JP2014047836A - エンジンバランサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
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機器において、バックラッシを比較的大きく許容した場合に、歯面が衝突する際の歯打ち衝撃を緩衝し、なおかつ、歯車と歯車軸の間の同軸度精度を維持して、歯車の歯打ち騒音やかみ合い騒音を低くし、片当たり等に起因した歯面損傷を生じることなく、歯車が軸方向の変動荷重により抜け落ちることがない、信頼性の高い歯車装置を提供する。
【解決手段】
駆動歯車３および駆動軸１と従動歯車４とを備え、駆動歯車３および従動歯車４をかみ合わせて成る歯車対を備えたエンジンバランサ装置において、駆動歯車３は駆動軸１と嵌合されて成り、駆動歯車３と駆動軸１とを弾性的に固定する固定具を備える。
【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、はすば歯車などの平行軸歯車要素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歯車固定方法に関する。

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カウンターウェイトを設け、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、前述のカウンター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。カウンター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本のカウンターウェイト軸から構成されており、位相を合わせたカウンター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個のカウンター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。

上述したカウンター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、車両を走行させるのに要する力に比べれば、その大きさは基本的に小さい。一方、エンジンは爆発のたびに大きなトルク変動を正逆方向に発生させるため、逆方向トルク変動が前述したカウンターウェイト回転トルクを上回った場合、荷重を伝達している歯車の歯面が分離し、反荷重面へと衝突して、所謂歯打ち音が発生する。このとき生じる衝撃荷重は、軸受から歯車箱、エンジンマウントを介して車室へと伝播し、車室内壁を振動させるため、乗員に騒音として認識されることがある。

このような歯打ち音を抑制するために、従来は歯車の反負荷側歯面のすきまであるバックラッシを小さく管理し、歯面が衝突する際の慣性力が増大しないように配慮したり、歯車を軸方向に２分割し、ばねで予圧して相手の歯を挟み込むことで歯面が分離しないようにした、いわゆるシザーズギヤを用いる等の工夫をしたりしてきた。ところが、近年の多様化するエンジンシステムに合わせてバランサ装置の取り付け位置を従来から変更しようとすると、熱変形や加工寸法ばらつきの重畳などの影響により歯車の組立精度が低下し、その結果、バックラッシの精度維持が困難となることがある。また、製品に対する厳しいコスト要求により、構造が複雑で高価なシザーズギヤの適用も難しくなってきた。

以上に対し、例えば特開２０１１−１６９２６９(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、歯車を内側部材と外側部材とに分割し、両者の間に内部摩擦抵抗を増やすと共に振動を減衰するための振動減衰部材を設けた。このような構造とすることで、振動減衰部材によって内部摩擦抵抗が増加するとともに、振動が減衰され、歯打ち音が回避されると記載されている。

特開２０１１−１６９２６９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機器においては、バックラッシが大きい場合、歯面が衝突するまでに空走する区間が長くなることで、歯打ち衝撃が増大する。これを緩和するためには、衝撃吸収要素を歯と軸の間に設ける必要がある。

一方、上述した従来技術による構成では、歯車の内側部材と外側部材とが完全に分離されており、両者の間に比較的剛性の低い振動減衰部材が設けられており、歯車の歯面と歯車軸との同軸度精度を維持することが容易ではない。その結果、歯車には中心距離変動や片当たりを生じ、歯車のかみ合い騒音が増大するのみならず、かみ合いに伴う局所的な応力増加により歯面損傷を起こす可能性を生じる。また、歯車がはすば歯車の場合には、かみ合い位置においてトルク変動に伴う軸方向の変動荷重が発生するため、外側部材が抜け落ちる可能性を生じる。

本発明は、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機器において、バックラッシを比較的大きく許容した場合に、歯面が衝突する際の歯打ち衝撃を緩衝し、なおかつ、歯車と歯車軸の間の同軸度精度を維持して、歯車の歯打ち騒音やかみ合い騒音を低くし、片当たり等に起因した歯面損傷を生じることなく、歯車が軸方向の変動荷重により抜け落ちることがない、信頼性の高い歯車装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

具体的には、駆動歯車および駆動軸と、従動歯車とを備え、前記駆動歯車および前記従動歯車をかみ合わせて成る歯車対において、前記駆動歯車は前記駆動軸と嵌合されて成り、前記駆動歯車と前記駆動軸とを弾性的に固定する固定具を備えることを特徴とする。

或いは、駆動歯車および駆動軸と従動歯車とを備え、前記駆動歯車および前記従動歯車をかみ合わせて成る歯車対を備えたエンジンバランサ装置において、前記駆動歯車は前記駆動軸に固定され、前記駆動軸上に伝達歯車が嵌設され、前記駆動歯車と前記伝達歯車とは固定具を用いて弾性的に連結されたことを特徴とする。

