JP2001173722A - フライホイール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 主に慣性リングの回転運動としてエネルギを
蓄積するフライホイールにおいて、ハブと回転シャフト
を強固に結合する。 【解決手段】 慣性リング１０は、ハブ１２を介して回
転シャフト１４に支持される。ハブ１２のボス部１８の
回転シャフト１４に対面する面には、環状溝２４が形成
されている。環状溝２４内には、互いに斜面を向かい合
わせて配置された二つのテーパリング２６が配置されて
いる。このテーパリング２６を推し込みスリーブ２８に
よって軸方向に推す。これにより、くさび効果によっ
て、 テーパリング２６の一方が回転シャフト１４に他
方がハブのボス部１８に強く押しつけられ、強い締結力
が発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転の運動エネル
ギとしてエネルギを蓄積するフライホール装置に関し、
特にエネルギ蓄積の主要素となる回転体と、これを支え
る回転シャフトとの結合構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】回転体の運動エネルギとしてエネルギを
蓄積し、必要なときにここからエネルギを取り出すフラ
イホール装置が知られている。車両に搭載されたフライ
ホイール装置も知られており、この場合、車両の制動時
にその運動エネルギをフライホイールに蓄え、加速時に
蓄えられたエネルギを用いている。車両など移動体に搭
載される場合には、蓄積できるエネルギ量（エネルギ容
量）を質量、体積で割った値が小さくなる、すなわち、
軽く、小型で、エネルギ容量が大きいことが要求され
る。積載している装置が重ければ、装置を移動させるた
めにより多くのエネルギが必要となり、また装置が大き
くなれば、より大きな搭載用のスペースを有し、不利と
なる。

【０００３】回転体のエネルギの蓄積量は、その回転速
度と慣性モーメントにより定まる。質点の慣性モーメン
トは、回転半径と質量で定まるので、回転体の質量は、
回転軸からなるべく遠いところに配置することが好まし
い。このように配置することにより軽いがエネルギ容量
の大きいフライホイールを実現することができる。この
ように回転体の外側部分に質量を集中したフライホイー
ル装置が特開平９−３０３４８５号に記載されている。
この公報に示された装置は、回転体の外周付近に配置さ
れるリングと、このリングを回転シャフトに結合するハ
ブを有している。リングは遠心力に対し変形の少ない剛
構造を有し、ハブは柔構造を有している。この構造によ
り、遠心力によるリングの半径方向の膨張より、ハブ外
周の膨張が常に大きくなろうとし、両者の接触面が離れ
ることを防止している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の公報の装置にお
いては、リングとハブの締結が確保される。しかし、ハ
ブが柔構造である一方、回転シャフトは軸受によって支
持され、また変形によって偏心を生じてはならないの
で、高い剛性が要求される。この剛性の差のために遠心
力によりハブ、回転シャフトの接触面の接触圧が確保で
きなくなる場合があった。回転時の接触圧を確保するた
めに、非回転時の接触圧を確保しようとしても、ハブの
組成変形によりその上限が決まってしまうので、十分な
初期接触圧を確保することができなくなる場合があっ
た。

【０００５】本発明は、前述の課題を解決するためにな
されたものであり、柔構造を有するハブと剛構造の回転
シャフトを確実に固定する目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに本発明にかかるフライホイールは、剛構造のリング
を柔構造のハブにより回転シャフトに結合する構造を有
し、前記ハブと前記回転シャフトの対向面の一部におい
て両者の間に介在するくさび部材と、前記くさび部材を
回転軸方向に推し、前記ハブと回転シャフトの間にくい
込ませ、これによって前記くさび部材と、前記ハブおよ
び前記回転シャフトの接触面に抗力を生じさせる推し込
み部材と、を有している。

【０００７】くさび部材が介在する部分以外において
は、ハブと回転シャフトを密着させることができ、高精
度の組付けが可能となる。フライホイールは高速で回転
するために、わずかの偏心が生じても、振動等の原因と
なるので、高い組み付け精度が要求される。ハブと回転
シャフトが直接接触していることにより、高い組み付け
精度を保証することができる。また、推し込み部材によ
り確実に接触面に抗力およびこれに応じた摩擦力を発生
させることができ、ハブと回転シャフトを確実に結合す
ることができる。

【０００８】また、くさび部材は回転軸を中心とする環
形状とすることができる。環形状とすることで、くさび
部材単体でバランスを取ることができ、組み付けたとき
の偏心や傾きを小さくすることができる。

