(57)【要約】【課題】内燃機関の始動時に発生する衝撃を吸収できる内燃機関のスタータ装置を提供する。【解決手段】スタータ装置１Ａは、スタータモータ２と、内燃機関１０のクランク軸１１と一体回転可能なギア１３と噛み合う突出位置と、ギア１３から離れた待避位置との間で進退可能なスタータピニオン３と、遊星歯車機構として構成されていて、スタータモータ２の回転速度を減速してスタータモータ２の出力をスタータピニオン３に伝達する減速機構４と、減速機構４のリングギアＲの外周に設けられていて、スタータモータ２の出力がスタータピニオン３に伝達された状態でスタータピニオン３が待避位置から突出位置に切り替わった場合に発生する衝撃を吸収するための衝撃吸収機構６Ａと、を備える。【選択図】図１
2017125426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタータモータと、
内燃機関の出力軸と一体回転可能なギアと噛み合う突出位置と、前記ギアから離れた待避位置との間で進退可能なスタータピニオンと、
前記スタータモータに接続されたサンギアと、前記サンギアと同軸に配置され、かつ自由な回転が制限された状態で設けられたリングギアと、前記スタータピニオンに接続され、かつ前記サンギア及び前記リングギアのそれぞれに噛み合うピニオンを自転かつ公転可能に保持するプラネットキャリアとを有する遊星歯車機構として構成されていて、前記スタータモータの回転速度を減速して前記スタータモータの出力を前記スタータピニオンに伝達する減速機構と、
前記減速機構の前記リングギアの外周に設けられていて、前記スタータモータの出力が前記スタータピニオンに伝達された状態で前記スタータピニオンが前記待避位置から前記突出位置に切り替わった場合に発生する衝撃を吸収するための衝撃吸収機構と、
を備える内燃機関のスタータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関を始動するために使用される内燃機関のスタータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のスタータ装置として、内燃機関を始動する際に、スタータモータの出力をピニオンに伝達させた状態で、フライホイールの外周に形成されたギアに噛み合うようにスタータピニオンを突出させることにより内燃機関の出力軸を駆動する装置が周知である。このようなスタータ装置を使用した始動時の衝撃や振動を緩和するため、スタータピニオンの内部に緩衝部材が設けられた装置が提案されている（特許文献１）。その他に、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２及び３が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−７１１６４号公報
【特許文献２】特開２０１４−１０５６４０号公報
【特許文献３】特開２００７−１００６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のスタータ装置は、緩衝部材としてスプリングが設けられているが、そのスプリングはスタータモータの回転方向に対して逆向きにしか作用しないため、モータの回転方向とは逆向きに生じる衝撃を吸収することができない。つまり、特許文献１のスタータ装置は、スタータピニオンによって内燃機関の出力軸を駆動する方向で発生する衝撃を吸収できるが、その方向とは反対向きに発生する衝撃を吸収できない。
【０００５】
そこで、本発明は、内燃機関の始動時に発生する衝撃を吸収できる内燃機関のスタータ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スタータ装置は、スタータモータと、内燃機関の出力軸と一体回転可能なギアと噛み合う突出位置と、前記ギアから離れた待避位置との間で進退可能なスタータピニオンと、前記スタータモータに接続されたサンギアと、前記サンギアと同軸に配置され、かつ自由な回転が制限された状態で設けられたリングギアと、前記スタータピニオンに接続され、かつ前記サンギア及び前記リングギアのそれぞれに噛み合うピニオンを自転かつ公転可能に保持するプラネットキャリアとを有する遊星歯車機構として構成されていて、前記スタータモータの回転速度を減速して前記スタータモータの出力を前記スタータピニオンに伝達する減速機構と、前記減速機構の前記リングギアの外周に設けられていて、前記スタータモータの出力が前記スタータピニオンに伝達された状態で前記スタータピニオンが前記待避位置から前記突出位置に切り替わった場合に発生する衝撃を吸収するための衝撃吸収機構と、を備えるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の内燃機関のスタータ装置によれば、減速機構のリングギアの外周に設けられた衝撃吸収機構によって、内燃機関の始動時に発生する衝撃、すなわちスタータモータの出力がスタータピニオンに伝達された状態で突出位置に切り替わった場合に生じる衝撃を吸収できる。衝撃吸収機構が衝撃を吸収する形態としては、自由な回転が制限された範囲でリングギアを可動できるようにしてリングギアに伝達したトルクを逃がす形態やリングギアに伝達したトルクを減衰させる形態などでよい。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の形態に係るスタータ装置が適用された内燃機関の要部を模式的に示した図。
