JP2006518441A - 回転デバイス - Google Patents

Abstract

たとえば歯車の形態の回転デバイスは、ハブ(２)と歯(２８)を支持する外部要素(４)を具備する。外部要素(４)は弾性フィンガー(２０)を備え、これはハブ(２)に設けられたカム面(３８)と摩擦係合する。ハブ(２)と外部要素(４)との間の相対的回転は、フィンガー(２０)の撓みによって抵抗を受ける。ハブ(２)と外部要素(４)との間の相対的回転は、突出部(３２)と凹部(３４)との間の係合によって制限される。フィンガー(２０)とカム面(３８)との間の摩擦および凹部(４６)と突出部(３２)との間の摩擦と、フレキシブルなフィンガーによって生じるねじりバネ力の組み合わせによって、ハブ(２)と外部要素(４)との間のねじれ振動の伝達を制限するよう機能する制動作用が得られる。

Description

本発明は回転デバイスに関し、特に歯車の形態(だが、これには限定されない)の回転デバイスに関する。

ある状況、たとえば内燃機関のバルブ制御機構において、ギアトレーンの被駆動入力部はねじり振動にさらされるが、それがバルブギアの動作に影響を与えないよう、この振動は排除されるのが望ましい。

たとえば特許文献１から、ねじり振動を分離させるようギアセットに弾性コンポーネントを設けることが知られている。特許文献１は二つの同軸歯付きディスク間に配置された中央ギアを開示しており、このディスクは、中央ギアとディスクとの間の相対的回転によってねじり変動が吸収されるよう反対方向に弾性的に付勢されている。だが、この構造は組立がかなり複雑であり、そしてさらに、中央ギアとディスクとが機構の隣接する歯車と適切に噛合するようギア機構を調整するときに特殊な測定器を必要とする。
EP 0312710

本発明によれば、内部要素と外部要素とを具備してなる回転デバイスであって、要素の一方は片持ち式弾性フィンガーを有し、その自由端部は他方の要素のカム面と摩擦係合し、これによって、要素間の回転振動の制動と共に、最小エネルギーポジションから両方向への要素の相対的回転に対して弾性抵抗をもたらすようになっている回転デバイスが提供される。

そうした回転デバイスでは、上記要素の一つに加えられるねじり振動によって引き起こされる、上記要素間の相対的回転にはフィンガーの撓みが伴うが、このフィンガーはそれゆえ回転に対して弾性的に抗する。同時に、カム面に対する弾性フィンガーの擦接は、所要の調節可能な摩擦制動作用を生み出す。ゆえに弾性フィンガーは、制動と共に、ねじれバネ力を加える。システムのバネレートはねじり振動に対する所望の応答を創出するよう最適化できる。

好ましい実施形態では、カム面は、フィンガーが最小エネルギーポジションから離れるよういずれかの方向に動いたときにフィンガーの撓みが増大するよう、最小エネルギーポジションから離れるよう反対方向に傾斜した一対の傾斜部を具備する。

各傾斜部の勾配は好ましくは、この傾斜部が最小エネルギーポジションに近付けば近付くほど減少する。これに関連して、この勾配は、考えている傾斜部のポジションにおける接線方向に対する個々の傾斜部のスロープであると理解される。好ましい実施形態では、カム面は最小エネルギーポジションの領域において凹状に湾曲しており、カム面の曲率半径は最小エネルギーポジションに近付くほど減少する。

フィンガーはカム面と係合する当接面を有し、この当接面は、それとカム面との間の当接ポイントにおいて、当接面の曲率半径が、カム面の当接部分の曲率半径よりも常に小さくなるかあるいはそれと等しくなるように、凸状に湾曲している。

内部要素と外部要素との間の相対的回転を制限するために好ましくは抑止手段が設けられる。この抑止手段は好ましくはカム面から離れるように配置される。一般に(たいていの実際的な実施形態では)、１０°以下(すなわち中立ポジションから±５°)の最大相対的回転が適切であると考えられる。現在のところ好ましい実施形態では、抑止手段は概ね６°(すなわち±３°)の最大相対的回転を提供する。

抑止手段は要素の一つの凹部からなっていてもよく、この凹部は、回転デバイスの回転軸線に関して概ね半径方向に延在する離間壁によって形成される。他の要素の突出部はこの凹部内に配置されると共に上記壁間の間隔よりも小さな周方向長さを有する。この凹部の基底は好ましくは円弧状であり、対応する形状の当接面において上記突出部を支持し、内部要素上での外部要素の制限された回転を可能とする。

