JP6911690B2 - Balancer system gears - Google Patents
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Description
本発明は、バランサシステム用歯車に関し、特に自動車用エンジンに搭載するバランサシステムにおいて、偏芯軸を回転駆動する同期歯車に関するものである。 The present invention relates to a balancer system gear, and particularly to a synchronous gear that rotationally drives an eccentric shaft in a balancer system mounted on an automobile engine.
近年の自動車において、ディーゼルエンジンの利用が増えていること、ピストンの大径化及びロングストローク化が進んでいることから、エンジンの振動が増大する傾向にあるため、これの低減技術が多く提案されている。それらの中で、アクティブに振動低減するための機構として、2本の偏芯軸とこれらを回転駆動する同期歯車で構成されるバランサシステムがある。バランサシステムの同期歯車には、鋼製歯車が用いられることが多いが、騒音が大きいことや、軽量化が困難なこと等が課題となることがある。 In recent years, the use of diesel engines is increasing, and pistons are becoming larger in diameter and longer strokes. As a result, engine vibration tends to increase, and many technologies to reduce this have been proposed. ing. Among them, as a mechanism for actively reducing vibration, there is a balancer system composed of two eccentric shafts and synchronous gears for rotating and driving them. Steel gears are often used as the synchronous gears of the balancer system, but there may be problems such as loud noise and difficulty in weight reduction.
上記の課題に対し、特許文献1では、歯車の歯を金属歯部と合成樹脂歯部から成る複合材の歯としたことを特徴とする複合材の歯を備えた歯車が開示されている。また、上記歯車においてトルクを大きく受ける歯を複合材の歯とし、その他の歯を合成樹脂のみで成形した合成樹脂成形歯としたことを特徴とする歯車が開示されている。特許文献1によれば、金属歯部で強度が保たれると共に、相手歯車とのかみ合いは樹脂歯部又は樹脂歯部と金属歯部の両方で行い、バックラッシュによるガタウチ騒音は軽減されるとされている。また、歯車の最大トルク時にかみ合う歯に複合材の歯を用いてその強度を保つと共にトルクが小さい部分の歯に合成樹脂成形歯を用い、強度と騒音の両方を満足させることができるとされている。 In response to the above problems, Patent Document 1 discloses a gear having composite teeth, characterized in that the teeth of the gear are composite teeth composed of a metal tooth portion and a synthetic resin tooth portion. Further, there is disclosed a gear characterized in that the tooth that receives a large amount of torque in the gear is a tooth of a composite material, and the other tooth is a synthetic resin molded tooth formed only of a synthetic resin. According to Patent Document 1, the strength is maintained at the metal tooth portion, and the meshing with the mating gear is performed at the resin tooth portion or both the resin tooth portion and the metal tooth portion, and the rattling noise due to backlash is reduced. Has been done. In addition, it is said that the strength can be maintained by using composite teeth for the teeth that engage at the maximum torque of the gear, and synthetic resin molded teeth can be used for the teeth where the torque is small to satisfy both strength and noise. There is.
上述した特許文献1の技術では、先ず相手歯車が樹脂歯部に当接してバックラッシュによるガタ騒音を吸収し、次に金属歯部に当接してトルク伝達される構成を有するが、最初に相手歯車が当接する樹脂歯部は金属歯部よりも強度が低いことから、歯車の強度(耐久性)の観点で更なる改善が望まれていた。 The above-mentioned technique of Patent Document 1 has a configuration in which the mating gear first abuts on the resin tooth portion to absorb the backlash noise, and then abuts on the metal tooth portion to transmit torque. Since the resin tooth portion with which the gear comes into contact has a lower strength than the metal tooth portion, further improvement has been desired from the viewpoint of the strength (durability) of the gear.
本発明の目的は、前述の点に鑑みてなされたものであり、騒音を低減すると共に、十分な強度を有するバランサシステム用歯車を提供することである。 An object of the present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a balancer system gear having sufficient strength while reducing noise.
本発明は、上記目的を達成するために、回転軸に篏合され、回転軸と共に回転する円環部と、円環部の外周に設けられた歯車部と、を有し、歯車部は、円環部の周方向に2種類以上の部材に分割され、該2種類以上の部材は、それぞれ強度の異なる繊維強化樹脂からなることを特徴とするバランサシステム用歯車を提供する。 The present invention has an annular portion that is fitted to a rotating shaft and rotates together with the rotating shaft, and a gear portion provided on the outer circumference of the annular portion in order to achieve the above object. The balancer system gear is divided into two or more types of members in the circumferential direction of the annular portion, and the two or more types of members are made of fiber-reinforced resin having different strengths.
