JP2005519245A - 騒音低減機械部品 - Google Patents

Abstract

転がり軸受けの軌道輪であってもよい機械部品（Ａ）は、その境界が、自由界面を有し交互の頂点（５４）と谷（５６）で交差する並んだ反射表面（５２）によって画されている、ポケット（５０）を有する。機械部品（Ａ）が受けた振動や騒音は、機械部品（Ａ）を通って伝播する力学的な縦波と横波を生み、縦波の方がより強く、減衰を受けにくい。縦波の一部はそれらを部分的に横波へと変換する反射表面（５２）に衝突し、そして横波は機械部品（Ａ）自体の中で急激に減衰する。このようにして、ポケット（５０）は機械部品（Ａ）中の騒音を低減する。

Description

本発明は、一般的には騒音低減に関し、より詳しくは、それを通る騒音（振動）の伝播を低減させる機械部品および騒音を低減する能力を有する軸受に関する。

歯車機構や車軸アセンブリは、工業や自動車用途において、騒音の主要な原因となっている。一部の業界では、高いレベルの騒音と振動が発生する機械の近くで働いた結果、労働者が肉体的損害を被ることもある。自動車産業界では、メーカーは常に自動車やトラックの客室内の騒音レベルを下げる方法を探している。実際、乗用車の室内における低騒音のデシベル測定値は、一部の高級車の重要なマーケティングイシューとなっている。

自動車の変速装置と車軸においては、より低い可聴騒音レベルの実現は、既存の材料と部品に固有の減衰能によって制限される。例えば、アルミニウムやマグネシウムのような鋳鉄より軽い材料は、低い減衰能しか有しないため、トランスミッションのハウジングに鋳鉄より軽い材料を使用することによる利点が十分に生かされていない。それゆえ、これらのタイプのトランスミッションの設計者は、システムの剛性を損なうことなしに、軸に沿って軸受を通りハウジングの中へ伝わるギア騒音の影響を低減する方法を模索し続けている。

騒音低減の分野における先行技術に関する一般的な総説は、実質的にすべての先行技術が振動を吸収するための弾性材料の使用に依存していることを示している。この弾性材料は、通常軸受と軸受マウンチィング装置との間に位置している。しかしながら、材料の弾性は、マウンティングの寸法安定性を損ねてしまう。トランスミッションの場合には、これはギアの最適な噛み合いにならない結果をもたらす。

本発明は、交互の頂点と谷で交差する反射表面で接するポケットを有する機械部品に関する。機械部品を伝播する縦の騒音波は、ポケットで反射表面と衝突すると、部品の材料中でより減衰しやすい横波に部分的に変換される。装置は転がり軸受の軌道輪の形をとっている。

基本的に、振動源と接触した機械部品、さらにはそれ自身が振動を発生する機械部品は、接触しているもう一つの部品へそれらの振動を伝える。例えば、トランスミッション中でもう一つのギアと噛み合うギアは、内部振動を誘発し、これらの振動はギアが取り付けられたシャフトへと伝えられる。振動は、シャフトに沿って、シャフトがその上で回転する軸受を通って、軸受が収まっているトランスミッションケースへと伝わる。もし振動が人間の耳で感知できる周波数帯域ならば、それらは不快な音を発生させる。しかし振動は、可聴域であろうとその外側であろうと、ケースに損害を与える共振力（resonant forces）を誘発する、ケースの固有周波数と一致あるいは非常に近い場合がある。あるいは振動が、部品が接触している表面に沿って腐食を生じさせ、腐食が表面を摩滅させる場合がある。基本的に、振動が可聴域内の音ならば振動は騒音を生じるが、しかし可聴域外の音であっても同様であり、振動は有害な影響を与える。

いずれにせよ、固体の物質は、振動を受けると、その固体物質を形成する粒子の振幅をうけ、そのためその物質中に縦と横の力学的な波の伝播が存在する。縦波では、粒子の振幅方向は波の伝播方向と平行である。横波では、粒子の振幅方向は波の伝播方向と垂直である。横波は、縦波よりも固体物質中でより容易に減衰する。さらに、縦波は、物質に存在する好共振条件で増幅を受ける。力学的な波は、二つの部品が表面で接している場合、それが伝播する部品の表面に達すると、部品の表面を通り抜けて隣接する部品に入っていく。騒音伝播特性がよい鉄のような物質から作られた部品の場合、特に重大な問題である。

