JP6747963B2

JP6747963B2 - プーリ構造体

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Publication number: JP6747963B2
Application number: JP2016247715A
Authority: JP
Inventors: 利夫今村
Original assignee: Mitsuboshi Belting Ltd
Current assignee: Mitsuboshi Belting Ltd
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2020-08-26
Anticipated expiration: 2036-12-21
Also published as: JP2018100732A

Description

本発明は、ねじりコイルばねを備えたプーリ構造体に関する。

自動車等のエンジンの動力によって駆動されるオルタネータ等、大きな慣性モーメントを有する補機の駆動軸には、エンジンのクランク軸の回転速度の変動を吸収することを目的として、例えば特許文献１に記載のプーリ構造体が接続される。

図１０は、特許文献１の図１に示されたプーリ構造体と同様の構成を有するプーリ構造体２０１を表した断面図である。図１０（ａ）に示すように、プーリ構造体２０１は、クランク軸の動力を伝達するためのベルトＢが巻き掛けられる外回転体２０２と、外回転体２０２の内側に設けられ、外回転体２０２に対して相対回転可能な内回転体２０３と、外回転体２０２と内回転体２０３との間に配置されたねじりコイルばね２０４（以下、単にばね２０４という）と、を備える。さらに、ばね２０４は、外回転体２０２及び内回転体２０３が回転していない状態において、外周面が外回転体２０２に接触する後端側領域２４１と、内周面が内回転体２０３に接触する前端側領域２４２と、後端側領域２４１と前端側領域２４２との間に位置し、外回転体２０２と内回転体２０３のいずれにも接触していない中領域２４３とを有する。その上で、ベルトＢを介してクランク軸の動力が外回転体２０２に伝達されると、外回転体２０２が内回転体２０３に対して相対回転し、ばね２０４がねじられる。ばね２０４が、拡径する方向（拡径方向）にねじられると、ばね２０４の後端側領域２４１が外回転体２０２と共に回転し、ばね２０４の前端側領域２４２が内回転体２０３を押圧して回転させる。これによって、外回転体２０２と内回転体２０３との間でトルクが伝達される。逆に、ばね２０４が、縮径する方向（縮径方向）にねじられると、ばね２０４の後端側領域２４１の外周面が外回転体２０２から離れ、外回転体２０２と内回転体２０３との間でトルクが伝達されなくなる。このように、ばね２０４を介して、外回転体２０２と内回転体２０３との間でトルクが伝達又は遮断される。

ここで、ばね２０４の拡径方向のねじり角度が過度に大きくなった場合、中領域２４３が限界以上に拡径変形して、ばね２０４が破損するおそれがある。この問題を解決するための構成として、外回転体２０２は、径方向においてばね２０４の中領域２４３の外周面２４４と接触する環状面２２１を有する。上記構成において、ばね２０４のねじり角度が所定以上の値になると、拡径したばね２０４の中領域２４３の外周面２４４が外回転体２０２の環状面２２１に接触し、ばね２０４のそれ以上のねじり変形（拡径変形）が規制される。これによって、過度の拡径変形によるばね２０４の破損の防止が図られている。

特開２０１４−１１４９４７号公報

上記特許文献１では、外回転体２０２及び内回転体２０３が回転していない状態において、ばね２０４の中領域２４３の各巻条と、外回転体２０２の環状面２２１との隙間の大きさＺは、外回転体の回転軸方向において一定である。このため、ばね２０４の中領域２４３が拡径し始めてから、外周面２４４が外回転体２０２の環状面２２１に接触するまでの間は、中領域２４３の全体が環状面２２１から離れている。中領域２４３が拡径していくと、図１０（ｂ）に示すように、中領域２４３の外周面２４４全体と環状面２２１とが、略同時に一斉に接触する。すなわち、中領域２４３が拡径し始めてから拡径が規制されるまでの間、ばね２０４の有効巻数（ばね全長から変形が拘束される部分を除いた、変形しうる範囲の巻数）はほぼ一定になる。この有効巻数は、ばね２０４のばね定数（ねじりトルク／ねじり角度）に反比例するので、有効巻数が一定になるようなばね２０４のねじり角度の範囲においては、上記ばね定数も一定になる。言い換えると、中領域２４３の拡径開始から環状面２２１による拡径規制までの間、ばね２０４のねじり方向の固有振動数がほぼ一定になる。

ところで、エンジンの補機駆動システムにおいて、エンジンのクランク軸の回転速度が周期的に変動したときに、その変動の周波数が上記固有振動数に近いと、広いねじり角度の範囲にわたってばね２０４が径方向に共振しやすくなる。特に、ばね２０４が環状面２２１に接触するかしないかの状態でばね２０４が共振すると、拡径変形やその最大化が過度に繰り返され、ばね２０４が破損しやすくなる等のおそれがある。

