なお本発明の他の目的は、燃焼を向上し内燃ピストン機
関の排気放出を減らそうとするにある。
なお本発明の目的は、ピストン機関の多燃料運転特性を
向上するピストン装置を提供しようとするにある。
なお本発明の他の目的は、ピストン機関の燃料経済を向
上するピストン装置を提供しようとするにある。
なお本発明の他の目的は、ランキン機関、オツトー機
関、デイーゼル機関及びスターリング機関の全部の機能
的要求に一層よく適合させることのできるピストン装置
を提供しようとするにある。
本発明によれば、非円形のカムを使用することによつ
て、上死点及び下死点付近のわくの軸線方向運動が単振
動とは異なるようになる。円形のカムの場合には、この
軸線方向運動は単振動となる。単振動とは異なる運動を
することによる利点は、機関の圧縮行程の上死点におい
て、仕事行程に先立って全圧力が生ずる時間を可能にす
るドウェル(dwell)を提供することである。
以下本発明による往復ピストン機構の２つの実施例を添
付図面について詳細に説明する。
第１図に示した実施例は回転カム設計に関する。この設
計は、その最も簡単な形において、２つの可動部分、す
なわち１個の有限ジヤーク(jerk)一定幅カム(11)を取付
けた回転カム軸(10)と、往復動するわく(12)、棒(13)及
びピストン(14)から成るアセンブリとを備えている。こ
れ等の可動部分は、カムケース(16)、カム軸軸受及びシ
リンダ(17)から成る固定のブロツク(15)と協働して作用
する。１変型として回転カムの代りに回転ブロツクを使
つてもよい。この変型の機構は、カム軸は固定的に保持
されるが、ブロツク、シリンダ、わく、棒及びピストン
から成るアセンブリが、カム軸のまわりに回転すること
を除いて同様である。簡単のために以下の説明では回転
カムの実施例だけを述べる。
本発明では直列形、Ｖ字形、対向形、放射形等のような
全形式の多シリンダ構造を構成することができる。実際
上本発明は、何等かの形で既存の単シリンダ又は多シリ
ンダ往復ピストン機構の代りに使うことができる。特定
の２種類の構造すなわち対向２シリンダと放射状Ｔ形又
はＸ形の４シリンダとについて述べる。
第２図に示した対向２シリンダ構造は、第１図の単シリ
ンダ構造に対し幾つかの利点がある。第２のシリンダ(1
7′)、ピストン(14′)及び棒(13′)が加えられ、付加的
な可動部分はなんら加えられていない。排気量は、第１
図の実施例の２倍であり、しかも寸法及び重量はわずか
に約30％大きくなるだけである。各シリンダが同じわく
を分け合うから、これ等のシリンダ間に片寄りがなく、
従つて揺動連成振動をつりあわせることがむずかしくな
い。又各シリンダは、相互に正確に180゜だけ位相がず
れており、これは２シリンダ２行程作動サイクルに理想
的である。この構造の別の利点は、その一定のカムケー
ス容積である。一方の棒及びピストンが、カムケース容
積を減らすので、対向する部品はこの容積を正確に同じ
量だけ増し、一定の容積を保つ。カムケースポンプ作用
損失は最小になり、複雑なカムケース通気装置の必要が
なくなる。温度による膨張及び収縮に適応できる小さな
ろ過式息抜き管が通常適当である。又２シリンダがわく
をカム軸軸線に直交する平面内に位置させ、どちらのピ
ストンもそのシリンダ内で傾かないようにしてカムケー
スを案内として使わないでわくを自由に往復動させる。
又この構造により、本発明の多くの空冷式の実施例に極
めて望ましい最適の２シリンダ熱散逸特性が得られる。
前記した原理を使う対向２シリンダ内燃機関の作用模型
を作り本発明の多くの目的を示すように運転した。これ
については、さらに詳しく後述する。
第３図に示した４シリンダ放射状Ｔ形又はＸ形構造は、
一層高い動力、一層高度のなめらかさ又は一層簡潔な構
造のために付加的なシリンダを必要とする応用例には極
めて望ましい。同じカム(11)に、第１のわく(12)の背後
