JP2008501884A - 駆動プーリ - Google Patents

Abstract

エンジンの冷却ポンプ等のための駆動プーリであって、エンジンへの接続のための入力部（１４）、および外表面（６）がプーリベルト係合面を構成している中空円筒部材（４）を有する出力部を備えている。入力部と出力部とが、遊星歯車機構を有する伝達システムによって接続されているが、この遊星歯車機構は、それぞれの遊星軸（１０）へとこの遊星軸の軸を中心として回転するように接続され、第１のサンギア（１８）と噛合している２つ以上の第１の遊星歯車（１６）を備えている。さらにこの歯車機構は、それぞれ第１の遊星歯車（１６）と一緒に回転するように接続され、第２のサンギアと噛合している２つ以上の第２の遊星歯車（２２）を含む。遊星軸（１０）は、入力部を構成する共通のキャリア（１４）へと接続されている。第１のサンギア（１８）は、出力部（４）へと接続されている。この伝達システムは、回転子（３８、４２）がそれぞれ第２のサンギア（２４）および出力部（４）へと接続されている２つの電動機／発電機（３８、４０；４２、４４）をさらに含み、これら２つの電動機／発電機の電気固定子接続が、これら２つの電動機／発電機の間の電力の流れを選択的に制御するように構成されたコントローラ（４６）へと接続されている。この伝達システムが、中空円筒部材（４）の内側に少なくとも部分的に収容されている。

Description

本発明は、冷却水ポンプ（冷却回路において冷却用の液体を循環させる）や冷却ファン（空気をラジエターまたは空調用圧縮機などの圧縮機の周囲に吹き付け、および／またはラジエターまたは空調用圧縮機などの圧縮機を通過するように吹き付ける）などといった補器を駆動すべくエンジン、特に自動車用エンジンへと接続される駆動プーリに関する。

内燃機関は、一般には、エンジンからの過剰な熱を放散し、エンジンをオーバーヒートから守る目的で、冷却水ポンプおよび／または冷却ファン（本明細書においては、まとめて「冷却ポンプ」と称する）を含む。そのような冷却ポンプは、一般的には、プーリベルトによって駆動されるプーリを保持する入力軸を有しており、さらにプーリベルトが、エンジンのクランクシャフトの一端またはクランクシャフトによって駆動される軸に直接取り付けられた駆動プーリを巡って、通過している。したがって、駆動プーリの速度は、通常はエンジンの速度に直接関係している。

しかしながら、内燃機関は、最高の効率で動作する或る特定の温度範囲を有しており、内燃機関がこの温度範囲にあるように保証すべく冷却ポンプによって取り除かなければならない余分な熱は、車両の速度、エンジンの負荷、および周囲温度などといったいくつかの要因によって変化する。すなわち、低速で移動している車両において高い負荷および高い周囲温度のもとで動作しているエンジンから取り除くことが望まれる熱の量は、高速で移動している車両において低い負荷および低い周囲温度のもとで動作しているエンジンから取り除くことが望まれる熱の量よりも、はるかに大きい。

しかしながら、従来からの冷却ポンプの速度は、エンジンの速度にのみ依存して変化し、上述した要因のいずれかに応じて変化することはない。オーバーヒートはエンジンにとってとくに有害であるため、冷却ポンプおよび冷却ポンプを駆動するプーリは、通常は、エンジンから取り除かれる熱があらゆる条件のもとで充分に大きくなるように寸法作られており、これは必然的に、取り除かれる熱の量がエンジンの作動期間の大部分において不必要に大きいということを意味している。これは、そのようなエンジンが、一般的には、その寿命のかなりの部分について最適よりも低い温度で運転されるということを意味している。また、これは、冷却ポンプがエンジンの総出力の最大約１０％を消費する可能性があるという事実の結果として、作動期間の大部分において出力が冷却ポンプにおいて浪費されるということを意味し、したがってエンジンの全体としての動作効率が、理論的に達成可能な動作効率を下回ることを意味する。

したがって、本発明の目的は、エンジンへと接続される駆動プーリであって、当該駆動プーリへと接続される冷却ポンプ等をエンジンの速度に依存しない速度で駆動することができる駆動プーリを提供することにある。
連続的に可変な伝達系統を備える種々さまざまな種類の伝達システムが、公知であるが、そのような伝達システムは、一般に高価であるばかりか、かさばってもいる。後者の特徴は、自動車車両においてはボンネット下空間がただでさえ貴重であるため、自動車用のエンジンにおいてとくに厄介であり、きわめて限られていることが典型的であるこの利用可能な空間にさらなるかさばる品物を収容しなければならないならば、自動車の設計者らにとって重要な問題を構成するであろう。

