JP4302636B2 - 捩り減衰回転シャフト - Google Patents

Description

本発明は、回転シャフトに関し、捩り振動ダンパーを含むようなシャフトに関する。

多くの回転シャフトは、定期的なまたは間欠的なトルク変動または衝撃荷重を受ける。そのようなシャフトの１つの例は、自動クランクシャフトであり、これは、４気筒エンジンの場合には、１回転につき２回荷重の衝撃トルクを受け、すなわち、シリンダの１つで燃料／空気混合物の点火が発生するたびである。そのような衝撃荷重は、回転シャフトの有用な稼働を大幅に減少する可能性があり、シャフトが捩り共鳴に入る場合には、結果として突然、破滅的な故障になる可能性がある。
したがって、自動クランクシャフトが捩りダンパーを含むことが普通である。２種類のそのようなダンパーが公知であり、すなわち弾性のあるダンパーおよび粘性ダンパーである。

弾性のあるダンパーは、たとえばエラストマー材料のゴムの弾性のある接続によってシャフトの一方の端に取り付けられた比較的重いウェイトを具備する。シャフトに対するウェイトの動きは、弾性のある要素を剪断し、ゴムのヒステリシスによって振動エネルギを分散する。
粘性ダンパーは、シャフトの一方の端に接続されたハウジングを具備し、それとともに回転する。ハウジング内部には、粘性液体と塊とがあり、塊は、軸受によってシャフトに装着され、そのため、シャフトに対して回転することができる。
安定した状態の条件下で、シャフト、ハウジングおよび塊は、固体本体として回転する。しかし、シャフトおよびしたがってハウジングの速度の変化は、塊とハウジングの内部との間の狭い隙間内に流体によって形成された剪断力によって抵抗される。

これらの公知のダンパーは両方とも、シャフトの端に設けられ、したがって、シャフトの有効長さを増加する。しかし、多くの用途において、これは非常に望ましくなく、特に常に空間の圧力が増加している自動車のエンジン空間ではそうである。さらに、粘性ダンパーに使用される流体は、典型的にシリコーン系であり、そのような流体は徐々に熱劣化を受け、それは、たとえばクランクシャフトが典型的に受けるものであり、結果として公知のダンパーの効果は時間がたつにつれて徐々に減少する。弾性のあるダンパーに典型的に使用される弾性のある材料に、類似のことが伝統的に加えられる。

したがって、本発明の目的は、回転シャフトを提供することであり、特に、上記に言及された不利点を被らない振動ダンパーを備えた、エンジンの一部を形成するシャフト、たとえばクランクシャフトを提供することである。

本発明によると、軸を中心にして回転するためのたとえばエンジンクランクシャフト等の回転シャフトは、偏心の、実質的に円形断面の、半径方向に延在するフランジを担持し、その半径方向に外側の表面に、半径方向に内側のおよび半径方向に外側の同軸円筒形表面によって部分的に画成されたキャビティを提供する環状ハウジングが接続されており、その軸はシャフトの軸からずれており、キャビティは環状慣性塊を収容し、キャビティの半径方向に内側のおよび半径方向に外側の表面は、それぞれ、慣性塊の半径方向に内側のおよび半径方向に外側の表面に対向しており、それによって２対の対向する表面があり、上記対の一方は、慣性塊およびハウジングが同軸円筒形表面の軸を中心にして相対回転するのをガイドする軸受表面を構成し、上記対の他方は間隔をおいて離れていて変位可能な材料を収容する環状空間を画成し、慣性塊およびキャビティは、偏心の方向に対向する第１の位置に最大値を有し且つ第１の位置から１８０度ずれた第２の位置へ両方の円周方向に徐々に減少する寸法を半径方向に有する。

このようにして、本発明にしたがったシャフトは、その端の間にいずれの所望の位置で捩りダンパーを含み、ダンパーはシャフトの一方の端に設けられる必要はなく、それによって長さの増加を必要とする。これは、シャフトがエンジンクランクシャフトであるときに、特に価値のある特徴である。さらに、クランクシャフトにおいて、偏心フランジは、いずれにしても従来クランクシャフトに設けられるクランクウェブの一方によって、構成されてもよい。

