JP4379525B2 - 歯車装置および動力伝達装置 - Google Patents

Description

本発明は、歯車装置および動力伝達装置に関し、特に、３軸構成の歯車装置およびその歯車装置を備える動力伝達装置に関する。

従来、歯車装置に関し、種々の技術が提案されている。たとえば特許文献１では、２軸構成の一対の歯車対にて、一方の歯車の回転軸周方向に連通孔を形成し、噛合いの剛性を変動させ共振を抑制する技術が提案されている。

特許文献２では、歯車軸の支持剛性を振動の方向に合わせて高くする技術が提案されている。特許文献３では、３軸歯車機構にて、第一歯車、第二歯車の第三歯車との噛合いによる振動の位相が逆となるように配置する技術が提案されている。特許文献４では、３軸歯車機構にて、歯車の歯面を歯面誤差による回転変動を相殺するように修正する技術が提案されている。
特開２００５−６９４０１号公報 特開平７−３５２０２号公報 特公平８−２６９１８号公報 特開平９−１３３１８７号公報

歯車装置では、歯車の歯面が持つ誤差によって噛合い起振力が発生し、歯車が共振して、ギヤノイズなどの振動および騒音が増大する場合がある。車両に用いられる歯車装置の場合、この問題に対する通常の対策法として、歯面加工精度の向上、歯車装置のケースの補強、または車両の防音材追加などが挙げられる。しかしこのような対策法は、車両の製造コストの増加および重量の増大につながるため、採用が困難な場合が多い。

一つの歯車で２箇所の噛合いを持つ３軸構造の歯車装置では、２箇所の噛合い点が同時に共振するとギヤノイズが著しく増大する。特許文献１では、２軸構成の歯車対の噛合いの剛性を変動させ共振を抑制する技術が提案されているが、３軸構成の歯車装置に関しての言及はされていない。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、ギヤノイズなどの振動および騒音を低減できる歯車装置および動力伝達装置を提供することである。

本発明に係る歯車装置は、第一軸に設けられた第一歯車と、第二軸に設けられ第一歯車と噛合う第二歯車と、第三軸に設けられ第二歯車と噛合う第三歯車とを備える。第二歯車は、回転軸まわりの周方向において、剛性が変化するように形成されている。ある時刻における、第一歯車と第二歯車との噛合い位置での第二歯車の剛性と、第二歯車と第三歯車との噛合い位置での第二歯車の剛性とがそれぞれ異なるように、第一歯車と第三歯車とは配置されている。

また、第二歯車を軸方向に貫通する貫通孔を形成することにより第二歯車の剛性を変化させ、第二歯車の回転中心軸から貫通孔へ向かって延びる方向に、第一歯車と第三歯車とのいずれか一方が配置されている、歯車装置であってもよい。

貫通孔は、第二歯車の回転軸まわりの周方向に沿って延びるように形成されていてもよい。貫通孔は、第二歯車の歯底円の内部において、第二歯車の回転中心と歯底とを結ぶ線分の中点よりも歯底円の円周側に形成されていてもよい。

また、第二歯車の側面が突起している厚み部を形成することにより第二歯車の剛性を変化させ、第二歯車の回転中心軸から厚み部に向かって延びる方向に、第一歯車と第三歯車とのいずれか一方が配置されている、歯車装置であってもよい。また、第二歯車は、貫通孔が形成された部分と連結部が形成された部分とを有するものであってもよい。この場合、第一歯車と第三歯車との一方が第二歯車において連結部が形成された部分と噛合うときに、第一歯車と第三歯車との他方が第二歯車において貫通孔が形成された部分と噛合うように設定してもよい。

本発明に係る動力伝達装置は、上記の歯車装置のいずれかを備える。

本発明の歯車装置によると、２箇所の噛合いを持つ一つの歯車において、２箇所の噛合い点の剛性が異なるように設定される。たとえば、１箇所の噛合い点の剛性が大きい場合、他の１箇所の噛合い点の剛性が小さくなるように設定される。これにより、それぞれの噛合い点での共振を抑制することができるので、歯車装置の振動および騒音を低減させることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