本発明の目的は、ねじりコイルばねのねじり方向の共振を抑制して、ねじりコイルばねの破損を防止することである。

第１の発明のプーリ構造体は、ベルトが巻き掛けられ、前記ベルトを介して与えられるトルクによって回転する筒状の外回転体と、前記外回転体の径方向の内側に設けられ、前記外回転体に対して前記外回転体と同一の回転軸を中心として相対回転可能な内回転体と、前記外回転体と前記内回転体との間に配置されたねじりコイルばねと、を備え、前記ねじりコイルばねは、前記外回転体及び前記内回転体が回転していない状態において、前記外回転体と前記内回転体との一方に接触する第１領域と、前記外回転体と前記内回転体との他方に接触する第２領域と、前記第１領域と前記第２領域との間に位置し、前記外回転体と前記内回転体のいずれにも接触しない中領域と、を有し、前記外回転体は、前記ねじりコイルばねの拡径に伴い前記ねじりコイルばねの前記中領域の外周面に当接することで、前記ねじりコイルばねの拡径変形を規制する当接面を有し、前記外回転体及び前記内回転体が回転していない状態において、前記ねじりコイルばねの前記中領域の前記外周面と前記外回転体の前記当接面との隙間の前記径方向における大きさが、前記外回転体の回転軸方向において変化することを特徴とするものである。

本発明によれば、外回転体及び内回転体が回転していない状態において、ねじりコイルばねの中領域の外周面と、外回転体の当接面との隙間の前記径方向における大きさが、外回転体の回転軸の軸方向において変化する。このため、外回転体と内回転体との相対回転によりねじりコイルばねがねじられて拡径すると、上記中領域の外周面と上記当接面とは、上記隙間が小さい部分から順次接触していく。ねじりコイルばねの拡径方向のねじり角度が大きくなるにつれて、接触部分（すなわち、拡径変形が規制される部分）が増えるため、上記外周面と上記当接面との接触が始まってから上記中領域全体が上記当接面に接触するまでの間に、ねじりコイルばねの有効巻数が減少する。それに反比例して、ねじりコイルばねのばね定数は大きくなる。言い換えると、上記接触が始まってから拡径変形が最大化するまでのねじり角度の範囲において、ねじり角度の変化に伴いねじりコイルばねのねじり方向の固有振動数が変化する。

上記のようなねじり角度の範囲において、外回転体の回転速度が変動し、その周波数が、あるねじり角度において、仮にねじりコイルばねの固有振動数と一致しても、ねじり角度が変化すればねじりコイルばねの固有振動数も変化することから、外部の回転変動の周波数とねじりコイルばねの固有振動数が一致する状態が続かない。そのため、ねじりコイルばねの共振が抑えられる。このようにしてねじり方向の共振が抑制されることで、ねじりコイルばねの拡径変形やその最大化が過度に繰り返されることを防止できる。したがって、ねじりコイルばねのねじり方向の共振を抑制して、ねじりコイルばねの破損を防止することができる。

第２の発明のプーリ構造体は、前記第１の発明において、前記外回転体及び前記内回転体が回転していない状態において、前記隙間が、前記回転軸方向の一方から他方へ向かうほど大きくなることを特徴とするものである。

本発明によれば、ねじりコイルばねの中領域の拡径にしたがって、中領域の外周面と外回転体の当接面とが、回転軸方向の一方（上記隙間が小さい側）から順次接触していく。このため、回転軸方向の他方や途中部分等にも上記隙間が小さい部分がある場合と比べて、ねじりコイルばねの有効巻数を、ねじり角度に応じて徐々に変化させることができる。したがって、ばね定数（すなわち、ねじりコイルばねのねじりトルク特性）をねじり角度に応じて徐々に変化させることができ、急激な変化を抑制できる。

第３の発明のプーリ構造体は、前記第１又は第２の発明において、前記外回転体及び前記内回転体が回転していない状態において、前記隙間が、前記回転軸方向において連続的に変化することを特徴とするものである。

本発明によれば、ねじりコイルばねの中領域が拡径するにつれて、中領域の外周面と外回転体の当接面との接触部分の面積が徐々に連続的に増加し、ねじりコイルばねの有効巻数が緩やかに変化する。したがって、ねじりコイルばねのばね定数を緩やかに変化させることができる。

第４の発明のプーリ構造体は、前記第１〜第３のいずれかの発明において、前記ねじりコイルばねの拡径方向のねじり角度が、前記ねじりコイルばね全体の拡径変形が規制される最大ねじり角度の１０％以上になったときに、前記中領域の前記外周面の一部が前記当接面に接触するように、前記ねじりコイルばね及び前記外回転体が形成されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、ねじりコイルばねの拡径方向のねじり角度が比較的小さい段階から、上記中領域の外周面と上記当接面が接触し始める。これにより、広いねじり角度の範囲にわたってねじりコイルばねの固有振動数を変化させることができ、ねじりコイルばねの拡径変形やその最大化の過度の繰り返しをさらに起こりにくくすることができる。

第５の発明のプーリ構造体は、前記第１〜第４のいずれかの発明において、前記当接面は、前記回転軸方向の一方から他方に向かうほど径が拡大するテーパ面であることを特徴とするものである。

