JP4624016B2 - 内燃機関用発電機 - Google Patents

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Description

本発明は、一般的にオルタネータと呼ばれる内燃機関用発電機に関する。
オルタネータと呼ばれる発電機は、エンジンの回転力を利用して例えば車両に必要な交流電力を作るものであり、車両の運行には必要不可欠なものである(例えば特許文献1参照)。図7に代表的な内燃機関用発電機の構造を示す。発電機20は、図示するようにその駆動源をエンジン(図示せず)のクランクシャフト21とし、テーパ付けされたその端部にボス23を嵌合し、ナット19を介して固定するものである。なお、図中22は、クランクシャフト21とボス23との間で回転滑りを生じないための廻り止め(キー)である。ボス23はその軸方向一端にフランジ部23aを有しており、このフランジ部23aに対し、一般的に“マグネトウ”と呼ばれる円筒状ロータ24が装着・固定される。ロータ24は、その中央にボス23を挿入させる嵌合穴24aを備え、円筒状の側壁を有するカップ状のマグネットホルダ25と、ホルダ25の内壁面に貼り付けられた複数のマグネット26とからなる。
ロータ24とボス23は、ロータ24の底壁24aとボス23のフランジ部23aを突き合わせた形で嵌合穴24aの周囲に配置された複数(例えば3個)のリベット27を介して一体化される。
カップ状ロータ24の内部には、ロータ回転によって交流電力を生じるステータ28が配される。ステータ28は多層板からなるステータヨーク29と、このステータヨーク29の軸方向両側に配置されたインシュレータ30と、インシュレータ30周りに巻き掛けされたコイル31とから構成され、ロータ24の回転によって起電力を生じる。
ボス23のフランジ部23aを挟み、マグネットホルダ25の反対側には、ボス23の回転力をフライホィール32に伝達するワンウェイクラッチ33が設けられる。ワンウェイクラッチ33は、カップ状に形成されるフライホィール32の凹部に収納され、その外輪部分33aとボス23のフランジ部23a、およびマグネットホルダ25が複数(例えば3本)のボルト34を介して一体化される。図7において35は、クランクシャフト21に対しフライホィール32を回転可能とするボールベアリング、また36はフライホィール32外周に形成されるギヤである。
以上、本願に関連する技術としての発電機構造を簡単に説明したが、ボスとロータを一部品で構成し、ボルトを介してこれをワンウェイクラッチ33の外輪部分33aに固定した発電機もある。
これらの構造に共通して発電機は、ボルト34を介してボス・ロータをワンウェイクラッチ外輪部分33aに固定する構造を採用するため、グラッチ側としては、外輪部分33aにボルト34を係合させるためのねじ穴37を設けなければならず、また強度上もボルト収納部周囲に、ある程度の肉厚のクラッチ部分を確保しなければならないことから、クラッチ33の外径も増大化する傾向にある。このため、発電機作動においてはワンウェイクラッチ33自体の重量慣性モーメントが大きく、エンジンレスポンスが低下するなどの問題を抱えていた。加えて、図示した構造はクラッチ・ボス・ロータの一体化のために多数のボルト34を有するため、発電機自体の構造も複雑化し、またその重量も大きい。従って車両軽量化の点でも、また発電機自体の組付け作業性という点でも現状の発電機構造は好ましいものとは言えなかった。
特開2001−136694号公報
本発明は、上記従来技術を考慮したものであって、発電機自体の構造を簡略軽量化し、ワンウェイクラッチの慣性モーメントを低減するとともに、その組付け作業性をも従来に比して向上できるような内燃機関の発電機を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項1の発明では、内燃機関のクランクシャフトの軸方向一端に固定され、クランクシャフトと一体で回転するボス部と、前記ボス部と共に回転し、その内周側に複数個の永久磁石を周方向に隔置するロータ部と、前記ロータ部の内部に配置されたステータと、前記ボス部と作動連結されボス部の回転をフライホィールに伝達する外輪部及び内輪部からなるワンウェイクラッチとを有し、もってクランクシャフトの回転により発電する内燃機関用発電機において、前記ボス部と前記ロータを一体化して一体型ロータを構成するとともに、該一体型ロータの一部を前記ワンウェイクラッチ側に延ばし、前記ワンウェイクラッチの外輪部を構成する。