突出部は少なくとも一つの弾性延在部を有していてもよく、この延在部は凹部の基底と弾性的に接し、内部要素と外部要素との間の相対的回転に対する摩擦抵抗を増大させる。上記または各延在部は、回転デバイスの軸線に関して周方向に延在する片持ち梁として機能してもよい。

摩擦制動を増大させるため、弾性的に設けられたプランジャを、凹部を有する要素に備えてもよく、このプランジャは上記突出部と係合する。

好ましくはフィンガーが、回転デバイスの回転軸線に関して概ね接線方向に延在し、これによってフィンガーとカム面との間の相対的変位によって引き起こされるフィンガーの撓みは概ね半径方向に生じる。好ましい実施形態では、複数のフィンガーおよびそれぞれのカム面が設けられる。たとえば、四つの対として配された八つのフィンガーおよびそれぞれのカム面が存在してもよく、各対のフィンガーは互いの方向に突出する。

ねじれ制動作用は、デバイスの回転軸線からの摩擦面の半径方向距離と共に増大するので、フィンガーはデバイスの外側要素に設けられるのが、そしてカム面は内部要素に設けられるのが好ましい。上記軸線から可能な限り遠くにフィンガーを配置することの他の利点は、これによって各フィンガーの長さについて設計が最も自由に行えることであり、これによってその弾性特性の調整が可能となる。内部要素は、その頂点に配置されたカム面を備える多角形状のもの、たとえば正方形であってもよい。こうした構造では、抑止手段(それが設けられる場合)は概して多角形の両側の中心に配置されてもよい。

本回転デバイスは歯付き歯車であってもよい。だが、これに代えて、たとえばプーリーホイールまたはスプロケットホイールのような別な形態の伝達要素を形成してもよく、あるいは、たとえばねじれダンパーのような回転機構の非伝達コンポーネントを形成してもよい。

本発明のよりよい理解のため、そしてそれがどのようにして実施されるかをより明確に示すため、ここで実例として添付図面を参照して説明する。

図１は、ハブの形態の内部要素２と、歯付き外部要素４と、歯車６とを具備してなるギアユニットを示す。ハブ２は多角形部８を具備してなり、ここから円筒部１０が突出する。組み立てられた状態では、多角形部は外部要素４の内部に存在すると共に、歯車６は円筒部１０の上に支持される。孔１２が多角形部８を貫通して延在すると共に円筒部１０の外面に部分円筒形のキー溝１４を形成する。歯車６の内周面にも部分円筒形のキー溝１６が存在する。組み立てられた状態では、上記キー溝１４および１６は互いに整列すると共に、テーパーネジ１８が孔１２および整列したキー溝１４および１６を通って延在し、歯車６をハブ２に対して回転方向に固定する。ピン１８はたとえば４°〜８°の比較的小さなテーパー角を有する。ピン１８は構成要素間の相対的回転を阻止すると共にハブ２を歯車６内へ堅固に引き込むためのダボとして機能する。

図２に示すように、外部要素４は、その内部に、八つのフィンガー２０を提供するよう形成されている。このフィンガー２０は外部要素の一部をなす部分であり、しかも概して要素４の接線方向に延在する。すなわちそれらは、それ自身を通る半径方向直線と概ね直角をなす。フィンガー２０の形状は次のようなものである。すなわちそれらは、片持ち梁様式で、外部要素４の軸線２２から離れる方向にそれぞれ撓むことができる。フィンガー２０は要素４の外側リング２６から内側に延在する本体部２４によって支持され、外側リング２６の上に歯２８が設けられている。フィンガー２０は対をなすようにグループ化されていると見なすことができ、各対のフィンガー２０はそれぞれの本体部２４から互いの方向に突出し、かつ互いに近接して存在するヘッド３０(図３)で末端をなしている。

各本体部２４は内側を向く突出部３２を備え、この突出部３２は、その半径方向の最も内側の末端において、軸線２２に中心が置かれた円弧面３４にて終わりをなしている。円弧面３４は各周方向端部において当接面３６にて終わりをなしており、この当接面３６は軸線２２に関して半径方向に延在する。

ハブ２の多角形部８は、その頂点のそれぞれに、カム面３８の対を備える(図３および図４参照)。図４に示すように、各カム面３８は凹形状を有し、この凹形状は、滑らかに湾曲した移行面４４によってつながった平坦な外側傾斜面４０,４２からなる。面４０,４２は湾曲している。すなわち、それらは移行面４４から離れる方向へと半径方向外側に傾いている。

