JP4352926B2

JP4352926B2 - 動力伝達装置

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Publication number: JP4352926B2
Application number: JP2004042980A
Authority: JP
Inventors: 肇渡邉
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2024-02-19
Also published as: JP2005233300A

Description

本発明は、プーリユニット等の動力伝達装置に関する。この種の動力伝達装置は、例えばエンジンのクランクシャフトやクランクシャフトから伝動ベルトを介して駆動される補機類に装備することができる。補機類には、例えば自動車のオルタネータ、エアコンディショナ用コンプレッサ、ウオーターポンプ、冷却ファンなどが挙げられる。

エンジンの回転駆動力をクランクシャフト（駆動側）から伝動ベルトを介して補機（従動側）に伝達する場合、クランクシャフトにおける回転角速度の微小変動に起因して、伝動ベルトに滑りが起こって異音が発生する傾向となる。このことを、補機類の一つであるオルタネータを例にとって説明する。エンジンを駆動源とする場合、エンジンの動作工程により、クランクシャフトは、その回転中、常に回転角速度の微小変動がある。一方、オルタネータのロータは、大きな回転慣性（慣性モーメント）を有してその慣性トルクがかかっている。このため、オルタネータのロータを、回転角速度の微小変動を伴うクランクシャフトで駆動すると、瞬間的に、動力循環がクランクシャフト側とロータ側とで伝動ベルトを介して発生して、伝動ベルトの張り側と緩み側とが逆転する現象が発生する。このことは、クランクシャフトからロータに送る回転駆動力が、回転角速度の微小変動の減少時に、クランクシャフトに返され、回転角速度の微小変動の増加時に、クランクシャフトによりロータが回転加速されることになる。その結果、伝動ベルトには、ロータの慣性トルクがかかり、伝動ベルトに滑りが起こって異音が発生したり耐久性が低下したりする傾向となるのである。

そこで、伝動ベルトが巻き掛けられるプーリと、オルタネータのロータに一体回転可能に連結されるロータ軸とを備えるとともに、プーリとロータ軸との間に組み込まれて該プーリの回転角速度の増減変動に応じて、プーリからロータ軸へ回転動力を伝達させたり遮断させたりする一方向クラッチを備えたプーリユニットが従来から提案されている（例えば特許文献１参照。）。上記プーリユニットにおいては、プーリの回転角速度の増減変動に応じて一方向クラッチをロック状態（クランクシャフト側の回転速度がロータ側の回転速度より大きい場合、プーリとロータ軸とを一体回転とさせる状態）やフリー状態（クランクシャフト側の回転速度がロータ側の回転速度より小さい場合、プーリとロータ軸とを相対回転可能としてロータ軸を慣性で自由回転させ得る状態）にさせて、クランクシャフトの回転角速度の微小変動があっても、ロータ軸の回転変動を抑制することによって、伝動ベルトが負担するトルクを軽減して、伝動ベルトの滑りによる異音の発生を防止し、伝動ベルトの耐久性を高めることを可能としている。

ところで、上記した一方向クラッチを用いた上記プーリユニットにおいては、オルタネータの発電トルク（慣性トルクとは逆向きに作用するトルク）が、当該オルタネータのロータの慣性トルクよりも過大となってくる状況下では、上記フリー状態でロータを慣性回転可能にさせている状態であるにもかかわらず、ロータが上記回転角速度の微小変動の減少にほぼ追随して回転変動してくるようになり、上記回転角速度の微小変動を吸収できなくなるという課題がある。そのため、上記一方向クラッチを備えたプーリユニットにおいては、回転角速度の微小変動の吸収には限界があり、回転角速度の微小変動を十分に吸収可能なプーリユニットが望まれている。
特開２００１−９０７５１号

本発明は、プーリ等の外側環体と、ロータ軸等の内側環体とを備えたプーリユニット等の動力伝達装置において、両環体間に、中間環体を配置し、両環体間の動力伝達に際して、当該中間環体をねじりばねのように作用させるという新たな発想に基づいて、上記した回転角速度の微小変動を効率よく吸収できるようにすることを課題とする。

