JP6571599B2 - プーリ構造体におけるクラッチ係合部の耐摩耗性試験方法及び耐摩耗性試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、プーリ構造体におけるクラッチ係合部の耐摩耗性試験方法及び耐摩耗性試験装置に関する。

外輪と外輪の内側に設けられ且つ外輪に対して相対回転可能な内輪とを含むプーリ構造体において、外輪に巻回されるベルトのスリップ防止等の観点から、外輪と内輪との間に、トルクを一方向に伝達又は遮断する一方向クラッチを設ける技術が知られている。例えば、特許文献１では、一方向クラッチとして、ねじりコイルばねを含むコイルスプリング式クラッチが設けられている。特許文献２では、一方向クラッチとして、スプラグを含むスプラグ式クラッチが設けられている。

一方向クラッチは、内輪が外輪に対して正方向に相対回転するとき、係合状態となり、外輪及び内輪のそれぞれと係合して、外輪と内輪との間でトルクを伝達する一方、内輪が外輪に対して逆方向に相対回転するとき、係合解除状態となり、外輪及び内輪の少なくとも一方に対して摺動して、外輪と内輪との間でトルクを伝達しない。特許文献１において、クラッチが係合解除状態にあるとき、ねじりコイルばねは第１回転体（外輪）に対して外輪の周方向に摺動する。特許文献２において、クラッチが係合解除状態にあるとき、スプラグは内方部材（内輪）及び外輪に対して摺動する。当該摺動により、クラッチにおける内輪及び／又は外輪と接触する部分や、内輪及び／又は外輪におけるクラッチと接触する部分（以下、当該部分を「クラッチ係合部」という。）が摩耗し得る。クラッチ係合部が摩耗すると、クラッチが係合状態となるときのクラッチと内輪及び／又は外輪との接触面圧が減少することで、伝達されるトルク値が減少し得る。

そこで、プーリ構造体におけるクラッチ係合部の耐摩耗性を評価するため、様々な試験方法が提案されている。例えば、特許文献２（段落００３６〜００３９）には、クラッチの係合状態と係合解除状態との切替えを所定回数（負荷回数：１０⁶回）行った後、クラッチ（スプラグ）の摩耗量を測定するという方法が示されている。特許文献３（段落００３５）には、プーリ構造体に接続されたエンジンに種々の条件（例えば、エンジンの減速、加速、市街地運転、高速道路運転及び他の条件）を課して、１回あたり２０００時間の試験を行い、その後プーリ構造体を分解して、クラッチ係合部の摩耗度合いを検査するという方法が示されている。特許文献４（段落００３２）には、所定回数（例えば５０万回）のエンジン始動を含む試験形態が示されている。

特開２０１４−１１４９４７号公報 特開２００７−１３２５１８号公報 特開２０１３−５２７４０１号公報 特許５６７７３０５号

上記のような方法では、耐摩耗性評価に、多大な時間がかかり、また、プーリ構造体を分解する必要があるため、手間もかかる。

本発明の目的は、耐摩耗性評価にかかる時間及び手間を共に低減可能な耐摩耗性試験方法及び耐摩耗性試験装置を提供することである。

本発明の第１観点によると、プーリ構造体におけるクラッチ係合部の耐摩耗性試験方法において、前記プーリ構造体は、外輪と、前記外輪の内側に設けられ且つ前記外輪に対して相対回転可能な内輪と、前記外輪と前記内輪との間に設けられ且つトルクを一方向に伝達又は遮断する一方向クラッチであって、前記内輪が前記外輪に対して正方向に相対回転するとき前記外輪及び前記内輪のそれぞれと係合して前記外輪と前記内輪との間でトルクを伝達し、前記内輪が前記外輪に対して逆方向に相対回転するとき前記外輪及び前記内輪の少なくとも一方に対して摺動して前記外輪と前記内輪との間でトルクを伝達しない一方向クラッチとを有し、前記外輪を回転不能に固定した状態で前記内輪を前記外輪に対して前記逆方向に相対回転させたときの前記内輪のトルク値の時系列変化を検出する検出ステップと、前記検出ステップにおいて検出されたトルク値の時系列変化に基づいて前記クラッチ係合部の耐摩耗性を評価する評価ステップとを備えたことを特徴とする、耐摩耗性試験方法が提供される。

本発明の第２観点によると、プーリ構造体におけるクラッチ係合部の耐摩耗性試験装置であって、前記プーリ構造体は、外輪と、前記外輪の内側に設けられ且つ前記外輪に対して相対回転可能な内輪と、前記外輪と前記内輪との間に設けられ且つトルクを一方向に伝達又は遮断する一方向クラッチであって、前記内輪が前記外輪に対して正方向に相対回転するとき前記外輪及び前記内輪のそれぞれと係合して前記外輪と前記内輪との間でトルクを伝達し、前記内輪が前記外輪に対して逆方向に相対回転するとき前記外輪及び前記内輪の少なくとも一方に対して摺動して前記外輪と前記内輪との間でトルクを伝達しない一方向クラッチとを有し、前記外輪を回転不能に固定する固定手段と、前記内輪を前記外輪に対して前記逆方向に相対回転させる回転手段と、前記固定手段によって前記外輪を回転不能に固定した状態で前記回転手段によって前記内輪を前記外輪に対して前記逆方向に相対回転させたときの前記内輪のトルク値の時系列変化を検出する検出手段と、を備えたことを特徴とする、耐摩耗性試験装置が提供される。