一つの部品から他の部品への騒音の伝播を減らすために、一つめの部品は、騒音源に向いて存在する縁に、波の伝播方向に傾いた反射表面を与えるＶ字型の溝を有するポケットを備えている。それらの表面は部品中に自由界面（free boundaries）を形成し、それら界面は入射波の伝播方向から見て外方に向いている。縦波は、溝の傾斜表面領域によって形成された自由界面に衝突すると、反射され、一部はポケットがある一つめの部品中で減衰する横波に変換され、これが騒音を減少させる。力学的な波の中の横波も同様に減衰するが、実際には、ポケットに到達する前にかなりの程度、減衰する。もちろんいくらかの縦波が、一つ目の部品の波を遮断するためのポケットがない場所を通り抜け、他の部品に入っていく場合もあるが、しかしそうであっても、トランスミッションでの大きさは著しく減少する。ポケットは、騒音を伝える一つ目の部品の周面の外側、すなわち他の部品と接触している表面の外側、に開いている。あるいは、騒音を伝える一つ目の部品の完全な内部にあってもよい。しかしポケットの反射表面の自由界面は、入射波の方向から見て外方に向いている。

本発明は、数ある装置の中で、ハウジングＣ中でシャフトＣを堅固に保持し、固定軸Ｘの周りにシャフトＢを回転させる軸受Ａ（図１）が有用であることを見出した。軸受Ａは、シャフトＢからハウジングＣへの騒音の伝播を抑制する。ハウジングＣは、トランスミッション中のギアシャフトの一つであるシャフトＢを有する、トランスミッションのケーシングである。この例では、シャフトＢのギアは、その周囲に沿った歯において、シャフトＢに沿って伝わる騒音を生み、それは軸受Ａを通ってハウジングＣに伝播する。シャフトＢはシート１２とショルダー１４を有し、ハウジングＣは穴１６と、穴１６の一端でショルダー１８を有している。軸受ＡはシャフトＢのシート１２に嵌合し、ハウジングＣの穴１６に収まっている。

軸受Ａは、コーン２２の形の内輪と、カップ２４の形の外輪と、コーン２２とカップ２４の間に一列に並んだ円錐ころ２６の形の転動体を有している（図２）。コーン２２、カップ２４、および、ころ２６は、全て軸受鋼からできている。軸受Ａは、同様にコーン２２とカップ２４の間に収まり、ころ６の間に適当な間隔を保つためにころ６を受けるポケットを有する、保持器２８も有している。

コーン２２は、シャフトＢ上のシート１２にぴったりと嵌まり、好ましくは締まりばめであり、また軸Ｘから離れて存在するテーパーされた軌道３０を有している。軌道３０の大端部では、コーン２２は、軸Ｘに対して直角に切り落とされ、シャフトＢのシート１２の端部でショルダー１４と接している背面３４につながったスラストリブ３２を有している。反対側の端部のコーン２２は、同様にＸ軸に対して直角に切り落とされ、シャフトＢに沿った橋台（abutment）に接触していてもいなくてもよい前面３６を持つ。

カップ２４は、ハウジングＣの穴１６に嵌め合っており、好ましくは締まりばめである。これは、Ｘ軸から離れて存在する外表面４０を有し、穴１６の表面と接している。これは、Ｘ軸とコーン２２の軌道３０の方へ内側に向いて存在し、さらにコーンの軌道３０と同じ方向に傾斜している、テーパーされた軌道４２も有する。外表面４０とテーパーされた軌道４２は、Ｘ軸に対して直角に切り落とされた背面４４と前面４６の間に広がっており、前者はハウジングＣの穴の端部でショルダー１８と接している。