上記構成とすることで、バックラッシを比較的大きく許容した場合でも、歯車と歯車軸の間の嵌合面に生じる摩擦減衰により、歯面が衝突する際の歯打ち衝撃が緩衝され、歯打ち音は低い。また両者が嵌合されているため、同軸度精度が高く維持されており、かみ合い騒音が低く維持されるとともに、片当たり等に起因した歯面損傷を生じることがない。また両者を弾性的に固定する固定具を備えるため、軸方向の変動荷重により歯車が抜けおちることがない。以上のようにして、静粛かつ信頼性の高い歯車装置が提供される。

本発明の実施例１におけるエンジンバランサ装置の構成図の例である。 本発明における歯車固定具の構成図の例である。 本発明における歯車固定具の別の構成図の例である。 本発明における歯車固定具の更に別の構成図の例である。 本発明の実施例２におけるエンジンバランサ装置の構成図の例である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本実施例では、カウンターウェイトの同期を取るための歯車に加え、動力を伝達するための伝達歯車を備える場合の機器構成に関し説明する。

図１は本実施例によるバランサ装置の構成図の例である。バランサ装置５０は図示しないエンジンブロックの底部に取り付けられ、図示しないクランク軸から取り出された動力が、入力軸１７と同軸上に設けられた入力歯車１６に伝達される。一方バランサ装置５０において、駆動軸１は駆動歯車３と嵌合し、駆動歯車軸受５ａ，５ｂによって軸支されており、従動軸２は従動歯車４と嵌合し、従動歯車軸受６ａ，６ｂによって軸支されており、夫々の軸上には駆動軸カウンターウェイト１３および従動軸カウンターウェイト１４が回転中心から外れた位置に設置されており、駆動歯車３と従動歯車４は互いにかみ合わされて、バランサ装置を形成している。さらに駆動軸１上には、スリーブ７を介して伝達歯車１５が嵌装されており、駆動歯車１と伝達歯車１５とは固定ピン９により連結されている。伝達歯車１５は入力歯車１６とかみ合わされている。入力歯車１６，伝達歯車１５，駆動歯車３，従動歯車４は全てはすば歯車であり、駆動軸カウンターウェイト１３と従動軸カウンターウェイト１４の同期を得るため、駆動歯車３と従動歯車４の歯数は同一となっている。また、駆動歯車３は駆動軸１に対して、従動歯車４は従動軸２に対して焼嵌められて実質的に軸と一体となっており、駆動軸１とスリーブ７、及びスリーブ７と伝達歯車１５は圧入されている。駆動歯車３と従動歯車４の間のバックラッシは小さく設定されているが、入力歯車１６と伝達歯車１５の間のバックラッシは大きい。固定ピン９は硬度と靱性に優れる合金鋼で形成されており、駆動歯車３，伝達歯車１５に対して強圧入され、伝達歯車１５の脱落を防止している。

以上のような構成において、図示しないクランク軸の回転に伴い入力歯車１６が回転すると、これとかみ合う伝達歯車１５が回転し、これと同軸に設けられた駆動歯車３及び駆動軸１が回転して、駆動軸カウンターウェイト１３を回転させる。また、駆動歯車３とかみ合った従動歯車４が回転することで、これと同軸に設けた従動軸２及び従動軸カウンターウェイ１４が回転する。エンジンの爆発サイクルと駆動軸カウンターウェイト１３，従動軸カウンターウェイト１４の回転は同期しており、かつ両カウンターウェイトの回転方向が異なるため、バランサ装置５０は振れ回り振動を生じることなく、エンジンの爆発振動を緩和する。

ここで、エンジンの爆発に伴い入力歯車１６に速度変動が入力された場合、入力歯車１６と伝達歯車１５の間のバックラッシは大きいため、両者の歯面に生じる歯打ち衝撃は大きい。一方、伝達歯車１５と駆動歯車３の間はねじり剛性が比較的低く設定されており、両者の間には主にねじり方向の相対変位が生じる。この相対変位は駆動軸１とスリーブ７、およびスリーブ７と伝達歯車１５の間で巨視的な滑りが生じる程大きいものではなく、接触域の一部がずれる程度に留まるが、これらの間で発生する摩擦減衰により歯打ち衝撃は緩衝され、駆動歯車３に伝達される衝撃力は小さくなる。この結果、駆動軸１から駆動歯車軸受５ａ，５ｂに伝達される衝撃力が小さくなり、エンジンマウント経由で車室に伝播する歯打ち音が小さくなる。また、入力軸１とスリーブ７、およびスリーブ７と伝達歯車１５は互いに圧入されているため、両者の同軸度精度は高く、伝達歯車１５が偏心して騒音を発したり、入力歯車１６に対して片当たりし、歯面損傷を生じたりすることはない。

