(57)【要約】【課題】  クランク軸系の共振音を低減すると共に、停止状態の内燃機関の始動の際の騒音を低減する動力装置を提供する。【解決手段】  動力装置１０は内燃機関１１と変速装置１２を備え、第１フライホイール３１を内燃機関１１と変速装置１２との間でクランク軸１３に固着し、内燃機関１１の内部の潤滑油Ｒに浸る位置にスタータ２１を配置し、前記スタータ２１のピニオン２２と噛合するリングギヤ３４を備えた第２フライホイール３２を、内燃機関１１の内部でクランク軸１３に固着して構成される。【選択図】図１
2012215146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と変速装置との間でクランク軸に固着された第１フライホイールを設けた動力装置において、内燃機関の内部でクランク軸に固着された第２フライホイールを設けたことを特徴とする動力装置。
【請求項２】
可聴領域内の周波数で騒音源となる範囲の外の領域にクランク軸系の捻り振幅が極大となる共振周波数を発生させる２自由度系の回転振動が、前記第１フライホイールと前記第２フライホイールとクランク軸とから構成されたことを特徴とする請求項１に記載の動力装置。
【請求項３】
スタータを内燃機関の内部の潤滑油に浸る位置に配置し、前記第２フライホイールが前記スタータのピニオンと噛合するリングギヤを外周に備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の動力装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の動力装置を備えたことを特徴とする車両。
【請求項５】
内燃機関の運動を変速装置に伝えるクランク軸と、前記内燃機関と前記変速装置との間で前記クランク軸に固着された第１フライホイールと、前記内燃機関の内部で前記クランク軸に固着された第２フライホイールとが、２自由度系の回転振動で生じる２つの共振周波数を可聴領域内の周波数で騒音源となる範囲の外に設定することを特徴とする動力装置の共振音を低減する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フライホイールによって車内音を低減すると共に、動力装置の起動時に発生するスタータ音を低減する動力装置とそれを搭載した車両、およびその共振音を低減する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、動力装置に設けられているフライホイールは円板状に形成されて、クランク軸に固着され、クランク軸のトルク変動による回転モーメントのばらつきを防いでいる。そのためにはフライホイールにある程度の質量が必要になる。しかし、そのフライホィールの質量に基づく振動が生じ、この振動に起因して特に車両において車室内にこもり音等の異音が生じ易い。
【０００３】
ここで図７に示すように、従来の動力装置１００の構成と動作を説明する。この動力装置１００は、内燃機関１０１と変速装置１０２とを備え、内燃機関１０１のピストン運動を回転運動に換えるクランク軸１０３が、内燃機関１０１で生じた運動エネルギーを変速装置１０２へと送っている。スタータ１０４は変速装置１０２の内部または外部に設けられ、ピニオン１０５を備える。ピニオン１０５はフライホイール１０６の外周に備えたリングギヤ１０７と噛合している。停止状態の内燃機関１０１を起動させるために、スタータ１０４を起動させると、ピニオン１０５が回転し、合わせてフライホイール１０６が回転することで、円滑に内燃機関１０１を始動することができる。
【０００４】
このときのクランク軸系の捻り振幅と周波数の関係を表した図８から車両の乗員に騒音と感じ易い２００Ｈｚ〜５００Ｈｚでフライホイール１０６との共振周波数が最大となり、騒音源となる共振音が発生していることがわかる。
【０００５】
この対策として、２枚の回転板を備えたフライホイールで捻り振幅による騒音を防止する装置がある（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載のフライホイールなどが２枚の構成からなるデュアルマス（ツーマス）フライホイールなどは２枚の回転板の間にダンパなどを設け、そのダンパの共振でフライホイールの共振を低減している。しかし、上記の構成では、主に共振を減衰させることで共振音を低減しているが、新たにダンパなどの共振音が発生してしまうという問題がある。また、ダンパなどに共振を減衰するために負荷がかかり、それが原因となって故障するという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１１５１８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、共振周波数を自由に設定でき、クランク軸の捻り振動による騒音を防ぐと共に、内燃機関の起動停止時のスタータの騒音を低減する動力装置とそれを搭載した車両、および共振音を低減する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を解決するための動力装置は、内燃機関と変速装置との間でクランク軸に固着された第１フライホイールを設けた動力装置において、内燃機関の内部でクランク軸に
