(57)【要約】【課題】クランキング時におけるモータの振動や騒音等を、より効果的に低減する。【解決手段】始動装置１０は、一定トルクを出力するモータ１２と、当該モータ１２の出力トルクを所定の形態に変換してクランクシャフト５２に伝達する伝達機構１５と、を備えている。伝達機構１５は、一対の楕円歯車２４，２６からなる第一歯車対２０と、一対の楕円歯車２８，３０からなる第二歯車対２２と、を備えている。第一歯車対２０および第二歯車対２２は、いずれも、そのトルク伝達比率が所定周期で変動する。第二歯車対２２のトルク伝達比率の変動周期は、第一歯車対２０のそれの１／２である。また、第二歯車対２２は、第一歯車対２０に対して１／４πの位相差をもって取り付けられている。【選択図】図１
2006336622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタータモータからのトルクを、エンジンのクランクシャフトに伝達する伝達機構であって、少なくとも、
一対の非円歯車からなり、当該一対の非円歯車の回転に伴い、トルク伝達比率が第一変動周期で変動する第一歯車対と、
第一歯車対に接続された一対の非円歯車からなり、当該一対の非円歯車の回転に伴い、トルク伝達比率が第一変動周期とは異なる周期である第二変動周期で変動する第二歯車対と、
を備え、
各歯車対同士の変動周期の比率および各歯車対同士の位相角の値は、モータから伝達機構に一定トルクが入力された際に当該伝達機構から出力されるトルクがクランクシャフトに生じる反力トルクに対応するトルクになる値に設定されていることを特徴とする伝達機構。
【請求項２】
請求項１に記載の伝達機構であって、
各歯車対のトルク変換比率は、正弦波状に変動することを特徴とする伝達機構。
【請求項３】
請求項２に記載の伝達機構であって、
各歯車対を構成する非円歯車は、楕円歯車であることを特徴とする伝達機構。
【請求項４】
請求項３に記載の伝達機構であって、
クランクシャフトに生じる反力トルクをＦ、α，βを定数、θをクランク角としたときにＦ≒αｓｉｎθ＋βｓｉｎ２θが成立する場合、
第二変動周期は、第一変動周期の１／２であり、
第一歯車対に対する第二歯車対の位相角は、１／４πであることを特徴とする伝達機構。
【請求項５】
請求項４に記載の伝達機構であって、
第一歯車対を構成する一対の楕円歯車は、いずれも、同一形状であり、かつ、楕円中心から偏心した点を回転中心とし、
第二歯車対を構成する一対の楕円歯車は、いずれも、同一形状であり、かつ、楕円中心を回転中心とすることを特徴とする伝達機構。
【請求項６】
請求項４または５に記載の伝達機構であって、
クランクシャフトは、４サイクル４気筒エンジンのクランクシャフトであることを特徴とする伝達機構。
【請求項７】
クランクシャフトを強制的に回転させてエンジンを始動させるエンジンの始動装置であって、
クランクシャフトの回転の駆動力を出力するスタータモータと、
スタータモータから出力されたトルクをクランクシャフトに伝達する伝達機構と、
を備え、伝達機構は、少なくとも、
一対の非円歯車からなり、当該一対の非円歯車の回転に伴い、トルク伝達比率が第一変動周期で変動する第一歯車対と、
第一歯車対に接続された一対の非円歯車からなり、当該一対の非円歯車の回転に伴い、トルク伝達比率が第一変動周期とは異なる周期である第二変動周期で変動する第二歯車対と、
を備え、
各歯車対同士の変動周期の比率および各歯車対同士の位相角の値は、モータから伝達機構に一定トルクが入力された際に当該伝達機構から出力されるトルクがクランクシャフトに生じる反力トルクに対応するトルクになる値に設定されていることを特徴とする始動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スタータモータからのトルクをエンジンのクランクシャフトに伝達する伝達機構、および、当該伝達機構を備えたエンジンの始動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両等に搭載されるエンジンを始動する際には、当該エンジンのクランクシャフトをスタータモータで回転させてからエンジンに着火する。このとき、クランクシャフトの回転開始から着火までの時間、いわゆる、クランキングの際には、スタータモータの振動や騒音等が生じやすいという問題がある。
