JP5666915B2 - ダンピングを備えるアイソレータ - Google Patents

Description

本発明は、ハブとプーリの間の振動を減衰させるための摩擦減衰機構を備えるアイソレータに関する。

エンジン補機ベルト伝動装置におけるアイソレータは、オルタネータのロータに取り付けられたハブとプーリの間に弾性部材を適用することで振動絶縁機能を提供する。プーリとハブが連結されていることから、これら２つの部材間の相対運動は制限される。弾性部材の剛性は、ベルト伝動システムの１次モードの振動がアイドリングにおけるエンジンの点火周波数よりも低くなるように選択される。したがって、アイドリングにおいてアイソレータは、プーリの振動を弱め、ロータに対するプーリの影響を低減する。ロータの振動が抑えられることから、プーリから要求される伝達トルクはより低くなり、それによって最大ベルト張力が低減される。その結果、テンショナスパンが強く引張されてテンショナアームを動かし、ベルト移動方向においてオルタネータよりも前にあるベルトスパンを緩ませる可能性は低くなる。これにより、ベルトのかん高いノイズが発生する可能性を低減する。アイソレータは、エンジンの通常の運転では効果的であるが、始動時および停止時には限定された機能しか持たない。これは始動時および停止時に、システムが共振点を通過することによる。

この問題に対処するために、一方向クラッチの特性をデカプラが提供している。エンジン始動時および運転時におけるクランクシャフトプーリの加速において、プーリとハブは相互にロックされ、装置は一体的な（ソリッド）プーリとして動作する。しかし、減速時には、ハブはプーリを追い越して、すなわち「オーバーラン」状態で回転することができる。これは、ロータの慣性がテンショナスパンに高い張力を発生することを防止し、それによりベルトのスリップ音の発生を回避することから有用である。デカプラは、装置が実際にオーバーランするまでに僅かなトルクを発生し得る。オーバーランモードにおいてプーリとハブの間は連結されていないので、プーリは制限されることなく回転できる。デカプラはエンジン始動時および停止時には上手く機能するが、エンジン運転中はそれ程でもない。

この技術の代表は、米国特許第５，１３９，４６３号明細書であり、これは駆動されるアセンブリ列に、オルタネータアセンブリが含まれる自動車用多軸掛けベルト伝動システムを開示し、オルタネータアセンブリは、ハウジングと電機子軸周りに回転するようにハウジング内に搭載された電機子組立体を備えている。ハブ構造は、電機子軸の周りに電機子組立体とともに回転するように電機子組立体によってハウジングの外側へ向けて保持される。コイルバネは、多軸掛けベルトによって駆動されるオルタネータプーリの回転運動をハブ構造に伝達するためにオルタネータプーリとハブ構造の間に協働的な関係で配置され、それによって電機子組立体をオルタネータプーリと同じ方向に回転するとともに、オルタネータプーリが従動されて回転運動する間、オルタネータプーリとは逆向きの瞬間的な相対弾性回転運動を可能にする。

必要とされているのは、ハブとプーリの間の振動を減衰させる摩擦減衰機構を有するアイソレータである。本発明はこの要求に合致する。

本発明は、第１の目的は、ハブとプーリの間の振動を減衰させる摩擦減衰機構を有するアイソレータを提供することである。

本発明のその他の目的は、本発明の以下の説明と添付された図面により指摘され明らかにされる。

本発明は、ハブと、瞬間的な回転運動に対してブッシュを介してハブに摩擦係合するとともに、ブッシュとハブが摩擦係数を有するプーリと、トルクを伝達するためにプーリとハブの間に係合される弾性部材と、ハブにプーリを保持するための固定部材とを備えるアイソレータを含む。

この明細書に組み込まれその一部を構成する添付図面は、本発明の好ましい実施形態を示し、説明とともに本発明の原理を説明するために用いられる。
エンジン加速時におけるベルト伝動システムの動作を示す図である。 エンジン減速時におけるベルト伝動システムの動作を示す図である。 本発明のアイソレータの分解図である。 図３におけるアイソレータの断面図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）はアイソレータのハブとプーリの相対運動を示す連続図である。 種々のブッシュ材料を用いたアイソレータの動的なダンピングの測定結果を示すグラフである。 他の実施形態の分解図である。 図７における他の実施形態の断面図である。

図１はエンジン加速時におけるベルト伝動システムの動作を示す図である。始動時、ベルト伝動装置は各シリンダの周期的な点火により引き起こされるトルクの衝撃を受ける。周期的な衝撃はベルトの瞬間的な加速を発生させ、駆動される補機の瞬間的な加速を発生させる。この衝撃は更にベルトの好ましくない振動を発生させる可能性がある。

