KR101300536B1 - 엔진 시동 장치 - Google Patents

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Abstract

엔진 시동 장치에서, 일방향 클러치와 함께, 피니언은 차량에 탑재된 엔진의 링 기어 측으로 푸시된다. 상기 일방향 클러치는 피니언이 링 기어로 푸시될 때 피니언을 회전시키려고 하는 링 기어의 토크보다 작은 아이들링 토크를 갖는다. 제어 수단에 의하여, 피니언 푸싱 수단은 i) 링 기어의 회전수가 피니언의 회전수보다 클 때, 및 ii) 링 기어의 회전수와 피니언의 회전수 간의 상대 회전수가 원하는 값일 때 작동될 수 있다.

Description

엔진 시동 장치{ENGINE STARTING APPARATUS}
본 발명은 엔진을 재시동하기 위하여 엔진 정지 과정 동안 스타터의 피니언과 프리휠링(freewheeling) 링 기어를 치합시킬 수 있는 엔진 시동 장치에 관한 것이다.
지구 온난화에 대한 대책의 일환으로서 아이들 스톱 시스템(idle stop system)을 갖는 차량의 제공은 CO2 감소를 위한 중대한 접근이다. 상기 아이들 스톱 시스템은 예를 들면 차량이 교차로에서의 정지 신호로 인하여 일시 정지하거나 교통 혼잡 등으로 인하여 일시 정지할 때 엔진을 자동 정지시키기 위하여 엔진으로의 연료 분사를 정지시키는 시스템이다.
일반적인 아이들 스톱 시스템은 차량이 완전히 정지된 이후에 엔진을 자동 정지시키도록 구성되었다. CO2 감소 효과를 더욱 증대시키기 위하여, 엔진 정지 기간을 늘리는 것이 효과적이다. 엔진 정지 기간을 늘리는 것은 차량이 완전히 정지된 후 엔진을 정지시키는 일반적인 시스템을 전환하여, 차량 속도가 런아웃(run out)되기 전(즉, 차량 정지를 진행하는 감속 과정 동안)에 엔진을 정지시키는 시스템에 의해 달성된다. 엔진 정지 기간을 늘리는 이러한 시스템은 일반적으로 이용되는 아이들 스톱 시스템에 비하여 CO2 감소의 효과를 현저히 향상시킬 수 있는 것으로 기대된다.
그러나 이러한 시스템은 엔진이 엔진 정지 과정에 들어간 이후 엔진을 재시동할 가능성을 초래하는 문제를 일으킨다. 구체적으로, 종래 스타터에서, 스타터의 피니언은 엔진이 완전히 정지되지 않은 한 엔진의 링 기어와 치합할 수 없다. 이는 종래 스타터를 이용하여 엔진이 재시동 되는 경우에, 엔진이 엔진 정지 과정에 들어갈 때의 지점으로부터 엔진이 완전히 정지될 때의 지점까지 엔진이 재시동 될 수 없음을 의미한다. 예를 들면, 교통 신호등이 빨간불이고, 이에 따라 엔진이 엔진 정지 과정에 들어갈 수 있도록 정지 명령의 출력에 뒤이어 차량이 감속되고, 그런 다음 교통 신호등이 녹색불로 곧 바뀌는 상황이 있을 수 있다. 이러한 상황에서, 종래 스타터는 엔진을 바로 재시동할 수 없으며, 이는 추종 차량(following vehicle)에 폐를 끼치게 되고, 사용자에게 심리적인 부담을 주게 된다. 따라서, 차량이 감속되면서 아이들 스톱 기능을 이용하기 위하여, 엔진이 엔진 정지 과정에 있을 때 엔진의 재시동을 가능하게 할 수 있어야 한다.
엔진 정지 과정 동안의 재시동을 실현하기 위하여, 스타터의 피니언은 회전상태의 링 기어와 치합되도록 하는 것이 요구된다. 이러한 재시동을 실현하기 위한 방법으로서의 기술은 WO 2007/101770에 제안되었다. 구체적으로, 이 특허문헌은 링 기어의 회전수를 검출하는 제1 RPM 검출수단, 스타터의 피니언의 회전수 또는 모터의 회전수를 검출하는 제2 RPM 검출수단 및 상기 모터의 회전수를 제어하는 모터회전 제어 드라이버(driver)를 포함하는 시동 장치를 이용하여 엔진을 재시동하는 방법을 제안한다. 이러한 시동 장치에서, 상기 링 기어의 회전수와 동기화하기 위하여 상기 피니언의 회전수는 제1 및 제2 RPM 검출수단에 의해 검출된 회전수에 근거하여 모터회전 제어 드라이버에 의해 제어된다. 그 결과, 상기 피니언은 링 기어와 치합된다.
WO 2007/101770에 제안된 상기 방법(기어 간의 치합을 달성하기 위한 피니언의 회전수와 링 기어의 회전수를 동기화하는 방법)은 서로 거리를 갖는 기어들이 서로 치합되도록 하는 경우에서는 이상적인 방법이다. 그러나 이러한 방법은 모터의 회전수를 제어하는 모터회전 제어 드라이버를 필요로 하는 큰 문제점을 갖는다. 일반적으로, 제어소자로서의 MOS 트랜지스터는 전압 제어(예를 들면, 소위 PWM 제어라 불리는 펄스폭 제어)를 실행하도록 모터회전 제어 드라이버로서 이용된다. 그러나 스타터 모터는 큰 출력을 가짐에도 저전압(통상 12V)을 갖는다. 따라서 이는 500A를 초과하는 대전류 용량을 갖는 MOS 트랜지스터의 이용을 필요로 하고, 결과적으로 비용을 크게 증가시키게 된다.
또한, 피니언 기어와 링 기어의 회전수 간의 동기화 달성은 회전수의 피드백(feed back) 제어를 요구할 수 있다. 그 결과, 동기화하는데 긴 시간이 소요될 수 있다. 따라서, 많은 경우에서 엔진 속도가 감소하는 매우 짧은 시간 동안, 동기화는 완벽하게 되지 않을 수 있는 우려가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 고려하여 제안된 것으로서, 엔진 정지 과정 동안 감속 회전 상태에서 스타터의 피니언과 엔진의 링 기어를 단시간에 치합시킬 수 있고, 이에 따라 엔진을 재시동할 수 있는 차량 탑재 엔진 시동 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 회전력을 발생하도록 전류를 제공받는 전기 모터(5); 외주면을 구비하고, 상기 회전력에 의해 회전되는 출력 샤프트(6); 상기 출력 샤프트의 외주면에 헬리컬-스플라인-끼워맞춤 되는 일방향 클러치(18); 상기 일방향 클러치를 통해 상기 회전력을 제공받는 피니언(19); 상기 일방향 클러치와 함께, 상기 피니언을 엔진의 링 기어 측으로 푸시(push)하는 피니언 푸싱 수단(8); 및 상기 전기 모터로 공급되는 전류를 턴온/턴오프(turn on/off)하고, 상기 피니언 푸싱 수단과 독립되게 작동되는 전류 스위칭 수단(10)을 포함하며, 상기 일방향 클러치는 상기 피니언이 링 기어로 푸시될 때 상기 피니언을 회전시키려하는 상기 링 기어의 토크보다 작은 아이들링 토크(idling torque)를 갖는 엔진 시동 장치가 제공된다. 상기 엔진 시동 장치는 상기 링 기어의 회전수를 검출하는 회전수 검출 수단(4); 및 제어 수단(2)을 더 포함한다. 상기 제어 수단은 상기 회전수 검출 수단에 의해 검출된 상기 링 기어의 회전수가 상기 전기 모터의 회전 속도로부터 얻어진 상기 피니언의 회전수보다 크고, 상기 링 기어의 회전수와 상기 피니언의 회전수 간의 상대 회전수가 원하는 값일 때, 상기 피니언 푸싱 수단을 작동시킬 수 있다. 이러한 제어 수단은 상기 피니언 푸싱 수단과 상기 전류 스위칭 수단의 동작을 서로 독립되게 제어할 수 있다.
