JP2019500551A

JP2019500551A - 非優勢次数ランダムスプロケット

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Publication number: JP2019500551A
Application number: JP2018526887A
Authority: JP
Inventors: ケビン・ビー・トッド
Original assignee: ボーグワーナーインコーポレーテッド
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2016-12-01
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2036-12-01
Also published as: US10907721B2; EP3390864B1; WO2017100069A1; CN108368929B; US20180363753A1; EP3390864A4; EP3390864A1; CN108368929A; JP6843136B2

Abstract

ピッチ半径のパターンを備える内燃機関用非優勢次数ランダムスプロケットであって、それによって前記ピッチ半径の半径方向の変化が前記内燃機関のドライブシステムにおいて非優勢次数おける緊張力を励起する、非優勢次数ランダムスプロケット。
【選択図】図２５

Description

本発明は、スプロケットの分野に関する。より詳細には、本発明は噛合いノイズが低減されたスプロケット及びチェーンシステムに関する。

図１は典型的なエンジン―例えば、この装置は直列４気筒ディーゼルエンジンに使用されてもよい―用のチェーンドライブシステムの一例を示している。５つのスプロケットがあり―スプロケット３０はクランクシャフト上にあり、スプロケット３１はクランクシャフトスプロケット３０によって駆動され、排気カムシャフトスプロケット３３及び吸気カムシャフトスプロケット３４を駆動するアイドラである。スプロケット３２は燃料ポンプを駆動する。２つのチェーンがある―ストランド１〜３からなる、燃料ポンプチェーン１０がクランクシャフトスプロケット３０によって駆動され、アイドラスプロケット３１及び燃料ポンプスプロケット３２を駆動し、そしてストランド４〜６からなるカムタイミングチェーン２０がアイドラルスプロケット３１によって駆動され、吸気カムシャフトスプロケット３４及び排気スプロケット３３を駆動する。

チェーン又は歯付ベルトドライブは振動励起を受ける。例えば、チェーン又は歯付ベルトドライブはエンジンクランクシャフトとカムシャフトとの間に使用することができる。該振動励起は、クランクシャフトの捩り振動及び/又はバルブトレイン及び/又は燃料ポンプからの変動トルク負荷であり得る。

ランダムスプロケットは、チェーン噛合いノイズを低減するためにチェーンドライブに使用されることがある。従来のランダムスプロケットは、ピッチ半径変化の固定「ランダム」パターンを使用して噛合いタイミングを変える。これは噛合いノイズを分散させるので、不愉快な純音ではない。非ランダムスプロケットであれば、噛合いノイズはすべて噛合い周波数又は噛合い次数に集中される。ランダムスプロケットであれば、多くの次数―主として低次数及び噛合い次数周辺の次数―にわたって拡散される。それは不愉快なノイズを低減させる一方、ランダムスプロケットの半径方向の変化は、―ほとんど低次数（スプロケット１回転につき数回）で―チェーンドライブ内に振動緊張力を生成する。

ほとんどのチェーンドライブは、１つ以上の捩り共振周波数を有する。ランダムスプロケットによって引き起こされる緊張力変動が、チェーンドライブ捩り共振周波数又はそれに近い周波数を有する次数である場合、緊張力変動が増幅される―おそらくチェーン緊張力に相当な変動を引き起こす。

チェーンドライブに、（クランクＴＶ、カムトルク、燃料ポンプトルクなどの）緊張力変動の外的要因がある場合、ランダムスプロケットによって引き起こされる振動緊張力が平均緊張力に加わり、全体の最大緊張力を増加させる。この場合、ランダムスプロケットは常に最大チェーン緊張力を増加させる。最大緊張力がチェーンの許容範囲内にとどまる場合、これは問題になり得ない。

チェーンドライブに外的な緊張力変動の要因がある場合、ランダムスプロケットは、外部源からの緊張力変動がすでに存在する次数で緊張力変動を生成すると考えられる。多くの場合、これは全体の最大緊張力が足し合わされて増加させる緊張力を生成する。既存のランダムスプロケット法を使用すると、結果的にほとんど常に全体の最大チェーン緊張力が増加する。多くの場合、緊張力はチェーンの許容緊張力レベルを超えて増加する。このため、エンジンカムやバランスシャフトドライブなど、緊張力変動の外部要因を伴う多くのチェーンドライブでは、従来のランダムスプロケットを使用することは可能でない。

緊張力低減ラムダムズプロケットは、１つ又は２つの特定の次数における緊張力を生成するためにランダムスプロケットの半径方向の変化パターンを規定することによって開発された。緊張力低減ランダムスプロケットによって生成された緊張力は、緊張力変動の外部源によって引き起こされる緊張力と反対になるように位相調整される。この結果、緊張力が相殺され、全体の最大緊張力レベルが低下する。緊張力低減ランダムスプロケットが一様な反復パターンを使用し、かつ正しい緊張力レベルを生成するように振幅を選択する必要があるため、緊張力低減ランダムスプロケットは噛合いノイズにあまり影響を与えないことが多い。

緊張力低減スプロケットは、チェーン緊張力の顕著な次数を使用して、振動励起によって生じる緊張力と反対になるように位相調整した緊張力変動を生成させ、これによって（全体の最大緊張力がこれらの次数の１つによって支配されるとき）チェーン又はベルトドライブ共振においてそれらの次数の緊張力が相殺又は部分的に相殺される。問題は、全体的なチェーン緊張力の増加を制限しながら十分なノイズ低減のためにランダムスプロケットをどのように設計するかにある。

