軸構造
【課題】撓みを抑制する軸構造を提供する。
【解決手段】動力伝達要素に用いられる軸構造において、前記軸構造は、中空状に形成されたシャフト部材１０と、そのシャフト部材１０の中空状の内部に嵌入され、前記シャフト部材１０よりも相対的にヤング率の大きな物質により構成された中央部部材１１，１４とからなることによる。又は、動力伝達要素に用いられる軸構造において、中空状に形成されたシャフト部材１３と、そのシャフト部材１３の中空状の内部に充填され、電磁気的雰囲気の変化に応じて剛性が変化する中央部部材１４とからなることによる。
【解決手段】動力伝達要素に用いられる軸構造において、前記軸構造は、中空状に形成されたシャフト部材１０と、そのシャフト部材１０の中空状の内部に嵌入され、前記シャフト部材１０よりも相対的にヤング率の大きな物質により構成された中央部部材１１，１４とからなることによる。又は、動力伝達要素に用いられる軸構造において、中空状に形成されたシャフト部材１３と、そのシャフト部材１３の中空状の内部に充填され、電磁気的雰囲気の変化に応じて剛性が変化する中央部部材１４とからなることによる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、動力伝達装置の一般的な細部に関し、特に動力伝達系の軸構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両の動力伝達装置には、歯車やベルトなどの動力伝達要素が備えられており、それらの動力伝達要素には、中心部を軸心として回転する回転軸が備えられる。このような動力伝達要素を備えた回転軸が、同軸状や平行状すなわち一つの軸からそれとある軸間距離だけ離して他の軸が設けられて配置される。このような動力伝達要素を備えた回転軸は、その動力伝達要素が他の動力伝達要素からのラジアル方向の荷重を受けるために、その内部に応力が作用して撓み変形が起こる。このような回転軸や歯車などの動力伝達要素の撓みは、動力伝達装置の性能に影響を与える。また、動力伝達装置には、様々な機能を有する機械要素が用いられており、一般にこれらの撓み変形も動力伝達装置の性能に影響を与える。
【０００３】
特許文献１には、相対向する第１及び第２固定壁間に軸方向に移動可能に軸支される、歯車伝動装置の一部の歯車と第２固定壁との間に，歯車を第１固定壁側に弾発するウェーブワッシャを介装した、歯車伝動装置の防振構造が記載されている。この歯車伝動装置の防振構造は、ウェーブワッシャを囲繞する円筒部を歯車及び第２固定壁の相対向する一方の端面に突設し，この円筒部が他方の端面に当接することでウェーブワッシャの撓み量の一定値以上の増加を規制するように構成されている。これにより、ウェーブワッシャが常に正常な緩衝機能を発揮し得る。
【０００４】
また、特許文献２に記載の平行軸型の円すい歯車装置は、第１の回転軸に円すい小歯車が取り付けられ、この第１の回転軸に第２の回転軸が平行に配置される。第２の回転軸に、円すい小歯車に噛み合う円すい大歯車が取り付けられる。小歯車と大歯車とは円すい角がほぼ等しく、第１の回転軸を軸方向に移動可能に支持手段により支持される。第１の回転軸の軸方向に推力が付勢手段により付勢される。第１の回転軸の軸端部に付勢手段により付勢された推力を支持し第１の回転軸の径方向の変位を許容する荷重支持体が設けられる。これにより、歯車装置において調整が容易となり、バックラッシが低減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１００８５７号公報
【特許文献２】特開２００６−１１８６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のとおり、回転軸や歯車などの動力伝達要素の撓みは、動力伝達装置の性能に影響を与える。例えば、はす歯歯車の噛合い損失は歯車系のミスアライメントすなわち噛合い不具合により悪化する。このような、噛合い損失は、歯車の回転軸の撓みによっても発生する。そのため、回転軸の撓みを抑制すれば、歯車の噛合い損失は抑制もしくは低減される。
【０００７】
特許文献１に記載の構造では、座金やベアリングなどの支持構造による構成であることから、回転軸部分の振動等による動きを規制することが可能であるが、歯車同士の分離力による回転軸自体の撓みを減少させることはできない。また、特許文献２に記載された装置では、円錐歯車の軸方向に発生する推力に対し、荷重支持体が設置される位置が調整されることから、歯車にかかる荷重を分散させて歯面に発生する反力を抑制させて歯車の損失を防止する。しかしながら、荷重支持体を設けることやこれを収容するように歯車箱を加工する工程など装置が複雑となる。このように動力伝達装置に設けられる軸の撓みの抑制に関しては、軸構造の簡素化やエネルギ効率の向上を図る点では未だ改善の余地がある。
【０００８】
