JPWO2013171876A1

JPWO2013171876A1 - エンジン始動装置

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Publication number: JPWO2013171876A1
Application number: JP2014515424A
Authority: JP
Inventors: 阿部　雅美; 雅美阿部; 亀井　光一郎; 光一郎亀井; 小田原　一浩; 一浩小田原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2032-05-17
Also published as: JP5710071B2; CN104246208A; US20150020761A1; DE112012006378B4; DE112012006378T5; CN104246208B; US9670892B2; WO2013171876A1

Abstract

出力軸（５）と移動体（３）を結ぶヘリカルスプライン結合部において、出力軸、移動体の少なくともいずれか一方の動力伝達側歯面（３７ａ、３８ａ）に、切り欠き部（３７ｂ、３８ｂ）を形成し、切り欠き部の軸方向に対する角度は、ヘリカルスプライン部のリード角よりも小さくしたエンジン始動装置。

Description

この発明は、モータの回転力を、移動体からエンジンのリングギヤに伝達してエンジンを始動させるエンジン始動装置に関するものである。

従来より、モータの通電回路のオンオフ機能と、移動体を飛び出させる機能を独立して動作させることができる電磁スイッチ有したエンジン始動装置が提案されている。（例えば、特許文献１参照）
また、特許文献１に記載の電磁スイッチを使用して、移動体の回転速度をリングギヤの回転速度に同期させた後に移動体を飛び出させ、リングギヤと噛合わせるものがある。
（例えば、特許文献２参照）

特開２００９−１９１８４３号公報特開２０１０−２３６５３３号公報

特許文献２の始動装置にあっては、移動体の回転速度をリングギヤの回転速度に同期させる際に、移動体を飛び出させる前にモータを回転させるが、その際、移動体の回転速度がリングギヤの回転速度に同期する前に、移動体と出力軸のヘリカルスプラインにより移動体が飛び出してしまう恐れがある。
また、モータの通電回路のオンオフ機能と、移動体を飛び出させる機能を独立して動作させることができる電磁スイッチを備えた始動装置においては、アイドルストップ直後のエンジン惰性回転中に再始動要求が発生したときに、高回転中での噛合いを可能とするために、移動体押し出し動作よりもモータ通電回路を先に動作させる場合がある。その時、モータの回転力が出力軸からヘリカルスプライン結合を通じて移動体へ伝わると、ヘリカルスプラインのギヤの傾きであるリード角と、移動体の慣性により回転の力が軸方向にも掛かるため、移動体が飛び出してリングギヤに接触する恐れがある。

図３はこのような、モータの通電回路のオンオフと、移動体を飛び出させる機能を独立して動作させることができる電磁スイッチを有する従来のエンジン始動装置の問題点を説明するもので、図３（ａ）はモータの静止時、図３（ｂ）はモータの回転時を示す。
移動体が飛び出す前にモータが動作する場合、モータからの回転エネルギーにより出力軸が回転する。出力軸の回転エネルギーは、出力軸と移動体のヘリカルスプライン３７、３８の結合により移動体へ伝えられ、ヘリカルスプライン結合の傾きと移動体の慣性により、出力軸が矢印Ｘ方向に回転すると、移動体は軸方向（矢印Ｙ方向）へ飛び出してしまう。なお、図３において、時計回りに図３を９０°回転させた時、後述の図１、図２と同じ向きとなるものであり、図３（ｂ）において、上方向（矢印Ｙ方向）がリングギヤ方向になる。また、本来円径で設定されているヘリカルスプライン結合部を平面図で表し、それぞれのギヤの噛合いを示している。

このような移動体の飛び出しを抑えるために、移動体動作用プランジャを付勢するプランジャスプリングの荷重を大きくすることで、押し出し機構を介して移動体をリングギヤと逆方向に押し付け、飛出しを抑えることが出来るが、その場合は移動体動作用プランジャの吸引力を大きくする必要があり、電磁スイッチが大型化してしまう問題があった。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、電磁スイッチを大型化することなく、移動体押し出し機能よりモータ通電回路を先に動作させても、モータの回転力と、出力軸と移動体のヘリカルスプライン結合部のリード角とによる移動体の軸方向への飛び出しを防止することができるエンジン始動装置を提供することを目的とする。

