JP3738663B2 - 歯車伝動機構 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、歯車を介してトルクを伝達する伝動機構に関し、特に同一軸線上に配置された２本の回転軸が相互に相対回転自在に嵌合され、これらの回転軸に対して第３の軸が平行に配置されている伝動機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
歯車を使用した伝動機構は、大きいトルクを伝達できるうえに、動力の伝達効率が高い利点がある。その反面、歯が噛み合うことに伴う歯打ち音が生じて騒音の原因となったり、伝達トルクの変化に伴う振動が生じたりする欠点がある。そこで、例えば特開平９−１８４５４９号公報に記載されている発明では、アイドリング時に噛み合う歯車の数が少なくなるように変速機を構成している。すなわち、この公報に記載された変速機では、インプットシャフトとアウトプットシャフトとが同一軸線上に配置されるとともに、インプットシャフトの先端部がアウトプットシャフトの後端部の内部に嵌合させられ、さらにその嵌合部分にパイロットベアリングが配置されている。また、これらのインプットシャフトとアウトプットシャフトとに対して平行にカウンタシャフトが配置され、そのカウンタシャフトとインプットシャフトとの間、およびカウンタシャフトとアウトプットシャフトとの間に、複数対のギヤ対が設けられ、さらに、それらのギヤ対をインプットシャフトやカウンタシャフトに選択的に連結する同期機構が設けられている。そして、そのギヤ対の配置を適正化してアイドリング時に噛み合うギヤ対を少なくし、これにより歯打ち音やそれに起因する騒音を低減するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の公報に記載された変速機は、アイドリング時の騒音を低減することを一つの目的として、アイドリング時に噛み合う歯車の数を少なくしている。しかしながら、このような構成では、騒音の発生要因自体を改善していないので、騒音を低減することは困難であり、少なくともアイドリング時以外では、噛み合う歯車の数が多くなるので、騒音が大きくなる不都合がある。
【０００４】
特に上記の公報に記載された変速機では、インプットシャフトの先端部をアウトプットシャフトの後端部に嵌合させ、これらの軸端の間に軸受を介在させて、両者の軸が相対回転できるようにしている。そのため、その軸受の部分のガタにより、インプットシャフトとアウトプットシャフトとの端部が、半径方向にガタ分、変位可能ないわゆる自由端となっている。その結果、歯車でのトルクの伝達に伴って生じる曲げ荷重や各軸を互いに離隔もしくは接近させる方向に作用する半径方向荷重さらにはスラスト荷重が、インプットシャフトあるいはアウトプットシャフトをケーシングに対して支持している軸受にそのまま掛かってしまう。そして、その荷重が歯車の噛み合いに伴って変動するので、ケーシングに対して大きい変動荷重が作用し、これが原因となってケーシングの振動やそれに起因する騒音が発生する可能性が多分にある。上記の従来の変速機では、この点でも騒音を改善する余地があった。
【０００５】
この発明は、上記の技術的課題に着目し、互いに噛み合う歯車を保持している軸の間で、歯車を介したトルク伝達に伴う荷重を相殺して騒音や振動を低減することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用】
