JP5409487B2 - スタータシステム - Google Patents

Description

本発明は、アイドリングストップ用のスタータシステムに関する。

近年、アイドリングストップ用のスタータシステムとして、エンジンが停止した直後にドライバの再始動要求が生じた場合（例えば、信号で車両を停止しようとした直後に信号が青に変わる場合）の制御について注目を浴びている。ここで、エンジンの停止途中でエンジンの再始動要求があった後、スタータのピニオンをエンジンのリングギアに噛み合せる技術がある（特許文献１参照）。

特許第４２１４４０１号公報

特許文献１によれば、エンジンの再始動要求がなければ、エンジンのリングギアとスタータのピニオンを噛み合わせることはない。ここで、エンジン停止途中ではエンジンが逆回転していることがあるため、この間は、ギアを噛み合せることができない（スタータは正転方向にしか駆動することができない）。よって、エンジンが逆回転している時に再始動要求があった場合は、エンジンが正回転になるまでの間、スタータの使用を待たなければならず、エンジン再始動までの時間が長引く、という課題がある。又、速やかにギアを噛み合わせることができたとしても、ピニオンとリングギアの相対回転速度に応じて生じる衝突音や、ピニオンとリングギアが完全に噛み合うまでにギアの側面同士で擦れ合う音，ギアが噛み合った後での歯面同士で衝突する音などが複合して発生する騒音が大きく、車室内の静粛性が損なわれる、という課題がある。

そこで、本発明の目的は、エンジンの停止途中で再始動要求があった場合、騒音を出すことなく、速やかに再始動を行うことができるスタータシステムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。

当該スタータシステムは、エンジンに接続されるリングギアに、当該エンジンを始動させるための動力を伝えるピニオンと、ピニオンを回転させるモータと、ピニオンをリングギアに押し出すマグネットスイッチと、モータからエンジンに向かう方向にしか動力が伝わらない構成のワンウェイクラッチと、モータ及びマグネットスイッチを制御する制御装置を備え、ピニオンの歯は、当該ピニオンが押し出される側の先端の角部の、当該ピニオンの正回転の進行方向側に、面取りを備えるとともに、制御装置は、ピニオンが飛び込みによってリングギアと接触する瞬間のリングギアの第１の回転速度がピニオンの回転速度に対して同期する第２の回転速度よりも速い状態となるように、ピニオンを飛び込ませる。

本発明によれば、エンジンの停止途中で再始動要求があった場合、騒音を出すことなく、速やかに再始動を行うことができるスタータシステムを提供することができる。

ピニオンとリングギアの面取り位置を示す正面図。 ピニオンの面取り位置を示す斜視図。 リングギアの面取り位置を示す斜視図。 面取りを設けた状態でのギアの噛み合い過程を示す図。 面取りを設けていない状態でのギアの噛み合い過程を示す図。 スタータとリングギアの関係を示す図。 ピニオンの飛び込みタイミングを回転速度との関係から示す図。

以下、本実施例によるスタータシステムを、図１〜図７を用いて説明する。

図６は、スタータとリングギアの関係を示す図である。リングギア２はエンジンのクランク軸に直結されており、リングギア２の回転とエンジンの回転は一体であるが、図ではリングギアのみを簡略化して表示している。スタータ１は、エンジンの外壁に取り付き、ピニオン３をリングギア２に噛み合せて回転させることにより、エンジンを始動する。ピニオン３の回転動力はモータ５で発生させ、モータの出力軸の回転を減速機構２１で減速することでトルクを増大させてピニオンに伝達する。

モータ５とピニオン３の間にワンウェイクラッチ４が備わっている。ワンウェイクラッチ４は、モータ５からエンジンに向かう方向にしか動力が伝わらない構成となっている。これにより、ピニオン３がリングギア２に噛み合っている時は、リングギア２の回転速度は、モータ５の回転速度に対して、減速比に応じた同期速度になるか、もしくは、それよりも速い回転速度になる。即ち、リングギア２がモータ５の同期速度よりも低下しようとすると、ワンウェイクラッチ４が動力を伝達するため、リングギア２の回転速度がモータ５に対する同期速度を下回ることはない。一方で、モータ５の同期速度よりもリングギア２の回転速度の方が速い時は、ワンウェイクラッチ４が、リングギア２からモータ５側への動力伝達することはないため、その速度関係でいることは自由となる。尚、ここでいう同期速度とは、ピニオンとリングギアが噛み合って回転する速度のことを示す。