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り、軸の構成によってその撓みを抑制する軸構造を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、動力伝達要素に用いられる軸構造において、中空状に形成されたシャフト部材と、そのシャフト部材の中空状の内部に嵌入され、前記シャフト部材よりも相対的にヤング率の大きな物質により構成された中央部部材とからなることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２の発明は、動力伝達要素に用いられる軸構造において、中空状に形成されたシャフト部材と、そのシャフト部材の中空状の内部に充填され、電磁気的雰囲気の変化に応じて剛性が変化する中央部部材とからなることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３の発明は、前記シャフト部材には、歯車が固定されていることを特徴とする請求項１に記載の軸構造である。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の発明によれば、動力伝達要素に用いられる軸構造において、中空状に形成されたシャフト部材と、そのシャフト部材の中空状の内部に嵌入され、前記シャフト部材よりも相対的にヤング率の大きな物質により構成された中央部部材とからなることから、シャフト部材の撓みを抑制できる。
【００１３】
また、請求項２の発明によれば、動力伝達要素に用いられる軸構造において、中空状に形成されたシャフト部材と、そのシャフト部材の中空状の内部に充填され、電磁気的雰囲気の変化に応じて剛性が変化する中央部部材とからなることから、シャフト部材の撓みを抑制できるとともに、シャフト部材の折損を抑制できる。また、電磁気的雰囲気の変化に応じて剛性が変化するため、例えば駆動力源の駆動力に併せてシャフト部材の剛性を変化させることができる。
【００１４】
さらに、請求項３の発明によれば、前記シャフト部材に歯車が固定されていることから、例えば、互いに対抗して噛み合わされた二つの歯車がこのシャフト部材に固定された構成において、この二つの軸で動力伝達される場合、歯車同士が噛み合わされていることによるラジアル荷重に対して、シャフト部材の撓みを抑制できるため、歯車同士の噛合い損失を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明に係る軸構造の一例を表す模式図である。
【図２】この発明に係る軸構造の他の例を表す模式図である。
【図３】この発明に係る軸構造の他の例における制御フローチャートである。
【図４】この発明の軸構造を適用できるはす歯歯車の歯車系を表す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
つぎに、この発明をより具体的に説明する。この発明は一般的な機械要素として用いられるシャフト（軸、回転軸）の撓みを抑制するような構造に関するものである。また、一般に車両などの動力伝達経路では、シャフトに歯車、ベルト、チェーンなどという回転要素が固定されて用いられる。シャフトは、両端などを軸受に支持されて回転し、この回転力によって撓みが生じる。この撓みは、シャフトに備えられた前述の歯車などの回転要素から作用する力によっても発生する。このような要因から発生する撓みによりシャフトに曲げモーメントが作用する場合、シャフトに生ずる曲げ応力が軸材料の許容応力値以下であっても、撓みがある程度以上に大きくなると、軸受の片当たりを生じたり歯車の噛み合い性能を劣化して、機械の性能を低下する。また、シャフトは曲げやねじりに対する一種のばねであるから、このような軸の固有振動数が、シャフトに作用する曲げモーメントあるいはトルクの変動周期と合致した場合、シャフトは共振を起こしてしまう場合などもある。
【００１７】
このようにシャフトに影響する撓みは、そのヤング率Ｅ、断面二次モーメントを大きくして撓みを小さくすることができる。この発明は、そのようなシャフトの撓みが抑制されるシャフトの軸構造に関するものであり、以下、図面を参照してこのシャフトの軸構造について説明する。図４には、この発明のシャフトの軸構造を適用することのできる歯車系１が記載されている。この歯車系１は、シャフト２からこのシャフト２とある軸間距離だけ離れたシャフト３に回転運動を伝達する要素として、歯車４と歯車５とを備えている。シャフト２は、長さＬで規定される両端部が軸受６，７にそれぞれ回転自在に支持されている。なお、この軸受６，７は、つぎに述べる歯車４がはす歯歯車であることから、ラジアル荷重とスラスト荷重とを受けることができるアンギュラコンタクト玉軸受や円すいころ軸受などが用いられる。また、この軸受６，７に支持されている中間部すなわち軸線方向の中心部付近に歯車４は備えられている。具体的には、この歯車４は、シャフト２が軸受６に支持されている位置から軸線方向に長さａの距離だけ離れた位置にボス孔面にキー溝が切削されて、図示しないキーなどによりシャフト２に固定されている。
【００１８】
一方、シャフト３は、長さＬで規定される両端部が軸受８，９にそれぞれ回転自在に支持されている。なお、この軸受８，９は、つぎに述べる歯車５がはす歯歯車であることから、ラジアル荷重とスラスト荷重とを受けることができるアンギュラコンタクト玉軸受や円すいころ軸受などが用いられる。また、この軸受８，９に支持されている中間部すなわち軸線方向の中心部付近に歯車５は備えられている。具体的には、この歯車５は、シャフト２が軸受８に支持されている位置から軸線方向に長さａの距離だけ離れた位置にボス孔面にキー溝が切削されて、図示しないキーなどによりシャフト３に固定されている。このように構成される歯車系１の歯車４，５は、はす歯歯車により構成されている。なお、この発明における歯車系１の歯車４，５は、他にも平歯車ややまば歯車であってもよい。この歯車４，５は互いにギヤ面を対向させて噛み合わされている。