この発明は、上記の目的を達成するために、同一軸線上に配置された相対回転可能な２本の軸の連結部に介在されている軸受におけるガタをなくして、歯車を介してトルクを伝達することに伴う荷重を、これらの軸およびこれらの軸に対して平行に配置した第３の軸との間で相殺させるように構成したことを特徴とするものである。より具体的には、請求項１の発明は、互いに同一軸線上に配置された第１の軸と第２の軸とが相対回転可能に嵌合されるとともに、これら第１の軸および第２の軸と平行に第３の軸が回転自在に配置され、その第１の軸もしくは第２の軸に設けた歯車とその歯車に噛み合うように前記第３の軸に設けた歯車との間でトルクを伝達する歯車伝動機構において、前記第１の軸と第２の軸とが嵌合している箇所に、内輪と、外輪と、これら内輪および外輪の間に保持した転動体を備え、かつ前記内輪の前記転動体に接触する面と前記外輪の前記転動体に接触する面との少なくともいずれか一方に軸線方向荷重を半径方向荷重に変換する軸線に対して傾斜した傾斜面を備えた、前記第１の軸に対して前記第２の軸を回転自在に支持する一対もしくは複数の軸受が、それらの軸受の少なくとも一対の前記傾斜面が互いに向かい合う方向を向けて配置され、前記内輪と外輪とのいずれか一方に軸線方向の荷重を与えて、前記内輪と外輪との間に半径方向に向けた押圧力を生じさせることにより前記軸受のガタを制限する手段が設けられていることを特徴とするものである。
【０００７】
したがって請求項１の発明では、第１の軸と第２の軸とが軸受を介して連結されているとしても、これら第１の軸と第２の軸とが緩みをなくした状態で連結され、実質的に１本の軸に近い状態となる。すなわち、第１の軸と第２の軸とが、１本の軸に近い剛性で連結されることになり、その結果、歯車の噛み合いに伴う第１の軸もしくは第２の軸と第３の軸との間の荷重の発生状態が、互いに平行な２軸の間での荷重の発生状態に近似し、それらの軸間の歯車あるいは固定支持部を介して荷重が相殺しあってケーシングなどの外部に対して荷重が伝達されることが抑制される。
【００１０】
そして、請求項２の発明は、請求項１の構成において、前記第１の軸が前記軸受に対して軸線方向に離れた箇所で所定の固定部に回転自在に支持されるとともに、前記第２の軸が前記第１の軸を回転自在に支持している前記固定部に対して前記軸受を挟んだ軸線方向での反対側の所定の固定部で回転自在に支持され、さらに第３の軸が前記第１の軸を回転自在に支持している固定部と第２の軸を回転自在に支持している固定部との少なくとも二箇所で支持され、それらの固定部における第１の軸と第３の軸との間の部分および第２の軸と第３の軸との間の部分の剛性を高くする補強構造を備えていることを特徴とする歯車伝動機構である。
【００１１】
したがって請求項２の発明では、各軸が補強構造を備えた固定部を介して全体として環状に連結された状態となり、その結果、第１の軸もしくは第２の軸と第３の軸との間での歯車を介したトルクの伝達に伴う荷重を相殺する応力がそれらの軸の間に生じ、歯車を介したトルク伝達に起因する荷重がケーシングなどの外部に伝達されることが抑制される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
つぎにこの発明を具体例に基づいて説明する。図１はこの発明の一例として車両用の変速機の一部を模式化して示しており、中空状のケーシング１における軸線方向での前後両側に、内周側に延びたフランジ状の支持部２，３が設けられている。図１の左側の支持部２を貫通して入力軸４が配置され、その支持部２には、この入力軸４を回転自在に保持する軸受５が取り付けられている。この軸受５は、ボールベアリングやローラーベアリングなどの転がり軸受やその他の滑り軸受などを使用することができる。また、入力軸４の先端側（図１の右端側）には、入力軸４と同一軸線上に出力軸６が配置されている。この出力軸６は、図１の右側の支持部３を貫通するとともに、その貫通部分に取り付けた軸受７によって回転自在に保持されている。この軸受７として、上述した軸受５と同様に、ボールベアリングやローラーベアリングなどの転がり軸受やその他の滑り軸受などを使用することができる。
【００１３】
前記出力軸６の後端部（図１での左側の端部）は、中空状に形成され、その中空部分６ａに、入力軸４の先端部（図１での右側の端部）が挿入されている。そして、その入力軸４の先端部の外周面と出力軸６の中空部分６ａの内周面との間に一対の軸受８が配置され、入力軸４と出力軸６とがこの軸受８を介して回転自在に連結されている。
