JP3777847B2

JP3777847B2 - 歯車の騒音低減装置

Info

Publication number: JP3777847B2
Application number: JP02490099A
Authority: JP
Inventors: 勇馬宮内; 孝大鶴; 護石井; 浩司藤井; 裕三大川; 昌平熊野; 靖典神田; 耕一畑村
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1999-02-02
Filing date: 1999-02-02
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2019-02-02
Also published as: JP2000220726A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は動力伝達経路上の歯車の騒音の低減を図る技術の分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動変速機を搭載する自動車では、エンジンと駆動輪との間の動力伝達経路上に、変速歯車機構の出力ギヤや、差動装置の入力ギヤ、あるいはこれらのギヤ間に備えられて自動変速機側から駆動輪側へトルクを増大して伝達するための減速ギヤ等の数々の歯車が配設される。動力の伝達時、相互に噛み合ったこれらの歯車同士の歯当たりによって生じる衝撃ないし歯車の固有振動により発生する騒音は乗員室内にも伝わり不快なものである。
【０００３】
これを低減する従来技術としては、実開平６−１６７５９号公報又は実開平７−１２６５３号公報に開示されているように、歯車本体側部に環状の部材を取り付けることが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらは環状部材の回転慣性を利用して歯車本体の回転振動を低減しようとする手法のものであり、ギヤノイズ発生メカニズムの詳細な理論を拠りどころに環状部材を取り付けたものではないから、騒音問題を抜本的に解決するものとはなり得ない。
【０００５】
本発明者らは、従来にない新しい技術的思想に基づき、歯車の騒音を効果的に低減することのできる装置を創作、開発せんとして鋭意研究検討を重ねた結果、本発明を完成するに至ったものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明者らは、まず、ギヤノイズが、相互に噛み合う各歯車の歯当たり方向の変位量（たわみ量）と相関関係にあることに着目した。
【０００７】
例えば、いま、第１の歯車と第２の歯車とが噛み合っており、周波数（回転数）に対する各歯車の上記変位量（コンプライアンスФ＝変位の周波数応答関数）をその位相と共にボード線図で表わすと図１２に示すようであったとする。なお、歯当たり方向とは、図４に示すように、矢印Ａ方向に回転する駆動側の第１の歯車１の歯と、矢印Ｂ方向に回転する従動側の第２の歯車２の歯との接点における法線方向Ｃをいう。
【０００８】
このとき、第２歯車２の歯は、第１歯車１の歯による押圧力により歯当たり方向Ｃに沿って図面上右方向にたわみ（変位し）、第１歯車１の歯は、第２歯車２の歯による反力により歯当たり方向Ｃに沿って図面上左方向にたわむ（変位する）。図１２は、第１歯車１のその変位量が実線で示すように周波数Ｈ１でピークに達し、第２歯車２のその変位量が破線で示すように周波数Ｈ３でピークに達することを表わしている。
【０００９】
そして、第１歯車１の変位量は周波数Ｈ１まで増加傾向にあり、周波数Ｈ１を過ぎて減少傾向に転ずる。同じように、第２歯車２の変位量は周波数Ｈ３まで増加傾向にあり、周波数Ｈ３を過ぎて減少傾向に転ずる。それゆえ、各歯車１，２の変位量の位相はそれぞれピーク周波数Ｈ１，Ｈ３を境に逆転する。
【００１０】
すると、これらの周波数Ｈ１，Ｈ３間にある別の周波数Ｈ２において、第１、第２歯車１，２のコンプライアンスФ１，Ф２が相互に交わる交点Ｘができる。この交点Ｘでは、第１、第２歯車１，２の変位量が同じで、且つ位相が逆である。それゆえ、両歯車１，２同士の動的な結合剛性が著しく高くなり（動的に硬くなり）、歯の当たりで生じる加振力が吸収されず、そのまま各歯車１，２の本体に伝達される。その結果、この交点Ｘの周波数Ｈ２で、歯車１，２全体が共振し、大きなギヤノイズが発生するのである。
【００１１】
このような第１の歯車１と第２の歯車２との噛み合いにより発生する音Ｎは、次式で示されるように、第１歯車１の歯当たり方向ＣのコンプライアンスФ１と、第２歯車２の歯当たり方向ＣのコンプライアンスФ２と、さらに両歯車１，２間の歯の噛み合いの状態で決まる噛み合いコンプライアンスФｔとの三つの値の和の逆数にほぼ一致する。
【００１２】
【数１】