本発明は、外側環体と、該外側環体の内周側に配置されて当該外側環体との間で回転動力の伝達を行う内側環体とを備えた動力伝達装置であって、上記外側環体と内側環体との間に回転動力の伝達の媒介を行う中間環体を配置するとともに、上記３つの環体の各対向周面の形状を、外側環体または内側環体の回転角度の微小変動に応じて中間環体が弾性領域内でねじれ変形して回転動力を伝達し得る非円形形状とするとともに、上記外側環体を、エンジンのクランクシャフトから動力伝達用の伝動ベルトが巻き掛けられるプーリとし、上記中間環体と内側環体との間に複数の転動体を転動自在に配置してなるプーリユニットの構造としたことを特徴としている。

なお、上記非円形形状は、好ましくは、楕円形状や、多角形形状が好ましい。また、外側環体を回転動力の入力側とし、内側環体を回転動力の出力側にする場合と、その逆の場合とがある。内側環体は、中空形状や中実形状のいずれでもよい。

本発明によると、例えば、外側環体に入力される回転動力が所定周期で増減変動する場合において、外側環体の回転角速度が増加するときに中間環体が回転方向に弾性領域内でねじれ変形する一方、外側環体の回転角速度が減少するときには中間環体が逆回転方向に弾性領域内でねじれ変形する。この中間環体のねじれによって、外側環体から内側環体へ回転動力が遅延して伝達されるので、外側環体の回転角速度の変動を効率よく吸収して内側環体の回転変動を抑制することが可能になる。また、本発明は、従来例の一方向クラッチの代わりに、中間環体と、必要に応じて複数個の転動体を用いる簡素な構成であり、コスト低減が可能になる。

上記対向周面のうちの一方に凹部、同他方に上記凹部内に所要の円周方向遊びを残して入り込む凸部を形成し、回転角速度の微小変動の増加時には当該凹部と凸部の回転方向後端側が、回転角速度の微小変動の減少時には同前端側がそれぞれ当接し得る構造とすることが好ましい。この場合、外側環体の回転角速度増加時には、凹部と凸部の回転方向後端側が当接して径方向に沿う荷重を発生することにより、中間環体の形状をよりいびつにするように作用して中間環体をねじれやすくするが、外側環体の回転角速度減少時には、凹部と凸部の回転方向前端側が当接して径方向に沿う荷重を発生することにより、中間環体の形状を円形に近づけるように作用して中間環体を外側環体に対して相対回転させやすくする。これにより、外側環体の回転角速度変動を吸収する効果が増す。

本発明では、プーリ等の外側環体と、ロータ軸等の内側環体とを備えたプーリユニット等の動力伝達装置において、両環体間の動力伝達に際して、上記した回転角速度の微小変動を効率よく吸収できる。

以下、本発明の最良の実施の形態を図に示して説明する。図１は、プーリユニットを軸方向に沿って断面にした図、図２は、図１の（２）−（２）線断面の矢視図である。本発明は、動力伝達装置として、プーリユニットに適用して説明する。

図に示すように、プーリユニット１は、外側環体としてのプーリ２と、該プーリ２の内周側に配置されて当該プーリ２との間で回転動力の伝達を行う内側環体としてのロータ軸３と、ロータ軸３とプーリ２との間でロータ軸３の基端側に配設される転がり軸受４と、ロータ軸３とプーリ２との対向周面間に介装される動力伝達用の中間環体５と、複数個のころなどの転動体６と、転がり軸受４および転動体６が配置される空間を外部から密封するシール７，８とを備えている。シール７，８によって密封される空間には図示していないが潤滑剤が収納されている。

プーリ２の外周面には、伝動ベルト９を巻き掛けるための波状溝が形成されている。ロータ軸３は、図示していないが例えば自動車に備える補機の回転軸やエンジンのクランクシャフトが連結される。転がり軸受４は、複数個の転動体としての玉４ａおよび保持器４ｂとからなり、中間環体５を外輪部材とし、ロータ軸３を内輪部材として利用している。