本発明は、ドライブの噛合いノイズを低減することを目的とした可変ピッチ半径を有するランダムスプロケット又はプーリを開示する。該ランダムスプロケット又はプーリは、振動励起によって引き起こされるチェーン緊張力では既に顕著でない次数から成る半径方向の変化パターンを使用する。

振動励起及び捩り共振を伴うチェーン又は歯付ベルトドライブは、特定の次数における振動緊張力を生成する。ランダムパターンによるチェーン緊張力の増加を最小限に抑えるために、ランダムスプロケットの半径方向の変化パターンでは、これらの次数は回避される必要がある。

チェーン緊張力において顕著でない次数で構成された半径方向の変化を伴うランダムスプロケットを使用することで、ランダムスプロケットが振動励起による緊張力と同時にドライブ共振を励起するランダムスプロケットによる緊張力を軽減し、ランダムスプロケットによるチェーン緊張力の増加を最小限に抑える。

図１は、Ｉ−４（直列４気筒）ディーゼルに適用するための従来技術２段チェーンドライブを示す。図２ａは、図１のドライブにおけるクランク捩り振動からの励起のグラフを示す。図２ｂは、図１のドライブにおけるクランク捩り振動からの励起のグラフを示す。図２ｃは、図１のドライブにおけるクランク捩り振動からの励起のグラフを示す。図３ａは、図１のドライブにおける排気カムトルクからの励起のグラフを示す。図３ｂは、図１のドライブにおける排気カムトルクからの励起のグラフを示す。図３ｃは、図１のドライブにおける排気カムトルクからの励起のグラフを示す。図４ａは、図１のドライブにおける吸気カムトルクからの励起のグラフを示す。図４ｂは、図１のドライブにおける吸気カムトルクからの励起のグラフを示す。図４ｃは、図１のドライブにおける吸気カムトルクからの励起のグラフを示す。図５ａは、図１のドライブにおける燃料ポンプトルクからの励起のグラフを示す。図５ｂは、図１のドライブにおける燃料ポンプトルクからの励起のグラフを示す。図５ｃは、図１のドライブにおける燃料ポンプトルクからの励起のグラフを示す。図６ａは、図１の燃料ポンプチェーン（ストランド１〜３）のエンジン速度対ストランド緊張力を示す。図６ｂは、図１のカムタイミングチェーン（ストランド４〜６）のエンジン速度対ストランド緊張力を示す。図７ａは、図１のストランド１におけるストランド緊張力を示す。図７ｂは、図１のストランド１におけるストランド緊張力を示す。図７ｃは、図１のストランド１におけるストランド緊張力を示す。図８ａは、図１のストランド２におけるストランド緊張力を示す。図８ｂは、図１のストランド２におけるストランド緊張力を示す。図８ｃは、図１のストランド２におけるストランド緊張力を示す。図９ａは、図１のストランド３におけるストランド緊張力を示す。図９ｂは、図１のストランド３におけるストランド緊張力を示す。図９ｃは、図１のストランド３におけるストランド緊張力を示す。図１０ａは、図１のストランド４におけるストランド緊張力を示す。図１０ｂは、図１のストランド４におけるストランド緊張力を示す。図１０ｃは、図１のストランド４におけるストランド緊張力を示す。図１１ａは、図１のストランド５におけるストランド緊張力を示す。図１１ｂは、図１のストランド５におけるストランド緊張力を示す。図１１ｃは、図１のストランド５におけるストランド緊張力を示す。図１２ａは、図１のストランド６におけるストランド緊張力を示す。図１２ｂは、図１のストランド６におけるストランド緊張力を示す。図１２ｃは、図１のストランド６におけるストランド緊張力を示す。図１３ａは、「ストレート」スプロケットを備えた、図１に示したベースラインシステムに関する総括グラフを示す。図１３ｂは、「ストレート」スプロケットを備えた、図１に示したベースラインシステムに関する総括グラフを示す。図１３ｃは、「ストレート」スプロケットを備えた、図１に示したベースラインシステムに関する総括グラフを示す。図１３ｄは、「ストレート」スプロケットを備えた、図１に示したベースラインシステムに関する総括グラフを示す。図１３ｅは、「ストレート」スプロケットを備えた、図１に示したベースラインシステムに関する総括グラフを示す。図１３ｆは、「ストレート」スプロケットを備えた、図１に示したベースラインシステムに関する総括グラフを示す。図１４ａは、従来のランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１４ｂは、従来のランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１４ｃは、従来のランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１４ｄは、従来のランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１４ｅは、従来のランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１４ｆは、従来のランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１５ａは、従来のランダムスプロケットを備え外部励起を伴う、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１５ｂは、従来のランダムスプロケットを備え外部励起を伴う、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１５ｃは、従来のランダムスプロケットを備え外部励起を伴う、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１５ｄは、従来のランダムスプロケットを備え外部励起を伴う、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１５ｅは、従来のランダムスプロケットを備え外部励起を伴う、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１５ｆは、従来のランダムスプロケットを備え外部励起を伴う、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１６ａは、本発明の非優勢次数（ＮＰＯ）ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１６ｂは、本発明の非優勢次数（ＮＰＯ）ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１６ｃは、本発明の非優勢次数（ＮＰＯ）ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１６ｄは、本発明の非優勢次数（ＮＰＯ）ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１６ｅは、本発明の非優勢次数（ＮＰＯ）ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１６ｆは、本発明の非優勢次数（ＮＰＯ）ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１７ａは、本発明の非優勢（ＮＰＯ）ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴う、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１７ｂは、本発明の非優勢（ＮＰＯ）ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴う、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１７ｃは、本発明の非優勢（ＮＰＯ）ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴う、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１７ｄは、本発明の非優勢（ＮＰＯ）ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴う、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１７ｅは、本発明の非優勢（ＮＰＯ）ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴う、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１７ｆは、本発明の非優勢（ＮＰＯ）ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴う、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１８ａは、異なる向きで装着された従来のランダムスプロケットを備えた、図１に示したシステムに関する緊張力のグラフを示す。