JP2020133858A - ヘリカルギヤのスラスト荷重軽減構造 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸にスプライン嵌合するヘリカルギヤに発生するスラスト荷重を、部品点数の増加やコストアップを招くことなく、簡単な構成で軽減させてその軸方向移動を防ぐことができるヘリカルギヤのスラスト荷重軽減構造を提供すること。【解決手段】回転軸（カウンタシャフト）１１にスプライン嵌合によって結合されたヘリカルギヤ（変速ギヤ）１４のスラスト荷重軽減構造として、前記ヘリカルギヤ１４の内径スプライン１４ｂを、回転軸中心線Ｌに対して斜めに捩れたヘリカルスプラインとする。この場合、前記ヘリカルスプラインの捩れ方向を、当該ヘリカルギヤ１４の外周に刻設されたヘリカル歯１４ａの捩れ方向と同じ方向とする。【選択図】図３

Description

本発明は、回転軸にスプライン嵌合によって結合されたヘリカルギヤのスラスト荷重軽減構造に関する。

互いに噛合するギヤの回転時の騒音を低く抑えるために、両ギヤをヘリカルギヤ（はす歯ギヤ）で構成することは一般的に行われているが、これらのヘリカルギヤが回転すると、ギヤの噛み合いによってスラスト荷重が発生する。このため、ヘリカルギヤが設けられた回転軸は、ジャーナル荷重とスラスト荷重を同時に受けることができるテーパローラベアリング等によって回転可能に支持されている。また、ヘリカルギヤがスラスト荷重によって回転軸上を軸方向に移動する可能性があるため、この移動を規制する手段が必要である。

ところで、特許文献１には、ヘリカルギヤの噛み合いによって発生するスラスト荷重を利用し、回転軸にスプライン嵌合するヘリカルギヤをスラスト荷重によって軸方向に移動させることによって、例えば、クラッチを押圧して容易に摩擦抵抗を得るようにした車両のディファレンシャル装置が提案されている。

特開２００４−１００８３２号公報

しかしながら、ヘリカルギヤのスラスト荷重による軸方向移動を利用しない装置では、ヘリカルギヤの軸方向移動を規制するために、コッターやコッターカバー、コッターカバーを押さえるサークリップ等を設ける必要がある。そのため、部品点数の増加や構造の複雑化、これらに伴うコストアップを免れないという問題があった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転軸にスプライン嵌合するヘリカルギヤに発生するスラスト荷重を、部品点数の増加やコストアップを招くことなく、簡単な構成で軽減させてその軸方向移動を防ぐことができるヘリカルギヤのスラスト荷重軽減構造を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、回転軸（１１）にスプライン嵌合によって結合されたヘリカルギヤ（１４）のスラスト荷重軽減構造であって、前記ヘリカルギヤ（１４）の内径スプライン（１４ｂ）を、回転軸中心線（Ｌ）に対して斜めに捩れたヘリカルスプラインとしたことを特徴とする。この場合、前記ヘリカルスプラインの捩れ方向を、当該ヘリカルギヤ（１４）の外周に刻設されたヘリカル歯（１４ａ）の捩れ方向と同じ方向とする必要がある。

本発明によれば、回転軸にスプライン嵌合によって結合されたヘリカルギヤの内径スプラインをヘリカルスプラインとし、その捩れ方向を、当該変速ギヤの外周に刻設されたヘリカル歯の捩れ方向と同じ方向としたため、ヘリカルスプラインには、互いに噛合する２つのヘリカルギヤ同士の噛み合い面に作用するスラスト荷重とは逆方向のスラスト荷重が作用する。このため、両ヘリカルギヤの噛み合い面に作用するスラスト荷重が、一方のヘリカルギヤ（回転軸にスプライン嵌合するヘリカルギヤ）の内径スプラインに作用するスラスト荷重によって相殺されて軽減される。この結果、ヘリカルギヤの軸方向移動が規制され、従来のようにコッターやコッターカバー等の部品を用いることなく、例えばサークリップのみでヘリカルギヤの軸方向移動を規制することができ、部品点数の増加や構造の複雑化とこれらに伴うコストアップを招くことなく、簡単な構成で前記効果を得ることができる。

また、前記ヘリカルギヤ（１４）のスラスト荷重軽減構造において、前記ヘリカルギヤ（１４）の半径をＲ、前記内径スプライン（１４ｂ）の半径をｒ、前記ヘリカル歯（１４ａ）の捩れ角をβとしたとき、前記ヘリカルスプラインの捩れ角αを、
α＝ｔａｎ^−１（（ｒ／Ｒ）ｔａｎβ）
に設定しても良い。