また、前記ワンウェイクラッチの内輪部に対面する前記一体型ロータの外輪部の内周面には、高周波焼き入れが施され、該ワンウェイクラッチ外輪部の内周面に隣接する前記一体型ロータのボス部の一部に高周波焼き入れが施される。
さらに、当該ワンウェイクラッチ外輪部端面の高周波焼入れ部と、前記ボス部の高周波焼入れ部は連続していることとし、該ワンウェイクラッチ外輪部端面とこれに直角な前記ボス部との境界部に切欠きが形成され、この切欠きに連続して前記ボス部にテーパ面が形成されていることを特徴としている。
請求項の発明では、内燃機関のクランクシャフトの軸方向一端に固定され、クランクシャフトと一体で回転するボス部と、前記ボス部と共に回転し、その内周側に複数個の永久磁石を周方向に隔置するロータ部と、前記ロータ部の内部に配置されたステータと、前記ボス部と作動連結されボス部の回転をフライホィールに伝達する外輪部及び内輪部からなるワンウェイクラッチとを有し、もってクランクシャフトの回転により発電する内燃機関用発電機において、前記ボス部と前記ロータを一体化して一体型ロータを構成するとともに、該一体型ロータの一部を前記ワンウェイクラッチ側に延ばし、前記ワンウェイクラッチの外輪部を構成する。
また、前記ワンウェイクラッチの内輪部に対面する前記一体型ロータの外輪部の内周面には、高周波焼き入れが施され、該ワンウェイクラッチ外輪部の内周面に隣接する前記一体型ロータのボス部の一部に高周波焼き入れが施される。
さらに、当該ワンウェイクラッチ外輪部端面の高周波焼入れ部と、前記ボス部の高周波焼入れ部は連続していることとし、該ワンウェイクラッチ外輪部端面とこれに直角な前記ボス部との境界部に切欠きが形成され、この切欠きに連続して前記ボス部に段差面が形成されていることを特徴としている。
請求項1及び2の各発明によれば、従来のロータを設計変更し、ボス部と、ワンウェイクラッチの外輪部の機能をもたせることにより、従来バラバラであったこれらの要素が一つの部品で済み、一体化のためのボルトやリベットを廃することができ、ワンウェイクラッチの外径も小径化し、重量低減に伴い慣性モーメントも小さくすることができる。また部品点数減に伴い、ワンウェイクラッチ組付けの工数を削減することができる。
また、ワンウェイクラッチの内輪部に対面する一体型ロータの外輪部の内周面に高周波焼き入れを施すことにより、クラッチロック時、ワンウェイクラッチ内輪部に設けられるローラからの外力にも対抗して、その強度を確保することができる。またローラ・内周面間接触による磨耗に対しても、高周波焼き入れによる硬度増に伴い、その磨耗量を低減することができる。
また、高周波焼き入れ範囲を、ワンウェイクラッチ外輪部の内周面に隣接する前記ボス部の一部にまで延ばしたことにより、ワンウェイクラッチ外輪部の内周面とフランジ部との境界部分の切欠き部(クラッチが働いたとき一番応力がかかる部分)に高周波焼境が形成されないようにして切欠き部の強度を確保することができる。
さらに、ワンウェイクラッチ外輪部端面(内周面)の高周波焼入れとボスフランジ部の高周波焼入れが連続して形成されるため、クラッチ外輪部端面とボスフランジ部との境界部に高周波焼入れの境界部(焼境)が形成されない。このため、焼境による強度の低下や亀裂の発生が防止される。
また、請求項1の発明によれば、クラッチ外輪部の隅の切欠きに連続してボスのフランジ部にテーパ面が形成されるため、切欠きの奥部まで熱が行き渡たる。このため、クラッチ外輪部端面及びボスのフランジ部がともに焼入れされるとともに切欠きの周りが確実に焼入れされ、この切欠き部分に高周波焼入れの境界となる焼境が生じない。
また、請求項2の発明によれば、クラッチ外輪部の隅の切欠きに連続してボスのフランジ部に段差面が形成されるため、切欠きの奥部まで熱が行き渡たる。このため、クラッチ外輪部端面及びボスのフランジ部がともに焼入れされるとともに切欠きの周りが確実に焼入れされ、この切欠き部分に高周波焼入れの境界となる焼境が生じない。