図１８ｂは、異なる向きで装着された従来のランダムスプロケットを備えた、図１に示したシステムに関する緊張力のグラフを示す。図１８ｃは、異なる向きで装着されたＮＰＯランダムスプロケットを備えた、図１に示したシステムに関する緊張力のグラフを示す。図１８ｄは、異なる向きで装着されたＮＰＯランダムスプロケットを備えた、図１に示したシステムに関する緊張力のグラフを示す。図１９ａは、緊張力低減ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１９ｂは、緊張力低減ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１９ｃは、緊張力低減ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１９ｄは、緊張力低減ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１９ｅは、緊張力低減ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図１９ｆは、緊張力低減ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２０ａは、緊張力低減ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２０ｂは、緊張力低減ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２０ｃは、緊張力低減ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２０ｄは、緊張力低減ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２０ｅは、緊張力低減ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２０ｆは、緊張力低減ランダムスプロケットを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２１ａは、ＮＰＯスプロケットと緊張力低減ランダムスプロケットの組み合わせを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２１ｂは、ＮＰＯスプロケットと緊張力低減ランダムスプロケットの組み合わせを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２１ｃは、ＮＰＯスプロケットと緊張力低減ランダムスプロケットの組み合わせを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２１ｄは、ＮＰＯスプロケットと緊張力低減ランダムスプロケットの組み合わせを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２１ｅは、ＮＰＯスプロケットと緊張力低減ランダムスプロケットの組み合わせを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２１ｆは、ＮＰＯスプロケットと緊張力低減ランダムスプロケットの組み合わせを備えかつ外部励起を伴わない、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２２ａは、ＮＰＯスプロケットと緊張力低減ランダムスプロケットの組み合わせを備えかつ外部励起を伴う、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２２ｂは、ＮＰＯスプロケットと緊張力低減ランダムスプロケットの組み合わせを備えかつ外部励起を伴う、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２２ｃは、ＮＰＯスプロケットと緊張力低減ランダムスプロケットの組み合わせを備えかつ外部励起を伴う、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２２ｄは、ＮＰＯスプロケットと緊張力低減ランダムスプロケットの組み合わせを備えかつ外部励起を伴う、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２２ｅは、ＮＰＯスプロケットと緊張力低減ランダムスプロケットの組み合わせを備えかつ外部励起を伴う、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２２ｆは、ＮＰＯスプロケットと緊張力低減ランダムスプロケットの組み合わせを備えかつ外部励起を伴う、図１に示したシステムに関するグラフを示す。図２３は、図１に示したシステムに関するチェーン負荷対エンジンＲＰＭのグラフを示し、ストレートスプロケット、従来のランダムスプロケット、緊張力低減ランダムスプロケット、ＮＰＯランダムスプロケット、及びＮＰＯランダムと緊張力低減ランダムスプロケットの組み合わせを示す。図２４は、ストレートスプロケット、従来のランダムスプロケット、緊張力低減ランダムスプロケット、ＮＰＯランダムスプロケット、及びＮＰＯランダムと緊張力低減ランダムスプロケットの組み合わせを対象とした、スプロケット半径方向の変化対歯底部番号のグラフである。図２５は、ＮＰＯランダムスプロケットを用いた緊張力低減方法のフローチャートである。図２６は、図２ａ、５ａ、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａ、１１ａ、及び１２ａの凡例を示す。図２７は、図２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂ、１１ｂ、１２ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１４ｃ、１４ｄ、１５ｃ、１５ｄ、１６ｃ、１６ｄ、１７ｃ、１７ｄ、１９ｃ、１９ｄ、２０ｃ、２０ｄ、２１ｃ、２１ｄ、２２ｃ及び２２ｄの凡例を示す。図２８は、図２ｃ、３ｃ、４ｃ、５ｃ、７ｃ、８ｃ、９ｃ、１０ｃ、１１ｃ、１２ｃ、１３ｅ、１３ｆ、１４ｅ、１４ｆ、１５ｅ、１５ｆ、１６ｅ、１６ｆ、１７ｅ、１７ｆ、１９ｅ、１９ｆ、２０ｅ、２０ｆ、２１ｅ、２１ｆ、２２ｅ、及び２２ｆの凡例を示す。図２９は、図６ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａ、１７ａ、１９ａ、２０ａ、２１ａ、及び２２ａの凡例を示す。図３０は、図６ｂ、１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂ、１７ｂ、１９ｂ、２０ｂ、２１ｂ、及び２２ｂの凡例を示す。図３１は、図３ａ及び４ａの凡例を示す。

本発明は、チェーン緊張力において優勢でない次数のみを使用してランダムパターンを生成することによって、チェーン緊張力の増加の問題に取り組む。これを行うことで、ランダムスプロケットによる緊張力と外部からの緊張力との相互作用が最小限に抑えられる。また、ランダムスプロケットによる緊張力は、外部からの緊張力と同時に共振を励起することはない。さらに、ランダムスプロケット上の半径方向の変化の向きはもはや非常に重要ではない（外部源による次数を追加又は相殺しないからである）。この方法と緊張力低減ランダムスプロケットを組み合わせることが可能である。これは、緊張力低減ランダムスプロケットのために最初に次数、振幅、及び位相を規定することによって行うことができる。次いで、チェーン緊張力において既に顕著でない他の次数を追加することができ、それによって全体の最大緊張力の増加を最小限に抑えて噛合いノイズ低減をさらに改善することができる。

