JP5032575B2 - コンプライアンス性を有するギヤアセンブリ - Google Patents

Description

本開示は、一般に、コンプライアンス性を有する（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）ギヤアセンブリに関し、より詳しくは、ギヤアセンブリに対するトルクに応じて同軸整列から並進可能であるハブおよびギヤリングを有する、例えばエンジンのギヤトレインに使用するためのコンプライアンス性を有するギヤアセンブリに関する。

ギヤ歯の衝突、ガチャガチャ音、カタカタ音から生じる過剰なノイズは長年ギヤシステムに関連してきた。一般に、「ギヤのガタガタ音」という用語は、隣接するギヤのギヤ歯が噛合解除し、後方の歯に衝突して急速に噛合状態に戻され、音響ノイズを発生させるノイズ現象を指す。ギヤのガタガタ音の騒音が作業環境を不快にすることがあるだけでなく、ギヤ歯間の衝突とギヤシステムを介した衝撃とが、システムの構成部材に対する早期摩耗および過大な応力を生じさせることがある。さらに、所定のギヤが、トルクをスムーズに伝達するのではなく、相手方の噛合ギヤに対してガタガタ音を発生させた場合、ギヤに関連する当業者に周知であるように、エネルギーが無駄になることがある。

内燃機関に関連して、いくつかのエンジン構成部材に動力を供給するために、またいくつかのギヤの間で所望の相対的なタイミングを提供するために、一連のギヤまたは「ギヤトレイン」を利用することが一般的である。一例において、エンジンクランクシャフトによって回転されるクランクギヤは、カムギヤに回転可能に連結され、その次に、エンジンの１つ以上のカムに連結される。弁の開放／閉鎖および燃料噴射等のカムにより作動されるいくつかのエンジン機能が、エンジンクランク角に対して所望の時間で確実に行われるように、２つのギヤ間の相対的なタイミングを維持するために、クランクギヤとカムギヤとの間に１つ以上のギヤを動作可能に配置することが可能である。

いくつかのエンジンにおいて、クランクギヤおよびカムギヤの動的動作は大きなものであることができ、動作中にギヤトレインを介して、大きなトルクを与える。したがって、エンジン動作中には、クランクギヤおよびカムギヤのそれぞれが衝撃加速度および衝撃減速度を受けることが一般的である。シリンダの燃焼により、クランクシャフト、したがってクランクギヤにトルクが加えられ、これに対して、燃料噴射により、カムシャフト、したがってカムギヤにトルクが加えられる。いくつかのエンジンシステムにおいて、カムシャフトの回転速度は、機械的に作動される燃料噴射力によって、カムシャフトの平均回転速度から毎分数百回転数だけ一時的に減速し得る。カムシャフトおよびクランクシャフトからのトルク衝撃は、互いに独立してギヤトレインに影響を与え得るか、あるいは増加または減少し得る。シリンダの燃焼、燃料噴射および他のイベントは比較的急速に連続して行われる傾向があり、したがって、このような状態下のギヤトレインの動的動作が非常に複雑になる可能性があることが当業者には容易に明らかであろう。構成部材の大きな慣性およびバックラッシュを伴う、比較的硬いギヤトレインを介したエネルギー伝達、または隣接するギヤ歯の分離は、特に、異なるギヤからの大きな慣性が、異なる速度と衝突する場合に、大きなピークトルク拡大を有する非常に動的な一連のイベントであり得る。いくつかの例において、例えば、クランクギヤとカムギヤとの間の「アイドラギヤ」として公知のタイミングギヤが、カムギヤおよびクランクギヤの一方または両方からトルク衝撃を受けた場合、比較的スムーズな動作に戻る前に、タイミングギヤが大きなガチャガチャ音を前後して発生させる可能性がある。前部ギヤトレインは、エンジンシステムの最も大きなノイズを発生させる部分である場合がある。

上述の問題は、ヘビーデューティー圧縮点火エンジンが、よりライトデューティーのエンジンおよび／または火花点火エンジンよりも大きい範囲の動作条件にわたって、ギヤのガタガタ音の問題を発生させるので、ヘビーデューティー圧縮点火エンジンで特に深刻になる傾向がある。さらに、圧縮点火エンジンの一定のガスエミッションを減少させる要求には、より高いピークシリンダ圧力と、より高い噴射圧力とによって対処し、エンジンのギヤトレインでは、さらに大きい衝撃荷重が生じる。

機械に対する摩耗および応力を低減しかつエネルギーの無駄を改善する明らかな利点に加えて、いくつかの管轄区域では、作業機械のギヤトレインのノイズレベルにますます注意を払っている。このようにして、ギヤシステムの過剰なノイズの発生に対処するのには、多数の理由がある。上述したように、過剰なギヤノイズに関連する問題は長年認識されてきた。したがって、技術者は、種々の手段によりこのようなノイズの問題に対処しようと努めてきた。そのことの１つは、ギヤトレインおよびそれに関連する構成部材の質量慣性モーメントを大きくして、トルクに関連する外乱に対するギヤトレインおよびそれに関連する構成部材の感受性を低減することであった。このことは、例えば、ギヤ自体の質量を増加させることによって、および／またはカムシャフトおよびクランクシャフトに振子を組み込むことによって実現された。エンジンおよび／またはギヤトレイン構成部材に質量を加えることは、システムの全体の重量、サイズおよびコストを増加させることを含む明らかな欠点を有する。他の方法は、コンプライアンス性をギヤトレインに導入することであった。

