JP2007107636A

JP2007107636A - クランクプーリ装置

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Publication number: JP2007107636A
Application number: JP2005299943A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Harada; 昌寛原田; Hiroshi Ueno; 弘上野
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2007-04-26

Abstract

【課題】クランクシャフトの振動や回転速度変動をより効果的に緩和することができるクランクプーリ装置を提供する。
【解決手段】本発明のクランクプーリ装置１は、外周にベルトが巻き掛けられるとともに内周に外側軌道面３１を有するプーリ部材３と、外周に内側軌道面２１を有し、プーリ部材３に対して相対回転可態に配設された内側部材２と、外側軌道面３１と内側軌道面２１との間に転動可能に介在した円筒ころ４とを備えている。内側軌道面２１及び外側軌道面３１には、プーリ部材３と内側部材２との相対回転に伴い円筒ころ４を転動させつつ円筒ころ４の挟持間隔を漸次狭くして、前記相対回転により生じたプーリ部材３と内側部材２との間の位相差を解消する方向の回動付勢力をプーリ部材３と内側部材２との間に付与する異形軌道面２ｋ、３ｋが形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンのクランクシャフトに取り付けられるクランクプーリ装置に関する。

自動車等のエンジンのクランクシャフトには、オルタネータ等の補機類を駆動するためのベルトが巻き掛けられるクランクプーリ装置が取り付けられている。
一般に、自動車等のエンジンのクランクシャフトは、シリンダの爆発力によって回転力が付与されるので、その回転速度に変動が生じる。そして、このようなクランクシャフトの回転速度の変動がベルトを介して補機類に伝達されると、回転によって慣性力が生じている補機類は、その回転速度の変動に追従できない。このため、ベルトの張力が過大に変動したり、クランクプーリ装置とベルトの間でスリップが生じたりすることがあった。このようなベルトのスリップや張力の過大な変動は、ベルトの異音の発生や寿命低下等の原因となる。また、ベルトのスリップを防止するために、当該ベルトの初期張力を比較的高く設定することがあり、この場合には、クランクシャフトの回転抵抗が増大し、エンジンの燃費性能を低下させることもあった。
また、クランクシャフト自体が軸方向に軸対称に形成されていないため、上記クランクシャフトの回転速度の変動は、クランクシャフト自体のねじり振動やうねり振動の原因にもなっていた。

このため、クランクシャフトの回転速度変動による他の部分への影響を緩和すべく、クランクシャフトに取り付けられるプーリボスと、外周にベルトが巻き掛けられる筒状のプーリ部材と、前記プーリボスと前記プーリ部材との間に介在するダンパゴムとを備えたクランクプーリ装置が提案されている。このようなクランクプーリ装置は、弾性体からなるダンパゴムを、プーリ部材とクランクシャフトとの間に介在させ、両者を周方向に弾性的に相対回転可能とすることで、プーリ部材をクランクシャフトに対するダンパマスとして機能させて、ダンパ作用を得ることができる。このダンパ作用によって、クランクシャフトの振動を吸収するとともに、クランクシャフトの回転速度変動を緩和していた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１７２４０３号公報（図２）

上記従来のクランクプーリ装置より得られる、クランクシャフトの回転速度変動を緩和するためのダンパ作用は、ダンパゴムの弾性特性に大きく依存している。ダンパゴムの弾性特性は、当該ダンパゴムを構成する弾性体の材質や、その厚み寸法を変更することで変更することができるが、このような方法による弾性特性の変更可能な範囲はそれほど広いものではなく、その自由度は低いものであった。従って、上記従来のプーリ装置では、ダンパゴムの弾性特性を適切に設定できず、クランクシャフトの振動や回転速度変動を効果的に緩和できない場合があった。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、クランクシャフトの振動や回転速度変動をより効果的に緩和できるクランクプーリ装置を提供することを目的とする。