【００１４】
この入力軸４と出力軸６との連結部分を図２に具体的に示してある。図２に示すように、入力軸４と出力軸６とを連結している軸受８は、転動体としてテーパードローラ８ａを内輪８ｂと外輪８ｃとの間に介在させたテーパードローラーベアリングであって、内輪８ｂの外周面と外輪８ｃの内周面とのテーパードローラ８ａに接触する面が、軸線に対して傾斜した傾斜面とされている。これら一対の軸受８は、内輪８ｂの傾斜した外周面が互いに向かい合う方向を向けて入力軸４の軸端部外周面に嵌合されている。すなわち入力軸４の先端部は小径に形成され、図２における左側の軸受８がその小径部分の内奥部すなわち段差部４ａに当接した位置に嵌合され、その内輪８ｂの傾斜した外周面が入力軸４の先端方向（図２の右斜め方向）を向くように入力軸４に取り付けられている。また図２における右側の軸受８における内輪８ｂの傾斜した外周面が入力軸４の後端方向（図２の左斜め方向）を向くように入力軸４に取り付けられている。
【００１５】
また、入力軸４の先端部には、雄ねじ部９が形成され、ここにナット１０がねじ込まれている。そのナット１０は、入力軸４の外周面より突出して軸受８の内輪８ｂの側面に到るフランジ状部分を備えており、したがってナット１０を締め込むことにより図２の右側の軸受８における内輪８ｂが軸線方向に押されるようになっている。
【００１６】
さらに、前記中空部分６ａの内周面には、各軸受８における外輪８ｃの間に突出した突条１１が形成され、各外輪８ｃがその突条１１を挟みつけている。したがって、前記ナット１０を締め込むことにより図２の右側の軸受８における内輪８ｂが図２の左方向に押圧され、それに伴ってテーパードローラ８ａおよび外輪８ｃならびに突条１１を介して出力軸６が図２の左方向に押される。さらに、その突条１１が図２の左側の軸受８における外輪８ｃを押圧し、その結果、テーパードローラ８ａを介して内輪８ｂが入力軸４における段差部４ａに押し付けられる。
【００１７】
このようにナット１０を締め込むことにより、各軸受８の内輪８ｂが、段差部４ａとの間で互いに接近する方向に荷重を受けるので、その軸線方向力が内輪８ｂの外周の傾斜面を介して半径方向で外側にテーパードローラ８ａを押す力が生じる。そのため、転動体であるテーパードローラ８ａが内輪８ｂと外輪８ｃとの間に強く挟み込まれ、軸受８におけるガタが制限もしくは解消される。したがってナット１０および段差部４ａで一対の軸受８を挟み込む構造がこの発明における軸受のガタを制限する手段となっている。
【００１８】
上記のようにいわゆる剛の状態で連結された入力軸４および出力軸６に対して平行に第３の軸であるカウンタ軸１２が配置されている。そのカウンタ軸１２の両端部は、前述した各支持部２，３に軸受１３，１４を介して回転自在に支持されている。その一方の軸受１３は、入力軸４を回転自在に支持している軸受５の外周側に位置し、また他方の軸受１４は出力軸６を支持している軸受７の外周側に位置している。
【００１９】
これらの軸受５，７，１３，１４を取り付けてある支持部２，３がこの発明における固定部に相当し、その支持部２，３のうち、図１の左側の軸受５，１３の間の部分、および図１の右側の軸受７，１４の間の部分には、その剛性を高くする補強構造２ａ，３ａが採用されている。ここで剛性が高いとは、曲げや引っ張りあるいは圧縮、せん断などに対する強度が高いことを意味し、具体的には、せん断弾性係数と断面二次モーメントとの積が大きくなる形状とされていることを意味する。またその具体的な構造は、断面二次モーメントを大きくするためにリブを形成し、あるいは厚肉に形成し、もしくはせん断弾性係数を大きくするために硬度を高くした構造などである。さらに、剛性が高いとは、前記各支持部２，３における軸受５，７，１３，１４を取り付けてある箇所より外周側の部分の剛性との比較の上で、剛性が高くなっていることを意味し、一例として、前記補強構造２ａ，３ａの部分の肉厚が、各支持部２，３のそれ以外の部分の肉厚より厚くなっている。