【０００９】また、前記くさび部材は、回転軸に関し互
いに反対方向を向く斜面を有する、対をなすくさび片を
含み、前記くさび部材と前記ハブの接触面と、前記くさ
び部材と回転シャフトの接触面を回転軸に略平行なもの
とすることができる。加工に際して軸に平行な面は高精
度を容易に実現することができ、また組み付けの際に
も、高い精度を保証することができる。

【００１０】また、前記ハブのボス部の一部を、ボス部
の他の部分より剛な構造とし、前記くさび部材は、当該
剛構造部分と回転シャフトの間に介在するようにするこ
とができる。剛構造部分は、遠心力による拡張が少ない
ため、くさび部材により発生した締結力の遠心力による
低下を少なくすることができる。

【００１１】また、前記推し込み部材は、前記くさび部
材を推すスリーブ部と、前記スリーブ部より外側に張り
出したフランジ部と、前記フランジ部より回転軸方向に
延び、前記ハブの前記くさび部材が配置される部分の外
周側に接触する外周押さえ部と、を有する、ものとする
ことができる。外周押さえ部により、ハブの遠心力によ
る拡張を防止することができ、くさび部材により発生し
た締結力の遠心力による低下を少なくすることができ
る。

【００１２】また、前記推し込み部材は、本体と、前記
本体の内周側に位置する拡張片と、を有し、前記本体と
前記拡張片の互いに接触する部分の少なくとも一方には
斜面が形成され、回転に伴い拡張片に作用する遠心力が
前記斜面により前記本体のくさび部材を推す力に変換さ
れるようにすることができる。これによれば、締結力の
遠心力による低下を少なくする、または遠心力が大きく
なるほど締結力を大きくすることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下
実施形態という）を、図面に従って説明する。図１に
は、本実施形態のフライホイールの主要な構成が示され
ている。回転の運動エネルギを蓄える主要な構成である
慣性リング１０は、ハブ１２を介して回転シャフト１４
に固定されている。慣性リング１０は、回転による遠心
力が加わっても破壊しないように、また遠心力による膨
張を抑えるために、高い剛性を得られる構造となってい
る。本実施形態の場合は、中実の円環形状を有し、ＦＲ
Ｐ（繊維強化プラスチック）により形成されている。

【００１４】ハブ１２は、全体として円板形状を有し、
慣性リング１０に接触する外周部分１６と回転シャフト
１４に接触するボス部１８が厚く、二つの部分１６，１
８を薄肉のディスク部２０がつないでいる。ディスク部
２０を薄肉構造としたために、ハブ１２が軽量化され、
フライホイール全体として軽くすることができる。一方
で、質量はフライホイールの回転部分外周付近に集まる
ことになり、軽量化のわりに高いエネルギ容量を確保す
ることができる。また、ディスク部２０は、本実施形態
の場合、ハブ１２の厚みのほぼ中央に形成されており、
回転時ここに加わる剪断、曲げ応力の低減が図られてい
る。また、慣性リングの形状が図１において上下に対称
でないような場合には、慣性リングの、回転軸を含む平
面による断面の重心が、ディスク部の形成する平面内に
位置するように、ディスク部の位置を決定することがで
きる。この場合も、ディスク部にかかる、剪断および曲
げ応力を低減することができる。ディスク部２０を以上
のような位置に配置することによって、遠心力による破
壊を防止している。また、ディスク部２０を薄肉とした
ことにより、ハブ１２の剛性は低下する。このため、フ
ライホイール回転時においては、慣性リング１０とハブ
１２の接触面において、ハブ１２の方がより外に膨張し
ようとし、接触圧力が高くなり、より強固に密着する。
なお、ハブ１２を形状的だけでなく、材質的も柔なもの
とすることも可能である。また、ハブの外周部１６は、
慣性リング１０との接触面積がなるべく大きくなるよう
な形状が好ましい。

【００１５】ハブのボス部１８は、回転シャフト１４に
接するボス内面２２と、ボス内面２２から削り込まれた
ように形成された環状溝２４とを有している。ボス内面
２２は、回転シャフト１４表面と共に高い精度で製作さ
れ、組付けの際の偏心、傾きなどの寸法精度を保証して
いる。前述のように、ハブ１２は比較的柔構造であり、
一方、回転シャフト１４は、フライホイール全体を強固
に保持しなければならないので、材質も含め高い剛性を
有する構造となっている。したがって、回転時には、ハ
ブが外側に膨張し、回転シャフトとの接触面の抗力が低
下する。

