JPH09519U

JPH09519U - クランク軸振動ダンパ

Info

Publication number: JPH09519U
Application number: JP1230196U
Authority: JP
Inventors: シー．シスコウィリアム; エム．ヘイレットティモシー
Original assignee: シンプソンインダストリーズインコーポレイテッド
Priority date: 1991-12-10
Filing date: 1996-12-02
Publication date: 1997-10-07
Also published as: JPH11141349A

Abstract

(57)【要約】【課題】ねじり、曲げいずれの振動をも減衰可能で、
従来のダンパより簡単かつ出費も少ない構造の内燃機関
用ダンパを得ること。【解決手段】相応に湾曲せしめられたハブ３２と環状
の慣性部材３４との間に、ねじり、曲げ両振動を減衰で
きるように、寸法面でも化学的特性の面でも構成されて
いるエラストマー部材が配置されている。また、ハブと
慣性部材の半径方向外側又は内側の曲率は、クランク軸
の曲げ振動を効果的に低減するように選定しておく。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、一般的には内燃機関の各部品、具体的にはクランク軸の振動やノイズを減衰もしくは低減のために用いられるダンパ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

当業者には周知のように、ガソリンエンジン等の内燃機関は、自動車その他の車両の駆動に用いられ、エンジンのシリンダの往復動の動力がクランク軸の一端から車輪に伝えられる。クランク軸の他端は、種々の補助装置、たとえば発電機、パワーステアリング、空調圧縮器などを、プーリ配置や単数又は複数のベルトを介して駆動するのに用いられる。

【０００３】内燃機関のクランク軸は、シリンダ内の可燃ガスの順次爆発によるかなりのねじり振動にさらされる。回転力は円滑に連続的に使用されるわけではない。制御なしでは、振動によって、クランク軸自体に損傷が生じ、かつ（又は）エンジンのその他の部品又は冷却システムの、特に、共鳴が生じる個所も損傷を受ける。また、振動により“うなり”（ｗｈｉｎｅ）やノッキングなど、いずれも極めて好ましくない騒音を生じさせることがある。

【０００４】この問題は、多年にわたって認められ、このねじり振動を低減するための種々の装置が設計され、使用されてきた。そうした普通の形式のトーショナル・ダンパの或るものは、クランク軸端に付加された内側金属ハブと、外側金属環状部材と、ハブと外側部材との間に位置するエラストマ部材とから成っている。最も外側の環状又は輪状の部材は、しばしば“慣性部材”と呼ばれる。このハブには、クランク軸により生ぜしめられる振動が直接に伝えられる。ハブはクランク軸に剛性結合されているためである。慣性部材は、エラストマによりハブに結合され、したがって、ハブの振動と、これに対応する慣性部材の振動との間の位相差が生じる。

【０００５】この型式の振動ダンパは、たとえば次の米国特許に開示されている：すなわち、２，９３９，３３８号、２，９７２，９０４号、３，４７９，９０７号、３，９４５，２６９号、４，０８４，２６５号、４，３１８，３０９号、４，３７８，８６５号、４，３９５，８０９号である。これらの特許を取得したダンパのうちのいくつかは、特に、ダンパ部品の軸方向変位を克服することに関わり、また、これらのうちの大部分のダンパは、ねじり振動を克服することを課題としている。

【０００６】エンジンのクランク軸の回転によって種々の振動が生じる。主な２種類の振動が、ねじり振動と曲げ振動である。ねじり振動は、クランク軸の縦軸線を中心とする角度をなして発生する。また、曲げ振動は、片持ちビームの曲げ振動に似たものである。クランク軸の固定端、又は結節点は、エンジンのクランクケース内の或る個所に位置している。前述のねじり振動ダンパ装置などの従来型の動的減衰装置は、こうした複合振動の減衰もしくは低減には不十分である。

