WO2011125553A1 - スタータシステム - Google Patents

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WO2011125553A1
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ring gear
engine
motor
starter system
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French (fr)
Inventor
西岡 明
龍 解
宏泰 城吉
中里 成紀
繁彦 小俣
Original Assignee
日立オートモティブシステムズ株式会社
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02NSTARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N11/00Starting of engines by means of electric motors
    • F02N11/08Circuits or control means specially adapted for starting of engines
    • F02N11/0814Circuits or control means specially adapted for starting of engines comprising means for controlling automatic idle-start-stop
    • F02N11/0844Circuits or control means specially adapted for starting of engines comprising means for controlling automatic idle-start-stop with means for restarting the engine directly after an engine stop request, e.g. caused by change of driver mind
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02NSTARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N11/00Starting of engines by means of electric motors
    • F02N11/08Circuits or control means specially adapted for starting of engines
    • F02N11/0851Circuits or control means specially adapted for starting of engines characterised by means for controlling the engagement or disengagement between engine and starter, e.g. meshing of pinion and engine gear
    • F02N11/0855Circuits or control means specially adapted for starting of engines characterised by means for controlling the engagement or disengagement between engine and starter, e.g. meshing of pinion and engine gear during engine shutdown or after engine stop before start command, e.g. pre-engagement of pinion
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02NSTARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N15/00Other power-operated starting apparatus; Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from groups F02N5/00 - F02N13/00
    • F02N15/02Gearing between starting-engines and started engines; Engagement or disengagement thereof
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02NSTARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N2200/00Parameters used for control of starting apparatus
    • F02N2200/04Parameters used for control of starting apparatus said parameters being related to the starter motor
    • F02N2200/041Starter speed
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40Engine management systems

Definitions

  • the present invention relates to a starter system for idling stop.
  • Patent Document 1 if there is no engine restart request, the engine ring gear and the starter pinion are not meshed.
  • the gear cannot be engaged during this time (the starter can be driven only in the forward rotation direction). Therefore, if there is a restart request when the engine is rotating in the reverse direction, the starter must be used until the engine rotates in the forward direction, and the time until the engine restarts is prolonged. There is.
  • an object of the present invention is to provide a starter system capable of promptly restarting without making noise when a restart request is made while the engine is stopped.
  • the starter system includes a pinion that transmits power for starting the engine to a ring gear connected to the engine, a motor that rotates the pinion, a magnet switch that pushes the pinion to the ring gear, and the power of the motor.
  • the control device controls the motor and the magnet switch so that the rotation direction of the ring gear and the rotation direction of the pinion are both normal rotations after the engine is stopped.
  • the magnet switch is controlled so as to mesh the pinion with the ring gear.
  • the front view which shows the chamfering position of a pinion and a ring gear.
  • the perspective view which shows the chamfering position of a pinion.
  • the perspective view which shows the chamfering position of a ring gear.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the starter and the ring gear.
  • the ring gear 2 is directly connected to the crankshaft of the engine, and the rotation of the ring gear 2 and the rotation of the engine are integrated, but only the ring gear is shown in a simplified manner in the figure.
  • the starter 1 is attached to the outer wall of the engine, and the engine is started by engaging the pinion 3 with the ring gear 2 and rotating it.
  • the rotational power of the pinion 3 is generated by the motor 5 and the rotation of the motor output shaft is decelerated by the speed reduction mechanism 21 to increase the torque and transmit it to the pinion.
  • a one-way clutch 4 is provided between the motor 5 and the pinion 3.
  • the one-way clutch 4 is configured such that power is transmitted only in the direction from the motor 5 toward the engine.
  • the rotational speed of the ring gear 2 becomes a synchronous speed corresponding to the reduction ratio with respect to the rotational speed of the motor 5, or is faster than that. It becomes the rotation speed. That is, when the ring gear 2 tries to lower than the synchronization speed of the motor 5, the one-way clutch 4 transmits power, so that the rotation speed of the ring gear 2 does not fall below the synchronization speed with respect to the motor 5.
  • the one-way clutch 4 does not transmit power from the ring gear 2 to the motor 5 side. That is free.
  • the synchronous speed here refers to the speed at which the pinion and the ring gear are engaged with each other and rotated.
  • the power that causes the pinion 3 to jump into the ring gear 2 is generated by the magnet switch 6.
  • the magnet switch 6 includes an electromagnet inside, and pulls the plunger 7 directly by attracting the plunger 7 existing at the center thereof by electromagnetic force.
  • the plunger 7 When the plunger 7 is attracted by the magnet switch 6, its movement moves the one-way clutch 4 via the shift lever 8, and the pinion 3 moves in the axial direction. That is, the pinion 3 and the one-way clutch 4 move together on the same axis. Therefore, to engage the pinion 3 with the ring gear 2, the magnet switch 6 is energized to cause the pinion to jump in, and when the engagement is released, the magnet switch 6 is de-energized.
