JP7298532B2 - 推定装置及び、推定方法 - Google Patents

Description

本開示は、推定装置及び、推定方法に関し、特に、エンジンのベルト装置の寿命を推定する技術に関する。

一般的に、この種のベルト装置は、クランクシャフトに駆動プーリを設けるとともに、オルタネータやラジエータファン等の補機類に従動プーリを設け、これら駆動プーリと従動プーリとに無端ベルト（以下、単にベルトという）を巻き掛けることにより構成されている。

このようなベルトは一定時間使用されると劣化等により伸びるため、ベルト装置を搭載する車両の走行距離等に基づいて交換されている。例えば、特許文献１には、プーリが一体回転可能に固定される回転軸に歪みゲージを設け、該歪みゲージにより検出されるトルクに基づいてベルトの交換時期を判別する技術が開示されている。

特開２００５－３４４８０７号公報

上記文献１記載の技術のように、歪みゲージを用いると、歪みゲージの回転軸への貼り付けや歪みゲージと歪みゲージの出力の増幅に用いる増幅器の接続等が必要になり、装置の構成が複雑になる場合がある。このため、装置のさらなる簡素化が望まれる。

本開示の技術は、上記事情に鑑みてなされたものであり、簡素な構成でベルトの寿命を効果的に推定することを目的とする。

本開示の装置は、ベルトが巻き掛けられるプーリを備えるベルト装置に対して、前記プーリからの軸方向の相対距離を取得する検出部を有する距離取得手段と、取得される前記相対距離に基づいて前記プーリの軸方向への変位量を演算する変位量演算手段と、演算される前記変位量に基づいて、前記ベルトの寿命を推定するベルト寿命推定手段と、を備えることを特徴とする。

また、前記プーリの変位量と前記ベルトの伸び量との関係を規定したマップを備え、前記ベルト寿命推定手段は、演算される前記変位量に基づいて前記マップを参照することにより、前記ベルトの伸び量を求め、該伸び量に基づいて前記ベルトの寿命を推定することが好ましい。

また、前記検出部は、前記ベルトと接触している前記プーリの外周側の周方向中央の部位からの軸方向の相対距離を取得することが好ましい。

また、前記ベルト装置は、前記プーリを複数備えており、前記検出部は、前記複数のプーリのうち、回転軸の曲げ剛性が最も小さいプーリからの軸方向の相対距離を取得することが好ましい。

本開示の方法は、ベルトが巻き掛けられるプーリを備えるベルト装置に対して、前記プーリからの軸方向の相対距離を取得し、取得される前記相対距離に基づいて前記プーリの軸方向への変位量を演算し、演算される前記変位量に基づいて、前記ベルトの寿命を推定することを特徴とする。

本開示の技術によれば、簡素な構成でベルトの寿命を効果的に推定することができる。

本実施形態に係る内燃機関を示す模式的な正面図である。 （Ａ）は、本実施形態に係る変位センサの配置を示す模式的な正面図であり、（Ｂ）は、本実施形態に係る変位センサの配置を示す模式的な側面図である。 本実施形態に係る制御装置及び、関連する周辺構成を示す模式的な機能ブロック図である。 本実施形態に係る変位センサの検出値を模式的に示す図である。 本実施形態に係る従動プーリの傾きを示す模式的な図である。 本実施形態に係る制御装置によるミスアライメント検出のフローを説明するチャート図である。 本実施形態に係る制御装置によるベルト寿命推定のフローを説明するチャート図である。

以下、添付図面に基づいて、本実施形態に係る推定装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

［全体構成］
図１は、本実施形態に係る内燃機関をクランク軸方向から視た模式的な正面図である。以下の説明では、図１において紙面の手前方向を前側、紙面の奥方向を後側という。なお、矢印Ａはベルトの回転方向を示している。

内燃機関としてのエンジン１０は、主としてシリンダブロック、シリンダヘッド、クランクケース、オイルパン等で構成されたエンジン本体部１１を備えている。エンジン本体部１１には、不図示のピストンからコネクティングロッド等を介して伝達される回転力を出力するクランクシャフト１２が回転可能に軸支されている。

