JPH08507353A - 揺動ヨーク装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 二つのヨーク（４）の夫々が一つだけの自由度を有するベアリング（１０、１０’、１５、１５’）によってビーム（３）に結合されている往復運動を回転運動に（またはその逆に）変換するための揺動ヨーク機構。二つのヨークは位相が９０゜ずれている。これも一つだけの自由度を有する偏心ベアリング（１５）が傾斜軸（１６）またはその周辺に固着されそして各ヨーク（３）の一つの端部に連結される。ベアリング対のすべての軸線は中心枢支点（５）を通過する。ピストンの軸線は必ずしも直線でなくてもよく、またそれらは必ずしもクランクシャフト（１２）の軸線と平行でなくてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称 揺動ヨーク装置発明の背景 本発明は往復ピストン機械またはその他の位置決め装置に用いる揺動ヨーク機 構に関する。このような機械はたとえばポンプ、冷凍機、コンプレッサ、内燃機 関またはその他のエンジンたとえばスターリングエンジン等である。またこのよ うな機械にはサテライトディッシュ等のような正確な位置決めを必要とする装置 のための位置決めラムも含まれる。ピストン軸は駆動軸（存在する場合には）と 平行でなくてもよい。 本発明の目的は往復運動を回転運転に（またはその逆に）変換するためのコン パクトな機構を提供することにある。ピストンは揺動機構を介して駆動を行ない 、摺動体、歯車および多自由度の継手を必要としない。従来技術の説明 一枚の揺動板を用いるエンジン機構は公知である。この設計には大きな難点が あった。たとえば、揺動板は通常不適切にまたは過度に拘束されていた。しかし 揺動板の設計の大きな問題は連接棒の軌跡が一方の面内では円弧を描き第二の面 内では八の字型を描くことである。したがって連接棒の各端部（一端は揺動板に 他端はピストンに）の継手がボールあるいはユニバーサル継手またはベアリング あるいは多自由度の継手／ベアリングを必要とすることである。米国特許第４８ ５２４１８号（アームストロング）および第４１０６３５４号（ギロディ ン）がこのような例であり、また米国特許第４４９１０５１号（ツイグラ）およ びＷＯ９１／２８８９（メイラーズ）も同様である。 このような揺動板を用いることによって生じる別の問題は揺動板のトルク反力 をエンジンのケーシングに対して伝達する問題である。これはトルクアームまた は傘歯車によって達成することができる。しかしこれらの解決は理想的なもので はない。 揺動板に代るものとしては回転斜板がある。しかしこれらの斜板は設計上に不 利なところがある。潤滑が必須の要件であり、流体力学的な潤滑が完全になされ ない結果として高トルク時の低速での問題が認められ、潤滑油が機構のハウジン グから作動空間に入ることを妨げられる問題があり（たとえばスターリングエン ジンの場合）；回転傾斜板に対する反力によりピストンロッドに高域の負荷が生 じ、そして目的に合せてつくられる高精度の部品を必要とする。 これに代わる機構としては多くの内燃機関や圧縮機で用いられているスライダ クランクがある。しかし、このクランクについては連接棒の角度によってピスト ン側に大きな負荷を生じる欠点がある。このような問題はクロスヘッドを用いる ことにより解決されるが、これによって付加的な潤滑やエンジンの特別な長さが 必要となる。通常これによって付加的な摩擦が生じかつロッドのシーリングに複 雑さが加わる。またこのスライダグラング機 構についてはエンジンの動作中における掃引容積を変化させることが極めて困難 であるかまたはまたは不可能である。 スライダクランクを有するスターリングエンジンの特別な場合には、機構ハウ ジングは数キロワット以上のエンジンの加圧には一般に適していない。このよう な場合でないときにはピストンロッドに複雑なシールが必要となる。 したがって本発明の目的は前記の問題および欠点を回避ないしは最小限にする 往復動を回転運動に（またはその逆に）変換するための改善された機構を提供す ることにある。 本発明のさらに別の目的はこれらの改善においてピストンが機械または機構の 駆動軸と平行であることを要しないような機械を提供することにある。 