【００１９】
上記の記載した歯車系１のような構成において、シャフト２，３の撓みを抑制するために、この発明では、この点を考えてシャフト２，３の構造を変更することにより、剛性を上げる。以下、このように歯車４，５がそれぞれ取り付けられたシャフト２，３の軸構造について説明する。なお、シャフト２，３は同様の構造であってよいため、シャフト２を例に説明する。図１は、この発明のシャフト２の軸構造の一例（断面図）を示している。このシャフト２は、中空軸状のシャフト部材１０と中実軸状の中心部材（中央部部材）１１とから構成されている。このシャフト部材１０と中心部材１１とは、中心部材１１の方がシャフト部材１０よりも相対的にヤング率が大きい構成となっている。言い換えると、中心部材１１の方がシャフト部材１０よりも相対的に変形に対する抵抗の度合いが大きい部材により構成されている。このような中心部材１１がシャフト部材１０に挿入されて二重構造となっている。また、中心部材１１は、ヤング率の大きな物質（一例として金属）を焼きばめ等の製法により製作してそのヤング率を大きくする。このように構成されるシャフト部材１０と中心部材１１とは、例えばシャフト部材１０がＳＣｒ２０（ヤング率Ｅ＝２００ＧＰａ）で、中心部材１１が超硬合金（Ｅ＝４４０〜５５０Ｐａ）といった構成であってもよい。また、中心部材１１は、高周波焼入れを施した部材などの金属表面のみ硬化させて硬さを増し、内部はじん性を保った状態で柔軟性に富んだ部材であってもよい。
【００２０】
上記のとおり構成された、この歯車系１の動作について説明すると、シャフト２を入力側、シャフト３を出力側とすれば、シャフト２に動力が伝達されると両端部が軸受６，７によって回転自在に支持されたシャフト２が回転する。シャフト２が回転すると、シャフト２に固定されている歯車４も一体に回転する。歯車４が回転すると、これとギヤ面を対向させて噛み合わされた歯車５に両歯車４，５の歯面を介して動力が伝達される。歯車５に動力が伝達されると、歯車５が回転して、これを固定しているシャフト３も軸受８，９に支持されて一体に回転する。このようにシャフト２から歯車４，５を介してシャフト３に動力が伝達される。
【００２１】
このように歯車系１で動力伝達が行われる場合、歯車４，５がはす歯歯車により構成され、その歯面が傾いていることから、入力トルクによる分離力すなわちラジアル方向の荷重がかかる。アキシャル方向（軸線方向）への荷重は、軸受６，７，８，９によって受け止められ、この分離力も軸受６，７，８，９によって受け止められるが、互いに対向して噛み合わされた歯車４，５同士にも作用して、シャフト２，３の撓みの原因となる。この発明の軸構造では、シャフト２は上述したとおり、中空軸状のシャフト部材１０の内部に、それよりもヤング率の大きな中実軸状の中心部材１１が備えられているため、その撓みを抑制することができる。シャフト２に着目して撓み量を計算すると、撓み量ｙmaxは、前述の分離力をＰ、ヤング率をＥ、断面２次モーメントをＩｚとすると、以下の式（１）により表される。
【数１】
【００２２】
式（１）に見るように、撓み量を小さくするためには、ヤング率Ｅと断面２次モーメントＩｚを大きくすればよく、この発明においては、上述のとおりヤング率の大きな中実軸状の中心部材１１が備えられているため、この撓みを抑制できる。また、撓みを抑制できることから、歯車４，５のミスアライメントによる歯車４，５の噛み合い損失を抑制できる。また、このようなシャフト２，３の撓みの抑制が簡便な構造により可能であるため、製造性が向上してコストを削減できる。さらに、シャフト２の構成をシャフト部材１０を軽量合金などの軽量な部材で構成し、中心部材１１をそれより比重は大きいがヤング率の大きな部材で構成するなどの組み合わせにより、シャフト２を高剛性で軽量な構成とすることができることから燃費の向上や、ひいては車両挙動の向上などが図れる。
【００２３】
つぎに、この発明のシャフトの軸構造における他の構成例について説明する。このシャフトの軸構造の他の構成例は、シャフトの軸構造のみが上記の歯車系１と相違する点であるため、シャフトの軸構造についてのみ説明する。また、このシャフトの軸構造以外は上記の歯車系１と同様の構成であり、同じ符号を用いて説明する。図２には、この発明のシャフトの軸構造の他の構成例であるシャフト１２が示されている。なお、シャフト１２は前述の歯車系１におけるシャフト２もしくは３に適用されている。このシャフト１２は、内部に空間を有して形成されるシャフト部材１３を備えており、その内部の電磁気的雰囲気の変化に応じて剛性が変化する、もしくはその内部に電圧が印加されることにより剛性が可変となる液状体（中心部材、中央部部材）１４が液密に封入（充填）されている。なお、この中央部部材１４は液状でなくてもよく、粉体もしくは固体などでもよい。シャフト１２は、液状体１４がシャフト部材１３に挿入されて二重構造となっており、液状体１４は、シャフト部材１３の内部の電磁気的雰囲気の変化もしくは電圧が印加される度合いによりヤング率が変化する流体、言い換えると、変形に対する抵抗の度合いが変化する流体により構成されている。
【００２４】