本発明のさらなる目的は、上述の種類のプーリであって、追加の空間をほとんど、あるいはまったく必要とせず、したがって自動車のボンネット下空間に容易に収容できるプーリを提供することにある。

本発明によれば、エンジンの冷却ポンプ等のための駆動プーリであって、エンジンへの接続のための入力部、および外表面がプーリベルト係合面を構成している中空円筒部材を有する出力部を含み、それぞれの遊星軸へと該遊星軸の軸を中心として回転するように接続され第１のサンギアと噛合している２つ以上の第１の遊星歯車と、それぞれ第１の遊星歯車と一緒に回転するように接続され第２のサンギアと噛合している２つ以上の第２の遊星歯車とを有し、前記遊星軸が前記入力部を構成する共通のキャリアへと接続されるとともに、前記第１のサンギアが前記出力部へと接続されている遊星歯車機構を有する伝達システムによって、前記入力部と前記出力部とが接続されており、前記伝達システムが、回転子がそれぞれ前記第２のサンギアおよび前記出力部へと接続されている２つの電動機／発電機をさらに含み、該２つの電動機／発電機の電気固定子接続が、該２つの電動機／発電機の間の電力の流れを選択的に制御するように構成されたコントローラへと接続されており、前記伝達システムが、前記中空円筒部材の内側に少なくとも部分的に収容されているプーリが提供される。

このようにして、本発明による駆動プーリは、プーリホイールおよび出力比が常時可変である伝達システムを備える一体化されたユニットを構成する。典型的に使用される自動車用プーリホイールが、軸方向の長さが比較的小さい単一Ｖ形式であるのに対し、最近の自動車用プーリホイールは、今や典型的には、いわゆる複数Ｖ形式であって軸方向の長さが比較的大きい。このようなプーリホイールは、通常は中空であり、かなりの量の空間を占めている。しかしながら、伝達システムの少なくとも一部が、外表面がプーリベルト係合面を構成している中空円筒部材の内側に収容されるため、伝達システムが追加で必要とする空間がきわめて少ない。

本発明による駆動プーリの伝達システムは、内向きに歯を備えるリングギアを必要としない。従来からのリングギアまたは環が使用される場合に比べ、伝達機構の直径を顕著に小さくできるという利点を有しており、したがって伝達システムを、従来からの自動車用プーリの内側に少なくとも部分的に嵌まり込むように容易に寸法付けることができる。実際、すべての歯車を平歯車にすることができ、それらはすべて外向きに歯を有しているため、コストがきわめて低い。

使用時、一般的には、電動機／発電機の一方が発電機として機能して、電動機として機能する他方の電動機／発電機へと電力を伝達する。そのようにして伝達される電力の量を、コントローラによって選択的に変化させることが可能であり、これによって伝達システムの伝達比を変化させることができる。このようにして、動力が伝達システムによって、伝達比の変化とともに変化する割合で機械式および電気式の両者にて伝達される。このようにして、伝達システムの出力部の速度、したがってプーリの速度を、入力部の速度と無関係に変化させることができ、これは、本発明によるプーリによって駆動されるファンやウォーターポンプ等の速度を、エンジンの速度と無関係に変化させることができることを意味し、したがってそれらを、正確にエンジンの瞬間冷却の必要性にとって最も適切な速度で動作させることができることを意味している。したがって、動力がファンまたはウォーターポンプによって不必要に消費されることがないため、エンジンの全体としての効率が向上する。

２つの電動機／発電機を、遊星歯車およびサンギアから封じられた区画に収容することで、電動機／発電機が歯車機構からの油などで汚される恐れをなくすことができる。電動機／発電機を収容するこの区画が、上述の円筒部材の内側にあるとさらに好ましい。
第１および第２の遊星歯車は、それぞれ第１および第２のサンギアと直接噛合することができる。この場合、遊星歯車機構は、いわゆるプラス型になる。遊星歯車機構は、キャリアが動かぬように保持されているときに、サンギアと遊星ギアが噛合している歯車要素とが同じ方向に回転するならば、プラス型であり、キャリアを動かぬように保持しつつ、サンギアを或る方向に回転させたときに、遊星ギアが噛合している歯車要素に反対方向の回転が引き起こされるならば、マイナス型である。