本発明によれば、外回転体の当接面が単純なテーパ面になるので、外回転体の製造コストの増加を抑えることができる。

第６の発明のプーリ構造体は、前記第１〜第４のいずれかの発明において、前記当接面は、前記回転軸方向のピッチが前記ねじりコイルばねの巻線の前記回転軸方向のピッチと等しい螺旋面であることを特徴とするものである。

本発明によれば、中領域が拡径したときに、中領域の外周面と外回転体の当接面との接触部分の面積が増えやすくなる。したがって、接触部分に生じる応力が分散しやすくなるので、ねじりコイルばね及び外回転体の摩耗等を抑制することができる。

プーリ構造体を含むベルト伝動機構の正面図である。本発明の第１実施形態に係るプーリ構造体の断面図である。図２のIII-III断面図である。図２のIV-IV断面図である。ねじりコイルばねの中領域の拡径を示す説明図である。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。本発明の第２実施形態に係るプーリ構造体の断面図である。ねじりコイルばねの中領域の拡径を示す説明図である。変形例に係るプーリ構造体の断面図である。従来のプーリ構造体を示す断面図である。

＜第１実施形態＞
次に、本発明の第１実施形態について、図１〜図６を参照しながら説明する。

（ベルト伝動機構の概略構成）
まず、後述するプーリ構造体１が用いられるベルト伝動機構の一例について、図１を用いて説明する。図１は、ベルト伝動機構１０１の正面図である。ベルト伝動機構１０１は、例えば自動車等のエンジンのクランク軸に連結されるプーリ１０２と、補機であるオルタネータの駆動軸に連結されるプーリ構造体１と、ウォーターポンプ等の他の補機の駆動軸に連結されるプーリ１０３と、これらのプーリ間に巻き掛けられるベルトＢと、を備える。各プーリは、それぞれ回転可能に支持されている。エンジンが駆動すると、クランク軸の回転動力が、プーリ１０２からベルトＢを介してプーリ構造体１及びプーリ１０３に伝達される構成になっている。

（プーリ構造体の構成）
次に、プーリ構造体１の構成について、図２〜図４を用いて説明する。図２は、第１実施形態に係るプーリ構造体１の断面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図４は、図２のＩＶ−ＩＶ断面図である。なお、図２における紙面左右方向を前後方向（本発明の「回転軸方向」）とし、紙面左方を前方（本発明の「他方」）、紙面右方を後方（本発明の「一方」）とする。プーリ構造体１が回転する方向を周方向とする。また、後述する外回転体２の径方向を径方向とする。

プーリ構造体１は、エンジンのクランク軸の動力をオルタネータ等の補機に伝達するためのものである。図２に示すように、プーリ構造体１は、ベルトＢが巻き掛けられる外回転体２と、外回転体２の内側に設けられており、オルタネータの駆動軸Ｓに接続される内回転体３と、外回転体２と内回転体３との間に配置されたねじりコイルばね４（以下、単に「ばね４」という）等を備える。

まず、外回転体２について説明する。外回転体２は、略円筒状の部材である。図２に示すように、外回転体２の外周面には、ベルトＢが巻き掛けられる。外回転体２は、ベルトＢを介してトルクを与えられることで、回転軸Ｒを中心として回転する構成になっている。外回転体２の後端部の内周には、後述するばね４の後端部の外周面４１が接触する圧接面２１が形成されている。また、圧接面２１の前方には、当接面２２が形成されている。当接面２２の詳細については、後述する。

次に、内回転体３について説明する。内回転体３は、略円筒状の部材であり、外回転体２の径方向内側に設けられている。図２に示すように、内回転体３は、外回転体２と同一の回転軸Ｒを中心として、外回転体２に対して相対回転可能な構成になっている。なお、内回転体３の前端は、外回転体２の前端部に取り付けられたエンドキャップ５によって覆われている。

内回転体３は、筒本体３１と、筒本体３１の前端部の径方向外側に配置された外筒部３２と、筒本体３１と外筒部３２とをつなぐ接続部３３等を有する。筒本体３１は、オルタネータの駆動軸Ｓに接続される。筒本体３１の前端部の外径は、前後方向の他の部分の外径と比べて大きくなっている。この部分における内回転体３の外周面を、接触面３５とする。接触面３５には、後述するばね４の前端部の内周面４２が接触する。

外筒部３２は、筒本体３１の前端部の径方向外側に配置された筒状の部分である。外筒部３２は、外回転体２と干渉しない程度に、後方に向かって延びている。外筒部３２の内径は、外回転体２の圧接面２１の径よりも大きい。接続部３３は、筒本体３１の前端部の径方向外側に形成され、筒本体３１と外筒部３２とをつなぐ環状の部分である。

