JP2013204606A - フライホイール - Google Patents

Abstract

【課題】小型であっても始動時と高速回転時とで慣性モーメントを大きく変化させることができるフライホイールを提供する。
【解決手段】エンジンのクランクシャフトの端部に固定されることで同クランクシャフトと一体となって回転するフライホイール１０に、同フライホイール１０の中心軸線ＣＬに対して周方向へ均等に配置された複数の可変マス２５と、それら可変マス２５の姿勢を変位させながらフライホイール１０の外周側へ重心を移動させることが可能となるように各可変マス２５をそれぞれ軸支するピン２７と、それら可変マス２５をフライホイール１０の内周側へ付勢するリングバネ２６とを設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フライホイールに関する。

内燃機関等の回転駆動源を安定して回転させるために、フライホイールが用いられている。フライホイールは、比較的大きな慣性モーメントを有する。そして、フライホイールが回転駆動源の出力軸に連結されることにより、出力軸の回転動作に伴う回転エネルギを保存する。

ここで、回転の安定性を高めるためには、フライホイールによる回転エネルギの保存量を増加させればよい。そして、回転エネルギの保存量を増加させるには、フライホイールの質量を大きくすればよい。ところが、フライホイールの質量を大きくすると、回転駆動源の始動時におけるフライホイールを回転させるために必要なエネルギまでもが大きくなるという問題が生じる。

上記問題を解消しようとするものとして、慣性モーメントを可変とするフライホイールが提案されている。このようなフライホイールとしては、例えば、径方向に移動可能な複数の重錘を設けるとともに、各重錘を回転軸線側に付勢する弾性部材を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。

これにより、始動時には各重錘が弾性部材の付勢力により回転軸線側に寄せられているため、フライホイールの慣性モーメントは比較的小さくなっており、始動時の負荷が小さくなって円滑な始動を行うことができる。一方、高速回転時には重錘に作用する遠心力により各重錘が弾性部材の付勢力に抗して外周側へ移動するため、フライホイールの慣性モーメントは比較的大きくなって、安定した回転が得られる。

実願平２−１１４４０６号（実開平４−７４７５６号）のマイクロフィルム

しかしながら、上記従来のフライホイールでは、重錘が径方向へ直線移動するものであるため、重錘の可動範囲が限られている。しかも、その径方向の外周側に弾性部材が配置されているため、重錘の可動範囲は更に限られている。その結果、慣性モーメントをあまり大きく変化させることができない。別の見方をすれば、慣性モーメントを大きく変化させるためには、フライホイール自体を大型化（大径化）することになるため、小型化の要求を満たすことができないという問題が生じる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、小型であっても始動時と高速回転時とで慣性モーメントを大きく変化させることができるフライホイールを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、回転機のシャフトに連結されるフライホイールであって、フライホイールの回転中心に対して周方向へ均等に配置された複数の重錘と、前記重錘の姿勢を変位させながら外周側へ重心を移動させることが可能なガイド部と、前記重錘を内周側へ付勢する付勢部とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、各重錘が単に移動するのではなく姿勢を変位させながら外周側へ重心を移動することになるため、限られた移動範囲内であっても慣性モーメントを最小時と最大時とで十分に大きな差をつけることができる。したがって、フライホイールが小型であっても始動時と高速回転時とで慣性モーメントを大きく変化させることができる。

請求項２の発明は、請求項１において、前記ガイド部が、前記重錘を当該重錘の重心から離れた位置において回動可能に支持するピンであることを特徴とする。

この構成によれば、簡易なガイド構成によって請求項１が奏する効果を享受することが可能となる。しかも、重錘を回動式とすることにより、同じ区間を直線的に変位する場合と比較して、重錘のストロークを稼ぐことができ、請求項１が奏する効果を一層高めることができる。

請求項３の発明は、請求項２において、前記ピンが、前記重錘が内周側に配置されている状態で、フライホイールの回転中心に対して周方向の一端となる側に配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、始動時には重錘全体を内周側に配置しておくことができるので、慣性モーメントを十分に小さくすることができる。一方、高速回転時には重錘のピン側の部分が内周側に残された状態で重錘が回動することになるため、重錘の移動量に対する慣性モーメントの変化率が過度に大きくなることを抑制することができる。