上記構成によれば、両ヘリカルギヤの噛み合い面に作用するスラスト荷重と一方のヘリカルギヤの内径スプライン（ヘリカルスプライン）に作用するスラスト荷重の大きさ（絶対値）が等しくなり、両ヘリカルギヤの噛み合い面に作用するスラスト荷重を一方のヘリカルギヤの内径スプラインに作用するスラスト荷重によって相殺して前記ヘリカルギヤ（１４）に作用するスラスト荷重を軽減させることができる。

本発明によれば、回転軸にスプライン嵌合するヘリカルギヤに発生するスラスト荷重を、部品点数の増加やコストアップを招くことなく簡単な構成で軽減させてその軸方向移動を防ぐことができる。

本発明に係るスラスト荷重軽減構造を備えるヘリカルギヤが設けられた車両のディファレンシャル装置部分の平断面図である。 本発明に係るスラスト荷重軽減構造を備えるヘリカルギヤとこれに噛合する他のヘリカルギヤに作用する荷重を模式的に示す正面図である。 本発明に係るスラスト荷重軽減構造を備えるヘリカルギヤ（変速ギヤ）のヘリカル歯と内径スプライン及び該ヘリカルギヤに発生するスラスト荷重を模式的に示す側面図（図２の矢視Ａ方向の図）である。 従来のヘリカルギヤとこれに噛合する他のヘリカルギヤに作用する荷重を模式的に正面図である。 従来のヘリカルギヤのヘリカル歯と内径スプライン及び両ヘリカルギヤの噛み合い面に作用するスラスト荷重を模式的に示す側面図（図４の矢視Ｂ方向の図）である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

＜車両のディファレンシャル装置部＞
図１は本発明に係るスラスト荷重軽減構造を備えるヘリカルギヤが設けられた車両のディファレンシャル装置部分の平断面図である。同図に示すディファレンシャル装置１は、車両の前部に搭載されたエンジン等の不図示の駆動源からの回転動力を左右の不図示の駆動輪に分配するものであって、トランスミッションケース２内に収容されており、車幅方向（図１の左右方向）の第１軸心Ｃ１回りに回転駆動される球殻状のディファレンシャルケース（以下、「デフケース」と略称する）３を備えている。

デフケース３には、左右の車軸４Ｌ，４Ｒの軸方向に相対向する小径の各端部をそれぞれ挿通支持するための円筒状のインボード部３ａが第１軸心Ｃ１方向（図１の左右方向）に沿って一体に突設されている。

そして、デフケース３は、その左右のインボード部３ａが左右のボールベアリング５によってトランスミッションケース２に支持されることによって、第１軸心Ｃ１回りに回転可能に支持されている。また、デフケース３の外周には、図１に上下方向に起立するリング状のフランジ部３Ａが一体に形成されており、このフランジ部３Ａには、エンジン等の駆動源から出力される回転動力を当該デフケース３に入力するためのリングギヤ６が複数本のボルト７（図１には１本のみ図示）によって取り付けられている。

ところで、デフケース３の中心部には、ピニオン軸８が第１軸心Ｃ１と直交する第２軸心Ｃ２方向（図１の上下方向）に挿通固着されており、デフケース３の内部には、ピニオン軸８によって第２軸心Ｃ２回りに回転可能に支持された左右一対のピニオンギヤ（ベベルギヤ）９と、各ピニオンギヤ９にそれぞれ噛合して第１軸心Ｃ１回りに回転可能に支持された左右一対のサイドギヤ（ベベルギヤ）１０が収容されている。ここで、一対のピニオンギヤ９は、デフケース３内において図１の上下方向に配置されており、一対のサイドギヤ１０は、ピニオン軸８を挟んでこれの左右両側に配置されている。

そして、上記一対のサイドギヤ１０の内周には、デフケース３の左右のインボード部３ａにそれぞれ通された左右の車軸４Ｌ，４Ｒの各内端部がスプライン嵌合によって連結されている。このため、左右の各サイドギヤ１０と左右の各車軸４Ｌ，４Ｒとは、第１軸心Ｃ１回りに一体に回転する。なお、図示しないが、左右の車軸４Ｌ，４Ｒの各外端部には、左右の駆動輪がそれぞれ取り付けられており、左右の駆動輪は、左右の車軸４Ｌ，４Ｒと共に一体に回転する。

