JP7318002B2

JP7318002B2 - トーショナルダンパ

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Publication number: JP7318002B2
Application number: JP2021565414A
Authority: JP
Inventors: 貴博矢野
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2023-07-31
Anticipated expiration: 2040-11-25
Also published as: EP4080085A4; EP4080085A1; US20220412433A1; KR20220075431A; WO2021124820A1; JPWO2021124820A1; CN114616409A

Description

本発明はトーショナルダンパに関する。

トーショナルダンパ（以下、ＴＶＤともいう）は、クランクシャフトの先端に取り付けられ、ハブと振動リング（マス）との間に嵌合させるゴムリングの作用により、クランクシャフトの捩り振動を低減させる機能を備える製品である。
また、ＴＶＤはベルトを介して補機類（オルタネーター、エアコン、ウォーターポンプ）へ動力を伝達するクランクプーリーとしての機能も備える場合がある。

クランクシャフトの捩り振動の共振域付近又はそれを超えると、ＴＶＤのハブと振動リング間に捩り方向の相対振動が発生し、ＴＶＤのゴムリングが発熱する。その結果、その温度がゴムリングの耐熱温度以上となると、ゴムリングが破損する可能性がある。

これに関する従来法として、例えば特許文献１に記載のものが挙げられる。
特許文献１には、回転軸に取り付けられ、前記回転軸と一体的に回転するダンパハブと、前記ダンパハブにゴム部材を介して装着された慣性リングと、を有するトーショナルダンパであって、前記ゴム部材は、ＥＰＤＭを主成分とするゴム組成物からなり、前記ダンパハブと前記慣性リングとの間に装着された前記ゴム部材は、表面温度が６０±５℃の時の損失係数（ｔａｎδｐｉ）が０．２７以上であり、前記トーショナルダンパの共振点での連続加振時における前記ゴム部材の表面最高到達温度（Ｔmax）は、以下の式Ｔmax＝α×ｌｎ（ｔａｎδｐｉ）＋β≦１００（式中、αは－４６．９～－６０．４の範囲の係数を表し、βは＋９．４～＋２７．７の範囲の係数を表す）を満たす、トーショナルダンパが記載されている。そして、このようなトーショナルダンパは、ダンパハブと慣性リングとの間に装着されるゴム部材の温度上昇を抑制することができるので、耐久性の向上したトーショナルダンパを提供することができると記載されている。

特開２０１８－９６４５５号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載のトーショナルダンパであっても、その構造によっては、発熱によってゴムリングの温度が上昇してしまう可能性がある。

本発明は上記のような課題を解決することを目的とする。すなわち、本発明は、発熱によるゴムリングの破損が極めて生じ難い構造を備えるトーショナルダンパを提供することを目的とする。

本発明者はＴＶＤに熱エネルギーが付与された結果、発熱することは避けられないことを前提として、トーショナルダンパの構造に着目した。そして、発熱したとしてもゴムリングの温度が上昇し難いトーショナルダンパの構造について、鋭意検討を重ねた。
その結果、特定の構造を備えるトーショナルダンパは、ゴムリングの温度が上昇し難いことを見出し、本発明を完成させた。

本発明は以下の（i）～（iii）である。
（i）回転軸に固定され、前記回転軸を中心とする円周上に外周面を有するハブと、
前記回転軸を中心する円周上に、前記ハブの前記外周面よりも径が大きい内周面を有する環状の振動リングと、
前記ハブの前記外周面と前記振動リングの前記内周面との間に圧縮状態で存在し、ＥＰＤＭを主成分とするゴム組成物からなり、表面温度が６０±５℃のときの損失係数（ｔａｎδ）が０．１８以上であるゴムリングと、
を備え、
共振点追跡法に供した場合に、共振点での連続加振時における前記ゴムリングの表面到達最高温度（Ｔmax）と、嵌合径（ｄ）とが、
式（１）：Ｔmax≦－０．３ｄ＋１３８．４
式（２）：６８≦ｄ
を満たす、トーショナルダンパ。
（ii）共振点追跡法に供した場合に、共振点での連続加振時における前記ゴムリングの表面到達最高温度（Ｔmax）と、嵌合径（ｄ）とが、
さらに、
式（３）：Ｔmax≧－０．３ｄ＋９６．０
を満たす、上記（i）に記載のトーショナルダンパ。
（iii）前記式（２）が
式（２´）：６８≦ｄ≦２３０
を満たす、上記（i）または（ii）に記載のトーショナルダンパ。

