JP5282446B2

JP5282446B2 - 回動付勢機構及びプーリ装置

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Publication number: JP5282446B2
Application number: JP2008138118A
Authority: JP
Inventors: 英樹藤原
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2028-05-27
Also published as: JP2009287611A

Description

本発明は、回転方向にばね弾性を有する回動付勢機構、及び、回動付勢機構を備えたプーリ装置に関する。

自動車等のエンジンの補機として用いられるオルタネータは、クランクシャフトから取り出された回転力によって駆動され、自動車の走行に必要な電力を供給する。このオルタネータの入力軸には、オルタネータ用プーリ装置が取り付けられており、このオルタネータ用プーリ装置と、クランクシャフトに取り付けられたプーリとの間にベルトを架け渡すことで、オルタネータにエンジンの回転力を伝達している。

一般に、自動車等のエンジンのクランクシャフトは、シリンダ内の爆発力によって回転力が付与されるので、その回転速度に変動が生じる。その一方、オルタネータは、内部に比較的重量の重いアーマチュア等が入力軸と一体に回転しており、クランクシャフトの回転速度の変動が急激であると、アーマチュアは、自身の回転によって生じる慣性力によって、クランクシャフトの回転速度の変動に追従できない場合がある。

オルタネータが上記回転速度の変動に追従できないと、クランクシャフトの回転速度とオルタネータとの間で一時的に回転速度に差が生じてしまい、オルタネータ用プーリ装置とベルトの間でスリップが生じたり、ベルトの張力が過大に変動したりすることがある。このようなベルトのスリップや張力の過大な変動は、ベルトの異音の発生や寿命低下等の原因となる。また、ベルトのスリップを防止するために、当該ベルトの初期張力を比較的高く設定することがあり、この場合には、クランクシャフトの回転抵抗が増大し、エンジンの燃費性能を低下させることもある。

このため、従来のオルタネータ用プーリ装置には、クランクシャフトから伝達される回転速度の変動を許容するために、ベルトが巻き掛けられたプーリ部材と、オルタネータの入力軸に一体回転可能に固定されたプーリボスとの間に回動付勢機構が設けられている。

この回動付勢機構として、特許文献１には、プーリ部材とプーリボスとの間にねじりコイルばねを設け、ねじりコイルばねが捻られることにより生じる弾性力によって、プーリ部材とプーリボスとを一時的に周方向に弾性的に相対回転させることで、回転速度の変動を緩和する技術が開示されている。

特開平５−１８０２８７号公報

特許文献１の回動付勢機構では、プーリ部材のプーリボスに対する回転変動の緩和特性がねじりコイルばねに依存するが、このねじりコイルばねは、当該オルタネータ用プーリ装置に組み込むことができる程度の大きさに制限されるため、その線径や自由長、巻き数等が制限され、ねじりコイルばねの特性を自由に設定することができない。また、ねじりコイルばねのばね定数は一定であり、ねじれ角に応じてばね定数を自在に変化させることはできない。このため、オルタネータ用プーリ装置としての回転変動の緩和特性を設定する際の自由度が制限されてしまい、クランクシャフトの回転速度変動を十分に緩和できないおそれがある。また、コイルばねを備えることによってプーリ装置としての強度が低下し、耐久性の面で不利である。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、プーリ部材等の外側部材と、プーリボス等の内側部材との回転速度変動をより効果的に緩和することが可能な回動付勢機構及びプーリ装置を提供することを目的とする。

本発明の回動付勢機構は、外側軌道面を内周に有し、第１軸心回りに回転可能な外側部材と、前記外側軌道面の径方向内側に全周に亘って対向して配置された内側軌道面を外周に有し、前記第１軸心回りに回転可能な内側部材と、前記外側軌道面と前記内側軌道面との間に転動可能に配置された複数の玉と、を備えており、前記外側軌道面が、前記第１軸心に対して傾斜した第２軸心回りに形成され、前記内側軌道面が、前記第１軸心に対して傾斜した第３軸心回りに形成されており、前記外側部材を前記内側部材に相対して前記第１軸心回りに回転させることによって、前記外側軌道面を前記内側軌道面に対して周方向及び軸方向に相対移動させ、この軸方向の相対移動により前記外側軌道面と前記内側軌道面との間で前記玉を軸方向に徐々に強く挟持し、前記外側軌道面と前記内側軌道面との相対回転角度が所定に達したときに当該相対回転を前記玉によって規制して前記外側部材と前記内側部材とを一体的に回転させることを特徴とする。