ピニオン３をリングギア２に飛び込ませる動力は、マグネットスイッチ６で発生させる。マグネットスイッチ６は、内部に電磁石を備え、その中心に存在するプランジャ７を電磁力によって引き付けることで、プランジャ７を直動させる。

プランジャ７がマグネットスイッチ６によって引き付けられると、その動きがシフトレバー８を介して、ワンウェイクラッチ４を動かし、ピニオン３が軸方向に移動する。即ち、ピニオン３とワンウェイクラッチ４は同一軸上を一体となって移動する。よって、ピニオン３をリングギア２に噛み合せるには、マグネットスイッチ６を通電してピニオンを飛び込ませ、噛み合いを外すときは、マグネットスイッチ６の通電を解除する。

マグネットスイッチ６の内部には、バネが仕込まれていて、通電の解除とともにプランジャ７を押し出し、その動きがシフトレバー８を介してピニオン３に伝わり、ピニオンが引き込まれ、リングギアとの噛み合いが外れる。

モータ５及びマグネットスイッチ６は、制御装置２０により制御される。制御装置２０は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）でもよいし、スタータ１を制御するための独立した制御装置でもよい。尚、図６では、制御装置２０がスタータ１と離れて配置されている例を示しているが、制御装置２０がスタータ１を制御するための独立した制御装置である場合、制御装置２０とスタータ１は一体化された構造であってもよい。

制御装置２０は、アイドリングストップとして停止する場合、ドライバからのエンジンの再始動要求の有無に関わらず、ピニオン３をリングギア２に押し出す。従って、エンジンの停止途中で、エンジンが逆回転になり、かつ、再始動要求が生じたとしても、ピニオンをリングギアに噛み合せる動作がすんでいることになり、直ちにエンジンを再始動することができる。又、エンジンが無負荷もしくは十分な低負荷になった時点で直ちに車両を停止することができるため、しばらく様子を見てすぐに再始動要求が生じないことを確認するための時間が不要になり、エンジンを停止させておく時間が増え、燃費の向上と二酸化炭素排出量の削減が実現できる。

制御装置２０は、エンジンの停止途中にピニオン３を押し出すにあたり、エンジンの停止後におけるエンジンの惰性回転中に、モータ５を一旦回転させた上で、モータ５を回転させる電力供給を止め、モータ５の惰性回転中に、ピニオン３をリングギア２に押し出すように、マグネットスイッチ６を制御する。

図７は、ピニオン３の飛び込みタイミングを、エンジンの回転速度との関係から示す図である。横軸が時間で、縦軸が回転速度である。実線で示したエンジンの回転速度は、単純にエンジンを停止させた時の実測値の一例である。尚、エンジンの回転速度とリングギア２の回転速度は同じである。このグラフに、ピニオン３を噛み込ませるためのタイミングを示すため、ピニオン３の回転速度を、同期するリングギア２の回転速度に換算して、破線で表示した。制御装置２０は、矢印１０１のタイミングで、マグネットスイッチ６に通電してピニオンを飛び込ませる。すると、矢印１０２のタイミングでピニオン３はリングギア２に接触する。

ピニオン３が接触するまでには、ピニオン３等の可動部位を加速させ、リングギア２とピニオン３の間に保たれたすき間を移動する必要があるために、それなりの時間がかかる。よって、マグネットスイッチ６に通電したタイミング１０１とピニオン３がリングギア２に接触するタイミング１０２にはズレが生じる。このズレの時間の間にもエンジンの回転速度は変化を続け、接触するタイミング１０２の時点での、リングギアとピニオンの回転速度の差が１０３に示した幅になる。