  • the motor 5 and the magnet switch 6 are controlled by the control device 20.
  • the control device 20 may be an engine control unit (ECU) or an independent control device for controlling the starter 1.
  • FIG. 6 shows an example in which the control device 20 is arranged away from the starter 1.
  • the control device 20 is an independent control device for controlling the starter 1
  • the control device 20 and the starter 1 are arranged. 1 may be an integrated structure.
  • the control device 20 When the control device 20 stops as an idling stop, the control device 20 pushes the pinion 3 to the ring gear 2 regardless of whether the engine is requested to restart. Therefore, even if the engine rotates in the reverse direction while the engine is stopped and a restart request is generated, the operation of engaging the pinion with the ring gear is in progress, and the engine can be restarted immediately. . In addition, since the vehicle can be stopped immediately when the engine is no-load or sufficiently low, no time is required to confirm that a restart request does not occur immediately after looking at the situation for a while. , The time to stop the engine is increased, and the fuel efficiency can be improved and the carbon dioxide emission can be reduced.
  • the control device 20 When pushing out the pinion 3 while the engine is stopped, the control device 20 once rotates the motor 5 during inertial rotation of the engine after the engine is stopped, and then stops supplying power to rotate the motor 5. During the inertia rotation, the magnet switch 6 is controlled so that the pinion 3 is pushed out to the ring gear 2.
  • FIG. 7 is a diagram showing the jump-in timing of the pinion 3 in relation to the engine speed.
  • the horizontal axis is time, and the vertical axis is the rotation speed.
  • the rotational speed of the engine indicated by the solid line is an example of an actually measured value when the engine is simply stopped.
  • the rotational speed of the engine and the rotational speed of the ring gear 2 are the same.
  • the rotational speed of the pinion 3 is converted into the rotational speed of the ring gear 2 to be synchronized and displayed by a broken line.
  • the control device 20 energizes the magnet switch 6 at the timing of the arrow 101 to cause the pinion to jump in. Then, the pinion 3 contacts the ring gear 2 at the timing of the arrow 102.
  • the control device 20 controls the pinion 3 so that the rotational speed of the ring gear 2 at the moment when the pinion 3 contacts the ring gear 2 by jumping is higher than the rotational speed synchronized with the rotational speed of the pinion 3. Jump in.
  • this timing is appropriate when the speed difference is greater than 0 revolutions per minute and less than 80 revolutions per minute. Even if the relative speed difference at the moment when the pinion contacts the ring gear is too large, it takes time to insert.
  • the pinion 3 After the pinion 3 comes into contact with the ring gear 2, the pinion 3 is inserted when the pinion teeth come between the teeth of the ring gear 2, and the ring gear 2 and the pinion 3 mesh with each other so that they rotate synchronously. Become. When the rotational speed of the ring gear 2 at that time is faster than the speed synchronized with the motor 5, the one-way clutch 4 rotates without being synchronized with each other. Even in that case, after the rotational speed of the ring gear 2 is decelerated to the rotational speed synchronized with the motor 5, the rotational speed is synchronized.
  • the gear ratio is 10.
  • the control device 20 performs control so that the pinion 3 is pushed out at a timing when the rotation speed of the ring gear 2 becomes faster than 100 rpm.
  • the rotation speed of the ring gear 2 may decrease by about 130 rpm at the maximum from the moment when the pinion 3 starts to be pushed to the moment when the pinion 3 contacts the ring gear 2. I know that there is. Therefore, the control device 20 determines the contact timing between the pinion 3 and the ring gear 2 by calculating the rotational speed decrease during this time.
  • the gear ratio is defined as (number of teeth of ring gear 2) / (number of teeth of pinion 3), and (number of rotations of ring gear 2) is (number of rotations of pinion 3) / (gear). If the ratio is larger, the rotation speed of the ring gear 2 is described as being faster than the rotation speed synchronized with the rotation speed of the pinion 3.
  • FIG. 1 is a front view related to the pinion 3 and the ring gear 2, and the dive of the pinion 3 is performed by moving from the back of the page to the front.
  • the direction of forward rotation of the pinion 3 is indicated by an arrow 9
  • the direction of forward rotation of the ring gear engaged therewith is indicated by an arrow 10.
  • the chamfer 12 provided in the forward rotation direction of the pinion 3 is effective when meshing the pinion while the engine is stopped.
  • the chamfer 13 applied on the opposite side to the traveling direction of the pinion 3 is effective for the first engine start, and is useful when the ring gear 2 is stationary and meshed while rotating the pinion 3. Note that the chamfer 13 may be omitted when the pinion 3 is always engaged when the engine is stopped.
  • the chamfers 14 and 15 applied to the ring gear 2 exist on the back side of the page, they are indicated by broken lines which are hidden lines.
  • the chamfer 15 provided on the opposite side of the forward rotation direction of the ring gear 2 is effective when the pinion 3 is engaged with the engine while the engine is stopped.
