JP5148995B2 - 歯車駆動を備えた自動車のエンジン補機駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求項１の上位概念の特徴による歯車駆動を備えた自動車のエンジン補機駆動装置に関する。

エンジン補機駆動装置とは、車輪の駆動を直接もたらしたり、かつ前進を直接もたらしたりせずに、エンジンの、自動車内の補機を駆動させる自動車内部のあらゆる駆動装置のことである。このようなエンジン補機駆動装置には殊に、燃焼機関のカムシャフト、オイルポンプまたはカウンタシャフトの駆動装置が属する。このようなカウンタシャフトを用いる場合、殊に四気筒燃焼エンジンの場合に非常に不快な振動を顕著に減じることができる。

公知のカウンタシャフトを用いると慣性力と慣性モーメントが生じ、これらによって燃焼機関が発生させる振動に反対に作用しかつこれを消滅させる。このためにこのカウンタシャフトは、一定の歯車比（消滅すべき力がいずれのオーダーであるかに応じて１：１または１：２）およびクランクシャフトからの一定の位相位置で駆動される。

その駆動軸の駆動には、２つのかみ合う歯車の１対の歯をもつ歯車駆動が通常使用され、この歯車駆動の場合には第１の歯車がクランクシャフトに固定されており、かつ、カウンタシャフトに固定されている第２の歯車とかみ合う。

このようなエンジン補機駆動装置の場合には、殊にカウンタシャフトのための駆動の場合には、関与する歯車対の並外れた負荷と応力が通常もたらされることは明らかである。この応力は歯面に作用する衝突であり、この衝突は系の回転固有周波数および励起周波数（ピストンエンジンのクランクシャフトの回転数が断続する）に相応して断続する単位面積当たり接触圧を歯面に高いピーク値とともに惹起する。これは歯面の破壊または歯元面のひびをもたらしうる。したがって該歯車はこの適用のために通常、金属から製造される。というのも金属製歯車を用いて十分に高い強度が達成され、したがって金属製歯車が強い負荷に耐えられるからである。

このような金属製歯車の場合にはインボリュート歯車が通常であり、なぜならそれが容易に製造することができるからである。インボリュート歯車の場合には歯面の有効プロフィール−つまり、歯のかみ合い時に互いに接触しかつ動力伝達を媒介する歯面のプロフィール−は円のインボリュートである、すなわち該有効プロフィールは、円の全ての点に接線を作図し、この接線上に接線の円との接点から円の一定の固定点までの円弧の長さをとると得られる曲線を描く。外歯車の場合にはインボリュート歯の有効プロフィールは、歯の内側から外に向かって見て常に凸面である。インボリュート形にデザインされた歯車の場合には、歯車が相互に転がり接触する際に断面で見て互いにもっぱら点状に接触するという事実が典型的である。三次元的な空間で見て歯車は線状で相互に転がり接触し、その際、平歯が選択されているかぎり、その接線は歯車軸に対して決して平行ではない。斜歯の場合には該接線は歯面上にやや斜めに存在する。

インボリュート歯をもつ歯車は倣い切削法により簡単かつ正確に製造することができ、この倣い切削法の場合には直線状の、かつ簡単で低コストの基準プロフィールが工具として使用される。この歯のジオメトリのさらなる利点は、種々の歯形および軸間距離を同じ工具を用いてもっぱら転位量によって製造することができる点に見ることができる。運転時にはインボリュート歯をもつ歯車は、歯の垂直力の方向および大きさが歯のかみ合い中に一定であり、そのことから結果として駆動装置全体、殊に駆動装置マウント、の均一な負荷が得られることによって特徴づけられる。

ただし、かみ合うインボリュート歯をもつ金属製歯車は、かみ合う際の比較的激しい騒音発生によって特徴づけられる。この騒音発生は、かみ合いが著しく変動する負荷条件下に行なわれる場合にはさらに増大される。

さらに、この種の系に、斜歯をもち、特に正確に求められかつ狭い間隔で許容される歯面の遊びをもつ金属の歯車対を使用することは公知かつ通例である。このことによって主としてかみ合いの騒音が減じられるが、しかし動応力はあまり減らされない。しかし、斜歯歯車は製造費が比較的高く、かつ特に遊びが小さな、軸方向力を受けるのに適した軸受を必要とする。その一方でこの軸方向力は断続的であり、聞き取れるほどの振動を引き起こすことができる。

例えば特開２００２−３６４７３１号明細書に記載されている、これについて改善された実施の形態の場合には、２つの歯車のうちの少なくとも１つが捻り弾性をもって、かつ場合によっては回転振動を減衰させながらそのシャフトに結合される。この捻り弾性結合は場所をとりかつ費用がかかる、というのも、この結合が半径方向および軸方向に十分に良好な強度の要求を満たされなければならないからである。つまり、歯面の遊びの正確な維持および軸方向力の受けが斜歯によって保証されなければならない。これによりたしかに一定の回転の断絶がもたされるが、しかしその効果は小さな定常のトルクのために低いばかりである。金属の歯面間の合わせの硬さはわずかにしか変動しない。

さらなる発展段階は、ドイツ特許出願公開第１９９０９１９１号明細書から公知である。この場合には２つの歯車のうちの１つが繊維強化プラスチックで構成されている。この場合には金属製歯車の強度から出発しているのであるから、繊維は、歯の形成の際に切断されないように置く必要あると思われる。このことから特開昭６２−１０１９６７号明細書に記載された解決に導かれるが、しかしこの解決は射出成形金型中に強化繊維を著しく手間をかけて入れることが必要である。この材料を用いて十分に騒音減衰が、そして限定された程度で振動減衰も、しかし少なくとも他の周波数範囲への移動が達成されている。しかし、主要な欠点−断続する高い単位面積当たりの接触圧−はこのことによって除去されていない。

金属製歯車の強度を十分に達成するために繊維強化プラスチック歯車が全体的に試みられた。この際問題であったのは、このような繊維強化プラスチック歯車のための複雑な製造工程のほかに、これに伴う高い価格であり、この価格によってこのような歯車対は経済的に使用可能でなくなる。

さらに、ドイツ特許出願公開第４１０７６５９号明細書からウォーム歯車装置が公知であり、そのウォーム歯車装置の場合にはウォームおよびウォーム歯車がそれらの力学的結合による接触面にて、騒音の少ない運転に調整されるように最適化されている。このために歯元がそれぞれ凹面に、かつ歯末が凸面に形成されており、この場合、これら凹面部と凸面部の間にそれぞれインボリュート状の歯中央部（該文献、第３欄、第７行参照）が設けられている。しかしながら、インボリュート状の歯中央部の使用によって、少なくともこのインボリュート状の領域ではかみ合う歯の点状の接触のみが可能であるといことがもたらされる。したがってこの公知のウォーム歯車装置もまた、その全体的なかみ合い領域にわたって十分に、高い負荷に耐えることができない。

特開２００２−３６４７３１号明細書 ドイツ特許出願公開第１９９０９１９１号明細書 特開昭６２−１０１９６７号明細書 ドイツ特許出願公開第４１０７６５９号明細書

このことを背景に本発明の課題は、冒頭に記載の種類のエンジン補機駆動装置について、簡単で低コストに製造することができ、かつそれにもかかわらず長い寿命を示す、高められた負荷能力、殊に高められた動的な負荷能力、を有する歯車駆動を提供することである。

この課題は請求項１の特徴を有する駆動装置によって解決される。

更なる発展は、従属請求項の対象である。

本発明は本質的に、歯車の歯面が動力伝達部内でインボリュート曲線なしかもしくは少なくとも十分にインボリュート曲線なしに形成されておりかつ凹面部から直接に凸面部に移行していることに基づく。その際、第１の歯車は好ましくは均質なプラスチックから成り、かつ第２の歯車は好ましくは第１の歯車より大きな強度を有する材料から成る。

この解決のアプローチは、これまで追求されてきた、金属製歯車を出発点とする、高負荷される歯車対の発展の方針を意図的に放棄するものである。むしろ、最適なプラスチックそのものの特性から出発している、つまり、繊維で強化されていないか、あるいは他の強化要素を含むプラスチックの簡単な製造に関する特性である。これら特性は、一方では金属に比して小さな静的強さであり、他方では、断続する単位面積当たり接触圧に好適である靭性および内部減衰である。