請求項４の発明は、請求項３において、前記重錘が、前記ピン側から周方向の他端へ離れた側に重心が設定されていることを特徴とする。

この構成によれば、重錘の姿勢が変化して重錘の重心が外周側へ移った際に、重錘の重さを慣性モーメントの増大に効率よく利用することができる。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１つにおいて、前記各重錘は、内周側の第１周壁部に当接した位置から外周側の第２周壁部に当接した位置までの範囲で変位可能であり、前記各重錘が内周側にある場合に前記第１周壁部に面接触する形状、かつ、前記各重錘が外周側に変位した場合に前記第２周壁部に面接触する形状をなすことを特徴とする。

この構成によれば、第１周壁部及び第２周壁部によって挟まれた範囲内で重錘が変位可能な制約がある状況下において、回動式の重錘の変位量を最大限に稼ぐことができるばかりか、慣性モーメントの最小時と最大時との幅を大きくすることができる。

請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１つにおいて、前記付勢部は、環状に形成されかつ内周側へ向けて付勢力を発生させるコイルバネであり、前記コイルバネは、前記各重錘が内周側に配置されるように前記各重錘を包囲しており、前記各重錘の外周側には前記コイルバネの一部が入り込む溝が形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、コイルバネを環状に形成して各重錘を包囲する構成とすることにより、コイルバネの巻数を増やして付勢力を高めることができる。しかも、フライホイールの回転速度が上がって重錘が外周側へ変位したとしても、重錘を包囲しているコイルバネは各重錘に形成された溝内に収容されることとなり、コイルバネによって重錘の変位範囲が制限されることを抑制することができる。これにより、慣性モーメントの変化の幅がコイルバネの存在によって制限されることを抑えることができる。

請求項７の発明においては、請求項１乃至請求項５のいずれか１つにおいて、前記付勢部は、引きバネであり、前記引きバネは、前記重錘の変位領域から周方向へ外れた箇所に配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、引きバネは、重錘の変位領域から周方向へ外れた箇所に配置されているため、引きバネの存在が重錘の変位範囲を制限することがない。これにより、慣性モーメントの変化の幅がバネの存在によって制限されることを抑えることができる。

本発明によれば、小型であっても始動時と高速回転時とで慣性モーメントを大きく変化させることができる。

第１の実施の形態におけるフライホイールを示す分解斜視図。 第１の実施の形態における可変マスの動作態様を示す概略図。 第２の実施の形態におけるフライホイールの構造及び可変マスの動作態様を示す概略図。 第３の実施の形態におけるフライホイールを示す分解斜視図。 第３の実施の形態における可変マスの動作態様を示す概略図。

＜第１の実施の形態＞
以下、第１の実施の形態を図１及び図２に基づき説明する。

本実施の形態に示すフライホイール１０は、自動車のエンジン（回転駆動装置）から延びる出力軸（クランクシャフト）の一端部に取り付けられることにより、エンジン等の回転を安定化させることを目的として設けられるものであり、エンジン本体とクラッチとの間に介在するようにして配置されている。エンジン（クランクシャフト）やクラッチの構造については公知の構造であるため説明を省略する。

なお、本実施の形態に示すフライホイール１０は、自動車のエンジンへの適用に限定されるものではなく、慣性モーメントを利用した回転の安定化や回転エネルギの保存等を図る目的で用いられるのであれば、その適用対象（例えばレコーダ、玩具、プレス機）は任意である。

フライホイール１０はエンジンの出力軸（クランクシャフト）側に位置するフライホイール本体２０を備えている。フライホイール本体２０はクランクシャフトの中心軸線ＣＬを中心とする円板部２１を有しており、円板部２１の中央には、エンジンとは反対側に突出するとともにクランクシャフトが挿通される軸受け用のボス部２２が形成されている。ボス部２２は、クランクシャフトの接続部としての機能が付与されている。具体的には、ボス部２２は円板部２１の中心軸線ＣＬを中心とする円筒状をなしており、その内径寸法がクランクシャフトの外径寸法と一致するように構成されている。このボス部２２に挿通されたクランクシャフトがフライホイール本体２０に固定されることで、クランクシャフトとフライホイール１０とが一体化される。