本発明者等は、プーリ構造体の仕様を種々変更して様々な方法で試験・評価を重ねた結果、クラッチ係合部が摩耗して、クラッチが係合状態となるときのクラッチと内輪及び／又は外輪との接触面圧が減少すると、トルクの絶対値が低下することを知見した。そして、本発明者等は、クラッチの係合状態と係合解除状態とを交互に生じさせるのではなく、クラッチを係合解除状態に維持して摺動を連続的に生じさせて、トルク値の時系列変化を検出し、検出したトルク値の時系列変化に基づいてクラッチ係合部の摩耗度合いを推測できることを見出した。

上記第１及び第２観点によれば、クラッチの係合状態と係合解除状態とを交互に生じさせるのではなく、クラッチを係合解除状態に維持して摺動を連続的に生じさせ、トルク値の時系列変化に基づいてクラッチ係合部の耐摩耗性を評価するという手法を採用したことで、比較的短時間で且つ手間をかけずに耐摩耗性評価を行うことができる。即ち、耐摩耗性評価にかかる時間及び手間を共に低減可能である。

前記一方向クラッチは、コイルスプリング式クラッチであって、前記外輪と前記内輪との間に収容され、前記内輪が前記外輪に対して前記逆方向に相対回転するとき前記外輪に対して前記外輪の周方向に摺動するねじりコイルばねを含んでよい。コイルスプリング式クラッチの場合、スプラグ式クラッチやローラ式クラッチに比べ、クラッチと内輪及び／又は外輪との接触面積が大きい。そのため、トルク値の時系列変化とクラッチ係合部の摩耗度合いとの相関関係が大きく、トルク値の時系列変化に基づいてクラッチ係合部の耐摩耗性をより高精度に評価することができる。

本発明によれば、クラッチの係合状態と係合解除状態とを交互に生じさせるのではなく、クラッチを係合解除状態に維持して摺動を連続的に生じさせ、トルク値の時系列変化に基づいてクラッチ係合部の耐摩耗性を評価するという手法を採用したことで、比較的短時間で且つ手間をかけずに耐摩耗性評価を行うことができる。即ち、耐摩耗性評価にかかる時間及び手間を共に低減可能である。

本発明の一実施形態に係る耐摩耗性試験装置を示す概略構成図である。 （ａ）は、プーリ構造体が設置される自動車の補機駆動システムを示す概略構成図である。（ｂ）は、（ａ）の補機駆動システムにおいて、プーリ構造体と駆動プーリとの接続構成を示す部分側面図である。 本発明の一実施形態に係る耐摩耗性試験装置に設置されるプーリ構造体を示す、プーリ構造体の回転軸を通り且つ当該回転軸と平行な方向に沿った、断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 図３のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 図３に示すプーリ構造体のねじりコイルばねのねじり角度とねじりトルクとの関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る耐摩耗性試験方法を示すフロー図である。 （ａ）は、実施例１の試験初期段階におけるトルク値の時系列変化を示すグラフである。（ｂ）は、実施例１の試験途中段階におけるトルク値の時系列変化を示すグラフである。（ｃ）は、実施例２の試験途中段階におけるトルク値の時系列変化を示すグラフである。（ｄ）は、実施例２の試験最終段階におけるトルク値の時系列変化を示すグラフである。

本発明の一実施形態に係る耐摩耗性試験装置１００は、図１に示すように、モータ１０、トルク計２０、エンコーダ３０、軸受４０、固定具５０、データロガー６０及びＰＣ（personal computer）７０を含む。耐摩耗性試験の対象となるプーリ構造体１は、モータ１０の軸１１の先端に取り付けられる。

プーリ構造体１は、例えば、図２に示すように、自動車の補機駆動システム２００において、オルタネータ２２０の軸２２１に取り付けられるものである。補機駆動システム２００は、エンジン２１０のクランク軸２１１に取り付けられた駆動プーリ２０１と、オルタネータ２２０等の補機を駆動する従動プーリ２０２，２０３，２０４及びプーリ構造体１と、これらプーリ２０１〜２０４及びプーリ構造体１に巻回されたベルト２５０とを含む。クランク軸２１１の回転がベルト２５０を介して従動プーリ２０２，２０３，２０４及びプーリ構造体１に伝達されることで、オルタネータ２２０等の補機が駆動される。クランク軸２１１の回転速度がエンジン２１０の燃焼に応じて変動するのに伴い、ベルト２５０の走行速度も変動する。そのため、プーリ構造体１とベルト２５０との間でスリップが生じたり、ベルト２５０の張力が大きく変動したりし得る。このようなベルト２５０のスリップや張力の過大な変動は、ベルト２５０の異音の発生や寿命低下等の原因となる。特にオルタネータ２２０は、軸２２１の慣性モーメントが大きいため、ベルト２５０のスリップや張力変動が生じ易い。さらに、オルタネータ２２０の軸２２１にクランク軸２１１の回転変動が伝えられると、オルタネータ２２０の耐久性が低下し、また、発電効率に悪影響が生じ得る。そこで、プーリ構造体１は、後述のように、一方向クラッチを内蔵している。

