JP2016044734A - 内燃機関のベルト伝動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の始動時に、動力伝達ベルトのばたつきに伴う異音の発生を抑制できる内燃機関のベルト伝動機構を提供する。
【解決手段】内燃機関のベルト伝動機構は、内燃機関１の出力軸１１に連結される第一プーリ１２と、発電機能を有する回転電機２の回転軸２１に連結される第二プーリ２２と、両プーリ１２,２２に巻き掛けられる動力伝達ベルト３と、内燃機関１の初爆直後に出力軸１１の回転を動力伝達ベルト３に対して滑りを伴って伝達する滑り伝動機構を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のベルト伝動機構に関する。特に、内燃機関の始動時に発生する動力伝達ベルトの異音を抑制できる内燃機関のベルト伝動機構に関する。

内燃機関の始動機構や補機の駆動機構において、内燃機関のクランク軸に設けられたクランクプーリと、オルタネータの回転軸に設けられたオルタネータプーリと、これら両プーリに巻き掛けられた動力伝達ベルトと、このベルトに圧接されるテンションプーリとを備えるベルト伝動機構が用いられている。例えば、内燃機関の始動時、スタータモータでクランク軸を回転させ、クランク軸→クランクプーリ→動力伝達ベルト→オルタネータプーリに動力を伝達してオルタネータを回転させる。

その他、スタータモータとオルタネータの機能を兼備したＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）を用いたベルト伝動機構もある（類似の技術として特許文献１の図１参照）。この場合、ＩＳＧの回転軸に設けられたＩＳＧプーリを駆動側として、ＩＳＧプーリ→動力伝達ベルト→クランクプーリの順に動力を伝達し、ＩＳＧをスタータモータとして機能させることで内燃機関を始動させる。内燃機関が始動したら、クランクプーリ側を駆動側として、クランクプーリ→動力伝達ベルト→ＩＳＧプーリの順に動力を伝達して、ＩＳＧを発電機として機能させる。

特開２００４−１１５５２号公報

上記のいずれの技術においても、動力伝達ベルトのばたつきに伴う異音の発生を抑制することが求められている。内燃機関の始動時における初爆直後、クランク軸の回転変動の影響でクランクプーリとオルタネータプーリ（ＩＳＧプーリ）との回転速度差が生じ、それに伴い上記ベルトの張力変動が発生する。この張力変動により、テンションプーリとベルトとの相対的なばたつきが生じて異音が発生することがあるからである。

上記の特許文献１の技術では、スタータモータとしてのＩＳＧから内燃機関に動力を伝達する場合に、テンションプーリの位置を移動させてベルトの張力を増大させ、この動力の伝達を確実にしている。一方で、内燃機関から発電機としてのＩＳＧに動力の伝達が切り替わった場合、上記異音の低減対策については、特に提案されていない。

本発明の目的の一つは、内燃機関の始動時に、動力伝達ベルトのばたつきに伴う異音の発生を抑制できる内燃機関のベルト伝動機構を提供することにある。

本発明の一形態に係る内燃機関のベルト伝動機構は、内燃機関の出力軸に連結される第一プーリと、発電機能を有する回転電機の回転軸に連結される第二プーリと、前記両プーリに巻き掛けられる動力伝達ベルトと、前記内燃機関の初爆直後に前記出力軸の回転を前記動力伝達ベルトに対して滑りを伴って伝達する滑り伝動機構とを備える。

上記内燃機関のベルト伝動機構において、前記滑り伝動機構は、前記第一プーリに設けられた形態が挙げられる。その第一プーリは、前記動力伝達ベルトが巻き掛けられる外周回転体と、前記出力軸に同期して回転され、前記出力軸の低回転時、前記外周回転体に対して滑りを伴って摺接し、前記出力軸の高回転時、遠心力により前記外周回転体に圧接されて、前記出力軸の回転を前記外周回転体に伝達する可動シューとを備える。

上記発明によれば、滑り伝動機構により、内燃機関の初爆直後に、内燃機関の出力軸の回転速度の変動が回転電機の回転軸へ入力されることを低減し、動力伝達ベルトのばたつきに伴う異音の発生を抑制できる。

