JP5845643B2 - 歯車装置 - Google Patents

Description

この発明は、歯車装置に関し、さらに詳しくは、バックラッシュに起因する打音を抑制できる歯車装置に関する。

一般的な歯車装置は、歯車の形状誤差や軸の変形を考慮して、相互に噛み合う歯車間にバックラッシュを有する。このバックラッシュにより、歯車の円滑な回転が確保されて、トルクの伝達効率が向上する。

かかる歯車装置では、歯車間のバックラッシュに起因して、ベアリングとケースとの打音（衝突音）が発生するという課題がある。このような課題に関する従来の歯車装置として、特許文献１に記載される技術が知られている。従来の歯車装置は、はすば歯車のバックラッシュを詰めるように付勢された弾性体を、ベアリングとケースとの間に備えている。

実開平７−４４９６８号公報

しかしながら、従来の歯車装置では、はすば歯車によるスラスト力により、ベアリングとケースとの打音が発生するという課題がある。

この発明は、バックラッシュに起因する打音を抑制できる歯車装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる歯車装置は、軸と、前記軸を支持するベアリングと、前記ベアリングを支持するケースとを備え、且つ、前記軸がはすば歯車である歯車を有して回転する歯車装置であって、前記ベアリングと前記ケースとの間に介在して配置される弾性部材を備え、且つ、前記ケースが、前記ベアリングの径方向から前記弾性部材に当接する径方向当接部と、前記ベアリングの軸方向から前記弾性部材に当接する軸方向当接部とを有し、前記弾性部材の一部と前記径方向当接部との間に隙間が形成され、前記ベアリングが前記ケースの嵌合部に挿入されて支持され、前記嵌合部が大径部と小径部とを段差部を介して接続して成る内周面を有し、前記大径部が前記径方向当接部であり、前記小径部が前記ベアリングの支持面であり、且つ、前記大径部と前記小径部との段差部が前記軸方向当接部であり、前記小径部が、前記大径部に対して前記歯車の噛合部から遠ざかる方向に偏心して配置されることを特徴とする。

また、この発明にかかる歯車装置では、前記ベアリングが、前記ベアリングの軸方向端部から前記ケースの穴底部までの、前記弾性部材を前記軸方向当接部に近づける方向に変位できる軸方向の距離Ｄ１と、前記弾性部材から前記軸方向当接部までの前記ベアリングの軸方向の距離Ｄ２とが、Ｄ１＞Ｄ２の関係を有することが好ましい。

この発明にかかる歯車装置では、ベアリングがスラスト方向に振動変位すると、弾性部材がケースの径方向当接部に付勢しつつ摺動することにより、緩衝部材として機能する。さらに、ベアリングがスラスト方向に大きく振動変位した場合には、弾性部材がケースの軸方向当接部に押圧されて弾性変形することにより、緩衝部材として機能する。これらにより、ベアリングとケースとの打音が緩和される利点がある。

図１は、この発明の実施の形態にかかる歯車装置を示す構成図である。 図２は、図１に記載した歯車装置を示すＡ−Ａ視断面図である。 図３は、図１に記載した歯車装置の作用を示す説明図である。 図４は、図１に記載した歯車装置の作用を示す説明図である。 図５は、図１に記載した歯車装置の変形例を示す説明図である。 図６は、図１に記載した歯車装置の変形例を示す説明図である。 図７は、図１に記載した歯車装置の変形例を示す説明図である。 図８は、図１に記載した歯車装置の変形例を示す説明図である。 図９は、図１に記載した歯車装置の変形例を示す説明図である。 図１０は、図１に記載した歯車装置の変形例を示す説明図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施の形態の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施の形態に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。

［歯車装置］
図１は、この発明の実施の形態にかかる歯車装置を示す構成図である。同図は、歯車の軸と、軸を支持するベアリングとをケース側から見た図を示している。図２は、図１に記載した歯車装置を示すＡ−Ａ視断面図である。