  • the chamfer 14 applied in the traveling direction of the ring gear 2 is effective for the first engine start. Therefore, the chamfer 12 and the chamfer 15 have the same role, and similarly, the chamfer 13 and the chamfer 14 have the same role. Further, it is preferable to chamfer all the teeth with the same shape for each of the teeth of the pinion 3 and the teeth of the ring gear 2.
  • the maximum width 17 is the maximum width of the chamfer 12 when viewed perpendicular to the side surface 18 of the pinion.
  • the inventor has made the maximum width 17 larger than 1/10 of the tooth thickness 16 and smaller than 1/2 of the tooth thickness to suppress the reduction of the pinion tooth width and transmit power.
  • the tooth thickness is a distance measured as 16 at a portion having a chord tooth thickness on a pitch circle with reference to the tip circle of the pinion tooth.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating the chamfer of the pinion 3 so that it can be seen three-dimensionally.
  • the direction in which the pinion 3 jumps is indicated by an arrow 11, and chamfers 12 and 13 are applied to the corners of the side surface 18 and the tooth surface in this direction.
  • the angle at which the surface 12 formed by chamfering and the side surface 18 of the tooth intersect is preferably about 45 °. This angle can be optimized by the relationship between the relative peripheral speed of the teeth of the ring gear 2 with respect to the pinion 3 and the speed at which the pinion 3 jumps.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating the chamfering of the ring gear 2 so that it can be seen three-dimensionally.
  • Chamfers 14 and 15 are applied to the corners between the pinion side surface 19 and the tooth surface of the ring gear 2.
  • both the pinion 3 and the ring gear 2 are chamfered, but a configuration in which chamfering is performed only on the pinion and the ring gear is not chamfered may be employed.
  • FIG. 4 illustrates a process in which gears mesh with a combination of chamfers in the present embodiment
  • FIG. 5 illustrates a shape that is not chamfered effectively for meshing a pinion while the engine is stopped.
  • FIG. 5 illustrates the same phase as in FIG. 4.
  • the rotation speed of the ring gear is faster than the rotation speed synchronized with the rotation speed of the pinion.
  • the position of the pinion teeth is determined.
  • the ring gear teeth are displayed in the form of moving in the forward direction. The direction of illustration is the same as in FIG. 1, and the insertion of the pinion is performed by moving from the back of the page to the front.
  • FIG. 4A shows a state in which the chamfer 13 on the rear edge side of the pinion 3 and the chamfer 14 on the front edge side of the ring gear 2 are in contact with each other. If the ring gear 2 exerts a force in the direction of the arrow 10 with the chamfered slopes in contact with each other, a force in the direction of pushing back the pinion is generated as the action of the slope.
  • a pinion can be inserted only when the force that pushes the pinion is stronger than that force.
  • the force generated at the moment when the pinion 3 and the ring gear 2 come into contact is caused by the collision due to the speed difference, and therefore depends on the relative speed between the pinion 3 and the ring gear 2. Therefore, the greater the difference in rotational speed between the pinion 3 and the ring gear 2, the greater the force that pushes back the pinion, and the pinion 3 is not inserted.
  • FIG. 5 shows a combination of the pinion 3 and the ring gear 2 that are not chamfered effectively for meshing the pinion 3 while the engine is stopped, and each has only a chamfer effective for starting the engine for the first time. Is shown.
  • the positional relationships of the teeth in FIGS. 5A to 5D are the same as those in FIGS. 4A to 4D.
  • FIG. 5A shows a state in which the chamfer 13 on the rear edge side of the pinion 3 and the chamfer 14 on the front edge side of the ring gear 2 are in contact with each other, and whether or not the pinion 3 is inserted is shown in FIG. It is the same as the state.
  • the pinion 3 is inserted by chamfering the present embodiment. It can be understood that it becomes easy.
  • the noise generated when the pinion 3 and the ring gear 2 are engaged with each other is the time it takes for the pinion 3 teeth to be inserted between the teeth of the ring gear 2 after the pinion 3 contacts the ring gear 2. The inventor has discovered through research that it becomes annoying in response.
  • the side surfaces of the pinion 3 and the ring gear 2 rub against each other, and the time taken for the pinion 3 to be inserted into the ring gear 2, that is, the time for generating noise is shortened, thereby reducing the generation of noise. be able to.
  • the description has been made with the chamfering of the present embodiment provided on both the pinion 3 and the ring gear 2, but the effect can be obtained by chamfering only one of the pinion 3 and the ring gear 2. Can be obtained.
  • the chamfering applied to the rear edge of the ring gear 2 also reduces the time required for the pinion 3 to contact the ring gear 2 and insert it, thereby reducing noise. Further, by combining both chamfers, it is possible to further reduce noise.