外周回転体と可動シューとを備える上記発明によれば、いわゆる遠心クラッチと同様の動作により、内燃機関の初爆直後の低回転時には出力軸の回転を外周回転体に対して滑りを伴いながら伝達することができる。そのため、簡易な構成により、滑り伝動機構を構成できる。

実施形態１に係る内燃機関のベルト伝動機構の概略構成を示す模式図である。 図１の伝動機構が備える滑り伝動機構の概略構成を示す模式図である。 実施形態２に係る内燃機関のベルト伝動機構の概略構成を示す模式図である。

以下、図を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図において同一符号は同一名称物を示す。

［実施形態１］
（概要）
図１、図２を参照して、実施形態１に係る内燃機関のベルト伝動機構を説明する。この伝動機構は、内燃機関１の出力軸１１に連結される第一プーリ１２と、発電機能を有する回転電機２の回転軸２１に連結される第二プーリ２２と、両プーリ１２,２２に巻き掛けられる動力伝達ベルト３とを備える。このベルト伝動機構の特徴の一つは、内燃機関の初爆直後に上記出力軸１１の回転を上記ベルト３に対して滑りを伴って伝達する滑り伝動機構を備える点にある。以下、各部の構成の詳細を説明する。

（第一プーリ）
第一プーリ１２は、内燃機関の出力軸１１に固定されたプーリである。内燃機関１には、レシプロエンジンが挙げられ、その出力軸１１にはピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク軸が挙げられる。この第一プーリ１２は、内燃機関１の始動時、後述する回転電機２で駆動される第二プーリ２２に連動して回転され、内燃機関１の初爆後、内燃機関１で駆動される第一プーリ１２の回転を第二プーリ２２に伝達する。本例では、第一プーリ１２をクランク軸に固定されるクランクプーリとしている。この第一プーリ１２には、後述する滑り伝動機構が設けられている。

（第二プーリ）
第二プーリ２２は、発電機構を有する回転電機２の回転軸に固定されたプーリである。この回転電機２としては、オルタネータの他、発電機能と内燃機関を始動させるスタータモータの機能とを兼備したＩＳＧが挙げられる。回転電機２は、インバータ（図示略）を介してバッテリ（図示略）に接続されている。ＩＳＧの場合、内燃機関１の始動時（アイドリングストップ後の再始動時も含む）やモータアシスト時には動力伝達ベルト３を介してＩＳＧ側から内燃機関側に駆動力が伝達され、発電時には動力伝達ベルト３を介して内燃機関側からＩＳＧ側に駆動力が伝達される。本例ではＩＳＧの回転軸２１に固定されたＩＳＧプーリを第二プーリ２２としている。

（動力伝達ベルト）
動力伝達ベルト３は、第一プーリ１２と第二プーリ２２に巻き掛けられ、両プーリ１２,２２の回転を伝動する無端ベルトである。代表的には、リブドベルトやＶベルトが用いられる。

（滑り伝動機構）
滑り伝動機構は、内燃機関１の初爆直後に出力軸１１の回転を動力伝達ベルト３に対して滑りを伴って伝達する。「内燃機関の初爆直後」とは、例えば、初爆からクランク軸１１の回転数が３００ｒｐｍ以下程度の状態にある間をいう。この間は、ピストンの往復運動に伴う動力伝達ベルト３の張力変動が生じ易いためである。

滑り伝動機構の具体的構成としては、図２に示すように、第一プーリ１２にいわゆる遠心クラッチを応用したものが挙げられる。この滑り伝動機構は、内燃機関の出力軸１１に固定された内周回転体１２ｉと、動力伝達ベルト３が巻き掛けられる外周回転体１２ｏとを備える。

内周回転体１２ｉは、例えばクランク軸１１に固定される円盤状のものである。この内周回転体１２ｉの表面には、複数の可動シュー１２ｓと、各可動シュー１２ｓを外周回転体１２ｏに対して離れる方向に付勢する弾性体１２ｅとが設けられている。可動シュー１２ｓは、出力軸１１の低回転時、外周回転体１２ｏに対して滑りを伴って摺接し、出力軸１１の高回転時、遠心力により弾性体１２ｅの付勢力に抗して外周回転体１２ｏに圧接されて、出力軸１１の回転を外周回転体１２ｏにより確実に伝達する。本例では、一対の略台形状の可動シュー１２ｓが出力軸１１を中心に対称位置に配置され、各可動シュー１２ｓの一端を内周回転体１２ｉに対して回動自在に支持している。必要に応じて、可動シュー１２ｓの他端側にはウェイト（図示略）を設けてもよい。ウェイトを設けることで、可動シュー１２ｓの他端側を遠心力で外周回転体１２ｏに圧接させ易くできる。弾性体１２ｅの種類には、ばねの構成、例えば、圧縮ばね、引張ばね、ねじりばね等が挙げられる。本例では、両可動シュー１２ｓ同士を引張ばねでつないでいる。可動シュー１２ｓの形状、数や弾性体１２ｅの種類は適宜選択できる。

