JP5708528B2

JP5708528B2 - 捩り振動減衰装置

Info

Publication number: JP5708528B2
Application number: JP2012038895A
Authority: JP
Inventors: 弘紹吉野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2032-02-24
Also published as: JP2013174298A

Description

この発明は、クランクシャフトや動力伝達軸などの回転体の捩り振動を減衰するための装置に関し、特に捩り振動によって往復運動する質量体が回転体に取り付けられ、その質量体の往復運動により、回転体の捩り振動を減衰するように構成された装置に関するものである。

駆動力源で発生させたトルクを伝達するための駆動軸などの回転体は、入力されるトルク自体の変動や回転体に連結されている機器を駆動することによる負荷トルクの変動などが要因となって振動が生じる場合がある。このようなトルクの変動は回転体に対して捩り振動として作用する。このような回転体の捩り振動を減衰するための装置が開発されており、その一例が特許文献１や特許文献２に記載されている。

特許文献１に記載されている遠心振子式動吸振器は、回転体の外周側に形成された転動室の内壁面に転動面が形成され、その転動面上を捩り振動によって転動体が往復運動することにより上記の捩り振動を減衰するように構成されている。転動体の外周面には突起が形成されており、その突起に嵌合する溝が上記の転動面に形成されている。また、転動体が回転体と共に回転して転動体に遠心力が作用しかつ回転体の円周方向への力が作用していない場合、転動体は転動面のうち回転体の回転中心に対して最も離れた位置に移動させられている。この位置を以下の説明では、ニュートラル位置と記すことがある。このような構成の遠心振子式動吸振器では、回転体の捩り振動により転動体に円周方向の慣性力が生じて転動面上を往復運動する場合、突起が溝に嵌合していることにより、回転体の回転軸線方向への転動体の移動が抑制される。そのため、転動体と転動室とが接触することによりそれらの間で発生する摩擦力を低減することができ、ひいては振動減衰性能を向上させることができる、とされている。

なお、特許文献２には、振子の固有振動数を変更できるように構成された遠心振子式吸振器を備えた回転駆動装置が記載されている。その遠心振子式吸振器は回転軸に固定された固定円板に形成された固定円板側の装着孔と、その装着孔に対向するように回転軸の軸線方向に移動可能な可動円板に形成された可動円板側の装着孔と、それらの孔に嵌め込まれかつ捩り振動によってそれらの孔の内周面に沿って往復運動する球体形状の振子とを備えている。そして、固定円板と可動円板との距離を変更して各装着孔における振子の位置、すなわち振子の重心と、各装着孔の中心との距離を変更することにより振子の固有振動数を変更するように構成されている。

特開２０１０−２４９２９７号公報特開２００９−２７５９０５号公報

特許文献１に記載された遠心振子式動吸振器では、ニュートラル位置においては、転動体の遠心力の作用方向と、転動体と転動面との接触箇所における法線方向とが平行になっている。しかしながら、転動体が捩り振動によって転動面上を転動することにより接触箇所がニュートラル位置から外れると、それらの方向が互いにずれて角度が生じる。その角度は、ニュートラル位置からの転動体の転動の角度、すなわち転動体の移動距離の増大に応じて増大する。このように転動体の転動の角度が増大すると、接触箇所における法線方向の荷重が小さくなるために摩擦力が小さくなり、その結果、転動体が転動面に対して転がらずに滑ってしまい、その結果、所期の振動減衰性能を得られなくなる可能性がある。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであって、回転体に形成されている転動面に沿って質量体を滑りを生じさせずに転動させるように構成された捩り振動減衰装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、トルクを受けて回転する回転体の回転中心から外れた箇所に曲率中心を有する転動面が前記回転体に形成され、前記回転体と共に回転することによる遠心力によって前記転動面に接触させられかつ前記回転体の捩り振動によって前記転動面に沿って転動する転動体を備えた捩り振動減衰装置において、前記転動面に嵌合する溝部が前記転動体の外周面に沿って形成され、前記転動体の転動の角度の増大に応じて前記溝部に嵌合する前記転動面の幅が増大するように構成され、前記転動体の転動の角度の増大に応じて前記転動体と前記転動面との接触箇所から前記転動体の重心までの距離が連続的に変化するように構成されていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記転動体の転動の角度の増大に応じて前記接触箇所における前記転動面の曲率半径が増大するように構成されていることを特徴とすることを特徴とする振動減衰装置である。