に別の２ピストンわく(22)を、カム軸軸線に直交する平
面内で90゜だけ食い違わせて設けると、わずかに３つの
可動部分だけしか持たない４シリンダ機構が得られる。
各シリンダ(17),(17′),(27),(27′)は、とくに全側部
から操作でき、保守と、必要に応じ冷却とが容易にな
る。又４シリンダの運転サイクルが、均等に90゜ずつ食
い違い、これは４シリンダ２行程運転には理想的であ
る。
わく、棒及びピストンは単一の材料体から作ることがで
きるが、設計者は第４図に示したのと同様な複合アセン
ブリを採用する傾向がある。この複合設計は、種種の組
立て及び保守の手順を簡単にし、各部品をこの部品の機
能的要求に最も適した材料から作ることができる。又複
合アセンブリにより、保守費用が著しく減少する。第４
図に示したアセンブリは、ピストンピン(32)により棒(3
1)に取付けたピストン(30)から成つている。棒(31)は、
２個のカム従節挿入部片(34),(35)を持つわく(33)にね
じ込まれている。
クランク作動ピストンに必須のピストンピンは、本発明
においては随意である。市販品のピストンを利用し、又
は大量生産単位に一層大きい製造公差を許すにはピスト
ンピンを使うことが望ましい。しかしピストンが、エン
ジンの場合のように著しい熱にさらされる場合には、ピ
ストンピンを除いて半径方向に対称なピストンを使えよ
い。半径方向対称の利点は、ピストンが加熱されたとき
に一様に膨張しその円形の形状を保つことである。半径
方向対称でない普通のピストンピン付きピストンは、高
価なカム研削手順を経て形成され、加熱したときにシリ
ンダ内で焼付かないようにしなければならない。
ピストンを棒に取り付けるのにピストンピンの代りに種
種の手段、たとえば共に半径方向対称であるねじ連結又
は玉継手を使うことができる。玉継手は、不整合を補償
し、一様な熱膨張を生ずる。棒をピストンの中心に取り
付けるときは、ピストンの中心を冷却する付加的利点が
ある。すなわちピストンピンをなくすると、可動部品の
個数が減り、ピストンピン軸受の破損のおそれがなくな
り、ピストン冷却が向上し、ピストンがシリンダ内に一
層緊密にはまり、ガス漏れ、ピストン騒音及び摩耗が減
るようになる。要するに本発明により得られるピストン
設計の融通性は、ピストン装置の性能を実質的に高める
のに利用できる。
案内なしわく（unguided yoke）連接棒には多くのもの
がある。連接棒は、ピストンにピストンピンで取付けら
れ、他端部はわくにねじ込まれる。連接棒は、一端部に
玉継手形ピストン取付部を持ち、他端部をわくにねじ込
んでもよい。連接棒は、中空の中心部を持ち、質量を減
らし剛性を増すようにしてもよい。連接棒を、ピストン
及びわくの両方にねじ込んでもよい。連接棒をわくに取
り付ける場合に、余分な力を必要とする高トルク用とし
ては、連接棒にテーパを付ける。連接棒は、ピストン及
びわくの両方に直交軸線を持つピストンピンにより取り
付けてもよい。ピストンは、カム軸に直交する平面内で
自由に回動してもよいが、わくへの連接棒の取付けは、
わく自体が、カムケース内の案内のような若干の外部手
段により回らないように保持されているのでないなら
ば、通常は前記平面内で相対運動しないようにされなけ
ればならない。この機構の信頼性は、通常、連接棒及び
わくを、これ等の２部品間の潜在的相対回動が最小にな
るように設計することにより向上する。又多くの案内付
きわく(guided yoke)連接棒構造も得られる。たとえば
両端部に玉継手を設けた連接棒を拘束されたわくと共に
使うことができる。わく及びピストンに対し回動する連
接棒の自由度は、各シリンダ及び往復動わく間の軸線方
向の一致の欠除を補償するのに使うことができる。
一定の横断面を持つ連接棒は、カムケースに取付けた往
復動軸受により支えることができる。この構造によりピ
ストン及びシリンダでなくて往復動軸受及び連接棒をカ
