JP2012225477A

JP2012225477A - カップリング装置

Info

Publication number: JP2012225477A
Application number: JP2011095793A
Authority: JP
Inventors: Morimasa Osada; 守正長田; Masaki Hironaka; 正樹廣中
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2031-04-22
Also published as: EP2514993A1; EP2514993B1; JP5740198B2

Abstract

【課題】回転変動の効果的な吸収や耐久性の向上等を実現したカップリング装置を提供する。
【解決手段】急加速によって第２ハーフ４２の回転力よりも第１ハーフ４１の回転力が有意に大きくなると、第１ハーフ４１が第２ハーフ４２に対して正方向（左方向）に比較的大きい角度をもって相対回転し、鋼球４３は、第１凹部５１内で傾斜部５１ｃに乗り上げ、第２凹部５２内で傾斜部５２ｂに乗り上げる。鋼球４３が第１凹部５１の傾斜部５１ｃや第２凹部５２の傾斜部５２ｂに乗り上げた場合には、第１ハーフ４１と第２ハーフ４２との間隙ｔ’が大きくなることで皿ばね４４が圧縮され、皿ばね４４が乗上量に応じた大きな付勢力をもって第２ハーフ４２を付勢する。そして、第１ハーフ４１の急加速や急減速が収まると、鋼球４３は、第１凹部５１の傾斜部５１ｂ，５１ｃや第２凹部５２の傾斜部５２ｂ，５２ｃから平坦部５１ａ，５２ａに復帰する
【選択図】図５

Description

本発明は、エンジンや産業機械等の動力伝達に用いられるカップリング装置に係り、詳しくは回転変動の効果的な抑制や耐久性の向上等を図る技術に関する。

自動車用の４気筒レシプロエンジンには、機関燃焼に伴って生じる基本振動の二次成分を抑制すべく、バランサ装置（二次バランサ）が装着されることが多い。バランサ装置は、バランサケースに保持された一対のバランサシャフトをクランクシャフトの２倍の回転数で回転させるもので、バランサケースがシリンダブロックの下方（すなわち、オイルパン内）に締結されるアドオン型（カートリッジ型）のものが公知となっている（特許文献１，２参照）。

特許文献１のバランサ装置では、クランクシャフトとバランサシャフトとにそれぞれスプロケットが取り付けられており、両スプロケットに掛け渡されたチェーンによってバランサシャフトが駆動される。また、特許文献２のバランサ装置では、クランクシャフトとバランサシャフトとにそれぞれギヤが固着されており、これらギヤの噛み合いによってバランサシャフトが駆動される。
特許第３６４６０９１号公報特許第３７２９００６号公報

上述したアドオン型のバランサ装置では、シリンダブロックおよびバランサケースの加工公差や組立公差に起因して、クランクシャフトとバランサシャフトとの間に軸間公差が少なからず生じる。特許文献１のバランサ装置では、チェーンの張り具合によって軸間公差を吸収するが、スプロケットやチェーンの他、チェーンに張りを与えるオートテンショナ等も必要となる。そのため、スプロケットの回転に伴う張力変動によってチェーンが振動し、駆動騒音やチェーン伸び、フリクションの増大等が課題となるだけでなく、構成部品点数や組立工数が非常に多くなって重量の増大および製造コストも上昇することが避けられなかった。

また、特許文献２のバランサ装置では、軸間公差によってクランクシャフト側のギヤとバランサシャフト側のギヤとの間のバックラッシが変化するため、一方のギヤを樹脂ギヤとしてバックラッシを吸収するとともに、エンジンの回転変動（角速度変動）による樹脂ギヤの破損等を防止すべく動力伝達経路に緩衝用のストッパゴムを介装させている。しかしながら、ゴム材料は、長期間の使用によって経年劣化や圧壊、熱硬化等を起こすため、エンジンに内装するバランサ装置の構成要素として採用する場合には十分な設計的配慮が必要となる。なお、シリンダブロックとバランサケースとの間に調整用のシムを介装させてバックラッシを適正化して、クランクシャフト側のギヤとバランサシャフト側のギヤとをともに金属ギヤとする方法もあるが、これは大量生産されるエンジンには組立工数の面から適用することが難しかった。

