(57)【要約】【課題】  振動や騒音が少なく、構造が簡単で小型化が可能であるとともに、大きな出力トルクが得られるカム駆動式レシプロ型エンジンを提供する。【解決手段】  シリンダ１内に往復移動自在に嵌挿されたピストン２と、前記ピストンと一体に設けられ、当該ピストンの運動方向と直交する方向に延びるカム溝１６を有する枠状カム１４と、クランクピン７で連結された少なくとも一対のクランクアーム６を有するクランクシャフト５と、前記クランクピンに回転自在に装着され、前記枠状カムのカム溝の中を往復移動自在に案内されるカムフォロワ１７とを備えている。【選択図】  図１
0003204412.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に往復移動自在に嵌挿されたピストンと、
前記ピストンと一体に設けられ、当該ピストンの運動方向と直交する方向に延びるカム
溝を有する枠状カムと、
クランクピンで連結された少なくとも一対のクランクアームを有するクランクシャフト
と、
前記クランクピンに回転自在に装着され、前記枠状カムのカム溝の中を往復移動自在に
案内されるカムフォロワとを備えたことを特徴とするカム駆動式レシプロ型エンジン。
【請求項２】
クランクシャフトは、対向するクランクアームどうしがクランクピンの両端面に分解可
能にねじ結合されていることを特徴とする請求項１に記載のカム駆動式レシプロ型エンジ
ン。
【請求項３】
カムフォロワは、外径が枠状カムのカム溝に適合したころ軸受で構成されていることを
特徴とする請求項２に記載のカム駆動式レシプロ型エンジン。
【請求項４】
カムフォロワは、クランクピンの外径に適合した軸孔が長手方向に貫通しているととも
に、前記軸孔と同軸で外径が枠状カムのカム溝に適合した中空円筒部と当該中空円筒部の
両端部に形成された一対の連結フランジ部からなり、前記軸孔の中心軸線を含む分割面で
２つの部分に分割可能な２つ割の軸受メタルで構成され、それぞれ２分割された連結フラ
ンジ部どうしが、前記軸孔の両側を前記分割面と直交する方向に貫通するスプリングピン
で分解可能に結合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のカム駆動式レシプ
ロ型エンジン。
【請求項５】
枠状カムは、カム溝を挟んだ２つの部分に分解可能に構成されていることを特徴とする
請求項１乃至４の何れかに記載のカム駆動式レシプロ型エンジン。
【請求項６】
枠状カムの直線運動を案内するガイド部材を備えたことを特徴とする請求項１乃至５の
何れかに記載のカム駆動式レシプロ型エンジン。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、自動車等に用いられるレシプロ型のエンジンに関し、特に、コンロッドを用
いないカム駆動式レシプロ型エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレシプロ型エンジンは、例えば、特許文献１に記載されているように、シリンダ
内でガソリンや軽油等の燃料の混合気を爆発・燃焼させ、膨張する燃焼ガスのエネルギー
でピストンを動作させて、その直線運動をコネクティングロッド（以下、コンロッドとい
う。）を介してクランクシャフトの回転運動に変換する構造を有している。
【０００３】
図１２は、従来の４行程のレシプロ型エンジンのエンジン主要部の構造を模式的に示す
縦断面図であって、同図に示すように、シリンダ１内には、ピストン２が往復移動自在に
嵌挿されており、前記ピストン２には、コンロッド３の上端部がピストンピン４で揺動自
在に連結されている。
【０００４】
また、コンロッド３の下端部は、クランクシャフト５のクランクアーム６先端部に設け
られているクランクピン７に回動自在に取り付けられており、シリンダ１上方の吸気口８