ム軸トルクに対抗させることができる。
第５図に例示したわくは、単一体として構成してある。
このわくの左側には連接棒を取付けることができるよう
にねじ付きソケツトを設けてある。外面(40),(41)は、
互いに平行に機械加工され、カムケースわく案内に沿い
なめらかに滑動するように仕上げられている。内側の受
け面(42),(43)は平らに互に平行に機械加工されカム従
節として作用する。
第６図に示したわくは、２個の半部分(45),(46)を頂部
及び底部で互いにボルト締めすることにより作られる。
わくの２部品構造により、カム軸をカムケースからはず
さないで、この構造をカム軸から容易に取り除くことが
できる。このわくは、その内側にカム従節挿入部片用の
くぼみ(47),(48)を持ち、２本の互いに対向する棒と共
に使うようにしてある。このわくの垂直方向側部の横断
面は、中央に向つて増し荷重による曲げを減らす。わく
の各半部分(45),(46)には５個の穴(49)をあけ、質量を
減らし、支持荷重、摩擦及び摩耗を減らすようにしてあ
る。このわくは、カムケース案内を設けないで作動する
ようにしてある。
第７図に示したわくは、幾つかの有利な特徴を持つ。そ
の最も著しい特徴は、その傾斜した垂直方向従節面であ
る。本願を通じてカムに当てるわく表面は、カム従節面
と称する。傾斜の効果は、1/sinαの率だけ本機構の行
程を増すことである。
このわくは、各従節が連接棒の軸線に直交しなくてもよ
いことを示す。又このわくは、カムケースわく案内に沿
つて移動するようにころ軸受を備えている。
このわくの内側面をカム従節（すなわちプレツサー）と
して使うことができるが、第８図に示すような別個の従
節挿入部片(49′)を設けることにより幾つかの利点があ
る。別個の従節挿入部片(49′)の第１の利点は、わく全
体が従節材料で作られる場合に、望ましくない往復動重
量を加え又は強度を弱める特殊な耐摩耗材料でこれ等の
従節挿入部片を作ることができることである。別の利点
は、従節面が摩耗してもわく全体を交換するよりも従節
だけを交換する方がはるかに安いことである。第８図
は、わくの互いに対向する側にボルト締めした２つの長
方形の扁平な従節挿入部片(49′)を示す。この種の従節
は作るのが最も簡単で多くの用途に適当である。しかし
製造公差により従節をカム面に直角に接触しないように
すると、第９図に示すような自動整合従節挿入部片(49
b)を使えばよい。従節挿入部片(49b)の外面と、わくの
内面とは共に各わく面間の距離Ｄの1/2に等しい円筒半
径Ｒを持つように仕上げる。従来円筒の軸線は、クラン
ク軸の軸線と、わくアセンブリの中心の軸線とにより形
成される平面に直交する。
高圧高速の用途には摩擦及び摩耗がとくに注意を必要と
する臨界的設計要因になる。カム構造は、これが圧縮点
火エンジンの場合のようにTDCに静止部があると、従節
及びカム間の接触面積を増すことが望ましい。第10図の
従節挿入部片(49c)の中心は浅い円筒形の切欠きを形成
してある。この切欠きの半径はTDCでわくに接触するカ
ムの最大半径に等しい。切欠きにより生ずる受け面積が
大きいほど、カム及び従節の荷重支持能力が増す。
カム及びわくの荷重支持能力を高める別の方法では、最
高の力を受ける従節挿入部片表面の後方から材料を除
く。このようにしてカム表面に適合するように従節表面
をたわませ、接触面積及び荷重支持能力を増す。たとえ
ば時計回りに回転する２サイクル対向エンジンでは、最
高シリンダ圧力がTDCの直後に起る場合に、材料を除く
場所は従節の中心から片寄らされる。
２層従節挿入部片を使つてもよい。薄い内側層は、鋼の
ような硬いたわみ性材料から作られる。又外側の厚い層
は、荷重のもとでカム及び従節の間の表面接触を一層広
くする比較的柔らかい弾性材料から作られる。前記した
荷重増大法の２種類又はそれ以上を組合わせることによ
り、技術者は多くの他の信頼性のある高負荷用固定従節