엔진 재시동이 요구되고, 상기 링 기어의 회전수가 엔진 정지 과정에서 감소하는 경우에서, 본 발명의 엔진 시동 장치는 링 기어와 피니언이 소정의 상대 회전수(링 기어의 회전수 ＞ 피니언의 회전수)로 회전할 때 상기 피니언 푸싱 수단을 작동시켜 상기 피니언이 일방향 클러치와 함께 링 기어 측으로 푸시되도록 한다.
상기 피니언 푸싱 수단의 작동은 피니언의 단면이 링 기어의 단면과 접촉하도록 한다. 상기 피니언이 소정 하중이 가해지는 링 기어에 대하여 가압될 때, 상기 피니언의 회전수는 일방향 클러치의 아이들로 링 기어의 회전수와 즉각적으로 동기화된다. 이는 아이들 상태에서의 상기 일방향 클러치의 회전 토크가 링 기어가 피니언을 회전시키려하는 회전 토크보다 작게 설정되기 때문이다.
상기 동기화의 순간에도, 상기 링 기어의 회전은 여전히 감소를 계속한다. 그러나 이 경우에서, 상기 피니언은 상기 일방향 클러치가 연결 측(토크 전달 측)이기 때문에 상기 링 기어의 회전과 동기화되는 회전을 감소시키지 않게 된다. 따라서, 상기 링 기어는 회전 방향에 반대되는 방향으로 피니언으로부터 떨어지게 되고(위치 이탈), 이에 따라 상기 피니언과 링 기어 사이에 치합이 이루어진다.
엔진 속도는 직접적으로 검출될 필요는 없지만, 크랭크 각도 센서 등이 이용될 수 있음을 알 수 있다.
앞의 구성에서, 상기 출력 샤프트는 그 출력 샤프트의 길이방향을 따르는 축방향을 제공하고, 상기 링 기어는 복수의 기어치(teeth)가 형성되는 제1 주면을 구비하되, 상기 링 기어의 상기 기어치는 상기 피니언을 마주하고 상기 축방향으로 지향되는 제1 축단면(3a)을 구비하고, 상기 피니언은 복수의 기어치가 형성되는 제2 주면을 구비하되, 상기 피니언의 상기 기어치는 상기 링 기어를 마주하고 상기 축방향으로 지향되는 제2 축단면(19a)을 구비하며, 상기 제1 축단면과 상기 제2 축단면 중 적어도 하나에 형성되고, 상기 링 기어와 피니언의 회전 방향에 교차하는 방향으로 홈(3b, 19c)이 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 따라, 상기 피니언은 피니언 푸싱 수단의 작동으로 푸시된다. 그런 다음, 상기 피니언의 단면은 링 기어의 단면과 접촉하게 되고, 예를 들면 피니언의 단면에 형성된 상기 홈은 링 기어의 기어치에 의해 걸리게 된다. 이와 같이 상기 피니언의 회전은 링 기어의 회전을 즉각적으로 따를 수(동기화) 있게 되고, 이에 따라 치합이 즉각적으로 이루어진다.
또한, 상기 제1 축단면과 상기 제2 축단면 중 적어도 하나에 마찰력을 증가시키기 위한 마찰계수 증가 수단(19b)이 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 따라, 상기 피니언은 피니언 푸싱 수단의 동작으로 푸시된다. 그런 다음, 상기 피니언의 단면은 링 기어의 단면과 접촉할 때, 상기 두 단면 간의 마찰력은 마찰계수 증가수단에 의해 증가할 수 있다. 이와 같이, 피니언의 회전은 링 기어의 회전을 즉각적으로 따를 수(동기화) 있게 되고, 이에 따라 치합이 즉각적으로 이루어진다.
바람직하게, 상기 홈은 상기 링 기어와 피니언 중 적어도 하나에 형성된 챔퍼부(chamfered portion)(3b, 19c)이고, 상기 챔퍼부는 i) 상기 제1 주면 및 상기 제1 축단면 모두에 교차하는 챔퍼부, 및 ii) 상기 제2 주면 및 상기 제2 축단면 모두에 교차하는 챔퍼부 중 적어도 하나로 된다.
이러한 구성에 따라, 상기 피니언이 링 기어와 접촉하게 된 후, 상기 피니언의 기어치와 상기 링 기어의 기어치는 축방향으로 서로 걸리게 될 확률이 높다. 그러므로 상기 피니언과 링 기어 간의 회전 동기화에서의 신뢰성은 증대될 수 있다. 아이들 스톱 기능을 갖는 차량에서, 엔진이 아이들 스톱 기능을 이용하지 않고 시동될 수 있는 경우, 즉 소정 횟수에 대하여 일반적인 방식으로 시동되는 경우를 고려할 필요가 있다. 이와 관련하여 상기 챔퍼부의 형성은 아이들 스톱 기능을 이용하는 시동 및 일반적인 방식에서의 시동 모두에 근거한 치합 성능을 확실하게 할 수 있다.
또한, 상기 마찰계수 증가 수단(19b)은 복수의 홈(19b)으로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 각 홈은 피니언과 링 기어의 모듈(module)보다 작은 깊이를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 깊이는 모듈의 1/n(n은 9 이하의 양의 정수)보다 작다. 상기 모듈은 피니언과 링 기어 각각의 각 기어치의 사이즈(즉, 높이)이다.
이러한 구성에 따라, 상기 마찰계수 증가 수단은 널링 공구(knurling tool)와 같은 수단을 이용하여 용이하게 형성될 수 있고, 이는 제작 공정을 용이하게 할 수 있다.
또한, 상기 모터는 전기자, 상기 전기자에 배치되는 정류기(13), 상기 정류기의 일면과 접촉하는 브러시(16) 및 상기 브러시를 상기 정류기의 일면으로 푸시하는 스프링을 구비하는 브러시 타입 DC 모터이고, 상기 전기자는 상기 일방향 클러치의 아이들링 토크보다 큰 토크를 갖는 것이 바람직하다.
상기 피니언 푸싱 수단의 작동으로 상기 피니언은 링 기어에 의해 가압되고, 그러므로 상기 피니언의 회전수는 링 기어의 회전수를 추종하고 동기화될 수 있다. 상기 동기화 이후에도, 상기 링 기어는 회전수의 감소가 여전히 계속된다. 그러므로 상기 링 기어의 토크는 피니언에 작용하여 피니언의 회전은 감소한다. 이와 관련하여, 상기 피니언과 일체로 구성되는 상기 일방향 클러치는 연결 측(토크 전달 측)에 있기 때문에, 피니언의 회전이 감소하도록 상기 피니언에 작용하는 토크는 모터 측에 전달되게 된다.
한편, 본 발명의 모터에서, 브러시가 브러시 스프링에 의해 정류기의 일면에 대하여 가압될 때 전기자의 회전에 제동력이 작용한다. 따라서, 상기 전기자는 링 기어 측으로부터 거의 회전되지 않게 된다. 그 결과, 상기 피니언은 링 기어의 감소하는 회전과 동기화하는 회전을 감소시키지 않게 된다. 이는 피니언의 기어치와 링 기어의 기어치 간이 용이하게 벗어나도록 한다. 그러므로 피니언과 링 기어 간의 치합을 달성하는데 필요한 시간은 단축될 수 있다.