【００１６】前記の接触面の抗力の低下を補うために、
本実施形態においては、前記環状溝２４内に、くさび部
材としてテーパリング２６が配置されている。くさび部
材は、等しい傾斜角の斜面が向き合うように配置された
二つのテーパリング２６を含み、回転シャフト１４に接
触する面と環状溝２４の外径に接触する面とが略平行と
なっている。このことは、回転シャフト１４および環状
溝２４にテーパ加工を行うことを不要としており、加工
の容易性、また高精度を保証している。

【００１７】テーパリング２６は、推し込みスリーブ２
８により、環状溝２４内に、回転軸に双方向に推されて
いる。推し込みスリーブ２８は、環状溝２４内に進入す
る円筒部３０とフランジ部３２を含み、円筒部３０の先
端がテーパリング２６に当接している。フランジ部３２
には、ボルト３４が貫通する貫通穴が設けられ、また、
ボルト３４は、ハブのボス部１８に設けられたねじ穴に
ねじ結合している。このボルト３４を締めることによっ
て円筒部３０がテーパリング２６を推し込み、テーパリ
ングのくさび効果によって、回転シャフト１４およびボ
ス部１８との接触面に抗力を発生させる。これがハブ１
２を回転シャフト１４に締結する力となる。

【００１８】この回転シャフト１４とハブ１２を締結す
る力は、ハブのボス部１８を押し広げるように作用す
る。このボス部１８の径方向の変位ｕ_D（図２参照）
は、以下のようなものである。図２に示すように、ボル
ト３４を締め付けトルクＴで締め付けると、ボルト３４
の軸力Ｆは、

【数１】 で表される。軸力Ｆの反力としては、推し込みスリーブ
２８がテーパリング２６を推す力が発生する。この力
は、テーパリング２６の斜面により回転シャフト１４お
よびボス部の環状溝２４の外周に垂直に作用する力Ｆ_S
に変換される。この力Ｆ_Sは、

【数２】 で表される。この力Ｆ_Sにより接触面に発生する圧力Ｐ
は、

【数３】 で表される。ボルト３４を締め付けることにより発生す
るボス部１８外周の半径方向伸びは、

【数４】 で表される。

【００１９】図３は、ボス部１８、特にテーパリング２
６の外側に位置する部分の剛性が異なる場合に、ボス部
１８外周の半径方向の変形が、締め付けトルクによって
どのように変化するかを示す図である。破線で示される
グラフが剛性の低い材料により形成された場合、実線で
示されるグラフが剛性の高い材料によって形成された場
合の特性を示している。部材が降伏する点（図中Ｙで示
す）における締め付けトルクＴは高剛性部材の方が高
く、変形量は高剛性部材の方が小さい。締め付けトルク
Ｔを高くすることができるということは、テーパリング
２６と、回転シャフト１４およびハブ１２の接触面に作
用する圧力Ｐを高くすることができるということであ
り、回転シャフト１４とハブ１２をより強固に結合する
ことが可能となる。このことから、ボス部１８のテーパ
リング２６の外側に位置する部分については、高い剛性
を有する部材を用いることが好ましい。

【００２０】また、回転時においては、遠心力によりボ
ス部１８も変形する。図４は、ボス部の外径に対する、
周方向の変形量（図中破線で示す）、径方向の変形量
（図中実線で示す）を示している。外径が大きい方が変
形量が大きく、よって、変形によりテーパリング２６と
ボス部１８の締結力が低下することが分かる。

【００２１】以上より、ボス部１８、特にテーパリング
２６の周囲は、高い剛性を有する構造とすることが望ま
しく、また外径も小さい方が良い。

【００２２】図５には、本発明の他の実施形態が示され
ている。この実施形態においては、ハブのボス部１８の
一部に、ボス部の他の部分よりヤング率の高い材料によ
り高剛性に作成された高剛性部３６が設けられている。
高剛性部３６は、ボルト等でボス部の他の部分に結合さ
れており、またテーパリング２６を囲むように設けられ
ている。高剛性部３６により、外径を小さくしても、初
期に締結力を十分与えることができる。また、高い剛性
により回転中の変形が小さくなることはもちろん、外径
を小さくしておくことにより回転中の変形をより少なく
することができ、遠心力による締結力の減少を抑えるこ
とができる。

【００２３】図６には、本発明のさらに他の実施形態が
示されている。この実施形態においては、推し込みスリ
ーブ３８のフランジ部３２先端よりボス部１８の外周部
分に延びる外周リング４０が形成されている。これによ
って、推し込みスリーブ２８全体はキャップ状にボス部
１８の先端に被さるようになる。外周リング４０がボス
部１８の外側への変形を押さえ込み、これによって遠心
力による締結力の減少を抑えることができる。