本発明のクランクプーリ装置は、外周にベルトが巻き掛けられるとともに内周に外側軌道面を有する円筒状のプーリ部材と、外周に前記外側軌道面と対向する内側軌道面を有し、前記プーリ部材に対して相対回転可能に配設されるとともにクランクシャフトに一体回転可能に取り付けられる内側部材と、前記外側軌道面と前記内側軌道面との間に転動可能に介在した転動体とを備え、前記内側軌道面及び外側軌道面の少なくとも一方が、前記プーリ部材と前記内側部材との相対回転に伴い転動体を転動させつつ当該転動体の挟持間隔を漸次狭くして、前記相対回転により生じた前記プーリ部材と前記内側部材との間の位相差を解消する方向の回動付勢力を前記プーリ部材と前記内側部材との間に付与する異形軌道面を少なくとも一部に有していることを特徴としている。

上記のように構成されたクランクプーリ装置によれば、ねじりコイルばね等を用いることなく簡素な構成で回動付勢機能（ねじりばね性）を付与することができる。すなわち、このねじりばね性によって、プーリ部材と内側部材とを周方向に弾性的に相対回転させることができ、これによって、プーリ部材をクランクシャフトに対するダンパマスとして機能させてクランクシャフトの振動を緩和するとともに、クランクシャフトの回転速度変動を緩和することができる。
また、上記構成により得られるねじりばね性の特性は、異形軌道面の形状や転動体の外径等を変更することで、多様に変化させることができ、その設定の自由度が極めて高くなる。従って、当該クランクプーリ装置が取り付けられるエンジンの仕様や特性等に応じて、好適な弾性力特性を当該クランクプーリ装置に付与することができる。

上記クランクプーリ装置において、前記プーリ部材と、前記内側部材との間には、これらを互いに同心に支持する転がり軸受が介装されていることが好ましい。
この場合、前記プーリ部材に作用するラジアル方向の負荷荷重を前記転がり軸受によって支持することができるので、異形軌道面及び転動体に作用する外部からの負荷荷重を低減できる。従って、上記ねじりばね牲をより安定して得ることができる。

以上のように、本発明に係るクランクプーリ装置によれば、プーリ部材と内側部材との間に付与される弾性力を、エンジンの仕様や特性等に応じて、好適に設定することができるので、クランクシャフトの振動や回転速度変動をより効果的に緩和できる。

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態であるクランクプーリ装置の要部構成を示す断面図である。このクランクプーリ装置１は、自動車のエンジンのクランクシャフトに取り付けられるものであり、クランクシャフトによる回転力をオルタネ一タ等の補機類に伝達し駆動するためのベルトが巻き掛けられるものである。

このクランクプーリ装置１は、エンジンのクランクシャフトＳに一体回転可能に取り付けられる内側部材２と、この内側部材２の外周側に同軸に配置された円筒状のプーリ部材３と、これらの間に転動可能に介在した転動体としての円筒ころ４と、この円筒ころ４の軸方向両側において内側部材２とプーリ部材３との間に介装された二つの転がり軸受５１，５２と、を備えている。
このうち、プーリ部材３の外周面には、エンジンのクランクシャフトによる回転力を補機類に伝達するためのベルト５０が巻き掛けられる波状溝３ａが形成されている。また、このプーリ部材３の内周面には、円筒ころ４が転動する外側軌道面３１が形成されている。
内側部材２は、クランクシャフトＳが挿入される貫通孔２６ａが設けられたボス部２６と、この貫通孔２６ａの軸心と一致する外周面を有する環状部２５と、ボス部２６から放射状に延ばされて環状部２５を支持している複数のスポーク部材２７とを備えている。この内側部材２は、貫通孔２６ａにクランクシャフトＳを挿入し、ボルトＳ１によって固定されることで、クランクシャフトＳの端部に一体回転可能に取り付けられる。また、環状部２５の外周面には、円筒ころ４が転動する内側軌道面２１が、外側軌道面３１に対向して形成されている。
転がり軸受５１、５２は、内側部材２とプーリ部材３との間に介装されることで、これらを互いに相対回転可能とするとともに、プーリ部材３に作用するラジアル方向の荷重を支持している。