具体的には、この液状体１４は磁性流体などであってよく、電圧の印加状態に応じてシャフト部材１３の内部の電磁気的雰囲気の変化によって剛性を変化させる構成となっている。そのため、シャフト部材１３の内部に導線１５，１６の一方端がシャフト部材１３の壁部１７を介して挿入されて、この導線１５，１６の一方端には、コイルなどが接続されてシャフト部材１３の内部の電磁気的雰囲気を変化させることが可能なように構成されている。また、導線１５，１６の他方端が図示しない電源供給装置に接続されている。この電源供給装置は、図示しない電子制御装置により電圧の印加する度合いが制御される。電子制御装置による電圧の印加する度合いは、シャフト１２に入力されるトルクの大きさ、例えばエンジンなどの内燃機関や電動機などの駆動力源からのトルク信号が図示しないセンサなどから電子制御装置に入力されて行われる。
【００２５】
この電子制御装置による電圧を印加する度合いを変化させてシャフト部材１０の内部の電磁気的雰囲気を変化させることによりシャフト部材１３内部の液状体１４の剛性を変化させる制御の一例を表すフローチャートが図３に記載されている。まず、ステップＳ１において、エンジントルクＴengがトルク判定基準値Ｔrefよりも大きいか否かが判定される。このトルク判定基準値Ｔrefは、電圧を印加してヤング率Ｅを大きくするか否かを判断するための値であり、電子制御装置により算出されるか、もしくは予め用意されたマップにより提供される。ステップＳ１において、否定の判断が下されると、液状体１４の剛性を上げるすなわちヤング率Ｅを大きくする必要がないため、電圧は印加されず、すなわち電源がＯＦＦ状態とされる（ステップＳ３）。ステップＳ１で肯定の判断が下されると、ステップＳ２の制御が実行される。すなわちステップＳ２において、液状体１４の剛性を上げるすなわちヤング率Ｅを大きくする必要があるため、電圧が印加されてすなわち電源がＯＮ状態とされる。この図３に示したフローチャートによる制御ルーチンが所定毎に行われて、適宜にシャフト１２の剛性すなわちヤング率Ｅが変化させられる。なお、このフローチャートでは、電圧の印加状態を電源のＯＮ状態とＯＦＦ状態との二つの状態が示されているが、電源がＯＮ状態である場合は、エンジントルクＴengに応じて、電圧を印加する値が変えられる。
【００２６】
上記の他の構成例が適用された歯車系１で動力伝達が行われる場合、前述の中実軸状の中心部材１１を有する構成と同様に歯車４，５がはす歯歯車により構成されており、その歯面が傾いていることから、入力トルクによる分離力すなわちラジアル方向の荷重がかかる。アキシャル方向（軸線方向）への荷重は、軸受６，７，８，９によって受け止められるが、この分離力は、互いに対向して噛み合わされた歯車４，５同士に作用して、シャフト１２の撓みの原因となる。この発明の軸構造では、シャフト１２は上述したとおり、内部に空間を有して形成されるシャフト部材１３を備えて、その内部の電磁気的雰囲気を変化させることにより剛性が可変となる液状体（中心部材）１４が液密に封入（充填）されていることから、その撓みを抑制することができる。また、前述の式（１）で表されているように、撓み量を小さくするためには、ヤング率Ｅと断面２次モーメントＩｚを大きくすればよく、この発明の他の構成例においては、上述のとおり電圧を印加することによりヤング率の大きくすることのできる液状体１４が備えられているため、この撓みを抑制できる。また、撓みを抑制させて減少させることができることから、歯車４，５のミスアライメントによる歯車４，５の噛み合い損失を抑制できる。さらに、電子制御装置により前述のフローチャートによるシャフト１２にかかるトルクによって電圧の印加状態を変更できることから、例えば適宜電圧の印加状態の度合いを変更して、必要な剛性を付与することができる。さらに、シャフト１２の構成をシャフト部材１３を軽量合金などの軽量な部材で構成し、中心部材（液状体）１４をそれより比重は大きいがヤング率の大きな部材で構成するなどの組み合わせにより、シャフト１２を高剛性で軽量な構成とすることができることから燃費の向上や、ひいては車両挙動の向上などが図れる。
【００２７】
なお、上述した２つの実施例では、歯車系１にシャフト２，１２が適用される例を説明したが、この発明におけるシャフトは、要は、シャフトが中空軸状もしくは内部に空間を有する形状の部材（シャフト部材）で構成され、その中空部もしくは内部の空間にシャフト部材よりヤング率が大きい部材が隙間なく内部に収容（充填）された構成であればよく、歯車系に限定されず他の回転伝達要素、例えばベルトやチェーンなどの動力伝達系にも適用できる。また、歯車系１に適用された歯車５，６，７，８ははす歯歯車である構成を示したが、ラジアル方向に荷重が加えられる歯車などに、この発明のシャフトの軸構造（具体的にはシャフト２，１２）を適用できる。
【符号の説明】
【００２８】
１０，１３…シャフト部材、 １１，１４…中央部部材（中心部材、液状体）。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、動力伝達装置の一般的な細部に関し、特に動力伝達系の軸構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両の動力伝達装置には、歯車やベルトなどの動力伝達要素が備えられており、それらの動力伝達要素には、中心部を軸心として回転する回転軸が備えられる。このような動力伝達要素を備えた回転軸が、同軸状や平行状すなわち一つの軸からそれとある軸間距離だけ離して他の軸が設けられて配置される。このような動力伝達要素を備えた回転軸は、その動力伝達要素が他の動力伝達要素からのラジアル方向の荷重を受けるために、その内部に応力が作用して撓み変形が起こる。このような回転軸や歯車などの動力伝達要素の撓みは、動力伝達装置の性能に影響を与える。また、動力伝達装置には、様々な機能を有する機械要素が用いられており、一般にこれらの撓み変形も動力伝達装置の性能に影響を与える。
