JP4780321B2

JP4780321B2 - 歯車振動強制力評価装置

Info

Publication number: JP4780321B2
Application number: JP2006203163A
Authority: JP
Inventors: 勝之北条
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2026-07-26
Also published as: JP2008032416A

Description

本発明は、歯車振動強制力評価装置に関するもので、自動車のトランスミッション等に用いられる歯車の回転方向の振動強制力を評価する装置に関する。

一般に、自動車のトランスミッションの騒音（振動）は、トランスミッションケース（ギヤボックス）に収容された歯車の振動強制力が主原因とされている。そこで、従来、歯車の振動強制力の主成分とされる歯車対の噛合い伝達誤差を測定し、該歯車対の噛合い伝達誤差に基づき歯車の振動強制力が評価されていた。この歯車対の噛合い伝達誤差は、各歯車の回転角度変動となって表れることから、２つの回転角度検出装置（ロータリーエンコーダ）によって測定された各歯車の回転角度変動成分に基づき導出されていた。例えば、特許文献１の噛合い伝達誤差測定装置は、各歯車の回転角度変動成分を相対する各回転角度検出装置によって測定し、各回転角度検出装置の出力信号を歯車のギヤ比によって補正することで歯車対の相対的な遅角／進角が演算処理されていた。このように、従来の噛合い伝達誤差測定装置は、２つの回転角度検出装置と複雑な演算処理とを必要とするため、設備が大型化される。また、噛合い伝達誤差を高い精度で測定するには、設備の共振領域を越えた高い回転速度領域の周波数帯での試験条件に限定される。

また、従来、各歯車の各回転軸に錘やプーリを用いてトルクを負荷した状態で、一方（駆動側）の歯車を極めて低い回転数で回転させた場合の他方（従動側）の歯車の回転角度変動を検出し、検出された回転角度変動成分に基づき歯車対の噛合い伝達誤差を測定することが行われていた。この手法では、１つの回転角度検出装置にて歯車対の噛合い伝達誤差を測定することが可能になり、複雑な演算処理を廃止することができるが、連続的な回転を再現することができないため、動特性を含めた歯車の振動強制力を評価することができない。このように、従来の歯車振動強制力評価装置は、歯車の振動強制力の主成分とされる噛合い伝達誤差を回転角度変動成分に基づき測定することに主眼が置かれており、２つの回転角度検出装置の位相差を相対的に捉える必要がある。したがって、歯車の振動強制力を効率的に且つ高い精度で評価することが困難であった。

そこで、特許文献２には、駆動軸に装着された駆動側歯車と従動軸に装着された従動側歯車とを相互に噛合わせ、駆動軸に駆動用モータを連結すると共に従動軸にブレーキ用モータを連結しておいて、駆動用モータの駆動によって歯車対を回転させた時の従動側歯車の側面における並進方向の振動を計測し、計測された振動量から算出した噛合い時のトルクムラに基づき歯車の振動強制力を評価するトルクムラ評価装置の開示がある。このトルクムラ評価装置では、噛合い伝達誤差を噛合い周期のトルク変動として捉えることで、装置を簡素化することができると共に実機上の負荷を付与した状態における評価が可能である。しかしながら、このトルクムラ評価装置は、歯車の振動を振動測定装置によって直接計測する構造であるため、計測結果が装置全体の振動系を含んだものになり、トルク変動の計測精度に問題がある。また、このトルクムラ評価装置は、従動側歯車の並進振動量に基づきトルクムラを評価するものであり、歯車の伝達トルクの変動成分に基づき歯車の回転方向の振動強制力を評価するものではない。
特開平６−７４８６８号公報特開２００５−１５６３２６号公報

そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、歯車の回転方向の振動強制力を効率的に且つ高い精度で評価することが可能な歯車振動強制力評価装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、駆動側歯車と従動側歯車とが噛合わされて構成される歯車対の振動強制力を、各歯車の歯数データ、出力軸の回転数検出データ、及び前記出力軸のトルク変動計測データを演算処理することで算出された前記歯車対の伝達トルクの変動成分に基づき評価する装置であって、前記駆動側歯車に駆動用モータを接続し、前記従動側歯車に吸収用モータを接続し、前記従動側歯車と同軸上の前記吸収用モータ側に制御用トルクメータを設けてなる機械制御系と、前記従動側歯車と同軸上の前記吸収用モータとは反対側に、回転角度検出手段、フライホイール、及び計測用トルクメータを設けてなる計測系と、によって構成されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の歯車振動強制力評価装置において、機械制御系の従動側歯車と制御用トルクメータとの間にカップリングを設けたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の歯車振動強制力評価装置において、機械制御系の駆動側歯車と同軸上の駆動用モータとは反対側にフライホイールを設けたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の歯車振動強制力評価装置において、駆動側歯車と同軸上の駆動用モータとは反対側に、回転角度検出手段、フライホイール、及び駆動側計測用トルクメータを設けてなる駆動側計測系を構成したことを特徴とする。

