(57)【要約】【課題】歯車に振動を加えることにより、歯の摩擦損失を抑える振動制御装置を提供する。【解決手段】駆動歯車１０と該駆動歯車１０に噛み合っている従動歯車１２とによってトルクを伝達する歯車装置において、前記駆動歯車１０と従動歯車１２との少なくとも一方の歯車の支持部６，１３に介在され、通電されることにより体積が変化して該一方の歯車に振動を与える圧電素子２０と、前記駆動歯車１０と従動歯車１２とが噛み合っている歯面の摩擦係数が小さくなるように前記圧電素子２０に通電して前記一方の歯車を振動させるコントローラとを備えていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動歯車と該駆動歯車に噛み合っている従動歯車とによってトルクを伝達する歯車装置において、
前記駆動歯車と従動歯車との少なくとも一方の歯車の支持部に介在され、通電されることにより体積が変化して該一方の歯車に振動を与える圧電素子と、
前記駆動歯車と従動歯車とが噛み合っている歯面の摩擦係数が小さくなるように前記圧電素子に通電して前記一方の歯車を振動させるコントローラと
を備えていることを特徴とする歯車装置。
【請求項２】
前記コントローラは、前記歯面の滑り速度および面圧ならびに前記歯面のオイルの粘度とから前記摩擦係数を推定するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の歯車装置。
【請求項３】
前記コントローラは、前記摩擦係数を小さくするように前記電流を制御して構成されていることを特徴とする請求項２に記載の歯車装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、動力源から出力された動力を入力側の歯車から出力側の歯車に伝達する動力伝達機構の振動を制御する歯車装置に関し、センサを用いて振動制御装置の状態を測定して、発生する振動を制御する歯車装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
動力の伝達に関する一般的な装置として、歯車が知られている。歯車による動力伝達は、動力源から出力された動力により入力側の歯車が回転され、この入力側の歯車が出力側の歯車と噛み合うことにより、動力源から出力された動力が出力側の歯車に伝達される。しかしながら、歯車による動力伝達は、歯車同士の噛み合いにより動力が伝達されるため、振動や騒音が生じる。
【０００３】
歯車の振動を抑制する制御装置において、歯車の振動に同期する振動を歯車に伝達することにより、歯車の振動を抑制する発明が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された装置では、圧電素子片がハウジングの一部であって、この圧電素子片が共振を生じやすい部位に貼り付けられている。そのため、圧電素子片に通電することにより圧電素子が振動されて、この振動が共振を生じやすい部位に伝達される。したがって、共振している部位の振動が抑制される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３４４８３６公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、歯車の歯が噛み合う際には、噛み合う歯同士の相対すべりが発生する。その際、噛み合う歯同士の相対速度は歯の先端部及び根本部で最も速くなり、ピッチ点でゼロとなる。これにより、ピッチ点付近では相対すべり速度が小さくなり、歯同士の摩擦状態はストライベック線図の境界潤滑域となるため、摩擦係数が大きくなる。したがって、ピッチ点付近では、歯車の摩擦損失が大きくなる。
【０００６】
この摩擦係数は、歯車を浸しているオイルの粘度と歯車の相対すべり速度と歯車の接触面の面圧とにより定められる。そのため、歯車の相対すべり速度を調節することにより、歯車とその周辺部の機構を調節することなく、歯車同士の摩擦係数を調節することができる。歯車の相対すべり速度を調節する手段の一つとしては、歯車に振動を与える手段が考えられ、歯車に与えられる振動を生じさせる手段としては圧電素子に通電することにより振動を発生させる手段が考えられる。
