JP3580005B2 - 補機トルク算出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、補機トルク算出装置に関するもので、特に、自動車エンジンの補機である空調装置の冷媒圧縮機、パワーステアリングの油圧ポンプ、オルタネータ等の負荷トルクの総量を算出する補機トルク算出装置に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の車両に搭載される内燃機関においては、その補機、例えば、空調装置の冷媒圧縮機、パワーステアリングの油圧ポンプ、オルタネータ、ラジエータ用冷却ファン等を、機関のクランク軸に取り付けられたクランク軸プーリによって一連のベルトを介して同時に駆動している。
【０００３】
そして、これらの補機の負荷トルク（補機トルク）を正確に測定することができれば、アイドル回転数をより高い精度をもって制御することができるので、 アイドル回転数を更に低く抑えて燃費の低減を図ることが可能になるし、オートマティック・トランスミッションの制御をよりきめ細かなものとして、シフト・チェンジをより円滑なものとすることができる。
【０００４】
これに対して、補機トルクを測定する一般的な方法として、実開昭６３−１６７２３０号公報には、回転駆動軸が、補機トルクの総量に応じて弾性的なねじれ変形を起こすのを利用して、この回転駆動軸の一部に歪みゲージを貼りつけて歪みゲージの電気抵抗値を計測し、その変化から回転駆動軸の微小なねじれ量を検出することにより、補機トルクの総量を測定する方法が示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来技術による測定方法では、歪みゲージの貼り方によって出力特性が大きく変化してしまうので、一定のトルク量に対する測定値にばらつきが生じやすく、計測精度が低いものである。また、歪みゲージが、回転駆動軸のような回転体に接着されているので、この歪みゲージからの出力信号（電気信号）を取り出すには、スリップリングのような摺動機構を用いる必要がある。これによれば、スリップリング等の寸法誤差や、摺動部分の磨耗による寸法変化等により、出力特性が大きく変化してしまう。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑みてなされたもので、高い測定精度を有する補機トルク算出装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが、上記回転駆動軸の弾性的なねじれ変形以外の、補機トルクと相関関係のある要素について検討した結果、駆動軸プーリ（６）の回転方向手前側のベルト（７１）の移動速度（Ｖ１ ）と、駆動軸プーリ（６）の回転方向後側のベルト（７２）の移動速度（Ｖ２ ）との移動速度比（Ｖ１ ／Ｖ２ ）が、補機トルクと相関関係がある、ということを見いだした。
【０００８】
そこで、請求項１ないし５に記載の発明では、第１移動速度検出手段（８、１０１）により駆動軸プーリ（６）の回転方向手前側のベルト（７１）の移動速度（Ｖ１ ）を検出し、第２移動速度検出手段（１０、１０２）により駆動軸プーリ（６）の回転方向後側のベルト（７２）の移動速度（Ｖ２ ）を検出している。そして、第１、第２移動速度検出手段（８、１０１）、（１０、１０２）によって検出されたベルト（７１、７２）の移動速度（Ｖ１ 、Ｖ２ ）に基づいて、補機トルクを算出する演算手段（２００）を備えていることを特徴としている。
【０００９】