【０００７】近年に至って、エンジン出力の増大と関連するねじり振動及び曲げ振動を抑える目的で、いくつかの複式の振動減衰装置が提案されている。この種の減衰装置は、慣性部材対、すなわち、ねじり振動減衰用の第１慣性部材と、曲げ振動減衰用の第２慣性部材とを組合せたものである。このねじり振動ダンパは、一般に、エラストマ部材を介してハブに結合された環状慣性部材を有する従来式の構成のものである。曲げ振動ダンパは第２慣性部材を有し、この慣性部材は、プーリ構造物の内側空隙内の、第１慣性部材半径方向内側に、きまって位置している。第２慣性部材は、第２エラストマ部材を介してハブに結合されている。

【０００８】複式減衰装置は、たとえば４，７１０，１５２号、４，７９４，８１６号、４，８１５，３３２号、４，８８１，４２６号の各米国特許に開示されている。これらの振動ダンパ構造物は、２個の別個の慣性部材と２個の弾性エラストマ部材を利用している。エラストマにより、エンジンに付加的な重みがかかり、かつ付加的な費用も必要となる。また、それらの部材を構成するには、新しい組立て工具類や技術が必要となり、それによって更に出費が必要となる。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】

本考案の課題は、ねじり、曲げ、いずれの振動をも減衰もしくは低減し、かつまた従来のダンパよりも簡単で出費も少ない構造を有する内燃機関用ダンパを得ることにある。

【００１０】本考案の別の目的は、ねじり振動と曲げ振動とを、他方の振動に干渉又は逆作用することなしに別個に調整できる複式ダンパを得ることにある。本考案の更に別の目的は、従来の工具と従来の技術を用いて組立ることのできる複式ダンパを得ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

これらの目的及びその他の目的は、本考案により、ハブと外側の環状慣性部材との間に１つだけエラストマ部材を配置することにより達成された。ハブは、クランク軸の付属駆動端部に結合されるように構成されている。慣性部材には、付属駆動ベルトを受容するためのみぞを設けてもよく、また設けなくともよい。弾性的なエラストマー部材は、相応に湾曲せしめられたハブと慣性部材との間に組付けられた場合に、ねじり振動と曲げ振動とを減衰するように、寸法面でも化学的にも構成されている。ハブと慣性部材との半径方向外側又は内側の曲率は、クランク軸の曲げ振動を効果的に低減するのに十分であるように選定する。

【００１２】エラストマ部材は、先ず、特定エンジンのクランク軸のねじり振動を減衰又は低減するのに十分な一定寸法及び横断面積を有するように前選定する。次いで、エラストマ部材の曲率が、エンジン内に発生する曲げ振動を十分に減衰又は低減するように選定される。ハブと外側の環状慣性部材は、弾性部材の所望形状に順応する必要がある湾曲形状が得られるように構成する。

【００１３】複式ダンパの組立ては、ハブと慣性部材とをジグその他内に確実に保持し、弾性部材を両部材間の湾曲環状空隙内へ強制的に圧入することにより行なわれる。

【００１４】

【実施例】

図１及び図２は、種々の車両に現在用いられている種類の内燃機関を略示した図である。図示のエンジンは、Ｖ字型６気筒のエンジンである。図１にはエンジンの斜視図が、図２には部分断面図が示されている。

【００１５】エンジン１０は、クランク軸１４に結合された複数ピストン１２を有している。シリンダ１６内のガスの爆発によるピストン１６の運動によって、クランク軸１４が回転する。クランク軸１４の一端（図示せず）は変速機と駆動トレーンに連結され、車両のホイールを駆動する。クランク軸の他端２０（“鼻端ｎｏｓｅ ”と呼ばれることが多い）は、エンジンブロック２４の主軸受２２に支承され、前壁又はカバー２５から突出している。

【００１６】ダンパ３０は、クランク軸端２０に取付けられている。ダンパ３０は、中央ハブ３２、ウエブもしくは複数のスポーク３３、外側リング３２を有している。リング３４は、ダンパの慣性部材である。ハブ３２と慣性部材３４との間には、環状の弾性エラストマ部材３６が配置されている。

【００１７】ハブ３２は、締りばめによりクランク軸鼻端２０に取付けられている。ハブは、また、金属キー３８を介してクランク軸にキー結合している。キー３８は、ハブと鼻端それぞれの細長いスロット４０、４２内に適合している。ボルト４４とワッシャ４６も、また、ダンパを鼻端に取付けるのに用いられている。

