JP2007205393A - フライホイール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】慣性モーメントの変更幅を拡大することができるフライホイール装置を提供することを課題とする。
【解決手段】低回転域から高回転域へ移行するときには、制御装置５１により、クラッチオフの状態にする。図（ｂ）でエンジン５２を加速状態にすると、サンギヤ２２がプラネタリギヤ２３を相対的に回し始める。加速中にはサンギヤ２２の回転速度が、プラネタリギヤ２３の回転速度より大きくなるため、速度差で回転が進行するからである。この結果、錘２８は回転中心に接近する。錘２８が最も回転中心に接近した状態を（ｃ）に示す。（ｄ）において、制御装置５１により、クラッチオンの状態にして動力伝達モードに切替える。
【効果】（ｄ）において、錘２８を回転中心近傍に配置することができるため、慣性モーメントの変更幅を拡大することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は回転中心から錘までの距離を変更することができるフライホイール装置に関する。

エンジンのフライホイール装置は、回転変動やトルク変動（以下、回転変動等と記す。）が大となる場合（例えばアイドリング時）において、回転変動等を効果的に抑える作用を発揮する有益な装置である。反面、フライホイール装置は、回転変動等が小さいとき（例えば高回転時）には負荷的な負担となり、燃費性能の悪化や、加速時での加速応答性の低下を招く。

上述の問題点を解決すべく、可変フライホイールと呼ばれる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
実開昭５６−１７３２４１号公報（第１図）

この特許文献１を改良した可変フライホイールも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平５−２６３８７４号公報（図１）

さらに、特許文献２を改良した可変フライホイールも提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
特開２００４−２６３７６６公報（図１）

特許文献３を次図に基づいて説明する。
図８は従来の技術の基本構成を説明する図であり、クランク軸１０１の一端に第１フライホイール１０２をボルト１０３、１０３で固定し、この第１フライホイール１０２に軸受１０４を介して第２フライホイール１０５を空転可能に取付け、この第２フライホイール１０５に太陽ローラ１０６を一体形成し、一方、第１フライホイール１０２から延ばした支軸１０７、１０７の各々に遊星ローラ１０８、１０８を回転自在に取付け、これらの遊星ローラ１０８、１０８を太陽ローラ１０６に周回させるようにした遊星機構付きのフライホイールが示されている。

さらに、遊星ローラ１０８、１０８はリング体１０９で囲い、このリング体１０９は、ハウジング１１１に設けたブレーキ機構１１２で制動させることができるように構成される。

ブレーキ機構１１２を「非制動」状態にした場合には、リング体１０９が空転するため、第１フライホイール１０２から第２フライホイール１０５に向かって遊星機構は減速作用を発揮し、第１フライホイール１０２が回転しているときに、第２フライホイール１０５は低速で回転する。

この結果、第２フライホイール１０５はフライホイール効果を発揮しない。すなわち、第１フライホイール１０２のみがフライホイール効果を発揮する。
第２フライホイール１０５を回転させるためのエネルギーは微小であるため、燃費性能の向上を図ることができる。
この形態は、高回転時など回転変動等が小さいときに採用できる。

一方、ブレーキ機構１１２を「制動」状態にした場合には、リング体１０９が静止するため、第１フライホイール１０２から第２フライホイール１０５に向かって遊星機構は増速作用を発揮し、第１フライホイール１０２が回転しているときに、第２フライホイール１０５は高速で回転する。

この結果、第２フライホイール１０５は大きなフライホイール効果を発揮する。すなわち、第１フライホイール１０２と第２フライホイール１０５とで大きなフライホイール効果を発揮させることができる。
この形態は、アイドリング時など回転変動等が大きいときに採用できる。

しかし、特許文献３の技術には次に述べる問題がある。
慣性モーメントの変更幅が小さいという問題がある。一般に、慣性モーメントの変更幅が大きいほど、可変制御性が高まる。そして、慣性モーメントの下限値を下げるにはマス（フライホイール質量、錘）を回転中心に接近させることが有効となる。
しかし、特許文献３では回転中心をクランク軸１０１が占めているため、マスを回転中心に接近させることができない。このため、慣性モーメントの変更幅が制限され、可変制御性が低下する。