【０００３】
特許文献１には、相対向する第１及び第２固定壁間に軸方向に移動可能に軸支される、歯車伝動装置の一部の歯車と第２固定壁との間に，歯車を第１固定壁側に弾発するウェーブワッシャを介装した、歯車伝動装置の防振構造が記載されている。この歯車伝動装置の防振構造は、ウェーブワッシャを囲繞する円筒部を歯車及び第２固定壁の相対向する一方の端面に突設し，この円筒部が他方の端面に当接することでウェーブワッシャの撓み量の一定値以上の増加を規制するように構成されている。これにより、ウェーブワッシャが常に正常な緩衝機能を発揮し得る。
【０００４】
また、特許文献２に記載の平行軸型の円すい歯車装置は、第１の回転軸に円すい小歯車が取り付けられ、この第１の回転軸に第２の回転軸が平行に配置される。第２の回転軸に、円すい小歯車に噛み合う円すい大歯車が取り付けられる。小歯車と大歯車とは円すい角がほぼ等しく、第１の回転軸を軸方向に移動可能に支持手段により支持される。第１の回転軸の軸方向に推力が付勢手段により付勢される。第１の回転軸の軸端部に付勢手段により付勢された推力を支持し第１の回転軸の径方向の変位を許容する荷重支持体が設けられる。これにより、歯車装置において調整が容易となり、バックラッシが低減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１００８５７号公報
【特許文献２】特開２００６−１１８６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のとおり、回転軸や歯車などの動力伝達要素の撓みは、動力伝達装置の性能に影響を与える。例えば、はす歯歯車の噛合い損失は歯車系のミスアライメントすなわち噛合い不具合により悪化する。このような、噛合い損失は、歯車の回転軸の撓みによっても発生する。そのため、回転軸の撓みを抑制すれば、歯車の噛合い損失は抑制もしくは低減される。
【０００７】
特許文献１に記載の構造では、座金やベアリングなどの支持構造による構成であることから、回転軸部分の振動等による動きを規制することが可能であるが、歯車同士の分離力による回転軸自体の撓みを減少させることはできない。また、特許文献２に記載された装置では、円錐歯車の軸方向に発生する推力に対し、荷重支持体が設置される位置が調整されることから、歯車にかかる荷重を分散させて歯面に発生する反力を抑制させて歯車の損失を防止する。しかしながら、荷重支持体を設けることやこれを収容するように歯車箱を加工する工程など装置が複雑となる。このように動力伝達装置に設けられる軸の撓みの抑制に関しては、軸構造の簡素化やエネルギ効率の向上を図る点では未だ改善の余地がある。
【０００８】
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り、軸の構成によってその撓みを抑制する軸構造を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、動力伝達要素に用いられる軸構造において、中空状に形成されたシャフト部材と、そのシャフト部材の中空状の内部に嵌入され、前記シャフト部材よりも相対的にヤング率の大きな物質により構成された中央部部材とからなることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２の発明は、動力伝達要素に用いられる軸構造において、中空状に形成されたシャフト部材と、そのシャフト部材の中空状の内部に充填され、電磁気的雰囲気の変化に応じて剛性が変化する中央部部材とからなることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３の発明は、前記シャフト部材には、歯車が固定されていることを特徴とする請求項１に記載の軸構造である。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の発明によれば、動力伝達要素に用いられる軸構造において、中空状に形成されたシャフト部材と、そのシャフト部材の中空状の内部に嵌入され、前記シャフト部材よりも相対的にヤング率の大きな物質により構成された中央部部材とからなることから、シャフト部材の撓みを抑制できる。
【００１３】
また、請求項２の発明によれば、動力伝達要素に用いられる軸構造において、中空状に形成されたシャフト部材と、そのシャフト部材の中空状の内部に充填され、電磁気的雰囲気の変化に応じて剛性が変化する中央部部材とからなることから、シャフト部材の撓みを抑制できるとともに、シャフト部材の折損を抑制できる。また、電磁気的雰囲気の変化に応じて剛性が変化するため、例えば駆動力源の駆動力に併せてシャフト部材の剛性を変化させることができる。
【００１４】
