JP5131329B2 - 自動車用交流発電機 - Google Patents

Description

本発明は、乗用車、トラックなどの自動車エンジンに搭載される自動車用交流発電機（オルタネータ）に関し、とくに自動車用交流発電機の回転軸の軸受け装置の耐振動性の向上およびベアリングのクリープの抑制に関する。

自動車エンジンに装着され該エンジンに駆動される交流発電機は、一対の碗状を呈するフロント（ドライブエンド）フレームとリア（リアエンド）フレームとを、各々の開口部を向かい合せて、固定子を挟持して接合した構造のハウジングを有する。フロントフレームおよびリアフレームのそれぞれの中央部には、内部に向かって軸方向に互いに突出する円筒状のフロントベアリングボックス（以下、フロントボックス）およびリアベアリングボックス（以下、リアボックス）が設けられている。このフロントボックスおよびリアボックスのそれぞれには、フロントベアリングおよびリアベアリングが取り付けられている。このフロントベアリングおよびリアベアリングには、固定子の内側に配された回転子の回転軸（シャフト）が回転自在に支持されている。この回転軸は、フロントフレームから外に突き出している先端部に取り付けたプーリを介してエンジンにより駆動される。

フロントベアリングの外輪はフロントボックスに固定されているが、リアベアリングの外輪は軸方向の変位が可能な状態でリアボックスに保持されている。リアボックスは、筒状のリアベアリングホルダを備えている。リアベアリングホルダは、リアフレームのリア側の側壁部に固定されており、リアフレームの側壁部とともに、ベアリング収容部を形成している。この結果、ベアリング収容部内には、リアベアリングが軸方向にわずかに移動可能に保持される。さらに、ベアリング収容部内には、リアベアリングの外輪を軸方向の一方へ向けて付勢する手段が設けられている。この付勢（予圧付与）手段により、リアベアリングの外輪には軸方向に向けて所定の予圧が付与されている。

この予圧付与手段として、ワッシャを用いることが知られている。ワッシャは、リアベアリングとリアフレームの側壁部の内側面（側壁面）との間の隙間に配置されている。この内側面（側壁面）は、リアボックスの側壁の内側面でもある。ワッシャは、リアベアリングの外輪と内側面（側壁面）とに接触するように配置され、挟持されている。

このワッシャとしては、板状のバネ材を円環状に打ち抜いた後、周方向に沿って波形をなすように成形することで得られる、開口部がない１重波ワッシャ，細板状（短冊状）のバネ材を一周だけ環状に曲げた後に、周方向に沿って波形をなすように成形することで得られる１重波ワッシャがある。

そして、ベアリングの対クリープ性を向上させるとともに与圧を許容範囲内に納めることを容易に行えるワッシャとして、特許文献１に、一体型の多重波ワッシャが開示されている。この多重波ワッシャも、細板状のバネ材を環状に曲成して形成される。

しかしながら、一重波ワッシャ，多重波ワッシャにおいては、１本のバネ材を環状に成形して作製しているが、円環状に成形されたバネ材の両端部の間には、隙間が形成される。この隙間は、セット荷重を加えた時に、端部と環状に曲成された本体部とが接触しないように２〜３ｍｍの隙間が必要となっている。

そして、この隙間は、成形後の熱処理や表面処理を行っているときに、複数のワッシャ同士の絡み合いを引き起こしやすくなっていた。特に、多重ワッシャが絡み合うと、ほぐすための工程が複雑になり、場合によっては機械ではなく人手が必要となり、工数が非常にかかるおそれがあった。

また、開口のない一重波ワッシャは、開口がないが故に、バネ特性の変化が急になり、安定したセット荷重（フラット特性）が得られないという問題があった。

特開２００５−２１８２３５号公報

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、安定したセット荷重が得られるだけでなく、取り扱いに注意を要しないワッシャを有する自動車用交流発電機を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明者等は、ワッシャの構造について検討を重ねた結果、本発明をなすに至った。