本発明は、慣性モーメントの変更幅を拡大することができるフライホイール装置を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、回転中心から錘までの距離を変更することができるように構成した可変フライホイール機構を備えるフライホイール装置において、
前記可変フライホイール機構は、エンジンの出力軸に接続するサンギヤと、このサンギヤに噛み合せる複数個のプラネタリギヤと、これらのプラネタリギヤを各々回転可能に支持するキャリヤ軸部と、これらのキャリヤ軸部に揺動可能に取付けるとともに前記プラネタリギヤで揺動させる揺動アームと、前記揺動アームに取付ける前記錘とを備えるとともに、前記回転中心の近傍に前記錘を収納することができる錘収納部を備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、請求項１記載のフライホイール装置は、回転中心から放射状に延びる複数のリブと、これらのリブの先端に固定するとともにキャリヤ軸部を貫通させることができるカラーとからなるキャリヤ補強部材を備え、複数のリブを屈曲させることで、キャリヤ補強部材に錘収納部を形成したことを特徴とする。

請求項１に係る発明では、回転中心の近傍に錘を収納することができる錘収納部を備えたので、揺動アームを揺動させることで錘を回転中心に接近させることができる。この結果、慣性モーメントの変更幅を拡大することができる。

請求項２に係る発明では、複数のキャリヤ軸部をキャリヤ補強部材で補強するので、キャリヤ軸部材が変形や撓む心配が無くなり、フライホイール装置の動力伝達能力を高めることができる。加えて、キャリヤ補強部材に錘収納部を形成したので、錘を回転中心近傍に接近させることができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係るフライホイール装置の斜視図であり、フライホイール装置１０は、可変フライホイール機構２０と、切替えクラッチ機構４０とからなり、詳細構造は次図で説明する。

図２は本発明に係るフライホイール装置の断面図であり、可変フライホイール機構２０は、エンジンの出力軸２１に接続するサンギヤ２２と、このサンギヤ２２に噛み合せる複数個のプラネタリギヤ２３・・・（・・・は複数を示す。以下同様）と、これらのプラネタリギヤ２３・・・を各々回転可能に支持するキャリヤ軸部２４・・・と、これらのキャリヤ軸部２４・・・の先端同士を連結するキャリヤ集合部２５と、このキャリヤ集合部２５から延ばすフライホイール出力軸２６と、キャリヤ軸部２４に揺動可能に取付けるとともにプラネタリギヤ２３・・・で揺動させる揺動アーム２７・・・と、揺動アーム２７・・・に取付けた錘２８・・・とを備える。

なお、錘２８は図左右の揺動アーム２７、２７に渡した長いボルト２９を介して揺動アーム２７、２７に一体的に取付ける。この構造であれば、錘２８を交換することができる。錘２８を交換する必要がなければ、錘２８を揺動アーム２７に溶接で固定してもよい。すなわち、プラネタリギヤ２３と揺動アーム２７と錘２８は相対移動不能の一体物である。

キャリヤ軸部２４・・・はキャリヤ集合部２５から延ばした非回転軸であり、他端を軸端支持板３１で支える。
なお、軸端支持板３１を回転させてキャリヤ集合部２５を回すときに、キャリヤ軸部２４・・・は変形や撓むことが考えられる。そこで、キャリヤ軸部２４・・・にキャリヤ補強部材３２を掛け渡した。このキャリヤ補強部材３２により、キャリヤ軸部２４・・・が変形や撓む心配はなくなり、大きなトルクを軸端支持板３１からキャリヤ軸部２４へ伝達することが可能となる。

そして、軸端支持板３１に切替えクラッチ機構４０をボルト３８・・・で連結する。
切替えクラッチ機構４０の一構造例を示すと、切替えクラッチ機構４０は、軸端支持板３１にボルト３８・・・で固定する固定クラッチ板４１と、この固定クラッチ板４１に対向配置する可動クラッチ板４２と、この可動クラッチ板４２をクラッチオフ側へ付勢するばね４３と、可動クラッチ板４２をクラッチオン側へ付勢する電磁コイル４４と、この電磁コイル４４を支持すると共に可動クラッチ板４２などを囲うクラッチカバー４５とからなる。

可動クラッチ板４２は、エンジンの出力軸２１に設けたスプライン部４６に沿ってクラッチのオンオフ方向に移動可能であり、電磁コイル４４に通電をしなければ、ばね４３の作用で図のように固定クラッチ板４１から可動クラッチ板４２は離れる。この状態をクラッチオフという。
電磁コイル４４に通電をすると、可動クラッチ板４２は、ばね４３の作用に抗して固定クラッチ板４１へ移動し、固定クラッチ板４１の摩擦面４１ａに可動クラッチ板４２の摩擦面４２ａが密着する。この状態をクラッチオンという。