【図２】比較例における、スタータ電流、エンジン回転数及び近傍音の時間的変化を示した図。
【図３】第１の形態における、スタータ電流、エンジン回転数及び近傍音の時間的変化を示した図。
【図４】第２の形態に係るスタータ装置が適用された内燃機関の要部を模式的に示した図。
【図５】ばね・ダンパ部材の外観を示した図。
【図６】図５のばね・ダンパ部材を矢印VIの方向から見た状態を示した図。
【図７】比較例の等価構造を示した図。
【図８】等価回路を示した図。
【図９】比較例のスタータ装置が適用された内燃機関のエンジン回転数及びその内燃機関が搭載された車両の加速度（Ｚ成分）の時間的変化を示した図。
【図１０】比較例のスタータ装置が適用された内燃機関のエンジン回転数及び筒内圧の時間的変化を示した図。
【図１１】比較例のシミュレーション結果を示した図。
【図１２】第２の形態のシミュレーション結果を示した図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１の形態）
図１に示すように、スタータ装置１Ａが適用された内燃機関１０は、図示しない複数の気筒を備えたレシプロ式の内燃機関として構成されている。内燃機関１０は走行用駆動源として不図示の車両に搭載される。内燃機関１０は出力軸としてのクランク軸１１を備えており、そのクランク軸１１の一端にはフライホイール１２が連結されている。フライホイール１２の外周には外歯歯車であるギア１３が形成され、そのギア１３はクランク軸１１と一体回転する。
【００１０】
スタータ装置１Ａは、電気駆動されるスタータモータ２と、内燃機関１０の始動時にフライホイール１２のギア１３に噛み合うスタータピニオン３と、スタータモータ２の回転速度を減速し、スタータモータ２の出力をスタータピニオン３に伝達する減速機構４とを備えている。スタータモータ２は不図示のバッテリに電気的に接続され、モータ軸２ａは減速機構４の入力側に連結される。
【００１１】
スタータピニオン３は、減速機構４の出力側に連結されたメイン軸３ａと、メイン軸３ａと一体回転可能かつ軸方向に移動可能な状態でメイン軸３ａに装着されたスリーブ３ｂとを有している。スタータピニオン３の本体部分はスリーブ３ｂに固定されている。これにより、スタータピニオン３はフライホイール１２のギア１３と噛み合う実線で示した突出位置と、ギア１３から離れた二点鎖線で示した待避位置との間で進退可能である。その動作を実現するため、スタータ装置１Ａには、周知のピニオン駆動機構５が設けられている。図１に簡略化して示したが、ピニオン駆動機構５は駆動源となるアクチュエータ５ａと、スタータピニオン３のスリーブ３ｂに回転自在な状態で設けられたフォーク部材５ｂと、アクチュエータ５ａの直線運動をフォーク部材５ｂの直線運動に変換するリンク機構５ｃとを含む。アクチュエータ５ａに通電されるとリンク機構５ｃ及びスリーブ３ｂが実線の位置に移動し、スタータピニオン３はギア１３と噛み合う突出位置に切り替わる。一方、アクチュエータ５ａへの通電が停止されると不図示の戻りばねによってリンク機構５ｃ及びスリーブ３ｂが二点鎖線の位置に移動し、スタータピニオン３はギア１３から離れる待避位置に切り替わる。
【００１２】
減速機構４はシングルピニオン型の遊星歯車機構として構成されており、互いに差動回転可能なサンギアＳ、リングギアＲ及びプラネットキャリアＣを有する。サンギアＳにはモータ軸２ａを介してスタータモータ２が接続される。リングギアＲはサンギアＳと同軸に配置され自由な回転が制限された状態で設けられている。キャリアＣはサンギアＳ及びリングギアＲのそれぞれと噛み合う３つのピニオンＰを自転かつ公転可能に保持する。キャリアＣにはメイン軸３ａ及びスリーブ３ｂを介してスタータピニオン３が接続される。減速機構４はリングギアＲの許容範囲を超えた自由な回転が制限されているため、スタータモータ２の出力は減速機構４のギア比に応じて減速されてスタータピニオン３に伝達される。
【００１３】
スタータ装置１Ａの制御は内燃機関１０の運転状態を制御するための不図示の制御装置にて行われる。制御装置は内燃機関１０に対する始動要求を検出すると、スタータモータ２を駆動してスタータピニオン３を回転させながら、アクチュエータ５ａに通電してスタータピニオン３を待避位置から突出位置へ切り替える。そして、スタータモータ２の通電量を制御しながら内燃機関１０をクランキングする。クランキング開始後に内燃機関１０に対して実施される燃料噴射や点火等の始動制御は周知の方法と同様であるから説明を省略する。