から吸気バルブ９を通して燃焼室１０内に導入された燃料の混合気は、ピストン２の上死
点近傍で点火プラグ１１により点火されて燃焼し、燃焼ガスの膨張によって押し下げられ
たピストン２が、コンロッド３とクランクアーム６を介してクランクシャフト５を回転駆
動する。
【０００５】
その後、クランクシャフト５の惰性による回転により、ピストン２は上昇して燃焼ガス
は排気バルブ１２を通して排気口１３から排気される。ピストン２が上死点近傍に至ると
、排気バルブ１２が閉じ、吸気バルブ９が開いて、ピストン２の下降とともに燃焼室１０
内に新たな混合気が導入され、ピストン２が再び上昇してシリンダ１内の混合気が圧縮さ
れ、以下、これらの行程が反復される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実公昭６３−３５１７１号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したような、従来のレシプロ型エンジンにおいては、ピストンとクランクシャフト
との間をコンロッドで連結して、ピストンの直線運動をクランクシャフトの回転運動に変
換しているため、コンロッドの揺動運動の振幅が大きいと、振動や騒音が増加するととも
に、大きな出力トルクが得られなくなる問題があった。
【０００８】
コンロッドの振れは、連桿比（コンロッド長とクランク半径の比）を大きくとれば低減
することは可能であるが、エンジン全体の寸法的な制限により、従来のこの種のエンジン
の連桿比は３．５程度のものが一般的である。
【０００９】
そこで、本考案は、前述したような従来技術における問題を解消し、振動や騒音が少な
く、構造が簡単で小型化が可能であるとともに、大きな出力トルクが得られるカム駆動式
レシプロ型エンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために提供される本考案のカム駆動式レシプロ型エンジンは、シリ
ンダ内に往復移動自在に嵌挿されたピストンと、前記ピストンと一体に設けられ、当該ピ
ストンの運動方向と直交する方向に延びるカム溝を有する枠状カムと、クランクピンで連
結された少なくとも一対のクランクアームを有するクランクシャフトと、前記クランクピ
ンに回転自在に装着され、前記枠状カムのカム溝の中を往復移動自在に案内されるカムフ
ォロワとを備えている。
【００１１】
本考案のカム駆動式レシプロ型エンジンにおいては、クランクシャフトは、対向するク
ランクアームどうしがクランクピンの両端面に分解可能にねじ結合されていてもよい。
【００１２】
前記分解可能なクランクシャフトにおいては、カムフォロワは外径が枠状カムのカム溝
に適合したころ軸受で構成されていてもよい。
【００１３】
また、本考案のカム駆動式レシプロ型エンジンにおいては、カムフォロワは、クランク
ピンの外径に適合した軸孔が長手方向に貫通しているとともに、前記軸孔と同軸で外径が
枠状カムのカム溝に適合した中空円筒部と当該中空円筒部の両端部に形成された一対の連
結フランジ部からなり、前記軸孔の中心軸線を含む分割面で２つの部分に分割可能な２つ
割の軸受メタルで構成され、それぞれ２分割された連結フランジ部どうしが、前記軸孔の
両側を前記分割面と直交する方向に貫通するスプリングピンで分解可能に結合されている
ものでもよい。
【００１４】
また、本考案のカム駆動式レシプロ型エンジンにおいては、枠状カムは、カム溝を挟ん
だ２つの部分に分解可能に構成されていてもよい。
【００１５】
さらに、本考案のカム駆動式レシプロ型エンジンにおいては、枠状カムの直線運動を案
内するガイド部材を備えていてもよい。
【考案の効果】
【００１６】
請求項１に係る考案のカム駆動式レシプロ型エンジンによれば、ピストンとクランクシ
