JP2016205932A - 補機トルクの測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】補機駆動用ベルトの効率的な開発に寄与させるために、さほど手間をかけずに、直接的かつ正確に、各種補機の補機トルクを測定する。【解決手段】プーリ構造体１０３のトルクカーブを計測するトルクカーブ計測ステップ、トルクカーブが既知となったプーリ構造体１０３を測定対象となるオルタネータ１０５の駆動軸に接続する接続ステップ、補機駆動装置１０１においてＶリブドベルト１０４を走行させて、プーリ構造体１０３を構成する第１回転体２及び第２回転体３の回転速度を電磁ピックアップ１１１・１１２によって検出する回転速度検出ステップ、第１回転体２及び第２回転体３の回転速度の差分からねじり角度を算出し、算出したねじり角度及びトルクカーブに基づいて、オルタネータ１０５の補機トルクを時系列に沿って算出する補機トルク演算ステップを経て補機トルクを測定する。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車エンジンのオルタネータ、エアコン・コンプレッサ、ウォーターポンプ等各種補機の負荷トルク（以下、補機トルク）を測定する方法に関する。

自動車エンジンのオルタネータ、エアコン・コンプレッサ、ウォーターポンプ等の各種補機に動力を伝達する補機駆動用ベルト（Ｖリブドベルト等）を効率的に設計するに当たっては、まず、対象のベルトレイアウトや各種補機の補機トルクに対応して、補機駆動用ベルトの伝達性能が確保されているかどうかを、実機エンジンによる本格評価より前の段階で見立てる必要がある。

このとき、補機駆動用ベルトの伝達性能の限界を把握しておくことは、補機駆動用ベルトの設計値（有効張力、ベルト幅、ベルト巻付け角度、スパン長、等）が最適なるものに見立てるうえで極めて重要とされる。そして、補機駆動用ベルトの伝達性能の限界を把握するためには、各種補機の補機トルクを正確に測定することが肝要となる。なぜならば、エンジンの始動時等に、各種補機の補機トルクの大きさに依存して、補機駆動用ベルトは補機プーリ上で例えばスリップ現象、或は発音現象を惹起するからである。

このため、各種補機の補機トルクを正確に測定することができれば、実機エンジンによる本格評価より前の事前評価段階で、実走行モードに即した補機駆動用ベルトの挙動解析データとして、例えば、スリップ現象や発音現象と関連深い補機トルクの時系列波形を得ることができる。そして、得られた補機駆動用ベルトの挙動解析データから、伝達性能が確保された補機駆動用ベルトの仕様を早期に見極めることが可能となる。

この点、各種補機の補機トルクを測定することを目的に、特許文献１には、実機エンジンとは異なるベルト駆動装置を別途用意し、この装置を用いて予め個別に補機トルクを測定する方法、具体的には、一対の荷重測定プーリによって補機プーリ両側のベルトスパン部のベルト荷重を夫々測定し、このベルト荷重から補機プーリの緊張側ベルト張力と弛み側ベルト張力を演算することにより補機トルクを算出する方法が開示されている。

特開２００３−９８０４１号公報

もっとも、上記方法のベルト荷重の測定は、一対の荷重測定プーリによってなされるものであり、実機エンジンとは異なる特別な装置構成（プーリレイアウト）の準備を余儀なくされる。

また、上記方法のベルト荷重の測定は、プーリを回転自在に支承するブラケット（断面矩形のプレート状軸受固定部材）に貼付された歪みゲージにより、その曲げ歪みを測定することによってなされるものである。しかし、歪みゲージはその貼り方や使用環境温度によって負荷に対する感度（出力信号）にばらつきを生じさせ易く、また、ブラケットによっては歪み難く、精度の高い測定ができない場合がある。

とりわけ、オルタネータ（補機）は、とりわけ慣性負荷が大きく、ベルトの発音問題に影響することが多い。このため、オルタネータの補機トルクを正確に測定することは、実機エンジンによる本格評価より前の事前評価段階で、実走行モードに即した補機駆動用ベルト挙動解析データとして、例えば、発音時の補機トルクの値を得ることにつながる。そして、発音時の補機トルクの値を得ることができれば、発音問題等を引き起こさない補機駆動用ベルトの仕様を早期に見極めることができる。

そこで、本発明の目的は、補機駆動用ベルトの効率的な開発に寄与させるために、上記課題を解決して、さほど手間をかけずに、直接的かつ正確に、各種補機の補機トルクを測定できる方法を提供することである。

本発明は、補機トルクを時系列に沿って検出する測定方法であって、
前記測定方法は、
２つの回転体の間でねじりコイルばねを介してトルクが伝達されるプーリ構造体における、前記ねじりコイルばねのねじり角度とトルクとの関係性を示すトルクカーブを計測するトルクカーブ計測ステップと、
前記トルクカーブを計測した前記プーリ構造体を、補機に接続する接続ステップと、
駆動プーリと前記プーリ構造体との間に巻き掛けた補機駆動用ベルトを走行させて、前記２つの回転体の回転速度を時系列に沿ってそれぞれ検出する回転速度検出ステップと、
前記２つの回転体の回転速度の差分からねじり角度を算出し、算出した当該ねじり角度及び前記トルクカーブに基づいて、前記補機トルクを時系列に沿って算出する補機トルク演算ステップと、
を含むことを特徴としている。