本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。 More specific configurations of the present invention are described in the claims.
本発明によれば、騒音を低減すると共に、十分な強度を有するバランサシステム用歯車を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a balancer system gear having sufficient strength while reducing noise.
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 Issues, configurations and effects other than those described above will be clarified by the description of the following embodiments.
本発明は、自動車等のエンジンに付設されるバランサシステム(バランサギヤシステム)の構成要素であるバランサシステム用歯車(以下、「同期歯車」とも称する。)に関するものであり、特に、偏芯軸を回転駆動する同期歯車に関するものである。 The present invention relates to a balancer system gear (hereinafter, also referred to as a "synchronous gear") which is a component of a balancer system (balancer gear system) attached to an engine of an automobile or the like, and particularly a eccentric shaft. It relates to a synchronous gear that is driven to rotate.
最初に、エンジンのピストンに接続されたクランクシャフトに付設されたバランサシステムの同期歯車について説明する。 First, the synchronous gear of the balancer system attached to the crankshaft connected to the piston of the engine will be described.
図1は自動車用エンジンのバランサシステムを示す模式図である。本図において、エンジン200は、4気筒の往復動式内燃機関のうちの1つを表している。エンジン200のシリンダ25には、ピストン26が設置されている。ピストン26のピストンピン27には、コネクティングロッド28の小端部29が回動可能に結合されている。コネクティングロッド28の大端部30は、クランクシャフト20のクランクピン21に回動可能に結合されている。
FIG. 1 is a schematic view showing a balancer system for an automobile engine. In this figure, the
クランクシャフト20は、クランクピン21とクランクアーム22とクランクジャーナル23とカウンタウェイト24とを含む。クランクピン21は、クランクアーム22と結合されている。また、クランクアーム22は、クランクジャーナル23と結合されている。クランクジャーナル23は、クランクベアリング33により回転可能に支持されている。クランクシャフト20には、フライホイール31が取り付けられている。フライホイール31の外周部には、図示しない歯列が形成されている。この歯列には、図示しないスタータのギヤがかみ合うように配置されている。
The
クランクシャフト20には、更に駆動歯車32が取り付けられている。駆動歯車32には、同期歯車1がかみ合うように配置されている。さらに、同期歯車1には、同期歯車2がかみ合うように配置されている。同期歯車1,2は、駆動歯車32の半分の直径を有している。
A
シリンダ25の内部における燃料の爆発に伴い、ピストン26は、一点鎖線で示すY軸方向に往復運動をする。4気筒の往復動式内燃機関の場合、駆動歯車32が1回転する間に2回爆発が起こるため、同期歯車1,2は駆動歯車32が半回転する間に1回転する。同期歯車1,2が1回転する間に爆発が1回発生するため、爆発によって発生する大きなトルクを受ける同期歯車1,2の歯は、毎回同じである。
With the explosion of fuel inside the
バランサシステムの同期歯車が受けるトルクについて更に説明する。図2はバランサシステムにおけるトルクの経時変化と歯車のかみ合い位置の関係を示す図である。図2では、トルクの経時変化を示すグラフに、同期歯車1,2のかみ合い位置を示す模式図を併記している。図2に示すように、バランサシステムでは、駆動歯車と同期歯車1,2が同期して回転するため、クランクの回転と同期して変動するトルクが最大となる瞬間にかみ合う同期歯車の歯は毎回同じとなる(図2のA部分の歯)。このことから、歯車の強度に対して過負荷となる運転を続けると、上述したトルク最大の瞬間にかみ合う歯が損傷する可能性が高い。そこで本発明のバランサシステム用歯車では、このA部分を構成する歯を、他の部分の歯よりも強度の高い材料で構成する。
The torque received by the synchronous gear of the balancer system will be further described. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the time-dependent change in torque in the balancer system and the meshing position of the gears. In FIG. 2, a schematic diagram showing the meshing positions of the