すなわち、請求項１に記載の本発明の自動車用交流発電機は、フロントベアリングおよびリアベアリングを保持したハウジング内に固定子を設置するとともに、固定子の内側に、フロントベアリングおよびリアベアリングに回転自在に支持されたシャフトを有する回転子を配してなる自動車用交流発電機において、フロントベアリングまたはリアベアリングと同心の円環形状部と、円環形状部に周方向に沿って形成された互いに独立した少なくとも３つのバネ部と、を有し、バネ部は、円環形状部から径方向に延在するとともに軸方向に曲成される曲成部と、曲成部の最外径部に設けられ該ベアリングの該外輪，ハウジングと当接する平面部と、を有し、周方向で隣接するバネ部が、軸方向で異なる方向に曲成部が折り曲げられてなる、ベアリング外輪とハウジングの間に分圧を付与するワッシャを有することを特徴とする。

本発明の交流発電機は、円環形状部と複数のバネ部とを有するワッシャで、ベアリング外輪とハウジングの間に分圧を付与する。

本発明では、ワッシャが、ベアリングと同心の円環形状部を有している。円環形状部が円環形状（開いていない円環形状）をなすことで、ワッシャ同士が複雑に絡み合うことを抑えることができる。仮にワッシャが絡みあっても、簡単にほぐすことが可能となる。

また、本発明では、ワッシャが、周方向に沿って形成された複数のバネ部を、互いに独立した状態で有している。ここで、バネ部の互いに独立したとは、それぞれのバネ部の特性を任意に設定できる状態（隣接するバネ部の特性に依存しない状態）を示す。複数のバネ部を有することで、それぞれのバネ部のバネ定数を任意に設定できる。つまり、それぞれのバネ部のバネ定数を低く設定できるとともに、広い範囲でフラットなバネ荷重特性を得られる効果を発揮する。

本発明の自動車用交流発電機は、ワッシャのバネ部は、円環形状部から径方向に延在するとともに軸方向に曲成される曲成部と、曲成部の最外径部に設けられベアリングの外輪，ハウジングと当接する平面部と、を有し、周方向で隣接するバネ部は、軸方向で異なる方向に曲成部が折り曲げられていることを特徴とする。

本発明の自動車用交流発電機においてワッシャは、バネ部が、円環形状部の両面側に突出するように曲成している。この構成によると、発電機に組付ける際に方向性が無くなる。すなわち、ワッシャの組付けの工数を低減できる。なお、バネ部は、偶数個であることが好ましい。

また、ベアリング外輪やハウジングと当接する平面部が多く存在しており、バネ部のバネ定数が低くても高い耐クリープ性を得られる効果を発揮する。

請求項２に記載の本発明の自動車用交流発電機は、フロントベアリングおよびリアベアリングを保持したハウジング内に固定子を設置するとともに、固定子の内側に、フロントベアリングおよびリアベアリングに回転自在に支持されたシャフトを有する回転子を配してなる自動車用交流発電機において、フロントベアリングまたはリアベアリングと同心の円環形状部と、円環形状部に周方向に沿って形成された互いに独立した少なくとも３つのバネ部と、を有し、バネ部は、円環形状部から径方向に延在する径方向延在部と、径方向延在部の最外径部に設けられ周方向に伸びるとともにベアリングの外輪、ハウジングと当接するように軸方向に曲成される周方向曲成部と、を有し、周方向で隣接する周方向曲成部は、軸方向で異なる方向に周方向曲成部が折り曲げられてなる、ベアリング外輪とハウジングの間に分圧を付与するワッシャを有することを特徴とする。

請求項２に記載の本発明の自動車用交流発電機のバネ部は、周方向に沿ってのびる周方向曲成部を有している。この構成によると、バネ部において相手材を付勢する曲成部の長さを長くする（相手材との接触面積を大きくする）ことができる。これにより、バネ部が円環形状部と接続する接続部に係る応力を低減できる効果を発揮する。