상기 엔진 시동 장치는 상기 전기 모터의 회전 속도를 감속시키고, 상기 출력 샤프트에 상기 전기 모터의 감속된 회전 속도를 전달하는 감속 장치(17)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 피니언의 회전이 감소하도록 상기 피니언에 작용하는 링 기어의 토크는 모터 측으로 전달될 수 있다. 이 경우, 상기 모터와 출력 샤프트 사이에 감속 기어의 배치는 전기자가 링 기어 측으로부터 회전되지 않도록 할 수 있다. 그러므로 상기 피니언의 기어치와 링 기어의 기어치가 용이하게 벗어나게(떨어지게) 하는 것을 확실히 하고, 이에 따라 상기 피니언과 링 기어 간의 완전한 치합을 위해 걸리는 시간은 더욱 단축될 수 있다.
상기 제어 수단은 상기 피니언의 푸싱 동작의 개시 이후 소정 시간이 경과될 때, 상기 전류 스위칭 수단(10)이 동작 개시될 수 있도록 하는 딜레이 수단을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 피니언은 링 기어와 완전히 치합될 수 있고, 그런 다음 이러한 완전한 치합 상태에서, 엔진을 시동하기 위하여 모터로 전류가 통한다. 그러므로 상기 피니언과 링 기어는 엔진 정지 과정에서 링 기어의 회전이 감소할 때 이들 사이에 내재적인 불완전한 치합으로 인하여 손상되는 것이 방지될 수 있다. 그 결과, 스타터가 다수 횟수로 작동되는 아이들 스톱 기능을 갖는 차량에서 각 기어의 수명은 증대될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔진 시동 장치가 통합된 스타터를 부분 절단하여 나타내는 구성도.
도 2는 스타터의 피니언-푸싱 솔레노이드 및 모터 전화(電化) 스위치를 나타내는 단면도.
도 3은 스타터의 엔진 시동 장치를 나타내는 전기 회로도.
도 4의 (a) 내지 (d)는 피니언이 엔진 정지 과정에서 감속 회전 상태의 링 기어와 치합하는 제1 상황에서의 동작을 나타내는 설명도.
도 5의 (a) 내지 (d)는 엔진 정지 과정에서 피니언이 엔진 정지 과정에서 감속 회전 상태의 링 기어와 치합하는 제2 상황에서의 동작을 나타내는 설명도.
도 6은 엔진 정지 과정에서의 엔진 속도와 수평축에 나타낸 시간 간의 관계를 나타내는 그래프.
도 7은 축방향으로부터 바라볼 때 링 기어와 피니언을 나타내는 도면.
도 8은 피니언 단면에 형성된 마찰계수 증가수단의 예시를 나타내는 도면.
도 9는 브러시를 갖는 모터의 구성을 나타내는 개략도.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 엔진 시동 장치의 실시 예들을 설명한다.
이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여 엔진 시동 장치의 실시 예를 설명한다.
상기 엔진 시동 장치는 차량 탑재 엔진의 정지 및 재시동을 자동으로 제어하는 아이들 스톱 시스템(idle stop system)용으로 이용된다. 상기 엔진 시동 장치는 스타터(1)(도 1에 나타냄), ECU(전자제어유닛)(2)(도 3에 나타냄), 및 RPM 검출기(4)(도 3에 나타냄)를 포함한다. 상기 스타터(1)는 차량에 탑재된 엔진(즉, 내연기관)을 시동한다. 상기 ECU(2)는 스타터(1)의 동작을 제어한다. 상기 RPM 검출기(4)는 엔진의 크랭크 샤프트에 부착된 링 기어(3)의 회전수를 나타내는 신호를 검출하고, 상기 검출된 신호를 ECU(2)로 출력한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 스타터(1)는 전기 모터(5), 출력 샤프트(6), 피니언 이동체(pinion movable body)(후술됨), 샤프트 레버(7), 피니언-푸싱(pinion-pushing) 솔레노이드(8), 배터리(9), 및 모터 통전용(motor electrification) 스위치(10)를 포함한다. 본 실시 예에서, 방향들에 있어서 상기 출력 샤프트(6)의 길이 방향은 축방향(AX), 상기 축방향에 직교하는 평면을 따라 출력 샤프트(6)로부터 반경 방향으로 연장하는 방향은 반경 방향(RA), 그리고 상기 축방향에 직교하는 평면을 따라 상기 축방향 둘레를 순환하는 방향은 원주방향(CR)으로 정의될 수 있다.
상기 전기 모터(5)는 전류 공급에 응답하여 토크를 발생시킨다. 상기 출력 샤프트(6)는 전기 모터(5)에 의해 발생한 토크가 전달되어 회전한다. 상기 피니언 이동체는 출력 샤프트(6)의 외연에서 축방향으로 이동가능하도록 제공된다. 상기 피니언-푸싱 솔레노이드(8)는 샤프트 레버(7)를 통해 전기 모터에 반대되는 방향(도 1에서 좌측)으로 피니언 이동체를 푸시하는 기능을 갖는다. 상기 모터 통전용 스위치(10)는 배터리(9)(도 3 참조)로부터 전기 모터(5)로 전류가 통하도록 모터 회로에 제공된 모터 접점을 개폐한다.
상기 전기 모터(5)는 브러시를 갖는 전기 DC 모터이고, 계자(field magnet)(11), 전기자(14) 및 브러시(16)를 포함한다. 상기 계자(11)는 복수의 영구 자석으로 구성된다. 상기 전기자(14)는 일단에 정류기(13)가 제공된 전기자 샤프트(12)를 포함한다. 상기 브러시(16)는 정류기(13)의 외주면(이하, '정류기 일면'이라 칭함)과 접촉하게 배치되고, 브러시 스프링(15)(도 9 참조)에 의하여 상기 정류기의 일면에 대하여 가압된다. 상기 전기 모터(5)의 계자(11)는 영구 자석으로 구성되며, 계자 코일로 이루어진 계자 전자석으로 대체될 수 있다.
상기 출력 샤프트(6)는 감속 기어(17)를 통해 전기자 샤프트(12)와 정렬되게 배치된다. 그러므로 상기 전기 모터(5)의 회전은 감속 기어(17)에 의해 감속되어 전달된다.
상기 감속 기어(17)는 예를 들면 유성 기어(17a)의 공전 운동을 픽업(pick up)하는 유성 캐리어(planetary carrier)(17b)가 출력 샤프트(6)와 일체로 되어 제공되는 공지된 유성 감속 기어이다.
상기 피니언 이동체는 클러치(18) 및 피니언(19)으로 구성된다.
상기 클러치(18)는 스플라인 슬리브(spline sleeve)(18a), 아웃터(outer)(18b), 이너(inner)(18c), 롤러(18d) 및 롤러 스프링(미도시)을 포함한다. 상기 스플라인 슬리브(18a)는 출력 샤프트(6)의 외연에 헬리컬-스플라인-끼워맞춤(helical-spline-fitted) 된다. 상기 아웃터(18b)는 상기 스플라인 슬리브(18a)와 일체로 제공된다. 상기 이너(18c)는 상기 아웃터(18b)의 내연에 상대 회전가능하게 배치된다. 상기 롤러(18d)는 아웃터(18b)와 이너(18c) 사이에 위치되어 이들 사이를 연결/연결해제 한다. 상기 롤러 스프링은 롤러(18d)를 편향시키는 역할을 한다. 상기 클러치(18)는 롤러(18d)를 통해 상기 아웃터(18b)로부터 이너(18c)로 토크를 단일 방향으로 전달하는 일방향 클러치로서 제공된다.
상기 피니언(19)은 클러치(18)의 이너(18c)와 일체로 되고, 베어링(20)을 통해 출력 샤프트(6)의 외연에 의해 상대 회전가능하게 지지된다.