本発明は、このような背景に鑑みなされたもので、回転変動の効果的な抑制や耐久性の向上等を実現したカップリング装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面では、同一の回転軸をもって回転する第１の回転体と第２の回転体との間に介装され、当該第１の回転体の回転を当該第２の回転体に所定量の相対回転を許容しながら伝達するカップリング装置であって、前記第１の回転体と伴に回転し、その端面に第１凹部が形成された第１ハーフと、前記第２の回転体と伴に回転し、その端面に前記第１凹部に対向する第２凹部が形成された第２ハーフと、前記第１凹部と前記第２凹部との間に嵌装され、当該第１凹部と当該第２凹部との少なくとも一方から抜け出す方向に移動可能な球体と、前記第１ハーフと前記第２ハーフとを前記回転軸に沿って接近させる方向に、当該第１ハーフと当該第２ハーフとの少なくとも一方を付勢する付勢部材とを備えた。

また、本発明の第２の側面では、前記第１凹部と前記第２凹部との少なくとも一方は、前記球体の前記回転軸方向への移動を伴わずに前記相対回転を許容する平坦部と、当該平坦部の両側に連続し、前記球体の前記抜け出す方向への移動を伴って前記相対回転を許容する傾斜部とを有する。

また、本発明の第３の側面では、前記第１凹部の最大深さと前記第２凹部の最大深さとの和は前記球体の直径よりも小さく、かつ、前記第１凹部の最大深さと前記第２凹部の最大深さとのどちらか一方が前記球体の半径よりも大きい。

また、本発明の第４の側面では、前記第１凹部の最大深さが前記第２凹部の最大深さよりも大きい。

本発明の第１の側面によれば、第１の回転体と第２の回転体との間に回転力の差が生じると、球体が第１凹部や第２凹部から抜け出す方向に転動し、第１ハーフと第２ハーフとが瞬間的に相対回転することで第２ハーフ側の回転変動が抑制される。そして、第１の回転体と第２の回転体との間の回転力の差が無くなると、付勢部材の付勢力によって球体が第１凹部および第２凹部に再び嵌入し、第１の回転体と第２の回転体とが相対回転を伴わずに回転する。また、第２の側面によれば、球体が平坦部内で転動することで、微少な相対回転は抵抗無く行われる。また、第３の側面によれば、球体が平坦部に位置している場合にも第１ハーフと第２ハーフとの間に間隙が形成されるとともに、カップリングの回転に伴う遠心力によって球体が第１凹部や第２凹部から抜け出すことが防止される。また、第４の側面によれば、回転変動が抑制された第２凹部側を深くすることにより、球体の飛び出しが一層効果的に抑制される。

実施形態に係るエンジンの部分断面側面図である。図１中のII−II拡大断面図である。実施形態に係る第１バランサシャフトおよびカップリングの分解斜視図である。実施形態に係るカップリングの要部拡大断面図である。実施形態の作用を示す図である。実施形態に係る皿ばねの付勢力の変化を示すグラフである。実施形態に係るカップリングの作動トルクの変化を示すグラフである。一部変形例に係るバランサ装置を示す平面図である。

以下、図面を参照して、本発明を適用した自動車エンジン用バランサ装置の実施形態とその一部変形例とを詳細に説明する。なお、各部材の説明にあたっては、図１中の左方を前、下方を下、紙面手前側を左とし、位置や方向をこれらに沿って表記する。

［実施形態］
≪実施形態の構成≫
図１に示すエンジン１は、４サイクル直列４気筒ディーゼルエンジンであり、シリンダブロック２や、ロアブロック３、オイルパン４、シリンダヘッド５、ヘッドカバー６等によって構成されている。シリンダブロック２およびロアブロック３は、クランクシャフト１１を回転自在に支持している。エンジン１の運転時において、クランクシャフト１１にコネクティングロッド１２を介して連結されたピストン１３は、シリンダブロック２に形成されたシリンダボア１４内を往復動する。バランサ装置２０は、ロアブロック３の下面に締結されており、クランクシャフト１１に一体化された斜歯のドライブギヤ１５によって駆動される。なお、ドライブギヤ１５は、肌焼鋼等の鍛造品あるいは鋳造品に歯切り加工を施したもので、クランクシャフト１１に圧入されている。