円錐ころ２６は、コーン２２の軌道３０とカップ２４の軌道４２の間に一列に並んでおり、それらのテーパーされた側面に沿って、軌道３０と４２に接している。大端面では、それらはスラストリブ３２を支えており、スラストリブ３２は、ころ２６が２つの軌道３０と４２の間の輪状の空間から出るのを防いでいる。

実際には、シャフトＢは、２つの軸受Ａに支持されている。両者は非常に似ているが、２つの軸受は反対に取り付けられ、好ましくは予圧の状態でセットされる。軸受Ａが寸法精度良く作られていると、Ｘ軸は安定する、すなわち、固定された位置にある。

シャフトＢは機械的な振動を受け、それらは縦および横の力学的な波の形で騒音を生み出す。騒音はシャフトＢに沿って伝わり、軸受のシート１２でコーン２２に入る。騒音はコーン２２を半径方向に通り抜け、通り抜けてきたのと同様にして、軌道３０でころ２６に入る。騒音はカップの軌道４２でカップ２４に入り、カップ２４を半径方向に通り抜け、外表面４０へ行く。外表面４０は、ハウジングＣの穴１６の表面ととまりばめであるので、騒音はカップ２４からハウジングＣへ伝わり、そしてハウジングＣは騒音を受けるが、カップ２４が減衰させる、すなわち騒音の多くを減衰させるので、騒音はそんなに強くはない。

この際、カップ２４は外表面４０に開口するいくつかのポケット５０（図３、図４）を有しており、ポケット５０はカップ２４の円周に間隔を空けて、好ましくは等しい円周間隔で間隔を空けて存在している。ポケット５０は、ころ２６からカップ２４へ通過する騒音を減衰させる役割を有し、このために、それらはできるだけ大きい円周領域を占めるようにされる。それでも、それらはシャフトＢとハウジングＣとの間のラジアル荷重を伝達する軸受Ａの性能が損なわれないようにすべきである。すなわち、軸Ｘが安定に保持されるように、外表面４０は、穴１６にカップ２４がしっかり保持される程度に十分大きくなければならない。

それぞれのポケット５０の両端の間には、Ｖ字型の谷５６を形成する並んだ溝を有する。それゆえそれぞれのポケット５０に沿って、ポケット５０につながっている外表面４０に傾いており、また、ポケット５０に向けられた力学的な波の伝播方向にも傾いている反射表面５８を有する。谷５６を越えて隣接している、傾斜した反射表面５８の間のインクルーデッドアングルは３０°〜９０°の範囲である。谷５６の左側の表面５８は、谷５６の右側表面と同じように、基本的にお互い平行である。頂点５４は、外表面４０によって形成される円筒枠より下方に位置しており、そのため頂点は、ハウジングＣの穴１６の表面に接触しない。反射表面５８は、ポケット５０に沿って、自由界面を形成しており、仮に何かあったとしても、それらは力学的な波をあまり伝えない媒体に沿って位置している。

軸受Ａの作動中、シャフトＢ中の騒音はコーン２２ところ２６を通り抜け、カップの軌道４２に沿ってカップ２４に入る。この騒音は通常、縦および横の力学的な波の形で全てのラジアル方向に放射状に通り抜ける。縦波の方がはっきりとしていてより強い。一部の力学的な波は、外表面４０とハウジングの穴１６の表面との間の接触面で、ハウジングＣに波が入る場所である外表面４０まで広がる。残りの力学的な波は、ポケット５０へ伝播する。ここで、縦波は傾斜表面５８から反射し、部分的にモード変換を受ける。すなわち、異なる方向に伝播しカップ２４自体の中で急激にエネルギーが消失する横波に変わる。

カップ２４は、軌道４２を保持しポケット５０を有するスチールリング６６および、リング６６と嵌め合い、ハウジングＣの穴１６の表面と接している外表面４０を与えるスリーブ６８を有し、そのためスリーブ６８が表面１６とポケット５０との間に介在し、頂点５４がスリーブ６８と接しないようにスリーブ６８より内部に配されている、複合体（図５、図６）の形をとっていてもよい。スリーブ６８は、エポキシ樹脂複合材料のような硬い樹脂から形成され、好ましくはリング６６と接合している。実際には、これはリング６６の周りに型形成され、そしてそれがポケットに入るのを防ぐために、ポケット５０は発泡体のような低音響インピーダンス物質を詰められる。これはスリーブ６８の硬い材料がポケット５０の傾斜表面５８や頂点５４に接触するのを防ぎ、それによってポケット５０における自由界面を維持している。