固着された第２フライホイールを設けて構成される。
【０００９】
この構成によれば、第１フライホイールと第２フライホイールとが、内燃機関の外部と内部とである程度の距離を保ち動力装置に設けられている。そのため、第１フライホイールと第２フライホイールとクランク軸とが２自由度系の回転振動を生じ、それによりクランク軸の捻り振幅による共振音を低減することができる。
【００１０】
また、上記の動力装置は、可聴領域内の周波数で騒音源となる範囲の外の領域にクランク軸系の捻り振幅が極大となる共振周波数を発生させる２自由度系の回転振動が、前記第１フライホイールと前記第２フライホイールとクランク軸とから構成される。
【００１１】
この構成によれば、内燃機関と変速装置との間に設けた第１フライホイールと内燃機関の内部に設けた第２フライホイールとクランク軸とからなる２自由度系の回転振動によって発生する２つの共振周波数を可聴領域内の周波数で騒音源となる範囲の外の領域に発生するように設定し車内音を低減することができる。すなわち、クランク軸の捻り振幅の１次モードの第１固有振動数（共振周波数）と２次モードの第２固有振動数（共振周波数）の間に、騒音源となる周波数の範囲となるように設定する。そうすると、騒音源となる周波数の範囲内には反共振周波数が発生していることになる。
【００１２】
可聴領域内の周波数で車内の騒音源となる範囲は、具体的に数値で示すと、２００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの範囲であり、実質的には２００Ｈｚ〜５００Ｈｚの範囲である。すなわち、クランク軸の捻り振幅の最大値の１次モードの第１固有振動数（共振周波数）を２００Ｈｚ以下に発生させ、２次モードの第２固有振動数（共振周波数）を５００Ｈｚ以上に発生させ、加速時に騒音源として問題となる周波数領域（２００Ｈｚ〜５００Ｈｚ）外に共振周波数をずらすと、より効果的に騒音を低減することができる。
【００１３】
その第１固有振動数（共振周波数）と第２固有振動数（共振周波数）は、第１フライホイールの第１慣性モーメントと、第１フライホイールと変速装置との間のクランク軸の第１捻りばね定数と、第２フライホイールの第２慣性モーメントと、第１フライホイールと第２フライホイールとの間のクランク軸の第２捻りばね定数とにより自由に設定することができる。そのため、クランク軸系の捻り振幅（共振周波数）設定に自由度が広がるため、エンジンの始動時および停止時において、車内音の感度が高い可聴領域内の周波数で騒音源となる範囲からその共振周波数を外すことで車内音を低減することができる。また、慣性モーメントは各フライホイールとクランク軸の半径と質量から設定でき、捻りばね定数は各フライホイール間の距離とクランク軸の半径から設定できる。よって、各フライホイールの質量と各フライホイール間の距離とを調整することで、第１固有振動数（共振周波数）と第２固有振動数（共振周波数）は調整することができる。
【００１４】
加えて、上記の動力装置は、スタータを内燃機関の内部の潤滑油に浸る位置に配置し、前記第２フライホイールが前記スタータのピニオンと噛合するリングギヤを外周に備えて構成される。
【００１５】
この構成によれば、停止状態の内燃機関を始動させるスタータを内燃機関の内部のオイルパンに設けることで、スタータを潤滑油に浸すことができる。そのため、スタータの発生する騒音を潤滑油および内燃機関の外壁が遮断するため、スタータ音を低減することができる。また、第２フライホイールにスタータのピニオンと噛合するリングギヤを第２フライホイールの外周に備えるだけでよいため、わざわざスタータの回転をクランク軸に伝えるためのギヤ列を別に設けなくともよい。さらに、ピニオンとリングギヤとの噛合箇所が潤滑油に常に浸っているため、潤滑を容易に行うことができる。
【００１６】
先の問題を解決する車両は、上記の動力装置を搭載して構成される。この構成によれば、起動時におけるスタータの音を低減し、特に車両が加速するときに騒音として問題となる周波数領域外にクランク軸系の共振点をずらすことができる。そのため、内燃機関の起動停止の頻度が高いアイドルストップ車などにとくに有効である。
【００１７】
さらに、先の問題を解決するための動力装置の共振音を低減する方法は、内燃機関の運動を変速装置に伝えるクランク軸と、前記内燃機関と前記変速装置との間で前記クランク軸に固着された第１フライホイールと、前記内燃機関の内部で前記クランク軸に固着された第２フライホイールとが、自由度系の回転振動で生じる２つの共振周波数を可聴領域内の周波数で騒音源となる範囲の外に設定する。
