JP4356638B2

JP4356638B2 - 車両用交流発電機の駆動装置

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Publication number: JP4356638B2
Application number: JP2005100917A
Authority: JP
Inventors: 井畑　　幸一; 志賀　　孜; 梅田　　敦司
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: US20060223662A1; JP2006288000A

Description

本発明は乗用車、トラック等に搭載される車両用内扇式交流発電機（以後は車両用交流発電機と記す）の駆動装置に関する。

近年、車両補機類の駆動方式として、取り付け作業性向上のため、図２のように補機類のプーリ全てを１本のポリＶベルトで巻き付け駆動するサーペンタイン駆動方式が主流になっている。

ポリＶベルトで駆動される補機系は慣性モーメントの大きい補機が不安定な挙動を示すとエンジンが不安定となることがわかっていた。エンジン補機の中で車両用交流発電機は大きなイナーシャをもっており、更にはプーリ比も高いため車両用交流発電機のイナーシャが回転変動を増幅させる役割を担っており、車両用交流発電機の回転の安定化がエンジン回転の安定につながるため検討が進められていた。

そこで、回転変動を抑制する手法として、振動を抑制する理論が応用された。
図６のように、車両用交流発電機は、他の補機に比べコンプライアンス（振動倍率）がもっとも高くこの振動を抑制することにより、回転変動の抑制は可能である。

回転変動を振動に置き換えた場合、振動を抑制する手段として、振動の原因を取り除く、即ち振動絶縁の考え方から、車両用交流発電機のプーリに一方向クラッチを設けたり（特開昭６１−２２８１５３号公報を参照）、バネを介したダンパープーリを設けたり（特表２００１−５２３３２５号公報を参照）を使用して、車両用交流発電機の慣性モーメントの影響を軽減させる方法が具体化され提案されている。

しかしこの様にクラッチ・ダンパープーリを追加することにより、クラッチ・ダンパープーリが破損してしまう問題が発生し、最悪の場合空回りとなり発電不良に至る可能性がある。

また、構造自体も複雑となる上に、部品点数も増加することによりコストアップとなる問題もあった。
特開昭６１−２２８１５３号公報特表２００１−５２３３２５号公報

本発明は、上述の問題を解決するため、クラッチ・ダンパープーリ等の特殊部品を使用せずに振動低減を達成する車両用交流発電機の駆動装置を提供する事を目的とするものである。

本案は、車両用交流発電機が他の補機に比べ振動倍率がもっとも高いため、原点に帰り、振動倍率を増加させる要因を考え、減衰比（ζ）に注目した。

文献によれば、図８のように、減衰比の値が低くなるほど、振幅倍率が高くなり高振動になる。

減衰比（ζ）は以下の関係式で表すことができる。

Ｊ＝慣性モーメント
Ｋ＝バネ定数
Ｃ＝粘性係数
数式１の減衰比の関係式を車両の駆動関係式に置き換えたのが以下の数式２である。

数式２におけるＫ_ネシ゛リ（バネ定数）、Ｃ_ネシ゛リ（等価粘性減衰係数）は、一般に知られている車両搭載時の物性である。

今回初めて、車両搭載時の物性と、ベルト単体におけるＫ_引っ張り（バネ定数）、Ｃ_引っ張り（等価粘性減衰係数）との関係を求め、減衰比への寄与度を明確にした。

図１０は、ベルト単体におけるＫ_引っ張り、Ｃ_引っ張りであり、図１１は、車両搭載時のベルトのＫ_ネシ゛リ（バネ定数）、Ｃ_ネシ゛リ（等価粘性減衰係数）である。

車両搭載時の物性であるＫ_ネシ゛リ（バネ定数）、Ｃ_ネシ゛リ（等価粘性減衰係数）とベルト単体におけるＫ_引っ張り（バネ定数）、Ｃ_引っ張り（等価粘性減衰係数）の関係は、数式３及び数式４となる。

上記数式２に、数式３及び数式４を代入すると

Ｊ＝各補機の慣性モーメント
Ｋ_ネシ゛リ＝各補機の両側のベルト合成バネ定数
Ｃ_ネシ゛リ＝各補機の両側のベルト合成等価粘性減衰係数
Ｋ_引っ張り＝ベルト単体のバネ定数
Ｃ_引っ張り＝ベルト単体の等価粘性減衰係数
Ｌ＝各補機の両側のベルト合成スパン長さ
Ｒ＝各補機のプーリ半径
Ｚ＝ポリＶベルトのベルト山数
Ｅ＊Ａ＝ベルト１リブ（山）当たりの、ベルト単体の弾性率