この歯車装置１は、運転状態によってトルクが０［Ｎｍ］となり軸がフローティング状態となる歯車装置に適用される。このような歯車装置として、例えば、ＴＨＳ（TOYOTA Hybrid System：商品名）のモータ・ジェネレータ軸に連結される減速機構、車両用電動パワーステアリング装置のモータ軸に連結される減速機構などが挙げられる。

歯車装置１は、軸２と、軸２を支持するベアリング３と、ベアリング３を支持するケース４とを備える（図１および図２参照）。また、軸２がはすば歯車である歯車５を有して回転する。

例えば、この実施の形態では、軸２が歯車５の回転軸であり、ケース４が車体側に固定されてギアケースを構成する（図１および図２参照）。また、歯車５が、はすば歯車であり、他の歯車６あるいはラック（図示省略）に噛み合って回転する。ここでは、歯車５を第一歯車と呼び、歯車６を第二歯車と呼ぶ。

また、第二歯車６がモータ・ジェネレータ（図示省略）の軸に取り付けられる。そして、モータ・ジェネレータがモータとして機能する場合には、第二歯車６が駆動側となり、第一歯車５が従動側となる。逆に、モータ・ジェネレータがジェネレータとして機能する場合には、第一歯車５が駆動側となり、第二歯車６が従動側となる。なお、これに限らず、第一歯車５の軸２がモータ・ジェネレータの回転軸であっても良い。あるいは、第一歯車５および第二歯車６のいずれか一方がモータ軸に連結されて駆動側となり、他方が従動側となっても良い。

また、ベアリング３が、ボールベアリングであり、インナーレース３１とアウターレース３２との間に複数のボール３３を挟み込んで構成される。また、インナーレース３１が、軸２の外周に嵌め合わされて固定され、軸２と一体となって回転する。また、アウターレース３２が、ケース４に支持される。なお、ベアリング３は、転がり軸受であっても良いし、滑り軸受であっても良い。

また、ケース４が嵌合部４１を有し、この嵌合部４１にベアリング３が挿入されて支持される。具体的には、ベアリング３のアウターレース３２が、ケース４の嵌合部４１に挿入されて隙間嵌めにて嵌め合わされる。したがって、アウターレース３２は、嵌合部４１に対して径方向および軸方向に所定範囲内で変位できる。この点については、後述する。

［弾性部材］
一般的な歯車装置は、歯車の形状誤差や軸の変形を考慮して、相互に噛み合う歯車間にバックラッシュを有する。このバックラッシュにより、歯車の円滑な回転が確保されて、トルクの伝達効率が向上する。

かかる歯車装置では、歯車間のバックラッシュに起因して、ベアリングとケースとの打音（衝突音）が発生するという課題がある。特に、歯車がはすば歯車である場合には、はすば歯車によるスラスト力により、ベアリングとケースとの打音が発生するという課題がある。

そこで、この歯車装置１は、バックラッシュに起因する打音を抑制するために、以下の構成を採用する。

まず、歯車装置１が、弾性部材７を備える（図１および図２参照）。この弾性部材７は、例えば、ゴム材料などの弾性変形可能な部材であり、ベアリング３とケース４との間に介在して配置される。また、ケース４が、ベアリング３の径方向から弾性部材７に当接する径方向当接部（後述する大径部４１１）と、ベアリング３の軸方向から弾性部材７に当接する軸方向当接部（後述する段差部４１４）とを有する。

例えば、この実施の形態では、弾性部材７が、環状かつ円形断面のゴム部材（Ｏリング）から成り、圧縮変形可能である。また、ベアリング３のアウターレース３２が外周面に周方向溝を有し、この周方向溝に弾性部材７が嵌め込まれて保持される。これにより、弾性部材７が、ベアリング３の軸方向にズレないように、アウターレース３２の外周面に位置決めされて固定される。また、弾性部材７がアウターレース３２の外周面から突出して配置される。