［ベルト装置］
ベルト装置１は、駆動プーリ２と、従動プーリ３，４と、テンションプーリ６と、テンションプーリ６を保持する保持部７と、駆動プーリ２、従動プーリ３，４、及び、テンションプーリ６に巻き掛けられるベルト５とを備えている。ベルト５は、例えば、Ｖリブドベルトであって、内周面部に不図示のＶ字型の溝が複数形成されている。駆動プーリ２及び従動プーリ３，４は、例えば、Ｖリブドプーリであって、ベルト５の内周面部の溝と対応する溝が外周面部に複数形成されている。なお、従動プーリ３，４やテンションプーリ６の個数は図示例に限定されず、適宜な個数とすることができる。

駆動プーリ２は、エンジン本体部１１の前側端面１１Ａから前側に突出するクランクシャフト１２の前側端部に、クランクシャフト１２と一体回転可能に固定されている。

従動プーリ３は、エアコンディショナ用コンプレッサ３０のプーリであって、エアコンディショナ用コンプレッサ３０の前側端面３０Ａから前側に突出する回転軸３１の前側端部に、回転軸３１と一体回転可能に固定されている。従動プーリ３は、不図示の電磁クラッチを備えており、電磁クラッチが締結されているときに、エンジン１０の動力で回転駆動する。

従動プーリ４は、オルタネータ４０のプーリであって、オルタネータ４０の前側端面４０Ａから前側に突出する回転軸４１の前側端部に、回転軸４１と一体回転可能に固定されている。オルタネータ４０は、エンジン１０の動力で発電駆動する。オルタネータ４０で発電された電力は、電気的に接続されたバッテリ７０に蓄電される。

テンションプーリ６は、溝の形成されていないベルト５の外周面が巻き掛けられる背面平プーリであって、保持部７の前側端面７Ａから前側に突出する回転軸８の前側端部に、回転軸８と一体回転可能に固定されている。テンションプーリ６は、ベルト５の外周面に接触しつつ、予め定められたベルト５の外周側の第１位置と、第１位置よりもベルト５の内周側の第２位置との間を往復移動可能に設けられている。

保持部７は、ガイド溝７Ｂに沿って回転軸８を移動させることにより、第１位置と第２位置との間の所定位置にてテンションプーリ６を保持する。保持部７によりテンションプーリ６を所定位置にて保持することにより、ベルト５の張力を適宜に調整することができる。

［推定装置］
推定装置２０は、変位センサ９と、制御装置１００とを備えている。

以下、変位センサ９の具体的な配置の詳細について、図２（Ａ）を参照して説明する。

従動プーリ４には、従動プーリ４の外周と駆動プーリ２の外周とを結ぶ接線方向のベルト張力（以下、第１張力Ｆａという）が作用する。また、従動プーリ４には、従動プーリ４の外周と従動プーリ３の外周とを結ぶ接線方向のベルト張力（以下、第２張力Ｆｂという）が作用する。すなわち、従動プーリ４には、ベルト５によって第１張力Ｆａと第２張力Ｆｂのベクトル和である合力Ｆａ＋Ｆｂが作用する。

本実施形態において、変位センサ９は、ベルト５と接触している従動プーリ４の外周側の周方向略中央の背面側（エンジン１０側）、すなわち、従動プーリ４に作用する合力Ｆａ＋Ｆｂのベクトル方向と一致する、従動プーリ４の径方向外側の周方向略中央の後方（エンジン１０側）に設けられている。これにより、変位センサ９は、従動プーリ４の傾きが最も大きくなる位置で、従動プーリ４の軸方向の変位量を効果的に検出することが可能になる。

変位センサ９（本開示の距離取得手段の一例）は、例えば、光センサであって、図２（Ｂ）に示すように、従動プーリ４の背面側で、オルタネータ４０の前側端面４０Ａに設けられており、投光部と受光部とを含む検出部９Ａを備えている。投光部は、レーザ光を従動プーリ４の背面側に向けて従動プーリ４の回転軸４１の軸心Ｙと略平行に出射する。受光部は、投光部により出射され検出対象で反射した反射光を受光する。変位センサ９は、従動プーリ４と検出部９Ａとの間の軸方向の相対距離（以下、実相対距離Ｄともいう）を検出する。変位センサ９により検出される実相対距離Ｄは、電気的に接続された制御装置１００へ送信される。