（バランサ装置）
図２に示すように、バランサ装置２０は、装置の外郭をなすバランサケース２１と、バランサケース２１に前後各一対のプレーンベアリング２２を介して回転自在に支持された第１，第２バランサシャフト２３，２４と、ドライブギヤ１５に噛み合うドリブンギヤ２５と、ドリブンギヤ２５と第１バランサシャフト２３とを連結するカップリング２６と、第１バランサシャフト２３に固着された第１ギヤ２７と、第２バランサシャフト２４に固着されて第１ギヤ２７に噛み合う第２ギヤ２８とを有している。第１，第２バランサシャフト２３，２４は、それぞれにバランサウエイト２３ａ，２４ａを有しており、クランクシャフト１１の２倍の回転数をもって互いに逆方向に回転する。

ドリブンギヤ２５は、鋼製のギヤベース（後述するカップリング２６の第１ハーフ４１）の外周に樹脂ギヤ部２９を固着してなる樹脂ギヤであり、第１バランサシャフト２３の中径軸部２３ｂにプレーンベアリング３０を介して回転自在に支持されている。樹脂ギヤ部２９は、アラミド系強化繊維の基材にポリアミノアミド樹脂を注入硬化させた素材に対し、歯切り加工を行うことによって製造される。なお、本実施形態の場合、第１ギヤ２７は鋼製であるが、第２ギヤ２８はドリブンギヤ２５と同様の樹脂ギヤとなっている。

（カップリング）
図３にも示すように、カップリング２６は、第１バランサシャフト２３の小径軸部２３ｃに外嵌・圧入されるカップリングハウジング４０、ドリブンギヤ２５と一体の第１ハーフ４１と、第１ハーフ４１に対峙する第２ハーフ４２、第１ハーフ４１と第２ハーフ４２との間に介装される複数個（本実施形態では、４個）の鋼球４３、カップリングハウジング４０の前壁と第２ハーフ４２との間に介装された皿ばね４４、カップリングハウジング４０と第１ハーフ４１との間に介装されたスラストベアリング４５、第１バランサシャフト２３の大径軸部２３ｄの端面とドリブンギヤ２５との間に介装されたスラストベアリング４６等から構成されている。

第１バランサシャフト２３には中径軸部２３ｂと小径軸部２３ｃとの間に雄スプライン４７が形成される一方、第２ハーフ４２には雄スプライン４７に係合する雌スプライン４８が形成されており、第２ハーフ４２と第１バランサシャフト２３とは、両スプライン４７，４８を介して軸方向に相対摺動しながら動力を伝達するようになっている。

図４にも示すように、第１ハーフ４１と第２ハーフ４２とには対向する面に複数（本実施形態では、各４つ）の第１凹部５１と第２凹部５２（図３には示さず）とが形成されており、鋼球４３がこれら第１，第２凹部５１，５２に嵌り込む。なお、第１ハーフ４１と第２ハーフ４２とは、初期状態において所定の間隙ｔをもって対峙している。

第１凹部５１は、周方向に所定の長さを有するとともに第１ハーフ４１の端面と平行な平坦部５１ａと、平坦部５１ａの両側に連続するとともに第２ハーフ４２側に向けて傾斜した傾斜部５１ｂ，５１ｃとからなっている。また、第２凹部５２も、第１凹部５１の平坦部５１ａと同一の長さを有し第２ハーフ４２の端面と平行な平坦部５２ａと、平坦部５２ａの両側に連続するするとともに第１ハーフ４１側に向けて傾斜した傾斜部５２ｂ，５２ｃとからなっている。第１凹部５１の傾斜部５１ｂは第２凹部５２の傾斜部５２ｃと平行となっており、第１凹部５１の傾斜部５１ｃは第２凹部５２の傾斜部５２ｂと平行となっている。また、第１凹部５１の傾斜部５１ｂと第２凹部５２の傾斜部５２ｃとは第１，第２ハーフ４１，４２に対して同一の傾斜角を有しており、第１凹部５１の傾斜部５１ｃと第２凹部５２の傾斜部５２ｂとは同一の傾斜角を有している。

