JP4265543B2 - 常時噛合い式スタータ - Google Patents

Description

本発明は、エンジンのリングギヤにピニオンが常時噛み合わされている常時噛合い式のスタータに関し、特に、エンジンの停止及び再始動を自動制御するアイドルストップシステムに用いて好適である。

近年、エンジンの停止及び再始動を自動制御するエンジン制御システム（アイドルストップシステム、エコランシステム等とも呼ばれる）が徐々に採用されている。同システムは、例えば、交差点や渋滞等で車両が一旦停止した時に、エンジンを自動停止させ、発進時にエンジンを自動的に再始動させるもので、車両の燃費向上あるいは排気エミッションの改善に効果がある。

上記システムに採用されるスタータの一例として、ベルト駆動によりエンジンを始動するベルト駆動型始動装置が知られている。この始動装置は、図４に示す様に、エンジン側のクランクプーリにベルトを介して常時連結されるスタータプーリ１００を備え、このスタータプーリ１００からベルト伝動によってクランクプーリにモータ１１０の回転力を伝達してエンジンを始動させるものであり、エンジン始動後のオーバラン（エンジンの回転によってモータ１１０が回されること）を防止するために、機械式の一方向クラッチ１２０を内蔵している。

しかし、上記の始動装置では、例えば、登り坂でエンストした時等に、エンジンが逆回転すると、一方向クラッチ１２０が接続されるため、エンジンの回転がクラッチ１２０を介してモータ１１０側に伝達される。この時、モータ１１０の回転軸に連結される減速機１３０（遊星歯車減速装置）によって回転数が倍速されるため、モータ１１０に多大なストレスが加わる。
そこで、エンジン始動後に、エンジンとモータとを完全に切り離すために、電磁クラッチを内蔵した始動装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００１−３４２９３５公報

ところが、上記の特許文献１に記載された始動装置では、エンジンの始動開始時に発生する衝撃トルクやエンジンからの急激なトルク変動が直接電磁クラッチに伝達されるため、クラッチ滑りが発生する可能性がある。このため、過大なトルクに対応できる様に、電磁クラッチを大型化する必要があり、車両への搭載性が悪化する問題を有していた。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、モータとピニオンとの間でトルクの伝達を断続できる電磁クラッチを有し、その電磁クラッチを小型化できる常時噛合い式スタータを提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明の常時噛合い式スタータは、回転力を発生するモータと、このモータの回転が減速装置を介して伝達される出力軸と、この出力軸に支持され、エンジンのリングギヤに常時噛み合わされるピニオンと、モータとピニオンとの間でトルクの伝達を断続する電磁クラッチと、この電磁クラッチとピニオンとの間に設けられ、トルクの伝達開始時に生じる衝撃トルクおよびエンジンから伝達される急激なトルク変動を緩和する衝撃緩和装置とを備え、減速装置は、モータの電機子軸に設けられる太陽歯車と、この太陽歯車と同心に配置されて回転可能に設けられた内歯歯車と、両歯車に噛み合う遊星歯車とで構成され、内歯歯車の回転が拘束された状態で、太陽歯車が回転することにより、遊星歯車が自転運動と公転運動を行い、その公転運動が出力軸に伝達される遊星歯車減速装置であり、電磁クラッチは、内歯歯車に直接または間接的に連結されたクラッチ板を有し、このクラッチ板を電磁力により吸引して内歯歯車の回転を拘束することでトルクの伝達を可能にし、電磁力の消滅によりクラッチ板を切り離して内歯歯車の回転を許容することでトルクの伝達を遮断することを特徴とする。

