JP2018040327A - 車両用補機駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギ効率とローラ耐久性を向上させることができる車両用補機駆動装置を提供する。【解決手段】外周面がエンジンローラおよび第一の回転ローラの外周面に接触する方向に付勢された第一アイドラローラと、外周面が第一の回転ローラおよび第二の回転ローラの外周面に接触する方向に付勢された第二アイドラローラと、外周面がエンジンローラおよび第三の回転ローラの外周面に接触する方向に付勢された第三アイドラローラと、を有し、 エンジンの駆動力を、エンジンローラ、第一アイドラローラおよび第一の回転ローラを介してウォータポンプに伝達し、エンジンローラ、第一アイドラローラ、第一の回転ローラ、第二アイドラローラおよび第二の回転ローラを介してオルタネータに伝達し、ならびにエンジンローラ、第三アイドラローラおよび第三の回転ローラを介してエアコン用コンプレッサに伝達するようにした。【選択図】図2

Description

本発明は、車両用補機駆動装置に関するものである。

この種の技術としては、下記の特許文献1に記載の技術が開示されている。この文献には、エンジン駆動時には、エンジンによりエアコンのコンプレッサを駆動するとともに、モータにより発電を行い、エンジン始動時にはモータによりエンジンを始動し、エンジン停止時にはモータによりコンプレッサを駆動するものが開示されている。エンジン、モータ、コンプレッサはそれぞれの駆動軸に設けられたプーリにベルトが巻回されることにより、駆動力の伝達を行っている。

特開2002-201975号公報

ベルトテンションは、伝達する駆動力が最も大きいものに合わせて調整される。上記特許文献１の技術においてモータをエンジンスタータとしても使用しようとすると、エンジン始動時のクランキングトルクに応じてベルトテンションを調整することとなる。ベルトテンションを高めると、プーリとベルトとの間のフリクションが高くなり、エンジン始動時以外の状況においては、エネルギ効率が悪化する問題があった。
本発明は、上記問題に着目されたもので、その目的とするところは、エンジンからの駆動力をエアコン用コンプレッサ、ウォータポンプおよびオルタネータに伝達する場合にエネルギ効率とローラ耐久性を向上させることができる車両用補機駆動装置を提供することである。

外周面がエンジンローラおよび第一の回転ローラの外周面に接触する方向に付勢された第一アイドラローラと、外周面がエンジンローラおよび第二の回転ローラの外周面に接触する方向に付勢された第二アイドラローラと、外周面が第二の回転ローラおよび第三の回転ローラの外周面に接触する方向に付勢された第三アイドラローラと、を有し、エンジンの駆動力を、エンジンローラ、第一アイドラローラおよび第一の回転ローラを介してエアコンのコンプレッサに伝達し、エンジンローラ、第二アイドラローラおよび第二の回転ローラを介してウォータポンプに伝達し、ならびにエンジンローラ、第二アイドラローラ、第二の回転ローラ、第三アイドラローラおよび第三の回転ローラを介してオルタネータに伝達するようにした。

よって本発明では、エネルギ効率とローラ耐久性を向上させることができる。

実施例1の車両用補機駆動装置の概略システム図である。 実施例1の車両用補機駆動装置を示す概略図である。 比較例１の車両用補機駆動装置の模式図である。 比較例2の車両用補機駆動装置の模式図である。 実施例1の車両用補機駆動装置の伝達が成立するための摩擦係数とくさび角の関係を示す図である。 実施例1の車両用補機駆動装置の２つのくさび角の関係を示す図である。 実施例1の車両用補機駆動装置において、各補機にかかる負荷とエンジン回転数との関係を示すグラフである。

1 車両用補機駆動装置
2 エンジン
3 エアコン用コンプレッサ
4 オルタネータ
5 ウォータポンプ
6 エンジンローラ
7 ウォータポンプローラ（第一の回転ローラ）
8 オルタネータローラ（第二の回転ローラ）
9 コンプレッサローラ（第三の回転ローラ）
10 第一アイドラローラ
11 第二アイドラローラ
12 第三アイドラローラ