また、ケース４の嵌合部４１が、嵌合穴であり、段差をもった略円筒形状の内周面を有する。具体的には、嵌合部４１が、相互に異なる内径を有する大径部（径方向当接部）４１１および小径部４１２と、穴底となる穴底部４１３とを備える。また、大径部４１１が歯車５側（嵌合部４１の開口側）に位置し、小径部４１２が軸２の先端側（嵌合部４１の穴底側）に位置する。また、大径部４１１と小径部４１２とが段差部（軸方向当接部）４１４を介して接続される。このため、嵌合部４１が、嵌合部４１の開口側の内径を拡径した段差形状を有する。この段差部４１４の高さは、アウターレース３２の外周面に対する弾性部材７の突出量よりも小さい。

また、ベアリング３がケース４の嵌合部４１に挿入されて嵌め合わされる。具体的には、ベアリング３のアウターレース３２が、嵌合部４１の奥側にある小径部４１２に対して隙間嵌めにて嵌め合わされて支持される。このとき、弾性部材７が、段差部４１４よりも大径部４１１側に位置し、弾性部材７の一部が、アウターレース３２の外周面と大径部４１１との間に挟み込まれて圧縮変形する。これにより、弾性部材７の一部が、大径部４１１に付勢する。例えば、図２では、紙面下方にて、弾性部材７の一部が大径部４１１に付勢し、紙面上方では、弾性部材７と大径部４１１との間に隙間が空いている。また、段差部４１４が、弾性部材７に対してベアリング３の軸方向に位置する。言い換えると、段差部４１４と弾性部材７とが、アウターレース３２の外周面上にて軸方向に対向して配置される。

また、ベアリング３のアウターレース３２とケース４の嵌合部４１とが隙間嵌めにて嵌め合わされるため、ベアリング３（および軸２）が、嵌合部４１に対して径方向および軸方向に所定範囲内で変位できる（図２参照）。ここで、ベアリング３が弾性部材７を嵌合部４１の段差部４１４に近づける方向に軸方向変位できる距離を、Ｄ１とする。例えば、この実施の形態では、アウターレース３２の軸方向端部と、ケース４の嵌合部４１の穴底部４１３との間に距離Ｄ１の隙間が形成され、この距離Ｄ１の範囲内で、ベアリング３がケース４に対して軸方向変位できる。このとき、距離Ｄ１と、弾性部材７から嵌合部４１の段差部４１４までのベアリング３の軸方向の距離Ｄ２とが、Ｄ１＞Ｄ２の関係を有する。したがって、ベアリング３が軸方向に変位した場合には、ベアリング３が嵌合部４１の穴底部４１３に当接する前に、弾性部材７が嵌合部４１の段差部４１４に当接する。

この歯車装置１において、第二歯車６が駆動されて回転すると、第一歯車５が従動して軸２と共に回転する。このとき、歯車５、６間のバックラッシュにより、ベアリング３が径方向に変位する。すると、弾性部材７がアウターレース３２と嵌合部４１の大径部４１１との間に挟み込まれて弾性変形して、緩衝部材として機能する。これにより、トルク入力時におけるベアリング３とケース４との打音が緩和される。

また、例えば、第一歯車５がはすば歯車である構成では、噛合部の振動がギヤねじれ角によりスラスト方向に変換される。このため、トルクが０［Ｎｍ］となり軸２がフローティング状態となると、ベアリング３が軸方向に振動変位する。このとき、弾性部材７がケース４の大径部４１１に対して付勢しつつ摺動する。さらに、ベアリング３がスラスト方向に大きく振動変位した場合には、弾性部材７がケース４の段差部４１４に押圧されて弾性変形する。したがって、ベアリング３が軸方向に振動変位する場合にも、弾性部材７が緩衝部材として機能する。これにより、ベアリング３の軸方向への振動が減衰して、ベアリング３とケース４との打音が緩和される。

図３は、図１に記載した歯車装置の作用を示す説明図である。同図は、歯車装置の稼働時におけるベアリングの軸方向変位量（ストローク量）と、ベアリングが弾性部材から受けるスラスト反力（スラスト荷重）との関係を示している。

