JP5404561B2

JP5404561B2 - スタータ

Info

Publication number: JP5404561B2
Application number: JP2010187468A
Authority: JP
Inventors: 正彦栗重; 大輔水野; 裕平塚原; 弘明北野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2030-08-24
Also published as: JP2012047065A

Description

この発明は、内燃機関の始動時に初期回転を与えるスタータに関し、特に、スタータ側のピニオンとエンジン側のリングギアとの間で発生する衝撃による動作音を低減させ耐久性を向上させるための緩衝構造に関するものである。

スタータは、内燃機関を始動させる装置であり、モータの回転を、ピニオンを通じてエンジン側のリングギアに伝達し、エンジンを回転させる。少なくともエンジンを始動する間はピニオンとリングギアとが噛み合うため、長期間の使用により、リングギアには変形や磨耗が生じる。これにより、リングギアの真円度が十分高くなくなり、回転に伴うリングギアの歯面の変動が発生する。

このようなリングギアの歯面の変動は、ピニオンの歯面との間で振動・衝撃を発生させる。そして、発生した振動・衝撃がピニオンを支える軸から軸受を介してスタータ本体に伝わると、動作音が増大するとともに、耐久性が低下する。これに対して、従来のスタータにおいては、軸受孔と軸受との間に全周にわたって緩衝部材が配置する手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−７１４５３号公報

スタータは、エンジン始動時にピニオンの歯面とリングギアの歯面との接触力でエンジン側へトルクを伝達するものであるため、ピニオンを支える軸や軸受はエンジン始動時に反力を受ける。従って、特許文献１のように軸受孔と軸受との間に全周にわたって緩衝部材を配置した従来のスタータでは、反力によって緩衝部材の変形が発生し、軸及び軸受の位置が中心からずれ、ピニオンが偏芯した状態で回転して、リングギアへのトルク伝達が適切に行われなくなる場合が生じる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、リングギアの歯面の変動による振動・衝撃の伝達を抑えつつ、始動時の反力によるピニオン軸受及びピニオン軸の位置ずれを防止し、リングギアへのトルク伝達を適切に保つことができるスタータを得ることを目的とする。

この発明に係るスタータは、モータと、エンジン軸に連結されたリングギアに回転トルクを伝えるピニオンと、モータの回転トルクをピニオンに伝えるピニオン軸と、ピニオン軸を回転自在に支持するピニオン軸受とを備え、ピニオン軸受は、エンジン始動時にピニオン軸に作用する反力の方向のみ高い剛性で支持されており、それ以外の方向は弾性支持されている。

この発明のスタータは、ピニオン軸受が弾性支持されているため、リングギアの歯面の変動による振動・衝撃の伝達を抑えることができ、また、エンジン始動時にピニオン軸に作用する反力の方向についてはピニオン軸受が高い剛性で支持されているため、始動時の反力によるピニオン軸受及びピニオン軸の位置ずれを防止し、リングギアへのトルク伝達を適切に保つことができる。

この発明の実施の形態１によるスタータのエンジン始動時の状態を一部断面で示す側面図である。図１のスタータのエンジン始動時以外の状態を一部断面で示す側面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図１のリングギアの歯面の変動を示す説明図である。図１のピニオン軸に作用する反力を示す説明図である。この発明の実施の形態２、４によるスタータに用いられる弾性体の変位外乱に対する変形量までの変位倍率の周波数特性を示す説明図である。この発明の実施の形態３、４によるスタータに用いられる弾性体の変位外乱に対する変形量までの変位倍率の周波数特性の減衰の影響を示す説明図である。この発明の実施の形態４によるスタータのエンジン始動時の状態を一部断面で示す側面図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるスタータのエンジン始動時の状態を一部断面で示す側面図、図２は図１のスタータのエンジン始動時以外の状態を一部断面で示す側面図である。図において、ハウジング１には、モータ２及び電磁スイッチ３が組み付けられている。モータ２の回転トルクは、遊星歯車機構４、ワンウェイクラッチ５及びピニオン連結部６を介してピニオン７に伝達される。