【０００７】
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、歯車の相対すべり速度を制御することにより歯車の摩擦損失を低減する歯車装置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】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、駆動歯車と該駆動歯車に噛み合っている従動歯車とによってトルクを伝達する歯車装置において、前記駆動歯車と従動歯車との少なくとも一方の歯車の支持部に介在され、通電されることにより体積が変化して該一方の歯車に振動を与える圧電素子と、前記駆動歯車と従動歯車とが噛み合っている歯面の摩擦係数が小さくなるように前記圧電素子に通電して前記一方の歯車を振動させるコントローラとを備えていることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の構成に加えて、前記コントローラは、前記歯面の滑り速度および面圧ならびに前記歯面のオイルの粘度とから前記摩擦係数を推定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。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項２の構成に加えて、前記コントローラは、前記摩擦係数を小さくするように前記電流を制御して構成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、歯車の支持部に介在されている圧電素子が振動して、この振動が歯車に伝達されるため、駆動歯車と従動歯車との歯面の摩擦係数を小さくすることができる。そのため、駆動歯車と従動歯車との動力伝達効率が向上する。
【００１２】
また、請求項２の発明によれば、請求項１の効果を得られる他に、歯面の滑り速度と面圧と歯面のオイルの粘度とから駆動歯車と従動歯車との歯面の摩擦係数を推定することができる。そのため、駆動歯車と従動歯車との動力伝達効率を向上させることが可能となる。
【００１３】
そして、請求項３の発明によれば、請求項２の効果を得られる他に、推定された歯面の摩擦係数に基づいて圧電素子の振動を制御することができる。そのため、歯面の摩擦係数が最小となるように圧電素子の振動を制御することが可能となり、駆動歯車と従動歯車との動力伝達効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
つぎにこの発明をより具体的に説明する。図２には、動力源から出力された動力を入力側の歯車から出力側の歯車に伝達する動力伝達機構の一例として、トランスミッションの概要図が示されている。この動力伝達機構に用いられる歯車は、平歯車、はすば歯車、遊星歯車、ラック、かさ歯車など歯同士が噛み合うものであればよい。
【００１５】
トランスミッション１は、図示せぬ動力源に連結されるフロントケース２と、このフロントケース２に対してエンジンとは反対側に取り付けられ、歯車機構３等を内装するミドルケース４とから構成される。また、前記フロントケース２においては、図示しないエンジンのアウトプットシャフトに対してインプットシャフト６が連結されている。
【００１６】
インプットシャフト６は、ベアリング１１を介してミドルケース４に対して支持されているため、軸線に沿った回転運動が可能となる。また、前記ミドルケース４内において、ドライブギア１０が一体化されており、このドライブギヤ１０にドリブンギア１２が噛合している。このドリブンギア１２が被駆動歯車に該当する。このドリブンギア１２は、カウンターシャフト１３に取り付けられている。このカウンターシャフト１３が前記被駆動歯車の支持部に該当する。このカウンターシャフト１３には複数の歯車が取り付けられており、そのうちの一つの歯車がディファレンシャルギア１４（差動歯車装置）のリングギア１５と噛合している。また、ディファレンシャルギア１４の出力は、左右のドライブシャフト１６Ｌ，１６Ｒに出力される。
【００１７】