상기 피니언-푸싱 솔레노이드(8) 및 상기 모터 통전용 스위치(10)는 각각 전류가 통할 때 전자석을 형성하는 솔레노이드 코일(21) 및 스위치 코일(22)을 각각 구비한다. 상기 솔레노이드 코일(21)과 스위치 코일(22)에 의해 공통으로 이용될 수 있도록 상기 솔레노이드 코일(21)과 스위치 코일(22) 사이에 고정 코어(fixed core)(23)가 배치된다. 상기 피니언-푸싱 솔레노이드(8)의 외연은 솔레노이드 요크(yoke)(24)로 커버되고, 상기 모터 통전용 스위치(10)의 외연은 스위치 요크(25)로 커버된다. 상기 솔레노이드 요크(24)와 스위치 요크(25)는 축방향(AX)으로 일체로 연속하게 형성되어 전체 단일 요크(single overall yoke)로 제공된다. 다시 말해서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 피니언-푸싱 솔레노이드(8) 및 모터 통전용 스위치(10)는 축방향(AX)으로 연속하여 일체로 구성되고, 상기 전기 모터(5)에 평행하게 배치되며, 스타터 하우징(26)에 고정된다.
도 2는 스타터(1)의 피니언-푸싱 솔레노이드(8) 및 모터 통전용 스위치(10)를 나타내는 단면도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 전체 단일 요크는 환형 바닥이 제공된 축방향 일단(제1단(E1))(도 2에서 좌측) 및 개방된 축방향 타단((제2단(E2))을 갖는 일측 바닥면 구비의 원통 형태를 갖는다. 상기 전체 단일 요크의 외경은 제1 단(E1)으로부터 제2 단(E2)까지 평평하게 이루어진다. 그러나 상기 스위치 요크(25)의 내경은 솔레노이드 요크(24)의 내경보다 크게 한다. 따라서 상기 스위치 요크(25)의 두께는 솔레노이드 요크(24)의 두께보다 작다. 다시 말해서, 상기 전체 단일 요크의 내주면은 솔레노이드 요크(24)와 스위치 요크(25) 사이에 단차(step)를 갖는다.
상기 고정 코어(23)는 전체 단일 요크의 제2 단(E2)의 개방단(스위치 요크(25)의 개방단)으로부터 스위치 요크(25)의 내측으로 삽입된다. 상기 삽입된 고정 코어(23)는 제1 단(E1) 측에 반경방향 외측 단면(end face)을 갖는다. 이러한 반경방향 외측 단면은 솔레노이드 요크(24)와 스위치 요크(25) 사이에서 전체 단일 요크의 내주면에 제공된 단차와 접촉하게 되어 상기 고정 코어(23)의 축방향 위치를 결정한다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 상기 전체 단일 요크(솔레노이드 요크(24) 및 스위치 요크(25))와 고정 코어(23)를 제외한, 상기 피니언-푸싱 솔레노이드(8)과 상기 모터 통전용 스위치(10)의 구성을 설명한다.
상기 피니언-푸싱 솔레노이드(8)는 솔레노이드 코일(21), 플런저(plunger)(27) 및 조인트(joint)(28)를 포함한다. 상기 솔레노이드 코일(21)은 제1 단(E1) 측에서 상기 전체 단일 요크의 일부분을 형성하는 상기 솔레노이드 요크(24)의 내연을 따라 배치된다. 상기 플런저(27)는 상기 고정 코어(23)의 하나의 반경방향 내부 흡인면(S1)에 대향하여 배치되고, 상기 솔레노이드 코일(21)의 내연을 따라 축방향으로 이동가능하게 되도록 배치된다. 상기 조인트(28)는 상기 플런저(27)의 운동을 시프트 레버(7)로 전달한다.
도 3은 스타터(1)의 엔진 시동 장치를 나타내는 전기 회로도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 솔레노이드 코일(21)은 커넥터 단자(29)에 연결되는 일단부 및 예를 들면 용접 등에 의하여 상기 고정 코어(23)의 표면에 고정되어 접지되는 타단부를 구비한다. 스타터 릴레이(starter relay)(30)에 연결되는 전기 배선은 상기 커넥터 단자(29)에 연결된다.
상기 스타터 릴레이(30)는 ECU(2)의 온/오프(on/off) 제어에 의해 제어된다. 상기 스타터 스위치(30)가 턴온 제어되는 경우, 전류는 스타터 릴레이(30)를 통해 배터리(9)로부터 솔레노이드 코일(21)로 흐른다.
상기 고정 코어(23)가 솔레노이드 코일(21)로의 전류의 공급으로 자화될 때, 상기 플런저(27)는 고정 코어(23)와 플런저(27) 사이에 배치되는 리턴 스프링(31)의 반발력에 대항하여 상기 고정 코어(23)의 흡인면(S1)으로 흡인된다. 그런 다음, 상기 솔레노이드 코일(21)로의 전류 공급이 중단될 때, 상기 플런저(27)는 리턴 스프링(31)의 반발력에 의하여 고정 코어(23)에 반대되는 방향(도 2에서 좌측)으로 뒤로 푸시된다. 상기 플런저(27)는 대체로 그의 반경방향 중앙부에 형성되는 원통형 구멍을 갖는 원통 형태를 갖는다. 상기 원통형 구멍은 플런저(27)의 축방향 일단에서 개방되고, 그의 타단에 바닥면을 갖는다.
막대(rod) 형태를 갖는 상기 조인트(28)는 구동 스프링(미도시)과 함께 플런저(27)의 상기 원통형 구멍으로 삽입된다. 그러므로 상기 조인트(28)는 플런저(27)의 원통형 구멍으로부터 돌출하는 일단부를 구비한다. 이 조인트(28)의 일단부는 상기 시프트 레버(7)의 일단부와 결합하는 결함홈(28a)을 갖고 형성된다. 상기 조인트(28)의 타단부에는 플랜지부가 제공된다. 상기 플랜지부는 그 플랜지부가 원통형 구멍의 내연을 따라 미끄럼 이동가능하게 될 수 있는 외경을 갖는다. 상기 구동 스프링에 의해 로딩(loading)되는 플랜지부는 상기 원통형 구멍의 바닥면에 대하여 가압된다.
상기 플런저(27)의 운동으로, 상기 전기 모터에 반대되는 방향으로 푸시된 상기 피니언(19)의 단면(end face)(19a)(도 1 참조)은 상기 링 기어(3)의 단면(3a)(도 1 참조)과 접촉하게 된다. 그런 다음, 상기 구동 스프링은 휘어질 수 있게 되고, 상기 플런저(27)는 이동될 수 있게 되며, 상기 고정 코어(23)의 흡인면(S1)으로 흡인된다. 그러므로 상기 구동 스프링은 피니언(19)이 링 기어(3)에 치합시키기 위한 반발력을 축적한다.
상기 모터 통전용 스위치(10)는 상기 스위치 코일(22), 가동 코어(32), 접점 커버(33), 두 개의 단자 볼트(34, 35), 한 쌍의 고정 접점(36), 및 가동 접점(37)을 포함한다. 상기 스위치 코일(22)은 제2 단(E2) 측에서 상기 전체 단일 요크의 일부분을 형성하는 스위치 요크(25)의 내연을 따라 배치된다. 상기 가동 코어(32)는 고정 코어(23)의 반경방향 다른 내부 흡인면(S2)을 마주하고, 상기 스위치 코일(22)의 축방향(AX)으로 이동될 수 있도록 된다. 수지재로 이루어지는 상기 접점 커버(33)는 상기 전체 단일 요크의 개방단 즉 제2 단(E2)(스위치 요크(25)의 개방단)을 폐쇄하도록 조립된다. 상기 두 개의 단자 볼트(34, 35)는 접점 커버(33)에 고정된다. 상기 한 쌍의 고정 접점(36)은 상기 두 개의 단자 볼트(34, 35)에 고정된다. 상기 가동 접점(37)은 한 쌍의 고정 접점(36) 사이에서 전기적으로 접속/접속해제된다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 스위치 코일(22)은 외부 단자(38)에 연결되는 일단 및 예를 들면 용접 등에 의해 고정 코어(23)의 표면에 고정되어 접지되는 타단을 구비한다. 상기 외부 단자(38)는 ECU(2)에 연결되는 전기 배선에 연결을 위하여 상기 접점 커버(33)의 축단면으로부터 돌출되게 제공된다.