遊星歯車機構４は、モータ２の回転トルクを増幅する。ワンウェイクラッチ５は、遊星歯車機構４の出力軸４ａの回転トルクを、ピニオン連結部６を介してピニオン７に伝達する。また、ワンウェイクラッチ５は、ピニオン７の回転角速度が出力軸４ａの回転角速度よりも速い場合は空転する。即ち、ワンウェイクラッチ５は、ピニオン７側から遊星歯車機構４へは回転トルクが伝わらないように構成されている。

ワンウェイクラッチ５、ピニオン連結部６及びピニオン７は、出力軸４ａの軸方向へ往復動可能になっている。これにより、ピニオン７は、リングギア８と噛み合う始動位置（図１）と、リングギア８から離れた非始動位置（図２）との間で変位可能となっている。

ワンウェイクラッチ５は、レバー９を介して電磁スイッチ３に連結されている。電磁スイッチ３は、モータ２への通電を入切するとともに、レバー９を介してワンウェイクラッチ５を操作することにより、ピニオン７を始動位置と非始動位置との間で変位させる。エンジン始動時には、ワンウェイクラッチ５がリングギア８側へ押し出されることにより、ピニオン７が始動位置に変位されリングギア８と噛み合う。

リングギア８は、リングギア回転軸１０を介してエンジン（図示せず）の出力軸に接続されている。これにより、リングギア８の回転角速度はエンジン回転速度に等しい。

ピニオン７は、ピニオン軸１１を中心として回転される。ハウジング１には、ピニオン軸１１の先端部を支持するピニオン軸受支持部１ａが形成されている。ピニオン軸１１の先端部は、ピニオン軸受１２を介してピニオン軸受支持部１ａに回転自在に支持されている。

また、ピニオン軸受支持部１ａとピニオン軸受１２との間には、ゴム等の弾性材１３が介在されている。ピニオン軸１１及びピニオン７は、ワンウェイクラッチ５が有する若干の柔軟性と弾性材１３の大きな柔軟性とにより、ワンウェイクラッチ５を中心にリングギア８に追従して振れることが可能となっている。

ピニオン軸１１とリングギア回転軸１０との間隔は、リングギア８の半径方向振れに対して、リングギア８の歯面とピニオン７の歯面との接触が維持できるように調整されている。

図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。ピニオン軸受１２の外輪１２ａとピニオン軸受支持部１ａとの間には、外輪１２ａの外周面に沿って円弧状の隙間が設けられており、この隙間に弾性材１３が挿入されている。但し、エンジン始動時の反力を受ける部分では、弾性材１３は配されておらず、外輪１２ａがハウジング１に直接接触している。即ち、ピニオン軸受支持部１ａには、外輪１２ａの外周面に接触する当接部（反力支持部）１４が１箇所のみ設けられている。弾性材１３は、エンジン始動時の反力を受ける部分を避けてピニオン軸受１２の外周に配置されている。

このように、ピニオン軸受１２は、エンジン始動時にピニオン軸１１に作用する反力の方向である反力作用方向について、反力作用方向以外の方向よりも高い剛性で支持されており、かつ、反力作用方向以外の方向については弾性支持されている。

ピニオン軸１１は、ピニオン軸受１２の内輪１２ｂに嵌合されている。ピニオン軸受支持部１ａの弾性材１３に接触する面には、エンジン始動時に反力を受ける部分、即ち当接部１４に向かって第１の予圧力が作用するように弾性材１３を圧縮変形させる第１の突起部１５ａが設けられている。

また、ピニオン軸受支持部１ａの弾性材１３に接触する面には、リングギア８にピニオン７を押し付ける方向に第２の予圧力が作用するように弾性材１３を圧縮変形させる第２の突起部１５ｂが設けられている。