チェーン又はベルトドライブは、多くの構成及び様々な振動励起を有することができる。重要なことは、ドライブが振動励起を受けやすく、ドライブがこれらの励起によって励起されることができる捩り共振を有することにある。使用することができる多くの半径方向の変化パターンが存在する。重要なことは、このパターンがチェーン緊張力において顕著である次数を含んでいないことにある。すなわち、パターンがチェーン緊張力において顕著である次数を含んでいれば、振動励起によって生じる緊張力を相殺するために適切な振幅と向きを有する次数が選択される。

この概念は、ノイズと全体の最大チェーン緊張力の両方を減少させるために緊張力低減スプロケットの半径方向の変化と組み合わせることができる。

図２ａ、５ａ、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａ、１１ａ、及び１２ａの凡例が図２６に見られることに留意されたい。図２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂ、１１ｂ、１２ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１４ｃ、１４ｄ、１５ｃ、１５ｄ、１６ｃ、１６ｄ、１７ｃ、１７ｄ、１９ｃ、１９ｄ、２０ｃ、２０ｄ、２１ｃ、２１ｄ、２２ｃ、及び２２ｄの凡例が図２７に見られる。図２ｃ、３ｃ、４ｃ、５ｃ、７ｃ、８ｃ、９ｃ、１０ｃ、１１ｃ、１２ｃ、１３ｅ、１３ｆ、１４ｅ、１４ｆ、１５ｅ、１５ｆ、１６ｅ、１６ｆ、１７ｅ、１７ｆ、１９ｅ、１９ｆ、２０ｅ、２０ｆ、２１ｅ、２１ｆ、２２ｅ、及び２２ｆの凡例が図２８に見られる。図６ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａ、１７ａ、１９ａ、２０ａ、２１ａ、及び２２ａの凡例が図２９に見られる。図６ｂ、１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂ、１７ｂ、１９ｂ、２０ｂ、２１ｂ、及び２２ｂの凡例が図３０に見られる。図３ａ及び４ａの凡例が図３１に見られる。

図１のチェーンドライブ装置は、クランク捩り振動からの高い振動励起を有する。これは、図２ａ〜図２ｃのグラフに見ることができる。同様に、図３ａ〜図３ｃ及び図４ａ〜図４ｃは、排気カムシャフト及び吸気カムシャフトにおけるカムトルクのグラフをそれぞれ示し、図５ａ〜図５ｃは、燃料ポンプトルクを示す。

図２ａ、図３ａ、図４ａ及び図５ａは、異なる速度における１エンジンサイクルの振動励起の時間トレースを示す。これらの時間トレースはエンジンサイクル（２クランク回転）ごとに繰り返される。これは４気筒エンジンなので、振動励起はエンジンサイクルにおいて４回繰り返すパターンを持っている。これは、優勢な第４次のエンジンサイクル次数を生成する（励起はエンジンサイクルあたり４回増減する）。時間トレースは正弦波ではないので、第４次のエンジンサイクル次数の倍数（８、１２、１６、...）である高調波―すなわち次数―がある。

４サイクルエンジンに適用するために本明細書で使用される「エンジンサイクル次数」又は単に「次数」という用語は、「エンジンサイクル」次数を指すことが理解されるであろう。グラフは、括弧内に「クランクスプロケット次数」と注記している。４サイクルエンジンの場合、エンジンサイクル次数はクランクスプロケット次数の２倍である、クランクがエンジンサイクルごとに２回転するからである。

この適用のために、時間トレースは次の式を使用して次数振幅と位相で表すことができる。

ここで、Ａ_ｎ＝次数４、８、１２...の振幅

φ_ｎ=次数４、８、１２...の位相

θ＝エンジンサイクル又はカム角度（１エンジンサイクルにわたって０〜３６０度）

各次数の振幅及び位相は、エンジン速度によって変化する。次数４、８、１２、１６及び２０の速度に伴う振幅の変動は図２ｂ、３ｂ、４ｂ及び５ｂに示されており、同じプロットは図２ｃ、３ｃ、４ｃ及び５ｃにおいて次数６、１０、１４、１８及び２２に関して示される。

図６ａ及び図６ｂは、燃料ポンプチェーン１０及びカムタイミングチェーン２０の各ストランドにおける最大及び最小緊張力対エンジン速度（チェーンドライブ・ダイナミック・シミュレーション・コンピュータ・プログラムを使用して計算した）を示す。これらの緊張力は、外部振動励起の結果である。最大緊張力は、チェーンの耐久限界（例えば、プライマリチェーンの場合は２８００ニュートン、セカンダリチェーンの場合は２３００ニュートン）に非常に近い。

ストランド緊張力毎の時間トレース及び次数振幅を図７ａ〜図１２ｃに示し、その中に図７ａ、８ａ、９ａ、１０ａ、１１ａ及び１２ａはストランド緊張力対ストランド１〜６の様々なエンジン速度におけるクランク角をそれぞれ示し、図７ｂ、図８ｂ、図９ｂ、図１０ｂ、図１１ｂ及び図１２ｂは、次数４、８、１２、１６及び２０に関するストランド緊張力対エンジン速度を示し、図７ｃ、図８ｃ、図９ｃ、図１０ｃ、図１１ｃ及び図１２ｃは、次数６、１０、１４、１８及び２２に関するストランド緊張力対エンジン速度を示す。