【０００３】
このモータの振動等が生じる大きな原因は、クランクシャフトに生じる反力トルクの変動にある。周知の通り、クランクシャフトは、吸入、圧縮、爆発、排気の四サイクルを繰り返すべく回転するが、このサイクル変化に伴いクランクシャフトに生じる反力トルクも変動する。この反力トルク変動は、エンジン着火前でも当然に生じる。そのため、この変動する反力トルクがモータ等に伝わり、モータの振動や騒音を引き起こす。特に、ハイブリッド車に搭載されるエンジンは、従来のガソリン車用エンジンに比べて、高回転で着火させる必要がある。高回転でクランクシャフトを回転させた場合、トルク変動も大きくなり、結果として、モータの振動等も増加しがちであった。
【０００４】
そこで、この反力トルクの変動に伴う振動を防止するための技術が従来からいくつか提案されている。例えば、特許文献１には、スタータモータのリンクギヤとクランクシャフトとの間に、一対の非円形歯車を設けた始動装置が開示されている。これは、スタータモータから出力される一定トルクを、一対の非円形歯車、具体的には、一対の楕円歯車を介して、クランクシャフトに伝達する構成となっている。一対の楕円歯車を用いた場合、リンクギヤに接続された楕円歯車は一定速度で回転するが、当該楕円歯車と噛み合う他方の楕円歯車は周期的な角速度変化が生じる。特許文献１では、この他方の楕円歯車の周期的な角速度変化がクランクシャフトのトルク変動を打ち消すように、これら一対の楕円歯車を位置決めすることが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平３−２９４６５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この特許文献１に開示されているような一対の楕円歯車から出力されるトルクは、正弦波状に変動する。したがって、クランクシャフトの反力トルクが、正弦波状に変動している場合には特許文献１の技術は有効である。しかしながら、実際に、エンジンのクランクシャフトに生じる反力トルクは、正弦波状ではないことが多い。例えば、４サイクル４気筒エンジンの場合、クランクシャフトの反力トルクは、一変動周期の間に大きなピークを二つ、小さなピークを二つ有する変形正弦波状に変動することが知られている。かかるエンジンの場合、特許文献１の技術では効果的に反力トルクを打ち消すことはできず、結果としてモータの振動等が生じやすいという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明では、エンジン始動時のモータの振動等を、より効果的に防止でき得る伝達機構および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】
【０００８】
本発明の伝達機構は、スタータモータからのトルクを、エンジンのクランクシャフトに伝達する伝達機構であって、少なくとも、一対の非円歯車からなり、当該一対の非円歯車の回転に伴い、トルク伝達比率が第一変動周期で変動する第一歯車対と、第一歯車対に接続された一対の非円歯車からなり、当該一対の非円歯車の回転に伴い、トルク伝達比率が第一変動周期とは異なる周期である第二変動周期で変動する第二歯車対と、を備え、各歯車対同士の変動周期の比率および各歯車対同士の位相角の値は、モータから伝達機構に一定トルクが入力された際に当該伝達機構から出力されるトルクがクランクシャフトに生じる反力トルクに対応するトルクになる値に設定されている。
【０００９】
好適な態様では、各歯車対のトルク変換比率は、正弦波状に変動する。各歯車対を構成する非円歯車は、楕円歯車であることが望ましい。
【００１０】
