JPH06280886A - 継手アセンブリ - Google Patents

継手アセンブリ

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JPH06280886A
JPH06280886A JP5213792A JP21379293A JPH06280886A JP H06280886 A JPH06280886 A JP H06280886A JP 5213792 A JP5213792 A JP 5213792A JP 21379293 A JP21379293 A JP 21379293A JP H06280886 A JPH06280886 A JP H06280886A
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joint
assembly
engine
crankshaft
flexible joint
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ジー.クロフツ ジョン
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ギアトレインのギア歯にかかる応力集中を緩
和し、エンジンの低い回転数における過度のたわみを防
止することによって、継手の損傷を防止し、耐用年数を
延長する。 【構成】 エンジン継手アセンブリ10に含まれるの
は、フライホイールハウジング12、内燃機関の回転エ
ンジンクランクシャフト116のフライホイール端11
7、低慣性フライホイール15、オプションのリングギ
ア16、駆動エレメント18、駆動エレメント歯17、
保持リング19、たわみ継手20、被駆動エレメント2
2、被駆動エレメント歯23及び出力シャフト24であ
る。例えば、低慣性フライホイール15は、駆動エレメ
ント18と接続し、エンジンクランクシャフト116の
フライホイール端117は、駆動エレメント18に強固
に接続し、出力シャフト24は被駆動エレメント22と
強固に接続している。駆動エレメント18及び被駆動エ
レメント22はたわみ継手20を介して相互作用してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は一般的には、エンジン継
手に関し、さらに詳細には、クランクシャフト端部とド
ライブトレインとの間の接続部にあって応力を減少させ
るための改良された、低慣性継手アセンブリに関する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関のクランクシャフトの作動端か
ら被駆動シャフトへ回転力を伝達するための継手アセン
ブリが先行技術において良く知られている。該継手アセ
ンブリは、通常高慣性フライホイールが、クランクシャ
フトの作動端と被駆動シャフトとを相互連結するたわみ
継手(フレキシブルカップリング)と結合して構成され
ている。該たわみ継手は、エラストマー物質で成形され
た弾性部材を含みうる。該継手は、最も典型的にジーゼ
ルエンジンにおいて使用され、高慣性フライホイールの
主な目的は、クランクシャフトの作動端によって発生さ
れるトルクの振幅を円滑に出力することである。該フラ
イホイールの第二の目的は、エンジンのスタータモータ
ーの出力ギアに噛み合うリングギア用のマウントを提供
することである。先行技術のアセンブリ内に使用される
該たわみ継手は、クランシャフトの作動端と被駆動シャ
フトとの機械的相互連結の役割をするのみならず、継手
に使用されているエラストマー物質により得られる可撓
性が、クランシャフトと被駆動シャフトとの間に他の方
法では発生しうる衝撃トルクの振動を効果的に抑制する
ものである。この様な望ましくない衝撃トルクは、例え
ば、被駆動シャフトが、カルダン型シャフトである場合
等に起こりうる、そして、この様なたわみ継手に用いら
れるエラストマー物質は、このようなシャフトを駆動す
る継手を、損傷することなくその寿命を最大にすること
ができる。
【0003】そのような先行技術の継手アセンブリは、
過去においては、満足な性能を有していたが、、出願人
は、年々ディーゼルエンジンの出力が増加するにつれ、
そのような継手の性能に多くの欠点を見出した。例え
ば、先行技術のフライホイールにともなう比較的大きな
慣性力(典型的には、約500〜2000馬力のエンジ
ンにおいては、150〜400lbs* ft2 )は、ク
ランクシャフトねじり振動の第一のモードにおける節
(ノード)をフライホイールそのものの近傍に位置させ
る傾向があることに、出願人は気付いた。そのような位
置は、クランクシャフト自由端が受けるねじり振動の振
幅を最大化する効果を有する。そのようなディーゼルエ
ンジンのクランクシャフトの自由端は、典型的には、タ
イミングギアトレインや車両付属駆動装置等の如き付属
的駆動トレインに接続されていることから、クランクシ
ャフト自由端のねじり移動の比較的大きな振幅は、この
ギアトレイン内に該ギアトレインのクランク先端ピニオ
ンの歯に関しては特に激しいものである、望ましくない
応力を発生させる。
【0004】出願人は、さらに、そのような先行技術継
手に用いられるフライホイールの比較的大きな質量の結
果生ずる3つの他の重大な問題を見出した。これら3つ
のうち第一のそしてもっとも重要な問題は、クランクシ
ャフトの自由端によって駆動されるギアトレインのギア
歯のうちの単に数本の歯のみに強烈な応力が集中するこ
とである。ねじり振動のクランクシャフトモード(又は
第2のシステムモード)の固有振動数は、クランクシャ
フトが、比較的低いエンジンオーダ(例えば、3、6又
は8スロウディーゼルクランクにおける、それぞれ、第
2、第3又は第4オーダの如き、)によって励振される
事態を引き起こす。このため、8スロウクランクの場合
においては、第4のエンジンオーダによる、先行技術の
フライホイールアセンブリのエンジン内のねじり振動の
クランクシャフトモードの励振は、ギアホイールの一回
転毎に、同じ4本の歯(90°離れて位置している)が
非常に高いねじり振動応力を受けるという結果をもたら
す。しばらくの後に、これらの応力はこれら4つのギア
歯を破損させ、これによって、ギアホイールの高価で、
時間のかかる交換が必要となる。そのような先行技術の