상기 스위치 코일(22)은 축방향 자로 부재(39)가 자로(magnetic path)의 일부분을 형성하도록 배치되는 반경방향 외연 측을 구비한다. 또한, 상기 스위치 코일(22)은 반경방향 자로 부재(40)가 자로의 일부분을 형성하도록 배치되는 상기 고정 코어에 반대되는 축방향 측을 구비한다.
상기 축방향 자로 부재(39)는 원통 형태를 가지며, 상기 스위치 요크(25)로 삽입되되, 이들 사이에 실질적으로 갭(gap)이 형성되지 않도록 그 스위치 요크의 내연을 따라 삽입된다. 상기 축방향 자로 부재(39)는 제1 단(E1) 측에 축방향 단면을 구비하고, 축방향 단면은 축방향 자로 부재(39)의 축방향 위치를 결정하도록 상기 고정 코어(23)의 반경방향 외측 단면과 접촉하게 된다.
상기 반경방향 자로 부재(40)는 상기 스위치 코일(22)의 축에 직교하게 배치된다. 상기 반경방향 자로 부재(40)는 제1 단(E1) 측에 반경방향 외측 단면(end surface)을 구비하고, 상기 외주 단면은 축방향 자로 부재(39)의 축방향 단면과 접촉하게 되어 상기 스위치 코일(22)에 대하여 반경방향 자로 부재(40)의 위치를 제한한다. 상기 반경방향 자로 부재(40)는 그의 반경방향 중앙부에 원형 개구를 구비하여 상기 가동 코어(32)가 이 원형 개구를 통해 축방향(AX)으로 이동할 수 있게 된다.
상기 고정 코어(23)는 스위치 코일(22)에 전류를 공급함에 따라 자화된다. 그런 다음, 상기 가동 코어(32)는 고정 코어(23)와 가동 코어(32) 사이에 배치되는 리턴 스프링(41)의 반발력에 대항하여 상기 고정 코어(23)의 흡인면(S2)으로 흡인된다. 상기 스위치 코일(22)로의 전류 공급이 중단되는 경우, 상기 가동 코어(32)는 리턴 스프링(41)의 반발력에 의하여 고정 코어(23)에 반대되는 방향인(도 2에서 우측) 뒤쪽으로 푸시된다.
상기 접점 커버(33)는 원통형 다리부(leg portion)(33a)를 구비한다. 상기 다리부(33a)는 그의 내연을 따라 제2 단(E2) 측에서 전체 단일 요크의 일부분을 형성하는 상기 스위치 요크(25)로 삽입된다. 상기 접점 커버(33)는 반경방향 자로 부재(40)의 표면과 접촉하게 되는 상기 다리부(33a)의 단면을 갖고 배치되고, 상기 전체 단일 요크의 개방단, 즉 제2 단(E2)에 콕킹되어 고정된다.
상기 두 개의 단자 볼트 중 하나인 단자 볼트(34)는 배터리 케이블(42)(도 3 참조)이 연결되는 B 단자 볼트(34)이다. 상기 두 개의 단자 볼트 중 다른 하나인 단자 볼트(35)는 모터 리드(43)(도 1 및 도 3 참조)가 연결되는 M 단자 볼트(35)이다. 상기 두 개의 단자 볼트(34, 35)와 별개로 제공되는(또는 일체로 제공될 수 있는) 상기 한 쌍의 고정 접점(36)은 상기 접점 커버(33)의 내측에서 두 개의 단자 볼트(34, 35)와 전기적으로 접촉하고, 상기 접점 커버(33)에 기구적으로 고정된다.
상기 가동 접점(37)은 그 가동 접점(37)으로부터 상기 가동 코어까지의 거리가 상기 한 쌍의 고정 접점(36)으로부터 가동 코어까지의 거리보다 크도록 배치된다(도 2에서 우측). 상기 가동 접점(37)은 접점-압력 스프링(45)의 하중(load)을 제공받고, 상기 가동 코어(32)에 고정된 수지 로드(44)의 단면에 대하여 가압된다. 상기 리턴 스프링(41)의 초기 하중은 상기 접점-압력 스프링(45)의 하중보다 높게 설정되는 것임을 알 수 있다. 따라서, 상기 스위치 코일(22)에 전류가 흐르지 않을 때, 상기 가동 접점(37)은 수축된 상기 접점-압력 스프링(45)에 의해서 상기 접점 커버(33)의 내측 안착부(33b)에 안착된다.
전술한 모터 접점은 한 쌍의 고정 접점(36)과 가동 접점(37)으로 형성된다. 상기 접점-압력 스프링(45)에 의해 편향됨으로써, 상기 가동 접점(37)은 소정의 가압력을 갖고 상기 한 쌍의 고정 접점(36)과 접촉하게 된다. 그 결과, 전류는 가동 접점(37)을 통해 한 쌍의 고정 접점(36) 간이 통전되고, 이에 따라 모터 접점은 폐쇄된다. 상기 가동 접점(37)이 한 쌍의 고정 접점(36)으로부터 떨어질 경우, 상기 한 쌍의 고정 접점(36) 간의 전류 공급은 중단되고, 이에 따라 모터 접점은 개방된다.
a) 도 4의 (a) 내지 (d) 및 도 6 내지 도 9를 참조하여 엔진 정지 과정에서 링 기어(3)의 회전수가 감소하고, 엔진 재시동이 요구되는 제1 상황을 예를 들어 그 동작을 설명한다.
도 4의 (a)는 회전수가 감소하는 링 기어(3)로 피니언(19)이 전진 이동하는 과정을 나타낸 것이다. 도 4의 (b)는 피니언(19)의 단면(19a)이 링 기어(3)의 단면(3a)과 접촉하는 상태를 나타낸 것이다. 도 4의 (c)는 피니언(19)과 링 기어(3)의 위치가 회전 방향으로 상대적으로 벗어나는 과정(위치 이탈 과정)을 나타낸 것이다. 도 4의 (d)는 피니언(19)이 감속 상태의 링 기어(3)와 치합하게 되는 상태를 나타낸 것이다.
도 6은 엔진 정지 과정에서의 엔진 속도(Neg)와 수평축에 나타낸 시간을 나타낸 그래프이다. 도 6에서, "X"는 엔진 정지 신호의 발생 지점을 나타내고, "Cm"은 운전자의 자유의지에 의하여 엔진 재시동 요구가 주어질 때의 지점을 나타내고, "Sp"는 피니언-푸싱 솔레노이드(8)의 작동 개시 지점을 나타내고, "δN"은 링 기어(3)와 피니언(19)의 상대 회전수를 나타내며, "Mp"는 모터 통전용 스위치(10)의 작동 개시 지점을 나타낸다.
도 6의 지점 X에서 엔진 정지 신호의 발생 이후, 지점 Cm에서 운전자에 의해 엔진 재시동 요구가 주어질 수 있다. 그런 다음, 상기 ECU(2)는 상기 요구가 주어질 때의 링 기어(3)의 회전수를 RPM 검출기(4)가 출력하도록 한다. 상기 링 기어(3)의 회전수가 소정 회전수보다 작으면, 상기 스타터 릴레이(30)는 상기 링 기어(3)와 피니언(19)의 상대 회전수가 δN에 도달할 때, 상기 지점(도 6의 지점 Sp)에서 제어되고 턴온 된다. 이 지점에서, 상기 모터 통전용 스위치(10)는 작동되지 않기 때문에(스위치 코일(22)에 전류가 통하지 않기 때문에), 상기 모터(5)의 회전수는 "0"이다. 따라서, 상기 상대 회전수는 δN = 링 기어(3)의 회전수로 표현될 수 있다.