内回転体３の前端部において、筒本体３１と外筒部３２との間には、対向面３６が形成されている（図３参照）。対向面３６は、周方向において、後述するばね４の前端面４９と対向する。また、外筒部３２の内周面には、外筒部３２の径方向内側に突出する突起３７が形成されている（図３参照）。突起３７は、対向面３６に対し、周方向において９０°離れた位置付近に形成されている。

外回転体２の後端部の内周面と、内回転体３の筒本体３１の後端部の外周面との間には、転がり軸受６が介設されている。また、外回転体２の前端部の内周面と、内回転体３の外筒部３２の外周面との間には、滑り軸受７が介設されている。転がり軸受６及び滑り軸受７によって、外回転体２及び内回転体３が相対回転可能になっている。転がり軸受６の前方には、環状のスラストプレート８が配置されている。スラストプレート８は、内回転体３に固定され、内回転体３と一体的に回転するためのものである。

外回転体２と内回転体３との間には、空間９が形成されている。より具体的には、空間９は、外回転体２の内周面及び内回転体３の外筒部３２の内周面と、筒本体３１の外周面と、接続部３３の後面と、スラストプレート８の前面とによって形成されている。この空間９に、ばね４が収容される。

次に、ばね４について説明する。ばね４は、ばね線を螺旋状に巻回して形成されたねじりコイルばねである。ばね４は、左巻き（前端から後端に向かって反時計回り）である。ばね４の巻き数は、図２に示すように、例えば７巻きであるが、これに限定されるものではない。ばね４は、外回転体２及び内回転体３が回転していない状態（すなわち、ばね４がねじられるような外力が、ばね４に加えられていない状態）において、全長にわたって径が略一定である。ばね４は、内回転体３の接続部３３の後面とスラストプレート８の前面との間に挟まれることで、軸方向に若干圧縮された状態で空間９に収容されている。なお、ばね４の自然長に対する圧縮率は、例えば約２０％である。

ばね４は、外周面４１と内周面４２とを有しており、ばね線の断面形状は、例えば図２に示すように台形状になっている。外周面４１及び内周面４２は、外回転体２の回転軸Ｒと略平行になっている。また、ばね４は、外回転体２及び内回転体３が回転していない状態で、後端部において、外周面４１が外回転体２の圧接面２１に接触する後端側領域４３（本発明の「第１領域」）と、前端部において、内周面４２が内回転体３の接触面３５に接触する前端側領域４４（本発明の「第２領域」）と、後端側領域４３と前端側領域４４との間に位置し、外回転体２と内回転体３のいずれにも接触しない中領域４５とを有する。

後端側領域４３は、ばね４の後端から１周以上（回転軸周りに３６０°以上）の領域である。外回転体２及び内回転体３が回転していない状態で、後端側領域４３は、若干縮径された状態で空間９に収容されている。後端側領域４３の外周面４１は、ばね４の拡径方向の自己弾性復元力によって、圧接面２１に押し付けられている（図２及び図４参照）。

前端側領域４４は、ばね４の前端から１周以上（回転軸周りに３６０°以上）の領域である。前端側領域４４は、外回転体２及び内回転体３が回転していない状態において、若干拡径された状態で空間９に収容されている。前端側領域４４の内周面４２は、接触面３５に押し付けられている（図２及び図３参照）。また、前端側領域４４は、三つの部分からなる。すなわち、図３に示すように、前端側領域４４は、周方向において内回転体３の突起３７よりもばね４の前端側（図３の矢印と同じ方向）の第１部分４６と、径方向において突起３７に対向する第２部分４７と、第２部分４７よりも後端側（図３の矢印と同じ方向）の第３部分４８とを有する。図３において、ばね４のうち二点鎖線に挟まれた部分が、第２部分４７である。また、第１部分４６の前端部には、内回転体３の対向面３６と周方向において対向する前端面４９が形成されている。

図２に示すように、中領域４５は、後端側領域４３と前端側領域４４との間の領域である。外回転体２及び内回転体３が回転していない状態で、中領域４５は、外回転体２と内回転体３のいずれにも接触していない。また、中領域４５の外周面４１は、径方向において、外回転体２の当接面２２と対向する。詳細については後述する。

（外回転体の当接面の詳細）
次に、外回転体２の当接面２２の詳細について説明する。

図２に示すように、当接面２２は、外回転体２の内周面のうち、圧接面２１の前方においてテーパ状に形成されたテーパ面である。当接面２２の径は、圧接面２１の径よりも大きく、後方から前方へ向かうにつれて連続的に大きくなっている。当接面２２は、径方向において、中領域４５の外周面４１と対向する。

外回転体２及び内回転体３が回転していない状態における、ばね４の中領域４５の外周面４１と外回転体２の当接面２２との隙間の径方向における大きさをＸ１とする。前述したように、当接面２２の径は、後方から前方へ向かうにつれて連続的に大きくなっており、また、外回転体２及び内回転体３が回転していない状態において、ばね４の径は、全長にわたって略一定である。このため、上記隙間の大きさＸ１は、中領域４５の後端において最も小さく、後方から前方へ向かうにつれて連続的に大きくなっている。すなわち、上記隙間の大きさＸ１は、前後方向において連続的に変化する。