一方、外周回転体１２ｏは、内周回転体１２ｉと同軸上に対面される円盤状の本体部と、本体部の外周縁に形成された周壁部とを備える。周壁部の外周面に動力伝達ベルト３が巻き掛けられ、周壁部の内周面に可動シュー１２ｓが摺接される。

内周回転体１２ｉと外周回転体１２ｏとは、クランク軸１１の停止時においても可動シュー１２ｓが適度に外周回転体１２ｏに摺接され、常時回転の伝達が可能なように構成されている。ＩＳＧをスタータモータとして機能させる場合、動力伝達ベルト３で第二プーリ２２から第一プーリ１２の外周回転体１２ｏに伝達された回転を内周回転体１２ｉに伝達させる必要があるからである。この可動シュー１２ｓと外周回転体１２ｏとの摺接は、クランク軸１１の回転数が３００ｒｐｍ以下程度の低速回転時に維持できる一方で、クランク軸１１の回転数が３００ｒｐｍを超える高速回転時には、可動シュー１２ｓが外周回転体１２ｏに圧接されて内周回転体１２ｉと外周回転体１２ｏを一体化できるように、上記弾性体１２ｅの付勢力や可動シュー１２ｓの形状・数などを選択しておく。

（その他の構成）
＜テンショナー＞
図１のベルト伝動機構には、テンショナー４Ａが設けられている。テンショナー４Ａは、動力伝達ベルトに圧接されるテンションプーリ４１Ａと、テンションプーリ４１Ａを動力伝達ベルトに対して追従させるダンパ４２Ａとを有する。ダンパ４２Ａには、油圧シリンダやばね、又はこれらの組合せ等が利用できる。ダンパ４２Ａにより、動力伝達ベルト３に生じる張りや緩みに対してテンションプーリ４１Ａを追従させ、このベルト３の張力をほぼ一定に保つことができる。

＜他のプーリ＞
回転電機２の回転軸２１に設けた第二プーリ２２の他、さらに他の補機プーリ５１やアイドラプーリ５２を備えていてもよい。これら補機プーリ５１やアイドラプーリ５２も動力伝達ベルト３を介して内燃機関の出力軸１１に連動して回転される。他の補機プーリ５１の具体例としては、パワーステアリングポンププーリ、ウォータポンププーリ、エアコンコンプレッサプーリ等が挙げられる。図１では説明の便宜上、一つの補機プーリ５１しか示していないが、複数の補機プーリがあってもよいことはいうまでもない。

（動作）
上記滑り伝動機構の動作は次の通りである。

内燃機関１の始動時、まずＩＳＧをスタータモータとして機能させ、ＩＳＧの回転軸２１→第二プーリ２２→動力伝達ベルト３→第一プーリ１２→内燃機関の出力軸１１の順に回転を伝達させる。このとき、第一プーリの外周回転体１２ｏは内周回転体の可動シュー１２ｓと摺接されているため、外周回転体１２ｏから内周回転体への回転の伝達が行われ、出力軸１１を回転させることができる。

次に、この出力軸１１の回転に合わせて内燃機関１を初爆させ、内燃機関１を駆動させる。この初爆直後、出力軸１１の急峻な回転変動が生じるが、出力軸１１と一体に回転している内周回転体１２ｉは外周回転体１２ｏに対して可動シュー１２ｓで摺接しているため、外周回転体１２ｏとの間で滑りが生じる。これにより、出力軸１１の回転変動が外周回転体１２ｏに入力され難く、外周回転体１２ｏに巻き掛けられた動力伝達ベルト３にも張力変動が生じ難い。