実施例１の自動車用交流発電機の構成を示した図である。 実施例１の自動車用交流発電機の構成を示した部分拡大図である。 実施例１の自動車用交流発電機のワッシャを示した図である。 実施例２の自動車用交流発電機のワッシャを示した図である。 参考例の自動車用交流発電機のワッシャを示した図である。

以下、本発明の自動車用交流発電機を、実施例を用いて具体的に説明する。

（実施例１）
本実施例の自動車用の交流発電機（オルタネータ）１０を図１に示した。本実施例の交流発電機１０は、自動車エンジンによりベルトを介して駆動され、車載の蓄電池を充電するとともに、自動車に搭載された各種の電気機器に給電する。

交流発電機１０は、固定子２、回転子３、およびアルミニウム合金製でいずれも碗状を呈する一対のドライブエンドフレーム（以下、フロントフレーム）４とリアエンドフレーム（以下、リアフレーム）５とを備えている。リアフレーム５の後側の側壁部の外側には、三相交流を直流に変換する整流装置６１、ブラシ装置６２および電圧調整機６３が設置され、これらはリアフレーム５に締結されたリアエンドカバー６４で覆われている。

固定子２は、固定子鉄心２２と、三相固定子巻線２３と、固定子鉄心２２と固定子巻線２３との間を電気絶縁するインシュレータ２４とを備えている。固定子鉄心２２は、フロントフレーム４の周壁部の開口端部と、リアフレーム５の周壁部の開口端部との間に挟持されて固定されている。固定子２の内側には、所定の隙間を介して回転子３が配置されている。フロントフレーム４およびリアフレーム５は、側壁の中心にシャフト穴４０およびシャフト穴５０を有し、各々の開口部が、固定子鉄心２２を挟み込むようにしてボルトによって接合されている。フロントフレーム４およびリアフレーム５には、冷却風を吐出または吸入するための多数の通風窓が設けられている。

フロントフレーム４の側壁部の中央部には、内部に向かって軸方向に突出する円筒状のフロントベアリングボックス（フロントボックス）７が形成されている。リアフレーム５の側面の中央部には、内部に向かって軸方向に突出する円筒状のリアベアリングボックス（リアボックス）８が形成されている。フロントボックス７およびリアボックス８には、それぞれフロントベアリング７１およびリアベアリング８１が取り付けられている。フロントボックス７は、フロントフレーム４の中心に設けられ内部が前記シャフト穴４０となっている筒部４２と、筒部４２の後端（内側端）面に締結した係止リング４３によって形成されている。

リアボックス８は、後端に設けた鍔部（フランジ）８２がリアフレーム５に固定された保持筒（リアベアリングホルダ）８０と、前記シャフト穴５０の周囲のリアフレーム５の側壁部の内側を座繰り成形して得られたリアフレーム５の側壁面８３とによって形成されている。本実施例では、保持筒８０は、筒体と、この筒体の後端に設けられた鍔部８２とからなる。このため、リアボックス８の側壁は、リアフレーム５のアルミニウム合金製の側壁部により形成されている。

回転子３は、前部および後部がフロントベアリング７１およびリアベアリング８１に支持された回転軸３０を有する。フロントフレーム４から先端側に突出した回転軸３０の先端部にはプーリ２０が設置され、プーリ２０は、エンジンにベルト（いずれも図示せず）で連結されている。

回転子３は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した磁界巻線３１を、それぞれ６個の爪部を有するポールコア３２によって、回転軸３０を通して両側から挟み込んだ構造を有している。ポールコア３２の両端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出すための冷却ファン３３、３３が溶接などによって取り付けられている。また、回転軸３０のリア側端部近傍には、磁界巻線３１の両端に電気的に接続された２つのスリップリング３４、３５が形成されており、これらのスリップリング３４、３５を介してブラシ装置６２から磁界巻線３１に対して給電が行われる。