この発明に係わるエンジン始動装置は、電力を供給するとトルクを発生するモータと、このモータのトルクを伝えるヘリカルスプラインが形成された出力軸と、この出力軸と係合するヘリカルスプラインを有し前記モータのトルクをエンジン側に伝える移動体と、モータ動作用ソレノイドコイルに通電することでモータ動作用プランジャを磁化し、該モータ動作用プランジャの移動により前記モータへの電力供給のオンオフを切り替える機能と、移動体動作用ソレノイドコイルに通電することで移動体動作用プランジャを磁化し、該移動体動作用プランジャの移動により押し出し機構を介して移動体をリングギヤ側へ押し出す機能とをそれぞれ独立して動作させる機構を具備した電磁スイッチとを備えたエンジン始動装置であって、前記出力軸、前記移動体の少なくともいずれか一方のヘリカルスプラインの動力伝達側歯面に、切り欠き部を形成し、エンジン始動装置が静止時において、前記切り欠き部が前記移動体（または前記出力軸）のヘリカルスプラインの一部と噛合うように、前記出力軸と前記移動体のヘリカルスプラインを配置したものである。

また、前記切り欠き部のモータ軸方向に対する角度を、前記ヘリカルスプライン部のリード角よりも小さくしたものである。

この発明のエンジン始動装置によれば、移動体押し出し機能よりモータ通電回路を先に動作させても移動体が飛び出すことはなく、移動体とリングギヤの耐力が向上すると同時に、衝突による騒音がなくなるので静粛性の効果が期待できる。また、構造上の変更点は既存形状に対して小変更で済み、エンジン始動装置の外観は変わらないためレイアウト性にも優れたエンジン始動装置を得ることができるものである。

上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。

本発明の実施の形態１〜実施の形態３におけるエンジン始動装置の概略構成図である。本発明の実施の形態１〜実施の形態３におけるヘリカルスプライン連結機構部の概略図である。本発明の背景となる従来装置におけるモータ回転開始時の移動体の飛出しの問題を説明する詳細図である。本発明の実施の形態１および実施の形態２における出力軸と移動体のヘリカルスプラインの配置図である。本発明の実施の形態1における、出力軸の切り欠き部と移動体の動力伝達側歯面の噛合い断面図である。本発明の実施の形態1における、出力軸の切り欠き部、動力伝達側歯面のリード角の詳細図である。本発明の実施の形態1における、出力軸の切り欠き部、動力伝達側歯面のギヤ詳細図である。本発明の実施の形態２における、移動体の切り欠き部、動力伝達側歯面のリード角の詳細図である。本発明の実施の形態２における、出力軸の切り欠き部、動力伝達側歯面のギヤ詳細図である。本発明の実施の形態３における、移動体の切り欠き部、動力伝達側歯面、動力伝達側歯面と平行な歯面のリード角の詳細図である。本発明の実施の形態３における出力軸と移動体のヘリカルスプラインの配置図である。本発明における移動体の飛出し距離の試算説明グラフである。

以下この発明の実施の形態について、図１〜図１２を参照して説明する。尚、各図中、同一符号は、同一または相当部分を示すものとする。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるエンジン始動装置の概略構成図である。
図1において、エンジン始動装置１は、電力を供給するとトルクを発生するモータ２と、モータ２からのトルクを伝える出力軸５とヘリカルスプライン結合し、リングギヤ３６と噛合うことでモータ２のトルクをエンジン側に伝える移動体３と、移動体３のリングギヤ３６の方向への飛び出しを規制するストッパ７を備えている。

モータ２は、回転体となるアマチュア９と、永久磁石１０を内周側に有するヨーク１１と、ブラシ１２から構成されている。アマチュア９はコア９ａと電機子コイル９ｂ、モータ軸９ｃ、整流子９ｄから構成されており、電機子コイル９ｂに電流が流れることでその電流とコア９ａによる磁束、そして永久磁石１０とにより回転力が生み出される。そして整流子９ｄとブラシ１２により回転方向を保つ周知の直流電動モータである。
モータ軸９ｃはヨーク１１に嵌合されたカバー１３に圧入されたベアリング１５と、出力軸５に回転自在に支持されており、モータ軸９Ｃに備わっているギヤ（図示せず）と、遊星ギヤ１６、内歯歯車のインターナルギヤ４との噛合いにより減速機構を構成している。

電磁スイッチ３５は移動体押し出し機構とモータ通電回路で構成されている。
移動体押し出し機構は、移動体動作用ボビン３０に納められた移動体動作用ソレノイド２９に通電することで移動体動作用プランジャ３２を磁化する。磁化された移動体動作用プランジャ３２が、プランジャスプリング３９を撓ませながら移動体動作用コアスイッチ２８方向に引き寄せられることで、移動体動作用プランジャ３２に取り付けられたフック３４が、飛出し機構３３を介して移動体３をリングギヤ３６側へ押し出すよう構成されている。

