JP2018044625A

JP2018044625A - バランサシステムの同期歯車

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Publication number: JP2018044625A
Application number: JP2016180440A
Authority: JP
Inventors: 平野　正博; Masahiro Hirano; 正博平野; 洋一森尾; Yoichi Morio
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 2016-09-15
Filing date: 2016-09-15
Publication date: 2018-03-22
Anticipated expiration: 2036-09-15
Also published as: JP6686811B2

Abstract

【課題】バランサシステムの同期歯車において、高い荷重を受ける歯のみを高強度化して信頼性を向上するとともに、他の歯を軽量化して歯車全体として軽量化する。【解決手段】高強度材料で形成された高強度歯部と、樹脂材料で形成された樹脂製歯部と、樹脂材料で形成された樹脂製支持部と、を含む、バランサシステムの同期歯車を用いる。【選択図】図３

Description

本発明は、バランサシステムの同期歯車に関する。

近年の自動車においては、ディーゼルエンジンの利用が増えていること、ピストンの大径化およびロングストローク化が進んでいることから、エンジンの振動が増大する傾向にある。このため、エンジンの振動を低減する技術が多く提案されている。それらの中で、アクティブに振動を低減するための機構として、２本の偏芯軸とこれらを回転駆動する同期歯車とで構成されるバランサシステムがある。

バランサシステムの同期歯車には、鋼製歯車が用いられることが多いが、騒音が大きいことや、軽量化が困難なことなどが課題となることがある。

特許文献１には、金属製のブッシュと、フェノール樹脂を含浸した補強材からなる歯部構成部材と、を備えたフェノール樹脂製歯車が開示されている。

特許文献２には、第１のギヤに向き合うよう取り付けられた第２のギヤにストッパゴムを有し、第１のギヤに設けられた凹部を有し、凹部は、潤滑油が溜まる部分であってストッパゴムに向き合うよう形成されたものである、ギヤ装置のダンパ構造が開示されている。

特許文献３には、歯部を含むギヤ外周部が、高弾性率かつ高強度の樹脂材からなる内芯部と、内芯部を覆う低弾性率の樹脂材からなる表層部で構成されている樹脂ギヤが開示されている。

特開平０２−２４１７２９号公報特開２０１４−７４４６７号公報特開２００８−１５１２７７号公報

特許文献１に記載されているフェノール樹脂製歯車は、歯車の回転方向においては、樹脂及び補強材が一様に分布した構成であり、歯車が受けるトルクが変動する場合に、トルクが大きくなる時に生じる歯車内部の応力や衝撃音に対応する構成ではなかった。

特許文献２に記載されている構成では、部品点数が多くコスト増が不可避であること、エラストマが劣化して破損した場合は歯車の回転が大きく乱れることなどが課題となる可能性がある。

特許文献３に記載されている構成では、エラストマが劣化して破損した場合には、歯車の回転が大きく乱れること、歯車の軸方向の拘束がなくなることなどが課題となる可能性がある。

バランサシステムでは、クランクと同期歯車が同期して回転するため、クランクの回転と同期して変動するトルクが最大となる瞬間にかみ合う同期歯車の歯は毎回同じとなる。このことから、歯車の強度に対して過負荷となる運転を続けると、上述したトルク最大の瞬間にかみ合う歯が損傷する可能性が高い。

本発明の目的は、前述の点に鑑みてなされたものであり、バランサシステムの同期歯車において、高い荷重を受ける歯のみを高強度化して信頼性を向上するとともに、他の歯を軽量化して歯車全体として軽量化することにある。

本発明のバランサシステムの同期歯車は、高強度材料で形成された高強度歯部と、樹脂材料で形成された樹脂製歯部と、樹脂材料で形成された樹脂製支持部と、を含む。

本発明によれば、バランサシステムの同期歯車において、高い荷重を受ける歯のみを高強度化して信頼性を向上することができ、かつ、他の歯を軽量化して歯車全体として軽量化することができる。