これによれば、第１、第２移動速度検出手段（８、１０１）、（１０、１０２）により、非接触でベルト（７１、７２）の移動速度（Ｖ１ 、Ｖ２ ）を検出して、補機トルクを算出することができる。従って、歪みゲージを用いる従来技術のように取り付け方によって出力信号が変化するようなことはなく、しかも、回転軸のような回転体から出力信号を取り出すものではないから、スリップリングのような摺動機構を使用する必要がなく、測定精度の高い補機トルク算出装置を提供することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１に示すように、自動車等に搭載される内燃機関１においては各種の補機を駆動するための補機プーリ、例えば、空調装置の冷媒圧縮機用の第１補機プーリ２、パワーステアリングの油圧ポンプ用の第２補機プーリ３、発電機用の第３補機プーリ４、ラジエータの冷却ファン用の第４補機プーリ５というような補機用の多くのプーリが、内燃機関１のクランク軸プーリ（駆動軸プーリ）６によって一連のベルト７を介して同時に駆動されようになっている。なお、クランク軸プーリ６は図１中矢印Ｒで示す方向に回転している。
【００１１】
また、補機の駆動に関係しない第１アイドラプーリ８が、クランク軸プーリ６の回転方向手前側（図１中、クランク軸プーリ６の右側）のベルト７１に設けられている。さらに、ベルト７の張力が一定値になるように自動的に調整するオートテンショナ９が、一個の第２アイドラプーリ１０を伴って、駆動軸プーリの回転方向後側（図１中、クランク軸プーリ６の左側）のベルト７２に設けられている。
【００１２】
そして、１０１、１０２は、第１、第２アイドラプーリ８、１０の回転速度Ｗ１ 、Ｗ２ を電気的に検出する第１、第２回転速度検出手段であり、２００は、第１、第２回転速度検出手段１０１、１０２からの検出信号に基づいて補機トルクを算出する算出手段を備えた電気制御装置である。３００は電子制御式燃料噴射装置であり、算出された補機トルクの値に応じて、この電子制御式燃料噴射装置３００の燃料噴射量が電気制御装置２００にて制御される。
【００１３】
以下に、第２アイドラプーリ１０の具体的構造について、図２（ａ）および（ｂ）に基づいて説明する。なお、第１アイドラプーリ８は、第２アイドラプーリ１０とほぼ同じ構造であるため、具体的説明は省略する。
図２（ａ）および（ｂ）に示すように、第２アイドラプーリ１０の円環状内面１１には、磁性体からなる多数の歯１２が等間隔に設けられている。そして、オートテンショナ９のアーム１３の基部１４は、内燃機関１の本体側面に設けられた図示しない軸に、狭い角度範囲（例えば２°程度）内で回動可能に支持されている。また、アーム１３は、図示しない付勢手段によって、ベルト７を緊張させる方向に付勢されている。また、アーム１３の自由端に一体的に取り付けられた軸１５には軸受１６が設けられており、これによって第２アイドラプーリ１０が軸１５に回転自在に支持されている。
【００１４】
そして、アーム１３から略垂直に突出する突起１７には、第２回転速度検出手段１０２としての電磁ピックアップ１８が取り付けられている。なお、この電磁ピックアップ１８の先端は、磁性体からなる多数の歯１２に対して所定の間隙を保って対向し得る位置に突出している。
この電磁ピックアップ１８は、永久磁石にコイルを巻いたものであって、コイルの両端を可撓性のあるリード線１９、２０によって直接に外部の固定端子へ接続している。ここで、アーム１３の移動（回動）範囲は狭い角度内に限られているため、このアーム１３に固定されている電磁ピックアップ１８のコイルからの出力信号を取り出す際に、従来技術におけるスリップリングのような摺動機構を用いる必要はない。
【００１５】
なお、第１アイドラプーリ８は、内燃機関１の本体側面に一体に固定された図示しない軸に回動可能に支持されており、上記第２アイドラプーリ１０の突起１７に相当する突起は、内燃機関１の本体に形成されているので、第１アイドラプーリ８の電磁ピックアップも、上記摺動機構を用いる必要はない。