本実施形態において、変位センサ９は、図１に示す複数のプーリ２，３，４，６のうち、その回転軸１２，３１，４１，８の曲げ剛性が最も小さい従動プーリ４と検出部９Ａとの間の軸方向の相対距離を取得するように構成されている。これにより、ベルト５の張力で回転軸４１が曲がりやすい従動プーリ４と検出部９Ａとの間の軸方向の相対距離を効果的に検出することが可能になる。

［制御装置］
図３は、本実施形態に係る制御装置１００及び、関連する周辺構成を示す模式的な機能ブロック図である。

制御装置１００は、例えば、コンピュータ等の演算を行う装置であり、互いにバス等で接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）やＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入力ポート、出力ポート等を備え、プログラムを実行する。

また、制御装置１００は、プログラムの実行により、変位量演算部１１０、ミスアライメント検出部１２０、ベルト寿命推定部１３０及び、報知部１４０を備える装置として機能する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアである制御装置１００に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

変位量演算部１１０（本開示の変位量演算手段の一例）は、変位センサ９から送信される実相対距離Ｄに基づいて、従動プーリ４の軸方向変位量Ｌ１を演算する。以下、変位量演算部１１０による軸方向変位量Ｌ１の演算について、図４及び図５を参照して説明する。

図４は、変位センサ９が検出する実相対距離Ｄの時間変化を模式的に示す図である。

従動プーリ４が回転軸４１に対して所定の角度（０よりも大きい角度）で傾いて取り付けられている場合には、従動プーリ４が一回転するごとに、実相対距離Ｄは、最大値と最小値とを含む正弦波状に変化する。

変位量演算部１１０は、従動プーリ４が一回転するごとに、実相対距離Ｄの最大値（実相対距離Ｄの変化が増加から減少に転じるときの変曲点の値）をメモリに逐次格納し、該最大値の所定周期における平均値を演算する。これにより、極端な外力が加わったときの変位センサ９のセンサ異常値の影響を低減することが可能となる。

また、制御装置１００のメモリには、従動プーリ４が回転軸４１に対して垂直に取り付けられている場合の従動プーリ４と検出部９Ａとの間の軸方向の相対距離が基準相対距離ＬＫとして予め格納されている。変位量演算部１１０は、実相対距離Ｄの最大値の所定周期における平均値から、基準相対距離ＬＫを減算した値を従動プーリ４の軸方向変位量Ｌ１として演算する（図５参照）。変位量演算部１１０により演算される軸方向変位量Ｌ１は、ミスアライメント検出部１２０、及び、ベルト寿命推定部１３０に送信される。

ミスアライメント検出部１２０は、変位量演算部１１０から送信される軸方向変位量Ｌ１に基づいて、従動プーリ４のミスアライメントを検出する。

具体的には、ミスアライメント検出部１２０は、予め制御装置１００のメモリに格納された検出部９Ａと回転軸４１の軸心Ｙとの間の径方向の距離Ｌ２と、変位量演算部１１０から送信される軸方向変位量Ｌ１とに基づいて、三角関数を用いて（１）式により、図５に示す従動プーリ４の傾き度合いθを演算する。

ａｒｃｔａｎ（Ｌ１／Ｌ２）＝θ ・・・・・・（１）
ミスアライメント検出部１２０は、従動プーリ４の傾き度合いθが所定の上限閾値（例えば、０．５～１．０度位）を超えている場合に、従動プーリ４にミスアライメントが発生していると判定する。これにより、従動プーリ４のミスアライメントを適宜に検出することが可能となる。