ャフト間にピストンの上下動に伴って揺動と上下動を行うコンロッドが無いため、従来の
レシプロ型エンジンと比較して振動や騒音を低減することができる。
【００１７】
また、コンロッドを用いていないため、シリンダとクランクシャフト間の距離を可及的
に近づけることができ、従来のレシプロ型エンジンと比較して、小型化することができる
とともに、出力トルクを高めることができる。
【００１８】
また、従来のレシプロ型エンジンと比較して、主要部分の可動部品の数が少ないため、
製造や組立・調整が容易であり、製造コストを低減することができる。
【００１９】
請求項２に係る考案のカム駆動式レシプロ型エンジンによれば、クランクアームとクラ
ンクピンを分解することができるため、組み付けのために、カムフォロワや枠状カムを分
割構造とする必要がない。
【００２０】
請求項３に係る考案のカム駆動式レシプロ型エンジンによれば、カムフォロワをころ軸
受で構成しているため、ピストンとクランクシャフト間の動力伝達をより円滑且つ効率的
に行うことができる。
【００２１】
請求項４に係る考案のカム駆動式レシプロ型エンジンによれば、クランクアームやクラ
ンクピンが一体に製作されているクランクシャフトのクランクピンや、クランクピンとク
ランクアームが連結された後の組立式のクランクアームのクランクピンに、カムフォロワ
を組み付けることができる。
【００２２】
請求項５に係る考案のカム駆動式レシプロ型エンジンによれば、枠状カムは、カム溝を
挟んだ２つの部分に分解可能に構成されているため、一体構造のクランクシャフトへの組
み付けが可能となる。
【００２３】
請求項６に係る考案のカム駆動式レシプロ型エンジンによれば、枠状カムの直線運動を
案内するガイド部材を設けたことにより、シリンダに対するピストンの傾斜が規制され、
その結果、シリンダ内壁にピストンの傾斜による横押圧力が作用しなくなるため、ピスト
ンとシリンダ相互の摩耗が低減されて耐久性が向上するとともに、前記横押圧力によるピ
ストンとシリンダ相互間の摺動摩擦の増加に起因する動力ロスを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本考案のカム駆動式レシプロ型エンジンの第１実施形態におけるエンジン主要部の構造を模式的に示す縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面を示す縦断面図である。
【図３】従来のエンジンの各部における力学的関係を表した線図である。
【図４】本考案のエンジンの各部における力学的関係を表した線図である。
【図５】従来のエンジンと本考案のエンジンのトルク効率を比較した表である。
【図６】本考案のエンジンと従来のエンジンとのトルク効率を比較して示すグラフである。
【図７】本考案のカム駆動式レシプロ型エンジンの第１実施形態において用いられる組立式クランクシャフトのクランクピン近傍の部分断面図である。
【図８】本考案のカム駆動式レシプロ型エンジンの第２実施形態における、一体構造のクランクシャフトのクランクピン近傍の部分断面図である。
【図９】本考案のカム駆動式レシプロ型エンジンの第２実施形態における、分解可能な枠状カムの部分断面を含む側面図である。
【図１０】図９のＢ−Ｂ断面を示す図である。
【図１１】本考案のカム駆動式レシプロ型エンジンの第２実施形態における、分解可能なカムフォロワの斜視図であり、同図（ａ）は組み立てた状態、（ｂ）は分解した状態をそれぞれ示す。
【図１２】従来の４行程のレシプロ型エンジンにおける、エンジン主要部の構造を模式的に示す縦断面図である。
【考案を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面に基づいて、本考案のカム駆動式レシプロ型エンジン（以下、本考案のエン