上記方法によれば、補機トルクの測定に際して、特別なプーリレイアウトを要せず、測定対象の補機にプーリ構造体を接続し、２つの回転体の回転速度を測定する一対の速度センサを使用するだけで済み、手間を省くことができる。
また、２つの回転体が相対回転すると、２つの回転体の間でねじりコイルばねを介してトルクが伝達されるプーリ構造体に関して、２つの回転体が相対回転し、ねじりコイルばねが２つの回転体の間で周方向にねじれる際のねじり角度と、その際に発生するトルク（ねじりトルク）との関係性（関数式）を、トルクカーブとして計測している（このトルクカーブは、プーリ構造体の構成ごとに定まるものである）。
そして、予めプーリ構造体のトルクカーブを計測することにより、既知なるトルクカーブに基づいて、（プーリに加わる荷重測定を経なくても）さほど手間をかけずに、直接的かつ正確に補機トルクの時系列波形を得ることができる。
また、荷重測定を要せず、取扱い面倒で出力特性が変化しやすい歪みゲージ等の取付が不要であるので、測定の信頼性を高め、手間も省くことができる。
従って、特別なプーリレイアウトを要せず、また、さほど手間をかけずに、かつ正確に、補機トルクを測定することができる。

また、本発明は、上記プーリ構造体が、前記ねじりコイルばねの一端側の外周面が拡径方向の自己弾性復元力によって一方の回転体に押し付けられており、
前記２つの回転体が相対回転によって前記ねじりコイルばねが拡径方向にねじれた場合に、前記ねじりコイルばねの他端側領域のうち少なくとも周方向一部分の内周面が他方の回転体から離れることを特徴とする補機トルクの測定方法である。

上記補機トルクの測定方法に関して、上記プーリ構造体を使用することにより、２つの回転体が相対回転した際に、ねじりコイルばねの他端側領域のうち少なくとも周方向一部分の内周面が他方の回転体から離れることにより、ねじりコイルばねの有効巻数を増加させてばね定数を低下させることができるので、ねじりコイルばねの耐疲労性を向上させることができる。
これにより、プーリ構造体の耐久性を向上させ、同じプーリ構造体を繰り返し使用したとしても測定の信頼性を確保することができる。

また、本発明は、上記プーリ構造体が、前記ねじりコイルばねの前記他端側の端面と周方向に対向する当接面を前記他方の回転体に有しており、
前記２つの回転体が相対回転によって前記ねじりコイルばねが拡径方向にねじれた場合に、前記ねじりコイルばねの前記他端側の端面が前記当接面に当たる前に前記ねじりコイルばねの前記他端側領域の拡径変形を規制する、規制手段をさらに有する、ことを特徴とする補機トルクの測定方法である。

上記プーリ構造体を使用することにより、ねじりコイルばねの拡径方向のねじり角度が大きくなるにつれて、他方の回転体に当接するコイルばねの外周面の領域を段階的に変化させることにより、ねじりコイルばねの有効巻数を段階的に増加させて、ばね定数をより低下させることができる。これにより、ねじりコイルばねの耐疲労性をさらに向上させることができ、繰り返し使用しても測定の信頼性を十分に確保することができる。

また、本発明は、上記プーリ構造体の本体部分の構成が補機用プーリ構造体と共通することを特徴とする補機トルクの測定方法である。

上記のように、補機用プーリ構造体を補機トルク測定用に転用することにより、プーリ構造体を新規に作製する必要がなく、コスト・手間を省くことができる。また、補機トルクの測定用のプーリ構造体と、補機用プーリ構造体とが共通であるため、補機トルクの測定結果の信頼性も高めることができる。

補機駆動用ベルトの効率的な開発に寄与させるために、さほど手間をかけずに、直接的かつ正確に、各種補機の補機トルクを測定することができる。

エンジン補機駆動用ベルト装置、回転速度検出手段、及び、補機トルク演算手段の説明図である。 本実施例のプーリ構造体の断面図である。 図２のII−II線断面図である。 トルクカーブ計測装置の説明図である。 トルクカーブ(ねじり角度−ねじりトルク）を示すグラフである。 オルタネータの補機トルクの時系列波形を示すグラフである。 オルタネータ用の補機プーリとして使用するプーリ構造体の断面図である。

本実施形態では、図１に示す補機駆動装置１０１（エンジン補機駆動用ベルト装置）によって、自動車エンジンの出力が駆動プーリ１０２（クランクプーリ１０２）から補機駆動用ベルト１０４（Ｖリブドベルト）及びプーリ構造体１０３を介して伝達される補機（オルタネータ１０５）の負荷トルク（以下、補機トルク）を時系列に沿って検出する補機トルクの測定方法として説明する。補機トルクの測定対象となる補機としては、オルタネータ１０５の他に、エアコン・コンプレッサ、ウォーターポンプ等が挙げられる。なお、補機トルクとは、補機の負荷トルクのことであって、エンジンのトルクがクランクプーリ１０２から補機駆動用ベルト１０４およびプーリ構造体１０３を介して補機に伝達される際に、負荷装置である補機を動かすのに必要なトルクのことである。言い換えれば、補機からプーリ構造体１０３を介して補機駆動用ベルト１０４に加わる負荷の大きさに相当する。この補機トルクは補機の回転速度に対して一定とは限らず、変動する。