図７ａ〜１２ｃから、チェーンドライブの最初の捩じり共振に起因して、約３５００〜４０００ＲＰＭのエンジン速度で緊張力に大きなピークがあることに留意されたい。これは、第８次のエンジンサイクル次数で最も顕著である。第８次のエンジンサイクル次数の増幅は、最高のチェーン緊張力を引き起こす。

図１３ａ〜図１３ｆは、図１に示すベースラインシステムの総括図を示しており、その中でスプロケット３０〜３４は「ストレート」スプロケット―すなわち、ノイズ又はトルク又は緊張力調整のためのランダム化又は他の修正を伴わないスプロケットである。

図１３ａ及び図１３ｂは図６ａ及び６ｂに、それぞれ対応し、燃料ポンプチェーン１０（ストランド１〜３）及びカムタイミングチェーン２０（ストランド４〜６）における最大ストランド緊張力及び最小ストランド緊張力を示す。図１３ｃ〜図１３ｆは、燃料ポンプチェーン１０（ストランド３）及びカムタイミングチェーン２０（ストランド６）の最も高い緊張力を有するストランドの次数内容を示す。図１３ｃは図９ｂに対応し、図１３ｄは図１２ｂに対応し、図１３ｅは図９ｃに対応し、図１３ｆは図１２ｃに対応する。

このドライブ装置に関する噛合いノイズは受け入れられない。最悪のノイズは燃料ポンプスプロケット近傍から来る。先行技術で知られているように、この問題に対処するためにランダム燃料ポンプスプロケットを使用してノイズレベルを低減することが可能であろう。

図１４ａ〜図１４ｆは、外部励起が存在しない―すなわち、クランクシャフト、カムシャフト（複数）又は燃料ポンプの作動によって導入されたトルク変動を考慮しない、場合の従来のランダムスプロケットによって生じるチェーン緊張力を示す。図１４ｃ〜図１４ｆは、従来のランダムスプロケットが多くの次数で緊張力を励起することを示している。より顕著な次数としては、第４次、第１０次、第１２次のエンジンサイクル次数が挙げられる。

しかしながら、外部励起なるものがあらゆる現実世界のエンジンに存在し、クランクシャフト上のピストン、又はカムシャフト（複数）上のバルブの衝撃、又は燃料ポンプの動作によって生成されることが理解されるであろう。外部励起を組み合わせると、第４次及び／又は第１２次の寄与が足し合わされてチェーン緊張力を増加させることになる可能性がある。これは図１５ａ〜図１５ｆに示されている。図１４ａ〜図１４ｆに示すベースラインと比較して、ストランド１、２、４、５及び６の緊張力は大きく増加し、ストランド３の緊張力の増加はより小さい。このようなチェーン緊張力の増加は受け入れられない。

図１６ａ〜図１６ｆは、本出願の中で教示されるように、ベースラインシステムにおいて顕著ではない次数のみに基づくピッチ半径変の変化を伴うランダムスプロケットを用いて生成されたチェーン緊張力（以下、「非優勢次数」又はＮＰＯランダムスプロットと呼ぶ）を示している。上記の図１４ａ〜図１４ｆと同様に、図１６ａ〜図１６ｆは外部励起を考慮しない。この場合、ＮＰＯランダムスプロケットパターンに使用できる次数は、第１次、第２次、第３次、第５次、第６次、第７次、第９次、第１０次、第１１次、第１３次の…エンジンサイクル次数である。

この例のエンジンでは、燃料ポンプスプロケットは、エンジンサイクルごとに２回転―すなわち、クランクシャフトと同じ速度で回転する。これは、燃料ポンプスプロケット次数がエンジンサイクル次数の２倍であることを意味する―第１次の燃料ポンプスプロケット次数（燃料ポンプの回転ごとに１回繰り返される正弦波）が第２次のエンジンサイクル次数に等しくなる、以下同様。つまり、燃料ポンプスプロケットは第２次、第４次、第６次、第８次、第１０次、第１２次の...エンジンサイクル次数の生成にのみ使用できる。

ベースラインの緊張力で既に優勢である次数を取り除くことは、第２次、第６次、第１０次、第１１次、第１４次、第１８次の...エンジンサイクル次数―すなわち、第１次、第３次、第５次、第７次、第９次の...燃料ポンプスプロケット次数を残すことである。図１６ｃ〜図１６ｆの次数プロットは、この例では、ＮＰＯランダムスプロケットが主に第６次、第１０次、第１４次及び第１８次のエンジンサイクル次数で緊張力を生成することを示している。第４次、第８次、第１２次、第１６次の...エンジンサイクル次数で生成される緊張力は非常に小さく、外部励起と組み合わされたときに大幅には加算されない。

図１７ａ〜図１７は、ＮＰＯランダムスプロットを有するが、図１５ａ〜図１５ｆのように外部励起を考慮に入れるエンジンのグラフを示す。ベースラインからの次数内容（図１３ａ〜図１３ｆ）を比較すると、図１７ａ〜図１７ｆは、優勢次数のわずかな変化と、ＮＰＯランダムスプロケットからの新規次数の追加のみを示している。ストランド１、２、４、５、６の最大緊張力はわずかに増加するだけである。ストランド３の緊張力は、ＮＰＯランダムスプロケットの第１０次のエンジンサイクル次数の寄与に起因しても少し増加する。これは、ＮＰＯスプロケットを生成するために使用される第５次のスプロケット次数の振幅を減らすことによって改善することができるであろう。