したがって、請求項１に記載の歯車振動強制力評価装置では、計測された伝達トルクの変動成分に基づき歯車の回転方向の振動強制力を評価することができる。また、機械制御系と計測系とを分離したことで、装置の共振や振動が計測用トルクメータの計測値に影響するのを防ぐことができる。さらに、負荷トルクに相当する静的なトルク変動が機械制御系にて完結されるため、計測系には動的な伝達トルクの変動のみが発生し、計測用トルクメータによる計測のＳ／Ｎ比を高めることができる。
請求項２に記載の歯車振動強制力評価装置では、歯車の振動強制力が制御用トルクメータに伝達されるのを防ぐことができる。また、吸収用モータのトルクリップル等による外乱（振動）をカップリングにより遮断することができる。
請求項３に記載の歯車振動強制力評価装置では、歯車の振動強制力が従動側歯車に集約され、計測用トルクメータによって計測される伝達トルクの変動を増幅させることができる。
請求項４に記載の歯車振動強制力評価装置では、歯車の振動強制力を２つの伝達トルクの変動成分に基づき評価することが可能になり、ケーシングの伝達感度を含めた複合的な解析を実施することができる。

歯車の回転方向の振動強制力を効率的に且つ高い精度で評価することが可能な歯車振動強制力評価装置を提供することができる。

本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。本歯車振動強制力評価装置１は、噛合わされた歯車対２，３の回転方向の振動強制力を評価するものであって、機械制御系Ａと計測系Ｂとに分離されて構成される。そして、機械制御系Ａは、駆動側歯車２に駆動用モータ４を接続し、従動側歯車３に吸収用モータ５を接続し、従動側歯車３と同軸上の吸収用モータ５側に制御用トルクメータ６を設けて構成される。また、計測系Ｂは、従動側歯車３と同軸上の吸収用モータ５とは反対側に、ロータリーエンコーダ７（回転角度検出手段）、フライホイール８、及び計測用トルクメータ９を設けて構成される。これにより、本歯車振動強制力評価装置１は、計測系Ｂによって計測された歯車対２，３の伝達トルクの変動成分に基づき歯車対２，３の回転方向の振動強制力が評価される。また、本歯車振動強制力評価装置１は、伝達トルクの変動成分を計測する系（計測系Ｂ）を回転負荷を発生させる系（機械制御系Ａ）と分離したことで、計測用トルクメータ９による計測のＳ／Ｎ比が高められる。

機械制御系Ａは、一対の軸受け１０，１０によって軸支された入力軸１１の一端にプーリ１２が装着され、該プーリ１２と駆動用モータ４の回転軸に装着されたプーリ１３とにプーリベルト１４が巻回される。また、機械制御系Ａは、４つの軸受け１５によって軸支された出力軸１６の一端にプーリ１７が装着され、該プーリ１７と吸収用モータ５の回転軸に装着されたプーリ１８とにプーリベルト１９が巻回される。また、機械制御系Ａは、入力軸１１の一対の軸受け１０，１０間に駆動歯車２が取り付けられると共に、出力軸１６の中央の軸受け１５，１５間に従動歯車３が取り付けられる。さらに、機械制御系Ａは、出力軸１６と同軸上の吸収用モータ５側、即ち出力軸１６の従動歯車３とプーリ１７との間に、歯車対２，３にかかる負荷トルクが計測される制御用トルクメータ６が設けられる。

そして、吸収用モータ５は、制御装置２０によって、制御用トルクメータ６の出力信号（負荷トルクデータ）に基づきフィードバック制御される。駆動用モータ４は、制御装置２０によって制御され、吸収用モータ５は、制御用トルクメータ６の出力信号（計測値）に基づき制御装置２０によって制御される。なお、駆動用モータ４、吸収用モータ５、及び各軸受け１０，１５は、所定の防振対策がなされて（例えば、防振プレートを介して）ベースプレート上に固定される。計測系Ｂは、出力軸１６の吸収用モータ５と反対側、即ち図１における従動歯車３の左側に構成され、出力軸１６の他端にロータリーエンコーダ７が接続される。また、計測系Ｂは、ロータリーエンコーダ７と４つの軸受け１５のうちの図１において最も左側に配置された軸受け１５との間にフライホイール８が装着される。さらに、出力軸１６と同軸上の従動歯車３とフライホイール８との間には計測用トルクメータ９が設けられる。