プラスチック製歯車が自体公知であるだけに、繊維強化されていないプラスチックを高動的に荷重のかかる歯車に使用することは、これまでの発展の方針を断固として考慮に入れないことならびに、歯車における均質なプラスチックがあらゆる種類の動応力に適当ではないという先入観からの決別を意味する。この際、純粋な衝撃の減衰しながらの受けることに対する適性は顧慮されなかったし、伝達すべきトルクがわずかでしかないことは忘れられていた。ヘルツ応力の作用の場合に接触面の拡大を生じさせるには、わずかな弾性で十分である。接触面の拡大によって力は寄り広い面積で分散し−単位面積当たり接触圧は下がる。

凸面部と凹面部とを有する動力伝達部内の歯面にインボリュート曲線がないかもしくは少なくとも十分にインボリュート曲線がない形状によってさらに、単位面積当たり接触圧が縮小され、それというのも、より大きな領域内で凹面と凸面間の距離が小さいために、既にわずかなヘルツ応力で、接触面のさらなる著しい拡大が達成されるからである。

歯面の本発明による形成によって、歯の高さ全体にわたる歯面の延びの曲率は、内向きの湾曲部の動力伝達部内に対応する外向きの湾曲部がもう一方の歯に配置されているように、かつその逆であるように選択されている。本発明の場合に提案されているような面状の接触には、インボリュート形に形成された歯面の従来技術の場合に通常であるような線状の接触に比べ、歯車からそのもう一方の歯車へと伝達すべき負荷がより大きな面で分散され、そのことにより単位面積当たりの歯の負荷が下がるという決定的な利点がある。このことによって一方では歯車の摩耗が、他方ではしかしまた過負荷の危険も削減される。したがって全体として歯車の負荷能力が高められる。決してインボリュート形ではない領域または１つのみの最小限必要なインボリュート形の領域を歯車のかみ合いのために許可しかつ想定するという本発明による措置によって、本発明による駆動装置の高い負荷能力および荷重能力が転がり接触する領域全体にわたって達成される。材料の選択によってこのことがさらに支えられる。

実施例によれば、より大きな直径とより多い歯数を有する歯車、つまり例えば燃焼エンジンのクランクシャフトに連結された歯車は、第２の、より小さな歯車の材料より高い強度を有する材料から成る。例えば、最初に述べた歯車は鋼から成り、かつより小さな歯車は、本発明によれば均質なプラスチックから成る。均質なプラスチック歯車には、製造技術上の利点がある。つまりプラスチック歯車は、低コストの射出成形法を用いて、引き続いての機械加工が必要であることなく製造することができる。

歯１本当たりの面荷重の本発明による削減によって、さらに歯車の歯厚を最適化することができる。特に良好な最適化は、材料の組み合わせの物質特性が採り入れられる場合に得られる。例えば、別の実施例によるプラスチック歯車の歯厚は、金属製歯車の歯厚より厚い。歯厚の削減によってもコスト上の利点が付随する、というのも、そのことによって材料を節約することができる。

本発明が直歯ならびに斜歯の正面歯車が備えられた歯車駆動にも、直歯もしくは斜歯のウォーム歯車が備えられたウォーム駆動にも使用可能であることを補足しておく。

次に本発明を図に関連した実施例につき詳説する。

図１には往復機関５０がそのクランクシャフト５０とそれらの主軸受５３だけで象徴的に表現されている。該主軸受５３は、開削工法（Ｔｕｎｎｅｌｂａｕｗｅｉｓｅ）で、ならびに自由なエンドブラケットで設計されていてもよいエンジンブロック全体の代わりである。前記クランクシャフト５２の下でエンジンブロックに取り付けられた重量バランス装置は全体として５４の符号が付されている。該重量バランス装置はディファレンシャルケース５５とその中で逆方向に回転する、バランスウェイト５８を有する２つのカウンタシャフト５６，５７とで構成される。破線で歯直角平面５９が主軸受５３によって示されている。重量バランス装置５４の軸受もこの歯直角平面上にある。カウンタシャフト５６，５７は、クランクシャフト５２に回転しないように接続した歯車２によって駆動歯車１を介して駆動され、同期歯車６１，６２によって該カウンタシャフト５６，５７の反対方向で同じ回転数が得られる。

