JP5762371B2 - エンジン始動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、アイドリングストップ時にまだエンジンが惰性回転で回転している中で、エンジンの再始動要求が発生した場合に、エンジンのリングギア回転中に、スタータのピニオンギアのモータを回転させることなく噛み合せ、さらに逆転時にも噛み合せることを可能とすることで、再始動時間を短縮する機構を備えたエンジン始動装置に関するものである。
従来のエンジン始動装置(以降スタータと称す)では、エンジンが停止している状態で、始動動作を行う。したがって、ピニオンギアは、リングギアが回転していない状態で、リングギアとの噛み合わせが行われていた。しかしながら、低燃費化のためにアイドリングストップを行うシステムにおいては、リングギア回転中においても、ピニオンギアをリングギアと噛み合わせることで、再始動性を確保している。
例えば、アイドリングストップした瞬間で、エンジン回転がまだ止まっていない状態で再始動要求が入った場合、あるいは停止状態から再始動の際に時間を短縮する必要がある場合には、リングギアの回転中に、事前にピニオンギアとの噛み合わせを実施している。
このように、リングギアの回転中にピニオンギアを噛み合わせる方法としては、リングギアの回転数に同期させるようにピニオンギアのスタータモータを調速通電して噛み合わせる方法がある(例えば、特許文献1参照)。また、事前に同期するための機構を設けることで、その機構部の摩擦により一定の回転数差まで同期させてから、ギアを噛み合わせる方法がある(例えば、特許文献2参照)。さらに、ピニオン形状を工夫することで、噛み合いやすくする方法などもある(例えば、特許文献3参照)。
特開2002−70699号公報 特開2006−132343号公報 特開2009−168230号公報
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
リングギアは、エンジン停止後に惰性回転で減速するが、この場合、ピストンの圧縮膨張によるトルクの変動で回転数が脈動しながら停止する。したがって、例えば、特許文献1のように、エンジン始動装置(スタータ)にてリングギアとピニオンギアとの回転数を同期させて、これらを噛み合わせるためには、複雑な構成が必要となる。具体的には、リングギアとピニオンギアの回転数を取得または予測して、これらに基づき、スタータを制御して噛み合わせる複雑な構成が必要となる。
その複雑な構成においては、ピニオンギアを押し出すタイミングと、ピニオンを回転させるタイミングが重要になってくる。しかしながら、ピニオンは、回転させても所定の回転数まで回転数が増加するまでには時間を要する。さらに、ピニオンを押し出してリングギアにかみ合わせるときにも、所定の時間を要する。さらに、所定の時間がばらつくため、エンジン回転数に同期させてピニオンギアを回すことでピニオンギアとリングギアとを噛み合わせることは、実際には簡単なシステムでは困難である。
また、エンジンの減速回転が速ければ、ピニオンの回転数の上昇が間に合わず、ピニオンを押し出して当接したころには、逆転している現象も発生する。このような逆転現象が発生する場合には、モータ回転を逆回転にする必要があり、それらのモータ方式や制御が複雑になり、実現が困難であった。
さらに、エンジンは、脈動しながら惰性回転で減速する中で、停止直前にはピストン位置により逆回転をする。この逆回転にピニオンギアを追随させるためには、モータも逆回転させなければならない。この場合にも、モータ自体の性能および制御が複雑になるため、簡単なシステムでは実現が困難である。
このように、実際に発生するばらつきなどを考慮すると、一定の限られた条件でしか、噛みあい回転数を合わせて噛み合わせるということができない。
一方、例えば、特許文献2のように、ピニオンギアとリングギアを、事前にシンクロ機構によって回転数を合わせて当接させる構成とすることで、より簡素な構成でリングギアとピニオンギアとの回転数を同期させることができる。しかしながら、ピニオンギアとリングギアは、通常、モータの小型化のためにも、ギア比が10倍レベルで存在し、寸法構成上の制約から、同軸上ではない。
