科目
機構学
章
リンク機構
図番
03 / 12
内容
シミュレータ・例題3問
機構学 3 / 12

ピストンがいちばん速いのは、まん中ではないピストンクランク機構

ピストンの行程はクランク半径の2倍。連接棒がクランク半径の3倍なら、上死点側の半分をクランク約 80° で、下死点側の半分を約 100° で通り、最高の速さは rω の約 1.05倍(クランク角 約 73°)になる。

エンジンのシリンダを縦に切り開いた断面。ピストン・連接棒・クランクがつながり、ピストンは上下に、クランクは回る
このページの内容
  1. エンジンのピストンは、クランクが何度回ったところで半分まで下がる?
  2. 公式はこれ
  3. 連接棒は、コンパスのように円を描く
  4. 半分の位置は二等辺三角形で決まる
  5. 最高の速さは、真横の 90° より手前
  6. どの数字がいちばん効く?
  7. 自動車のエンジンに戻る
  8. 動かしてみよう
  9. よくある勘違い
  10. この公式が使える条件
  11. 例題

この単元のポイント

  1. ピストンが往復する長さ(行程)は、クランク半径の2倍。
  2. 連接棒がクランク半径の3倍なら、ピストンは上死点側の半分をクランク約 80°で、下死点側の半分を約 100°で通る。上死点の近くのほうが速く動く。
  3. ピストンの最高の速さは、クランクの先の速さ rω の約 1.05倍。そうなるのはクランク角約 73°のときで、真横の 90° ではない。

エンジンのピストンは、クランクが何度回ったところで半分まで下がる?

自動車のエンジンの中では、筒(シリンダ)の中をピストンが上下に往復しています。燃料が燃えてピストンが押し下げられ、その往復が、曲がった軸(クランク)の回転に変わります。この回転が、最後は車輪を回します。

ピストンと回る軸のあいだをつなぐ棒を、連接棒(コネクティングロッド)といいます。ピストン・連接棒・クランク、それにエンジンの枠(固定節)の4つの節(機構をつくる1本1本の部品)でできた仕組みを、ピストンクランク機構といいます。

ピストンがいちばん上に来た所を上死点、いちばん下に来た所を下死点といいます。上死点から下死点までの長さが行程(ストローク)です。

この単元では、クランク半径 r\skiR = 40 mm、連接棒の長さ ℓ\skiL = 120 mm(クランク半径の3倍)の機構で考えます。クランク角 θ\skiTheta は、ピストンが上死点にいるときを 0° として、クランクの回る向きに測ります。

クランクが一定の速さで回るとき、ピストンは上死点から下死点まで、半回転(180°)で下ります。では、行程のちょうど半分まで下がるのは、クランクが 90° 回ったときでしょうか。

予想してから読むクランクが上死点から 90°(4分の1回転)回ったとき、ピストンはどこにいる?

公式はこれ

s=2r,cos⁡θ1=r2ℓ,θ2=180∘−θ1\skiS = 2\skiR, \qquad \cos\spcThUp = \dfrac{\skiR}{2\skiL}, \qquad \spcThDown = 180^{\circ} - \spcThUp
記号 意味 この単元の機構では
s\skiS 行程(上死点から下死点まで) 80 mm
θ1\spcThUp 上死点から行程の半分まで下がる間に、クランクが回る角度 80.4°
θ2\spcThDown 行程の半分から下死点まで下がる間に、クランクが回る角度 99.6°
vmax⁡\spcVmax ピストンの最高の速さ 1.055 r ω1.055\,\skiR\,\skiOmega(クランク角 73.2°)

答えは、約 80° です。90° まで回ると、ピストンはもう半分を過ぎています。

なぜ 90° でないのかを、コンパスで見ていきます。

連接棒は、コンパスのように円を描く

長さの決まった棒は、相手のピンのまわりに、円を描くことしかできません。コンパスの脚の長さを決めて、針を刺した点のまわりに円を描くのと同じです。4節リンク(グラスホフの条件) では、関節の位置が「2つの円の交点」で決まりました。ピストンクランク機構では、相手の一方が円ではなく、まっすぐな線になります。

