JP4357285B2 - ダンパ - Google Patents

Description

本発明はエンジンのクランク軸に生じる捩り振動を吸収するためのダンパに係り、さらに詳しくは、−３０℃程度の極低温下であっても十分な捩り振動の吸収効果が得られるダンパに関する。

エンジンのクランク軸は直線往復動する複数のピストンにより回転駆動されるので、クランク軸は回転運動中に捩り振動を受けることになる。この捩り振動に起因して発生するエンジンの振動、騒音を低減するために、クランク軸に装着されるトーショナルラバーダンパ（以下、ダンパと称す。）が知られており、このダンパは特許文献１に記載されるように、クランク軸の回転を発電機などの補機に伝達するためのプーリの一部としてクランク軸に装着されている。

このダンパはエンジンのクランク軸に固定されてこれと一体に回転するハブと、動力伝達用のベルトが掛け渡されるベルト溝が形成されたダンパマスつまり慣性質量体と、これらの間に結合されるゴム状弾性体とを有している。このダンパにあっては、クランク軸の捩り振動の振幅が最大になる周波数において、その最大値が極力小さくなるように、ゴム状弾性体のばね定数（Ｋ）と、慣性質量体の質量（ｍ）とで決定される捩り方向の共振周波数を設定しておく。
特開２００１−２６３４２３号公報

しかしながら、上述した従来のダンパでは、例えば−３０℃のような極低温下で使用されると、ハブと慣性質量体とを結合するゴム状弾性体がガラス転移温度に近づくため、このゴム状弾性体の弾性率（捩り方向のばね定数）が大きくなってダンパの捩り方向の固有振動数が大きくなり、クランク軸の捩り振動を十分に吸収することができ難くなる場合があり、極低温下で使用しても、エンジンの振動、騒音の低減効果が十分に得られるダンパの開発が望まれていた。

そこで、本発明は、上述した課題を解決するために案出されたものであり、−３０℃のような極低温下で使用しても、エンジンのクランク軸に生じる捩り振動を十分に吸収することができ、以って、エンジンの振動、騒音の十分な低減効果が得られるダンパを提供することを目的とする。

本発明のダンパは、エンジンのクランク軸に装着され、前記クランク軸と一体に回転するハブと、前記ハブに結合されるゴム状弾性体と、前記ゴム状弾性体に結合される慣性質量体とを備えたダンパにおいて、−３０℃における捩り方向の固有振動数（Ｆ_-30）と６０℃における捩り方向の固有振動数（Ｆ₆₀）との比（Ｆ_-30／Ｆ₆₀）が１．５以下であり、かつ、前記ゴム状弾性体の−３０℃における貯蔵弾性率（Ｅ’_-30）と６０℃における貯蔵弾性率（Ｅ’₆₀）との比（Ｅ’_-30／Ｅ’₆₀）が３．０以下であり、前記ゴム状弾性体は、エチレンの重量比率が５１％以下のエチレン−プロピレン共重合ゴムを主成分とし、脂肪族二塩基酸エステル系の可塑剤がエチレン−プロピレン共重合ゴム１００重量部に対して５〜３０重量部の比率で配合されていることを特徴とする。

本発明によれば、−３０℃のような極低温下で使用しても、エンジンのクランク軸に生じる捩り振動を十分に吸収することができ、エンジンの振動、騒音を十分に低減する効果が得られるダンパを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態であるダンパを示す断面図であり、ダンパはエンジンのクランク軸１に取り付けられるハブ２を有している。ハブ２はクランク軸１の端部に嵌合される中空円筒形状のボス部２ａと、このボス部２ａに一体となって径方向に延びる連結部２ｂと、連結部２ｂに一体となり軸方向に延びる円筒部２ｃとを備えており、クランク軸１の端部に形成されたねじ孔にねじ結合されるボルト３によりクランク軸１に取り付けられる。

ダンパは動力伝達用のベルトが掛け渡されるベルト溝４ａが形成され、ハブ２の外側に配置される慣性質量体４を有し、慣性質量体４はこの内側とハブ２の外側との間に設けられるゴム状弾性体５によりハブ２に結合されるようになっている。ゴム状弾性体５は環状となっており、その内径はＲ1、外径はＲ2であり、軸方向の長さはＬとなっている。