【００２０】
上記の入力軸２に第１ドライブギヤ１５が取り付けられ、これに噛み合う第１ドリブンギヤ１６がカウンタ軸１２に取り付けられている。なお、第１ドライブギヤ１５が第１ドリブンギヤ１６に対して小径であることにより、これらのギヤ対は減速ギヤ対となっている。また、出力軸６に第２ドリブンギヤ１７が取り付けられ、これに噛み合う第２ドライブギヤ１８がカウンタ軸１２に取り付けられている。なお、前者の第２ドリブンギヤ１７が後者の第２ドライブギヤ１８に対して大径であることにより、これらのギヤ対は減速ギヤ対となっている。
【００２１】
上記の歯車伝動機構では、入力軸４に対して図示しない動力源からのトルクが伝達され、その入力軸４と共に第１ドライブギヤ１５が回転し、その結果、これに噛み合う第１ドリブンギヤ１６からカウンタ軸１２にトルクが伝達される。また、第１ドリブンギヤ１６と共にカウンタ軸１２が回転するので、これに取り付けた第２ドライブギヤ１８が回転し、これに噛み合う第２ドリブンギヤ１７を介して出力軸４にトルクが伝達される。そしてこれらのギヤ対が“１”より小さい変速比の減速ギヤ対となっているので、入力軸４に対して減速された回転数で出力軸６が回転し、したがって出力トルクが入力されたトルクより大きくなる。
【００２２】
このようにしてトルクが伝達される場合、歯車１５，１６，１７，１８の歯面でその形状に応じた荷重が生じるが、この発明に係る上記の伝動機構における荷重の作用状態は以下のようになる。先ず、ドライブギヤ１５，１８がドリブンギヤ１６，１７を押すことによるラジアル方向の荷重について説明すると、第１のギヤ対１５，１６においては、図１の紙面に垂直な方向で互いに反対の方向に荷重が作用する。また、第２のギヤ対１７，１８においては、カウンタ軸１２から出力軸６に対してトルクを伝達するので、図１の紙面に垂直な方向であって第１のギヤ対１５，１６とは反対方向の荷重が作用する。
【００２３】
その場合、カウンタ軸１２は１本の軸であるから、その第１ドリブンギヤ１６と第２ドライブギヤ１８とで生じるラジアル方向の荷重が相互に相殺するように作用する。これと同様に、入力軸４と出力軸６とは、一対の軸受８およびこれを締め付けているナット１０によって剛の状態に連結されているので、第１ドライブギヤ１５および第２ドリブンギヤ１７で生じるラジアル方向の荷重が互いに相殺するように作用する。その結果、入力軸４および出力軸６のそれぞれにこれを旋回させる方向のモーメントが生じることはない。また、同一軸線上に配置されている第１ドライブギヤ１５と第２ドリブンギヤ１７とは、その外径が相違しているので、これらのギヤでのラジアル方向の荷重が相違し、その差に相当する荷重が、支持部２，３に取り付けてある軸受５，７の部分に作用する。これは、カウンタ軸１２についても同様である。そして、この支持部２，３に作用するラジアル方向の荷重は、互いに反対向きで同じ大きさであり、それらの荷重は相殺され、ケーシング１の外表面側に伝達されることはなく、あるいは僅少になる。
【００２４】
図１には、上記の各荷重を紙面の上下方向を向く矢印で示してあり、この図１から知られるように、入力軸４および出力軸６ならびにカウンタ軸１２が、前記の補強構造２ａ，３ａの部分を介して全体として環状に一体化された状態となっている。そのために、入力軸４および出力軸６とカウンタ軸１２との互いに対応する箇所の間で生じる荷重が相殺される。その結果、歯車の噛み合いを伴うトルクの伝達が生じても、その際に付随的に生じる荷重がケーシング１の外表面側に伝達されることがなく、言い換えれば、歯車を介したトルク伝達に伴う荷重が外部に現れないので、騒音や振動が防止もしくは抑制される。また、併せてケーシング１の強度を向上させ、もしくは強度を維持する点で有利となる。
【００２５】