ここで、コンプライアンスФは、振幅（変位量）と位相とをもつ値であるから、実際には複素計算を行うことになる。ただし、噛み合いコンプライアンスФｔは位相が常にゼロであるから実数部のみの値となる。
【００１３】
すなわち、振幅Ｍ及び位相Ｐは、実数部の値Ｒ及び虚数部の値Ｉを用いて、それぞれ次式のように表わされる。
【００１４】
【数２】

【００１５】
【数３】

一方、各歯車１，２のコンプライアンスФ１，Ф２は、各実数部の値Ｒ１，Ｒ２及び各虚数部の値Ｉ１，Ｉ２を用いて、それぞれ次式のように表わされる。
【００１６】
【数４】

【００１７】
【数５】

ゆえに、上記数１の式は、さらに噛み合いコンプライアンスФｔの実数部の値Ｒｔを用いて、次のように変形される。
【００１８】
【数６】

計算を容易にするため、共役複素数をかけて、次のように変形してもよい。
【００１９】
【数７】

なお、図１３に、図１２の状態を実数部Ｒと虚数部Ｉとで表わすコクアド線図を示した。図示したように、交点周波数Ｈ２においては、第１歯車１のコンプライアンスФ１の実数部Ｒ１の絶対値ａと、第２歯車２のコンプライアンスФ２の実数部Ｒ２の絶対値ｂとが同じで、且つ符号が逆になるので、その和は非常にゼロに近い値となり、よって動的剛性が非常に大きくなって、ギヤノイズＮが著しく大きくなる。ただし、噛み合いコンプライアンスФｔがゼロでなく、また、交点周波数Ｈ２における虚数部Ｉの値も符号ｃで示すように残っているから、ギヤノイズＮは無限大とはならない。
【００２０】
以上により、ギヤノイズは、コンプライアンスの交点における各歯車の歯当たり方向の変位量が小さいほど、換言すればあまりたわまないときほど大きくなり、上記変位量が大きいほど、換言すればよくたわむときほど小さくなることがわかった。したがって、本発明者らは、次に、上記交点における各歯車の歯当たり方向の変位量を大きくすれば、つまり、各歯車の歯当たり方向の変位量が大きいところで各コンプライアンスが相互に交わるようにすれば、あるいは、各歯車の歯当たり方向の変位量が小さいところの交点をなくすようにすれば、歯車の騒音を理論的に低減することができることに着目した。
【００２１】
その手法としては、専ら二つのことが考えられる。一つ目は、図１４に低周波数側で例示したように、変位量が小さいところでの交点Ｘ１をなくし、代わりに変位量が大きいところでの交点Ｘ１′が新たな共振点としてできるように、少なくとも一方の歯車のコンプライアンス（図例ではФ２）に別の振動系のコンプライアンス（同じくФ２′）を付加することである。二つ目は、図１４に高周波数側で例示したように、変位量が小さいところでの交点Ｘ２をなくし、代わりに変位量が大きいところでの交点Ｘ２′が新たな共振点としてできるように、少なくとも一方の歯車のコンプライアンス（同じくФ２）のピークを分散して裾野を広くし、全体として変位量レベルの高いコンプライアンス（同じくФ２″）に変化させることである。
【００２２】
以上の知見に基づき、本発明者らは、歯車本体に、別の部材を、それ固有の振動数を有するように取り付けることにより、上記二つの効果と、さらにハーモニックブレイク効果とが同時に実現することを見出した。
【００２３】
すなわち、本発明は、自動車のエンジンと駆動輪との間の動力伝達経路上に配設された変速機構の出力ギヤである第１の歯車と、該第１の歯車と噛み合い、変速機構の出力を差動装置に伝達する第２の歯車との騒音低減装置であって、これらの第１、第２の歯車の少なくとも一方の歯車本体の側部に、環状部材が、周方向の複数の部位において結合され、該結合部位以外の部位では歯車本体と接触しないように、かつ、上記第１、第２の各歯車の回転数に対するコンプライアンスの交点における各歯車の歯当たり方向の変位量を大きくするべく別の振動系を付加するように、設けられていることを特徴とする。
【００２４】
隣接する結合部位間は歯車本体から浮いており、一つの振動系を構成する。したがって、歯車本体と一体に回転することにより、各振動系はそれぞれその固有振動数のところで大きく振るえ、これらが合成された環状部材全体としての新しい別の振動系のコンプライアンスが歯車自体のもともとのコンプライアンスに付加される。その結果、一つ目の手法が実現し、変位量の小さいところで交わる共振点の代わりに変位量の大きいところで交わる新たな共振点（例えば前記Ｘ１′）を得ることができる。
【００２５】
