JP2015059577A - チェーン伝動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】転がり形式のチェーンガイドを用いたチェーン伝動装置の静粛性を向上させる。【解決手段】チェーン案内用の複数のローラ８が配置されたチェーンガイド６，７を有するチェーン伝動装置において、クランク軸１からの最大の加振周波数をωＭＡＸ（Ｈｚ）、チェーン５の単位長さ当たりの質量をρ（ｋｇ／ｍ）、チェーン５の時間平均張力をＴ（Ｎ）としたときに、チェーン５の掛け渡し部分の接点間距離Ｌ（ｍ）を、次の不等式（１）を満たすように設定する。【数１】【選択図】図１

Description

この発明は、主として、自動車エンジンのクランク軸の回転をカム軸に伝達するチェーン伝動装置に関する。

自動車エンジンは、クランク軸の回転を鉄製のタイミングチェーン（以下、単に「チェーン」という）を介してカム軸に伝達し、そのカム軸の回転により燃焼室のバルブを開閉する。

このようなカム軸駆動用のチェーン伝動装置として、エンジンのクランク軸に取り付けられたクランクスプロケットと、エンジンのカム軸に取り付けられたカムスプロケットと、前記クランクスプロケットと前記カムスプロケットの間に掛け渡されたチェーンと、そのチェーンのクランクスプロケットからカムスプロケットに向けて走行する部分を案内するように配置された弛み側チェーンガイドと、チェーンのカムスプロケットからクランクスプロケットに向けて走行する部分を案内するように配置された張り側チェーンガイドとを有するものが多く用いられる。

このようなチェーン伝動装置で使用される弛み側チェーンガイドや張り側チェーンガイドとして、チェーンの走行方向に沿って延びる案内面をチェーンに滑り接触させる形式のものが知られているが、この滑り形式のチェーンガイドは、チェーンに対する接触が滑り接触なので、チェーンの走行抵抗が大きく、トルクの伝達ロスが大きいという問題がある。

このような問題を解消するため、本願発明の発明者らは、チェーンの走行方向に沿って間隔をおいてチェーン案内用の複数のローラが配置されたチェーンガイドを提案している（特許文献１、２）。

このチェーンガイドは、チェーンに対する接触が転がり接触なので、チェーンの走行抵抗が小さく、トルクの伝達ロスが小さいという利点がある。

国際公開２０１０／０９０１３９号 特開２０１３−０３２８２６号公報

転がり形式のチェーンガイドを用いたときに、トルクの伝達ロスを低減させることが可能となるが、その反面、チェーンが振動しやすくなり、チェーンから大きな振動音が発生することがある。

そこで、この発明の発明者らは、チェーンの振動音の原因を調査したところ、チェーンガイドのローラと各スプロケットとの間のチェーンの掛け渡し部分や、チェーンガイドの隣り合うローラ間のチェーンの掛け渡し部分において、まっすぐに張り渡したチェーンが弦振動していることが分かった。この弦振動は、特に、弛み側チェーンガイドのローラとクランクスプロケットとの間のチェーンの掛け渡し部分において生じやすい。

このチェーンの弦振動が起きる原因は、次のように考えられる。すなわち、エンジンサイクルにおいて力を生じるのは燃焼行程のみであることから、エンジンのクランク軸で発生する回転力は一定ではなく、例えば４気筒エンジンの場合、クランク軸が１回転するごとに２回の回転変動が生じる。このクランク軸の回転変動がチェーンに伝わり、例えばクランク軸が７０００回転／分で回転しているとき、チェーンは２３３Ｈｚの周波数ωで加振される。この加振周波数ωは、クランク軸の回転数がゼロから最大回転数までの範囲で変化するとき、クランク軸の回転数に対応して変化する。そして、クランク軸からの加振周波数ωが、チェーンのまっすぐに張り渡した部分の固有周波数ω_０に一致したときに、チェーンが共振し、振動音を発生するものと考えられる。