円板部２１の外周縁には、ボス部２２と同じ側（クラッチ側）に突出するようにして環状凸部２３が形成されている。環状凸部２３は上記中心軸線ＣＬを中心とする円筒状をなしており、ボス部２２の外壁面２２ａと環状凸部２３の内壁面２３ａとは一定の隙間を隔てて対向している。つまり、これら外壁面２２ａと内壁面２３ａとによって挟まれた領域は、フライホイール１０を可変式とするための各種構成を収容する収容領域ＡＥとなっている。

収容領域ＡＥには、フライホイール１０の中心軸線ＣＬに対して周方向へ均等（等間隔）となるように配置された複数（詳しくは４つ）の可変マス２５と、それら可変マス２５よりも内壁面２３ａ側に位置し、環状に形成され各可変マス２５を包囲するように配置されたリングバネ２６とが配設されている。リングバネ２６はコイルバネを全体として円環状となるように形成して構成されている。フライホイール本体２０の収容領域ＡＥはエンジンとは反対側（クラッチ側）に開放されており、この開放された部分がフライホイール本体２０に固定されたカバー２４によって覆われることにより、同収容領域ＡＥからの可変マス２５及びリングバネ２６の脱落が回避されている。

可変マス２５及びリングバネ２６の構成について詳細に説明する。

可変マス２５は、ボス部２２の外壁面２２ａに沿って周方向に延びており、その周方向の一端部（偏心位置）において中心軸線ＣＬと同一方向に延びるピン２７によって軸支されている。可変マス２５はピン２７を中心として収容領域ＡＥ内にて回動可能となっているが、上記リングバネ２６には、これら可変マス２５を内側（外壁面２２ａ側）へ付勢する機能が付与されており、フライホイール１０が回転を停止している場合には、それら可変マス２５がリングバネ２６の付勢力によってボス部２２の外壁面２２ａに押し付けられた状態となっている。以下、このように可変マス２５が外壁面２２ａに押し付けられた状態を「初期状態」と称する。

各可変マス２５の形状は同一となっており、各配置及びピン２７による軸支箇所については中心軸線ＣＬを基準として対称となるように設定されている。これにより、上記初期状態においては、フライホイール１０の重量バランスに偏りが生じることはない。

可変マス２５においてボス部２２の外壁面２２ａと対峙している部分（以下、内面２５ａという）は、初期状態にてそのほぼ全体が同外壁面２２ａに面接触するようにして形成されている。これにより、初期状態における可変マス２５の位置をできる限りボス部２２に近づけることができ、フライホイール１０が回転を開始した際の慣性モーメントを小さくすることが可能となっている。また、限られた範囲内（収容領域ＡＥ内）にて可変マス２５の変位量（回転量）をできるだけ大きくすることが可能となっている。

可変マス２５は、周方向においてピン２７にて軸支されている側とは反対側となる他端部に向けて、その幅寸法、すなわち中心軸線ＣＬと直交する方向での長さ寸法が徐々に大きくなるように形成されており、その重心位置が他端部側に偏倚している（偏心している）。このため、可変マス２５は、ピン２７を中心として回動することにより、その姿勢を変位させながら外周側（内壁面２３ａ側）へと重心を大きく移動させることが可能となっている。

可変マス２５においてボス部２２の外壁面２２ａとは反対側となる部分（以下、外面２５ｂという）は、可変マス２５がピン２７を中心として回動した場合に、環状凸部２３の内壁面２３ａに面接触可能な形状となるように形成されている。これにより、初期状態から可変マス２５が回動した場合における可変マス２５の位置をできる限り環状凸部２３に近づけることができ、フライホイール１０が高速回転している際の慣性モーメントを大きくすることが可能となっている。但し、本実施の形態では、リングバネ２６が可変マス２５の外面２５ｂと環状凸部２３の内壁面２３ａとの間に介在されていることから、可変マス２５と環状凸部２３とが当接することはない。