シャフトは偏心フランジを担持し、フランジの偏心は結果として、円周的に変化する半径方向寸法を有することになる。この半径方向寸法は、一方の方向、いわゆる偏心の方向で最大であり、第１の位置から１８０度ずれた第２の位置へ両方の円周方向に徐々に減少する。偏心フランジの外側表面に、環状慣性塊を収容する環状キャビティを画成する環状ハウジングが接続される。慣性塊は、半径方向に内側のおよび半径方向に外側の円筒形表面を有し、その軸はシャフトの軸からずれている。キャビティの半径方向に内側のおよび半径方向に外側の表面は、それぞれ、慣性塊の半径方向に内側のおよび半径方向に外側の表面に対向しており、それによって２対の露出した表面がある。これらの対の表面の一方は、比較的近接して間隔をおいており、慣性塊およびハウジングが円筒形表面の軸を中心にして相対回転するのをガイドする軸受表面を構成する。対の表面の他方は、たとえば、１ｍｍから２ｍｍの間だけ間隔をおいて離れており、環状空間を画成する。この空間は変位可能な材料を収容し、好適な実施の形態において、この材料は粘性流体、たとえばグリースである。慣性塊およびキャビティは、偏心の方向に対向する第１の位置に最大値を有し且つ第１の位置から１８０度ずれた第２の位置へ両方の円周方向に徐々に減少する寸法を半径方向に有する。ハウジングおよび慣性塊の質量およびその重量分布は、偏心フランジに釣り合うように設定され、さらに、クランクピンおよびコネクティングロッドの一部に釣り合ってもよい。ハウジングおよび慣性塊のより重い部分は、したがって、クランクシャフト上で従来のカウンターウェイトと取り替えられてもよい。

シャフトが変動または衝撃トルクを受けなければならない場合には、それは加速するかまたは減速し、ハウジングのキャビティ内に可動式に収容される慣性塊の慣性は、結果として、シャフトの加速に遅れる加速になる。慣性塊は、したがって、キャビティ内で、対向する表面の対の軸を中心にして回転し、クランクシャフトの軸を中心にするのではない。これは、結果として、一方の側で幅が増加し他方の側で幅が減少する間隔をおいた表面の対の間の空間になる。これは、結果として、次に、流体が、減少した幅の区域から増加した幅の区域へ変位されるかまたはポンプ注入されるかになる。液体の粘性のため、この変位は、実質的なポンプ損失を受ける。これらのポンプ損失は、シャフトの加速または減速を妨害するように作用し、したがって、いずれの捩り振動運動を減衰する。剪断力もまた粘性液体内で形成されるが、シャフトの減衰振動においてこれらの力によって演じられる部分は、ポンプ損失のものに比較して小さく、これは、選択された液体は、粘性ダンパーに従来使用されるシリコーン流体のものよりも、非常に低い粘性を有してもよいことを意味する。これによって、流体たとえばグリースを選択することができ、これは、従来使用されるシリコーン流体よりも、増加した温度に対して非常に高い長期安定性を有する。粘性流体は、５，０００から２５，０００センチストークの、より好ましくは、１０，０００から１５，０００センチストークの範囲の粘度を有することが好適であり、これは、粘性ダンパーに従来使用されるシリコーン流体の典型的な粘性範囲である１００，０００から３００，０００センチストークの値よりも非常に低い。

修正された実施の形態において、変位可能な材料は、たとえば、ゴムまたはエラストマー材料製の弾性のある固体材料を含む。この場合、材料は、空間が最小幅である位置から最大幅である位置へ変位することはできないが、円周方向に一定の距離を変位することはでき、円周的に前後に動く位置で圧縮および緩和を交互に受ける。弾性のある環状部材によって被るヒステリシスロスは、したがって、従来の弾性のある振動ダンパーにおける弾性のある部材のものを実質的に超えており、減衰効果はそれによって高められる。

慣性塊および変位可能な材料をキャビティ内に導入することを可能にするために、ハウジングは、キャビティを閉じ半径方向平面に延在するカバープレートを含むことが好適である。
慣性塊は、ハウジング内で回転した後で、極位置の一方または他方に詰め込まれる可能性があり、これは、２つの端停止を設けることによって防止されてもよい。慣性塊は、次いで、それが受ける力の作用下でその静止位置または中心位置に容易に戻ってもよいが、慣性塊に作用しそれを空間の半径方向幅が一定である位置へ向けて偏倚するばね手段を設けることが望ましくてもよい。ばね手段は、ハウジングと慣性塊との間に延在する従来の型たとえばコイルばねの１つまたはそれ以上のばねの形態を取ってもよく、これは、空間を画成する２つの円筒形表面の間に接続されたエラストマー材料の環状部材の形態を取ってもよい。この場合、エラストマー材料は、空間の全体を占める必要はなく、残りの部分は粘性液体によって占められてもよい。

