JP2003074641A - 可変質量フライホイール - Google Patents

可変質量フライホイール

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JP2003074641A JP2001268539A JP2001268539A JP2003074641A JP 2003074641 A JP2003074641 A JP 2003074641A JP 2001268539 A JP2001268539 A JP 2001268539A JP 2001268539 A JP2001268539 A JP 2001268539A JP 2003074641 A JP2003074641 A JP 2003074641A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 可変質量フライホイールにおいて第2フライ
ホイールを連結する時のショックを無くす。また、第2
フライホイール連結時の滑りをなくし、フライホイール
としての機能をさらに向上させる。 【解決手段】前記エンジンの回転速度下降時、第2フラ
イホイール21の回転速度をポール磁石18u−18w
のコイルに周期的に変化する直流電圧を印加し、第2フ
ライホイール21の回転速度を増減させる。第1フライ
ホイール11と第2フライホイール21の回転速度が一
致したらコイル24に通電して第2フライホイール21
を第1フライホイール11側に変位させ、ドグクラッチ
26を介して第2フライホイール21を第1フライホイ
ール11に連結する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、低速時のエンジンの回
転変動を低減するためにエンジンのクランクシャフトに
取り付けられるフライホイール、特にその慣性質量を可
変にしたものに関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、内燃機関のクランクシャフトに
は低速時の回転変動を低減するためのフライホイール
(マスダンパ)が連結されている。フライホイールの慣
性質量を大きくするほど回転変動を小さくすることがで
きることから、フライホイールの慣性質量を増大させれ
ばアイドリング時の回転速度を下げることができ、燃
費、排気性能を向上させることができる。
【0003】しかし、フライホイールの慣性質量を増大
させた場合、加速時の回転上昇が鈍り、また、コーステ
ィング時のエンジンブレーキの利きが悪くなる等のデメ
リットも生じる。
【0004】そこで、低速時における要求と加速時、コ
ースティング時における要求を両立するために、クラン
クシャフトに連結される第1のフライホイールとは別に
クランクシャフトと相対回転可能な第2のフライホイー
ルを用意しておき、電磁クラッチ等を利用して低速時に
この第2のフライホイールをクランクシャフトないし第
1のフライホイールに連結する技術が提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとしている問題点】しかしながら、
上記従来技術では、第2フライホイールが連結される時
のショックを避けることができず、連結時にショックや
運転者に違和感を与える可能性があった。また、第2フ
ライホイールが連結された後でも、エンジンのトルク変
動等により電磁クラッチが微視的にすべり、フライホイ
ールとしての機能が低下すると共に発熱を伴うという問
題があった。
【0006】本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなさ
れたもので、可変質量フライホイールにおいて第2フラ
イホイールを連結する時のショックをなくすことを目的
とする。また、本発明のさらなる目的は、第2フライホ
イール連結時の滑りをなくし、フライホイールとしての
機能をさらに向上させることである。
【0007】
【問題点を解決するための手段】第1の発明は、可変質
量フライホイールにおいて、エンジンのクランクシャフ
トと一体に回転する第1フライホイールと、前記第1フ
ライホイールと相対回転可能な第2フライホイールと、
前記第2フライホイールの回転速度を増減する駆動手段
と、前記エンジンの低速回転領域で前記第2フライホイ
ールを前記第1フライホイールに連結する連結手段とを
備え、前記第2フライホイールを前記第1フライホイー
ルに連結するときに、前記第2フライホイールを駆動
し、その回転速度が前記第1フライホイールの回転速度