上記の構成によれば、エンジン始動後に電磁クラッチをオフすることで、モータとピニオンとの間でトルクの伝達を遮断できる。これにより、例えば、登り坂でエンストした時等にエンジンが逆回転した場合でも、エンジンの回転がモータに伝達されることはなく、モータに多大なストレスが加わることを防止できる。
また、電磁クラッチとピニオンとの間に衝撃緩和装置を設けているので、エンジンの始動開始時に発生する衝撃トルクや、急激なエンジンのトルク変動を衝撃緩和装置にて低減できる。その結果、電磁クラッチに過剰なトルクが加わることはなく、電磁クラッチの小型化が可能となり、スタータ全体の小型軽量化を達成できる。
さらに、エンジン始動時に、電磁クラッチにより内歯歯車の回転が拘束されると、モータの回転が太陽歯車から遊星歯車に伝達され、その遊星歯車が自転しながら公転することで、その公転運動が出力軸に伝達されてピニオンが回転する。
エンジンが始動すると、リングギヤに常時噛み合っているピニオンがエンジンによって回されるため、そのピニオンの回転が出力軸に伝達され、出力軸が回転することで遊星歯車が公転運動する。この時、電磁クラッチにより内歯歯車の回転が許容されていると、その内歯歯車が遊星歯車の公転運動を受けて回転するため、遊星歯車の回転が太陽歯車に伝達されることはなく、モータ側へのトルク伝達が遮断される。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した常時噛合い式スタータにおいて、衝撃緩和装置は、出力軸の外周に配設され、ピニオンは、出力軸の外周に軸受を介して相対回転可能に嵌合すると共に、衝撃緩和装置を介して出力軸に連結されていることを特徴とする。
これにより、エンジン始動時には、減速後のモータトルクが出力軸より衝撃緩和装置を介してピニオンに伝達され、そのトルク伝達時に発生する衝撃トルクが衝撃緩和装置により低減される。一方、エンジン始動後は、エンジンのトルク変動がピニオンから出力軸に伝達される際に、衝撃緩和装置により低減される。

（請求項３の発明）
請求項２に記載した常時噛合い式スタータにおいて、電磁クラッチは、電磁力を発生する励磁コイルを有し、この励磁コイルが衝撃緩和装置の外周側に配置されることを特徴とする。
この構成によれば、出力軸の外周に衝撃緩和装置と電磁クラッチとを同心状に配置できるので、衝撃緩和装置と電磁クラッチの配置スペースを小さくでき、延いては、電磁クラッチと衝撃緩和装置とを設けることによるスタータの大型化を回避できる。

（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの常時噛合い式スタータにおいて、モータからピニオンに至るトルクの伝達経路に過大トルクの伝達を遮断できるトルクリミッタを設けたことを特徴とする。
これにより、衝撃緩和装置の能力を超える過大トルクが加わった時には、トルクリミッタが作動して過大トルクをカットできるので、電磁クラッチに過大トルクが加わることはなく、電磁クラッチの小型軽量化を実現できる。

（請求項５の発明）
請求項１に記載した常時噛合い式スタータにおいて、電磁クラッチのクラッチ板は、請求項４に記載したトルクリミッタを介して内歯歯車に連結されていることを特徴とする。 この場合、クラッチ板と内歯歯車との間にトルクリミッタを設けているので、クラッチ板が電磁力によって吸引されている状態でも、減速装置に過大トルクが加わると、トルクリミッタが作動して、クラッチ板と内歯歯車との連結状態が解除され、内歯歯車が回転することにより、電磁クラッチに過大トルクが加わることを回避できる。

（請求項６の発明）
請求項１〜５に記載した何れかの常時噛合い式スタータは、エンジンの停止および再始動を自動制御するエンジン自動停止／再始動システムに用いられることを特徴とする。
本発明のスタータは、エンジン始動後にピニオンがエンジンのリングギヤから離脱することはなく、常時噛み合わされているため、上記のエンジン自動停止／再始動システムに用いた場合、エンジンを再始動する際に、通常のピニオン飛び込み式スタータの様に、ピニオンを移動してリングギヤに噛み合わせる必要がなく、エンジンの再始動を短時間で行うことが可能である。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図１はスタータ１の断面図、図２はスタータ１の一部拡大断面図である。
実施例１に係るスタータ１は、例えば、交差点や渋滞等で車両が一旦停止した時にエンジン２（図３参照）を自動停止させ、発進時にエンジン２を自動的に再始動させるエンジン自動停止／再始動システム（アイドルストップシステムと呼ぶ）に適用される。

このスタータ１は、図１に示す様に、回転力を発生するモータ３と、このモータ３の通電回路に設けられるメイン接点４（図３参照）を開閉する電磁スイッチ５と、モータ３の回転が減速装置６を介して伝達される出力軸７と、この出力軸７に支持されるピニオン８と、モータ３と出力軸７との間でトルクの伝達を断続する電磁クラッチ９と、過大トルクの伝達を遮断するトルクリミッタ１０と、トルクの伝達開始時に生じる衝撃トルク等を緩和する衝撃緩和装置１１等より構成される。