本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明による内燃機関用発電機の構成を示す縦断面図である。この実施形態の発電機1は、従来同様その駆動源をエンジン(図示せず)のクランクシャフト2とし、テーパ付けされたその端部にナット3を介して嵌合される一体型ロータ4を備える。なお、図中5は、クランクシャフト2と一体型ロータ4との間で回転滑りを生じないための廻り止め(キー)である。
一体型ロータ4は大別して、クランクシャフト2に嵌合するボス部41と、ボス部41の軸方向一端に設けられたフランジ部41aを介してボス部41に一体化されたカップ状のロータ部42と、さらにフランジ部41aを介してボス部41に一体化された円筒状のクラッチ外輪部43とによって構成されている。ロータ部42は、その内壁面42aに周方向に隔置された複数のマグネット6を備えている。
ロータ部42の内部には、ロータ回転によって交流電力を生じるステータ7が配される。ステータ7は多層板からなるステータヨーク8と、このステータヨーク8の軸方向両側に配置されたインシュレータ9と、インシュレータ9周りに巻き掛けされたコイル10とから構成され、一体型ロータ4の回転によって起電力を生じるようになっている。
ロータ部42はその軸方向一端(ボス部41のフランジ部41a側)に底壁部42bを備えており、所謂カップの形を有している。ボス部41とロータ部41とは、ボス部側のフランジ部41aとロータ部側の底壁部42bを介して一体化されている。当然、その材料は同一である。
ボス部41のフランジ部41aを挟み、ステータ7の反対側には、ボールベアリング11を介してクランクシャフト2に回転可能に支持されるフライホィール12と、ワンウェイクラッチ13がそれぞれ設けられる。ワンウェイクラッチ13は、クランクシャフト2の回転をロータ4を介してフライホィール12側に伝達するものであって、クランクシャフト2の回転数を越えてフライホィール12が回転する状況下においては、フライホィール12が空転し、その回転力がロータ4側に伝わらないようになっている。このワンウェイクラッチ13は、複数のローラ14とこれらローラ14を支持するローラホルダ15からなるクラッチ内輪部13a、及び前出のクラッチ外輪部43とによって構成されている。
クラッチ外輪部43は、前述したように、一体型ロータ4のボス部41のフランジ部41aの外端からワンウェイクラッチ13側(又はフライホィール12側)に突出した円筒形状を有し、当然、同材料でフランジ部41aに一体化されている。そしてその円筒部分の内側に、クラッチ内輪部13aのローラ14を配するようになっている。尚、図1において16は、クラッチ外輪部43からのローラ14が飛び出さないようにするためのカバーである。
図2は、上述した一体型ロータ4の断面図である。上述したように、ロータ4は大別して、ボス部41、ロータ部42及びクラッチ外輪部43によって構成されるが、ロータ部42の外周面には、ロータ4の回転位置を検出するための肉厚部(突起)42cが円周方向所定角度範囲(例えば60度)にわたって形成される。図示しないが、このロータ部42の外側にはロータ回転位置(またはロータ回転数)を検出するためのセンサが設けられ、ロータ回転に伴って肉厚部42cを周期的に検出することにより、ロータ位置(又は回転数)が検出されるようになっている。またロータ部42の底壁部42bには、肉厚部42cを設けたことによる重量バランスの偏りを相殺するための切欠き(欠肉部)42dがロータ円周方向にわたって形成されている。
図3は、図2の矢印III方向から見たロータ外観図、図4は同図の矢印IV方向から見たロータ外観図である。これらの図3、4に、上述した肉厚部42c及び切欠き42dの形状および形成範囲が示される。