このようなダンパを備えた車両が寒冷地において使用される場合にも、ダンパによりエンジンの振動、騒音の低減を十分に達成できるようにすることが望ましい。ダンパを備えた車両が寒冷地で使用される場合のエンジンルーム内の温度を考慮して、ゴム状弾性体５の温度が−３０℃程度まで低下してもダンパ効果を維持することができるゴム状弾性体５の特性が発明者により探求された。

ダンパによるエンジン振動、騒音の低減は、ダンパの捩り方向の固有振動数に依存しており、ダンパの固有振動数Ｆは以下の式で示されるように、ゴム状弾性体５の捩り方向のばね定数Ｋの平方根に比例する。

Ｆ＝（１／２π）（Ｋ／ｍ）^1/2 ・・・式(1)
ただし、この式(1)においてｍは慣性質量体の質量を示す。

一方、ゴム状弾性体５の捩りばね定数Ｋは以下の式により示される。

Ｋ＝２πＧＬ（１／Ｒ₁ ²−１／Ｒ₂ ²） ・・・式(2)
この式(2)において、Ｇはゴム状弾性体５の剪断弾性率を示し、Ｌは軸方向の長さを示し、Ｒ1は内径を示し、Ｒ2は外径を示す。

図２は図１に示す構造のダンパにおける固有振動数比（Ｆ_-30／Ｆ₆₀）と、クランク軸の捩れ角比（ａ_-30／ａ₆₀）との関係を示す特性線図（シミュレーション結果（Ｏ／Ａ値（４次振動））である。この図において、Ｆ_-30はダンパが−３０℃の環境において使用されたときのダンパの固有振動数を、Ｆ₆₀は６０℃の環境において使用されたときのダンパの固有振動をそれぞれ示し、ａ_-30は−３０℃におけるクランク軸の捩れ角を、ａ₆₀は６０℃におけるクランク軸の捩れ角をそれぞれ示す。本発明者は、寒冷地においても許容できるダンパ効果を発揮させることができる捩れ角比の上限値は、エンジンの振動、騒音の低減効果の点で、種々の実験から2.00であることを確認し、この許容捩れ角比が得られる固有振動数比は1.5であり、固有振動数比を1.5以下に設定すると、同種のダンパによって寒冷地においても必要なダンパ効果が得られることを見出した。

式(1)に示されるように、ダンパの固有振動数Ｆは、ゴム状弾性体５の捩りばね定数Ｋの平方根に比例するので、ダンパの固有振動数比1.5に対応するゴム状弾性体５の捩りばね定数の比つまり剪断弾性率の比は、1.5の２乗の2.25である。しかし、ゴム状弾性体５は繰り返しの剪断応力による自己発熱によって見かけの弾性率（ばね定数）が低下するため、ゴム状弾性体５の弾性率を決定するには、この発熱を考慮する必要がある。

一方、式(2)に示されるように、ゴム状弾性体の捩りばね定数Ｋが温度で変化する要素は剪断弾性率Ｇのみである。剪断弾性率Ｇは貯蔵弾性率Ｅ’と比例関係にあり、−３０℃と６０℃における剪断弾性率の比は同様の温度での貯蔵弾性率の比に対応するので、ダンパの固有振動数比1.5に対応するゴム状弾性体５の貯蔵弾性率比は、理論的には2.25であるが、ゴム状弾性体５の自己発熱による見かけの弾性率（ばね定数）の低下を考慮してゴム状弾性体５の貯蔵弾性率比を3.0以下とした。

このように、ダンパの固有振動数比（Ｆ_-30／Ｆ₆₀）を1.5以下とし、ゴム状弾性体５の貯蔵弾性率比を3.0以下となるようにダンパ特性を設定すると、寒冷地においても、エンジンの振動、騒音の低減効果から必要なダンパ効果が得られることが判明した。