制御装置２０は、ピニオン３が飛び込みによってリングギア２と接触する瞬間のリングギア２の回転速度が、ピニオン３の回転速度に対して同期する回転速度よりも速い状態となるように、ピニオン３を飛び込ませる。特に、発明者は研究により、この速度差が毎分０回転より大きく、毎分８０回転より小さくなるタイミングが適切であることを発見している。ピニオンとリングギアが接触した瞬間の相対速度差は大き過ぎても、挿入までに時間がかかる。

ピニオン３がリングギア２と接触した後は、ピニオンの歯がリングギア２の歯の間に来た時点でピニオン３が挿入され、リングギア２とピニオン３が噛み合い、同期して回転するようになる。その時のリングギア２の回転速度が、モータ５に同期する速度より速い場合はワンウェイクラッチ４の作用によって、同期せずに回転することになる。その場合でも、リングギア２の回転速度がモータ５と同期する回転速度まで減速した後は、同期して回転するようになる。

ここで、例えば、ピニオン３の歯数が１０枚、リングギア２の歯数が１００枚の場合、ギア比は１０となる。その時、ピニオン３が１０００rpmで回転していた場合、同期するリングギア２の回転速度は１００rpmとなる。即ち、制御装置２０は、リングギア２の回転速度が１００rpmより速くなったタイミングでピニオン３を押し出すように制御する。尚、この例の場合、発明者の研究により、ピニオン３の押し出しを開始した瞬間からピニオン３がリングギア２に接触する瞬間までの間にリングギア２の回転速度は最大１３０rpm程度低下することもあることが分かっている。従って、制御装置２０は、この間の回転速度低下も演算の上で、ピニオン３とリングギア２の接触タイミングを決定する。

このように本実施例では、ギア比を（リングギア２の歯数）／（ピニオン３の歯数）と定義し、（リングギア２の回転数）が（ピニオン３の回転数）／（ギア比）より大きい場合、リングギア２の回転速度がピニオン３の回転速度に対して同期する回転速度より速い、と記す。

本実施例では、スタータ１内部にワンウェイクラッチ４を設けた上で、リングギア２の回転速度がピニオン３の回転速度に対して同期する回転速度より速い瞬間、ピニオン３をリングギア２に押し出す点に特徴がある。これにより、双方が噛み合った後にモータとリングギアが同期する必要はなくなり、速度差が異なる回転体の接続に伴う衝撃を逃がすため、騒音がしなくなる。

ピニオン３とリングギア２を噛み合わせるにあたり、互いのギアの側面同士が接触している状態では、いかに押し込み力を与えてもギアを挿入できない。動力伝達を滑らかに行うギアを設計するにあたり噛み合った歯同士の隙間（バックラッシュ）を大きくとることはできないため、ランダムにピニオン３をリングギア２に押し出した場合、リングギア２の歯の間にピニオン３の歯が完全におさまる確率は非常に低く、歯の側面同士が接触する確率が非常に高い。歯の側面同士が接触した状態で、ピニオン３とリングギア２が同期して回転を続けたとすると、ピニオン３とリングギア２の位置関係は変わらないため、側面同士の接触が続き、ピニオン３とリングギア２は噛み合わない。そこで、ピニオン３とリングギア２には相対的な速度差が必要となり、リングギア２の回転速度をピニオン３の回転速度に対して同期する回転速度より速い状態にしている。これに、ワンウェイクラッチ４が存在することにより、双方のギアの側面同士が接触した後、互いの相対速度によって歯の位置関係がずれていき、いずれ、リングギア２の歯の間にピニオン３の歯が達して、ピニオンが挿入されるに至る。

ワンウェイクラッチ４がなく、ピニオン３の回転速度の方がリングギア２の回転速度に対して同期する回転速度より速い場合に双方が噛み合うと、噛み合った瞬間に同期化する必要が生じ、大きな衝撃力が発生すると共に、物体が振動し、騒音を発生する。

尚、ワンウェイクラッチ４を設けていても、リングギア２の回転速度がピニオン３の回転速度に対して同期する回転速度より遅い場合に双方が噛み合うと、モータ５がリングギア２を加速する方向に同期化する力が発生し、騒音が発生する。以上より、ワンウェイクラッチ４が作動する方向と、リングギア２及びモータ５の速度関係の組み合わせを上記のように規定した場合に、騒音低減の効果を奏する。