この発明によれば、例えば転動体の転動の角度の増大に応じて接触箇所から転動体の重心までの距離を連続的に増大することに加えて、接触箇所における転動面の曲率半径を増大するように構成した場合、転動面の重心の軌跡は、このように転動面の曲率半径を変化させない場合と同様になる。具体的に説明すると、この発明を適用する捩り振動減衰装置における既設の転動面が例えば転動面における瞬間中心が連続的に変化しているサイクロイド面の場合、サイクロイド面と転動体との接触箇所における転動面の曲率半径は、転動体の転動の角度が増大することに伴って減少する。このようなサイクロイド面を有している捩り振動減衰装置にこの発明を適用すると、接触箇所における曲率半径が転動体の転動の角度の増大に応じて増大することにより、接触箇所での転動体の遠心力の作用方向と、接触箇所における法線方向とのずれを抑制してそれらの方向がずれることにより生じる角度を小さくすることができる。すなわち、接触箇所における面圧の低下を抑制することができるので、接触箇所での摩擦力の低下を抑制することができる。また、接触箇所から転動体の重心までの距離が増大するため、転動体の重心の軌跡は実質的に変化が抑制されてサイクロイド面に沿った形状になる。このように、この発明によれば、転動体の重心位置の変化を抑制して転動体の往復運動の次数の変化を抑制することができ、かつ、転動体を滑らせずに転動させることができるので所期の振動減衰性能を得ることができる。これに対して、例えば転動体の転動の角度の増大に応じて接触箇所から転動体の重心までの距離を増大させたとしても、接触箇所における転動面の曲率半径を増大させない場合、転動面の重心の軌跡は、既設の転動面に沿った軌跡から外れる。具体的に説明すると、この発明を適用する捩り振動減衰装置における既設の転動面が例えば一定曲率の円弧面である場合、転動体の転動の角度の増大に応じて接触箇所から転動体の重心までの距離を増大させることにより、転動体の重心の軌跡をサイクロイド曲線やこれに近似した曲線にすることができる。このように、この発明によれば、既設の構成を有効に活用して転動体の重心の軌跡を変化させることができる。特に、転動体の重心の軌跡をサイクロイド曲線形状にした場合には、転動体の転動の角度の大きさに拘わらず、転動体の往復運動の次数に等しい次数の捩り振動を減衰することが可能になる。

この発明に係る振動減衰装置の一例を部分的に示す図である。図１に示す捩り振動減衰装置の部分的な断面図である。凸部の形状の一例の上視図である。転動面に沿って往復運動している転動体の振幅が小さい場合を模式的に示す図である。転動体の転動角度が小さい場合における転動体と転動面との接触箇所を拡大して示す図である。転動面に沿って往復運動している転動体の振幅が大きい場合を模式的に示す図である。転動体の転動角度が大きい場合における転動体と転動面との接触箇所を拡大して示す図である。図１に示すこの発明に係る振動減衰装置において、転動体が転動面上を転動した場合における転動体の遠心力の作用方向と、接触箇所の法線方向とのなす角を模式的に示す図である。

つぎにこの発明をより具体的に説明する。図１は、この発明に係る捩り振動減衰１の一例を部分的に示す図であり、回転体２の回転軸線に平行な方向から見た状態を示している。回転体２は一例として円板状の部材であって、図示しないエンジンの出力軸や変速機の入力軸などの回転軸と一体に回転するように構成されている。この回転体２の外周側の部分に、例えば回転体２を貫通させて収容室３が形成されている。特には図示しないが、回転体２の円周方向に予め定めた間隔を空けて複数の収容室３を形成してもよい。

図１に示す例では、収容室３は扇状に形成されており、収容室３の内周縁のうち回転体２の回転中心Ｏ_０に対して半径方向で外周側の内壁面に凹曲面である転動面４が形成されている。その転動面４に沿って往復運動するように転動体５が収容室３に収容されている。転動面４は一定曲率の円弧面として形成されており、その曲率中心Ｏ_１は、回転体２の回転中心Ｏ_０から半径方向で外側に外れた予め定めた箇所である。図１に示す例では、転動体５が転動面４に接触している箇所（以下、接触箇所と記す。）Ｃ_１における転動面４の曲率半径Ｒ_１と、収容室３の半径とが同じ長さになっている。また転動面４の曲率中心Ｏ_１と転動体５の往復運動の支点Ｐとが一致している。なお、転動面４は完全な円弧面である必要はなく、転動体５が接触している転動面４における瞬間中心が連続的に変化しているサイクロイド面であってよい。

転動体５は一例として円柱形状に形成されており、その軸長は、収容室３の深さ、あるいは、回転体２の厚さと同じ、あるいは、これらよりも僅かに短く形成されている。また転動体５の外径は転動面４の曲率半径Ｒ_１に対して僅かに小さく形成されている。図１には、接触箇所Ｃ_１と転動体５の重心Ｇとの距離を符号Ｒ_２で記してある。