なお、以下に説明する実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下の実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、上記個数などは例示であり、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。

図１は、本実施の形態の歯車装置を備えるトランスミッションとアクスルとが一体に形成されている、トランスアクスルの構成を示す断面図である。図１に示すトランスミッションは、前輪駆動のハイブリッド車両に用いられるトランスミッションである。図１に示すように、トランスアクスルは、回転電機１００，２００と、動力分配用のプラネタリギヤ３００と、ディファレンシャル機構４００とを備える。回転電機１００，２００、プラネタリギヤ３００およびディファレンシャル機構４００は、ハウジング内に設けられている。

回転電機１００は、ハウジングに対して回転可能に設けられた、第一軸としての回転シャフト１０を含む。回転電機２００は、ハウジングに対して回転可能に設けられた、第二軸としての回転シャフト２０を含む。回転電機１００，２００は、電磁鋼板を積層して形成されたステータコアと、ステータコアに巻回されたステータコイルとを有する。ステータコイルの端子が外部電源からの給電ケーブルと接続されて、外部電源とステータコイルとが電気的に接続される。

プラネタリギヤ３００は、回転シャフト２０に接続されている。プラネタリギヤ３００は、回転シャフト２０を経由して伝達されるエンジン動力を、回転シャフト１０と、第三軸としての回転シャフト３０とに、分割して伝達する。

ディファレンシャル機構４００は、ファイナルドリブンギヤ９１を含む。ファイナルドリブンギヤ９１は、ファイナルドライブギヤ８１を介在させて、回転シャフト３０に連結されている。回転シャフト３０から動力伝達を受けたディファレンシャル部９０は、車両旋回時の左右車輪の回転速度を変えながら、両輪に均等な駆動力を伝達する。

このようにして、図１に示すトランスアクスルは、モータおよびエンジンのクランクシャフトから入力される回転駆動力を駆動輪へ伝達して出力する、動力伝達装置として機能する。

このトランスアクスルでは、小型化、軽量化および低コスト化を達成するために、モータ動力とエンジン動力とを出力するトランスミッションに、一つの歯車が２箇所の噛合いをもつ３軸構造の歯車装置が採用されている。図１に示す回転シャフト１０には、第一歯車１１が設けられている。回転シャフト２０には、第二歯車２１が設けられている。回転シャフト３０には、第三歯車３１が設けられている。

第一歯車１１と第二歯車２１とは、噛合い点４１において噛合っている。第二歯車２１と第三歯車３１とは、噛合い点４２において噛合っている。動力伝達装置は、第一歯車１１、第二歯車２１および第三歯車３１を含む歯車装置を備える。噛合い点４１は、第一歯車１１と第二歯車２１との噛合い位置である。噛合い点４２は、第二歯車２１と第三歯車３１との噛合い位置である。

図２は、３軸構成の歯車装置の噛合い状態を示す模式図である。図２に示すように、第二歯車２１には、複数個の貫通孔２４が形成されている。貫通孔２４は、第二歯車２１をその回転軸方向に貫通するように形成されている。貫通孔２４は、ピッチ面が円筒形状の円筒歯車である第二歯車２１を、一方の側面から他方の側面へ貫通するように、形成されている。

貫通孔２４は、第二歯車２１の回転軸まわりの周方向に沿って延びるように形成されている。図２に示すように、第二歯車２１の側面は、回転中心２２を中心とする略円形状に形成されている。貫通孔２４は、この円形状の周方向に延びる長孔として形成されている。第二歯車２１の側面において貫通孔２４が形成されていない部分である連結部２３は、隣接する二つの貫通孔２４間に位置する。

第二歯車２１を周方向に細かく切り分けた略扇形形状の質量を比較すると、連結部２３が形成されている部分を含む略扇形形状の質量が相対的に大きく、貫通孔２４が形成されている部分を含む略扇形形状の質量が相対的に小さくなる。周方向に質量差を有する第二歯車２１は、周方向における剛性の差を有する。第二歯車２１の周方向において、連結部２３が形成されている部分は相対的に剛性の高い高剛性部であり、貫通孔２４が形成されている部分は相対的に剛性の低い低剛性部である。周方向に沿って連結部２３と貫通孔２４とを順に形成することにより、第二歯車２１は、回転軸まわりの周方向において、剛性が変化するように形成されている。