〔実施例1〕
実施例1の車両用補機駆動装置1について説明する。図1は車両用補機駆動装置1の概略システム図である。図2は車両用補機駆動装置1を示す概略図である。

車両用補機駆動装置1は、エンジン2からの駆動力をエアコン用コンプレッサ3およびウォータポンプ5に伝達する。この駆動トルクによりエアコン用コンプレッサ3およびウォータポンプ4が駆動され、エアコンから車内に温度調節された空気が供給され、ウォータポンプ4からエンジン3に冷却水が供給される。ウォータポンプ5に伝達された駆動力はさらにオルタネータ4に発電トルクとして伝達される。この発電トルクによりオルタネータ4は発電し、バッテリまたは電気機器に電力を供給する。

車両用補機駆動装置1は、上記の駆動力の伝達を、くさび効果を利用したフリクションドライブを用いて行っている。車両用補機駆動装置1は、エンジン2のクランク軸と一体に回転するエンジンローラ6と、ウォータポンプ5の回転軸と一体に回転するウォータポンプローラ7と、オルタネータ4の回転軸と一体に回転するオルタネータローラ8と、エアコン用コンプレッサ3の回転軸と一体に回転するコンプレッサローラ９とを有している。

エンジンローラ6とウォータポンプローラ7とオルタネータローラ8は、エンジン2からの駆動力が順に伝達されるように配置されている。この駆動系とは別に、コンプレッサローラ9はエンジン2からの駆動力が伝達される位置に配置されている。

エンジンローラ6とウォータポンプローラ7との間には、両者の外周面に接触する第一アイドラローラ10が設けられている。第一アイドラローラ10は回転中心部にベアリング10aを介して回動自在に支持されている。第一アイドラローラ10は、エンジンローラ6とウォータポンプローラ7の外周面に接触する方向に付勢部材10bによって付勢されている。

ウォータポンプローラ7とオルタネータローラ8との間には、両者の外周面に接触する第二アイドラローラ11が設けられている。第二アイドラローラ11は回転中心部にベアリング11aを介して回動自在に支持されている。第二アイドラローラ11は、ウォータポンプローラ7とオルタネータローラ8の外周面に接触する方向に付勢部材11bによって付勢されている。

エンジンローラ6とコンプレッサローラ9との間には、両者の外周面に接触する第三アイドラローラ12が設けられている。第三アイドラローラ12は回転中心部にベアリング12aを介して回動自在に支持されている。第三アイドラローラ12は、エンジンローラ6とコンプレッサローラ9の外周面に接触する方向に付勢部材12bによって付勢されている。

付勢部材10b,11b,12bによる第一アイドラローラ10、第二アイドラローラ11、第三アイドラローラ12のウォータポンプローラ7、エンジンローラ6、オルタネータローラ8およびコンプレッサローラ9に対する付勢力は、第一アイドラローラ10、第二アイドラローラ11、第三アイドラローラ12とウォータポンプローラ7、エンジンローラ6、オルタネータローラ8およびコンプレッサローラ9とが離れることがない程度であれば良い。

エンジンローラ6、ウォータポンプローラ7、オルタネータローラ8およびコンプレッサローラ9の外周面は鉄系金属によって形成されている。第一アイドラローラ10、第二アイドラローラ11、第三アイドラローラ12の外周面は樹脂によって形成されている。

エンジンローラ6、ウォータポンプローラ7、オルタネータローラ8およびコンプレッサローラ9の外周面を形成する鉄系金属の硬度は、第一アイドラローラ10、第二アイドラローラ11、第三アイドラローラ12の外周面を形成する樹脂の硬度よりも大きいものを用いる。

エンジンローラ6、ウォータポンプローラ7、オルタネータローラ8およびコンプレッサローラ9の外周面を形成する鉄系金属の弾性係数は、第一アイドラローラ10、第二アイドラローラ11、第三アイドラローラ12の外周面を形成する樹脂（ゴム）の弾性係数よりも大きいものを用いる。

第一アイドラローラ10、第二アイドラローラ11、第三アイドラローラ12の外周面を形成する樹脂は、エンジンローラ6、ウォータポンプローラ7、オルタネータローラ8およびコンプレッサローラ9の外周面と、第一アイドラローラ10、第二アイドラローラ11、第三アイドラローラ12の外周面との間の動摩擦係数が0.3以上となる素材が用いられている。このような樹脂材料を選択することにより、後述するくさび効果を発生させてローラ間で駆動力を伝えることができる。