に一致したら連結するようにしたことを特徴とするもの
である。
【0008】第2の発明は、第1の発明における駆動手
段として回転電機を備えたことを特徴とするものであ
る。
【0009】第3の発明は、第2の発明において、第2
のフライホイールと一体に回転するロータディスクをさ
らに備え、前記回転電機が前記ロータディスクを駆動す
ることで前記第2フライホイールを駆動することを特徴
とするものである。
【0010】第4の発明は、第3の発明における回転電
機を、前記ロータディスクに設けられた永久磁石と、前
記ロータディスクの周囲に設けられた電磁石とで構成し
たことを特徴とするものである。
【0011】第5の発明は、第1の発明において、前記
第2フライホイールの周囲にはコイルが設けられ、前記
第2フライホイールは磁性体で構成され、前記連結手段
が、前記コイルに通電することで前記第2フライホイー
ルを前記第1フライホイールの方向に変位させ、前記第
2フライホイールを前記第1フライホイールに連結する
ことを特徴とするものである。
【0012】第6の発明は、第5の発明におけるコイル
が前記第2フライホイールよりも前記第1フライホイー
ル側にずらして設けられることを特徴とするものであ
る。
【0013】第7の発明は、第1の発明において、前記
第2フライホイールと前記第1フライホイールとの対峙
面に前記第2フライホイールを前記第1フライホイール
に連結するときに互いに係合するドグクラッチが形成さ
れることを特徴とするものである。
【0014】第8の発明は、第1の発明における連結手
段が、前記エンジンの回転速度が第1の回転速度まで低
下したら前記第2フライホイールを前記第1フライホイ
ールに連結する一方、前記エンジンの回転速度が前記第
1の回転速度よりも高い第2の回転速度まで上昇したら
前記第1フライホイールと第2フライホイールとの連結
を解除することを特徴とするものである。
【0015】第9の発明は、第1から第8の発明におけ
る駆動手段が、前記第1と第2のフライホイールが連結
しているアイドリング時、前記第2フライホイールの回
転速度が前記エンジンのアイドリング回転速度となるよ
うに第2フライホイールの回転速度を増減することを特
徴とするものである。
【0016】
【作用及び効果】したがって、本発明に係る可変質量フ
ライホイールにおいては、エンジン回転速度が高くなる
加速時、高速走行時はエンジンのクランクシャフトには
第1フライホイールのみが連結されているので、クラン
クシャフトまわりの慣性質量は比較的小さくなり、加速
時には良好な加速性能が確保される。また、コースト時
にはアクセルペダルを離したときのエンジンブレーキの
利きが良くなり、高速走行時の運転性を向上させること
ができる。
【0017】これに対し、エンジン回転速度が低下しア
イドリング回転速度に近づくと、エンジンのクランクシ
ャフトには第1及び第2のフライホイールが連結される
ので、クランクシャフトまわりの慣性質量は増大され
る。エンジン回転速度が高いほど、またクランクシャフ
トまわりの慣性質量が大きいほどエンジンの回転速度変
動を小さくできるが、このようにクランクシャフトまわ
りの慣性質量を増大させることにより、回転速度変動を
従来のエンジン並に抑えつつ、アイドリング時の回転速
度を下げることが可能になる。
【0018】また、第2フライホイールを連結する際、
第2フライホイールの回転速度を増減させ、第1フライ
ホイールの回転速度(=エンジン回転速度)と第2フラ
イホイールの回転速度とが一致したタイミング(略一致
したタイミング含む)で第2フライホイールを第1フラ
イホイールに連結するので、連結時のショックを抑える
ことができる。
【0019】第2フライホイールの回転速度を増減させ
る方法としては、回転電機(モータ、ジェネレータある
いはモータジェネレータ)、例えば、第2フライホイー
ルと一体に回転するロータディスクを設け、このロータ
ディスクを回転電機でもって駆動する方法が考えられる
(第2、第3の発明)。この場合、ロータディスクに永
久磁石を設けるとともにロータディスクの周囲に電磁石
を設け、これらをロータディスクを駆動する回転電機と
すれば、コンパクトな構成でありながら第2フライホイ
ールの回転速度を自由に調節することが可能となる(第
4の発明)。
【0020】また、第2フライホイールを第1フライホ
イールの方向に変位させて両者を連結する構成の場合、
第2フライホイールを変位させる方法として、第2フラ
イホイールを鉄等の磁性体で構成し、これを第2フライ
ホイールの周りに設けたコイルを利用して電磁的に動か