以上説明したように、本実施形態によれば、従来の発電機では単にマグネット6を保持するだけの機能を持っていたロータを設計変更し、クランクシャフト嵌合部分となるボス部としての機能に加え、さらにワンウェイクラッチの外輪部としての機能までも併せ持たせるようにしたことにより、図7に関連して説明した発電機では分離されていたこれらの要素が一つの部品(即ち、一体型ロータ4)で済み、これまで必要であったロータ・ボス・クラッチ外輪部を一体化するためのボルト31(図7)やリベット27を廃することができる。またこれに伴い、ボス部41やワンウェイクラッチ外輪部43もボルト・リベットの収納部分を確保する必要がなく、外輪部小径化に伴いワンウェイクラッチ13を小径化することができる。従って、ワンウェイクラッチ13の重量も低減することができ、慣性モーメントも小さくなり、始動時のレスポンスも改善することができる。さらに部品点数も従来のワンウェイクラッチよりも少なくなり、ワンウェイクラッチ組付けの工数を削減することができる。
ところで、このようにロータ4の一部を以ってワンウェイクラッチ外輪部の機能を果たすようにすると、例えば発電機作動状態においてワンウェイクラッチ13のロック機構(図示せず)が働くと、内輪部13を構成する複数のローラ14にクラッチ半径方向外方の力がかかり、これに伴ってロータ4のクラッチ外輪部43にその内側より過大な力が作用したり、ロータ4との接触によって外輪部内周面が磨耗し、ロータ自体としての耐久性を損なう可能性がある。このため、本実施形態ではワンウェイクラッチ外輪部43の内周面(端面)に、その強度向上のため高周波焼き入れが施されている。
図5は図4の円Vで示したクラッチ外輪部43の部分拡大図である。図は、ボス部41のフランジ部41aとクラッチ外輪部43の境界から外輪部端面43aにかけて、外輪部内周面に沿って高周波焼き入れ部43bが形成される。これにより、クラッチ外輪部43は端面43a部分の硬度を他の部分のそれよりも高めることができ、クラッチのローラ14と摺接してもロータ自体の耐久性を確保することができる。
クラッチ外輪部43の端面43aとこれと直角なボスフランジ部41aの境界部に、加工上切欠き17が形成される。この切欠き17は、クラッチ組付け時、ローラホルダ15のコーナー部との干渉を回避するためとしても機能する。
図6は、図5に示した高周波焼き入れ処理の変形例である。この変形例は、上記切欠き17の周囲に生じる残留応力による亀裂発生を配慮したものである。すなわち、ここでは、高周波焼き入れ範囲をボス部41のフランジ部41aにまで延ばすことにより、切欠き17の周辺に残留する応力を低減させ、また切欠き17自体の形状も大きくし、クラッチ使用時においてこの部分に応力が集中しないような対策が施されている。また、フランジ部41a自体の厚みを増して切欠き17周辺自体の強度を向上させてもよい。
しかしながら、実際に一体型ロータのクラッチ外輪部43の端面43aとともに、ボス部41のフランジ部41aにも高周波焼入れを施そうとしても、単に図2のV部に高周波コイルをあてがって焼入れしたのでは、図6のようなクラッチ外輪部端面43aとフランジ部41aが連続した高周波焼入れはできない。
このようなボス部41のフランジ部41aに対する高周波焼入れについて、図8を参照して、以下さらに説明する。
本発明の一体型ロータは、例えばエンジンのクランク軸に装着されるものであり、耐熱性とともに大きな強度を必要とする。したがって、その材料としては、例えばカーボンを含んだS48Cなどが用いられる。ここでクラッチ外輪部端面43aはワンウェイクラッチ用のピンを受ける面であり、さらに大きな強度を必要とする。このため、このクラッチ外輪部端面43aにその強度を高めるための高周波焼入れ43bが施される。
高周波焼入れは、一般に矩形断面形状の角パイプをリング状にした高周波コイル(導波管)を用い、この高周波コイルを焼入れ部にあてがって通電することにより加熱するものである。
しかしながら、このような高周波コイルをロータのクラッチ外輪部端面43aの隅部に対向させて加熱すると、この隅部には加工の必要上切欠き17が形成されているため、この切欠き17の奥までは十分に加熱されず、隅部に焼入れされない部分が生じる。したがって、図8に示すように、クラッチ外輪部端面43aの焼入れ部43bと、フランジ部41aの焼入れ部50が、切欠き17の部分で不連続となって焼入れの境界部が生じる。このため、このような焼入れ不連続部分(焼境)に応力集中が起こり、切欠き17の形状に基づく応力集中とともに、これらの応力集中が隅部に作用して、この隅部に亀裂が生じやすくなる。