なお、軸受５と軸受１３とに作用する２つの荷重によるモーメント（左右方向の軸周り）は、ケーシング１に伝達される。軸受７と軸受１４とに作用する２つの荷重によるモーメントもケーシング１に伝達される。
【００２６】
つぎに各軸４，６，１２を離す方向に作用する荷重について説明すると、その荷重の作用状態を図３に矢印で示してある。前述したように入力軸４と出力軸６とは実質的に一体化するように一対の軸受８およびこれを締め付けるナット１０によって連結されているので、各ギヤ１５，１６，１７，１８でのトルク伝達に伴う軸心方向のラジアル荷重は、入力軸４および出力軸６をカウンタ軸１２から離す方向に作用し、また、支持部２，３に取り付けた軸受５，７から各ギヤ１６，１７までの距離に応じた荷重がその軸受５，７に作用する。このような荷重の作用状態はカウンタ軸１２についても同様である。その結果、補強構造２ａ，３ａの部分を挟んで配置されている軸受５，１３および７，１４には、互いに離れる方向に荷重が作用するが、これは、補強構造２ａ，３ａの部分に対する引っ張り荷重となり、かつ互いに相殺するように作用する。したがって軸心方向のラジアル荷重に起因する荷重がケーシング１の外表面側に伝達されることがなく、言い換えれば、歯車を介したトルク伝達に伴う荷重が外部に現れないので、騒音や振動が防止もしくは抑制される。また、併せてケーシング１の強度を向上させ、もしくは強度を維持する点で有利となる。
【００２７】
さらにスラスト方向の荷重について説明する。前述したギヤ１５，１６，１７，１８がヘリカルギヤであれば、互いに噛み合っている歯面にスラスト方向の荷重が生じる。その方向はドライブギヤとドリブンギヤとでは反対向きになり、またその大きさは伝達されるトルクに応じた大きさとなる。したがって図４に矢印で示すように、第１のギヤ対１５，１６でのスラスト方向の荷重に対して第２のギヤ対１７，１８におけるスラスト方向の荷重が大きくなる。その場合、入力軸４と出力軸６とが実質的に一体化する程度の剛の状態で連結されているので、入力軸４に作用するスラスト荷重と出力軸６に作用するスラスト荷重との差の荷重が入力軸４についての固定部、すなわち前記支持部２に作用する。このようなスラスト荷重の作用状態は、カウンタ軸１２についても同様であり、したがってカウンタ軸１２に対する固定部、すなわち前記支持部２に作用する。そして、この支持部２に作用するスラスト方向の荷重は、向きが互いに反対でかつ大きさが等しいから、それに起因するモーメントが相殺される。
【００２８】
このようにスラスト方向の荷重やそれに基づくモーメントが相殺されるので、歯車を介したトルク伝達に伴うスラスト方向の荷重に起因する荷重がケーシング１の外表面側に伝達されることがなく、もしくは抑制され、そのため、この点においても、騒音や振動が防止もしくは抑制される。また、併せてケーシング１の強度を向上させ、もしくは強度を維持する点で有利となる。
【００２９】
なお、上記の具体例では、車両用の変速機にこの発明を適用した例を説明したが、この発明は、上記の具体例に限定されないのであって、歯車を使用する一般的な伝動機構に広く適用することができる。また、上記の具体例では、２軸を剛の状態で連結する軸受としてテーパードローラーベアリングを示したが、この発明では、これに替えてアンギュラーコンタクトベアリングなどのスラスト方向の荷重に基づいてラジアル方向の荷重が生じるベアリングを使用することができ、またその使用する数は、上記の具体例で示したように一対を一組として使用する以外に、複数の軸受を軸線方向に並べて使用することとしてもよい。さらに、この発明で軸受のガタを制限する手段は、上述したナットに限定されないのであり、必要に応じて適宜の構成のものを使用することができる。例えば、内輪を軸線方向に押圧する手段以外に、外輪を軸線方向に押圧する手段を採用してもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明によれば、第１の軸と第２の軸とが軸受を介して連結されているとしても、これら第１の軸と第２の軸とが緩みをなくした状態で連結され、実質的に１本の軸に近い状態となる。