プーリ構造体１は、図３〜図５に示すように、外輪２、内輪３、ねじりコイルばね（以下、単に「ばね」という。）４及びエンドキャップ５を含む。エンドキャップ５は、外輪２及び内輪３の前端（図３において左側を前、右側を後という。）に配置されている。

外輪２及び内輪３は、共に略円筒状であり、同一の回転軸を有する。外輪２及び内輪３の回転軸は、プーリ構造体１の回転軸であり、以下、単に「回転軸」という。内輪３は、外輪２の内側に設けられ、外輪２に対して相対回転可能である。外輪２の外周面に、ベルト２５０が巻回される。内輪３は、モータ１０の軸１１（図１参照）又はオルタネータ２２０の軸２２１（図２（ｂ）参照）が嵌合される筒本体３ａ、及び、筒本体３ａの前端の外側に配置された外筒部３ｂを有する。

外輪２の後端の内周面と、筒本体３ａの外周面との間に、転がり軸受６が介設されている。外輪２の前端の内周面と、外筒部３ｂの外周面との間に、滑り軸受７が介設されている。軸受６，７によって、外輪２及び内輪３が相対回転可能に連結されている。

外輪２及び内輪３の間であって、転がり軸受６よりも前方に、空間８が形成されている。空間８に、ばね４が収容されている。空間８は、外輪２の内周面及び外筒部３ｂの内周面と、筒本体３ａの外周面との間に形成されている。

外輪２の内径は、後方に向かって２段階で小さくなっている。最も小さい内径部分における外輪２の内周面を圧接面２ａ、２番目に小さい内径部分における外輪２の内周面を環状面２ｂという。圧接面２ａにおける外輪２の内径は、外筒部３ｂの内径よりも小さい。環状面２ｂにおける外輪２の内径は、外筒部３ｂの内径と同じかそれよりも大きい。

筒本体３ａは、前端において外径が大きくなっている。この部分における内輪３の外周面を接触面３ｃという。

ばね４は、左巻き（前端から後端に向かって反時計回り）であり、外力を受けていない状態において、全長に亘って径が一定である。外力を受けていない状態でのばね４の外径は、圧接面２ａにおける外輪２の内径よりも大きい。ばね４は、後端側領域が縮径された状態で、空間８に収容されている。ばね４における後端側領域の外周面は、ばね４の拡径方向の自己弾性復元力によって、圧接面２ａに押し付けられている。また、プーリ構造体１が停止しており、ばね４における後端側領域の外周面がばね４の拡径方向の自己弾性復元力によって圧接面２ａに押し付けられた状態において、ばね４の前端側領域４ｂは、若干拡径された状態で、接触面３ｃと接触している。つまり、プーリ構造体１が停止している状態において、ばね４における前端側領域４ｂの内周面は、接触面３ｃに押し付けられている。

前端側領域４ｂは、ばね４の前端から半周以上（回転軸回りに１８０°以上）の領域をいう。また、前端側領域４ｂのうち、ばね４の前端から回転軸回りに９０°離れた位置付近を第２領域４ｂ２、第２領域４ｂ２よりも前端側の部分を第１領域４ｂ１、残りの部分を第３領域４ｂ３という（図４参照）。

図４に示すように、内輪３の前端部分には、ばね４の前端面４ａと対向する当接面３ｄが形成されている。また、外筒部３ｂの内周面には、外筒部３ｂの径方向内側に突出して前端側領域４ｂの外周面と対向する突起３ｅが設けられている。突起３ｅは、第２領域４ｂ２と対向している。

次いで、プーリ構造体１の動作について説明する。

先ず、外輪２の回転速度が内輪３の回転速度よりも大きくなった場合（即ち、外輪２が加速する場合）について説明する。

この場合、外輪２は、内輪３に対して正方向（図４及び図５の矢印方向）に相対回転する。外輪２の相対回転に伴って、ばね４の後端側領域が、圧接面２ａと共に移動し、内輪３に対して相対回転する。これにより、ばね４が拡径方向にねじれる。ばね４の後端側領域の圧接面２ａに対する圧接力は、ばね４の拡径方向のねじり角度が大きくなるほど増大する。第２領域４ｂ２は、ねじり応力を最も受け易く、ばね４の拡径方向のねじり角度が大きくなると、接触面３ｃから離れる。このとき、第１領域４ｂ１及び第３領域４ｂ３は、接触面３ｃに圧接している。第２領域４ｂ２が接触面３ｃから離れると略同時に、又は、ばね４の拡径方向のねじり角度がさらに大きくなったときに、第２領域４ｂ２の外周面が突起３ｅに当接する。第２領域４ｂ２の外周面が突起３ｅに当接することで、前端側領域４ｂの拡径方向の変形が規制され、ねじり応力がばね４における前端側領域４ｂ以外の部分に分散され、特にばね４の後端側領域に作用するねじり応力が増加する。これにより、ばね４の各部に作用するねじり応力の差が低減され、ばね４全体で歪エネルギーを吸収できるため、ばね４の局部的な疲労破壊を防止できる。