【００１４】
スタータ装置１Ａには、内燃機関１０の始動時に上記のようにスタータモータ２の出力がスタータピニオン３に伝達された状態でスタータピニオン３が突出位置に切り替えられた場合に発生する衝撃を吸収するため、衝撃吸収機構６Ａが設けられている。スタータモータ２からスタータピニオン３を介してギア１３に至る動力伝達経路にはギア列が介在する。したがって、スタータモータ２の出力が伝達されてギア列の各ギアが噛み合うまでに生じるギア同士の衝突を原因とした衝撃やノイズが発生する。衝撃吸収機構６Ａはこうした衝撃を吸収するために減速機構４のリングギアＲの外周に設けられている。
【００１５】
衝撃吸収機構６Ａは、リングギアＲの外周に固定された可動部材７と、適当な隙間を空けて可動部材７の両側に対向するように配置され、所定の固定要素に固定されたストッパ８とを備えている。図１に示すように、可動部材７とストッパ８との間には隙間が存在するので、リングギアＲは自由な回転は制限されるものの、その隙間の範囲を許容限度として正方向ａ及び逆方向ｂの両方向に回転可能である。そのため、動力伝達経路のギア列の各ギアが噛み合う際に、可動部材７がストッパ８に突き当たるまでリングギアＲが回転するのでリングギアＲに伝達されるトルクを逃がすことができる。換言すれば、上述した衝撃やノイズの原因となるエネルギの一部がリングギアＲの運動エネルギ及び可動部材７がストッパ８に突き当たる衝突エネルギに変換されるので、衝撃吸収機構６Ａは上述した衝撃やノイズを吸収し、それらのレベルを低減できる。なお、ストッパ８の素材としては、衝撃吸収効果が高くかつ可動部材７から受ける荷重に耐え得る剛性を有する素材を選択することが好ましい。
【００１６】
スタータ装置１Ａの衝撃吸収効果に関し、図２及び図３を参照しながら、スタータモータ２に供給される電流値（スタータ電流）、エンジン回転数、及びスタータ装置１Ａの近傍音を比較例の場合と対比して説明する。なお、比較例はリングギアＲが固定されて回転が完全に制限されていることを除きスタータ装置１Ａと同じ構成であり内燃機関１０に適用されている。
【００１７】
図２及び図３に示したように、内燃機関１０の始動要求に応じてスタータモータ２が通電される。そして、スタータ電流が低下する過程の時刻ｔでスタータピニオン３が待避位置から突出位置に切り替えられる。その際、図２の比較例の場合はスタータ電流の変動が矢印ａ１に示すように比較的大きく、かつエンジン回転数の変動も矢印ｂ１に示すように比較的大きい。比較例の場合は、スタータピニオン３が突出位置に切り替わると、トルクの逃げ場がないのでスタータモータ２に大きな負荷がかかり回転数が低下する。回転数が低下することによりスタータモータ２に生じる逆起電力が減少し、矢印ａ１に示すようにスタータ電流が一時的に増加する。これに対して、図３の本形態の場合は、スタータピニオン３が突出位置に切り替わっても衝撃吸収機構６Ａによってトルクの逃げ場が確保されてスタータモータ２の負荷が緩和される。これにより、スタータ電流の変動が矢印ａ２に示すように殆どなく、エンジン回転数の変動も矢印ｂ２に示すように比較的小さい。そのため、図２のＡ１部と図３のＡ２部とを比較すれば明らかなように、本形態は比較例と比べて始動時の騒音特に、スタータピニオン３が突出位置に切り替わった際の衝突音のレベルが大幅に減少していることがわかる。
【００１８】
このように、本形態のスタータ装置１Ａによれば、減速機構４のリングギアＲの外周に設けられた衝撃吸収機構６Ａによって、内燃機関１０の始動時に発生する衝撃、すなわちスタータモータ２の出力がスタータピニオン３に伝達された状態で突出位置に切り替わった場合に生じる衝撃を吸収できる。
【００１９】
（第２の形態）
次に、図４〜図１２を参照しながら本発明の第２の形態を説明する。第２の形態のスタータ装置１Ｂは衝撃吸収機構６Ｂの構成を除いて第１の形態のスタータ装置１Ａと同じであり内燃機関１０に適用されている。以下、第１の形態と共通する構成には同一の参照符号を図面に付して説明を省略する。
【００２０】
図４に示すように、スタータ装置１Ｂに含まれる衝撃吸収機構６Ｂは減速機構４のリングギアＲの外周に設けられていて、内燃機関１０の始動時にスタータピニオン３が突出位置に切り替わった際の衝撃及びその後の内燃機関１０のクランキングで発生する振動を抑制する機能を有している。衝撃吸収機構６Ｂは、リングギアＲの外周に固定されて半径方向外側に延びる可動プレート２１と、所定の固定要素に固定され、可動プレート２１の運動を制するためのばね・ダンパ部材２２とを備えている。ばね・ダンパ部材２２は、弾性変形する特性と振動を減衰するダンパ特性とを兼ね備えている。図５及び図６に示すように、ばね・ダンパ部材２２は可動プレート２１から受ける荷重に耐え得る剛性を有する合成ゴムを素材としていて、可動プレート２１が差し込まれるスリット２２ａが形成されている。スリット２２ａと可動プレート２１との間に実質的な隙間が生じないようにスリット２２ａの形状及び寸法が設定されている。また、ばね・ダンパ部材２２には、スリット２３の両側に一対の肉抜き穴２２ｂが形成されている。これにより、ばね・ダンパ部材２２の荷重−歪み線図の急峻な立ち上がりが回避される。