ここで、図２に基づいて、フライホイール１０の動作に伴う可変マス２５の位置の変化とフライホイール１０の慣性モーメントの変化とについて説明する。図２（ａ）はフライホイール１０の回転が停止している状態を示し、図２（ｂ）はフライホイール１０の回転速度が所定速度以上となった高速回転状態を示している。

エンジンが停止してクランクシャフトの回転が止まっており、図２（ａ）に示すようにフライホイール１０についても回転が停止している状態では、全ての可変マス２５がリングバネ２６の付勢力によってボス部２２の外壁面２２ａに押し付けられている（初期状態となっている）。

この初期状態からエンジンを始動させると、フライホイール１０が回転を開始する。この場合、各可変マス２５がボス部２２に沿うようにして待機しているため始動時の慣性モーメントが小さくなっており、エンジン始動時にフライホイール１０を回転させるためのエネルギが無駄に大きくなることが回避される。

その後、エンジンの回転数が上がってフライホイール１０の回転速度が上昇すると、遠心力の作用により可変マス２５がリングバネ２６の付勢力に抗してその姿勢を変位させながら外周側へ重心を移動させることとなる。これにより慣性モーメントは、始動時と比べて徐々に大きくなる。

フライホイール１０の回転速度が所定速度に達して高速回転状態になると、図２（ｂ）に示すように、可変マス２５の外面２５ｂに押されたリングバネ２６が環状凸部２３の内壁面２３ａに押し付けられ、それ以上の可変マス２５の変位が制限されることとなる。この状態では、フライホイール１０の慣性モーメントが最大となり、回転の安定性が増すこととなる。

エンジンの出力が低下して、フライホイール１０の回転速度が低下すると、可変マス２５に作用する遠心力が徐々に小さくなる。そして、この力がリングバネ２６の付勢力よりも下回ることにより、可変マス２５は変位前の位置へと押し戻されることとなる。

以上詳述した第１の実施の形態によれば、以下の優れた効果が期待できる。

可変マス２５の姿勢を変位させながら外周側へ重心を移動させることが可能となっているため、姿勢を変える際に可変マス２５自体に内周寄りとなる部分を残しつつ徐々に外周側へその重心を移動させることができる。このような姿勢の変化を伴う重心移動を行うことにより、単に可変マス２５全体が外周側へ移動する場合と比較して、可変マス２５の径方向への移動量に対する慣性モーメントの変化率が過度に大きくなることを抑制することができる。

特に本実施の形態では、可変マス２５がピン２７を用いた回動式とされていることにより、同じ区間を直線的に変位する場合と比較して、簡単な構成によって可変マス２５のストロークを稼ぐことができる。しかも、可変マス２５の回動中心部をフライホイール１０の内周寄り（ボス部２２寄り）に配置しており、可変マス２５が回動した際にも、可変マス２５の一部がボス部２２寄りとなる位置に残ることとなる。これにより、上記変化率の過度の変化を好適に抑えることが可能となっている。

可変マス２５の回動中心部が、初期状態にてフライホイール１０の回転中心に対して周方向の一端となる側に配置されている。かかる構成によれば、可変マス２５の姿勢の変化を大きくすることができ、慣性モーメントの変化量の増大に貢献することができる。

可変マス２５の重心位置については、自身の回動中心部から周方向の他端へ離れた側、すなわち回動先端部寄りとなる位置に設定されている。これにより、可変マス２５の姿勢が変化して可変マス２５の重心が外周側へ移った際に、可変マス２５の自重を慣性モーメントの増大に効率よく利用することができる。

また、本フライホイール１０によれば、外周側への移動時に可変マス２５の姿勢変化によってリングバネ２６が膨張することとなり、径方向に伸縮するコイルバネを採用して付勢力を発揮させる場合と比較して、バネの巻数を稼ぎつつ可変マス２５の変位量を大きくすることができる。このように、限られた範囲内での可変マス２５の変位量を大きくすることができることにより、フライホイール１０の大型化（大径化）を抑えつつ慣性モーメントの変化量を大きくすることが可能となる。

＜第２の実施の形態＞
上記第１の実施の形態においては、リングバネ２６が実質上のストッパとして機能することで、可変マス２５の外周側への変位が阻止される構成としたが、本実施の形態においては、このストッパ機能を変更することにより、慣性モーメントの最大値を増大させる工夫が施されている。