継手に高慣性フライホイールを用いることにともなう第
2の問題は、例えば、15〜20ヘルツの範囲の振動数
等の、カップリングモード(第1のシステムモード)に
もたらす、比較的低い振動数である。これらの振動数
は、エンジンの運転回転数範囲における大部分の励振オ
ーダを回避が、エンジンは、起動する間、カップリング
共振速度を通り抜けなければならなず、そのような低振
動数における過度のたわみによって、継手が破損しうる
ものである。
【0005】第3の問題は、この低カップリングモード
振動数が、エンジンの上側の回転速度範囲内に半分のオ
ーダの共振速度を入れる場合に発生する。ミスファイヤ
ーを起こしたシリンダー又は強度なガバナー動作が、こ
れらの条件下で継手に損傷又は破損を発生させる高レベ
ルの半オーダの励振を引き起こす。
【0006】そのような高慣性フライホイールを用いる
ことに伴う他の問題点は、平衡を失わせたり、そのよう
なフライホイールがそれを支持するクランクシャフトに
曲げモーメントを付与することを含み、さらに、エンジ
ンにおける重い機械要素の精密な製造と装備に必要な出
費を含む。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】明らかに、そのような
アセンブリにおける高慣性フライホイールの使用に伴う
欠点及び問題点を解決する改良された継手アセンブリが
望まれていた。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、フライホイー
ルの近傍に第1のクランクシャフトモードの節を位置さ
せる事態を発生させる、高慣性フライホイールを採用し
た先行技術の継手アセンブリに伴う全ての問題を解決す
る、又は、少なくとも改良する装置及び方法を提供す
る。特に、本発明の改良された継手アセンブリは、ねじ
り振動の最初のクランクシャフトモードの節が、クラン
クフトの中央近傍に位置するように、質量を選択した低
慣性フライホイールを採用しており、このことは、クラ
ンクシャフトの自由端におけるねじりたわみの振幅を減
少させるのみならず、継手アセンブリを励振する主要な
エンジンオーダを整数オーダから半数−オーダに変化さ
せるものである。これら2つは、クランクシャフトの自
由端と、その端部に接続する駆動トレインとの接触面
(インターフェース)における応力を非常に減少させる
効果を奏する。例えば、この接触面がタイミングギアの
ギア歯によって画定されている場合、ねじり振動の第1
の励振オーダを一つのオーダの少なくとも半分だけ変化
することで、ギアの歯にかかるピーク応力を少なくとも
半分だけ減少し、そして、これらの応力を少なくとも2
倍の数のギア歯に分散する、そのため、タイミングギア
の耐用年数を大きく延長しうる。
【0009】請求項1に記載の本発明は、(1)内燃機
関の回転クランクシャフトの第一端部から被駆動シャフ
トに回転力を伝達するために用いられ、該クランクシャ
フトは、複数のオーダーのねじり振動を受けると共に、
駆動トレインに係合された第二の端部を有している、継
手アセンブリであって、ねじり振動の第1のクランクシ
ャフトモードの節が、該クランクシャフトの軸に沿った
中央近傍に位置するように選択された質量を有し、それ
によって、クランクシャフトの第2の端部におけるねじ
りたわみの振幅と該第2の端部と該駆動トレインの間の
応力とを減少させるようにした低慣性フライホイール手
段を含む改良された継手アセンブリに関する。
【0010】さらに、(2)前記駆動トレインが歯を有
するギアを含み、前記低慣性フライホイール手段が、前
記ギアの歯にかかるピーク応力を少なくとも半分にし、
該応力が2倍のギア歯にかかるように、前記内燃機関に
関連する第1のねじり振動励振オーダーを、一オーダー
の少なくとも二分の一だけ変化させる前記(1)記載の
継手アセンブリに関する。
【0011】(3)さらに、前記低慣性フライホイール
手段が、ガバナーの作動及びエンジンの作動不良に関連
するねじり振動の0.5オーダよりも実質的に高い状態
に継手アセンブリの固有振動数を増加させる、たわみ継
手を含む前記(1)記載の継手アセンブリ。
【0012】(4)前記たわみ継手が、駆動部材と被駆
動部材と該駆動及び被駆動部材を相互接続するためのエ
ラストマー部材とを含む前記(3)記載の継手アセンブ
リ。
【0013】(5)さらに、前記エラストマー部材を異
なる硬度特性を有する他の前記エラストマー部材に容易
に交換するための手段を含む継手アセンブリの、モード
を調整する手段を含む前記(4)記載の継手アセンブ
リ。
【0014】(6)前記たわみ継手が剪断防止継手であ
り、容易に交換するために、前記モード調整手段が、前
記たわみ継手から前記エラストマー部材を解放するため
の、手動で取外し可能な保持リングを含む前記(5)記
載の継手アセンブリ。
【0015】(7)前記被駆動シャフトがフローティン
グシャフトであり、前記たわみ継手が、さらに、該フロ
ーティングシャフトの一端を該たわみ継手に同心円状に
保持するためのセンタリングリング手段を含む前記
(6)記載の継手アセンブリ。
【0016】(8)前記センタリングリング手段の一エ
ッジが前記保持リングに接続され、前記センタリングリ
ングが前記被駆動部材を取り囲んでいる前記(7)記載
の継手アセンブリ。
【0017】(9)さらに、前記被駆動シャフトの一端
を回転可能に支持するためのベアリングアセンブリを含
む前記(3)記載の継手アセンブリ。
【0018】(10)さらに、前記低慣性フライホイー
ル手段と前記たわみ継手とを収容するためのハウジング
を含み、前記ベアリングアセンブリが該ハウジングに接
続されている前記(9)記載の継手アセンブリ。
【0019】(11)内燃機関の回転クランクシャフト
の第一端部から被駆動シャフトに回転力を伝達するため
に用いられる高慣性フライホイール手段を含むタイプ
が、該フライホイール手段の質量が、ねじり振動の第1
のクランクシャフトモードの節が、該フライホイール手
段近傍に位置するようにされ、該クランクシャフトは、
複数のオーダのねじり振動を受けると共に、第一の被駆
動ギアを有する付属的な駆動トレインに係合された第二
の端部を有する継手アセンブリであって、ねじり振動の
第1のクランクシャフトモードの節が、該クランクシャ
フトの回転軸に沿った中央近傍に位置するように選択さ
