JP5129577B2 - エンジン始動装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載されるエンジン（内燃機関）を始動させるためのエンジン始動装置の技術分野に属するものである。

一般に、この種エンジン始動装置（スタータ）のなかには、図１〜３に示すように構成したものがある。つまりこのものでは、エンジン始動装置１を構成するモータ部（電動モータ）Ｍは、汎用のブラシ式直流モータが用いられており、モータ軸２の基端部は、筒状のヨーク３の基端側開口を塞ぐエンドカバー３ａに回転自在に軸承されている一方、モータ軸２の先端部には、コンミテータ（整流子）４が一体的に外嵌されている。そして、前記コンミテータ４の外周には、リング状のホルダステー５が外嵌状に組み込まれており、該ホルダステー５は、ヨーク３の先端側開口部に内嵌状に組み込まれるように設定されている。
また６は、モータ部Ｍの先端側、つまり、ホルダステー５に隣接する状態で配される減速装置Ｄを構成する有底筒状のケース体であって、該ケース体６には、前記モータ軸２の先端２ａが内装されている。さらに、ケース体６には、モータ軸先端２ａに相対回転自在に外嵌する状態で駆動軸７の基端部が配されているとともに、モータ軸先端２ａと同芯状に配され、モータ軸先端２ａに噛合して、モータ軸２の回転に伴いケース体６内を周回り方向に回転する複数の遊星ギア８、これら複数の遊星ギア８に支軸９ａを介して一体化されるリング状の支持プレート９が内装されている。そして、支持プレート９の内周面が駆動軸７に一体的に外嵌することで、遊星ギア８の周回り方向の回転が駆動軸７に連動連結するように設定されている。これによって、モータ部Ｍの駆動力は、減速された状態で駆動軸（ピニオン軸）７に動力伝動されるように設定されている。
そして、前記駆動軸７の先端部には、一方向回転式のクラッチ装置Ｃが配されるが、該クラッチ装置Ｃを構成する段差状筒体で構成されるクラッチアウタ１０は、小径側筒内周面に形成されたヘリカルスプライン１０ａを駆動軸７の先端部外周面に刻設されたヘリカルスプライン７ａに噛合させる状態で駆動軸７に外嵌組み込みされている。そして、駆動軸７とクラッチアウタ１０とのあいだに駆動軸７側から所定の回転方向の相対回転が生じたとき、クラッチアウタ１０は駆動軸ヘリカルスプライン７ａに沿って回転移動して、駆動軸７の基端側に位置する非作用位置（図１における上半部に図示される位置）から、先端側の作用位置（図１における下半部に図示される位置）に移動するように設定されている。さらに、前記クラッチアウタ１０の先端側の大径側筒内には、先端外周部にエンジン側のリングギア１１ａに噛合するピニオンギア１１が形成されたクラッチインナ１２が連結されるが、該クラッチインナ１２は、クラッチアウタ１０に対して軸芯方向への移動は一体となるように構成されている。
１３はクラッチアウタ１０とクラッチインナ１２とのあいだに介装されるクラッチローラ、１４はクラッチローラ１３をクラッチアウタ壁１０ｂ側に付勢する弾機であって、該クラッチローラ１３はクラッチアウタ１０の内周面に凹設されるローラ室１０ｄに収容されているが、ローラ室１０ｄは、図２、３において、時計回り側の回転側端部１０ｂではクラッチローラ１３が自由回転できるようクラッチインナ１２とクラッチアウタ１０との対向間隔が大きくなっているが、この対向間隔は、反時計回り側の噛合側端部１０ｃに至るほど狭くなっている。そして、クラッチローラ１３は、モータ部Ｍが停止しているときには、弾機１４の付勢力を受けて図２、図３（Ａ）に示すように両端部１０ｂ、１０ｃの中間位置に位置し、この状態ではクラッチローラ１３のクラッチアウタ１０とクラッチインナ１２とに対する噛み合いはなく動力伝動がなされないが、モータ部Ｍの駆動を受けてクラッチアウタ１０が図２に示す矢印のように時計回り方向に回動した場合、クラッチローラ１３は図３（Ｂ）に示すように噛合側端部１０ｃに移動し、これによって噛み合い状態になってクラッチアウタ１０の回転力がクラッチローラ１３を介してクラッチインナ１２に動力伝動され、エンジン始動が実行されるようになっている。
そうしてエンジン始動がなされると、クラッチアウタ１０の回転よりもクラッチインナ１２の回転の方が速くなるオーバーラン状態になり、この結果、クラッチアウタ１０とクラッチインナ１２とは、図３（Ａ）に示すようにクラッチインナ１２がクラッチアウタ１０に対し反時計回り（矢印）方向に相対回転する状態になってクラッチローラ１３は回転側端部１０ｂに移動してクラッチローラ１３が自由回転をし、これによってエンジン駆動力をクラッチインナ１２からクラッチアウタ１０側には動力伝動しないワンウェイクラッチとして機能するように構成しているものが知られている（例えば特許文献１、２）。
実公昭５９−２６１０７号公報 実開平５−４２６７５号公報