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Abstract

エンジンの停止途中にエンジンの再始動要求があった場合、速やかに再始動できるようにすると共に、ピニオンをエンジンのリングギアに噛み合せる際に発生する騒音を低減できるスタータシステムを提供する。当該スタータシステムは、エンジンに接続されるリングギアに、当該エンジンを始動させるための動力を伝えるピニオンと、ピニオンを回転させるモータと、ピニオンをリングギアに押し出すマグネットスイッチと、モータの動力を、ピニオンの逆回転方向に与えないようにするワンウェイクラッチと、モータ及びマグネットスイッチを制御する制御装置を備え、制御装置は、エンジンの停止後、リングギアの回転方向とピニオンの回転方向が共に正回転であり、かつ、リングギアの第1の回転速度がピニオンの回転速度に対して同期する第2の回転速度よりも速い場合、ピニオンをリングギアに噛み合わせるようにマグネットスイッチを制御する。

Description

スタータシステム
 本発明は、アイドリングストップ用のスタータシステムに関する。
 近年、アイドリングストップ用のスタータシステムとして、エンジンが停止した直後にドライバの再始動要求が生じた場合(例えば、信号で車両を停止しようとした直後に信号が青に変わる場合)の制御について注目を浴びている。ここで、エンジンの停止途中でエンジンの再始動要求があった後、スタータのピニオンをエンジンのリングギアに噛み合せる技術がある(特許文献1参照)。
特許第4214401号公報
 特許文献1によれば、エンジンの再始動要求がなければ、エンジンのリングギアとスタータのピニオンを噛み合わせることはない。ここで、エンジン停止途中ではエンジンが逆回転していることがあるため、この間は、ギアを噛み合せることができない(スタータは正転方向にしか駆動することができない)。よって、エンジンが逆回転している時に再始動要求があった場合は、エンジンが正回転になるまでの間、スタータの使用を待たなければならず、エンジン再始動までの時間が長引く、という課題がある。又、速やかにギアを噛み合わせることができたとしても、ピニオンとリングギアの相対回転速度に応じて生じる衝突音や、ピニオンとリングギアが完全に噛み合うまでにギアの側面同士で擦れ合う音,ギアが噛み合った後での歯面同士で衝突する音などが複合して発生する騒音が大きく、車室内の静粛性が損なわれる、という課題がある。
 そこで、本発明の目的は、エンジンの停止途中で再始動要求があった場合、騒音を出すことなく、速やかに再始動を行うことができるスタータシステムを提供することにある。
 上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。
 当該スタータシステムは、エンジンに接続されるリングギアに、当該エンジンを始動させるための動力を伝えるピニオンと、ピニオンを回転させるモータと、ピニオンをリングギアに押し出すマグネットスイッチと、モータの動力を、ピニオンの逆回転方向に与えないようにするワンウェイクラッチと、モータ及びマグネットスイッチを制御する制御装置を備え、制御装置は、エンジンの停止後、リングギアの回転方向とピニオンの回転方向が共に正回転であり、かつ、リングギアの第1の回転速度がピニオンの回転速度に対して同期する第2の回転速度よりも速い場合、ピニオンをリングギアに噛み合わせるようにマグネットスイッチを制御する。
 本発明によれば、エンジンの停止途中で再始動要求があった場合、騒音を出すことなく、速やかに再始動を行うことができるスタータシステムを提供することができる。
ピニオンとリングギアの面取り位置を示す正面図。 ピニオンの面取り位置を示す斜視図。 リングギアの面取り位置を示す斜視図。 面取りを設けた状態でのギアの噛み合い過程を示す図。 面取りを設けていない状態でのギアの噛み合い過程を示す図。 スタータとリングギアの関係を示す図。 ピニオンの飛び込みタイミングを回転速度との関係から示す図。
 以下、本実施例によるスタータシステムを、図1~図7を用いて説明する。
 図6は、スタータとリングギアの関係を示す図である。リングギア2はエンジンのクランク軸に直結されており、リングギア2の回転とエンジンの回転は一体であるが、図ではリングギアのみを簡略化して表示している。スタータ1は、エンジンの外壁に取り付き、ピニオン3をリングギア2に噛み合せて回転させることにより、エンジンを始動する。ピニオン3の回転動力はモータ5で発生させ、モータの出力軸の回転を減速機構21で減速することでトルクを増大させてピニオンに伝達する。