ピストンクランク機構は、次のように考えます。

1. ピストンピン B は、まっすぐな線の上を動く。ピストンは筒の中にあるので、横へは動けません。

2. B は、クランクピン A から、いつも連接棒の長さ ℓ\skiL だけ離れている。B は、A を中心とする半径 ℓ\skiL の円の上にあります。

3. だから、B は「A を中心とする円」と「ピストンの通る直線」の交点。クランクが回って A が動くと、円も動き、交点の B が筒の中を往復します。

連接棒が無限に長かったら

もし連接棒がとても長ければ、連接棒はいつもほとんど筒と平行です。そのとき、ピストンはクランクピン A を真横から見た影と同じ動きをします。上死点からの下がった量は、

x=r (1−cos⁡θ)\spcX = \skiR\,(1 - \cos\skiTheta)

で、90° のときにちょうど r\skiR、つまり行程の半分です。このような、円を回る点の影の動きを単弦運動といいます。

本物の連接棒は、斜めになる

本物の連接棒は、クランクピン A が横へ出るにつれて、斜めに傾きます。斜めになると、A から筒の中心線までの「横の幅」が増えた分だけ、B は A に引き寄せられ、余計に下がります。

90° のとき、A は中心線から真横に 40 mm 離れています。連接棒 120 mm を斜めに置くと、中心線の向きの長さは 1202−402=113.1 mm\sqrt{120^2 - 40^2} = 113.1\ \mathrm{mm} に縮みます。縮んだのは 120 − 113.1 = 6.9 mm です。

x=40+6.9=46.9 mm\spcX = 40 + 6.9 = 46.9\ \mathrm{mm}

ピストンは、単弦運動より 6.9 mm 先へ進んでいます。行程の半分(40 mm)はもう過ぎています。

半分の位置は二等辺三角形で決まる

半分にいるとき、OB は連接棒と同じ長さ

ピストンが上死点にいるとき、クランクの中心 O からピストンピン B までは r+ℓ\skiR + \skiL です。そこから行程の半分、つまり r\skiR だけ下がると、OB はちょうど ℓ\skiL になります。

連接棒 AB も ℓ\skiL です。だから、ピストンが半分にいるとき、三角形 OAB は、OB と AB が等しい二等辺三角形です。

OABr/2r/2ℓℓ(OB)θ1

二等辺三角形を半分に割る

二等辺三角形は、頂点 B から底辺 OA へ下ろした線で、ぴったり2つに割れます。底辺 OA(長さ r\skiR)は、半分の r/2\skiR/2 ずつに分かれます。

できた直角三角形の、斜辺は OB = ℓ\skiL、角 O の隣の辺は r/2\skiR/2 です。角 O は、ピストンの通る直線と OA の間の角、つまりクランク角 θ1\spcThUp です。

cos⁡θ1=r/2ℓ=r2ℓ\cos\spcThUp = \dfrac{\skiR/2}{\skiL} = \dfrac{\skiR}{2\skiL}

数で確かめる

使う式を先に置いて、この単元の機構の数を入れます。

cos⁡θ1=r2ℓ=402×120=16=0.1667⟹θ1=80.4∘\cos\spcThUp = \dfrac{\skiR}{2\skiL} = \dfrac{40}{2 \times 120} = \dfrac{1}{6} = 0.1667 \qquad\Longrightarrow\qquad \spcThUp = 80.4^{\circ} θ2=180∘−80.4∘=99.6∘\spcThDown = 180^{\circ} - 80.4^{\circ} = 99.6^{\circ}