ところでこのような始動装置において、エンジンの始動作動時、エンジンの不正着火等の不正作動が要因となってエンジン側のリングギア１１ａが異常な回転をし、これによってピニオンギア１１から駆動軸７に対して衝撃トルクが印加されることがあり、この状態になったとき、クラッチ装置Ｃは、通常の負荷トルクを超えるような過大な負荷がエンジン側から働くことになって図３（Ｂ）に示すようにクラッチローラ１３は噛合側部位１０ｃに至ることになる。そしてこの状態で、前記衝撃トルクが大きく、これがクラッチローラ１３の最大の法線力を超えるような異常負荷であると、クラッチローラ１３は、クラッチインナ１２に対して噛合状態のまま滑ることになり、この滑り現象によって発生する摩擦熱によって高温状態になり、このため特にクラッチローラ１３の軟化１３ａを誘引し、図４（Ａ）に示すように軟化した組織が剪断応力を受けて塑性流動して引き伸ばされた部分１３ｂが発生し、この引き伸ばされた部分１３ｂが素材の延性限界を超えると、図４（Ｂ）に示すように破断（剥離）１３ｃすることになってクラッチローラ１３が変形する。
そしてこのようにクラッチローラ１３が変形すると、今度はエンジン始動時にクラッチローラ１３の噛み合い代（重なり代）が確保できないことになってクラッチ装置Ｃが空転し、円滑なエンジン始動ができなくなるという問題があり、ここに本発明が解決すべき課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作された
ものであって、請求項１の発明は、
モータ部の駆動力を受けて回転する駆動軸にヘリカルスプライン嵌合され、モータ駆動力は動力伝動するが、エンジン始動したときのエンジン駆動力は動力伝動しないよう構成した一方向回転式のクラッチ装置を備えて構成されるエンジン始動装置において、 前記クラッチ装置を、クラッチインナと、クラッチアウタと、これらクラッチアウタおよびクラッチインナのあいだに介装されるクラッチローラと、該クラッチローラを付勢する弾機とを備えて構成するにあたり、前記クラッチ装置は、エンジン側から駆動軸に対して衝撃トルクが印加されたとき、前記クラッチローラはクラッチインナに対して噛合状態のまま滑るように構成され、前記クラッチローラは軸受鋼で構成され、該クラッチローラの表面を焼入れした後、焼き戻ししたものに窒化処理を施すことで表層と内槽の窒化層が形成されたものであり、またはクラッチアウタ及びクラッチインナの鋼を焼入れした後、焼き戻ししたものに窒化処理を施されたものであることを特徴とするエンジン始動装置である。
請求項２の発明は、窒化処理はガス窒化であることを特徴とする請求項１記載のエンジン始動装置である。
請求項３の発明は、窒化処理は浸炭窒化処理であることを特徴とする請求項１記載のエンジン始動装置である。
請求項４の発明は、クラッチインナのクラッチローラ当接面は、軸芯方向に長く延長されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１記載のエンジン始動装置である。

請求項１の発明とすることにより、クラッチローラと、該クラッチローラに摺接するクラッチアウタおよびクラッチインナとのあいだの摺接面の一方が化合物皮膜になった異質状態での接触となって安定化され、これによって耐磨耗性、耐疲労性に優れたものとなり、過大な負荷がエンジン側から働いたときの耐久性を向上できる。
請求項２または３の発明とすることにより、窒化処理をガス窒化または浸炭窒化処理と
することにより摩擦係数が低いものになって一段と耐久性の高いものとなる。
請求項４の発明とすることにより、クラッチローラがクラッチインナに当接する面が軸心方向に長いことになって、クラッチインナの端面に面取りがあったりクラッチアウタの底面に抜きテーパがあったりしても、クラッチローラはこれら面取りや抜きテーパのない円周面に当接することになってクラッチローラに局部当たりが発生したりすることがなく、均一な力が作用し、クラッチの長寿命化を達成することができる。

エンジン始動装置の一部断面正面図である。 クラッチ装置の断面図である。 （Ａ）（Ｂ）はクランキング時とトルクリミッタ作動時とを示すクラッチ装置の要部拡大断面図である。 （Ａ）（Ｂ）はクラッチローラが変形するメカニズムを示す説明図である。 （Ａ）（Ｂ）は鉄同志の摩擦のメカニズム、鉄と窒化処理鉄との摩擦のメカニズムを示す説明図である。 （Ａ）はブランクについてクラッチ衝撃試験後の、（Ｂ）（Ｃ）は試料２についてクラッチ衝撃試験前と後のクラッチローラの表面部位の拡大写真図である。