【００１８】
この方法によれば、第１フライホイールと第２フライホイールの各慣性モーメントとクランク軸の捻りばね定数とから、２自由度系の回転振動における第１モードの第１固有振動数と第２モードの第２固有振動数との２つの共振周波数を自由に設定することができる。２つの共振周波数を可聴領域内の周波数で騒音源となる範囲の外で発生するように設定し、反共振周波数を騒音源となる範囲の内に発生するように設定することで、動力装置の共振音を低減することができる。特に本発明ではクランク軸系の捻り振幅が最大となる第１固有振動数（共振周波数）と第２固有振動数（共振周波数）を２００Ｈｚ〜５００Ｈｚの範囲外に設定することで、車内音を低減することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、クランク軸系の振幅が最大となる共振周波数を、車両の加速時に問題となる可聴領域内の周波数で騒音源となる範囲の外に設定し、共振音を低減することができると共に、内燃機関を始動させる際のスタータが発生する騒音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る実施の形態の動力装置を示した断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面を示した断面図である。
【図３】本発明に係る実施の形態のフライホイールの慣性モーメントなどを示した図である。
【図４】本発明に係る実施の形態の１次モードの捻り振幅（共振周波数）を示した図である。
【図５】本発明に係る実施の形態の２次モードの捻り振幅（反共振周波数）を示した図である。
【図６】本発明に係る実施の形態の動力装置のクランク軸の振幅と周波数の関係を示した図である。
【図７】従来の動力装置を示した断面図である。
【図８】従来の動力装置のクランク軸の振幅と周波数の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る実施の形態の動力装置１０について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
図１及び図２に示すように、動力装置１０は内燃機関１１と変速装置１２と、内燃機関１１のピストン運動を回転運動に換えるクランク軸１３とを備える。内燃機関１１にシリンダブロック１４とオイルパン１５とシリンダヘッド１６とを設け、オイルパン１５にピニオン２２を備えたスタータ２１を設ける。クランク軸１３には第１フライホイールと第２フライホイールとを固着する。本発明において、内燃機関１１と変速装置１２に一般的なエンジンやトランスミッションを用いることができる。
【００２３】
オイルパン１５の底部には潤滑油Ｒが溜まっており、スタータ２１をその潤滑油Ｒに浸るようにオイルパン１５に固定する。このとき、スタータ２１の稼働時の振動を低減するために、スタータ２１をオイルパン１５にゴムなどの防振材を介して設置することが好ましい。
【００２４】
スタータ２１は潤滑油Ｒが浸透しないように金属製又は合成樹脂などのカバーで覆った電動モータで形成され、電動モータの先端に、ピニオン２２を備える。また、スタータ２１は車両内のバッテリー（図示しない）から電力を得て動作する。スタータ２１に一般的な電動セルなどを用いることができる。
【００２５】
第１フライホイール３１は円板状に形成され、内燃機関１１と変速装置１２との間でクランク軸１３に固着されている。この第１フライホイール３１は形状、機能を限定せずに、例えばデュアルマス（ツーマス）ホイールや、ホイールの外周に作用してホイールの慣性モーメントが変化する装置を備えたホイール及び発電機能を有したフライホイールなどを用いることができる。また、第１フライホイールの内外にクランク軸からの振幅を減衰することができる減衰装置を設けてもよい。
【００２６】
第２フライホイール３２は円板状に形成され、内燃機関１１の内部でクランク軸１３に固着されている。また、第２フライホイール３２は中心にホイール部３３と、外周にリングギヤ３４を備えている。リングギヤ３４はオイルパン１５に設置したスタータ２１のピニオン２２と噛合する。ホイール部３３とリングギヤ３４とは一体に形成しているが、ホイール部３３とリングギヤ３４との間に減衰装置を設けてもよい。リングギヤ３４とピニオン２２とは潤滑油Ｒに浸る位置で噛合するように設けると、噛合箇所が常に潤滑油Ｒによって潤滑することができる。第２フライホイール３２も第１フライホイール３１と同様に形状、機能及び動作は限定されない。
【００２７】