図１８ａ〜図１８ｄは、従来のランダムスプロケット（図１８ａ〜図１８ｂ）及び本出願のＮＰＯランダムスプロケット（図１８ｃ〜図１８ｄ）の向きとともにどのように変化するかを示している。これらの図で使用されているように、用語「向き」は、エンジンサイクルの開始時のスプロケットの角度位置を意味する。スプロケットの向きは歯が１つずつ増えるごとに変化し得る。

従来のランダムスプロケットであれば、図１８ａ〜図１８ｂに示すように、スプロケットの向きに起因して最大緊張力の大きな変動があり得る。また、いくつかの状況で緊張力を軽減する向きを選択することは、他の状況での緊張力を増大させる可能性がある。したがって、従来のランダムスプロケットを有するエンジンを製造又は整備する場合、製造業者又は整備業者はスプロケットがシャフトにどのように組み付けられているかに非常に注意する必要がある―スプロケットを外し、若干向きを変えて再取り付けすると、結果としてチェーン緊張力の大きな変化をもたらすことができる。ＮＰＯランダムスプロケットの向きに伴う緊張力変動はずっと小さく、ＮＰＯスプロケットを使用したエンジンの製造と整備に有利である。

図１９ａ〜図１９ｆは、外部励起を考慮することのない、従来技術の緊張力低減ランダムスプロケットによって生成された緊張力の例を示す。この例では、緊張力低減ランダムスプロケットは、第４次と第８次のエンジンサイクル次数（第２次と第４次の燃料ポンプスプロケット次数）で緊張力を発生させるように設計されている。考えられる条件下では、第８次のエンジンサイクル次数は、３０００〜４０００ＲＰＭの範囲のチェーンドライブ捩り共振を励起する。

スプロケットの向きは緊張力低減ランダムスプロケットにとって非常に重要である。緊張力低減ランダムスプロケットにより発生される緊張力は、ベースライン緊張力に対して反対の位相を有するように時間を調節されなければならない―ベースライン緊張力が高い場合には、緊張力低減ランダムスプロケットからの緊張力が低くなければならない、逆もまた同じでなければならない。

図２０ａ〜図２０ｆは、外部励起と組み合わせた場合の緊張力低減ランダムスプロケットの効果を示す。ストランド１、２、４、５及び６における最大緊張力は、図１５ａ〜図１５ｆに示す従来のランダムスプロケットを使用したものより著しく減少し、一方、ストランド３の最大緊張力はより少ない量で減少する。

本出願の奇数燃料ポンプスプロケット次数から構成されるＮＰＯランダムスプロケットパターンは、従来技術の緊張力低減ランダムスプロケットの第２次及び第４次の燃料ポンプスプロケット次数と組み合わせて、それぞれの利点を組み合わせることができる。スプロケットだけで発生された緊張力を図２１ａ〜２１ｆに示し、外部励起と組み合わせた場合の結果を図２２ａ〜図２２ｆに示す。

図２３に見られるように、新しいランダムスプロケットパターンのノイズ改善が得られ、チェーン緊張力がほとんど増加していない。このデザインには緊張力低減次数が含まれているため、ＮＰＯランダムと緊張力低減ランダムスプロケットの組み合わせは、エンジンサイクルに対して適切な向きにする必要がある。

図２３は、燃料ポンプスプロケットにかかる噛合い次数チェーン力を示す。これはシステムのノイズ特性の尺度である。この例では、エンジンが１５００〜２５００ＲＰＭの範囲で作動しているときに問題のノイズが発生するものと想定する。

従来のランダムスプロケット（円形でトレース）では、１７００ＲＰＭ以下では改善が見られないが、１７００ＲＰＭ以上では大幅な改善を示している。これが受け入れられるかどうかは、チェーンからリスナーまでのノイズ経路においてどの周波数が増幅され、減衰されるかに大きく依存している。緊張力低減ランダムスプロケット（菱形でトレース）は、ある速度範囲でいくらかの改善を示している。

本出願のＮＰＯランダムスプロケット（正方形でトレース）は、１４００ＲＰＭ前後から始まり、約１４００ＲＰＭと約２２００ＲＰＭとの間でかなりの改善を示し、それは少しも騒がしくない。ＮＰＯランダムと緊張力低減ランダムスプロケット（三角形でトレース）を組み合わせることにより、ＮＰＯランダムスプロケットと同様のノイズ結果が得られる。

表１は、実施例ＮＰＯランダム及び緊張力低減ランダムスプロケットを対象とした半径方向の変化パターンを構成するために使用される次数、振幅及び位相を示す。パターンが次数内容に基づいて生成されていないため、従来のランダムスプロケットは含まれていない。半径方向の変化は、次式を用いて計算される。

ここで、Ａ_ｎ＝次数１、２、３...の振幅

φ_ｎ＝次数１、２、３...の位相

θ＝スプロケット角度

ｎ^＊＝次数１、２、３...のスプロケット次数

ΔＲ_ｐ＝ピッチ半径平均シフト

すべての着座したピン位置の間で一定のピッチ長を維持するためにピッチ半径の平均シフトが含まれる。ＮＰＯランダムスプロケット次数については、位相はスプロケットの向きと同様に、結果得られるチェーン緊張力にわずかな影響しか及ぼさない。