実際には、遊星歯車機構がマイナス型であると、いわゆるＲ₀比がより小さくなるため、より好都合であることが分かっている。Ｒ₀は、遊星ギアが噛合している歯車要素の歯の数に対するサンギアの歯の数の比として定義される。したがって、第１または第２の遊星歯車のいずれかが、第１または第２のサンギアに噛合している対応するアイドラギアに係合することで、第１または第２の遊星歯車が、対応する第１または第２のサンギアと間接的にのみ噛合することが好ましい。

第１および第２の遊星歯車は、一緒に回転するよう対をなして一体に接続される。このため、第１および第２の遊星歯車からなる各組が、関連の遊星軸を中心として一体で回転する単一のユニットを構成することができる。あるいは、第１および第２の遊星歯車がそれぞれ、関連の遊星軸に回転不可能に保持されてもよく、すなわち換言するならば、第１および第２の遊星歯車が遊星軸へと剛に接続され、あるいは第１および第２の遊星歯車が遊星軸の一体の一部分を形成し、この場合には遊星軸そのものが、自身の軸を中心としてキャリアに対して回転するように取り付けられる。

好ましい実施形態においては、コントローラが、温度センサに接続されて、温度センサから受け取る信号の大きさに応じて、２つの電動機／発電機ユニットの間で伝達される電力を変化させるように構成されている。実際、コントローラは、温度センサによって検出される温度が上昇するにつれて、出力部の速度も大きくなるように構成されている。これは、使用時に、エンジンが熱くなるにつれて空気ファンまたはウォーターポンプの速度が上昇し、これによってエンジンからの熱の取り去りの速度が高められ、エンジンが冷却されることを意味している。

また、コントローラが、充電式のバッテリに接続されて、２つの電動機／発電機とバッテリとの間の電力の流れを制御するようにさらに構成されていると好ましい。すなわち、一方の電動機／発電機が、他方の電動機／発電機の電力供給能力を超える電力を短い時間期間にわたって必要とする場合、追加の電力をバッテリから取り出すことができる。一方または他方の電動機／発電機において余分な電力が入手できる場合には、この電力をバッテリへと向けてバッテリを充電するように、コントローラを動作させることができる。この実施形態は、自動車において従来からのオルタネータを省略して、その機能を満たすために一方または両方の電動機／発電機を利用するという可能性を、切り開いている。これは、ボンネット下空間の大幅な節約をもたらすとともに、経済的節約ももたらす。さらには、電動機／発電機の一方または両方を、自動車に通常設けられているスタータモータを置き換えるべく使用することが好ましく、これは空間のまたさらなる節約およびさらなる経済的節約をもたらす。自動車のエンジンが、電動機／発電機の一方をスタータモータとして使用して始動される場合、コントローラが、電気バッテリからの電力をその電動機／発電機へと導くべく機能する。結果として生じる電動機／発電機ユニットの回転が、単にプーリおよびプーリに接続されているファンまたはウォーターポンプの迅速な回転を引き起こすことがないようにするため、プーリが、２つの電動機／発電機の固定子が接続される静止部材、および上述の円筒部材を静止部材へと係止するように構成された選択的に動作可能な固定具を含むことが好ましい。これにより、この固定具が機能しているとき、プーリの出力部は回転することができず、これは、電動機／発電機の一方のスタータモータとしての動作がプーリの入力部の回転を引き起こし、したがってプーリが接続されているエンジンの回転を引き起こして、エンジンを始動させることを意味している。

本発明のさらなる特徴および詳細が、添付の図面を参照しつつあくまで例として提示される本発明による駆動プーリの一具体的実施形態についての以下の説明から、明らかになるであろう。

図面に描かれているプーリは、エンジンのクランクシャフト２に接続されて示されている。クランクシャフト２が、遊星歯車機構を有する伝達システムの入力部へと接続されており、この伝達システムの出力部が、おおむねカップ状の中空円筒部材４に接続されており、この中空円筒部材４の円形断面の外表面が、複数のＶ字形の溝を含んで、複数Ｖプーリのベルト係合面６を構成している。