（プーリ構造体の動作）
次に、プーリ構造体１の動作について、図３〜図５を用いて説明する。図５は、ばね４の中領域４５の拡径を示す説明図である。まず、外回転体２の回転速度が内回転体３の回転速度よりも大きい場合（すなわち、外回転体２が加速する場合）について説明する。なお、図３及び図４の矢印方向を正方向とする。

まず、外回転体２が、内回転体３に対して正方向に相対回転し始める。ここで、外回転体２の圧接面２１には、ばね４の後端側領域４３の外周面４１が圧接されているため（図４参照）、外回転体２の相対回転に伴って、ばね４の後端側領域４３が圧接面２１と共に正方向に移動し、内回転体３に対して正方向に相対回転する。これにより、ばね４が拡径方向にねじり変形（以下、単に拡径変形という）する。なお、圧接面２１に対するばね４の後端側領域４３の圧接力は、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。

ばね４の拡径方向のねじり角度が、０°以上且つ所定の角度θ１（例えば３°）未満の場合、ばね４のうち、前端側領域４４の第２部分４７において最も大きなねじり応力が発生するようになっており、第２部分４７が最も拡径変形しやすくなっている。このため、ばね４の拡径方向のねじり角度が大きくなると、第２部分４７の内周面４２が、拡径変形によって最初に接触面３５から離れる。第２部分４７が接触面３５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部分４７の外周面が突起３７に当接し、第２部分４７の拡径変形が規制される。なお、このとき、第１部分４６及び第３部分４８は、まだ接触面３５に接触している。

第２部分４７が突起３７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部分４８の接触面３５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が、前述したθ１である。ねじり角度がθ１を超えると、第３部分４８は、拡径変形により接触面３５から離れていく。

ばね４の拡径方向のねじり角度がθ１以上の場合、ばね４の前端側領域４４の拡径変形が突起３７によって規制されており、前端側領域４４は円弧状、すなわち突起３７に対して摺動し易い形状に維持されている。このため、ねじり角度がさらに大きくなってばね４に作用するねじりトルクが増加すると、前端側領域４４は、突起３７に対する第２部分４７の圧接力及び接触面３５に対する第１部分４６の圧接力に抗して、突起３７及び接触面３５に対して周方向に摺動する。そして、ばね４の前端面４９が対向面３６に当接して対向面３６を押圧することにより、外回転体２と内回転体３との間で確実にトルクが伝達される。なお、このとき、前端側領域４４の第３部分４８が接触面３５から離れているため、ねじり角度がθ１未満のとき（第３部分４８が接触面３５に押し付けられていたとき）と比べて、ばね４の有効巻数（ばね４の全長から固定部分を除いた、変形しうる範囲の巻数）が大きくなる。

次に、ばね４の拡径方向のねじり角度がθ１以上の場合における、中領域４５の拡径変形について、図５を用いて説明する。まず、ばね４の中領域４５が拡径変形する前の状態では、中領域４５の外周面４１と外回転体２の当接面２２との隙間の径方向における大きさは、前述したとおりＸ１である（図５（ａ）参照）。ねじり角度が大きくなるにつれて、ばね４の中領域４５が拡径し、上記隙間が小さくなっていく。但し、ねじり角度が所定の角度θ２（例えば５°）未満の場合、中領域４５の外周面４１と当接面２２とはまだ接触していない。このため、ねじり角度がθ１〜θ２の範囲においては、ばね４の有効巻数は変化しない。

ばね４の拡径方向のねじり角度がθ２を超えると、図５（ｂ）に示すように、ばね４の中領域４５の外周面４１のうち、当接面２２との隙間が最も小さい後端部分（すなわち、後端側領域４３に最も近い部分）が、当接面２２に当接する。つまり、ねじり角度がθ２を超えると、中領域４５の一部の拡径変形が当接面２２によって規制され始める。ねじり角度がさらに大きくなるにつれて、ばね４の中領域４５のうち拡径変形が規制されていない部分は、さらに拡径変形を続ける。そして、中領域４５の外周面４１は、後端側領域４３に近い部分から順次、当接面２２に対して徐々に連続的に当接していき（図５（ｂ）〜（ｄ）参照）、当接した部分のそれ以上の拡径変形が規制される。このため、ねじり角度が大きくなるにつれて、ばね４の有効巻数は、徐々に連続的に減少する。

そして、ばね４の拡径方向のねじり角度が所定の角度θ３（例えば４５°）に到達すると、図５（ｄ）に示すように、ばね４の中領域４５全体の外周面４１が当接面２２に当接する。また、このとき、ばね４の前端側領域４４も内回転体３の外筒部３２に接触する。これにより、ばね４全体のそれ以上の拡径変形が規制され、ばね４のねじり角度はθ３よりも大きくならず、外回転体２及び内回転体３が一体的に回転する。このように、プーリ構造体１においてロック機構が働くことで、ばね４の過度の拡径変形による破損が防止されるようになっている。