図３は固有振動数比（Ｆ_-30／Ｆ₆₀）と貯蔵弾性率比（Ｅ’_-30／Ｅ’₆₀）との関係を示す特性線図であり、実線は実験結果の測定値を示し、破線は理論値を示す。この測定には、図１に示す構造のダンパが使用され、ゴム状弾性体５としては、外径（直径）が１３６mm、その厚さが３mm、幅が２７mmであり、慣性質量体４の慣性質量は７g・m²である。固有振動数の測定は、テスト用のダンパを所定の温度（−３０℃、６０℃）にそれぞれ恒温した後に行った。加振角を0.1degとし、100Hz／分にて低周波数側から周波数を繰引し、加振側と応答側との位相が−90degとなった点を共振周波数（固有振動数）とした。この実験では、慣性質量体４に10g・m²の付加マスを装着し、見かけの共振周波数を下げることでゴムの発熱による温度変化を小さくした。

共振周波数Ｆnは以下の式により算出される。

Ｆn＝｛（Ｉp＋Ｉadd）／Ｉp｝^1/2・Ｆmeas・・・(3)
この式(3)において、Ｉpは慣性質量体４の慣性質量、Ｉaddは付加マスの慣性質量、Ｆmeasは実測共振周波数をそれぞれ示す。

図３に示す実験結果から貯蔵弾性率比を3.0以下、つまり（Ｅ’_-30／Ｅ’₆₀）≦3.0とすることにより、固有振動数比を1.5以下、つまり（Ｆ_-30／Ｆ₆₀）≦1.5とすることができ、同種のダンパが寒冷地において使用されてもダンパ効果を確実に発揮でき、エンジン振動、騒音を十分に低減できることが判明した。

上述した貯蔵弾性率比と固有振動数比の条件を充足するためのゴム状弾性体５のゴム組成物としては、エチレンプロピレン共重合ゴム（ＥＰＤＭ）をベースゴムとして使用した。

図４はエチレンプロピレン共重合ゴムにおけるエチレンの含有比率（％）と、貯蔵弾性率比（Ｅ’_-30／Ｅ’₆₀）との関係の測定結果を示す特性線図である。図４に示すように、エチレン比率を５１％以下にすると、貯蔵弾性率比を3.0以下に設定できることが判明した。図５は実施例１〜４と比較例における各組成物の重量割合と物理的特性を示す表である。

実施例１はエチレンの重量比率が４８％のエチレンプロピレン共重合ゴムであり、この重量比のエチレンプロピレン共重合ゴムを１００重量部として、カーボンブラック、可塑剤および架橋剤等がそれぞれの比率で配合されている。実施例２，３および４はエチレンの重量比率をそれぞれ５１％としたエチレンプロピレン共重合ゴムであり、これを１００重量部として上述した成分が図５に示されるように配合されている。比較例ではエチレンの重量比率を５７％としており、実施例と比較例とを比べると、エチレンの重量比率を５１％以下（≦５１）とすることにより、貯蔵弾性率比を所望の値（≦3.0）に設定することができるとともに固有振動数比を所望の値（≦1.5）に設定することができる。これに対して、エチレン重量比率が５１％を超えると、貯蔵弾性率比を3.0以下、および固有振動数比を1.5以下の条件に達成させることが困難であることが判明した。

実施例に示すエチレンプロピレン共重合ゴムには、可塑剤として脂肪族二塩基酸エステル類が配合されており、実施例１、３ではこの可塑剤がエチレンプロピレン共重合ゴム１００重量部に対して１０重量部配合され、実施例２では５重量部配合され、実施例４では３０重量部配合されている。このように、脂肪族二塩基酸エステル系の可塑剤をエチレンプロピレン共重合ゴム１００重量部に対して５〜３０重量部配合すると、貯蔵弾性率比および固有振動数比を所望の条件にすることができる。可塑剤が３０重量部を超えると、ゴム状弾性体５の熱的劣化による硬度変化が大きくなるため、熱的劣化によるダンパの固有振動数の変化が大きくなるという不具合があると考えられる。可塑剤としては、上述以外に、ジ−（２−エチルヘキシル）アジペート、ジ−（２−エチルヘキシル）アゼレート、ジ−（２−エチルヘキシル）セバケート、ジ−ｎ−ブチル・セバケートなどの脂肪族二塩基酸エステル系可塑剤を使用することができる。比較例においては、可塑剤と同様の機能を達成するために、鉱物油系軟化剤が配合されているが、鉱物油系軟化剤を使用した場合は、貯蔵弾性率比を3.0以下にすることが困難であった。