本発明のさらに別の目的はほとんどもしくは完全に力学的な平衡を達成できる 前記の改善された機械を提供することにある。 明細書の以下の部分においで、「往復運動を回転運動に変換する」という用語 は反対方向の変換−回転運動から往復運動へ−を含むものとする。また明細書中 において「ピストン」という用語は単動または複動エンジンにおける公知の形式 のピストン、ディスプレーサ；および位置決め機構として用いることのできるよ うな往復動ラムを含むがこれらに限定されるものではない。発明の概要 本発明は往復運動を回転運動に変換するための揺動ヨーク機構において、前記 機構が揺動ヨーク機構およびクランクシャフトに作動的に結合されたピストンヘ ッドを有する複数のピストン（前記定義による）を備え、 前記揺動ヨーク機構が、 トルク反力がそこを通過する中心枢支点と、 少なくとも一つのピストンの少なくとも一つの端部が一つの自由度を有するベ アリングを介してそれに対して取り付けられている前記点のまわりを一つの平面 内において回動する第１のビームと、 その軸が中心枢支点を通過し夫々が一つの自由度を有する少なくとも一つのベ アリングを介して前記第１のビームの少なくとも一つの端部に結合させられた少 なくとも一つの第１のヨークと、 少なくとも一つのピストンの少なくとも一つの端部が一つの自由度を有するベ アリングを介してそれに対して取り付けられている前記点のまわりを一つの平面 内において回動する第２のビームと、 前記第１のヨークの対して９０゜ずれた位相にあり、その軸が中心枢支点を通 過し夫々が一つの自由度を有する少なくとも一つのベアリングを介して前記第２ のビームの少なくとも一つの端部に結合された一つの第２のヨークと、 クランクシャフトまたそのまわりに固定されかつ前記 第１および第２の夫々のヨークの一方の端部に結合された偏心ベアリングとを備 えており、 いずれのベアリングも１を越える自由度を有しておらず 全てのベアリングの軸は前記中心枢支点を通過しており、そして 偏心ベアリングの軸のまわりにおいて二つのヨークの間に回転自由度があるこ とを特徴とする前記揺動ヨーク機構。 二つのヨークの間にそれによってなお回転自由度が与えられる場合においては 、必ずしも必要ではないがクランクシャフトまたはその周辺に固定されることの できる第２の偏心ベアリングのあることが好ましい。 本発明の第一の好ましい実施態様においては、ピストンはベアリングとピスト ンとの間に位置される公知の形式の連接棒と共に駆動軸に対して平行である。ピ ストン軸は駆動軸に対してある角度で開いていてもよい。 本発明の第二の好ましい実施態様においては、各ヨークは夫々が中空のトロイ ダルシリンダの内部においてトロイダル状である各ピストンと連結する円滑で一 様な剛性のある構成部材に連続している。 本発明の第三の好ましい実施態様においては、偏心ベアリングの偏心角度を変 化させることができる。この実施態様においては、ピストンは第一および第二の 実施態様における前記のいずれの形状のピストンであってもよ い。発明の簡単な説明 本発明の好ましい実施態様を例としてのみ４気筒複動形エンジンに関し添付図 面を参照して詳細に説明すると、 図１は本発明の第一の好ましい実施態様を含むエンジンの断面図であり； 図２は本発明の第一の好ましい実施態様を含むエンジンの横断平面図であり； 図３は本発明の第二の好ましい実施態様を含むエンジンの断面図であり； 図４は本発明の第三の好ましい実施態様を具体化したスターリングエンジンの 断面図であり；そして 図５は本発明の第三の好ましい実施態様についての自由度の方向と位置を示す 図である。詳細な説明 第一の好ましい実施態様 図１、２および５について説明すると、エンジン２が図２中に反時計方向にお いて示すピストン１’、２’、３’および４’と共に示されている。 エンジン２は４つの同一のシリンダアセンブリィ２１、一本の出力クランクシ ャフト１２および一つの揺動ヨークアセンブリィ４を収容するハウジングアセン ブリィ２０を含んでいる。４基のピストンは符号６、７および６’および７’（ 図示せず）で示され、かつ連接棒８、９および８’および９’（図２参照）を夫 々有している。 