上述のように、フランジの偏心によって生じた不均衡は、ハウジングおよび慣性塊の非対称構造物によって釣り合いを取られる。シャフトおよびダンパーの半径方向寸法を最小限にするために、偏心の方向に対向するハウジングの部分の軸方向における厚さが偏心フランジの厚さよりも大きいことが望ましい。

本発明のさらなる態様にしたがって、軸を中心にして回転するための自動車のクランクシャフトは、少なくとも一対の軸方向に間隔をおいて半径方向に延在する偏心クランクウェブを担持し、少なくともそのうちの１つは円形円筒形の半径方向に外側の表面を有し、その軸はクランクシャフトの軸からずれており、それに対して弾性のある材料の環状部材の内側表面が接続され、その外側表面に環状慣性塊の円筒形の内側表面が接続され、その重量分布は関連クランクウェブの偏心に釣り合う。したがって、この実施の形態は、上記に参照したものに類似しているが、固体の弾性のある材料が使用されるため、ハウジングは省略されており、ダンパーの完全性は弾性のある材料の環状部材を偏心フランジと慣性塊との両方に接続することによって保証される。慣性塊はまた、偏心の方向に対向する側でより重いが、これはハウジング内に収容されないため、そのサイズは徐々に減少する必要はなく、急に減少してもよい。その重量分布は、単に、関連クランクウェブに釣り合うように選択され、それによって、クランクシャフトは動的にバランスを取られる。

弾性のある材料の内側表面は、クランクウェブの外側表面に直接接続されてもよく、または、たとえばプレス嵌めまたは力嵌めによって、クランクウェブへ固定された金属スリーブを経由して間接的に接続されてもよい。

本発明のさらなる特徴および詳細は、一定の特定の実施の形態の下記の説明から明らかであり、そのすべては自動クランクシャフトに関し、それは添付の図面を参照して与えられる。

図１は、クランクシャフト２を示し、これは、普通の方法で、軸４を中心にして回転するように装着され、間隔をおいたクランクウェブ６の多数の対を担持する。クランクウェブ６の対の数は、クランクシャフトが接続されるピストンの数に等しいが、この場合、そのような対の１つのみが示される。各クランクウェブ６は、円形の周囲表面を有し、円の中心が点８にあるようにクランクシャフトに偏心的に位置決めされ、これは、偏心の方向に所定の距離だけ軸４からずれる。クランクウェブの対の偏心部分の間にクランクピン１０が延在し、コネクティングロッド１２の一方の端に従来の方法で旋回式に接続され、その他方の端は、従来の方法でピストン１４に旋回式に接続される。

各クランクウェブ６の外側表面に、側方向カバー１８によってアクセス可能である矩形断面の内部キャビティを画成する環状ハウジング１６が接続される。キャビティ内に、鋼等の慣性塊２０が収容される。ハウジング１６、その中のキャビティおよび慣性塊２０は、すべて環状形状であり、半径方向の寸法は、クランクウェブの偏心の方向に対向する側の第１の点で最大であり、第１の位置から１８０度ずれる第２の位置へ両方向に徐々に減少する。ハウジング１６および慣性塊２０は、比較的大規模な構造であり、したがって、偏心の方向に対向する側で実質的により重い。それらは、ハウジングおよび慣性塊のより重い部分がクランクウェブの偏心に釣り合い、そのためクランクシャフトは動的に且つ静的にバランスを保つように、寸法づけられる。この目的のために、本件の場合には、ハウジング１６を、関連クランクウェブよりも、より広く、すなわち、軸方向により大きな寸法を有する必要があってもよいことが見られる。

環状キャビティの半径方向に内側の表面は、円形断面であり、慣性塊２０の内側表面に対向しており、それもまた実質的に円形断面である。これらの２つの表面は、実質的に同一の直径であり、慣性塊が約１００から１５０ｍｍの外径を有するときに典型的に約０．０２５ｍｍのみの隙間をそれらの間に有し、したがって軸受表面として作用する。キャビティの半径方向に外側の表面もまた円形断面であり、慣性塊の同軸の半径方向に外側の表面に対向している。これらの表面は両方とも円形断面であり、その中心はクランクシャフトの軸４からわずかにずれた点２２にあり、その直径は典型的に１から２ｍｍという少量だけ異なる。環状空間２４はしたがって、これらの２つの表面の間に画成され、粘性流体によって占有されている。これは、銅グリース、すなわち、金属銅粒子を含有するグリースであってもよく、ナイルーブリカンツ社（Ｎｙｅ Ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ， Ｉｎｃ．）によって供給されるようなジメチルシリコーングリースであることが好ましい。