 モータ5とピニオン3の間にワンウェイクラッチ4が備わっている。ワンウェイクラッチ4は、モータ5からエンジンに向かう方向にしか動力が伝わらない構成となっている。これにより、ピニオン3がリングギア2に噛み合っている時は、リングギア2の回転速度は、モータ5の回転速度に対して、減速比に応じた同期速度になるか、もしくは、それよりも速い回転速度になる。即ち、リングギア2がモータ5の同期速度よりも低下しようとすると、ワンウェイクラッチ4が動力を伝達するため、リングギア2の回転速度がモータ5に対する同期速度を下回ることはない。一方で、モータ5の同期速度よりもリングギア2の回転速度の方が速い時は、ワンウェイクラッチ4が、リングギア2からモータ5側への動力伝達することはないため、その速度関係でいることは自由となる。尚、ここでいう同期速度とは、ピニオンとリングギアが噛み合って回転する速度のことを示す。
 ピニオン3をリングギア2に飛び込ませる動力は、マグネットスイッチ6で発生させる。マグネットスイッチ6は、内部に電磁石を備え、その中心に存在するプランジャ7を電磁力によって引き付けることで、プランジャ7を直動させる。
 プランジャ7がマグネットスイッチ6によって引き付けられると、その動きがシフトレバー8を介して、ワンウェイクラッチ4を動かし、ピニオン3が軸方向に移動する。即ち、ピニオン3とワンウェイクラッチ4は同一軸上を一体となって移動する。よって、ピニオン3をリングギア2に噛み合せるには、マグネットスイッチ6を通電してピニオンを飛び込ませ、噛み合いを外すときは、マグネットスイッチ6の通電を解除する。
 マグネットスイッチ6の内部には、バネが仕込まれていて、通電の解除とともにプランジャ7を押し出し、その動きがシフトレバー8を介してピニオン3に伝わり、ピニオンが引き込まれ、リングギアとの噛み合いが外れる。
 モータ5及びマグネットスイッチ6は、制御装置20により制御される。制御装置20は、エンジンコントロールユニット(ECU)でもよいし、スタータ1を制御するための独立した制御装置でもよい。尚、図6では、制御装置20がスタータ1と離れて配置されている例を示しているが、制御装置20がスタータ1を制御するための独立した制御装置である場合、制御装置20とスタータ1は一体化された構造であってもよい。
 制御装置20は、アイドリングストップとして停止する場合、ドライバからのエンジンの再始動要求の有無に関わらず、ピニオン3をリングギア2に押し出す。従って、エンジンの停止途中で、エンジンが逆回転になり、かつ、再始動要求が生じたとしても、ピニオンをリングギアに噛み合せる動作がすんでいることになり、直ちにエンジンを再始動することができる。又、エンジンが無負荷もしくは十分な低負荷になった時点で直ちに車両を停止することができるため、しばらく様子を見てすぐに再始動要求が生じないことを確認するための時間が不要になり、エンジンを停止させておく時間が増え、燃費の向上と二酸化炭素排出量の削減が実現できる。
 制御装置20は、エンジンの停止途中にピニオン3を押し出すにあたり、エンジンの停止後におけるエンジンの惰性回転中に、モータ5を一旦回転させた上で、モータ5を回転させる電力供給を止め、モータ5の惰性回転中に、ピニオン3をリングギア2に押し出すように、マグネットスイッチ6を制御する。
 図7は、ピニオン3の飛び込みタイミングを、エンジンの回転速度との関係から示す図である。横軸が時間で、縦軸が回転速度である。実線で示したエンジンの回転速度は、単純にエンジンを停止させた時の実測値の一例である。尚、エンジンの回転速度とリングギア2の回転速度は同じである。このグラフに、ピニオン3を噛み込ませるためのタイミングを示すため、ピニオン3の回転速度を、同期するリングギア2の回転速度に換算して、破線で表示した。制御装置20は、矢印101のタイミングで、マグネットスイッチ6に通電してピニオンを飛び込ませる。すると、矢印102のタイミングでピニオン3はリングギア2に接触する。
 ピニオン3が接触するまでには、ピニオン3等の可動部位を加速させ、リングギア2とピニオン3の間に保たれたすき間を移動する必要があるために、それなりの時間がかかる。よって、マグネットスイッチ6に通電したタイミング101とピニオン3がリングギア2に接触するタイミング102にはズレが生じる。このズレの時間の間にもエンジンの回転速度は変化を続け、接触するタイミング102の時点での、リングギアとピニオンの回転速度の差が103に示した幅になる。
 制御装置20は、ピニオン3が飛び込みによってリングギア2と接触する瞬間のリングギア2の回転速度が、ピニオン3の回転速度に対して同期する回転速度よりも速い状態となるように、ピニオン3を飛び込ませる。特に、発明者は研究により、この速度差が毎分0回転より大きく、毎分80回転より小さくなるタイミングが適切であることを発見している。ピニオンとリングギアが接触した瞬間の相対速度差は大き過ぎても、挿入までに時間がかかる。
 ピニオン3がリングギア2と接触した後は、ピニオンの歯がリングギア2の歯の間に来た時点でピニオン3が挿入され、リングギア2とピニオン3が噛み合い、同期して回転するようになる。その時のリングギア2の回転速度が、モータ5に同期する速度より速い場合はワンウェイクラッチ4の作用によって、同期せずに回転することになる。その場合でも、リングギア2の回転速度がモータ5と同期する回転速度まで減速した後は、同期して回転するようになる。