すことが考えられる(第5の発明)。この方法よれば、
任意のタイミングで第1フライホイールと第2フライホ
イールを連結することができ、両者の回転速度が一致し
たタイミングで両者を連結させることができる。この場
合、コイルを第2フライホイールよりも第1フライホイ
ール側にずらして設ければ、コイルに通電するだけでそ
の吸引力によって第2フライホイールを第1フライホイ
ール側に変位させることができる(第6の発明)。
【0021】また、第1フライホイールと第2フライホ
イールとの連結をドグクラッチを用いて行うようにすれ
ば、連結時の両者間の滑りがなくなり、発熱を抑えると
共にフライホイールとしての機能が低下するのを防止す
ることができる(第7の発明)。
【0022】以上のような第1フライホイールと第2フ
ライホイールとの連結はエンジンの回転速度が所定回転
速度まで低下してきたときに行い、その後エンジンの回
転速度が上昇してくれば、所定の回転速度まで上昇した
ときに第1フライホイールと第2フライホイールとの連
結を解除する(第9の発明)。低速時はクランクシャフ
トまわりの慣性質量が大きいほどよく、加速時、高速時
はクランクシャフトまわりの慣性質量が小さいほどよい
が、このような制御を行うことにより、低速時における
要求と加速時ないし高速時における要求を両立させるこ
とができる。
【0023】そして、このような第2フライホイールの
連結・解除を行う場合、連結するときのエンジン回転速
度よりも連結を解除するときのエンジン回転速度を高く
設定することにより、連結が行われる回転速度近傍で第
2フライホイールの連結、連結解除が繰り返されて運転
性が悪化するのを防止することができる(第8の発
明)。
【0024】さらに、アイドリング時、第2フライホイ
ールの回転速度がエンジンのアイドリング回転速度とな
るように第2フライホイールの回転速度を増減するよう
にすれば、アイドリング時の回転速度変動をより一層小
さなものとすることができる(第9の発明)。
【0025】
【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づき本発明の
実施の形態について説明する。
【0026】図1は本発明に係る可変質量フライホイー
ルの縦断面図である。図中1は図示しないエンジンンの
クランクシャフトであり、クランクシャフト1の後端は
第1フライホイール11の内周に設けられた円筒状のフ
ライホイールハブ12内周に嵌入されている。第1フラ
イホイール11はボルト13によってクランクシャフト
1の後端に結合され、クランクシャフト1と共に一体的
に回転する。第1フライホイール11の外周にはリング
ギヤ11rが形成され、リングギヤ11rには図示しな
いスタータモータが噛合っている。図中2はクランクシ
ャフトをシリンダブロック3に支持するベアリング、1
4はクラッチカバーである。
【0027】フライホイールハブ12の外周には円筒部
材15がベアリング16を介して回転自在に支持されて
おり、円筒部材15の外周のエンジン側にはロータディ
スク17が焼きばめ等により一体的に強固に取り付けら
れている。また、エンジンのシリンダブロック3(ある
いはラダービーム)のロータディスク17に対峙する後
端には、図2にも示すように3つのポール磁石18u−
18wがボルト20により円周方向に等間隔に固定され
ており、ロータディスク17の外周側はコイル19u−
19wへの通電により励磁されて電磁石となるポール磁
石18u−18wの開口部18oに挿入されている。
【0028】ロータディスク17はアルミ等の非磁性体
で構成され、図2に示すように3の整数倍個の永久磁石
17aが円周方向に等間隔かつ前記ポール磁石18u−
18wに対峙して埋め込まれている。永久磁石17aの
数はここでは12個としているが必要に応じて増減して
もよい。これらロータディスク17及びポール磁石18
u−18wがブラシレス直流モータを構成し、ポール磁
石18u−18wのコイル19u−19wに周期的に変
化する直流電圧を印加すれば、任意の回転速度でロータ
ディスク17を回転させることができる。
【0029】例えば、図3に示すように、コイル19u
には正の電圧と負の電圧をΔtの間隔を置いて交互に2
Δtづつ印加し、コイル19v、コイル19wにはコイ
ル19uに対してそれぞれ2Δt、4Δtだけ遅れを持
たせて同様の電圧を印加すればロータディスク17を回
転させることができる。また、Δtを調節することでロ
ータディスク7の回転速度を制御することができる。
【0030】図1に戻り、さらに構成について説明する