本発明によれば、発熱によるゴムリングの破損が極めて生じ難い構造を備えるトーショナルダンパを提供することができる。

本発明のトーショナルダンパの実施態様を例示した概略斜視図である。図１に示したトーショナルダンパの概略断面斜視図である。図１に示したトーショナルダンパの製造方法を説明するための概略断面斜視図である。共振点追跡法に供したトーショナルダンパの概略断面斜視図である。共振点追跡法を行った場合のゴムリングの表面温度の例を示すグラフである。嵌合径（ｍｍ）とゴムリング表面到達最高温度（Ｔmax）との関係を示すグラフである。

＜トーショナルダンパの例示＞
本発明について説明する。
本発明は、回転軸に固定され、前記回転軸を中心とする円周上に外周面を有するハブと、前記回転軸を中心する円周上に、前記ハブの前記外周面よりも径が大きい内周面を有する環状の振動リングと、前記ハブの前記外周面と前記振動リングの前記内周面との間に圧縮状態で存在し、ＥＰＤＭを主成分とするゴム組成物からなり、表面温度が６０±５℃のときの損失係数（ｔａｎδ）が０．１８以上であるゴムリングと、を備え、共振点追跡法に供した場合に、共振点での連続加振時における前記ゴムリングの表面到達最高温度（Ｔmax）と、嵌合径（ｄ）とが、式（１）：Ｔmax≦－０．３ｄ＋１３８．４、式（２）：６８≦ｄを満たす、トーショナルダンパである。
このようなトーショナルダンパを、以下では「本発明のトーショナルダンパ」ともいう。

初めに、本発明のトーショナルダンパを、図１、図２を用いて説明する。
図１は、本発明のトーショナルダンパの実施態様を例示した概略斜視図であり、図２は図１に示したトーショナルダンパの概略断面斜視図である。

図１、図２に例示する実施態様のトーショナルダンパ１は、車両等のエンジンのクランクシャフトの先端に取り付けて用いることができる。トーショナルダンパ１は、クランクシャフトの捩り共振を吸収し、また、エンジンの振動、騒音を抑制する機能を備える。さらに、クランクシャフトの回転をベルトを介して補器へ動力を伝達する駆動プーリー（クランクプーリー）としての役割をも果たす場合もある。

トーショナルダンパ１はハブ３と、振動リング５と、ゴムリング７とを有する。

ハブ３は、ボス部３１、ステー部３３およびリム部３５からなる。
ボス部３１は、ハブ３における径方向の中央部に設けられている。ボス部３１がクランクシャフト（回転軸）の先端に固定され、ハブ３が回転軸Ｘを中心に回転駆動する。
ステー部３３は、ボス部３１から径方向に伸びている。
リム部３５は、ステー部３３の外周側に設けられている。リム部３５は円筒状であり、リム部３５の外周側にゴムリング７を介して振動リング５が連結される。
リム部３５の外周面は、回転軸Ｘを中心とする円周上に存在している。

ボス部３１、ステー部３３およびリム部３５の各々は、鋳鉄等の金属材料等を原料として用いて成形することができる。
また、ボス部３１、ステー部３３およびリム部３５の各々は、特に、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、自動車構造用熱間圧延鋼板等からなることが好ましい。片状黒鉛鋳鉄の例としては、FC100、FC150、FC200、FC250、FC300、FC350等を挙げることができる。球状黒鉛鋳鉄の例としては、FCD350-22、FCD350-22L、FCD400-18、FCD400-18L、FCD400-15、FCD450-10、FCD500-7、FCD600-3、FCD700-2、FCD800-2、FCD400-18A、FCD400-18AL、FCD400-15A、FCD500-7A、FCD600-3A等を挙げることができる。自動車構造用圧延鋼板の例としては、SAPH310、SAPH370、SAPH410、SAPH440等を挙げることができる。