상기 스타터 릴레이(30)가 폐쇄될 때, 전류는 배터리(9)로부터 피니언-푸싱 솔레노이드(8)의 솔레노이드 코일(21)로 공급된다. 그런 다음, 상기 플런저(27)는 자화된 고정 코어(23)로 끌어당겨져(흡인되어) 이동된다. 상기 플런저(27)의 이동으로, 상기 피니언 이동체(클러치(18) 및 피니언(19))는 시프트 레버(7)를 통해 모터에 반대되는 방향으로 푸시된다. 그런 다음, 도 4의 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이, 상기 피니언(19)은 회전수가 감소하는 링 기어(3)로 전진 이동한다. 그 결과, 상기 피니언(19)의 단면(19a)은 링 기어(3)의 단면(3a)에 대하여 소정의 하중(F1)을 갖고 가압된다. 이 경우, 상기 링 기어(3)가 피니언(19)을 회전시키려 하는 회전 토크(T1)는 다음의 식(1)으로 표현될 수 있다.
T1 = F1×rp×μ1 ...(1)
여기에서 μ1은 피니언(19)의 단면(19a)과 링 기어의 단면(3a) 간의 마찰 계수이고, rp는 피니언(19)의 피치원 반경(pitch circle radius)(도 7 참조)이다.
이 경우, 아이들링 상태(idling state)에서의 클러치(18)의 회전 토크(T2)는 상기 회전 토크(T1)보다 작게 설정(T1＞T2)될 수 있다. 그러므로 상기 피니언(19)의 회전은 링 기어(3)의 회전을 따라돌고(catch up), 그 링 기어의 회전과 동기화된다. 이와 관련하여, 상기 피니언(19)의 단면(19a)과 링 기어(3)의 단면(3a) 중 적어도 어느 하나는 마찰계수 증가수단으로 형성될 수 있어, 마찰 계수는 피니언(19) 또는 링 기어(3) 중 어느 하나의 기어치(teeth) 각각에서 증가할 수 있다.
예를 들면, 상기 피니언(19)의 단면(19a)을 나타낸 도 8에 나타낸 바와 같이, 복수의 홈(19b)이 단면(19a)에 형성될 수 있다. 이 경우, 각 홈(19b)은 피니언의 모듈보다 작은 깊이를 갖는다. 바람직하게 상기 깊이는 모듈의 1/n(n은 9 이하의 양의 정수)보다 작다. 상기 모듈은 피니언의 사이즈(size)를 가리킨다. 그러므로 상기 피니언(19)의 단면(19a)과 링 기어(3)의 단면(3a) 간의 마찰력은 그 두 단면이 서로 접촉하게 될 때 증가할 수 있다. 따라서, 상기 피니언(19)의 회전은 링 기어(3)의 회전과 즉각적으로 동기화될 수 있다.
동기화의 순간으로부터도, 상기 링 기어(3)는 여전히 감속 회전을 계속한다. 그러나 상기 클러치(18)가 이제는 연결 측(토크 전달 측)이기 때문에, 상기 링 기어(3)로부터 피니언(19)에 의해 제공받는 회전 토크는 전기 모터(5)의 전기자(14)를 회전시키는 토크(T3)로 될 수 있다. 도 9는 브러시를 갖는 전기 모터(5)의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 상기 브러시(16)가 마찰계수(μc)를 갖는 반경(rc)을 구비한 정류기(13)의 외연에 대하여 가압되는 경우, 상기 전기자(14)를 회전시키는 상기 회전 토크(T3)는 다음의 식 (2)으로 표현될 수 있다.
T3 = F2×rc×μc ...(2)
이 경우, 상기 전기자(14)를 회전시키기 위한 회전 토크(T3)는 아이들 상태에서 상기 클러치(18)의 회전 토크(T2)보다 크게 설정(T3＞T2)될 수 있다. 그러므로 상기 피니언(19)과 링 기어(3)의 단면들 사이에서 발생하는 마찰력은 상기 전기자(14)를 회전시키는 회전 토크(T3)보다 작게 될 수 있다. 따라서, 상기 피니언(19)은 링 기어(3)의 회전과 동기화를 유지하는 회전수를 감소시키지 않을 수 있다. 대신에, 도 4의 (c)에 나타낸 바와 같이, 상기 링 기어(3)는 회전방향에 반대되는 방향으로 상기 피니언(19)에 대하여 벗어(위치 이탈)날 수 있다(도 4의 (c)에서 우측). 그 결과, 도 4의 (d)에 나타낸 바와 같이, 상기 피니언(19)의 기어치 각각은 링 기어(3)의 기어치 사이에 푸시되고, 이에 따라 상기 피니언(19)과 링 기어(3) 간의 치합이 달성된다.
상기 피니언(19)과 링 기어(3) 간의 치합이 완료된 다음, 소정 시간(도 6의 Mp 지점)이 경과 한 후, 상기 ECU(2)는 모터 통전용 스위치(10)에 턴-온(turn-on) 신호를 출력한다.
상기 모터 통전용 스위치(10)의 스위치 코일(22)을 통해 전류가 통할 때, 상기 가동 코어(32)는 고정 코어(23)에 흡인되어 가동 접점(37)이 한 쌍의 고정 접점(36)에 접촉하도록 한다. 그런 다음, 접점-압력 스프링(45)에 의해 편향됨으로써, 모터 접점은 폐쇄된다. 그 결과, 전류는 배터리(9)로부터 모터(5)로 공급되어 전기자(14)에 토크를 발생시킨다. 그런 다음, 상기 토크는 감속 기어(17)를 통해 출력 샤프트(6)로 전달된다. 또한, 상기 출력 샤프트(6)의 토크는 클러치(18)를 통해 피니언(19)으로 전달된다. 상기 피니언(19)은 링 기어(3)와 이미 치합되어 있기 때문에, 상기 피니언(19)의 회전은 그대로 링 기어(3)로 전달된다. 이와 같이 도 6의 그래프에서 점선으로 나타낸 바와 같이, 엔진 속도(Neg)는 증가하고, 이에 따라 엔진은 재시동 된다.
b) 도 5의 (a) 내지 (d)를 참조하여, 엔진 정지 과정에서 링 기어(3)의 회전수가 감소하고, 엔진 재시동 요구가 발생하는 제2 상황을 예로 들어 그의 동작을 설명한다.
상기 제2 상황에서, 상기 피니언 이동체(클러치(18) 및 피니언(19))가 피니언-푸싱 솔레노이드(8)의 동작으로 링 기어 측으로 푸시될 때, 상기 피니언(19)의 기어치 각각에 형성된 챔퍼부(chamfered portion)(19c)는 링 기어(3)의 기어치 각각에 형성된 챔퍼부(3b)에 의해 걸리게 된다. 상기 피니언(19)의 챔퍼부(19c) 및 상기 링 기어(3)의 챔퍼부(3b)는 본 발명의 청구항에 인용된 홈의 일 예이다. 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 상기 챔퍼부(19c)는 피니언(19)의 각 기어치의 코너(corner)에 형성된다. 이들 챔버부(본 발명의 홈)는 피니언(19)과 링 기어(3) 중 어느 하나에 형성될 수 있다.
도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 제2 상황에서 피니언(19)의 각 챔퍼부(19c)가 링 기어(3)의 각 챔퍼부(3b)에 의해 걸리게 될 때, 상기 피니언(19)의 회전은 링 기어(3)의 회전과 즉각적으로 동기화된다. 이와 관련하여 제1 상황과 유사하게, 아이들 상태에서 클러치(18)의 회전 토크(T2)는 상기 링 기어(3) 측으로부터 피니언(19)을 회전시키는 회전 토크(T1)보다 작게 설정되고, 상기 전기자(14)의 회전 토크(T3)는 아이들 상태에서 클러치(18)의 회전 토크(T2)보다 크게 설정된다.