と、円筒部材15の第1フライホイール11側外周には
第2フライホイール21がスプライン溝22により軸方
向に移動可能かつ円筒部材15と相対回転不可能に嵌合
している。第2フライホイール21は鉄等の磁性体で構
成され、質量を抑えつつ慣性質量を増大させるために外
周側の軸方向厚が内周側の軸方向厚よりも厚くなってい
る。
【0031】また、ロータディスク17と第2フライホ
イール21とはダイアフラム型のリターンスプリング2
3で連結されており、リターンスプリング23は第2フ
ライホイール21が第1フライホイール11に近づく方
向に移動するときに第2フライホイール21にシリンダ
ブロック3側に戻そうとする力を作用させる。また、リ
ターンスプリング23はロータディスク17と第2フラ
イホイール21の相対回転を規制する働きもする。ロー
タディスク17と円筒部材15も相対回転不可能になっ
ていることから、円筒部材15、ロータディスク17及
び第2のフライホイール21は一体となって回転する。
【0032】また、第2フライホイール21の外側に
は、その外周を取り囲むように大型のコイル24が第2
フライホイール21に対し軸方向に第1フライホイール
11側にε1だけオフセットして設けられている。コイ
ル24は取付用ボルト25によりシリンダブロック3の
一部に固定される。
【0033】コイル24のオフセット量ε1は第1フラ
イホイール11と第2フライホイール21との隙間ε2
に等しく設定されており、また、図4、図5に示すよう
に第2フライホール21の第1のフライホイール11と
の対向面には複数のドグクラッチ26が円周方向に互い
に噛合い可能な状態に形成されているので、コイル24
に通電し第2フライホイール21がリターンスプリング
23の復元力に対抗して第1フライホイール11方向に
移動すると、第1フライホイール11と第2フライホイ
ール21とがドグクラッチ26により連結される。
【0034】コイル24への通電を遮断すれば第2フラ
イホイール21はリターンスプリング23の復元力によ
ってシリンダブロック3側に引き戻され、ドグクラッチ
26が解放されて第1フライホイール11と第2フライ
ホイール21の連結が解除される。ドグクラッチ26解
放後は第2フライホイール21は第1フライホイール1
1、クランクシャフト1から独立してフライホイールハ
ブ12上で自由に回転する。
【0035】このような第2フライホイール11の制御
はコントロールユニット30において行われる。コント
ロールユニット30にはスロットル開度信号やエンジン
回転速度信号(エンジン回転パルス)等が入力され、運
転状態に応じて第2フライホイール21の回転速度制
御、第1フライホイール11と第2フライホイール21
の連結・解放を行う。
【0036】具体的には、走行中、スロットル開度が小
さくなり、エンジン回転速度がアイドリング回転速度よ
りも若干高い所定の回転速度(例えば、700rpm)
以下まで下がったと判断すると、ポール磁石18u−1
8wのコイル19u−19wに図3に示したような電圧
を印加し、図3のΔtを減少させていくことでロータデ
ィスク17の回転速度を上昇させる。上述の通りロータ
ディスク17と第2フライホイール21とは円筒部材1
5及びリターンスプリング23を介して回転方向に拘束
されているため、ロータディスク17の回転速度の増大
に伴い第2フライホイール21の回転速度も上昇する。
一方、第2フライホイール21が第1フライホイール1
1よりも高い回転速度で回転している場合は、コイル1
9uから19wで第2フライホイール21の回転エネル
ギーを回生し、第2フライホイール21の回転速度を低
下させる。
【0037】そして、ロータディスク17及び第2フラ
イホイール21の回転速度が第1フライホイール11の
回転速度と一致したところ(Δtがエンジン回転速度に
対応する値となったところ、あるいは回生電力がゼロに
なったところ)でコイル24に通電し、リターンスプリ
ング23の復元力に対抗して第2フライホイール21を
第1フライホイール11に近づく方向に変位させる。こ
の結果、ドグクラッチ26が締結され、第1フライホイ
ール11と第2フライホイール21は一体となって回転
する。
【0038】第2フライホイール21が第1フライホイ
ール11に連結されればクランクシャフト1まわりの慣
性質量が増大するので、エンジン回転速度を従来のアイ
ドリング速度よりも極端に低い速度(例えば、400r
pm)でも安定して回転を維持することができる。これ
は、エンジンの回転速度変動率δは、慣性質量をI、回
転角速度をωm(平均値)、トルクの瞬間値をT、トル