次に、上記のようなねじり角度の範囲（０°〜θ３）における、ばね４のねじり角度とばね４に作用するねじりトルクとの関係について、図６のグラフを用いて説明する。まず、ばね４の拡径方向のねじり角度が０°〜θ１の範囲では、ばね４の前端側領域４４の第３部分４８が接触面３５に接触しており、ばね４の有効巻数が変化しないので、有効巻数に反比例するばね定数（ねじりトルク／ねじり角度）は、上記範囲において一定である。つまり、ねじり角度が０°〜θ１の範囲では、ねじりトルクはねじり角度に比例し、グラフは直線状になっている。

ばね４の拡径方向のねじり角度がθ１〜θ２の場合、ばね４の前端側領域４４の第３部分４８が接触面３５から離れているため、ねじり角度がθ１未満の場合に比べると、ばね４の有効巻数が大きくなり、ばね４のばね定数が小さくなる。なお、ねじり角度がθ１〜θ２の範囲においても、前述したように有効巻数は変化せず、ばね定数は一定である。

ばね４の拡径方向のねじり角度がθ２〜θ３の場合、ねじり角度が大きくなるにつれて、外回転体２の当接面２２に対するばね４の中領域４５の外周面４１の当接部分が、徐々に連続的に増加していく。このため、ねじり角度が大きくなるにつれて、ばね４の有効巻数が徐々に連続的に減少し、それに反比例して、ばね４のばね定数は徐々に連続的に大きくなっていく。ここで、前述したように、ばね４の中領域４５の外周面４１が当接面２２に当接し始めるねじり角度θ２の値は、例えば５°である。また、ばね４全体の拡径変形が規制される最大ねじり角度（すなわち、θ３）の値は、例えば４５°である。つまり、ばね４の拡径方向のねじり角度が上記最大ねじり角度の概ね１０％以上になったときに、中領域４５の外周面４１の一部が当接面２２に当接し、ばね定数が変化し始める。

なお、従来のように、ねじり角度がθ２〜θ３の範囲においてもばね定数が一定である場合（図６のグラフの破線参照。上述したプーリ構造体２０１において、このような特性になる）と比べて、プーリ構造体１のばね４は拡径変形しにくい。例えば、従来のプーリ構造体２０１のばね２０４の拡径変形が最大化するような（すなわち、拡径方向のねじり角度がθ３になるような）ねじりトルクＴがばね４に作用しても、ばね４の拡径方向のねじり角度はθ３よりも小さいθ４にとどまり、拡径変形は最大化しない。

次に、外回転体２の回転速度が内回転体３の回転速度よりも小さい場合（すなわち、外回転体２が減速する場合）について説明する。この場合、外回転体２は、内回転体３に対して逆方向（図２及び図３の矢印方向と逆の方向）に相対回転する。外回転体２の相対回転に伴って、ばね４の後端側領域４３が、圧接面２１と共に移動し、内回転体３に対して相対回転する。これにより、ばね４が縮径方向にねじり変形する（以下、単に縮径変形という）。

ばね４の縮径方向のねじり角度が所定の角度θ５（図６参照。例えば、θ５＝１０°）未満の場合、後端側領域４３の圧接面２１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４３は圧接面２１に圧接している。また、前端側領域４４の接触面３５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θ５以上の場合、後端側領域４３の圧接面２１に対する圧接力は略ゼロとなり、後端側領域４３は圧接面２１に対して外回転体２の周方向に摺動する。したがって、外回転体２と内回転体３との間でトルクは伝達されない。このようにして、ばね４は、トルクを一方向に伝達又は遮断する。なお、ばね４の前後方向の後端部は、内回転体３と一体的に回転するスラストプレート８の前面に接触しているため、ばね４がさらに縮径して後端側領域４３が圧接面２１から離れた場合、ばね４は内回転体３と一体に動き、且つ、外回転体２と接触していない状態になる。このように、ばね４が縮径する場合、ばね４と外回転体２との擦過による両者の摩耗が抑えられるようになっている。

以上のように、外回転体２が加速する場合にばね４の中領域４５が拡径していくと、中領域４５の外周面４１と当接面２２とは、隙間が小さい部分から順次接触していく。ばね４の拡径方向のねじり角度が大きくなるにつれて接触部分が増えるため、中領域４５の外周面４１と当接面２２との接触が始まってから中領域４５全体が当接面２２に接触するまでの間に、ばね４の有効巻数が減少し、それに反比例してばね定数は大きくなる。言い換えると、上記接触が始まってから拡径変形が最大化するまでのねじり角度の範囲において、ねじり角度の変化に伴いばね４のねじり方向の固有振動数が変化する。上記ねじり角度の範囲において、例えばクランク軸の回転速度の変動等により外回転体２の回転速度が変動し、その周波数が、あるねじり角度において、仮にばね４の固有振動数と一致しても、ねじり角度が変化すればばね４の固有振動数も変化することから、外回転体２の回転変動の周波数とばね４の固有振動数が一致する状態が続かない。そのため、ばね４の共振が抑えられる。このようにしてねじり方向の共振が抑制されることで、ばね４の拡径変形やその最大化が過度に繰り返されることを防止できる。したがって、ばね４のねじり方向の共振を抑制して、ばね４の破損を防止することができる。また、ばね４の外周面４１と当接面２２との接触が過度に繰り返されることを抑制できるため、部材の摩耗を抑えることができる。