各シリンダアセンブリィ２１は一般的に周知の形式のものであって、それらの 軸は相互にかつ主中心軸Ａ（図１）に対して平行である。これらの軸は必要によ っては平行でなくてもよくまた軸Ａ（図１）に対して平行でなくてもよい。 エンジン２はその中心点５のまわりを回転する第１のヨーク４ａのビーム３を 含んでいる。ビーム３は一対のベアリング１０を介して２基のピストン６、７（ ピストン連接棒８、９の一方の端部において夫々の連接棒を介して）に取り付け られている。ビーム３は一対のベアリング１０と同様に一つの自由度（Ｒ₂：図 ５参照）を有している。第２のヨーク４ｂがベアリング１０’と直角をなす一対 のベアリング１５’を介して第二のビーム３ａに結合されている。第二のヨーク ４ｂの中心は軸ＢＣを通過している。このように、ベアリング１５、１５’は一 つだけの自由度を有している。 二つの偏心ベアリング１１が傾斜軸１６の回りに固定されかつ双方の揺動ヨー ク４ａ，４ｂに対して夫々固定的に取り付けられている。ベアリング１１は中心 軸Ａに対して角度θをなす第２の軸ＢＣ（図１）に沿って位置決めされている。 第２の軸ＢＣ及び傾斜軸１６は中心軸Ａの回りを回動する。第２の軸ＢＣは中心 点５において中心軸Ａと交差する。傾斜軸１６は公知の形態で駆動軸１２ａに結 合されている。 第２の揺動ヨーク４ｂが第１の揺動ヨーク４ａに対し て直角に置かれている。第１の揺動ヨーク４ａはピストン６および７の運動を制 御する。第２の揺動ヨーク４ｂはピストン６’および７’（図２中、２’、４’ に位置）の運動を制御する。第１のヨーク４ａについてすでに述べたように、第 ２のヨーク４ｂは一つの自由度を有する一対のベアリング１０’を介して夫々の 連接棒８’および９’に結合されている（図５参照）。 ピストン６および７の往復動に伴って、ビーム３とヨークアセンブリィ４とが 中心点５のまわりに回動する。ビーム３と水平面との間の最大の角度、すなわち 最大ビーム角度はφによって示されている。最大ビーム角度φが小さい場合（す なわち１５゜以下）に、ピストン（６、６’、７、７’）がエンジン２の中心軸 Ａに対して平行またはほぼ平行であればクランクシャフト１２の回転により各ピ ストン（６、７、６’、７’）のほぼ正弦状の運動が生じる。このことは第二お よび第三の好ましい実施態様についても生じる。ベアリング１０、１０’、１５ およびベアリング１１の対はすべてのベアリングの軸線が中心軸Ａと中心点５と の交点において交差するようになされている。この中心点はまたビームベアリン グ１４の中心でもある。 このようにして一つの平面上を１８０゜位相で移動する連接棒８、９は下方の 連接棒ベアリング１０に一つの自由度Ｒｙを与えることができる。別の対のピス トン（６’、７’）のための連接棒（８’、９’）はビーム ３に対して９０゜だけ位相がずれかつ（ｘｙ面上ではなく）ｙｚ面上において円 弧状に移動する。 このようにして、一つだけの自由度（ＲｘまたはＲｚ）を必要とする継手また はベアリング１０、１０’が連接棒（８、８’、９、９’）の両端において必要 とされる。いずれの継手またはベアリング（１０、１０’）も公知の形式の撓み 継手とすることができる。 二つの揺動ヨーク４ａ、４ｂの間には軸ＢＣに関してある程度の回転自由度が ある。連接棒（８、８’９、９’）の夫々のピストン（６、６’、７、７’）へ の結合は剛性的なものとすることができる。そのようにする場合には、一つの自 由度を有するベアリング（図示せず）を介して結合させることができる。 エンジン２についてのヨークアセンブリィ４のこのような構成によってトルク 反力はビームベアリング１４を介して受けられる。すべてのベアリングの対が一 つだけの自由度を有しているので、このようなベアリングは深い球溝等とするこ とができまた予め潤滑されたシールベアリングを用いることができる。 適当な公知の付加的なバランス重錘３４を付け加えることにより、エンジンが その走行中に力学的に極めて平衡に近ずくことが判明した。駆動軸１２ａを用い て例えばバルブやポンプまたはエンジン２の走行のために必要な機構などのよう な補助的装置（図示せず）を駆動することができる。 連接棒の底端部におけるベアリング１０、１０’の運動によってすべての四つ のベアリング１０、１０’に円弧ＤＥ（図１に示す）を描く運動が与えられる。 