(57)【要約】【課題】  回転伝達状態の変化に伴って生じ得る打音発生等の弊害を抑制可能な内燃機関の始動装置を提供する。【解決手段】  本発明の始動装置は、スタータモータ２の回転軸３に設けられたスタータギア４と、内燃機関のクランク軸に設けられたクランクギア６と、スタータギア４の回転をクランクギア６に伝達する回転伝達機構５と、を備え、回転伝達機構５は、スタータギア４及びクランクギア６のそれぞれのバックラッシュＢ１，Ｂ２間で慣性力にて自転可能で、かつスラスト方向へ移動可能なヘリカルギアとして構成された中間ギア５０と、中間ギア５０のスラスト方向への移動を規制する側壁５１ａと、を含み、中間ギア５０の自転に伴って中間ギア５０に生じるスラスト力の方向にのみ、中間ギア５０と側壁５１ａとの衝突を緩和する金属バネ５７が設けられている。【選択図】      図１
2006152804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタータモータの回転軸に設けられたスタータギアと、内燃機関のクランク軸に設けられたクランクギアと、前記スタータギアの回転を前記クランクギアに伝達する回転伝達機構と、を備えた内燃機関の始動装置において、
前記回転伝達機構は、前記スタータギア側及び前記クランクギア側のそれぞれのバックラッシュ間で慣性力にて自転可能で、かつスラスト方向へ移動可能なヘリカルギアとして構成された中間ギアと、前記中間ギアのスラスト方向への移動を規制する移動規制部材と、を含み、
前記中間ギアの自転に伴って該中間ギアに生じるスラスト力の方向にのみ、前記中間ギアと前記移動規制部材との衝突を緩和する緩衝部材が設けられていることを特徴とする内燃機関の始動装置。
【請求項２】
前記スタータギアと前記スタータモータの回転軸との間に介在し、前記スタータモータの回転軸から前記クランクギアへの回転伝達を許容するとともに、反対方向への回転伝達を阻止する一方向クラッチを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の始動装置。
【請求項３】
前記緩衝部材として、前記中間ギアと前記移動規制部材との間に金属バネが設けられ、かつ、前記中間ギアと前記金属バネとの間に介在するクリアランスリングを更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の始動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の始動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の始動装置として、スタータモータの回転をヘリカルギアで構成されたピニオンとリングギアとを介してクランク軸に伝達し、リングギアとクランク軸との間にピニオン側からクランク軸側への回転伝達を許容する一方で反対方向の回転伝達を阻止する一方向クラッチを介在させたものが知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２及び特許文献３が存在する。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２７４３３７号公報
【特許文献２】特開平９−４１９８３号公報
【特許文献３】特開平８−２８４６１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の始動装置では、クランクギアの回転変動や一方向クラッチの締結状態及び開放状態の切替等の回転伝達状態の変化に伴って、リングギアがスラスト方向に移動し、周辺部品に衝突して打音発生等の弊害が生じるおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は、回転伝達状態の変化に伴って生じ得る打音発生等の弊害を抑制可能な内燃機関の始動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の内燃機関の始動装置は、スタータモータの回転軸に設けられたスタータギアと、内燃機関のクランク軸に設けられたクランクギアと、前記スタータギアの回転を前記クランクギアに伝達する回転伝達機構と、を備えた内燃機関の始動装置において、前記回転伝達機構は、前記スタータギア側及び前記クランクギア側のそれぞれのバックラッシュ間で慣性力にて自転可能で、かつスラスト方向へ移動可能なヘリカルギアとして構成された中間ギアと、前記中間ギアのスラスト方向への移動を規制する移動規制部材と、を含み、前記中間ギアの自転に伴って該中間ギアに生じるスラスト力の方向にのみ、前記中間ギアと前記移動規制部材との衝突を緩和する緩衝部材が設けられていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００７】
回転伝達状態が変化すると、変化の前後において各ギアの駆動、被駆動の関係が切り替わる。スタータギアが中間ギアを介してクランクギアを駆動する状態の場合には、中間ギアにはスタータギア側からスラストを受けるとともに、そのスラスト力と反対方向のスラスト力をクランクギア側から受ける。この場合には、中間ギアに作用するスラスト力が互いに反対方向であるためキャンセルする関係にある。そして、駆動、被駆動の関係が切り替わり、クランクギアが中間ギアを介してスタータギアを駆動する場合にも、中間ギアには互いに反対方向のスラスト力がスタータギア側及びクランクギア側から受ける。従って、各ギアの駆動、被駆動の関係が切り替わる前後においては、中間ギアに作用するスラスト力は互いにキャンセルし合うので、中間ギアに作用するスラスト力が一方向に偏ることはない。ところが、各ギアの駆動、被駆動の関係が切り替わる遷移状態においては、中間ギアが慣性力にて自転する状態が起こる。中間ギアが慣性力にて自転すると、中間ギアの歯面が中間ギアとそれぞれ噛みあうスタータギア側のギア及びクランクギア側のギアのそれぞれの歯面と衝突して、中間ギアにそれぞれのギアから同方向のスラスト力を受け、中間ギアに作用するスラスト力が一方向に偏り中間ギアがスラスト方向へ移動する。この発明によれば、そのスラスト力の方向にのみ緩衝部材が設けられているため、中間ギアと移動規制部材との衝突が緩和され、回転伝達状態の変化に伴って生じる打音発生等の弊害を抑制できる。
【０００８】
本発明の内燃機関の始動装置において、前記スタータギアと前記スタータモータの回転軸との間に介在し、前記スタータモータの回転軸から前記クランクギアへの回転伝達を許容するとともに、反対方向への回転伝達を阻止する一方向クラッチを更に備えてもよい（請求項２）。この場合には、一方向クラッチの締結状態及び開放状態のいずれかに切り替わることにより回転伝達状態の変化が一層顕著なものとなるので、打音発生等の弊害をより効果的に抑制できる。
【０００９】
本発明の内燃機関の始動装置において、前記緩衝部材として、前記中間ギアと前記移動規制部材との間に金属バネが設けられ、かつ、前記中間ギアと前記金属バネとの間に介在するクリアランスリングを更に備えてもよい（請求項３）。この形態によれば、金属バネがヘリカルギアにつられて回転することを防止できる。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、中間ギアの自転に伴って生じるスラスト力の方向にのみ、中間ギアと移動規制部材との衝突を緩和する緩衝部材が設けられているので、回転伝達状態の変化に伴って生じ得る打音発生等の弊害を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の始動装置を多気筒のレシプロ式の内燃機関に適用した実施形態を示している。図２は図１のII-II線断面図、図３はIII-III線断面図である。これらの図に示したように、始動装置１は、スタータモータ２と、スタータモータ２の回転軸３に設けられたスタータギア４と、スタータギア４の回転を内燃機関のクランク軸（不図示）に設けらたクランクギア６に伝達する回転伝達機構５と、を備えている。スタータギア４及びクランクギア６はそれぞれヘリカルギアとして構成されている。
