JP2009204131A - エンジンバランサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
はすば歯車が伝える振動的なトルクが静的なトルクに比べて大きいバランサ装置に好適な、低騒音かつ低コストのスラスト軸受を有するバランサ装置を提供する。
【解決手段】
偏心位置にバランスウェイトを有する駆動軸及び従動軸と、駆動軸及び従動軸と同軸に設けた、はすば駆動歯車及びはすば従動歯車からなるエンジンバランサ装置において、いずれか一方の歯車の両側面に固定した円板状のスラストカラーにより、他方の歯車を挟み込むことで、動力の伝達により歯車間に発生する軸方向荷重をスラストカラーが分担する構造として、軸方向の変動荷重が歯車箱に伝わらないようにするとともに、軸受隙間を精密に管理し、スラスト打音の発生を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンバランサ装置の振動や騒音を低減するための振動低減機構に関わり、特にはすば歯車を用いて構成されたエンジンバランサ装置の振動を低減する軸受構造に関する。

乗用車などに搭載されている原動機の多くはレシプロエンジンであるが、４気筒ディーゼルエンジンなど、比較的気筒数が少なく爆発力が大きいエンジンにおいては、この爆発のサイクルでエンジン振動が発生し、乗員に不快感を与えるため、エンジンの底部にバランサ装置と呼ばれる振動低減装置が装着されることがある。

この装置は、回転軸上の偏心位置にバランスウェイトを設け、この軸を回転させることにより発生する慣性力を用いて振動を打ち消す。たとえば４ストローク４気筒エンジンの場合、エンジン出力軸（クランク軸）１回転当たり２回の爆発があるため、クランク軸の回転を歯車などで増速し、前述のバランスウェイト軸をクランク軸の２倍の速度で回転させれば、エンジン振動を低減することが可能となる。バランスウェイト軸の振れ回り振動を抑制するため、ほとんどの場合、バランサ装置は平行して置かれた２本のバランスウェイト軸から構成されており、位相を合わせたバランスウェイトが互いに逆方向に回転することで、２本の軸の中心線で形成される平面に対して法線方向の慣性力を得ている。２個のバランスウェイトの位相合わせには、かみ合い振動が小さい、はすば歯車が用いられる。

上述したバランスウェイト軸を回転させるのに要するトルクは、歯車及び軸受の粘性摩擦損失や流体損失、加減速に伴う軸回りの慣性トルクなどであり、その大きさは基本的に小さい。しかし、エンジンの爆発のたびに大きなトルク変動が発生するため、バランスウェイトを駆動するはすば歯車は、軸方向の変動荷重を発生させる。また歯車自体がかみ合って回転することによっても、同様に軸方向の変動荷重が発生する。前者の周期はエンジンの爆発サイクル、後者は歯車の歯のかみ合いサイクルとなり、はすば歯車を軸方向に保持しているスラスト軸受に変動荷重を生じさせる。この変動荷重は、歯車箱からエンジンマウントを介して車室へと伝播して、車室内壁を振動させるため、乗員に騒音として認識されて問題となることがある。

また、これらの荷重は軸受に対して変動的に作用するため、スラスト軸受の軸方向に比較的大きな隙間があると、軸受面が打撃され、いわゆるスラスト打音を生じさせて問題となることがある。

更に、バランスウェイト軸の回転速度は最高で毎分１２０００回転を越えるため、滑り速度が大きいスラスト軸受における動力損失は、バランサ装置の損失の大きな部分を占めている。

以上のような問題に対し、たとえば特許文献１に示すような構造が提案されている。すなわち、車両用主減速機に使用される遊星歯車装置の太陽歯車，遊星歯車，内歯車をはすば歯車を用いて構成し、遊星歯車が発生する軸方向荷重を、太陽歯車の外周部、及び内歯車の内周部に設けた、いわゆるスラストカラーによって分担する。スラストカラーを太陽歯車に固定すると組み立て性を悪化させるので、カラーが軸方向荷重を受けた場合に径が変化するばねリングを設け、カラーが軸方向荷重を分担すると、リングの径が変化して太陽歯車とカラーとが締結されるようにしている。

以上のような構成により、歯車が発生する軸方向荷重は相手側歯車に設けたカラーにより分担されるため、歯車箱へ伝播する振動は小さくなる。またカラーは歯車とともに回転しているため、スラスト軸受を静止側に設けた場合と比べて滑り速度が小さく、軸受の動力損失も減少する。