一般に、コンプライアンス性を有するギヤにより、ギヤトレインの硬さまたは緩みが低減され、ギヤの１つ以上が、衝撃荷重に応じた減衰を行うことが許容される。さもなければ、特定のギヤがトルク衝撃によって急加速または急減速されてしまった場合、コンプライアンス性により、ギヤがその回転をより段階的に調整して、衝撃荷重に適応することが許容される。このようにして、コンプライアンス性を有するギヤにより、隣接するギヤが、コンプライアンス性のないシステムよりも長い時間にわたって噛合し続けることが許容され、過大な摩耗、機械的歪みおよび音響ノイズが低減される。

１つのコンプライアンス性を有するギヤ構造では、他のギヤ間でまたはそれらの中でトルクを伝達するかまたはタイミングを維持するために、ある回転コンプライアンスを有する近接した２つの同軸のギヤからなる「シザーズギヤ」が使用される。典型的な構造では、シザーズギヤセットの前部ギヤ部材が１速ギヤに噛合し、またシザーズギヤセットの後部ギヤ部材が２速ギヤに噛合する。シザーズギヤの個々の前部ギヤ部材および後部ギヤ部材のギヤ歯は、隣接する対のギヤ歯が一対のシザーズの動作と同様に、したがって上述のように動作すべく互いに可動である。前部ギヤと後部ギヤとの間に回転コンプライアンスを導入するこのような構造はいくつかの利点を有し得るが、システムは非常に高価で複雑になる傾向がある。

回転コンプライアンスを用いた他のギヤ構造が、マトウカ（Ｍａｔｏｕｋａ）らへの（特許文献１）（以下「マトウカ（Ｍａｔｏｕｋａ）」）から知られている。マトウカ（Ｍａｔｏｕｋａ）は、ギヤに対する一定のトルク値を超えた場合にハブとギヤリングとの間の相対運動、すなわち回転コンプライアンスを許容するギヤトレインに使用するためのトルクリミッタを示す。マトウカ（Ｍａｔｏｕｋａ）は、ギヤリングとハブとが互いに相対位置に回転してスリップできるようになる前に、自身のバネ力を克服するであろうバネを利用する。マトウカ（Ｍａｔｏｕｋａ）はいくつかのシステムに適用可能であるが、構造に欠点がないわけではない。

米国特許第５，１７０，６７６号明細書

本開示は上述の課題または欠点の１つ以上に向けられる。

一形態では、本開示は、第１の軸を定めるハブと、その周りに位置決めされたギヤリングとを含むギヤアセンブリを提供する。ギヤリングは、第２の軸を定め、またギヤアセンブリに対するトルクに応じて、第１の軸に対し垂直方向に並進するように構成される。少なくとも１つのアクチュエータは、ハブとギヤリングとの間に連結され、またギヤリングをハブとの同軸整列に向かって付勢するように構成される。

他の形態では、本開示は、ハウジングと、それに取り付けられたギヤトレインとを有するエンジンを含む作業機械を提供する。ギヤトレインは、クランクギヤと、カムギヤと、ハウジングに回転可能に取り付けられかつ軸を定めるハブを有するコンプライアンス性を有するアイドラギヤアセンブリとを含む。さらに、アイドラギヤアセンブリは、クランクギヤとカムギヤとに噛合するように構成されたギヤリングを含み、このギヤリングは、クランクギヤおよびカムギヤの少なくとも一方からの、アイドラギヤに対するトルクに応じて、軸に対して並進可能である。

さらに他の形態では、本開示は、エンジンシステムのギヤトレインのアイドラギヤに対する荷重を制御する方法を提供する。本方法は、少なくとも１つの他のギヤを介して、アイドラギヤである１速ギヤにトルクを加えるステップと、ギヤリングとハブとの間に配置された少なくとも１つのアクチュエータを介して、アイドラギヤのギヤリングおよびハブを同軸関係に向かって付勢するステップとを含む。さらに、本方法は、アイドラギヤに対するトルクに応じて、軸に対し垂直方向に付勢に抗してギヤリングを並進させるステップを含む。

本開示によるエンジンシステムを有する作業機械の概略図である。 本開示によるコンプライアンス性を有するギヤアセンブリの分解図である。 本開示によるコンプライアンス性を有するギヤアセンブリの正面斜視図である。 図３ａのコンプライアンス性を有するアイドラギヤアセンブリの背面斜視図である。 本開示によるコンプライアンス性を有するギヤアセンブリの代替実施形態の斜視図である。 本開示によるコンプライアンス性を有するギヤアセンブリのさらに他の実施形態の斜視図である。 コンプライアンス性を有するアイドラギヤアセンブリの図３ａの線６−６に沿った部分断面図である。 本開示の他の実施形態によるエンジンシステムの概略図である。 本開示のさらに他の実施形態によるアイドラギヤアセンブリの側面断面斜視図である。

図１を参照するに、作業機械８のエンジンシステム１０が示されており、このエンジンシステムは、エンジン１２、例えば直列圧縮点火エンジンと、それに取り付けられたギヤトレイン１１とを含む。ギヤトレイン１１はクランクギヤ１８とカムギヤ１９とアイドラギヤアセンブリ２０とを含み得る。クランクギヤ１８は、典型的に、クランクシャフト（図示せず）に連結され、その次に、ピストンロッドに連結され、これにより、従来の方法で回転可能である。カムギヤ１９とクランクギヤ１８との間の所望のタイミングを維持するために、アイドラギヤアセンブリ２０を介して、カムギヤ１９をクランクギヤ１８に回転可能に連結し得る。アイドラギヤアセンブリ２０は、軸Ｃを定めるハブ２６とギヤリング２２とを含む。単一のアイドラギヤアセンブリを有するエンジンシステム１０が示されているが、他の実施形態では、エンジンの構造に応じて、複数のアイドラギヤを使用してもよい。ギヤリング２２の軸が軸Ｃと同延であるように、ハブ２６とギヤリング２２とが同軸整列に向かって付勢される。ギヤリング２２は、クランクギヤ１８およびカムギヤ１９の少なくとも一方によってギヤリング２２に与えられたトルクに応じて、軸Ｃに対し垂直方向に並進可能である。