【００１２】
図２に詳しく示したように、スタータモータ２の回転軸３は、ギアハウジング７に設けられた一対の玉軸受８，８により回転可能に支持されている。スタータギア４は、回転軸３の軸線ＣＬ１方向に延びる円筒部４ａを有し、軸線ＣＬ１方向に関して移動可能にギアハウジング７に保持されている。円筒部４ａの内周面と回転軸３との間には、一対の玉軸受９，９に挟み込まれるようにして配置された一方向クラッチ１０が介在している。一方向クラッチ１０は回転軸３からスタータギア４への回転伝達は許容するが、スタータギア４から回転軸３への回転伝達を阻止するように構成されている。スタータギア４の軸線ＣＬ１方向への移動はギアハウジング７の側壁７ａ，７ａにて規制される。一方（図２右側）の側壁７ａとスタータギア４との間には、玉軸受８及び玉軸受９のそれぞれの内輪と当接するようにしてリング１１が設けられている。他方（図２左側）の側壁７ａとスタータギア４との間には、所定量のスラストクリアランスＣ１が形成されるとともに、この側壁７ａに配置されたクリアランスリング１２と玉軸受９の内輪とに当接するようにして金属バネ１３が設けられている。金属バネ１３は、回転軸３に通された皿バネである。金属バネ１３とスタータギア４との間にクリアランスリング１２が介在しているので、スタータギア４の回転につられて金属バネ１３が回転することを防止できる。
【００１３】
回転伝達機構５は、図３に詳しく示したように、スタータギア４及びクランクギア６のそれぞれと噛み合うヘリカルギアとして構成された中間ギア５０と、中間ギア軸５２を備え中間ギア５０を軸線ＣＬ２方向（スラスト方向）に関して移動可能に保持するギアハウジング５１と、を含んで構成されている。中間ギア５０は樹脂製の歯部５０ａと金属製のインサート５０ｂとを有している。歯部５０ａはインサート５０ｂの外周面に形成された突部５０ｃを包み込むようにして成形されてインサート５０ｂに取り付けられている。中間ギア軸５２とインサート５０ｂとの間に玉軸受５３が設けられている。中間ギア５０の軸線ＣＬ２方向への移動はギアハウジング５１の側壁５１ａ，５１ａにて規制される。一方（図３右側）の側壁５１ａと中間ギア５０との間には、玉軸受５３の内輪と当接するようにしてリング５４が設けられている。他方（図３左側）の側壁５１ａと中間ギア５０との間には、所定量のスラストクリアランスＣ２が形成されるようにしてクリアランスプレート５５が設けられている。玉軸受５３の内輪に当接するクリアランスリング５６とクリアランスプレート５５との間には、これらに当接するようにして金属バネ（緩衝部材）５７が設けられている。金属バネ５７は、図２の金属バネ１３と同様に、中間ギア軸５２に通された皿バネである。金属バネ５７と中間ギア５０との間にクリアランスリング５６が介在しているので、中間ギア５０の回転につられて金属バネ５７が回転することを防止できる。なお、金属バネ５７を所定量たわませた状態で取り付けてもよい。この場合は、金属バネ５７の弾性力によって中間ギア５０がリング５４を介して右側の側壁５１ａに押し付けられる。
【００１４】
以上の構成により、スタータモータ２の回転軸３の回転が、一方向クラッチ１０、スタータギア４、及び中間ギア５０を介してクランクギア６へ伝達される。そして、回転軸３とスタータギア４との間に一方向クラッチ１０が介在しているので、クランクギア６から回転軸３への回転伝達が阻止される。従って、スタータモータ２の作動状態の変化、及びクランクギア６の回転状態の変化に関わらず、スタータギア４、中間ギア５０、クランクギア６のそれぞれを常時噛み合わせておくことができる。
【００１５】