ジンという。）の実施形態について説明する。図１は、本考案のエンジンの第１実施形態
におけるエンジン主要部の模式的な縦断面図、図２は、図１のＡ−Ａ断面を示す縦断面図
である。
【００２６】
これらの図に示すように、本考案のエンジンにおいては、シリンダ１内に往復移動自在
に嵌挿されたピストン２に、枠状カム１４がピストンロッド１５を介して一体に設けられ
ている。前記枠状カム１４は、当該ピストン２の運動方向と直交する方向に延びるカム溝
１６を有している。
【００２７】
一方、クランクアーム６の回転端部に取り付けられているクランクピン７には、カムフ
ォロワ１７が回転自在に装着されている。なお、本実施形態においては、カムフォロワ１
７は、外径が前記カム溝１６に適合したころ軸受で構成されており、当該カム溝１６内に
往復移動自在に組み込まれている。
【００２８】
このような構成により、シリンダ１内でのピストン２の上下運動は、枠状カム１４とカ
ムフォロワ１７を介してクランクアーム６に伝達され、クランクシャフト５の回転運動に
変換される。
【００２９】
なお、本実施形態のものは、従来の４行程レシプロエンジンと同様に、吸気、圧縮、燃
焼、排気の４つの行程がピストン２の２ストロークで行われるものである。以下、本考案
のエンジンの動作について各行程順に説明する。
【００３０】
吸気行程
吸気行程は、ピストン２が一番上がった位置（上死点）からクランクアーム６が図１に
おいて矢印方向（時計回り）に回転すると、ピストン２が下降を開始し、これと同時に吸
気バルブ９が開き始めて吸気口８から燃料と空気の混合気がシリンダ１内のピストン２上
方に形成される燃焼室１０内に導入される。前記吸気バルブ９は、ピストン２が最下点（
下死点）に至る近傍で閉じられる。なお、吸気行程中排気バルブ１２は閉じている。
【００３１】
圧縮行程
その後、ピストン２が最下点を過ぎて再び上昇を開始すると、前行程で燃焼室１０内に
充満された混合気は、吸気バルブ９と排気バルブ１２の両方が閉じているため、当該ピス
トン２の上昇とともに圧縮されていく。
【００３２】
燃焼・膨張行程
ピストン２がシリンダ１内を上昇して上死点近傍に至ると、ここで、点火プラグ１１が
圧縮された混合気に点火する。混合気が燃焼して膨張すると、その圧力によってピストン
２はシリンダ１内を再び下降する。
【００３３】
このとき、当該ピストン２とピストンロッド１５で連結されている枠状カム１４も一体
に下降し、このとき、カム溝１６内に係合しているカムフォロワ１７は、前記カム溝１６
の上面によって下方へ押される。その結果、カムフォロワ１７は、カム溝１６内を図１中
で右方に移動しながらクランクアーム６をクランクシャフト５とともに矢印方向（時計回
り）回転させる。
【００３４】
排気行程
クランクアーム６の回転とともに、ピストン２が下死点を通過して再び上昇に転じると
、排気バルブ１２が開いて、燃焼室１０内の燃焼ガスが排気口１３から排気される。その
後、再度前述した吸気行程から各行程が繰り返される。
【００３５】
次に、前述したように構成されている本考案のエンジンの特徴を、従来のエンジンと対
比して説明する。図３は、前述した図１２に示す従来のエンジンの各部における力学的関
係を表した線図である。
【００３６】
図３において、
Ｏ：クランクシャフトの軸心
Ｏ１：ピストンピンの軸心
Ｎ：シリンダの中心軸線
Ａ：クランクピンの軸心
ｒ：クランク回転半径（ＯＡ間の距離）
Ｌ：コンロッド長（Ｏ１とＡ間の距離）
θ：クランクの上死点位置からの回転角度
φ：Ｎとコンロッドのなす角度
Ｈ１：ＡからＮに下した垂線の足
Ｈ２：Ｏから、Ｏ１、Ａを通る直線に下した垂線の足
とすると、
【００３７】
ＡＨ１＝Ｌ・ｓｉｎφ＝ＯＡ・ｓｉｎθ＝ｒ・ｓｉｎθより、ｓｉｎφ＝（ｒ／Ｌ）・
ｓｉｎθ