上死点側の半分を約 80° で、下死点側の半分を約 100° で通ります。同じ 40 mm を、上死点側は2割ほど短い時間で動きます。

連接棒が長くなるほど r/2ℓ\skiR/2\skiL は 0 に近づき、θ1\spcThUp は 90° に近づきます。単弦運動は、そのいちばん端の姿です。

最高の速さは、真横の 90° より手前

ピストンの速さ v\spcV は、下がった量を時間で割ったものです。式にすると、2つのかたまりに分かれます。

v=r ω (sin⁡θ⏟単弦運動の分+r sin⁡θcos⁡θℓ2−r2sin⁡2θ⏟連接棒が傾く分)\spcV = \skiR\,\skiOmega\,\Bigl(\underbrace{\sin\skiTheta}_{\text{単弦運動の分}} + \underbrace{\dfrac{\skiR\,\sin\skiTheta\cos\skiTheta}{\sqrt{\skiL^2 - \skiR^2\sin^2\skiTheta}}}_{\text{連接棒が傾く分}}\Bigr)
  1. 単弦運動の分 クランクピン A の速さ rω\skiR\skiOmega の、筒の向きの成分です。90° で最大の rω\skiR\skiOmega になります。
  2. 連接棒が傾く分 連接棒の傾きが増えていく間(0°〜90°)は、ピストンを余計に下げる向きに働きます。90° で傾きが最大になって止まるので、この分は 0 です。90° を過ぎると、傾きが戻り始め、ピストンを引き止める向きに変わります。

2つを足すと、いちばん大きくなるのは 90° より手前です。この単元の機構では、

vmax⁡=1.055 r ω(θ=73.2∘)\spcVmax = 1.055\,\skiR\,\skiOmega \qquad (\skiTheta = 73.2^{\circ})

90° のときの速さは、ちょうど rω\skiR\skiOmega です。最高の速さは、それより5%ほど速く、17° ほど早く来ます。

連接棒 ÷ クランク半径 上死点側の半分 θ1\spcThUp 最高の速さ そのクランク角
2 75.5° 1.123 rω\skiR\skiOmega 67.7°
3 80.4° 1.055 rω\skiR\skiOmega 73.2°
4 82.8° 1.031 rω\skiR\skiOmega 76.7°
6 85.2° 1.014 rω\skiR\skiOmega 80.8°
無限に長い(単弦運動) 90° 1 rω\skiR\skiOmega 90°

どの数字がいちばん効く?

この単元の機構(40 mm・120 mm・30 min⁻¹)で、それぞれの数字を1割(10%)だけ大きくしたときの変化です。

変えるもの 行程 上死点側の半分 θ1\spcThUp 最高の速さ
クランク半径 r\skiR を10%大きく +10% −1.0° +11.2%
連接棒 ℓ\skiL を10%大きく 0% +0.9° −0.9%
回転数 N\skiN を10%大きく 0% 0° +10%

行程と速さを決めるのは、クランク半径と回転数です。連接棒の長さは、上死点側と下死点側の動き方の差(80° と 100° の分かれ方)を少し変えるだけです。

角度の分かれ方は、回転数によりません。速く回しても、ゆっくり回しても、上死点側の半分はクランク 80.4° の間に通ります。

自動車のエンジンに戻る

トヨタのカローラ(ハイブリッド車)のエンジン 2ZR-FXE は、カタログの主要諸元で、行程が 88.3 mm、最高出力を出す回転数が 5,200 min⁻¹ です。クランク半径は、行程の半分の 44.15 mm です。

5,200 min⁻¹ は、1秒に約 86.7 回転です。半回転にかかる時間は 5.77 ms(1000分の5.77秒)です。

連接棒の長さはカタログに載っていないので、ここでは仮にクランク半径の3倍とします。上死点から半分までが 2.58 ms、半分から下死点までが 3.19 ms です。同じ 44 mm を、上死点側では 0.6 ms ほど短い時間で動きます。

角速度は ω=2π×5200/60=544.5 rad/s\skiOmega = 2\pi \times 5200/60 = 544.5\ \mathrm{rad/s} です。最高の速さを、使う式を先に置いて出します。

vmax⁡=1.055 r ω=1.055×0.04415×544.5=25.4 m/s\spcVmax = 1.055\,\skiR\,\skiOmega = 1.055 \times 0.04415 \times 544.5 = 25.4\ \mathrm{m/s}