カップ２４と一体的に形成する代わりに、傾斜表面５８は、通常長方形の断面であるカップ２４の空洞７４に嵌合する挿入部７２（図７）であってもよい。

ポケット５０中の溝５２は、軸方向の代わりに環状（図８、図９）に広がっていてもよく、あるいは軸方向と環状の間のいずれかの方向のらせん状であっていてもよい。同様にして、挿入部７２あるいはスリーブ６８あるいはその両方が、環状あるいはらせん状の溝５２と共に利用できる。

カップ２４は、ラジアル荷重だけでなくスラスト荷重もハウジングＣに伝え、これらのスラスト荷重は、ハウジングＣの穴１６の端部でカップ２４の背面４４と、ショルダー１８とによって形成される接触面を越えて伝えられる。騒音もまた、特にスラスト荷重が重い場合にこの接触面を越えて伝播される。しかし、カップ２４が背面４４に開口したポケット５０を有し、ハウジングＣへの騒音の伝播を阻害してもよい。ポケット５０は半径方向、環状、あるいはらせん状に広がっていてもよい溝５２を有する。同様に、カップ２４は、前面４６に沿ってもう一つの橋台と接している場所で、前面４６に開いているポケット５０を有していてもよい。

シャフトＢから発生する騒音の低減は、カップ２４と一緒にコーン２２の中で、あるいはコーン２２の中単独でも起こってもよい（図１０）。この目的のために、コーン２２の穴は、コーン２２の残りの部分に嵌合している鋼製スリーブ７６の中に、すなわち、それに沿ってコーンの軌道３０が位置しているスチールリング７８の中に、位置している。好ましくは２つの間にエポキシあるいは他の一般的なポリマー組成物層８０を有している。いずれにせよ、鋼製スリーブ７６は、軸Ｘから離れているスリーブ７６の外表面に開口しているポケット５０を有し、ポケット５０は、層８０より内側に位置する頂点５４と共に、軸方向、環状、あるいはらせん状に広がっている溝５２を有する。

反対方向、すなわちハウジングＣからシャフトＢに騒音が軸受Ａを通過する場合には、コーン２２は、溝５２の自由界面が軸Ｘの方へ向いて存在するように、その穴１６に開いたポケット５０を備えていてもよい。同様に、コーン２２の背面３４は、シャフトＢのショルダー１４を通る騒音の伝達を減らすためのポケット５０を有していてもよい。さらに、内側への騒音の伝達は、軸Ｘの方へ内側に開き、Ｖ字型の溝を備えているポケット５０を有するスリーブであって、カップ２４の残り部分すなわち軌道４２を有する部分を囲む鋼製スリーブ、を有するカップ２４を備えることによってカップ２４中で減らされてもよい。

ポケット５０は、他のタイプの転がり軸受にも有用である。例えば、アンギュラーコンタクト系、円筒ころ軸受、球面ころ軸受、針状軸受を含む玉軸受に使用されてもよい。それらは、スリーブ軸受、すなわち転動体を有さない軸受にさえも使用することができる。

騒音の低減は、騒音を実際に発生する部品の中で起こってもよく、一つの部品がもう一つの部品と接している表面に沿っている必要はない。例えば、平歯車８４（図１）は、締まりばめでシャフトＢと嵌め合っている。ここでギア８４とシャフトＢは接しており、そのため騒音は一方から他方へ伝わる。その外周に沿ってギア８４は、もう一つのギアの歯と噛み合う歯８６を有しており、歯８６からシャフトＢへ、縦および横の力学的な波の形で、内部に放射状に伝わる騒音に変わる振動を発生する。ギア８４は、軸方向に広がっておりその端面で開口しているポケット５０を有し、ポケット５０は、軸Ｘに面した自由界面をもった溝を有する。ポケット５０は、縦波をギア８４自体の中で弱められる横波へと変換して、力学的な波の一部を遮る。