図３は実施例１の第三アイドラローラ12の位置を変えた配置を有する比較例１の車両用補機駆動装置を示す図である。図３に示す車両補機駆動装置1は、エアコン用コンプレッサ3およびオルタネータ4という大きな負荷がかかる2つの補機をウォータポンプローラ7が駆動し、エアコン用コンプレッサ3、オルタネータ4およびウォータポンプ5のすべての補機を駆動するための負荷を第一アイドラローラ10が受ける。

図4は実施例１の第二アイドラローラ11の位置を変えた配置を有する比較例2の車両用補機駆動装置を示す図である。図4に示す車両補機駆動装置1では、コンプレッサローラ9からの駆動力を受けた第二アイドラローラ11がオルタネータ4を駆動することになり、エアコン用コンプレッサ3およびオルタネータ4という2つの補機からの大きな負荷を第二アイドラローラ11が受ける。

樹脂と鉄系金属のトラクションドライブにおいてはみかけの速度差が発生する。これは、純すべりだけではなく、実際には界面のせん断による弾性変形(伸び)により生まれる入出力間の速度差が大部分である。そしてその速度差は、界面の変形が主とすれば，トルクが大きいほど速度差は大きくなる。よって、図3に示す車両補機駆動装置では大きな負荷のかかる第一アイドラローラ10が弾性変形を受けることによって劣化が進み、図4に示す車両補機駆動装置では、大きな負荷を受ける第二アイドラローラ11の弾性変形による劣化が激しいと考えられる。

そこで、実施例1では、エアコン用コンプレッサ3およびオルタネータ4という大きな負荷がかかる2つの補機を同時に駆動するアイドラローラが存在しないような配置とした。

［くさび効果について］
実施例1の車両用補機駆動装置1では、アイドラローラが接する二つのローラの間に食い込む方向に力が作用することでくさび効果を生じさせ、二つのローラ間で駆動力の伝達を行うようにしている。以下ではくさび効果を生じる際の各ローラの動きについて説明する。

図5は車両用補機駆動装置1の模式図である。図5では第一ローラ20の駆動力をアイドラローラ21を介して第二ローラ22に伝達する様子を示している。第一ローラ20とアイドラローラ21の接線Bと、アイドラローラ21と第二ローラ22の接線Cとは点Dにおいて交わっている。接線Bと接線Cとが成す角（くさび角）の大きさを2αとする。

第一ローラ20の駆動力はアイドラローラ21に伝達される。図5において第一ローラ20が左回転すると、第一ローラ20に接するアイドラローラ21は右回転する。このとき、アイドラローラ21は第一ローラ20との接点において第一ローラ20の回転方向に押される。アイドラローラ21には、第一ローラ20との接点において第一ローラ20の回転方向と同じ方向に力が作用する（伝達力Ft）。

アイドラローラ21の駆動力は第二ローラ22に伝達される。図5においてアイドラローラ21が右回転すると、アイドラローラ21に接する第二ローラ22は左回転する。このとき、第二ローラ22はアイドラローラ21との接点においてアイドラローラ21の回転方向に押される。アイドラローラ21には、第二ローラ22との接点において第二ローラ22を押圧する方向とは反対方向に反作用力が作用する（伝達力Ft）。

伝達力Ftにより、アイドラローラ21には点Dに向かう方向に力が作用する。そのためアイドラローラ21の第一ローラ20および第二ローラ22に対する接触荷重（押しつけ力Fc）が増加し、第一ローラ20からアイドラローラ21を介して第二ローラ22に駆動力を伝達することができる。

第二ローラ22の負荷が大きくなるほど（第一ローラ20から第二ローラ22に伝達する駆動力が大きくなるほど）、アイドラローラ21に作用する点Dに向かう方向の力は大きくなる。第一ローラ20とアイドラローラ21との間の摩擦力F、またはアイドラローラ21と第二ローラ22との間の摩擦力Fは次の式（１）で求めることができる。
F = τ × A （１）
ここでτは、第一ローラ20とアイドラローラ21との間のせん断応力、またはアイドラローラ21と第二ローラ22との間のせん断応力である。Aは第一ローラ20とアイドラローラ21との接触面積、またはアイドラローラ21と第二ローラ22との接触面積である。