図3は実施例1のバランサシステム用歯車の模式図である。図3に示すように、本実施例の同期歯車3aは、回転軸に篏合され、回転軸と共に回転する円環部4と、円環部4の外周に設けられた歯車部7を有する。歯車部7は、強度の異なる2種類の部材から構成される歯車部5,6を有する。歯車部5,6は、円環部4の周方向に配置された構成を有する。歯車部5は、トルク負荷が最も高い部分に配置され、歯車部7のうち最も強度が高い材料からなる第1の部材で構成する。一方、歯車部6は、歯車部5が配置される部分以外の部分に配置され、歯車部5よりも強度が低い材料からなる第2の部材で構成する。以下、第1の部材を「高強度部材」と称し、第2の部材を「低強度部材」と称する。
FIG. 3 is a schematic view of the balancer system gear of the first embodiment. As shown in FIG. 3, the
上述した同期歯車3aの構成によれば、歯車部7のうち、最も大きなトルク(負荷)がかかる部分を高強度部材で構成していることから、同期歯車3aの強度を十分に確保することができる。一方、それ以外の部分については、低強度部材で構成しているため、同期歯車3aの騒音を低減することができる。すなわち、本実施例によれば、同期歯車3aの強度及び騒音低減を高いレベルで両立することができる。
According to the configuration of the
高強度部材としては、ヤング率が70GPa以上の材料を用いることが好ましい。例えば、鋼(ヤング率:206GPa)やカーボン繊維強化プラスチック(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP,ヤング率:125GPa)及びアラミド繊維強化プラスチック(Aramid Fiber Reinforced Plastics,AFRP,ヤング率:78GPa)等の繊維強化樹脂を用いることができる。繊維強化プラスチックは、繊維の種類、充填量又はマトリックス樹脂の種類を変えることで、強度を調整することができる。なお、本明細書におけるヤング率の出典は、「http://www.hokkan−kogyo.co.jp/frp.html」(社団法人FRP協会資料参考)である。 As the high-strength member, it is preferable to use a material having a Young's modulus of 70 GPa or more. For example, fiber reinforced resins such as steel (Young rate: 206 GPa), carbon fiber reinforced plastic (Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP, Young rate: 125 GPa) and aramid fiber reinforced plastic (Aramid Fiber Reinforced Plastics, AFRP, Young rate: 78 GPa). Can be used. The strength of the fiber reinforced plastic can be adjusted by changing the type of fiber, the filling amount, or the type of matrix resin. The source of Young's modulus in the present specification is "http://www.hokkan-kogyo.co.jp/frp.html" (reference material of FRP Association).
低強度部材としては、ヤング率が10GPa未満の材料を用いることが好ましい。例えば、マトリックス樹脂がフェノール樹脂のガラス繊維強化プラスチック(Glass Fiber Reinforced Plastics,GFRP,ヤング率:8.7GPa)やポリアミノアミド(10GPa未満)等の樹脂を用いることができる。 As the low-strength member, it is preferable to use a material having a Young's modulus of less than 10 GPa. For example, a resin such as glass fiber reinforced plastic (Glass Fiber Reinforced Plastics, GFRP, Young ratio: 8.7 GPa) or polyaminoamide (less than 10 GPa) in which the matrix resin is a phenol resin can be used.
円環部4は、特に限定は無いが、高強度を有する鋼を用いることが好ましい。円環部4及び歯車部5を共に鋼で構成する場合、両者を一体成形された部材としてもよい。この場合、円環部4及び歯車部5を1つの部材とすることで、両者を別々に作製する場合よりも製造コストを低減することができる。
The
同期歯車3aの好ましい構成の一例として、円環部4に鋼、歯車部5に繊維強化プラスチック、歯車部6に、歯車部5よりも強度が低い繊維強化プラスチック又は樹脂材料を用いる態様が挙げられる。このような構成とすることで、歯車部5に十分な強度を持たせながらも、鋼よりも軽量となり、同期歯車の軽量化を図ることができる。
As an example of a preferable configuration of the
次に、歯車部7の構成について説明する。図4は図3の歯車部の一部の拡大図である。図4に示すように、歯車部7は、歯10と、歯10を支持するリム11からなる。ここで、歯10の高さをht、リム11の高さをSRとする。歯車部7は、SR/htが0.8以上であることが好ましい。SR/htが1.2未満であると、歯車部7の強度が十分ではなくなる可能性がある。SR/htの上限については、歯車部7の一般的な構成に基づいて決定される。
Next, the configuration of the