次に、内側部材２及び基端部材３にそれぞれ設けられた内側軌道面２１及び外側軌道面３１について説明する。図２は、図１中ＩＩ−ＩＩ線の断面図である。環状部２５（内側部材２）の内側軌道面２１は、内側部材２及びプーリ部材３の回転軸Ｘを中心とする円周面とは異なる複数の異形軌道面としての内側異形軌道面２ｋを連続的に形成することにより構成されている。外側軌道面３１は、複数の異形軌道面としての外側異形軌道面３ｋを連続的に形成することにより構成されている。

内側軌道面２１を構成する各内側異形軌道面２ｋはすべて同一形状であり、外側軌道面３１を構成する各外側異形軌道面３ｋもすべて同一形状である。内側軌道面２１は周方向に均等に（４５度ごとに）８分割され、各分割部分がそれぞれ内側異形軌道面２ｋとされている。同様に、外側軌道面３１も周方向に均等に（４５度ごとに）８分割され、各分割部分がそれぞれ外側異形軌道面３ｋとされている。そして、各異形軌道面２ｋ、３ｋ間に１個ずつ円筒ころ４が配置されている。
また、内側部材２とプーリ部材３との間には、内側異形軌道面２ｋ及び外側異形軌道面３ｋにより、軌道面間隔が周方向に漸次狭くなる漸縮空間部（くさび状空間部）が形成され、内側部材２とプーリ部材３との相対回転に伴い所謂くさび効果によって円筒ころ４が圧縮弾性変形する。上記の如く、内側軌道面２１及び外側軌道面３１をそれぞれ異形軌道面２ｋ、３ｋの連続により形成することで、内側軌道面２１及び外側軌道面３１はそれぞれ異形軌道面２ｋ、３ｋのみによって占められている。しかも、各異形軌道面２ｋ，３ｋは周方向に等配されている。

次に、外側異形軌道面３ｋ及び内側異形軌道面２ｋの輪郭形状について詳述する。
外側軌道面３１を構成する複数の外側異形軌道面３ｋは、それぞれ凹曲面とされている。具体的には、外側異形軌道面３ｋは、内側部材２及びプーリ部材３の回転軸Ｘ（以下、軸中心Ｘともいう）よりも軌道面（当該外側異形軌道面３ｋ）に近い側に位置する外輪軌道曲率中心Ｃｏを中心とする円周面とされている。この外側異形軌道面３ｋの曲率半径ｇｒｏは、外側軌道面３１と軸中心Ｘとの距離の最大値であって外側軌道面３１の断面輪郭線に外接する円の半径である外側軌道基準半径Ｒｏよりも小さい。また、断面視において、３つの各外側異形軌道面３ｋのそれぞれに関し、外側軌道曲率中心Ｃｏは、軸中心Ｘからの距離が最大値となる外側軌道最大径位置３ｍと軸中心Ｘとを含む直線ｐ３上にある。

内側軌道面２１を構成する複数の内側異形軌道面２ｋは、それぞれ凸曲面とされている。具体的には、内側異形軌道面２ｋは軸中心Ｘよりも軌道面（当該内側異形軌道面２ｋ）から遠い側に位置する内側軌道曲率中心Ｃｉを中心とする円周面とされている。この内側異形軌道面２ｋの曲率半径ｇｒｉは、内側軌道面２１と軸中心Ｘとの距離の最小値であって内側軌道面２１の断面輪郭線に内接する円の半径である内側軌道基準半径Ｒｉよりも大きい。また、断面視において、３つの各内側異形軌道面２ｋのそれぞれに関し、内側軌道曲率中心Ｃｉは、軸中心Ｘからの距離が最小値となる内側軌道最小径位置２ｍと軸中心Ｘとを含む直線ｐ２上にある。