せん断応力τは、第一ローラ20とアイドラローラ21との接触面の素材、アイドラローラ21と第二ローラ22との接触面の素材によって決まる。接触面積Aは、アイドラローラ21の外周面に前述の樹脂を用いた場合、アイドラローラ21の第一ローラ20および第二ローラ22に対する接触荷重と相関性が高く、接触荷重が大きくなるほど接触面積Aは大きくなる。

上記のようなくさび効果を発生させるためには、第一ローラ20、アイドラローラ21、第二ローラ22の位置関係は次の式（２）を満たす必要がある。
μ＞tanα （２）
ここでμは、第一ローラ20とアイドラローラ21との間の動摩擦係数およびアイドラローラ21と第二ローラ22との間の動摩擦係数である。

図６では、エンジンローラ6とウォータポンプラローラ7との間のくさび角を２α_１とし、ウォータポンプラローラ7とオルタネータローラ8との間のくさび角を２α_２としたときのこれらのローラの位置関係を説明している。実施例1の車両用補機駆動装置1では、２α_１＞２α_２となるように、エンジンローラ6、第一アイドラローラ10、ウォータポンプラローラ7、第二アイドラローラ11、およびオルタネータローラ8が配置されている。

［補機駆動装置の動作］
実施例1では、エンジン2の駆動力によって、ウォータポンプ5を回転させ、オルタネータ4による発電を行う。

エンジン2を駆動し、図6においてエンジンローラ6を右回転させる。エンジンローラ6により第一アイドラローラ10を左回転させ、第一アイドラローラ10によりウォータポンプラローラ7を右回転させる。このとき、第一アイドラローラ10にはエンジンローラ6とウォータポンプラローラ7との間に食い込む方向に力が作用する。これによりエンジン2の駆動力が第一アイドラローラ10を介してウォータポンプ5に伝達される。

エンジン2からの駆動力により、ウォータポンプラローラ7が右回転する。ウォータポンプラローラ7により第二アイドラローラ11を左回転させ、第二アイドラローラ11によりオルタネータローラ8を右回転させる。このとき、第二アイドラローラ11にはウォータポンプラローラ7とオルタネータローラ8との間に食い込む方向に力が作用する。これによりエンジンローラ6からウォータポンプラローラ7に伝達された駆動力の一部が、第二アイドラローラ11を介してオルタネータローラ8に伝達される。

エンジン2からの駆動力が伝達されるためには、次の式（３）に示す、押しつけ力（Fc）、伝達力(Ft)とくさび角の関係が成立する：
Fc＝Ft／tanα （３）
このとき、エンジンローラ6とウォータポンプラローラ7との間のくさび角２α_１を、ウォータポンプラローラ7とオルタネータローラ8との間のくさび角を２α_２よりも大きくしたことにより以下のような効果がある。すなわち、トルク効率を考えれば、第一アイドラローラ10への入力トルクは、第二アイドラローラ11への入力トルクよりも大きくしなければならないが、くさび角の大きさがα_１＞α_２となっているから式（３）における分母がtanα_１＞tanα_２となり、第一アイドラローラ10に対する押しつけ力Fcを相対的に小さくすることができ、2つの補機の負荷を受ける第一アイドラローラ10の押しつけ力を調整してローラ耐久性の平準化を図ることができる。

［作用］
エンジン3の駆動力をウォータポンプ5、オルタネータ4およびエアコン用コンプレッサ3に伝達するために3つのアイドラローラを使用した場合、実施例1、比較例１及び2に示したように必ずいずれかのアイドラローラが2つの補機負荷をうける。図７(a)〜(c)は、実施例1、比較例１及び2の車両用補機駆動装置において、各補機にかかる負荷とエンジン回転数との関係を示すグラフである。