その頂点間に多角形部８は凹部４６を有し、そのそれぞれは、個々の突出部３２の当接面３４の形状と相補的な形状を備えた基底面４８を有する。基底面４８および当接面３４は、軸線２２に中心が置かれた円弧状のものである。ゆえにそれらは支持面を提供し、そこで外部要素４はハブ２の上で回転できる。各凹部４６はまた一対の側壁５０を有し、これは、突出部３２の当接面３６同士の間の距離よりも僅かに大きな距離だけ互いに離間している。

外部要素４は、ハブ２の多角形部８が挿入された際、フィンガー２０は、その応力が作用していない状態から半径方向外側に必ず湾曲するよう形成されている。ゆえに、図２に示す状況では、フィンガー２０にはプレストレスが付与されている。外部要素４内で多角形部８が「中立」位置にあるときには、フィンガー２０のヘッド３０はカム面３８に関して最小エネルギーポジションを呈する。ゆえに、図４に示すように、当接ポイント５２は、軸線２２に最も近接する移行領域４４に沿ったポイントに位置する。この結果、フィンガー２０は作用する応力が最も小さな状態となる。

ハブ２および外部要素４は互いに相対的に、軸線２２を中心として上記「中立」状態から両側へ回転できる。各方向における回転制限は、それぞれの凹部４６の対向する側壁５０に対する、各突出部３２の一方の当接面３６または他方のそれとの間の当接によって得られる。図示の実施形態では、最大の相対的回転は「中立」状態から両側に３°である。図３は一方向に１°だけ回転した後の状況を示す。

「中立」状況から離れる回転によって、各ヘッド３０の当接面５４はカム面３８上に乗り上げ、フィンガー２０の応力を漸進的に増大させる。当接面５４およびカム面３８の形状は、面間の接触ポイントが当接面５４とカム面３８の両方に沿って移動するようなものである。例として、当接ポイント５２Ａ,５２Ｂ,５２Ｃおよび５２Ｄが当接面５４上に示されている。これら当接ポイントは、外部要素４に対してハブ２がさまざまな回転度合いにあるときにカム面３８と係合することになる。最端ポジションが図４に破線で示されており、ここでは当接面５４とカム面３８との間の当接はポジション５２Ｘにて生じる。

当接面５４の輪郭は、当接ポイントにおいて、当接面５４の曲率半径がカム面３８のそれよりも小さいかあるいはそれと同じであるようなものである。さらに、カム面３８、および特に移行面４４は、ハブ２が「中立」ポジションから回転するときヘッド３０の加速度を制御できる湾曲を有する。この湾曲によって装置を操作する際の衝撃が回避され、そしてヘッド３０の滑らかな加速をもたらす。

ヘッド３０とカム面３８との間の係合は二つの効果を有する。第一には、ハブ２および外部要素４を「中立」状態へと復帰させようとするセンタリング効果が実現される。第二には、当接面５４とカム面３８との間の摩擦は制動作用を生み出す。フィンガー２０とカム面３８との間の協働作用によって、フィンガー２０の特性によって決定されるバネレート、および当接面５４とカム面３８との間の摩擦係数および フィンガー２０によって加えられる荷重によって決定される制動力を有するバネ／ダンパーユニットが形成される。これらパラメーターを、特にフィンガー２０のスプリングレートを適当に調整することにより、ハブ２と外部要素４との間の上記振動の伝達を防止するかあるいは最小限に抑えるために、機構に伝達される振動を切り離すかあるいは非同調化することが可能となる。

支持面は、突出部３２と凹部４６の基底面４８との間に係合によって実現される。図５に示すように制動はスプリング付勢プランジャ５６によって増強できる。このプランジャ５６は、突出部３２の当接面３４との係合のために多角形部８内に収容可能である。図５に示すように、プランジャ５６は、所要のスプリング負荷を提供するため、弾性筒５８によって機能する。

他の手段、たとえば外部要素４との摩擦係合のために歯車６に対して皿ばね(図５および図６)を取り付けることによって制動作用を増強することも可能である。

図７ないし図９は、図１ないし図４に示すデバイスのさらなる変形例を示す。この変形例は、改変された本体部２４および凹部４６を具備してなる。

図７に示すように凹部４６は周方向に拡張され、しかも突出部３２はこれに対応して周方向に延在している。したがって突出部３２は横方向延在部６２を有し、これは片持ち梁様式で突出部３２から延在している。図９に示すように、延在部６２のそれぞれは摩擦面６４を有し、これは凹部４６の基底面４８と係合する。図２に示す実施形態と同じように、突出部３２は支持当接面３４を有し、この面は、突出部３２の中心線の両側へ向って各側のポイントＣへと延在する。ポイントＢとポイントＣとの間が摩擦面６４の一つの縁部であって、延在部６２は基底面４８から離間している。