なお、変位量演算部１１０から軸方向変位量Ｌ１が送信されない場合には、従動プーリ４が変位センサ９の検出部９Ａにより反射光が受光されないほど傾いているか、又は回転軸４１から外れていると想定される。また、変位量演算部１１０から送信される軸方向変位量Ｌ１が、所定の下限閾値よりも小さい場合には、従動プーリ４と検出部９Ａとの間に、例えば、エンジン１０から外れた不図示のブラケット等の遮蔽物が介在していると想定される。このような場合には、ミスアライメント検出部１２０は、ミスアライメントを検出不能或いは異常と判定する。

本実施形態においては、実相対距離Ｄの最大値の所定周期における平均値に基づいて軸方向変位量Ｌ１が演算されている。これにより、変位センサ９のセンサ値に極端な異常値があった場合に、ミスアライメント検出部１２０が、即座に従動プーリ４のミスアライメントや異常と判定することが防止されている。ミスアライメント検出部１２０の判定結果は、報知部１４０に送信される。

ベルト寿命推定部１３０（本開示のベルト寿命推定手段の一例）は、変位量演算部１１０から送信される軸方向変位量Ｌ１に基づいて、ベルト５の寿命を推定する。

具体的には、制御装置１００のメモリには、予め実験等により求めた軸方向変位量Ｌ１とベルト５の伸び量との関係を表すマップＭ１が格納されている。ここで、ベルト５の伸び量が大きいほど、ベルト５の張力が低下し、ベルト５の張力によりプーリ４が傾斜する量は減少するため、軸方向変位量Ｌ１も減少する。このため、マップＭ１においては、軸方向変位量Ｌ１が小さいほど、ベルト５の伸び量が大きく設定されている。また、回転軸４１の曲げ剛性が大きいほど、ベルト５の張力によりプーリ４が傾斜する量は減少するため、軸方向変位量Ｌ１も減少する。このため、マップＭ１においては、所定の軸方向変位量Ｌ１において、回転軸４１の曲げ剛性が小さいほど、ベルト５の伸び量が大きく設定されている。

さらに、制御装置１００のメモリには、予め実験等により求めたベルト５の伸び量とベルト５の寿命との関係を表すマップＭ２が格納されている。マップＭ２においては、ベルト５の伸び量が大きいほど、ベルト５の寿命が短く設定されている。

まず、ベルト寿命推定部１３０は、変位量演算部１１０から送信される軸方向変位量Ｌ１に基づいて、マップＭ１を参照することにより、ベルト５の伸び量を推定する。

次いで、ベルト寿命推定部１３０は、マップＭ１を参照することにより求められるベルト５の伸び量に基づいて、マップＭ２を参照することにより、ベルト５の寿命を推定し、ベルト５の寿命が所定の下限寿命未満の場合には、ベルト交換時期であると判定する。

なお、変位量演算部１１０から軸方向変位量Ｌ１が送信されない場合には、従動プーリ４が変位センサ９の検出部９Ａにより反射光が受光されないほど傾いているか、又は回転軸４１から外れていると想定される。また、変位量演算部１１０から送信される軸方向変位量Ｌ１が、所定の下限閾値よりも小さい場合には、従動プーリ４と検出部９Ａとの間に、例えば、エンジン１０から外れた不図示のブラケット等の遮蔽物が介在していると想定される。このような場合には、ベルト寿命推定部１３０は、ベルト寿命を推定不能或いは異常と判定する。

本実施形態においては、実相対距離Ｄの最大値の所定周期における平均値に基づいて軸方向変位量Ｌ１が演算されている。これにより、変位センサ９のセンサ値に極端な異常値があった場合に、ベルト寿命推定部１３０が、ベルト５の寿命を過大や過少に推定することが防止されている。ベルト寿命推定部１３０により推定されるベルト５の寿命と判定結果は、報知部１４０に送信される。

報知部１４０は、ミスアライメント検出部１２０から送信される判定結果、及び、ベルト寿命推定部１３０から送信されるベルト５の寿命と判定結果を報知する。

具体的には、報知部１４０は、ミスアライメント検出部１２０から従動プーリ４にミスアライメントや異常が発生しているとの判定結果が送信された場合に、ミスアライメントや異常の発生を報知する。報知部１４０は、例えば、インジケータランプ５０や不図示の画面を介してミスアライメントや異常の発生を報知する。これにより、従動プーリ４のミスアライメントや異常を適宜に知らせることが可能となる。