したがって、ピニオンギアからリングギアへ当接させるシンクロ機構の摩擦面は、常にすべりが生じながらの同期となり、位相まで一致した完全な同期を実現することは困難である。したがって、逆転方向は噛み合い難いため、制御で禁止するなどの対策が必要である。
また、シンクロ機構において、同期した後にリングギアとピニオンギアが当接した時点では、その時点で偶然位相が一致している場合を除いて、リングギアとピニオンギアとの間ですべりが生じ、位相が一致した時点で噛み合うこととなる。このように、シンクロ機構を用いる構成においては、すべりによって同期させてから、ピニオンとリングギアを当接させることとなる。
このため、その際の騒音や磨耗の問題、または別途同期させる磨耗面が必要となることから別途の空間が必要となるという問題があり、構成的にも、従来のピニオンとリングギアの空間よりも大きくなるため、実現が困難だった。
したがって、簡単にピニオンギアとリングギアを噛み合せる方法としては、また、例えば、シンクロ機構を用いる場合において、特許文献3のように、ピニオンギアとリングギアが噛み合いやすくするためには、ピニオンの先端の形状を工夫して、歯先端に面取りなどを設けることが考えられる。これにより、特許文献3では、面取りによる空間分の挿入が可能になるとともに、面当りによる誘い効果を実施している。
ここで、特許文献3によれば、リングギアが停止している状態での噛み合わせであれば、面取りによる誘い効果はある。しかしながら、リングギア回転中において、ピニオンの相対回転数が異なる場合には、面取り部の当接によって両ギアが衝突することで、ピニオンを軸方向に押し戻す力成分が発生してしまう。したがって、リングギア回転中では、面取りが不利になっていた。
このように、リングギア回転中にピニオンギアを噛み合わせる場合、より確実な同期と位相合わせを、当接した瞬時に行わないと、騒音、磨耗による寿命の低下、そして噛み合い時間のロスによる始動の遅れなどの問題が生じることになる。
特に、ピニオンギアとリングギアの噛み合わせ時における回転数差が大きい場合には、同期せずに歯と歯がこすれ合う時間が長くなると、騒音が大きく聞こえる。
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、リングギア回転中にピニオンギアをリングギアと噛み合わせる際に、リングギア、ピニオンギアの回転数差が大きい場合でも、正回転・逆回転に関わらず簡単に噛み合わせて再始動できるエンジン始動装置を得ることを目的とする。
本発明に係るエンジン始動装置は、スタータモータと、スタータモータの出力軸側にスプライン結合され、軸方向に摺動するとともに、エンジン回転と同方向の回転に対しては空転する1方向クラッチを有するピニオン部と、ピニオン部をリングギアとの噛み合い位置に移動させる押し出し機構と、押し出し機構により押し出されたピニオン部のピニオンと噛み合い、スタータモータの回転力が伝達されることでエンジンを始動するリングギアとを備え、エンジン停止後のエンジン惰性回転中にも再始動要求が発生した場合に所定の条件によって再始動を実施するエンジン始動装置において、ピニオン部のピニオンは、軸芯との噛み合い用の溝を内側に有することで、単体で軸方向に動作が可能であり、ピニオンのリングギア側端面と、非トルク伝達面側の歯面との間に、歯面に沿った曲面形状を有する面取り部が設けられており、面取り部は、ピニオンが、初期衝突でリングギアの端面に当接し、面取り部に沿って引き込まれることでリングギアと噛み合うときの初期噛み合い長さが、所望の長さとして確保できるように、かつ、前記リングギアが回転中でも前記ピニオン部を瞬時に同期させて前記リングギアに噛み合わせることができるように、軸方向に対する大きさが、ピニオンの回転方向に対する大きさよりも大きくなるように設けられている。