【００１８】ダンパ内の複数の孔４８は、必要な場合にクランク軸からダンパを取外すさいに利用される。慣性部材３４内の孔５０は、ハブと慣性部材が組付けられたのち、正確なバランスを得るのに必要とされる複数の孔の１つである。

【００１９】慣性部材３４は、エンジンベルト５４用のベルト軌道５２を有している。この軌道は、部材３４の外表面に設けられている。図１に示したエンジンの場合、交流発電機５６、パワーステアリング圧縮機５８、空調圧縮機６０などの付属装置すべての駆動に、単一のベルト５４が利用されている。ベルト張力は、ベルトテンショナ６２により維持されている。多くのエンジンの設計の場合、２個以上のベルとの利用が要求され、本考案は、ベルトの個数とは関係なく、すべてのエンジンに適用可能である。

【００２０】ベルト内面には平行に歯状突起６２が配列され、これらの突起６２が慣性部材３４の軌道５２のみぞ６４と噛合っている（図３）。突起とみぞとの噛合により、ベルトが軌道から軸方向にはね出したり滑り出ることが防止される。

【００２１】クランク軸１４は、中心回転軸線６６（図３）を有している。エンジンの作動時には、クランク軸１４に作用するピストン１２の力は、軸線６６を中心としてクランク軸が回転する間に、クランク軸にねじり振動及び全体として直角方向振動が生ぜしめられる。クランク軸の振動は複合的であるが、大部分は、ねじり振動と曲げ振動に分類できる。曲げ振動は、符号６８の方向に全体としてクランク軸軸線６６と直角に生じ、その力は軸線６６に沿って点７０を中心として回転する。この点７０で、クランク軸鼻端２０は、エンジン壁部２４内の主軸受により片持ち支承されている。実際曲げモーメントは点７０を中心として回転するが、実際変位は、そのモーメントが“全体として直角方向”と見なしうるほど僅かである。曲げ振動によるクランク軸の変位は、０．０２５４〜０．３８１ｍｍの程度であるが、その結果生じる煩わしい騒音効果や、クランク軸その他エンジン部品に及ぼす有害な作用は、著しいものとなる可能性がある。

【００２２】ねじり振動を低減するダンパを形成するエラストマ材料の寸法、種類、質量の選定は、従来の技術と標準に従って行なった。ダンパは、関連する特定のエンジンに従って設計した。このエンジンのクランク軸のねじり振動数は、同じエンジンもしくは類似のエンジンについての過去の実験により知られている値か、もしくは有限要素分析法を用いてコンピュータにより算出するか、もしくはエンジンの動的試験により実験的に決定される。この値が決まると、慣性部材の寸法と慣性及びエラストマ材料の寸法と種類が選択され、次いでダンパの設計が決められる。幅約２．５４〜３．１７５ｍｍの空隙７４を有するダンパが選ばれるのが普通である（この寸法の空隙を有するダンパが、今日、自動車のエンジンに一般に使用されている。）

【００２３】また、複式ダンパ３０の弾性部材３６の曲率値は、エンジンの実際曲げ振動に従属する。また、固有振動はコンピュータにより理論的に決定できるが、エンジン試験により実験的に曲げ振動を決定することもできる。曲げ振動の振動数が決定されれば、湾曲形状が選定できる。

【００２４】本考案によりエンジンに使用されるダンパ用エラストマ材料の曲率の選択については、次の例に関連して説明する。一連の特別に構成されたダンパについて試験を行なった。これらのダンパは、すべて同じで、エラストマ材料を配置する空隙の形状のみが異なっている。ダンパの寸法、空隙の幅、エラストマ材料は、それぞれ等しくされてある。

【００２５】これらのダンパ構成についての試験台での試験成績を示したのが、図４である。これらの試験の間、ダンパは試験台又は万力に不動に固定される。次いで、ダンパをハンマで叩き、振動数を加速度計で記録する。直線的な（すなわち非曲線）横断面８０を有するエラストマ部材の場合、ねじり振動振動数は約２７５Ｈｚ、曲げ振動数は約４５０Ｈｚであった。−２０％の曲率のエラストマ材料を有するダンパは、約２７５Ｈｚのねじり振動数、約３５０Ｈｚの曲げ振動数であった。曲率は、ハブの凸縁が変位させる空隙パーセンテージとして測定した。最も外側へ湾曲したダンパ構造の試験の場合（符号８２の場合）、曲率は−６５％であり、記録されたねじり、曲げ両振動は、それぞれ約２７５Ｈｚと約３２５Ｈｚであった。