さらに、請求項３の発明によれば、前記シャフト部材に歯車が固定されていることから、例えば、互いに対抗して噛み合わされた二つの歯車がこのシャフト部材に固定された構成において、この二つの軸で動力伝達される場合、歯車同士が噛み合わされていることによるラジアル荷重に対して、シャフト部材の撓みを抑制できるため、歯車同士の噛合い損失を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明に係る軸構造の一例を表す模式図である。
【図２】この発明に係る軸構造の他の例を表す模式図である。
【図３】この発明に係る軸構造の他の例における制御フローチャートである。
【図４】この発明の軸構造を適用できるはす歯歯車の歯車系を表す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
つぎに、この発明をより具体的に説明する。この発明は一般的な機械要素として用いられるシャフト（軸、回転軸）の撓みを抑制するような構造に関するものである。また、一般に車両などの動力伝達経路では、シャフトに歯車、ベルト、チェーンなどという回転要素が固定されて用いられる。シャフトは、両端などを軸受に支持されて回転し、この回転力によって撓みが生じる。この撓みは、シャフトに備えられた前述の歯車などの回転要素から作用する力によっても発生する。このような要因から発生する撓みによりシャフトに曲げモーメントが作用する場合、シャフトに生ずる曲げ応力が軸材料の許容応力値以下であっても、撓みがある程度以上に大きくなると、軸受の片当たりを生じたり歯車の噛み合い性能を劣化して、機械の性能を低下する。また、シャフトは曲げやねじりに対する一種のばねであるから、このような軸の固有振動数が、シャフトに作用する曲げモーメントあるいはトルクの変動周期と合致した場合、シャフトは共振を起こしてしまう場合などもある。
【００１７】
このようにシャフトに影響する撓みは、そのヤング率Ｅ、断面二次モーメントを大きくして撓みを小さくすることができる。この発明は、そのようなシャフトの撓みが抑制されるシャフトの軸構造に関するものであり、以下、図面を参照してこのシャフトの軸構造について説明する。図４には、この発明のシャフトの軸構造を適用することのできる歯車系１が記載されている。この歯車系１は、シャフト２からこのシャフト２とある軸間距離だけ離れたシャフト３に回転運動を伝達する要素として、歯車４と歯車５とを備えている。シャフト２は、長さＬで規定される両端部が軸受６，７にそれぞれ回転自在に支持されている。なお、この軸受６，７は、つぎに述べる歯車４がはす歯歯車であることから、ラジアル荷重とスラスト荷重とを受けることができるアンギュラコンタクト玉軸受や円すいころ軸受などが用いられる。また、この軸受６，７に支持されている中間部すなわち軸線方向の中心部付近に歯車４は備えられている。具体的には、この歯車４は、シャフト２が軸受６に支持されている位置から軸線方向に長さａの距離だけ離れた位置にボス孔面にキー溝が切削されて、図示しないキーなどによりシャフト２に固定されている。
【００１８】
一方、シャフト３は、長さＬで規定される両端部が軸受８，９にそれぞれ回転自在に支持されている。なお、この軸受８，９は、つぎに述べる歯車５がはす歯歯車であることから、ラジアル荷重とスラスト荷重とを受けることができるアンギュラコンタクト玉軸受や円すいころ軸受などが用いられる。また、この軸受８，９に支持されている中間部すなわち軸線方向の中心部付近に歯車５は備えられている。具体的には、この歯車５は、シャフト２が軸受８に支持されている位置から軸線方向に長さａの距離だけ離れた位置にボス孔面にキー溝が切削されて、図示しないキーなどによりシャフト３に固定されている。このように構成される歯車系１の歯車４，５は、はす歯歯車により構成されている。なお、この発明における歯車系１の歯車４，５は、他にも平歯車ややまば歯車であってもよい。この歯車４，５は互いにギヤ面を対向させて噛み合わされている。
【００１９】
上記の記載した歯車系１のような構成において、シャフト２，３の撓みを抑制するために、この発明では、この点を考えてシャフト２，３の構造を変更することにより、剛性を上げる。以下、このように歯車４，５がそれぞれ取り付けられたシャフト２，３の軸構造について説明する。なお、シャフト２，３は同様の構造であってよいため、シャフト２を例に説明する。図１は、この発明のシャフト２の軸構造の一例（断面図）を示している。このシャフト２は、中空軸状のシャフト部材１０と中実軸状の中心部材（中央部部材）１１とから構成されている。このシャフト部材１０と中心部材１１とは、中心部材１１の方がシャフト部材１０よりも相対的にヤング率が大きい構成となっている。言い換えると、中心部材１１の方がシャフト部材１０よりも相対的に変形に対する抵抗の度合いが大きい部材により構成されている。このような中心部材１１がシャフト部材１０に挿入されて二重構造となっている。また、中心部材１１は、ヤング率の大きな物質（一例として金属）を焼きばめ等の製法により製作してそのヤング率を大きくする。このように構成されるシャフト部材１０と中心部材１１とは、例えばシャフト部材１０がＳＣｒ２０（ヤング率Ｅ＝２００ＧＰａ）で、中心部材１１が超硬合金（Ｅ＝４４０〜５５０Ｐａ）といった構成であってもよい。また、中心部材１１は、高周波焼入れを施した部材などの金属表面のみ硬化させて硬さを増し、内部はじん性を保った状態で柔軟性に富んだ部材であってもよい。