数式５より減衰比に寄与する６つの要因（寄与６要因）及び寄与度を以下に記す。

減衰比は、
・プーリ半径（Ｒ）に比例
・ベルトスパン（Ｌ）の平方根に逆比例
・慣性モーメント（Ｊ）の平方根に逆比例
・ベルトリブ（山）数（Ｚ）の平方根に比例
・ベルト単体の弾性率（Ｅ＊Ａ）に比例
（バネ定数Ｋ_ネジリＫ_引っ張り）
（等価粘性減衰係数Ｃ_ネシ゛リＣ_引っ張り）
図９に、上記の数式５より求めた、各補機の減衰比を示す。

これより解るように、車両用交流発電機の減衰比が他の補機に比べ格段に低く実状に合致する。なお、Ａ／Ｃはエアコン、Ｗ／Ｐはウォータポンプ、Ｐ／Ｓはパワーステアリング、Ａ／Ｔはオートテンショナーを示している。

請求項１の構成では、上記結果及び、従来の対策（車両用交流発電機にクラッチプーリの装着）より、車両用交流発電機の減衰比を他の補機並のζ＝０．５以上に向上すれば、駆動系として振動を抑制する事ができる。

ζ＝０．５以上にする手段としては、前記減衰比の寄与６要因を組み合わせる事により達成できる。この発明によれば、ポリＶベルトの心線の基本物性である、バネ定数及び等価粘性減衰係数の関係をポリエステル（ＰＥＴ）に対し、

にすることによりほとんどの車両においてζ＝０．５以上を確保できる。

請求項２の発明によれば、エンジンクランクプーリに対する車両用交流発電機のプーリ比を２以下とすると、通常、車両用交流発電機のプーリ有効径はФ１００以上となり車両用交流発電機における減衰比を向上することが出来でき、ほとんどの車両において減衰比ζ＝０．５以上を確保できる。

請求項３の発明によれば、車両用交流発電機の固定は、サイドマウント方式とすることにより車両用交流発電機がエンジン本体に接近し、その結果車両用交流発電機の両側のベルトスパン長さを短縮することができ減衰比を向上することができる。

図７に請求項２と３の内容を盛り込んだときの各補機のエンジン回転時の振動倍率を示す。

請求項４によればポリＶベルトの心線をポリエステル（ＰＥＴ）からポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）に変更する事により、減衰比ζの改善効果は、１．１５倍となる。

以下、ζ＝０．５以上にするための具体的構造を述べる。

図１乃至図４に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１は、エンジン１００のエンジンプーリ１００ａからベルト１１にて、車両用交流発電機１のプーリ１０を介して回転駆動される回転子２と、回転子２のポールコア２５の両端に固定される内扇ファン２１，２２、電機子として働く固定子４と、回転子２と固定子４とを一対の軸受け３ｃ、３ｄを介して支持するフロントフレーム３ａおよびリアフレーム３ｂと、固定子４に接続されて交流出力を直流出力に変換する整流装置５と、回転子２の界磁コイル２４に界磁電流を供給するブラシを保持するブラシ装置７と、出力電圧を制御するレギュレータ９と、車両との間で電気信号を入出力する端子を持つコネクタケース６と、整流装置５やレギュレータ９やブラシ装置７等を覆うようにリアフレーム３ｂの端面に取り付けられる樹脂製の保護カバー８等を含んで構成されている。

この内で車両用交流発電機１の慣性モーメントを構成するのはプーリ１０、回転子２、及び軸受け３ｃ、３ｄの内輪３ｅ、３ｆの４部品である。

ここで前記の減衰比寄与要因より、車両用交流発電機１のプーリ１０において、有効径ФＡを拡大すればよい。

プーリ１０の有効径ФＡは通常Ф７０（ｍｍ）以下であるが、有効径ФＡを１００以上とすることにより車両用交流発電機１においてはζ＝０．５程度を確保できる。

この時、エンジンプーリ１００ａに対する車両用交流発電機１のプーリ１１のプーリ比は２倍以下となる。

例えばエンジンプーリ１００ａの有効径をФ２００とすると、車両用交流発電機１のプーリ１０の有効径ФＡをФ１００以上とすると、以下のように、プーリ比は２倍以下となる。

Ф２００／Ф１００以上＜２
他の実施例としては、前記の減衰比寄与要因より、車両用交流発電機１の両側のベルト１１のスパン長さ１１ａ、１１ｂを短縮しても同様な効果が得られる。