また、本発明のプーリ装置は、外周にベルトが巻き掛けられるプーリ部材と、このプーリ部材の内周側に、当該プーリ部材と同心に配置された軸体と、前記プーリ部材と前記軸体との間に配置された回動付勢機構とを備えており、前記回動付勢機構は、前記プーリ部材の内周側に設けられた外側軌道面と、前記軸体の外周側において前記外側軌道面の径方向内側に全周に亘って対向して配置された内側軌道面と、前記外側軌道面と前記内側軌道面との間に転動可能に配置された複数の玉と、を備えており、前記外側軌道面が、前記プーリ部材の回転軸心に対して傾斜した第２軸心回りに形成され、前記内側軌道面が、前記プーリ部材の回転軸心に対して傾斜した第３軸心回りに形成されており、前記外側部材を前記内側部材に相対して前記第１軸心回りに回転させることによって、前記外側軌道面を前記内側軌道面に対して周方向及び軸方向に相対移動させ、この軸方向の相対移動により前記外側軌道面と前記内側軌道面との間で前記玉を軸方向に徐々に強く挟持し、前記外側軌道面と前記内側軌道面との相対回転角度が所定に達したときに当該相対回転を前記玉によって規制して前記外側部材と前記内側部材とを一体的に回転させることを特徴とする。

以上の回動付勢機構及びプーリ装置によれば、例えば外側部材（プーリ部材）が内側部材（軸体）に相対して第１軸心（プーリ部材の回転軸心）回りに回転すると、外側軌道面の回転に伴って玉が外側軌道面上を転動する。外側軌道面及び内側軌道面は、第１軸心に対して傾斜した第２，第３軸心回りに形成されているので、外側軌道面は内側軌道面に対して周方向に相対移動するだけでなく軸方向にも相対移動する。そして、この軸方向の相対移動により、外側軌道面と内側軌道面との間の玉の配置空間が次第に軸方向に狭くなる。一方、複数の玉は、外側軌道面の回転に伴って転動しつつ、次第に狭くなっていく前記配置空間において外側軌道面と内側軌道面との間で軸方向に徐々に強く挟持される。この作用により、外側軌道面と内側軌道面との相対回転を緩和する方向への弾性力（回動付勢力）が生じる。そして、外側軌道面と内側軌道面との相対回転角度が所定に達すると、外側軌道面と内側軌道面との相対回転が玉によって規制され、外側部材と内側部材とが一体的に回転する。

したがって、本発明では、外側軌道面と内側軌道面とが相対回転可能な範囲において、外側部材と内側部材との間の回転変動を弾性的に吸収（緩和）することが可能となる。そして、回転変動の緩和特性は、外側軌道面や内側軌道面の曲率半径や玉の直径等を変更することによって自由に設定することができ、効果的に回転変動を緩和することができる。
また、従来技術のように、ねじりコイルばねやねじりコイルばねを設けるための複雑な構造を必要とせず、非常に簡素な構造により回動付勢機構を形成することが可能となり、回動付勢機構の小型化も可能となる。また、外側部材及び内側部材には、一般的な転がり軸受の軌道面の加工と略同一の方法により、第２、第３軸心回りに外側軌道面及び内側軌道面を形成することが可能となり、製作も容易である。また、本発明の回動付勢機構は、外側部材と内側部材と玉とによって転がり軸受のような形態となり、外側部材や内側部材に作用するラジアル荷重を支持可能な構造とすることができる。

前記第１軸心に対する前記第２軸心と前記第３軸心との傾斜角度は、同一であることが好ましい。この構成によって、外側部材に対する外側軌道面の加工と、内側部材に対する内側軌道面の加工とを略同様の態様で行うことができ、加工性を向上することができる。
前記複数の玉の間には、各玉の間隔を保持する保持部材がそれぞれ設けられ、各保持部材が互いに分離していることが好ましい。この構成によって、外側軌道面と内側軌道面との間で各玉を等間隔に保つとともに、各玉を個別に円滑に軸方向に移動させることが可能となる。ただし、本発明は、複数の玉を保持するための複数のポケットを形成した一体型の保持器を設けたものであってもよいし、保持器を備えない総玉タイプであってもよい。

本発明によれば、外側部材と内側部材との回転速度変動をより効果的に緩和することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る回動付勢機構の断面図である。この回動付勢機構１は、内周に外側軌道面２１を有する環状の外輪（外側部材）２と、外周に内側軌道面３１を有する環状の内輪（内側部材）３と、外側軌道面２１及び内側軌道面３１の間に配置された複数の玉４と、各玉４の間隔を保持する保持器５と、を備えている。外輪２、内輪３、玉４、及び保持器５は、軸受鋼等の金属により形成されている。外輪２及び内輪３は、第１軸心Ｘ１回りに回転可能である。外側軌道面２１及び内側軌道面３１は、第１軸心Ｘ１を通る面で切断した断面形状が凹円弧状（凹曲面状）に形成され、その曲率半径が玉４の半径よりも大きくされている。複数の玉４は、互いに周方向に間隔をあけた状態で、外側軌道面２１と内側軌道面３１との間に全周に亘って配置されている。