図２ａおよび２ｂには、周縁に複数の歯５を形成した歯車２と駆動歯車１の、図１に示した歯の対のかみ合わせのジオメトリがこれら歯車の縦断面で示されている。図２ａは上から下向きに、クランクシャフトに固定された金属製歯車２の歯５と、下から上向きに、カウンタシャフト５６に固定されかつプラスチックでできた周縁に複数の歯４を形成した歯車１の歯４を示す。これら歯４，５はかみ合っている。これら歯４，５はそれぞれ高さｈ_４とｈ_５を有する。高さｈ_４は、歯４の歯底面６から同歯の歯先面７までである。高さｈ_５は、歯５の歯底面８から同歯の歯先面９までである。歯４，５の幅はそれぞれ高さｈ_４とｈ_５の全体にわたって変化しており、かつ歯４，５の歯面１１，１２の形状に依存する。一方３で、歯４，５が互いにかみ合う際にこれら歯が接触する領域がそれぞれマーキングされている。他の歯５，４と接触しうる歯４，５の歯面各部全体を動力伝達部と呼ばれ、符号１３が付されている。

図２ｂは、金属製歯車の歯５の歯先面近くの領域がプラスチック製歯車の歯４の歯底面近くの領域と接触している領域の図２ａからの拡大された詳細図である。この接触領域３は歯４，５の高さｈ_Ａにわたり延在する。該接触領域３では歯４の歯面１１は凹面である。歯面１１とかみ合っている歯５の領域は凸面になっている。これら２つの領域は少なくとも部分的に類似の、もしくは同一の曲率を有し、その結果、これら領域は断面で見て線状の、かつ実際に見ると面状の領域で接触する。歯５と歯４の歯面１１，１２の有効プロフィールは、それらの高さｈ_４，ｈ_５の全体にわたって互いに一致しており、その結果、該高さｈ_４，ｈ_５の全体にわたって直前に記載した面状の、かつ図２ａおよび図２ｂの断面図で見て、線状の接触３に至る。図示した実施例の場合には金属製歯車１およびプラスチック歯車２の歯４，５の歯面１１，１２は、該歯面の歯底面近くからピッチ円に達する領域では凹面プロフィールを、そして該歯面の該ピッチ面から始まって歯先面近くに達する領域では凸面プロフィールをそれぞれ有する。これらプロフィールはその曲率に関して、少なくとも部分的に類もしくは同一の曲率を有する各領域がかみ合い時に互いに接触する程度に互いに一致している。
線状の、あるいは面状の接触３には、歯車からそのもう一方の歯車へと伝達すべき負荷が面に分散し、そのことにより単位面積当たりの負荷が低くなるという利点がある。このことによって歯車１，２の摩耗ならびに過負荷の危険を著しく削減することができる。したがって歯車１，２の負荷能力は、点状の接触のみが歯車間に生じるインボリュート歯もしくは部分的にインボリュート状の歯をもつ歯車に比して顕著に高められる。

図２ａで示されているように、常に２対の歯が、有利には３対の歯も、その転がりプロセス中に互いに接触し、その結果、転がり接触する際の負荷がただ１つの歯にかかるのではなく、３つの歯に、もしくは適当な寸法の場合には２つ以上の歯にも、均一に分散することができる。したがってプラスチック歯車の負荷能力全体が高められる。

上記実施例で、第１の歯車がプラスチックから成りかつ第２の歯車が金属から成ることが述べられたが、本発明はこれに限定されない。むしろ、第２の歯車を同じくプラスチックから製造することは本発明の範囲内でもある、がしかし好ましくは第２の歯車のためのプラスチックは第１の歯車のプラスチックより高い強度を有すべきである。このようなより高い強度は、例えば別のプラスチックを選択することによって達成することもできるし、補強添加剤、例えば炭素繊維または金属粒子、の混入によって達成することもできる。

さらに、示した例で開示された、歯形の凹面の歯面部分から凸面の歯面部分への移行部間のインボリュート曲線を全く有さないことは理想ではあるけれども、必ず選択されなければならないわけではないことを補足しておく。該移行部が少なくとも実質的にインボリュート曲線を有さないことは、本発明の範囲内でもある。その際、このインボリュート曲線を有する部分はできるだけ小さく選択すべきであり、例えば、最上の歯先点と最下の歯底点との間の歯面部分全体の１０％未満、好ましくは５％未満、殊に好ましくは１％未満である。