符号の説明

１ エンジン始動装置
１０ クラッチアウタ
１２ クラッチインナ
１３ クラッチローラ
１４ 弾機

つまり本発明の発明者は、前述したクラッチローラ１３の変形が発熱によるものであることに着目し、
ｉ．発熱量を低減する
ｉｉ．熱軟化に対する強度アップを図る
ことでクラッチローラの前記変形を防止できるのではないか、という対策をたて、これらについて鋭意検討をした。

まず発熱量について検討すると、発熱量Ｑは、
Ｑ＝μＰＶ
ここで、μ：摩擦係数、Ｐ：荷重、Ｖ：速度である。
で与えられることから、接触面圧の低減と摩擦係数の低減とが対策として考えられるが、前者は機械的なことであるので取りあえず今回の開発テーマから外し、後者の摩擦抵抗の低減についてここでは検討した。

クラッチインナ１２とクラッチローラ１３との摩擦は金属−金属（鉄−鉄）間の摩擦である。通常状態では、クラッチインナ１２とクラッチローラ１３とのあいだにはグリス（潤滑材、クラッチグリス）が介在されているが、負荷が働くと、図５（Ａ）に示すようにクラッチインナ１２とクラッチローラ１３とが直接接触して摺動することになり、この摺動部位において電子移動が発生して両者が凝着し、これを引き剥がす力が摩擦力となる。そこで摩擦係数を低減する対策としては、電子移動を起こさせないようにすればよく、そのため、摺動面に化学的に安定している物質を存在させることが有効な手段ということが提唱される。そこでクラッチ装置Ｃの摺動面の一方に安定な化合物皮膜を形成することが考えられ、この場合に、クラッチ装置Ｃとしては、クラッチローラ１３はクラッチアウタ１０とクラッチインナ１２とにそれぞれ摺接することになるため、クラッチローラ１３の表面に化合物皮膜を形成すれば、両者１０、１２の摺接部位での摩擦抵抗の低減が図れることになるが、その逆にクラッチアウタ１０とクラッチインナ１２との各クラッチローラ１３に摺接する表面に化学皮膜を形成するようにしてもよい。
しかもこのものでは、クラッチインナ１２のクラッチローラ１３が当接する円周面１２ａが軸心方向モータ部Ｍ側に延長形成され、この延長端部がクラッチアウタ１０の底面部１０ｅに凹状に形成の取付け部１０ｆに嵌合組み込みされる構成になっていて、クラッチローラ１３は、クラッチインナ１２に対しては円周面１２ａに当接するようになっており、これによって、クラッチインナ端面部に面取りがあったりクラッチアウタ底面部１０ｅに抜きテーパがあったりしても、クラッチローラ１３はこれら面取りや抜きテーパのない円周面に当接することになってクラッチローラ１３に局部当たりが発生したりすることがなく、均一な力が作用し、クラッチの長寿命化を達成することができる。

そしてこのような化合物皮膜を形成する場合に、鉄との結合が強固である窒素があげられ、そのため化合物皮膜は、窒化処理をすることで容易に形成することができ、このような窒化処理としてはガス窒化処理、浸炭窒化処理が好適である。

１３はクラッチアウタ１０とクラッチインナ１２とのあいだに介装されるクラッチローラ、１４はクラッチローラ１３をクラッチアウタ壁１０ｂ側に付勢する弾機であって、該クラッチローラ１３は軸受鋼（例えばＳＵＪ２）で構成され、表面がガス窒化法による窒化処理が施されている。この処理法は、浸炭性ガスまたは窒素ガス雰囲気中にアンモニア（ＮＨ_３）ガスを３０〜５０％添加し、５００〜５５０℃の温度雰囲気で３５時間加熱保持し、窒素を侵入拡散させ、表面に窒化物を形成させる処理法であり、この処理によって、クラッチローラ１３の表面には０．７〜０．８ｍｍの窒化相の形成が確認されたが、窒化相としては、表層がＡ層（Ｆｅ_２Ｎ）とＢ層（Ｆｅ_４Ｎ）との二層が約１４μｍの厚さで形成され、その内部に拡散相として（Ｆｅ＋Ｆｅ_４Ｎ）相（以下「内相」という）が約４μｍの厚さで形成されていることが確認された。そしてその表面硬度は、窒化処理前はＨｖ７６０であったものがＨｖ６７０と若干の低下が確認された。