れた質量を有し、それによって、前記ギアの歯に関連す
るピーク応力を少なくとも半分にし、該応力が2倍の数
のギア歯にかかるように、クランクシャフトの第2の端
部におけるねじりたわみの振幅を減少させ、内燃機関に
関連する主なねじり振動の励振オーダを、一つのオーダ
の少なくとも二分の一増加させるようにした低慣性フラ
イホイール手段を含むように改良された継手アセンブ
リ。
【0020】(12)さらに、前記低慣性フライホイー
ル手段が、エンジンの起動及びエンジンの作動不良に伴
うねじり振動の0.5オーダよりも実質的に高いレベル
に継手アセンブリの固有振動数を増加させる、たわみ継
手を含む前記(11)記載の継手アセンブリ。
【0021】(13)前記たわみ継手が、駆動部材と被
駆動部材と該駆動及び被駆動部材を相互接続するための
エラストマー部材とを含む前記(12)記載の継手アセ
ンブリ。
【0022】(14)前記たわみ継手が剪断阻止継手で
あり、前記モード調節手段が、容易に交換するために、
前記たわみ継手から、互いに異なる硬度によって特徴付
けられている、複数のエラストマー部材のうちの選択さ
れた一つを解放するための、手動で取外し可能な保持リ
ングを含む前記(13)記載の継手アセンブリ。
【0023】(15)前記被駆動シャフトがフローティ
ングシャフトであり、前記たわみ継手が、さらに、該フ
ローティングシャフトの一端を該たわみ継手に同心状に
保持するためのセンタリングリング手段を含む前記(1
1)記載の継手アセンブリ。
【0024】(16)さらに、前記被駆動シャフトの一
端を回転可能に支持するためのベアリングアセンブリを
含む前記(11)記載の継手アセンブリ。
【0025】(17)さらに、前記低慣性フライホイー
ル手段と前記たわみ継手とを収容するためのハウジング
を含み、前記ベアリングアセンブリが該ハウジングに接
続されている前記(16)記載の継手アセンブリ。
【0026】(18)前記第一の被駆動ギアがクランク
頂部ピニオンである前記(11)記載の継手アセンブ
リ。
【0027】(19)前記被駆動シャフトが、前記クラ
ンクシャフトと該被駆動シャフトとの間のアラインメン
ト誤差を調整するための、フレックスプレート継手を含
む前記(11)記載の継手アセンブリ。
【0028】(20)内燃機関の回転クランクシャフト
の第一端部から被駆動シャフトに回転力を伝達するため
の高慣性フライホイール手段及びたわみ継手を含む型の
継手アセンブリが、前記内燃機関が起動及びエンジンの
作動不良の間ねじり振動の0.5オーダによって特徴付
けられ、継手アセンブリの固有振動数を、ねじり振動の
該0.5オーダよりも実質的に高いレベルに増加させる
ための低慣性フライホイール手段を含むように改良され
た継手アセンブリ。
【0029】(21)前記たわみ継手が、駆動部材と被
駆動部材と該駆動及び被駆動部材を相互接続するための
エラストマー部材とを含む前記(20)記載の継手アセ
ンブリ。
【0030】(22)さらに、前記エラストマー部材を
異なる硬度性能を有する他の前記エラストマー部材に容
易に交換するための手段を含む継手アセンブリのモード
を調整する手段を含む前記(21)記載の継手アセンブ
リ。
【0031】(23)前記たわみ継手が剪断阻止継手で
あり、前記モード調節手段が、容易に交換するために、
前記たわみ継手から、前記エラストマー部材を解放する
ための、手動で取外し可能な保持リングを含む前記(2
1)記載の継手アセンブリ。
【0032】(24)前記被駆動シャフトがフローティ
ングシャフトであり、前記たわみ継手が、さらに、該フ
ローティングシャフトの一端を該たわみ継手に同心状に
保持するためのセンタリングリング手段を含む前記(2
3)記載の継手アセンブリ。
【0033】(25)内燃機関の回転クランクシャフト
の第一端部と、駆動トレインとの間の応力を減少する方
法であって、フライホイール手段を有する継手アセンブ
リが該クランクシャフトの第二の端部と被駆動シャフト
との間で回転力を伝達し、前記フライホイールの質量
が、第一のクランクシャフトモードの節が、該フライホ
イール手段の近傍に位置するようにされ、クランクシャ
フトの第1の端部におけるねじりたわみの振幅とを減少
させるように、前記節が該クランクシャフトの中央近傍
へ移動されるようにフライホイール手段の質量を調整す
るステップを含む応力減少方法。
【0034】(26)前記フライホイール質量の前記調
整が該フライホイールの質量の減少によって実行される
前記(25)記載の応力減少方法。
【0035】(27)前記フライホイール質量が、元の
フライホイール手段よりも低い質量を有する第2のフラ
イホイールと交換することによって調整される前記(2
6)記載の応力減少方法。
【0036】(28)前記継手アセンブリがたわみ継手
を含み、フライホイールの質量の減少がねじり振動の前
記0.5オーダよりも高いレベルまで継手アセンブリの
固有振動数を増加させる前記(26)記載の応力減少方
法。
【0037】(29)前記継手アセンブリが特定の硬度
によって特徴付けられたエラストマー構成要素を含み、
さらに、該エラストマー構成要素の硬度を調整すること
によって、前記継手アセンブリの固有振動数を調整する
ステップを含む前記(28)記載の応力減少方法。
【0038】(30)前記エラストマー構成要素の前記
硬度が、異なった硬度を有する他のエラストマー構成要
素と交換することによって調整される前記(29)記載
の応力減少方法に関する。
【0039】本発明の改良された継手アセンブリは、好
ましくは、クランクシャフトの作動端を被駆動シャフト
に接続するための弾性機械要素を採用したたわみ継手を
含む。ベアリング支持シャフトが示される図5を参照す
るに、継手アセンブリのこの機械要素の構成は、被駆動
シャフトをカルダン型シャフトとすることを可能にする
ことによって、アセンブリの可変性を向上させる。継手
アセンブリに低慣性フライホイールを用いることは、ガ
バナー作動とエンジンの作動不良に伴う0.5エンジン
オーダよりも実質的に高いレベルへたわみ継手とフライ
ホイールの組み合わせの固有振動数を有利に増加させ、
これによって、エンジンの耐用年数を超える見掛けの励
振の結果として継手破損の可能性を除去するか又は、少
なくとも、非常に小さくする。好ましい実施例におい
て、もし、クランクシャフトと被駆動シャフトのあいだ