モータ３は、磁束を発生する界磁１２と、整流子１３を有する電機子１４と、整流子１３上に配置されるブラシ１５等より構成される周知の直流電動機であり、センタハウジング１６を介してフロントハウジング１７に固定されている。
界磁１２は、磁気回路を形成するヨーク１２ａの内周に複数の永久磁石１２ｂを周方向等間隔に配置して構成される。なお、永久磁石１２ｂに替えて、界磁コイルを使用することもできる。
電機子１４は、電機子軸１４ａに固定された電機子鉄心１４ｂに電機子コイル１４ｃを巻線して構成され、電機子軸１４ａの両端が回転自在に支持されている。

電磁スイッチ５は、図３に示す様に、スタータリレー１８を介してバッテリ１９から通電されるソレノイド５ａを内蔵し、このソレノイド５ａへの通電によって発生する電磁力を利用してメイン接点４を開閉する。この電磁スイッチ５は、モータ３の径方向外側に配設され、前記センタハウジング１６に固定されている。
なお、スタータリレー１８は、最初のエンジン始動を行う時に、運転者が始動スイッチ２０をＳＴ位置（図３参照）に投入することで、リレーコイル１８ａに通電されて閉作動するが、エンジン２の再始動時には、エンジン２の自動停止及び再始動を制御するアイドルストップ用のＥＣＵ２１（図３参照）を通じてリレーコイル１８ａに通電される。

減速装置６は、図２に示す様に、モータ３の電機子軸１４ａに形成された太陽歯車６ａと、この太陽歯車６ａと同心に配置されて回転可能に設けられた内歯歯車６ｂと、両歯車６ａ、６ｂに噛み合う複数の遊星歯車６ｃとで構成される周知の遊星歯車減速機である。この減速装置６は、内歯歯車６ｂの回転が拘束された状態で、電機子１４が回転すると、電機子１４の回転が太陽歯車６ａから遊星歯車６ｃに伝達され、その遊星歯車６ｃが自転しながら太陽歯車６ａの周囲を公転することで、その公転運動が出力軸７に伝達される。

出力軸７は、モータ３の電機子軸１４ａと同軸線上に配置されて、一端側が軸受２２を介してフロントハウジング１７に回転自在に支持され、他端側が減速装置６を介して電機子軸１４ａに連結されている。
ピニオン８は、出力軸７の外周に軸受２３を介して相対回転可能に嵌合すると共に、エンジン２のリングギヤ２４に常時噛み合わされている。

電磁クラッチ９は、スタータリレー１８を介してバッテリ１９より通電される励磁コイル９ａと、この励磁コイル９ａの周囲に磁気回路を形成するハウジング９ｂと、このハウジング９ｂの端面に対向して軸方向（図１の左右方向）に可動するクラッチ板９ｃ等より構成される。クラッチ板９ｃは、ゴム等の弾性材２５を介してトルクリミッタ１０に連結され、そのトルクリミッタ１０と一体に回転可能に設けられている。この電磁クラッチ９は、励磁コイル９ａの無通電時に、ハウジング９ｂの端面とクラッチ板９ｃとの間に所定のギャップ（例えば、０．３ｍｍ）が維持されることで、クラッチ板９ｃの回転が許容されている。一方、励磁コイル９ａに通電されて電磁力が発生すると、ハウジング９ｂとクラッチ板９ｃとの間に吸引力が作用して、クラッチ板９ｃがハウジング９ｂの端面に吸着されることで、クラッチ板９ｃの回転が拘束される。

トルクリミッタ１０は、図２に示す様に、ボールベアリング２６を介してセンタハウジング１６に回転自在に支持されると共に、電磁クラッチ９の弾性材２５を介してクラッチ板９ｃに連結されたセンタプレート１０ａと、このセンタプレート１０ａに対し摩擦力によって回転規制され、且つ減速装置６の内歯歯車６ｂに連結された回転ディスク１０ｂと、この回転ディスク１０ｂをセンタプレート１０ａに押圧して前記摩擦力を発生させる皿ばね１０ｃ等より構成される。