図３に示すように、ベアリング３が軸方向に変位したときに、弾性部材７と段差部４１４とが当接していない状態（距離０〜距離Ｄ１）では、弾性部材７とケース４の大径部４１１との摺動により、ベアリング３が軸方向に反力を受ける。さらに、弾性部材７が段差部４１４に押圧されて弾性変形した状態（距離Ｄ１〜距離Ｄ２）では、ベアリング３の軸方向変位量が大きいほど、ベアリング３が弾性部材７から受ける反力が大きくなる。したがって、ベアリング３が軸方向に振動変位したときに、弾性部材７が緩衝部材として機能して、ベアリング３の振動を減衰することが分かる。

図４は、図１に記載した歯車装置の作用を示す説明図である。同図は、歯車装置が車両のエンジンに連結されて駆動される構成において、エンジンの回転数［ｒｐｍ］およびトルク［Ｎｍ］と、歯車装置にて発生する打音の評価との関係を示している。

図４に示すように、弾性部材７を有する実施例では、弾性部材を有さない従来例と比較して、ベアリング３とケース４との打音が緩和されることにより、エンジン使用可能領域が拡大することが分かる。また、この性能試験では、エンジン使用可能領域の拡大により、約３［％］の燃費向上効果が得られている。

［変形例］
図５〜図９は、図１に記載した歯車装置の変形例を示す説明図である。これらの図において、図５および図６は、トルク入力時の様子を示し、図７および図８は、トルクが０［Ｎｍ］となり軸がフローティング状態にあるときの様子を示し、図９は、ベアリングをケースの嵌合部に組み付けるときの様子を示している。

図１および図２の歯車装置１では、ケース４の嵌合部４１が、歯車５側に大径部（径方向当接部）４１１を有し、軸２の先端側に小径部４１２を有している。このため、嵌合部４１が、嵌合部４１の開口側の内径を拡径した段差形状を有している。また、段差部４１４の壁面が、歯車５側に向いている。

これに対して、変形例の歯車装置１では、ケース４の嵌合部４１が、軸２の先端側に大径部４１１を有し、歯車５側に小径部４１２を有する（例えば、図６参照）。このため、嵌合部４１が、軸２の先端側の内径を拡径した段差形状を有する。また、段差部４１４の壁面が、軸２の先端側に向いている。

また、図１および図２の歯車装置１では、大径部４１１の軸中心と小径部４１２の軸中心とが同軸上にある。このため、段差部４１４が、嵌合部４１の全周に渡って形成されている。

これに対して、変形例の歯車装置１では、大径部４１１が小径部４１２に対して、第一歯車５と第二歯車６との噛合点側に偏心して配置される（例えば、図５および図６参照）。また、大径部４１１の偏心量が、第一歯車５と第二歯車６とのバックラッシュを十分に詰め得る距離に設定される。また、段差部４１４が、嵌合部４１の内周面のうち大径部４１１の偏心側の領域に形成され、他方の領域では、大径部４１１と小径部４１２とが面一となる部分がある。

また、変形例の歯車装置１では、ベアリング３のアウターレース３２が、歯車５側にある小径部４１２に対して隙間嵌めにて嵌め合わされて支持される。このため、ベアリング３（および軸２）が、嵌合部４１に対して径方向および軸方向に所定範囲内で変位できる（図６および図８参照）。また、弾性部材７が、段差部４１４よりも軸２の先端側に位置して、大径部４１１に当接する。具体的には、弾性部材７の外径が、大径部４１１の内径に対して同一径ないしは大径であり、ベアリング３を嵌合部４１に嵌め合わせた状態にて、弾性部材７が大径部４１１に当接ないしは付勢する。

この変形例の歯車装置１において、第二歯車６が駆動されて回転すると、第一歯車５が従動して軸２と共に回転する（図５参照）。このとき、第一歯車５に作用するトルクにより、ベアリング３が径方向に変位して、弾性部材７が嵌合部４１の大径部４１１に押圧される（図６参照）。すると、弾性部材７が弾性変形して、緩衝部材として機能する。これにより、トルク入力時におけるベアリング３とケース４との打音が緩和される。例えば、図５および図６の状態では、ベアリング３が第一歯車５と第二歯車６との噛合点から遠ざかる方向に変位することにより、弾性部材７が嵌合部４１の大径部４１１に押圧されている。