補機トルクの測定方法としては、主に以下ステップを経ることによって測定する。
ステップ１：補機トルクの測定対象となる補機の選定
ステップ２：プーリ構造体１０３のトルクカーブの計測（２つの回転体の間でねじりコイルばねを介してトルクが伝達されるプーリ構造体１０３における、ねじりコイルばねのねじり角度とトルクとの関係性を示すトルクカーブを計測するトルクカーブ計測ステップ）
ステップ３：トルクカーブが既知となったプーリ構造体１０３を、測定対象となる補機の駆動軸に接続（接続ステップ）
ステップ４：補機駆動装置１０１において補機駆動用ベルト１０４を走行させて、プーリ構造体１０３を構成する２つの回転体の回転速度を回転速度検出手段（速度センサ）によって検出（回転速度検出ステップ）
ステップ５：２つの回転体の回転速度の差分からねじり角度を算出し、算出した当該ねじり角度及びトルクカーブに基づいて、補機の補機トルクを時系列に沿って算出する（補機トルク演算ステップ）

（実施例）
上記補機トルクの測定方法を実施例に基づき詳細に説明する。

（ステップ１：補機の選定）
図１に示すように、エンジン補機駆動用ベルト装置１０１によって、自動車エンジンの出力が、１本のＶリブドベルト１０４を介して、自動車エンジンのクランク軸に連結されたクランクプーリ１０２（Ｃｒ）から時計回りに、オルタネータ１０５（ＡＬＴ）に接続されたプーリ構造体１０３、ウォーターポンプ（ＷＰ）に接続されたＷＰプーリ、エアコン・コンプレッサ（ＡＣ）に接続されたＡＣプーリに対してそれぞれ伝達され、各補機（オルタネータ１０５、ウォーターポンプ、エアコン・コンプレッサ）は駆動される。また、クランクプーリ１０２とプーリ構造体１０３とのベルトスパン間に、オートテンショナ（Ａ／Ｔ）が設けられている。ここで、本実施例で補機トルクの測定対象としたのはオルタネータ１０５である（補機の選定）。

なお、補機としては、上記実施例のレイアウトの補機の他、パワーステアリング用油圧ポンプ（Ｐ/Ｓ）を設けても良い。また、交流発電機である上記オルタネータ１０５は、ＡＣジェネレータ（ＡＣＧ）とも呼ばれている。

（ステップ２：トルクカーブ計測ステップ）
次に、プーリ構造体１０３のトルクカーブを計測する。本実施例では、エンジン補機駆動用ベルト装置１０１において配置され、オルタネータ１０５に接続されているプーリ構造体１０３のトルクカーブを測定する。ここで、トルクカーブとは、プーリ構造体１０３のねじりコイルばねが２つの回転体の間で周方向にねじれる際のねじり角度とねじりトルクとの関係性（ＸＹ関数式：図５参照）を示すものである。このプーリ構造体１０３のトルクカーブは、後述するトルクカーブ計測装置１５０によって計測する（図４参照）。

（プーリ構造体１０３：構成）
プーリ構造体１０３の構成について説明する。
本実施例のプーリ構造体１０３は、図１に示すように、エンジン補機駆動用ベルト装置１０１において、オルタネータ１０５の駆動軸に設置される。そして、自動車エンジンのクランク軸に連結されたクランクプーリ１０２の回転がＶリブドベルト１０４を介してプーリ構造体１０３に伝達されることで、オルタネータ１０５が駆動される。自動車エンジンのクランク軸は、エンジン燃焼に起因して回転速度が変動し、それに伴いＶリブドベルト１０４の走行速度も変動する。

図２および図３に示すように、本実施例のプーリ構造体１０３は、Ｖリブドベルト１０４が巻き掛けられる略筒状の第１回転体（プーリ）２と、第１回転体２の内側に回転軸を同一に配置される略筒状の第２回転体（ハブ）３と、第１回転体２と第２回転体３との間に形成されるばね収容空間８に収容されたねじりコイルばね４と、第１回転体２の外周に取り付けられた第１リングギヤ９１と、第２回転体３の回転軸方向の一方側に取り付けられた第２リングギヤ９２とを備えている。以下の説明において、図２中の紙面上の左方向を前方向、右方向を後方向と称する。

第２回転体３は、オルタネータ１０５の駆動軸Ｓに固定される筒本体３１と、筒本体３１の前端部の外側に配置された外筒部３２と、筒本体３１の前端と外筒部３２の前端を連結する円環板部３３とを有する。駆動軸Ｓは、筒本体３１の内周面のネジ溝に螺合されて固定されている。

第１回転体２の前端部の内周面と、第２回転体３の外筒部３２の外周面との間には、滑り軸受６が介設されている。第１回転体２の後端部の内周面と、第２回転体３の筒本体３１の外周面との間には、転がり軸受７が介設されている。この２つの軸受６、７によって、第１回転体２と第２回転体３とは相対回転可能に連結されている。第１回転体２および第２回転体３は、図３の矢印方向（前方から見て時計回り）に回転する。

ばね収容空間８内において、第１回転体２の内径は、後方に向かって２段階で小さくなっている。最も小さい内径を有する部分の内周面を圧接面２ａとし、２番目に小さい内径を有する部分の内周面を環状面２ｂとする。環状面２ｂの径は、第２回転体３の外筒部３２の内径と同じか、それよりも大きい。圧接面２ａの前方の角部は全周にわたってテーパー状に面取りされている。この面取り部２ｃの前後方向（回転軸方向）に対する傾斜角度αは、１０〜２０°が好ましく、１５°がより好ましい。また、第２回転体３の筒本体３１は、前端部において、ばね収容空間８内のその他の部分よりも外径が大きくなっている。この部分の外周面を接触面３１ａとする。