また、外回転体２及び内回転体３が回転していない状態で、上記隙間が、後方から前方へ向かうにつれて大きくなる。このため、ばね４の中領域４５の拡径変形にしたがって、中領域４５の外周面４１と当接面２２とが、上記隙間が小さい側、すなわち後端側領域４３に近い側から順次接触していく。このため、ばね４の有効巻数を、ねじり角度に応じて徐々に変化させることが確実にできる。したがって、ばね４のばね定数をねじり角度に応じて徐々に変化させることができ、急激な変化を抑制できる。

また、外回転体２及び内回転体３が回転していない状態で、前後方向において上記隙間の大きさが連続的に変化する。このため、ばね４の中領域４５が拡径変形するにつれて、中領域４５の外周面４１と当接面２２との接触部分の面積が徐々に連続的に増加し、ばね４の有効巻数が緩やかに変化する。したがって、ばね４のばね定数を緩やかに変化させることができる。

また、ばね４の拡径方向のねじり角度が、ばね４全体の拡径変形が規制される最大ねじり角度の１０％以上になったときに、中領域４５の外周面４１の一部が当接面２２に当接する。つまり、ねじり角度が比較的小さい段階から、中領域４５の外周面４１と当接面２２が接触し始める。これにより、広いねじり角度の範囲にわたってばね４の固有振動数を変化させることができ、ばね４の拡径変形やその最大化の過度の繰り返しをさらに起こりにくくすることができる。

また、外回転体２の当接面２２が単純なテーパ面になるので、外回転体２の製造コストの増加を抑えることができる。

また、中領域４５が拡径変形するねじり角度の範囲においてばね定数が一定である従来のプーリ構造体２０１と比べて、プーリ構造体１のばね４のばね定数は大きくなりやすいため、ばね４は拡径変形しにくい。このため、例えばプーリ構造体１に接続されるオルタネータの容量が大きくても（すなわち、オルタネータの慣性モーメントが大きく、オルタネータの駆動軸を回転させるために必要なトルクが大きくても）、ばね４の拡径方向のねじり角度は、従来のプーリ構造体２０１と比べて最大化しにくい。つまり、プーリ構造体１においては、容量が小さいオルタネータに接続される場合は勿論のこと、容量が比較的大きいオルタネータに接続された場合でも、ばね４の拡径変形やその最大化が過度に繰り返されにくいため、ばね４が破損しにくくなる。したがって、例えば自動車の車種ごとにオルタネータの容量を変更する必要があっても、オルタネータの容量によらず同じプーリ構造体１を兼用しやすくなるので、プーリ構造体の設計を車種ごとに変更する手間を軽減させることができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について、図７及び図８を参照しながら説明する。但し、第１実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。

図７は、第２実施形態に係るプーリ構造体１ａの断面図である。プーリ構造体１ａにおいては、外回転体２ａの形状が、第１実施形態の外回転体２の形状と異なる。それ以外の構成は、第１実施形態と同様である。

外回転体２ａの後端部の内周には、圧接面２１ａが形成されており、圧接面２１ａの前方には、当接面２２ａが形成されている。圧接面２１ａの形状は、第１実施形態の圧接面２１と同様である。

当接面２２ａは、全体にわたって螺旋状に形成された螺旋面である。この螺旋の前後方向のピッチは、ばね４の巻線のピッチと略等しい。また、この螺旋面は、回転軸Ｒに対して略平行である。外回転体２及び内回転体３が回転していない状態における、当接面２２ａと中領域４５の外周面４１との隙間の径方向における大きさを、Ｘ２とする。Ｘ２は、第１実施形態の隙間の大きさＸ１と同様に、後方から前方へ向かうにつれて連続的に大きくなっている。

上記のようなプーリ構造体１ａにおいても、ばね４の拡径方向のねじり角度がθ２〜θ３の場合、ばね４の中領域４５が拡径するにつれて、中領域４５の外周面４１と当接面２２ａとが、後端側領域４３に近い側から順次接触する。この第２実施形態においては、第１実施形態（図５参照）と比較して、図８に示すように、中領域４５の外周面４１と当接面２２ａとの接触部分の面積が増える。したがって、接触部分に生じる応力が分散しやすくなるので、ばね４及び外回転体２の摩耗等を抑制することができる。

次に、前記までの実施形態に変更を加えた変形例について説明する。但し、前記までの実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。