以上のような形状の内側軌道面２１と外側軌道面３１とを有するクランクプーリ装置１は、回動付勢機能（ねじりばね機能）を有している。以下、この点について説明する。
内側軌道面２１及び外側軌道面３１は、上述したように、いずれも軸中心Ｘを中心とする円周面ではないので、内側軌道面２１と外側軌道面３１との間の空間（転動空間）の形状は内側部材２とプーリ部材３との相対位相関係により変化するが、図２の状態は、外側軌道面３１の外側軌道最大径位置３ｍと内側軌道面２１の内側軌道最小径位置２ｍとが同位相とされた状態である。以下、この状態を基準状態ということとする。この基準状態において、各円筒ころ４は、内側軌道最小径位置２ｍ及び外側軌道最大径位置３ｍと接する周方向位置に配置される。この基準状態は、外側異形軌道面３ｋと内側異形軌道面２ｋとによる円筒ころ４の挟持間隔（円筒ころ４の接触位置における軌道面間隔）が最も広い状態である。よって、この基準状態では、両軌道面２ｋ、３ｋから円筒ころ４に作用する圧縮力は最小値（たとえば０）となる。
なお、基準状態における内側軌道最小径位置２ｍと外側軌道最大径位置３ｍとの間の径方向距離は円筒ころ４の直径と略一致させるが、若干のラジアル隙間（プラス隙間又はマイナス隙間）を与えても良い。

次に、この基準状態から内側部材２とプーリ部材３とを相対回転させると、円筒ころ４が転動するとともに、当該円筒ころ４の挟持間隔は漸次狭くなる。よってこの相対回転に伴い円筒ころ４は内側軌道面２１及び外側軌道面３１により圧縮されて弾性圧縮変形し、この相対回転により生じた位相差を解消する方向の回動付勢力（弾性力；ねじりばね力）を内側部材２とプーリ部材３との間に付与する。

上記の回動付勢力（ねじりばね力）が生じる点について更に詳細に説明する。図３は、内側部材２とプーリ部材３との相対回転により発生する回動付勢力について説明するための断面図であり、理解しやすいように内側異形軌道面２ｋ及び外側異形軌道面３ｋと円筒ころ４の断面線のみを示している。図３では、内側部材２を固定し、プーリ部材３を反時計回りに角度θだけ回転させて静止させた釣り合い状態を示している。基準状態では、外側軌道最大径位置３ｍは、図３のｘ軸上の位置３ｍｉに位置し、且つ内側軌道最小径位置２ｍもｘ軸上にある。またこの基準状態では円筒ころ４の中心Ｐｒもｘ軸上にある。かかる基準状態からプーリ部材３を角度θだけ反時計回りに回転させると、円筒ころ４が図３に示す位置まで反時計回りに転動する。この転動による円筒ころ４の公転角度は、内側軌道曲率中心Ｃｉに対して角度φｉである。

