WO2017188389A1 - プーリ構造体 - Google Patents
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Abstract
Description
N×(Ti-To)/2<1 ・・・(1)
さらに、ばね線が台形線であることにより、断面積が等しい丸線や断面積及び径方向長さが等しい角線に比べて、断面係数を大きくできる。断面係数が大きいほど、曲げ応力は小さくなる。そのため、ばね線を断面積が等しい丸線や断面積及び径方向長さが等しい角線とした場合に比べて、拡径変形時に引張力が働くコイルばねの内周面に発生する曲げ応力の最大値をより小さくできる。
したがって、エンジンの始動と停止が繰り返される運転条件によって、コイルばねの拡径変形及びその最大化が過度に繰り返されても、ばね線を断面積が等しい丸線又は角線とした場合に比べて、拡径変形時に引張力が働くコイルばねの面(特に内周面)に発生する曲げ応力の最大値を抑制できる。それにより、始動時等に発生する瞬間的なねじりトルクに対する強度や耐力(曲げ剛性)が増し、コイルばねの拡径方向のねじり角度の限界値を増すことができる。ひいては、コイルばねのねじりに対する耐久性を確保できる。
しかしながら、本発明では、コイルばねの回転軸方向の自然長の増加量ΔL(ΔL=N×(Ti-To)/2)が、1mm未満と小さい。そのため、コイルばねをプーリ構造体に組み込む際に、コイルばねの軸方向への圧縮量を調整(即ち、回転軸方向に隣り合うばね線間の隙間を調整)することで、ばね線を断面積及び径方向長さが等しく軸方向長さが異なる角線とした場合に比べて、プーリ構造体を回転軸方向に大型化しなくてすむ。
したがって、本発明のプーリ構造体は、コイルばねの拡径変形及びその最大化が過度に繰り返されても、少なくとも回転軸方向にプーリ構造体の大型化を招くことなく、コイルばねのねじりに対する耐久性を確保できる。
さらに、内径側部分の回転軸方向長さTiが外径側部分の回転軸方向長さToよりも長いことにより、ばね線の断面において、引張応力も圧縮応力も発生しない中立軸は、径方向中心よりも、回転軸方向長さの長い内径側部分に近くなる。それにより、素線倒れをより抑制できる。
素線倒れを抑制することで、一方向クラッチの係合解除時に、外回転体又は/及び内回転体におけるコイルばねと摺動する部分に作用する面圧が低減する。したがって、外回転体又は/及び内回転体におけるコイルばねと摺動する部分の摩耗を抑制できる。
本実施形態のプーリ構造体1は、自動車の補機駆動システム(図示省略)において、オルタネータの駆動軸に設置される。なお、本発明のプーリ構造体は、オルタネータ以外の補機の駆動軸に設置してもよい。
N×(Ti-To)/2<1 ・・・(1)
支持溝部3cの溝底面3dと、コイルばね4の前端側領域4bの軸方向端面の周方向一部分とは、見かけ上、周方向全域が接触しているが、実際には、部品の加工公差によって、周方向の一部に隙間が生じることがある。部品公差内での仕上り実績寸法の組み合わせによっては当該隙間がゼロとなることを狙い、当該隙間は、部品の加工公差を考慮した寸法(ノミナル寸法)となっている(例えば軸方向隙間の狙い値0.35mm)。隙間をゼロにできるだけ近づけることで、ばね4が安定してねじり変形できる。
また、スラストプレート8は、クラッチの係合解除時にばね4と摺動せず、内回転体3及び外回転体2のいずれとも異なる別部品である。そのため、スラストプレート8には、あえて表面硬化処理を施さなくてもよい。また、スラストプレート8に表面硬化処理を施す場合には、別部品ゆえ表面硬化処理を施し易く、スラストプレート8の表面硬度を確実に増加させて、ばね4との接触による耐摩耗性を付与させることができる。
コイルばねがねじり変形したときに、ばね線の断面において、引張応力も圧縮応力も受けない位置を中立軸という。台形線の中立軸は、高さ方向の中心よりも長辺側に近い。丸線(断面形状が円形状のばね線)、角線(断面形状が正方形又は長方形状のばね線)、及び台形線の中立軸から表面までの距離eは、以下の式で表される。
(但し、d:直径)
角線:e=h/2
(但し、h:高さ)
台形線:e1=(3b1+2b2)H/3(2b1+b2)、e2=H-e1
(但し、b1:短辺長さ、b2:長辺と短辺の差、H:高さ、e1>e2)