以下に、第２アイドラプーリ１０の回転速度Ｗ２ の検出方法、および補機トルクの算出方法を図に基づいて説明する。図３は、電気制御装置２００による補機トルク算出の手順を示すフローチャートである。なお、第１アイドラプーリ８の回転速度Ｗ１ の検出方法は、上記回転速度Ｗ２ と同じであるため、説明は省略する。
【００１６】
まず、ベルト７の回転に伴って第２アイドラプーリ１０が回転すると、図２（ｂ）において電磁ピックアップ１８の検出端を多数の歯１２が通過するが、この通過の前後において、電磁ピックアップ１８のコイルには電圧波形として略等間隔のピークを有するパルス電流が発生し、このパルス電流が、回転速度Ｗ２ に対応する出力信号としてリード線１９、２０等を介して直接に外部の固定端子へ取り出され、演算手段を備えた電気制御装置２００（図１参照）に入力される。
【００１７】
また、電気制御装置２００においては、上記パルス電流の単位時間当たりのピーク数をカウントすることによって、第２アイドラプーリ１０の回転速度Ｗ２ を測定する。なお、本実施形態では、第２アイドラプーリ１０、電磁ピックアップ１８、および多数の歯１２により、第２回転速度検出手段１０２（図１参照）を構成している。また、第２アイドラプーリ１０および第２回転速度検出手段１０２により請求項でいう第２移動速度検出手段を構成している。
【００１８】
そして、発明者らにより、第１、第２アイドラプーリ８、１０の回転速度Ｗ１ 、Ｗ２ の回転速度比Ｗ１ ／Ｗ２ と、補機トルクＴｒｑとが、下記の数式７に示す関係式で表される、ということが後述する過程を経て見いだされている。
そこで、この第２回転速度検出手段１０２にて第２アイドラプーリ１０の回転速度Ｗ２ を常時検出し（図３中Ｓ２）、同様にして、第１回転速度検出手段１０１にて第１アイドラプーリ８の回転速度Ｗ１ を常時検出する（図３中Ｓ１）。そして、この検出信号を電気制御装置２００に入力し、電気制御装置２００に備えられた図示しない演算手段にて、上記回転速度Ｗ１ 、Ｗ２ の回転速度比Ｗ１ ／Ｗ２ を算出し（図３中Ｓ３）、さらに、この回転速度比Ｗ１ ／Ｗ２ を下記の数式７に代入して、補機トルクＴｒｑを算出している（図３中Ｓ４）。
【００１９】
こうして算出された補機トルクＴｒｑの値の変動に応じて、内燃機関１の電子制御式燃料噴射装置３００の燃料噴射量を制御している。具体的に、補機トルクＴｒｑが増加したときは、上記燃料噴射量を多くして、アイドル回転数を大きくすることでエンストを防止している。また、補機トルクＴｒｑが減少したときは、上記燃料噴射量を少なくして、アイドル回転数を小さくすることで燃費向上を図っている。
【００２０】
このような方法によれば、非接触で第１、第２アイドラプーリ８、１０の回転速度Ｗ１ 、Ｗ２ を検出できるので、従来のような歪みゲージを用いる必要はなく、補機トルクをきわめて高い精度で算出できる。
以下に、補機トルクＴｒｑと回転速度比Ｗ１ ／Ｗ２ との関係式（下記の数式７）を導出する過程について説明する。
【００２１】
まず、補機トルクが発生すると、クランク軸プーリ６の回転方向手前側のベルト７１は張り、クランク軸プーリ６の回転方向後側のベルト７２は緩む。ここで、クランク軸プーリ６の半径をＲ、張り側のベルト７１の張力をＴ１ 、緩み側のベルト７の張力をＴ２ とすると、クランク軸２１に作用する補機トルクＴｒｑは、下記の数式１で表される。
【００２２】
【数１】
Ｔｒｑ＝Ｒ×（Ｔ１ −Ｔ２ ）
また、ベルト７の弾性定数をＫ、単位長さ辺りのベルト歪み量をε１ （張り側）、ε２ （緩み側）とすると、張力Ｔ１ 、Ｔ２ は下記の数式２で表される。
【００２３】
【数２】
Ｔ１ ＝Ｋ×ε１ 、Ｔ２ ＝Ｋ×ε２
そして、ベルト７に張力がはたらかない状態（自然長）のベルト７の線密度をρとすると、張力がＴ１ 、Ｔ２ のときのベルト７の線密度ρ１ 、ρ２ は、下記の数式３で表される。
【００２４】
【数３】
ρ１ ＝ρ／（１＋ε１ ）、ρ２ ＝ρ／（１＋ε２ ）