プーリ２の内周面形状は、非円形な形状、好ましくは楕円形状に形成されている。このプーリ２の内周面の円周数箇所（例えば１８０度対向の二箇所）には径方向外向きに凹む凹部２ａが設けられている。

ロータ軸３の外周面の形状は、プーリ２の内周面形状と同一曲率の非円形な形状として楕円形状に形成されている。このロータ軸３の内周面の最小径部は円形に形成されており、ここにエンジンのクランクシャフトや自動車に備える補機の回転軸が一体回転可能に連結される。なお、ロータ軸３の外周面の軸方向一端側（ロータ軸３の基端側）には転がり軸受４の玉４ａの転送溝４ｃが設けられている。

中間環体５の内周面形状および外形形状はロータ軸３の外形形状と同一曲率の非円形な形状として楕円形状に形成されている。この中間環体５の外周面の円周数箇所（例えば１８０度対向の二箇所）には径方向外向きに膨出してプーリ２の凹部２ａ内に円周方向に所定の円周方向遊びｈを持つ状態で嵌め入れられる凸部５ａが設けられている。また、中間環体５の内周面の軸方向一端側（ロータ軸３の基端側）には転がり軸受４の玉４ａの転送溝４ｄが設けられている。中間環体５は、弾性変形可能な材料であればよく、適宜の金属、樹脂、ゴムなどで形成することができる。

複数個の転動体６は、ロータ軸３と中間環体５との対向周面間に、保持器１０によって円周等間隔に配置された状態で介装されている。保持器１０は円周数ヶ所に径方向内外に貫通するポケットが設けられている。この保持器１０の軸方向他端側（ロータ軸３の自由端側）には径方向内向きの鍔部１０ａが設けられており、この鍔部１０ａがロータ軸３の軸方向他端側（自由端側）の外周面に設けられている溝に所定の円周方向遊びを持つ状態で嵌め入れられることにより、保持器１０が軸方向に位置決めされている。

プーリ２の凹部２ａおよび中間環体５の凸部５ａは、例えば１８０度未満の範囲、好ましくは、１０度から９０度の範囲で適宜の角度範囲に設けられるが、いずれにしても、凹部２ａ内に凸部５ａが円周方向に所定の円周方向遊びｈを持つ状態で嵌入するよう凹部２ａの占有角度を凸部５ａの占有角度よりも大きくする必要がある。この凹部２ａおよび凸部５ａの円周方向一端側が中間環体５の最大径部分（膨出部）に配置され、また、凹部２ａおよび凸部５ａの円周方向他端側が中間環体５の最小径部分に配置されている。

図３および図４を参照して、上記プーリユニット１の動作を説明する。図３は、プーリユニット１の回転角速度増加時の動作説明に用いる断面図、図４は、プーリユニット１の回転角速度減少時の動作説明に用いる断面図、図５は、プーリ２およびロータ軸３の回転波形を示すグラフである。

ここではプーリユニット１を、例えば自動車のオルタネータに利用する場合を例に挙げる。オルタネータは、自動車の車両のエンジンから伝動ベルトにより駆動される交流発電機であり、図示しないが、ロータ、ステータ、調整器、整流器等から構成されている。この場合、ロータ軸３はオルタネータのロータに取り付けられ、プーリ２はエンジンのクランクシャフトにより回転駆動される伝動ベルト９で回転駆動される。この例では、プーリ２が回転動力の入力側となり、ロータ軸３が回転動力の出力側となる。一般的に、クランクシャフトは所定周期で回転変動するので、クランクシャフトから伝動ベルト９を通じて回転駆動されるプーリ２の回転角速度が所定周期で増減変動する。これに対し、この実施形態では、プーリ２の回転角速度変動を効率よく吸収してロータ軸３の回転変動を抑制することができるので、説明する。