そして、計測系Ｂは、ロータリーエンコーダ７によって検出された出力軸１６の回転数（従動歯車３の回転数）及び計測用トルクメータ９によって計測された出力軸１６のトルク変動（歯車対２，３における伝達トルク変動）に基づき、演算装置２１によって歯車対２，３の伝達トルクの変動成分が算出される構造になっている。なお、演算装置２１では、記憶部（マイクロコンピュータのメモリ）に記憶された歯車２，３の歯数データ、ロータリーエンコーダ７から出力された出力軸１６の回転数検出データ、及び計測用トルクメータ９から出力された出力軸１６のトルク変動計測データが回転次数分析処理（ＦＦＴ処理）されることにより歯車対２，３の伝達トルクの変動成分が算出される。

次に、本歯車振動強制力評価装置１の作用を説明する。まず、駆動側歯車２を入力軸１１の所定位置に取り付けると共に従動側歯車３を出力軸１６の所定位置に取り付ける。これにより、駆動側歯車２と従動側歯車３とが噛合わされた歯車対２，３が形成される。次に、吸収用モータ５によって出力軸１６に回転負荷（負荷トルク）をかけつつ、駆動用モータ４によって入力軸１１を軸心回りに回転させる。これにより、歯車対２，３がそれぞれ軸心回りに回転し、駆動側歯車２から従動側歯車３へ所定の回転トルクが伝達される。なお、本歯車振動強制力評価装置１では、制御装置２０によって制御用トルクメータ６の出力信号（負荷トルクデータ）に基づき吸収用モータ５をフィードバック制御することで、歯車対２，３に一定の伝達トルクを発生させる。

そして、トルク伝達時における出力軸１６の回転数をロータリーエンコーダ７（回転角度検出手段）によって検出すると共に、歯車対２，３の伝達トルク変動を計測用トルクメータ９によって計測する。また、記憶部（マイクロコンピュータのメモリ）に記憶された歯車２，３の歯数データ、ロータリーエンコーダ７から出力された出力軸１６の回転数検出データ、及び計測用トルクメータ９から出力された出力軸１６のトルク変動計測データを、演算装置２１によって回転次数分析処理（ＦＦＴ処理）し、歯車対２，３の伝達トルクの変動成分を算出する。そして、得られた歯車対２，３の伝達トルクの変動成分に基づき当該歯車対２，３の回転方向の振動強制力を評価する。

ここで、本歯車振動強制力評価装置１では、歯車対２，３によって発生した振動強制力が計測用トルクメータ９を介してフライホイール８に伝達される。そして、本歯車振動強制力評価装置１では、当該振動強制力に対して十分大きい慣性を有するフライホイール８を用いることにより、振動強制力はフライホイール８に入力されず、図１における従動側歯車３の左側（吸収用モータ５と反対側）の出力軸１６にねじれとなって現れる。そして、本歯車振動強制力評価装置１は、該出力軸１６のねじれを計測用トルクメータ９によって伝達トルク変動として計測することで、歯車対２，３の回転方向の伝達トルクの変動成分が得られる。

この実施形態では以下の効果を奏する。
本歯車振動強制力評価装置１は、駆動側歯車２に駆動用モータ４を接続し、従動側歯車３に吸収用モータ５を接続し、従動側歯車３と同軸上の吸収用モータ５側に制御用トルクメータ６を設けてなる機械制御系Ａと、従動側歯車３と同軸上の吸収用モータ５とは反対側に構成され、ロータリーエンコーダ７（回転角度検出手段）、フライホイール８、及び計測用トルクメータ９を設けてなる計測系Ｂと、が分離されて構成される。
したがって、本歯車振動強制力評価装置１は、伝達トルクの変動成分を計測する系（計測系Ｂ）を、回転負荷を発生させる系（機械制御系Ａ）と分離したことで、当該装置１の共振や振動（駆動用モータ４及び吸収用モータ５のトルクリップル等）の計測用トルクメータ９への影響が排除される。これにより、計測用トルクメータ９による計測のＳ／Ｎ比が高められ、評価の精度を向上させることができる。
また、本歯車振動強制力評価装置１は、負荷トルクに相当する静的なトルク変動が機械制御系Ａにて完結されるため、計測系Ｂには動的な伝達トルクの変動のみを発生させることが可能になる。これにより、計測用トルクメータ９におけるフルスケールを計測したい動的な伝達トルク変動の最大値に設定することができ、計測用トルクメータ９による計測のＳ／Ｎ比が高められ、評価の精度を向上させることができる。
さらに、本歯車振動強制力評価装置１は、計測系Ｂによって計測された歯車対２，３の伝達トルクの変動成分に基づき歯車対２，３の回転方向の振動強制力が評価されるため、歯車対２，３の噛合い伝達誤差に基づき振動強制力が評価される従来の装置と比較して、当該歯車対２，３の回転方向の振動強制力の評価を効率化することができる。