ところで、トランスミッションケース２内には、中空状のカウンタシャフト１１が左右の車軸４Ｌ，４Ｒと平行に配置されており、このカウンタシャフト１１は、その軸方向両端部（図１の左右両端部）がテーパローラベアリング１２によってトランスミッションケース２に回転可能に支持されている。ここで、各テーパローラベアリング１２は、ジャーナル荷重とスラスト荷重を同時に受けることができる軸受である。

そして、上記カウンタシャフト１１には、変速ギヤ１３が一体に形成されており、この変速ギヤ１３は、トランスミッションケース２内に収容された他の変速ギヤ（不図示）に噛合している。また、カウンタシャフト１１には、小径の変速ギヤ１４がスプライン嵌合によって結合されており、この変速ギヤ１４は、デフケース２に取り付けられた大径の前記リングギヤ６に噛合している。ここで、互いに噛合する変速ギヤ１４とリングギヤ６は、ヘリカルギヤで構成されている。なお、カウンタシャフト１１にスプライン嵌合する変速ギヤ１４の軸方向移動は、カウンタシャフト１４の外周に嵌着されたサークリップ１５によって規制されている。

以上において、車両のエンジン等の駆動源から出力される回転動力が変速ギヤ１３を経てカウンタシャフト１１に入力されると、該カウンタシャフト１１が所定の速度で回転するが、このカウンタシャフト１１の回転は、互いに噛合する変速ギヤ１４とリングギヤ６を経て減速されてディファレンシャル装置１のデフケース３に入力される。すると、デフケース３がトランスミッションケース２内において第１軸心Ｃ１回りに回転し、車両が直進走行している場合には、左右の駆動輪が路面から受ける抵抗が等しいため、デフケース３と共に左右のピニオンギヤ９が公転して左右一対のサイドギヤ１０に回転動力が伝達される。このため、左右のサイドギヤ１０が回転し、これらのサイドギヤ１０と共に左右の車軸４Ｌ，４Ｒと左右の駆動輪がそれぞれ回転駆動される。このとき、一対のピニオンギヤ９は、回転（自転）しない。

他方、車両が旋回するコーナリング時においては、左右の駆動輪が路面から受ける抵抗に差（左右の駆動輪の移動距離に差）が生じるため、ディファレンシャル装置１の一対のピニオンギヤ９が自転して一方のサイドギヤ１０の回転速度が他方のサイドギヤ１０の回転速度よりも速くなり、これによって車両のコーナリングがスムーズに行われながら左右の駆動輪に回転動力が適正に分配される。

＜ヘリカルギヤのスラスト荷重低減構造＞
次に、本発明に係るスラスト荷重低減構造を図２及び図３に基づいて以下に説明する。

図２は本発明に係るスラスト荷重軽減構造を備えるヘリカルギヤ（変速ギヤ）とこれに噛合する他のヘリカルギヤ（リングギヤ）に作用する荷重を示す模式的に示す正面図、図３は本発明に係るスラスト荷重軽減構造を備えるヘリカルギヤ（変速ギヤ）のヘリカル歯と内径スプライン及び該ヘリカルギヤに発生するスラスト荷重を模式的に示す側面図（図２の矢視Ａ方向の図）である。

本実施の形態においては、前述のように図１に示す変速ギヤ１４とこれに噛合するリングギヤ６は、共にヘリカルギヤで構成されており、本発明に係るスラスト荷重低減構造は、変速ギヤ１４に対して採用されている。

即ち、変速ギヤ１４の外周に刻設されたヘリカル歯１４ａは、図３に示すように、回転軸中心線Ｌに対して図示の捩れ角βで斜め（図３において右下がり）に傾斜しているが、該変速ギヤ１４の内径部に刻設された内径スプライン１４ｂも回転軸中心線Ｌに対して図示の捩れ角αでヘリカル歯１４ａと同方向に傾斜し、ヘリカルスプラインとして構成されている。なお、図示しないが、変速ギヤ１４がスプライン嵌合によって結合されるカウンタシャフト１１の外周にもヘリカルスプラインが刻設されている。

ここで、変速ギヤ１４とカウンタシャフト１１が図２の矢印ａ方向（反時計方向）に回転し、該変速ギヤ１４に噛合するリングギヤ６が矢印ｂ方向（時計方向）に回転している場合を考える。この場合、変速ギヤ１４の内径スプライン１４ｂのヘリカルスプライン（スプライン歯とスプライン溝）の数をｎとすると、変速ギヤ１４の内径スプライン１４ｂには、接線方向の荷重ｎＫ_tan(SPL)とこれに直交する軸方向(図２の紙面垂直方向)の荷重ｎＫ_axi(SPL)が作用する。