この発明が解決しようとする課題は、転がり形式のチェーンガイドを用いたチェーン伝動装置の静粛性を向上させることである。

上記課題を解決するため、この発明では、エンジンのクランク軸に取り付けられたクランクスプロケットと、エンジンのカム軸に取り付けられたカムスプロケットと、前記クランクスプロケットと前記カムスプロケットの間に掛け渡されたチェーンと、そのチェーンの走行方向に沿って間隔をおいてチェーン案内用の複数のローラが配置されたチェーンガイドとを有し、前記チェーンが、少なくとも１つの前記ローラと前記いずれかのスプロケットとの間をまっすぐに張り渡す掛け渡し部分を形成するチェーン伝動装置において、前記クランク軸からの最大の加振周波数をω_ＭＡＸ（Ｈｚ）、前記チェーンの単位長さ当たりの質量をρ（ｋｇ／ｍ）、前記チェーンの時間平均張力をＴ（Ｎ）としたときに、少なくとも１箇所の前記掛け渡し部分のチェーンの接点間距離Ｌ（ｍ）を、次の不等式（１）を満たすように設定した。

ここで「前記チェーンが、少なくとも１つの前記ローラと前記いずれかのスプロケットとの間をまっすぐに張り渡す掛け渡し部分を形成する」とは、ローラとスプロケットの間を張り渡すチェーンの掛け渡し部分において、チェーンと接触する他のローラ等が存在しないことを意味する。これは、チェーンガイドのローラをチェーンに接触させた使用状態において、スプロケットと、当該スプロケットから最も近くかつチェーンと接触するローラとを結ぶ共通接線と同義である。

上記のように接点間距離Ｌの大きさを設定すると、上記の不等式（１）を満たすチェーンの掛け渡し部分の固有周波数ω_０が、クランク軸からの最大の加振周波数ω_ＭＡＸよりも大きい値となるため、クランク軸からの加振周波数ωが固有周波数ω_０に一致するおそれがなくなる。そのため、チェーンの共振を防止して、チェーンの振動音を抑えることが可能となる。

詳しく説明する。まず、チェーンの固有周波数ω_０は、次式（２）で求められる。ここで、ｎは振動モードの次数を表わす１以上の任意の自然数、Ｌはチェーンの掛け渡し部分の接点間距離（ｍ）、Ｔはチェーンの時間平均張力（Ｎ）、ρはチェーンの単位長さ当たりの質量（ｋｇ／ｍ）である。

そして、上記の式（１）を満たすように接点間距離Ｌの大きさを設定したとき、上記の式（２）により得られる固有周波数ω_０は、全ての振動モードにおいて、次式（３）を満たす値となる。

すなわち、チェーンの固有周波数ω_０は、クランク軸からの最大の加振周波数ω_ＭＡＸよりも常に大きい値となる。そのため、クランク軸からの加振周波数ωがゼロから最大値ω_ＭＡＸまでの範囲で変化するとき、加振周波数ωが固有周波数ω_０に一致することはない。したがって、チェーンの共振を防止して、チェーンの振動音を抑えることが可能となる。

上記チェーン伝動装置は、前記チェーンの前記クランクスプロケットから前記カムスプロケットに向けて走行する部分を案内するように配置された弛み側チェーンガイドを前記チェーンガイドとして有するとき、その弛み側チェーンガイドのクランクスプロケット側の端部のローラと前記クランクスプロケットとの間のチェーンの掛け渡し部分が、特に共振しやすく、チェーンの振動音を生じやすい。そこで、前記チェーンガイドのローラと前記各スプロケットとの間のチェーンの掛け渡し部分のうち、少なくとも、弛み側チェーンガイドのクランクスプロケット側の端部のローラと前記クランクスプロケットとの間のチェーンの掛け渡し部分において、上記の不等式（１）を満たすようにチェーンの接点間距離Ｌを設定すると好ましい。このようにすると、特に共振しやすい上記チェーンの掛け渡し部分について共振を防止することができるので、チェーンの振動音を効果的に抑えることが可能となる。

また、前記チェーンガイドのローラと前記各スプロケットとの間のチェーンの掛け渡し部分のうちの、すべての箇所の掛け渡し部分において、上記の不等式（１）を満たすようにチェーンの接点間距離Ｌを設定するとより好ましいものとなる。このようにすると、チェーンガイドのローラと各スプロケットとの間のすべてのチェーンの掛け渡し部分で共振を防止することができるので、チェーンの振動音をきわめて効果的に抑えることが可能となる。