図２に、図１に示す捩り振動減衰装置１の部分的な断面図を示してある。転動体５の外周面の全周に亘って、かつ転動体５の軸線に対して半径方向で内側に向けて滑らかに湾曲した溝部６が形成されている。溝部６の幅および深さならびに曲率などは、図２に示す例では、外周面の円周方向で一定に形成されている。なお、溝部６は円弧面である必要はなく、断面がＶ字形状の傾斜面であってもよい。上述した転動面４は、図２に示すように、溝部に対して凸となっており、その凸形状の転動面４が溝部６に嵌合するようになっている。また、図２に示すように、回転体２の回転軸線方向で転動面４の左右の角が溝部６の表面に接触している。すなわち、それらの角と溝部６とが接触している箇所が上述した接触箇所Ｃ_１となっている。

図３に、転動面４の形状の一例の上視図を示してある。転動面４のうち回転体２の回転中心Ｏ_０に対して半径方向で外側の部分の幅ｈが狭く形成されており、これに対して、転動面４のうち回転体２の回転中心Ｏ_０に対して半径方向で内側に位置する部分の幅Ｈが広く形成されている。なお、図３に示す例では、転動面４のうち回転体２の回転中心Ｏ_０に対して半径方向で最も外側の部分の幅ｈが最も狭く形成されている。また転動面４の最大の幅Ｈは溝部６の溝幅程度あるいは溝幅より僅かに小さい程度に設定されている。このような転動面４の幅は、図３に示すように、滑らかに変化するように形成されている。なお、転動面４のうち上述した最も幅の狭い部分に転動体５が位置している場合が、後述するニュートラル位置である。以下の説明では、ニュートラル位置における転動体５の転動角度を０度とする。

つぎに上述した構成の捩り振動減衰装置１の作用について説明する。回転体２が回転することにより収容室３に収容されている転動体５が回転体２と共に回転する。具体的には、転動体５は遠心力Ｆによって転動面４に押し付けられるため、転動体５は回転体２の回転中心Ｏ_０に対して公転する。収容室３を形成している内壁面のうち回転体２の外周側に位置する上述した転動面４は、回転体２の半径より小さい曲率半径の曲面であるから、転動面４の中央部すなわち転動面４の曲率中心Ｏ_１と回転体２の回転中心Ｏ_０とを結んだ線が転動面４に交差する位置が、回転体２の中心Ｏ_０から最も離れた位置となる。したがって、転動体５に遠心力Ｆが作用しかつ回転体２の円周方向への力が作用していない状態では、転動体５は転動面４のうち回転体２の回転中心Ｏ_０から最も離れた位置に移動させられる。図１はその状態を示している。この位置をニュートラル位置と記す。このニュートラル位置においては、図１に示すように、転動体５の重心Ｇが、回転体２の回転中心Ｏ_０と転動面４の曲率中心Ｏ_１とを結んだ線上に並ぶ。

回転体２に捩り振動が作用すると、回転体２と一体の回転軸を捩るように力が作用する。すなわち、回転体２に角加速度が生じることに伴って転動体５に慣性力が作用し、その結果、転動体５が転動面４に沿った往復運動を行う。ここで、転動体５の往復運動の支点Ｐと転動体５の重心Ｇとの距離を往復運動の腕の長さｌとし、支点Ｐと回転体２の回転中心Ｏ_０との距離をｒとすると、転動体５の往復運動次数ｎは下記の（１）式によって計算される。
ｎ＝（ｒ／ｌ）^１／２・・・（１）
転動体５の往復運動の腕の長さｌは、接触箇所Ｃ_１の曲率半径Ｒ_１から上述した距離Ｒ_２を減じて計算できるため、上記の（１）式は下記の（２）式のように変形することができる。
ｎ＝｛ｒ／（Ｒ_１−Ｒ_２）｝^１／２・・・（２）
往復運動次数ｎを回転体２の回転変動次数（捩り振動の次数）に合わせることにより、転動体５の往復運動によって回転体２の捩り振動を減衰することができる。

図４に、転動面４に沿って往復運動している転動体５の振幅が小さい場合を模式的に示してある。この発明において、「振幅が小さい」とは、転動体５がニュートラル位置に位置している場合を０度とした転動体５の転動角度θが小さいこと、すなわち図４に示すようにニュートラル位置から外れて一方の側から他方の側へ転動面４上を転動する転動体５の移動距離が短いことである。「転動体５の振幅が小さい場合」とは、例えば回転軸の回転数が高いことにより転動体５の固有振動数が高くなった場合、すなわち回転体２に作用する捩り振動が小さいことにより転動体５の転動角度θが小さい場合である。更に言えば、回転体２に入力されるトルクの変動が小さいことにより転動体５の転動角度θが小さい場合である。転動体５の転動角度θが小さい場合、転動体５は図４に示すように、遠心力Ｆによってニュートラル位置付近にほぼ押し付けられた状態となっており、転動面４の幅が狭い部分と、溝部６の中央（図５において溝部６の底部）付近とが接触している。そのため、接触箇所Ｃ_１は図５に示すように転動体５の軸線に対して半径方向で内側になる。