そして、張り側、緩み側のベルト７１、７２の移動速度をＶ１ 、Ｖ２ とし、質量保存の法則、およびε１ ≪１という近似を適用すると、下記の数式４が導き出される。
【００２５】
【数４】
Ｖ１ ／Ｖ２ −１＝（ε１ −ε２ ）
そして、上記数式１、２、４を用いると、補機トルクＴｒｑは、下記の数式５で表される。
【００２６】
【数５】
Ｔｒｑ＝Ｒ×Ｋ×（Ｖ１ ／Ｖ２ −１）
ここで、第１、第２アイドラプーリ８、１０は、補機の駆動に関係しないため、ベルト７１、７２と、第１、第２アイドラプーリ８、１０との間のスリップは無視することができ、Ｒ１ 、Ｒ２ を第１、第２アイドラプーリ８、１０の半径とすると、張り側、緩み側のベルト７１、７２の移動速度Ｖ１ 、Ｖ２ は、下記の数式６で表される。
【００２７】
【数６】
Ｖ１ ＝Ｒ１ ×Ｗ１
Ｖ２ ＝Ｒ２ ×Ｗ２
そして、上記数式５および数式６より、補機トルクＴｒｑは、下記の数式７で表される。
【００２８】
【数７】
Ｔｒｑ＝Ｒ×Ｋ×（（Ｒ１ ／Ｒ２ ）×（Ｗ１ ／Ｗ２ ）−１）
（第２の実施形態）
上記第１の実施形態では第１、第２回転速度検出手段１０１、１０２として電磁ピックアップ１８を使用したが、第２の実施形態としては、第１、第２回転速度検出手段１０１、１０２に光を使ったものを説明する。図４（ａ）および（ｂ）において、２２は発光ダイオードのような発光素子で、２３はフォトダイオードのような受光素子であり、この発光素子２２および受光素子２３は、第２アイドラプーリ１０の縁部において互いに対向するように配置されている。なお、発光素子２２は、アーム１３に一体の支持部２４に支持固定され、受光素子２３は、アーム１３に固定されている。
【００２９】
また、第２アイドラプーリ１０の縁部には、ドーナツ状の回転スリット２５が固定されている。この回転スリット２５は、図４（ｂ）に示すように、ドーナツ状の板２６に、放射方向に細長形状の開口部２７を、円周方向に関して等間隔に形成したものである。また、受光素子２３において発光素子２２側の面には、マスクとしての板状の固定スリット２９が固定されており、固定スリット２９には幾つかの開口部３０が形成されている。
【００３０】
そして、第２アイドラプーリ１０がベルト７の回転に伴って回転すると、回転スリット２５が共に回転する。ここで、回転スリット２５の開口部２７と、固定スリット２９の開口部３０とが、発光素子２２の光軸方向に関して重なる時だけ、発光素子２２の発する光が受光素子２３に到達し、パルス電流が受光素子２３から出力される。
【００３１】
そして、パルス電流の単位時間当たりのピーク数を電気制御装置２００（図１参照）によりカウントして、第２アイドラプーリ１０の回転速度Ｗ２ を測定している。つまり、発光素子２２、受光素子２３、回転スリット２５、および、固定スリット２９により、第２回転速度検出手段１０２（図１参照）をなしている。これによれば、上記第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００３２】
（他の実施形態）
そして、上記実施形態では、第１、第２アイドラプーリ８、１０の回転速度Ｗ１ 、Ｗ２ を検出して、この回転速度比Ｗ１ ／Ｗ２ から補機トルクを算出しているが、本発明はこれに限定されることはなく、直接、張り側、緩み側のベルト７の移動速度Ｖ１ 、Ｖ２ を非接触で検出し、この移動速度比Ｖ１ ／Ｖ２ を上記数式５に代入して補機トルクを算出するものであってもよい。
【００３３】
また、上記実施形態では、回転速度比Ｗ１ ／Ｗ２ を上記式７に代入して補機トルクを算出しているが、本発明はこれに限定されることはなく、補機トルクと回転速度比Ｗ１ ／Ｗ２ との較正曲線を予め求めておいて、検出した回転速度比Ｗ１ ／Ｗ２ に対応する補機トルクをこの較正曲線から読み取ってもよい。