図３に示すように、第２回転体３の前端部には、ねじりコイルばね４の前端面４ａと周方向に対向する当接面３ａが形成されている。当接面３ａは軸方向から見て円弧状に形成されている。また、外筒部３２の内周面には、径方向内側に向かって突出する突起部３２ａ（規制手段）が設けられている。突起部３２ａは、当接面３ａから回転方向（図３中の矢印方向）と反対側に約９０°離れた位置に形成されている。突起部３２ａは、ねじりコイルばね４の前側領域の外周面と対向する。

ねじりコイルばね４は、断面形状が矩形状の線材で形成されている。ねじりコイルばね４の線材には、例えば、ばね用オイルテンパー線（ＪＩＳＧ３５６０に準拠）が用いられる。ねじりコイルばね４は、左巻き（軸方向先端に向かって反時計回り）である。ねじりコイルばね４は、外力を受けていない状態において、全長にわたって径が一定である。外力を受けていない状態でのねじりコイルばね４の外径は、第１回転体２の圧接面２ａの内径よりも大きい。

ねじりコイルばね４の後側領域は、縮径された状態で第１回転体２の圧接面２ａに当接している。つまり、ねじりコイルばね４の後側領域の外周面は、ねじりコイルばね４の自己弾性復元力によって第１回転体２の圧接面２ａに押し付けられている。

プーリ構造体１０３が停止しており、ねじりコイルばね４の後側領域の外周面が自己弾性復元力によって圧接面２ａに押し付けられた状態において、ねじりコイルばね４の前側領域は、若干拡径された状態で第２回転体３の接触面３１ａと当接している。つまり、ねじりコイルばね４の前側領域の内周面は、ねじりコイルばね４の自己弾性復元力によって第２回転体３の接触面３１ａに押し付けられている。

ねじりコイルばね４の前側領域の内周面が接触面３１ａに接触している状態において、ねじりコイルばね４の前側領域の外周面と第２回転体３の外筒部３２の内周面との間には、隙間が形成されている。また、第１回転体２の環状面２ｂとねじりコイルばね４の外周面との間には、隙間が形成されている。本実施形態では、プーリ構造体１０３が停止している状態において、図３に示すように、ねじりコイルばね４の外周面と突起部３２ａとの間には隙間が形成されているが、ねじりコイルばね４の外周面と突起部３２ａが接していてもよい。

第１リングギヤ９１は、磁性体からなる歯形部材であり、ボルト又は溶接により第１回転体２の外周に取り付けられている。この第１リングギヤ９１の回転を、後述する電磁ピックアップによって検知し、第１回転体２の回転速度を検出する。

第２リングギヤ９２も、第１リングギヤ９１同様に、磁性体からなる歯形部材であり、ボルト又は溶接により第２回転体３の回転軸方向の一方側に取り付けられている。この第２リングギヤ９２の回転を、後述する電磁ピックアップによって検知し、第２回転体３の回転速度を検出する。

なお、第１リングギヤ９１及び第２リングギヤ９２は、第１回転体２の回転速度及び第２回転体３の回転速度を検出するために設けられたもので、通常、オルタネータ１０５の補機プーリとして使用される場合には、図７に示すように、第１リングギヤ９１及び第２リングギヤ９２が取り外され、代わりに、エンドキャップ５によって第１回転体２の前方の空間１４を塞がれている。このような構成にすることで、補機プーリとして使用するプーリ構造体と補機トルクを測定する場合のプーリ構造体とを共通化している。

（プーリ構造体１０３：動作）
次に、プーリ構造体１０３の動作について説明する。
先ず、第１回転体２の回転速度が第２回転体３の回転速度より速くなった場合、即ち、第１回転体２が加速する場合について説明する。この場合、第１回転体２は、第２回転体３に対して回転方向（図３の矢印方向）と同じ方向に相対回転する。

第１回転体２の相対回転に伴って、ねじりコイルばね４の後側領域は、第１回転体２の圧接面２ａとともに第２回転体３に対して相対回転する。これにより、ねじりコイルばね４は、拡径方向にねじれる。ねじりコイルばね４の後側領域の圧接面２ａに対する圧接力は、ねじりコイルばね４のねじり角度が大きくなるほど増大する。

ここで、ねじりコイルばね４の接触面３１ａと接触する領域（前側領域）のうち、前端面４ａから回転軸回りに９０°離れた位置付近を第２領域４ｂ２とし、第２領域４ｂ２よりも前端面４ａ側の部分を第１領域４ｂ１とし、残りの部分を第３領域４ｂ３とする。

ねじりコイルばね４の前端面４ａから回転軸回りに９０°離れた位置付近（第２領域４ｂ２）は、最もねじり応力を受けやすいため、ねじり角度が大きくなると、ねじりコイルばね４の第２領域４ｂ２は接触面３１ａから離れる。このとき、第１領域４ｂ１と第３領域４ｂ３は接触面３１ａに圧接している。第２領域４ｂ２が接触面３１ａから離れるとほぼ同時、または、それよりもねじり角度が大きくなったときに、第２領域４ｂ２の外周面は、突起部３２ａに当接する。

第２領域４ｂ２の外周面が突起部３２ａに当接することにより、ねじりコイルばね４の前側領域の拡径変形が規制（抑制）されるため、ねじり応力が前側領域以外の巻部に分散される。特に、ねじりコイルばね４の後側の巻部にかかるねじり応力が増加する。これにより、ねじりコイルばね４の各巻部にかかるねじり応力の差を低減でき、ねじりコイルばね４全体で歪エネルギーを吸収できるため、局部的な疲労破壊を防止できる。