この切欠き17の奥まで焼入れするために加熱量を増やすと、フランジ部41aが溶損するおそれを生じる。この溶損を防止するため、フランジ部41aの厚さを増やそうとしても、このフランジ部41aは、ロータの回転モーメント軽減のため、重量をあまり大きくできず、したがって、厚さ増加に限度がある。このため、溶損を防止するための別の手段として、フランジ部41aの背面側(図の右側)から矢印Rのように冷却することが考えられる。しかしながら、このように冷却すると、切欠き17部分に対する加熱効果が低下し、隅部に対する高周波焼入れの目的が達成できない。
このような点を考慮し、切欠きの奥まで十分焼入れができる内燃機関用発電機のクラッチ外輪部の形状例を以下に示す。
図9の例は、切欠き17に連続してロータボス部41のフランジ部41aにテーパ面51を形成したものである。このようなテーパ面51を形成することにより、高周波コイル(不図示)からの熱が切欠き17の奥まで十分行き渡って切欠き17の奥が焼入れされる。これにより、フランジ部41aの焼入れ部50が切欠き17の奥の焼入れを介してクラッチ外輪部端面43aの焼入れ部43bと連続する。このように切欠き17のある隅部で高周波焼入れが連続して形成されることにより、応力集中が緩和され亀裂発生のおそれが軽減する。
図10の例は、切欠き17に連続してロータボス部41のフランジ部41aに段差面52を形成したものである。また、この例では、断面形状が先細部53aを有する高周波コイル53を用いて高周波加熱する。このような段差面52を形成するとともに、先細部53aを有する高周波コイルを用いて加熱することにより、切欠き17の奥まで十分高周波コイルからの熱が行き渡り、切欠き17の奥が焼入れされ、フランジ部41aの焼入れ部50が切欠き17の奥部の焼入れを介してクラッチ外輪部端面43aの焼入れ部43bと連続する。このように切欠き17のある隅部で高周波焼入れが連続して形成されることにより、応力集中が緩和され亀裂発生のおそれが軽減する。
なお、図示した形状の高周波コイル53を用いることなく、通常の矩形断面の高周波コイルを用いても、コイル断面の幅が段差面52の長さ以下であれば、切欠き17の奥まで十分に高周波加熱することができ、切欠き17の奥を焼入れすることができる。
図示した先細部53aを有する高周波コイル53は、前述の図9の実施例に対する高周波加熱用として用いても有効である。
以上説明したように、本発明によれば、内燃機関用発電機において、ボス部とロータとを一体化して一体型ロータを構成するとともに、この一体型ロータの一部をワンウェイクラッチ側に延ばし、ワンウェイクラッチの外輪部を構成するようにしたことにより、従来バラバラであったこれらの要素が一つの部品で済み、一体化のためのボルトやリベットを廃することができ、部品点数が減少する。また、ワンウェイクラッチの外径も小径化し、重量が低減する。この重量低減に伴い慣性モーメントも小さくすることができる。また部品点数減に伴い、ワンウェイクラッチ組付けの工数を削減することができる。
また、前記ワンウェイクラッチの内輪部に対面する前記一体型ロータの外輪部の内周面に、高周波焼き入れを施す構成によれば、クラッチロック時、ワンウェイクラッチ内輪部に設けられるローラからの外力に対抗して、その強度を確保することができる。またローラとの接触による磨耗に対してもその量を低減することができる。
さらに前記ワンウェイクラッチ外輪部の内周面に隣接する前記一体型ロータのボス部の一部にもクラッチ外輪部端面の高周波焼入れに連続する高周波焼入れを施す構成によれば、ワンウェイクラッチ外輪部とボス部との境界部分に応力が集中しにくくなり、その強度を確保することができる。
本発明の実施形態に係る発電機の縦断面図。 図1の発電機の一体型ロータの縦断面図。 図2の矢印III方向から見たロータ外観図。 図2の矢印IV方向から見たロータ外観図。 図2の部分Vの拡大断面図。 図5に類似し、高周波焼き入れの変形例を示した部分的拡大断面図。 本発明に関係する、関連技術としての発電機構造を示した縦断面図。 クラッチ外輪部の隅部の切欠き部分の高周波焼入れの説明図。 クラッチ外輪部の隅部の切欠き部分に高周波焼入れした実施例の断面図。 クラッチ外輪部の隅部の切欠き部分に高周波焼入れした別の実施例の断面図。