以下、図３に基づいて、第２の実施の形態におけるフライホイール１０Ａの構成について説明する。なお、フライホイール１０Ａについては、上記工夫にかかる構成以外は第１の実施の形態と共通であるため、これら共通する構成についての説明を省略し、相違点にかかる構成についてのみ説明を行う。図３（ａ）はフライホイール１０Ａの回転が停止している状態を示し、図３（ｂ）はフライホイール１０Ａの回転速度が所定速度以上の高速回転状態を示している。

図３（ａ）に示すように、可変マス２５Ａにおいてボス部２２の外壁面２２ａとは反対となる部分（以下、外面２５ｂＡという）には、リングバネ２６を収容する収容溝２８Ａが形成されている。なお、外面２５ｂＡの形状は、収容溝２８Ａを有すること以外は、第１の実施の形態における外面２５ｂの形状と同一である。収容溝２８Ａは、可変マス２５Ａの外面全域に形成されているのではなく、その範囲を環状凸部２３の内壁面２３ａと面接触が生じる外面２５ｂＡのみに形成されているため、可変マス２５Ａの重量が過度に小さくなることはない。

収容溝２８Ａの深さ寸法はリングバネ２６において当該収容溝２８Ａに収容されている部分が同収容溝２８Ａから径方向外側へ突出しない程度に設定されている。そのため、図３（ｂ）に示すように、フライホイール１０Ａの回転速度が所定速度に達して高速回転状態になった場合、可変マス２５Ａの外面２５ｂＡが環状凸部２３の内壁面２３ａに面接触する。これにより、それ以上の可変マス２５Ａの変位が制限されることとなる。

このように、リングバネ２６を収容する収容溝２８Ａを設けることにより、第１の実施の形態と比較して、リングバネ２６の厚さ分だけ可変マス２５Ａの可動範囲を拡張することができる。これにより、高速回転時の回転モーメントを更に増大させることが可能となっている。つまり、慣性モーメントの変化量がリングバネ２６の存在によって制限されることを抑えることができる。

また、可変マス２５Ａの外面２５ｂＡが環状凸部２３の内壁面２３ａに面接触する構成とすることにより、限られた範囲内にて可変マス２５Ａ（詳しくは重心位置）をできるだけ外周側へと変位させることが可能となっている。このようにして、可変マス２５Ａの可動範囲を拡げることにより、慣性モーメントの変位量を好適に拡大することができる。

なお、本実施の形態においては、可変マス２５Ａにリングバネ２６用の収容溝２８Ａを形成したが、これを省略し、フライホイール本体２０側（詳しくは環状凸部２３）にも収容溝２８Ａに相当する構成を設けてもよい。

また、これら可変マス２５Ａ及び環状凸部２３の両者に上記収容溝２８Ａよりも深さの浅い収容溝をそれぞれ形成し、それら両収容溝が一体となってリングバネ２６を収容することも可能である。フライホイール本体２０の肉厚（剛性）確保及び可変マス２５Ａの重量の低減を抑えて慣性モーメントを効率的に増大させる上では、フライホイール本体２０及び可変マス２５Ａの両者にそれぞれ収容溝を形成することが実用上好ましい。

＜第３の実施の形態＞
上記各実施の形態においては、１のリングバネ２６によって全ての可変マス２５，２５Ａを内周側へと付勢する構成としたが、本実施の形態においては、付勢力を付与するための構成が上記各実施の形態と相違している。そこで以下、図４及び図５に基づいて、第３の実施の形態を説明する。なお、付勢力を付与するための構成以外については、上記第１の実施の形態と同様であるため説明を省略する。

図４に示すように、フライホイール１０Ｂの収容領域ＡＥには、上記リングバネ２６に代えて、各可変マス２５Ｂに１対１で対応させて圧縮コイルバネ４０Ｂが設けられている。圧縮コイルバネ４０Ｂは、その一端部が可変マス２５Ｂの回動先端部に軸ピン４１Ｂを介して取り付けられており、その他端部が固定ピン４２Ｂによってフライホイール１０Ｂに固定されている。

