JP2019070403A

JP2019070403A - バランサシステム用歯車

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Publication number: JP2019070403A
Application number: JP2017196656A
Authority: JP
Inventors: 平野　正博; Masahiro Hirano; 正博平野; 洋一森尾; Yoichi Morio
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2019-05-09
Anticipated expiration: 2037-10-10
Also published as: JP6911690B2

Abstract

【課題】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。【解決手段】本発明のバランサシステム用歯車（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）と、を有し、歯車部（７）は、円環部（４）の周方向に、強度の異なる２種類以上の部材（５，６）が配置された構成を有することを特徴とする。【選択図】図３

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。

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。

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。

実開平３−２８３５３号公報

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。

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。

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、強度の異なる２種類以上の部材が配置された構成を有す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。

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。

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。

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。

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。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。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の歯車部の一部の拡大図である。実施例２のバランサシステム用歯車の模式図である。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のＢ部分の拡大図である。図６のＣ部分の拡大図である。実施例４のバランサシステム用歯車の模式図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃ，ＣＦＲＰ，ヤング率：１２５ＧＰａ）及びアラミド繊維強化プラスチック（ＡｒａｍｉｄＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ，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。

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（ＧｌａｓｓＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ，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。

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。

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。

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ｈ_ｔ、リム１１の高さをＳ_Ｒとする。歯車部７は、Ｓ_Ｒ／ｈ_ｔが０．８以上であることが好ましい。Ｓ_Ｒ／ｈ_ｔ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。Ｓ_Ｒ／ｈ_ｔ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

弾性体９の幅Ｗは、０．５ｈ_ｔ以上であることが好ましい。Ｗが０．５ｈ_ｔ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims

回転軸に篏合され、前記回転軸と共に回転する円環部と、
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、強度の異なる２種類以上の部材が配置された構成を有することを特徴とするバランサシステム用歯車。
前記歯車部は、前記歯車部のうち最も高いトルクが付加される部分に配置される第１の部材と、前記歯車部の他の部分に配置され、前記第１の部材よりも強度が小さい第２の部材とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のバランサシステム用歯車。
さらに、前記第１の部材と前記第２の部材との間に、前記第１の部材と前記第２の部材の間の強度を有する第３の部材が配置されていることを特徴とする請求項２に記載のバランサシステム用歯車。
前記第１の部材のヤング率が７０ＧＰａ以上であり、前記第２の部材のヤング率が１０ＧＰａ未満であることを特徴とする請求項２に記載のバランサシステム用歯車。
前記第１の部材のヤング率が７０ＧＰａ以上であり、前記第２の部材のヤング率が１０ＧＰａ未満であり、前記第３の部材のヤング率が１０ＧＰａ以上７０ＧＰａ未満であることを特徴とする請求項３に記載のバランサシステム用歯車。
前記第１の部材は鋼又は繊維強化樹脂からなり、前記第２の部材は繊維強化樹脂又は樹脂からなることを特徴とする請求項２に記載のバランサシステム用歯車。
前記第１の部材は鋼又は繊維強化樹脂からなり、前記第２の部材及び前記第３の部材は繊維強化樹脂又は樹脂からなることを特徴とする請求項３に記載のバランサシステム用歯車。
前記円環部は鋼からなり、前記第１の部材は繊維強化樹脂からなり、前記第２の部材は繊維強化樹脂又は樹脂からなることを特徴とする請求項２に記載のバランサシステム用歯車。
前記円環部は鋼からなり、前記第１の部材は繊維強化樹脂からなり、前記第２の部材及び前記第３の部材は繊維強化樹脂又は樹脂からなることを特徴とする請求項３に記載のバランサシステム用歯車。
前記繊維強化樹脂は、炭素繊維強化樹脂、ガラス繊維強化樹脂又はアラミド繊維強化樹脂であり、前記樹脂は、ポリアミノアミドであることを特徴とする請求項６ないし９のいずれか１項に記載のバランサシステム用歯車。
前記歯車部は、歯と、前記歯を支持するリムからなり、
前記歯の高さをｈ_ｔ、前記リムの高さをＳ_Ｒとしたときに、Ｓ_Ｒ／ｈ_ｔが０．８以上であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のバランサシステム用歯車。
さらに、前記歯車部に弾性体が設けられていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のバランサシステム用歯車。
前記弾性体は、前記円環部と前記歯車部との間に設けられており、前記弾性体の幅をＷとしたときに、Ｗが０．５ｈ_ｔ以上であることを特徴とする請求項１２に記載のバランサシステム用歯車。
前記弾性体は、前記円環部の外周に沿って設けられており、前記弾性体と前記円環部との接触面と、前記弾性体と前記歯車部との接触面が波形状であることを特徴とする請求項１３に記載のバランサシステム用歯車。