図１には、クランクシャフトプーリ（ＣＲＫ）とエアコン用コンプレッサ（ＣＲＫ）やオルタネータ（ＡＬＴ）等の補機を備えるエンジンベルト伝動システムが示される。ベルト（Ｂ）はこれらに掛け回される。テンショナ（ＴＥＮ）は適正なベルト動作張力を維持する。

図１に示されるようにエンジンが加速する始動時の一局面においては、オルタネータの慣性を増大するために正のトルクが必要であるため、オルタネータ（ＡＬＴ）に続くベルトスパン（Ｔ１）には高い張力が掛かる。この高い張力はベルトの伸びを引き起こし、ベルト長さの増大はテンショナスパン（Ｔ２）に蓄積される。これはテンショナアーム（ＴＥＮ）をフリー状態におけるアーム停止位置(無負荷状態)の方向へ動かす。テンショナは制御されたベルト張力をオルタネータの前方スパン（Ｔ２）において維持する。この状況においてシステムはベルトノイズをほとんど発生しない。

図２はエンジン減速時におけるベルト伝動システムの動作を示す図である。図２に示すようにエンジンが減速する局面において、オルタネータの慣性は現在の速度で回転しようとし(ニュートンの運動の第１法則)、それによりオルタネータはベルトの主要な動力となる。これはテンショナに掛け回されるベルト（Ｂ）における通常の緩み側スパン（Ｔ２）を緊張させる。ベルト張力がテンショナＴＥＮのバネ荷重およびテンショナにおけるダンピングに打ち勝つのに十分なほど高いとき、テンショナアームは最大負荷が掛かった停止位置に向けて移動する（ベルトから離れる）。これは、結果として走行長さを減少させ、ベルトスパン（Ｔ１）を弛緩させ緩い張力にする。張力がある臨界値よりも低くなると、ベルト伝動装置ではベルトのかん高いノイズの発生が問題となる。この事態に対処するため、従来技術の一体的なオルタネータプーリに代わる、オルタネータデカプラやアイソレータ等の装置が開発された。従来技術のデカプラは、オルタネータプーリがオルタネータのロータに取り付けられたハブに対して回転することを許容する。相対移動の量は個別の装置に依存する。従来技術のオルタネータデカプラは、一般的に一方向クラッチの特徴を備え、始動および走行時におけるクランクシャフトプーリの加速の間、プーリとハブは互いにロックされ、デカプラは一体的なプーリとして作動する。しかし、減速時には、ハブはプーリを追い越して、すなわちオーバーラン状態で回転することができる。これは、オルタネータのロータの慣性がテンショナスパン（Ｔ２）において高い張力を生じることを防止して、ベルトスリップノイズの発生を防止するので有用である。この装置は、オーバーランする前に僅かなトルクの発生を必要とするかもしれない。オーバーランモードにおいてプーリとハブの間にはトルクを伝達する連結がないので、ハブはほんの暫くの間、自由に回転することができる。

図３は本発明のアイソレータの分解図である。本発明に係るアイソレータ１０は、プーリ３、内部ブッシュ２、外部ブッシュ６、ハブ５、捩じりバネ４、ハブカバー８、およびアセンブリを維持するための固定リング１を備える。バネ４は、プーリのフランジ３１とハブのフランジ５１の間で圧縮される。

プーリがハブに対して回転移動するので、ベアリング表面はハブ荷重を支持する必要がある。この配置において、内部ブッシュ２および外部ブッシュ６はベアリング機能を発揮する。更に、ブッシュ２および６はプーリとハブの間において減衰作用を発揮する。減衰量は係合面の摩擦係数に関連する。

一例として、スチールに対するオイレステクメットＢのブッシュは０．１８の摩擦係数を有する。バネ４のバネ定数は約０．２７Ｎｍ／度である。プーリ直径は約５６．５ｍｍである。数値は一例であり本発明の幅あるいは範囲を限定するものではない。

図４は、図３におけるアイソレータの断面図である。ボア５２は、オルタネータシャフト（図示せず）を受け入れる。ベルトベアリング面３２は、マルチリブドベルト（図示せず）に係合する形状を有する。固定リング１はハブ５に圧入される。

図５（ａ）、５（ｂ）、５（ｃ）は、アイソレータのハブとプーリの相対運動を示す連続的な概略図である。図５(ａ)に関し、エンジンが止まっている時、プーリとハブは隣接したマークＡおよびＢで示されるように、相互に変位しない。模式的に示されるように、バネ４は変形されない。