４７は軸受、４８は回り止め片であり、この回り止め片４８を適当な固定部４９に連結する。軸受４７の作用で出力軸２１の回転を許容しつつ、回り止め片４８及び固定部４９でクラッチカバー４５の回転（空転）を防止することができる。
以上に説明した切替えクラッチ機構４０は電磁作用を利用した電磁クラッチであるが、油圧作用を利用した油圧クラッチや空圧作用を利用した空圧クラッチであってもよく、構成、種類は任意に変更可能である。

図１に戻って、三角形のキャリヤ集合部２５と軸端支持板３１とに、３本のキャリヤ軸部２４・・・を渡し、これらのキャリヤ軸部２４・・・にキャリヤ補強部材３２（これの詳細構造は後述する。）を渡し、また、３本のキャリヤ軸部２４・・・の各々に揺動アーム２７・・・及び錘２８・・・を取付け、揺動アーム２７・・・をプラネタリギヤ２３・・・に一体化すると共に、プラネタリギヤ２３・・・をサンギヤ２２に噛み合わせることで可変フライホイール機構２０を構成したが、この可変フライホイール機構２０は、従来の第１フライホイール（又は第２フライホイール）のスペースに納めることができるため、従来の可変フライホイールに比較して、小型で、軽量化が図れる。

次に可変フライホイール機構２０の要部を別の図面で補足説明する。
図３は図２の３−３線断面図であり、サンギヤ２２に噛み合うプラネタリギヤ２３・・・は、正円のギヤであってもよいが、本例では、扇形のギヤとした。扇形のギヤは正円のギヤより格段に軽量化を図ることができる。サンギヤ２２を図反時計方向に回すことで、プラネタリギヤ２３・・・及び揺動アーム２７・・・を図時計方向に回すことができる。

図４は図２の４−４線断面図であり、キャリヤ補強部材３２は、キャリヤ軸部２４・・・の各々を貫通させることができるカラー３３・・・と、これらのカラー３３・・・を繋ぐ前後の壁材３４、３４（手前の３４は見えない。図２参照）と、これらのカラー３３・・・及び壁材３４、３４に渡したくの字状（又はＶ字断面）のリブ３５・・・とから構成する。なお、リブ３５・・・は、錘２８・・・の形状に対応する錘収納部３６・・・を形成する。この結果、錘収納部３６・・・に、矢印で示すように、錘２８・・・を進入させることができる。

また、３本のキャリヤ軸部２４・・・は動力伝達部材であり、動力伝達の際に変形や撓むことを防止する必要がある。三角形形状のキャリヤ補強部材３２で、キャリヤ軸部２４・・・を補強するため、キャリヤ軸部２４・・・の変形や撓みを防止することができ、十分に大きなトルクを伝達させることができる。

以上の構成からなる可変フライホイール機構２０の作用を次に説明する。
図５は図３及び図４の作用説明図である。
図３の作用図である図５（ａ）は、サンギヤ２２を回したことにより、プラネタリギヤ２３・・・を時計方向に一杯に回した後の状態を示す。

図４の作用図である図５（ｂ）は、錘２８・・・が錘収納部３６・・・に収納された状態を示す。
すなわち図４は回転中心から錘２８・・・までの距離が十分に大きくて最大のフライホイール効果が得られる状態を示し、図５（ｂ）は回転中心から錘２８・・・までの距離が十分に小さくて錘２８・・・が回転エネルギーのロスを招く心配がないことを示す。

また、図５（ａ）から明らかなように、サンギヤ２２はプラネタリギヤ２３・・・を約１８０°だけ回転させる、駆動手段として部材であると言える。
すなわち、サンギヤ２２とプラネタリギヤ２３・・・とからなる遊星ギヤ機構は、一般には減速作用、増速作用を発揮するが、本発明では錘２８・・・の位置変更機構として作用させることに特徴がある。

次に、本発明のフライホイール装置１０の総合的な作用を説明する。
図６は本発明のフライホイール装置の作用説明図である。図面は符号の向きに見るものとする。

図左下の（ａ）は、切替えクラッチ機構４０がクラッチオンの状態にあり、錘２８・・・が回転中心５４から十分に離れた「低回転の動力伝達モード」を示す。このモードでは、クラッチオンであるため、サンギヤ２２とプラネタリギヤ２３・・・の相対回転は阻止され、エンジン５２の出力が、フライホイール出力軸２６に伝達され、負荷としてのトランスミッション５３を駆動する。このモードはアイドリング時や発進や低速走行時に好適である。