使用にあたり、シャフトが一定の速度で回転するときには、その中にあるハウジングおよび慣性塊は、シャフトとともに、且つ、シャフトと同一の速度で、回転する。しかし、シャフトが、その速度を上げる傾向がある衝撃トルクを受けなければならない場合には、慣性塊の慣性は、塊がシャフトと同一速度で加速しないことを意味する。慣性塊は、したがって、ハウジング内で回転を開始し、相対運動が対向する軸受表面で発生する。しかし、慣性塊の幅が徐々に変化する結果として、銅グリースで満たされた空間２４は、先のように一定の幅のままではなく、代わりに、その幅は、図２に示されるように、一方の側で増加し他方の側で減少する。他方、シャフトが突然減速する場合には、逆の効果が発生し、空間２４の幅は、上記一方の側で減少し上記他方の側で増加する。空間２４の幅分布におけるこの変化は、結果として銅グリースが、幅を減少する区域から空間の幅を増加する区域へ変位されることになる。ハウジングに対する慣性塊の運動は、したがって、グリースに生じた剪断力によって抵抗され、また、より重要なことには、グリースを１つの場所から別の場所へポンプ注入しなければならないことによって生じるポンプ損失によって、抵抗される。これらの力および損失は、慣性塊およびハウジングの相対回転に抵抗する傾向があり、したがって、減衰はクランクシャフトの速度または回転振動で変化する。

修正された実施の形態において、これは例示されていないが、ハウジング１６の慣性塊２０の外側表面およびキャビティの外側表面は、近接して間隔をおいており、軸受表面として作用し、グリースによって占有された空間２４は、慣性塊の内側表面とキャビティの内側表面との間に画成される。この実施の形態は、第１の実施の形態と正確に同一の方法で作動する。

慣性塊は、典型的に０．５度と２度との間で回転するが、極めて大きな加速下では、図２および３に示されるように、慣性塊がハウジングの停止部材に接触するまでか、または、空間２４を画成する対向表面が接触するようになるまで、ハウジングに対して約３度から５度の間で回転してもよい。次いで、同一方向にさらに回転運動することは不可能である。

反対方向におけるクランクシャフトのその後の振動または加速は、通常、結果として、接触表面が接触から動いて、空間２４が一定の幅である中立位置へ戻るかまたはそれを通ってハウジングに対して慣性塊が回転することになる。しかし、寸法および使用されるグリースに依存して、「静止摩擦力」が２つの表面を一緒に「接着」したままにすることが可能であり、したがって、慣性塊に１つまたはそれ以上の戻しばねを設けることが望ましくてもよい。そのような修正された実施の形態は、図４および５に示される。

図４および５の実施の形態において、偏心の方向に対向する慣性塊２０の部分３０は、軸方向に厚さが増加し、その端で、部分３０は、反対方向に円周的に方向づけられたショルダ３２を提供する。これらのショルダ３２は、クランクウェブ上の類似ショルダ３４に対向する。ショルダ３２、３４の対向する対に固定されるかまたは隣接して且つその間に延在するのは、図５の左部に示されるように戻しばね３６か、または、図５の右部に示されるように２つの戻しばね３６である。

先の実施の形態において、慣性塊２０の軸方向端表面は、滑らかであり、キャビティの対向する表面から近接して間隔をおいている。しかし、図４および５の実施の形態において、これらの表面の一方または両方に、キャビティの対向する表面から近接して間隔をおいている多数のスラストパッド３８が設けられる。

上述の実施の形態において、空間２４は、粘性液体の形態である変位可能な材料によって占有され、減衰効果は、剪断力およびポンプ損失によって達成される。これらの実施の形態のすべては、粘性液体を、弾性のある材料たとえばゴムまたはエラストマーの本体と取り替えることによって、修正されてもよい。この場合、ポンピングは発生しないが、弾性のある材料が、空間２４の厚さ分布の変化の結果として繰り返し圧縮され減圧され、減衰は材料の弾性およびヒステリシスロスによって達成される。弾性のある材料を使用することによって、構造が修正され簡略化されることができ、そのような構造物は図６および７に例示される。