また、変速ギヤ１４とリングギヤ６との噛み合い面には、接線方向の荷重Ｋ_tan(HEL)とこれに直交する軸方向（図２の紙面垂直方向）の荷重Ｋ_axi(HEL)が作用する。

軸方向の前記荷重ｎＫ_axi(SPL)は、変速ギヤ１４の内径スプライン１４ｂに図３の矢印方向（右方）に作用するスラスト荷重であり、軸方向の前記荷重Ｋ_axi(HEL)は、変速ギヤ１４とリングギヤ６との噛み合い面に図３の矢印方向（左方）に作用するスラスト荷重である。ここで、変速ギヤ１４（カウンタシャフト１１）の伝達トルクをＴ、変速ギヤ１４の半径をＲ、同変速ギヤ１４の内径スプライン１４ｂの半径をｒとすると、各スラスト荷重ｎＫ_axi(SPL)とＫ_axi(HEL)は、それぞれ次の（１）式，（２）式で表わされる。

前述のように、変速ギヤ１４の内径スプライン１４ｂに作用するスラスト荷重ｎＫ_axi(SPL)の作用方向は、変速ギヤ１４とリングギヤ６の噛み合い面に作用するスラスト荷重Ｋ_axi(HEL)の作用方向とは逆であるため、変速ギヤ１４とリングギヤ６の噛み合い面に作用するスラスト荷重Ｋ_axi(HEL)は、変速ギヤ１４の内径スプライン１４ｂに作用するスラスト荷重ｎＫ_axi(SPL)の大きさ分だけ相殺されて軽減される。

従って、互いに逆方向に作用するスラスト荷重ｎＫ_axi(SPL)とＫ_axi(HEL)の大きさ（絶対値）が等しければ（ｎＫ_axi(SPL)＝Ｋ_axi(HEL)）、変速ギヤ１４にはスラスト荷重が作用せず、変速ギヤ１４の軸方向移動を防ぐことができる。ここで、その条件を求めると、（１）式＝（２）式から次の（３）式の関係が成立することが必要になる。

ｔａｎα／ｔａｎβ＝ｒ／Ｒ …（３）
従って、（３）式より、変速ギヤ１４の内径スプライン１４ｂのヘリカルスプラインの捩れ角α
を次式：
α＝ｔａｎ^−１（（ｒ／Ｒ）ｔａｎβ） …（４）
で求められる値に設定すれば、変速ギヤ１４とリングギヤ６の噛み合い面に作用するスラスト荷重Ｋ_axi(HEL)を変速ギヤ１４の内径スプライン１４ｂに作用するスラスト荷重ｎＫ_axi(SPL)によって相殺して変速ギヤ１４に作用するスラスト方向の荷重を軽減させることができる。

以上のように、本実施の形態においては、カウンタシャフト１１にスプライン嵌合によって結合された変速ギヤ１４の内径スプライン１４ｂをヘリカルスプラインとし、その捩れ方向を、当該変速ギヤ１４の外周に刻設されたヘリカル歯１４ａの捩れ方向と同じ方向としたため、ヘリカルスプラインには、互いに噛合する変速ギヤ１４とリングギヤ６の噛み合い面に作用するスラスト荷重Ｋ_axi(HEL)とは逆方向のスラスト荷重ｎＫ_axi(SPL)が作用する。このため、変速ギヤ１４とリングギヤ６の噛み合い面に作用するスラスト荷重Ｋ_axi(HEL)が変速ギヤ１４の内径スプライン１４ｂに作用するスラスト荷重ｎＫ_axi(SPL)によって相殺されて軽減される。この結果、変速ギヤ１４の軸方向移動が規制され、従来のようにコッターやコッターカバー等の部品を用いることなく、サークリップ１５のみで変速ギヤ１４の軸方向移動を規制することができ、部品点数の増加や構造の複雑化とこれらに伴うコストアップを招くことなく、簡単な構成で前記効果を得ることができる。

また、変速ギヤ１４の軸方向移動の規制をコッターを用いることなくサークリップ１５のみで行うことができるため、カウンタシャフト１１へのコッター溝の加工が不要となり、変速ギヤ１４等のレイアウトの自由度が高められる。その他、車両の加速時や回生制動時の変速ギヤ１４等の位置ズレが発生しないため、該変速ギヤ等１４に対する歯形修正を容易に行うことができるようになる。

次に、本発明との比較のために、内径スプラインにヘリカルスプラインを採用しない従来の変速ギヤとこれに噛合するリングギヤに作用する荷重を図４及び図５に基づいて以下に説明する。