クランクシャフトに生じる反力トルクをＦ、α，βを定数、θをクランク角としたときにＦ≒αｓｉｎθ＋βｓｉｎ２θが成立する場合、第二変動周期は、第一変動周期の１／２であり、第一歯車対に対する第二歯車対の位相角は、１／４πであることが望ましい。その際、第一歯車対を構成する一対の楕円歯車は、いずれも、同一形状であり、かつ、楕円中心から偏心した点を回転中心とし、第二歯車対を構成する一対の楕円歯車は、いずれも、同一形状であり、かつ、楕円中心を回転中心とすることが、なお、望ましい。これは、クランクシャフトは、４サイクル４気筒エンジンのクランクシャフトである場合に特に好適である。
【００１１】
他の本発明である始動装置は、クランクシャフトを強制的に回転させてエンジンを始動させるエンジンの始動装置であって、クランクシャフトの回転の駆動力を出力するスタータモータと、スタータモータから出力されたトルクをクランクシャフトに伝達する伝達機構と、を備え、伝達機構は、少なくとも、一対の非円歯車からなり、当該一対の非円歯車の回転に伴い、トルク伝達比率が第一変動周期で変動する第一歯車対と、第一歯車対に接続された一対の非円歯車からなり、当該一対の非円歯車の回転に伴い、トルク伝達比率が第一変動周期とは異なる周期である第二変動周期で変動する第二歯車対と、を備え、各歯車対同士の変動周期の比率および各歯車対同士の位相角の値は、モータから伝達機構に一定トルクが入力された際に当該伝達機構から出力されるトルクがクランクシャフトに生じる反力トルクに対応するトルクになる値に設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、互いにトルク伝達比率の変動周期が異なる複数の非円の歯車対を設け、その変動周期の比率および位相角の値を、モータから伝達機構に一定トルクが入力された際に当該伝達機構から出力されるトルクがクランクシャフトに生じる反力トルクに対応するトルクになる値に設定している。そのため、変形正弦波状など、複雑な態様で変動する反力トルクを、より確実に打ち消すことができる。その結果、モータの振動等を効果的に防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である始動装置１０の概略構成図である。この始動装置１０は、車両に搭載された４サイクル４気筒のエンジン、特に、高回転で着火する必要があるエンジンの始動に好適な構成となっている。ただし、適宜、始動装置１０を構成する歯車対の数や取り付け角度等を調整することにより、他の種類のエンジンの始動にも適用できる。
【００１４】
始動装置１０は、エンジン５０を始動させるために、モータ１２の回転力によりエンジン５０のクランクシャフト５２を強制的に回転させる装置である。本実施形態の始動装置１０は、クランクシャフト５２の回転の動力源となるモータ１２と、当該モータ１２からのトルクをクランクシャフト５２に伝達する伝達機構１５に大別される。モータ１２は、図示しない制御装置により制御されている。エンジン５０を始動させる際、このモータ１２は、高速で回転し、一定のトルクを出力する。このモータ１２の回転軸にはピニオン１４が取り付けられており、後述するリンクギヤ１６と噛み合う。
【００１５】
伝達機構１５は、モータ１２のピニオン１４に噛み合うリンクギヤ１６と、当該リンクギヤ１６からのトルクを所定の形態に変換してクランクシャフト５２に伝達する二段歯車１８と、を備えている。リンクギヤ１６は、モータ１２の回転軸に取り付けられたピニオンとの噛み合いにより、モータ１２から出力された回転力を減速し、出力トルクを増幅する。増幅されたトルクは、二段歯車１８へと伝達される。
【００１６】
二段歯車１８は、二組の歯車対、すなわち、第一歯車対２０および第二歯車対２２から構成される。図２は、この二段歯車１８の概略構成を示す図である。図２において、実線は第一歯車対２０を、破線は第二歯車対２２を示す。第一歯車対２０は、第一軸３２によってリンクギヤ１６に接続された第一歯車２４と、当該第一歯車２４に噛み合う第二歯車２６と、からなる。第一歯車２４および第二歯車２６は、同じ形状の楕円歯車である。この両歯車は、楕円の焦点である点Ｏ１，Ｏ２を回転中心として回転する。
【００１７】