特表２０００−５０４８１７号公報

バランサ装置のように、歯車が伝える振動的なトルクの振幅が静的なトルクを上回る場合、スラスト軸受部に比較的大きな隙間があると、スラスト打音が発生する。これは、軸方向の支持剛性に関しても同様であり、この剛性が低いと、軸方向の振動振幅が増加して騒音となる。従って、バランサ装置を構成するスラスト軸受においては、軸受隙間は小さく、支持剛性は高くなければならない。またエンジンの補機であるため、低コスト性も強く要求されている。

一方、上述した構成では、遊星歯車の軸方向荷重をばねリングが分担するため、ばねが全圧するまでは遊星歯車の軸方向支持剛性は低くなる傾向にある。また、構造が複雑であるため、低コストで信頼性の高いシステムを構築することは容易ではない。

本発明は、はすば歯車が伝える振動的なトルクが静的なトルクに比べて大きいバランサ装置に好適な、低騒音かつ低コストのスラスト軸受を有するバランサ装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のエンジンバランサ装置は、偏心位置にバランスウェイトを有する駆動軸及び従動軸と、両軸と同軸に設けた、駆動歯車及び従動歯車から構成され、互いにかみ合う駆動歯車及び従動歯車は、いずれもはすば歯車であり、いずれか一方の歯車の両側面に固定した円板状のスラストカラーにより、他方の歯車を挟み込むことで、動力の伝達により歯車間に発生する軸方向荷重をスラストカラーが分担する構造としている。

上記のような構造とすることで、歯車対の軸方向振動は歯車箱に伝わりにくいため、歯車のかみ合い騒音及びトルク変動による騒音が小さく、軸受隙間の管理が容易であり支持剛性も高いためスラスト打音が小さく、構造が簡単であるため低コストのスラスト軸受を有するエンジンバランサ装置が提供される。

以下、本発明に係る実施例を説明する。

本発明による一実施形態の斜視図を図１、正面図を図２に示し、これを用いて本実施形態の構成及び動作を説明する。

図示しないクランク軸と同軸に設けたクランク歯車１は、これよりやや径が小さい中間歯車２とかみ合っており、中間歯車２はこれより更に径が小さい駆動歯車３とかみ合っており、駆動歯車３はこれと同一径の従動歯車４とかみ合っている。クランク歯車１と駆動歯車３の径比は２になるよう調整されており、全ての歯車は、はすば歯車である。

中間歯車２は、図示しない歯車箱に固定された中間歯車軸１２によって回転自在に支持されているが、中間歯車２の軸穴部に設けた中間歯車軸受１５により径方向に拘束されるとともに、中間歯車軸１２の基部及び軸端に設けたスラスト押さえ１３及び１４により、軸方向にも拘束されている。

駆動歯車３は、駆動歯車軸５の一方の軸端部に固設されており、駆動歯車軸５は、歯車側軸受１９と反歯車側軸受２０により回転自在に支持されている。駆動歯車軸５の偏心位置には、駆動軸バランスウェイト７が設けられている。

従動歯車４は、駆動歯車軸５と略並行に設けた従動歯車軸６の一方の軸端部に固設されており、従動歯車軸６は、歯車側軸受２１と反歯車側軸受２２により回転自在に支持されている。従動歯車軸６の偏心位置には、従動軸バランスウェイト８が設けられている。駆動軸バランスウェイト７と従動軸バランスウェイト８とは、駆動歯車３と従動歯車４のかみ合い位置により、同位相に調整されている。

駆動歯車３の一方の側面には、軸受側スラストカラー１０が設けられており、他方の側面には、軸端側スラストカラー９が設けられている。軸受側スラストカラー１０及び軸端側スラストカラー９は、いずれも中央部に軸穴を設けた円盤形状をしており、歯車側面に設けた円柱状の段付部と軸穴とを嵌合させた上で、固定ねじ１１を用いて駆動歯車３の側面に固定されている。

中間歯車２及び従動歯車４の両側面には、それぞれ中間歯車スラスト面１６ａ及び１６ｂ，従動歯車スラスト面１７ａ及び１７ｂが形成してあり、軸受側スラストカラー１０と軸端側スラストカラー９の側面に設けたカラー摺動面１８ａ及び１８ｂと当接するようになっている。スラスト面１６及び１７とカラー摺動面１８は、軸直角断面に対して略並行に形成されている。

以上のようにバランサ装置を構成して、クランク歯車１を矢印３０の方向に回転させると、中間歯車２，駆動歯車３，従動歯車４は、それぞれ矢印３１，３２，３３の方向に回転することになる。クランク歯車１と駆動歯車３の径比は２であり、駆動歯車３と従動歯車４は同一径であるため、駆動歯車３と従動歯車４は、クランク歯車１の倍の速度で回転する。また、駆動歯車軸５と従動歯車軸６はそれぞれ逆方向に回転するため、駆動軸バランスウェイト７と従動軸バランスウェイト８もそれぞれ逆方向に回転し、互いの振れ回り荷重は打ち消されて、両軸の軸中心線で形成される平面に対して法線方向の荷重成分のみが、エンジン振動を低減するための力として取り出されることになる。

