JP2007085369A - フライホイール - Google Patents

Abstract

【課題】 複雑化および大型化を招くことなく、機関の加速時において慣性質量を低減させることができるフライホイールの構成を提供すること。
【解決手段】 フライホイールには、中心部から放射状に延び、外周に向かうにしたがって回転方向Ｃに対して前側に向かって傾斜する複数の案内溝２が形成され、各案内溝２内には案内溝に沿って移動可能な可動部材４が収容されている。機関が一定の速度で回転している状態においては、案内溝内に収容された可動部材は遠心力を受けて、各案内溝の外側に移動し、フライホイールの慣性質量は増大するので、機関の回転変動を抑える本来のフライホイールの機能を発揮する。機関の加速時においては、角速度の増加により前記可動部材は回転方向の後ろ側に移動する作用を受け、これにより前記可動部材は各案内溝の内側に移動する。したがって、フライホイールの慣性質量は減少し、機関の加速の応答性を良好にすることができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、内燃機関などの駆動軸（クランクシャフト）に取り付けられ、機関の回転変動を抑えるフライホイールに関する。

例えば内燃機関の１サイクルにおける回転変動を抑えるためには、慣性質量の大きなフライホイールを設けることが効果的である。しかしながら、慣性質量が大きなフライホイールを用いた場合には、前記内燃機関の加速時においては、前記フライホイールの慣性質量が加速の応答性を疎外させるという問題を招来させる。

このために、機関の運転条件により慣性質量を変更することができるようにした発明が特許文献１に開示されている。これによると、フライホイールの周辺部に油量を可変させることができるピストンを持つ油圧室と、この油圧室に外部から油を給排することができる通路を備え、前記油圧室内の油量を機関の運転条件により増減することで、フライホイールの慣性質量を変更できるようにされている。

前記した特許文献１に開示された構成によると、機関の運転条件により前記した油圧室内の油量を調節するための制御機構が必要である。したがって、フライホイール本体と前記油量の制御機構を含めた全体構成が複雑化かつ大型化することになり、装置のコストアップは免れないという問題点を持つことになる。

そこで、前記特許文献１に開示されたフライホイールが持つ問題点を解消すべく、その構成を簡素化した発明が特許文献２に開示されている。この特許文献２に開示されたフライホイールの構成によると、中心部から放射状に延び、外周に向かうにしたがって回転方向に対して後側に向かって傾斜する案内溝が複数設けられたフライホイール本体と、各々の前記案内溝内に収容され当該案内溝に沿って摺動可能な可動部材と、前記可動部材を案内溝に沿ってその中心方向に向かって付勢するための付勢手段とを備えた構成にされている。

前記した特許文献２に開示された構成によると、全体構成が複雑化かつ大型化するという特許文献１に開示されたフライホイールの問題点を解消することができると明細書において説明されている。また、特許文献２に開示された構成によると、フライホイールの回転に伴う可動部材に働く外力の方向に沿って案内溝が存在することになるため、可動部材と案内溝との摩耗を低減させることが可能であると明細書中で説明されている。

特開平９−１００８７８号公報 特開２００３−２０６９９２号公報

ところで、特許文献２に開示されたフライホイールの構成によると、フライホイールが静止状態においては、可動部材は板バネによって案内溝の最も中心部側に位置するようになされ、機関の回転が加速される場合おいては特許文献２における図２に示されているように、可動部材にはＦ１で示す力が働くため、可動部材は案内溝の外側に向かって移動し、フライホイールの慣性モーメントは増加されると説明されている。

したがって、前記した作用によると、機関の加速時においてはフライホイールの慣性モーメントが増加するために、加速の応答性を疎外させるという問題を招来させる。すなわち、これを自動車の内燃機関に採用した場合においては、自動車の発進時もしくは加速時にフライホイールの慣性モーメントが増大するために、内燃機関のいわゆる吹き上がりが抑制され、その駆動レスポンスが低下するという問題を発生させる。

この発明は、前記した問題点に着目してなされたものであり、フライホイールの複雑化および大型化を招くことなく、特に機関の加速時において、その慣性質量を低減させることができるフライホイールの構成を提供することを課題とするものである。

前記した課題を解決するためになされたこの発明にかかるフライホイールの基本構成は、機関の駆動軸に装着され、機関の回転変動を抑制するフライホイールであって、中心部から放射状に延び、外周に向かうにしたがって回転方向に対して前側に向かって傾斜する複数の案内溝を形成したフライホイール本体と、前記フライホイール本体に形成された前記各案内溝内に収容され、前記案内溝に沿って移動可能な可動部材とを具備した点に特徴を有する。