モータ通電回路は、モータ動作用ボビン２５に納められたモータ動作用ソレノイド２６に通電することでモータ動作用プランジャ２７を磁化する。磁化されたモータ動作用プランジャ２７がモータ動作用コアスイッチ２４方向に引き寄せられることで可動接点２２が取り付けられたロッド２１を押し、バッテリーより常時印加されている固定B接点１８とモータ側へ接続されている固定Ｍ接点１７と可動接点２２とが接触することで、バッテリーからの電流がモータ２に流れ、モータ２は回転する。ロッド２１と可動接点２２の間には、固定Ｂ接点１８と固定Ｍ接点１７（以下、単に固定接点と称す）の方向に可動接点２２を付勢するポイントばね２３が挿入されており、可動接点２２が固定接点１７、１８から外れないように押圧力を確保している。モータ通電用ソレノイド２６の電流をカットすると、リターンばね２０によりロッド２１が押し戻され、可動接点２２が固定接点１７、１８から引き離されるためモータ２の回転が止まるよう構成されている。

この移動体押し出し機構とモータ通電回路をケース３１内に納め、固定接点が取り付けられたキャップスイッチ１９をケース３１でカシメることで外部の粉塵等から接点部を守る。エンジン側の嵌合・取り付けと、エンジン始動装置のアース回路となるフロントブラケット６に、上述したモータ２と電磁スイッチ３５が嵌合されている。またフロントブラケット６に圧入されているベアリング８は出力軸５を回転自在に支持している。

次に、実施の形態１におけるエンジン始動装置のヘリカルスプライン連結機構部について、図２〜図７を参照して説明する。
図２、図４（ａ）に示されるように、出力軸５と移動体３を結ぶヘリカルスプライン結合部において、出力軸５のヘリカルスプライン３７のトルクを伝える側の動力伝達側歯面３７ａの後端に、切り欠き部３７ｂが形成されている。
動力伝達側歯面３７ａのリード角は、移動体３を押し出し機構３３によりリングギヤ３６に噛合わせ、エンジンにモータ２の回転力を伝える時に、移動体３のヘリカルスプライン３８と噛合う面であるが、実施の形態１において新たに設定する切り欠き部３７ｂは、電磁スイッチ３５のモータ動作用ソレノイドコイル２６が、移動体動作用ソレノイドコイル２９よりも早く通電され、移動体３が飛び出す前にモータ２が動作した時に、移動体３のヘリカルスプライン３８と、出力軸５のヘリカルスプライン３７の一部が接触する面である。（図５参照）

図６に示すように、出力軸５の切り欠き部３７ｂのリード角θbは、動力伝達側歯面３７ａのリード角θaよりも軸方向に対して角度が小さく（ θa ＞ θb ）設定されており、電磁スイッチ３５のモータ動作用ソレノイドコイル２６が移動体動作用ソレノイドコイル２９よりも早く通電された場合、モータ２の回転力と移動体３の慣性により移動体３が飛び出してもリングギヤ３６に衝突しないよう、出力軸の切り欠き部３７ｂを設計する。
つまり、出力軸５の切り欠き部３７ｂを軸方向に対して平行に設定することで、軸方向への力は働かないので、前述した図３のように、モータ２の回転力だけで移動体３が飛び出すことがなくなるものである。

モータ回転開始時の移動体３の飛出し距離は以下にて試算できる。
移動体３の質量をｍ、慣性をI、モータ２の角速度をω、角加速度をβ、ヘリカルスプラインのピッチ円半径をｒ、時間をｔとする。
図１２（ａ）にエンジン始動装置1の時間経過によるモータ回転数の関係を表したグラフを示す。角加速度βは図１２（ａ）のグラフより以下の関係式（１）から求めることが出来る。
β ＝（ ω2 − ω1 ）／（ t2 − t1 ）・・・・・（１）

移動体３の軸方向の飛出し力をF1、飛出し力F1に対する摩擦力をFμ、切り欠き部３７ｂのリード角をθbとしたとき、飛出し力F1は以下の関係式（２）となる。
F1 ＝ I ・ β ／ｒ・ tan（ 90° − θb） − Fμ・・・・・（２）

また、押し出し機構３３を介したプランジャスプリング３９による移動体３の飛出しを抑える力をF2、時間t1からt2までに移動体３が軸方向へ飛び出す距離をΔとした時、距離Δは、以下の関係式（３）となる。
Δ ＝（ F1 − F2）／ｍ・ t² ・・・・・（３）