延在部６２はプレストレスがかけられており、これによってそれは、ポイントＡとポイントＢとの間の摩擦面６４によって係合させられた基底面４８の領域に予荷重を作用させる。この結果、摩擦面６４とそれぞれの基底面４８との間に生じる摩擦はハブ２と外部要素４との間の相対的回転に抗し、これはフィンガー２０とカム面３８との間の係合によって得られる制動作用を増強する。

滑剤としてのオイルがハブ２の内部ベアリング孔２Ｂへと導入され、そしてこれはたとえば半径方向孔７４のような流路を介して、カム面３８、突出部３２および支持面４８へと供給される。

ハブ２の上に外部要素４を保持するために、どのような好適な手段が設けられてもよい。たとえば、タグ７０(図７)を外部要素４から半径方向内側に延在させて、突出部３２と凹部４６との間の支持面の領域でハブ２のスロット７２と係合するようにしてもよい。

さらなる改善は、摩擦面６４との当接領域における基底面４８の一部を周方向へ傾斜させることである。これを実施した場合、ハブ２と外部要素４との間の相対的回転は延在部６２の撓みを伴い、これによってそうした回転に弾性的抵抗が付与され、フィンガー２０とカム面２８との協働によって実現される効果を補う。

本発明による特定の実施形態において、効果的な振動の制動はフィンガー２０および延在部６２を、減衰されるべき振動の周波数よりも、少なくとも６または７倍の率だけ高い固有周波数をそれらが有するように形成することによって実現される。典型的な形態では、フィンガー２０および延在部６２の固有周波数は、制動されるべき振動の周波数よりも１４ないし２５倍高い。ギアユニットに対して半径方向外側ポジションにフィンガーを配置することにより、摩擦制動が作用するモーメントアーム長が増大する。フィンガー２０および延在部６２は遠心力を受けることになるが、それは20,000rpmを上回る回転速度においてさえ小質量フィンガー設計によって比較的小さなものであり、しかも適当な予荷重によって容易に相殺できる。

二重ギアアセンブリへの応用として本発明を説明したが、他のコンポーネントまたはアセンブリに本発明を採用することもできる。たとえば、ハブ２は、歯車６のような小さなギアを持たない回転軸すなわちシャフト上に取り付けるかあるいは形成でき、これによって制動効果は回転軸すなわちシャフトと外部要素４との間で得られる。これに代えて、外部要素４は、フライホイール、または振動制動器として機能するよう適切に重量を付加できるその他の慣性コンポーネントによって置き換えることが可能である。ゆえに、本発明はクランクシャフトの(内部型あるいは適当なシールを備えた外部型の)ダンパーに、あるいは振動振幅および動的トルク減速または周波数変更が必要な他の用途に採用できる。

歯車アセンブリの形態の回転デバイスの分解組立斜視図である。 図１の歯車アセンブリの端面図である。 アセンブリの一部の拡大図である。 さらなる拡大図である。 代替実施形態を示す図２に対応する図である。 図５のVI‐VI線での断面図である。 さらなる代替実施形態の分解組立斜視図である。 図７の実施形態を示す図２に対応する図である。 図８のＡ‐Ａ線で取った断面図である。 図８の実施形態を反対側から見た図である。 図７の一部の拡大図である。

符号の説明

２ 内部要素
４ 外部要素
６ 歯車
８ 多角形部
１０ 円筒部
１２ 孔
１４,１６ キー溝
１８ ピン
２０ フィンガー
２２ 軸線
２４ 本体部
２６ 外側リング
２８ 歯
３０ ヘッド
３２ 突出部
３４ 円弧面
３６ 当接面
３８ カム面
４０,４２ 傾斜面
４４ 移行面
４６ 凹部
４８ 基底面
５０ 側壁
５２,５２Ａ〜５２Ｄ 当接ポイント
５４ 当接面
５６ スプリング付勢プランジャ
５８ 弾性筒
６２ 横方向延在部
６４ 摩擦面
７０ タグ
７２ スロット
７４ 半径方向孔

Claims (26)