貫通孔２４が第二歯車２１の回転軸まわりの周方向に沿う長径を有する長孔の形状を有するように、第二歯車２１は成形されている。第二歯車２１の回転軸まわりの周方向に沿う長孔の長径が大きいほど、連結部２３が形成されている部分と貫通孔２４が形成されている部分との強度の差が大きくなる。そのため、第二歯車２１の高剛性部と低剛性部との剛性の差は、より大きくなっている。

また貫通孔２４は、第二歯車２１の歯底円の円周近傍部に形成されている。つまり貫通孔２４は、第二歯車２１の歯底円の内部において、歯底円の円周に近接する位置に形成されており、回転中心２２の近傍には貫通孔２４が形成されていない。たとえば、第二歯車２１の回転中心２２と歯底とを結ぶ線分の中点よりも歯底円の半径方向外側（歯底円の円周側）に、貫通孔２４を形成することができる。

貫通孔２４は、第二歯車２１の噛合い点４１，４２により近接する位置である、歯底円の円周近傍部に形成されている。噛合い点４１，４２により近い位置において、第二歯車２１の剛性が変化している。そのため、噛合い点４１，４２における第二歯車２１の剛性の差は、一層大きくなっている。

このような第二歯車２１を備える３軸構造の歯車装置において、第二歯車２１と噛合う第一歯車１１と第三歯車３１とのいずれか一方のみが、第二歯車２１の回転中心２２から貫通孔２４へ向かって延びる方向に配置されている。図２に示すように、第二歯車２１の回転中心２２と、噛合い点４２と、第三歯車３１の回転中心３２とを結ぶ直線は、貫通孔２４と交差している。一方、第二歯車２１の回転中心２２と、噛合い点４１と、第一歯車１１の回転中心１２とを結ぶ直線は、連結部２３と交差しており、貫通孔２４とは交差していない。

上述の通り第二歯車２１では、連結部２３が形成されている部分と、貫通孔２４が形成されている部分とにおいて、剛性が変化している。第一歯車１１と噛合う噛合い点４１における第二歯車２１の剛性と、第三歯車３１と噛合う噛合い点４２における第二歯車２１の剛性とがそれぞれ異なるように、第一歯車１１および第三歯車３１は配置されている。

図２に示すように、第二歯車２１と第三歯車３１との噛合い点４２は、長孔である貫通孔２４の長径の中点に近接する位置にある。第三歯車３１は、第二歯車２１の周方向に沿って貫通孔２４が延びる長さの中心点付近において、第二歯車２１と噛合っている。このように第二歯車２１と第三歯車３１とが噛合うことにより、連結部２３が形成されている部分で第一歯車１１と第二歯車２１とが噛合う噛合い点４１と、第二歯車２１と第三歯車３１とが噛合う噛合い点４２との、剛性の差がさらに大きくなっている。

図３は、歯車装置の他の噛合い状態を示す模式図である。図２および図３において、矢印１９，２９，３９はそれぞれ、第一歯車１１、第二歯車２１、第三歯車３１の回転方向を示している。ある時刻において図２に示すように噛合っていた歯車装置では、矢印１９，２９，３９のようにそれぞれの歯車が回転することにより、上記ある時刻と異なる他の時刻において、図３に示す噛合い状態となる。

図３に示す噛合い状態では、第二歯車２１の回転中心２２と、噛合い点４１と、第一歯車１１の回転中心１２とを結ぶ直線が、貫通孔２４と交差している。一方、第二歯車２１の回転中心２２と、噛合い点４２と、第三歯車３１の回転中心３２とを結ぶ直線は連結部２３と交差しており、貫通孔２４とは交差していない。