【００２０】
上記のとおり構成された、この歯車系１の動作について説明すると、シャフト２を入力側、シャフト３を出力側とすれば、シャフト２に動力が伝達されると両端部が軸受６，７によって回転自在に支持されたシャフト２が回転する。シャフト２が回転すると、シャフト２に固定されている歯車４も一体に回転する。歯車４が回転すると、これとギヤ面を対向させて噛み合わされた歯車５に両歯車４，５の歯面を介して動力が伝達される。歯車５に動力が伝達されると、歯車５が回転して、これを固定しているシャフト３も軸受８，９に支持されて一体に回転する。このようにシャフト２から歯車４，５を介してシャフト３に動力が伝達される。
【００２１】
このように歯車系１で動力伝達が行われる場合、歯車４，５がはす歯歯車により構成され、その歯面が傾いていることから、入力トルクによる分離力すなわちラジアル方向の荷重がかかる。アキシャル方向（軸線方向）への荷重は、軸受６，７，８，９によって受け止められ、この分離力も軸受６，７，８，９によって受け止められるが、互いに対向して噛み合わされた歯車４，５同士にも作用して、シャフト２，３の撓みの原因となる。この発明の軸構造では、シャフト２は上述したとおり、中空軸状のシャフト部材１０の内部に、それよりもヤング率の大きな中実軸状の中心部材１１が備えられているため、その撓みを抑制することができる。シャフト２に着目して撓み量を計算すると、撓み量ｙmaxは、前述の分離力をＰ、ヤング率をＥ、断面２次モーメントをＩｚとすると、以下の式（１）により表される。
【数１】
【００２２】
式（１）に見るように、撓み量を小さくするためには、ヤング率Ｅと断面２次モーメントＩｚを大きくすればよく、この発明においては、上述のとおりヤング率の大きな中実軸状の中心部材１１が備えられているため、この撓みを抑制できる。また、撓みを抑制できることから、歯車４，５のミスアライメントによる歯車４，５の噛み合い損失を抑制できる。また、このようなシャフト２，３の撓みの抑制が簡便な構造により可能であるため、製造性が向上してコストを削減できる。さらに、シャフト２の構成をシャフト部材１０を軽量合金などの軽量な部材で構成し、中心部材１１をそれより比重は大きいがヤング率の大きな部材で構成するなどの組み合わせにより、シャフト２を高剛性で軽量な構成とすることができることから燃費の向上や、ひいては車両挙動の向上などが図れる。
【００２３】
つぎに、この発明のシャフトの軸構造における他の構成例について説明する。このシャフトの軸構造の他の構成例は、シャフトの軸構造のみが上記の歯車系１と相違する点であるため、シャフトの軸構造についてのみ説明する。また、このシャフトの軸構造以外は上記の歯車系１と同様の構成であり、同じ符号を用いて説明する。図２には、この発明のシャフトの軸構造の他の構成例であるシャフト１２が示されている。なお、シャフト１２は前述の歯車系１におけるシャフト２もしくは３に適用されている。このシャフト１２は、内部に空間を有して形成されるシャフト部材１３を備えており、その内部の電磁気的雰囲気の変化に応じて剛性が変化する、もしくはその内部に電圧が印加されることにより剛性が可変となる液状体（中心部材、中央部部材）１４が液密に封入（充填）されている。なお、この中央部部材１４は液状でなくてもよく、粉体もしくは固体などでもよい。シャフト１２は、液状体１４がシャフト部材１３に挿入されて二重構造となっており、液状体１４は、シャフト部材１３の内部の電磁気的雰囲気の変化もしくは電圧が印加される度合いによりヤング率が変化する流体、言い換えると、変形に対する抵抗の度合いが変化する流体により構成されている。
【００２４】
具体的には、この液状体１４は磁性流体などであってよく、電圧の印加状態に応じてシャフト部材１３の内部の電磁気的雰囲気の変化によって剛性を変化させる構成となっている。そのため、シャフト部材１３の内部に導線１５，１６の一方端がシャフト部材１３の壁部１７を介して挿入されて、この導線１５，１６の一方端には、コイルなどが接続されてシャフト部材１３の内部の電磁気的雰囲気を変化させることが可能なように構成されている。また、導線１５，１６の他方端が図示しない電源供給装置に接続されている。この電源供給装置は、図示しない電子制御装置により電圧の印加する度合いが制御される。電子制御装置による電圧の印加する度合いは、シャフト１２に入力されるトルクの大きさ、例えばエンジンなどの内燃機関や電動機などの駆動力源からのトルク信号が図示しないセンサなどから電子制御装置に入力されて行われる。
【００２５】
この電子制御装置による電圧を印加する度合いを変化させてシャフト部材１０の内部の電磁気的雰囲気を変化させることによりシャフト部材１３内部の液状体１４の剛性を変化させる制御の一例を表すフローチャートが図３に記載されている。まず、ステップＳ１において、エンジントルクＴengがトルク判定基準値Ｔrefよりも大きいか否かが判定される。このトルク判定基準値Ｔrefは、電圧を印加してヤング率Ｅを大きくするか否かを判断するための値であり、電子制御装置により算出されるか、もしくは予め用意されたマップにより提供される。ステップＳ１において、否定の判断が下されると、液状体１４の剛性を上げるすなわちヤング率Ｅを大きくする必要がないため、電圧は印加されず、すなわち電源がＯＦＦ状態とされる（ステップＳ３）。ステップＳ１で肯定の判断が下されると、ステップＳ２の制御が実行される。すなわちステップＳ２において、液状体１４の剛性を上げるすなわちヤング率Ｅを大きくする必要があるため、電圧が印加されてすなわち電源がＯＮ状態とされる。この図３に示したフローチャートによる制御ルーチンが所定毎に行われて、適宜にシャフト１２の剛性すなわちヤング率Ｅが変化させられる。なお、このフローチャートでは、電圧の印加状態を電源のＯＮ状態とＯＦＦ状態との二つの状態が示されているが、電源がＯＮ状態である場合は、エンジントルクＴengに応じて、電圧を印加する値が変えられる。