次に、ドライブギア１０とドリブンギア１２との噛み合い部分、またはカウンターシャフト１３に取り付けられた歯車とリングギア１５との噛み合い部分における、歯車同士の噛み合い部１７を図３に模式的に示す。図３では、上部の歯車７が反時計方向に回転運動し、下部の歯車８が時計方向に回転運動している例を用いて、以下の説明を行う。なお、歯面の太線部（黒塗り部分）は、歯車同士の接触部分（噛み合い点）からピッチ点までの距離を表している。
【００１８】
歯車の歯の形状は、歯の根本よりも先端部分の方が狭くなるように構成されている。そのため、歯車の回転運動に際して生じる歯車同士の接触は、下側の歯車８の先端部１８ａと上側の歯車７の根本部１９ｂとで開始する。この時の接触状態が図３（ａ）に相当し、上側の歯車７の根本部と下側の歯車８の先端部とが接触する接触点Ａにおいて歯車同士の相対すべり速度が最大となる。
【００１９】
図３（ａ）の状態からそれぞれの歯車７，８が回転運動をすることにより、歯車同士の接触部分が各々のピッチ点Ｂ，Ｃに近づくようになる（図３（ｂ））。そして、歯車同士の相対すべり速度は、歯車同士の接触部分がピッチ点Ｂ，Ｃに近づくにつれて小さくなる。また、図３（ｂ）の状態から、さらにそれぞれの歯車７，８が回転運動をすると、それぞれの歯車７，８がピッチ点Ｂ，Ｃで接触する（図３（ｃ））。このときは、歯車同士の相対すべり速度はゼロとなる。
【００２０】
図３（ｃ）の状態から、歯車同士の回転運動が進行すると、互いに噛み合っている歯は離れる方向に移動する（図３（ｄ），（ｅ））。このときは、歯車同士の接触は、下側の歯車８の根本部１８ｂと上側の歯車７の先端部１９ａとで行われる。そのため、歯車同士の接触部が上側の歯車７の端部となるにつれて、歯車同士の相対すべり速度が大きくなる。
【００２１】
さらに、歯車同士が回転運動をすることにより、互いの歯同士が離れる直前となる状態を図３（ｆ）に記す。このときは、下側の歯車８の根本部１８ｂと上側の歯車７の先端部１９ａとが接触しており、歯車同士の相対すべり速度が最大となる。
【００２２】
歯車同士の摩擦に関する摩擦係数は、この相対すべり速度と歯車を浸しているオイルの粘度と歯面の面圧とに依存する。その関係がストライベック線図として、図４に記されている。図４は、縦軸が歯車同士の摩擦係数であり、横軸がオイルの粘度に相対すべり速度を乗じて、面圧で割ることにより求められるゾンマーフェルト数である。このゾンマーフェルト数の大きさにより歯車の摩擦状態が変動し、ゾンマーフェルト数の小さい順から、境界潤滑領域、混合潤滑領域、流体潤滑領域、と摩擦状態が変動する。
【００２３】
このゾンマーフェルト数が小さいときは、摩擦係数は境界潤滑領域にあたり、摩擦係数は他の領域と比較して大きな値となる。また、ゾンマーフェルト数が所定値ａよりも大きくなると、摩擦係数は、境界潤滑領域から混合潤滑領域となり、摩擦係数は急激に小さくなる。さらに、さらにゾンマーフェルト数が大きくなると、所定値ｂで摩擦係数が混合潤滑領域から流体潤滑領域へと変動する。このときの、所定値ｂのときの摩擦係数が極小値となる。そして、所定値ｂよりも大きなゾンマーフェルト数では、ゾンマーフェルト数の増大と共に摩擦係数が増大する。
【００２４】
前述したように、歯車のピッチ点Ｂ，Ｃ付近では、相対すべり速度が小さくなる。そのため、ゾンマーフェルト数が小さくなり、歯車同士の摩擦の状態は境界潤滑領域で生じることとなり、歯車同士の摩擦係数が大きくなる。そのため、歯車のピッチ点付近における歯車の摩擦係数を減少させるために、歯車に強制的な振動が加えられる。
【００２５】
歯車９に強制的に振動を加える手段の一つとして、歯車９の周囲にある装置や部品に圧電素子２０を取り付けて、歯車９に振動を印加する手段がある。この圧電素子２０は、通電により体積が変動するため、圧電素子２０から生じる振動が接触物に伝達される。その具体例の一つを図１に示す。図１は、インプットシャフト６を軸としたベアリング１１の外周部に圧電素子２０を取り付けた構造が記載されている。圧電素子２０に交番的に電圧を掛けると、圧電素子２０が振動して、この振動がインプットシャフト６に伝達される。その際、圧電素子２０から生じる振動は、インプットシャフト６の軸線方向の振動成分が多くなるように取り付けられる。また、圧電素子２０に通電する電流は、図示しないコントローラにより制御される。また、インプットシャフト６には複数の歯車９が取り付けられている。そのため、圧電素子２０により生じた振動がインプットシャフト６を経由して各歯車に伝達されて、各歯車の歯に振動が伝達される。