図３に示す噛合い状態においても、第二歯車２１と噛合う第一歯車１１と第三歯車３１とのいずれか一方のみが、第二歯車２１の回転中心２２から貫通孔２４へ向かって延びる方向に配置されている。第一歯車１１と噛合う噛合い点４１における第二歯車２１の剛性と、第三歯車３１と噛合う噛合い点４２における第二歯車２１の剛性とがそれぞれ異なるように、第一歯車１１および第三歯車３１は配置されている。

以上説明したように、歯車装置を構成する第一歯車１１、第二歯車２１および第三歯車３１は、ある時刻における、噛合い点４１および噛合い点４２での第二歯車２１の剛性がそれぞれ異なるように配置されている。たとえば図２に示すように、ある時刻において、連結部２３が形成されている部分に位置する噛合い点４１の剛性は相対的に大きく、貫通孔２４が形成されている部分に位置する噛合い点４２の剛性は相対的に小さくなる。またたとえば図３に示すように、別のある時刻において、連結部２３が形成されている部分に位置する噛合い点４２の剛性は相対的に大きく、貫通孔２４が形成されている部分に位置する噛合い点４１の剛性は相対的に小さくなる。

歯車の共振は、噛合い点周辺の剛性または質量によって決められる。剛性が大きければ共振周波数は高くなり、また剛性が小さければ共振周波数は低くなる。そのため、３軸構造の中間の歯車の複数の噛合い点での剛性を変えることによって、共振の周波数およびレベルを調整することができる。

本実施の形態の歯車装置では、貫通孔２４が形成されていることにより、第二歯車２１の剛性が回転軸まわりの周方向において変化している。第二歯車２１の連結部２３が形成された部分と第一歯車１１とが噛合うときには、第二歯車２１の貫通孔２４が形成された部分と第三歯車３１とが噛合うように設定されている。第二歯車２１の連結部２３が形成された部分と第三歯車３１とが噛合うときには、第二歯車２１の貫通孔２４が形成された部分と第一歯車１１とが噛合うように設定されている。歯車装置の稼働中のある瞬間において、第一歯車１１との噛合い点４１および第三歯車３１との噛合い点４２における第二歯車２１の剛性が、それぞれ異なっている。第二歯車２１の剛性が噛合い点４１，４２で変化しているために、噛合い点４１，４２での共振を抑制することができる。その結果、歯車装置の振動および騒音を低減させることができる。

図２および図３に示す歯車装置では、３つの貫通孔２４と３箇所の連結部２３とが形成されており、第二歯車２１の回転中心２２から連結部２３へ向かって延びる直線が１２０°の角度を形成する。このような歯車装置では、第一歯車１１の回転中心１２と第二歯車２１の回転中心２２とを結ぶ直線、および、第二歯車２１の回転中心２２と第三歯車３１の回転中心３２とを結ぶ直線が、６０°または１８０°の角度を形成するように各歯車が配置されることが望ましい。

一方、回転中心１２，２２を結ぶ直線、および、回転中心２２，３２とを結ぶ直線が、１２０°の角度を形成するように各歯車が配置される歯車装置の場合、連結部２３と貫通孔２４とを設ける位置を調整した第二歯車２１を用いる必要がある。この場合、たとえば４つの貫通孔と４箇所の連結部とを設けた第二歯車を用いれば、複数の噛合い点が同時に第二歯車の連結部に最接近することを防止できるので、各噛合い点での共振を抑制することができる。

図４は、本実施の形態の歯車装置を備える動力伝達装置の他の例としての、トランスファの構成を示す断面図である。図４に示すトランスファ５００は、四輪駆動車に搭載されており、変速機から出力された回転力を前輪側のフロントプロペラシャフトと後輪側のリヤプロペラシャフトとに分配して出力する装置である。

トランスファ５００は、３軸構造の歯車装置を備える。この歯車装置では、変速機からの回転力を入力するためのインプットシャフト５１０を第一軸とし、インプットシャフト５１０には第一歯車としてのドライブギヤ５１１が設けられている。第一歯車に噛合う第二歯車としてのアイドラギヤ５２１は、第二軸である中間シャフト５２０に設けられている。第二歯車に噛合う第三歯車としてのドリブンギヤ５３１は、第三軸であるアウトプットシャフト５３０に設けられている。