この円弧から見られるように、ベアリング１０、１０’の水平方向の変位は極め て小さい。この水平方向の変位が極めて小さな結果として、ピストン側の負荷は 極めて小さく、従ってエンジン２の効率と使用寿命とが増大する。それはまた連 接棒、シールおよびベアリングの設計を簡単にする。 ベアリング１５の対はビーム４を連接棒８、１０に結合させるベアリング１０ よりも中心軸Ａにより近く位置されるものとして図１に示されている。必要によ ってはこれらのベアリング１０をベアリング１０に関して中心軸Ａよりもさらに 外側に位置させることができる。 第２の好ましい実施対応 図３について説明すると、第一の好ましい実施態様についての同様な部材には 対応した符号が付されており、ピストンの形状は第一の好ましい実施態様のもの と同様である。この好ましい実施態様においては、第１の揺動ヨーク４のビーム ３は連接棒２９に対して一体にかつ剛性的に結合されている。ピストン２６およ び２７はトロイダル状の形状とすることができる。またピストンはシールを維持 するのに充分な単なる円板であってもよい。ピストン２６および２７は軸方向の 往復運動よりは円弧状の往復運動を行う。連接棒１９とビーム３とを一体的 に形成することによって湾曲した軸ＦＧに関するピストン２６、２７の側方への 力が全くなくなる。これによってすべてのピストンの摩擦および潤滑の必要がな くなりそしてピストンについてはエンジン効率を低下させる要素としてシールの 摩擦だけが残る。 第三の好ましい実施態様 図４および図示されているスターリングエンジン３０について説明すると、本 発明の第一の好ましい実施態様の揺動ヨーク機構４が含まれているが、一つの大 きな改変がなされている。第一の好ましい実施態様と同様な構成部材は対応した 符号で示されそしてピストンの形状は第一の好ましい実施態様のものと同様であ る。大きな相違はこの実施態様では偏心ベアリング１１の主軸Ａに対する位置を 変えることにより，角度（θ）を変化させることができる点にある。ベアリング １１の変化可能な位置は機械的、電機的または流体的に作動するアクチュエータ 等のような公知の手段によって得られる。ベアリングはクランクシャフト１２上 のバランス重錘３４中の空所３９の内部に置かれている。 傾斜軸１６は一方のヨーク（４ａまたは４ｂ）に対して剛性的に固定されてお りそして第２のヨーク（４ｂまたは４ａ）に関して軸ＢＣの回りに一つの自由度 を有する。傾斜シャフト１６は剥離偏心ベアリング１１に関して一つの自由度を 有する。 エンジン３０は公知のスターリングエンジン構成部 材；平坦な冷却板３１；フィン付の熱端部３２及びバランス重錘３４を含む。ス ターリングエンジン３０を図４の実施態様に示すように１２Ｖ蓄電池の充電器と して用いる場合には、エンジン３０のその他の構成部材として静止磁界コイル３ ５、スターター３６、及び手動の反跳スタータ３７及びローター３８があげられ る。これらの後者の部材は蓄電池充電器のための標準的な部品であり、公知の態 様で動作する。 可変ストロークを有するピストンを備えたスターリングエンジンにおいて第三 の好ましい実施態様のエンジン３０を用いることにより、４０ｍｍ口径、２０ｍ ｍストロークおよび１０バールの平均サイクル圧力で１５００ｒｐｍの速度を有 するエアチャージスターリングエンジンで４００Ｗ以上の出力を生じ得ることが 試験によって示された。本発明をスターリングエンジンについて説明したが、こ れがヨークアセンブリィ４を用いることのできる唯一の機構またはエンジンでは ない。それはガス圧縮機、冷凍機圧縮機および油圧モーター／ポンプにおいて用 いることができる。空気の供給を行うために潤滑剤が用いられないようなコンパ クトなドライエアコンプレッサーは本発明を用いるための適当な機構である。ピ ストン側の低い負荷およびエンジンの平衡はヨークアセンブリィ４がコンパクト な内燃機関または蒸気エンジンに効果的に用いられることを示している。 連接棒ベアリングの中心と夫々のピストン連接棒ベア リングの中心（または適当なベアリングがない場合には夫々の連接棒の頂部のセ ンター）との間の距離を変えることにより、偏心ベアリング１１の中心の位置（ 第三の好ましい実施態様）または二つの偏心ベアリング１１のうちの一つのもの ゝ位置（第二および第一の好ましい実施態様）を二つの公知の形式のリニアアク チュエータによって制御することができる。