次に、動作について説明する。スタータは、エンジンの回転が停止している場合の始動に使われる場合が多い。従って、通常、スタータを使用する際のリングギア８の回転角速度は０である。この状態で、ワンウェイクラッチ５がリングギア８側に押し出されることにより、ピニオン７とリングギア８とが接触するが、側面同士が接触してピニオン７とリングギア８とが適正に噛み合っていない場合が多い。

この後、モータ２により回転トルクが発生され、これに伴いピニオン７も回転を始めるがリングギア８は停止したままである。このピニオン７の回転により、リングギア８の歯間にピニオン７の歯が移動され、ピニオン７とリングギア８との噛み合いが成立し、リングギア８の回転が開始され、エンジンが始動される。

エンジン回転数などからエンジンの始動が確認されると、電磁スイッチ３によりワンウェイクラッチ５がリングギア８側から引き戻され、ピニオン７とリングギア８との噛み合いが解除される。

エンジン始動時には、ピニオン軸１１の回転角速度が一時的に遊星歯車機構４の出力軸４ａの回転角速度よりも速くなるが、そのときにはワンウェイクラッチ５が空転し、エンジン側からのトルクは遊星歯車機構４やモータ２には伝わらないようになっている。

ここで、リングギア８には、取付公差などにより、図４に示すように、回転に伴う半径方向への歯面の変動が多少ながら発生する。従って、ピニオン７とリングギア８とが噛み合っている際には、リングギア８の歯面の変動により、ピニオン７の歯面とリングギア８の歯面とが正常に噛み合っている状態と、ピニオン７の歯面がリングギア８の歯面から公差の範囲で浮き上がった状態とが繰り返される。

これに対して、この実施の形態１のスタータでは、ピニオン軸受１２とハウジング１との間に弾性材１３が設けられているとともに、第２の突起部１５ｂにより弾性材１３に第２の予圧力が与えられているので、ピニオン７のリングギア８からの浮き上がりが防止される。第２の突起部１５ｂの高さ（突出量）は、ピニオン７の歯面とリングギア８の歯面とが最も離れた状態でも予圧力が０以上となるように設定される。

また、弾性材１３のばね定数は、ピニオン７の歯面とリングギア８の歯面とが最も接近した状態でもピニオン７とリングギア８との押付力が許容範囲内となるように設定される。これにより、ピニオン７やリングギア８の歯面の耐久性が向上されるとともに、動作音の増大を防止することができる。

また、エンジン始動時には、図５に示すように、ピニオン７の歯面からリングギア８の歯面へ力が伝えられる。このとき、ピニオン軸１１やピニオン軸受１２にもピニオン７の歯面に作用する反力がかかり、ピニオン軸１１は、図３及び図５の左側へ動こうとする。これに対して、この実施の形態１では、外輪１２ａの左側面が弾性材１３を介さずハウジング１の当接部１４に直接接触しているので、エンジン始動時にピニオン軸１１やピニオン軸受１２が左側へ動くことがない。

また、第１の突起部１５ａにより弾性材１３に第１の予圧力が与えられているので、ピニオン軸１１まわりの偏芯による振れ回り力や走行中の振動などでピニオン軸１１やピニオン軸受１２が図３の右方向へ動くのが防止される。

このように、実施の形態１によれば、ピニオン軸受１２が弾性支持されているため、リングギア８の歯面の変動による振動・衝撃の伝達を抑えることができ、また、エンジン始動時にピニオン軸１１に作用する反力の方向についてはピニオン軸受１２が高い剛性で支持されているため、始動時の反力によるピニオン軸受１２及びピニオン軸１１の位置ずれを防止し、リングギア８へのトルク伝達を適切に保つことができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２によるスタータは、基本的な構造を実施の形態１と同じとしつつ、弾性材１３のばね定数の設定を実施の形態１から変更したものである。

実施の形態１では、第２の突起部１５ｂの高さを、ピニオン７の歯面とリングギア８の歯面とが最も離れた状態でも予圧力が０以上となるように設定した。また、実施の形態１では、歯面が最も接近した状態でもピニオン７とリングギア８との押付力が許容範囲内となるように弾性材１３のばね定数を設定した。