を設計することができる。
荷重能力を増し、摩耗及び摩擦を減らすなお別の研究で
は、第11図に示した扁平な浮動従節(50)を使う。扁平な
浮動従節(50)は、すべてカムとの接触を保つ平行４辺形
である。この構造により浮動従節(50)を、カムの持上げ
面と同じ方向に滑動させ、それぞれの接触点でカム及び
従節間の相対速度を減らす。又浮動従節(50)は、単一の
点で接触を保つ固定の従節挿入部片とは異つて従節表面
のかなりの長さにわたるＴＤＣ滞留中に生ずる摩耗を広
げる。浮動従節は、カム及びわくの両方と同等の熱膨張
率を持つ材料から作られ、この機構の温度の変化に伴な
つて、従節とカム又はわくとの間にかみ込みが起らない
ようにしなければならない。
第12図は、扁平な挿入部片(49c)及びころ軸受(51)の複
合の従節わくを示す。ころ軸受付き従節は、一般に摩擦
を減らすのに使用される。これ等の従節は、その回転速
度が、装置の全作動サイクル中に所定rpmにおいて適宜
に一定であるような用途において非常に良好に作動す
る。しかしこれ等の従節は、運転サイクル中に著しい加
減速を必要とする場合に、高いrpmでは、ころ軸受自体
の慣性により、カム面に沿い転動しないで滑動する。こ
の滑動により摩擦が急激に増し、ころ軸受及びカムを共
に破壊しやすい。第12図に示した構造はころがり接触
を、運転サイクルのわずかに小部分だけに制限すること
によりころ軸受の加速を制限する。
ころ軸受は、わくの中央に取り付けられ、このころ軸受
の外部円筒面の頂部は、図示のように扁平な従節埋め金
表面のわずかに上方に延びている。カムは、わくがＴＤ
Ｃに近い間だけころ軸受に接触し、わく表面がふたたび
ＴＤＣに近づくまで自由に回すようにしてある。カムＢ
ＤＣ表面は、中央でわずかにくぼませられ、わくがＢＤ
Ｃにあるときは、カム表面がころ軸受に触れないように
しなければならない。ころ軸受を延ばし、カムにくぼみ
を形成することをしないで、ころ軸受にくぼみを形成
し、ＴＤＣにおけるカムのころ軸受接触区域を延ばすよ
うに選定してもよい。どちらの方法によつても、ころ軸
受加速を減らす目的を達成できる。
ころ軸受の接触は、ＴＤＣにおける静止部に制限するこ
とができる。又はころ軸受接触はＴＤＣに近い行程部分
に使うこともできる。たとえばカムは、行程の95％中に
扁平な従節表面に接触し、ＴＤＣ付近の行程の５％中に
ころ軸受及びその対向する扁平従節に接触するようにし
てある。この構造は、ころ軸受速度の変化を５％に制限
しながら、サイクルの高圧部分中にころ軸受接触の利点
を利用できる。
積極的制御カムという用語は、この説明で使うときは偏
心円板の劣化した場合を含まない。全部の偏心円形カム
及びわくは、単弦運動を生ずるから、これ等は本発明に
基本的な構造上の融通性に欠ける。しかし他の非円形カ
ムを評価するのに、性能基準線を設定するときに、円形
カムは興味がある。
最も簡単な非円形積極制御カムは、第13図に示した一定
幅カムである。このカムは正３角形の３頂点から円弧を
引くことにより構成される。第13図においては円弧半径
は側辺の長さに等しい。第14図においては、円弧半径は
側辺の長さより大きい。長い円弧円分は最も近い頂点か
ら引いた短い円弧により連結されている。第14図に示し
たカムは、第13図に示したカムよりなめらかな輪郭を持
つように見えるが、その運動は同じである。
第15図はこれ等の両方のカムによる加速曲線を示す。横
軸は角度ωｔを表わし、縦軸はピストン棒の軸線に沿う
わくの加速度を表わす。各点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆに
はカムの加速度の不連続部がある。各不連続部は第16図
に示すような無限ジヤーク（jerk）の点に対応する。第
16図では横軸は角度ωｔを表わし、縦軸はジヤークを表
わす。これ等の点における無限ジヤークにより、任意の