本発明に係るエンジン始動装置によれば、単体で軸方向に動作可能なピニオンギアを用いるとともに、ピニオンギアのリングギア側端面と、非トルク伝達面側の歯面との間に、歯面に沿った曲面形状を有する面取り部を設けることで、リングギア回転中にピニオンギアをリングギアと噛み合わせる際に、リングギア、ピニオンギアの回転数差が大きい場合でも、正回転・逆回転に関わらず簡単に噛み合わせて再始動できるエンジン始動装置を得ることができる。
本発明の実施の形態1におけるエンジン始動装置の分解図である。 本発明の実施の形態1におけるエンジン始動装置をエンジンに取り付けた際の断面図である。 本発明の実施の形態1におけるピニオン部の構成部品の分解斜視図である。 本発明の実施の形態1におけるピニオンギアの形状を示した斜視図である。 本発明の実施の形態1において、リングギアが正回転している場合に、ピニオンギアを押し出してリングギアに噛み合わせた際のイメージ図である。 本発明の実施の形態1において、リングギアが正回転している場合に、ピニオンギアを押し出してリングギアに噛み合わせた際の、図5とは異なるイメージ図である。 本発明の実施の形態1において、リングギアが脈動して逆回転している場合に、ピニオンギアを押し出してリングギアに噛み合わせた際のイメージ図である。 本発明の実施の形態1において、リングギアが脈動して逆回転している場合に、ピニオンギアを押し出してリングギアに噛み合わせた際の、図7とは別のイメージ図である。 本発明の実施の形態1におけるピニオンギアとリングギアとの相対位置関係を示した図である。 本発明の実施の形態1におけるピニオンギアとリングギアとの相対位置関係を示した、図9とは異なる図である。
以下、本発明のエンジン始動装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1におけるエンジン始動装置の分解図である。図1に示す本実施の形態1におけるエンジン始動装置は、モータ駆動力部10、軸20、ピニオン部30、吸引コイル部40、プランジャ50、レバー60、ブラケット70、ストッパ80、および減速ギア部90で構成されている。
モータ駆動力部10は、エンジンを始動する。軸20は、モータの出力軸側と減速ギア部90を介して結合している。ピニオン部30は、軸20とヘリカルスプライン結合されたオーバーランニングクラッチと一体化されており、軸方向に摺動することができる。
吸引コイル部40は、スイッチをONすることで、プランジャ50を吸引する。レバー60は、吸引によるプランジャ50の移動を、ピニオン部30に伝達する。ブラケット70は、モータ駆動力部10、軸20、およびピニオン部30からなるそれぞれの部品を、ピニオンが移動した際のストッパ80を介して、エンジン側に固定している。
図2は、本発明の実施の形態1におけるエンジン始動装置をエンジンに取り付けた際の断面図である。エンジン始動を行う場合は、スイッチがONされると、リレー接点が閉じ、吸引コイル部40の吸引コイル41に電流が流れて、プランジャ50が吸引される。プランジャ50が吸引されると、レバー60が引き込まれて、レバー60がレバー回転軸中心61を中心として回転する。
回転したレバー60において、プランジャ50とは反対側の端部が、ピニオン部30を押し出し、その結果、軸20のスプラインに沿って、ピニオン部30が回転しながら押し出される。さらに、プランジャ50が引きこまれて、芯42を、バネ45を縮ませながら押し込む。これにより、モータ接点44a、44bを移動接点部43で閉じることで、駆動モータへの通電が開始され、モータが回転する。
図3は、本発明の実施の形態1におけるピニオン部30の構成部品の分解斜視図である。ピニオン部30は、オーバーランニングクラッチ31、軸芯32、コイルバネ33、ピニオンギア34、および保持部品35を備えて構成されている。
図4は、本発明の実施の形態1におけるピニオンギア34の形状を示した斜視図である。図4に示すように、ピニオンギア34のリングギア100側端面と、非トルク伝達側の面34cとの間には、面34cの歯面に沿った曲面形状として面取り部34dが設けられ、さらに、ピニオンギア34の歯先外径部には、歯先外径に沿って、面取り部34eが設けられている。