図４に示すように、第１凹部５１の最大深さＨ１（第１ハーフ４１の前端面から平坦部５１ａまでの距離）と第２凹部５２の最大深さＨ２（第２ハーフ４２の後端面から平坦部５２ａまでの距離）との和は、鋼球４３の直径Ｄよりも小さく設定され、かつ、第２凹部５２の最大深さＨ２が鋼球４３の半径Ｄ／２よりも大きく設定されている。

≪実施形態の作用≫
エンジン１の運転に伴ってクランクシャフト１１と一体のドライブギヤ１５が回転すると、バランサ装置２０では、ドライブギヤ１５に噛み合ったドリブンギヤ２５がクランクシャフト１１の２倍の回転速度をもって回転する。ドリブンギヤ２５の回転は、第１ハーフ４１から鋼球４３を介して第２ハーフ４２に伝達され、第２ハーフ４２にスプライン係合した第１バランサシャフト２３が回転する。更に、第１バランサシャフト２３が回転すると、第１バランサシャフト２３側の第１ギヤ２７と第２バランサシャフト２４側の第２ギヤ２８とが噛み合っているため、第２バランサシャフト２４が第１バランサシャフト２３とは逆方向に回転する。これにより、機関燃焼に伴って生じる基本振動の二次成分がバランサウエイト２３ａ，２４ａの回転によって打ち消され、エンジン１の円滑な運転が実現される。また、ドリブンギヤ２５と第２ギヤ２８とを樹脂ギヤとしたため、クランクシャフト１１と第１バランサシャフト２３との間の軸間公差のばらつきに起因するギヤ駆動騒音を抑制でき、シムによる調整を行うことなくバランサ装置２０の駆動騒音を低減させることもできる。

エンジン１が運転状態にある場合、ドライブギヤ１５によってドリブンギヤ２５が駆動されるため、第１ハーフ４１が第２ハーフ４２に対して正方向（図４中、上方向）に相対回転し、鋼球４３は、第１凹部５１内で平坦部５１ａを転動して傾斜部５１ｃに若干乗り上げて係止され、第２凹部５２内で平坦部５２ａを転動して傾斜部５２ｂに若干乗り上げて係止される。なお、鋼球４３の傾斜部５１ｃ，５２ｂへの乗上量は、皿ばね４４のイニシャルロードによって変化する。

鋼球４３の傾斜部５１ｃ，５２ｂへの乗上量が小さい場合には、第１ハーフ４１と第２ハーフ４２との間隙ｔがあまり変化しないため、皿ばね４４も初期状態からあまり圧縮されない。なお、エンジン１の運転時にはカップリング２６の回転に伴う遠心力が鋼球４３に作用するが、第２凹部５２の最大深さＨ２が鋼球４３の半径Ｄ／２よりも大きく設定されているため、定常運転時においては第２凹部５２内に鋼球４３が確実に保持される。

エンジン１の始動時や急加減速時においては、クランクシャフト１１が大きな回転変動を伴って回転し、ドライブギヤ１５に駆動されるドリブンギヤ２５が急加速あるいは急減速する。本実施形態の場合、急加速によって第２ハーフ４２の回転力よりも第１ハーフ４１の回転力が有意に大きくなると、図５（ａ）に示すように、鋼球４３は、第１凹部５１内で傾斜部５１ｃに大きな乗上量をもって乗り上げ、第２凹部５２内で傾斜部５２ｂに大きな乗上量をもって乗り上げ、これによって第１ハーフ４１が第２ハーフ４２に対して正方向に比較的大きい角度をもって相対回転する。また急減速によって第２ハーフ４２の回転力よりも第１ハーフ４１の回転力が有意に小さくなると、図５（ｂ）に示すように、鋼球４３は、第１凹部５１内で平坦部５１ａを経由して傾斜部５１ｂに大きな乗上量をもって乗り上げ、第２凹部５２内で平坦部５２ａを経由して傾斜部５２ｃに大きな乗上量をもって乗り上げ、これによって第１ハーフ４１が第２ハーフ４２に対して逆方向に比較的大きい角度をもって相対回転する。