1. 内部要素と外部要素とを具備してなる回転デバイスであって、
   前記要素の一方は片持ち式弾性フィンガーを有し、その自由端部は他方の要素のカム面と摩擦係合し、これによって、前記要素間の回転振動の制動と共に、最小エネルギーポジションからの両方向への前記要素の相対的回転に対して弾性抵抗をもたらすようになっていることを特徴とする回転デバイス。
2. 前記カム面は傾斜面を具備し、この傾斜面は、互いに反対方向に、前記カム面の最小エネルギーポジションから離れるように傾斜させられていることを特徴とする請求項１に記載の回転デバイス。
3. 前記傾斜面は、前記最小エネルギーポジションを含む移行面によって互いにつながっていることを特徴とする請求項２に記載の回転デバイス。
4. 前記移行面の曲率半径は、各傾斜面から離れる方向に前記最小エネルギーポジションまで減少することを特徴とする請求項３に記載の回転デバイス。
5. 前記フィンガーは前記カム面と係合する当接面を有し、前記当接面は、前記カム面との当接ポイントにおける前記当接面の曲率半径が、前記カム面上の前記当接面の全ての相対ポジションにおいて前記カム面の当接領域の曲率半径よりも小さいかあるいはそれと等しいような輪郭を有することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の回転デバイス。
6. 前記内部要素および前記外部要素の相対的回転を制限するために前記内部要素と前記外部要素との間で作用する抑止手段が設けられたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の回転デバイス。
7. 前記抑止手段は前記カム面から離れるよう配置されていることを特徴とする請求項６に記載の回転デバイス。
8. 前記抑止手段は前記要素間の相対的回転を１０°以下の角度に制限することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の回転デバイス。
9. 前記抑止手段は前記要素間の相対的回転を６°以下の角度に制限することを特徴とする請求項８に記載の回転デバイス。
10. 前記抑止手段は前記要素の一方における凹部からなり、この凹部は前記要素の他方から延在する突出部を収容することを特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載の回転デバイス。
11. 前記凹部は周方向に離間した壁によって形成され、前記突出部は、前記壁間の間隔よりも小さな周方向長さを有することを特徴とする請求項１０に記載の回転デバイス。
12. 前記凹部の基底は、前記内部要素上の前記外部要素の回転サポートを提供することを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の回転デバイス。
13. 弾性的に取り付けられたプランジャが、前記突出部との摩擦接触のために前記凹部内へと半径方向に付勢されていることを特徴とする請求項１０ないし請求項１２のいずれか１項に記載の回転デバイス。
14. 前記突出部は少なくとも一つの延在部を備え、この延在部は弾性的負荷のもと前記凹部の基底と摩擦係合することを特徴とする請求項１０ないし請求項１３のいずれか１項に記載の回転デバイス。
15. 前記または各延在部は、弾性荷重を付与するためのプレストレスト弾性アームを具備してなることを特徴とする請求項１４に記載の回転デバイス。
16. 前記突出部は二つの前記延在部を備え、この延在部は概ね前記突出部の反対側へと周方向に延在していることを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の回転デバイス。
17. 前記フィンガーは、それを中心として回転振動が生じる軸に関して概ね接線方向に延在していることを特徴とする請求項１ないし請求項１６のいずれか１項に記載の回転デバイス。
18. 前記フィンガーは、それぞれの要素に設けられた複数のフィンガーの一つであることを特徴とする請求項１ないし請求項１７のいずれか１項に記載の回転デバイス。
19. 前記フィンガーは対になって配置されており、各対の前記フィンガーは、前記それぞれの要素に対するその接続部から互いの方向に延在していることを特徴とする請求項１８に記載の回転デバイス。
20. 前記または各フィンガーは前記外部要素に設けられており、かつ前記または各カム面は前記内部要素に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項１９のいずれか１項に記載の回転デバイス。
21. 前記内部要素は概して多角形状であり、前記カム面は前記多角形の頂点に設けられていることを特徴とする請求項２０に記載の回転デバイス。
22. 前記内部要素は概ね正方形状であることを特徴とする請求項２１に記載の回転デバイス。
23. 前記抑止手段は、前記内部要素の前記頂点同士の間のポジションに配置されていることを特徴とする請求項７に従属した際の請求項２１または請求項２２に記載の回転デバイス。
24. 歯車を形成していることを特徴とする請求項１ないし請求項２３のいずれか１項に記載の回転デバイス。
25. 実質的に添付の図１ないし図４または図５および図６を参照して説明し、かつこれらの図に示したような歯車。
26. 請求項１ないし請求項２４のいずれか１項に記載の回転デバイスを含む機構。

Images