バランサシステムの同期歯車の配置を示す概略図である。バランサシステムの同期歯車におけるトルク変動と同期歯車のかみ合い位置との関係を示す図である。実施例１の同期歯車を示す正面図である。実施例２の同期歯車を示す正面図である。実施例３の同期歯車を示す正面図である。実施例４の同期歯車を示す正面図である。実施例５の同期歯車の歯部を示す部分拡大断面図である。実施例６の同期歯車の歯部を示す部分拡大断面図である。実施例７の同期歯車の歯部を示す部分拡大斜視図である。実施例８の同期歯車の歯部を示す部分拡大斜視図である。実施例９の同期歯車の歯部を示す部分拡大斜視図である。

本発明は、自動車等のエンジンに付設されるバランサシステム（「バランサギヤシステム」ともいう。）の構成要素である同期歯車に関するものであり、特に、偏芯軸を回転駆動する同期歯車に関するものである。

最初に、エンジンのピストンに接続されたクランクシャフトに付設されたバランサシステムの同期歯車について説明する。

図１は、エンジンからバランサシステムの同期歯車までの主な構成要素を示したものである。

本図において、エンジン１は、４気筒の往復動式内燃機関のうちの１つを表している。エンジン１のシリンダ２には、ピストン１０が設置されている。ピストン１０のピストンピン１１には、コネクティングロッド１２の小端部１３が回動可能に結合されている。コネクティングロッド１２の大端部１４は、クランクシャフト２０のクランクピン２１に回動可能に結合されている。

クランクシャフト２０は、クランクピン２１とクランクアーム２２とクランクジャーナル２３とカウンタウェイト２４とを含む。クランクピン２１は、クランクアーム２２と結合されている。また、クランクアーム２２は、クランクジャーナル２３と結合されている。クランクジャーナル２３は、クランクベアリング４により回転可能に支持されている。クランクシャフト２０には、フライホイール３０が取り付けられている。フライホイール３０の外周部には、図示しない歯列が形成されている。この歯列には、図示しないスタータのギヤがかみ合うように配置されている。

クランクシャフト２０には、更に駆動歯車４０が取り付けられている。駆動歯車４０には、同期歯車５０ａがかみ合うように配置されている。さらに、同期歯車５０ａには、同期歯車５０ｂがかみ合うように配置されている。同期歯車５０ａ、５０ｂは、駆動歯車４０の半分の直径を有している。

シリンダ２の内部における燃料の爆発に伴い、ピストン１０は、一点鎖線で示すＹ軸方向に往復運動をする。４気筒の往復動式内燃機関の場合、駆動歯車４０が１回転する間に２回爆発が起こるため、同期歯車５０ａ、５０ｂは、駆動歯車４０が半回転する間に１回転する。同期歯車５０ａ、５０ｂが１回転する間に爆発が１回発生するため、爆発によって発生する大きなトルクを受ける同期歯車５０ａ、５０ｂの歯は、毎回同じである。

このようにバランサシステムの同期歯車が受けるトルクについて更に説明する。

図２は、バランサシステムの同期歯車におけるトルクの経時変化のグラフと、それに対応する２つの同期歯車のかみ合い位置と、を示したものである。

本図のグラフにおいて、横軸には、同期歯車が回転している状態における時間を、縦軸には、同期歯車が受けるトルクをとっている。

エンジンのシリンダ内の爆発によって発生するトルク（変動トルク）は、本図のグラフに示すように、パルス的である。トルクが最大となる時、２つの同期歯車１０１の同じ歯が接触する。このトルクは、同期歯車１０１の周方向に歯を押す力である。トルクが最小となる時、最大トルクを受ける歯は、最も離れた状態となる。