次に、同期歯車3aの製造方法について説明する。鋼製の円環部4の外周に、注型によって歯車部7を形成する。このとき、注型用のノズルを複数配置し、歯車部5の部分に配置されたノズルからは高強度部材が、歯車部6の部分に配置されたノズルからは低強度部材が噴射されるようにすることで、図3に示すように、高強度部材からなる歯車部5と低強度部材から成る歯車部6で構成された歯車部7を作製することができる。歯車部7の注型後、歯車部7の外周を切削加工して歯10を形成することで、同期歯車3aを完成することができる。
Next, a method of manufacturing the
上述した構成によれば、エンジンを回転駆動し、同期歯車3aを回転させると、トルク最大の位相では高強度部材から成る歯車部5の部分で動力伝達する。一方、トルクが小さな範囲では低強度部材から成る歯車部6で動力伝達することとなる。これにより、歯車部5では高強度部材によって過負荷が作用することを抑止すると共に、歯車部6が動力伝達する範囲においては、低強度部材によって低騒音化の効果を得ることができる。
According to the above-described configuration, when the engine is rotationally driven and the
図5は実施例2のバランサシステム用歯車の模式図である。図5に示す同期歯車3bは、高強度部材からなる歯車部5と低強度部材からなる歯車部6の間に、高強度部材と低強度部材の間の強度を有する第3の部材(以下、「中強度部材」と称する。)からなる歯車部8が配置されている点が実施例1の同期歯車3aと異なる。すなわち、本実施例の同期歯車3bは、トルクの負荷が最大となる歯車部5から、トルク負荷が減少する歯車部8、歯車部6に向かって、部材の強度が段階的に減少する構成を有している。
FIG. 5 is a schematic view of the balancer system gear of the second embodiment. The
このように歯車部7の強度を段階的に変化させることで、実施例1の同期歯車3aの効果に加えて、それぞれの部材の界面でのひずみの差を低減し、より一層同期歯車3bの強度向上及び騒音低減を図ることができる。
By gradually changing the strength of the
歯車部8を構成する中強度部材としては、ヤング率が10GPa以上70GPa未満の材料を用いることが好ましい。例えば、マトリックス樹脂が不飽和ポリエステル樹脂のGFRP(ヤング率:41GPa)が好ましい。上述した繊維強化プラスチックにおいて、繊維の種類、充填量及びマトリックス樹脂の種類を変えてヤング率を10GPa以上70GPa未満に調整した材料を用いることが好ましい。
As the medium-strength member constituting the
同期歯車3bの好ましい構成の一例として、円環部4に鋼、歯車部5に繊維強化プラスチック、歯車部6に、歯車部5よりも強度が低い繊維強化プラスチック又は樹脂材料、歯車部8に、歯車部5よりも強度が低く、歯車部6よりも強度が大きい繊維強化プラスチック又は樹脂材料を用いる態様が挙げられる。このような構成とすることで、歯車部5に十分な強度を持たせながらも、鋼よりも軽量となり、同期歯車の軽量化を図ることができる。
As an example of a preferable configuration of the
図6は実施例3のバランサシステム用歯車の模式図である。図6に示す同期歯車3cは、円環部4と歯車部7との間に、弾性体(エラストマー)9が配置されている点が実施例1の同期歯車3aと異なる。このような構成とすることで、実施例1の同期歯車3aの効果に加えて、エラストマー9の弾性変形によって衝撃を吸収することができる。したがって、より一層同期歯車3cの騒音を低減することができる。
FIG. 6 is a schematic view of the balancer system gear of the third embodiment. The
図7Aは図6のB部分の拡大図であり、図7Bは図6のC部分の拡大図である。図7A及び図7Bに示すように、弾性体9と円環部4との境界及び弾性体9と歯車部7との接触面は、平坦ではなく波形状であってもよい。さらに、円環部4、弾性体9及び歯車部7は、それぞれ完全に密着している必要は無く、部分的に接触しているものであってもよい。円環部4から弾性体9へ、弾性体9から歯車部7へ動力伝達できる形状を有していればよい。
7A is an enlarged view of the B portion of FIG. 6, and FIG. 7B is an enlarged view of the C portion of FIG. As shown in FIGS. 7A and 7B, the boundary between the
弾性体9の幅Wは、0.5ht以上であることが好ましい。Wが0.5ht未満であると弾性体9による衝撃吸収効果が十分に得られない。Wの上限については、歯車部7の一般的な構成に基づいて決定される。弾性体9は、歯車部7と同様に、注型によって形成することができる。
Width W of the
図8は実施例4のバランサシステム用歯車の模式図である。図8に示す同期歯車3dは、実施例2及び実施例3の構成を合わせたものである。すなわち、図8に示す同期歯車3dは、高強度部材からなる歯車部5と低強度部材からなる歯車部6の間に、高強度部材と低強度部材の間の強度を有する中強度部材からなる歯車部8が配置されており、さらに円環部4と歯車部7との間に、弾性体(エラストマー)9が配置されている点が実施例1の同期歯車3aと異なる。
FIG. 8 is a schematic view of the balancer system gear of the fourth embodiment. The
このような構成とすることで、実施例1の同期歯車3aの効果に加えて、歯車部7の強度を段階的に変化させることで、それぞれの部材の界面でのひずみの差を低減することができる。また、弾性体9の弾性変形によって衝撃を吸収することができる。したがって、同期歯車の強度及び騒音低減をより一層向上することができる。
With such a configuration, in addition to the effect of the