【００２６】
この歯に振動が伝達されるため、噛み合う歯同士が互いに振動する。この振動は、各々の歯について相対的に速度を有するように振動する。そのため、相対すべり速度が上昇して、ゾンマーフェルト数が増大し、これにより歯の摩擦係数が減少する。
【００２７】
歯の摩擦係数を最小にするための制御を以下に記す。ゾンマーフェルト数は、歯車の摺動面に充填されているオイルの粘度と、歯同士の相対すべり速度と、歯の面圧とにより求められる。ここで、オイルの粘度はオイルの成分と温度とに依存するが、通常は温度の変化によりオイルの粘度が変わる。そのために、温度を測定するための温度センサが取り付けられる。この温度センサには、サーミスタ等の公知のセンサが用いられる。
【００２８】
また、相対すべり速度は、歯の角度や歯車の回転速度に依存する。このとき、インプットシャフト６とカウンターシャフト１３には複数の歯車が取り付けられており、インプットシャフト６とカウンターシャフト１３とに取り付けられている歯車同士が噛み合うように構成されている。したがって、インプットシャフト６またはカウンターシャフト１３の回転数や、歯車の回転数を回転数センサを用いて測定することにより歯車の回転数を検出することができる。回転数センサは、回転数の測定対象物であるインプットシャフト６またはカウンターシャフト１３または歯車のいずれかと接触し、あるいはインプットシャフト６またはカウンターシャフト１３または歯車のいずれにも接触していないセンサでもよい。
【００２９】
インプットシャフト６またはカウンターシャフト１３またはそれぞれのシャフト６，１３に取り付けられている歯車の回転数が回転数センサにより測定されているため、インプットシャフト６またはカウンターシャフト１３に取り付けられている歯車の回転数を知ることができる。そして、この回転数と、歯車の半径とから、インプットシャフト６またはカウンターシャフト１３に取り付けられている歯車の回転速度を求めることができる。また、歯車が回転運動をする際の歯の角度は角度センサにより測定される。この歯の角度は、ピッチ点と歯車の中心とを結んだ線を基準に測定され、インプットシャフト６に取り付けられている歯車およびカウンターシャフト１３に取り付けられている歯車の歯の角度が測定される。また、この角度センサは歯車と接触するセンサまたは接触していないセンサのいずれでもよい。したがって、図３（ｃ）で示されるように、互いの歯車がピッチ点で噛み合っているときは、角度センサにより測定される角度はゼロとなる。また、図３（ａ）、（ｆ）で示されるように、互いの歯車が歯の先端部１８ａ，１９ａと根本部１８ｂ，１９ｂとで噛み合うときは、角度センサにより測定される角度が大きくなる。そして、この歯車の回転速度と歯の角度と各歯車の歯数、圧力角、ねじれ角、転位係数などの諸元から、そのときの歯面の相対すべり速度が求められる。
【００３０】
さらに、歯面同士の面圧は、歯車のトルクと歯の角度とギア段とから求めることができる。ここで動力源から出力された動力は図示しないアウトプットシャフトからインプットシャフト６へと伝達される。そのため、動力源から生じているトルクを測定するために、インプットシャフト６のトルクをトルクセンサで測定し、または歯車のトルクをトルクセンサで測定することにより歯車のトルクを測定することができる。また、歯の角度は前述した角度センサにより測定される。
【００３１】
ギア段については、図示しないシフトレバーのシフトポジションをシフトポジションセンサを用いて測定することができる。このシフトレバーは、エンジンやモータなどの動力発生装置から生じた駆動力の伝達を行うことのできる走行ポジションと、前記駆動力の伝達を伝達しない非走行ポジションとを選択することが可能であり、このシフトレバーによりこの駆動力を伝達しもしくは歯車の変速比を設定することができる。このシフトポジションセンサを用いることにより、噛み合っている歯車の回転比を知ることができる。そして、歯車の回転比がわかれば、歯車のトルク比はその係数となり、先述の測定された動力源のトルクと、各歯車の歯数、圧力角、ねじれ角、転位係数などの諸元と歯の角度とから、そのときの面圧が求められる。