さらに具体的には、入力部が、環状のリングによって保持されて一体に接続された２つの玉軸受８を含む。玉軸受８は、それぞれ遊星歯車機構の遊星軸１０の一端を収容しており、遊星軸１０の他端は、それぞれさらなる玉軸受１２に収容されている。２つの玉軸受１２は、さらなる環状リングによって保持されて一体に接続されている。これら２つの環状リングが、図２においてのみ見ることができる４本の柱によって一体に接続されている。２つのリングおよび４本の柱が一体となって、クランクシャフトが接続される歯車機構のキャリア１４を構成している。それぞれの遊星軸１０の全長の一部分に歯が設けられ、第１の遊星歯車１６が構成されている。これら２つの遊星歯車１６が、軸２０によって回転不可能に保持された第１のサンギア１８と噛合しており、次いで軸２０が、中空円筒部材すなわちカップ状部材４へと回転不可能に接続されている。さらに遊星軸１０にも、それぞれ第２の遊星歯車２２が回転不可能に接続されており、第２のサンギア２４と噛合している。この場合において、遊星歯車２２は、間接的にのみサンギア２４と噛合している。これは、遊星歯車２２のそれぞれが関連のアイドラギア２６に直接噛合し、次いでアイドラギア２６がサンギア２４に直接噛合するという事実によって、達成されている。したがって、この遊星歯車機構は、サンギア１８が或る方向に回転させられ、キャリア１４が静止に保たれた場合に、サンギア２４が反対の方向に回転するため、マイナス型である。

サンギア２４は、ハブ２６へと接続されており、ハブ２６を軸２０が通過している。軸２０がハブ２６を通過して出る位置に、環状の油シール２８が設けられている。さらに、この伝達システムは、おおむね中空の円筒形である静止部材３０を有しており、静止部材３０の内表面から、おおむね半径方向の開口付きフランジ３２が内向きに延びている。フランジ３２の開口の自由縁が、ハブ２６を支持するための軸受およびさらなる油シール３４の両者を保持している。入力部から遠い方の端部において、さらに静止部材は、さらなる環状のハブ３６を保持している。ハブ２６には、第１の電動機／発電機の回転子３８が接続され、第１の電動機／発電機の固定子４０は、静止部材３０に接続されている。カップ状の円筒部材４の内部には、第２の電動機／発電機の回転子４２が接続され、第２の電動機／発電機の固定子４４は、ハブ３６に接続されている。２つの固定子４０、４２の電気的接続が、コントローラ４６へと接続されている。さらにコントローラ４６には、電気バッテリ４８および温度センサ５０が接続されている。

静止部材３０は、カップ状部材４の円筒形の部分によって密に囲まれる円筒形の部位を有している。これら２つの円筒形の部材には、部材４を部材３０へと選択的に係止して部材４の回転を防止する固定具（参照番号５２で暗示的にのみ図示されている）が設けられている。

見て取ることができるように、伝達システムのかなりの部分が、効果的にプーリを構成している円筒形部材４の内側に収容されており、残りの部分は、静止部材３０において円筒形部材４から延伸している部位の内側に収容されている。２つの電動機／発電機は、完全に円筒部材４の内側において、油シール２８、３４によって遊星歯車機構から封じられた区画に収容されており、したがって油などによって汚される恐れはない。

使用時、伝達システムの入力部、すなわちキャリア１４および遊星軸１０が、エンジンのクランクシャフト２またはエンジンによって回転させられる他の何らかの軸に接続される。プーリベルトが、プーリ表面６を巡って配置されるとともに、その速度をエンジンの速度と無関係に変化させようとする冷却ファン、ウォーターポンプ、または他の何らかの補助ユニットへと接続された１つ以上の被駆動プーリの表面を巡って配置される。クランクシャフト２の回転が、クランクシャフト２の速度と無関係であってよいがコントローラ４６に依存する速度、すなわち具体的には、コントローラ４６の制御によって発電機として機能する一方の電動機／発電機から電動機として機能する他方の電動機／発電機へと伝達される電力の量に依存する速度で、円筒形部材４の回転を生じさせる。コントローラ４６を、温度センサ５０から受け取った信号に依存して動作させることができ、さらに随意により、例えば周囲温度および車両の速度などに応答する１つ以上のさらなるセンサから受け取った信号にもとづいて、動作させることができる。実際において、エンジンが冷間から始動されるとき、必要とされる冷却はわずかであり、あるいは冷却は不要であり、したがってコントローラが、伝達システムの出力部の速度、したがってプーリ表面６の速度が、わずかに低い値またはゼロとなるように運転される。エンジンの動作温度が所望の温度に近付くにつれて、コントローラ４６がセンサ５０からの信号に応答し、熱の抽出速度がエンジンの温度を所望の範囲内に維持するために充分となるまで出力部の速度を増加させるよう、２つの電動機／発電機の間で伝達される電力の量を変化させる。周囲温度が上昇し、あるいは例えば山上りの結果としてエンジンの負荷が増加した場合、エンジンの動作温度が上昇し始め、この事実がセンサ５０によってコントローラ４６へと伝えられ、コントローラ４６が伝達システムの出力部の速度を増加させるように動作する。電動機として動作している電動機／発電機が、他方の電動機／発電機から入手できる電力よりも多くの電力を必要とする場合、コントローラ４６は、必要な量の電力をバッテリ４８から電動機へと流すように動作することができる。一方または他方の電動機／発電機において過剰な電力が利用可能であるとき、コントローラ４６は、この電力をバッテリ４８を充電すべく導くように動作する。