の相対的なトルクが、あらかじめ定められた安全レベル
を超えるとたわみ継手は機械的な”ヒューズ”として機
能しうるシェアーブロック(剪断阻止)シャフトであ
る。
【0040】本発明の継手アセンブリは、さらに、たわ
み継手のエラストマー物質を異なる硬度特性を有する別
のエラストマー物質に交換することを容易にするため
に、手動で取外しが可能な保持リングから形成された、
継手アセンブリのモードを同調又は調整するための手段
をも含みうる。
【0041】被駆動シャフトはフローティングシャフト
(浮動シャフト)であってもよい、そして、たわみ継手
は、たわみ継手とフローティングシャフトの一端を同心
状に保持するセンタリングリングをも含みうる。付加的
には、センタリングリングの一エッジは、保持リングに
接続されていてもよく、そして、センタリングリングは
たわみ継手の被駆動メンバーを囲んでいてもよい。その
ようなセンタリングリングの使用は、そのようなフロー
ティングシャフトを正常に回転するように支持するベア
リングアセンブリの一つを不要にしうる。
【0042】かわりとして、本発明の継手アセンブリ
は、一体的に、被駆動シャフトの一端を回転可能に支持
するためのベアリングアセンブリを含みうる、該被駆動
シャフトは、被駆動シャフトの長手方向に沿ったいずれ
かの位置に構成されるべきセパレートベアリングアセン
ブリを不要にするのみならず、継手アセンブリと被駆動
シャフトの一端との間の中心及び、同心円の関係を便利
に確実にする。ハウジングもまた、フライホイールとた
わみ継手とを囲むのみならず、前記の一体的に設けられ
たベアリングアセンブリを良好に支持するものである。
【0043】
【実施例】図1は、本発明が適用できる先行技術のジー
ゼルエンジンを示す。図1に見られるのは、クランクピ
ニオンギア118、ジーゼルエンジン110、エンジン
継手アセンブリ10及び出力シャフト119である。ジ
ーゼルエンジン110は、エンジンのクランクシャフト
116に接続ロッド114を介して接続された4つのピ
ストン112を含む形式の4クランクスローエンジンで
ある。エンジンクランクシャフト116は、自由端11
5とフライホイール端117を有する。4クランクスロ
ージーゼルエンジンが図1に示されるが、しかしなが
ら、任意の数のクランクスロー及びシリンダーを備えた
どのような形式のエンジンにも本発明は用いうる。
【0044】エンジンクランクシャフト116の自由端
115は、クランクピニオンギア118に接続されてい
る。典型的には、クランクピニオンギア118は、タイ
ミングギアトレイン及び/又は車両付属ドライブ(概略
的に影線で示される)を駆動するために用いられる。エ
ンジンクランクシャフト116のフライホイール端11
7は、エンジン継手アセンブリ10に接続されている。
さらにエンジン継手アセンブリ10には、出力シャフト
119が接続されている。
【0045】図1において、エンジン継手アセンブリ1
0はフライホイール130、駆動エレメント18、駆動
エレメント歯17、たわみ継手20、被駆動エレメント
22及び被駆動エレメント歯23を含む。これらの機械
要素及びこれらのオペレーション(作動)との関係は、
次のエンジン継手アセンブリ10の好ましい実施例を示
す図2に基づき詳細に記述される。
【0046】図1は比較的重いフライホイール130が
継手アセンブリ10の一部分をなす先行技術を表す。該
先行技術において該継手アセンブリ10とともに用いら
れる重いフライホイールは、約150〜400lbs*
ft2 という比較的大きな慣性力を有する。このような
高慣性フライホイール130を用いる第一の目的は、エ
ンジンクランクシャフト116のフライホイール端11
7によって発生したトルクの振幅を円滑に出力すること
である。先行技術のフライホイールの大きな慣性は、し
かしながら、クランクシャフトのねじり振動の最初のモ
ードの節(ノード)(約0のねじり振動振幅の位置)を
引き起こす。該最初のモードは、ねじり振動の第二のシ
ステムモードと均等であり、図1においては、エンジン
クランクシャフト116のフライホイール端117に近
く、該フライホイールの近傍に位置される。結果とし
て、エンジンクランクシャフト116の自由端115が
受けるねじり振動の振幅は最大となる。エンジンクラン
クシャフト116の自由端115におけるねじり振動の
大きな振幅は、クランクピニオンギア118の歯に望ま
しくない応力をかける。さらに、この応力は、クランク
ピニオンギア118を介してタイミングギアトレイン又
は車両付属ドライブに伝達され、それによってこれら機
械要素の寿命を減少させる。
【0047】図2は、本発明のエンジン継手アセンブリ
10の好ましい実施例を示す。エンジン継手アセンブリ
10に含まれるのは、フライホイールハウジング12、
エンジンクランクシャフト116のフライホイール端1
17、低慣性フライホイール15、オプションのリング
ギア16、駆動エレメント18、駆動エレメント歯1
7、保持リング19、たわみ継手20、被駆動エレメン
ト22、被駆動エレメント歯23及び出力シャフト24
である。この構成において、出力シャフト24は、2ベ
アリングのシャフトであってもよい。例えば、出力シャ
フト24は、互いに及び継手アセンブリ10から離間さ
れた2つのベアリング(図示せず)によって支持されて
いてもよい。
【0048】図2に示される如く、低慣性フライホイー
ル15は、駆動エレメント18と接続している。エンジ
ンクランクシャフト116のフライホイール端117
は、駆動エレメント18に強固に接続し、出力シャフト
24は被駆動エレメント22と強固(リジッド)に接続
している。駆動エレメント18及び被駆動エレメント2
2はたわみ継手20を介して相互作用しており、それは
図3により明確に示されている。たわみ継手20は、以
下にさらに詳細に記載されるように、保持リング19に
よって定位置に保持されている。オプションのリングギ
ア16は、駆動エレメント18及びエンジンクランクシ
ャフト116を介して、エンジン110にクランキング
を行わせるように、低慣性フライホイール15と接続し
うる。フライホイールハウジング12は、低慣性フライ
ホイール15及びたわみ継手20の両方を納めているこ
とが好ましい。
【0049】運転において、エンジンクランクシャフト
116は、回転力を駆動エレメントに供給する。駆動エ