図７(a)は、ウォータポンプ5にかかる負荷はエンジン回転数とともに上昇することを示す。図７(b)は、オルタネータ4にかかる最大負荷は、出力一定なので高回転数ではトルクが減少することが分かる。図７(c)は、エアコン用コンプレッサ3にかかる最大負荷はエンジン回転数によらずほぼ一定であることが分かる。比較例1に示した車両用補機駆動装置では、エアコン用コンプレッサ3、オルタネータ4およびウォータポンプ5のすべての補機を駆動するための負荷を第一アイドラローラ10が受けるため、第一アイドラローラ10にかかるトルクは極めて大きい。比較例2に示した車両用補機駆動装置では、オルタネータ4とエアコン用コンプレッサ3という大きな負荷を第三アイドラローラ12が同時に受けてしまうため、第三アイドラローラ12にかかる負荷が極めて大きくなる。

そこで実施例1では、外周面がエンジンローラ6およびウォータポンプローラ7の外周面に接触する方向に付勢された第一アイドラローラ10と、外周面がウォータポンプローラ7およびオルタネータローラ8の外周面に接触する方向に付勢された第二アイドラローラ11と、外周面がエンジンローラ6およびコンプレッサローラ9の外周面に接触する方向に付勢された第三アイドラローラ12と、を設けた。そして、エンジン2の駆動力をエンジンローラ6、第一アイドラローラ10、ウォータポンプローラ7を介してウォータポンプ5に伝達してウォータポンプ5を始動するようにした。また、エンジン2の駆動力をエンジンローラ6、第一アイドラローラ10、ウォータポンプローラ7、第二アイドラローラ11およびオルタネータローラ8を介してオルタネータ4に伝達してオルタネータ4により発電を行うようにした。

これにより、実施例１では、図7(d)、図7(e)、図7(f)に示すように、各アイドラローラ間の負荷の均一化を図ることができる。図7(a)に示すように、ウォータポンプ5は低回転では極めて負荷が小さく、回転数が上がるとともに徐々に負荷も大きくなる。これに対して、図7(b)に示すように、オルタネータ4は高回転で低負荷であるため、これら2つの負荷を合わせた第一アイドラローラ10は、図7(d)に示すように、ウォータポンプ5の負荷が上がり始めたあたりでオルタネータ4の負荷が減少するため受け持つ最大トルクは小さくてすむ。図7(d)、図7(e)、図7(f)に示すように、第一アイドラローラ10、第二アイドラローラ11、第三アイドラローラ12への負荷の平準化が得られる。

樹脂材料（ゴム）を用いたローラはトルクが増加すると速度効率も低下するから、実施例1の車両用補機駆動装置1は、補機仕事の効率においても最も有利な組み合わせである。

また実施例1では、第一アイドラローラ10、第二アイドラローラ11、第三アイドラローラ12の外周面を形成する樹脂の強度は、エンジンローラ6、ウォータポンプローラ7、オルタネータローラ8およびコンプレッサローラ9の外周面を形成する鉄系金属の強度より小さいものを用いるようにした。

これにより車両用補機駆動装置1の最弱部を第一アイドラローラ10、第二アイドラーラ11、第三アイドラローラ12とすることができる。第一アイドラローラ10、第二アイドラローラ11、第三アイドラローラ12は、補機に接続されているものではない。また第一アイドラローラ10、第二アイドラローラ11、第三アイドラローラ12は、エンジンローラ6、ウォータポンプローラ7、オルタネータローラ8およびコンプレッサローラ9と接触するように付勢されているが、第一アイドラローラ10、第二アイドラローラ11、第三アイドラローラ12の取り付け位置精度はさほど高くはなくとも良い。したがって、第一アイドラローラ10、第二アイドラローラ11、第三アイドラローラ12は、エンジンローラ6、ウォータポンプローラ7、オルタネータローラ8およびコンプレッサローラ9よりも交換が容易であり、車両用補機駆動装置1の修理を容易にすることができる。