ここで、周知の通り、楕円歯車対の場合、回転力はそのまま伝達されず、ある程度、減速されて伝達される。この減速比、換言すれば、トルク伝達比率は、一定ではなく、楕円歯車対の回転に応じて周期的に変動する。第一歯車対２０の場合、二つの楕円歯車２４，２６の回転中心Ｏ１，Ｏ２は、楕円の焦点であり、楕円中心から偏心しているため、トルク伝達比率の変動周期は一回転（２π）である。また、そのトルク伝達比率の変動波形は、正弦波状である。つまり、第一歯車対に入力されるトルクをＴｉｎ，第一歯車対２０から出力されるトルクをＴｏｕｔ、回転角度をθとした場合、Ｔｏｕｔ＝Ｔｉｎ・Ｒ・ｓｉｎθ＋Ｍ（Ｒ，Ｍは定数）となる。
【００１８】
第二歯車対２２は、第二軸３４によって第二歯車２６に接続された第三歯車２８と、当該第三歯車２８に噛み合うとともにクランクシャフト５２に接続された第四歯車３０と、からなる。第三歯車２８および第四歯車３０も、第一、第二歯車２４，２６同様、楕円歯車である。ただし、第一、第二歯車２４，２６とは異なり、第三歯車２８および第四歯車３０は、楕円中心Ｏ３，Ｏ４を回転中心として回転する。また、本実施形態では、第三歯車２８の第二歯車２６に対する位相角αは、約４５度（１／４π）としている。この位相角αの値の意味については後に詳説する。
【００１９】
この第二歯車対２２においてもトルク伝達比率は、所定の周期で変動しており、その変動波形は正弦波状となる。ただし、第二歯車対２２の場合は、二つの楕円歯車２８，３０の回転中心Ｏ３，Ｏ４が楕円中心である。そのため、トルク伝達比率の変動周期は半回転（１／２π）となる。したがって、第二歯車対２２への入力トルクをＴｉｎ、第二歯車対２２からの出力トルクをＴｏｕｔ、回転角度をθとした場合、Ｔｏｕｔ＝Ｔｉｎ・Ｒ´・ｓｉｎ２θ＋Ｍ´（Ｒ´，Ｍ´は定数）となる。換言すれば、第二歯車対２２のトルク伝達比率の変動周期は、第一歯車のそれに対して、１／２となっている。
【００２０】
次に、この二段歯車１８でのトルク伝達と、クランクシャフト５２に生じる反力トルクと、の関係について図３を用いて説明する。図３（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ、クランクシャフト５２に生じる反力トルクＴ、モータ１２から出力されるトルクＴｍ、伝達機構１５を介してクランクシャフト５２に伝達されるトルクＴｄ、モータ１２の振動レベル、を示すグラフである。はじめに、クランクシャフト５２に生じる反力トルクについて簡単に説明する。周知の通り、４サイクルエンジンにおいて、クランクシャフト５２は、二回転（４π）する間に四サイクル、すなわち、圧縮、爆発、排気、吸気を行う。このサイクル変動に伴い、クランクシャフト５２に生じる反力トルクも変動する。図３（Ａ）は、この二回転四サイクルの間におけるクランクシャフト５２に生じる反力トルクの変動を示すグラフである。図３（Ａ）から明らかなように、反力トルクは、１回転（２π）を１周期とする略正弦波状に変動することが分かる。ただし、正確な正弦波ではなく、１／４πおよび７／４πに大きなピークを、３／４πおよび５／４πに小さなピークを有する変形正弦波状である。この反力トルクＴは、次の式（１）で近似することができる。
【数１】
2006336622.tif 000003
【００２１】
ここで、Ｆはピストンにかかる力であり、Ｌはコンロッド長、ｒはクランク半径、φはクランク角を示す。また、Ｆ，Ｌ，ｒは定数である。このクランクシャフト５２に生じる反力トルクＴは、モータ１２等の振動や騒音の原因となる。かかる振動や騒音は、当該エンジン５０が搭載される車両の乗車者にとって不快であるばかりでなく、車両やエンジン５０に対しても悪影響を与える恐れがある。そのため、従来から反力トルクＴに基づく振動等を低減することが望まれている。特に、ハイブリッド車搭載のエンジンなどは、比較的、高回転で着火されるが、エンジンの回転数が高ければ、生じる反力トルクＴも大きくなる。そのため、かかる高回転での着火がなされるエンジンにおいては、反力トルクＴに基づく振動等を低減することは重大な課題の一つとなっている。
【００２２】