図６に、転動面４に沿って往復運動している転動体５の振幅が大きい場合を模式的に示してある。この発明において、「振幅が大きい」とは、転動体５がニュートラル位置に位置している場合を０度とした転動体５の転動角度θが大きいこと、すなわち図６に示すようにニュートラル位置から外れて一方の側から他方の側へ転動面４上を転動する転動体５の移動距離が長いことである。「転動体５の振幅が大きい場合」とは、例えば回転軸の回転数が低いことにより転動体５の固有振動数が小さくなった場合、すなわち回転体２に作用する捩り振動が大きいことにより転動体５の転動角度θが大きい場合である。更に言えば、回転体２に入力されるトルクの変動が大きいことにより転動体５の転動角度θが大きい場合である。図７に、転動体５の転動角度θが大きい場合における転動体５と転動面４との接触箇所Ｃ_１を拡大して示してある。転動体５の転動角度θが大きい場合、転動体５はニュートラル位置から大きく外れるように転動面４上を転動する。その転動面４は上述したように回転体２の回転軸線に平行な方向から見た場合に、回転体２の曲率中心Ｏ_０に対して凹曲面であるため、転動体５の転動角度θが増大することに伴って、転動体５は、図６に示すように、回転体２の回転中心Ｏ_０に対して半径方向で内側に移動する。また、転動体５の転動角度θが大きい場合、図７に示すように、転動面４の幅が広い部分と、図７において溝部６の上側の両端部付近とが接触する。そのため、接触箇所Ｃ_１が図７に示すように転動体５の軸線に対して半径方向で外側になる。

このように、上述した構成の捩り振動減衰装置１においては、転動体５の転動角度θが増大することに伴って、転動体５の軸線に対して半径方向で外側に接触箇所Ｃ_１が変化することにより、接触箇所Ｃ_１における転動面４の曲率半径Ｒ_１が長くなるとともに、接触箇所Ｃ_１から転動体５の重心Ｇまでの距離Ｒ_２が長くなる。そのため、この捩り振動減衰装置１においては、図８に示すように、転動体５の転動角度θが増大して転動体５の遠心力Ｆの作用方向と、接触箇所Ｃ_１の法線方向とがずれることにより角度θ_１が生じたとしても、この発明を適用しない捩り振動減衰装置と比較して、上記の角度θ_１を小さくすることができる。その結果、接触箇所Ｃ_１における法線方向の荷重ｆ、すなわち摩擦力の低下を抑制することができる。これに加えて、この捩り振動減衰装置１においては、転動角度θの増大に伴って接触箇所Ｃ_１と転動体５の重心Ｇとの距離Ｒ_２が長くなるため、上述した（２）式において、分母の変化を抑制することができる。すなわち、転動体５の往復運動次数の変化を抑制することができる。このように、この発明に係る捩り振動減衰装置１によれば、転動体５の重心Ｇの軌跡を変化させずに、転動体５の滑りを回避もしくは抑制して転動体５を円滑に転動させることができるので、所期の振動減衰性能を得ることができる。また、この発明に係る捩り振動減衰装置１においては、転動体５が転動する転動面４は、一定曲率の円弧面であってもよいし、サイクロイド面であってもよい。すなわち、この発明に係る捩り振動減衰装置１によれば、転動面４を一定曲率の円弧面として形成した場合であっても、またサイクロイド面として形成した場合であっても、転動体５の転動角度θが増大することに伴って上述したように曲率半径Ｒ_１および距離Ｒ_２を変化させることができるために、所期の振動減衰性能を得ることができる。

１…捩り振動減衰装置、２…回転体、４…転動面、５…転動体、Ｃ_１…接触箇所、Ｒ_１…接触箇所Ｃ_１における転動面の曲率半径、Ｇ…転動体の重心、Ｒ_２…接触箇所Ｃ_１と転動体の重心Ｇとの距離。

Claims

トルクを受けて回転する回転体の回転中心から外れた箇所に曲率中心を有する転動面が前記回転体に形成され、前記回転体と共に回転することによる遠心力によって前記転動面に接触させられかつ前記回転体の捩り振動によって前記転動面に沿って転動する転動体を備えた捩り振動減衰装置において、
前記転動面に嵌合する溝部が前記転動体の外周面に沿って形成され、
前記転動体の転動の角度の増大に応じて前記溝部に嵌合する前記転動面の幅が増大するように構成され、
前記転動体の転動の角度の増大に応じて前記転動体と前記転動面との接触箇所から前記転動体の重心までの距離が連続的に変化するように構成されている
ことを特徴とする捩り振動減衰装置。
前記転動体の転動の角度の増大に応じて前記接触箇所における前記転動面の曲率半径が増大するように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の捩り振動減衰装置。