低回転域から高回転域へ移行するときには、制御装置５１により、切替えクラッチ機構４０をクラッチオフの状態にする。この状態を図左上の（ｂ）に示す。
（ｂ）において、エンジン５２を加速状態にすると、サンギヤ２２がプラネタリギヤ２３・・・を相対的に回し始める。すなわち、加速中にはサンギヤ２２の回転速度が、プラネタリギヤ２３・・・の回転速度より大きくなるため、速度差が発生し、この速度差でプラネタリギヤ２３・・・を回転させる。
この結果、錘２８・・・は回転中心５４に接近する。錘２８・・・が最も回転中心に接近した状態を（ｃ）に示す（図５（ｂ）参照）。これらの（ｂ）及び（ｃ）が「マス制御モード」に相当する。

（ｄ）において、制御装置５１により、切替えクラッチ機構４０をクラッチオンの状態にする。この状態は、錘２８・・・が回転中心に十分に接近した「高回転時の動力伝達モード」に相当する。このモードでは、クラッチオンであるため、サンギヤ２２とプラネタリギヤ２３・・・の相対回転は阻止され、エンジン５２の出力が、フライホイール出力軸２６に伝達され、負荷としてのトランスミッション５３を駆動する。このモードは高速走行時に好適である。

高回転域から低回転域へ移行するときには、（ｄ）→（ｃ）→（ｂ）→（ａ）の順で制御すればよい。このときには、（ｃ）において、エンジンブレーキング作用により、サンギヤ２２の回転速度がプラネタリギヤ２３・・・の回転速度より小さくなるため、相対的に速度差が発生し、（ｃ）→（ｂ）が実現する。

以上に簡単に述べた制御装置５１の作用を、以下に詳しく説明する。
図６（ｂ）において、制御装置５１は、エンジン５２に関する負荷情報（アイドリング、加速、定速、減速などの情報）を入手し、エンジン５２の出力が所定の負荷値内では、図６（ａ）や（ｄ）に代表される動力伝達モードを選択する。この動力伝達モードでは錘の位置は問わなく、切替えクラッチ機構４０がクラッチオンの状態であるときの総称である。

また制御装置５１は、エンジン５２の出力が所定の負荷値以下／又は負荷値以上となると、切替えクラッチ機構４０を一旦所定時間クラッチオフの状態にする。この状態はマス制御モードに相当し、このマス制御モードで、図６（ｂ）→（ｃ）や（ｃ）→（ｂ）のように、錘２８・・・の位置を変更する。この変更に要する時間が所定時間に相当する。所定時間が経過したら、切替えクラッチ機構４０をクラッチオンの状態に戻して動力伝達モードに移行する。

すなわち、フライホイール装置１０は、エンジン５２に関する負荷情報を読込み、この負荷情報に応じて動力伝達モードからマス制御モードへ切替え、回転中心から錘までの距離を変更し、動力伝達モードに戻すという一連の制御を行う制御装置５１を、備えることを特徴とする。

なお、（ａ）では回転中心５４から錘２８・・・が十分に離れた状態を示し、（ｄ）では回転中心に錘２８・・・が最も接近した状態を示したが、所定時間の調整する若しくはサンギヤ２２の回転数を調整することで、錘２８・・・を任意の位置に置くことができることはいうまでもない。

したがって、回転中心５４から錘２８までの距離は、揺動アーム２７の揺動角度を変更することで、連続的に変更することができる。この結果、超低回転域、低回転域、中回転域、高回転域、超高回転域の全てにわたって、きめ細かく錘２８・・・の位置を変更することができ、多様のフライホイール効果を得ることができる。

次に、本発明に係る比較例及び変更例を説明する。
図７は本発明に係るフライホイール装置の比較例、基本例及び変更例を示す原理図である。
（ａ）は比較例を示し、エンジンの出力軸１２１をトランスミッション１５３に直結すると共に、サンギヤ１２２は軸受１５７を介して出力軸１２１に空転可能に取付け、このサンギヤ１２２を切替えクラッチ機構１４０を介して固定部材１４９に連結可能に構成したものである。