このように、鋼球４３が第１凹部５１の傾斜部５１ｂ，５１ｃや第２凹部５２の傾斜部５２ｂ，５２ｃに大きな乗上量をもって乗り上げた場合には、第１ハーフ４１と第２ハーフ４２との間隙ｔ’が大きくなることで皿ばね４４が強く圧縮され、皿ばね４４が鋼球４３の乗上量に応じた大きな付勢力をもって第２ハーフ４２を付勢する。そして、第１ハーフ４１の急加速や急減速が収まると、鋼球４３は、第１凹部５１の傾斜部５１ｂ，５１ｃや第２凹部５２の傾斜部５２ｂ，５２ｃから平坦部５１ａ，５２ａ側に復帰することになる。その結果、ドリブンギヤ２５の大きな回転変動も効果的に抑制され、ドライブギヤ１５と噛み合う樹脂ギヤ部２９には衝撃が殆ど作用しない。

図６に示すように、皿ばね４４から第２ハーフ４２に加わる付勢力Ｆは第１ハーフ４１と第２ハーフ４２との相対角度θによって変化し、相対角度θが小さい領域（鋼球４３が平坦部５１ａ，平坦部５２ａ内で転動する領域）は付勢力Ｆが一定となる不感域となり、相対角度θが不感域から外れると（鋼球４３が第１凹部５１の傾斜部５１ｂ，５１ｃや第２凹部５２の傾斜部５２ｂ，５２ｃに乗り上げると）、相対角度θの増大に応じて付勢力Ｆがリニアに増大する。また、図７に示すように、カップリング２６の作動トルクＴは、相対角度θが不感域にあるときには略０となり、相対角度θが不感域から外れた時点で大きな値となるとともに相対角度θが増大するに連れてリニアに増大する。

これにより、上述した樹脂ギヤ部２９を介して入力したドライブギヤ１５の回転変動は、ドライブギヤ１５の駆動トルクに対する第１ハーフ４１と第２ハーフ４２との非線形な変位によって効果的に緩衝される。なお、本実施形態では、第１，第２凹部５１，５２における平坦部５１ａ，５２ａや傾斜部５１ｂ，５１ｃ，５１ｂ，５１ｃ、皿ばね４４の設定により、共振回転速度や共振振幅を種々に変更することができる。例えば、平坦部５１ａ，５２ａの長さを長くした場合、共振回転速度が低くなる一方で共振振幅が大きくなる。また、傾斜部５１ｂ，５１ｃ，５１ｂ，５１ｃの傾斜角を大きくした場合、共振回転速度が高くなる一方で共振振幅が小さくなる。そして、皿ばね４４のばね定数を大きくした場合も、共振回転速度が高くなる一方で共振振幅が小さくなる。

本実施形態では、上述した構成を採ったことにより、長期間にわたるエンジン１の運転が行われても、ドリブンギヤ２５の樹脂ギヤ部２９に摩耗や破損が生じなくなる。また、ドライブギヤ１５と樹脂ギヤ部２９との回転方向の緩衝がいずれも金属製の部品である第１ハーフ４１や第２ハーフ４２、鋼球４３、皿ばね４４によって行われるため、ゴム材料を用いた従来装置に較べ遙かに高い耐久性を得ることができる。