ここで、まず歯車列が伝達する静的な荷重を考えると、中間歯車２と駆動歯車３はかみ合い部が２箇所あり、それぞれ別の歯面でかみ合うことになる。若干の損失分を除けば、各かみ合い部における伝達荷重は概略等しいため、かみ合い部で生じる軸方向荷重は、大きさが同じで方向が逆となり、ほとんど打ち消されてしまう。一方、クランク歯車１と従動歯車４は、かみ合い部がそれぞれ１箇所であるため、クランク歯車１においては図示しないクランク軸の軸受，従動歯車４においては軸端側スラストカラー９が、それぞれ発生する軸方向荷重を分担することになる。ただ前述したように、歯車列が伝達する静的な荷重は比較的小さいため、これらに基づき発生する軸方向荷重も微小なものとなる。

次に、歯車のかみ合いによって発生する加振力は歯車対を加振するため、この歯車の振動が歯車箱に伝播すると、エンジンマウントを経由して車室内壁を振動させ、車室内騒音が増加する可能性がある。またエンジンの爆発による振動的荷重は、前述の静的荷重よりもはるかに大きいため、これにより歯車対が発生する軸方向荷重は、その方向が交互に変化することになる。この軸方向振動も、歯車箱へ伝播すると振動や騒音を引き起こす。さらには、このとき軸受隙間が大きいと、軸受面が打撃されてスラスト打音が発生する。

本発明においては、これらの軸方向の変動荷重を、軸端側スラストカラー９と軸受側スラストカラー１０とが分担する。歯面と一方のスラストカラーとの間に発生する軸方向荷重は、歯車間の内力として作用するため、歯車箱へ伝播する振動は減少し、騒音も同時に低減される。また歯車側面に設けたスラスト面１６及び１７と、カラー摺動面１８は平面であるため、研削加工で容易に形成可能であるとともに、それぞれの寸法管理も容易であるため、低コストで軸受隙間を精度よく管理可能となる。また、歯車相互の軸方向の支持剛性は、軸端側スラストカラー９と軸受側スラストカラー１０の曲げ剛性で調整可能なため、振動振幅を制限するのに十分な剛性を確保することが可能である。通常、上記のような平面軸受は動圧が発生しにくく焼き付き限界が低いが、バランサ装置のスラスト軸受に作用する荷重は変動成分が支配的であるため、絞り膜作用により油膜が形成され、耐焼き付き能が確保される。

また本発明においては、駆動歯車３及び従動歯車４が発生する軸方向荷重は、駆動歯車３の両側面に設けた軸端側スラストカラー９、及び軸受側スラストカラー１０が分担するため、最も高速で回転する駆動歯車軸５、及び従動歯車軸６にはスラスト軸受は必要ない。ただ、駆動歯車軸５及び従動歯車軸６には、軸方向の位置決めが必要であるため、これらよりもやや低速で回転する中間歯車に容量が小さく損失も小さいスラスト軸受を設け、これらの軸方向の位置決めを行う。以上の結果、スラスト軸受による動力損失が減少し、車両の燃費が向上される。

本発明による別の実施形態のスラストカラー部拡大図を図３に示し、これを用いて本実施形態の構成及び動作を説明する。

両側面を平面に形成された駆動歯車３は、駆動歯車軸５の一方の軸端付近に設けた、つば部２３に突き当てて固設されており、中心部軸方向に軸穴２５を設けた円板状の軸端側スラストカラー９、及び軸受側スラストカラー１０はそれぞれ、つば部２３の外径部、及び駆動歯車軸５の軸端部近傍と嵌合し、駆動歯車３の側面に止めねじ１１で固定されている。カラー摺動面１８ａ及び１８ｂは円すい状に形成され、これと当接する中間歯車スラスト面１６ａ及び１６ｂも同様に円すい状に形成されているため、両者は円すい母線で線接触することになる。なお、図示しない従動歯車スラスト面も中間歯車スラスト面１６ａ及び１６ｂと同様に円すい状に形成されている。また、軸受側スラストカラー１０の駆動歯車３と当接する側の側面には導油溝２４ｂが設けられ、軸穴部２５付近には導油溝入り口２４ａが設けられ、さらに軸受側スラストカラー１０と嵌合するつば部２３の一部が円すい状に形成されている。これら以外の構成は、前記の一実施形態と同一であるため、図示及び説明は省略する。