また、エンジンのクランク軸に取り付けられたクランクスプロケットと、エンジンのカム軸に取り付けられたカムスプロケットと、前記クランクスプロケットと前記カムスプロケットの間に掛け渡されたチェーンと、そのチェーンの走行方向に沿って間隔をおいてチェーン案内用の複数のローラが配置されたチェーンガイドとを有するチェーン伝動装置において、前記クランク軸からの最大の加振周波数をω_ＭＡＸ（Ｈｚ）、前記チェーンの単位長さ当たりの質量をρ（ｋｇ／ｍ）、前記チェーンの時間平均張力をＴ（Ｎ）としたときに、前記チェーンガイドの隣り合うローラ間のチェーンの掛け渡し部分のうちの、少なくとも１箇所の掛け渡し部分において、次の不等式（４）を満たすようにチェーンの接点間距離Ｐ（ｍ）を設定すると好ましい。

このようにすると、上記不等式（４）を満たす掛け渡し部分で共振を防止して、チェーンの振動音を効果的に抑えることが可能となる。

この発明のチェーン伝動装置は、クランク軸からの加振周波数ωがゼロから最大値ω_ＭＡＸまでの範囲で変化するとき、不等式（１）を満たすように接点間距離Ｌの大きさを設定したチェーンの掛け渡し部分において、クランク軸からの加振周波数ωがチェーンの固有周波数ω_０に一致することがない。したがって、チェーンの振動音が抑えられ、高い静粛性を得ることが可能である。

この発明の実施形態のチェーン伝動装置を示す概略図 図１のII−II線に沿った断面図

図１に、この発明の実施形態のチェーン伝動装置を示す。このチェーン伝動装置は、エンジンのクランク軸１に取り付けられたクランクスプロケット２と、カム軸３に取り付けられたカムスプロケット４と、クランクスプロケット２とカムスプロケット４の間に掛け渡されたチェーン５を有し、このチェーン５を介してクランク軸１の回転をカム軸３に伝達し、そのカム軸３の回転により燃焼室のバルブ（図示せず）を開閉する。

エンジンが作動しているときのクランク軸１の回転方向は一定（図では右回転）であり、このときチェーン５は、クランクスプロケット２からカムスプロケット４に向けて走行する部分（図では左側の部分）が弛み側となり、カムスプロケット４からクランクスプロケット２に向けて走行する部分が（図では右側の部分）が張り側となる。そして、チェーン５のクランクスプロケット２からカムスプロケット４に向けて走行する部分を案内するように弛み側チェーンガイド６が配置され、チェーン５のカムスプロケット４からクランクスプロケット２に向けて走行する部分を案内するように張り側チェーンガイド７が配置されている。

弛み側チェーンガイド６は、チェーン５の走行方向に沿って間隔をおいて配置されたチェーン案内用の複数のローラ８と、これらのローラ８を支持するガイドベース９と、このガイドベース９をカム軸３側の端部を中心に揺動可能に支持する支点軸１０と、各ローラ８がチェーン５に押し付けられる方向にガイドベース９を押圧するチェーンテンショナ１１とを有する。

張り側チェーンガイド７は、チェーン５の走行方向に沿って間隔をおいて配置されたチェーン案内用の複数のローラ８と、これらのローラ８を支持するガイドベース９とを有する。このガイドベース９は、ボルト等の固定手段によって固定されている。

ここで、チェーン５は、弛み側チェーンガイド６のクランクスプロケット２側の端部のローラ８とクランクスプロケット２との間をまっすぐに張り渡す掛け渡し部分（図のＬ_１に対応する部分、すなわちローラ８とスプロケット２の共通接線）を形成している。ここで、チェーン５がローラ８とスプロケット２の間をまっすぐに張り渡す掛け渡し部分を形成しているとは、ローラ８とスプロケット２の間を張り渡す掛け渡し部分において、チェーン５に接触する他のローラ８等が存在しないことを意味する。