1秒に 25 m、時速にすると 90 km を超える速さです。この速さで動くピストンが、1回転ごとに上死点と下死点で止まり、向きを変えます。

つまり、ものを作るときは

行程はクランク半径で決まります。エンジンの大きさ(1回に吸い込む空気の量)を決めるのは、まずクランク半径です。

連接棒を長くすると、ピストンの動きは単弦運動に近づき、上下の動き方の差が小さくなります。そのかわり、エンジンの背が高く、重くなります。連接棒の長さは、この2つの釣り合いで決めます。

動かしてみよう

図では、ピストンを横向きに描いています(右が上死点)。クランクが回ると、ピストンが筒の中を往復します。筒の上の緑の三角は、連接棒が無限に長いとき(単弦運動)のピストンピンの位置です。90° のあたりで、本物のピストン(青)が三角より先にいることを見てください。

1つ目の波形は、ピストンの速さです。上死点から離れる向きを正にしています。筒の下の「最高の速さ」の印は、いちばん速くなる位置で、「半分」の印より上死点の側にあります。

いちばん下のグラフは、横軸がクランク角です。実線が本物、破線が単弦運動です。実線は、80° のあたりで「行程の半分」の線を横切ります。

連接棒 ℓ\skiL を長くすると、実線は破線に近づきます。短くすると離れます。「いまの図を残して比べる」を押してから数字を変えると、残した図の波形が薄く重なります。

シミュレータ数字を変えると、動きと答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. 連接棒 ℓ を 80 mm(クランク半径の2倍)に縮めて、上死点側の半分の角度を見る(まだ)
  2. 連接棒 ℓ を 200 mm(クランク半径の5倍)にのばして、グラフの実線と破線を比べる(まだ)
  3. 回転数 N を2倍の 60 min⁻¹ にする(r と ℓ は初期値)。答えの欄の最高の速さと、上死点側・下死点側の角度を見る(まだ)
mm
mm
min⁻¹
上死点半分下死点最高の速さx = 0 mmrℓθ = 0°v = 0 mm/s半分を通るのはクランク 80.4° のとき。▽は連接棒が無限に長いとき(単弦運動)単元ピストンクランク行程80 mmθ0°
t = 0.00 s
01234-2000200時間 t [s]ピストンの速さ v [mm/s]rω
0901802703600255075100クランク角 θ [°]下がった量 x [mm]行程の半分連接棒が無限に長いとき80.4°最高の速さ 73°
上死点側の半分を通る間のクランク角は、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

cos⁡θ1=r2ℓ\cos \htmlClass{q-displacement}{\theta_1} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{r}}{2\htmlClass{q-geometry}{\ell}}=402×120=0.1667= \dfrac{40}{2 \times 120} = 0.1667=θ1=80.4∘= \htmlClass{q-displacement}{\theta_1} = 80.4^{\circ}
行程(ストローク)
s=80 mm\htmlClass{q-displacement}{s} = 80\ \mathrm{mm}
上死点側の半分を通る間のクランク角
θ1=80.4∘\htmlClass{q-displacement}{\theta_1} = 80.4^{\circ}
下死点側の半分を通る間のクランク角
θ2=99.6∘\htmlClass{q-displacement}{\theta_2} = 99.6^{\circ}
最高の速さと rω の比
vmax⁡/rω=1.05 \htmlClass{q-flow}{v_{\max}/r\omega} = 1.05\
最高の速さになるクランク角
θv=73.2∘\htmlClass{q-displacement}{\theta_v} = 73.2^{\circ}
ピストンの最高の速さ
vmax⁡=133 mm/s\htmlClass{q-flow}{v_{\max}} = 133\ \mathrm{mm/s}
途中の計算(導出)を見る
  1. 行程(上死点から下死点まで)