このとき、結合部位の位置を周方向に変更可能にすると、各振動系の固有振動数を変更することができ、よって新共振点を当該歯車のコンプライアンス又は相手の歯車のコンプライアンスに応じて狙いの周波数のところで生成できるようになるので好ましい。
【００２６】
ところで、回転体は、一般に、回転することにより、固有の回転数（周波数）のところで、節が二つある２節モード（２ＮＤモード）や、節が三つある３節モード（３ＮＤモード）等の各モードシェイプをとる。例えば、上記図１４において、第２歯車２のコンプライアンスФ２の低周波数側のピークは２節モードによるもの、高周波数側のピークは３節モードによるもの、等である。そこに、本発明に係る環状部材を取り付けると、その結合部位の数に応じて、各モードシェイプが、環状部材を取り付ける前のピーク周波数を挟んで、例えば低周波数側の（柔らかい）モードシェイプと高周波数側の（硬い）モードシェイプとに複数に分離する。
【００２７】
例えば、結合部位を三つにすると、この環状部材が結合された歯車側の結合部位は剛性が強くなり、それ以外の環状部材が浮いている歯車側の非接触部位は剛性が弱くなる。それゆえ、新たな３節モードが強制的に付加されたようなかたちで歯車全体が回転することになり、もともとの歯車固有の３節モードシェイプが二つ又はそれ以上のモードシェイプに分離して、もともとの３節モードピークが相互に異なる複数の周波数のピークに分散することになる。その結果、コンプライアンスの裾野が広がり、全体として変位量レベルの高いものに変化して、二つ目の手法が実現し、変位量の小さいところで交わる共振点の代わりに変位量の大きいところで交わる新たな共振点（例えば前記Ｘ２′）を得ることができる。
【００２８】
したがって、分離させたい狙いのピークの振動モードの節の数に応じて結合部位の数を決定すればよい。上記以外にも、例えば結合部位を二つにした場合には、図１４における低周波数側のコンプライアンスФ２の２節モードピーク、あるいは４節モードピークが分散される。
【００２９】
さらに、このように歯車本体に環状部材が結合されて、剛性の強い部位と弱い部位とができるから、剛性の強い部位における歯の当たり方と、剛性の弱い部位における歯の当たり方とに差異が生じ、あたかもランダムピッチギヤのような挙動を示すようになる。それゆえ、加振力が一定せず（安定せず）、ハーモニックブレイク効果が得られて、ギヤノイズが全体的に低減する周波数領域が生み出される。
【００３０】
以下、発明の実施の形態を通して本発明をさらに詳しく説明する。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本実施の形態においては、本発明は、図１に示す自動変速機１００の出力ギヤであるプライマリギヤ１、すなわち第１の歯車と、該変速機１００の出力を差動装置２００に伝達するためのセカンダリシャフト１２上のセカンダリギヤ２、すなわち第２の歯車との噛み合いによって発生する騒音を低減する目的で、セカンダリギヤ２側に適用されている。
【００３２】
自動変速機１００は、エンジン出力軸１０を介してエンジン回転が入力されるトルクコンバータ２０と、プライマリギヤ１の軸心であるプライマリシャフト１１を介して該コンバータ２０の回転が入力される変速機構としての第１、第２遊星歯車機構３０，４０とを有し、プライマリシャフト１１と第１歯車機構３０のサンギヤ３１との間のフォワードクラッチ５１、同シャフト１１と第２歯車機構４０のサンギヤ４１との間のリバースクラッチ５２、同シャフト１１と第２歯車機構４０のピニオンキャリヤ４２との間の３−４クラッチ５３、第２歯車機構４０のサンギヤ４１を固定する２−４ブレーキ５４、並びに第１歯車機構３０のリングギヤ３３及び第２歯車機構４０のピニオンキャリヤ４２と変速機ケース１０１との間のローリバースブレーキ５５及びワンウェイクラッチ５６、の複数の摩擦要素の選択的作動により前進４速及び後退１速が実現する。
【００３３】
プライマリギヤ１は第１歯車機構３０のピニオンキャリヤ３２及び第２歯車機構４０のリングギヤ４３と連結してプライマリシャフト１１上に回転自在に設けられ、セカンダリギヤ２と噛み合っている。また、セカンダリシャフト１２上の減速ギヤ３と差動装置２００の入力ギヤ４とが噛み合って、プライマリギヤ１の出力回転が差動装置２００のデフケース２０１に入力され、該差動装置２００を介して左右の車軸１３，１４が駆動される。
【００３４】