この場合、前記各案内溝が、当該案内溝の中央を通る仮想線と、前記フライホイール本体の外周における接線とのなす角度が、回転方向の前側に向かうにしたがって除々に小さくなるスパイラル状に形成されていることが望ましい。加えて、前記各案内溝内に収容される前記可動部材は、球状に形成されていることが望ましい。

前記した構成のフライホイールによると、機関のアイドリング時や一定の速度で回転している状態においては、案内溝内に収容された可動部材は遠心力を受けて、各案内溝の外側（円周寄り）に移動する。このためにフライホイールの慣性質量は増大し、機関の回転変動を抑える本来のフライホイールの機能を発揮する。

一方、機関の起動時もしくは加速時においては、角速度の増加により前記可動部材は回転方向の後ろ側に移動する作用を受け、これにより前記可動部材は各案内溝の内側に移動する。したがって、フライホイールの慣性質量は減少し、機関の加速の応答性を良好にすることができる。

以下、この発明にかかるフライホイールについて、図に示す実施の形態に基づいて説明する。図１はフライホイールをその一端面から視た状態の全体構成を示したものであり、図２は図１における破線で囲まれたＡ部分を拡大して示したものである。なお、図１においては後で説明する可動部材が案内溝の中間部に位置している状態を示し、図２においては可動部材が案内溝の外側に位置している状態を示している。

図１に示すように金属素材により円盤状に形成されたフライホイール本体１は、周知のとおりその中心部において、例えば内燃機関の駆動軸Ｂであるクランクシャフトに取り付けられる。そして、フライホイール本体１は機関の駆動により矢印Ｃで示すように一方向に回転駆動される。前記フライホイール本体１には、フライホイール本体１の中心から放射状に延びるようにして複数の案内溝２が形成されている。

図１に示す実施の形態においては、前記案内溝２は周方向に等間隔に６本設けられており、各々の案内溝２はフライホイール本体１の外周に向かうにしたがって回転方向Ｃに対して前側に向かって傾斜するように形成されている。すなわち各案内溝２は、当該案内溝の中央を通る仮想線２ａと前記フライホイール本体１の外周における仮想線で示した接線３とのなす角度αが、回転方向Ｃの前側に向かうにしたがって除々に小さくなるスパイラル状に形成されている。

そして、前記した各案内溝２内には、この案内溝に沿って移動可能な金属製の可動部材４がそれぞれ収容されている。この実施の形態においては、前記可動部材４は案内溝２の溝幅よりも僅かに径が小さな球状に形成されており、これにより可動部材４は案内溝２内を抵抗なく転動することができる。なお、図１に示す状態においては、各案内溝２にそれぞれ収容された可動部材４は、案内溝２から逸脱する場合があるので、必要に応じて図１に示す上面側に、前記案内溝２をカバーする円盤状部材（図示せず）を重合するようにして取り付けた構成とすることが望ましい。

図２は、図１に示した構成のフライホイールの作用を説明するものであり、代表して１つの案内溝２と、これに収容された可動部材４について示している。なおすでに説明したとおり、この図２においては球状の可動部材４は案内溝２の外側に位置している状態、すなわち後で説明するとおり、フライホイール本体１が定速度で矢印Ｃ方向に回転している場合を示している。

例えば機関のアイドリング時などのようにフライホイール本体１が定速度で矢印Ｃ方向に回転している場合においては、図２に示すように球状の可動部材４は遠心力ｍｒω² を受け、可動部材４は溝２に沿って、その外側（円周寄り）に固定される。この時、前記可動部材４には重力ｍｇが加わっており、したがって実際に可動部材４に働く力Ｆ１は、次の式１のように示すことができる。

Ｆ１＝遠心力−重力＝ｍｒω² −ｍｇ ……（式１）
ただし ｍ：可動部材の質量
ｇ：重力加速度
ｒ：フライホイール中心から可動部材までの距離
ω：フライホイールの角速度

この時、すべての可動部材４に対してそれぞれ前記Ｆ１で示す力が作用して、その慣性質量は一定、かつ最大の値になされる。これにより、機関の回転変動を抑える本来のフライホイールの機能を発揮する。