    s=2r=2×40=80 mm\htmlClass{q-displacement}{s} = 2\htmlClass{q-geometry}{r} = 2 \times 40 = 80\ \mathrm{mm}
  2. 上死点側の半分を通る間のクランク角(三角形が二等辺になる角)

    cos⁡θ1=r2ℓ=402×120=0.1667=θ1=80.4∘\cos \htmlClass{q-displacement}{\theta_1} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{r}}{2\htmlClass{q-geometry}{\ell}} = \dfrac{40}{2 \times 120} = 0.1667 = \htmlClass{q-displacement}{\theta_1} = 80.4^{\circ}
  3. 下死点側の半分を通る間のクランク角(半回転の残り)

    θ2=180∘−θ1=180∘−80.4∘=99.6∘\htmlClass{q-displacement}{\theta_2} = 180^{\circ} - \htmlClass{q-displacement}{\theta_1} = 180^{\circ} - 80.4^{\circ} = 99.6^{\circ}
  4. ピストンの最高の速さ(速さの式がいちばん大きくなるクランク角で)

    vmax⁡=1.05 r ω=1.05×40×3.142(θv=73.2∘)=133 mm/s\htmlClass{q-flow}{v_{\max}} = 1.05\,\htmlClass{q-geometry}{r}\,\htmlClass{q-flow}{\omega} = 1.05 \times 40 \times 3.142\quad(\htmlClass{q-displacement}{\theta_v} = 73.2^{\circ}) = 133\ \mathrm{mm/s}

連接棒をクランク半径より短くすると、クランクは1回転できません。A を中心とする円が、ピストンの通る直線に届かなくなる角度があるからです。そのときは、組める範囲の端で止まって引き返します。自分で節を組んでみたい人は、リンク機構のツールで試せます。

よくある勘違い

「クランクが 90° 回ると、ピストンは行程の半分」

連接棒が無限に長いときだけです。本物の連接棒は斜めになるので、90° ではもう半分を過ぎています(この単元の機構で 6.9 mm)。

行程の半分を通るクランク角 90° のときの下がった量
単弦運動(連接棒が無限に長い) 90° 40 mm(ちょうど半分)
本物(連接棒 = クランク半径の3倍) 80.4° 46.9 mm

「ピストンがいちばん速いのは、クランクが真横のとき」

真横(90°)の速さは、ちょうど rω\skiR\skiOmega です。いちばん速いのは、その手前の約 73° で、rω\skiR\skiOmega の約 1.05倍です。

「下死点側のほうが、行きと帰りに長くかかる」

上死点から下死点へ下りる間も、下死点から上死点へ上る間も、クランクはちょうど半回転(180°)です。行きと帰りの時間は同じです。違うのは、半回転の中の分かれ方(上死点側の半分 80°、下死点側の半分 100°)だけです。行きと帰りの時間そのものを変える仕組みは、早戻り機構 で見ます。

この公式が使える条件

  • ピストンの通る直線が、クランクの中心を通る(ずれ=オフセットが無い)。ずれがあると、行きと帰りの時間に少し差が出ます
  • 連接棒はクランク半径より長い(1回転できる)
  • クランクは一定の速さで回る。本物のエンジンでは、燃える行程でクランクが少し速くなります。はずみ車でそのむらを小さくします(機械力学の はずみ車(回転のエネルギー))
  • 節は伸び縮みせず、ピンにがたは無い
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

位置:クランクの中心 O を原点に、ピストンの通る直線を x 軸に取ります。クランクピンは A = (rcos⁡θ\skiR\cos\skiTheta, rsin⁡θ\skiR\sin\skiTheta)。ピストンピン B は x 軸の上で、A から ℓ\skiL 離れています。A の高さは rsin⁡θ\skiR\sin\skiTheta なので、三平方の定理で

OB=rcos⁡θ+ℓ2−r2sin⁡2θOB = \skiR\cos\skiTheta + \sqrt{\skiL^2 - \skiR^2\sin^2\skiTheta}