他方、ギア８４は、シャフトＢと嵌め合っている場所である穴に沿ったポケット５０を備えていてもよい。これらポケット５０の傾斜表面５８の自由界面は、振動と騒音の発生源である歯８４からみて外方に向いている。ポケット５０は、シャフトＢに放射状に向けられた一部の力学的な波を遮断し、シャフトＢへの騒音の伝播を減らす。

軸受Ａのコーン２２が嵌め合っているシャフトＢも、軸Ｘの外方に開いているポケット５０を備え（図１）、そのため傾斜表面５８がコーン２２に向いて存在しているようにしてもよい。ポケット５０は、シャフトＢを通って伝播する波を遮断し、それらを部分的にシャフトＢ中で減衰する横波に変換する。

一般的に言えば、ポケット５０の中の傾斜表面は、ポケット５０がどこに位置していようとも自由界面を有する。つまり、それらは、それに沿って空気、あるいは何かあったとしてもせいぜい低音響インピーダンスである発泡体のような物質、が存在する表面である。自由界面で表面５８は、振動源から発生する入射する力学的な波の方向からみて外方を向いている。

図１は、本発明に従って作られた騒音低減ポケットを有する軸受、ギア、シャフトを有する、円錐ころ軸受と一緒にハウジングにはめ込まれたギアシャフトの、切欠および断面斜視図である。 図２は、そのカップに騒音低減ポケットを有する円錐ころ軸受の断面図である。 図３は、図２の軸受のカップの端面図である。 図４は、図３のカップの断片斜視図である。 図５は、変形されたカップの端面図である。 図６は、図５の変形されたカップの切欠および断面斜視図である。 図7は、別の変形されたカップの断面斜視図である。 図８は、さらに別の変形されたカップの断面斜視図である。 図９は、図８の変形されたカップの切欠および断面斜視図である。 図１０は、騒音低減ポケットがあるコーンを有する軸受のコーンの切欠および断面斜視図である。

Claims (25)