交流発電機１０は、ハウジングから突き出した回転軸３０の前端部に取り付けたプーリを介してエンジンにより駆動される。この交流発電機１０は、ベルトを介してプーリ２０にエンジンからの回転力が伝えられると、回転子３が所定方向に回転する。この状態で回転子３の磁界巻線３１に外部から励磁電圧を印加することにより、ポールコア３２のそれぞれの爪部が励磁され、固定子巻線２３に三相交流電圧を発生させることができ、整流装置６１の出力端子からは所定の直流電力が取り出される。整流装置６１は、固定子巻線２３によって発生する三相交流を整流して直流に変換する。

回転子３の回転軸３０は、フロントベアリング７１およびリアベアリング８１に支持されているが、軸方向のガタつきを防止するため、所定の予圧を付与する必要がある。このため、図２に部分拡大図で示す如く、リアベアリング８１とリアフレーム５の側壁面８３との間の隙間５３にリアベアリング８１の外輪８４と側壁面８３に接触して、一体型のワッシャ１を挟着している。

ワッシャ１は、図３に示す如く、板状のバネ材を、略円環形状に打ち抜いた後に、曲成して形成されている。なお、図３（ａ）は正面図（軸方向で見た図）であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の矢印の方向で見た側面図である。本実施例では、ワッシャ１は、円環形状の円環形状部１１と、円環形状部１１から径方向外方に伸びるとともにバネ材の厚さ方向（組み付け時の軸方向）に折り曲げられたバネ部１２と、を有する。また、バネ部１２は、本実施例では図に示したように、周方向に沿って８つのバネ部１２がもうけられている。

円環形状部１１は、円環形状の軸心の開口に、回転子３の回転軸３０が貫通して組み付けられる。また、円環形状部１１は、曲成されていない平板状を有している。

バネ部１２は、円環形状の円環形状部１１の外周から径方向外方に伸びた状態で曲成されている。バネ部１２は、円環形状部１１の外周から径方向外方に伸びる曲成部１２０と、曲成部１２０の最外径部に設けられた平面部１２１と、を有する。

曲成部１２０は、円環形状部１１の外周から径方向外方に伸び、バネ材の厚さ方向（組み付け時の軸方向）に折り曲げられている。ここで、曲成部１２０の折り曲げは、周方向に並んだ複数のバネ部１２の折り曲げ方向が、交互となるように折り曲げられている。曲成部１２０は、径方向で内径側から外径側に進むにつれて、周方向の幅が広くなるように形成されている。

平面部１２１は、曲成部１２０の最外径部に設けられ、周方向に沿って伸びた平面をなしている。この平面部１２１は、円環形状部１１の平面と平行をなすように形成されている。周方向に沿って並んだバネ部１２の複数の平面部１２１は、図３に示す如く、リアベアリング８１の外輪８４と側壁面８３のそれぞれと、交互に当接する。

ワッシャ１は、周方向に沿って配置された複数（４つ）の平面部１２１により外輪８４及び側壁面８３と当接する。そして、この構成により、アルミニウム合金製である側壁面８３に接触して、側壁面８３が摩耗し、予圧が低下する不具合を有効に防止できる。

また、本実施例のワッシャ１は、交流発電機１０が大型化し回転子３の重量が増大しても、リアベアリング８１の耐クリープ性と予圧の許容範囲との双方を満足することができ、長期間の使用に対して焼きつきなどのトラブルの発生を防止できる。

さらに、本実施例のワッシャ１は、円環形状部１１の外周にバネ部１２が形成された構成となっており、ワッシャ１同士の絡み合いが複雑にならなくなっている。仮に二つのワッシャ１が重なり合っても、バネ部１２が別のワッシャ１の円環形状部１１の軸心部に入り込んだり、隣り合った二つのバネ部１２を分ける切れ込み状の空間に入ることのみであり、それ以上の絡まり合いが起こらなくなっている。つまり、簡単に絡まりをほぐすことが可能となっている。