レメント18は、たわみ継手20を介して被駆動エレメ
ント22及び出力シャフト24に回転力を供給する。低
慣性フライホイール15の質量は、ねじり振動の第二の
システムモードと均等である、クランクシャフトのねじ
り振動の第一のモードの節がエンジンクランクシャフト
116の概ね中間に位置するように選択される。これ
は、先行技術のフライホイールシステムからの結果であ
るような、フライホイール15近傍のエンジンクランク
シャフト116の端に位置する節とは逆である。例え
ば、凡そ500〜2000馬力のフライホイールを使用
したエンジンに用いられる先行技術のフライホイールシ
ステムは、約150〜400lbs* ft2 の慣性力を
有する。これらの先行技術のフライホイールに伴う比較
的大きな慣性力は、凡そ0の振幅を有するねじり振動の
節を、エンジンクランクシャフトのフライホイールとク
ランクシャフトの接合点近傍に位置させることになる。
さらには、このような大きな慣性力はエンジンクランク
シャフト116の自由端115に最大振幅を有するねじ
り振動をもたらす。
【0050】本発明で採用した低慣性フライホイール
は、先行技術のフライホイールシステムに比較して凡そ
5〜10倍低い、約15〜80lbs* ft2 の慣性力
を有する。出願人は、高馬力のディーゼルエンジンの内
部の機械要素に伴う比較的大きな慣性力によって、高慣
性フライホイールが望ましくなく、そして、事実、高慣
性フライホイールはエンジンの運転に有害であることを
見出した。低慣性フライホイールを用いた結果、自由端
におけるエンジンクランクシャフト116内のねじり振
動の振幅は、少なくとも2のファクターだけ減少する。
このねじり振動振幅の減少は、エンジンクランクシャフ
ト116の自由端115及びそれに接続するドライブト
レイン間の共通領域(インターフェース)における応力
の減少を伴い、該応力の減少によってドライブトレイン
の推定寿命が増加する。特に、エンジンクランクシャフ
ト116の自由端115における振幅を減少することに
よって、クランクピニオンギア118の歯にかかる応力
が大きく減少する。結果として、クランクピニオンギア
118の耐用年数が増加する。クランクシャフトねじり
振動の第一のモードの節の位置がエンジンクランクシャ
フト116の中心に向かって移動することによって、エ
ンジンクランクシャフト116のフライホイール端11
7にかかるねじり応力が減少する、それによって、エン
ジンクランクシャフト116の耐用年数が増加する。
【0051】エンジン継手アセンブリ10としては、A
TR社によって製造されたアトラ−フレックスモデルA
−8(Atra−flex model A−8:商品
名)継手アセンブリを用いうる。商業的に入手可能な継
手は、本発明に使用できるように、入力シャフトと出力
シャフトの間の継手としてではなく、フライホイールア
センブリと出力シャフトとの間の継手とすることができ
るように改造される。この改造は、しかしながら、所望
の低慣性アセンブリが達成できるように、付加的な質量
を付加することなく行われなければならない。
【0052】図3は、図2における3−3の線によるた
わみ継手20の断面図を示す。図3には、たわみ継手2
0、保持リング19、駆動エレメント歯17及び被駆動
エレメント歯23が示されている。図3に見られる如
く、駆動エレメント歯17及び被駆動エレメント歯23
は、たわみ継手20のスロット32内に入っている。保
持リング19は、運転中にたわみ継手20を定位置に保
持するように、たわみ継手20を円周状に取り囲んでい
る。
【0053】運転中は、駆動エレメント歯17は、図2
と共に前述したように、駆動エレメント18を介してエ
ンジンクランクシャフト116に接続する結果として、
たわみ継手20に回転力を加えることになる。この力
は、たわみ継手20を介して被駆動エレメント歯23に
伝達される。結果として、図2と共に前述したように、
力は被駆動エレメント22を介して出力シャフト24に
伝達される。
【0054】保持リング19は、たわみ継手20が、駆
動エレメント歯17及び被駆動エレメント歯23と離れ
ることを防止するために用いられている。運転中は、た
わみ継手20から保持リング19に加えられる遠心力
が、保持リング19を定位置に保持する。しかしなが
ら、継手アセンブリが静止している時は、保持リング1
9は、容易に外すことができ、たわみ継手20の交換も
可能である。交換を容易にするために、たわみ継手20
には、放射方向に向いたスリット303が形成されてお
り、これによって、たわみ継手20は、実際上、継手か
ら解けて、容易に、外すことができ、交換されるもので
ある。
【0055】たわみ継手20は、駆動エレメント歯17
にり与えられた力によってわずかに適合する。たわみ継
手20の弾性特性(例えば、ばね定数)を変化させるこ
とにより、継手の共振振動数の微細な同調が可能とな
る。特別の利点及び本発明を行いうる方法については、
以下に述べる。
【0056】図4をここで参照するに、正確な位置合わ
せを要せず、急速な取替が望まれるような場合における
使用に適したエンジン継手アセンブリ10の別の実施例
が示されている。エンジン継手アセンブリ10の構成は
図2に示される保持リング19が除かれ、センタリング
リング40が付加されたことを除けば、図2と共に前述
されている構成と同じである。センタリングリング40
の付加によって、保持リング19は、もはや必要とされ
ない。たわみ継手20は、ここでは、運転中はセンタリ
ングリング40によって定位置に保持されている。図4
にもっともよく示されるように、センタリングリング4
0は、被駆動エレメント22に強固に接続され、たわみ
継手20を取り囲んでいる。本方法においてセンタリン
グリング40を使用することによって、駆動エレメント
18に対する出力シャフト24の同心性が保たれる。こ
のため、この構成においては、出力シャフト24にはた
だ一つのベアリングを用いるのみでよく、該出力シャフ
ト24は、フローティング(浮動)シャフトとして作用
する。出力シャフト24は可撓性プレートアセンブリ4
01又はギア継手(図示せず)に接続されうる。この継
手の構成は、特に頻繁に急いで取り替えることが要求さ
れ、正確な位置合わせが不要な場合の使用に好適であ
る。特定の使用には、ダイナモメータの駆動及び他のエ