ギヤリング２２は、距離Ｄを横切って、ギヤリング２２の回転軸が軸Ｃに対して垂直方向に、軸Ｃ’として示した位置に可動であるような位置に並進されることが可能である。距離Ｄを横切るハブ２６に対するギヤリング２２の並進が、カムギヤ１９とクランクギヤ１８との間の相対的なタイミングに影響を与え得るので、少なくとも部分的に、所望のタイミングからの許容可能な逸脱に基づいて、利用可能な並進距離を選択し得る。言い換えれば、ギヤリング２２は、カムギヤ１９とクランクギヤ１８とを同期させるのに役立つので、ギヤリング２２の並進は、カムギヤ１９とクランクギヤ１８とが僅かに同期しないことを一時的に許容する。カムギヤ１８とクランクギヤ１９との間の許容可能なタイミングの差が比較的大きい場合、並進距離Ｄは比較的長くてもよい。対照的に、タイミングの差が比較的小さいことを動作制約が必要とする場合、並進距離Ｄも比較的短く選択すべきである。上述したように、ハブ２６とギヤリング２２とが同軸整列に向かって付勢され、このようにして、ギヤリング２２の並進を生じさせるトルクが低下した場合、ギヤリング２２とハブ２６とが同軸整列に向かって戻り、相対的なタイミングの任意の差を形成する。ギヤリング２２を並進させることによって、アイドラギヤアセンブリ２０、および本明細書に記載した他のアイドラギヤアセンブリの実施形態に対する荷重は、ノイズ、摩耗等を低減するように制御されることが可能であり、また隣接する噛合ギヤは動作中に噛合状態に維持されることが可能である。図１において、矢印Ａはギヤリング２２の一般的な並進方向を示しており、これに対して、線Ｌ₁とＬ₂は、ギヤリング２２の停止位置または付勢位置および並進位置のそれぞれにおけるギヤリング２２の軸の相対位置を示すために用いられる。

図２、図３ａおよび図３ｂを参照するに、図１のエンジンシステム１０に使用するのに適切なアイドラギヤアセンブリ２０の一実施形態の種々の構成部材の分解図および組立正面斜視図および組立背面斜視図がそれぞれ示されている。本明細書に記載したアイドラギヤアセンブリのいずれかが、説明したエンジンおよびギヤトレイン構成のいずれかに、ならびに具体的には示していない他のシステムに使用され得ることを理解されたい。アイドラギヤアセンブリ２０は、外側歯付きギヤリング２２と内側環状部２４とを有するギヤリングサブアセンブリ２５を含む。ギヤリングサブアセンブリ２５は、第１のハブ部２６ａと第２のハブ部２６ｂとを有するハブサブアセンブリ２７を備えるハブ２６の周りに取り付けられるように適合されている。ギヤアセンブリ２０において、ギヤリングサブアセンブリ２５およびハブサブアセンブリ２７は、共に回転するように固定され、また少なくとも１つのアクチュエータ３１、例えばバネ５２とブロック５０ａ〜５０ｄとを含む複数のアクチュエータにより同軸整列に向かって付勢される。本明細書に記載したように、ギヤリング２２はハブ２６に対して並進するように構成されるが、ギヤリングサブアセンブリ２５の構成部材の一部または全てがハブサブアセンブリ２７の構成部材の一部または全てに対して並進可能であり得ることを理解されたい。したがって、ハブ２６に対して並進するギヤリング２２の本明細書の説明は、他の構成部材が関連し得るときに、ギヤリング２２のみがハブ２６に対してのみ移動されることを意味すると解釈されるべきではない。しきい値要件は、アイドラギヤアセンブリ２０が、それに対するトルクに応じて、ハブ２６によって定められた軸に対し垂直方向に相対移動できるある構成部材を有することである。

さらに、回転可能な取り付けシャフト６０を介してギヤアセンブリ２０をエンジン１２に連結するように適合されたスタブシャフト３０に、ハブサブアセンブリ２７を取り付けることが可能である。その上、スタブシャフト３０とハブサブアセンブリ２７との間にブッシュ２８を位置決めし得る。複数のアクチュエータは、複数のバネ５２にそれぞれ連結されかつ複数のピン５４にそれぞれ取り付けられた複数のブロック５０ａ〜５０ｄを含むことが可能である。ギヤリング２２は、ハブ２６に対して並進された場合にバネ５２の付勢力に抗して移動する。したがって、ギヤリング２２の並進を生じさせるギヤアセンブリ２０に対するトルクが低下した場合、付勢バネ５２は、同軸整列に向かって戻るようにギヤリング２２とハブ２６とを付勢し得る。ギヤアセンブリ２０の図示した実施形態では、バネ５２とブロック５０ａ〜５０ｄとを有するアクチュエータ３１が示されているが、本開示がこのことに限定されないことを理解されたい。ハブ２６とギヤリング２２とを同軸整列に向かって付勢できる少なくとも１つのアクチュエータが設けられることのみを必要とする。本明細書に記載した「アクチュエータ」という用語は、バネ式、油圧式、空圧式、またはバネ式と油圧式と空圧式との組み合わせのアクチュエータを含む多様な装置を含むことを理解されたい。