また、第３領域４ｂ３の接触面３ｃに対する圧接力は、ばね４の拡径方向のねじり角度が大きくなるほど低下する。第２領域４ｂ２が突起３ｅに当接すると同時に、又は、ばね４の拡径方向のねじり角度がさらに大きくなったときに、第３領域４ｂ３の接触面３ｃに対する圧接力が略ゼロとなる。このときのばね４の拡径方向のねじり角度をθ１（例えば、θ１＝３°）とする。ばね４の拡径方向のねじり角度がθ１を超えると、第３領域４ｂ３は、拡径方向に変形することで、接触面３ｃから離れていく。しかし、第３領域４ｂ３と第２領域４ｂ２との境界付近において、ばね４が湾曲（屈曲）することはなく、前端側領域４ｂは円弧状に維持される。つまり、前端側領域４ｂは、突起３ｅに対して摺動し易い形状に維持されている。そのため、ばね４の拡径方向のねじり角度が大きくなって前端側領域４ｂに作用するねじり応力が増加すると、前端側領域４ｂは、第２領域４ｂ２の突起３ｅに対する圧接力及び第１領域４ｂ１の接触面３ｃに対する圧接力に抗して、突起３ｅ及び接触面３ｃに対して外輪２の周方向に摺動する。そして、前端面４ａが当接面３ｄを押圧することにより、外輪２と内輪３との間で確実にトルクを伝達できる。

なお、ばね４の拡径方向のねじり角度がθ１以上且つθ２（例えば、θ２＝４５°）未満の場合、第３領域４ｂ３は、接触面３ｃから離隔し且つ外筒部３ｂの内周面に接触しておらず、第２領域４ｂ２は、突起３ｅに圧接されている。そのため、この場合、ばね４の拡径方向のねじり角度がθ１未満の場合に比べて、ばね４の有効巻数が大きく、ばね定数（図６に示す直線の傾き）が小さい。また、ばね４の拡径方向のねじり角度がθ２になると、ばね４の中領域（前端側領域４ｂと後端側領域との間の領域）の外周面が環状面２ｂに当接するか、又は、ばね４の拡径方向のねじり角度が限界に達することで、ばね４のそれ以上の拡径方向の変形が規制されて、外輪２及び内輪３が一体的に回転する。これにより、ばねの拡径方向の変形による破損を防止できる。

次に、外輪２の回転速度が内輪３の回転速度よりも小さくなった場合（即ち、外輪２が減速する場合）について説明する。

この場合、外輪２は、内輪３に対して逆方向（図４及び図５の矢印方向と逆の方向）に相対回転する。外輪２の相対回転に伴って、ばね４の後端側領域が、圧接面２ａと共に移動し、内輪３に対して相対回転する。これにより、ばね４が縮径方向にねじれる。ばね４の縮径方向のねじり角度がθ３（例えば、θ３＝１０°）未満の場合、後端側領域の圧接面２ａに対する圧接力は、ねじり角度がゼロの場合に比べて若干低下するものの、後端側領域は圧接面２ａに圧接している。また、前端側領域４ｂの接触面３ｃに対する圧接力は、ねじり角度がゼロの場合に比べて若干増大する。ばね４の縮径方向のねじり角度がθ３以上の場合、後端側領域の圧接面２ａに対する圧接力は略ゼロとなり、後端側領域は圧接面２ａに対して外輪２の周方向に摺動する。したがって、外輪２と内輪３との間でトルクは伝達されない（図６参照）。

このように、ばね４は、コイルスプリング式クラッチであって、トルクを一方向に伝達又は遮断する一方向クラッチとして機能する。ばね４は、内輪３が外輪２に対して正方向に相対回転するとき外輪２及び内輪３のそれぞれと係合して外輪２と内輪３との間でトルクを伝達する一方、内輪３が外輪２に対して逆方向に相対回転するとき外輪２及び内輪３の少なくとも一方（本実施形態では、圧接面２ａ）に対して摺動（本実施形態では、外輪２の周方向に摺動）して外輪２と内輪３との間でトルクを伝達しない。即ち、圧接面２ａと、ばね４における後端側領域の外周面とが、本発明の「クラッチ係合部」に該当する。

次いで、図１に戻り、耐摩耗性試験装置１００の各部について、具体的に説明する。

モータ１０の軸１１の先端には、雄螺子部が設けられている。当該雄螺子部に内輪３の筒本体３ａの内周面に形成された雌螺子部が嵌合されることで、軸１１の先端にプーリ構造体１が取り付けられる。

トルク計２０は、軸１１に取り付けられており、データロガー６０及びＰＣ７０と電気的に接続されている。トルク計２０は、軸１１のトルク値を示すトルク信号をデータロガー６０及びＰＣ７０に送信する。

エンコーダ３０は、軸１１に取り付けられており、データロガー６０及びＰＣ７０と電気的に接続されている。エンコーダ３０は、軸１１の回転角度を示す回転角度信号をデータロガー６０及びＰＣ７０に送信する。エンコーダ３０は、軸１１のトルクロスを抑制するという観点から、低摺動抵抗タイプを採用することが好ましい。