図４は従来のヘリカルギヤ（変速ギヤ）とこれに噛合する他のヘリカルギヤ（リングギヤ）に作用する荷重を模式的に示す正面図、図５は従来のヘリカルギヤ（変速ギヤ）のヘリカル歯と内径スプライン及び両ヘリカルギヤの噛み合い面に作用するスラスト荷重を模式的に示す側面図（図４の矢視Ｂ方向の図）である。

図５に示すように、従来の変速ギヤ１１４の内径スプライン１１４ｂは、回転軸中心線Ｌに対して平行に形成されている。なお、変速ギヤ１１４の外周に刻設されたヘリカル歯１１４ａの捩れ角は、図示のようにβに設定されている。

ここで、変速ギヤ１１４とカウンタシャフト１１１が図４の矢印ａ方向（反時計方向）に回転し、該変速ギヤ１１４に噛合するリングギヤ１０６が矢印ｂ方向（時計方向）に回転している場合を考える。この場合、変速ギヤ１１４の内径スプライン（スプライン歯とスプライン溝）１１４ｂの数をｎとすると、変速ギヤ１１４の内径スプライン１１４ｂには、接線方向の荷重ｎＫ_tan(SPL)のみが作用する。

また、変速ギヤ１１４とリングギヤ１０６との噛み合い面には、接線方向の荷重Ｋ_tan(HEL)とこれの直交する軸方向（図４の紙面垂直方向）の荷重Ｋ_axi(HEL)が作用する。ここで、軸方向の荷重Ｋ_axi(HEL)は、変速ギヤ１１４とリングギヤ１０６との噛み合い面に図５の矢印方向（左方）に作用するスラスト荷重であり、変速ギヤ１１４（カウンタシャフト１１１）の伝達トルクをＴ、変速ギヤ１１４の半径をＲ、同変速ギヤ１１４の内径スプライン１１４ｂの半径をｒとすると、スラスト荷重Ｋ_axi(HEL)は、前記（２）式で表わされる。

従来の変速ギヤ１１４においては、内径スプライン１１４ｂにスラスト荷重は作用しないため、変速ギヤ１１４とリングギヤ１０６との噛み合い面には、前記（２）式で表わされるスラスト荷重Ｋ_axi(HEL)がそのまま作用し、このスラスト荷重Ｋ_axi(HEL)は、本発明のように変速ギヤ１１４の内径スプライン１１４ｂに作用するスラスト荷重によって相殺されて軽減されることがない。このため、変速ギヤ１１４の大きなスラスト荷重Ｋ_axi(HEL)による軸方向移動を規制するためには、コッターやコッターカバー等の部品が必要となり、このために種々の問題が発生することは前述の通りである。

なお、以上は本発明を車両の動力伝達経路に設けられた変速ギヤに対して適用した形態について説明したが、本発明は、回転軸にスプライン嵌合によって結合される他の任意のヘリカルギヤに対しても同様に適用可能である。

その他、本発明は、以上説明した実施の形態に適用が限定されるものではなく、特許請求の範囲および明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。

１ ディファレンシャル装置
６ リングギヤ
１１ カウンタシャフト（回転軸）
１４ 変速ギヤ（ヘリカルギヤ）
１４ａ 変速ギヤのヘリカル歯
１４ｂ 変速ギヤの内径スプライン
１５ サークリップ
ｎＫ_axi(SPL) 内径スプラインに作用するスラスト荷重
Ｋ_axi(HEL) 変速ギヤとリングギヤとの噛み合い面に作用するスラスト荷重
Ｌ 回転軸中心線
Ｒ 変速ギヤの半径
ｒ 変速ギヤの内径スプラインの半径
α ヘリカル歯の捩れ角
β 内径スプラインの捩れ角

Claims (3)

1. 回転軸にスプライン嵌合によって結合されたヘリカルギヤのスラスト荷重軽減構造であって、
   前記ヘリカルギヤの内径スプラインを、回転軸中心線に対して斜めに捩れたヘリカルスプラインとしたことを特徴とするヘリカルギヤのスラスト荷重軽減構造。
2. 前記ヘリカルスプラインの捩れ方向を、当該ヘリカルギヤの外周に刻設されたヘリカル歯の捩れ方向と同じ方向としたことを特徴とする請求項１に記載のヘリカルギヤのスラスト荷重軽減構造。
3. 前記ヘリカルギヤの半径をＲ、前記内径スプラインの半径をｒ、前記ヘリカル歯の捩れ角をβとしたとき、前記ヘリカルスプラインの捩れ角αを、
   α＝ｔａｎ^−１（（ｒ／Ｒ）ｔａｎβ）
   に設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載のヘリカルギヤのスラスト荷重軽減構造。