また、第３領域４ｂ３の接触面３１ａに対する圧接力は、ねじり角度が大きくなるほど低下し、第２領域４ｂ２が突起部３２ａに当接すると同時、または、それよりもねじり角度が大きくなったときに、第３領域４ｂ３の接触面３１ａに対する圧接力はほぼゼロとなる。このときのねじり角度を角度θ１（例えば３°）とする。

ねじりコイルばね４の拡径方向のねじり角度が角度θ１を超えると、第３領域４ｂ３の拡径変形により第３領域４ｂ３は接触面３１ａから離れていくが、第３領域４ｂ３と第２領域４ｂ２の境界付近、即ち、突起部３２ａの当接面３ａから遠い方の端部付近において、ねじりコイルばね４が湾曲（屈曲）することは無く、前側領域は円弧形状に維持される。つまり、前側領域は、突起部３２ａを摺動しやすい形状に維持されている。そのため、ねじり角度が大きくなって前側領域にかかるねじり応力が増加すると、ねじりコイルばね４の前側領域は、第２領域４ｂ２の突起部３２ａに対する圧接力、および、第１領域４ｂ１の接触面３１ａに対する圧接力に抗して、周方向に移動（突起部３２ａと接触面３１ａを摺動）し、ねじりコイルばね４の前端面４ａが、第２回転体３の当接面３ａを押圧する。前端面４ａが当接面３ａを押圧することにより、２つの回転体２、３の間で確実にトルクを伝達できる。

このように、ねじりコイルばね４の拡径方向のねじり角度が角度θ１以上（角度θ２未満）の場合には、ねじりコイルばね４の前側領域は、第３領域４ｂ３が接触面３１ａから離間し（且つ外筒部３２の内周面に接触しておらず）、第２領域４ｂ２が突起部３２ａに圧接されているため、ねじり角度がθ１未満の場合に比べて、ねじりコイルばね４の有効巻数が増加する。コイルばねの有効巻数とは、ばね全長からばねを固定している部分を除いた範囲の巻き数であって、ばね定数（ねじりトルク／ねじり角度）と反比例する。拡径方向のねじり角度が角度θ１を超えると、有効巻数が増加することで、ばね定数が低下する。

ねじりコイルばね４の拡径方向のねじり角度が所定の角度θ２（例えば４５°）になると、ねじりコイルばね４の中領域（前側領域と後側領域の間の領域）の外周面が第１回転体２の環状面２ｂに当接するか、もしくは、ねじり角度が限界角度に達することで、ねじりコイルばね４のそれ以上の拡径変形が規制され、第１回転体２と第２回転体３が一体的に回転する。これにより、ねじりコイルばね４の拡径変形による破損を防止できる。

次に、第１回転体２の回転速度が第２回転体３の回転速度より遅くなった場合、即ち、第１回転体２が減速する場合について説明する。この場合、第１回転体２は、第２回転体３に対して回転方向（図３の矢印方向）と逆方向に相対回転する。

第１回転体２の相対回転に伴って、ねじりコイルばね４の後側領域が、第１回転体２の圧接面２ａとともに第２回転体３に対して相対回転するため、ねじりコイルばね４は、縮径方向にねじれる。

ねじりコイルばね４の縮径方向のねじり角度が所定の角度θ３（例えば１０°）未満の場合には、ねじりコイルばね４の後側領域の圧接面２ａに対する圧接力は、ねじり角度がゼロの場合に比べて若干低下するものの、ねじりコイルばね４の後側領域は圧接面２ａに圧接している。また、ねじりコイルばね４の前側領域の接触面３１ａに対する圧接力は、ねじり角度がゼロの場合に比べて若干増大する。

ねじりコイルばね４の縮径方向のねじり角度が角度θ３以上の場合には、ねじりコイルばね４の後側領域の圧接面２ａに対する圧接力はほぼゼロとなり、ねじりコイルばね４の後側領域は圧接面２ａを周方向に摺動する。したがって、２つの回転体２、３の間でトルクは伝達されない。

（トルクカーブ計測装置１５０）
トルクカーブ計測装置１５０は、図４に示すように、架台１５１内外に設けられた、サーボモータ１５２、ギヤボックス１５３、ギヤボックス１５３に連結された軸１５４、軸１５４に配置されたトルク計１５５、軸１５４に配置されたエンコーダ１５６（回転角度計）、軸１５４を架台１５１に回転可能に支持する軸受１５７、軸１５４の先端に設けられたブラケット１５８、及び、回転止め具１５９によって構成されている。また、このトルクカーブ計測装置１５０のトルク計１５５及びエンコーダ１５６は、外部のデータロガー１１５及びパソコン１１６に接続されている。

ブラケット１５８には、トルクカーブの測定対象となるプーリ構造体１０３のハブに嵌合する軸（おねじ部含む）が設けられている。エンコーダ１５６（回転角度計）は、プーリ構造体１０３の第１回転体２と第２回転体３との間で周方向にねじれた際の相対的な角度差をねじりコイルばね４のねじり角度（回転角度）として測定する。トルク計１５５は、プーリ構造体１０３に接続された軸１５４の回転トルクを検出する。

また、回転止め具１５９は、軸１５４に接続されたプーリ構造体１０３の第１回転体２が回転しないよう固定するためのもので、架台１５１に固定されている。具体的には、架台１５１に固定された回転止め具１５９の先端部分１５９Ａ（凸状矩形形状）を、プーリ構造体１０３の外周面に設けた径方向外側に突出し軸方向に延在する凹部を有する凹状部材１５９Ｂ（ボルト止め等により取付取外し自在）の凹部に、くさびを入れるような態様で挟みこんで、第１回転体２が回転できないようにする。