【００３２】
求められた粘度と相対すべり速度と面圧とから、ゾンマーフェルト数が求められ、このゾンマーフェルト数に基づいて歯面同士の摩擦係数を推定することができる。摩擦係数の推定は、コントローラにより推定され、このコントローラには、測定された温度、エンジン回転数、歯の角度、インプットシャフト６のトルク、シフトポジションが入力される。
【００３３】
この摩擦係数は、ゾンマーフェルト数が混合潤滑領域と流体潤滑領域との境界の際に最小となる。一方で、歯車のピッチ点付近では相対すべり速度が小さいために、求められるゾンマーフェルト数が小さくなり、境界潤滑領域もしくは混合潤滑領域となる場合がある。このときは、摩擦係数が大きいため、相対すべり速度を大きくすることにより、ゾンマーフェルト数を混合潤滑領域と流体潤滑領域との境界に近づけて、歯面の摩擦係数を減少させる。具体的には、圧電素子２０に通電することにより、圧電素子２０に生じる振動がインプットシャフト６を経由して歯車に伝達される。その際、圧電素子２０の振動がインプットシャフト６の軸線方向に振動するように、圧電素子２０が取り付けられる。
【００３４】
この圧電素子２０の振動を加振する際に、振動を原因とする騒音が生じる可能性がある。このため、圧電素子２０の振動の周波数を人間の可聴域から外すことにより、騒音を抑制することが可能となる。具体的には、加振する周波数は１５ｋＨｚ以上となる。
【００３５】
なお、第１の具体例では、インプットシャフト６に取り付けられている歯車機構３に対して圧電素子２０からの振動を与えているが、カウンターシャフト１３に取り付けられているドリブンギア１２に対して圧電素子２０からの振動を与えているものでもよい。このときは、カウンターシャフト１３は、ベアリング１１ｂを介してミドルケース４に対して支持されて、このベアリング１１ｂに圧電素子２０が取り付けられている。
【００３６】
次に、第２の具体例として、トルクセンサと回転数センサの代わりにトルク推定手段と他の回転数算出手段とを用いて、相対すべり速度と歯面の面圧とを制御して、歯車同士の摩擦係数を制御する振動制御装置について説明する。
【００３７】
前述したように、相対すべり速度は、歯の角度や歯車の回転速度に依存する。このとき、インプットシャフト６とカウンターシャフト１３には複数の歯車が取り付けられており、インプットシャフト６とカウンターシャフト１３とに取り付けられている歯車同士が噛み合うように構成されている。そのため、動力源が車両に取り付けられているエンジンである時は、エンジントルクを推定により求めることができる。エンジントルクは、スロットル開度、車両の加速度、空気温度などによって推定することができる。またエンジン回転数センサあるいは車速センサとギアポジションセンサとに基づいて、歯車の回転速度を推定することができるため、相対すべり速度を推定することができる。
【００３８】
さらに、歯面同士の面圧は、歯車のトルクと歯の角度とギア段とから求めることができる。ここで歯車はインプットシャフト６に取り付けられているため、図示しないエンジンのエンジントルクを推定することにより歯車のトルクを推定することができる。また、歯の角度は前述した角度センサにより測定される。
【００３９】
ギア段については、図示しないシフトレバーのシフトポジションをシフトポジションセンサを用いて測定することにより、噛み合っている歯車の回転比を知ることができる。そして、噛み合っている歯車の回転比と歯の角度と推定された歯車のトルクとから、面圧を求めることができる。
【００４０】
求められた粘度と相対すべり速度と面圧とから、ゾンマーフェルト数が推定され、このゾンマーフェルト数に基づいて歯面同士の摩擦係数を推定することができる。この摩擦係数は、ゾンマーフェルト数が混合潤滑領域と流体潤滑領域との境界の際に最小となる。一方で、歯車のピッチ点付近では、相対すべり速度が小さいため、求められるゾンマーフェルト数が小さくなり、境界潤滑領域もしくは混合潤滑領域となる場合がある。このときは、摩擦係数が大きいため、相対すべり速度を大きくすることにより、ゾンマーフェルト数を混合潤滑領域と流体潤滑領域との境界に近づけて、摩擦係数を減少させる。具体的には、圧電素子２０に通電することにより、圧電素子２０に生じる振動がインプットシャフト６を経由して歯車に伝達される。その際、圧電素子２０の振動がインプットシャフト６の軸線方向に振動するように、圧電素子２０が取り付けられる。