表２はスプロケット周りのスプロケット歯底部毎の従来のランダムスプロケットの半径方向の変化及び角度変化の表を示す。着座したピン中心間のピッチ長を一定に保つには、角度変化を含めなければならない。右端の列には、各ピッチ半径変動に割り当てられた数字が含まれている。１は最高の半径方向の変化であり、２は次に高い半径方向の変化であり、以下同様である。この場合、３つの異なる半径方向の変化しかない。典型的な従来のランダムスプロケットはいくつかの一定の半径方向の変化値のみを使用する。右端の列の数字は、スプロケットパターンと呼ばれる。従来のランダムスプロケットでは、パターンの繰り返しは避けられる。

表３は、実施例ＮＰＯランダムスプロケットの半径方向の変化とパターンを示している。スプロケットパターンには多くの歯底部半径が含まれており、規則的な繰り返しパターンはない。これは、ほとんどのＮＰＯランダムスプロケットのケースに当てはまる。しかし、使用されている次数やそれらがどのように位相調整されるかに応じて、定期的な繰り返しパターンを有するＮＰＯランダムスプロケットを有することは可能である。

表４は実施例緊張力低減ランダムスプロケットの半径方向の変化及びパターンを示す。緊張力低減スプロケットには、２回繰り返すパターンが含まれる。緊張力低減ランダムスプロケットには、しばしば実質的に繰り返すパターンが含まれるが、これは必ずしも必要ではない。

表５は、実施例ＮＰＯランダム＋緊張力低減型ランダムスプロケットの半径方向の変化とパターンを示す。ＮＰＯランダムスプロケットと同様に、繰り返す半径方向の変化は、あるとしても、少数しかない。パターンには繰り返しはない。ＮＰＯランダムと緊張力低減ランダムスプロケットを組み合わせたパターンの繰り返しは全くありそうにない。

図２４は、実施例スプロケットに関する半径方向の変化対スプロケット歯底部番号を比較するプロットを包含する。これは緊張力低減ランダムスプロケットにおける反復と他のスプロケットにおける反復の不足を示している。また、従来のランダムスプロケットで使用されたわずかしかない離散的な半径方向の変化も示している。

新しいランダムスプロケットに使用できるエンジンサイクル次数は、エンジンの構成に応じて異なってくる。ＮＰＯランダムスプロケットに使用できるスプロケット次数は、クランクと新しいランダムスプロケットの速度比に依存する。表６は、ＮＰＯランダムスプロケットに使用できるエンジンサイクル次数の例を示している。

これらの次数はエンジンが点火順序及び/又はその高調波によって支配されるトルクを有さない燃料ポンプを有する場合に変更され得る。場合によっては、点火順序又はその高調波ではないクランク捩り振動における次数のために使用すべきでない追加の次数が存在することもある。

ＮＰＯランダムスプロケットがクランク速度で回転すると、使用できるスプロケット次数は上記の次数の２倍になる。ＮＰＯランダムスプロケットがカム速度（クランク速度の半分）で回転すると、スプロケット次数は上記の次数と同じになる。同様に、他の速度比が使用される場合、使用可能なスプロケット次数は、上記の次数の２倍にＮＰＯランダムスプロケットの速度とクランク速度の比を乗じたものとなる。

図２５は、ＮＰＯランダムスプロケットを用いて最大チェーン緊張力を増加させずに噛合いノイズを低減する方法のフローチャートである。

第１のステップでは、緊張力が発生するエンジンサイクル次数を決定するためにチェーンドライブ内の外部励起が決定される（ステップ２００）。あるいは、緊張力を決定し、次いで優勢なエンジンサイクル次数（複数）を決定するために、チェーンドライブに励起を加えることができる。

チェーンドライブ内で緊張力が優勢であるエンジンサイクル次数は、スプロケット次数に変換される（ステップ２０２）。例えば、スプロケット次数はエンジンサイクル次数の半分になる。従って、第４次のエンジンサイクル次数は、第２次のクランクスプロケット次数である。

非優勢である次数が決定される（ステップ２０４）。これらは、ステップ２００〜２０２で発見されなかった次数である。

非優勢次数（ＮＰＯ）スプロケットを生成するために、非優勢次数がスプロケットの半径方向の変化パターンに組み込まれる（ステップ２０６）。非優勢次数の振幅はチェーンドライブに導入される緊張力を決定し、スプロケットの半径方向の変化パターンに対応する。好ましい実施形態では、選択された非優勢次数はスプロケットの歯数の半分未満であり、第１次及び第２次の次数は通常避けられる。なぜなら、スプロケット歯数の半分以上の次数はエイリアスされ、かつより低い次数として現れるからである。第１次及び第２次の次数のような、低次数は噛合いノイズにほとんど影響を及ぼさないのが一般的である。なぜならば低次数は噛合いタイミングに十分な変化をもたらさず、そういうわけで緊張力低減ランダムスプロケットでは噛合いノイズの大幅な低減がない。

非優勢次数（ＮＰＯ）スプロケットが内燃機関のチェーンドライブに装着される（ステップ２０８）、そこでこの方法が終了する。

上述したチェーンドライブシステムは、カムシャフト、燃料ポンプなどを指すが、本発明のＮＰＯスプロケットは、バランスシャフト又はウォータポンプなどの、チェーンによって駆動される他のエンジンアクセサリ及び構成部品と共に等しく有用であることに留意する必要がある。

上記の説明は内燃機関との関わりにおいてであるが、本発明のＮＰＯスプロケットがトランスミッション、搬送用ケース、ハイブリッドドライブなどの、他のチェーン用途と共に使用できることにも留意する必要がある。ＮＰＯの概念が、特定の次数における励起又は特定の次数における他のシステムとの相互作用を有する（ランダムパターンで避ける必要がある次数を生成する）いかなるチェーン駆動システムにも適用できることがうかがわれる。