以上のようにスラストカラー部、及びその近傍を構成すると、駆動歯車３の側面は平面であるため加工性が向上し、なおかつスラストカラーの軸穴２５は、駆動歯車軸５の軸端部、及びつば部２３の外周部と直接嵌合するため、芯だし精度が向上する。また、カラー摺動部１８ａ及び１８ｂ，中間歯車スラスト面１６ａ及び１６ｂが円すい状に形成されており、両者が円すい母線で線接触するため、前述の絞り膜作用に加えてくさび膜作用によっても油膜が形成され、カラー摺動部１８ａ及び１８ｂの耐焼き付き能はさらに向上し、より大型のバランサ装置にも適用可能となる。さらに、駆動軸歯車側軸受１９から漏出した潤滑油は、遠心力により導油溝入り口２４ａから導油溝２４ｂを経由して、歯車の歯面２６やカラー摺動面１８ａ及び１８ｂへと供給されるため、特別な給油ノズルが不要となるばかりでなく、摺動部に直接給油がなされるため、焼き付きや摩耗に対する信頼性が向上する。

本発明による歯車は、通常の場合と同様に炭素鋼や合金鋼を用いて構成するのがよく、焼結材を用いてもよい。スラストカラーにも同種材料を用いてよいが、さらに好ましくは、ねずみ鋳鉄や球状黒鉛鋳鉄などの耐焼き付き能の高い材料を用いるとよく、初期なじみ性を高めるため、コーティングや表面処理を実施してもよい。

また本発明の実施例では、歯車とスラストカラーとを別部品としているが、焼結や鍛造，鋳造などにより、一方、あるいは両方のスラストカラーを歯車と一体に形成してもよい。さらに、実施形態の構成には中間歯車２が含まれているが、駆動歯車３はクランク歯車１と直接かみ合ってもよい。

本発明の一実施形態によるエンジンバランサ装置の斜視図である。 本発明の一実施形態によるエンジンバランサの正面図である。 本発明の別の実施形態によるエンジンバランサのスラストカラー部拡大図である。

符号の説明

１ クランク歯車
２ 中間歯車
３ 駆動歯車
４ 従動歯車
５ 駆動歯車軸
６ 従動歯車軸
７ 駆動軸バランスウェイト
８ 従動軸バランスウェイト
９ 軸端側スラストカラー
１０ 軸受側スラストカラー
１１ 固定ねじ
１２ 中間歯車軸
１３，１４ スラスト押さえ
１５ 中間歯車軸受
１６ａ，１６ｂ 中間歯車スラスト面
１７ａ，１７ｂ 従動歯車スラスト面
１８ａ，１８ｂ カラー摺動面
１９ 駆動軸歯車側軸受
２０ 駆動軸反歯車側軸受
２１ 従動軸歯車側軸受
２２ 従動軸反歯車側軸受
２３ つば部
２４ａ 導油溝入り口
２４ｂ 導油溝
２５ 軸穴
３０ クランク歯車回転方向
３１ 中間歯車回転方向
３２ 駆動歯車回転方向
３３ 従動歯車回転方向

Claims (6)

1. 偏心位置にバランスウェイトを有する駆動軸及び従動軸と、前記駆動軸及び前記従動軸と同軸に設けた、駆動歯車及び従動歯車からなるエンジンバランサ装置において、
   互いにかみ合う前記駆動歯車及び前記従動歯車ははすば歯車であり、いずれか一方の歯車の両側面に固定した円板状のスラストカラーにより、他方の歯車を挟み込むことで、動力の伝達により歯車間に発生する軸方向荷重を前記スラストカラーが分担することを特徴とするエンジンバランサ装置。
2. 請求項１に記載のエンジンバランサ装置において、前記駆動軸及び前記従動軸にスラスト軸受を持たないことを特徴とするエンジンバランサ装置。
3. 請求項１又は２に記載のエンジンバランサ装置において、エンジンのクランク軸と同軸に設けられたクランク歯車と、前記クランク歯車及び前記駆動歯車とかみ合う中間歯車とを備えており、前記スラストカラーを前記駆動歯車側面に設けたことを特徴とするエンジンバランサ装置。
4. 請求項１に記載のエンジンバランサ装置において、前記スラストカラーは円板の中心部軸方向に軸穴を有しており、前記スラストカラーの軸穴は前記駆動軸あるいは前記従動軸と嵌合することを特徴とするエンジンバランサ装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のエンジンバランサ装置において、前記スラストカラーの側面で、前記駆動歯車あるいは前記従動歯車の側面と当接する面に、導油溝を設けたことを特徴とするエンジンバランサ装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のエンジンバランサ装置において、前記スラストカラーの側面及びこれと当接する歯車の側面を、いずれも略円すい形に形成し、両円すいの母線において両者が当接するよう構成したことを特徴とするエンジンバランサ装置。

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