その後、出力軸１１の回転数が上がって回転が安定すると、第一プーリ１２に生じる遠心力の作用により、可動シュー１２ｓが強く外周回転体１２ｏに圧接される。この圧接により内周回転体１２ｉと外周回転体１２ｏとは一体となって回転し、第一プーリ１２→動力伝達ベルト３→第二プーリ２２の順に回転が伝達されてＩＳＧを発電機として機能させることができる。つまり、滑り伝動機構による出力軸１１から動力伝達ベルト３への滑りを伴う伝動は、内燃機関１の初爆直後には作用するが、出力軸１１が高回転時には不作用となる。

（作用効果）
上記の滑り伝動機構を備えるベルト伝動機構は次の効果を奏する。

第一プーリ１２に遠心クラッチを応用した滑り伝動機構を備えることで、内燃機関１の初爆直後、出力軸１１の急峻な回転変動が生じても、その変動を外周回転体１２ｏに入力し難くでき、動力伝達ベルト３の張力変動も生じ難くできる。そのため、動力伝達ベルト３の張力変動に伴うばたつきを抑制し、そのばたつきに伴う異音の発生も抑制することができる。

出力軸１１の回転数が上がると、内周回転体１２ｉと外周回転体１２ｏとが実質的に滑りを伴うことなく一体化されるため、効率的に内燃機関１により回転電機２を駆動することができる。

なお、ＩＳＧではなく、回転電機２をオルタネータとし、その回転軸２１に固定されるオルタネータプーリを第二プーリ２２とする場合も上記作用効果は同様である。出力軸１１の回転始動をスタータモータで行うだけで、内燃機関１の初爆直後の第一プーリ１２、動力伝達ベルト３、及び第二プーリ２２の挙動はＩＳＧの場合と実質的に変わらないからである。

［実施形態２］
図３を参照して、実施形態２に係る内燃機関のベルト伝動機構を説明する。この伝動機構も実施形態１と同様の第二プーリ２２、動力伝達ベルト３、及びテンショナー４Ａを備えるが、第一プーリ１２が遠心クラッチを応用した滑り伝動機構を備えず、代わりの滑り伝動機構として、追加したテンショナー４Ｂを備える点で実施形態１とは構成が異なる。以下、主に実施形態１との相違点を説明する。

（構成）
実施形態２で用いる滑り伝動機構は、テンショナー４Ｂでテンションプーリ４１Ｂの動力伝達ベルト３に対する圧接状態を調整することで、第一プーリ１２と動力伝達ベルト３との間で滑りを生じさせる構成である。具体的には、動力伝達ベルト３へ圧接されるテンションプーリ４１Ｂと、テンションプーリ４１Ｂへの圧接状態を可変とすることで動力伝達ベルト３の張力を調整するダンパ４２Ｂとを備える。ダンパ４２Ｂは、内燃機関１の初爆直後で出力軸１１が低回転の場合、テンションプーリ４１Ｂの動力伝達ベルト３への圧接力を低減して第一プーリ１２の回転に対して動力伝達ベルト３を滑らせる。逆に、出力軸１１が高回転の場合は、テンションプーリ４１Ｂの動力伝達ベルト３への圧接力を増加して第一プーリ１２の回転を動力伝達ベルト３に伝達させる。本例では、テンションプーリ４１Ｂを出力軸１１の回転変動時に動力伝達ベルト３が張り側となる位置に設け、そのテンションプーリ４１Ｂの移動は、ダンパ４２Ｂとなる油圧シリンダの駆動により行う。

（動作と作用効果）
例えば、テンショナー４Ｂのダンパ４２Ｂとして油圧シリンダを用いている場合、内燃機関の始動時、油圧シリンダを駆動してテンションプーリ４１Ｂを通常の位置より動力伝達ベルト３から後退させ、テンションプーリ４１Ｂの動力伝達ベルト３に対する圧接力を弱めるようにしておく。これにより、動力伝達ベルト３の張力を低減しておく。但し、第一プーリ１２と第二プーリ２２間の回転の伝達が可能な程度に動力伝達ベルト３の張力は確保しておく。

この状態でＩＳＧをスタータモータとして機能させ、ＩＳＧの回転軸２１→第二プーリ２２→動力伝達ベルト３→第一プーリ１２→内燃機関の出力軸１１の順に回転を伝達させる。このとき、動力伝達ベルト３の張力が低いが、両プーリ１２,２２間の回転の伝達は可能なため、出力軸１１を回転させることができる。