〔１〕プーリ２の回転角速度が増加する場合
図３に示す回転方向において、プーリ２の回転角速度が増加すると、プーリ２の凹部２ａの回転方向後端側の角部２ｃが中間環体５の凸部５ａの回転方向後端側のテーパ面５ｃに当接し、凸部５ａのテーパ面５ｃに対して垂直方向の荷重Ｆ１がかかる。この荷重Ｆ１の分力Ｆ２，Ｆ３と、ロータ軸３にかかるオルタネータの発電トルクとにより、中間環体５が回転方向にねじられるよう弾性変形するので、中間環体５からロータ軸３に回転動力が遅延して伝達されることになる。この中間環体５のねじれは、プーリ２の凹部２ａと中間環体５の凸部５ａとの間に設けてある円周方向遊びｈにより許容される。なお、径方向内向きの分力Ｆ２は中間環体５の最小径部を弾性的に圧縮させるように作用するので、中間環体５のねじればね定数が下げられる。このようにして、プーリ２の回転角速度の増加分を吸収する。

〔２〕プーリ２の回転角速度が減少する場合
図４に示す回転方向において、プーリ２の回転角速度が減少すると、ロータ軸３の回転慣性力によって、ロータ軸３および中間環体５がプーリ２よりも一瞬進んで、中間環体５の凸部５ａの回転方向前端側のテーパ面５ｂがプーリ２の凹部２ａの回転方向前端側の角部２ｂに当接し、凸部５ａのテーパ面５ｂに対して垂直方向の荷重Ｆ４がかかる。この荷重Ｆ４の分力Ｆ５，Ｆ６と、ロータ軸３の慣性モーメントとにより、中間環体５が逆回転方向にねじられるよう弾性変形し、中間環体５からロータ軸３に回転動力が遅延して伝達されることになる。なお、径方向内向きの分力Ｆ５は中間環体５の最大径部を弾性的に圧縮させるように作用して、中間環体５が円形に近づくように弾性変形されるので、中間環体５がロータ軸３と相対的に回転しやすくなり、プーリ２からロータ軸３への回転動力の伝達が遮断される。このようにして、プーリ２の回転角速度の減少分を吸収する。

なお、オルタネータの発電トルクが大きい場合、ロータ軸３の回転抵抗が大きくなる。この場合、プーリ２の回転角速度が増加するときは、中間環体５の弾性変形してねじれる度合いがオルタネータの発電トルクが小さい場合に比べて大きくなり、ロータ軸３への回転動力の伝達をさらに遅延させるので、ロータ軸３の回転変動を抑制することができる。一方、プーリ２の回転角速度が減少するときは、中間環体５がその最大径部を圧縮させるよう弾性変形する度合いがオルタネータの発電トルクが小さい場合に比べて大きくなって、中間環体５の内周面およびロータ軸３の外周面をより円形に近づけるようになるので、中間環体５とロータ軸３とが転動体６を介して相対回転可能となり、プーリ２からロータ軸３への動力伝達を遮断するようになる。このように、本実施形態の構成であれば、従来例の一方向クラッチを用いるプーリユニットの場合において内側環体となるロータ軸３の回転変動の抑制効果が薄くなる条件でも、ロータ軸３の回転変動を確実に抑制できるようになる。

このように、本実施形態では、回転角速度変動を吸収させるための構成として従来例のような一方向クラッチを用いるのではなく、上述したように中間環体５の弾性変形領域でのねじりばね作用を利用することにより、一方向クラッチを用いる従来例よりも確実に、プーリ２の回転角速度の増減変動を効率よく吸収することができるので、ロータ軸３の回転変動を抑制することができる。この結果として、プーリ２に巻き掛けられる伝動ベルト９の張り側（回転方向下流側）と、緩み側（回転方向上流側）との張力変動量を少なくできるようになる。

しかも、ねじりばね作用を発生する構成についても、中間環体５と複数個の転動体６とを用い、プーリ２の内周面形状と、中間環体５の内周面形状および外形形状と、ロータ軸３の外形形状とを楕円形状にしているだけであるから、従来例の一方向クラッチを用いる場合よりも構成が簡素で済むなど、コスト低減が可能になる。また、プーリ２の内周面形状と、中間環体５の内周面形状および外形形状と、ロータ軸３の外形形状との楕円形状の曲率によってねじりばね定数を調整することができる。