図４〜図６は、スタータモータ２が作動する始動クランキング中における各ギアに作用するスラスト力の変化を示した説明図である。これらの図において、破線の矢印は各ギアの回転方向を示し、各ギアに示された斜線Ｌは歯部のねじれ方向をそれぞれ示している。始動クランキング中における圧縮行程、膨張行程の変化に応じてクランクギア６の回転速度が変化するので、各ギアの駆動、被駆動の関係が変化し、これに伴って各ギアに作用するスラスト力の状態も時々刻々と変化する。図４はスタータギア４が中間ギア５０を介してクランクギア６を駆動している状態を示している。この図の状態においては、スタータギア４が中間ギア５０を介してクランクギア６を駆動するため、中間ギア５０にはスタータギア４によりスラスト力Ｆ１１が、クランクギア６には中間ギア５０によりスラスト力Ｆ２１がそれぞれ作用する。そして、これらのスラスト力の反作用として、反対方向のスラスト力Ｆ１１がスタータギア４に、反対方向のスラスト力Ｆ２１が中間ギア５０にそれぞれ作用する。
【００１６】
図５は、クランクギア６が中間ギア５０を介してスタータギア４を駆動している状態、つまりクランクギア６が他のギアよりも速く回転している状態を示している。この場合には、各ギアの駆動、被駆動の関係が図５の場合と反対になるため、各ギアに作用していたスラスト力が反転し、図示したように、中間ギア５０にはクランクギア６よりスラスト力Ｆ２２が、スタータギア４には中間ギア５０によりスラスト力Ｆ１２がそれぞれ作用する。そして、これらのスラスト力の反作用として、反対方向のスラスト力Ｆ２２がクランクギア６に、反対方向のスラスト力Ｆ１２が中間ギア５０にそれぞれ作用する。
【００１７】
図６は中間ギア５０が他のギアよりも速く回転している状態を示し、図６の状態は図４の状態から図５の状態へ、又は図５の状態から図４の状態への遷移時に現れるものである。図７はこの遷移時の各ギアの噛み合いの状態を示した説明図である。図の矢印は、各ギアの回転方向を示している。図７に示したように、図４の状態から図５の状態へ遷移する際には、遷移の前後で各ギアの駆動、被駆動の関係が切り替わるので、中間ギア５０とスタータギア４とのバックラッシュＢ１及び中間ギア５０とクランクギア６とのバックラッシュＢ２のそれぞれの間で中間ギア５０が慣性力によって自転可能な状態になる。その際に中間ギア５０の歯面５０ｓがスタータギア４の歯面４ｓ及びクランクギア６の歯面６ｓのそれぞれと衝突し、その衝突の反力として、図６に示したように中間ギア５０にはスタータギア４からスラスト力Ｆ１３が、クランクギア６からスラスト力Ｆ２３がそれぞれ作用する。これらのスラスト力Ｆ１３，Ｆ２３は、互いに同方向に作用するので、中間ギア５０に作用するスラスト力のバランスが崩れる。これにより、図６の状態が現れる度に中間ギア５０がスラスト力Ｆ１３，２３の方向に移動し、その後、図４又は図５の状態に戻るため、中間ギア５０が往復運動を繰り返す。
【００１８】
以上の現象は、スタータモータ２が非作動とされる始動完了後の内燃機関の運転中においても、内燃機関のトルク変動やクランク軸の捻り共振時等によってクランクギア６に回転変動が生じるので、始動クランキング時の場合と同様に現れる。即ち、各ギアの回転速度差によりギア歯面同士が衝突して衝撃力を及ぼし合い、各ギア及びこれらを支持する玉軸受には、ラジアル方向の衝撃力と、図４〜６に示した各場合のスラスト方向の衝撃力とがそれぞれ加わる。
【００１９】
中間ギア５０をスラスト方向へ移動させるスラスト力又は衝撃力は、図４及び図５の状態では、中間ギア５０がスタータギア４及びクランクギア６のそれぞれから互いに反対方向のスラスト力の差になるため、比較的小さな力に留まる。しかし、図６の状態においては、スタータギア４及びクランクギア６のそれぞれから互いに同方向のスラスト力を受けるため、中間ギア５０に作用するスラスト力又は衝撃力が最大となる場合がある。
【００２０】
本実施形態においては、図３に示したように、中間ギア５０と左側の側壁５１ａとの間にスラストクリアランスＣ２が形成されるとともに、スラスト力Ｆ１３，Ｆ２３の方向に金属バネ５７が設けられているため、中間ギア５０と側壁５１ａとの衝突によるエネルギーを中間ギア５０のスラスト方向の運動エネルギーと金属バネ５７の位置エネルギーに変換でき、中間ギア５０と側壁５１ａとの衝撃を緩和できる。その結果、中間ギア５０をより小さく軽量化することもでき、中間ギア５０と側壁５１ａとの衝突による打音を低減することもできる。特に、中間ギア５０の歯部５０ａが樹脂材料で構成されている本実施形態では、金属等の他の材料で中間ギア５０を構成した場合よりも衝撃力の低減効果が顕著に反映される。樹脂製のギアは金属製のギアよりも強度が低いためモジュールや歯幅等のギアの諸元を金属製のギアより大きくして強度を確保する必要があるが、衝撃力の低減により大型化を抑えることができるためである。