図７のエンジン回転の挙動は、ピニオンを噛み込ませなかった場合の例であるため、実際にピニオン３を噛み込ませると、その後のエンジンの回転速度の推移には変化が生じる。尚、本実施例では、ピニオン３を噛み込ませる前に、ピニオンを回転させておく例を示したが、ピニオンの回転速度がゼロであってもよい。

図１は、ピニオン３とリングギア２に関する正面図であり、ピニオン３の飛び込みは紙面の奥から手前に移動することで行われる。ピニオン３の正回転の回転方向が矢印９であり、これと噛み合うリングギアの正回転の回転方向が矢印１０になる。

ピニオン３の正回転の進行方向に設けた面取り１２が、エンジンの停止途中で、ピニオンを噛み合わせる際に有効になる。ピニオン３の進行方向に対して逆側に施した面取り１３は、初回のエンジン起動に有効なものであり、リングギア２が静止していて、ピニオン３を回転させながら噛み合わせる際に役立つ。尚、面取り１３は、エンジンを停止する際、必ずピニオン３を噛み合わせるようにした場合は、なくてもよい。

リングギア２に施した面取り１４，１５は、紙面の奥側に存在するため、隠れ線である破線で表示した。リングギア２の正回転の進行方向の逆側に設けた面取り１５が、エンジンの停止途中で、ピニオン３を噛み合わせる際に有効になる。リングギア２の進行方向に施した面取り１４は、初回のエンジン起動に有効なものである。よって、面取り１２と面取り１５が同じ役割のものであり、同様に、面取り１３と面取り１４が同じ役割のものである。又、ピニオン３の歯と、リングギア２の歯のそれぞれで、それぞれにとっての同形状の面取りを全ての歯に対して施すことが好ましい。

ピニオンの側面１８に対して垂直に見た時の、面取り１２の最大幅となるのが、最大幅１７である。特に、発明者は研究により、この最大幅１７を歯厚１６の１／１０より大きくし、かつ、歯厚の１／２より小さくすると、ピニオンの歯幅の減少を抑え、動力を伝達する際に歯面に生じる面圧の増加を抑え、耐久性を確保することに対し、特に効果があることを発見している。尚、歯厚とは、ピニオンの歯の歯先円を基準としたピッチ円上の弦歯厚となる箇所で、１６のように計測される距離のことである。

図２は、ピニオン３の面取りを立体的に見えるように図示した斜視図である。ピニオン３が飛び込む方向が矢印１１であり、この方向の側面１８と歯面との角部に面取り１２，１３を施す。面取りにより形成される面１２と、歯の側面１８が交差する角度は４５°前後することが望ましい。この角度は、ピニオン３に対するリングギア２の歯の相対的な周速度と、ピニオン３が飛び込む速度との関係によって最適化することができる。

図３は、リングギア２の面取りを立体的に見えるように図示した斜視図である。リングギア２におけるピニオン側の側面１９と、歯面との角部に面取り１４，１５を施す。尚、本実施例ではピニオン３とリングギア２の両方に面取りを施したが、ピニオンにのみ面取りを施して、リングギアには面取りを施さない構成であってもよい。

図４は、本実施例における面取りの組み合わせで、ギアが噛み合うプロセスを図示したものであり、図５は、エンジンの停止途中でピニオンを噛み合わせるために有効な面取りが施されていない形状で、図４と同じ位相の状態を図示したものである。いずれの図においても、リングギアの回転速度の方がピニオンの回転速度に対して同期する回転速度より速いことを前提としており、両方の歯の位相関係を見るために、ピニオンの歯の位置を固定し、リングギアの歯が正転方向に移動する形式で表示した。又、図示方向は図１と同じであり、ピニオンの挿入は紙面奥から手前に移動することによって行われる。