速度ただし極めて遅い速度でも最終的に機構を破壊する
激しい打撃作用を生ずる。すなわち無限ジヤークはすべ
てその信頼性が先天的に低いために、本発明には使用で
きない。
本発明によれば各カムは、積極制御作用をするように構
成され、非円形の有限ジヤークカムだけを備えている。
一定幅カムは、第１の180゜の運動が、対向シリンダ２
行程装置に理想的である第２の180゜の運動の正反対で
あることを必要とする。マグロー・ヒル社から1960年刊
行のフエアズ(Faires)及びケウン(Keown)を著者とする
メカニズム（Mechanism）のような工学論文には有限ジ
ヤーク形一定幅カムを作る方法を記載してある。
カムの実際の輪郭は、技術者によつて用途により定めら
れるが、複数の互いに異なる一定幅カム輪郭を一層精密
に観察すると、この機構の設計の融通性が一層よく分
る。ＴＤＣ及びＢＤＣに60゜のカムドウエルを持つ第14
図の簡単な無限ジヤークカムとは異なつて、第17図に線
図的に例示したカム輪郭は、全くカムドウエルを持たな
い（第17図にはカムの側面図は示してなくて１つの従節
面の移動距離Ｌ対角度距離ωｔを示してある）。この例
は、本発明がカムドウエルを必要としなくて技術者が無
限の種類のカムドウエルなしカムを設計できることを示
す。
第18図は、加速及び減速が行程の中間点の付近で互いに
等しく反対になる５゜のカムドウエルを持つカム輪郭を
示す。この輪郭は複動ピストンを持つポンプ又は時計回
り或は逆時計回りに運転するようにしたエンジンに十分
適している。
第19図は、時計回りに回るとき、相対的に述べるとカム
がＴＤＣのカムドウエルに近づく際には遅く減速され、
又相対的に述べると、カムがＴＤＣから遠ざかる際には
一層早く加速される16゜のカムドウエルを持つカム輪郭
を示す。この同じカムを逆時計回りに回すと、わくはそ
の加速の際より一層早く減速される。このカムは、設計
者が点火に先だつて燃焼室の乱れを制御し、点火後に燃
焼力によりわくを一緒に加速し正常な運転速度で振動及
び摩耗を最少にする手段を示す。対称の加速減速作用を
生ずる一定幅カムは、２行程シリンダ口を遅く開き、早
く閉じシリンダ掃気効率及び捕捉比を高めるように作る
ことができる。
しかし一定幅カムの180゜の対称拘束作用が望ましくな
い場合には、技術者は、わくを制御するのに２個又はそ
れ以上のカム円板を使うことができる。
第20及び21図は、どのようにして２個の一定幅カムを組
合わせて異る持上げ運動及びもどり運動を生じさせるか
を示す。カム(60)を使い、持上げすなわち第１の180゜
の回転を制御し、第２カム(61)を使いもどりすなわち第
２の180゜の回転を制御する。各従節(62)、(63)は、持上
げ用カム(60)が、もどりの180゜の間は、従節に接触し
なくても、もどり用カム(61)は、移動の180゜の間は、
従節に接触しないように凹みを形成してある。
第22図及び第23図は、どのようにして互いに共役のカム
を使い、360゜の回転中にわくを制御するかを示す。カ
ム(66)は、360゜わたつて従節(67)との接触を保つが、
カム(68)は360゜にわたつて従節(69)との接触を保つ。
第24図のカム(70)、(71)は、同じもどり輪郭を持つてお
り、カムを第22図及び第23図に示したカムで生ずる揺動
作用を伴なわないで、どのようにして互いに共役のカム
を設計できるかを示す。
この場合各従節が実際上扁平でなくてもよいことは重要
なことである。コンピユータ支援設計と、数値制御工作
機械とにより、彎曲従節と共に作用する単一及び多重円
板形積極制御カムを作ることができる。扁平従節は、単
に製造過程を簡単にするだけである。
本発明のカム部品により生ずる不規則運動は、往復質量
のつりあいのきびしい問題を生ずる。カム軸は純粋な回
転運動で回るから、このカム軸は簡単なつりあい重りで
静的及び動的につりあわせることができる。しかしわく