ンジン又は積載試験への適用を含みうる。
【0057】前記エンジン継手アセンブリ10の第3の
実施例が図5に示される。ここでは、インテグラルベア
リング(鋳込み式軸受)アセンブリがエンジン継手アセ
ンブリ中に組み込まれている。ベアリングアセンブリ
は、支持フランジ503、ベアリング505及び被駆動
エレメント22を含む。支持フランジ503は、フライ
ホイールハウジング12に強固に接続され、ベアリング
505を介して被駆動エレメント22を保持している。
該ベアリングアセンブリは、出力シャフト24を回転可
能に保持し、このため、被駆動シャフトの長手方向のど
こかに構成されるべき別のベアリングアセンブリは不要
となる。加えて、該ベアリングアセンブリは、出力シャ
フト24が、エンジン継手アセンブリ10と同心円の状
態で保持されることを保証する。この型のベアリングア
センブリは、典型的には、カルダン型シャフト又は単一
ベアリングジェネレータを駆動するのに使用される。し
かしながら、インテグラルベアリングアセンブリが都合
のよい他の適切なシャフト構成が用いられていてもよ
い。
【0058】図6は、システムモード振動数、エンジン
RPM及びエンジンクランクシャフト116の回転毎に
起こる振動の数を表すエンジン励振オーダとの関係を表
すキャンベル図表又は干渉図表である。グラフのY軸
は、システムモードの固有振動数がヘルツ(hert
z)で表されている。グラフのX軸は、一分間に回転す
るエンジン速度(RPM)が表されている。0.5、
1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5及び6の
エンジン励振オーダがグラフに直線としてプロットされ
ている。
【0059】ねじり振動の最初のシステムモード又は継
手モードの固有共振振動数は、エンジン継手アセンブリ
に用いられている弾性継手の性能によって決定される。
特に、ねじり振動の最初のシステムモードの固有振動数
fは、下記の式(1)によって計算される。
【0060】
【数1】
【0061】ここで、Kは弾性継手のばね定数を、Ie
は下記式(2)によって計算されるシステムの有効慣性
である。
【0062】
【数2】
【0063】ここで、I1 はエンジン構成要素、フライ
ホイール及びそれらに接続される継手構成要素の慣性を
表し、I2 は被駆動継手構成要素、被駆動シャフト及び
被駆動付加の慣性を表す。
【0064】先行技術のフライホイールシステムから導
かれるパラメータを考慮して式(1)及び式(2)を解
くことにより、およそ15〜20ヘルツのねじり振動の
第1のモードの固有共振振動数が得られた。もしも、凡
そ600〜2400RPMの典型的なエンジン運転範囲
を用いた場合、0.5のエンジン励振オーダでは、15
〜20ヘルツの固有振動数で凡そ1800〜2400R
PMを表すであろうことが、図6に示されている。
【0065】該0.5のオーダは、もしもエンジンが円
滑に運転されている場合は、典型的に、有害ではない。
しかしながら、該0.5のオーダは、シリンダーのミス
ファイヤーの結果としてエンジン回転数ガバナーの働き
又はエンジンの不安定な作動によって励振される。もし
もこれが起きると、結果としておこる共振は、急激に弾
性継手を破壊し、修理に高価な費用と時間の消費を要す
る。
【0066】図6を参照するに、もし、第1のシステム
モード共振振動数が、凡そ20ヘルツを超えうる場合、
該0.5オーダモードは、もはや、エンジンの運転範囲
である600〜2400RPMと交わらないことが確認
される。式(1)を参照するに、第1のシステムモード
共振振動数fは、以下の2つの方法のいずれかによって
のみ高められることが確認される:(1)継手のバネ定
数Kを大きくする又は(2)システムの有効慣性を低下
させる、のいずれかの方法である。
【0067】第一の方法である、継手のバネ定数Kを大
きくことは、共振振動数にわずかな変動をもたらすに過
ぎないであろう。この理由としては、バネ定数は、たわ
み継手の利点を保持するために、ある限界内に維持され
なければならないからである。もしも、バネ定数を共振
振動数に好ましい影響を与える点にまで高めた場合、継
手はもはや弾性を有さなくなる。継手の弾性は必須であ
り、そしてこの理由のために、継手のバネ定数を変える
ことによって、継手の固有共振振動数が大きく変更され
ることはできないであろう。
【0068】システムの有効慣性を低下させることによ
る、第1のシステムモード共振振動数を上昇させる第二
の方法は、有効に使用されうる。式(2)から、有効慣
性は、I1 又はI2 の何れかを小さくすることによっ
て、減少させることができることがわかる。しかしなが
ら、I2 は、負荷要素から決定され、通常は、エンジン
製造者によって制御されえない。このため、I1 すなわ
ち、エンジンの構成要素、フライホイール及びそれに接
続する継手の慣性を、低くすることが必要である。本発
明は、先行技術のシステムにおけるこの不備を認識し、
低慣性フライホイール及び継手アセンブリを用いること
によりこの問題を解決した。本発明のシステムにおいて
は、第1のシステムモードの共振振動数が、凡そ22〜
25ヘルツまで上昇され、このため、エンジンの全体の
運転範囲にわたって前記0.5オーダモードを避けられ
る。これは、前記式(1)及び(2)から決定されるよ
うに、システムの慣性が凡そ22〜25ヘルツの振動数
fとなるようにフライホイールアセンブリの質量を選択
することによって達成される。さらには、本発明は、弾
性継手のバネ定数を上昇させる第一の方法を、共振振動
数を微調整するために用いうる。バネ定数をわずかに変
化させることによって、たわみ継手の利点を損なうこと
なく共振振動数に小さい変化をもたらすことができ、こ
れによって、継手共振振動数の微調整が可能になる。こ
の改良された継手アセンブリによって、前記0.5オー
ダが、エンジン全体の定常運転範囲を横切ることが防止
される。このため、前記0.5オーダが励振するエンジ
ンの不安定な作動による継手の損傷を本発明によって完
全に取り除くことができる。
【0069】本発明の第3の利点は、図6及び図7を参
照することによって確認されうる。フライホイール15
の質量を減少させることにより、主なエンジンオーダ
が、整数のオーダから端数のオーダ、好ましくは、0.