【００２６】エラストマ材料の曲率が内側へ湾曲している場合（符号８４の場合）、ダンパにより吸収された曲げ振動数も変化した。−２０％の曲率の場合、減衰されたねじり振動は、約２７５Ｈｚであり、減衰された曲げ振動は、約５３０Ｈｚであった。最も内側へ湾曲したダンパ構造の試験（図４）の場合、曲率は＋５０％で、減衰されたねじり、曲げ両振動は、それぞれ約２７５Ｈｚ、６５０Ｈｚと記録された。

【００２７】次にプロトタイプのダンパを実際のエンジンで試験し、その成績を線図に記録した。エンジンは、３．１リッタＧＭ（シボレー）Ｖ字形６気筒エンジンである。プロトタイプのダンパの試験は、直線状（０％）の横断面を有するエラストマ部材を備えた市販のダンパを比較して行なわれた。

【００２８】図５は、クランク軸の曲げ振動の振幅を示し、図６は、ＧＭエンジンのクランク軸のねじり振動の振幅を示したものである。これらの試験では、振動の第６及び第９の次数のものが、曲げモードの場合には最も活発であった。他の次数の振動は、見易くするため省略した。また、ねじりモードの場合には、第６順位の振動が最も活発であった。他の次数は、同じく省略した。クランク軸鼻端の最低のたわみ、又は曲げは、共鳴時に０．０２５４ｍｍであり、この場合の試験ダンパは、ねじり振動数２６７Ｈｚ、曲げ振動数３２３Ｈｚであった。ねじり振動の最低振幅は、共鳴時に約０．１５°であり、この場合のダンパは、ねじり振動数から２６７〜２７５Ｈｚ、曲げ振動数が３０７〜３１３Ｈｚであった。この分析にもとづき、減衰されたねじり振動数が約２６５〜２７５Ｈｚ、減衰された曲げ振動数が約３２０〜３２５Ｈｚのダンパが、最も適していると思われる。

【００２９】図７と図８は、エラストマ材料横断面が直線状のベースライン・ダンパ（すなわち、ねじり振動のみを減衰又は低減するための従来式のダンパ）とエラストマ材料の曲率が−２０％のダンパとを、実際のエンジンで比較したものである。図７に示したように、第６次数と第９次数の振動が、それぞれ３２９Ｈｚと３４７Ｈｚで極立った曲げ振動ピーク値、０．０４０６ｍｍと０．０１５２ｍｍを有している。これらの値が最も関係のある値であり、防止する標的となる曲げ振動ピーク値である。−２０％の曲率のダンパ構成の場合、第６次数と第９次数の曲げ振動は、それぞれ有意に低減され、０．０２０３ｍｍと０．００７６ｍｍとなった（図８）。

【００３０】曲げ振動ピークは、また、図９に示した−３３％の曲率のダンパにより、有意に低下せしめられた。このダンパ構成の場合、曲げ振動は、第６次数の場合には０．０２２８ｍｍであり、第９次数の場合には０．００７６ｍｍであった。−５０％の曲率の場合（図１０）、曲げ振動の、第６次数でのピーク（０．２５４ｍｍ、３４４Ｈｚ）と第９次数でのピーク（０．０１０１ｍｍ、３５２Ｈｚ）とは、ダンパの曲げ振動が、エンジンに作用する曲げダンパの適用可能の振動数域を超えると、増大し始める。

【００３１】図１１には、線図により本考案の利点が示されている。本考案による、エラストマ材料の形状を曲線で示すと、曲げ振動はベースラインから約５０％低減されていることが分かる（ベースラインでは、ダンパはねじり振動は２８４Ｈｚに、曲げ振動は３９６Ｈｚに調節された）。