外側軌道面２１は、第１軸心Ｘ１に対して傾斜した第２軸心Ｘ２回りに形成されている。換言すると、外側軌道面２１は、第１軸心Ｘ１に直交する垂直面Ｙ１に対して傾斜した面Ｙ２と平行に形成されている。また、内側軌道面３１は、第１軸心Ｘ１に対して傾斜した第３軸心Ｘ３回りに形成されている。換言すると、内側軌道面３１は、第１軸心Ｘ１に直交する垂直面Ｙ１に対して傾斜した面Ｙ３と平行に形成されている。本実施の形態では、第２軸心Ｘ２と第３軸心Ｘ２とは、第１軸心Ｘ１に対して同じ傾斜角度θで傾斜している。

図１に示す状態では、外側軌道面２１の第２軸心Ｘ２と内側軌道面３１の第３軸心Ｘ３とは一致しており、外側軌道面２１と内側軌道面３１とがほぼ平行に配置され、周方向全周に亘って互いに対向している。以下、この状態を基準状態という。そして、例えば内輪３を停止状態とし、外輪２を第１軸心Ｘ１回りに回転させると、外側軌道面２１は内側軌道面３１に対して周方向及び軸方向に位置がずれる。以下、このときの作用を図２及び図３を参照して詳しく説明する。

図２は、回動付勢機構１の作用を示す概略正面図であり、図３は、同概略平面図である。図２（ａ）及び図３（ａ）において、外側軌道面２１及び内側軌道面３１は基準状態にある。そして、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように、外側軌道面２１が内側軌道面３１に対して矢印方向Ｃに回転すると、外側軌道面２１は、垂直面Ｙ１（図１）に対する傾斜によって、内側軌道面３１に対して周方向だけでなく軸方向にも相対移動する。この軸方向の相対移動により、玉４が矢印Ｚのように転動し、外側軌道面２１と内側軌道面３１との間の玉４の収納空間Ｓが徐々に軸方向に狭くなり（収納空間Ｓの軸方向幅をＬで示す）、玉４が、内側軌道面３１の肩部３２近傍と外側軌道面２１の肩部２２近傍との間で強く挟まれ、外側軌道面２１と内側軌道面３１との相対移動が規制される。これにより、外側軌道面２１に追従して内側軌道面３１が一体的に回転する。

外側軌道面２１と内側軌道面３１とが軸方向に相対移動していく過程において、玉４と、外側軌道面２１及び内側軌道面３１との接触圧が次第に高められていく。そして、玉４と両軌道面２１，３１との接触に伴う玉４及び両軌道面２１，３１の弾性変形により、外側軌道面２１と内側軌道面３１との相対回転を緩和する方向（相対回転方向とは逆方向）への回動付勢力（ねじりばね力）が発生する。また、外側軌道面２１と内側軌道面３１との軸方向の相対移動量が大きくなるに従って回動付勢機構１のばね定数が徐々に増大し、これに伴って当該回動付勢力も増大する。

以上の構成において、外輪２と内輪３とは所定の範囲で相対回転可能であり、外輪２と内輪３とが一体的に回転している状態で両者２，３間に回転変動が生じた場合には、当該相対回転範囲において回転変動を弾性的に吸収（緩和）することが可能である。
また、回転変動の緩和特性は、外側軌道面２１や内側軌道面３１の曲率半径や溝深さ、玉４の半径等を変更することによって自由に設定することができる。例えば、外側軌道面２１や内側軌道面３１の曲率半径を大きくすれば、外側軌道面２１及び内側軌道面３１の相対回転範囲も大きくなり、回動付勢機構１のばね定数（ばね剛性）を低く設定することが可能となる。したがって、外輪２や内輪３の回転特性等に応じて効果的に外側部材２と内側部材３との間の回転変動を緩和することが可能となる。