（トルクカーブの計測手順）
（１）プーリ構造体１０３をブラケット１５８に取付けた（プーリ構造体１０３のハブを、ブラケット１５８の軸にねじ込み接続する）。このときプーリ構造体１０３には、第１リングギヤ９１及び第２リングギヤ９２が装着された状態で供される。こうしたのは、後述する回転速度検出ステップにおいて、装着した第１リングギヤ９１及び第２リングギヤ９２の質量が被測定系の物理定数（回転モーメント）に影響するのを、トルクカーブ計測においても装着することにより相殺させる（打ち消す）ためである。

（２）プーリ構造体１０３の第１回転体２を回転止め具１５９によって固定して、第１回転体２が回転できないようにした。

（３）サーボモータ１５２により、ハブを捻り、軸１５４を回転させた。このとき室温２５±２℃、軸１５４の回転速度は、１．５ｒｐｍとした。

（４）上記軸１５４の回転に伴い、エンコーダ１５６及びトルク計１５５によって、ねじり角度とねじりトルクが計測され、時系列に沿って、ねじり角度とねじりトルクがデータロガー１１５に記録される（自動）。

（５）パソコン１１６（表計算ソフト）にて、データロガー１１５に記録されたねじり角度とねじりトルクのデータを処理し、トルクカーブ（ねじりコイルばね４のねじり角度とねじりトルクとの関係性）のグラフを得た。具体的には、図５に示すように、プーリ構造体１０３のねじりコイルばね４のねじり角度ＸとねじりトルクＹとの関係性を示すトルクカーブのグラフが得られた。本実施例では、トルクカーブとして、ねじり角度０°から６０°まで、ほぼ１次関数（直線）とみなせるＸＹ関数式（図５より、Ｙ=ａＸ、ａは傾き（ばね定数））が得られた。なお、トルクカーブは、二次関数（放物線）でもよいが、単純な一次関数（直線）である方がねじり角度の変化に対するトルク変化（感度）が一定、ばね定数が一定の関係となるので好ましい。また、トルクカーブは、折れ線になっても（関数式が変わるだけなので）構わない。トルクカーブの傾き（ばね定数）は、大きい方がねじり角度に対する感度が増すので好ましいといえる。

（ステップ３：接続ステップ）
次に、図１に示すように、ステップ２においてトルクカーブを計測したプーリ構造体１０３を、補機トルクの測定対象となるオルタネータ１０５の駆動軸に接続した。具体的には、プーリ構造体１０３のハブの前側（反補機側）が軸方向直角断面において正六角形の凹部になっており、六角レンチにより、ハブのめねじ部分をオルタネータ１０５の駆動軸先端のおねじ部分に完全にねじ込み、接続（締結）した。

（ステップ４：回転速度検出ステップ）
次に、図１に示す回転速度検出手段としての回転速度センサ、具体的には、２つの電磁ピックアップ１１１（第１回転体２側）及び電磁ピックアップ１１２（第２回転体３側）の先端を、それぞれ第１回転体２に取り付けられた第１リングギヤ９１と第２回転体３に取り付けられた第２リングギヤ９２とに近接しかつ対向し得るように、非接触に配設した。

電磁ピックアップ１１１及び電磁ピックアップ１１２は、内部に磁石とコイルを持っており、被測定物である第１回転体２に取り付けた第１リングギヤ９１及び第２回転体３に取り付けた第２リングギヤ９２の回転動作によって電気（パルス）を発生させるもので、磁気式ギヤ速度センサ、一般には電磁ピックアップと呼ばれているセンサである。本実施例の場合、電磁ピックアップ１１１及び電磁ピックアップ１１２は、第１リングギヤ９１及び第２リングギヤ９２のそれぞれの回転動作による磁気変化を検出し、この回転速度に対応するパルス信号(周波数信号）をケーブルを介して、後述する補機トルク演算手段に出力するものである。本実施例では、電磁ピックアップ１１１及び電磁ピックアップ１１２は、ココリサーチ社製（型番FDP10-A37）を使用している。なお、電磁ピックアップを速度センサとして用いる代わりに、レーザ速度ムラ計を速度センサとして用いてもよい。この場合は、出力は速度信号であるため、ＦＶコンバータを省略できる。

上記のように電磁ピックアップ１１１及び電磁ピックアップ１１２（回転速度検出手段としての回転速度センサ）を配置した状態で、エンジン補機駆動用ベルト装置１０１において、冷間状態から、スタータによりエンジンを始動させＶリブドベルト１０４を走行させた。そして、この際、電磁ピックアップ１１１及び電磁ピックアップ１１２によって、第１リングギヤ９１及び第２リングギヤ９２のそれぞれの回転動作による磁気変化を検出し、この回転速度に対応するパルス信号(周波数信号：単位時間当たりのピーク数）を逐次補機トルク演算手段に出力させた。ここで、本実施例では、第１リングギヤ９１及び第２リングギヤ９２のそれぞれの歯の１つが、電磁ピックアップ１１１及び電磁ピックアップ１１２の先端を横切ったときの磁気変化を検出し１つのピークとしてカウントする。即ち、回転速度に対応するパルス信号(周波数信号)は、１秒間に電磁ピックアップの先端を横切った歯数（歯数／sec）のデータ情報として出力される。

（ステップ５：補機トルク演算ステップ）
次に、ステップ５において出力された回転速度に対応するパルス信号(周波数信号：歯数／sec）に基づき、図１に示す補機トルク演算手段によってオルタネータ１０５の補機トルクを時系列に沿って算出する。