クの平均値Tmとすれば、次式、
【0039】
【数1】 により表すことが知られており、慣性質量Iを増大させ
ば、回転速度変動率δを増大させずに回転角速度ωm
下げることができるからである。
【0040】例えば、第2フライホイール21を第1フ
ライホイール11に連結することにより慣性質量が2倍
になるとすれば、回転速度変動率を従来並に抑えつつア
イドリング時の回転速度を半分に下げることができる。
アイドリング時の回転速度を下げることができれば、エ
ンジン各部位のフリクションロス(摩擦損失)が減るた
め回転を維持するエネルギーが少なくて済み、その分燃
費が改善されるとともに、排気の総量が減るのでエミッ
ション排出量も低減することができる。
【0041】なお、アイドリング時の回転速度をさせる
とオルタネータ、エアコンのコンプレッサ等の回転速度
も低下するが、プーリー比を適切に設定することにより
発電量、エアコン性能の低下を防止することができる。
【0042】また、本発明によれば第2フライホイール
21を第1フライホイール11に連結する際に両者の回
転速度を一致させてから連結させるので、連結時のショ
ックが生じず、運転者に違和感を与えるのを防止するこ
とができる。さらに、第1フライホイール11と第2フ
ライホイール21とはドグクラッチ26により連結され
るので、連結中に両者間に滑りが生じることはなく、滑
りによる発熱、磨耗を抑えることができる。
【0043】さらに、第2フライホイール21連結後の
アイドリング時においてもコイル19u−19wに通電
し、第2フライホイール21をアイドリング回転速度で
回転駆動すれば、アイドリング時の回転変速度動をさら
に安定させることができる。あるいは、アイドリング回
転速度よりもエンジンの回転速度が高いときは第2フラ
イホイール21で回転エネルギーを回生して回転速度を
下げ、アイドリング回転速度よりもエンジンの回転速度
が低いときは第2フライホイール21を駆動して回転速
度を上昇させるようにすれば、より一層アイドリング時
の回転速度変動を抑えることができる。
【0044】次に、この第2フライホイール21を連結
した状態から、運転者がアクセルペダルを踏み込み(ス
ロットル開度を増大させ)、エンジンの回転速度が上昇
してくると、コントロールユニット30はエンジンの回
転速度が前記所定の回転速度あるいは所定の回転速度よ
りも若干高い回転速度(例えば750rpm)に達した
タイミングでコイル24への通電を遮断し、第2フライ
ホイール21を第1フライホイール11から切り離す。
解放時の回転速度を締結時の回転速度よりも若干高めに
設定してヒステリシスを持たせているのは、前記所定の
回転速度近傍で運転しているときに第2フライホイール
21の連結・解放が頻繁に繰り返されるのを防止するた
めである。
【0045】フライホイールの慣性質量は低速ギア時に
は車両重量にも匹敵するが、第2フライホイール21を
切り離すことにより、クランクシャフト1まわりの慣性
質量を減らすことができ、加速性能を向上させて加速時
の燃費を改善することができる。また、第1フライホイ
ール11の回転エネルギーが小さいためエンジンブレー
キの利きがよくなり、コースティング時の運転性を向上
させることができる。
【0046】なお、上記実施例では、ロータディスク1
7(第2フライホイール21)を永久磁石17aとポー
ル磁石18を用いて回転駆動しているが、永久磁石17
a、ポール磁石18の数、配置等はここで示したものと
異なっていてもよい。例えば、ポール磁石18の数を増
やせば、ロータディスク17の駆動トルク、最大回転速
度を増大させることができる。
【0047】また、ロータディスク17を駆動する方式
は他の方式であっても良く、例えば、モータをロータデ
ィスク17に隣接して設け、このモータを利用してロー
タディスク17を駆動するようにしてもよい。
【0048】また、第2フライホイール21を第1フラ
イホイール11に連結する際に両者の回転速度を一致さ
せてから連結しているが、厳密に回転速度が一致してい
なくても回転速度が略一致していれば連結時のショック
低減に効果があることは自明のことである。
【0049】また、第2フライホイール21の回転速度
が第1フライホイール11の回転速度と一致するタイミ
ングをΔtから判断しているが、ロータディスク17あ
るいは第2フライホイール21の回転速度をセンサによ
り直接検出して判断したり、コイル19u−19wに生
じる誘導起電力から判断したりするようにしても構わな
い。
【0050】さらに、上記実施例は手動変速機を備えた