 ここで、例えば、ピニオン3の歯数が10枚、リングギア2の歯数が100枚の場合、ギア比は10となる。その時、ピニオン3が1000rpmで回転していた場合、同期するリングギア2の回転速度は100rpmとなる。即ち、制御装置20は、リングギア2の回転速度が100rpmより速くなったタイミングでピニオン3を押し出すように制御する。尚、この例の場合、発明者の研究により、ピニオン3の押し出しを開始した瞬間からピニオン3がリングギア2に接触する瞬間までの間にリングギア2の回転速度は最大130rpm程度低下することもあることが分かっている。従って、制御装置20は、この間の回転速度低下も演算の上で、ピニオン3とリングギア2の接触タイミングを決定する。
 このように本実施例では、ギア比を(リングギア2の歯数)/(ピニオン3の歯数)と定義し、(リングギア2の回転数)が(ピニオン3の回転数)/(ギア比)より大きい場合、リングギア2の回転速度がピニオン3の回転速度に対して同期する回転速度より速い、と記す。
 本実施例では、スタータ1内部にワンウェイクラッチ4を設けた上で、リングギア2の回転速度がピニオン3の回転速度に対して同期する回転速度より速い瞬間、ピニオン3をリングギア2に押し出す点に特徴がある。これにより、双方が噛み合った後にモータとリングギアが同期する必要はなくなり、速度差が異なる回転体の接続に伴う衝撃を逃がすため、騒音がしなくなる。
 ピニオン3とリングギア2を噛み合わせるにあたり、互いのギアの側面同士が接触している状態では、いかに押し込み力を与えてもギアを挿入できない。動力伝達を滑らかに行うギアを設計するにあたり噛み合った歯同士の隙間(バックラッシュ)を大きくとることはできないため、ランダムにピニオン3をリングギア2に押し出した場合、リングギア2の歯の間にピニオン3の歯が完全におさまる確率は非常に低く、歯の側面同士が接触する確率が非常に高い。歯の側面同士が接触した状態で、ピニオン3とリングギア2が同期して回転を続けたとすると、ピニオン3とリングギア2の位置関係は変わらないため、側面同士の接触が続き、ピニオン3とリングギア2は噛み合わない。そこで、ピニオン3とリングギア2には相対的な速度差が必要となり、リングギア2の回転速度をピニオン3の回転速度に対して同期する回転速度より速い状態にしている。これに、ワンウェイクラッチ4が存在することにより、双方のギアの側面同士が接触した後、互いの相対速度によって歯の位置関係がずれていき、いずれ、リングギア2の歯の間にピニオン3の歯が達して、ピニオンが挿入されるに至る。
 ワンウェイクラッチ4がなく、ピニオン3の回転速度の方がリングギア2の回転速度に対して同期する回転速度より速い場合に双方が噛み合うと、噛み合った瞬間に同期化する必要が生じ、大きな衝撃力が発生すると共に、物体が振動し、騒音を発生する。
 尚、ワンウェイクラッチ4を設けていても、リングギア2の回転速度がピニオン3の回転速度に対して同期する回転速度より遅い場合に双方が噛み合うと、モータ5がリングギア2を加速する方向に同期化する力が発生し、騒音が発生する。以上より、ワンウェイクラッチ4が作動する方向と、リングギア2及びモータ5の速度関係の組み合わせを上記のように規定した場合に、騒音低減の効果を奏する。
 図7のエンジン回転の挙動は、ピニオンを噛み込ませなかった場合の例であるため、実際にピニオン3を噛み込ませると、その後のエンジンの回転速度の推移には変化が生じる。尚、本実施例では、ピニオン3を噛み込ませる前に、ピニオンを回転させておく例を示したが、ピニオンの回転速度がゼロであってもよい。
 図1は、ピニオン3とリングギア2に関する正面図であり、ピニオン3の飛び込みは紙面の奥から手前に移動することで行われる。ピニオン3の正回転の回転方向が矢印9であり、これと噛み合うリングギアの正回転の回転方向が矢印10になる。
 ピニオン3の正回転の進行方向に設けた面取り12が、エンジンの停止途中で、ピニオンを噛み合わせる際に有効になる。ピニオン3の進行方向に対して逆側に施した面取り13は、初回のエンジン起動に有効なものであり、リングギア2が静止していて、ピニオン3を回転させながら噛み合わせる際に役立つ。尚、面取り13は、エンジンを停止する際、必ずピニオン3を噛み合わせるようにした場合は、なくてもよい。
 リングギア2に施した面取り14,15は、紙面の奥側に存在するため、隠れ線である破線で表示した。リングギア2の正回転の進行方向の逆側に設けた面取り15が、エンジンの停止途中で、ピニオン3を噛み合わせる際に有効になる。リングギア2の進行方向に施した面取り14は、初回のエンジン起動に有効なものである。よって、面取り12と面取り15が同じ役割のものであり、同様に、面取り13と面取り14が同じ役割のものである。又、ピニオン3の歯と、リングギア2の歯のそれぞれで、それぞれにとっての同形状の面取りを全ての歯に対して施すことが好ましい。