複数のアクチュエータ３１のそれぞれは、ハブ部２６ａと２６ｂのカットアウト部２９ａと２９ｂのそれぞれの中に位置決め可能であり得る。次に、リングサブアセンブリ２５は、少なくとも１つの接触面４１、例えば、ブロック５０ａ〜５０ｄのそれぞれに１つずつ整列されかつリングサブアセンブリ２５の周りに半径方向に離間した複数のパッド４０ａ〜４０ｄに配置された複数の接触面を含むことが可能である。ギヤアセンブリ２０に対する並進荷重は、典型的に、パッド４０ａ〜４０ｄの軸受を介してブロック５０ａ〜５０ｄに反作用する。アセンブリ全体は典型的に取り付けシャフト６０上で回転するので、所定の並進荷重に反応する特定のブロックおよびパッドは、並進発生トルクを受けた場合に、ギヤアセンブリ２０の相対角度位置に応じて変動する。さらに、カバープレートまたはリングプレート３２を設けることが可能であり、このカバープレートまたはリングプレートは、ピン５４から外れる複数のボルト６２を併用して、ギヤアセンブリ２０の組み立てられた構成部材の全てを所望の構成に共に連結することが可能である。バネ５２のそれぞれが、いくつかの実施形態では、バネ毎に８００ポンドのオーダーの比較的大きい予荷重を必要とする可能性があり、したがって、構成部材の全てを共に連結するには、比較的頑丈な手段が望ましいかもしれないことを理解されたい。さらに、比較的少数の組立ステップで、バネを圧縮してアセンブリ全体をボルト６２で固定することが可能であるので、ギヤアセンブリ２０の回転軸に整列された方向に圧縮および伸長するようにバネ５２を方向付けることにより、組立が容易になる。

図６を参照するに、図３の線６−６に沿った側面断面図が示されている。図６は、ギヤリング２２、ギヤリング内側環状部２４、パッド４０ａ、ブロック５０ａ、バネ５２およびピン５４を示している。ブロック５０ａを通って延びるピン５４を有するブロック５０ａが示されているが、他の実施形態では、ブロック５０ａは、対応するピンなしに構成される。このような実施形態では、ブロック５０ａは、カットアウト部２９ａと２９ｂの１つのみ、または他の構成部材内で可動であり、それらによって案内されることが可能である。ハブ部２６ｂに対するギヤリング２２の並進は、典型的に、ブロック５０ａとパッド４０ａとの間の静止摩擦係数を克服することを含む。パッド４０ａの接触面４１に摺動可能に当接するように、ブロック５０ａのブロック表面５１を位置決めし得る。個々の表面４１と５１の間に潤滑油を配置することが可能である。図示した構成では、表面５１と４１がギヤアセンブリ２０の回転軸に対して対角線上に向けられる。本開示の意図された精神および範囲から逸脱することなく、対角線面の相対方向が、説明とは異なるか、さらには逆になる可能性があることを理解されたい。表面４１と５１の間の静止摩擦係数を克服することに加えて、ハブサブアセンブリ２７に対して、ギヤリング２２とそれに関連するサブアセンブリ２５とを並進させるために、バネ５２の予荷重を克服することが必要であり得る。したがって、比較的硬いギヤトレインを設けることが望ましい場合、バネ５２に比較的強く予荷重をかける方がよく、これに対して、より大きいコンプライアンス性を有する比較的硬くないギヤトレインでは、バネ５２に比較的弱く予荷重をかける方がよい。図６には、ギヤリング２２の並進中におけるブロック５０ａとパッド４０ａとの間の摺動運動の近似方向が矢印Ｅで示されている。当業者は、多様な要因が、パッド４０ａに対してブロック５０ａが並進した場合に克服される予荷重に寄与し得ることを理解するであろう。並進前にギヤに対するトルクに適合されるかまたはそれを超えるように、摺動可能な表面の間の相対摩擦、傾斜勾配、バネ予荷重等の全てを予荷重レベルに変更することが可能である。いくつかの実施形態では、バネ予荷重は、種々の構成部材の寸法および公差のみによって決定される。

図４を参照するに、本開示の他の実施形態によるギヤアセンブリ１２０が示されている。ハブサブアセンブリ１２７と、ギヤリング１２２およびギヤリング内側環状部１２４を有するギヤリングサブアセンブリ１２５とを含むギヤアセンブリ１２０は、ギヤアセンブリ２０と同様である。ギヤアセンブリ２０と同様に、ギヤリングサブアセンブリ１２５は、ギヤアセンブリ１２０に対するトルクに応じて、ハブサブアセンブリ１２５に対して並進するように構成される。ハブサブアセンブリ１２７とギヤリングサブアセンブリ１２５との間に、ブロック１４０とバネ１５２とをそれぞれ含む複数のアクチュエータを配置し得る。ギヤアセンブリ２０と対照的に、ブロック１４０はギヤリングサブアセンブリ１２５の部分に対して摺動せず、むしろ、バネ１５２が、ギヤアセンブリ１２０の回転軸に対してほぼ垂直である矢印Ｂで示した方向に移動する。