従来の３軸駆動方式ではベルトの張力調整を、エンジンブロック１００ｂより突き出たアジャストバー１００ｃに、車両用交流発電機１のアジャストステー３ｃをネジ締め固定しているため、車両用交流発電機１の本体は、張力調整時エンジンブロック１００ｂより離れるため、必然的に車両用交流発電機１の両側のベルト１１のスパン長さ１１ａ、１１ｂは長くなってしまう。

しかし、近年はサーペンタイン駆動方式による多軸駆動が主流であり、張力調整はオートテンショナーで行うため、車両用交流発電機１による張力調整は不要となったにも関わらず、相変わらずエンジンブロック１００ｂより突き出たアジャストバー１００ｃに、車両用交流発電機１のアジャストステー３ｃをネジ締め固定しているために、ベルト１１のスパン長さ１１ａ、１１ｂは長くなってしまう。

ここでサーペンタイン駆動方式の特徴を生かしスパン長さ１１ａ、１１ｂを短縮するため、車両用交流発電機１の固定は、図３及び図４に示す如く、サイドマウント方式とする。

即ち、車両用交流発電機１の固定は、アジャストバー１００ｃを介さずに、エンジンブロック１００ｂに直付けすると共に車両用交流発電機１の本体をエンジンブロックに干渉しないぎりぎりまで近付ける方式とすることにより減衰比ζを向上することができる。

又、他の実施例としては、ベルト１１の基本物性であるバネ定数の低減及び、等価粘性減衰係数の増加することにより、減衰比ζの向上が可能である。ここでバネ定数、等価粘性減衰係数共に、心線１１ｄの材質によって決定される。

心線材料を現在広く使用されているポリエステル（ＰＥＴ）から、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）に変更することにより、ベルトの弾性率は０．７７に低下するが、ベルトのヒスシステリ損が１．５倍に向上し、結果として減衰比ζとしては１．１５倍に改善される。

０．７７＊１．５＝１．１５
・１／Ｅ＊Ａ（ベルトの弾性率）の比率・・・０．７７
このように、心線材料を改善すれば減衰比ζの向上が可能である。

具体的には、ポリエステル（ＰＥＴ）に対し、
等価粘性減衰係数の比率／バネ定数の平方根の比率＝２以上にすれば、通常、車両用発電機の減衰比ζ＝０．２５以上であり、心線材料を改善することにより、減衰比ζ＝０．５以上を確保できる。

第１実施例の車両用交流発電機の断面図第２実施例のエンジンベルトレイアウト図第３実施例の車両用交流発電機の正面図第３実施例の車両用交流発電機の断面図従来のエンジンレイアウト図従来の各補機のエンジン回転数のコンプライアンス（振動倍率）本発明による各補機のエンジン回転数のコンプライアンス（振動倍率）文献より引用した、減衰比ζと振動倍率の関係のグラフ各補機の減衰比の比較グラフベルト単体におけるＫ_引っ張り、Ｃ_引っ張りの関係図車両搭載時におけるＫ_ネシ゛リ、Ｃ_ネシ゛リの関係図

符号の説明

１００ａエンジンのプーリ
１車両用交流発電機本体
２回転子
１０車両用交流発電機のプーリ
１１ポリＶベルト本体
１１ａ、１１ｂ車両用交流発電機の両側のベルトのスパン長さ
２１、２２内扇ファン

Claims

ポリＶベルトによるサーペンタイン駆動方式の車両用内扇式交流発電機（以後は車両用交流発電機と記す）の駆動装置において、
前記ポリＶベルトの心線の基本物性であるバネ定数及び等価粘性減衰係数の関係をポリエステル（ＰＥＴ）に対し、
等価粘性減衰係数の比率／バネ定数の平方根の比率≧２
にし、
前記車両用交流発電機の減衰比ζを０．５以上にすることを特徴とした車両用交流発電機の駆動装置。
請求項１に記載の車両用交流発電機の駆動装置において、エンジンクランクプーリに対する前記車両用交流発電機のプーリ比を２以下にすることを特徴とした車両用交流発電機の駆動装置。
請求項１又は請求項２に記載の車両用交流発電機の駆動装置において、前記車両用交流発電機の固定をエンジン直付けのサイドマウント方式にすることを特徴とした車両用交流発電機の駆動装置。
請求項１乃至請求項３に記載の車両用交流発電機の駆動装置において、前記ポリＶベルトの心線材質をポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）にしたことを特徴とした車両用交流発電機の駆動装置。