【００２６】
上記の他の構成例が適用された歯車系１で動力伝達が行われる場合、前述の中実軸状の中心部材１１を有する構成と同様に歯車４，５がはす歯歯車により構成されており、その歯面が傾いていることから、入力トルクによる分離力すなわちラジアル方向の荷重がかかる。アキシャル方向（軸線方向）への荷重は、軸受６，７，８，９によって受け止められるが、この分離力は、互いに対向して噛み合わされた歯車４，５同士に作用して、シャフト１２の撓みの原因となる。この発明の軸構造では、シャフト１２は上述したとおり、内部に空間を有して形成されるシャフト部材１３を備えて、その内部の電磁気的雰囲気を変化させることにより剛性が可変となる液状体（中心部材）１４が液密に封入（充填）されていることから、その撓みを抑制することができる。また、前述の式（１）で表されているように、撓み量を小さくするためには、ヤング率Ｅと断面２次モーメントＩｚを大きくすればよく、この発明の他の構成例においては、上述のとおり電圧を印加することによりヤング率の大きくすることのできる液状体１４が備えられているため、この撓みを抑制できる。また、撓みを抑制させて減少させることができることから、歯車４，５のミスアライメントによる歯車４，５の噛み合い損失を抑制できる。さらに、電子制御装置により前述のフローチャートによるシャフト１２にかかるトルクによって電圧の印加状態を変更できることから、例えば適宜電圧の印加状態の度合いを変更して、必要な剛性を付与することができる。さらに、シャフト１２の構成をシャフト部材１３を軽量合金などの軽量な部材で構成し、中心部材（液状体）１４をそれより比重は大きいがヤング率の大きな部材で構成するなどの組み合わせにより、シャフト１２を高剛性で軽量な構成とすることができることから燃費の向上や、ひいては車両挙動の向上などが図れる。
【００２７】
なお、上述した２つの実施例では、歯車系１にシャフト２，１２が適用される例を説明したが、この発明におけるシャフトは、要は、シャフトが中空軸状もしくは内部に空間を有する形状の部材（シャフト部材）で構成され、その中空部もしくは内部の空間にシャフト部材よりヤング率が大きい部材が隙間なく内部に収容（充填）された構成であればよく、歯車系に限定されず他の回転伝達要素、例えばベルトやチェーンなどの動力伝達系にも適用できる。また、歯車系１に適用された歯車５，６，７，８ははす歯歯車である構成を示したが、ラジアル方向に荷重が加えられる歯車などに、この発明のシャフトの軸構造（具体的にはシャフト２，１２）を適用できる。
【符号の説明】
【００２８】
１０，１３…シャフト部材、 １１，１４…中央部部材（中心部材、液状体）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力伝達要素に用いられる軸構造において、中空状に形成されたシャフト部材と、そのシャフト部材の中空状の内部に嵌入され、前記シャフト部材よりも相対的にヤング率の大きな物質により構成された中央部部材とからなることを特徴とする軸構造。
【請求項２】
動力伝達要素に用いられる軸構造において、中空状に形成されたシャフト部材と、そのシャフト部材の中空状の内部に充填され、電磁気的雰囲気の変化に応じて剛性が変化する中央部部材とからなることを特徴とする軸構造。
【請求項３】
前記シャフト部材には、歯車が固定されていることを特徴とする請求項１に記載の軸構造。
【請求項１】
動力伝達要素に用いられる軸構造において、中空状に形成されたシャフト部材と、そのシャフト部材の中空状の内部に嵌入され、前記シャフト部材よりも相対的にヤング率の大きな物質により構成された中央部部材とからなることを特徴とする軸構造。
【請求項２】
動力伝達要素に用いられる軸構造において、中空状に形成されたシャフト部材と、そのシャフト部材の中空状の内部に充填され、電磁気的雰囲気の変化に応じて剛性が変化する中央部部材とからなることを特徴とする軸構造。
【請求項３】
前記シャフト部材には、歯車が固定されていることを特徴とする請求項１に記載の軸構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１２２６９４（Ｐ２０１１−１２２６９４Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８２１８２（Ｐ２００９−２８２１８２）
【出願日】平成２１年１２月１１日（２００９．１２．１１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１１日（２００９．１２．１１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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