また、本実施例のワッシャ１は、板状のバネ材を打ち抜いて形成することができ、短冊状のバネ材を曲成して形成される従来の波状のワッシャに比べて、簡単に製造することができる。

さらに、本実施例のワッシャ１は、複数のバネ部１２が円環形状部１１に接続された構成であり、それぞれのバネ部１２においてバネ特性が決定できる。これにより、バネ部１２のバネ特性をそれぞれ独立した状態で任意に設定できる。

ここで、本実施例のワッシャ１では、バネ部１２の曲成部１２０の幅（円環形状部１１と接続する接続部の周方向の幅）を調節することで、バネ部１２のバネ特性を調節することができる。

（実施例２）
本実施例は、図４に示したワッシャ１を用いたこと以外は、実施例１と同じ自動車用の交流発電機である。なお、図４は、図３と同様に記載した。

本実施例のワッシャ１は、円環形状の円環形状部１１と、円環形状部１１から径方向外方に伸びるとともにバネ材の厚さ方向（組み付け時の軸方向）に折り曲げられたバネ部１２と、を有する。また、バネ部１２は、本実施例では図に示したように、周方向に沿って３つのバネ部１２がもうけられている。

円環形状部１１は、円環形状の軸心の開口に、回転子３の回転軸３０が貫通して組み付けられる。また、円環形状部１１は、曲成されていない平板状を有している。

バネ部１２は、円環形状の円環形状部１１の外周から径方向外方に伸びた状態で曲成されている。バネ部１２は、円環形状部１１の外周から径方向外方に伸びる径方向延在部１２２と、径方向延在部１２２の最外径部に設けられた周方向曲成部１２３と、を有する。

径方向延在部１２２は、円環形状部１１の外周から径方向外方に伸びている。この径方向延在部１２２は、円環形状部１１と同一平面状にのびる平板状を有している。

周方向曲成部１２３は、径方向延在部１２２の最外径部に設けられ、周方向に沿って伸びている。そして、この周方向曲成部１２３は、一つの径方向延在部１２２の最外径部に、周方向の両方向にそってのびるように二つが形成されている。一つの径方向延在部１２２からのびる二つの周方向曲成部１２３，１２３は、バネ材の厚さ方向（組み付け時の軸方向）であり、互いに異なる方向に折り曲げられている。

さらに、周方向曲成部１２３の先端部は、円環形状部１１と平行をなす平面状に形成されている。

本実施例のワッシャ１は、実施例１のワッシャと同様に機能する。すなわち、本実施例のワッシャ１を有する自動車用交流発電機は、実施例１の自動車用交流発電機と同様な効果を発揮する。

（参考例）
本参考例は、図５に示したワッシャ１を用いたこと以外は、実施例１，２と同じ自動車用の交流発電機である。なお、図５は、図３と同様に記載した。

本参考例のワッシャ１は、円環形状の円環形状部１１と、円環形状部１１から径方向外方に伸びるとともにバネ材の厚さ方向（組み付け時の軸方向）に折り曲げられたバネ部１２と、を有する。また、バネ部１２は、本参考例では図に示したように、周方向に沿って３つのバネ部１２がもうけられている。

円環形状部１１は、円環形状の軸心の開口に、回転子３の回転軸３０が貫通して組み付けられる。また、円環形状部１１は、曲成されていない平板状を有している。

バネ部１２は、円環形状の円環形状部１１の外周から径方向外方に伸びた状態で曲成されている。バネ部１２は、円環形状部１１の外周から径方向外方に伸びる径方向延在部１２４と、径方向延在部１２４の最外径部に設けられた周方向曲成部１２５と、を有する。