ここで、面取り部34dの軸方向と回転方向のサイズに関しては、図6、図8を用いて後述するように、軸方向(図6、図8の紙面上の上下方向に相当)に対する面取り部の大きさが、回転方向(図6、図8の紙面上の左右方向に相当)に対する面取り部の大きさ以上となるように(換言すると、図6に示す角度θを大きくし、軸方向に深くなるような面取り形状となるように)、曲面形状が設けられている。さらに、ピニオンギア34の内側には、軸芯32との噛み合い用の溝34aが設けられている。
上述した構成にすることで、リングギア100がエンジンストップした後の惰性回転中に、再始動要求があった場合には、リレー接点を閉じ、吸引コイル41に通電することで、ピニオンギア34を押し出してリングギア100に当接させることができる。
図5は、本発明の実施の形態1において、リングギア100が正回転している場合に、ピニオンギア34を押し出してリングギア100に噛み合わせた際のイメージ図である。より具体的には、リングギア100が正回転している場合の噛み合わせ動作において、リングギア100と面取り部34dとが当接した場合を例示している。
この図5のように当接した際には、リングギア100の回転によってピニオンギア34に伝達される伝達力として、オーバーランニングクラッチ31を空転方向へ空回りさせる力が発生する。
したがって、オーバーランニングクラッチ31は、リングギア100が早く回転している場合の同期用としての役割も担っている。そして、面取り部34dは、非トルク伝達側の面34cの歯面に沿った曲面で形成されている。このことから、軸方向に垂直な断面で見たときには、リングギア100の歯と、ピニオンギア34の歯とが、常にかみ合った状態と同じである。つまり、回転ロスが発生する。
歯同士が噛み合った状態と同じでない場合には、リングギア100とピニオンギア34のそれぞれの歯の速度ベクトルが異なる。このため、結果として、接触位置が軸方向へ振れることになり、安定した回転力を伝えられないだけでなく、はじかれる力になる場合もあり、不安体な状態となる。
ここで、その安定した回転力を得るために最低必要な回転方向の力をFrとし、面取り部34dの面取りの角度をθとすると、軸方向に対する反力が発生する必要回転分の力Fzは、
Fz=Fr/tanθ (1)
の関係となる。
したがって、ピニオンを押し出す力Fpに対して、
Fp>Fz (2)
の関係であれば、そのまま同期させながらピニオンギア34をリングギア100に押し込むことが可能となる。
ピニオンを押し出す力Fpは、大きければ噛み合い性が良いことになる。しかしながら、大きすぎると、ピニオンギア34とリングギア100の衝突の際の荷重も上がり、摩耗などを増大させてしまう結果となる。このため、ピニオンを押し出す力Fpは、必要以上に大きくせず、最適な荷重が良い。なお、本実施の形態1における構造では、Fpは、コイルバネ33による押し付け力を意味する。
したがって、できるだけ力Fzを小さくするためには、角度θを大きくする必要がある。図6は、本発明の実施の形態1において、リングギア100が正回転している場合に、ピニオンギア34を押し出してリングギア100に噛み合わせた際の、図5とは異なるイメージ図である。より具体的には、先の図5の場合よりも、角度θを大きくしている場合に相当する。
ここで、角度θを大きくすることを言い換えると、軸方向に対する面取り部の大きさが、回転方向に対する面取り部の大きさ以上となるように(すなわち、図6に示したように、軸方向により深くなるような面取り形状となるように)面取り部34dを設けることに相当する。
図6に示すように、角度θを大きくすることで、力Fzが小さくなり、Fpは、小さくなった力Fzを押し込めるだけのバネ反力で良い。すなわち、角度θを大きくすることで、リングギア100が回転中でも、ピニオンギア34を瞬時に同期させてリングギア100に噛み合わせることが可能となる。