一方、ある瞬間に機関の回転が加速された場合においては、可動部材４は慣性力Ｆ２を図２に示すように受ける。これにより可動部材４は、符号５で示す溝２の接線方向に沿ったＦθの成分を受けることにより、溝内を移動する。前記溝２の形状は可動部材４が前記Ｆθの方向に移動するほど、可動部材４の位置がフライホイールの中心方向に移動することになるので、可動部材４による慣性質量は減ることになり、これに伴いフライホイール全体の慣性質量は減少する。

前記したように機関の回転が加速された場合に、フライホイール全体の慣性質量は減少するように作用するので、機関の加速の応答性を良好にすることができる。すなわちこのフライホイールを例えば自動車用エンジンに用いた場合においては、自動車の発進時もしくは加速時における動力性能（発進もしくは加速のレスポンス）を向上させることができる。

なお、フライホイールの回転が加速された場合において可動部材４が受ける前記した慣性力Ｆ２は、次の式２のように示すことができ、またこの時に可動部材４が溝２に沿って受ける前記Ｆθとして示す力は、慣性力Ｆ２が働く方向と溝２の接線５とのなす角度θにおける前記Ｆ１とＦ２の合力となる。これは、式３のように示すことができる。そして、式３に示すそれぞれの成分は、式４および式５のように示すことができる。

Ｆ２＝慣性力＝ｍ・ｒΔω／ｔ ……（式２）
Ｆθ＝角度θでのＦ１とＦ２の合力＝Ｆ２′−Ｆ１′ ……（式３）
Ｆ１′＝Ｆ１の溝接線方向の成分＝Ｆ１×Ｓｉｎθ ……（式４）
Ｆ２′＝Ｆ２の溝接線方向の成分＝Ｆ２×Ｃｏｓθ ……（式５）

以下においては、前記した構成のフライホイールの具体的な実現例を示すものであり、前記した式１〜式５に対して、具体的な数値を代入して説明するものである。

ｍ＝０．０５（Ｋｇ）
ｇ＝９．８１（ｍ／ｓ² ）
ｒ＝０．１（ｍ）
ωａ（アイドリング時）＝６００（ｒｐｍ）＝６２．８（ｒａｄ／ｓ）
Δω＝５０００（ｒｐｍ／ｓ）＝５０００／６０＊２π（ｒａｄ／ｓ² ）
＝５２３．６（ｒａｄ／ｓ² ）
θ＝１５゜

Ｆ１＝０．０５＊（０．１＊６２．８² −９．８）＝１９．２（Ｎ）
Ｆ１′＝Ｆ１＊Ｓｉｎ１５゜＝４．９７（Ｎ）
Ｆ２＝０．０５＊０．１＊５２３．６／１＝５２．４（Ｎ）
Ｆ２′＝Ｆ２＊Ｃｏｓ１５゜＝５０．６（Ｎ）
Ｆθ＝Ｆ２′−Ｆ１′＝４５．６（Ｎ）

前記したように、機関を１秒間に５０００ｒｐｍの加速状態とした場合においては、可動部材４は４５．６（Ｎ）程度の力を案内溝２の接線方向に受けることになり、これにより可動部材４はフライホイールの中心方向に移動し、フライホイール全体の慣性質量が減少するように作用することが理解できる。

なお、以上説明した実施の形態においては、フライホイール本体に６本の案内溝が形成された例を示しているが、この案内溝の数や、案内溝の曲率は機関の出力に応じて適宜設定されることになる。

この発明にかかるフライホイールを一端面から視た状態の平面図である。 図１における破線で囲まれたＡ部分の拡大図である。

符号の説明

１ フライホイール本体
２ 案内溝
４ 可動部材
Ｂ 駆動軸
Ｃ 回転方向

Claims (3)

1. 機関の駆動軸に装着され、機関の回転変動を抑制するフライホイールであって、
   中心部から放射状に延び、外周に向かうにしたがって回転方向に対して前側に向かって傾斜する複数の案内溝を形成したフライホイール本体と、
   前記フライホイール本体に形成された前記各案内溝内にそれぞれ収容され、前記案内溝に沿って移動可能な可動部材と、を具備したことを特徴とするフライホイール。
2. 前記各案内溝が、当該案内溝の中央を通る仮想線と前記フライホイール本体の外周における接線とのなす角度が、回転方向の前側に向かうにしたがって除々に小さくなるスパイラル状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載されたフライホイール。
3. 前記各案内溝内にそれぞれ収容される前記可動部材は、球状に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたフライホイール。

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