上死点では OB = r+ℓ\skiR + \skiL です。下がった量はその差です。

x=r+ℓ−rcos⁡θ−ℓ2−r2sin⁡2θ\spcX = \skiR + \skiL - \skiR\cos\skiTheta - \sqrt{\skiL^2 - \skiR^2\sin^2\skiTheta}

半分の角:x=r\spcX = \skiR と置くと、ℓ−rcos⁡θ=ℓ2−r2sin⁡2θ\skiL - \skiR\cos\skiTheta = \sqrt{\skiL^2 - \skiR^2\sin^2\skiTheta}。両辺を2乗すると ℓ2−2ℓrcos⁡θ+r2cos⁡2θ=ℓ2−r2sin⁡2θ\skiL^2 - 2\skiL\skiR\cos\skiTheta + \skiR^2\cos^2\skiTheta = \skiL^2 - \skiR^2\sin^2\skiTheta。cos⁡2+sin⁡2=1\cos^2 + \sin^2 = 1 を使うと r2=2ℓrcos⁡θ\skiR^2 = 2\skiL\skiR\cos\skiTheta が残り、cos⁡θ=r/(2ℓ)\cos\skiTheta = \skiR/(2\skiL) です。二等辺三角形で出した式と同じです。

速さ:θ=ωt\skiTheta = \skiOmega t として、x\spcX を時間で微分します。dθ/dt=ωd\skiTheta/dt = \skiOmega なので、

v=dxdt=r ω (sin⁡θ+rsin⁡θcos⁡θℓ2−r2sin⁡2θ)\spcV = \dfrac{d\spcX}{dt} = \skiR\,\skiOmega\,\Bigl(\sin\skiTheta + \dfrac{\skiR\sin\skiTheta\cos\skiTheta}{\sqrt{\skiL^2 - \skiR^2\sin^2\skiTheta}}\Bigr)

最高の速さの角は、この式の微分を 0 と置いた方程式の解です。きれいな形には解けないので、数値で探しました(このページの計算は、0.01° 刻みで速さを調べた結果と、位置の式を数値微分した結果の両方で確かめています)。

連接棒が長いとき:ℓ\skiL に比べて r\skiR が小さいと、√ の中はほぼ ℓ2\skiL^2 で、v≒rω (sin⁡θ+r2ℓsin⁡2θ)\spcV \fallingdotseq \skiR\skiOmega\,(\sin\skiTheta + \tfrac{\skiR}{2\skiL}\sin 2\skiTheta) と近似できます。第2項(クランクの2倍の速さでゆれる分)が、単弦運動からのずれです。

例題

例題1 草刈り機のエンジン

草刈り機の小さなエンジンの、クランク半径を 20 mm、連接棒の長さを 70 mm とします(数は仮に決めたもの)。クランクは毎分 6,000 回転します。

(1) ピストンの行程はいくらですか。(2) ピストンが上死点から行程の半分まで下がる間に、クランクは何度回りますか。半分から下死点までは何度ですか。(3) ピストンの最高の速さは何 m/s ですか。

ヒント 1 / 2

(2) は、ピストンが半分にいるとき三角形 OAB が二等辺三角形になることから、cos⁡θ1=r/(2l)\cos\theta_1 = r/(2l) を使います。

ヒント 2 / 2

(3) は、まず回転数を角速度に直します。ω=2π×6000/60\omega = 2\pi \times 6000/60 です。

答えと解き方を見る
(1) s=2×20=40 mm(1)\ \skiS = 2 \times 20 = 40\ \mathrm{mm}
(2) θ1=81.8∘,θ2=98.2∘(2)\ \spcThUp = 81.8^{\circ},\quad \spcThDown = 98.2^{\circ}
(3) vmax⁡=1.04 r ω=13.1 m/s(3)\ \spcVmax = 1.04\,\skiR\,\skiOmega = 13.1\ \mathrm{m/s}
  1. 行程(上死点から下死点まで)