 ピニオンの側面18に対して垂直に見た時の、面取り12の最大幅となるのが、最大幅17である。特に、発明者は研究により、この最大幅17を歯厚16の1/10より大きくし、かつ、歯厚の1/2より小さくすると、ピニオンの歯幅の減少を抑え、動力を伝達する際に歯面に生じる面圧の増加を抑え、耐久性を確保することに対し、特に効果があることを発見している。尚、歯厚とは、ピニオンの歯の歯先円を基準としたピッチ円上の弦歯厚となる箇所で、16のように計測される距離のことである。
 図2は、ピニオン3の面取りを立体的に見えるように図示した斜視図である。ピニオン3が飛び込む方向が矢印11であり、この方向の側面18と歯面との角部に面取り12,13を施す。面取りにより形成される面12と、歯の側面18が交差する角度は45°前後することが望ましい。この角度は、ピニオン3に対するリングギア2の歯の相対的な周速度と、ピニオン3が飛び込む速度との関係によって最適化することができる。
 図3は、リングギア2の面取りを立体的に見えるように図示した斜視図である。リングギア2におけるピニオン側の側面19と、歯面との角部に面取り14,15を施す。尚、本実施例ではピニオン3とリングギア2の両方に面取りを施したが、ピニオンにのみ面取りを施して、リングギアには面取りを施さない構成であってもよい。
 図4は、本実施例における面取りの組み合わせで、ギアが噛み合うプロセスを図示したものであり、図5は、エンジンの停止途中でピニオンを噛み合わせるために有効な面取りが施されていない形状で、図4と同じ位相の状態を図示したものである。いずれの図においても、リングギアの回転速度の方がピニオンの回転速度に対して同期する回転速度より速いことを前提としており、両方の歯の位相関係を見るために、ピニオンの歯の位置を固定し、リングギアの歯が正転方向に移動する形式で表示した。又、図示方向は図1と同じであり、ピニオンの挿入は紙面奥から手前に移動することによって行われる。
 図4において、歯の相対的な位置関係は、矢印10のリングギア2の相対回転により、図4(A)→(B)→(C)→(D)のように推移する。図4(A)は、ピニオン3の後縁側の面取り13とリングギア2の前縁側の面取り14が接触する状態を示している。面取りが施されている斜面同士が接触した状態で、リングギア2が矢印10の方向に力を作用させると、斜面の作用として、ピニオンを押し返す方向の力が発生する。その力よりピニオンを押し込む力の方が強い場合にのみ、ピニオンは挿入することができる。ピニオン3とリングギア2が接触した瞬間に生じる力は、速度差による衝突が原因であるため、ピニオン3とリングギア2の相対速度に依存する。よって、ピニオン3とリングギア2の回転速度の差が大きいほど、ピニオンを押し返す力が大きくなり、ピニオン3は挿入されなくなる。
 リングギア2の相対速度によって歯の位置関係がずれると、図4(B)に示す状態となる。この状態では、ピニオン3の側面18と、リングギア2の側面が接触しているために、どれだけピニオン3を押し込む力があったとしても、ピニオン3を挿入することはできない。
 次に位相が進むと、図4(C)の状態となり、ピニオン3の前縁側の面取り12とリングギア2の後縁側の面取り15が重なる。この状態では、リングギア2が矢印10の方向に移動しているために、ピニオン3にとって接触面が逃げていく形になり、ピニオン3が挿入される。
 更に位相が進んで図4(D)の状態になっても、ピニオン3の歯は、リングギア2の歯のすき間にあるので、ピニオン3が挿入される。この状態に巡り合わなくて、更に位相が進んだ場合は、図4(A)の状態となるため、ピニオン3とリングギア2の歯の位置関係は図4(A)乃至(D)の何れかとなり、その中で確実にピニオン3が挿入されるのは、図4(C)と(D)の状態になる。
 図5は、エンジンの停止途中でピニオン3を噛み合わせるために有効な面取りを施していないピニオン3とリングギア2の組み合わせであって、初回のエンジン起動に有効な面取りのみをそれぞれに施した形状を示している。図5(A)乃至(D)の歯の位置関係は、図4(A)乃至(D)と同じである。
 図5(A)は、ピニオン3の後縁側の面取り13とリングギア2の前縁側の面取り14が接触する状態を示しており、ピニオン3が挿入されるかどうかは、図4(A)の状態と同じである。
 図5(B)では、ピニオン3の側面18と、リングギア2の側面が接触するため、ピニオン3は挿入されない。
 図5(C)も(B)と同様に、ピニオン3の側面18とリングギア2の側面が接触するため、ピニオン3は挿入されない。
 図5(D)は、リングギア2の歯のすき間に、ピニオン3の歯がくるので、この状態の時にのみ、確実にピニオンが挿入される。