【００２４】図７には、本発明のさらに他の実施形態が
示されている。この実施形態の推し込みスリーブ４２に
は、テーパリング２６を推す円筒部３０の背面に斜面４
４が形成されている。斜面４４に当接して、拡張片４６
が配置されている。拡張片４６のさらに背面には当接リ
ング４８が位置し、拡張片４６の図中下方への後退を阻
止している。また、拡張片４６は、回転軸の周りに等間
隔に複数個が配置されている。好適には、複数個が環状
に連続して配置される。フライホイールが回転すると拡
張片４６にも遠心力が作用し、推し込みスリーブ４２の
斜面４４を外側に推す。この力が、斜面により推し込み
スリーブ４２を図中上方へ押し出す力となり、テーパリ
ング２６をさらに推し込むように働く。これにより、回
転中の締結力の減少を抑えるか、または締結力を高める
ことができる。

【００２５】拡張片４６は、回転中に推し込みスリーブ
４２を外側に推すことができればどのような構造でもよ
い。例えば、拡張片４６をリング形状とし、剛性の低く
なるような構造を採ることができる。回転時において、
推し込みスリーブ４２の変形より大きく変形するように
すれば、テーパリング２６を推し込む効果が期待でき
る。剛性の低くなる構造は、低いヤング率の材料を使用
する、リングの一部に切り欠きを設けこの部分が変形す
るようにするなどが考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本実施形態の概略構成を示す図である。

【図２】 回転シャフトとハブの締結力およびハブボス
部の変形を説明するための図である。

【図３】 締め付けトルクに対するハブのボス部の変形
を示す図である。

【図４】 回転体の外径に対する変形の様子を示す図で
ある。

【図５】 他の実施形態の主要部の構造を示す図であ
る。

【図６】 さらに他の実施形態の主要部の構造を示す図
である。

【図７】 さらに他の実施形態の主要部の構造を示す図
である。

【符号の説明】

１０ 慣性リング、１２ ハブ、１４ 回転シャフト、
１８ ボス部、２４環状溝、２６ テーパリング、２
８，３８，４２ 推し込みスリーブ、３６ 高剛性部、
４０ 外周リング、４４ 斜面、４６ 拡張片、４８当
接リング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲熊 幸雄 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 荒川 俊史 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 松島 悟 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 剛構造のリングを柔構造のハブにより回
   転シャフトに結合し、回転運動としてエネルギを蓄積す
   るフライホイールであって、 前記ハブと前記回転シャフトの対向面の一部において両
   者の間に介在するくさび部材と、 前記くさび部材を回転軸方向に推し、前記ハブと回転シ
   ャフトの間にくい込ませ、これによって前記くさび部材
   と、前記ハブおよび前記回転シャフトの接触面に抗力を
   生じさせる推し込み部材と、を有する、フライホイー
   ル。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のフライホイールにおい
   て、前記くさび部材は回転軸を中心とする環形状であ
   る、フライホイール。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のフライホイー
   ルにおいて、 前記くさび部材は、回転軸に関し互いに反対方向を向く
   斜面を有する、対をなすくさび片を含み、 前記くさび部材と前記ハブの接触面と、前記くさび部材
   と回転シャフトの接触面が、回転軸に略平行である、フ
   ライホイール。
4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれかに記載のフラ
   イホイールにおいて、 前記ハブのボス部の一部を、ボス部の他の部分より剛な
   構造とし、前記くさび部材は、当該剛構造部分と回転シ
   ャフトの間に介在するようにした、フライホイール。
5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれかに記載のフラ
   イホイールにおいて、 前記推し込み部材は、 前記くさび部材を推すスリーブ部と、 前記スリーブ部より外側に張り出したフランジ部と、 前記フランジ部より回転軸方向に延び、前記ハブの前記
   くさび部材が配置される部分の外周側に接触する外周押
   さえ部と、を有する、フライホイール。
6. 【請求項６】 請求項１から４のいずれかに記載のフラ
   イホイールにおいて、 前記推し込み部材は、本体と、前記本体の内周側に位置
   する拡張片と、を有し、 前記本体と前記拡張片の互いに接触する部分の少なくと
   も一方には斜面が形成され、回転に伴い拡張片に作用す
   る遠心力が前記斜面により前記本体のくさび部材を推す
   力に変換される、フライホイール。