軸受４０は、軸１１の先端近傍において、軸１１を回転可能に支持している。軸受４０についても、軸１１のトルクロスを抑制するという観点から、低摺動抵抗タイプを採用することが好ましい。

固定具５０は、一対のブロック５１，５２を含む。各ブロック５１，５２は、例えば金属からなり、図４及び図５に示すように、Ｖ字状の凹面を有する。一対のブロック５１，５２は、凹面同士が対向するように配置され、軸１１の先端に取り付けられたプーリ構造体１を挟持した状態で、凹面同士の対向方向に互いに近づく方向に押圧されることにより、プーリ構造体１の外輪２を回転不能に固定する。即ち、固定具５０は、本発明の「固定手段」に該当する。

次いで、図７を参照し、耐摩耗性試験装置１００を用いたプーリ構造体１におけるクラッチ係合部の耐摩耗性試験方法について説明する。

先ず、プーリ構造体１を、モータ１０の軸１１の先端に取り付ける（Ｓ１）。このとき、軸１１の先端に設けられた雄螺子部を内輪３の筒本体３ａの雌螺子部に嵌合する。

Ｓ１の後、固定具５０により、外輪２を回転不能に固定する（Ｓ２）。

Ｓ２の後、モータ１０を駆動し、軸１１と共に内輪３を回転させる（Ｓ３）。このとき、内輪３は外輪２に対して逆方向に相対回転される。即ち、モータ１０は本発明の「回転手段」に該当する。また本実施形態では、雰囲気温度を２５±５℃（常温）とし、軸１１の回転数を、常温雰囲気下でクラッチ係合部に焼付きが発生しない回転数（例えば、４００ｒｐｍ）とする。

Ｓ３の後、トルク計２０を用いて、外輪２を回転不能に固定した状態で内輪３を外輪２に対して逆方向に相対回転させたときの内輪３のトルク値の時系列変化を検出する（Ｓ４）。Ｓ４は、本発明の「検出ステップ」に該当する。トルク計２０は、本発明の「検出手段」に該当し、固定具５０によって外輪２を回転不能に固定した状態でモータ１０によって内輪３を外輪２に対して逆方向に相対回転させたときの内輪３のトルク値の時系列変化を検出する。本実施形態では、クラッチ係合部に対して実車寿命（例えば、目標エンジン始動回数＝５０万回）に相当する摺動のストレスを強制的かつ連続的に与え、この間の内輪３のトルク値（摺動抵抗）を時系列に沿って検出する。トルク値の時系列変化は、トルク計２０から送信されたトルク信号に基づき、データロガー６０に記録される。

Ｓ４の後、Ｓ４で検出されたトルク値の時系列変化に基づいて、クラッチ係合部の耐摩耗性を評価する（Ｓ５）。Ｓ５は、本発明の「評価ステップ」に該当する。本実施形態では、データロガー６０に記録されたトルク値の時系列変化をＰＣ７０で処理し、グラフ（図８（ａ）〜（ｄ）参照）を作成する。そして、作成されたグラフにおいて、試験開始時点から試験終了時点までの間、トルク値の振幅がＴ０（試験初期段階におけるトルク値の振幅）と同水準（即ち、Ｔ０との差が所定値未満）に維持されている場合（図８（ｃ），（ｄ）参照）や、トルク値が所定範囲内（例えば、−１．０Ｎ・ｍ以下）に維持されている場合は、クラッチ係合部の耐摩耗性に問題がない（摩耗が生じないか、又は、摩耗が生じても許容範囲内である）と判断する。一方、試験開始時点から試験終了時点までの間に、トルク値の振幅がＴ０と異なる水準に（即ち、Ｔ０よりも所定値以上大きく）なった場合（例えば、図８（ｂ）において、試験途中段階でのトルク値の振幅Ｔ１＞Ｔ０）や、トルク値が所定範囲外となった場合（例えば、−１．０Ｎ・ｍを超えた場合）には、クラッチ係合部の耐摩耗性に問題があると判断する。Ｓ５の評価は、試験を行う作業者（人）によって行われる。

また、本実施形態では、エンコーダ３０から送信された回転角度信号に基づいて、軸１１の回転量の時系列データがデータロガー６０に記録される。Ｓ５において、データロガー６０に記録された軸１１の回転量の時系列データをＰＣ７０で処理し、回転量とトルク値の関係を表すグラフの作成、回転量からエンジン始動回数への変換を行ってもよい。

また、トルクリミッタの制御回路を設け、トルク値の上限及び下限を設定して、トルク値が上限を上回った場合又は下限を下回った場合に、モータ１０の駆動を停止させ、試験を強制的に終了してもよい。

以上に述べたように、本実施形態によれば、クラッチの係合状態と係合解除状態とを交互に生じさせるのではなく、クラッチを係合解除状態に維持して摺動を連続的に生じさせ、トルク値の時系列変化に基づいてクラッチ係合部の耐摩耗性を評価するという手法を採用したことで、比較的短時間で且つ手間をかけずに耐摩耗性評価を行うことができる。即ち、耐摩耗性評価にかかる時間及び手間を共に低減可能である。