また、トルクが０［Ｎｍ］となり軸２がフローティング状態となると、ベアリング３が弾性部材７のバネ作用により径方向に変位して、ベアリング３の軸中心が大径部４１１の軸中心に移動する（図７および図８参照）。すると、大径部４１１の軸中心が小径部４１２の軸中心に対して第一歯車５と第二歯車６との噛合点側に偏心しているので、第一歯車５と第二歯車６とのバックラッシュが詰まる。これにより、第一歯車５と第二歯車６との噛合部での打音が抑制される。

また、軸２がフローティング状態となると、軸２およびベアリング３がスラスト方向に振動変位する（図７および図８参照）。このとき、弾性部材７がケース４の大径部４１１に対して付勢しつつ摺動する。さらに、ベアリング３がスラスト方向に大きく振動変位した場合には、弾性部材７がケース４の段差部４１４に押圧されて弾性変形する。したがって、ベアリング３が軸方向に振動変位する場合にも、弾性部材７が緩衝部材として機能する。これにより、ベアリング３の軸方向への振動が減衰して、ベアリング３とケース４との打音が抑制される。

なお、ベアリング３の組み付け時には、ベアリング３および軸２がケース４の嵌合部４１に挿入される（図９参照）。このとき、弾性部材７が押し潰された状態で嵌合部４１の小径部４１２を通過して、嵌合部４１の奥側にある大径部４１１に至る。ここで、変形例の歯車装置１では、嵌合部４１の小径部４１２が、大径部４１１よりも第一歯車５と第二歯車６との噛合点から遠ざかる方向に偏心して配置されている（図５参照）。このため、ベアリング３を組み付けるときに、第一歯車５と第二歯車６との噛合部にバックラッシュを開けた状態で、ベアリング３を嵌合部４１に挿入できる。これにより、ベアリング３の組付けが容易となる。

図１０は、図１に記載した歯車装置の変形例を示す説明図である。同図は、図６におけるベアリングの支持構造を、歯車の軸の両端部に適用した例を示している。

図１０の歯車装置１では、一対のベアリング３、３が第一歯車５の軸２の両端部を支持し、これらのベアリング３、３がケース４の左右の嵌合部４１、４１にそれぞれ嵌め合わされて支持される。

このとき、ベアリング３が弾性部材７を軸方向当接部（段差部４１４）に近づける方向へ変位できる軸方向の距離Ｄ１（距離Ｄ１’）と、弾性部材７から軸方向当接部までのベアリング３の軸方向の距離Ｄ２（距離Ｄ２’）とが、Ｄ１＞Ｄ２（Ｄ１’＞Ｄ２’）の関係を有する（図１０参照）。かかる構成では、ベアリング３が軸方向に変位したときに、弾性部材７と軸方向当接部とが適正に当接できる。これにより、弾性部材７が緩衝部材として適正に機能して、ベアリング３とケース４との打音が緩和される。

なお、図１０の歯車装置１では、左右のベアリング３、３が図６に記載した支持構造により支持されている。しかし、これに限らず、左右のベアリング３、３が図２に記載した支持構造により支持されても良い（図示省略）。

［効果］
以上説明したように、この歯車装置１は、軸２と、この軸２を支持するベアリング３と、このベアリング３を支持するケース４とを備える（図１および図２参照）。また、軸２がはすば歯車である歯車５を有して回転する。また、歯車装置１は、ベアリング３とケース４との間に介在して配置される弾性部材７を備える。また、ケース４が、ベアリング３の径方向から弾性部材７に当接する径方向当接部（大径部４１１）と、ベアリング３の軸方向から弾性部材７に当接する軸方向当接部（段差部４１４）とを有する。