以下、実施例を用いて具体的な歯車の構成について説明する。

図３は、本実施例のバランサシステムの同期歯車（バランサシステム用同期歯車）を示したものである。

本図において、同期歯車１０１は、軸との嵌め合い部となる鋼製円環１０２と、鋼製円環１０２（単に「円環」ともいう。）と一体で径方向へ延長された鋼製歯車構造部１０３（「鋼製支持部」又は「高強度支持部」ともいう。）と、鋼製歯車構造部１０３と一体の鋼製歯１０４（「鋼製歯部」又は「高強度歯部」ともいう。）と、鋼製円環１０２と当接した樹脂歯車構造部１０５（樹脂製支持部）と、樹脂歯車構造部１０５と一体の樹脂歯１０６（樹脂製歯部）と、で構成されている。言い換えると、樹脂歯車構造部１０５及び樹脂歯１０６は、一体成形されたものである。ここで、同一の材料で形成されかつ互いに接触している部分は、それぞれ１つの部品として鋳造、鍛造、削り出し、焼結、粉末冶金又は成形をすることにより作製することができる。本実施例においては、鋼製歯１０４、鋼製歯車構造部１０３及び鋼製円環１０２は、一体物である。よって、鋼製円環１０２、鋼製歯車構造部１０３及び鋼製歯１０４は、１つの部品として作製することができる。また、樹脂歯車構造部１０５及び樹脂歯１０６は、１つの部品として作製することができる。このようにして作製した方が製造コストの面で有利となる。なお、鋼製円環１０２を除く、鋼製歯１０４及び鋼製歯車構造部１０３を一体物としてもよい。また、鋼製円環１０２、鋼製歯１０４及び鋼製歯車構造部１０３をそれぞれ別々に作製した後、組み合わせてもよい。この場合、別々に作製した部品をねじ止めや溶接により結合してもよいし、キーを用いた嵌め合わせにより結合してもよい。

なお、樹脂歯車構造部１０５及び樹脂歯１０６を構成する樹脂材料としては、アラミド繊維強化樹脂等が用いられる。

２つの同期歯車１０１をバランサギヤに組み込む際には、クランクトルクが最大となる位相で鋼製歯１０４が合致するように組みつける。同期歯車１０１の回転中心を基準としたとき、鋼製歯１０４全体の開き角は、３０〜４５度が望ましく、３０〜４０度が望ましい。

以上の構成において、エンジンを回転駆動し、同期歯車１０１を回転させると、図２に示すように、トルクが最大となる位相では鋼製歯１０４がかみ合い、トルクが小さい範囲では樹脂歯１０６がかみ合うこととなる。これにより、クランクの回転に同期したトルク変動に対し、トルクが大きい範囲では鋼製歯１０４が動力を伝達し、トルクが小さい範囲では樹脂歯１０６が動力を伝達するようになる。このため、樹脂歯１０６に過負荷が作用することを抑制することができ、かつ、樹脂歯１０６がかみ合う範囲においては、騒音を抑制する効果が得られる。

本実施例においては、駆動歯車に接続される２つの同期歯車が、鋼と樹脂材料とで構成される場合について説明したが、一方の同期歯車は、全体が鋼製の歯車であってもよい。

また、本実施例においては、同期歯車１０１の一部を鋼製としたが、これに限定されるものではなく、本実施例において鋼製とした部分は、樹脂歯１０６を構成する樹脂材料よりも高強度を有する金属、樹脂材料、セラミックス等で形成してもよい。高強度の樹脂材料としては、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）等がある。なお、樹脂歯１０６を構成する樹脂材料よりも高強度を有する金属、樹脂材料、セラミックス等は、本明細書においては「高強度材料」と総称することにする。高強度材料は、樹脂歯１０６を構成する樹脂材料よりも強度が高い材料である。

また、本実施例においては、鋼製歯１０４の寸法は、歯の幅及び厚さと同一としているが、これに限定されるものではなく、鋼の部分の寸法を歯の幅又は厚さよりも小さくし、一部を樹脂材料で構成してもよい。また、鋼製歯車構造部１０３の厚さも、歯の厚さと同一としているが、これに限定されるものではなく、鋼の部分の寸法を歯の厚さよりも小さくし、一部を樹脂材料で構成してもよい。

また、本実施例においては、鋼製歯車構造部１０３の形状は、扇形状としているが、これに限定されるものではなく、矩形状でもよいし、歯部に向かって幅が狭くなる形状であってもよい。