すなわち、第１の軸と第２の軸とが、１本の軸に近い剛性で連結されることになり、その結果、歯車の噛み合いに伴う第１の軸もしくは第２の軸と第３の軸との間の荷重の発生状態が、互いに平行な２軸の間での荷重の発生状態に近似し、それらの軸間の歯車あるいは固定支持部を介して荷重が相殺しあってケーシングなどの外部に対して荷重が伝達されることが抑制される。言い換えれば、歯車の噛み合いでトルクが伝達された場合にそれらの軸に作用する荷重が、その軸などを保持しているケーシングなどの外部に伝達され、あるいは現れることがなく、その結果、騒音や振動を防止もしくは抑制することができる。
【００３２】
そして、請求項２の発明によれば、各軸が補強構造を備えた固定部を介して全体として環状に連結された状態となり、その結果、第１の軸もしくは第２の軸と第３の軸との間での歯車を介したトルクの伝達に伴う荷重を相殺する応力がそれらの軸の間に生じ、歯車を介したトルク伝達に起因する荷重がケーシングなどの外部に伝達されることが抑制され、それに伴って騒音や振動を防止もしくは抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る歯車伝動機構の一例を模式的に示すスケルトン図である。
【図２】 その入力軸と出力軸との連結部分の構造を示す部分断面図である。
【図３】 この発明に係る歯車伝動機構において軸心に向けたラジアル方向の荷重の作用状態を説明するためのスケルトン図である。
【図４】 この発明に係る歯車伝動機構においてスラスト方向の荷重の作用状態を説明するためのスケルトン図である。
【符号の説明】
２，３…支持部、 ４…入力軸、 ５，７，１３，１４…軸受、 ６…出力軸、 ８…軸受、 ８ａ…テーパードローラー、 ８ｂ…内輪、 ８ｃ…外輪、 １０…ナット、 １２…カウンタ軸、 １５…第１ドライブギヤ、 １６…第１ドリブンギヤ、 １７…第２ドリブンギヤ、 １８…第２ドライブギヤ。

Claims (2)

1. 互いに同一軸線上に配置された第１の軸と第２の軸とが相対回転可能に嵌合されるとともに、これら第１の軸および第２の軸と平行に第３の軸が回転自在に配置され、その第１の軸もしくは第２の軸に設けた歯車とその歯車に噛み合うように前記第３の軸に設けた歯車との間でトルクを伝達する歯車伝動機構において、
   前記第１の軸と第２の軸とが嵌合している箇所に、内輪と、外輪と、これら内輪および外輪の間に保持した転動体を備え、かつ前記内輪の前記転動体に接触する面と前記外輪の前記転動体に接触する面との少なくともいずれか一方に軸線方向荷重を半径方向荷重に変換する軸線に対して傾斜した傾斜面を備えた、前記第１の軸に対して前記第２の軸を回転自在に支持する一対もしくは複数の軸受が、それらの軸受の少なくとも一対の前記傾斜面が互いに向かい合う方向を向けて配置され、
   前記内輪と外輪とのいずれか一方に軸線方向の荷重を与えて、前記内輪と外輪との間に半径方向に向けた押圧力を生じさせることにより前記軸受のガタを制限する手段が設けられていることを特徴とする歯車伝動機構。
2. 前記第１の軸が前記軸受に対して軸線方向に離れた箇所で所定の固定部に回転自在に支持されるとともに、前記第２の軸が前記第１の軸を回転自在に支持している前記固定部に対して前記軸受を挟んだ軸線方向での反対側の所定の固定部で回転自在に支持され、さらに第３の軸が前記第１の軸を回転自在に支持している固定部と第２の軸を回転自在に支持している固定部との少なくとも二箇所で支持され、それらの固定部における第１の軸と第３の軸との間の部分および第２の軸と第３の軸との間の部分の剛性を高くする補強構造を備えていることを特徴とする請求項１に記載の歯車伝動機構。

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