既に説明したように可変マス２５Ｂはピン２７によって回動可能に軸支されており、可変マス２５Ｂの内面２５ａＢがボス部２２の外壁面２２ａに面接触する位置から同可変マス２５Ｂの外面２５ｂＢが環状凸部２３の内壁面２３ａに面接触する位置まで変位可能となっている。このような回動範囲（動作範囲ＭＥ：図５におけるドットハッチング部参照）から周方向へ外れた箇所に上記圧縮コイルバネ４０Ｂが配置されていることにより、可変マス２５Ｂの変位量が圧縮コイルバネ４０Ｂの存在によって規制されることがない。

そして、フライホイール１０Ｂが回転を開始すると、遠心力により可変マス２５Ｂが圧縮コイルバネ４０Ｂの付勢力（引っ張り力）に抗して外周側に移動する。そして、フライホイール１０Ｂの回転速度が低下することで、遠心力よりも圧縮コイルバネ４０Ｂの付勢力が勝り、可変マス２５Ｂが元の位置へと復帰することとなる。

本実施の形態においては、圧縮コイルバネ４０Ｂを可変マス２５Ｂの動作範囲ＭＥから周方向へ外れた箇所に配置したことから、圧縮コイルバネ４０Ｂの存在が可変マス２５Ｂの変位範囲を制限することがない。その結果、慣性モーメントの変化量を最大限確保することができる。

なお、上記各実施の形態によれば、「ガイド部」としてのピン２７による取付位置を環状凸部２３及びボス部２２のうち後者寄りとしたが、これを変更し前者寄りとすることも可能である。また、「ガイド部」としては、ピン２７による回動方式以外にも、例えばガイド溝及びガイドピンを円板部２１及び可変マス２５，２５Ａ，２５Ｂに設けて、ガイド溝に沿ってガイドピンが案内されることで、可変マス２５，２５Ａ，２５Ｂの姿勢を変位させながら重心を移動させることができる。

１０…フライホイール、２０…フライホイール本体、２２…ボス部、２２ａ…第１周壁部としての外壁面、２３…環状凸部、２３ａ…第２周壁部としての内壁面、２５…重錘としての可変マス、２５Ａ…重錘としての可変マス、２５Ｂ…重錘としての可変マス、２６…付勢部（コイルバネ）としてのリングバネ、２７…ガイド部としてのピン、２８Ａ…収容溝、４０Ｂ…付勢部（引きバネ）としての圧縮コイルバネ、ＭＥ…変位領域としての動作範囲。

Claims (7)

1. 回転機のシャフトに連結されるフライホイールであって、
   フライホイールの回転中心に対して周方向へ均等に配置された複数の重錘と、
   前記重錘の姿勢を変位させながら外周側へ重心を移動させることが可能なガイド部と、
   前記重錘を内周側へ付勢する付勢部と、
   を備えたことを特徴とするフライホイール。
2. 前記ガイド部は、前記重錘を当該重錘の重心から離れた位置において回動可能に支持するピンであることを特徴とする請求項１に記載のフライホイール。
3. 前記ピンは、前記重錘が内周側に配置されている状態で、フライホイールの回転中心に対して周方向の一端となる側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のフライホイール。
4. 前記重錘は、前記ピン側から周方向の他端へ離れた側に重心が設定されていることを特徴とする請求項３に記載のフライホイール。
5. 前記各重錘は、内周側の第１周壁部に当接した位置から外周側の第２周壁部に当接した位置までの範囲で変位可能であり、
   前記各重錘が内周側にある場合に前記第１周壁部に面接触する形状、かつ、前記各重錘が外周側に変位した場合に前記第２周壁部に面接触する形状をなすことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載のフライホイール。
6. 前記付勢部は、環状に形成されかつ内周側へ向けて付勢力を発生させるコイルバネであり、
   前記コイルバネは、前記各重錘が内周側に配置されるように前記各重錘を包囲しており、
   前記各重錘の外周側には前記コイルバネの一部が入り込む溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載のフライホイール。
7. 前記付勢部は、引きバネであり、
   前記引きバネは、前記重錘の変位領域から周方向へ外れた箇所に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載のフライホイール。

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