同様に、弛み側チェーンガイド６のカムスプロケット４側の端部のローラ８とカムスプロケット４との間をまっすぐに張り渡す掛け渡し部分（図のＬ_２に対応する部分）を形成し、張り側チェーンガイド７のクランクスプロケット２側の端部のローラ８とクランクスプロケット２との間をまっすぐに張り渡す掛け渡し部分（図のＬ_３に対応する部分）を形成し、張り側チェーンガイド７のカムスプロケット４側の端部のローラ８とカムスプロケット４との間をまっすぐに張り渡す掛け渡し部分（図のＬ_４に対応する部分）を形成している。

図２に示すように、ローラ８は、ガイドベース９に固定されたローラ軸１２と、各ローラ軸１２の外周に装着した転がり軸受１３とを有する。転がり軸受１３は、外輪１４と、外輪１４の内側に組み込まれた複数の転動体１５と、これらの転動体１５を保持する保持器１６とからなり、外輪１４がチェーン５に接触している。ここで、転動体１５は、円筒ころまたは針状ころであり、外輪１４は、鋼板をカップ状に絞り加工したシェル形外輪である。弛み側チェーンガイド６のローラ８と張り側チェーンガイド７のローラ８は、同一の構成である。

なお、この実施形態では、チェーン５の走行抵抗を小さくするために、転がり軸受１３の外輪１４が直接チェーン５に接触する構成のローラ８を採用し、ローラ８の慣性モーメントを最小限に抑えているが、これにかえて、チェーン５に接触する樹脂製や金属製の案内部材を外輪１４に装着したローラ８を採用することも可能である。また、ローラ８を回転可能に支持する軸受として、滑り軸受を採用することも可能である。

ところで、チェーン５に転がり接触するローラ８をもつ転がり形式のチェーンガイドを用いると、そのようなローラ８をもたない滑り形式のチェーンガイドを用いたときと比較して、トルクの伝達ロスを低減させることが可能となるが、その反面、チェーン５が振動しやすくなり、チェーン５から大きな振動音が発生するおそれがある。

そこで、この実施形態のチェーン伝動装置では、チェーン５の振動音を抑制するために、弛み側チェーンガイド６のローラ８とクランクスプロケット２の間のチェーン５の掛け渡し部分のチェーン５の接点間距離Ｌ_１、弛み側チェーンガイド６のローラ８とカムスプロケット４の間のチェーン５の掛け渡し部分の接点間距離Ｌ_２、張り側チェーンガイド７のローラ８とクランクスプロケット２の間のチェーン５の掛け渡し部分の接点間距離Ｌ_３、張り側チェーンガイド７のローラ８とカムスプロケット４の間のチェーン５の掛け渡し部分の接点間距離Ｌ_４のそれぞれを、次の不等式（１）を満たすＬ（ｍ）の範囲に設定している。

上記式（１）では、クランク軸１からの最大の加振周波数をω_ＭＡＸ（Ｈｚ）、チェーン５の単位長さ当たりの質量をρ（ｋｇ／ｍ）、チェーン５の時間平均張力をＴ（Ｎ）としている。チェーン５の時間平均張力は、クランク軸１の回転数が０から最大値まで変化するときの各々の回転数における、チェーン５の張力を時間で平均化した値のうち、最大の値としている。また、各接点間距離Ｌ_１〜Ｌ_４を設定するにあたり、ローラ８とチェーン５の接点は、ローラ８の中心を通ってチェーン５に対して垂直な線とチェーン５との交点であり、各スプロケット２，４とチェーン５の接点は、各スプロケット２，４の中心を通ってチェーン５のまっすぐに張り渡した部分に対して垂直な線とチェーン５との交点である。