このトルクリミッタ１０は、センタプレート１０ａの回転が拘束された状態、つまり、電磁クラッチ９のクラッチ板９ｃがハウジング９ｂの端面に吸着されている状態で、回転ディスク１０ｂの静止トルクを越える過大トルクが減速装置６に加わると、センタプレート１０ａに対し回転ディスク１０ｂが滑る（回転する）ことにより、内歯歯車６ｂの回転が許容されて過大トルクを吸収することができる。

衝撃緩和装置１１は、ピニオン８に連結されてピニオン８と一体に回転する回転部材１１ａと、出力軸７の外周に例えばセレーション嵌合して出力軸７と一体に回転する回転部材１１ｂと、両回転部材１１ａ、１１ｂの間に介在されるゴム等の弾性部材１１ｃ等より構成され、図１に示す様に、弾性部材１１ｃが中間部材１１ｄを介して直列に複数個使用されている。
この衝撃緩和装置１１は、例えば、エンジン始動時に発生する衝撃トルク、あるいはエンジン２から受ける急激なトルク変動に対し、弾性部材１１ｃが変形する（撓む）ことによって、衝撃トルクやトルク変動を吸収することができる。

次に、上記スタータ１の作動及び効果を説明する。
エンジン２の再始動時には、アイドルストップ用のＥＣＵ２１により、スタータリレー１８を介して電磁スイッチ５のソレノイド５ａと電磁クラッチ９の励磁コイル９ａに同時に通電される。この時、電磁スイッチ５によりモータ３のメイン接点４が閉じるタイミングより、電磁クラッチ９が作動する（クラッチ板９ｃがハウジング９ｂの端面に吸着される）タイミングの方が早くなる。これは、電磁クラッチ９のハウジング９ｂとクラッチ板９ｃとの間に設定されるギャップがコンマ数ミリ（例えば、０．３ｍｍ）であり、メイン接点４の開閉ストロークと比較して極めて小さいためである。仮に、メイン接点４が閉じるタイミングと、クラッチ板９ｃがハウジング９ｂの端面に吸着されるタイミングとが同じであっても、モータ３が実際に回転を開始するまでには、モータ３の慣性モーメントによって立ち上がりに時間が掛かるため、結果的に、モータ３の回転開始より電磁クラッチ９の方が早く作動することになる。

電磁クラッチ９が作動すると、トルクリミッタ１０を介してクラッチ板９ｃに連結される内歯歯車６ｂの回転が拘束されるため、モータ３から出力軸７へのトルク伝達が可能となる。これにより、モータ３の回転が減速装置６を介して出力軸７に伝達され、出力軸７の回転がピニオン８からリングギヤ２４に伝達されて、エンジン２をクランキングする。この時、大きな慣性エネルギを持ったエンジン２を始動させるため、ピニオン８からリングギヤ２４にトルクが伝達される際に衝撃トルクが発生する。この衝撃トルクは、ピニオン８と出力軸７との間に設けられた衝撃緩和装置１１によって効果的に吸収される。

エンジン２が再始動すると、電磁スイッチ５のソレノイド５ａと電磁クラッチ９の励磁コイル９ａへの通電が同時に停止される。これにより、バッテリ１９からモータ３への通電が停止されて電機子１４の回転が停止すると共に、電磁クラッチ９のクラッチ板９ｃが弾性材２５の復元力によってハウジング９ｂの端面から引き離され、回転可能になることで、トルクリミッタ１０を介してクラッチ板９ｃに連結された内歯歯車６ｂの回転が許容される。その結果、モータ３と出力軸７との間でトルクの伝達経路が遮断される。

また、エンジン２が始動すると、常時リングギヤ２４に噛み合っているピニオン８がエンジン２によって回されるが、上記の様にクラッチ板９ｃが切り離されて、モータ３と出力軸７との間でトルクの伝達経路が遮断されるため、ピニオン８の回転がモータ３側へ伝達されることはない。従って、登り坂等でエンストしてエンジン２が逆回転した場合でも、エンジン２の回転が増速されてモータ３に伝達されることはなく、モータ３に多大なストレスが加わることを防止できる。
更に、エンジン２が自動停止する寸前（エンジン２が自身の慣性で回転している状態）で再始動する必要がある場合でも、モータ３の回転開始より先に電磁クラッチ９が作動し、且つ始動時に発生する衝撃トルクを衝撃緩和装置１１にて吸収できるので、エンジン回転中であっても、本スタータ１を作動させて、エンジン２を再始動できる。