モータ回転開始t0からtnまでの総和で飛出し距離を求めることが出来るので、以下の関係式（４）により、移動体３の飛出し距離を求めることができ、移動体３の飛出し距離は図１２（ｂ）のようなグラフとなる。

上記により出力軸５の切り欠き部３７ｂのリード角θbを決め、モータ回転開始時に移動体３が飛出さないようにすることが出来る。

既存の多くのエンジン始動装置においては、静止時に移動体３のヘリカルスプライン３８の軸長すべてが出力軸５のヘリカルスプライン３７にラップする(噛合っている)ように設計されている。このような既存の出力軸５と移動体３のヘリカルスプラインに対し、この発明の実施の形態１においては、図４に示すように、エンジン始動装置1が静止時において、移動体３のヘリカルスプライン３８の一部が、出力軸５のヘリカルスプライン３７とラップするように設計する。

また、移動体３のヘリカルスプライン３８とラップする出力軸５のヘリカルスプライン３７の位置は、出力軸５の切り欠き部３７ｂである。これは出力軸５の切り欠き部３７ｂの軸長を長くするほど、出力軸５のヘリカルスプライン３７の端部へ近づくにつれて歯厚が小さくなるため、強度が低下する。そこで出力軸５の切り欠き部３７ｂと移動体３のヘリカルスプライン３８のラップ長を小さくすることで、出力軸の切り欠き部３７ｂの軸長を小さくすることが出来る。またラップする軸長は、関係寸法の公差、組立の振れを考慮して必ずラップする長さとする。ちなみに出力軸５の切り欠き部３７ｂに掛かるトルクは、移動体３の慣性とモータ２の回転による非常に小さいものであり、リングギヤ３６に噛合わせてモータ２の回転力をエンジンに伝達する際の非常に高いトルクが掛かる時は、既存の形状と変わっていない出力軸５の動力伝達側歯面３７ａで成されるため、出力軸５の切り欠き部３７ｂの強度の低下は特に大きな問題ではない。

図７に示すように、移動体３のヘリカルスプライン３８のトルク伝達側の面がインボリュート曲線の場合、出力軸５の切り欠き部３７ｂが成すトルク伝達側の面をインボリュート曲線にすることで、移動体３のヘリカルスプライン３８と面接触できるため、トルクが掛かったときの面圧を小さくすることが出来る。

また、出力軸５の切り欠き部３７ｂがヘリカルスプラインの正面ギヤ歯先センター基準に対して平行な面としたとき、出力軸５の動力伝達歯面３７ａのインボリュート曲線と交差するため、出力軸５の切り欠き部３７ｂの軸長は歯底から歯先にいくほど短くなり、短くなった歯先側に合わせて出力軸５の切り欠き部３７ｂの軸長と移動体３のヘリカルスプライン３８のラップ位置を設定しなければならないが、出力軸５の切り欠き部３７ｂをインボリュート曲線にすることで、出力軸の切り欠き部３７ｂの軸長は歯底と歯先で同じ寸法にすることが出来、出力軸５の切り欠き部３７ｂの軸長を小さく設定することが出来る。また、出力軸５の切り欠き部３７ｂがインボリュート曲線でなくても、出力軸５のヘリカルスプライン３７の正面ギヤ歯先センター基準に対して、正面圧力角分の角度で切り欠き部を設定することで同様の効果が得られる。

実施の形態２．
実施の形態１では出力軸５に切り欠き部３７ｂを設定していたが、実施の形態２では、図４（ｂ）に示すように、移動体３のヘリカルスプライン３８に切り欠き部３８ｂを設定し、図８に示すように、移動体３の切り欠き部３８ｂのリード角θbは、移動体の動力伝達側歯面３８ａのリード角θaよりもモータ軸方向に対して角度を小さく（θa ＞ θb ）設定する。
またエンジン始動装置1が静止時において、出力軸５のヘリカルスプライン３７の一部（後端部）と移動体３の切り欠き部３８ｂが、ラップするように設計することで、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、図９に示すように、出力軸５のヘリカルスプライン３７のトルク伝達側の面がインボリュート曲線の場合、移動体３の切り欠き部３８ｂが成すトルク伝達側の面をインボリュート曲線にすることで、出力軸５のヘリカルスプライン３７と面接触できるため、トルクがかかったときの面圧を小さくすることができ、移動体３の切り欠き部３８ｂの面の軸長は歯底と歯先で同じ寸法にすることが出来るので、移動体３の切り欠き部３８ｂの軸長を小さく設定することが出来る。