エンジンが始動するとプーリ３は瞬間的に高い加速度を受け、これにより、図５（ｂ）に示されるように、そして時計回りにＡよりも角度方向前方にある新しい相対位置Ｂで示されるように、プーリはハブの角度方向の前方へ直ちに移動する。プーリからハブに伝達されるトルクは、バネ４を介したトルクとブッシュ６の摩擦面を介したトルクの和である。摩擦面を介したトルクの大きさはハブ荷重と摩擦係数に依存する。「ハブ荷重」はハブに作用するベルト張力のベクトルである。

エンジン／ベルト加速時において、ハブ荷重は比較的大きくなる可能性があり(約１２００Ｎ)、減衰トルクは
１２００Ｎ×０．１８×０．０４５／２＝４．９Ｎｍ
となり得る(摩擦係数を０．１８、ブッシュ直径を約４５ｍｍと仮定する)。

ハブに対するプーリの角度変位にともなってバネを介して伝達されるトルクは、バネの位置エネルギーを増加させる。ダンピングを経たトルクエネルギーは熱として消費される。減衰がないとき、全てのトルクはバネを介して伝達され、バネにはより多くの位置エネルギーが蓄積される。

バネにおける位置エネルギーの蓄積は、直ちにハブを時計回りに加速する。始動における減速時には、図５（ｃ）にＢよりも角度方向前方にある新しい相対位置Ａで示されるように、ハブは時計回りにプーリを越えて回転する。ハブからプーリに伝達されるトルクはバネトルク引く減衰トルクである。この減速段階において、ハブ荷重は低く（約４００Ｎ）、そして減衰トルクは
４００Ｎ×０．１８×０．０４５／２＝１．６Ｎｍ
となり得る（摩擦係数を０．１８、ブッシュ直径を約４５ｍｍと仮定する）。

バネトルクが減衰トルクにより低下するので、テンショナスパンＴ２の張りが小さく、テンショナアームが負荷側停止位置へ向かって移動するためのポテンシャルも少なくなり、他のスパンにおけるベルトの緩みを引起し、これによりベルトスリップノイズが発生する。

図６は種々のブッシュ材料を用いたアイソレータの動的なダンピングの測定結果を示すグラフである。各ブッシュ２および６は、個別のアプリケーションに対して望ましい摩擦係数になるように、同じ材料あるいは異なる材料で構成されてもよい。ダンピングのヒステリシス特性が種々のブッシュ材料に対する動的なダンピングの測定結果により示される。材料にはアーレン４２００（Ａ）、ルブリロイＲＬ（Ｂ）、オイレス（Ｃ）が含まれる。グラフでは、ニュートンで表される力が相対移動と対比される。

図７は別の実施形態の分解図である。この別の実施形態１０００において、弾性要素４００は合成ゴムあるいは天然ゴムのようなポリマーであってもよい。

それは、ハブに対するプーリの回転運動を回転軸Ａ−Ａに平行なカムによる直線運動に変換するのに用いられる協働する複数のカムを備える減衰機構であるかもしれない。直線運動はベルビルワッシャ（すなわち皿バネ）に作用し、弾性減衰機構を構成する。

より詳細には、カム部材３０１は、プーリ３００に圧入される。カム部材３０１は、カム面３０２を有する。カム面３０２は、正弦曲線に近い面形状を有する。シール１０１、シール８０２およびダストキャップ８００は、粉塵がアイソレータに浸入するのを防ぐ。

カム部材５０１は、カム面５０２を備える。カム面５０２は、正弦曲線に近い面形状を有する。

ローラベアリング６０１は、カム部材３０１とカム部材５０１の間に配置される。ローラベアリング６０１は、カム部材３０１と５０１の間の相対変位を容易にする。

バネ４００には、ベルビルワッシャが含まれる。ワッシャ４００は、ハブ５００のフランジ５０３とカム部材５０１の間で圧縮される。ワッシャ４００は、並列にあるいは直列に取り付けられてもよい。ワッシャ４００は、図８では直列に示されている。ベルビルワッシャの代用として皿バネを用いてもよい。平らなスチールワッシャ５０４が、バネ４００とフランジ５０３の間に設けられ、バネ４００がフランジ５０３を摩耗するのを防止する。

要素９００は、ブッシュあるいはベアリングであり、カム部材３０１とハブ５００の間に配設される。要素９００は、カム部材３０１にハブ５００に対する回転変位の自由を与えるとともに、この２つの部材間に摩擦ダンピングを提供する。ブッシュ９００は、例えば図６に示したものを含む任意の適切な材料からなり、またボールベアリングを備えていてもよい。

ボア５０５は、補機シャフト(図示せず)に係合する。ロールベアリング２００は、プーリ３００の内周面に係合される。ローラベアリング２００は、カム部材３０１と固定リング１００の間に配置される。ローラベアリング２００は、カム部材３０１と固定リング１００の間の相対変位を容易にする。ブッシュ９００は、固定リング１００との摩擦係合によりカム部材３０１の(これによりプーリ３００の)振動を減衰させる。