この様に、本実施例のスタータ１は、エンジン始動時に発生する衝撃トルク、およびエンジン２の急激なトルク変動等を衝撃緩和装置１１にて吸収できる。また、衝撃緩和装置１１で吸収しきれない過大な衝撃は、トルクリミッタ１０でカットできる。その結果、電磁クラッチ９に過大なトルクが加わることはなく、クラッチ滑りが発生することもないため、前述の特許文献１に記載された公知技術と比較して、クラッチ板９ｃを吸着する電磁クラッチ９の吸引力を低減することが可能であり、それに伴って、電磁クラッチ９の小型軽量化が可能となる。

スタータの断面図である。 減速装置とトルクリミッタの構成を示す拡大断面図である。 スタータの電気回路図である。 従来技術に係わるベルト式スタータの断面図である。

符号の説明

１ スタータ
２ エンジン
３ モータ
６ 減速装置
６ａ 太陽歯車
６ｂ 内歯歯車
６ｃ 遊星歯車
７ 出力軸
８ ピニオン
９ 電磁クラッチ
９ａ 励磁コイル
９ｃ クラッチ板
１０ トルクリミッタ
１１ 衝撃緩和装置
１４ａ 電機子軸
２４ リングギヤ

Claims (6)

1. 回転力を発生するモータと、
   このモータの回転が減速装置を介して伝達される出力軸と、
   この出力軸に支持され、エンジンのリングギヤに常時噛み合わされるピニオンと、
   前記モータと前記ピニオンとの間でトルクの伝達を断続する電磁クラッチと、
   この電磁クラッチと前記ピニオンとの間に設けられ、トルクの伝達開始時に生じる衝撃トルクおよびエンジンから伝達される急激なトルク変動を緩和する衝撃緩和装置とを備えた常時噛合い式スタータにおいて、
   前記減速装置は、前記モータの電機子軸に設けられる太陽歯車と、この太陽歯車と同心に配置されて回転可能に設けられた内歯歯車と、両歯車に噛み合う遊星歯車とで構成され、前記内歯歯車の回転が拘束された状態で、前記太陽歯車が回転することにより、前記遊星歯車が自転運動と公転運動を行い、その公転運動が前記出力軸に伝達される遊星歯車減速装置であり、
   前記電磁クラッチは、前記内歯歯車に直接または間接的に連結されたクラッチ板を有し、このクラッチ板を電磁力により吸引して前記内歯歯車の回転を拘束することでトルクの伝達を可能にし、前記電磁力の消滅により前記クラッチ板を切り離して前記内歯歯車の回転を許容することでトルクの伝達を遮断することを特徴とする常時噛合い式スタータ。
2. 請求項１に記載した常時噛合い式スタータにおいて、
   前記衝撃緩和装置は、前記出力軸の外周に配設され、
   前記ピニオンは、前記出力軸の外周に軸受を介して相対回転可能に嵌合すると共に、前記衝撃緩和装置を介して前記出力軸に連結されていることを特徴とする常時噛合い式スタータ。
3. 請求項２に記載した常時噛合い式スタータにおいて、
   前記電磁クラッチは、電磁力を発生する励磁コイルを有し、この励磁コイルが前記衝撃緩和装置の外周側に配置されることを特徴とする常時噛合い式スタータ。
4. 請求項１〜３に記載した何れかの常時噛合い式スタータにおいて、
   前記モータから前記ピニオンに至るトルクの伝達経路に過大トルクの伝達を遮断できるトルクリミッタを設けたことを特徴とする常時噛合い式スタータ。
5. 請求項１に記載した常時噛合い式スタータにおいて、
   前記電磁クラッチのクラッチ板は、請求項４に記載したトルクリミッタを介して前記内歯歯車に連結されていることを特徴とする常時噛合い式スタータ。
6. 請求項１〜５に記載した何れかの常時噛合い式スタータは、
   エンジンの停止および再始動を自動制御するエンジン自動停止／再始動システムに用いられることを特徴とする常時噛合い式スタータ。

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