次に、図５を参照するに、本開示によるギヤアセンブリ２２０のさらに他の実施形態が示されている。ギヤアセンブリ２２０は、外側ギヤリング２２４が、ギヤアセンブリ２２０に対するトルクに応じて、ハブ２２９に対して並進可能であるという点で、上述の実施形態と同様である。しかし、図５の実施形態は、ブロックの代わりに、ハブサブアセンブリ２２９を中心として半径方向外側に向けられかつギヤリング２２４の接触面２４２に当接するバネ２５２を使用する。

図７を参照するに、エンジン４１１のギヤトレインが直列構成に比較的近接しまた追加の中間ギヤ４２１を含むという点で、エンジンシステム１０とは異なるエンジンシステム４１０が示されている。図１のエンジンシステム１０と同様に、ギヤトレイン４１１は、カムギヤ４１９と、クランクギヤ４１８と、ギヤリング（図７には図示せず）を有するアイドラギヤアセンブリ４２０とを含み、前記ギヤリングは、その回転軸が、矢印Ｂで示した方向にも並進するように、ギヤアセンブリに対するトルクに応じて並進可能である。さらに、図１に示したギヤアセンブリ２０のギヤリングの異なる軸方向位置と同様に、ギヤリングＯとＯ’の回転軸の２つの相対位置が示されている。また、アイドラギヤアセンブリ４２０は、特に、ギヤリングがハブと共に回転するように固定されるのではなく、ギヤリングが、エンジン４１２に固定されるハブを中心に回転可能であるという点で、上述の実施形態とは異なる。

次に、図８を参照するに、アイドラギヤアセンブリ４２０の側面断面斜視図が示されている。アイドラギヤアセンブリ４２０は、取り付けリング４２４の周りのリング軸受４２３に取り付けられたギヤリング４２２を含む。さらに、第１のハブ部４２６ａが設けられ、典型的に、エンジン４１２に固定して取り付けられるように構成される。第２のハブ部４２６ｂは、取り付けリング４２４に固定され、第１のハブ部４２６ａに対して移動するように構成されることが可能である。本明細書に記載したように、第１のハブ部４２６ａおよび第２のハブ部４２６ｂは、噛合するように構成され、そして当接位置と、ギヤリング４２２が第１のハブ部４２６ａと同軸に整列される分離位置との間で可動であり得る。ギヤアセンブリ４２０がトルク衝撃を受けた場合、第２のハブ部４２６ｂ、ギヤリング４２２、リング軸受４２３および取り付けリング４２４の全ては、第１のハブ部４２６ａに対して一体的に移動することが可能である。他の実施形態では、個々のハブ部の機能を逆にし得る。なおさらに、ギヤアセンブリ４２０は、３つ以上の異なる数のハブ部を含むことが可能である。

その上、ギヤアセンブリ４２０には、第１のハブ部４２６ａとの同軸整列に向かってギヤリング４２２を付勢するように構成された少なくとも１つのアクチュエータが設けられる。少なくとも１つのアクチュエータは２つの油圧作動式補償ピストン４５８を備え得る。補償ピストン４５８は、第１のハブ部４２６ａ内で少なくとも部分的に位置決めされることが可能であり、さらに、補償ピストン４５８のそれぞれは、第１のハブ部４２６ａによって画成された第１および第２の流体キャビティ４５９の流体圧力にさらされる圧力面４５７を含むことが可能である。その上、補償ピストン４５８のそれぞれは、第２のハブ部４２６ｂに固定された、例えばその中に押圧されたスリーブ４５６内で可動であり得る。圧力補償ピストン４５８およびスリーブ４５６のそれぞれの間において、バネ４５２を内部にまたは他の構成を介して配置することが可能である。以下の説明から明らかになるように、バネ４５２は、比較的低いバネ率またはバネ定数を有することが可能であり、キャビティ４５９の油圧と協働して、ギヤリング４２２がギヤアセンブリ４２０に対するトルクに応じて並進することを許容するが、ギヤアセンブリ４２０と、エンジン４１２の動作中における最大の問題であると考えられるギヤトレイン４１１のいくつかの衝撃周波数とを動的に分離することが可能である。

作動油をエンジンシステム４１０の液圧システムから、例えばエンジン４１２のブロックから直接ギヤアセンブリ４２０に供給し得る。このために、第１のハブ部４２６ａは、その中で流体供給通路４６１にそれぞれ接続される少なくとも１つ、例えば２つの流体入口４６０を含むことが可能である。次に、通路４６１は、入口チェック弁４９０、例えばリード弁を介して流体加圧室４７８に接続され得る。例えば、ハブ部４２６ａに固定された、例えば押圧された第２の組のスリーブ４８０によって、室４７８を画成することが可能である。少なくとも１つ、例えば２つの流体加圧ピストン４８２は、スリーブ４８０内に可動に配置され、取り付けリング４２４と共に移動するように連結されることが可能である。このようにして、本明細書に記載したように、ギヤリング４２２とそれに関連する構成部材とが並進したときに、取り付けリング４２４とギヤリング４２２との並進により、ピストン４８２が、それらの個々のスリーブ内で前後に移動される。ピストン４８２を移動させることにより、流体が弁４９０を介して室４７８に交互に吸入され、そして流体が、室４７８のそれぞれに接続された流体出口４６３を介して排出される。流体出口４６３は、流体圧力通路４６２を介してキャビティ４５９のそれぞれに接続されることが可能であり、ピストン４８２によって加圧された流体がキャビティ４５９に供給されることを許容する。さらに、リード弁等のチェック弁が出口４６３に関連し得る。その上、キャビティ４５９のそれぞれは、流体ドレン４７０に接続される、第１のハブ部４２６ａの流体出口４６８、例えばアニュラスを含む。本明細書に記載したように、キャビティ４５９内の流体圧力と、ギヤアセンブリ４２０に対する荷重とに基づいて、スリーブ４５６により出口４６８を交互に開閉することが可能である。