及びピストンアセンブリは、用途及びカム輪郭に従つて
つりあい重りによつては満足できるつりあいの得られな
い純粋な往復運動で動く。このような場合には設計者
は、ピストンわくと位相がずれて作動するつりあいわく
を使うことができる。
第25図は１個のピストンわくカム(75)と、このピストン
わくカム(75)と同じであるがカム軸周囲に180゜回動し
た１個のつりあいわくカム(76)とを持つカム軸を示す。
ピストンわくの質量中心は直線Ｘに沿い、又つりあいわ
くの質量中心は直線Ｙに沿う。この構造により往復動つ
りあいが向上するが、中心線Ｘ、Ｙ間の片寄りＤは小さ
な揺動偶力を伴なう。直線Ｘ，Ｙをできるだけ近づける
ことにより、揺動偶力を減らし、この単一つりあいわく
カム軸構造が多くの用途に良好な働きをするようにする
ことができる。
設計者が揺動偶力をなくそうとする場合には第26図に示
すような２個のつりあいわくカムを使うことができる。
ピストンわく(77)の質量の半分を、各カム(78)、(79)に
より制御される２個のつりあいわくに正確に置くことに
より、つりあいわくの質量中心を、ピストンわくの質量
中心に一致させ、揺動偶力を除去するようにすることが
できる。
第25図及び第26図に示した技術は、多シリンダ構造に容
易に広げることができる。良好に設計されたつりあいわ
く装置においては、本発明の大きいカムドウエルを持つ
実施例においてさえも、振動を減らし、純粋な回転装置
のなめらかさに対抗することができる。
カム面の焼入れ及び潤滑は、摩耗を減らすのに極めて重
要である。前記の従節について述べると、摩耗を減らす
ために機械的設計技術に多大の注意を払つた。又これ等
の技術の利用点を得るためには、カム及び従節の表面を
適正に焼入れし、適当なカム従節潤滑装置を備えなけれ
ばならない。
第27図はこのような潤滑系統の油通路を示す。油は、カ
ムにその基円の中心で入り、半径方向外向きにカム面に
流れる。カム自体は、潤滑剤をカム従節に投げつける油
切りになる。回転速度の増すのに伴ない、従節に送出さ
れる潤滑剤の体積が増す。第28図のカムは、その潤滑径
路の若干を彎曲させてある。これ等の曲線は、荷重が最
高であるカム及び従節に潤滑剤の流れを一層よく差向け
るように、形成されている。
又潤滑剤が、カム及び従節の冷却剤になるのはもちろん
である。技術者は油冷却器を加え、カム及び従節への潤
滑剤の流れを増すことによりこの特性を一層利用するこ
とができる。このようにして冷却作用を向上することに
より、この機構の荷重支持特性が増す。
本発明の原理を示すように作業用原型を作つた。
この原型は、排気量110ccの対向２シリンダ２行程ガソ
リンエンジンである。カム軸は、カムケースに取り付け
たころ軸受で回転する。カム軸は、中央に位置する１つ
のカムドウエルを備えた一定幅ピストンカムと、このピ
ストンカムの各側に位置する１つのカムドウエルを備え
た一定幅つりあいカムとを持つ。各つりあいカムは、ピ
ストンカムと同じ輪郭を持つが、ピストンカムに対し18
0゜だけづらさせて取り付けられている。全部のカムの
移動又は行程は40mmである。各カムは、わくがその行程
軸線のまわりに回転しないようにする円板と側面を接し
ている。カム及び従節は、円板及び往復わくにより、カ
ムケースにはねかけられる15Ｗ40モータ油により潤滑さ
れる。アルミニウム製わくは、鋼製棒に連結されてい
る。これ等の棒はそのカムケースから出る場所でオイル
シールを貫通する。各つりあいわくは、各オイルシール
の外側でカムケースに取り付けられた平軸受内で滑動す
る。カムケースの各側部にシリンダアダプタをボルト締
めし、ヤマハ（Yamaha）RD60シリンダを、それぞれアダ
プタにボルト締めして対向シリンダを形成できるように
してある。ヤマハRD60ピストンは、ピストンピンによ
り、ピストンわくの各端部に連結されている。RD 60シ
リンダヘツドは、各シリンダの端部に取り付けられてい