ここで、リングギア８は公差などで偏芯を起こすので、ピニオン７とリングギア８との距離が変わる周波数は、リングギア８の回転数となる。また、共振周波数は、弾性材１３の質量と弾性材１３に支持された質量とで決まり、この周波数までは回転変動に追従できる。さらに、弾性材１３に支持された質量は、ピニオン７、ピニオン軸１１及びピニオン軸受１２の合計質量となる。

ピニオン７とリングギア８とが噛み合った状態で発生する最大回転数をω_ｒｍａｘ（ｒｅｖ／ｓ）とすると、最大変動周波数もω_ｒ（Ｈｚ）となる。弾性材１３に支持された質量をｍ_ｓ、弾性材１３のばね定数をｋ_ｓとすると、共振周波数ｆ_ｖ（Ｈｚ）は次式となる。

そこで、ピニオン７とリングギア８とが噛み合った状態で発生する最大回転数ω_ｒｍａｘ（ｒｅｖ／ｓ）と、ピニオン７、ピニオン軸１１及びピニオン軸受１２の合計質量ｍ_ｓとを見積もり、式（１）で求められる共振周波数ｆ_ｖ（Ｈｚ）が最大回転数ω_ｒｍａｘ（ｒｅｖ／ｓ）以上となるように弾性材１３のばね定数をｋ_ｓとする。

図６に周波数特性を示す。横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は変位外乱に対する弾性材１３の変形量までの変位倍率（ｄＢ）を示す。Ｃ１が合計質量ｍ_ｓとばね定数ｋ_ｓと減衰定数とで定まる変位外乱に対する弾性材１３の変形量までの周波数特性の変位倍率曲線である。

倍率１、即ち０ｄＢで同一変位となる。０ｄＢのとき、リングギア８の歯面の振れに対してピニオン７の歯面の振れが追従していることを示す。共振周波数ｆ_ｖ（Ｈｚ）を最大回転数ω_ｒｍａｘよりも十分高く設定し、ω_ｒｍａｘでの変位倍率が０ｄＢとなるように設定する。

例えば、エンジン始動直後、ピニオン７とリングギア８との噛み合いが解除されるまでの間に発生する最大回転数を事前に見積もり、弾性材１３のばね定数ｋ_ｓを設定することにより、ピニオン７の浮き上がりを常に防止することができ、ピニオン７やリングギア８の歯面の耐久性をさらに向上させることができるとともに、動作音の増大をより確実に防止することができる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３について説明する。実施の形態２によるスタータは、基本的な構造を実施の形態１と同じとしつつ、弾性材１３の減衰定数の設定を実施の形態１から変更したものである。

減衰定数が大きくなると、共振周波数での変位倍率は小さくなる。ゲインが０ｄＢを超えることは、リングギア８の歯面の振れよりもピニオン７の歯面の振れが大きくなることを意味し、実際にはピニオン７が衝突と大きな浮き上がりとを繰り返す。これは、弾性材１３を配していない場合よりも望ましくない状況である。

また、弾性材１３を配していない場合の変位倍率は、倍率０、即ち−∞ｄＢであり、０ｄＢ以下となることで、弾性材１３を配していない場合よりもリングギア８の歯面の振れに対するピニオン７の歯面の振れの追従特性が低下することはない。

図７に周波数特性を示す。横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は変位外乱に対する弾性材１３の変形量までの変位倍率（ｄＢ）を示す。Ｃ１が実施の形態２の変位外乱に対する弾性材１３の変形量までの周波数特性の変位倍率曲線、Ｃ２が実施の形態３の周波数特性の変位倍率曲線を示す。共振周波数ｆ_ｖにおいてｆ_ｖ／１０の周波数の変位倍率を超えないように減衰定数を設定している。

リングギア８の偏芯によるリングギア歯面の振れの周波数は、リングギア回転周波数と一致するが、歯面の微小な凹凸などにより、リングギア回転周波数よりも高周波の歯面変動が発生する場合などには、共振周波数の変位外乱成分が含まれる場合がある。