なお、図２にこの自動変速機１００の具体的構造を示した。同図、図３及び図４に示したように、セカンダリギヤ２の本体側部には、環状溝２ａが形成され、該環状溝２ａに収容されるように、環状部材２１がセカンダリギヤ２に取り付けられている。その場合に、環状部材２１は三つの結合部位２１ａ…２１ａにおいてそれぞれ二つのボルト２２，２２で圧着固定されている。そして、隣接する結合部位２１ａ，２１ａ間の部分２１ｂ…２１ｂにおいては、環状部材２１はセカンダリギヤ２と接触せず、該ギヤ２１から浮いている状態にある。
【００３５】
したがって、この環状部材２１がセカンダリギヤ２と一体に回転することにより、該環状部材２１からもたらされる別の振動系としての新たなコンプライアンスがセカンダリギヤ２のもともとのコンプライアンスに付加されることになる。その場合に、二つのボルト２２，２２の周方向の締付位置を変えることによって、各非接触部位２１ｂ…２１ｂの長さを変更することができ、これにより、付加された新共振点を当該セカンダリギヤ２のコンプライアンス又はプライマリギヤ１のコンプライアンスに応じて狙いの周波数のところに生成させることが可能となる。
【００３６】
また、この環状部材２１を三点で固定しているので、セカンダリギヤ２の３節モードシェイプが二つ又はそれ以上のモードシェイプに分離して、該３節モードにおける変位量のピークが相互に異なる複数の周波数のピークに分散されることになる。一方、例えば、この環状部材２１を二点で固定すれば、セカンダリギヤ２の２節又は４節モードシェイプが二つ又はそれ以上のモードシェイプに分離して、該２節又は４節モードにおける変位量のピークが相互に異なる複数の周波数のピークに分散されることになる。
【００３７】
そして、いずれの場合も、セカンダリギヤ２のコンプライアンスとプライマリギヤ１のコンプライアンスとが、それぞれ歯当たり方向Ｃの変位量の大きいところで交差するようになって、ギヤノイズが効果的に低減されることになる。
【００３８】
図５は、この環状部材２１を取り付けた効果を示すグラフ図である。プライマリギヤ１のコンプライアンスを実線で示すと共に、環状部材２１を取り付けない場合のセカンダリギヤ２のコンプライアンスを破線で、また環状部材２１を取り付けた場合のセカンダリギヤ２のコンプライアンスを鎖線でそれぞれ示した。ピーク（ア）は、プライマリギヤ１の２節モードピーク、ピーク（イ）は、セカンダリギヤ２のオリジナルの２節モードピーク、ピーク（ウ）は、プライマリギヤ１の３節モードピーク、及びピーク（エ）は、セカンダリギヤ２のオリジナルの３節モードピークである。
【００３９】
環状部材２１を取り付けない場合の相対的に変位量の小さい位置でのコンプライアンス交点（カ）、（キ）、（ク）で発生していた過大なギヤノイズ（サ）、（シ）、（ス）がなくなり、代わりに、それぞれ、相対的に変位量の大きい位置でのコンプライアンス交点（タ）、（チ）、（ツ）が生み出されたことにより、ギヤノイズが効果的に（ナ）、（ニ）、（ヌ）のように低減していることがわかる。
【００４０】
ここで、ギヤノイズの（シ）から（ニ）への低減は、別の振動系としての環状部材２１のコンプライアンスピーク（ハ）が付加された結果によるものであり、ギヤノイズの（ス）から（ヌ）への低減は、セカンダリギヤ２の３節モードピーク（エ）が二つのピーク（ヒ），（フ）に分散された結果によるものである。また、ギヤノイズの（サ）から（ナ）への低減は、これらの効果によってセカンダリギヤ２のコンプライアンス全体のレベルが上昇した結果によるものである。
【００４１】
なお、図６に、ピーク（ハ）における環状部材２１の振動モードシェイプの一例（３節モードシェイプ）を、図７に、ピーク（エ）におけるセカンダリギヤ２のオリジナルの３節モードシェイプの一例を、図８に、分離した低周波数側のピーク（ヒ）におけるセカンダリギヤ２の３節モードシェイプの一例を、及び、図９に、分離した高周波数側のピーク（フ）におけるセカンダリギヤ２の３節モードシェイプの一例をそれぞれ概念的に図示した。
【００４２】
さらに、図１０は、この環状部材２１を取り付けたことによるハーモニックブレイク効果を示すグラフ図である。環状部材２１を取り付けない場合のギヤノイズを実線で示すと共に、環状部材２１を取り付けた場合のギヤノイズを破線で示した。図示したように、ギヤノイズが周波数領域（マ）において著しく低減している。この周波数領域（マ）では、プライマリギヤ１のコンプライアンスとセカンダリギヤ２のコンプライアンスとの交点がそれほど変位量の大きいところへ移動しておらず、したがって、この広い範囲（マ）でのギヤノイズの大幅な低減は、環状部材２１を取り付けることによる第三の効果のハーモニックブレイク効果が奏されているものである。