【００４１】
次に、第３の具体例として、動力の動力伝達機構の他の例を示す。この動力伝達機構の概要図を図５（ａ）に記す。第１の具体例とは、アクチュエータ２０の取付け以外の点で共通しているため、同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００４２】
図５（ａ）には、インプットシャフト６を軸としたベアリング１１の外周部に圧電素子２０を取り付けた構造の断面図が記載されている。圧電素子２０に通電すると、圧電素子２０が振動する。このときの振動は、主としてインプットシャフト６の径方向に振動するように取り付けられ、この振動がインプットシャフト６に伝達される。また、インプットシャフト６に複数の歯車９が取り付けられているため、圧電素子２０により生じた振動がインプットシャフト６を経由して各歯車９に伝達される。そして、各歯車９の噛み合う際の歯に振動が伝達される。
【００４３】
この歯に振動が伝達されるため、噛み合う歯同士が互いに振動する。この振動は、各々の歯について相対的に速度を有するように振動する。そのため、相対すべり速度が上昇して、ゾンマーフェルト数が増大し、これにより歯の摩擦係数が減少する。
【００４４】
次に、第４の具体例として、動力の動力伝達機構の他の例を示す。この動力伝達機構の概要図を図５（ｂ）に記す。第１の具体例とは、アクチュエータ２０の取付け以外の点で共通しているため、同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００４５】
図５（ｂ）には、歯車９に圧電素子２０を取り付けた構造が記載されている。このとき、圧電素子２０は、歯車９の歯のない面に取り付けられる。その際、圧電素子２０の歯車９への取り付けは、片面であっても両面であっても良い。このように、歯車９に圧電素子を直接取り付けた場合には、歯面に振動を伝達する際の伝達効率が向上する。また、歯車９に圧電素子２０を直接取り付けているため、固定されている電源との電気的接続に際して、スリップリング３０が必要となる。このスリップリング３０は、圧電素子２０との積層になるように取り付けられており、歯車とスリップリング３０とで圧電素子２０を挟むように取り付けられている。
【００４６】
なお、前述した第３の具体例および第４の具体例のいずれも、トルクセンサ及び回転数センサを用いた測定値に基づく圧電素子２０への通電と、トルク推定手段による推定値に基づく圧電素子２０への通電のいずれも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】この振動制御装置を取り付けた一の例を概略的に示す図である。
【図２】この振動制御装置をトランスミッションに用いた一例を概略的に示す図である。
【図３】歯車同士の歯面が噛み合う際の拡大部を時系列で表した図である。
【図４】歯面の摩擦係数を示すストライベック線図である。
【図５】この振動制御装置を取り付けた他の例を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…トランスミッション、  ２，４…ケース、  ３…はす歯歯車装置、  ６…インプットシャフト、  ７…上側の歯車、  ８…下側の歯車、  ９…歯車、  １０…ドライブギア、  １１，１１ｂ…ベアリング、  １２…ドリブンギア、  １３…カウンターシャフト、  １５…デフリングギア、  １７…噛み合い部、  １８ａ，１９ａ…先端部、  １８ｂ，１９ｂ…根本部、  ２０…アクチュエータ（圧電素子）、  ３０…スリップリング。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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