【００３２】これらの試験から、試験対象とされたダンパ形状は、ダンパのねじり振動減衰性能に逆作用を及ぼすことなしに、曲げ振動を有意に低減することができる。また、曲げ振動数は、湾曲形状の異なるにつれて有意に変化するが、ねじり振動数は、事実上変化しないので、ダンパは、ねじり振動が発生したあとで曲げ振動が調節される。

【００３３】どの型式又は種類のエンジンが、異なるねじり振動及び曲げ振動の振動数を有しており、かつまたそれぞれのエンジンが異なるダンパで調節せねばならない。このことは、エラストマ部材の曲率が、前記の手続きに従って決定できるとはいえ、エンジンの種類や型式によって恐らく異なることを意味している。したがって、種々のダンパに対する曲率のレンジは、利用されるエンジン及びダンパに応じて異なるものと思われる。

【００３４】ロード・ケミカル社（ＬｏｒｄＣｈｅｍｉｃａｌ）の一部門であるヒューソン・セメント社（ＨｕｇｈｓｏｎＣｅｍｅｎｔｓ）製の“ケムロック”（Ｃｈｅｍｌｏｃｋ）のような接着剤を、当業者には周知のように、任意にエラストマ部材の表面に組付け前に塗布することができる。接着剤は、熱により発効するのが好ましく、ダンパ３０の部品が組付けられてから、ダンパ１２、接着剤を発効させるのに十分な熱を加える。これにより、慣性部材とハブとが使用中に互いにずれることが防止され、また、エラストマ部材が所定位置に保持することが補助される。

【００３５】エラストマ部材は、天然ゴム、又はＳＡＥＪ２００の仕様により規定されているような合成エラストマ組成から成っている。適当な合成エラストマは、スチレン・ブタジエン・ゴム、イソプレン・ゴム、ニトリル・ラバー、エチレン・プロピレン共重合体、エチレン・アクリルなどである。

【００３６】ハブと慣性部材は、好ましくは、鋼、鋳鉄、アルミニウムなどの金属材料製である。材料の普通行なわれる組合せでは、ハブには自動車用の延性鋳鉄（ＳＡＥＪ４３４）が、環状部材には、ねずみ鋳鉄（ＳＡＥＪ４３１）が用いられる。ダンパ用の他の公知の組合せでは、ハブには鋳造アルミニウム（ＳＡＥ３０８）が、慣性部材には鋳鉄が用いられる。

【００３７】本考案による複モード・ダンパ３０は、従来の組立て工具及び組立て技術を用いて従来のやり方で組立て可能である。ハブ３２と慣性部材３４は、エラストマ部材３６を装着する環状スペースを残して、ジグ又は取付具（図示せず）により所定位置に維持される。部材３６は、次いで環状に成形され、適宜な取付具で環状スペースのところに保持され、次に、油圧式又は空気式の圧力により、環状スペース内へ圧入される。

【００３８】エラストマ部材３６は、ハブと慣性部材との間で半径方向に圧縮される状態であることが好ましい。部材３６は、環状スペースに圧入されるさい、横断面形が伸び、かつ変形される。ゴムの固有弾性により部材３６は所定位置に保持され、ハブと慣性部材が一緒に保持される。

【００３９】弾性の部材３６の曲率に対する１つの実際上の制限は、部材３６はハブ上に組付けられないほど極端な曲率にはすべきではないという点にある。このことは、ハブ３２の湾曲外表面の最大半径Ｒ₁が、慣性部材３４の最小半径Ｒ₃を超えないことを意味する（図３）。半径Ｒ₃が半径Ｒ₁であるような環状スペースの湾曲であれば、２つの部材は、組立て時に物理的に不可能である。そのような場合には、慣性部材を、たとえば２部分に分割し、一緒に取付けねばなるまいが、その場合には、かなりの別の出費と組付け時間が必要となる。