本実施形態のプーリ構造体１は、一方向クラッチとして、ねじりコイルばね４を含む。ばね４は、コイルスプリング式クラッチであって、外輪２と内輪３との間に収容され、内輪３が外輪２に対して逆方向に相対回転するとき外輪２に対して外輪２の周方向に摺動する。コイルスプリング式クラッチの場合、スプラグ式クラッチやローラ式クラッチに比べ、クラッチと内輪３及び／又は外輪２との接触面積が大きい。そのため、トルク値の時系列変化とクラッチ係合部の摩耗度合いとの相関関係が大きく、トルク値の時系列変化に基づいてクラッチ係合部の耐摩耗性をより高精度に評価することができる。

本発明者等は、実施例１，２として、上述の実施形態に係る耐摩耗性試験装置１００に、上述の実施形態のプーリ構造体１と同じ構成のプーリ構造体を設置し、上述の実施形態に係る耐摩耗性試験方法（図７参照）を実施した。また、比較例として、図２に示す補機駆動システム２００と同じ構成の耐摩耗性試験装置に、上述の実施形態のプーリ構造体１と同じ構成のプーリ構造体を設置し、上述の実施形態に係る耐摩耗性試験方法とは異なる耐摩耗性試験方法を実施した。

実施例１，２及び比較例で使用したプーリ構造体は、共に、上述の実施形態のプーリ構造体１と同じ構成であり、より詳細には、ばね４の材質をばね用オイルテンパー線、外輪２の材質をＳ４５Ｃとし、必要に応じて圧接面２ａ（クラッチ係合部）に表面硬度を向上させる処理（例えば、軟窒化処理、高周波焼入れ等）を施したものである。実施例１，２及び比較例で使用したプーリ構造体においては、クラッチ係合部のうち圧接面２ａの方がばね４における後端側領域の外周面よりも表面硬度が低く、圧接面２ａにおいて特に摩耗が生じ易いと考えられる。

実施例２で使用したプーリ構造体と、比較例で使用したプーリ構造体とは、全く同一の構成である。実施例１で使用したプーリ構造体と、実施例２及び比較例で使用したプーリ構造体との違いは、圧接面２ａにおける外輪２の内径のサイズのみである。当該サイズは、実施例１で４０＋αｍｍ、実施例２及び比較例で４０ｍｍである。

実施例１，２の試験方法は、上述の実施形態に係る方法と同じであり、具体的な試験条件は下記表１のとおりである。なお、表１において、「摺動角度」及び「摺動距離」は、クラッチ係合部の「摺動角度」及び「摺動距離」をいい、エンコーダ３０から送信された回転角度信号に基づいて算出される。また、実施例１，２の冷間と温間とで、エンジン始動１回当たりの摺動角度及び摺動距離が異なるのは、エンジン始動によるクランキング動作時間（間欠的）が温間時よりも冷間時の方が長いためである。

実施例１では、図８（ａ）に示すように、試験初期段階において、トルク値に一定の振幅Ｔ０（−３．０〜−１．６Ｎ・ｍ，±０．７Ｎ・ｍ程度）が認められた。これは、圧接面２ａの断面形状は略真円（図５参照）であるが、圧接面２ａに対して摺動するばね４の外周面の形状は、ばね４がコイルばねであるがゆえ、真円でないことから、ばね４における後端側領域の外周面が圧接面２ａ上を１回転摺動する間の接触面圧が変動するためである。

実施例１では、図８（ｂ）に示すように、試験途中段階において、トルク値の振幅がＴ１＞Ｔ０（Ｔ１は、Ｔ０（試験初期段階におけるトルク値の振幅）よりも所定値以上大きい）（Ｔ０：±０．７Ｎ・ｍ→Ｔ１：±１．２Ｎ・ｍ）となった。また、トルク（振幅の中心値）の絶対値が小さくなった。

実施例１では、トルクリミッタの制御回路を設け、トルク値の上限及び下限を設定して、トルク値が上限を上回った場合又は下限を下回った場合、所定時間（例えば、５秒）経過後に、モータ１０の駆動を停止させ、試験を強制的に終了する（即ち、耐摩耗性試験装置１００を自動停止させる）ようにした。図８（ｂ）には、トルク値が上限（−１．０Ｎ・ｍ）を上回った５秒後に耐摩耗性試験装置１００が自動停止したことが示されている。トルク値の振幅がＴ１となり、トルク値が上限（−１．０Ｎ・ｍ）を上回ったのは、試験開始時点から１４９１秒後であった。１４９１秒は、エンジン始動回数に換算すると１０．９万回である（表１参照：実施例１の試験時間である１．９時間がエンジン始動回数５０万回に相当することから）。

実施例１において、グラフ（図８（ａ），（ｂ））からクラッチ係合部の耐摩耗性を評価すると、クラッチ係合部の耐摩耗性に問題があると判断される。

実施例１において、試験途中段階でトルク値の振幅がＴ１＞Ｔ０となった原因は、クラッチ係合部の設計段階において、ばね４の圧接面２ａに対する接触面圧（トルク値と相関あり）を調整するため、圧接面２ａにおける外輪２の内径のサイズを、実施例２に比べて若干大きくしたことにあると推察される。具体的には、圧接面２ａにおける外輪２の内径のサイズを大きくしたことで、ばね４のねじり角度が小さくなり、それにより、圧接面２ａに対して摺動するときのばね４の圧接面２ａに対する接触状態がアンバランスになった。そして、接触面圧が総じて低下したにもかかわらず、ばね４の外周面の一部に接触面圧が高くなる部分（圧接面２ａの曲率と対応しない部分）が存在したため、試験途中段階で圧接面２ａに局部的な摩耗が一気に進行したと考えられる。