補機トルク演算手段は、図１に示すように、電磁ピックアップ１１１及び電磁ピックアップ１１２の各ケーブルがそれぞれ接続されたＦＶコンバータ１１３及びＦＶコンバータ１１４と、データロガー１１５と、パソコン１１６とによって構成されている。

ＦＶコンバータ１１３及びＦＶコンバータ１１４は、電磁ピックアップ１１１及び電磁ピックアップ１１２から出力された回転速度に対応するパルス信号（周波数信号：歯数／sec）を電圧信号に変換するものである（ＦＶコンバータは、ココリサーチ社製、型番KAZ-Mighty）。データロガー１１５は、ＦＶコンバータ１１３及びＦＶコンバータ１１４と接続されており、電磁ピックアップ１１１及び電磁ピックアップ１１２から出力された回転速度に対応するパルス信号から変換された電圧信号を記録する装置である（データロガー１１５は、キーエンス社製、型番NR-2000）。なお、データロガー１１５の代わりに、FFTアナライザーを用いてもよい。パソコン１１６は、データロガー１１５に接続されており、データロガー１１５に格納されたデータ等に基づいて、演算（表計算ソフト等により）を行い、補機トルクの時系列波形（グラフ）を、アウトプットする。

以下にパソコン１１６によって実行される具体的な演算手順の一例を説明する。
（１）時系列に、電磁ピックアップ１１１から出力された回転速度に対応するパルス信号から変換された電圧信号のデータ情報（歯数/sec）を、第１リングギヤ９１の総歯数（１周当たりの歯数）で除算して、第１回転体２の回転速度（回転/sec）を演算した。
同様に、時系列に、電磁ピックアップ１１２から出力された回転速度に対応するパルス信号から変換された電圧信号のデータ情報（歯数/sec）を、第２リングギヤ９２の総歯数（１周当たりの歯数）で除算して、第２回転体３の回転速度（回転/sec）を演算した。

（２）時系列に、第１回転体２の回転速度（回転/sec）に２πラジアンを乗じて、角速度（rad/sec）に変換した。
同様に、時系列に、第２回転体３の回転速度（回転/sec）に２πラジアンを乗じて、角速度（rad/sec）に変換した。

（３）時系列に、第１回転体２の角速度（rad/sec）と第２回転体３の角速度（rad/sec）との差分（ねじり角度データＸ：単位時間当たりのねじりコイルばねのねじり角度に相当）を演算した。

（４）この時系列のねじり角度データＸを、直接、ステップ２において得られたトルクカーブのＸＹ関数式（ねじりコイルばね４のねじり角度ＸとねじりトルクＹとの関係性（図５より、Ｙ=ａＸ、ａは傾き（ばね定数）））に代入することにより、オルタネータ１０５の補機トルクの時系列波形（グラフ）を得た（図６参照）。

上記ステップを経て得られたオルタネータ１０５の補機トルクの時系列波形の一例を、図６に示す。なお、上記一連のステップは、室温２５±２℃の下で行った。図６のグラフは、冷間状態にてエンジンを始動させた時のオルタネータ１０５の補機トルクを時系列に沿って記録した時系列波形である。

具体的には、図６に示すように、Ａ：スタータ始動によるクランキング段階（間欠的）での補機トルク、Ｂ：エンジンが始動した瞬間に発生する補機トルク（始動トルクと呼ぶ、このときが最大値、４７Ｎｍ）、および、Ｃ：エンジンが始動して、回転数が上昇しているときのトルク波形、以上の時系列波形を得ることができた。

繰り返し使用性の評価として、上記ステップ４及びステップ５を、間欠的に行った。具体的には『補機トルク測定後、エンジンを止めて１２時間以上放冷させ、完全にエンジンを冷間状態にしてから、エンジンを再始動させて補機トルクを測定する操作』を３０回繰り返し実施しても、補機トルクの時系列波形、特には始動トルクの値に、違いは認められなかった。

また、上記ステップ４及びステップ５を３０回繰り返したあと、ステップ２のトルクカーブを改めて計測したが、得られたトルクカーブは、上記ステップ４及びステップ５を３０回繰り返す前に予め計測したトルクカーブと一致するものであった。

これにより、同じプーリ構造体１０３を繰り返し使用しても測定の信頼性を確保できていることがわかった。

（効果）
上記測定方法によれば、補機トルクの測定に際して、特別なプーリレイアウトを要せず、測定対象のオルタネータ１０５にプーリ構造体１０３を接続し、第１回転体２及び第２回転体３の回転速度を測定する一対の電磁ピックアップ１１１及び電磁ピックアップ１１２を使用するだけで済み、手間を省くことができる。

また、第１回転体２と第２回転体３とが相対回転すると、第１回転体２と第２回転体３との間でねじりコイルばね４を介してトルクが伝達されるプーリ構造体１０３に関して、第１回転体２と第２回転体３とが相対回転し、ねじりコイルばね４が第１回転体２と第２回転体３との間で周方向にねじれる際のねじり角度と、その際に発生するトルク（ねじりトルク）との関係性（関数式）を、トルクカーブとして計測している。
そして、予めプーリ構造体１０３のトルクカーブを計測することにより、既知なるトルクカーブに基づいて、（プーリ構造体１０３に加わる荷重測定を経なくても）さほど手間をかけずに、直接的かつ正確にオルタネータ１０５の補機トルクの時系列波形を得ることができる。