【００４０】組付け上の障害が生じる前に、半径方向外方の曲率に許される最大値を決める数式は、次の通りである：

【００４１】

【数１】この式においてＯ＜ｈ＜Ｇ

【００４２】組付け上の障害が生じる前に、半径方向内方の曲率に許される最大値を決める数式は、次の通りである：

【００４３】

【数２】この式においてＯ＜ｈ＜Ｇ

【００４４】これら２つの数式において、Ｇはダンパの隙間（図３のＲ₂−Ｒ₁）、Ｗは慣性部材のゴム接触面のさし渡し幅であり、またｈは次の値である：

【数３】

【００４５】また、曲率のパーセンテージは

【数４】である。

【００４６】本考案の特定の実施例を添付図面に示し、以上に説明したが、本考案は開示した実施例に限定されるものではなく、請求の範囲を逸脱することなしに数多くの再構成、変化形、代替策が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案を利用したエンジンの図。

【図２】本考案を利用したエンジンの略示横断面図。

【図３】図１及び図２に示した本考案の複式モード・ダ
ンパの拡大図。

【図４】いくつかの別の設計の複式モード・ダンパの機
能を示した図。

【図５】エンジンのクランク軸の曲げ振動の振幅を示し
た図。

【図６】エンジンのクランク軸のねじり振動の振幅を示
した図。

【図７】本考案の使用による効果を示した図。

【図８】本考案の使用による効果を示した図。

【図９】本考案の使用による効果を示した図。

【図１０】本考案の使用による効果を示した図。

【図１１】本考案の使用による効果を示した図。

【符号の説明】

１０エンジン１２ピストン１４クランク軸１６シリンダ２０クランク軸鼻端２２主軸受３０ダンパ３２ハブ３３スポーク３４環状部材（慣性部材）３６エラストマ部材３８キー４０スロット５４ベルト６０空調用圧縮機６２ベルト・テンショナ

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】クランク軸振動ダンパであり、クランク軸に結合されるようにされたハブ部材と、ベルト駆動装置に結合されるようにされ、ハブ部材から
同芯的に間隔を置いた第１環状部材と、ハブ部材と第一環状部材とを結合するため、ハブ部材と
第一環状部材との間の空隙内に位置する、弾性材料製の
第２環状部材とを有し、第２環状部材は、ハブ部材と第１環状部材とを結合する
前に、ハブ部材がクランク軸に結合され第２環状部材が
ハブ部材と第１環状部材とを結合した時にクランク軸の
ねじり振動を減衰させるに充分な、横断面と化学組成と
を有し、ハブ部材と第１環状部材とは、それらの結合部に沿っ
て、それぞれ中央で半径方向に湾曲され、ダンパを囲む
均一な湾曲を備え、第２環状部材は、ハブ部材と第１環状部材とを結合する
のに対応して、湾曲され、ハブ部材と第１環状部材との間の空隙と第２環状部材と
の湾曲は、クランク軸の曲げ振動を低減するよう、選択
される、クランク軸振動ダンパ。
【請求項２】ハブ部材と第１環状部材と第２環状部材
とは、半径方向外側に湾曲されている、請求項１に記載
のクランク軸振動ダンパ。
【請求項３】ハブ部材と第１環状部材と第２環状部材
とは、半径方向内側に湾曲されている、請求項１に記載
のクランク軸振動ダンパ。
【請求項４】エンジンクランク軸のねじれ振動と曲げ
振動を調節するダンパであり、クランク軸に結合される内側円形ハブ部材と、ハブ部材から半径方向外側へ間隔を置いた慣性環状部材
と、ハブ部材の外周と環状部材の内周との間の空隙内に配置
される弾性部材と、を有し、空隙は、均一な半径方向と軸線方向の湾曲を備え、弾性部材は、空隙内に嵌め込まれて、ハブ部材の外周と
環状部材の内周に対応する湾曲を有し、弾性部材は、クランク軸のねじれ振動を減衰させるに充
分な横断面と化学組成を有し、弾性部材は、クランク軸の曲げ振動を減衰させるに充分
な半径方向湾曲を有する、ダンパ。
【請求項５】弾性部材と環状部材の内周とハブ部材の
外周とは、半径方向外側に湾曲される、請求項４に記載
のダンパ。
【請求項６】弾性部材と環状部材の内周とハブ部材の
外周とは、半径方向内側に湾曲される、請求項４に記載
のダンパ。