また、従来技術のようなねじりコイルばねや、ねじりコイルばねを設けるための複雑な構造を必要とせず、外側部材２及び内側部材３に外側軌道面２１及び内側軌道面３１を形成し、両軌道面の間に玉４を配置するという非常に簡素な構造により回動付勢機構１を形成することが可能となり、回動付勢機構１の小型化も可能となる。また、外側軌道面２１及び内側軌道面３１は、第２，第３軸心Ｘ２，Ｘ３回りの周方向に均一な溝とされているので、一般的な転がり軸受の軌道面の加工方法（研磨方法）と略同一の方法により外側軌道面２１や内側軌道面３１を形成することが可能となり、製作（加工）が容易となる。さらに、回動付勢機構１は、外側部材２と内側部材３と玉４とによって転がり軸受のような形態となるので、外輪２や内輪３に作用するラジアル荷重を支持可能となる。

図４（ａ）は、図１のＡ−Ａ矢視断面図であり、図４（ｂ）は図１のＢ矢視概略図である。保持器５は、各玉４の間に対応して複数設けられている。各保持器５は、互いに連結されておらず、分離された状態にある。各保持器５には、各玉４に対向する凹円弧状（凹曲面状）の対向面５１が形成されている。図４（ｂ）に示すように、対向面５１の曲率半径は玉４の半径よりも大きく形成されている。保持器５は、隣接する玉４が互いに接触しないように間隔を保持するとともに、互いに分離された状態とされることによって、外側軌道面２１と内側軌道面３１との軸方向の相対移動に伴う玉４の軸方向への移動を許容することができる。

以下、本発明の回動付勢機構１の適用例を説明する。
図５は、本発明の回動付勢機構１を具備したプーリ装置７の断面図である。このプーリ装置７は、例えば自動車等のエンジン補機として用いられるオルタネータの入力軸８に取り付けられて使用される。プーリ装置７は、円筒状に形成されたプーリボス（軸体）７１と、このプーリボス７１の外周側に同軸に配置された円筒状のプーリ部材７２と、これらの間に介装された２つの転がり軸受７３とを備えている。そして、この２つの転がり軸受７３の間には、回動付勢機構１が設けられている。

プーリ部材７２の外周面７２Ａには波状溝が形成され、当該外周面７２Ａに、エンジンのクランクシャフトからの回転力を伝達するためのベルト９が巻き掛けられる。
プーリボス７１の内周には、図示しないオルタネータから突設された入力軸８が挿入されている。また、プーリボス７１の内周面における軸方向中途部には、雌ねじ部７１Ａが一体的に形成されており、入力軸８の端部に設けられた雄ねじ部８Ａを雌ねじ部７１Ａに螺合することによってプーリボス７１が入力軸８と一体回転可能に連結される。また、プーリボス７１の内周側の端部には、プーリボス７１を入力軸８に螺合するための六角レンチを挿入するための正六角形のレンチ挿入部７１Ｂが形成されている。
転がり軸受７３は、プーリボス７１とプーリ部材７２とを互いに相対回転可能にするとともに、プーリ部材７２に作用するラジアル方向の荷重を支持する。

回動付勢機構１は、外側部材（外輪）としてのプーリ部材７２と、内側部材（内輪）としてのプーリボス７１と、玉４と、保持器５とを備えている。プーリ部材７２の内周面には外側軌道面７２１が形成され、プーリボス７１の外周面には内側軌道面７１１が形成され、外側軌道面７２１と内側軌道面７１１との間に複数の玉４が配置されている。また、各玉４の間には保持器５が配置されている。これらの詳細な構成は、図１〜図４を参照して説明した通りである。なお、外側軌道面７２１や内側軌道面７１１は、プーリ部材７２やプーリボス７１に直接形成されていなくてもよく、プーリ部材７２の内周面に固定した外側部材や、プーリボス７１の外周面に固定した内側部材に形成されていてもよい。

本実施の形態において、エンジンのクランクシャフトからベルト９を介して伝達された回転動力によりプーリ部材７２が回転すると、内側軌道面７１１に対して外側軌道面７２１が周方向に相対移動するとともに軸方向にも相対移動する。そして、図２及び図３を参照して説明したように、玉４が外側軌道面７２１の肩部近傍と内側軌道面７１１の肩部近傍との間に強く挟まれることにより、外側軌道面７２１と内側軌道面７１１との相対移動が規制され、プーリ部材７２とともにプーリボス７１が一体的に回転し、オルタネータの入力軸８が回転する。

クランクシャフトの回転変動によってプーリ部材７２とプーリボス７１との間に回転変動が生じると、プーリ部材７２とプーリボス７１との相対回転によって弾性的に回転変動を緩和することができる。そして、クランクシャフトの回転速度の変動を緩和することによって、ベルト９とプーリ部材７２との間に生じるスリップを効果的に抑制できる。そのため、ベルト９の初期張力を低く設定することが可能となり、これによって、クランクシャフトの負荷を低減し、エンジンの燃費性能を向上させることができる。