【００４３】
なお、前述したように、環状部材を複数の結合部位において取り付けることにより、歯車側に剛性の強い部位と弱い部位とが生成し、これにより、モードシェイプの分離ないしコンプライアンスピークの分散が生じ、またハーモニックブレイクが起こるのであるから、例えば図１１に示すような穴開き構造の歯車２′を採用してもよい。この歯車２′は、中心部と周縁部とを連結する五つの連結部位２ａ′…２ａ′において剛性が高く、五つの穴開き部位２ｂ′…２ｂ′において剛性が小さい。したがって、新たな５節モードが強制的に付加されたようなかたちで歯車２′全体が回転することになり、ピーク分散によるノイズ低減効果、ないしハーモニックブレイク効果を得ることができる。なお、穴開きは四つ、六つ等、その他の数であってよいことはいうまでもない。
【００４４】
また、環状部材２１をプライマリギヤ１側に設けてもよく、さらに両ギヤ１，２に設けてもよい。
【００４５】
その場合に、環状部材２１を環状溝２ａ内に収容するようにして取り付けたから、該環状部材２１が突出せず、ギヤの回転の支障とならず、ギヤのレイアウト性が損なわれない。
【００４６】
さらに、穴開き構造の歯車２′をプライマリギヤ１に採用してもよく、あるいはセカンダリギヤ２に採用してもよく、さらに両ギヤ１，２に採用してもよい。
【００４７】
そして、一方のギヤ１又は２に環状部材２１を取り付け、他方のギヤ２又は１を穴開き構造の歯車としてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ギヤノイズの発生メカニズムの理論を根拠として、従来にない新しい技術的思想に基づき、歯車の騒音を効果的に低減することができるから、本発明は、自動車産業をはじめ、動力の伝達に歯車を使用する機械産業等一般に広く好ましく適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した自動車用自動変速機の機械的構成を示す骨子図である。
【図２】同自動変速機の変速歯車機構の周辺構造を示す断面図である。
【図３】本発明に係る環状部材を取り付けた歯車周辺の構造を示す断面図である。
【図４】同歯車の正面図である。
【図５】同歯車の騒音低減効果を示すグラフ図である。
【図６】上記環状部材の振動モードシェイプの一例を示す模式図である。
【図７】上記歯車のオリジナルの３節モードシェイプの一例を示す模式図である。
【図８】同歯車の分離した低周波数側の３節モードシェイプの一例を示す模式図である。
【図９】同じく高周波数側の３節モードシェイプの一例を示す模式図である。
【図１０】同歯車の騒音低減効果としてのハーモニックブレイク効果を示すグラフ図である。
【図１１】ハーモニックブレイク効果等を生み出す別の構造の歯車を示す正面図である。
【図１２】本発明の説明図である。
【図１３】同じく本発明の説明図である。
【図１４】同じく本発明の説明図である。
【符号の説明】
１プライマリギヤ（第１の歯車）
２セカンダリギヤ（第２の歯車）
２ａ環状溝（凹部）
２１環状部材
２１ａ結合部位
２１ｂ非接触部位
３０，４０遊星歯車機構（変速機構）
１００自動変速機
２００差動装置

Claims

自動車のエンジンと駆動輪との間の動力伝達経路上に配設された変速機構の出力ギヤである第１の歯車と、該第１の歯車と噛み合い、変速機構の出力を差動装置に伝達する第２の歯車との騒音を低減する装置であって、
これらの第１、第２の歯車の少なくとも一方の歯車本体の側部に、環状部材が、周方向の複数の部位において結合され、該結合部位以外の部位では歯車本体と接触しないように、かつ、上記第１、第２の各歯車の回転数に対するコンプライアンスの交点における各歯車の歯当たり方向の変位量を大きくするべく別の振動系を付加するように、設けられていることを特徴とする歯車の騒音低減装置。
環状部材は、第１、第２の各歯車の回転数に対するコンプライアンスの交点における各歯車の歯当たり方向の変位量を大きくするべくコンプライアンスのピークを分散するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の歯車の騒音低減装置。
結合部位の数は、コンプライアンスがピークとなるときの歯車の振動モードの節の数に応じて定められていることを特徴とする請求項２に記載の歯車の騒音低減装置。