 以上、図4と図5の比較により、リングギア2の回転速度がピニオン3の回転速度に対して同期する回転速度より速い場合に、本実施例の面取りを施すことによって、ピニオン3が挿入され易くなることが理解できる。ピニオン3とリングギア2を噛み合わせる際に発生する騒音は、ピニオン3がリングギア2に接触してから、ピニオン3の歯が、リングギア2の歯の間に挿入されるまでにかかる時間に応じてうるさくなることを発明者は研究により発見している。当該面取りにより、ピニオン3とリングギア2の側面同士が擦れ合って、ピニオン3がリングギア2に挿入されるのにかかる時間、即ち、騒音を発する時間が短縮するため、騒音の発生を低減することができる。尚、本実施例では、ピニオン3とリングギア2の両方に本実施例の面取りを設けた状態で説明を行ったが、ピニオン3とリングギア2の一方にのみ、面取りを行うだけでも、効果を得ることができる。
 本実施例では、リングギア2の回転速度がピニオン3の回転速度に対して同期する回転速度より速い瞬間にピニオン3を押し出すことに加え、ピニオン3のギアの回転方向に面取りを施している点に特徴がある。
 双方のギアの側面が接触した後の歯同士の位置関係は、ピニオン3の歯を基準にすると、リングギア2の歯の方が進行方向にずれていく。このため、歯の側面同士の接触としては、ピニオン3の前縁(=進行方向側)と、リングギア2の後縁(進行方向の逆側)の接触を最後とし、その後、ピニオンが挿入される。よって、ピニオン3の前縁の角部が面取りされ、リングギア2の後縁が、その面取り部に達した段階で、ピニオン3の挿入が始まり、面取りがない場合に比べ、挿入にかかる時間が短縮される。従って、ギアの側面同士が擦り合うことで生じる音の総量が低減され、低騒音化が図られる。
 尚、ピニオン3の回転速度が減速している状態でピニオン3を押し出すことにより、減速しているリングギア2との相対速度差が、狙った速度差からずれて騒音を増大させることを防ぐことができる。即ち、ピニオン3を押し出すことでリングギア2に接触する時間が、狙った時間から多少ずれた場合、そのずれによって、リングギア2の回転速度が変化し、本実施例で規定した速度差からずれる可能性が生じるが、ピニオン3の回転速度がリングギア2と同様に減速していると、速度差が広がらずに済み、騒音の増大を避けることができる。
 リングギア2の後縁に施した面取りによっても、ピニオン3がリングギア2に接触してから挿入するまでにかかる時間が短縮され、騒音低減が図られる。更に、両方の面取りを組み合わせることで、より一層の低騒音化を図ることもできる。
1 スタータ
2 リングギア
3 ピニオン
4 ワンウェイクラッチ
5 モータ
6 マグネットスイッチ
7 プランジャ
8 シフトレバー
9 ピニオンの正回転の方向
10 リングギアの正回転の方向
11 ピニオンの飛び込み方向
12 ピニオンの正回転における前縁側の面取り
13 ピニオンの正回転における後縁側の面取り
14 リングギアの正回転における前縁側の面取り
15 リングギアの正回転における後縁側の面取り
16 ピニオンの歯厚
17 ピニオンの面取りの側面方向の最大幅
18 ピニオンの飛び込む側の側面
19 リングギアのスタータ側の側面
20 制御装置
21 減速機構

Claims (6)

  1.  エンジンに接続されるリングギアに、当該エンジンを始動させるための動力を伝えるピニオンと、
     前記ピニオンを回転させるモータと、
     前記ピニオンを前記リングギアに押し出すマグネットスイッチと、
     前記モータの動力を、前記ピニオンの逆回転方向に与えないようにするワンウェイクラッチと、
     前記モータ及び前記マグネットスイッチを制御する制御装置を備え、
     前記制御装置は、前記エンジンの停止後、前記リングギアの第1の回転速度が前記ピニオンの回転速度に対して同期する第2の回転速度よりも速い場合、前記ピニオンを前記リングギアに噛み合わせる前記マグネットスイッチを制御する、スタータシステム。
  2.  前記制御装置は、前記エンジンの停止後における前記エンジンの惰性回転中に、前記モータを一旦回転させた上で、当該モータを回転させる電力供給を止め、当該モータの惰性回転中に、前記ピニオンを前記リングギアに押し出すように、前記マグネットスイッチを制御する、請求項1記載のスタータシステム。
  3.  前記ピニオンの歯は、当該ピニオンが押し出される側の先端の角部の、当該ピニオンの正回転の進行方向側に、面取りを備える、請求項1記載のスタータシステム。
  4.  前記面取りは、前記ピニオンの側面に垂直に見た時の面取りの最大幅が、歯厚の1/10より大きく、歯厚の1/2より小さい、請求項3記載のスタータシステム。
  5.  前記制御装置は、前記第1の回転速度が前記第2の回転速度より、毎分0回転よりも大きく、毎分80回転よりも小さい時に、前記ピニオンを前記リングギアに噛み合わせるように前記マグネットスイッチを制御する、請求項1記載のスタータシステム。
  6.  前記リングギアの歯は、当該リングギアの正回転の進行方向の逆側に面取りを備える、請求項1記載のスタータシステム。
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