図４において、歯の相対的な位置関係は、矢印１０のリングギア２の相対回転により、図４（Ａ）→（Ｂ）→（Ｃ）→（Ｄ）のように推移する。図４（Ａ）は、ピニオン３の後縁側の面取り１３とリングギア２の前縁側の面取り１４が接触する状態を示している。面取りが施されている斜面同士が接触した状態で、リングギア２が矢印１０の方向に力を作用させると、斜面の作用として、ピニオンを押し返す方向の力が発生する。その力よりピニオンを押し込む力の方が強い場合にのみ、ピニオンは挿入することができる。ピニオン３とリングギア２が接触した瞬間に生じる力は、速度差による衝突が原因であるため、ピニオン３とリングギア２の相対速度に依存する。よって、ピニオン３とリングギア２の回転速度の差が大きいほど、ピニオンを押し返す力が大きくなり、ピニオン３は挿入されなくなる。

リングギア２の相対速度によって歯の位置関係がずれると、図４（Ｂ）に示す状態となる。この状態では、ピニオン３の側面１８と、リングギア２の側面が接触しているために、どれだけピニオン３を押し込む力があったとしても、ピニオン３を挿入することはできない。

次に位相が進むと、図４（Ｃ）の状態となり、ピニオン３の前縁側の面取り１２とリングギア２の後縁側の面取り１５が重なる。この状態では、リングギア２が矢印１０の方向に移動しているために、ピニオン３にとって接触面が逃げていく形になり、ピニオン３が挿入される。

更に位相が進んで図４（Ｄ）の状態になっても、ピニオン３の歯は、リングギア２の歯のすき間にあるので、ピニオン３が挿入される。この状態に巡り合わなくて、更に位相が進んだ場合は、図４（Ａ）の状態となるため、ピニオン３とリングギア２の歯の位置関係は図４（Ａ）乃至（Ｄ）の何れかとなり、その中で確実にピニオン３が挿入されるのは、図４（Ｃ）と（Ｄ）の状態になる。

図５は、エンジンの停止途中でピニオン３を噛み合わせるために有効な面取りを施していないピニオン３とリングギア２の組み合わせであって、初回のエンジン起動に有効な面取りのみをそれぞれに施した形状を示している。図５（Ａ）乃至（Ｄ）の歯の位置関係は、図４（Ａ）乃至（Ｄ）と同じである。

図５（Ａ）は、ピニオン３の後縁側の面取り１３とリングギア２の前縁側の面取り１４が接触する状態を示しており、ピニオン３が挿入されるかどうかは、図４（Ａ）の状態と同じである。

図５（Ｂ）では、ピニオン３の側面１８と、リングギア２の側面が接触するため、ピニオン３は挿入されない。

図５（Ｃ）も（Ｂ）と同様に、ピニオン３の側面１８とリングギア２の側面が接触するため、ピニオン３は挿入されない。

図５（Ｄ）は、リングギア２の歯のすき間に、ピニオン３の歯がくるので、この状態の時にのみ、確実にピニオンが挿入される。

以上、図４と図５の比較により、リングギア２の回転速度がピニオン３の回転速度に対して同期する回転速度より速い場合に、本実施例の面取りを施すことによって、ピニオン３が挿入され易くなることが理解できる。ピニオン３とリングギア２を噛み合わせる際に発生する騒音は、ピニオン３がリングギア２に接触してから、ピニオン３の歯が、リングギア２の歯の間に挿入されるまでにかかる時間に応じてうるさくなることを発明者は研究により発見している。当該面取りにより、ピニオン３とリングギア２の側面同士が擦れ合って、ピニオン３がリングギア２に挿入されるのにかかる時間、即ち、騒音を発する時間が短縮するため、騒音の発生を低減することができる。尚、本実施例では、ピニオン３とリングギア２の両方に本実施例の面取りを設けた状態で説明を行ったが、ピニオン３とリングギア２の一方にのみ、面取りを行うだけでも、効果を得ることができる。

本実施例では、リングギア２の回転速度がピニオン３の回転速度に対して同期する回転速度より速い瞬間にピニオン３を押し出すことに加え、ピニオン３のギアの回転方向に面取りを施している点に特徴がある。