【００２１】
衝撃吸収機構６Ｂのばね・ダンパ部材２２はダンパ特性を有しているので、第１の形態の衝撃吸収機構６Ａの衝撃吸収効果に加えてクランキング時の共振に伴う振動を抑制することができる。
【００２２】
ここで、クランキング時の共振について図７〜図１０を参照しながら説明する。まず、図７に示すように、リングギアが固定された比較例のスタータ装置を等価構造に置き換えるとともに、ピニオン軸の途中でスタータ内部側ＩＳとスタータ外部側ＯＳとに分ける。そして、図８に示すように、図７の振動系を電気的等価回路に変換すると式１〜３が成立する。
【００２３】
【数１】
2017125426.tif 000003
【００２４】
ここで、ｋ：ピニオン軸のばね定数、θ：変位量（アクロス量）、Ｔ：トルク（スルー量）である。また、図７及び図８のＩ１は外部側ＯＳのイナーシャ、Ｉ２は内部側ＩＳのイナーシャである。
【００２５】
式１〜３より、式４が成立する。
【００２６】
【数２】
2017125426.tif 000004
【００２７】
ここで、スタータ内部側ＩＳを基準とし、ピニオン軸のねじれを軸振動として求め、変位の差φを式５とする。ただしＩを式６で定義する。すると微分方程式は式７となる。
【００２８】
【数３】
2017125426.tif 000005
【００２９】
【数４】
2017125426.tif 000006
【００３０】
【数５】
2017125426.tif 000007
【００３１】
ここで、式７の微分方程式の解を式８と仮定し、式９を得る。
【００３２】
【数６】
2017125426.tif 000008
【００３３】
【数７】
2017125426.tif 000009
【００３４】
式９から明らかなように、図７の振動系は共振角周波数ω０を持つことがわかる。
【００３５】
比較例のスタータ装置が適用された内燃機関のエンジン回転数、その内燃機関が搭載された車両の加速度（ｚ成分）、及びその内燃機関の筒内圧の始動時の時間的変化を測定した結果は図９及び図１０の通りである。図９のＸ部はスタータ起動時に相当し、加速度が大きく振動が大きいことがわかる。また、図９のＹ部は振動レベルが大であり、その振動はｙ部で生じる捻れ共振によるものである。ｙ部で生じる共振は、図１０を合わせて参照すると理解できるように、シリンダーの上死点に向かう途中でスタータモータのトルクが再度印加されたときに発生し、振動の要因になっていることがわかる。
【００３６】
比較例のシミュレーション結果は図１１の通りであり、第２の形態のスタータ装置１Ｂのシミュレーション結果は図１２の通りである。図１１と図１２とを比較すれば明らかなように、スタータ装置１Ｂの衝撃吸収機構６Ｂによって、スタータピニオン３のメイン軸３ａの共振が抑えられ、かつスタータモータ２のスタータ軸トルクが減少し、かつエンジンマウント振動も減少していることが確認できた。
【００３７】
第２の形態によれば、衝撃吸収機構６Ｂによって第１の形態と同様に内燃機関１０の始動時に発生する衝撃を吸収でき、かつクランキング時の共振に伴う振動を抑制できる。
【００３８】
本発明は上記各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。スタータ装置が適用される内燃機関はレシプロ式エンジンに限らず、エキセントリックシャフトを出力軸としたロータリーエンジンに適用されてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１Ａ、１Ｂ  スタータ装置
２  スタータモータ
３  スタータピニオン
４  減速機構
６Ａ、６Ｂ  衝撃吸収機構
１０  内燃機関
１１  クランク軸（出力軸）
【図１】
2017125426.tif 000010
【図２】
2017125426.tif 000011
【図３】
2017125426.tif 000012
【図４】
2017125426.tif 000013
【図５】
2017125426.tif 000014
【図６】
2017125426.tif 000015
【図７】
2017125426.tif 000016
【図８】
2017125426.tif 000017
【図９】
2017125426.tif 000018
【図１０】
2017125426.tif 000019
【図１１】
2017125426.tif 000020
【図１２】
2017125426.tif 000021