押し嵌めまたは力嵌めによって円形断面の偏心クランクウェブ６の半径方向に外側の表面に、環状スリーブ４０が固定される。スリーブ４０の外側表面に、弾性のあるゴムまたはエラストマー材料製の弾性のあるリング４２の内部表面が固定される。弾性のある材料は、２５０°Ｃまたはそれ以上までの温度へ抵抗力があり、たとえば、メタルダインインターナショナル（Ｍｅｔａｌｄｙｎｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）によって供給されているものである。材料は、欧州特許出願公開第０５４０８１８号明細書または米国特許出願公開第２００２０１１５８１３号明細書に開示されているものであってもよい。エラストマーリングの外側表面に、慣性塊２０の内側円形断面表面が固定される。慣性塊２０は、偏心の方向に対向するその円周の約３分の１にわたって比較的大きく他の場所では比較的小さい幅を半径方向に有する。慣性塊はこのようにして、偏心クランクウェブ６へのカウンターウェイトとして作用するより重い部分２１を有する。

この振動ダンパーは、従来の弾性のある振動ダンパーとは異なる方法で作動するが、２つの主要な差がある。第１に、これは、使用の際には、クランクケース内に位置し、したがって、通常のようにクランクシャフトの全体的な長さへ追加しない。第２に、回転振動が発生する場合には、慣性塊２０は、クランクウェブ６を中心にして小さな距離を回転する。この回転は軸８を中心にしており、これは、クランクシャフトの軸４からずれているため、エラストマーリング４２を収容する空間の幅は局所的に変化し、そのため、エラストマー材料は局所的に圧縮され、拡張される。これは、結果として、ヒステリシスロスが増加し、したがって、減衰効果が高まることになる。

本発明によるクランクシャフトの第１の実施の形態の部分断面の、断片側面図である。 ２つの極位置のある慣性塊を示す図１の線Ａ−Ａにおけるクランクシャフトの横方向断面図である。 ２つの極位置のある慣性塊を示す図１の線Ａ−Ａにおけるクランクシャフトの横方向断面図である。 第２の実施の形態の図１にほぼ類似した図である。 図２および３にほぼ類似しているが、図４の線Ｚ−Ｚにおける横方向断面図である。 第３の実施の形態の図１にほぼ類似したさらなる図である。 第３の実施の形態の、図２および３にほぼ類似した、図６の線Ｘ−Ｘにおける断面図である。

Claims (7)

1. 軸を中心にして回転するための回転シャフトであって、偏心の、実質的に円形断面の、半径方向に延在するフランジを担持しており、その半径方向に外側の表面に、半径方向に内側のおよび半径方向に外側の同軸円筒形表面によって部分的に画成されたキャビティを提供する環状ハウジングが接続されており、その軸は前記シャフトの軸からずれており、前記キャビティは環状慣性塊を収容し、前記キャビティの前記半径方向に内側のおよび前記半径方向に外側の表面は、それぞれ、前記慣性塊の半径方向に内側のおよび半径方向に外側の表面に対向しており、それによって２対の対向する表面があり、前記対の一方は、前記慣性塊および前記ハウジングが前記同軸円筒形表面の前記軸を中心にして相対回転するのをガイドする軸受表面を構成し、前記対の他方は間隔をおいて離れていて変位可能な材料を収容する環状空間を画成し、前記慣性塊および前記キャビティは、偏心の方向に対向する第１の位置に最大値を有し且つ前記第１の位置から１８０度ずれた第２の位置へ両方の円周方向に徐々に減少する寸法を半径方向に有するシャフト。
2. 前記変位可能な材料は粘性液体である請求項１記載のシャフト。
3. 前記粘性液体はグリースを含む請求項２記載のシャフト。
4. 前記ハウジングは、半径方向の平面に延在するカバープレートによって閉じられる請求項１記載のシャフト。
5. 前記慣性塊に作用しそれを前記空間の半径方向幅が一定である位置へ向けて偏倚するばね手段を含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシャフト。
6. 前記偏心の方向に対向する前記ハウジングの部分における軸方向厚さは、前記偏心フランジの厚さよりも大きい請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシャフト。
7. 軸を中心にして回転するための自動車のクランクシャフトであって、少なくとも一対の軸方向に間隔をおいて半径方向に延在する偏心クランクウェブを担持しており、少なくともそのうちの１つは円形円筒形の半径方向に外側の表面を有し、その軸は前記クランクシャフトの前記軸からずれており、それに対して弾性のある材料の環状部材の内側表面が接続され、その外側表面に環状慣性塊の円筒形の内側表面が接続され、その重量分布は関連クランクウェブの偏心に釣り合うクランクシャフト。

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