かかる構成では、（１）第一歯車５の回転時にて、弾性部材７がベアリング３とケース４の径方向当接部（大径部４１１）との間に挟み込まれて弾性変形して、緩衝部材として機能する。また、（２）ベアリング３がスラスト方向に振動変位すると、弾性部材７がケース４の径方向当接部に付勢しつつ摺動することにより、緩衝部材として機能する。さらに、（３）ベアリング３がスラスト方向に大きく振動変位した場合には、弾性部材７がケース４の軸方向当接部（段差部４１４）に押圧されて弾性変形することにより、緩衝部材として機能する。これらにより、ベアリング３とケース４との打音が緩和される利点がある。

また、この歯車装置１では、ベアリング３が、ケース４の嵌合部４１に挿入されて支持される（図２参照）。また、嵌合部４１が、大径部４１１と小径部４１２とを段差をもって接続して成る内周面を有する。また、大径部４１１が、上記の径方向当接部であり、小径部４１２が、ベアリング３の支持面である。また、大径部４１１と小径部４１２との段差部４１４が、上記の軸方向当接部である。かかる構成では、また、上記の径方向当接部（大径部４１１）および軸方向当接部（段差部４１４）を容易に加工できる利点がある。また、ベアリング３の支持面（小径部４１２）の剛性を適正に確保できる利点がある。

また、この歯車装置１では、小径部４１２が、大径部４１１に対して歯車（第一歯車５）の噛合部から遠ざかる方向に偏心して配置される（図５、図６および図９参照）。かかる構成では、歯車の噛合部にバックラッシュを開けた状態で、ベアリング３を嵌合部４１に挿入できる。これにより、ベアリング３の組付けが容易となる利点がある。

また、この歯車装置１では、ベアリング３が弾性部材７を軸方向当接部（段差部４１４）に近づける方向に変位できる軸方向の距離Ｄ１と、弾性部材７から軸方向当接部までのベアリング３の軸方向の距離Ｄ２とが、Ｄ１＞Ｄ２の関係を有する（図２および図１０参照）。かかる構成では、ベアリング３が軸方向に変位したときに、弾性部材７と軸方向当接部とが適正に当接できる。これにより、弾性部材７が緩衝部材として適正に機能して、ベアリング３とケース４との打音が緩和される利点がある。

１ 歯車装置、２ 軸、３ ベアリング、３１ インナーレース、３２ アウターレース、３３ ボール、４ ケース、４１ 嵌合部、４１１ 大径部（径方向当接部）、４１２ 小径部、４１３ 穴底部、４１４ 段差部（軸方向当接部）、５ 第一歯車、６ 第二歯車、７ 弾性部材

Claims (2)

1. 軸と、前記軸を支持するベアリングと、前記ベアリングを支持するケースとを備え、且つ、前記軸がはすば歯車である歯車を有して回転する歯車装置であって、
   前記ベアリングと前記ケースとの間に介在して配置される弾性部材を備え、且つ、
   前記ケースが、前記ベアリングの径方向から前記弾性部材に当接する径方向当接部と、前記ベアリングの軸方向から前記弾性部材に当接する軸方向当接部とを有し、
   前記弾性部材の一部と前記径方向当接部との間に隙間が形成され、
   前記ベアリングが前記ケースの嵌合部に挿入されて支持され、前記嵌合部が大径部と小径部とを段差部を介して接続して成る内周面を有し、前記大径部が前記径方向当接部であり、前記小径部が前記ベアリングの支持面であり、且つ、前記大径部と前記小径部との段差部が前記軸方向当接部であり、
   前記小径部が、前記大径部に対して前記歯車の噛合部から遠ざかる方向に偏心して配置されることを特徴とする歯車装置。
2. 前記ベアリングが、前記ベアリングの軸方向端部から前記ケースの穴底部までの、前記弾性部材を前記軸方向当接部に近づける方向に変位できる軸方向の距離Ｄ１と、前記弾性部材から前記軸方向当接部までの前記ベアリングの軸方向の距離Ｄ２とが、Ｄ１＞Ｄ２の関係を有する請求項１に記載の歯車装置。

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