【００２１】
また、本実施形態においては、図２に示したように、スタータギア４と側壁７ａとの間にも、スラストクリアランスＣ１が形成されるとともに、金属バネ１３が設けられているため、中間ギア５０の場合と同様にスタータギア４と側壁７ａとの衝撃を緩和することができ、これらの衝突による打音や破損が抑制される。
【００２２】
また、以上のような衝撃力の低減により、中間ギア５０を支持する玉軸受５３、スタータギア４を支持する玉軸受９，９に作用する負荷を低減できるので、これらの破損を防止することができるとともに、寿命を向上することもできる。
【００２３】
図２に示した金属バネ１３のバネ定数ｋ１、スラストクリアランスＣ１の大きさ、及び図３に示した金属バネ５７のバネ定数ｋ２、スラストクリアランスＣ２の大きさは、スタータギア４及び中間ギア５０のそれぞれに加わるスラスト力と、それぞれの質量とを考慮して適宜に定めればよい。スラストクリアランスＣ２及びバネ定数ｋ２に関しては、例えば、（１）始動クランキング時に中間ギア５０とギアハウジング５１（側壁５１ａ）と衝突する時の速度が許容値の範囲内にあること、（２）内燃機関の全運転条件において中間ギア５０と側壁５１ａとの衝突時の速度が許容値の範囲内にあること、を満足するように設定してもよい。このことは、スラストクリアランスＣ１及びバネ定数ｋ１に関しても同様である。なお、バネ定数ｋ１，ｋ２は線形でも非線形でもよい。
【００２４】
具体的には、以下の方法によってこれらの大きさを計算できる。以下の方法は、中間ギア５０に関するものであるが、スタータギア４に関してもこれに準じて計算できる。
【００２５】
例えば始動装置１を図８に示したようにモデル化し、運動方程式を立式する。なお、図８のリア側は図３の右側に、図８のフロント側が図３の左側にそれぞれ対応している。
【００２６】
＜１＞まず、内燃機関の始動クランキング時に、中間ギア５０がリア方向のスラスト力を受けて運動する場合には、その運動方程式は式（１）となる。なお、式（１）ではリア方向を＋の方向としている。
【００２７】
【数１】
2006152804.tif 000003
【００２８】
ここで、ｍ：中間ギア５０の質量（玉軸受５８の質量を含めてもよい）、ｋ２：金属バネ５７のバネ定数、ｘ：金属バネ５７の初期たわみ位置を０とし、その位置からの金属バネ５７の縮み代、ＦＲｒ：中間ギア５０に負荷されるリア側へのスラスト力（なお、これに摩擦力や潤滑油による抵抗等を加味してもよい）、Ｆ０：金属バネ５７の初期たわみによるスラスト力、である。なお、ここでいう「初期たわみ」は、中間ギア５０がフロント側の側壁５１ａに押さえつけられている場合の金属バネ５７のたわみである。
【００２９】
式（１）において、初期条件：ｔ＝０のとき、ｘ（ｔ）＝０，ｄｘ（ｔ）／ｄｔ＝ｖ（ｔ）＝０、とした解は、次の式（２）及び（３）の通りである。
【００３０】
【数２】
2006152804.tif 000004
【００３１】
【数３】
2006152804.tif 000005
【００３２】
式（２）及び（３）における、ｘ（ｔ）、ｖ（ｔ）、及びｋの関係より、スラストクリアランスＣ２と金属バネ５７のバネ定数ｋ２をパラメータとして、中間ギア５０がリア側の側壁５１ａに衝突する時の衝突速度を求めることができる。
【００３３】
＜２＞次に、始動クランキング時において、中間ギア５０がリア方向のスラスト力を受けてリア側の側壁５１ａに衝突した後にフロント側へ運動する場合には、その運動方程式は式（４）となる。この式（４）は式（１）の（ＦＲｒ−Ｆ０）を（−ＦＦｒ−Ｆ０）に置き換えたものである。ここで、ＦＦｒは中間ギア５０に負荷されるフロント方向へのスラスト力である。その他は式（１）と同様である。