４気筒エンジンの場合、クランク軸１が１回転するごとに２回の回転変動が生じ、このクランク軸１の回転変動がチェーン５に伝わって、チェーン５が加振される。そのため、エンジン作動中に、クランク軸１の回転数がゼロから７０００回転／分（約１１６．６回転／秒）までの範囲で変化するとき、チェーン５は、ゼロから２３３．３Ｈｚまでの範囲で変化する周波数ωで加振される。このとき、クランク軸１からの最大の加振周波数ω_ＭＡＸは２３３．３Ｈｚである。さらに、チェーン５の単位長さ当たりの質量ρが０．３５（ｋｇ／ｍ）、チェーン５の時間平均張力Ｔが３００（Ｎ）のとき、これらの値を上記の式（１）にあてはめると、Ｌ＜０．０６２７となる。つまり、チェーン５の掛け渡し部分の接点間距離Ｌを６２．７（ｍｍ）よりも小さく設定すればよい。

このように接点間距離Ｌ_１〜Ｌ_４の大きさを設定することにより、弛み側チェーンガイド６のローラ８とクランクスプロケット２の間のチェーン５の掛け渡し部分（接点間距離Ｌ_１に対応する部分）、弛み側チェーンガイド６のローラ８とカムスプロケット４の間のチェーン５の掛け渡し部分（接点間距離Ｌ_２に対応する部分）、張り側チェーンガイド７のローラ８とクランクスプロケット２の間のチェーン５の掛け渡し部分（接点間距離Ｌ_３に対応する部分）、張り側チェーンガイド７のローラ８とカムスプロケット４の間のチェーン５の掛け渡し部分（接点間距離Ｌ_４に対応する部分）のそれぞれにおいて、固有周波数ω_０が、クランク軸１からの最大の加振周波数ω_ＭＡＸよりも大きい値となり、この結果、クランク軸１からの加振周波数ωが固有周波数ω_０に一致するおそれがなくなる。そのため、チェーン５の共振を防止して、チェーン５の振動音を抑えることが可能となる。

同様の理由により、弛み側チェーンガイド６の隣り合うローラ８間のチェーン５の掛け渡し部分（図では、隣り合うローラ８間をまっすぐに張り渡すチェーン５の掛け渡し部分のうちすべての箇所の掛け渡し部分）の接点間距離Ｐ（ｍ）も、次の不等式（４）を満たすように設定されている。張り側チェーンガイド７の隣り合うローラ８間のチェーン５の掛け渡し部分の接点間距離も同様である。

このように接点間距離Ｐの大きさを設定することにより、弛み側チェーンガイド６および張り側チェーンガイド７の隣り合うローラ８間のすべての掛け渡し部分で共振を防止することができるので、チェーン５の振動音をきわめて効果的に抑えることが可能となる。

以上のように、この実施形態のチェーン伝動装置は、クランク軸１からの加振周波数ωがゼロから最大値ω_ＭＡＸまでの範囲で変化するとき、チェーンガイドのローラ８と各スプロケットとの間のすべてのチェーン５の掛け渡し部分において、クランク軸１からの加振周波数ωがチェーン５の固有周波数ω_０に一致することがない。したがって、チェーン５の振動音がきわめて効果的に抑えられ、高い静粛性を得ることが可能である。

上記実施形態では、弛み側チェーンガイド６において、クランクスプロケット２側の端部のローラ８とカムスプロケット４側の端部のローラ８の２つのローラ８が、クランクスプロケット２またはカムスプロケット４との関係から不等式（１）を満たす例を示したが、少なくとも１つのローラ８がクランクスプロケット２またはカムスプロケット４との関係から不等式（１）を満たせばよい。張り側チェーンガイド７においても同様である。

弛み側チェーンガイド６のクランクスプロケット２側の端部のローラ８とクランクスプロケット２との間のチェーン５の掛け渡し部分（接点間距離Ｌ_１に対応する部分）において、上記の不等式（１）を満たすようにチェーン５の接点間距離Ｌを設定すると好ましい。なぜなら、弛み側チェーンガイド６のクランクスプロケット２側の端部のローラ８とクランクスプロケット２との間のチェーン５の掛け渡し部分が、特に共振しやすく、チェーン５の振動音を生じやすいため、この部分について共振を防止すれば、チェーン５の振動音を効果的に抑えることが可能となるからである。