このとき、内側異形軌道面２ｋと円筒ころ４との接触位置の中心をＰｉ、外側異形軌道面３ｋと円筒ころ４との接触位置の中心をＰｏとすると、ＰｉとＰｏとの間の間隔は、基準状態における内側軌道最小径位置２ｍと外側軌道最大径位置３ｍとの間の間隔よりも狭くなっており、且つ、円筒ころ４の直径２Ｒｒ（円筒ころ４の半径Ｒｒの２倍）よりも狭くなっている。よって、円筒ころ４は、内側軌道面２１から垂直力Ｑｉを受けるとともに、外側軌道面３１から垂直力Ｑｏを受けて圧縮弾性変形する。釣り合って静止している状態では、円筒ころ４に接線力は殆ど働かず、図３に示すように点Ｃｉ，Ｃｏ，Ｐｉ，Ｐｒ，Ｐｏは直線Ｌ１上に並ぶこととなる。そして、上記垂直力Ｑｉ及び垂直力Ｑｏのベクトルの向きも直線Ｌ１と同じ向きとなり、内側部材２が円筒ころ４から受ける垂直力Ｑｉ′、及び、プーリ部材３が円筒ころ４から受ける垂直力Ｑｏ′も直線Ｌ１と同じ向きとなる。
そして、プーリ部材３が円筒ころ４から受ける垂直力Ｑｏ′は、クランクプーリ装置１の径方向（円筒ころ４との接触位置の中心Ｐｏと軸中心Ｘとを結ぶ方向）と相違しており、当該径方向の成分とともに時計回りの成分を有することとなる。このようにして、プーリ部材３は、回動付勢力（ねじりばね性）を発生させる時計回り方向のモーメント（以下、回動付勢モーメントともいう）を受ける。回動付勢モーメントの大きさは、〔（ベクトルＱｏ′の大きさ）×（軸中心Ｘから直線Ｌ１までの距離Ｕ１）〕となる。

上述したように、内側異形軌道面２ｋは凸曲面であり、且つ、外側異形軌道面３ｋは凹曲面である。しかも、内側異形軌道面２ｋ及び外側異形軌道面３ｋは滑らかに連続した曲面を構成している。内側軌道面２１において滑らかに連続した曲面となっていないのは、隣り合った内側異形軌道面２ｋ同士間の境界位置２１ｂのみであり（図２参照）、外側軌道面３１において滑らかに連続した曲面となっていないのは、隣り合った外側異形軌道面３ｋ同士間の境界位置３１ｂのみである（図２参照）。したがって、円筒ころ４と軌道面との接触位置がこれら境界位置２１ｂ，３１ｂに達しない限り、内側部材２とプーリ部材３との相対回転に伴う円筒ころ４接触位置における軌道面間隔は漸次（徐々に）変化することとなる。そして、図３を用いて説明した上記機構により、内側部材２とプーリ部材３との相対回転により生じた位相差を解消する方向の回動付勢力が内側部材２とプーリ部材３との間に付与される。

上記のように構成されたクランクプーリ装置１によれば、ねじりコイルばね等を用いることのない簡素な構成で回動付勢機能（ねじりばね性）を付与することができる。すなわち、このねじりばね性によって、プーリ部材３と内側部材２とを周方向に弾性的に相対回転させることができ、これによって、プーリ部材３をクランクシャフトに対するダンパマスとして機能させてクランクシャフトの振動を緩和するとともに、クランクシャフトの回転速度変動を緩和することができる。
また、上記構成により得られるねじりばね性の特性は、両異形軌道面２ｋ、３ｋの形状や円筒ころ４の外径等を変更することで、多様に変化させることができ、その設定の自由度が極めて高くなる。従って、エンジンの仕様や特性等に応じて、好適な弾性力特性を当該クランクプーリ装置１に付与することができ、クランクシャフトの振動や回転速度変動をより効果的に緩和できる。

また、このクランクプーリ装置１によれば、上記のようにクランクシャフトの振動や回転速度変動を効果的に緩和できるので、従来のクランクプーリ装置を用いた場合よりも、ベルト５０との間に生じるスリップを効果的に抑制することができる。従って、従来のクランクプーリ装置の場合よりも、ベルト５０の初期張力を低く設定することが可能となる。これによって、クランクシャフトの負荷を低減し、エンジンの燃費性能を向上させることができる。

また、上記実施形態のクランクプーリ装置１は、円筒ころ４と、内側軌道面２１及び外側軌道面３１との間の転動部位を、オイルやグリース等の潤滑剤で潤滑した場合、円筒ころ４が転動する際の潤滑剤の転がり粘性抵抗や撹拌抵抗によって減衰機能を付与することができ、ねじりばね性を有するとともに、作用する外力及び前記外力の反力としての回動付勢力を減衰する減衰機能を兼ね備えたものとすることができる。これにより、本実施形態のクランクプーリ装置１は、ねじりばね性によって生じる共振等を減衰、緩和することができる。