図２、図３ａ、図３ｂおよび図６の実施形態に戻ると、通常のギヤトレインの動作中に、ギヤアセンブリ２０が回転して、トルクをクランクギヤ１８からカムギヤ１９に伝達し、燃料噴射、例えば弁の開閉を所望の時間で行うことができるように所望のエンジンタイミングが維持される。連続動作中、クランクギヤ１８およびカムギヤ１９の一方または両方は、ギヤアセンブリ２０に伝達される衝撃トルク荷重を受ける。バネ５２に予荷重をかけることにより、典型的に、ギヤトレイン１１が比較的硬く保持され、ギヤアセンブリ２０が、所定の大きさを超えたトルク荷重を受けた場合に、ギヤリング２２の並進によるコンプライアンス性が単に許容される。クランクギヤ１８およびカムギヤ１９の一方から独立して、またはそれらのギヤの両方から同時に、十分なトルクがギヤアセンブリ２０に加えられた場合、ギヤリング２２はハブ２６との同軸整列から移動し始め得る。特に、図６を参照するに、本明細書に記載したように、パッド４０ａがブロック５０ａに対して摺動することによって、ギヤリング２２の並進が行われる。パッド４０ａおよびブロック５０ａが互いに摺動したときに、バネ５２が圧縮される。ギヤアセンブリ２０に互いに対向して配置されたパッドおよびブロック対が反対の相対方向に摺動することを理解されたい。トルク衝撃が停止した場合に、バネ５２がさらに圧縮される可能性がない状態に達した場合に、またはストッパ（図示せず）等のある機械的制限部により、ギヤリング２２がハブ２６との同軸整列からの並進運動を停止した場合に、ギヤリング２２の並進が停止する。いずれにしても、十分な大きさのトルクがもはやギヤリング２２に加えられない場合、ギヤリング２２は１つ以上のバネ５２の伸長によりハブ２６との同軸整列に向かって戻り始める。決して限定されないが、ハブ２６に対するギヤリング２２の並進距離は比較的短くてもよく、例えば約０．６０ミリメートルである。この比較的短い並進距離は、いくつかの例では、エンジンシステム１０のクランク角の約０．５２度に対応し得る。

特に図２、図３ａ、図３ｂおよび図６に関して記載したギヤアセンブリ２０は、比較的容易な製造、組立およびパッケージングを可能にする比較的コンパクトなアセンブリを提供する。さらに、アセンブリを中心とするバネおよびブロックアクチュエータの対称構造と、パッドおよびブロックの対角線面の間の相互作用とにより、ギヤアセンブリとギヤトレインの他のギヤとの意図された整列面からの倒れなしに、前記ギヤアセンブリに対するトルクに応じて並進可能である構造が提供される。その上、並進方向が主に図１の矢印Ａで示したものであることが考えられる一方で、ギヤリング２２は任意の方向に並進することが可能である。

さらに、本開示の意図された精神および範囲から逸脱することなく、ギヤアセンブリ２０の構成部材の特定の構造および数を著しく変更し得ることを理解されたい。例えば、ハブとギヤリングとが共に回転可能であるのではなく、中心ハブがエンジンハウジングに対して固定され、またギヤリングアセンブリが、ハブとギヤリングとの間で少なくとも１つのアクチュエータにより同軸整列に向かって付勢される中心ハブを中心に回転する実施形態が考えられる。その上、２部品からなるハブの代わりに、一体のハブを使用することが可能であり、またアイドラスラストプレート等の種々の追加の構成部材を付加することが可能である。同様に、ギヤリング内側環状部にボルト締めされるか、さもなければ固着され、その次に、外側歯付きギヤリングに取り付けられる別個のパッドの代わりに、一体の構成部材を使用することが可能である。さらに別の構造（図示せず）では、ギヤアセンブリの回転軸に整列されるブロックおよびバネの代わりに、ギヤアセンブリの回転軸から僅かに外側に向けられ、かつそれに対して対角線上に向けられるギヤリングまたはギヤリングサブアセンブリの１つまたは複数の表面に当接するバネのみを使用することが可能である。このような構造は、ギヤアセンブリ２０の構造と同様に動作し得るが、比較的少ない構成部材を使用する。

図４と図５に示した実施形態は、いくつかの例外を除いて、ギヤアセンブリ２０の実施形態と同様に機能する。例えば、図４のギヤアセンブリ１２０と図５のギヤアセンブリ２２０とにおいて、バネ１５２と２５２は、個々のギヤリングがトルクの影響を受けて並進したときに構成部材間の摺動相互作用なしに圧縮し、その次に、構成部材を同軸整列に向かって戻すように伸長する。