る。各シリンダは、その燃料空気混合気を別個の16 mm
三国気化器から受け取る。この気化器は、短い吸気マニ
ホルドにより、シリンダの底部のリード（reed）弁入口
に連結されている。クランク軸の端部の切欠き付きプー
リにより、エンジンを、短いひも片で始動することがで
きる。エンジンの点火装置には電子式回転計を取り付
け、カム軸の回転速度を監視するようにしてある。
エンジンは容易に始動し、1000 rpmで無負荷運転する。
絞り弁を開くと、エンジンは急速に400rpm以上に加速
し、実質的なトルクの存在を指示する。このエンジンは
全部の速度で極めてなめらかに運転でき、８ポンド以上
の往復質量があるとは考えられないほどである。
『積極的制御』（positive control）とは、カム及びカ
ム従節面により、わくの位置をつねに精密に制御するこ
とを意味する。積極的制御は、カムを互いに対向するカ
ム従節面により次の程度に閉じ込めることを意味する。
一方の表面がカムに接触した場合、他方の表面はカムか
ら運転公差（たとえば約0.001ないし0.01インチ）だけ
しか離れていない。一方の表面から他方の表面への制御
の転移中に、カムがどちらの表面にも接触しない瞬間が
あるのはもちろんである。
以上本発明をその実施例について詳細に説明したが本発
明はなおその精神を逸脱しないで種種の変化変型を行う
ことができるのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明往復ピストン機構の単シリンダの実施例
の縦断面図、第２図は本発明往復ピストン機構の対向２
シリンダの実施例の縦断面図、第３図は本発明往復ピス
トン機構の丁字又はＸ字形４シリンダの実施例の縦断面
図、第４図は本発明往復ピストン機構の複合わくアセン
ブリの縦断面図、第５図は単一わくの縦断面図、第６図
は複合わくの縦断面図、第７図は傾斜従節面を持つわく
の縦断面図、第８図は挿入部片付きカム従節面を持つわ
くの縦断面図、第９図は本機構に使う自動整合カム従節
挿入部片の側面図、第10図は荷重支持能力を増すように
したカム従節挿入部片の側面図、第11図は浮動扁平従節
を持つわくの縦断面図、第12図は扁平な従節挿入部片及
びころ軸受挿入部片を持つわくの側面図、第13図は本発
明によらない従来の非円形一定幅カムの正面図、第14図
は円弧半径が、囲んだ正３角形より大きい本発明によら
ない非円形一定幅カムの正面図、第15図は第13図及び第
14図に示したカムの加速曲線の線図、第16図は第13図及
び第14図に示したカムのジヤーク曲線の線図、第17図、
第18図及び第19図は一定幅有限ジヤークカムの輪郭を表
わす線図、第20図及び第21図はそれぞれ一定幅２重カム
の端面図及び側面図、第22図及び第23図はそれぞれ共役
カムの側面図及び端面図、第24図は零偶力共役カムの端
面図、第25図及び第26図はそれぞれ異るつりあいわくの
縦断面図、第27図及び第28図はそれぞれ一定幅カムに形
成された潤滑通路の正面図である。 10……カム軸、11……カム、12……わく、13……棒、14
……ピストン、16……カムケース、17……シリンダ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−30532（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−19982（ＪＰ，Ａ) 芦葉清三郎著「機械運動機構」初版、株 式会社技報堂発行（昭和32年10月15日) （第62頁第353項)

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（イ）少なくとも１個のシリンダ及びこれ
    と一体のカムケースと、 （ロ）カム軸と、 （ハ）前記カム軸を前記カムケース内に支持するカム軸
    軸受と、 （ニ）前記少なくとも１個のシリンダ内の往復ピストン