次に上記の動力装置１０の動作を説明する。停止状態の内燃機関１１を始動させるとき、例えば運転席に設けられたエンジンキーを回したとき、始動ボタンを押したとき、又はアイドリングストップシステムの始動命令などが発信されたときには、その信号がスタータ２１へ送られ、スタータ２１が起動する。このとき、ピニオン２２を内燃機関１１の運転中にはリングギヤ３４と噛合しないようにスタータ２１内部に引き込んでいるため、まず、スタータ２１ではピニオン２２をリングギヤ３４と噛合する位置まで伸ばす。ピニオン２２がリングギヤ３４と噛合した後、スタータ２１の内部の電動モータが回転する。その回転をピニオン２２がリングギヤ３４に伝えて、第２フライホイール３２が回転する。そして、第２フライホイールが固着したクランク軸１３が回転し、シリンダブロック１４の内部に設けたピストンが上下運動し始める。この動作により、停止状態の内燃機関１１を円滑に始動させることができる。
【００２８】
上記の構成により、スタータ２１を内燃機関１１の内部のオイルパン１５に設けて潤滑油Ｒに浸すことでスタータ２１が発生する動作音を低減することができる。また、シリンダブロック１４及びオイルパン１５自体も騒音を遮音するため、よりスタータ２１が発生する騒音を低減することができる。
【００２９】
一方、内燃機関１１と変速装置１２との間でクランク軸１３に固着された第１フライホイール３１と、内燃機関１１の内部でクランク軸１３に固着した第２フライホイール３２とクランク軸１３とからなる２自由度系の回転振動により、発生する共振周波数を特に加速度中（内燃機関１１が停止状態から始動中）に騒音となる周波数の範囲からずらすことができ、結果として車内音を低減することができる。
【００３０】
次に第１フライホイール３１と第２フライホイール３２とからなる２自由度系の回転振動について説明する。変速装置１２側に固定壁４０があると仮定し、トルク変動をうけたクランク軸１３が加振された状態を図３に示す。
【００３１】
第１フライホイール３１の慣性モーメントを第１慣性モーメントＪ１とし、第１フライホイール３１と固定壁４０との間のクランク軸１３ａの捻りばね定数を第１捻りばね定数ｋ１とする。また、第２フライホイール３２の慣性モーメントを第２慣性モーメントＪ２とし、第１フライホイール３１と第２フライホイール３２との間のクランク軸１３ｂの捻りばね定数を第２捻りばね定数ｋ２とする。第１フライホイール３１の半径ａ１、重さＭ１、第２フライホイール３２の半径ａ２、重さＭ２とし、クランク軸１３の半径をｂ１とすると、慣性モーメントＪ１、Ｊ２は数式１で表すことができる。
【００３２】
【数１】
2012215146.tif 000003
【００３３】
一方捻りバネ定数ｋ１、ｋ２は、第１フライホイール３１と固定壁４０との距離をＬ１、第１フライホイール３１と第２フライホイール３２との距離をＬ２とし、クランク軸１３の横断性係数をＧとすると、捻りばね定数は数式２で表すことができる。
【００３４】
【数２】
2012215146.tif 000004
【００３５】
よって、フライホイール３１、３２の慣性モーメントＪ１、Ｊ２及び捻りばね定数ｋ１、ｋ２はフライホイール３１、３２の質量Ｍ１、Ｍ２とそれぞれの半径ａ１、ａ２と変速装置１２との距離Ｌ１、Ｌ２を換えることによって、調整することができることがわかる。従来のフライホイールでは距離Ｌ２が短く、２自由度系の回転振動による共振周波数の設定は難しい。しかし、本発明の実施の形態の動力装置では、第１フライホイール３１と第２フライホイール３２とを距離Ｌ２分だけ離れてクランク軸１３に固着しているため、２自由度系の回転振動により共振周波数の設定に自由度を持たせることができる。
【００３６】
２自由度系の回転振動には図４に示す１次モードの振動と、図５に示す２次モードの振動とがある。質点４１は第１フライホイール３１を表し、質点４２は第２フライホイール３２を表している。ここで、１次モードの固有角振動数ｗ１と２次モードの固有角振動数ｗ２は数式３で表すことができる。
【００３７】
【数３】
2012215146.tif 000005
【００３８】
固有角振動数ｗ１と固有角振動数ｗ２から１次モードと２次モードの質点４１、４２の振幅比ｒ１、ｒ２を数式４から求める。振幅Ｃ１１は１次モードの第１慣性モーメントＪ１の振幅、振幅Ｃ１２は１次モードの第２慣性モーメントＪ２の振幅、振幅Ｃ２１は２次モードの第１慣性モーメントＪ１の振幅、振幅Ｃ２２は２次モードの第２慣性モーメントＪ２の振幅を表す。
【００３９】
【数４】
2012215146.tif 000006
【００４０】
２自由度系の回転振動においては振幅比ｒ１、ｒ２は数式５の条件になる。
【００４１】
【数５】
2012215146.tif 000007
【００４２】
以上より、図４に示すように、質点４１、４２の振幅Ｃ１１、Ｃ１２が共に正のため、２つの質点は同相になることがわかる。また、図５に示すように、質点４１の振幅Ｃ２１が正であり、質点４２の振幅Ｃ２２が負になるため、２つの質点は逆相になることがわかる。第１固有振動数ｆ１（共振周波数）と第２固有振動数ｆ２（共振周波数）は数式６から求めることができる。