エンジンに適用した場合を示しているが、本発明は自動
変速機を備えたエンジンにも勿論適用することができ、
この場合、図1の第1フライホイール11はドライブプ
レート、クラッチカバー14はトルクコンバータにそれ
ぞれ置き換わることになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る可変質量フライホイールの断面図
である。
【図2】ロータディスク及びポール磁石の平面図であ
る。
【図3】コイルに印加される電圧の様子を示したタイム
チャートである。
【図4】第2フライホイールの平面図である。
【図5】図4のA−A断面図である。
【符号の説明】
1 クランクシャフト 3 シリンダブロック 11 第1フライホイール 17 ロータディスク 17a 永久磁石 18 ポール磁石 24 コイル 26 ドグクラッチ 21 第2フライホイール 30 コントロールユニット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H02K 7/02 H02K 7/02 7/11 7/11

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】エンジンのクランクシャフトと一体に回転
    する第1フライホイールと、 前記第1フライホイールと相対回転可能な第2フライホ
    イールと、 前記第2フライホイールの回転速度を増減する駆動手段
    と、 前記エンジンの低速回転領域で前記第2フライホイール
    を前記第1フライホイールに連結する連結手段と、を備
    え、 前記第2フライホイールを前記第1フライホイールに連
    結するときに、前記第2フライホイールを駆動し、その
    回転速度が前記第1フライホイールの回転速度に一致し
    たら連結するようにしたことを特徴とする可変質量フラ
    イホイール。
  2. 【請求項2】前記駆動手段として回転電機を備えたこと
    を特徴とする請求項1に記載の可変質量フライホイー
    ル。
  3. 【請求項3】第2のフライホイールと一体に回転するロ
    ータディスクをさらに備え、 前記回転電機は前記ロータディスクを駆動することで前
    記第2フライホイールを駆動することを特徴とする請求
    項2に記載の可変質量フライホイール。
  4. 【請求項4】前記回転電機は、前記ロータディスクに設
    けられた永久磁石と、前記ロータディスクの周囲に設け
    られた電磁石とで構成されることを特徴とする請求項3
    に記載の可変質量フライホイール。
  5. 【請求項5】前記第2フライホイールの周囲にはコイル
    が設けられており、 前記第2フライホイールは磁性体で構成され、 前記連結手段は、前記コイルに通電することで前記第2
    フライホイールを前記第1フライホイールの方向に変位
    させ、前記第2フライホイールを前記第1フライホイー
    ルに連結する、ことを特徴とする請求項1に記載の可変
    質量フライホイール。
  6. 【請求項6】前記コイルは前記第2フライホイールより
    も前記第1フライホイール側にずらして設けられること
    を特徴とする請求項5に記載の可変質量フライホイー
    ル。
  7. 【請求項7】前記第2フライホイールと前記第1フライ
    ホイールとの対峙面には前記第2フライホイールを前記
    第1フライホイールに連結するときに互いに係合するド
    グクラッチが形成されることを特徴とする請求項1に記
    載の可変質量フライホイール。
  8. 【請求項8】前記連結手段は、前記エンジンの回転速度
    が第1の回転速度まで低下したら前記第2フライホイー
    ルを前記第1フライホイールに連結する一方、 前記エンジンの回転速度が前記第1の回転速度よりも高
    い第2の回転速度まで上昇したら前記第1フライホイー
    ルと第2フライホイールとの連結を解除する、ことを特
    徴とする請求項1に記載の可変質量フライホイール。
  9. 【請求項9】前記駆動手段は、前記第1と第2のフライ
    ホイールが連結しているアイドリング時、前記第2フラ
    イホイールの回転速度が前記エンジンのアイドリング回
    転速度となるように第2フライホイールの回転速度を増
    減することを特徴とする請求項1から8のいずれかひと
    つに記載の可変質量フライホイール。
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