5の奇数の集合、例えば、0.5、1.5、2.5、
3.5等に変化させる。第1のエンジンの振動オーダ
は、4スロウクランク、6、8及び12スロウクランク
各々に対して第2、第3、第4及び第6のオーダを含
む。第1のエンジン振動オーダを変化させるとは、エン
ジンクランクシャフト116の自由端115における応
力を、クランクピニオンギア118の多くのギア歯に、
少なくとも2倍に分配するため、特に有益である。クラ
ンク中央の節に起因するねじり振動振幅の減少にともな
って、これは、クランクピニオンギア118のギア歯に
かかる応力を少なくとも4倍だけ減少させる。
【0070】例えば、図6を参照するに、もしも、エン
ジンが1800RPMの同期速度で運転された場合、そ
して、クランクシャフトのねじり振動(振動の第二のシ
ステムモード)の第一のモードが120ヘルツの固有振
動数を有している場合、エンジンは、第4オーダの振動
を経験するであろう。これは、エンジンクランクシャフ
ト116の1回転毎に90°離れた、正確な4個の振動
のパルスを引き起こす。それぞれの振動パルスは、各回
転のあいだ正確に同じ位置(0、90、180及び27
0°)で起こりうる。これは、各回転のあいだ、望まし
くない振動応力を同じギア歯状に集中させる事態を起こ
し、これらのギア歯の損傷を促進する。しかしながら、
本発明は、エンジンフライホイール15の質量を減少さ
せることによって。エンジンオーダを、整数オーダから
半分のオーダに変化させる。結果として、前記実施例の
第4のオーダが3.5及び4.5に変化する。この結
果、エンジンクランクシャフト116の1回転毎の振動
パルスはそれぞれ3.5及び4.5になる。同じギア歯
上に振動パルスが発生する前に、ここでは2回転が必要
となる、これによって、応力は2倍のギア歯に分散され
ることになる。3.5の第一のエンジン励振オーダによ
って、振動パルスは凡そ102.9°(360°の回転
毎に3.5パルスであるすなわち102.9°毎に1パ
ルス)毎に発生する。4.5の第一のエンジン励振オー
ダによって、振動パルスは80°(360°の回転毎に
4.5パルスであるすなわち80°毎に1パルス)毎に
発生する。この結果生ずる2倍のギア歯にわたる応力の
分散により、構成部品の寿命がより長くなる。
【0071】本発明のもたらす該0.5オーダの変化
は、図7中にさらによく表される。図7は、先行技術の
フライホイールに近接する節及び本発明によるクランク
中央の節の、4、6及び8スロウクランクシャフトのエ
ンジンオーダを描写する。例えば、先行技術のフライホ
イールシステムを採用した8スロウクランクシャフトで
は、ねじり振動節は、フライホイールに又はその近傍に
発生するが、第4及び第8オーダにねじり振動の突出が
もたらされる。結果として、クランクピニオンギア上の
応力は、同じ第4と第8の歯のそれぞれに集中すること
になる。しかしながら、もしも低慣性フライホイールを
採用した場合は、ねじり振動の節はクランク中央に発生
し、図7は、突出したエンジンオーダが、2.5、5.
5及び6.5になることを示す。結果として生ずるクラ
ンクピニオンギア上の応力は、このため、5、10又は
12の歯にそれぞれ分散されることになる。
【0072】下記の表1に、前記の結果を示す:
【0073】
【表1】
【0074】表1は、典型的な従来技術のシステムの高
慣性フライホイールを用いる代わりに、本発明の低慣性
フライホイールを用いた場合の、慣性力、固有共振振動
数及び3.5、4.0及び4.5のエンジン励振オーダ
における振動性トルク(ねじれ)に発生する変化を記載
してある。表1に見られる如く、本発明のシステムの慣
性力は18インチ−ポンド−秒2 (In−Lb−sec
2 )であり、典型的な先行技術のシステムの慣性力10
5インチ−ポンド−秒2 に比較し、ほぼ6分の1の小さ
さである。さらに、表1には、改良された継手アセンブ
リの固有共振振動数が14.5ヘルツから24.6ヘル
ツに増加していることが示されている。
【0075】第一のエンジン励振オーダの整数オーダか
ら二分の一のオーダへの変化が、表1によって明確に示
されている。先行技術を用いた高慣性継手によれば、第
4のオーダによるトルクは25,611インチ−ポンド
(In−Lbs)であり、第3.5及び第4.5のトル
クはそれぞれ6,825及び8,285インチ−ポンド
である。本発明の低慣性フライホイールによれば、第
3.5、第4及び第4.5オーダのトルクはそれぞれ、
10,396、7,218及び22,320インチ−ポ
ンドである。前記の如く、表1は、第4の励振オーダで
は凡そ18,000インチ−ポンド減少し、第3.5オ
ーダでは凡そ3,500インチ−ポンド増加し、第4.