ブッシュ２５０は、プーリ３００の内周面に係合される。ブッシュ２５０は、カム部材５０１に摺動自在に係合する。

作動状態において、ワッシャ４００はフランジ５０３とカム部材５０１の間で圧縮される。面３０２および５０２の協働する表面形状は、アイソレータをバネ力が最小となる位置に配置させる。トルクがプーリに作用すると、面３０２および５０３は、それぞれに対して回転して正弦曲面による軸Ａ−Ａに沿った直線運動を引き起こす。これにより、バネ４００は、フランジ５０３とカム部材５０１の間で圧縮される。ワッシャ４００の圧縮により、プーリとハブの間のバネ力が増大する。

図８は、図７の別の実施形態の断面図である。摩擦係数とハブ荷重に起因して生成されるダンピングの大きさは、始動時あるいは停止時に、ベルトスリップが１０％以下に制限されるような大きさである。ダンピングはエンジン始動時および停止時に有用であり、バネは、エンジンアイドリング時にプーリの振動を減衰してロータの動揺を低減する場合に有用である。

ここでは、本発明の１つの形態について説明されたが、当業者にとっては、ここで説明された本発明の趣旨と範囲を逸脱することなく、その構成や構成部の関係を様々に変形することは容易である。

Claims (4)

1. ハブ（５００）と、
   瞬間的な回転運動に対して、前記ハブ（５００）の外周面に摩擦係合するブッシュ（９００）を介して前記ハブ周りに相対回転可能なプーリ（３００）とを備え、前記ブッシュ（９００）とハブ（５００）が摩擦係数を有し、
   トルクを伝達するために前記プーリ（３００）と前記ハブ（５００）の間に係合されるベルビルワッシャ（４００）と、
   前記ハブ（５００）に前記プーリ（３００）を保持するための固定部材（１００）と、
   前記プーリ（３００）に固定された第１カム部材（３０１）と、
   前記第１カム部材（３０１）に摺動自在に係合される第２カム部材（５０１）とを更に備え、
   前記ブッシュ（９００）が前記プーリ（３００）の内側に配置され、
   前記第１カム部材（３０１）と前記第２カム部材（５０１）は、前記ベルビルワッシャ（４００）が前記ハブ（５００）のフランジ（５０３）と前記第２カム部材（５０１）との間に圧縮された状態で押圧係合され、前記ブッシュ（９００）を介して加速時に相対的に大きい摩擦ダンピングトルクを前記プーリ（３００）と前記ハブ（５００）の間に発生させるとともに減速時に相対的に小さい摩擦ダンピングトルクを前記プーリ（３００）と前記ハブ（５００）の間に発生させる
   ことを特徴とするアイソレータ。
2. 前記第１カム面と前記第２カム面の間に配置されるローラベアリングを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のアイソレータ。
3. エンジンクランクシャフトプーリ（ＣＲＫ）と、
   前記クランクシャフトプーリ（ＣＲＫ）と補機プーリの間に掛け回されたベルト（Ｂ）により駆動される補機と、
   前記補機に係合されるアイソレータ（１０）とを備え、
   前記アイソレータ（１０）が、
   前記補機に係合されるハブ（５００）と、
   瞬間的な回転運動に対して所定の摩擦係数の下、前記ハブ（５００）の外周面に摩擦係合するブッシュ（９００）を介して前記ハブ（５００）周りに相対回転可能なプーリ（３００）と、
   トルクを伝達するために前記プーリ（３００）と前記ハブ（５００）の間に係合されるベルビルワッシャ（４００）と、
   前記ハブ（５００）に前記プーリ（３００）を保持するための固定部材（１００）と、
   前記プーリ（３００）に固定される第１カム部材（３０１）と、
   前記第１カム部材（３０１）に摺動自在に係合される第２カム部材（５０１）とを更に備え、
   前記ブッシュ（９００）が前記プーリ（３００）の内側に配置され、
   前記第１カム部材（３０１）と前記第２カム部材（５０１）は、前記ベルビルワッシャ（４００）が前記ハブ（５００）のフランジ（５０３）と前記第２カム部材（５０１）との間に圧縮された状態で押圧係合され、前記ブッシュ（９００）を介して加速時に相対的に大きい摩擦ダンピングトルクを前記プーリ（３００）と前記ハブ（５００）の間に発生させるとともに減速時に相対的に小さい摩擦ダンピングトルクを前記プーリ（３００）と前記ハブ（５００）の間に発生させる
   ことを特徴とするベルト伝動システム。
4. 前記第１カム面と前記第２カム面の間に配置されるローラベアリングを更に備えることを特徴とする請求項３に記載のベルト伝動システム。
   

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