図８の実施形態の動作は、いくつかの方法で上述の実施形態の動作とは異なるが、いくつかの動作原理を共有する。動作中、ギヤリング４２２は軸受４２３のハブ部４２６ａと４２６ｂを中心に回転する。ギヤリング４２２は、第１のハブ部４２６ａとの同軸整列に向かって付勢されるが、十分な大きさのトルクがギヤリング４２２に加えられた場合に第１のハブ部４２６ａとの同軸整列から並進する。油圧力によるバネ４５２の予荷重は、ギヤアセンブリ４２０に対する比較的強い荷重に対応する並進運動用の比較的高いしきい値を提供し得る。ギヤリング４２２が並進した場合、それは軸受４２３と取り付けリング４２４と第２のハブ部４２６ｂとを付勢してそれらと共に移動する。図８に示したように、バネ４５２の付勢に抗して第２のハブ部４２６ｂが移動することにより、最も左側の流体加圧ピストン４８２が、室４７８内の流体を加圧してそれをキャビティ４５９に供給し、室４７８内の流体圧力、したがって、バネ４５２に予荷重をかけるために圧力面４５７を介して加えられる油圧力を増加させるかまたは維持する。それと同時に、図８の最も右側の流体加圧ピストン４８２により、流体が弁４９０を介してキャビティ４７８に吸入されることが可能である。ギヤリング４２２が、バネ４５２の付勢力によって、第１のハブ部４２６ａとの同軸に整列された位置に向かって戻る場合、流体加圧ピストン４８２の動作が逆になり得る。このようにして、ギヤリング４２２の並進により、キャビティ４５９内の流体圧力を維持でき、その次に、適切な付勢力が与えられて、ギヤリング４２２がその所望の位置に向かって付勢される。キャビティ４５９内の流体圧力が増加したときに、ハブ部４２６ａと４２６ｂは、完全に分離される位置に向かって付勢される傾向がある。したがって、キャビティ４５９内の流体圧力を増加させることにより、アニュラス４６８がさらされる位置にスリーブ４５６が移動され、流体がドレン４７０に流れることができる。このようにして、キャビティ４５９内の流体圧力からのバネ４５２に対する予荷重は、所望の範囲に維持され、低下した場合には回復されることが可能である。

ギヤアセンブリ４２０は、一方の側のある荷重によって比較的急速に並進するように構成されることが可能であるが、荷重で生じるギヤアセンブリ４２０の回転および並進によって、反対側で噛合するギヤにそれほど急速にはまたはそれほど衝撃的には荷重を伝達しない。このようにして、ギヤアセンブリ４２０により、ギヤトレインを介した互いの力の相互作用が従来の構造よりも著しく低減された状態で、クランクギヤ４１９および／またはカムギヤ４１８がそれらの個々の動的振動を受けることが許容される。ギヤ４１８または４１９の一方からの比較的強いトルク衝撃は、ギヤ４１８と４１９の他方に伝達されたときに減衰され、ギヤ４１８および／または４１９の慣性が、大きなバックラッシュも、望ましくない他の応答もなく荷重に適応することが許容される。このことにより、クランクシャフトおよびカムシャフトが一般に互いに独立して動的振動を受けることが許容される。

ギヤアセンブリ４２０は、すなわち、互いに並進する一方のハブ部の固有周波数を有することが可能であり、この固有周波数は、ギヤ４１８と４１９によって与えられた周波数を効果的に追跡する。また、バネ４５２の比較的低いバネ率によって、バネ４５２は、それからの支持力の一時的な変化でギヤアセンブリ４２０の構成部材を実質的に移動させることなく、比較的急速な運動に適応できる。言い換えれば、上記バネのバネ率の場合、ギヤアセンブリ４２０の他の構成部材が大きく移動することを必要とすることなく、バネ４５２が、強い衝撃荷重に適応できる。このことにより、ハブ部４２６ａと４２６ｂの間の比較的小さい大きさの並進が、比較的大きい荷重に適応することが許容される。

したがって、ギヤアセンブリ４２０の役割は、他のギヤの運動および衝撃に適応できるが、ギヤトレイン４１１を介した問題となる衝撃を伝達しない比較的軽量で高感度のアイドラギヤとしてのものであり得る。結果として、ギヤアセンブリ４２０を横切って伝達される定常状態または「通常の」荷重は、十分なエネルギーをクランクギヤ４１８からカムギヤ４１９に伝達してカムギヤ４１９の速度を所望の速度に保持するのに必要とされる荷重であり得る。

さらに、ピストン４５８を介して予荷重をバネ４５２に加えることにより、所望に応じてギヤアセンブリ４２０を付勢するのに十分なバネ力が提供され、また並進が望まれない荷重下におけるハブ部４２６ａ、４２６ｂの間の並進が制限される。バネ４５２の予荷重により、例えば約１５０ニュートンメートルのギヤアセンブリ４２０のためのトルク予荷重が生じ得るが、他のエンジンおよびギヤトレインシステムにおいて、この値は異なってもよい。バネ４５２用の比較的低いバネ率と、バネ４５２の予荷重によって与えられる十分な反応力との組み合わせにより、関連するカムおよびクランクシャフトからの高い衝撃トルクがピークから減少することによって、より一定のトルクがギヤトレイン４１１を通過することが許容される。さらに、キャビティ４５９からのピストン４５８に対する力によって十分なバネ力を与えるのに必要な油圧は、ピストン４８２のポンプ作用によって供給される。このようにして、ギヤアセンブリ４２０は、ピストン４８２に伝達されたギヤリング２２の並進運動を自己補償して利用し、衝撃荷重に応じてギヤリング４２２をその並進に従うその所望の同軸位置に向かって戻すことができる付勢力を与える。