5オーダでは凡そ14,000インチ−ポンド増加して
いることが示している。表1は、さらに、先行技術のフ
ライホイールシステムの第4のオーダにおける25,6
11インチ−ポンドの極大トルクが、本発明において
は、22,320インチ−ポンドに減少していることを
示している。このため、トルクをより多くの被駆動ギア
歯上に広げるのみならず、極大トルクの値をも減少させ
る。
【0076】継手モード(第1のシステムモード)の固
有共振振動数を上げることは、さらに、エンジンの起動
時と、停止時に特に利点がある。エンジンを起動する間
に、エンジンの回転速度は、零からアイドル速度に上昇
する。これが起きるとき、エンジンには、継手アセンブ
リの共振振動数におけるねじり振動の第1のオーダを通
過することが要求される。理想的には、第1の励振オー
ダにともなうエンジンのRPMが継手共振振動数に近い
値で、50RPM以内であり、しかしながら、エンジン
の低アイドル速度以下であることが好ましい。これは、
最初のオーダからもたらされる偏差の大きさが、エンジ
ンRPMの二乗に逆に相関するためである。
【0077】例えば、8スロウクランクエンジンにおい
ては、最初の励振オーダは、第4のオーダである。もし
も、エンジンの低アイドル速度が400RPMである
と、継手共振振動数にともなうエンジンのRPMと第4
の励振オーダは、凡そ、350〜400RPM、好まし
くは、390〜400RPMであることが要求される。
図6から、典型的な先行技術システムの継手共振振動数
は16ヘルツ、第4オーダ励振ののためのエンジン速度
は240RPMであることが認められる。もしも、継手
共振振動数が25ヘルツに増加すると、第4オーダ励振
のためのエンジン速度は凡そ380RPMに増加する。
このため、このRPMにおける差の逆数の二乗に比例す
る偏差の大きさは、共振振動数が16ヘルツのシステム
におけるものより、継手共振モード振動数が25ヘルツ
のシステムにおけるものが、凡そ2.5倍小さくなる。
この偏差の大きさにおける減少は、一方では、エンジン
の起動中において継手アセンブリ上に発生する応力を減
少させるものである。
【0078】
【発明の効果】本発明の改良された継手アセンブリによ
って、従来の継手アセンブリにおける高慣性フライホイ
ールの使用に伴う欠点及び問題点が解決された。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のエンジン継手アセンブリを適用しうる
先行技術のディーゼルエンジンシステムの概略図であ
る。
【図2】被駆動継手が2つのベアリングシャフトによっ
て保持されている、本発明のエンジン継手アセンブリの
一態様を示す側面図である。
【図3】本発明の図2のたわみ継手アセンブリの3−3
線における断面図である。
【図4】センリングリングがフローティングシャフトを
支持するために用いられている、本発明のエンジン継手
アセンブリの別の態様を示す側面図である。
【図5】インテグラルベアリングアセンブリが採用され
ている、本発明のエンジン継手アセンブリの第3の態様
を示す側面図である。
【図6】システムモード周波数、エンジンRPM及びエ
ンジン励振オーダの関係を示す、キャンベルダイヤグラ
ムである。
【図7】4、6及び8クランクスロウを有するエンジン
とねじり振動の様々なオーダの大きさとの関係を示すグ
ラフである。

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内燃機関の回転クランクシャフトの第一端
    部から被駆動シャフトに回転力を伝達するために用いら
    れ、該クランクシャフトは、複数のオーダーのねじり振
    動を受けると共に、駆動トレインに係合された第二の端
    部を有している、継手アセンブリであって、 ねじり振動の第1のクランクシャフトモードの節が、該
    クランクシャフトの軸に沿った中央近傍に位置するよう
    に選択された質量を有し、それによって、クランクシャ
    フトの第2の端部におけるねじりたわみの振幅と該第2
    の端部と該駆動トレインの間の応力とを減少させるよう
    にした低慣性フライホイール手段を含む継手アセンブ
    リ。
  2. 【請求項2】前記駆動トレインが歯を有するギアを含
    み、前記低慣性フライホイール手段が、前記ギアの歯に
    かかるピーク応力を少なくとも半分にし、該応力が2倍
    の数のギア歯にかかるように、前記内燃機関に関連する
    第1のねじり振動の励振オーダーを、一オーダーの少な
    くとも二分の一だけ変化させる請求項1記載の継手アセ
    ンブリ。
  3. 【請求項3】さらに、前記低慣性フライホイール手段
    が、ガバナーの作動及びエンジンの作動不良に関連する
    ねじり振動の0.5オーダよりも実質的に高い状態に継
    手アセンブリの固有振動数を増加させる、たわみ継手を
    含む請求項1記載の継手アセンブリ。
  4. 【請求項4】前記たわみ継手が、駆動部材と被駆動部材
    と該駆動及び被駆動部材を相互接続するためのエラスト
    マー部材とを含む請求項3記載の継手アセンブリ。
  5. 【請求項5】さらに、前記エラストマー部材を異なる硬
    度特性を有する他の前記エラストマー部材に容易に交換
    するための手段を含む継手アセンブリのモードを調整す
    る手段を含む請求項4記載の継手アセンブリ。
  6. 【請求項6】前記たわみ継手が剪断防止継手であり、容
    易に交換するために、前記モード調整手段が、前記たわ
    み継手から前記エラストマー部材を解放するための、手
    動で取外し可能な保持リングを含む請求項5記載の継手
    アセンブリ。
  7. 【請求項7】前記被駆動シャフトがフローティングシャ
    フトであり、前記たわみ継手が、さらに、該フローティ
    ングシャフトの一端を該たわみ継手に同心円状に保持す
    るためのセンタリングリング手段を含む請求項6記載の
    継手アセンブリ。
  8. 【請求項8】前記センタリングリング手段の一エッジが
    前記保持リングに接続され、前記センタリングリングが
    前記被駆動部材を取り囲んでいる請求項7記載の継手ア
    センブリ。
  9. 【請求項9】さらに、前記被駆動シャフトの一端を回転
    可能に支持するためのベアリングアセンブリを含む請求
    項3記載の継手アセンブリ。
  10. 【請求項10】さらに、前記低慣性フライホイール手段
    と前記たわみ継手とを収容するためのハウジングを含
    み、前記ベアリングアセンブリが該ハウジングに接続さ
    れている請求項9記載の継手アセンブリ。
  11. 【請求項11】内燃機関の回転クランクシャフトの第一
    端部から被駆動シャフトに回転力を伝達するための高慣
    性フライホイール手段及びたわみ継手を含む型の継手ア
    センブリが、 前記内燃機関が起動及びエンジンの作動不良の間ねじり
    振動の0.5オーダによって特徴付けられ、継手アセン
    ブリの固有振動数を、ねじり振動の該0.5オーダより
    も実質的に高いレベルに増加させるための低慣性フライ
    ホイール手段を含むように改良された継手アセンブリ。
  12. 【請求項12】前記たわみ継手が、駆動部材と被駆動部
    材と該駆動及び被駆動部材を相互接続するためのエラス
    トマー部材とを含む請求項11記載の継手アセンブリ。
  13. 【請求項13】さらに、前記エラストマー部材を異なる
    硬度性能を有する他の前記エラストマー部材に容易に交
    換するための手段を含む継手アセンブリのモードを調整
    する手段を含む請求項12記載の継手アセンブリ。
  14. 【請求項14】前記たわみ継手が剪断阻止継手であり、
    前記モード調節手段が、容易に交換するために、前記た
    わみ継手から、前記エラストマー部材を解放するため
    の、手動で取外し可能な保持リングを含む請求項12記
    載の継手アセンブリ。
  15. 【請求項15】前記被駆動シャフトがフローティングシ
    ャフトであり、前記たわみ継手が、さらに、該フローテ
    ィングシャフトの一端を該たわみ継手に同心状に保持す
    るためのセンタリングリング手段を含む請求項14記載
    の継手アセンブリ。
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