    と、 （ホ）２つのカム従節面を持つわくと、 （ヘ）前記往復ピストンと、前記わくとを連結する棒
    と、 （ト）前記カム軸に取り付けられ、前記わく内に位置さ
    せられた少なくとも１個の非円形有限ジャーク一定幅カ
    ムから成るカム手段と、 を備え、 前記カム手段の輪郭を、 (i)このカム手段が、常に前記わくの積極的制御を維持
    し、 (ii)前記往復ピストンと前記わくとから成るアセンブリ
    が、前記カム軸の一回転ごとに正確に２行程を生じる、 ように定めたことを特徴とする、往復ピストン機構。
  2. 【請求項２】２個の対向するシリンダと、１個のわく及
    びカム軸と、２個のピストンと、これ等のピストンを前
    記わくに連結する２個の棒とを備えた特許請求の範囲第
    （１）項記載の往復ピストン機構。
  3. 【請求項３】前記カム軸に沿い軸線方向に互いに間隔を
    置いた互いに直角をなして配置された２対の対向するシ
    リンダと、２個のわくと、４個のピストンと、これ等の
    ピストンの対を前記各わくに連結する４本の連接棒とを
    備えた特許請求の範囲第（１）項記載の往復ピストン機
    構。
  4. 【請求項４】平らな浮動従節を、前記カムと前記わくと
    の間に配置した特許請求の範囲第（１）項記載の往復ピ
    ストン機構。
  5. 【請求項５】前記わくに、前記カム軸の各回転の一部の
    間だけにカムに接触する少なくとも１個のころ軸受付き
    カム従節を設けた特許請求の範囲第（１）項記載の往復
    ピストン機構。
  6. 【請求項６】前記往復ピストンが、上死点及び下死点に
    おいて、前記カム軸の回転の０ないし６０度の範囲にわ
    たつて休止するようにした特許請求の範囲第（１）項記
    載の往復ピストン機構。
  7. 【請求項７】複数個のシリンダ、カム、ピストン、わく
    及び棒を備えた特許請求の範囲第（１）項記載の往復ピ
    ストン機構。
  8. 【請求項８】一方の前記ピストンとわくとから成るアセ
    ンブリの往復質量を、別の前記ピストンとわくとから成
    るアセンブリの往復質量のつりあうように配置し、互い
    に異なる前記アセンブリのカムを互いに異なる角度的配
    置方向にした特許請求の範囲第（７）項記載の往復ピス
    トン機構。
  9. 【請求項９】前記カム軸に設けた二次カム円板により制
    御される、前記各アセンブリに対するつりあい往復質量
    を設け、前記二次カム円板を、一次の前記アセンブリか
    ら零でない角度オフセットで、前記一次のアセンブリに
    係合するカム円板に類似にした、特許請求の範囲第
    （１）項又は第（７）項記載の往復ピストン機構。
  10. 【請求項１０】前記各カムが、その表面に油を投げつけ
    るための通路を備えた特許請求の範囲第（１）項又は第
    （７）項記載の往復ピストン機構。
  11. 【請求項１１】前記カムと前記カム従節面との間の接触
    面を増加する手段を備えた特許請求の範囲第（１）項記
    載の往復ピストン機構。
  12. 【請求項１２】前記接触面を増加する手段を、たわみ性
    のカム従節挿入部片により構成した特許請求の範囲第
    （11）項記載の往復ピストン機構。
  13. 【請求項１３】前記接触面を増加する手段を、ピストン
    が上死点にあるときに、接触場所におけるカム従節面の
    弧状面により構成した特許請求の範囲第（11）項記載の
    往復ピストン機構。
  14. 【請求項１４】前記接触面を増加する手段を、圧縮自在
    なカム従節挿入部片により構成した特許請求の範囲第
    （11）項記載の往復ピストン機構。
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