なお、移動体３の切り欠き部３８ｂがインボリュート曲線でなくても、移動体３のヘリカルスプライン３８の正面ギヤ歯底センター基準に対して、正面圧力角分の角度で切り欠き部を設定することで同様の効果が得られる。

また、図４（ｃ）に示すように、出力軸５、移動体３のヘリカルスプライン３７、３８両方に切り欠き部を設定しても良い。

実施の形態３．
実施の形態１の説明において、切り欠き部の軸長を長くするほどヘリカルスプラインの歯厚が小さくなり強度が低下すると述べたが、切り欠き部が大きく必要な仕様では先端が尖ってしまい、欠けが発生する可能性がある。そこでこの実施の形態３では、図１０、図１１に示すように、移動体３の切り欠き部３８ｂを、ヘリカルスプライン３８の先端部までではなく、出力軸のヘリカルスプライン３７の後端の動力伝達側歯面との噛合いに必要な軸方向寸法に止め、端部は動力伝達側歯面３８ａと平行な歯面３８ｃを切り欠き部３８ｂと結んだ形状としたものである。

即ち、図１1（ａ）に示すように、移動体の切り欠き部３８ｂが長くなると３８ｄのように先端が尖ってしまう。その解決策が実施の形態３であり、図１１（ｂ）に示すように、移動体の切り欠き部３８ｂの位置を、公差を加味しても出力軸のヘリカルスプライン３７の後端と軸方向にラップする位置とする。そして、この位置よりエンジン側は動力伝達側歯面３８ａと平行な歯面３８ｃのリード角を設定する。こうすることで、切り欠き部３８ｂの先端が尖った形状を避けるようにしたものである。
なお、移動体の動力伝達側歯面の形状は、出力軸に設定しても良い。

この発明は、モータの回転力を例えばピニオンのような移動体から、エンジンのリングギヤに伝達してエンジンを始動させるエンジン始動装置として好適なものである。

１エンジン始動装置、２モータ、３移動体、５出力軸、
７ストッパ、２４モータ動作用コアスイッチ、
２６モータ動作用ソレノイドコイル、２７モータ動作用プランジャ、
２８移動体飛び出し用コアスイッチ、
２９移動体動作用ソレノイドコイル、
３２移動体動作用プランジャ、３３押し出し機構、３４フック、
３５電磁スイッチ、３６リングギヤ、
３７出力軸のヘリカルスプライン、
３７ａ出力軸の動力伝達側歯面、３７ｂ出力軸の切り欠き部、
３８移動体のヘリカルスプライン、
３８ａ移動体の動力伝達側歯面、
３８ｂ移動体の切り欠き部、
３８ｃ移動体の動力伝達側歯面と平行な歯面、
３９プランジャスプリング

Claims

電力を供給するとトルクを発生するモータと、このモータのトルクを伝えるヘリカルスプラインが形成された出力軸と、この出力軸と係合するヘリカルスプラインを有し前記モータのトルクをエンジン側に伝える移動体と、モータ動作用ソレノイドコイルに通電することでモータ動作用プランジャを磁化し、該モータ動作用プランジャの移動により前記モータへの電力供給のオンオフを切り替える機能と、移動体動作用ソレノイドコイルに通電することで移動体動作用プランジャを磁化し、該移動体動作用プランジャの移動により押し出し機構を介して移動体をリングギヤ側へ押し出す機能とをそれぞれ独立して動作させる機構を具備した電磁スイッチとを備えたエンジン始動装置であって、前記出力軸、前記移動体の少なくともいずれか一方のヘリカルスプラインの動力伝達側歯面に、切り欠き部を形成し、エンジン始動装置が静止時において、前記切り欠き部が前記移動体（または前記出力軸）のヘリカルスプラインの一部と噛合うように、前記出力軸と前記移動体のヘリカルスプラインを配置したことを特徴とするエンジン始動装置。
前記切り欠き部のモータ軸方向に対する角度は、前記ヘリカルスプライン部のリード角よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のエンジン始動装置。
前記切り欠き部は、モータ軸方向に対して、出力軸のヘリカルスプライン後端、または移動体のヘリカルスプライン先端にラップしていることを特徴とする請求項２に記載のエンジン始動装置。
前記切り欠き部の面は、動力伝達部歯面と平行またはインボリュート曲面であることを特徴とする請求項３に記載のエンジン始動装置。
前記切り欠き部の面の角度は、ヘリカルスプラインの正面ギヤセンターに対して、ヘリカルスプラインの正面圧力角以上であることを特徴とする請求項４に記載のエンジン始動装置。