さらに、図５に示すように、エチレンプロピレン共重合ゴムにはカーボンブラックが配合されており、その平均粒径は１８nm〜５００nmであることが好ましく、さらに好ましくは２２nm〜５２nmであることが好ましい。カーボンブラックの平均粒径が２２nm未満であると、ゴム状弾性体として望ましい硬さが得られなくなり、平均粒径が５２nmを超えると望ましい補強効果が得られない。

架橋剤としては有機過酸化物を用いることができる。有機過酸化物としては、１，１−ビス（第３ブチルペルオキシン）−３，３，５−トリメチルシクロヘキサン、２，５−ジメチル−２，５−ジ（第３ブチルペルオキシ）ヘキサン、２，５−ジメチル−２，５−ジ（第３ブチルペルオキシ）ヘキサン−３第３ブチルミルペルオキシド、ジ（第３ブチルペルオキシ）−ｍ−ジイソプロピルベンゼン、ジ第３ブチルペルオキシド、１，３−ジ（第３ブチルペルオキシイソプロピル）ベンゼン、ベンゾイルペルオキシドなどを用いることができる。さらに、他の架橋剤としては、トリアリルイソシアネート、エチレングリコールジメタクリレート、トリメチロールプロパントリメタクリレート、トリアリルシアヌレート、キノンジオキシム、イオウ酸化物、１，２−ポリダタジエンなどの共架橋剤を用いることができる。

エチレンプロピレン共重合ゴムには、さらに、酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、酸化亜鉛などの受酸剤が配合されており、その他の添加剤が必要に応じて配合される。

なお、図５において、エチレンプロピレン共重合ゴムの硬度、引張り強さ、および伸びについては、JIS K6251およびJIS K6253の規格に基づいて試験した結果を示し、硬度変化、引張り強さ変化率、伸び変化率については、JIS K6257およびJIS K6262の規格に基づいて、１２０℃で１８０時間の試験と、１５０℃で１８０時間の試験とを行った結果を示す。また、貯蔵弾性率については、JIS K6394の規格に基づいて試験し、その結果から貯蔵弾性率比を算出した。試験に際しては、長さ２５mm、幅５mm、厚さ２mmの短冊状の試験片について、試験装置としてレオバイブロンＤＤＶ−２５ＦＰ（エー・アンド・デイ社製）を使用して行った。変形方法としては引張方法とし、試験温度としては−３０℃〜６０℃の範囲とし、試験周波数としては１０Hzとし、初期荷重１００gfを加え、振幅を±２５０μm（±１％）とした。

図５に示す耐熱性および物理的特性の試験結果から、比較例として示す従来のゴム状弾性体と比較しても何ら遜色の無い耐熱特性と物理的特性を維持できることを確認した。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

本発明の一実施の形態であるダンパを示す断面図である。 ダンパにおける固有振動数比と捩れ角比との関係を示す特性線図である。 ダンパの固有振動数比とゴム状弾性体の貯蔵弾性率比との関係を示す特性線図である。 エチレンプロピレン共重合ゴムにおけるエチレンの含有比率と貯蔵弾性率比との測定結果を示す特性線図である。 実施例１〜４と比較例における各組成物の重量割合と物理的特性を示す表である。

符号の説明

１ クランク軸
２ ハブ
４ 慣性質量体
５ ゴム状弾性体

Claims (1)

1. エンジンのクランク軸に装着され、前記クランク軸と一体に回転するハブと、
   前記ハブに結合されるゴム状弾性体と、
   前記ゴム状弾性体に結合される慣性質量体とを備えたダンパにおいて、
   −３０℃における捩り方向の固有振動数（Ｆ_-30）と６０℃における捩り方向の固有振動数（Ｆ₆₀）との比（Ｆ_-30／Ｆ₆₀）が１．５以下であり、かつ、
   前記ゴム状弾性体の−３０℃における貯蔵弾性率（Ｅ’_-30）と６０℃における貯蔵弾性率（Ｅ’₆₀）との比（Ｅ’_-30／Ｅ’₆₀）が３．０以下であり、
   前記ゴム状弾性体は、エチレンの重量比率が５１％ 以下のエチレン−プロピレン共重合ゴムを主成分とし、脂肪族二塩基酸エステル系の可塑剤がエチレン−プロピレン共重合ゴム１００重量部に対して５〜３０重量部の比率で配合されていることを特徴とするダンパ。

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