振動リング５は、ハブ３の径方向外側に配置されている。振動リング５の内周面はハブ３の外周面よりも径が大きい。この内周面は、クランクシャフト（回転軸Ｘ）を中心とする円周上に存在している。
また、振動リング５の外周面にベルトが掛かるプーリ溝５１が設けられている。プーリ溝５１は動力伝達用のプーリとして機能する。

振動リング５は鋳鉄等の金属材料等を原料として用いて成形することができる。
また、振動リング５は片状黒鉛鋳鉄からなることが好ましい。片状黒鉛鋳鉄は振動を吸収する能力が優れており、耐摩耗性にも優れているためである。片状黒鉛鋳鉄の例としては、FC100、FC150、FC200、FC250、FC300、FC350等を挙げることができる。

ゴムリング７は、ハブ３の外周面と、振動リング５の内周面との間隙部に挿入されている。ゴムリング７は車両等の走行中に発生するクランクシャフトの捩じれ振動を低減させて破損を防止したり、エンジン振動の騒音や振動を低減したりする役割を果たす。

ゴムリング７は、エチレン・プロピレン・ジエン三元コポリマー（ＥＰＤＭ）を主成分とし、その他に好ましくはカーボンブラックやプロセスオイルを含むゴム組成物を、例えば従来公知の方法によって円筒形等に加硫成形することによって得ることができる。
ゴム組成物は配合量としてＥＰＤＭを１０～６０質量以上含むことが好ましく、１５～５５質量％含むことがより好ましく、２０～５０質量％含むことがより好ましく、３０～５０質量％含むことがさらに好ましい。
また、ＥＰＤＭ１００質量部に対してカーボンブラックが４０～１３０質量部であることが好ましく、５０～１００質量部であることがより好ましく、６０～８０質量部であることがさらに好ましい。
ここでゴム組成物は、亜鉛華、ステアリン酸、老化防止剤、過酸化物、架橋剤等を含んでもよい。

ゴムリング７は、表面温度が６０±５℃のときの損失係数（ｔａｎδ）が０．１８以上であり、０．１８～０．４０であることが好ましく、０．１９～０．３５であることがより好ましく、０．２０～０．２８であることがさらに好ましい。

ここで、表面温度が６０±５℃のときの損失係数（ｔａｎδ）は、高周波振動試験機による共振点追跡法（固有振動数測定）によって測定して得られる値を意味するものとする。なお、共振点追跡法による測定は、以下の条件において行うものとする。
・加振振幅：±０．０５ｄｅｇ
・加振時位相：－９０ｄｅｇ
・雰囲気温度：２３±３℃
・ゴム表面測定方法：非接触式表面温度計

＜製法＞
このような本発明のトーショナルダンパを製造する方法は特に限定されない。
例えば次のような方法によって製造することができる。
初めに、図３に示すようなハブ３０および振動リング５０を用意し、ここへスプレー等の手段によってトルク向上液を塗布する。トルク向上液として、主としてシランカップリング剤をトルエン、キシレン等の炭化水素溶液（溶媒）に溶解させた溶液を用いることができる。トルク向上液はハブ３０および振動リング５０におけるゴムリング７０と接触する部位、すなわち、振動リング５０における内周面と、ハブ３０のリム部の外周面に塗布することが好ましい。
そして、図３に示すように、ハブ３０と振動リング５０との隙間（間隙部８０）へ、嵌合液を塗布したゴムリングを、プレス機等の圧入治具等を用いて圧入する。ここでゴムリング７０の厚さよりも、間隙部８０の隙間の幅の方が狭いことが好ましい。具体的にはゴムリング７０の厚さ／隙間部８０の隙間の幅が０．６～０．９程度であることが好ましい。
本発明のトーショナルダンパにおいてゴムリングは、ハブの外周面と振動リングの内周面との間に圧縮状態で存在する。

＜ゴムリングの温度に影響を与えるトーショナルダンパの構造の検討＞
本発明者は、振動リング肉厚（ａ）、嵌合幅（ｂ）、ゴム厚（ｃ）、嵌合径（ｄ）、ハブ嵌合部肉厚（ｅ）が異なる様々な構造のトーショナルダンパを用意し、ゴムリングの温度への影響を検討した。