さらに、強度が十分であれば、鋼製歯車構造部１０３の一部に貫通孔又は凹部を設けてもよい。これにより、同期歯車１０１を軽量化することができる。

なお、本発明は、鋼製歯車構造部１０３を有しない構成であっても成り立つ。

図４は、本実施例のバランサシステムの同期歯車を示したものである。

実施例１と異なる点についてのみ説明する。

本図においては、樹脂歯車構造部１０５の一部にエラストマ１１１が埋め込まれている。エラストマ１１１は、円柱形状であり、樹脂歯車構造部１０５を貫通している。言い換えると、樹脂歯車構造部１０５の貫通孔にエラストマ１１１が埋め込まれている。

なお、変形例としては、エラストマ１１１が樹脂歯車構造部１０５を貫通しない構成がある。すなわち、樹脂歯車構造部１０５に設けた凹部に、本図に示す形状のエラストマ１１１を埋め込んだ構成としてもよい。

また、本図においては、エラストマ１１１の形状を円柱形状としたが、エラストマ１１１の形状は、これに限定されるものではなく、例えば、三角形状、四角形状その他の多角形状としてもよい。また、楕円形状、ドーナツ形状等であってもよい。エラストマ１１１としては、ニトリルゴム、シリコーンゴム等が挙げられるが、これに限定されるものではない。

本実施例においては、エラストマ１１１を９０度ごとに付設しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えばエラストマ１１１を鋼製歯車構造部１０３の近くに多く配置するように、エラストマ１１１を偏った配置としてもよい。また、本実施例においては、エラストマ１１１は、樹脂歯車構造部１０５のみと接触している。

樹脂歯車構造部１０５の貫通孔又は凹部は、金型を用いて樹脂歯車構造部１０５を成形する際、金型に貫通孔又は凹部に対応する凸部等を設けることにより、自在に形成することができる。もちろん、成形後、ドリル等により加工することにより、貫通孔又は凹部を設けてもよい。

図５は、本実施例のバランサシステムの同期歯車を示したものである。

実施例２と異なる点についてのみ説明する。

本図においては、エラストマ１２１の形状を円弧形状としている。エラストマ１２１は、樹脂歯車構造部１０５に設けた溝部に埋め込んでもよいし、樹脂歯車構造部１０５の裏面まで貫通した構造としてもよい。

なお、本図においては、エラストマ１２１の形状を連続的な円弧形状としたが、エラストマ１２１の形状は、これに限定されるものではなく、例えば、途切れ途切れの円弧形状としてもよい。

図６は、本実施例のバランサシステムの同期歯車を示したものである。

実施例３と異なる点についてのみ説明する。

本図においては、エラストマ１３１の形状を円環形状としている。エラストマ１３１は、樹脂歯車構造部１０５だけでなく、鋼製歯車構造部１０３に設けた溝部にも埋め込まれている。

以下、１つの歯部が高強度歯部及び樹脂製歯部を含む例について説明する。

図７は、本実施例のバランサシステムの同期歯車の歯部を拡大して示したものである。

本図においては、歯部１５１は、鋼製歯部１５２の表面全体を樹脂歯部１５３で覆った構成を有する。

図８は、本実施例のバランサシステムの同期歯車の歯部を拡大して示したものである。

本図においては、歯部１５１は、鋼製歯部１５２の表面の一部を樹脂歯部１５３で覆った構成を有する。歯部１５１のうち変動トルクを受ける側の面は、最も高い強度を要求されるため、鋼が露出した構成としてある。

また、変形例として、歯部１５１のうち変動トルクを受ける側の面に樹脂歯部１５３を設けてもよい。この場合、樹脂材料が変動トルクを受けるため、衝突の際に発生する騒音を低減することができる。

図９は、本実施例のバランサシステムの同期歯車の歯部を拡大して示したものである。

本図においては、歯部１５１の厚さ方向に鋼製歯部１５２を樹脂歯部１５３で挟み込んだ構成を有する。この場合において、鋼製歯部１５２の幅及び高さを樹脂歯部１５３よりも小さくすることにより、鋼の衝突を避け、騒音を低減することができる。この場合における鋼製歯部１５２と樹脂歯部１５３との幅及び高さの差は、０．１〜０．２ｍｍ程度でも有効である。