また、荷重測定を要せず、取扱い面倒で出力特性が変化しやすい歪みゲージ等の取付が不要であるので、測定の信頼性を高め、手間も省くことができる。従って、特別なプーリレイアウトを要せず、また、さほど手間をかけずに、かつ正確に、補機トルクを測定することが可能となる。

また、上記測定方法に関して、上記構造のプーリ構造体１０３を使用することにより、第１回転体２と第２回転体３とが相対回転した際に、ねじりコイルばね４の前側領域は、第３領域４ｂ３が接触面３１ａから離間することにより、ねじりコイルばね４の有効巻数を増加させてばね定数を低下させることができるので、ねじりコイルばね４の耐疲労性を向上させることができる。これにより、プーリ構造体１０３の耐久性を向上させ、同じプーリ構造体１０３を繰り返し使用したとしても測定の信頼性を確保することができる。

また、上記プーリ構造体１０３を使用することにより、ねじりコイルばね４の拡径方向のねじり角度が大きくなるにつれて、第１回転体２に当接するねじりコイルばね４の外周面の領域が段階的に変化させることにより、ねじりコイルばね４の有効巻数を段階的に増加させて、ばね定数をより低下させることができる。これにより、ねじりコイルばね４の耐疲労性をさらに向上させることができ、繰り返し使用しても測定の信頼性を十分に確保することができる。

また、上記のように、補機プーリとして使用するプーリ構造体と補機トルクを測定する場合のプーリ構造体とを共通化することにより、プーリ構造体１０３を新規に作製する必要がなく、コスト・手間を省くことができる。また、補機プーリとして使用するプーリ構造体と補機トルクを測定する場合のプーリ構造体とが共通であるため、補機トルクの測定結果の信頼性も高めることができる。

更に、得られた補機トルクの大きさをＶリブドベルト１０４の設計値と照合して、Ｖリブドベルト１０４の伝達性能の限界を超えていないか、伝達性能等が確保されているか、発音問題等を引き起こさないか等の設計事項を実機エンジンによる本格評価より前に見極めて、エンジン補機駆動用ベルト装置１０１に適合するＶリブドベルト１０４の仕様を決定することができる。

（その他の実施形態）
本実施例では、予めプーリ構造体１０３のトルクカーブを計測してから、オルタネータ１０５の補機トルクを測定したが（ステップ２のトルクカーブ計測ステップ⇒ステップ４の回転速度検出ステップ⇒ステップ５の補機トルク演算ステップ）、逆に、ステップ４の回転速度検出ステップを経た後に、ステップ２のトルクカーブ計測ステップによってプーリ構造体１０３のトルクカーブを計測してもよい（ステップ４の回転速度検出ステップ⇒ステップ２のトルクカーブ計測ステップ⇒ステップ５の補機トルク演算ステップ）。

また、本実施例は、オルタネータ１０５の駆動軸にトルクカーブが既知のプーリ構造体１０３を接続して、オルタネータ１０５の補機トルクを測定したが、オルタネータ１０５以外の補機（ウォーターポンプ、エアコン・コンプレッサ、パワーステアリング用油圧ポンプ等）の駆動軸にトルクカーブが既知のプーリ構造体１０３を接続して、オルタネータ１０５以外の補機の補機トルクも同様に測定することができる。

１０１ エンジン補機駆動用ベルト装置
１０３ プーリ構造体
１０４ Ｖリブドベルト
１０５ オルタネータ
１１１・１１２ 電磁ピックアップ
１１３・１１４ ＦＶコンバータ
１１５ データロガー
１１６ パソコン
１５０ トルクカーブ計測装置

Claims (4)

1. 補機トルクを時系列に沿って検出する測定方法であって、
   前記測定方法は、
   ２つの回転体の間でねじりコイルばねを介してトルクが伝達されるプーリ構造体における、前記ねじりコイルばねのねじり角度とトルクとの関係性を示すトルクカーブを計測するトルクカーブ計測ステップと、
   前記トルクカーブを計測した前記プーリ構造体を、補機に接続する接続ステップと、
   駆動プーリと前記プーリ構造体との間に巻き掛けた補機駆動用ベルトを走行させて、前記２つの回転体の回転速度を時系列に沿ってそれぞれ検出する回転速度検出ステップと、
   前記２つの回転体の回転速度の差分からねじり角度を算出し、算出した当該ねじり角度及び前記トルクカーブに基づいて、前記補機トルクを時系列に沿って算出する補機トルク演算ステップと、
   を含むことを特徴とする、補機トルクの測定方法。
2. 前記プーリ構造体は、前記ねじりコイルばねの一端側の外周面が拡径方向の自己弾性復元力によって一方の回転体に押し付けられており、
   前記２つの回転体が相対回転によって前記ねじりコイルばねが拡径方向にねじれた場合に、前記ねじりコイルばねの他端側領域のうち少なくとも周方向一部分の内周面が他方の回転体から離れる、ことを特徴とする請求項１に記載の、補機トルクの測定方法。
3. 前記プーリ構造体は、前記ねじりコイルばねの前記他端側の端面と周方向に対向する当接面を前記他方の回転体に有しており、
   前記２つの回転体が相対回転によって前記ねじりコイルばねが拡径方向にねじれた場合に、前記ねじりコイルばねの前記他端側の端面が前記当接面に当たる前に前記ねじりコイルばねの前記他端側領域の拡径変形を規制する、規制手段をさらに有する、ことを特徴とする請求項２に記載の、補機トルクの測定方法。
4. 前記プーリ構造体は、その本体部分の構成が補機用プーリ構造体と共通する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の、補機トルクの測定方法。