σ=M・y/I
よって、コイルばねのねじりに対する耐久性の指標とされる最大主応力(曲げ応力の最大値)は、このyが最大となり引張力が働くばね表面に発生する。
σ=M/Z
よって、断面係数Zが大きいほど、曲げ応力σが小さくなる。なお、断面係数は、例えば、部材に曲げの外力がかかっているとき、部材の曲がりやすさ、曲がりにくさ(剛性)を表す値であって、断面の形状のみで決まる。断面係数Zは、断面二次モーメントIと中立軸からの距離yによって、以下の式で表される。
Z=I/y
また、台形線の断面二次モーメントIは、以下の式で表される。
I=(6b12+6b1b2+b22)H3/36(2b1+b2)
丸線:Z=πd3/32
(但し、d:直径)
角線:Z=bh2/6
(但し、b:幅、h:高さ)
丸線の場合、断面積A=100とすると、d=11.284となり、Z=141となる、また、角線の場合、断面積A=100、h=10、b=10とすると、Z=167となる。
本実施形態のコイルばね4のばね線は、断面形状が台形状の台形線であって、拡径変形時に引張力が働く内径側軸方向長さTiが、拡径変形時に圧縮力が働く外径側軸方向長さToよりも長い。そのため、ばね線を、断面積が等しい丸線又は断面積及び径方向長さが等しい角線とした場合に比べて、ばね線の断面において、引張も圧縮も受けない中立軸を、拡径変形時に引張力が働くばね4の内周面へ近づけることができる。曲げ応力は、中立軸からの距離に比例するため、中立軸を拡径変形時に引張力が働くばね4の内周面へ近づけることで、拡径変形時に引張力が働くばね4の内周面に発生する曲げ応力の最大値を小さくできる。
さらに、ばね4のばね線が台形線であることにより、断面積が等しい丸線や断面積及び径方向長さが等しい角線に比べて、断面係数を大きくできる。断面係数が大きいほど、曲げ応力は小さくなる。そのため、ばね線を断面積が等しい丸線や断面積及び径方向長さが等しい角線とした場合に比べて、拡径変形時に引張力が働くばね4の内周面に発生する曲げ応力の最大値をより小さくできる。
したがって、エンジンの始動と停止が繰り返される運転条件によって、ばね4の拡径変形及びその最大化が過度に繰り返されても、ばね線を断面積が等しい丸線又は角線とした場合に比べて、拡径変形時に引張力が働くばね4の内周面に発生する曲げ応力の最大値を小さくできる。その結果、始動時等に発生する瞬間的なねじりトルクに対する強度や耐力(曲げ剛性)が増し、ばね4の拡径方向のねじり角度の限界値を増すことができる。ひいては、ばね4のねじりに対する耐久性を確保できる。
しかしながら、本実施形態では、ばね4の軸方向の自然長の増加量ΔL(ΔL=N×(Ti-To)/2)が、1mm未満と小さい。そのため、ばね4をプーリ構造体1に組み込む際に、ばね4の軸方向への圧縮量を調整(即ち、軸方向に隣り合うばね線間の隙間を調整)することで、ばね線を断面積及び径方向長さが等しく軸方向長さが異なる角線とした場合に比べて、プーリ構造体1を軸方向に大型化しなくてすむ。
したがって、本実施形態のプーリ構造体1は、ばね4の拡径変形及びその最大化が過度に繰り返されても、少なくとも軸方向にプーリ構造体1の大型化を招くことなく、ばね4のねじりに対する耐久性を確保できる。
さらに、内径側軸方向長さTiが外径側軸方向長さToよりも長いことにより、ばね線の断面において、引張応力も圧縮応力も発生しない中立軸は、径方向中心よりも、軸方向長さの長い内径側部分に近くなる。それにより、素線倒れをより抑制できる。
素線倒れを抑制することで、一方向クラッチの係合解除時に、外回転体2又は/及び内回転体3においてばね4と摺動する部分(本実施形態では、圧接面2a)に作用する面圧が低減する。したがって、外回転体2又は/及び内回転体3におけるばね4と摺動する部分の摩耗を抑制できる。