ここで振動リング肉厚（ａ）は、図４に示すように、振動リング５の径方向（回転軸Ｘに垂直な方向）における厚さを意味する。図２に示した態様のように、振動リング５の径方向において振動リング肉厚（ａ）が一定ではない場合、無作為に選んだ１０点において振動リング５の径方向の厚さを測定し、それらを平均して得た値を振動リング肉厚（ａ）とする。

嵌合幅（ｂ）は、図４に示すように、ハブ３のリム部３５における回転軸Ｘ方向における長さを意味する。回転軸Ｘ方向において嵌合幅（ｂ）が一定ではない場合、ハブ３のリム部３５の回転軸Ｘ方向における最も長い部分の長さを嵌合幅（ｂ）とする。

ゴム厚（ｃ）は、図４に示すように、ゴムリング７の径方向（回転軸Ｘに垂直な方向）における厚さを意味する。図２に示した態様のように、ゴムリング７の径方向においてゴム厚（ｃ）が一定ではない場合、無作為に選んだ１０点においてゴムリング７の径方向における厚さを測定し、それらを平均して得た値をゴム厚（ｃ）とする。

嵌合径（ｄ）は、図４に示すように、ハブ３におけるリム部３５の外周面の直径を意味する。また、嵌合径（ｄ）はリム部３５の外周面の直径（外径）のうち、最も短い径を意味するものとする。したがって、図２に示す態様のように、リム部３５が回転軸Ｘ方向に対して蛇行している場合、その外周面における最も回転軸Ｘに近い点（図２の場合であれば回転軸Ｘ方向における中心点）における直径を意味するものとする。

ハブ嵌合部肉厚（ｅ）は、図４に示すように、ハブ３におけるリム部３５の径方向（回転軸Ｘに垂直な方向）における厚さを意味する。ここでハブ嵌合部肉厚（ｅ）は、リム部３５におけるステー部３３と結合している部分以外の厚さを意味する。また、図２に示した態様のように、回転軸Ｘに垂直な方向においてハブ嵌合部肉厚（ｅ）が一定ではない場合、回転軸Ｘに垂直な方向において、無作為に選んだ１０点においてリム部３５の径方向における厚さ（ステー部３３と結合している部分を除く）を測定し、それらを平均して得た値をハブ嵌合部肉厚（ｅ）とする。

本発明者は、図４に示した態様であって、振動リング肉厚（ａ）、嵌合幅（ｂ）、ゴム厚（ｃ）、嵌合径（ｄ）、ハブ嵌合部肉厚（ｅ）が異なる様々な構造のトーショナルダンパを用意し、各々のトーショナルダンパを前述の共振点追跡法に供し、その際のゴムリングの表面到達最高温度（Ｔmax）を測定した。なお、共振点追跡法によるゴムリングの表面到達最高温度（Ｔmax）測定は、以下の条件において行うものとする。
・加振振幅：±０．０５ｄｅｇ
・加振時位相：－９０ｄｅｇ
・試験時間：ゴムリングの表面温度がサチレートするまで
・雰囲気温度：２３±３℃
・ゴム表面測定方法：非接触式表面温度計

このような共振点追跡法を行いながら、トーショナルダンパのゴムリングの表面温度を非接触式表面温度計を用いて測定した。
測定結果の例を図５に示す。
図５に示すように、ゴムリングの表面温度（図５の縦軸）は試験開始から徐々に上昇し、３０分程度が経過するとサチレートする。
サチレートしたときのゴムリングの表面温度を、その構造のトーショナルダンパにおけるゴムリングの表面到達最高温度（Ｔmax）とした。

本発明者は、上記のようにして、振動リング肉厚（ａ）、嵌合幅（ｂ）、ゴム厚（ｃ）、嵌合径（ｄ）、ハブ嵌合部肉厚（ｅ）が異なる様々な構造のトーショナルダンパについて共振点追跡法に供し、その際のゴムリングの表面到達最高温度（Ｔmax）を測定した。
そして、ゴムリングの表面到達最高温度（Ｔmax）は、嵌合径（ｄ）に強く依存し、図６に示す領域において、ゴムリングの温度が上昇しないことを見出した。
その領域を式で表すと、以下の通りとなる。
式（１）：Ｔmax≦－０．３ｄ＋１３８．４
式（２）：６８≦ｄ