したがって、ギヤアセンブリ４２０は、典型的に、動的荷重周波数に応じて比較的自由に並進するように構成され、必要な場合にはギヤトレイン４１１にコンプライアンス性を与えるが、油圧により、平均荷重に関連する周波数の運動を解消することが許容され、それらの荷重がギヤアセンブリ４２０を介して伝達されることが許容される。言い換えれば、所望のトルクはギヤアセンブリ４２０を介して容易に伝達されることが可能であり、これに対して、望ましくないトルクはそれほど容易には伝達されない。さらに、ギヤアセンブリ４２０の構造は、既存のパッケージング制約内で実現されるべきであると考えられ、またバネ４５２に予荷重をかけるために油圧力を用いることにより、アセンブリ内の極めて著しく圧縮されたバネの位置決めの必要性が排除される。しかし、他の実施形態では、油圧補償手段が省略され、ある他の種類の予荷重がバネ４５２のために用いられることが可能である。

このようにして、本開示は、並進運動を用いて衝撃荷重を減衰させるように構成されたギヤアセンブリ用の種々の構造を提供する。このことは、同様の目的に向けられる回転コンプライアンスを用いる従来の方式とは対照的である。さらに、本開示は、励起源、すなわち、エンジンのギヤトレインに関連するカムギヤおよびクランクギヤに近い動的挙動に対処することを求める以前の構造とは別個である。多くの従来のギヤトレインは、最初、非常に硬い傾向があり、したがって、ギヤ間の噛合力の方向への比較的適度な大きさのギヤ並進により、ギヤ間のおよびそれらの中のエネルギーの伝達を減衰させることによって、ギヤ歯のピーク力レベルを著しく低減できる。本開示に従って構成および動作されるシステムでは、ギヤのガタガタ音、ノイズ、およびそれに関連するギヤトレインの摩耗と引き裂きが低減される。ギヤトレインのピークトルクおよび全ての動的動作も実質的に低減することが可能であり、またギヤ歯を互いに噛合した状態により良く維持できる。いくつかの実施形態では、既存のギヤトレインを、本開示のコンプライアンス性を有するギヤアセンブリに改良し得る。その代わりに、ギヤトレインまたはエンジンを最初から本開示に従って構成および製造してもよい。

本発明の説明は、例示目的に過ぎず、本開示の範囲を限定すると決して解釈すべきではない。したがって、当業者は、本開示の意図された精神および範囲から逸脱することなく、本発明で開示される実施形態に種々の修正をなし得ることを理解するであろう。例えば、本発明の説明の大部分は、エンジンのギヤトレインに関連して記載されているコンプライアンス性を有するギヤアセンブリの使用を中心としてきたが、本開示はこのことに限定されない。噛合ギヤ間のあるコンプライアンス性が望ましい任意のギヤシステムは、本開示の教示の恩恵を受け得る。なおさらに、クランクギヤとカムギヤとの間のタイミングの維持は、内燃機関に関連して比較的重要な傾向があり、したがって、コンプライアンス性を有するギヤアセンブリは、特に、ほぼ直列のギヤトレインを有するエンジンに適用できると考えられるが、本発明の説明は、本明細書の教示の適用を直列ギヤシステムに限定すると考えるべきではない。ギヤとギヤとのタイミングは比較的重要ではないが、あるレベルのコンプライアンス性が依然として望ましい他の技術分野では、本開示が適用可能であり得る。他の形態、特徴および利点は、添付図面および特許請求の範囲を考慮すれば明らかになるであろう。

Claims (1)

1. ギヤアセンブリ（２０、１２０、２２０）であって、
   第１の軸を定めるハブ（２６、１２９、２２９）と、
   前記ハブ（２６、１２９、２２９）の周りに位置決めされかつ第２の軸を定めるギヤリング（２２、１２２、２２２）であって、前記ギヤリング（２２、１２２、２２２）が、前記ギヤアセンブリ（２０、１２０、２２０）に対するトルクに応じて、前記第１の軸に対し垂直方向に並進するように構成されるギヤリング（２２、１２２、２２２）と、
   前記ハブ（２６、１２９、２２９）と前記ギヤリング（２２、１２２、２２２）との間に連結され、かつ前記ギヤリング（２２、１２２、２２２、４２２）を前記ハブ（２６、１２９、２２９）との同軸整列に向かって付勢するように構成された複数のアクチュエータ（３１、５２、１５２、２５２）と、
   を備え、
   前記複数のアクチュエータ（３１、５２、１５２、２５２）が付勢バネ（５２、１５２、２５２）を備え、
   前記ギヤリング（２２、１２２、２２２）が、前記ハブ（２６、１２９、２２９）と共に回転するように固定され、かつ
   前記ハブ（２６）と、前記ハブ（２６）の周りに離間した前記複数のアクチュエータ（３１、５２）と、を備えるハブアセンブリであって、前記複数のアクチュエータのそれぞれのアクチュエータ（３１、５２）の少なくとも一つのアクチュエータ（３１、５２）が、前記ハブ（２６）に対して可動であるブロック（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ）に連結された付勢バネ（５２）を備えるハブサブアセンブリ（２７）と、
   前記ギヤリング（２２）を含むリングサブアセンブリ（２５）であって、前記リングサブアセンブリ（２５）が、前記アクチュエータ（３１、５２）のそれぞれのブロック（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ）に当接する少なくとも１つの接触面（４１）を含むリングサブアセンブリ（２５）と、
   を備え、
   前記リングサブアセンブリ（２５）が、前記ギヤリング（２２）の周りに離間しかつ前記少なくとも１つの接触面（４１）を含む複数のパッド（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ）を備え、前記パッド（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ）が前記ブロック（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ）のそれぞれと１つずつ整列されることを特徴とするギヤアセンブリ（２０、１２０、２２０）。

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