【００４３】
【数６】
2012215146.tif 000008
【００４４】
以上の関係式より第１固有振動数ｆ１及び第２固有振動数ｆ２とは、慣性モーメントＪ１、Ｊ２と捻りばね定数ｋ１、ｋ２とから設定することが可能である。より詳細には固有振動数ｆ１、ｆ２は、第１フライホイール３１の半径ａ１、質量Ｍ１と第２フライホイール３２の半径ａ２、質量Ｍ２と各フライホイール３１、３２との位置（Ｌ１、Ｌ２）とクランク軸１３の半径ｂ１により設定することが可能である。この第１固有振動数ｆ１（共振周波数）と第２固有振動数ｆ２（共振周波数）とを可聴領域の周波数で騒音源となる範囲の外の領域に設定すると、車内音を低減することができる。このとき第１固有振動数ｆ１と第２固有振動数ｆ２の間には反共振周波数が存在している。
【００４５】
可聴領域とは人の耳に聞こえる周波数のことであり、２０Ｈｚから２万Ｈｚの範囲と言われている。この周波数の範囲で、車内で騒音源となる範囲は２００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの範囲であり、さらに問題となる騒音源の範囲は２００Ｈｚ〜５００Ｈｚの範囲である。
【００４６】
そのため、第１固有振動数ｆ１（共振周波数）を周波数１００Ｈｚ以下に、第２固有振動数ｆ２（共振周波数）を１０００Ｈｚ以上に設定すると車内音の感度が高い周波数２００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの範囲内に第１固有振動数ｆ１（共振周波数）と第２固有振動数ｆ２（共振周波数）が存在しないため、車内音を低減することができる。
【００４７】
実質的には車内音の感度が特に高い２００Ｈｚ〜５００Ｈｚを騒音源となる範囲に設定し、第１固有振動数ｆ１を周波数２００Ｈｚ以下の領域に、第２固有振動数を周波数５００Ｈｚ以上の領域に設定すると、より効果的に動力装置の共振音を低減することができる。
【００４８】
このときのクランク軸系の捻り振幅と周波数との関係を、図６に示す。図６から第１フライホイール３１と第２フライホイール３２とで形成される２自由度系振動が、クランク軸系の捻り振幅の極大となる第１固有振動数ｆ１を２００Ｈｚ以下、第２固有振動数ｆ２を５００Ｈｚ以上にずらすことができ、反共振周波数が２００Ｈｚ〜５００Ｈｚに発生していることがわかる。
【００４９】
第１フライホイール３１と第２フライホイール３２とに、減衰装置を設けた場合でも上記と同様の効果を得ることができる。
【００５０】
上記の構成の動力装置１０を搭載した車両は、アイドリングストップし、停止した内燃機関１１を始動させる際に、スタータ２１が発生させる騒音を低減することができる共に、特に加速度中における車内の騒音源になっていたクランク軸１３系の捻り振幅を、騒音と感じない領域で発生させることによって、共振音を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の動力装置は、クランク軸系の捻り振幅の最大値である共振周波数を２自由度系の回転振幅により、可聴領域の周波数で騒音源となる範囲の外にずらすことで共振音を低減させると共に、停止状態の内燃機関が始動する際のスタータ音を低減することができる。そのため、アイドリングストップ車などの内燃機関の始動停止が多い車両などに用いることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０  動力装置                                   
１１  内燃機関                                   
１２  変速装置                                   
１３  クランク軸                          
１４  シリンダブロック                           
１５  シリンダヘッド                      
１６  オイルパン
２１  スタータ 
２２  ピニオン
３１  第１フライホイール
３２  第２フライホイール
３３  ホイール部
３４  リングギヤ
【図１】
2012215146.tif 000009
【図２】
2012215146.tif 000010
【図３】
2012215146.tif 000011
【図４】
2012215146.tif 000012
【図５】
2012215146.tif 000013
【図６】
2012215146.tif 000014
【図７】
2012215146.tif 000015
【図８】
2012215146.tif 000016