【００３４】
【数４】
2006152804.tif 000006
【００３５】
この式（４）を、初期条件：ｔ＝０のとき、ｘ（ｔ）＝スラストクリアランス量Ｃ２，ｄｘ（ｔ）／ｄｔ＝ｖ（ｔ）＝０、として解き、上述と同様にｘ（ｔ）、ｖ（ｔ）、及びｋ２の関係を求める。これにより、金属バネ５７がスラストクリアランス量Ｃ２だけ伸びて、中間ギア５０がフロント側の側壁５１ａに衝突する時の速度を求めることができる。
【００３６】
＜３＞次に、内燃機関の全運転域においてリア方向及びフロント方向のそれぞれのスラスト力の最大値（最大スラスト力）を特定し、各最大スラスト力による中間ギア５０とリア側の側壁５１ａとの衝突速度、及びフロント側の側壁５１ａとの衝突速度を上述の式（１），（４）より求める。
【００３７】
＜４＞そして、上記＜１＞，＜２＞，＜３＞で求められた衝突速度が要求条件を満足するようにして、スラストクリアランス量Ｃ２と金属バネ５７のバネ定数ｋ２をそれぞれ設定することができる。例えば、上記＜１＞，＜２＞で求められる衝突速度が、中間ギア５０と側壁５１ａとの衝突による打音（スラスト打音）の許容値以下となり、上記＜３＞で求められる衝突速度が、金属バネ５７が無い場合の衝突速度よりも小さく、かつスラスト打音が許容値以下になること、を条件としてスラストクリアランス量Ｃ２と金属バネ５７のバネ定数ｋ２を定めることができる。
【００３８】
本発明は以上の実施形態に限定されず、種々の形態で実施してよい。例えば、スタータギアと中間ギアとの間に他のギアを介在させて回転伝達機構を構成してもよいし、中間ギアとクランクギアとの間に他のギアを介在させて回転伝達機構を構成してもよい。
【００３９】
また、上述の実施形態では、一方向クラッチを設けてスタータモータ、中間ギア、及びクランクギアを常時噛み合わせておくことができる始動装置を例示したが、本発明の始動装置として、一方向クラッチを備えずに始動完了後にスタータモータと中間ギアとの噛み合いを解除する形式で実施してもよい。
【００４０】
本発明の移動規制部材としては、中間ギアを保持するギアハウジングに限られず、他の部材によって中間ギアの軸線方向の移動が規制されるように構成してもよい。また、中間ギアの材料に制限はなく、金属製でも樹脂製でもよい。緩衝部材としては、衝撃を緩和する部材であればよく、ゴムや樹脂等の弾性体でもよい。また、金属バネでなく非金属のバネでもよいし、バネの形態として皿バネの他円錐コイルバネ等の各種のバネ要素を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態に係る始動装置を示した図。
【図２】図１のII-II線断面図。
【図３】図１のIII-III線断面図。
【図４】スタータギアが中間ギアを介してクランクギアを駆動している状態を示した説明図。
【図５】クランクギアが中間ギアを介してスタータギアを駆動している状態を示した説明図。
【図６】中間ギアが他のギアよりも速く回転している状態を示した説明図。
【図７】遷移時の各ギアの噛み合いの状態を示した説明図。
【図８】スラストクリアランス及びバネ定数をそれぞれ計算するための計算モデルの一例を示した図。
【符号の説明】
【００４２】
１  始動装置
２  スタータモータ
３  回転軸
４  スタータギア
５  回転伝達機構
６  クランクギア
１０  一方向クラッチ
５０  中間ギア
５１ａ  側壁（移動規制部材）
５６  クリアランスリング
５７  金属バネ（緩衝部材）
Ｂ１、Ｂ２  バックラッシュ
【図１】
2006152804.tif 000007
【図２】
2006152804.tif 000008
【図３】
2006152804.tif 000009
【図４】
2006152804.tif 000010
【図５】
2006152804.tif 000011
【図６】
2006152804.tif 000012
【図７】
2006152804.tif 000013
【図８】
2006152804.tif 000014