    s=2r=2×20=40 mm\htmlClass{q-displacement}{s} = 2\htmlClass{q-geometry}{r} = 2 \times 20 = 40\ \mathrm{mm}
  2. 上死点側の半分を通る間のクランク角(三角形が二等辺になる角)

    cos⁡θ1=r2ℓ=202×70=0.1429=θ1=81.8∘\cos \htmlClass{q-displacement}{\theta_1} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{r}}{2\htmlClass{q-geometry}{\ell}} = \dfrac{20}{2 \times 70} = 0.1429 = \htmlClass{q-displacement}{\theta_1} = 81.8^{\circ}
  3. 下死点側の半分を通る間のクランク角(半回転の残り)

    θ2=180∘−θ1=180∘−81.8∘=98.2∘\htmlClass{q-displacement}{\theta_2} = 180^{\circ} - \htmlClass{q-displacement}{\theta_1} = 180^{\circ} - 81.8^{\circ} = 98.2^{\circ}
  4. ピストンの最高の速さ(速さの式がいちばん大きくなるクランク角で)

    vmax⁡=1.04 r ω=1.04×20×628.3(θv=75.1∘)=13,100 mm/s\htmlClass{q-flow}{v_{\max}} = 1.04\,\htmlClass{q-geometry}{r}\,\htmlClass{q-flow}{\omega} = 1.04 \times 20 \times 628.3\quad(\htmlClass{q-displacement}{\theta_v} = 75.1^{\circ}) = 13{,}100\ \mathrm{mm/s}

(2) は cos⁡θ1=20/140=0.1429\cos\theta_1 = 20/140 = 0.1429 から。連接棒がクランク半径の 3.5 倍なので、3倍のときの 80.4° より少し 90° に近づきます。

(3) 6,000 min⁻¹ は 628.3 rad/s で、rω=12.57r\omega = 12.57 m/s です。最高の速さは、その約 1.04 倍です。

例題2 連接棒の長さを決める

クランク半径 45 mm のエンジンを作ります。ピストンが上死点から行程の半分まで下がる間に、クランクが 82° 以上回るようにしたい、と考えました。

(1) 連接棒は何 mm 以上にすればよいですか(1 mm 単位で切り上げる)。(2) そのとき、下死点側の半分を通る間のクランク角はいくらですか。

ヒント 1 / 2

cos⁡θ1=r/(2l)\cos\theta_1 = r/(2l) を、ll について解きます。θ1 を大きくするには、cos⁡θ1\cos\theta_1 を小さくします。

ヒント 2 / 2

cos⁡82∘=0.1392\cos 82^{\circ} = 0.1392 です。

答えと解き方を見る
(1) ℓ≧r2cos⁡82∘=161.7 mm ⇒ 162 mm(1)\ \skiL \geqq \dfrac{\skiR}{2\cos 82^{\circ}} = 161.7\ \mathrm{mm}\ \Rightarrow\ 162\ \mathrm{mm}
(2) θ2=98∘(θ1=82∘)(2)\ \spcThDown = 98^{\circ}\quad(\spcThUp = 82^{\circ})
  1. 行程(上死点から下死点まで)

    s=2r=2×45=90 mm\htmlClass{q-displacement}{s} = 2\htmlClass{q-geometry}{r} = 2 \times 45 = 90\ \mathrm{mm}
  2. 上死点側の半分を通る間のクランク角(三角形が二等辺になる角)

    cos⁡θ1=r2ℓ=452×162=0.1389=θ1=82∘\cos \htmlClass{q-displacement}{\theta_1} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{r}}{2\htmlClass{q-geometry}{\ell}} = \dfrac{45}{2 \times 162} = 0.1389 = \htmlClass{q-displacement}{\theta_1} = 82^{\circ}
  3. 下死点側の半分を通る間のクランク角(半回転の残り)