また、ピストンピンの軸心Ｏ１に、ピストンから作用する押し下げ力をＰとすると、コ
ンロッドの軸方向に作用する力Ｑは、Ｑ＝Ｐ・ｃｏｓφで、ＯＨ２＝ＯＡ・ｓｉｎ（θ＋
φ）＝ｒ・ｓｉｎ（θ＋φ）
【００３８】
したがって、クランクシャフトの出力トルクＴは、
Ｔ＝Ｑ・ＯＨ２＝Ｐｃｏｓφ・ｒ・ｓｉｎ（θ＋φ）＝Ｐ・ｒ・ｃｏｓφ・ｓｉｎ（θ
＋φ）
ここで、Ｔｍ＝Ｐ・ｒとして、トルク効率ηをη＝Ｔ／Ｔｍで定義すると、
η＝Ｔ／Ｔｍ＝ｃｏｓφｓｉｎ(θ＋φ）
【００３９】
一方、図４は、前述した図１及び図２に示す本考案のエンジンの各部における力学的関
係を表した線図であって、同図に記されている符号は、Ｈ２を除き、図３と共通である。
なお、図４中のＨ２は、クランクピンの軸心Ａからクランクシャフトの軸心Ｏを通る水平
線に下した垂線の足である。
【００４０】
図４の場合は、ピストンの押し下げ力Ｐがクランクピンの軸心Ａにそのまま伝達される
ため、クランクシャフトの出力トルクＴは、Ｔ＝Ｐ・ｒｓｉｎθで表される。ここで、図
３の場合と同様に、Ｔｍ＝Ｐ・ｒとして、トルク効率η’をＴ／Ｔｍで定義すると、
η’＝Ｔ／Ｔｍ＝ｓｉｎθ
なお、本考案のエンジンの場合は、Ｔｍは出力トルクＴの最大値（θ＝９０°のとき）
である。
【００４１】
図５は、従来のエンジンと本考案のエンジンのトルク効率を比較した表であって、同図
においては、前述した各トルク効率ηとη’の値と、両者の比η’／ηをそれぞれ、クラ
ンクの回転角度θを１５°〜１６５°の範囲で１５°毎に個別に算出した値と、これらの
平均値を示している。
【００４２】
また、図６は、図５の表中のトルク効率η、η’どうしを比較して示したグラフである
。なお、図６においては、各トルク効率η、η’についてはそれぞれ百分率（％）で表示
してある。
【００４３】
図５及び図６から明らかなように、従来のエンジンのトルク効率ηは、最大でもクラン
ク角θが７５°のときの約９６％であるのに対して、本考案のエンジンのトルク効率η’
は、クランク角θが９０°の時に１００％に達している。また、図５の表からわかるよう
に、本考案のエンジンのトルク効率η’は、従来のエンジンのトルク効率ηと比較して、
平均約６％の向上がみられる。
【００４４】
次に、図７は前述した本考案のカム駆動式レシプロ型エンジンの１実施形態において用
いられる、組立式のクランクシャフトの部分断面図であって、クランクシャフト５は、ク
ランクピン７の両端部がそれぞれ両側のクランクアーム６の対向面に形成されている嵌合
凹部６ａに嵌合し、複数の連結ボルト１８で分解可能に締結固定されている。
【００４５】
また、図示は簡略化しているが、カムフォロワ１７として用いているころ軸受は、クラ
ンクピン７に外嵌されているその内輪と、両側のクランクアーム６との間にそれぞれ組み
込まれた環状スペーサ１９によって、クランクピン７の中央に位置決めされている。
【００４６】
次に、図８は本考案のカム駆動式レシプロ型エンジンの第２実施形態における、一体構
造のクランクシャフトの部分断面図であって、同図に示す実施形態においては、クランク
シャフト２０とクランクアーム２１、及びクランク軸２２が一体に製作されている。
【００４７】
また、図９は、前記２実施形態における枠状カムの部分断面を含む側面図 、図１０は
、図９のＢ−Ｂ断面を示す図であって、これらの図に示す枠状カム２３は、上枠２４と下
枠２５及びこれらの両端部間に配置される一対の結合ブロック２６と、前記各部材どうし
を分解可能に一体に連結する連結ボルト２７から構成されていて、前記一対の結合ブロッ
ク２６によって離間されている上枠２４と下枠２５の間の隙間によってカム溝２８が形成
されている。
【００４８】
前記カム溝２８内には軸受メタルで製作されているカムフォロワ２９が組み込まれてい
る。本実施形態のものにおいては、前記カムフォロワ２９は、図１１の（ａ）に示すよう