（１）外回転体２等の構成は、上述したものに限られない。例えば、前記までの実施形態においては、当接面２２等がテーパ形状又は螺旋状に形成されているものとしたが、例えば階段状等でも良い。また、前記までの実施形態においては、当接面２２等の径は後方から前方へ向かうにつれて大きくなるものとしたが、これには限られない。例えば図９（ａ）に示すように、プーリ構造体１ｂの外回転体２ｂにおいて、当接面２２ｂの径が、前方から後方へ向かうにつれて大きくなっていても良い。さらに、前後方向において一方から他方へ向かうにつれて、当接面２２等の径が必ずしも大きくなっていなくても良い。例えば、図９（ｂ）に示すように、プーリ構造体１ｃの外回転体２ｃにおいて、ばね４の後端側領域４３側と前端側領域４４側の両方において当接面２２ｃの径が小さく、それらの間の領域において当接面２２ｃの径が大きくなっていても良い。この場合でも、中領域４５の外周面４１と当接面２２ｃとは、ばね４の拡径に伴い、隙間が小さい部分から順次接触していく。これにより、中領域４５の拡径中にばね４のばね定数が変化しやすく、すなわち固有振動数が変化しやすくなるため、ばね４のねじり方向の共振を抑えることができる。

（２）前記までの実施形態において、ばね４は、外回転体２及び内回転体３が回転していない状態において、全長にわたって径が略一定であるものとしたが、これには限られない。例えば、円錐形や樽形等のものでも良く、外回転体２及び内回転体３が回転していない状態において、前後方向において中領域４５の外周面と当接面２２等との隙間が変化する構成になっていれば良い。

（３）ばね４の断面形状は、図２等に示されるような台形状でなくても良い。例えば円形等、様々な形状であって良い。

（４）前記までの実施形態において、ばね４は、外回転体２及び内回転体３が回転していない状態において、後端側領域４３の外周面が外回転体に押し付けられ、前端側領域４４の内周面が内回転体に押し付けられるものとしたが、これには限られない。例えば、外回転体２及び内回転体３が回転していない状態において、ばね４の後端側領域４３の内周面が外回転体に押し付けられ、前端側領域４４の外周面が内回転体に押し付けられるような構成でも良い（上述した特許文献１（特開２０１４−１１４９４７号公報）の図５等参照）。或いは、後端側領域４３の外周面が内回転体に押し付けられ、前端側領域４４の内周面が外回転体に押し付けられるような構成等になっていても良い。つまり、ばね４を介して、外回転体と内回転体との間でトルクを伝達できる構成であれば良い。

１、１ａプーリ構造体
２、２ａ外回転体
３内回転体
４ねじりコイルばね
２２、２２ａ当接面
４１外周面
４３後端側領域（第１領域）
４４前端側領域（第２領域）
４５中領域
Ｂベルト
Ｒ回転軸

Claims

ベルトが巻き掛けられ、前記ベルトを介して与えられるトルクによって回転する筒状の外回転体と、
前記外回転体の径方向の内側に設けられ、前記外回転体に対して前記外回転体と同一の回転軸を中心として相対回転可能な内回転体と、
前記外回転体と前記内回転体との間に配置されたねじりコイルばねと、を備え、
前記ねじりコイルばねは、前記外回転体及び前記内回転体が回転していない状態において、前記外回転体と前記内回転体との一方に接触する第１領域と、前記外回転体と前記内回転体との他方に接触する第２領域と、前記第１領域と前記第２領域との間に位置し、前記外回転体と前記内回転体のいずれにも接触しない中領域と、を有し、
前記外回転体は、前記ねじりコイルばねの拡径に伴い前記ねじりコイルばねの前記中領域の外周面に当接することで、前記ねじりコイルばねの拡径変形を規制する当接面を有し、
前記外回転体及び前記内回転体が回転していない状態において、前記ねじりコイルばねの前記中領域の前記外周面と前記外回転体の前記当接面との隙間の前記径方向における大きさが、前記外回転体の回転軸方向において変化しており、
前記当接面は、前記回転軸方向のピッチが前記ねじりコイルばねの巻線の前記回転軸方向のピッチと等しい螺旋面であることを特徴とするプーリ構造体。
前記外回転体及び前記内回転体が回転していない状態において、前記隙間の前記径方向における大きさが、前記回転軸方向の一方から他方へ向かうにつれて大きくなることを特徴とする請求項１に記載のプーリ構造体。
前記外回転体及び前記内回転体が回転していない状態において、前記隙間の前記径方向における大きさが、前記回転軸方向において連続的に変化することを特徴とする請求項１又は２に記載のプーリ構造体。
前記ねじりコイルばねの拡径方向のねじり角度が、前記ねじりコイルばね全体の拡径変形が規制される最大ねじり角度の１０％以上になったときに、前記中領域の前記外周面の一部が前記当接面に接触するように、前記ねじりコイルばね及び前記外回転体が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプーリ構造体。
前記当接面は、前記回転軸方向の一方から他方に向かうにつれて径が拡大するテーパ面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプーリ構造体。