なお、図６におけるプロットは、上記の共振点追跡法を行って実測した嵌合径（ｄ、単位はｍｍ）とゴムリングの表面到達最高温度（Ｔmax、単位は℃）との関係を示すデータである。そのデータを表１に示す。

図６に示すように、式（１）および式（２）で表される領域は、ゴムリングの表面到達最高温度（Ｔmax）が１２０℃よりも低くなる。ここで、本発明で用いるゴムリングは、ＥＰＤＭを主成分とするゴム組成物からなり、表面温度が６０±５℃のときの損失係数（ｔａｎδ）が０．１８以上であるゴムリングであるが、このようなゴムリングは表面到達最高温度（Ｔmax）が１２０℃以下であると破損し難い。

そして、図６に示すプロットの位置から判断すると、式（３）：Ｔmax≧－０．３ｄ＋９６．０を満たす場合であれば、ゴムリングの表面到達最高温度（Ｔmax）は十分に低く、破損する恐れはないと考えられる。したがって、本発明のトーショナルダンパは、式（３）を満たすことが好ましい。

また、嵌合径（ｄ）は式（２）より６８ｍｍ以上であるが、２３０ｍｍ以下であることが好ましく、２００ｍｍ以下であることがより好ましく、１９０ｍｍ以下であることがより好ましく、１８０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。

以上に詳述した本発明のトーショナルダンパは、発熱によるゴムリングの破損が極めて生じ難い。
従来、ゴムリングの材質を調整することでゴムリングの発熱を抑制する提案（例えば特許文献１に記載のトーショナルダンパ）は存在した。
しかし、本発明のように、トーショナルダンパの構造、具体的には、リム部の外周面の直径（嵌合径）を調整することで、ゴムリングの発熱を抑制するという技術的思想は存在していなかった。
本発明は、当該技術的思想を示したうえで、さらにゴムリングの発熱を抑制することができる領域を具体的な数式で示したこと等において、当業者が容易に想到できる発明ではないと言える。

１トーショナルダンパ
３、３０ハブ
３１ボス部
３３ステー部
３５リム部
５、５０振動リング
５１プーリ溝
７、７０ゴムリング
Ｘ回転軸

この出願は、２０１９年１２月２０日に出願された日本出願特願２０１９－２３０１６８を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。

Claims

回転軸に固定され、前記回転軸を中心とする円周上に外周面を有するハブと、
前記回転軸を中心とする円周上に、前記ハブの前記外周面よりも径が大きい内周面を有する環状の振動リングと、
前記ハブの前記外周面と前記振動リングの前記内周面との間に圧縮状態で存在し、ＥＰＤＭを主成分とするゴム組成物からなり、高周波振動試験機によって、加振振幅：±０．０５ｄｅｇ、加振時位相：－９０ｄｅｇ、雰囲気温度：２３±３℃の条件で共振点追跡法（固有振動数測定）によって測定して得た、非接触式表面温度計によって測定される表面温度が６０±５℃のときの損失係数（ｔａｎδ）が０．１８以上であるゴムリングと、
を備え、
高周波振動試験機によって、加振振幅：±０．０５ｄｅｇ、加振時位相：－９０ｄｅｇ、雰囲気温度：２３±３℃の条件で、前記ゴムリングの非接触式表面温度計によって測定される表面温度が６０±５℃に達するまで行う共振点追跡法（固有振動数測定）に供した場合に、共振点での連続加振時における前記ゴムリングの表面到達最高温度（Ｔmax）［℃］と、前記ハブにおけるリム部の前記外周面の直径を意味する嵌合径（ｄ）［ｍｍ］とが、
式（１）：Ｔmax≦－０．３ｄ＋１３８．４
式（２）：６８≦ｄ≦２３０
式（３）：Ｔmax≧－０．３ｄ＋９６．０
を満たす、トーショナルダンパ。