に、前記クランクピン２２の外径に適合した軸孔３０が長手方向に貫通しているとともに
、外径が前記カム溝２８の溝幅に適合する中空円筒部３１と、当該中空円筒部３１の両端
部に形成された一対の角形の連結フランジ部３２を有している。
【００４９】
また、前記カムフォロワ２９は、前記軸孔３０の中心軸線を含む分割面Ｓで、同図（ｂ
）のように２つの部分に分割可能に構成されており、前記一対の連結フランジ部３２には
それぞれ、軸孔３０の左右両側に前記分割面Ｓと直交する一対のピン孔３３が形成されて
いる。
【００５０】
前記２つの部分は、これらのピン孔３３にそれぞれスプリングピン３４を嵌入すること
によって、同図（ａ）のように一体に結合されており、カムフォロワ２９を交換する場合
には、これらのスプリングピン３４をピン孔３３を引き抜いて分解しクランクピン２２か
ら取り外すことができる。
【００５１】
なお、本考案のカム駆動式レシプロ型エンジンは、前述した各実施形態において説明し
た構成のみに限定されるものではなく、また、枠状カムはピストンと一体に連続しており
、且つ、当該ピストンの運動方向と直交する方向に延びるカム溝を有していればよい。
【００５２】
また、カムフォロワにおいても、カム溝内で遊転可能な円筒状外周面を有するものに限
定するものではなく、カム溝に沿って滑動可能な平行な２面が当該カム溝に案内される構
造でもよい。
【００５３】
さらに、枠状カムがピストンとともに動く際に、枠状カムの直線運動を案内するガイド
部材をシリンダ下方に設けて、ピストンと枠状カムに作用する傾動モーメントを前記ガイ
ド部材で受けるようにしてもよい。
【００５４】
このようなガイド部材を設けることによって、シリンダに対するピストンの傾斜が規制
され、その結果、シリンダ内壁にピストンの傾斜による横押圧力が作用しなくなるため、
ピストンとシリンダ相互の摩耗が低減されて耐久性が向上するとともに、前記横押圧力に
よるピストンとシリンダ相互間の摺動摩擦の増加に起因する動力ロスを防ぐことができる
。
【００５５】
また、本考案のカム駆動式レシプロ型エンジンは、前述した実施形態のような４行程エ
ンジンに限らず２行程エンジンとして構成してもよく、自動車等の車両用エンジンや舶用
エンジンの他、様々な用途に幅広く利用することが可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１  シリンダ
２  ピストン
３  コンロッド
４  ピストンピン
５  クランクシャフト
６  クランクアーム
６ａ 嵌合凹部
７  クランクピン
８  吸気口
９  吸気バルブ
１０  燃焼室
１１  点火プラグ
１２  排気バルブ
１３  排気口
１４  枠状カム
１５  ピストンロッド
１６  カム溝
１７  カムフォロワ（ころ軸受）
１８  連結ボルト
１９  環状スペーサ
２０  クランクシャフト
２１  クランクアーム
２２  クランクピン
２３  枠状カム
２４  上枠
２５  下枠
２６  結合ブロック
２７  連結ボルト
２８  カム溝
２９  カムフォロワ
３０  軸孔
３１  中空円筒部
３２  連結フランジ部
３３  ピン孔
３４  スプリングピン
【図１】
0003204412.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003204412.tif 000009
【図８】
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【図９】
0003204412.tif 000011
【図１０】
0003204412.tif 000012
【図１１】
0003204412.tif 000013
【図１２】
0003204412.tif 000014