상기 피니언(19)의 회전이 링 기어(3)의 회전과 동기화될 때의 순간에도, 상기 링 기어(3)의 회전수는 여전히 감소를 계속한다. 따라서, 도 5의 (c)에 나타낸 바와 같이, 상기 링 기어(3)는 회전 방향에 반대되는 방향(도 5의 (c)에서 우측)으로 피니언(19)에 대하여 벗어날 수 있다. 그 결과, 도 5의 (d)에 나타낸 바와 같이 상기 피니언(19)의 기어치 각각은 링 기어(3)의 기어치 사이에 푸시되고, 이에 따라 상기 피니언(19)과 링 기어(3) 간의 치합은 달성된다. 상기 피니언(19)과 링 기어(3) 간의 치합이 완료된 다음, 소정 시간(도 6에서 지점 Mp)이 경과된 후, 상기 ECU(2)는 모터 통전용 스위치(10)로 턴-온 신호를 출력한다. 결과적으로, 상기 모터(5)의 토크는 피니언(19)으로부터 링 기어(3)로 전달되고, 이에 따라 엔진은 재시동 된다.
본 발명의 엔진 시동 장치에서, 상기 피니언-푸싱 솔레노이드(8)는 피니언(19)의 단면(19a)이 링 기어(3)의 단면(3a)과 접촉하게 되도록 작동된다. 이러한 접촉으로, 상기 피니언(19)의 단면(19a)은 소정 하중(F1)이 가해지는 링 기어(3)의 단면(3a)에 대하여 가압된다. 한편, 아이들 상태에서의 클러치(18)의 회전 토크(T2)는 피니언(19)을 회전시키려 하는 감속 상태의 링 기어(3)의 회전 토크(T1)보다 작게 설정된다. 따라서, 상기 피니언(19)의 회전은 링 기어(3)의 회전과 순간적으로 동기화될 수 있다. 그 결과, 상기 링 기어(3)와 피니언(19) 사이에 즉각적인 치합이 이루어질 수 있게 된다.
전술한 구성 및 설명에 따르면, WO 2007/101770에 제안된 고가의 모터회전 제어 드라이버는 필요하지 않다. 따라서, 엔진 시동 장치는 저비용으로 제공될 수 있다.
WO 2007/101770에 제안된 종래 기술에서, 피니언(19)의 회전수가 링 기어의 회전수와 동기화하도록 하는데 회전수는 피드백되어야만 한다. 그러나 본 발명의 엔진 시동 장치에 따르면, 상기 피니언(19)의 회전은 링 기어(3)의 회전과 순간적으로 동기화될 수 있다. 그러므로 회전수는 피드백될 필요는 없다. 또한, 엔진 재시동이 요구되고, 링 기어의 회전수가 감소하는 경우, 상기 피니언(19)은 링 기어와 신뢰성 있게 치합하게 될 수 있어 엔진은 단시간에 재시동 된다.
본 발명의 엔진 시동 장치는 스타터를 이용하는 일반적인 엔진 시동 장치(즉, 피니언(19)의 단면(19a)이 소정 하중이 가해지는 링 기어(3)의 단면(3a)과 치합하고, 그런 다음 모터(5)의 토크에 의해 치합이 강제적으로 이루어지는 장치)와 다르다. 특히 본 발명의 엔진 시동 장치는 피니언(19)과 링 기어(3)를 치합시키기 위하여 엔진 정지 과정에서의 링 기어(3)의 관성 회전(즉, 관성으로 인한 회전)을 이용한다. 따라서, 상기 피니언(19)의 기어치와 링 기어(3)의 기어치 사이에 부과된 하중은 경감되고, 상기 링 기어(3)와 피니언(19) 간의 마모를 현저히 감소시키는 효과를 제공하게 된다. 그러므로 본 발명의 엔진 시동 장치는 스타터(1)의 작동 횟수가 현저히 증가하는 아이들 스톱 시스템에 적절히 이용될 수 있다.
스타터를 이용하는 일반적인 엔진 시동 장치에서, 피니언은 정지 상태를 유지하고 전기 모터(5)의 토크를 이용하는 링 기어와 치합하게 된다. 따라서, 상기 치합이 한번에 성공하지 못하면, 피니언(19)과 링 기어(3)의 상대 회전수는 시간 흐름에 따라 증가할 수 있고, 더 이상 치합은 불가능하게 된다. 이와 관련하여 본 발명의 엔진 시동 장치에 따르면, 피니언(19)의 회전은 링 기어(3)의 회전수가 감소하는 과정 동안 링 기어(3)의 회전과 동기화된 다음, 치합이 이루어진다. 그러므로 피니언(19)과 링 기어(3)의 상대 회전수는 시간 흐름에 따라 근사하게 되고, 이에 따라 치합은 용이하게 달성될 수 있다. 따라서, 스타터를 이용하는 일반적인 엔진 시동 장치에 비하여, 본 발명의 엔진 시동 장치는 피니언(19)과 링 기어(3) 간의 치합의 실패 가능성을 현저하고 높은 신뢰성으로 감소시킬 수 있다.
(변형 예들)
전술한 실시 예에서, 스타터 릴레이(30)는 엔진 재시동이 요구될 때의 지점에서 링 기어(3)의 회전수가 소정 회전수보다 작은 조건, 및 링 기어(3)와 피니언 기어(19)의 상대 회전수가 δN에 도달(링 기어(3)의 회전수 = δN)하는 조건하에서 피니언-푸싱 솔레노이드(8)를 작동(이 지점에서, 모터 통전용 스위치(10)의 스위치 코일(22)에 전류는 아직 공급되지 않음)시키도록 턴온 된다. 그러나 엔진 재시동이 요구되는 지점에서 링 기어(3)의 회전수가 소정 회전수보다 클 때, 상기 모터 통전용 스위치(10)는 피니언-푸싱 솔레노이드(8)의 작동 이전에 작동될 수 있고, 뒤이어 링 기어(3)와 피니언(10)의 상대 회전수가 δN에 도달할 때의 지점에서 피니언-푸싱 솔레노이드(8)를 작동시킨다. 이 경우, 링 기어(3)의 회전수가 소정 회전수 이상으로 되도록 대기할 필요가 없게 된다. 따라서, 엔진 재시동은 짧은 시간에 실행될 수 있다.
이러한 변형 예에서, 링 기어(3)와 피니언(19)의 상대 회전수는 RPM 검출기(4)에 의해 검출된 링 기어(3)의 회전수 및 모터의 회전수의 추정 상승 곡선(모터(5)의 상승 곡선)에 따르는 미리설정된 로직(logic)에 근거하여 결정될 수 있다.