実施例1のプーリ構造体は、上記実施形態のプーリ構造体1と同様の構成であって、コイルばね(4)のばね線は、ばね用オイルテンパー線(JISG3560:1994に準拠)とした。ばね線は、台形線であって、内径側軸方向長さTiは、3.8mmとし、外径側軸方向長さToは、3.6mmとし、径方向長さWは、5.0mmとした。コイルばね(4)の巻き数Nは、7巻きとし、巻き方向は、左巻きとした。コイルばね(4)の軸方向の圧縮率は、約20%とした。軸方向に隣り合うばね線間の隙間は、0.3mmとした。ΔL(ΔL=N×(Ti-To)/2)は、0.7mmであった。なお、この断面形状のばね線を用いると、たとえコイルばねの巻き数が9巻き(通常最大)であっても、上記ΔLの値は0.9mmとなり、1mm未満となる。また、コイルばねの素線倒れは、0.7°であった。つまり、ばね線の断面における外径側部分(外径側の面)が、ばね線の断面コイルばねの中心軸線に平行な外径基準線に対して、0.7°傾斜していた。
比較例1のプーリ構造体は、コイルばね以外、実施例1のプーリ構造体と同じ構成とした。比較例1のコイルばねのばね線は、上記実施例1の台形線のばね線と径方向長さW及び断面積が等しい角線とし、それ以外は、実施例1のコイルばねと同じ構成とした。ばね線の断面における軸方向長さTは、3.7mmであった。また、コイルばねの素線倒れは、1.2°であった。
実施例1及び比較例1のコイルばねについて、拡径方向にねじり変形(以下、単に拡径変形という)したときに入力されるねじりトルクと、コイルばねの面(内周面)に発生する最大主応力(曲げ応力の最大値)との関係を、汎用の構造解析ソフトウェアを用いたFEM(有限要素法)解析によるシミュレーションによって検討した。シミュレーションの境界条件として、以下の条件を設定した。
・コイルばねを軸方向に20%圧縮。
・コイルばねの前端及び後端の両方に、コイルばねが拡径変形する方向にねじりトルクを付与。
実施例1及び比較例1のプーリ構造体について、図6に示すエンジンベンチ試験機200を用いて、耐摩耗性試験を行った。エンジンベンチ試験機200は、補機駆動システムを含む試験装置であって、エンジン210のクランク軸211に取り付けられたクランクプーリ201と、エアコン・コンプレッサ(AC)に接続されたACプーリ202、ウォーターポンプ(WP)に接続されたWPプーリ203とを有する。実施例1及び比較例1のプーリ構造体100は、オルタネータ(ALT)220の軸221に接続される。また、クランクプーリ201とプーリ構造体100とのベルトスパン間に、オートテンショナ(A/T)204が設けられる。エンジンの出力は、1本のベルト(Vリブドベルト)250を介して、クランクプーリ201から時計回りに、プーリ構造体100、WPプーリ203、ACプーリ202に対してそれぞれ伝達されて、各補機(オルタネータ、ウォーターポンプ、エアコン・コンプレッサ)は駆動される。
2 外回転体
2a 圧接面
3 内回転体
4 コイルばね
4d 自由部分
Claims (2)
- ベルトが巻回される筒状の外回転体と、
前記外回転体の内側に設けられ、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設けられたコイルばねと、を備えるプーリ構造体であって、
前記コイルばねの拡径により前記コイルばねの自由部分の外周面が前記外回転体に当接したときに、前記コイルばねのそれ以上の拡径方向のねじり変形が規制され、前記外回転体及び前記内回転体が前記コイルばねと一体的に回転するロック機構を有し、
前記コイルばねは、前記内回転体が前記外回転体に対して正方向に相対回転するとき、拡径方向にねじり変形することで、前記外回転体及び前記内回転体のそれぞれと係合して、前記外回転体と前記内回転体との間でトルクを伝達し、前記内回転体が前記外回転体に対して逆方向に相対回転するとき、縮径方向にねじり変形することで、前記外回転体及び前記内回転体の少なくとも一方に対して摺動して、前記外回転体と前記内回転体との間でトルクを伝達しない一方向クラッチとして機能し、
前記コイルばねのばね線は、前記回転軸を通り且つ前記回転軸と平行な方向に沿った断面が台形状であって、前記断面おける内径側部分の回転軸方向長さTi[mm]が、前記断面における外径側部分の回転軸方向長さTo[mm]よりも長く、
前記コイルばねの巻き数をNとすると、下記(1)式を満たす、プーリ構造体。
N×(Ti-To)/2<1 ・・・(1) - 前記コイルばねの前記ばね線は、前記断面における径方向長さが前記断面における内径側部分の前記回転軸方向長さTiよりも長い、請求項1に記載のプーリ構造体。
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