実際に、実施例１において、プーリ構造体１を分解し、圧接面２ａの摩耗度合いを検査したところ、目視によっても、圧接面２ａが局部的に（具体的には、圧接面２ａのうち、外輪２の回転軸に沿った方向の一部が、外輪２の周方向に沿って線状に）摩耗していること、及び、圧接面２ａの当該摩耗部分（線状摩耗痕、凹溝）に、他の箇所に比べて多くの摩耗粉（金属粉）が発生していること、が認められた。

実施例２では、図８（ｃ），（ｄ）に示すように、試験途中段階・試験最終段階においてもトルク値の振幅に変化が認められず、試験開始時点から試験終了時点までの間、トルク値の振幅はＴ０（試験初期段階におけるトルク値の振幅）と同水準（即ち、Ｔ０との差が所定値未満）に維持された。試験終了直後の外輪２の外周面の表面温度は７４〜７６℃であった。

実施例２において、グラフ（図８（ｃ），（ｄ））からクラッチ係合部の耐摩耗性を評価すると、クラッチ係合部の耐摩耗性に問題がないと判断される。

実施例２において、試験開始時点から試験終了時点までの間、トルク値の振幅がＴ０と同水準に維持された原因は、圧接面２ａにおける外輪２の内径のサイズが適正値であった（実施例１に比べて当該サイズが小さい）ことにあると推察される。具体的には、圧接面２ａにおける外輪２の内径のサイズが適正値であったため、実施例１に比べて接触面圧が総じて上昇したものの（図８（ａ），（ｃ）参照）、ばね４の外周面と圧接面２ａとの接触状態が終始安定しており、ばね４の外周面において接触面圧のばらつきがあまり生じなかった。また、圧接面２ａの摩耗により圧接面２ａ上に摩耗粉が一旦は発生したが、当該摩耗粉は圧接面２ａ以外の部分（接触面圧が作用しない部分）に移動したと考えられる。

実際に、実施例２において、プーリ構造体１を分解し、圧接面２ａの摩耗度合いを検査したところ、目視によっても、圧接面２ａの摩耗が穏やかで、外輪２の周方向に沿った線状の凹溝となるような摩耗が生じていないことが認められた。また、圧接面２ａの摩耗量を測定したところ、磨耗量は、圧接面２ａにおいて均一であり、許容範囲内であった。

なお、実施例２では、試験開始時点から試験終了時点までの間に、トルク値は若干ではあるが右肩上がりの傾向（トルクの絶対値が若干小さくなる傾向）を呈した。これは、圧接面２ａの摩耗が穏やかではあるが進行したためと推察される。

実施例１，２では、上述のようにエンコーダ３０及び軸受４０を低摺動抵抗タイプとしたことで、軸１１のトルクロスを０．０５Ｎ・ｍ以下に抑制することができた。軸１１のトルクロスに関して、モータ１０の摺動抵抗は、略ゼロであり、無視することができる。

比較例の試験方法は、上述の実施形態に係る耐摩耗性試験方法と異なり、実車寿命に相当する短時間のエンジン始動と停止とを交互に行い、一方向クラッチの係合状態と係合解除状態とを交互に生じさせるものであり、具体的な試験条件は下記表２のとおりである。また、比較例では、ベルト２５０（図２参照）の張力を１５００Ｎとし、オルタネータ２２０とプーリ構造体１と駆動プーリ２０１とを恒温槽で覆って雰囲気温度を１１０℃とした。

比較例では、プーリ構造体１を耐摩耗性試験装置に設置する際に、外輪２にベルト２５０を巻回する作業、ベルト２５０の張力を設定する作業等が必要であること、また、エンジン２１０の排気ガスの処理が必要であることから、実施例１，２に比べて、手間がかかった。また、実車寿命に相当する短時間のエンジン始動と停止とを交互に行うという手法のため、連続運転によっても１回当たりの試験に５８日間という長時間を要した。さらに、比較例では、試験後にプーリ構造体を分解して、クラッチ係合部の摩耗度合いを検査する必要があるため、手間がかかった。さらに、特にコイルスプリング式クラッチの場合、比較例に係る試験中にクラッチ係合部の摩耗が進行しても、外観や異音の変化が生じ難いため、試験が中断されずに続行される傾向にある。

換言すると、実施例１，２は、比較例に比べ、作業を簡素化することができ、手間をかけずに、短時間で、クラッチ係合部の耐摩耗性を評価できることがわかった。

以上、本発明の好適な実施の形態及び実施例について説明したが、本発明は上述の実施形態及び実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。