長期の使用によりチェーン５が伸びることを考慮して、弛み側チェーンガイド６のクランクスプロケット２に最も近いローラ８（すなわち弛み側チェーンガイド６のクランクスプロケット２側の端部のローラ８）を初期段階では敢えてチェーン５に接触させないような設計とすることがある。この設計では、チェーン５の伸びに伴い、弛み側チェーンガイド６がチェーン５の伸びを吸収する方向に揺動することにより、弛み側チェーンガイド６のクランクスプロケット２に最も近いローラ８がチェーン５と接触する。この場合、クランクスプロケット２に最も近いローラ８は、初期段階においてチェーン５に接触していないが、チェーン５が伸びた段階を考慮して、クランクスプロケット２に最も近いローラ８とクランクスプロケット２との間のチェーン５の掛け渡し部分が不等式（１）を満たせば良い。

また、上記実施形態では、チェーン５に対する接触部分がローラ８のみであって、チェーン５に滑り接触する部分が存在しない完全転がり形式のチェーンガイド６，７を用いたものを例に挙げて説明したが、この発明は、チェーン５に転がり接触するローラ８と、チェーン５に滑り接触するシューとを併用したハイブリッド形式のチェーンガイドを用いたチェーン伝動装置にも適用することができる。すなわち、ハイブリッド形式のチェーンガイドを用いた場合においても、クランクスプロケット２とカムスプロケット４のうち少なくとも一方のスプロケットとローラ８との間をチェーン５でまっすぐに張り渡した部分が存在すれば、そのうち少なくとも１箇所の張り渡し部分において、上記不等式（１）を満たすように接点間距離Ｌを設定すればよい。

１ クランク軸
２ クランクスプロケット
３ カム軸
４ カムスプロケット
５ チェーン
６ 弛み側チェーンガイド
７ 張り側チェーンガイド
８ ローラ

Claims (4)

1. エンジンのクランク軸（１）に取り付けられたクランクスプロケット（２）と、
   エンジンのカム軸（３）に取り付けられたカムスプロケット（４）と、
   前記クランクスプロケット（２）と前記カムスプロケット（４）の間に掛け渡されたチェーン（５）と、
   そのチェーン（５）の走行方向に沿って間隔をおいてチェーン案内用の複数のローラ（８）が配置されたチェーンガイド（６，７）とを有し、
   前記チェーン（５）が、少なくとも１つの前記ローラ（８）と前記いずれかのスプロケット（２，４）との間をまっすぐに張り渡す掛け渡し部分を形成するチェーン伝動装置において、
   前記クランク軸（１）からの最大の加振周波数をω_ＭＡＸ（Ｈｚ）、前記チェーン（５）の単位長さ当たりの質量をρ（ｋｇ／ｍ）、前記チェーン（５）の時間平均張力をＴ（Ｎ）としたときに、少なくとも１箇所の前記掛け渡し部分のチェーン（５）の接点間距離Ｌ（ｍ）が次の不等式（１）
   

   

   を満たすことを特徴とするチェーン伝動装置。
2. 前記チェーン（５）の前記クランクスプロケット（２）から前記カムスプロケット（４）に向けて走行する部分を案内するように配置された弛み側チェーンガイド（６）を前記チェーンガイドとして有し、
   その弛み側チェーンガイド（６）のクランクスプロケット（２）側の端部のローラ（８）と前記クランクスプロケット（２）との間のチェーン（５）の掛け渡し部分が、上記の不等式（１）を満たす少なくとも１箇所の前記掛け渡し部分に含まれている請求項１に記載のチェーン伝動装置。
3. 前記チェーンガイド（６，７）のローラ（８）と前記各スプロケット（２，４）との間のチェーン（５）の掛け渡し部分のうちの、すべての箇所の掛け渡し部分が上記の不等式（１）を満たす請求項１または２に記載のチェーン伝動装置。
4. 前記チェーンガイド（６，７）の隣り合うローラ（８）間のチェーン（５）の掛け渡し部分のうちの、少なくとも１箇所の掛け渡し部分のチェーン（５）の接点間距離Ｐ（ｍ）が次の不等式（４）
   

   

   を満たす請求項１から３のいずれかに記載のチェーン伝動装置。

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