図２は本実施例における伝達歯車１５と駆動歯車３の結合部の拡大図である。駆動軸１の段付き部１ａに突き当てられ、これに対して焼嵌められた駆動歯車３は、実質的に駆動軸１と一体となっている。一方、駆動軸１に対して圧入されたスリーブ７、およびスリーブ７に対して圧入された伝達歯車１５は、微視的には相対変位を許容されているため、嵌合部において発生する摩擦減衰により、衝撃力は減衰される。伝達歯車１５と固定ピン９、および固定ピン９と駆動歯車３とは強圧入されており、歯車のかみ合い部に発生する軸方向荷重に対しても十分な抗抜力を有する一方、伝達歯車１５と駆動軸１との間にわずかの相対変位を許容するよう、その曲げ剛性を調整されている。また曲げ剛性が比較的低いため、その固定孔が若干ずれていても組立が可能である。スリーブ７は駆動歯車３と当接する側の端面外周部に凸部を有し、伝達歯車１５の嵌合部には、スリーブ７の凸部とかみ合うよう凹部が設けられており、スリーブ７が単独で抜け出すことはない。スリーブ７はブロンズのような自己潤滑性に富む材料で形成することが望ましく、複数個を同心状に重ねることで得られる減衰効果も高まるが、最も低廉な構成として、スリーブ７を省略することもできる。

図３は駆動軸１における段付き部１ａ’が伝達歯車１５の側にある場合の構成例を示す。スリーブ７および伝達歯車１５は、駆動軸１の段付き部１ａ’へ突き当てて圧入されており、これらを段付き部１ａ’と挟む形で、駆動歯車３が焼嵌められている。このような構成とすることで、固定ピンを省略し、製造コストを下げることができる。カラー７と伝達歯車１５、および駆動歯車３は、互いに当接する側面に小孔を穿ち、鋼球８を挿入してある。鋼球８と小孔とは線接触となるため、球の直径を調整することで接触剛性を調整することができ、伝達歯車１５と駆動歯車３の間のねじり剛性を最適な値に設定することができる。

図４は図３における鋼球８に替え、スプリングピン１９とした構成例である。本構成により、伝達歯車１５と駆動歯車３の間のねじり剛性をさらに下げることができる。この場合、駆動軸１とスリーブ７の締め代を減じ、駆動軸１とスリーブ７および伝達歯車１５が巨視的にも相対変位を許すように構成しても良い。この場合には、スリーブ７を焼結合金で形成し、潤滑油を含浸することで自己潤滑性を高めたり、固体潤滑剤を分散するようにしたりし、嵌合部が摩耗せぬよう配慮する必要があるが、一層大きい振動減衰効果を得ることができる。

図５は、本実施例による伝達歯車を省略した場合のエンジンバランサ装置の構成図の例である。入力歯車１６は駆動歯車３と直接かみ合っており、駆動軸１とスリーブ７、スリーブ７と駆動歯車３とは圧入されており、入力軸１上に一体的に形成したフランジ１２、および駆動歯車３上に設けた小孔に固定ピン９を強圧入して、両者の分離を防止している。その他の構成、作用に関しては実施例１と同一なので、説明を省略する。このような構成とすることで、歯車を１個省略することができ、低廉なシステムとなるばかりでなく機体寸法も小さくすることができる。

１…駆動軸、２…従動軸、３…駆動歯車、４…従動歯車、５…駆動歯車軸受、６…重度歯車軸受、７…スリーブ、８…鋼球、９…固定ピン、１０…スプリングピン、１２…フランジ、１３…駆動軸カウンターウェイト、１４…従動軸カウンターウェイト、１５…伝達歯車、１６…入力歯車、１７…入力軸、１８…歯車箱、５０…バランサ装置。

Claims (5)

1. 駆動歯車および駆動軸と従動歯車とを備え、前記駆動歯車および前記従動歯車をかみ合わせて成る歯車対を備えたエンジンバランサ装置において、前記駆動歯車は前記駆動軸と嵌合されて成り、前記駆動歯車と前記駆動軸とを弾性的に固定する固定具を備えたことを特徴とするエンジンバランサ装置。
2. 駆動歯車および駆動軸と従動歯車とを備え、前記駆動歯車および前記従動歯車をかみ合わせて成る歯車対を備えたエンジンバランサ装置において、前記駆動歯車は前記駆動軸に固定され、前記駆動軸上に伝達歯車が嵌設され、前記駆動歯車と前記伝達歯車とは固定具を用いて弾性的に連結された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、前記固定具をピン状としたことを特徴とするエンジンバランサ装置。
4. 請求項１あるいは２に記載のエンジンバランサ装置において，該固定具を鋼球とした，エンジンバランサ装置。
   
5. 請求項１あるいは２に記載のエンジンバランサ装置において，該固定具をスプリングピンとした，エンジンバランサ装置。