なお、実施形態は上記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。また、以下に示す実施形態の構成要素には、図１に示した構成要素と同じの際は同一符号を付与して詳細な説明を省略する。
（他の実施形態１）
図２に示されるように、機械制御系Ａにおける出力軸１６の従動側歯車３と制御用トルクメータ６との間（出力軸１６と同軸上の吸収用モータ５側）にカップリング２２を設けて歯車振動強制力評価装置１を構成してもよい。
この場合、歯車対２，３の振動強制力が制御用トルクメータ６に伝達されるのを防ぐことができる。また、吸収用モータ５のトルクリップル等による外乱（振動）が歯車対２，３側に伝達されるのを防ぐことができる。

（他の実施形態２）
図３に示されるように、機械制御系Ａにおける入力軸１１の駆動用モータ４とは反対側（駆動側歯車２と同軸上の駆動用モータ４とは反対側）にフライホイール２３を設けて歯車振動強制力評価装置１を構成してもよい。
この場合、歯車対２，３の振動強制力に対して十分大きい慣性を有するフライホイール２３を用いることにより、振動強制力はフライホイール２３に入力されず、従動側歯車３に集約され、図３における従動側歯車３の左側（吸収用モータ５と反対側）の出力軸１６にねじれとなって現れる。これにより、計測用トルクメータ９によって計測される伝達トルク変動が増幅され、計測用トルクメータ９による計測のＳ／Ｎ比が高められ、評価の精度を向上させることができる。
また、この実施形態では、駆動側歯車２のマスター部品を入力軸１１に固定することで、従動側歯車３に起因する振動強制力のみを評価することが可能になり、従動側歯車３の単体での品質保証を実現する評価装置としても用いることができる。

（他の実施形態３）
図４に示されるように、駆動側歯車２と同軸上の駆動側歯車２に対して駆動用モータ４とは反対側（図４における右側）に、ロータリーエンコーダ２４（回転角度検出手段）、フライホイール２３、及び駆動側計測用トルクメータ２５を設けてなる駆動側計測系Ｃを構成して歯車振動強制力評価装置１を構成してもよい。
この場合、歯車対２，３の振動強制力を、計測系Ｂ及び計測系Ｃによって得られた２つの伝達トルクの変動成分に基づき評価することが可能になり、ケーシング（例えば、歯車対２，３が収容されるトランスミッションケース）の伝達感度を含めた複合的な解析を実施することができる。

本実施形態の歯車振動強制力評価装置の説明図である。他の実施形態１の歯車振動強制力評価装置の説明図であって、出力軸と同軸上の吸収用モータ側にカップリングを設けてなる歯車振動強制力評価装置の図である。他の実施形態２の歯車振動強制力評価装置の説明図であって、駆動側歯車と同軸上の駆動用モータとは反対側にフライホイールを設けてなる歯車振動強制力評価装置の図である。他の実施形態３の歯車振動強制力評価装置の説明図であって、駆動側歯車と同軸上の駆動用モータとは反対側に計測系Ｃを設けてなる歯車振動強制力評価装置の図である。

符号の説明

１歯車振動強制力評価装置、２駆動側歯車、３従動側歯車、４駆動用モータ、５吸収用モータ、６制御用トルクメータ、７ロータリーエンコーダ（回転角度検出手段）、８フライホイール、９計測用トルクメータ

Claims

駆動側歯車と従動側歯車とが噛合わされて構成される歯車対の振動強制力を、各歯車の歯数データ、出力軸の回転数検出データ、及び前記出力軸のトルク変動計測データを演算処理することで算出された前記歯車対の伝達トルクの変動成分に基づき評価する装置であって、
前記駆動側歯車に駆動用モータを接続し、前記従動側歯車に吸収用モータを接続し、前記従動側歯車と同軸上の前記吸収用モータ側に制御用トルクメータを設けてなる機械制御系と、
前記従動側歯車と同軸上の前記吸収用モータとは反対側に、回転角度検出手段、フライホイール、及び計測用トルクメータを設けてなる計測系と、
によって構成されることを特徴とする歯車振動強制力評価装置。
前記機械制御系の前記従動側歯車と前記制御用トルクメータとの間にカップリングを設けたことを特徴とする請求項１に記載の歯車振動強制力評価装置。
前記機械制御系の前記駆動側歯車と同軸上の前記駆動用モータとは反対側にフライホイールを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の歯車振動強制力評価装置。
前記駆動側歯車と同軸上の前記駆動用モータとは反対側に、回転角度検出手段、フライホイール、及び駆動側計測用トルクメータを設けてなる駆動側計測系を構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の歯車振動強制力評価装置。