1: 스타터
2: ECU
3: 링 기어
4: RPM 검출기
5: 전기 모터
6: 출력 샤프트
7: 샤프트 레버
8: 피니언-푸싱 수단
10: 모터 통전용 스위치
18: 일방향 클러치
19: 피니언

Claims (20)

  1. 회전력을 발생하도록 전류의 공급을 제공받는 전기 모터(5);
    외주면을 구비하고, 상기 회전력에 의해 회전되는 출력 샤프트(6);
    상기 출력 샤프트의 외주면에 헬리컬-스플라인-끼워맞춤(helical-spline-fitted)되는 일방향 클러치(18);
    상기 일방향 클러치를 통해 상기 회전력을 제공받는 피니언(19);
    상기 일방향 클러치와 함께 상기 피니언을 엔진의 링 기어 측으로, 상기 링 기어가 관성에 의해 회전하고 있는 상태에서, 푸시하는 피니언 푸싱 수단(8) -상기 일방향 클러치의 아이들링 토크(idling torque)는, 상기 링 기어가 푸시된 상기 피니언과 접촉하여 회전하고 있는 상태에서 상기 피니언을 회전시키려는 상기 링 기어의 토크보다 작도록 설정되고, 상기 피니언은 상기 링 기어의 반경보다 작은 반경을 가짐-;
    상기 전기 모터로 공급되는 전류를 턴온/턴오프(turn on/off)하고, 상기 피니언 푸싱 수단과 독립되게 작동하는 전류 스위칭 수단(10);
    상기 링 기어의 회전수를 검출하는 회전수 검출 수단(4); 및
    상기 회전수 검출 수단에 의해 검출된 상기 링 기어의 회전수와 상기 전기 모터의 회전 속도로부터 얻어진 상기 피니언의 회전수 간의 차이인 상대 회전수가, 상기 링 기어의 회전수가 상기 피니언의 회전수 보다 큰 상태에서 얻어지는 원하는 값에 도달할 때, 상기 피니언 푸싱 수단이 상기 피니언을 푸시하도록 하는 제어 수단(2)을 포함하는
    엔진 시동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력 샤프트는 그 출력 샤프트의 길이방향을 따르는 축방향을 제공하고,
    상기 링 기어는 복수의 기어치(teeth)가 형성되는 제1 주면을 구비하되, 상기 링 기어의 기어치는 상기 피니언을 마주하고 상기 축방향으로 지향되는 제1 축단면(3a)을 구비하고,
    상기 피니언은 복수의 기어치가 형성되는 제2 주면을 구비하되, 상기 피니언의 기어치는 상기 링 기어를 마주하고 상기 축방향으로 지향되는 제2 축단면(19a)을 구비하며,
    상기 제1 축단면과 상기 제2 축단면 중 적어도 하나에 형성되고, 상기 링 기어와 피니언의 회전 방향에 교차하는 방향으로 홈(3b, 19c)이 형성되는
    엔진 시동 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 출력 샤프트는 그 출력 샤프트의 길이 방향을 따르는 축방향을 제공하고,
    상기 링 기어는 복수의 기어치(teeth)가 형성되는 제1 주면을 구비하되, 상기 링 기어의 기어치는 상기 피니언을 마주하고 상기 축방향으로 지향되는 제1 축단면(3a)을 구비하고,
    상기 피니언은 복수의 기어치가 형성되는 제2 주면을 구비하되, 상기 피니언의 기어치는 상기 링 기어를 마주하고 상기 축방향으로 지향되는 제2 축단면(19a)을 구비하며,
    상기 제1 축단면과 상기 제2 축단면 중 적어도 하나에 마찰력을 증가시키기 위한 마찰계수 증가 수단(19b)이 형성되는
    엔진 시동 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 홈은 상기 링 기어와 피니언 중 적어도 하나에 형성된 챔퍼부(chamfered portion)(3b, 19c)이고,
    상기 챔퍼부는 i) 상기 제1 주면 및 상기 제1 축단면 모두에 교차하는 챔퍼부, 및 ii) 상기 제2 주면 및 상기 제2 축단면 모두에 교차하는 챔퍼부 중 적어도 하나로 되는
    엔진 시동 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 마찰계수 증가 수단(19b)은 복수의 홈(19b)으로 구성되는
    엔진 시동 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 홈 각각은 상기 피니언과 링 기어 중 적어도 하나의 모듈보다 작은 깊이를 갖고,
    상기 모듈은 상기 피니언과 링 기어 중 적어도 하나의 사이즈를 가리키는
    엔진 시동 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 홈의 깊이는 상기 모듈의 1/n보다 작고,
    상기 n은 9 이하의 양의 정수인
    엔진 시동 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 모터는 전기자, 상기 전기자에 배치되는 정류기(13), 상기 정류기의 일면과 접촉하는 브러시(16) 및 상기 브러시를 상기 정류기의 일면으로 푸시하는 스프링을 구비하는 브러시 타입 DC 모터이고,
    상기 전기자는 상기 일방향 클러치의 아이들링 토크보다 큰 토크를 갖는
    엔진 시동 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전기 모터의 회전 속도를 감속시키고, 상기 출력 샤프트에 상기 전기 모터의 감속된 회전 속도를 전달하는 감속 장치(17)를 더 포함하는
    엔진 시동 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은 상기 피니언의 푸싱 동작의 개시 이후 소정 시간이 경과될 때, 상기 전류 스위칭 수단(10)이 동작 개시될 수 있도록 하는 딜레이 수단(delay means)을 포함하는
    엔진 시동 장치.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 모터는 전기자, 상기 전기자에 배치되는 정류기(13), 상기 정류기의 일면과 접촉하는 브러시(16) 및 상기 브러시를 상기 정류기의 일면으로 푸싱하는 스프링을 구비하는 브러시 타입 DC 모터이고,
    상기 전기자는 상기 일방향 클러치의 아이들링 토크보다 큰 토크를 갖는
    엔진 시동 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전기 모터의 회전 속도를 감속시키고, 상기 출력 샤프트에 상기 전기 모터의 감속된 회전 속도를 전달하는 감속 장치(17)를 더 포함하는
    엔진 시동 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어 수단은 상기 피니언의 푸싱 동작의 개시 이후 소정 시간이 경과될 때, 상기 전류 스위칭 수단(10)이 동작 개시될 수 있도록 하는 딜레이 수단을 포함하는
    엔진 시동 장치.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 출력 샤프트는 그 출력 샤프트의 길이 방향을 따르는 축방향을 제공하고,
    상기 링 기어는 복수의 기어치(teeth)가 형성되는 제1 주면을 구비하되, 상기 링 기어의 기어치는 상기 피니언을 마주하고 상기 축방향으로 지향되는 제1 축단면(3a)을 구비하고,
    상기 피니언은 복수의 기어치가 형성되는 제2 주면을 구비하되, 상기 피니언의 기어치는 상기 링 기어를 마주하고 상기 축방향으로 지향되는 제2 축단면(19a)을 구비하며,
    상기 제1 축단면과 상기 제2 축단면 중 적어도 하나에 마찰력을 증가시키기 위한 마찰계수 증가 수단(19b)이 형성되는
    엔진 시동 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 마찰계수 증가 수단(19b)은 복수의 홈(19b)으로 구성되고,
    상기 홈의 각각은 상기 피니언과 링 기어 중 적어도 하나의 모듈보다 작은 깊이를 갖고,
    상기 모듈은 상기 피니언과 링 기어 중 적어도 하나의 사이즈를 가리키는
    엔진 시동 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 모터는 전기자, 상기 전기자에 배치되는 정류기(13), 상기 정류기의 일면과 접촉하는 브러시(16) 및 상기 브러시를 상기 정류기의 일면으로 푸시하는 스프링을 구비하는 브러시 타입 DC 모터이고,
    상기 전기자는 상기 일방향 클러치의 아이들링 토크보다 큰 토크를 갖는
    엔진 시동 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전기 모터의 회전 속도를 감속시키고, 상기 출력 샤프트에 상기 전기 모터의 감속된 회전 속도를 전달하는 감속 장치(17)를 더 포함하는
    엔진 시동 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제어 수단은 상기 피니언의 푸싱 동작의 개시 이후 소정 시간이 경과될 때, 상기 전류 스위칭 수단(10)이 동작 개시될 수 있도록 하는 딜레이 수단을 포함하는
    엔진 시동 장치.
  19. 제2항에 있어서,
    상기 모터는 전기자, 상기 전기자에 배치되는 정류기(13), 상기 정류기의 일면과 접촉하는 브러시(16) 및 상기 브러시를 상기 정류기의 일면으로 푸시하는 스프링을 구비하는 브러시 타입 DC 모터이고,
    상기 전기자는 상기 일방향 클러치의 아이들링 토크보다 큰 토크를 갖는
    엔진 시동 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전기 모터의 회전 속도를 감속시키고, 상기 출력 샤프트에 상기 전기 모터의 감속된 회전 속도를 전달하는 감속 장치(17)를 더 포함하는
    엔진 시동 장치.
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