図はクラッチオフの状態にあるため、プラネタリギヤ１２３はサンギヤ１２２とともに出力軸１２１を中心にして連れ回るため、回転中心から錘１２８までの距離は固定したままで、動力をエンジン１５２からトランスミッション１５３へ伝達することができる。
すなわち、クラッチオフで動力伝達モードが達成できる。

次に制御装置１５１で電磁コイル１４４に通電すると、固定部材１４９にサンギヤ１２２が繋がり、サンギヤ１２２は空転不能に静止する。静止したサンギヤ１２２をプラネタリギヤ１２３が自転しながら周回するため、錘１２８の位置を変更することができる。すなわち、クラッチオンでマス制御モードが達成できる。
錘１２８の位置変更が終了したら、クラッチをオフにして動力伝達モードに戻ればよい。

しかし、（ａ）では回転中心に出力軸１２１が存在するため、錘１２８を回転中心に接近させることはできない。そのため、慣性モーメントの変更幅を拡大することが難しくなる。これを解決し得る実施例を（ｂ）及び（ｃ）で説明する。

（ｂ）は図６（ａ）の省略図であり、切替えクラッチ機構４０をエンジンの出力軸２１と、可変フライホイール機構２０のキャリヤ軸部２４・・・との間に介在させたものであった。これを基本例として、変更例を次に示す。

（ｃ）は切替えクラッチ機構４０をエンジンの出力軸２１と、リングギヤ５６との間に介在させた変更例を示す。この変更例では、可動クラッチ板４２を電磁コイル４４の吸着力でリングギヤ５６に繋げると、動力伝達モードとなる。可動クラッチ板４２をリングギヤ５６から離すと、マス制御モードとなり、サンギヤ２２でプラネタリギヤ２３・・・を回すことができ、錘２８・・・の位置を変更することができる。

（ｂ）及び（ｃ）は、回転中心若しくはその近傍に錘２８・・・を進入させることができる。この結果、慣性モーメントの変更幅を拡大することができる。

尚、本発明のフライホイール装置は、エンジンとトランスミッションとの間に介在させる車両用フライホイールに好適であるが、負荷はトランスミッションに限らない。したがって、本発明のフライホイール装置は、車両以外の例えばポンプやローターなど回転機械に広く適用することができる。

また、実施例ではプラネタリギヤの数を３としたが、プラネタリギヤの数は錘の数と同数であれば良く、数は限定しない。

本発明のフライホイール装置は、エンジンとトランスミッションとの間に介在させる車両用フライホイールに好適である。

本発明に係るフライホイール装置の斜視図である。 本発明に係るフライホイール装置の断面図である。 図２の３−３線断面図である。 図２の４−４線断面図である。 図３及び図４の作用説明図である。 本発明のフライホイール装置の作用説明図である。 本発明に係るフライホイール装置の比較例、基本例及び変更例を示す原理図である。 従来の技術の基本構成を説明する図である。

符号の説明

１０…フライホイール装置、２０…可変フライホイール機構、２１…エンジンの出力軸、２２…サンギヤ、２３…プラネタリギヤ、２４…キャリヤ軸部、２５…キャリヤ集合部、２６…フライホイール出力軸、２７…揺動アーム、２８…錘、３２…キャリヤ補強部材、３３…カラー、３４…壁材、３５…リブ、３６…エンジン、５３…負荷としてのトランスミッション、５４…回転中心。

Claims (2)

1. 回転中心から錘までの距離を変更することができるように構成した可変フライホイール機構を備えるフライホイール装置において、
   前記可変フライホイール機構は、エンジンの出力軸に接続するサンギヤと、このサンギヤに噛み合せる複数個のプラネタリギヤと、これらのプラネタリギヤを各々回転可能に支持するキャリヤ軸部と、これらのキャリヤ軸部に揺動可能に取付けるとともに前記プラネタリギヤで揺動させる揺動アームと、前記揺動アームに取付ける前記錘とを備えるとともに、前記回転中心の近傍に前記錘を収納することができる錘収納部を備えることを特徴とするフライホイール装置。
2. 請求項１記載のフライホイール装置は、前記回転中心から放射状に延びる複数のリブと、これらのリブの先端に固定するとともに前記キャリヤ軸部を貫通させることができるカラーとからなるキャリヤ補強部材を備え、前記複数のリブを屈曲させることで、キャリヤ補強部材に前記錘収納部を形成したことを特徴とするフライホイール装置。
   

Images