［一部変形例］
図８に示すように、一部変形例のバランサ装置２０は、上述した実施形態のものと同様のカップリング２６やドリブンギヤ２５を有しているが、第１，第２ギヤ２７，２８がカップリング２６の前方に配置され、プレーンベアリング２２が第１，第２ギヤ２７，２８の更に前方に配置されている。なお、第１バランサシャフト２３は、軸方向に分割された２つの部材からなっており、ドリブンギヤ２５やカップリング２６を介装させた状態で圧入によって組み立てられる。一部変形例では、このような構成としたことにより、両バランサシャフト２３，２４の支持剛性が高くなり、実施形態に較べてバランサ装置２０の駆動騒音を更に低減させることができる。

以上で具体的実施形態および一部変形例の説明を終えるが、本発明の態様はこれら実施形態や一部変形例に限られるものではない。例えば、上記実施形態は自動車エンジン用バランサ装置に本発明を適用したものであるが、本発明は、エンジンの動弁装置や一般機械の各種動力伝達装置にも適用可能である。また、上記実施形態では鋼球が第１凹部と第２凹部との双方に対して抜け出し方向に移動するものとしたが、一方の凹部に対してのみ抜け出し方向に移動する（他方の凹部には移動不能に保持される）ものとしてもよい。また、上記実施形態では、第１凹部や第２凹部内の傾斜部の傾斜を正方向と逆方向とで同一に設定したが、これらを互いに異ならせるようにしてもよい。また、上記実施形態では平坦部による不感域を設けたが、この不感域は必ずしも設ける必要が無い。また、上記実施形態ではプレーンベアリングによってバランサシャフトを支持させるようにしたが、ニードルベアリングやアンギュラ玉軸受等によってバランサシャフトを支持させるようにしてもよい。また、付勢部材として、上記実施形態では皿ばねを用いたが、圧縮コイルばね等を用いてもよい。また、カップリングハウジングと第２ハーフとの間にエンジンオイルを貯留させるとともに、カップリングハウジングにオイル排出用の小孔を設けることにより、カップリングにダッシュポッド機能を兼ねさせるようにしてもよい。その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば、エンジンやバランサ装置、カップリングの具体的構造等についても適宜変更可能である。

１５ドライブギヤ
２０バランサ装置
２１バランサケース
２３第１バランサシャフト
２５ドリブンギヤ
２６カップリング
２９樹脂ギヤ部
４０カップリングハウジング
４１第１ハーフ
４２第２ハーフ
４３鋼球
５１第１凹部
５１ａ平坦部
５１ｂ傾斜部
５１ｃ傾斜部
５２第２凹部
５２ａ平坦部
５２ｂ傾斜部
５２ｃ傾斜部

Claims

同一の回転軸をもって回転する第１の回転体と第２の回転体との間に介装され、当該第１の回転体の回転を当該第２の回転体に所定量の相対回転を許容しながら伝達するカップリング装置であって、
前記第１の回転体と伴に回転し、その端面に第１凹部が形成された第１ハーフと、
前記第２の回転体と伴に回転し、その端面に前記第１凹部に対向する第２凹部が形成された第２ハーフと、
前記第１凹部と前記第２凹部との間に嵌装され、当該第１凹部と当該第２凹部との少なくとも一方から抜け出す方向に移動可能な球体と、
前記第１ハーフと前記第２ハーフとを前記回転軸に沿って接近させる方向に、当該第１ハーフと当該第２ハーフとの少なくとも一方を付勢する付勢部材と
を備えたことを特徴とするカップリング装置。
前記第１凹部と前記第２凹部との少なくとも一方は、
前記球体の前記回転軸方向への移動を伴わずに前記相対回転を許容する平坦部と、
当該平坦部の両側に連設され、前記球体の前記抜け出す方向への移動を伴って前記相対回転を許容する傾斜部と
を有することを特徴とする、請求項１に記載のカップリング装置。
前記第１凹部の最大深さと前記第２凹部の最大深さとの和は前記球体の直径よりも小さく、かつ、前記第１凹部の最大深さと前記第２凹部の最大深さとのどちらか一方が前記球体の半径よりも大きいことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のカップリング装置。
前記第１凹部の最大深さが前記第２凹部の最大深さよりも大きいことを特徴とする、請求項３に記載のカップリング装置。