このようにしてガス窒化処理されたクラッチローラ１３を用いて実機テストを２０回繰り返した後のものを観測したが、クラッチローラ１３としては、焼入れを行ったものを窒化処理したもの（試料１）と、焼入れたものを焼戻ししてから窒化処理したもの（試料２）とを用意し、これらについて前記実機テストを行った。ブランクとして、焼入れをしただけのクラッチローラについてもテストを行った。その結果を、図６の写真図に示す。
テスト結果として、ブランクのものは、表層が熱影響により組織変化し、塑性変形や剥離をしているのが確認され、剥離は十数μｍ程度で発生していた。これに対し、試料１、２の両者とも、外相は磨耗して消失していたが、内相は剥離せず、殆んどそのまま残っていた。そしてクラッチローラ自体の熱的影響は殆んど観測されず、そのまま継続しての使用が可能であった。さらに試料１、２をよく観測したところ、試料２のものが試料１よりも内相が厚く残っており、この結果、焼入れしたものを焼戻した後、窒化処理をしたものの方が耐久性に優れていることが確認された。

また次に、クラッチローラ１３の表面に、ガス窒化に換えて浸炭窒化処理を施したものについて説明する。この処理法は、鋼の表面に炭素と同時に窒素も侵入させて鋼表面を硬くする方法で、天然ガスやプロパンガス等の浸炭性ガス雰囲気下に０．５〜１．０％のアンモニア（ＮＨ_３）を添加し、５００℃以上に加熱して５０〜１５０分間処理することによって浸炭するものであり、これは、浸入窒素の影響により単なる浸炭よりも低い焼入れ温度の採用が可能となり、焼入れ変体が減少する。実際にクラッチローラ１３について検討したところ、摩擦係数が浸炭窒化処理を施さない鋼の摩擦係数が０．２１であったものが、浸炭窒化処理を施したものの摩擦係数は０．１６と低減していることが確認された。そしてその表面硬度は、窒化処理前はＨｖ７６０であったものがＨｖ１０００と硬化したことが確認された。

このようにして浸炭窒化処理されたクラッチローラ１３を用いて実機テストを２０回繰り返した後のものを観測したが、クラッチローラ１３としては、焼入れを行ったものを浸炭窒化処理したもの（試料３）と、焼入れたものを焼戻ししてから浸炭窒化処理したもの（試料４）とを用意し、これらについて前記実機テストを行った。ブランクとして、焼入れをしただけのクラッチローラについてもテストを行った。
テスト結果として、ブランクのものは、表層が熱影響により組織変化し、塑性変形や剥離をしているのが確認され、剥離は十数μｍ程度で発生していた。これに対し、試料３、４の両者とも、処理層の表面は磨耗して消失していたが、内層は剥離せず、殆んどそのまま残っていた。そしてクラッチローラ自体の熱的影響は殆んど観測されず、そのまま継続しての使用が可能であった。さらに試料３、４をよく観測したところ、試料４のものが試料３よりも浸炭窒化処理層が厚く残っており、この結果、焼入れしたものを焼戻した後、浸炭窒化処理をしたものの方が耐久性に優れていることが確認された。

尚、本発明は前記実施の形態に限定されるものでなく、化合物皮膜としては、炭化クロム（ＣｒＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等の表面処理材を用いて形成することができ、また、化合物皮膜はクラッチローラでなく、クラッチインナおよびクラッチアウタの両者に形成しても実施することができる。

本発明は、車両に搭載されるエンジン（内燃機関）を始動させるためのエンジン始動装置の技術分野に属するものであって、特にクラッチローラの耐久性を向上させることができて、エンジン始動装置の信頼性を向上させる場合に有用である。

Claims (4)

1. モータ部の駆動力を受けて回転する駆動軸にヘリカルスプライン嵌合され、モータ駆動力は動力伝動するが、エンジン始動したときのエンジン駆動力は動力伝動しないよう構成した一方向回転式のクラッチ装置を備えて構成されるエンジン始動装置において、 前記クラッチ装置を、クラッチインナと、クラッチアウタと、これらクラッチアウタおよびクラッチインナのあいだに介装されるクラッチローラと、該クラッチローラを付勢する弾機とを備えて構成するにあたり、
   前記クラッチ装置は、エンジン側から駆動軸に対して衝撃トルクが印加されたとき、前記クラッチローラはクラッチインナに対して噛合状態のまま滑るように構成され、
   前記クラッチローラは軸受鋼で構成され、
   該クラッチローラの表面を焼入れした後、焼き戻ししたものに窒化処理を施すことで表層と内槽の窒化層が形成されたものであり、
   またはクラッチアウタ及びクラッチインナの鋼を焼入れした後、焼き戻ししたものに窒化処理を施されたものであることを特徴とするエンジン始動装置。
2. 窒化処理はガス窒化であることを特徴とする請求項１記載のエンジン始動装置。
3. 窒化処理は浸炭窒化処理であることを特徴とする請求項１記載のエンジン始動装置。
4. クラッチインナのクラッチローラ当接面は、軸芯方向に長く延長されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１記載のエンジン始動装置。

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