以下、本発明の他の実施形態や応用例を説明する。

（１）図示していないが、例えばプーリ２とロータ軸３との間において中間環体５の軸方向他端側（ロータ軸３の自由端側）にも転がり軸受を設けることができる。

（２）図６に示すように、プーリ２の凹部２ａおよび中間環体５の凸部５ａを無くした構成とすることができる。この場合、プーリ２の回転角速度が変動するときに凹部２ａと凸部５ａとが協働して中間環体５を圧縮させるよう弾性変形させる作用がなくなるが、中間環体５と複数個の転動体６とが協働してねじりばね作用を発揮するので、上述した実施形態と同様の効果が得られる。

（３）ロータ軸３の外形形状、中間環体５の内周面形状および外形形状、プーリ２の内周面形状を多角形とすることができる。但し、多角形とする場合、角部を丸く面取りしたものとする。これらの形状の一例として例えば図７に示すように、略三角形のおむすび形状とすることができる。この場合も、プーリ２の凹部２ａおよび中間環体５の凸部５ａは設けても設けなくてもよいが、設ける場合には、図示するように凹部２ａおよび凸部５ａの組み合わせが三組必要になる。この凹部２ａおよび凸部５ａは、回転角速度の増加時に黒塗り矢印Ｘで示すように、また、回転角速度の減少時に白抜き矢印Ｙで示すように中間環体５を圧縮させる荷重を発生する。

（４）転動体６は、玉とすることができる。この場合、中間環体５の内周面とロータ軸３の外周面とに玉の転送溝を設けるのが好ましい。

（５）例えばロータ軸３を回転動力の入力側とし、プーリ２を回転動力の出力側とすることができる。その一例としては、プーリユニット１をクランクシャフトに取り付ける形態が考えられる。この場合、中間環体５をロータ軸３側に、転動体６をプーリ２側に配置させる必要がある。この場合の動作については基本的に上記実施形態と同じである。

本発明の最良の実施形態に係るプーリユニットを軸方向に沿って断面にした図図１の（２）−（２）線断面の矢視図図１のプーリユニットの回転角速度増加時の動作説明に用いる断面図図１のプーリユニットの回転角速度減少時の動作説明に用いる断面図プーリおよびロータ軸の回転波形を示すグラフ本発明の他の実施形態に係るプーリユニットで、図２に対応する図本発明のさらに他の実施形態に係るプーリユニットで、図２に対応する図

符号の説明

１…プーリユニット、２…プーリ、２ａ…プーリの凹部、３…ロータ軸、４…転がり軸受、５…中間環体、５ａ…中間環体の凸部、６…転動体。

Claims

外側環体と、該外側環体の内周側に配置されて当該外側環体との間で回転動力の伝達を行う内側環体とを備えた動力伝達装置であって、
上記外側環体と内側環体との間に回転動力の伝達の媒介を行う中間環体を配置するとともに、上記３つの環体の各対向周面の形状を、外側環体または内側環体の回転角度の微小変動に応じて中間環体が弾性領域内でねじれ変形して回転動力を伝達し得る非円形形状とするとともに、
上記外側環体を、エンジンのクランクシャフトから動力伝達用の伝動ベルトが巻き掛けられるプーリとし、上記中間環体と内側環体との間に複数の転動体を転動自在に配置してなるプーリユニットの構造とした、ことを特徴とする動力伝達装置。
上記非円形形状が、楕円形であることを特徴とする請求項１に記載の動力伝達装置。
上記非円形形状が、多角形であることを特徴とする請求項１に記載の動力伝達装置。
上記対向周面のうちの一方に凹部、同他方に上記凹部内に所要の円周方向遊びを残して入り込む凸部を形成し、回転角速度の微小変動の増加時には当該凹部と凸部の回転方向後端側が、回転角速度の微小変動の減少時には同前端側がそれぞれ当接し得る構造としたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の動力伝達装置。