双方のギアの側面が接触した後の歯同士の位置関係は、ピニオン３の歯を基準にすると、リングギア２の歯の方が進行方向にずれていく。このため、歯の側面同士の接触としては、ピニオン３の前縁（＝進行方向側）と、リングギア２の後縁（進行方向の逆側）の接触を最後とし、その後、ピニオンが挿入される。よって、ピニオン３の前縁の角部が面取りされ、リングギア２の後縁が、その面取り部に達した段階で、ピニオン３の挿入が始まり、面取りがない場合に比べ、挿入にかかる時間が短縮される。従って、ギアの側面同士が擦り合うことで生じる音の総量が低減され、低騒音化が図られる。

尚、ピニオン３の回転速度が減速している状態でピニオン３を押し出すことにより、減速しているリングギア２との相対速度差が、狙った速度差からずれて騒音を増大させることを防ぐことができる。即ち、ピニオン３を押し出すことでリングギア２に接触する時間が、狙った時間から多少ずれた場合、そのずれによって、リングギア２の回転速度が変化し、本実施例で規定した速度差からずれる可能性が生じるが、ピニオン３の回転速度がリングギア２と同様に減速していると、速度差が広がらずに済み、騒音の増大を避けることができる。

リングギア２の後縁に施した面取りによっても、ピニオン３がリングギア２に接触してから挿入するまでにかかる時間が短縮され、騒音低減が図られる。更に、両方の面取りを組み合わせることで、より一層の低騒音化を図ることもできる。

１ スタータ
２ リングギア
３ ピニオン
４ ワンウェイクラッチ
５ モータ
６ マグネットスイッチ
７ プランジャ
８ シフトレバー
９ ピニオンの正回転の方向
１０ リングギアの正回転の方向
１１ ピニオンの飛び込み方向
１２ ピニオンの正回転における前縁側の面取り
１３ ピニオンの正回転における後縁側の面取り
１４ リングギアの正回転における前縁側の面取り
１５ リングギアの正回転における後縁側の面取り
１６ ピニオンの歯厚
１７ ピニオンの面取りの側面方向の最大幅
１８ ピニオンの飛び込む側の側面
１９ リングギアのスタータ側の側面
２０ 制御装置
２１ 減速機構

Claims (5)

1. エンジンに接続されるリングギアに、当該エンジンを始動させるための動力を伝えるピニオンと、
   前記ピニオンを回転させるモータと、
   前記ピニオンを前記リングギアに押し出すマグネットスイッチと、
   前記モータから前記エンジンに向かう方向にしか動力が伝わらない構成のワンウェイクラッチと、
   前記モータ及び前記マグネットスイッチを制御する制御装置を備え、
   前記ピニオンの歯は、当該ピニオンが押し出される側の先端の角部の、当該ピニオンの正回転の進行方向側に、面取りを備えるとともに、
   前記制御装置は、前記ピニオンが飛び込みによって前記リングギアと接触する瞬間の前記リングギアの第１の回転速度が、前記ピニオンの回転速度に対して同期する第２の回転速度よりも速い状態となるように、前記ピニオンを飛び込ませる、スタータシステム。
2. 前記制御装置は、前記エンジンの停止後における前記エンジンの惰性回転中に、前記モータを一旦回転させた上で、当該モータを回転させる電力供給を止め、当該モータの惰性回転中に、前記ピニオンを前記リングギアに押し出すように、前記マグネットスイッチを制御する、請求項１記載のスタータシステム。
3. 前記面取りは、前記ピニオンの側面に垂直に見た時の面取りの最大幅が、歯厚の１／１０より大きく、歯厚の１／２より小さい、請求項１記載のスタータシステム。
4. 前記制御装置は、前記第１の回転速度が前記第２の回転速度より、毎分０回転よりも大きく、毎分８０回転よりも小さい時に、前記ピニオンを前記リングギアに噛み合わせるように前記マグネットスイッチを制御する、請求項１記載のスタータシステム。
5. 前記リングギアの歯は、当該リングギアの正回転の進行方向の逆側に面取りを備える、請求項１記載のスタータシステム。

Images