［効果］
(1) エンジン2のクランク軸と一体に回転するエンジンローラ6と、エンジン2により駆動されるウォータポンプ5、オルタネータ4およびエアコン用コンプレッサ3のそれぞれの回転軸と一体に回転するウォータポンプローラ7、オルタネータローラ8およびコンプレッサローラ9（第一、第二および第三の回転ローラ）と、外周面がエンジンローラ6およびウォータポンプローラ7の外周面に接触する方向に付勢された第一アイドラローラ10と、外周面がウォータポンプローラ7およびオルタネータローラ8の外周面に接触する方向に付勢された第二アイドラローラ11と、外周面がエンジンローラ6およびコンプレッサローラ9の外周面に接触する方向に付勢された第三アイドラローラ12と、を有し、エンジン2の駆動力を、エンジンローラ6、第一アイドラローラ10およびウォータポンプローラ7を介してウォータポンプ5に伝達し、エンジンローラ6、第一アイドラローラ10、ウォータポンプローラ7、第二アイドラローラ11およびオルタネータローラ8を介してオルタネータ4に伝達し、ならびにエンジンローラ6、第三アイドラローラ12およびコンプレッサローラ9を介してエアコン用コンプレッサ3に伝達して各補機を駆動するようにした。
よって、特定のローラに過度の負荷をかけることなくローラ間における負荷の平準化を図ることにより補機仕事の効率を上げることができる。

(2) エンジンローラ6およびウォータポンプローラ7間のくさび角を２α_１とし、ウォータポンプローラ7およびオルタネータローラ8間のくさび角を２α_２としたとき、２α_１＞２α_２となるように、エンジンローラ6、第一アイドラローラ10、ウォータポンプローラ7、第二アイドラローラ11、オルタネータローラ8およびオルタネータ4を配置した。
よって、樹脂素材により形成されるアイドラローラへの押しつけ力を調整して、ローラ耐久性の平準化を図ることができる。

〔他の実施例〕
以上、本発明を実施するための形態を、図面に基づく実施例により説明したが、本発明の具体的な構成は、実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。

実施例1では図2に示すように、第一アイドラローラ10、第二アイドラローラ11および第三アイドラローラ12の回転軸が補機を駆動するものではないが、これらの少なくとも１つがエアコン用コンプレッサ3、ウォータポンプ5およびオルタネータ4以外の他の補機の回転ローラによって代替されていてもよい。

Claims (3)

1. エンジンのクランク軸と一体に回転するエンジンローラと、
   前記エンジンにより駆動されるウォータポンプ、オルタネータおよびエアコ用コンプレッサのそれぞれの回転軸と一体に回転する第一、第二および第三の回転ローラと、
   外周面が前記エンジンローラおよび前記第一の回転ローラの外周面に接触する方向に付勢された第一アイドラローラと、
   外周面が前記第一の回転ローラおよび前記第二の回転ローラの外周面に接触する方向に付勢された第二アイドラローラと、
   外周面が前記エンジンローラおよび前記第三の回転ローラの外周面に接触する方向に付勢された第三アイドラローラと、
   を有し、
   前記エンジンの駆動力を、前記エンジンローラ、前記第一アイドラローラおよび前記第一の回転ローラを介して前記ウォータポンプに伝達し、前記エンジンローラ、前記第一アイドラローラ、前記第一の回転ローラ、前記第二アイドラローラおよび前記第二の回転ローラを介して前記オルタネータに伝達し、ならびに前記エンジンローラ、前記第三アイドラローラおよび前記第三の回転ローラを介して前記エアコン用コンプレッサに伝達することを特徴とする車両用補機駆動装置。
2. 請求項１に記載の車両用補機駆動装置において、
   前記エンジンローラおよび前記第一の回転ローラ間のくさび角を２α_１とし、前記第一の回転ローラおよび前記第二の回転ローラ間のくさび角を２α_２としたとき、２α_１＞２α_２となるように、前記エンジンローラ、前記第一アイドラローラ、前記第一の回転ローラ、前記第二アイドラローラ、前記第二の回転ローラおよび前記オルタネータを配置したことを特徴とする車両用補機駆動装置。
3. 請求項１または２に記載の車両用補機駆動装置において、
   前記第一、第二および第三アイドラローラの少なくとも1つが、前記エアコン用コンプレッサ、前記ウォータポンプおよび前記オルタネータ以外の他の補機の回転ローラによって代替されていることを特徴とする車両用補機駆動装置。

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