この実施の形態３では、共振周波数ｆ_ｖにおいてｆ_ｖ／１０の周波数の変位倍率を超えないように減衰定数を設定することにより、歯面の微小な凹凸などがある場合にも、弾性材１３を配していない場合よりもピニオン７の浮き上がりを小さくすることができ、ピニオン７やリングギア８の歯面の耐久性をさらに向上させることができるとともに、動作音の増大をより確実に防止することができる。

実施の形態４．
次に、図８はこの発明の実施の形態４によるスタータのエンジン始動時の状態を一部断面で示す側面図である。図において、遊星歯車機構４の出力軸４ａは、遊星歯車出力部軸受１６により回転自在に支持されている。遊星歯車出力部軸受１６は、ハウジング１に形成された遊星歯車出力部軸受支持部１ｂに支持されている。遊星歯車出力部軸受１６の外輪と遊星歯車出力部軸受支持部１ｂとの間には、弾性材１７が介在されている。

遊星歯車出力部軸受１６は、ピニオン軸受１２と同様に、エンジン始動時にピニオン軸１１に作用する反力の方向である反力作用方向について、反力作用方向以外の方向よりも高い剛性で支持されており、かつ、反力作用方向以外の方向については弾性支持されている。他の構成は、実施の形態１〜３と同様である。

このようなスタータでは、ハウジング１とピニオン軸受１２との間に第１の弾性材として弾性材１３を配置するとともに、ハウジング１と遊星歯車出力部軸受１６との間に第２の弾性材として弾性材１７を配置したので、弾性材１３と弾性材１７とが合わせて呈する大きな柔軟性により、ピニオン軸１１、出力軸４ａ、これらに支持されたワンウェイクラッチ５及びピニオン７は、より容易にリングギア８に追従して振れることができるようになる。

また、実施の形態４においても、実施の形態１と同様に、ピニオン７とリングギア８との歯面が最も離れた状態でも予圧力が０以上となるように設定して、ピニオン７の浮き上がりを防止することができる。

さらに、実施の形態４においては、ワンウェイクラッチ５が有する柔軟性が十分でない場合にも、リングギア８の振れに十分追従できる。

なお、実施の形態４において、弾性材１３，１７のばね定数及び減衰定数を設定する際には、弾性材１３と弾性材１７との和が実施の形態２、３を満たすように設計すればよいが、この際支持される質量は、ピニオン７、ピニオン軸１１、出力軸４ａ、ワンウェイクラッチ５、ピニオン軸受１２、及び遊星歯車出力部軸受１６の合計質量で見積もる。

実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５について説明する。実施の形態５によるスタータは、ピニオン７とリングギア８とが常時噛み合ったいわゆる常噛式のスタータである。常噛式のスタータとしては様々な形態が提案されており、例えばリングギア８を内輪と外輪とに分割し、それらの間にワンウェイクラッチを介在させたものがある。このタイプの常噛式スタータは、図１のスタータ構造からワンウェイクラッチ５やレバー９を取り除いた構造となる。

エンジン始動後は、ピニオン７と常時噛み合っているリングギア８の外輪の歯面には、エンジンの出力軸（図示せず）側からの回転が伝わらないので、スタータにはワンウェイクラッチ５が不要となる。また、ピニオン７の軸方向への移動がないので、レバー９も不要となる。

また、リングギア８にワンウェイクラッチを配していないタイプの常噛式スタータでは、ピニオン７の軸方向への移動がないのでレバー９は不要となるが、エンジンの出力軸側からの回転をモータ２に伝えないワンウェイクラッチ５、又はその他のトルク伝達／遮断切り替え機構が必要となる。他の構成は、実施の形態１〜４と同様である。