最後に、本発明の有利な形態の場合には互いにかみ合う歯車の歯面形が次の形を有することが好ましいことをなお補足しておく。前記歯先面から出発して歯先面の丸みが続いており、この丸みを介して歯先面が耐負荷の歯面につながっている。外転サイクロイド形に形成された歯面部分が続き、この歯面部分は歯車のほぼピッチ面にまで達し、さらに内転サイクロイド形に形成された歯面部分が続く。最後の歯面部分は歯底面の丸みに達し、この丸みに歯底面が続く。この形状の場合には、つまり歯車の歯の内側から見て凸面の歯面部分が外転サイクロイド形の歯面によって、かつ凹面部分が内転サイクロイド形の歯面によって形成される。

クランクシャフトに連結された、本発明による歯の対により駆動される重量バランス駆動の例の概略図を示す。 図１に示した歯車対のかみ合わせのデザインを示し、 図２ａの部分拡大図を示す。

符号の説明

１ ・・・駆動歯車
２ ・・・歯車
３ ・・・接触領域
４ ・・・歯
５ ・・・歯
６ ・・・歯底面
７ ・・・歯先面
８ ・・・歯底面
９ ・・・歯先面
１１ ・・・歯面
１２ ・・・歯面
１３ ・・・動力伝達部
ｈ_４ ・・・高さ
ｈ_５ ・・・高さ
５０ ・・・クランクシャフト
５２ ・・・クランクシャフト
５３ ・・・主軸受
５４ ・・・重量バランス装置
５５ ・・・ディファレンシャルケース
５６ ・・・カウンタシャフト
５７ ・・・カウンタシャフト
５８ ・・・バランスウェイト
５９ ・・・歯直角平面
６１ ・・・同期歯車
６２ ・・・同期歯車

Claims (13)

1. 共にディファレンシャルケース(55)に支持され、互いにかみ合う歯面（１２，１１）をもつ第１の歯車（２）と第２の歯車（１）を有する歯車駆動を備えた自動車のエンジン補機駆動装置において、
   該歯車（１，２）の歯面（１１，１２）が動力伝達部（１３）内でインボリュートなしに形成されており、凹面部から直接に凸面部に移行しており、
   前記第２の歯車(１)のシャフト(56)は、バランスウェイト(58)を有しており、
   歯面（１１，１２）が接触する接触領域（３）が、歯４，５のそれぞれ高さ（ｈ４）とｈ５）の全体にわたって、縦断面で線状となり、
   かつ、該第２の歯車（１）がプラスチックから形成され、常に２対または３対の歯がその転がりプロセス中に互いに接触し、
   歯面（１１，１２）が歯面全体に渡って互いに連続して噛み合うことを特徴とする、エンジン補機駆動装置。
2. 第１の歯車（２）が第２の歯車（１）より大きな強度を有する材料から形成されていることを特徴とする、請求項１記載のエンジン補機駆動装置。
3. 歯車（１，２）の向かい合う歯面（１１，１２）が少なくとも部分的に該歯面（１１，１２）の概ね同じ曲率を有することを特徴とする、請求項１または２記載のエンジン補機駆動装置。
4. 凹面部が各歯（４，５）の歯底面（６，８）に隣接する領域に配置されており、かつ凸面部が歯先面（７，９）に隣接する領域に配置されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載のエンジン補機駆動装置。
5. 第１の歯車（２）が金属から成ることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のエンジン補機駆動装置。
6. 金属製の前記歯車（２）の歯（５）の歯厚がプラスチック歯車（１）の歯（４）の厚さより薄いことを特徴とする、請求項５記載のエンジン補機駆動装置。
7. プラスチック製の前記歯車（１）が各歯の隙間幅より大きな歯幅ないしは歯厚を該歯車（１）のピッチ円にて有することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載のエンジン補機駆動装置。
8. ピッチ円において、金属製の前記歯車（２）が各歯の隙間幅より小さな歯幅ないしは歯厚を有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載のエンジン補機駆動装置。
9. 前記歯車（１，２）の転がり接触する際に該歯車（１，２）の常に２つ以上の歯（４，５）が互いにかみ合っていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載のエンジン補機駆動装置。
10. プラスチック歯車（１）が、射出後にさらに加工されない射出成形部品であることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載のエンジン補機駆動装置。
11. 第１の歯車（２）および第２の歯車（１）の歯車が斜歯の歯車として形成されていることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のエンジン補機駆動装置。
12. 第１の歯車（２）および第２の歯車（１）の歯車が直歯の歯車として形成されていることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のエンジン補機駆動装置。
13. 第１の歯車（１）のためのプラスチックが均質なプラスチックであることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項に記載のエンジン補機駆動装置。

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