本発明によるプーリを、ファンまたはポンプ等へと接続された被駆動プーリを駆動する駆動プーリとして説明した。しかしながら、円筒形の部材４が、実際にファン羽根車のハブを構成することができ、伝達システムの入力部を被駆動プーリによって駆動される軸に接続できることを、理解できるであろう。この場合、本発明の機構は、まったくプーリを構成しない代わりに、ファン羽根車などの内部に少なくとも部分的に収容されるファン羽根車などのための可変速駆動システムを構成する。

本発明による自動車用駆動プーリの軸断面図である。 図１の線Ｉ‐Ｉについての概略の横断面図である。

Claims (8)

1. エンジンの冷却ポンプ等のための駆動プーリであって、エンジンへの接続のための入力部、および外表面がプーリベルト係合面を構成している中空円筒部材を備える出力部を含み、それぞれの遊星軸へと該遊星軸の軸を中心として回転するように接続され、第１のサンギアと噛合している２つ以上の第１の遊星歯車と、それぞれ第１の遊星歯車と一緒に回転するように接続され、第２のサンギアと噛合している２つ以上の第２の遊星歯車とを有し、前記遊星軸が前記入力部を構成する共通のキャリアへと接続されるとともに、前記第１のサンギアが前記出力部へと接続されている遊星歯車機構を有する伝達システムによって、前記入力部と前記出力部とが接続されており、前記伝達システムが、回転子がそれぞれ前記第２のサンギアおよび前記出力部へと接続されている２つの電動機／発電機をさらに含み、該２つの電動機／発電機の電気固定子接続が、該２つの電動機／発電機の間の電力の流れを選択的に制御するように構成されたコントローラへと接続されており、前記伝達システムが、前記中空円筒部材の内側に少なくとも部分的に収容されている、プーリ。
2. 前記２つの電動機／発電機は、前記円筒形部材の内側であり、かつ前記遊星歯車およびサンギアから封じられている区画に収容されている、請求項１に記載のプーリ。
3. 前記第１および第２の遊星歯車が、それぞれ前記第１および第２のサンギアに直接噛合している、請求項１または２に記載のプーリ。
4. 前記第１および第２の遊星歯車の一方が、前記第１または第２のサンギアに噛合しているそれぞれのアイドラギアに噛合しており、これによって前記第１および第２の遊星歯車の前記一方が、関連のサンギアに間接的に噛合している、請求項１または２に記載のプーリ。
5. 前記第１および第２の遊星歯車が、前記それぞれの遊星軸によって回転不可能に保持され、該遊星軸が、前記キャリアに対して自身の軸を中心として回転可能に取り付けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載のプーリ。
6. 前記コントローラが、温度センサに接続され、該センサによって検出される温度が上昇するにつれて前記出力部の速度も大きくなるよう、前記２つの電動機／発電機ユニットの間で伝達される電力を変化させるように構成されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のプーリ。
7. 前記コントローラが、さらに充電式のバッテリに接続され、前記２つの電動機／発電機と前記バッテリとの間の電力の流れを制御するようにさらに構成されている、請求項１から６のいずれか一項に記載のプーリ。
8. 前記２つの電動機／発電機の固定子が接続されている静止部材、および前記円筒部材を前記静止部材に係止するように構成された選択的に動作可能な固定具を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のプーリ。

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