符号の説明
1:発電機、2:クランクシャフト、3:ナット、4:一体型ロータ、5:位置決め(キー)、6:マグネット、7:ステータ、
8:ステータコア、9:インシュレータ、10:コイル、
11:ボールベアリング、12:フライホィール、
13:ワンウェイクラッチ、13a:クラッチ内輪部、
14:ローラ、15:ローラホルダ、16:カバー、17:切欠き、
19、ナット、20:発電機、21:クランクシャフト、
22:位置決め(キー)、23:ボス、23a:フランジ部、
24:円筒状ロータ、24a:嵌合穴、25:マグネットホルダ、
26:マグネット、27:リベット、28:ステータ、
29:ステータコア、30:インシュレータ、31:コイル、
32:フライホィール、33:ワンウェイクラッチ、33a:外輪部分、34:ボルト、35:ボールベアリング、36:ギヤ、41:ボス部、41a:フランジ部、42:ロータ部、42a:内壁面、
42b:底壁部、42c:肉厚部、42d:切欠き(欠肉部)、
43:クラッチ外輪部、43a:外輪部端面、
43b:高周波焼き入れ部、50:フランジ部の高周波焼入れ部、51:テーパ面、52:段差面、53:高周波コイル、53a:先細部。

Claims (2)

  1. 内燃機関のクランクシャフトの軸方向一端に固定され、クランクシャフトと一体で回転するボス部と、前記ボス部と共に回転し、その内周側に複数個の永久磁石を周方向に隔置するロータ部と、前記ロータ部の内部に配置されたステータと、前記ボス部と作動連結されボス部の回転をフライホィールに伝達する外輪部及び内輪部からなるワンウェイクラッチとを有し、もってクランクシャフトの回転により発電する内燃機関用発電機において、
    前記ボス部と前記ロータを一体化して一体型ロータを構成するとともに、該一体型ロータの一部を前記ワンウェイクラッチ側に延ばし、前記ワンウェイクラッチの外輪部を構成し、
    前記ワンウェイクラッチの内輪部に対面する前記一体型ロータの外輪部の内周面には、高周波焼き入れが施され、
    当該ワンウェイクラッチ外輪部の内周面に隣接する前記一体型ロータのボス部の一部に高周波焼き入れが施され、
    当該ワンウェイクラッチ外輪部端面の高周波焼入れ部と、前記ボス部の高周波焼入れ部は連続していることとし、
    当該ワンウェイクラッチ外輪部端面とこれに直角な前記ボス部との境界部に切欠きが形成され、この切欠きに連続して前記ボス部にテーパ面が形成されていることを特徴とする内燃機関用発電機。
  2. 内燃機関のクランクシャフトの軸方向一端に固定され、クランクシャフトと一体で回転するボス部と、前記ボス部と共に回転し、その内周側に複数個の永久磁石を周方向に隔置するロータ部と、前記ロータ部の内部に配置されたステータと、前記ボス部と作動連結されボス部の回転をフライホィールに伝達する外輪部及び内輪部からなるワンウェイクラッチとを有し、もってクランクシャフトの回転により発電する内燃機関用発電機において、
    前記ボス部と前記ロータを一体化して一体型ロータを構成するとともに、該一体型ロータの一部を前記ワンウェイクラッチ側に延ばし、前記ワンウェイクラッチの外輪部を構成し、
    前記ワンウェイクラッチの内輪部に対面する前記一体型ロータの外輪部の内周面には、高周波焼き入れが施され、
    当該ワンウェイクラッチ外輪部の内周面に隣接する前記一体型ロータのボス部の一部に高周波焼き入れが施され、
    当該ワンウェイクラッチ外輪部端面の高周波焼入れ部と、前記ボス部の高周波焼入れ部は連続していることとし、
    当該ワンウェイクラッチ外輪部端面とこれに直角な前記ボス部との境界部に切欠きが形成され、この切欠きに連続して前記ボス部に段差面が形成されていることを特徴とする内燃機関用発電機。
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