このように、常噛式のスタータに実施の形態１〜４のような構造を適用した場合、特にピニオン最大回転数ω_ｒｍａｘ（ｒｅｖ／ｓ）が高回転であることが多く、その分、歯面衝突時の衝撃も大きくなり易いので、特に歯面の耐久性向上や動作音上昇防止の効果が大きくなる。

なお、実施の形態１〜５では、軸受の外輪と弾性材とを直接接触させたが、軸受ホルダなどにより軸受を保持した上で、軸受ホルダを弾性体で支持してもよい。
また、実施の形態１〜５では、当接部や第１及び第２の突起部をハウジングに一体に形成したが、別部材で構成してもよい。

２モータ、４遊星歯車機構、４ａ出力軸、７ピニオン、８リングギア、１０リングギア回転軸、１１ピニオン軸、１２ピニオン軸受、１３弾性材（第１の弾性材）、１６遊星歯車出力部軸受、１７弾性材（第２の弾性材）。

Claims

モータと、エンジン軸に連結されたリングギアに回転トルクを伝えるピニオンと、前記モータの回転トルクを前記ピニオンに伝えるピニオン軸と、前記ピニオン軸を回転自在に支持するピニオン軸受とを備え、
前記ピニオン軸受は、エンジン始動時に前記ピニオン軸に作用する反力の方向のみ高い剛性で支持されており、それ以外の方向は弾性支持されていることを特徴とするスタータ。
前記リングギアの半径方向振れに対して、前記リングギアの歯面と前記ピニオンの歯面との接触が維持できるように、前記ピニオン軸と前記リングギアの回転軸との間隔が調整されていることを特徴とする請求項１記載のスタータ。
前記ピニオン軸受を弾性支持する弾性材をさらに備え、
前記弾性材のばね定数は、前記ピニオン、前記ピニオン軸及び前記ピニオン軸受の合計質量と前記ばね定数とにより決まる共振周波数が、前記リングギアの最大回転数以上となるように設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスタータ。
前記弾性材の減衰定数は、前記ピニオン、前記ピニオン軸及び前記ピニオン軸受の合計質量と前記弾性材のばね定数と前記減衰定数とで定まる変位外乱に対する前記弾性材の変形量までの周波数特性における前記共振周波数での変位倍率が、前記共振周波数の１／１０以下の周波数の変位倍率を超えないように設定されていることを特徴とする請求項３記載のスタータ。
前記モータのトルクを増幅する遊星歯車機構と、前記遊星歯車機構の出力軸を回転自在に支持する遊星歯車出力部軸受とをさらに備え、
前記遊星歯車出力部軸受は、エンジン始動時に前記ピニオン軸に作用する反力の方向のみ高い剛性で支持されており、それ以外の方向は弾性支持されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスタータ。
前記ピニオン軸受を弾性支持する第１の弾性材と、前記遊星歯車出力部軸受を弾性支持する第２の弾性材とをさらに備え、
前記第１及び第２の弾性材のばね定数は、前記ピニオン軸と前記遊星歯車機構の出力軸とに支えられる合計質量と、前記ピニオン軸受を弾性支持する弾性材及び前記遊星歯車出力部軸受を弾性支持する弾性材のばね定数の和とにより決まる共振周波数が、前記リングギアの最大回転数以上となるように設定されていることを特徴とする請求項５記載のスタータ。
前記第１及び第２の弾性材の減衰定数は、前記ピニオン軸と前記遊星歯車機構の出力軸とに支えられる合計質量と、前記第１及び第２の弾性材のばね定数と、減衰定数とで定まる変位外乱に対する前記第１及び第２の弾性材の変形量までの周波数特性における前記共振周波数での変位倍率が、前記共振周波数の１／１０以下の周波数の変位倍率を超えないように設定されていることを特徴とする請求項６記載のスタータ。
前記ピニオン軸受を弾性支持する構造は、前記ピニオンを前記リングギアに押し付ける方向と、始動時に前記ピニオン軸に作用する反力が作用する方向とに、前記ピニオン軸まわりの偏芯による振れ回り力以上の予圧力を与える構造であることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のスタータ。