ドライブギヤ５１１、アイドラギヤ５２１およびドリブンギヤ５３１により構成される３軸構造の歯車装置において、中間の歯車であるアイドラギヤ５２１には、図２および図３に基づき説明した連結部２３と貫通孔２４とが形成されている。ある時刻における、ドライブギヤ５１１との噛合い点でのアイドラギヤ５２１の剛性と、ドリブンギヤ５３１との噛合い点でのアイドラギヤ５２１の剛性とがそれぞれ異なるように、ドライブギヤ５１１、アイドラギヤ５２１およびドリブンギヤ５３１は配置されている。このようにすれば、それぞれの噛合い点での共振を抑制することができるので、歯車装置の振動および騒音を低減させることができる。

これまでの説明においては、第二歯車を軸方向に貫通する貫通孔を形成することにより第二歯車の剛性を変化させたが、第二歯車の剛性を変化させるための構成はこれに限られない。たとえば、第二歯車の側面が突起している厚み部を形成し、この厚み部が設けられている部分の質量を増加させることにより、第二歯車の剛性を変化させてもよい。またたとえば、第二歯車の側面が窪んでいる凹部を形成し、この凹部が設けられている部分の質量を減少させることにより、第二歯車の剛性を変化させてもよい。

第二歯車の回転中心軸から、上記厚み部または凹部に向かって伸びる方向に、第二歯車と噛合う第一歯車と第三歯車とのいずれか一方のみを配置すれば、それぞれの歯車の噛合い点での共振を抑制することができる。したがって、歯車装置の振動および騒音を低減させることができる。

以下、本発明の実施例について説明する。上記実施の形態で説明した貫通孔が形成された第二歯車を備える３軸構造の歯車装置について、歯車装置全体の振動量を計算するシミュレーションを行なった。また第一の比較例として、貫通孔が形成されていない第二歯車を備える歯車装置についての歯車装置全体の振動量を計算した。また第二の比較例として、貫通孔が形成されている第二歯車を備えるものの、第一歯車および第三歯車はいずれも、第二歯車の回転中心から連結部または貫通孔へ向かって延びる方向に配置されている歯車装置について、歯車装置全体の振動量を計算した。

図５は、第一の比較例の歯車装置の振動について示す図である。図５（ａ）は、第一の比較例の、第一歯車と第二歯車との噛合い点の振動を示す。図５（ｂ）は、第一の比較例の、第二歯車と第三歯車との噛合い点の振動を示す。図５（ｃ）は、第一の比較例の、歯車装置全体についての振動の総和を示す。

歯車装置全体の振動は、各噛合い点における振動の和で求められる。第一の比較例では、第二歯車の質量は回転軸まわりの周方向において変動せず、第二歯車の剛性も変動しない。そのため、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、噛合い点において共振が発生する。２箇所の噛合い点において同位相の振動が発生する結果、図５（ｃ）に示すように、歯車装置全体の振動が大きく増大していた。

図６は、第二の比較例の歯車装置の振動について示す図である。図６（ａ）は、第二の比較例の、第一歯車と第二歯車との噛合い点の振動を示す。図６（ｂ）は、第二の比較例の、第二歯車と第三歯車との噛合い点の振動を示す。図６（ｃ）は、第二の比較例の、歯車装置全体についての振動の総和を示す。図６（ａ）、図６（ｂ）中、「柱」と記された部分では、第二歯車と噛合う第一歯車または第三歯車が、第二歯車の回転中心から連結部へ向かって延びる方向に位置していることを示す。

第二の比較例では、貫通孔が形成されているために、第二歯車の質量が回転軸まわりの周方向において変動しており、第二歯車の剛性は回転軸まわりの周方向において変動する。そのため、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、各噛合い点における共振は抑制されている。しかし、２箇所の噛合い点で発生する振動が同位相であって振動のピークが一致することから、歯車装置全体としての振幅は増大する。その結果、第一の比較例と比較すると振幅が低減されてはいるが、歯車装置全体としての振幅は依然として大きかった。