本実施形態では、この反力トルクＴに基づく振動等を低減するため、モータ１２から出力されたトルクＴｍを、反力トルクＴを打ち消すように変換してクランクシャフト５２に伝達している。具体的には、第二歯車対２２のトルク伝達比率の変動周期を第一歯車対２０のそれに対して１／２とし、さらに、第二歯車対２２が第一歯車対２０に対して約４５度の位相差を有する構成にしている。これにより、反力トルクＴを打ち消すことができ、振動等を大幅に低減できる。これについて図４，５を用いて説明する。図４は第一歯車対２０の位置関係を、図５は第二歯車対２２の位置関係を示す図である。
【００２３】
はじめに第一歯車対２０のトルク伝達特性について説明する。既述の通り、第一歯車対２０を構成する第一歯車２４および第二歯車２６は、同一形状の楕円歯車であり、その回転中心Ｏ１，Ｏ２は楕円焦点である。この第一歯車２４および第二歯車２６にかかるトルクをそれぞれＴａ，Ｔｂ、回転中心から噛み合い点Ｘまでの距離をそれぞれＲａ，Ｒｂ、回転角度をそれぞれθ，ψとし、両歯車２４，２６の回転中心間距離をＲ、両歯車の長軸をｍ、ｎとする。なお、初期状態においてはθ＝ψ＝０とする。このとき、力の釣り合いから式（２）が、楕円の極座標表現から式（３）が成立する。
【数２】
2006336622.tif 000004
【００２４】
ここで、Ｒ＝Ｒａ＋Ｒｂ（一定）であるから、この式に、上記の式（３）およびθ＝ψ＝０を代入すれば、式（４）が導ける。
【数３】
2006336622.tif 000005
【００２５】
そして、式（２）に式（３）および式（４）を代入し、第二歯車の出力トルクＴｂを第二歯車の回転角度ψの式で表すと式（５）のようになる。
【数４】
2006336622.tif 000006
【００２６】
ここで、第一歯車２４にかかるトルクＴａは、モータ１２から出力され、リンクギヤ１６により増幅された一定トルクである（Ｔａ＝Ｎ・Ｔｍ、Ｎ：リンクギヤの減速比、Ｔｍ：モータの出力トルク）。つまり、回転中心Ｏ１，Ｏ２が楕円中心から偏心した点（楕円の焦点）である一対の楕円歯車２４，２６からなる第一歯車対２０によれば、モータ１２から出力されたトルクＴｍを、正弦波状に変動する変動トルクに変換できることが分かる。
【００２７】
次に、第二歯車対２２のトルク伝達特性について図５を用いて説明する。第二歯車対２２を構成する第三歯車２８および第四歯車３０は、同一形状の楕円歯車であり、楕円中心を回転中心Ｏ３，Ｏ４としている。この第三歯車２８および第四歯車３０にかかるトルクをそれぞれＴｃ，Ｔｄ、回転中心Ｏ３，Ｏ４から噛み合い点Ｘ´までの距離をそれぞれＲｃ，Ｒｄ、回転角度をそれぞれτ，φ、両歯車２８，３０の回転中心間距離をＲ´、両歯車２８，３０の長軸をｍ´、ｎ´とする。また、初期状態において、τ＝０，φ＝１／２πとする。このとき、力の釣り合いから式（６）が、楕円の極座標表現から式（７）が成立する。
【数５】
2006336622.tif 000007
【００２８】
ここで、Ｒ´＝Ｒｃ＋Ｒｄ（一定）である。この式に上記式（７）およびτ＝０，φ＝１／２πを代入すれば、次の式（８）が導ける。
【数６】
2006336622.tif 000008
【００２９】
そして、式（６）に式（７）、式（８）を代入し、第四歯車３０の出力トルクＴｄを第三歯車２８の回転角度τの式で表すと式（９）のようになる。
【数７】
2006336622.tif 000009
【００３０】
ここで第三歯車２８にかかるトルクＴｃは、すなわち、第二歯車２６から出力されたトルクＴｂであり、Ｔｃ＝Ｔｂの式が成り立つ。また、第二歯車２６と第三歯車２８との位相角をαとした場合、ψ＝τ−αの式が成立する。したがって、式（９）に式（５）およびψ＝τ−αを代入することにより、次の式（１０）が得られる。
【数８】
2006336622.tif 000010
【００３１】
次に、第三歯車２８の角度τと第四歯車３０の角度φとの関係は、式（７），（８）から次の式（１１）のよう表すことができる。
【数９】
2006336622.tif 000011
【００３２】