弾性体の材料としては、例えばニトリルゴム及びシリコーンゴムが好適であるが、これに限られる物ではない。また、弾性体9の形成態様として、歯車部7に設けた凹部に、本図に示す形状の弾性体9を埋め込んだ構成としてもよい。この場合、歯車部7の表裏に凹部を設け、両面に弾性体9を埋め込んでもよい。そして、表裏対称の位置に弾性体9を配置してもよいし、対称でない位置に配置してもよい。また、弾性体9は、歯車部7に埋め込まれた構成でなく、付設された構成としてもよい。また、歯車部7に弾性体9を設ける場合、弾性体9の形状は、例えば、三角形状、四角形状その他の多角形状としてもよい。また、楕円形状、ドーナツ形状等であってもよい。
As the material of the elastic body, for example, nitrile rubber and silicone rubber are suitable, but the material is not limited thereto. Further, as a mode of forming the
歯車部7において、弾性体9を埋め込む貫通孔又は凹部は、注型によって歯車部7を成形する際、金型に貫通孔又は凹部に対応する凸部等を設けることにより、自在に形成することができる。もちろん、成形後、ドリル等により加工することにより、貫通孔又は凹部を設けてもよい。
In the
以上、説明したように、本発明によれば、騒音を低減すると共に、十分な強度を有するバランサシステム用歯車を提供することができることが実証された。 As described above, it has been demonstrated that according to the present invention, it is possible to provide a balancer system gear having sufficient strength while reducing noise.
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 The present invention is not limited to the above-described examples, and includes various modifications. For example, the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to those having all the described configurations. Further, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add / delete / replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.
具体的には、上述した実施例では、歯車部5〜8は矩形状であるが、歯に向かって広がる扇形状であってもよいし、逆に歯に向かって狭くなる扇形状であってもよい。また、十分な強度を確保できる場合は、歯車部7の一部に貫通孔又は凹部を設けて同期歯車の軽量化を図ってもよい。
Specifically, in the above-described embodiment, the
1,2,3a,3b,3c,3d…同期歯車、4…円環部、5…高強度歯車部(第1の部材)、6…低強度歯車部(第2の部材)、7…歯車部、8…中強度歯車部(第3の部材)、9…弾性体、10…歯、11…リム。 1,2,3a, 3b, 3c, 3d ... Synchronous gear, 4 ... Ring part, 5 ... High-strength gear part (first member), 6 ... Low-strength gear part (second member), 7 ... Gear Part, 8 ... Medium-strength gear part (third member), 9 ... Elastic body, 10 ... Teeth, 11 ... Rim.
Claims (11)
前記円環部の外周に設けられた歯車部と、を有し、
前記歯車部は、前記円環部の周方向に2種類以上の部材に分割され、
前記2種類以上の部材は、それぞれ強度の異なる繊維強化樹脂からなることを特徴とするバランサシステム用歯車。 An annulus portion that is fitted to the rotating shaft and rotates together with the rotating shaft,
It has a gear portion provided on the outer circumference of the ring portion, and has.
The gear portion is divided into two or more types of members in the circumferential direction of the ring portion.
The balancer system gears are characterized in that the two or more types of members are made of fiber reinforced resins having different strengths.
前記歯の高さをht、前記リムの高さをSRとしたときに、SR/htが0.8以上であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のバランサシステム用歯車。 The gear portion is composed of a tooth and a rim that supports the tooth.
The height h t of the tooth, the height of the rim when the S R, in any one of claims 1 to 6 S R / h t is equal to or less than 0.8 The gears for the balancer system described.
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