また、このクランクプーリ装置１において、内側部材２とプーリ装置３との間には、転がり軸受５１、５２が介装されており、これらによって、プーリ部材３に作用するラジアル方向の荷重を支持している。これにより、両異形軌道面２ｋ、３ｋ及び円筒ころ４に作用する外部からの負荷荷重を低減できるので、回動付勢力を生じさせるために必要な負荷を、これら両異形軌道面２ｋ、３ｋ及び円筒ころ４に安定的に作用させることができる。従って、当該クランクプーリ装置１により得られる回動付勢力をより安定したものにできる。
また、本実施形態のクランクプーリ装置１によれば、従来の弾性体からなるダンパゴム等を用いたプーリ装置と比較して、連続使用や経時変化による劣化を抑制することができ、長寿命化、信頼性の向上を図ることができる。

尚、本発明のクランクプーリ装置は上記各実施形態のみに限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、転動体として円筒ころを用いたが、例えば球や円すいころ等を用いてもよく、プーリボスとプーリ部材との相対回転に伴い転動するものであれば、転動体の形状等は特に限定されない。また、ねじり剛性の設定自由度を高めるため、弾性圧縮変形しやすい中空の転動体（例えば中空の円筒ころや中空の球）等を用いることもできる。また、転動体の材質は、当該クランクプーリ装置に求められる性能に合わせて適宜選択される。
また、プーリ部材は、その形状や肉厚を調整することで、全体の重量を適宜調整し、当該クランクプーリ装置におけるダンパマスとしての効果を高めることで、クランクシャフトの振動や回転速度変動の緩和効果をより高めることもできる。

また、図４、図５に示すように、内側異形軌道面２ｋが形成された内側軌道面２１、外側異形軌道面３ｋが形成された外側軌道面３１、及び円筒ころ４を径方向複列に配置してもよい。この場合、ねじり剛性が低くなるとともに許容回転角度を大きくできるので、クランクシャフトの振動や回転速度変動の緩和効果をより高めることができる。

本発明の第一の実施形態であるクランクプーリ装置の要部構成を示す軸方向断面図である。図１中、ＩＩ−ＩＩ線の断面図である。内側部材とプーリ部材との相対回転により発生する回動付勢力について説明するための断面図である。内側軌道面、外側軌道面、及び円筒ころを径方向複列に配置したクランクプーリ装置の要部構成を示す軸方向断面図である。図４中、Ｖ−Ｖ線の断面図である。

符号の説明

１クランクプーリ装置
２内側部材
２１内側軌道面
２ｋ内側異形軌道面
３プーリ部材
３１外側軌道面
３ｋ外側異形軌道面
４円筒ころ（転動体）
５０ベルト
５１，５２転がり軸受

Claims

外周にベルトが巻き掛けられるとともに内周に外側軌道面を有する円筒状のプーリ部材と、
外周に前記外側軌道面と対向する内側軌道面を有し、前記プーリ部材に対して相対回転可能に配設されるとともにクランクシャフトに一体回転可能に取り付けられる内側部材と、
前記外側軌道面と前記内側軌道面との間に転動可能に介在した転動体とを備え、
前記内側軌道面及び外側軌道面の少なくとも一方が、前記プーリ部材と前記内側部材との相対回転に伴い転動体を転動させつつ当該転動体の挟持間隔を漸次狭くして、前記相対回転により生じた前記プーリ部材と前記内側部材との間の位相差を解消する方向の回動付勢力を前記プーリ部材と前記内側部材との間に付与する異形軌道面を少なくとも一部に有していることを特徴とするクランクプーリ装置。
前記プーリ部材と前記内側部材との間には、これらを互いに相対回転可能に支持する転がり軸受が介装されている請求項１記載のクランクプーリ装置。