また、従動プーリ４のミスアライメントや異常を適宜に知らせることにより、従動プーリ４の点検や交換を促すことで、ミスアライメントが発生した状態で従動プーリ４が回転し、従動プーリ４やベルト５に偏摩耗が生じることを抑止することが可能となる。また、報知部１４０は、不図示の通信装置を介して車両センタ２００等に設けられるサーバにミスアライメントや異常の発生の情報を蓄積してもよい。これにより、適切な車両の運行管理が可能となる。

また、報知部１４０は、ベルト寿命推定部１３０から送信されるベルト５の寿命と判定結果をインジケータランプ５０や不図示の画面を介して報知する。これにより、ベルト５の寿命を容易に把握することが可能となる。また、ベルト５の交換頻度を適正化してコストを抑制すると共に、ベルト装置１の故障や不具合を未然に防止することが可能になる。また、報知部１４０は、不図示の通信装置を介して車両センタ２００等に設けられるサーバにベルト５の寿命と判定結果の情報を蓄積してもよい。これにより、適切な車両の運行管理が可能となる。

次に、図６に基づいて、本実施形態に係る制御装置１００による従動プーリ４のミスアライメント検出制御の流れを説明する。本制御は、例えば、イグニッションスイッチのＯＮ操作と同時に開始される。

ステップＳ１１０では、変位センサ９から送信される実相対距離Ｄに基づいて、従動プーリ４の軸方向変位量Ｌ１を演算する。

ステップＳ１２０では、変位量演算部１１０から送信される軸方向変位量Ｌ１に基づいて、ベルト装置１に異常が発生しているか否かを判定する。異常が発生していない場合（Ｎｏ）、本制御はステップ１４０に進む。一方、異常が発生している場合（Ｙｅｓ）、本制御はステップ１３０に進む。

ステップＳ１３０では、異常の発生を報知する。その後、本制御はリターンされる。

ステップＳ１４０では、変位量演算部１１０から送信される軸方向変位量Ｌ１に基づいて、従動プーリ４の傾き度合いθを演算する。

ステップＳ１５０では、従動プーリ４の傾き度合いθに基づいて、従動プーリ４にミスアライメントが発生しているか否かを判定する。ミスアライメントが発生していない場合（Ｎｏ）、本制御はリターンされる。一方、ミスアライメントが発生している場合（Ｙｅｓ）、本制御はステップ１６０に進む。

ステップＳ１６０では、ミスアライメントの発生を報知する。その後、本制御はリターンされる。

次に、図７に基づいて、本実施形態に係る制御装置１００によるベルト５の寿命推定制御の流れを説明する。本制御は、例えば、イグニッションスイッチのＯＮ操作と同時に開始される。

ステップＳ２１０では、変位センサ９から送信される実相対距離Ｄに基づいて、従動プーリ４の軸方向変位量Ｌ１を演算する。

ステップＳ２２０では、変位量演算部１１０から送信される軸方向変位量Ｌ１に基づいて、ベルト装置１に異常が発生しているか否かを判定する。異常が発生していない場合（Ｎｏ）、本制御はステップ２４０に進む。一方、異常が発生している場合（Ｙｅｓ）、本制御はステップ２３０に進む。

ステップＳ２３０では、異常の発生を報知する。その後、本制御はリターンされる。

ステップＳ２４０では、変位量演算部１１０から送信される軸方向変位量Ｌ１に基づいて、ベルト５の寿命を推定する。

ステップＳ２５０では、ベルト５の寿命が下限寿命未満か否かを判定する。ベルト５の寿命が下限寿命未満の場合（Ｙｅｓ）、本制御はステップ２６０に進む。一方、ベルト５の寿命が下限寿命以上の場合（Ｎｏ）、本制御はステップ２７０に進む。