図１０は、本実施例のバランサシステムの同期歯車の歯部を拡大して示したものである。

本図においては、歯部１５１の厚さ方向において、樹脂歯部１５３を鋼製歯部１５２で挟み込んだ構成を有する。言い換えると、鋼製歯部１５２の厚さ方向の中央部に凹部を設け、その凹部に樹脂歯部１５３を充填した構成である。この場合においても、鋼製歯部１５２の幅及び高さを樹脂歯部１５３よりも小さくすることにより、鋼の衝突を避け、騒音を低減することができる。

図１１は、本実施例のバランサシステムの同期歯車の歯部の端面（同期歯車の回転軸から最も遠い部分）を拡大して示したものである。

本図においては、歯部１５１の芯に十字形状の鋼製歯部１５２を設け、歯部１５１の四隅に樹脂歯部１５３を設けた構成を有する。この場合においても、鋼製歯部１５２の幅及び高さを樹脂歯部１５３よりも小さくすることにより、鋼の衝突を避け、騒音を低減することができる。

１：エンジン、２：シリンダ、１０：ピストン、１１：ピストンピン、１２：コネクティングロッド、１３：小端部、１４：大端部、２０：クランクシャフト、２１：クランクピン、２２：クランクアーム、２３：クランクジャーナル、２４：カウンタウェイト、３０：フライホイール、４０：駆動歯車、５０ａ、５０ｂ、１０１：同期歯車、１０２：鋼製円環、１０３：鋼製歯車構造部、１０４：鋼製歯、１０５：樹脂歯車構造部、１０６：樹脂歯、１１１、１２１、１３１：エラストマ。

Claims

高強度材料で形成された高強度歯部と、
樹脂材料で形成された樹脂製歯部と、
樹脂材料で形成された樹脂製支持部と、を含む、バランサシステムの同期歯車。
請求項１記載のバランサシステムの同期歯車であって、
さらに、高強度材料で形成された高強度支持部を含む、バランサシステムの同期歯車。
請求項１記載のバランサシステムの同期歯車であって、
さらに、軸との嵌め合い部である円環を含み、
前記円環は、高強度材料で形成されている、バランサシステムの同期歯車。
請求項２記載のバランサシステムの同期歯車であって、
さらに、軸との嵌め合い部である円環を含み、
前記円環は、高強度材料で形成されている、バランサシステムの同期歯車。
請求項４記載のバランサシステムの同期歯車であって、
前記高強度歯部、前記高強度支持部及び前記円環は、一体物である、バランサシステムの同期歯車。
請求項４又は５に記載のバランサシステムの同期歯車であって、
前記高強度歯部の幅又は厚さは、前記高強度支持部の幅又は厚さよりも小さい、バランサシステムの同期歯車。
請求項１〜６のいずれか一項に記載のバランサシステムの同期歯車であって、
前記高強度材料は、前記樹脂材料よりも強度が高い材料である、バランサシステムの同期歯車。
請求項１〜７のいずれか一項に記載のバランサシステムの同期歯車であって、
前記高強度材料は、鋼である、バランサシステムの同期歯車。
請求項１〜８のいずれか一項に記載のバランサシステムの同期歯車であって、
さらに、前記樹脂製支持部に埋め込まれたエラストマを含む、バランサシステムの同期歯車。
請求項９記載のバランサシステムの同期歯車であって、
前記エラストマは、円柱形状、円環形状、円弧形状、多角形状又は楕円形状である、バランサシステムの同期歯車。
請求項９又は１０に記載のバランサシステムの同期歯車であって、
前記エラストマは、偏って配置されている、バランサシステムの同期歯車。
請求項９〜１１のいずれか一項に記載のバランサシステムの同期歯車であって、
前記エラストマは、前記樹脂製支持部のみと接触している、バランサシステムの同期歯車。
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のバランサシステムの同期歯車であって、
前記樹脂製支持部及び前記樹脂製歯部は、一体成形されたものである、バランサシステムの同期歯車。
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のバランサシステムの同期歯車であって、
前記樹脂材料は、アラミド繊維強化樹脂である、バランサシステムの同期歯車。
請求項１〜１４のいずれか一項に記載のバランサシステムの同期歯車であって、
１つの歯部が前記高強度歯部及び前記樹脂製歯部を含む、バランサシステムの同期歯車。