また、「スプロケット」という用語には、歯付きベルト駆動システムに使用されるプーリーが含まれることにも留意する必要がある。

したがって、本明細書に記載した本発明の実施形態は、単に本発明の原理の適用の例示目的に過ぎないことを理解すべきである。図示した実施形態の詳細に対する本明細書の参照は、それら自体が本発明に必須であると見なされるそれらの特徴を列挙する特許請求の範囲を限定するように意図されない。

Claims

特定の次数において励起又は相互作用を有するチェーン駆動システム又はベルト駆動システム用の非優勢次数ランダムスプロケットであって：
ピッチ半径のパターンを備え、それによって前記ピッチ半径の半径方向の変化が、前記チェーン駆動システムの前記励起又は相互作用の前記特定の次数において優勢でない次数においてのみ緊張力を励起する、非優勢次数ランダムスプロケット。
ドライビングスプロケット及び少なくとも１つのドリブンスプロケットを有するクランクシャフトを有する内燃機関用のチェーンドライブ又はベルトドライブであって：
ａ）前記ドライビングスプロケット又は前記少なくとも１つのドリブンスプロケットのうちの少なくとも片方が非優勢次数ランダムスプロケットであって:ピッチ半径のパターンを備え、それによって前記ピッチ半径の半径方向の変化が、前記内燃機関のドライブシステムにおいて非優勢次数における緊張力を励起する、非優勢ランダムスプロケットと;及び
ｂ）前記ドライビングスプロケットと前記少なくとも１つのドリブンスプロケットに噛み合うチェーンと、を備える、チェーンドライブ又はベルトドライブ。
前記内燃機関が、アクセサリスプロケットを有する少なくとも１つのアクセサリをさらに備え、前記チェーンが前記アクセサリスプロケットに噛み合う、請求項２に記載のチェーンドライブ又はベルトドライブ。
前記アクセサリが燃料ポンプである、請求項３に記載のチェーンドライブ又はベルトドライブ。
前記アクセサリスプロケットが非優勢次数ランダムスプロケットであって：ピッチ半径のパターンを備え、それによって前記ピッチ半径の前記半径方向の変化が前記ドライブシステムの前記励起又は相互作用の前記特定の次数において優勢でない次数においてのみ緊張力を励起する、請求項３に記載のチェーンドライブ又はベルトドライブ。
前記ドライビングスプロケット又は前記少なくとも１つのドリブンスプロケットのうちの少なくとも片方が、緊張力低減ランダムスプロケットである、請求項５に記載のチェーンドライブ又はベルトドライブ。
前記ドライビングスプロケット又は前記少なくとも１つのドリブンスプロケットの少なくとも片方が、緊張力低減ランダムスプロケットである、請求項２に記載のチェーンドライブ又はベルトドライブ。
前記少なくとも１つのドリブンスプロケットが、前記内燃機関のカムシャフト上にある、請求項２に記載のチェーンドライブ又はベルトドライブ。
前記少なくとも１つのドリブンスプロケットが、前記内燃機関のバランスシャフト上にある、請求項２に記載のチェーンドライブ又はベルトドライブ。
ドライビングスプロケットを有するクランクシャフトと、ドリブンスプロケットを有する少なくとも１つのカムシャフトと、アクセサリスプロケットを有する少なくとも１つのアクセサリとを有する内燃機関用のチェーンドライブ又はベルトドライブであって：
ａ）前記ドライビングスプロケット又は前記少なくとも１つのドリブンスプロケット又は前記少なくとも１つのアクセサリスプロケットの少なくとも１つが非優勢次数ランダムスプロケットであって：ピッチ半径のパターンを備え、それによって前記ピッチ半径の前記半径方向の変化が、前記内燃機関のドライブシステムの前記励起又は相互作用の前記特定の次数において優勢ではない次数でのみ緊張力を励起する、非優勢次数ランダムスプロケットと；及び
ｂ）前記ドライビングスプロケット及び前記少なくとも１つのドリブンスプロケット並びに前記少なくとも１つのアクセサリスプロケットに噛み合うチェーンと、を備える、チェーンドライブ又はベルトドライブ。
前記ドライビングスプロケット又は前記少なくとも１つのドリブンスプロケット又は前記少なくとも１つのアクセサリスプロケットのうちの少なくとも１つが、緊張力低減ランダムスプロケットである、請求項１０に記載のチェーンドライブ又はベルトドライブ。
前記アクセサリが燃料ポンプである、請求項１０に記載のチェーンドライブ又はベルトドライブ。
ドライビングスプロケットを有するクランクシャフトとドリブンスプロケットを有する少なくとも１つのシャフトとを有する内燃機関用のチェーンドライブ又はベルトドライブにおける噛合いノイズを低減する方法であって：
緊張力が発生するエンジンサイクル次数を決定するために前記チェーンドライブ内の外部励起を決定するステップと；
緊張力が優勢であるエンジンサイクル次数をスプロケット次数に変換するステップと；
非優勢であるスプロケット次数を決定するステップと；
前記非優勢次数の少なくとも１つをスプロケットの半径方向の変化パターンに組み込むステップと；
前記内燃機関のチェーンドライブ又はベルトドライブにスプロケットを取り付けるステップと、を含む方法。
ピッチ半径の反復パターンであって、それによって前記ピッチ半径の半径方向の変化が前記内燃機関のドライブシステムにおいて非優勢次数における緊張力を励起する、ピッチ半径の反復パターンを備える前記内燃機関の前記チェーンドライブ内に緊張力低減スプロケットをさらに備える、請求項１３に記載の方法。