図７は、実施例の歯車装置の振動について示す図である。図７（ａ）は、実施例の第一歯車と第二歯車との噛合い点の振動を示す。図７（ｂ）は、実施例の第二歯車と第三歯車との噛合い点の振動を示す。図７（ｃ）は、実施例の歯車装置全体についての振動の総和を示す。

実施例では、図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、上記第二の比較例と同様に各噛合い点における共振は抑制されている。かつ、２箇所の噛合い点で発生する振動は逆位相となり振動のピークがずれている。そのため、振動の総和の振幅が大きく増大することはない。その結果、図７（ｃ）に示すように、歯車装置全体としての振幅は、第二の比較例に対して一層低減されていた。

以上説明した実施例および比較例によって、３軸構造の歯車装置において歯車の噛合い点での共振を抑制することにより、歯車装置の振動を低減することができ、その結果歯車装置が発生する騒音も低減できることが示された。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、車両のトランスミッションやトランスファなどに用いられる３軸構成の歯車装置に、特に有利に適用され得る。

本実施の形態の歯車装置を備えるトランスミッションとアクスルとが一体に形成されている、トランスアクスルの構成を示す断面図である。 ３軸構成の歯車装置の噛合い状態を示す模式図である。 歯車装置の他の噛合い状態を示す模式図である。 本実施の形態の歯車装置を備える動力伝達装置の他の例としての、トランスファの構成を示す断面図である。 第一の比較例の歯車装置の振動について示す図である。 第二の比較例の歯車装置の振動について示す図である。 実施例の歯車装置の振動について示す図である。

符号の説明

１０，２０，３０ 回転シャフト、１１ 第一歯車、１２，２２，３２ 回転中心、１９，２９，３９ 矢印、２１ 第二歯車、２３ 連結部、２４ 貫通孔、３１ 第三歯車、４１，４２ 噛合い点。

Claims (7)

1. 第一軸に設けられた第一歯車と、第二軸に設けられ前記第一歯車と噛合う第二歯車と、第三軸に設けられ前記第二歯車と噛合う第三歯車とを備え、
   前記第二歯車は、回転軸まわりの周方向において、剛性が変化するように形成されており、
   ある時刻における、前記第一歯車と前記第二歯車との噛合い位置での前記第二歯車の剛性と、前記第二歯車と前記第三歯車との噛合い位置での前記第二歯車の剛性とがそれぞれ異なるように、前記第一歯車と前記第三歯車とを配置した、歯車装置。
2. 前記第二歯車を軸方向に貫通する貫通孔を形成することにより前記第二歯車の剛性を変化させ、
   前記第二歯車の回転中心軸から前記貫通孔へ向かって延びる方向に、前記第一歯車と前記第三歯車とのいずれか一方が配置されている、請求項１に記載の歯車装置。
3. 前記貫通孔は、前記第二歯車の回転軸まわりの周方向に沿って延びるように形成されている、請求項２に記載の歯車装置。
4. 前記貫通孔は、前記第二歯車の歯底円の内部において、前記第二歯車の回転中心と歯底とを結ぶ線分の中点よりも前記歯底円の円周側に形成されている、請求項２または請求項３に記載の歯車装置。
5. 前記第二歯車の側面が突起している厚み部を形成することにより前記第二歯車の剛性を変化させ、
   前記第二歯車の回転中心軸から前記厚み部に向かって延びる方向に、前記第一歯車と前記第三歯車とのいずれか一方が配置されている、請求項１に記載の歯車装置。
6. 前記第二歯車は、貫通孔が形成された部分と連結部が形成された部分とを有し、
   前記第一歯車と前記第三歯車との一方が前記第二歯車において連結部が形成された部分と噛合うときに、前記第一歯車と前記第三歯車との他方が前記第二歯車において貫通孔が形成された部分と噛合うように設定された、請求項１に記載の歯車装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の歯車装置を備える、動力伝達装置。

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