次に、この出力軸１１の回転に合わせて内燃機関１を初爆させ、内燃機関１を駆動させる。この初爆直後、出力軸１１の急峻な回転変動が生じるが、動力伝達ベルト３の張力が低いため、第一プーリ１２と動力伝達ベルト３との間には滑りが生じる。これにより、出力軸１１（第一プーリ１２）の回転変動が動力伝達ベルト３に入力され難く、そのベルト３の張力変動も生じ難い。

その後、出力軸１１の回転数が上がって回転が安定すると、油圧シリンダを駆動してテンションプーリ４１Ｂを通常の位置に進出させ、テンションプーリ４１Ｂで動力伝達ベルト３をより強く圧接する。これにより、動力伝達ベルト３の張力を高め、第一プーリ１２→動力伝達ベルト３→第二プーリ２２の順になされる回転の伝達を、実質的に滑りを伴うことなく行うことができる。この滑り伝動機構による出力軸１１から動力伝達ベルト３への滑りを伴う伝動も、内燃機関１の初爆直後には作用するが、出力軸１１が高回転時には不作用となる。

実施形態２においても、内燃機関１の初爆直後、出力軸１１の急峻な回転変動が生じても、その変動を動力伝達ベルト３に伝達し難くでき、同ベルト３の張力変動も生じ難くできる。そのため、動力伝達ベルト３の張力変動に伴うばたつきを抑制し、そのばたつきに伴う異音の発生も抑制することができる。

特に、出力軸１１の高回転時における動力伝達ベルト３の張力を、内燃機関１が回転電機２や他の補機を駆動させる際に設定される一般的な張力としておけば、過度の張力が動力伝達ベルト３に作用することもない。そのため、過度の張力に伴うベルト３の劣化・損傷や、回転電機２や他の補機プーリ５１の回転軸や軸受けに対する過大な応力の作用も回避できる。

これら一連のテンションプーリ４１Ｂの移動を行うダンパ４２Ｂの動作は、初爆時の点火プラグへの電圧の印加や、初爆直前のＩＳＧ（スタータモータ）の始動やそれに伴う出力軸１１の回転などを検知し、その検知信号に基づいてダンパ４２Ｂを駆動させるダンパ制御手段（図示略）を用いることが好ましい。ＥＣＵにダンパ制御手段を具備することで、このダンパの一連の動作を自動制御することができる。

本発明の内燃機関のベルト伝動機構は、内燃機関の出力軸の回転を動力伝達ベルトを介してオルタネータなどの補機に伝達する内燃機関の分野において有用に利用できる。

１ 内燃機関（レシプロエンジン）
１１ 出力軸（クランク軸）
１２ 第一プーリ（クランクプーリ）
１２ｉ 内周回転体 １２ｓ 可動シュー １２ｅ 弾性体 １２ｏ 外周回転体
２ 回転電機（ＩＳＧ）
２１ 回転軸
２２ 第二プーリ（ＩＳＧプーリ）
３ 動力伝達ベルト
４Ａ，４Ｂ テンショナー
４１Ａ，４１Ｂ テンションプーリ ４２Ａ，４２Ｂ ダンパ
５１ 補機プーリ ５２ アイドラプーリ

Claims (2)

1. 内燃機関の出力軸に連結される第一プーリと、
   発電機能を有する回転電機の回転軸に連結される第二プーリと、
   前記両プーリに巻き掛けられる動力伝達ベルトと、
   前記内燃機関の初爆直後に前記出力軸の回転を前記動力伝達ベルトに対して滑りを伴って伝達する滑り伝動機構とを備える内燃機関のベルト伝動機構。
2. 前記滑り伝動機構は、前記第一プーリに設けられ、
   当該第一プーリは、
   前記動力伝達ベルトが巻き掛けられる外周回転体と、
   前記出力軸に同期して回転され、前記出力軸の低回転時、前記外周回転体に対して滑りを伴って摺接し、前記出力軸の高回転時、遠心力により前記外周回転体に圧接されて、前記出力軸の回転を前記外周回転体に伝達する可動シューとを備える請求項１に記載の内燃機関のベルト伝動機構。

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