本発明は、前述の実施の形態に限定されることなく適宜設計変更可能である。例えば、第１軸心Ｘ１に対する第２軸心Ｘ２の傾斜角度と、第３軸心Ｘ３の傾斜角度とは、必ずしも一致させなくてもよく、両軌道面２１，３１、７２１，７１１が全周に亘って対向し、その対向面間に玉４の配置空間を確保できれば、当該傾斜角度を異ならせることも可能である。
外側軌道面２１，７２１及び内側軌道面３１，７１１の曲率半径や溝深さは、互いに同一の寸法としてもよいし、異なる寸法としてもよい。曲率半径や溝深さを同一とするか異ならせるかについても、外側部材２や内側部材３の回転特性等に応じて適宜設計することができる。また、玉４の軌道列数は、１列に限らず、負荷に応じて２列、３列のように複列にしてもよい。

本発明の回動付勢機構１は、オルタネータ用のプーリ装置以外に、例えば、クランクプーリや、カーエアコン用のプーリ、オートテンショナー等にも適用することができる。また、クラッチのクラッチディスクにも用いることができる。また、内外輪間の回転角度を測定しうる角度センサを取り付けることによってトルクセンサとしても利用することができる。

本発明の実施の形態に回動付勢機構の断面図である。回動付勢機構の作用を説明するための概略正面図である。回動付勢機構の作用を説明するための概略平面図である。（ａ）は図１のＡ−Ａ矢視断面図、（ｂ）は図１のＢ矢視概略図である。回動付勢機構を適用したプーリ装置の断面図である。

符号の説明

１回動付勢機構
２外輪（外側部材）
２１外側軌道面
３内輪（内側部材）
３１内側軌道面
４玉
５保持器
７プーリ装置
７１プーリボス（軸体）
７２プーリ部材
９ベルト

Claims

外側軌道面を内周に有し、第１軸心回りに回転可能な外側部材と、
前記外側軌道面の径方向内側に全周に亘って対向して配置された内側軌道面を外周に有し、前記第１軸心回りに回転可能な内側部材と、
前記外側軌道面と前記内側軌道面との間に転動可能に配置された複数の玉と、を備えており、
前記外側軌道面が、前記第１軸心に対して傾斜した第２軸心回りに形成され、
前記内側軌道面が、前記第１軸心に対して傾斜した第３軸心回りに形成されており、
前記外側部材を前記内側部材に相対して前記第１軸心回りに回転させることによって、前記外側軌道面を前記内側軌道面に対して周方向及び軸方向に相対移動させ、この軸方向の相対移動により前記外側軌道面と前記内側軌道面との間で前記玉を軸方向に徐々に強く挟持し、前記外側軌道面と前記内側軌道面との相対回転角度が所定に達したときに当該相対回転を前記玉によって規制して前記外側部材と前記内側部材とを一体的に回転させることを特徴とする回動付勢機構。
前記第１軸心に対する前記第２軸心と前記第３軸心との傾斜角度が同一である請求項１に記載の回動付勢機構。
前記複数の玉の間に、各玉の間隔を保持する保持部材がそれぞれ設けられ、各保持部材が互いに分離している請求項１又は２に記載の回動付勢機構。
外周にベルトが巻き掛けられるプーリ部材と、
このプーリ部材の内周側に、当該プーリ部材と同心に配置された軸体と、
前記プーリ部材と前記軸体との間に配置された回動付勢機構と、を備えており、
前記回動付勢機構は、
前記プーリ部材の内周側に設けられた外側軌道面と、
前記軸体の外周側において前記外側軌道面の径方向内側に全周に亘って対向して配置された内側軌道面と、
前記外側軌道面と前記内側軌道面との間に転動可能に配置された複数の玉と、を備えており、
前記外側軌道面が、前記プーリ部材の回転軸心に対して傾斜した第２軸心回りに形成され、
前記内側軌道面が、前記プーリ部材の回転軸心に対して傾斜した第３軸心回りに形成されており、
前記外側部材を前記内側部材に相対して前記第１軸心回りに回転させることによって、前記外側軌道面を前記内側軌道面に対して周方向及び軸方向に相対移動させ、この軸方向の相対移動により前記外側軌道面と前記内側軌道面との間で前記玉を軸方向に徐々に強く挟持し、前記外側軌道面と前記内側軌道面との相対回転角度が所定に達したときに当該相対回転を前記玉によって規制して前記外側部材と前記内側部材とを一体的に回転させることを特徴とするプーリ装置。