また、上記実施形態では、車両の補機駆動装置の補機トルクを算出しているが、本発明はこれに限定されることはなく、種々な用途の補機トルクを算出するものであってもよい。
【００３４】
また、上記実施形態の補機トルク算出装置により算出される補機トルクを、電子制御式自動変速機の制御に用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の全体構成を示す正面図である。
【図２】（ａ）は第１の実施形態の要部を示す断面図で、（ｂ）は（ａ）における第２アイドラプーリの下面図である。
【図３】第１の実施形態における補機トルク算出の手順を示すフローチャートである。
【図４】（ａ）は第２の実施形態の要部を示す断面図で、（ｂ）は（ａ）における回転速度検出手段の要部の概念的斜視図である。
【符号の説明】
２、３、４、５…補機プーリ、
６…クランク軸プーリ（駆動軸プーリ）、７、７１、７２…ベルト、
８…第１アイドラプーリ、１０…第２アイドラプーリ、
１０１、１０２…第１、第２回転速度検出手段、
２００…電気制御装置（演算手段）。

Claims (5)

1. 補機を駆動するために回転駆動源に取り付けられた駆動軸プーリ（６）と、
   少なくとも一個の前記補機に取り付けられた補機プーリ（２、３、４、５）と、
   前記駆動軸プーリ（６）および前記補機プーリ（２、３、４、５）に共通に巻き掛けられたベルト（７）とを備えた補機駆動装置に用いる補機トルク算出装置であって、
   前記駆動軸プーリ（６）の回転方向手前側のベルト（７１）の移動速度（Ｖ１ ）を検出する第１移動速度検出手段（８、１０１）と、
   前記駆動軸プーリ（６）の回転方向後側のベルト（７２）の移動速度（Ｖ２ ）を検出する第２移動速度検出手段（１０、１０２）と、
   前記第１、第２移動速度検出手段（８、１０１）、（１０、１０２）によって検出されたベルト（７１、７２）の移動速度（Ｖ１ 、Ｖ２ ）に基づいて、補機トルクを算出する演算手段（２００）とを備えていることを特徴とする補機トルク算出装置。
2. 前記第１移動速度検出手段（８、１０１）は、
   前記駆動軸プーリ（６）の回転方向手前側の前記ベルト（７１）を懸架し、前記補機の駆動に関係しない第１アイドラプーリ（８）と、
   前記第１アイドラプーリ（８）の回転速度を検出する第１回転速度検出手段（１０１）とを備えており、
   前記第２移動速度検出手段（１０、１０２）は、
   前記駆動軸プーリ（６）の回転方向後側の前記ベルト（７２）を懸架し、前記補機の駆動に関係しない第２アイドラプーリ（１０）と、
   前記第２アイドラプーリ（１０）の回転速度を検出する第２回転速度検出手段（１０２）とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の補機トルク算出装置。
3. 前記第１、第２回転速度検出手段（１０１）、（１０２）は、電磁ピックアップ（１８）を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の補機トルク算出装置。
4. 前記第１、第２回転速度検出手段（１０１）、（１０２）は、発光素子（２２）、受光素子（２３）、および回転するスリット（２５）を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の補機トルク算出装置。
5. 前記駆動軸プーリ（６）の半径をＲ、前記ベルト（７）の弾性定数をＫとし、以下の関係式を用いて、前記演算手段（２００）により補機トルクを算出することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の補機トルク算出方法。
   Ｔrq＝Ｒ×Ｋ×（Ｖ1 ／Ｖ2 −１）

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