径方向延在部１２４は、円環形状部１１の外周から径方向外方に伸びている。この径方向延在部１２４は、円環形状部１１と同一平面状にのびる平板状を有している。

周方向曲成部１２５は、径方向延在部１２４の最外径部に設けられ、周方向に沿って伸びている。そして、この周方向曲成部１２５は、一つの径方向延在部１２４の最外径部に、周方向の両方向にそってのびるように二つが形成されている。一つの径方向延在部１２４からのびる二つの周方向曲成部１２５，１２５は、バネ材の厚さ方向（組み付け時の軸方向）であり、それぞれ同じ方向に折り曲げられている。なお、本参考例のワッシャ１では、全ての周方向曲成部１２５が同じ方向に折り曲げられている。

さらに、周方向曲成部１２５の先端部は、円環形状部１１と平行をなす平面状に形成されている。

本参考例のワッシャ１は、実施例１，２のワッシャと同様に機能する。すなわち、本参考例のワッシャ１を有する自動車用交流発電機は、実施例１の自動車用交流発電機と同様な効果を発揮する。

更に、本参考例では、ワッシャ１の円環形状部１１が全面にわたってアルミニウム合金製である側壁面８３に接触している。この構成により、側壁面８３の摩耗がより抑えられ、予圧が低下する不具合をより有効に防止できる。

１：ワッシャ
１１：円環形状部 １２：バネ部
１２０：曲成部 １２１：平面部
１２２，１２４：径方向延在部 １２３，１２５：周方向曲成部
１０：交流発電機
２：固定子 ２０：プーリ
３：回転子 ３０：回転軸（シャフト）
４：フロントフレーム（ドライブエンドフレーム）
５：リアフレーム（リアエンドフレーム）
７：フロントボックス（フロントベアリングボックス）
７１：フロントベアリング
８：リアボックス（リアベアリングボックス）
８０：保持筒（リアベアリングホルダ）
８１：リアベアリング ８２：鍔部（フランジ）
８３：リアフレームの側壁面 ８４：リアベアリングの外輪
９：ワッシャボックス ９１：鍔部
９２：筒部 ９３：側壁部

Claims (2)

1. フロントベアリングおよびリアベアリングを保持したハウジング内に固定子を設置するとともに、該固定子の内側に、該フロントベアリングおよび該リアベアリングに回転自在に支持されたシャフトを有する回転子を配してなる自動車用交流発電機において、
   該フロントベアリングまたは該リアベアリングと同心の円環形状部と、該円環形状部に周方向に沿って形成された互いに独立した少なくとも３つのバネ部と、を有し、
   該バネ部は、該円環形状部から径方向に延在するとともに軸方向に曲成される曲成部と、該曲成部の最外径部に設けられ該ベアリングの該外輪，該ハウジングと当接する平面部と、を有し、
   周方向で隣接する該バネ部が、軸方向で異なる方向に該曲成部が折り曲げられてなる、該ベアリング外輪と該ハウジングの間に分圧を付与するワッシャを有することを特徴とする自動車用交流発電機。
2. フロントベアリングおよびリアベアリングを保持したハウジング内に固定子を設置するとともに、該固定子の内側に、該フロントベアリングおよび該リアベアリングに回転自在に支持されたシャフトを有する回転子を配してなる自動車用交流発電機において、
   該フロントベアリングまたは該リアベアリングと同心の円環形状部と、該円環形状部に周方向に沿って形成された互いに独立した少なくとも３つのバネ部と、を有し、
   該バネ部は、該円環形状部から径方向に延在する径方向延在部と、該径方向延在部の最外径部に設けられ周方向に伸びるとともに該ベアリングの該外輪，該ハウジングと当接するように軸方向に曲成される周方向曲成部と、を有し、
   周方向で隣接する該周方向曲成部は、軸方向で異なる方向に該周方向曲成部が折り曲げられてなる、該ベアリング外輪と該ハウジングの間に分圧を付与するワッシャを有することを特徴とする自動車用交流発電機。

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