そして、この式（１１）を式（１０）に代入すれば、式（１２）となる。
【数１０】
2006336622.tif 000012
【００３３】
ここで、ε、ε´は、定数である。また、リンクギヤ１６から伝達されるトルクＴａも一定である。したがって、式（１２）は、次の式（１３）のように書き換えることができる。
Ｔｄ＝Ａｓｉｎφ＋Ｂｓｉｎ２φ＋Ｃ      （１３）
【００３４】
この式（１３）は、二段歯車１８によるトルクの伝達特性を示している。式（１３）から分かるように、二段歯車１８は、リンクギヤ１６から伝達された一定トルクＴａを、変形正弦波状に変換する。
【００３５】
ここで、この式（１３）と、クランクシャフト５２に生じる反力トルクＴを示す式（１）と、を比較する。式（１３）の第一項および第二項は、式（１）と同じく、ｓｉｎφおよびｓｉｎ２φに比例していることが分かる。したがって、Ａ＝Ｆｒ、Ｂ＝Ｆｒ２／２Ｌとなるように、ε，ε´，Ｔａを調整すれば、第四歯車３０からの出力トルクＴｄによって反力トルクＴを打ち消すことができる。一方、角度に関わらず一定値であるＣは、クランクシャフト５２を回転させるトルクである。このＣに応じたトルクによってクランクシャフト５２は回転させられ、エンジンが始動される。
【００３６】
図３（Ｃ）には、この第四歯車３０からの出力トルクＴｄを図示している。この図３（Ｃ）と、反力トルクＴを図示した図３（Ａ）と、を比較すると、両トルクは、その変動態様が極めて類似していることが分かる。そのため、反力トルクＴの殆どは、出力トルクＴｄによって打ち消される。そして、その結果、モータに生じる振動レベルを、図３（Ｄ）に図示の通り、大幅に低減できる。
【００３７】
つまり、始動装置１０において、モータ１２からのトルクをクランクシャフト５２に伝達する伝達機構１５に、楕円歯車対を複数設けることにより、複雑に変動する反力トルクを打ち消すことができ、結果として、モータ１２の振動等を防止できる。なお、本実施形態では、二対の歯車対を用いているが、より多数の歯車対を用いてもよい。すなわち、本実施形態では、４サイクル４気筒のエンジン５０を始動対象としているが、気筒数等が変われば、生じる反力トルクの変動態様も変わってくる。その場合は、その反力トルクの変動態様に応じたトルクが出力でき得るように、歯車対の数や位相角などを調整すればよい。また、必要に応じて、各歯車対の間にギヤを設けてもよい。ギヤを設けることにより、各歯車対のトルク伝達比率の変動周期を柔軟に変えることができるので、より複雑に変動する反力トルクにも対応できる。また、本実施形態では、取り扱いが比較的容易な楕円歯車対を用いているが、トルク伝達比率が所定周期で変動するのであれば、当然、他の形状の非円歯車を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態であるエンジンの始動装置の概略構成図である。
【図２】二段歯車の構成を示す図である。
【図３】クランクシャフトの反力トルクＴ、モータの出力トルクＴｍ、二段歯車からの出力トルクＴｄ、モータの振動レベルをそれぞれ示す図である。
【図４】第一歯車対の位置関係を示す図である。
【図５】第二歯車対の位置関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  始動装置、１２  モータ、１４  ピニオン、１５  伝達機構、１６  リンクギヤ、１８  二段歯車、２０  第一歯車対、２２  第二歯車対、２４  第一歯車、２６  第二歯車、２８  第三歯車、３０  第四歯車、３２  第一軸、３４  第二軸、５０  エンジン、５２  クランクシャフト、Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３，Ｏ４  回転中心、Ｒ，Ｒ´  回転中心間距。
【図１】
2006336622.tif 000013
【図２】
2006336622.tif 000014
【図３】
2006336622.tif 000015
【図４】
2006336622.tif 000016
【図５】
2006336622.tif 000017