・プーリ構造体は、オルタネータの軸に取り付けられるものに限定されず、例えばオルタネータ以外の補機の軸に取り付けられるものであってもよい。
・プーリ構造体の構成は、上述の実施形態のものに限定されない。例えば、当接面３ｄが、円弧状ではなく、内輪３の径方向に沿った直線状であってもよいし、また、内周側の部分が内輪３の径方向に対して傾斜した直線状または円弧状であって、外周側の部分が内輪３の径方向に沿った直線状であってもよい。ばね４の線材の断面は、正方形状に限定されず、長方形状や円形状であってもよい。外力を受けていない状態でのばね４の径は、全長に亘って一定でなくてもよい。突起３ｅが、内輪３の周方向に沿って、当接面３ｄまで延在してもよい。突起３ｅとばね４の外周面との間に隙間がなくてもよい。突起３ｅを省略してもよい。
・一方向クラッチは、コイルスプリング式クラッチに限定されず、例えば、スプラグ式クラッチ、ローラ式クラッチ等でもよい。スプラグ式クラッチは、例えば上記特許文献２に示されるように、外輪と内輪との間にスプラグと呼ばれるだるま形の輪留めが組み込まれた構造を持ち、内輪が外輪に対して正方向に回転するとスプラグがかみ合ってトルクを伝達し、内輪が外輪に対して逆方向に回転するとスプラグのかみ合いが外れてトルクを伝達しない。ローラ式クラッチは、カム式クラッチともいい、ローラ及びスプリングで構成され、外輪の内側又は内輪の外側にカム面を持ったポケットが設けられる。ローラは、ポケットの内部に配置され、スプリングの付勢力により、外輪のカム面と内輪の外側、又は、内輪のカム面と外輪の内側に、接触するように保たれている。内輪が外輪に対して正方向に回転すると、カム面とローラとの接触面圧が増大し、トルクが伝達される。内輪が外輪に対して逆方向に回転すると、カム面とローラとの接触面圧が減少し、トルクが伝達されない。
・一方向クラッチがトルクを伝達する方向は、外輪から内輪へ、及び、内輪から外輪へ、のいずれの方向でもよい。

１ プーリ構造体
２ 外輪
３ 内輪
４ ねじりコイルばね（一方向クラッチ，コイルスプリング式クラッチ）
１０ モータ（回転手段）
２０ トルク計（検出手段）
５０ 固定具（固定手段）
１００ 耐摩耗性試験装置

Claims (4)

1. プーリ構造体におけるクラッチ係合部の耐摩耗性試験方法において、
   前記プーリ構造体は、外輪と、前記外輪の内側に設けられ且つ前記外輪に対して相対回転可能な内輪と、前記外輪と前記内輪との間に設けられ且つトルクを一方向に伝達又は遮断する一方向クラッチであって、前記内輪が前記外輪に対して正方向に相対回転するとき前記外輪及び前記内輪のそれぞれと係合して前記外輪と前記内輪との間でトルクを伝達し、前記内輪が前記外輪に対して逆方向に相対回転するとき前記外輪及び前記内輪の少なくとも一方に対して摺動して前記外輪と前記内輪との間でトルクを伝達しない一方向クラッチとを有し、
   前記外輪を回転不能に固定した状態で前記内輪を前記外輪に対して前記逆方向に相対回転させたときの前記内輪のトルク値の時系列変化を検出する検出ステップと、
   前記検出ステップにおいて検出されたトルク値の時系列変化に基づいて前記クラッチ係合部の耐摩耗性を評価する評価ステップと
   を備えたことを特徴とする、耐摩耗性試験方法。
2. 前記一方向クラッチは、コイルスプリング式クラッチであって、前記外輪と前記内輪との間に収容され、前記内輪が前記外輪に対して前記逆方向に相対回転するとき前記外輪に対して前記外輪の周方向に摺動するねじりコイルばねを含むことを特徴とする、請求項１に記載の耐摩耗性試験方法。
3. プーリ構造体におけるクラッチ係合部の耐摩耗性試験装置であって、
   前記プーリ構造体は、外輪と、前記外輪の内側に設けられ且つ前記外輪に対して相対回転可能な内輪と、前記外輪と前記内輪との間に設けられ且つトルクを一方向に伝達又は遮断する一方向クラッチであって、前記内輪が前記外輪に対して正方向に相対回転するとき前記外輪及び前記内輪のそれぞれと係合して前記外輪と前記内輪との間でトルクを伝達し、前記内輪が前記外輪に対して逆方向に相対回転するとき前記外輪及び前記内輪の少なくとも一方に対して摺動して前記外輪と前記内輪との間でトルクを伝達しない一方向クラッチとを有し、
   前記外輪を回転不能に固定する固定手段と、
   前記内輪を前記外輪に対して前記逆方向に相対回転させる回転手段と、
   前記固定手段によって前記外輪を回転不能に固定した状態で前記回転手段によって前記内輪を前記外輪に対して前記逆方向に相対回転させたときの前記内輪のトルク値の時系列変化を検出する検出手段と、
   を備えたことを特徴とする、耐摩耗性試験装置。
4. 前記一方向クラッチは、コイルスプリング式クラッチであって、前記外輪と前記内輪との間に収容され、前記内輪が前記外輪に対して前記逆方向に相対回転するとき前記外輪に対して前記外輪の周方向に摺動するねじりコイルばねを含むことを特徴とする、請求項３に記載の耐摩耗性試験装置。