ステップＳ２７０では、ベルト５の寿命とベルト交換が不要であるとの判定結果を報知する。その後、本制御はリターンされる。

ステップＳ２６０では、ベルト５の寿命とベルト交換が必要であるとの判定結果を報知する。その後、本制御はリターンされる。

以上、詳述した本実施形態によれば、従動プーリ４と従動プーリ４よりもエンジン１０側に設けられた変位センサ９の検出部９Ａとの間の軸方向の相対距離に基づいて軸方向変位量Ｌ１を演算し、該軸方向変位量Ｌ１に基づいて、従動プーリ４の傾き度合いθを演算するように構成されている。これにより、簡素な構成で従動プーリ４の傾き度合いθを確実に演算することができ、該傾き度合いθに基づいて、従動プーリ４のミスアライメントを効果的に検出することが可能になる。

また、従動プーリ４と変位センサ９の検出部９Ａとの間の軸方向の相対距離に基づいて、従動プーリ４の軸方向変位量Ｌ１を演算し、該軸方向変位量Ｌ１に基づいて、ベルト５の寿命を推定するように構成されている。これにより、簡素な構成でベルト５の寿命を効果的に推定することができ、適切なベルト交換時期を適宜に知らせることが可能になる。

［その他］
なお、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上述の実施形態においては、変位センサ９は、従動プーリ４と検出部９Ａとの間の軸方向の相対距離を検出するものとして説明したが、他のプーリ２，３，６と検出部９Ａとの間の軸方向の相対距離を検出してもよい。また、変位センサ９を複数設けて、複数のプーリ２，３，４，６と検出部９Ａとの間の軸方向の相対距離をそれぞれ検出してもよい。

また、上述の実施形態においては、ベルト装置１のベルトの巻き掛け方式は、複数のプーリ２，３，４，６に一本のベルト５が巻き掛けられるいわゆるサーペンタイン方式として説明したが、駆動プーリ２と従動プーリ３及び駆動プーリ２と従動プーリ４にそれぞれ別体のベルトを巻き掛けて動力を伝達する方式であってもよい。

１ ベルト装置
２ 駆動プーリ
３，４ 従動プーリ
５ ベルト
６ テンションプーリ
９ 変位センサ（距離取得手段）
９Ａ 検出部
１０ エンジン
１１ エンジン本体部
１２ クランクシャフト
２０ 推定装置
３０ エアコンディショナ用コンプレッサ
４０ オルタネータ
４１ 回転軸
５０ インジケータランプ
１００ 制御装置
１１０ 変位量演算部（変位量演算手段）
１２０ ミスアライメント検出部
１３０ ベルト寿命推定部（ベルト寿命推定手段）
１４０ 報知部

Claims (5)

1. ベルトが巻き掛けられるプーリを備えるベルト装置に対して、前記プーリからの軸方向の相対距離を取得する検出部を有する距離取得手段と、
   取得される前記相対距離に基づいて前記プーリの軸方向への変位量を演算する変位量演算手段と、
   演算される前記変位量に基づいて、前記ベルトの寿命を推定するベルト寿命推定手段と、を備える
   ことを特徴とする推定装置。
2. 前記プーリの変位量と前記ベルトの伸び量との関係を規定したマップを備え、
   前記ベルト寿命推定手段は、演算される前記変位量に基づいて前記マップを参照することにより、前記ベルトの伸び量を求め、該伸び量に基づいて前記ベルトの寿命を推定する
   請求項１に記載の推定装置。
3. 前記検出部は、前記ベルトと接触している前記プーリの外周側の周方向中央の部位からの軸方向の相対距離を取得する
   請求項１又は請求項２に記載の推定装置。
4. 前記ベルト装置は、前記プーリを複数備えており、
   前記検出部は、前記複数のプーリのうち、回転軸の曲げ剛性が最も小さいプーリからの軸方向の相対距離を取得する
   請求項１から請求項３の何れか一項に記載の推定装置。
5. ベルトが巻き掛けられるプーリを備えるベルト装置に対して、前記プーリからの軸方向の相対距離を取得し、
   取得される前記相対距離に基づいて前記プーリの軸方向への変位量を演算し、
   演算される前記変位量に基づいて、前記ベルトの寿命を推定する
   ことを特徴とする推定方法。

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