1. ２つの機械部品の接触面で接している第一と第二の表面を有する第一と第二の機械部品であって、第一の機械部品は、Ｖ字型の溝を作っている複数の交差する反射表面によって形成される自由界面を有する、少なくとも一つのポケットを含んでおり、それによって、前記Ｖ字型の溝によって形成された前記ポケットの自由界面の後方で第一の部品中で振動によって引き起こされた縦波が、部分的に横波に変換される部品、を有する組み合わせ。
2. 前記ポケットが、前記第一の表面の外に開いていることを特徴とする請求項１に記載の組み合わせ。
3. 前記Ｖ字型の溝が、Ｖ字型の谷を有し、Ｖ字型の頂点によって隔てられ、そして前記反射表面が頂点と谷を接続していることを特徴とする請求項１に記載の組み合わせ。
4. 前記溝の谷でのインクルーデッドアングルが、３０°〜９０°であることを特徴とする請求項３に記載の組み合わせ。
5. 前記ポケットが、低音響インピーダンス物質を含んでいることを特徴とする請求項３に記載の組み合わせ。
6. 第一の表面を有する第一の機械部品と、前記第一の機械部品の前記第一の表面と接している第二の表面を有する第二の機械部品とを有し、前記第二の機械部品はその中を伝播する縦の力学的な波を引き起こす振動を受けるものであり、前記第二の機械部品は少なくとも一部の縦波の進路に位置し、自由界面を有している、連続した交互の頂点と谷を形成するために交差している反射表面によって部分的に画されたポケットを含んでおり、そのため縦波が反射表面に衝突すると、第二の部品中で減衰する横波に変わり、それによって騒音が低減されることを特徴とする、組み合わせ。
7. 前記谷で隣接した反射表面の間のインクルーデッドアングルが、３０°〜９０°であることを特徴とする請求項６に記載の組み合わせ。
8. 前記ポケットが、前記第二の表面の外に開いていることを特徴とする請求項６に記載の組み合わせ。
9. 軸周りの回転を円滑にする騒音低減軸受であって、前記軸受は、軸を取り囲んでいる第一の軌道を有する第一の軌道輪と、軸を取り囲み、前記第一の軌道に向いている第二の軌道を有する第二の軌道輪と、前記第一と第二の軌道輪の間に一列に並び、軌道と接触している転動体とを有し、前記第二の軌道輪は、その界面は自由で、交互の頂点と谷で交差する反射表面によって画されているポケットを有し、それによってポケットに導かれた縦波として前記第二の軌道輪を通って伝播した騒音が低減されるものであり、その前記縦波は、ポケットの反射表面に衝突すると、少なくとも部分的に第二の軌道輪で減衰する横波に変わるものである、軸周りの回転を円滑にする騒音低減軸受。
10. 前記第二の軌道輪が、前記第二の軌道から隔たれた遠隔表面を有することを特徴とする請求項９に記載の軸受。
11. 前記ポケットが、前記遠隔表面の外に開いていることを特徴とする請求項１０に記載の軸受。
12. 前記遠隔表面の内側に前記頂点が配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の軸受。
13. 前記第二の軌道輪が、第二の軌道がその上に位置する鋼製リングと、前記リングを取り囲み、前記ポケットまで広がっているが前記頂点とは接していないスリーブとを有していることを特徴とする請求項１１に記載の軸受。
14. 前記スリーブが、ポリマーから作られていることを特徴とする請求項１３に記載の軸受。
15. 前記反射表面が、前記ポケットで前記第二の軌道輪に嵌合する挿入部の上にあることを特徴とする請求項９に記載の軸受。
16. 前記ポケットが、第二の軌道輪の残りの部分の音響インピーダンスより実質的に小さい音響インピーダンスを有する固体物質を詰められており、そのため波が前記物質を容易に通過しないことを特徴とする請求項９に記載の軸受。
17. 前記軌道輪が、一つが他方を取り囲んだ状態で軸のまわりに同心円状であり、前記軌道が軸の方へ傾いており、それぞれの軌道輪がそれを通って前記軸受にスラスト荷重を伝える背面を有し、前記ポケットは少なくとも一つの軌道輪の背面の外に開いていることを特徴とする請求項９に記載の軸受。
18. 前記軌道輪が、前記第一の軌道輪の中に前記第二の軌道輪がある状態で軸のまわりに同心円状であり、前記第二の軌道輪が、穴と、前記穴と前記第二の軌道との間にある前記ポケットも有することを特徴とする請求項９に記載の軸受。
19. 前記第二の軌道輪が内部及び外部の鋼製部品を有し、前記ポケットは前記内部部品の中にあり、前記第二の軌道は前記外部部品の上にあることを特徴とする請求項１８に記載の軸受。
20. 前記第二の軌道輪が、前記内部と外部の鋼製部品の間に介在するポリマー製スリーブも有することを特徴とする請求項１９に記載の軸受。
21. 谷が前記第二の軌道輪の中で軸方向に広がっている溝を形成していることを特徴とする請求項９に記載の軸受。
22. 前記谷が、前記第二の軌道輪の中で環状に広がっている溝を形成していることを特徴とする請求項９に記載の軸受。
23. 前記谷が、軸に対して斜めに広がっている溝を形成していることを特徴とする請求項９に記載の軸受。
24. 部品中の騒音源で振動を受ける機械部品であって、前記機械部品は振動源の方に向いて存在する自由界面を有するポケットを含み、前記自由界面は、Ｖ字型の頂点と谷で交差し、振動によって作られる縦波の伝播の方向に傾いている、多数の反射表面によって形成され、それによって縦波は反射表面に衝突すると部分的に機械部品中で減衰する横波へと変わり、それゆえ部品中で騒音が低減される、機械部品。
25. 前記機械部品が、鋼鉄からできていることを特徴とする請求項２４に記載の機械部品。
    

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