    θ2=180∘−θ1=180∘−82∘=98∘\htmlClass{q-displacement}{\theta_2} = 180^{\circ} - \htmlClass{q-displacement}{\theta_1} = 180^{\circ} - 82^{\circ} = 98^{\circ}
  4. ピストンの最高の速さ(速さの式がいちばん大きくなるクランク角で)

    vmax⁡=1.04 r ω=1.04×45×3.142(θv=75.5∘)=147 mm/s\htmlClass{q-flow}{v_{\max}} = 1.04\,\htmlClass{q-geometry}{r}\,\htmlClass{q-flow}{\omega} = 1.04 \times 45 \times 3.142\quad(\htmlClass{q-displacement}{\theta_v} = 75.5^{\circ}) = 147\ \mathrm{mm/s}

連接棒は、クランク半径の約 3.6 倍です。θ1 を 90° に近づけるほど、連接棒は長くなり、エンジンの背が高くなります。

例題3 コンプレッサのピストンの時間

空気を押し縮めるコンプレッサのピストンを、クランク半径 30 mm、連接棒 90 mm のピストンクランク機構で動かします。クランクは毎分 1,200 回転です(数は仮に決めたもの)。

(1) 上死点から行程の半分まで下がるのに何 ms かかりますか。半分から下死点までは何 ms ですか。(2) ピストンの最高の速さと、1回転を通した平均の速さは、それぞれ何 m/s ですか。

ヒント 1 / 2

まず1回転の時間を出し、それをクランク角の割合(80.4° ÷ 360° など)で分けます。

ヒント 2 / 2

連接棒 ÷ クランク半径 = 3 なので、vmax⁡=1.055 rωv_{\max} = 1.055\,r\omega が使えます。

答えと解き方を見る
(1) 11.2 ms,13.8 ms(1)\ 11.2\ \mathrm{ms},\quad 13.8\ \mathrm{ms}
(2) vmax⁡=3.98 m/s,平均 2.4 m/s(2)\ \spcVmax = 3.98\ \mathrm{m/s},\quad \text{平均}\ 2.4\ \mathrm{m/s}
  1. 行程(上死点から下死点まで)

    s=2r=2×30=60 mm\htmlClass{q-displacement}{s} = 2\htmlClass{q-geometry}{r} = 2 \times 30 = 60\ \mathrm{mm}
  2. 上死点側の半分を通る間のクランク角(三角形が二等辺になる角)

    cos⁡θ1=r2ℓ=302×90=0.1667=θ1=80.4∘\cos \htmlClass{q-displacement}{\theta_1} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{r}}{2\htmlClass{q-geometry}{\ell}} = \dfrac{30}{2 \times 90} = 0.1667 = \htmlClass{q-displacement}{\theta_1} = 80.4^{\circ}
  3. 下死点側の半分を通る間のクランク角(半回転の残り)

    θ2=180∘−θ1=180∘−80.4∘=99.6∘\htmlClass{q-displacement}{\theta_2} = 180^{\circ} - \htmlClass{q-displacement}{\theta_1} = 180^{\circ} - 80.4^{\circ} = 99.6^{\circ}
  4. ピストンの最高の速さ(速さの式がいちばん大きくなるクランク角で)

    vmax⁡=1.05 r ω=1.05×30×125.7(θv=73.2∘)=3,980 mm/s\htmlClass{q-flow}{v_{\max}} = 1.05\,\htmlClass{q-geometry}{r}\,\htmlClass{q-flow}{\omega} = 1.05 \times 30 \times 125.7\quad(\htmlClass{q-displacement}{\theta_v} = 73.2^{\circ}) = 3{,}980\ \mathrm{mm/s}

1回転は 60 ÷ 1,200 = 0.05 s(50 ms)です。連接棒はクランク半径の3倍なので、角度はこの単元と同じ 80.4° と 99.6° です。

平均の速さは、1回転で行程を往復する 2 × 60 = 120 mm を 0.05 s で割ります。最高の速さは平均の約 1.66 倍です。

更新履歴

  • 連接棒がクランク半径より短い一部の寸法で、シミュレータが止まっていたのを直しました。