すなわち軸ＢＣと軸Ａとの間の角度 を変化もしくは制御することができる。 このようなヨークアセンブリィの構成はその他の装置を正確に位置決めするた めの機構において充分に適している。このようなその他の装置は衛星板、ミラー または太陽集光板であってもよい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ， ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．往復運動を回転運動に変換するための揺動ヨーク機構において前記機構が揺 動ヨーク機構およびクランクシャフトに作動的に結合されたピストンヘッドを有 する複数のピストン（前記定義による）を備え、 前記揺動ヨーク機構が、 トルク反力がそこを通過する中心枢支点と、 少なくとも一つのピストンの少なくとも一つの端部が一つの自由度を有するベ アリングを介してそれに対して取り付けられている前記点のまわりを一つの平面 内において回動する第１のビームと、 その軸が中心枢支点を通過し夫々が一つの自由度を有する少なくとも一つのベ アリングを介して前記第１のビームの少なくとも一つの端部に結合させられた少 なくとも一つの第１のヨークと、 少なくとも一つのピストンの少なくとも一つの端部が一つの自由度を有するベ アリングを介してそれに対して取り付けられている前記点のまわりを一つの平面 内において回動する第２のビームと、 前記第１のヨークの対して９０゜ずれた位相にあり、その軸が中心枢支点を通 過し夫々が一つの自由度を有する少なくとも一つのベアリングを介して前記第２ のビームの少なくとも一つの端部に結合された一つの第２のヨークと、 クランクシャフトまたそのまわりに固定されかつ前記 第１および第２の夫々のヨークの一方の端部に結合された偏心ベアリングとを備 えており、 いずれのベアリングも１を越える自由度を有しておらず 全てのベアリングの軸は前記中心枢支点を通過しており、そして 偏心ベアリングの軸のまわりにおいて二つのヨークの間に回転自由度があるこ とを特徴とする前記揺動ヨーク機構。 ２．前記機構がクランクシャフトまたはその周辺に固定される第２の偏心ベアリ ングをさらに含む請求範囲１記載の揺動ヨーク機構 ３．前記機構が駆動軸を含みそしてピストンの軸が駆動軸の軸線に平行である請 求範囲１または２記載の揺動ヨーク機構。 ４．往復動を回転運動に変換するための揺動ヨーク機構において、前記機構が揺 動ヨーク機構に作動的に結合されるピストンヘッドを有する複数のピストン（前 記定義による）およびクランクシャフトを備え、 前記揺動ヨーク機構はトルク反力がそこを通過する中心枢支点と、 少なくとも一つのピストンの少なくとも一つの端部が一つの自由度を有するベ アリングを介してそれに対して取り付けられている前記点のまわりを一つの平面 内において回動する第１のビームと、 前記第１のビームの少なくとも一つの端部に結合された少なくとも一つの第１ のヨークと、 少なくとも一つのピストンの各端部が一つの自由度を有するベアリングを介し てそれに対して取り付けられている前記点のまわりを一つの平面内において回動 する第２のビームと、 前記第１のヨークに対して９０゜ずれた位相にあり、前記第二のビームの少な くとも一つの端部に剛性的に結合された第２のヨークと、 クランクシャフトにまたそのまわりに固定されかつ前記第１および第２の夫々 のヨークの一方の端部に結合された偏心ベアリングとを備えており、 いずれのベアリングも１を越える自由度を有しておらず 全てのベアリングの軸は前記中心枢支点を通過しており、そして これらピストンは円弧状の往復運動をしかつ 前記偏心ベアリングの軸のまわりにおける二つのヨークの間には一つの回転自 由度があることを特徴とする前記揺動ヨーク機構。 ５．前記または各偏心ベアリングがクランクシャフトに対して偏心角度を有しこ の角度が可変である前記請求項のいずれか一項に記載された揺動ヨーク機構。 ６．夫々がピストンヘッドを有する複数のピストン（前記定義による）とクラン クシャフトと（前記請求範囲１ ないし５項のいずれか一項に記載された）揺動ヨーク機構とからなる往復動ピス トン機械。