図7は、本発明の実施の形態1において、リングギア100が脈動して逆回転している場合に、ピニオンギア34を押し出してリングギア100に噛み合わせた際のイメージ図である。図7に示すように、ピニオンギア34は、リングギア100の回転に伴い、面取り部34dに沿って押し込まれ(図7(a)、(b)参照)、リングギア100とトルク伝達面34bとが初期噛み合いとして噛み合う(図7(c)参照)。
トルク伝達面34bがリングギア100と当接して逆転側にピニオンを回転させると、ヘリカルギア21によってピニオン部は吸い込まれて、最後まで噛み合う。そして、最後までかみ合うことで、トルク伝達面の長さ(トルク伝達噛み合い長さ)36bが確保される(図7(d)参照)。
その際には、トルク非伝達面側の面34cの当たり想定長さは、36cとなる。すなわち、面34cは、面取り部34dが設けられた後に、非トルク伝達面側の面として残った面に相当し、モータを回転させてエンジンが始動する際に、脈動するクランキング時に衝突する面となり、その衝突する際の、トルク非伝達面側の面34cの軸方向の長さ(非トルク伝達面衝突長さ)が36cとなる。
この動作においては、初期噛み合い長さ36aが重要である。初期噛み合い長さ36aが確保されていないと、リングギア100を削ってしまう。そこで、面取り部34dの軸方向の深さを深くすることで、初期噛み合い長さ36aをより長く確保することが可能となる。
図8は、本発明の実施の形態1において、リングギア100が脈動して逆回転している場合に、ピニオンギア34を押し出してリングギア100に噛み合わせた際の、図7とは別のイメージ図である。より具体的には、先の図7の場合よりも、角度θを大きくしている場合に相当する。
図8に示すように、ピニオンギア34は、初期衝突でリングギア100の端面に当接し(図8(a)参照)、面取り部34dに沿って引き込まれて(図8(b)参照)、初期噛み合い長さ36aで噛み合う(図8(c)参照)。角度θが大きいことにより軸方向深さが深くなったことで、初期噛み合い長さ36aが大きく確保できている。
また、初期噛み合い長さ36aの確保とともに重要なもう一つの点は、ピニオンを単独で移動できる構造にある。ピニオン部30は、オーバーランニングクラッチ31などの組み合わせ部品で移動するため、重量が重い。
これに対して、本実施の形態1におけるピニオン部30の構造では、ピニオンギア34単体での動作が可能であり、移動する質量は、ピニオンギア34の質量のみである。このため、加速が大きくとれることで、面取り部34dに添った噛み合わせが可能となる。したがって、質量が軽いピニオンギア34は、面取り部34dの面に沿って押し込めるだけの押し込み力があれば良い。この場合の押し込み力は、スプリングばね33による押し荷重となる。
また、噛み合った後でトルク伝達する際にも、トルク伝達力面長さ36bが確保できれば良く、非トルク伝達面側の長さ36cは短くなるが、極端に摩耗しない最低限のレベルであれば、特に問題がない。換言すると、面取り部34dは、ピニオンギア34がリングギア100に対して完全に噛み合った状態(図8(d)に相当)で、非トルク伝達面側の軸方向の長さ36cが最低限のレベルで残るように、非トルク伝達側の面34cに形成される。
このように、正回転側で必要なばね押し付け力と、逆回転側で面取り部34dに沿って押し込めるだけの押し力を満たしたバネ荷重となるように、スプリングばね33を設計すればよい。このような設計により、リングギア100が回転中にピニオンギア34をリングギア100と噛み合わせる際に、リングギア100、ピニオンギア34の回転数差が大きい場合でも、簡単に噛み合わせて再始動させることが可能となる。
面取り部34dの面取り角度θを大きくしたい場合には、軸方向だけでなく、周方向(回転方向)での大きさも大きくすれば良い。ただし、その際には、周方向での大きさを大きくしすぎると、歯自体の強度がもたなくなる。この場合にも、非トルク伝達側の面34cの歯面に沿った曲面形状として面取り部34dを形成することで、できるだけピニオンギア34の歯の肉厚を残した状態で、面取りすることが可能となる。
また、図9は、本発明の実施の形態1におけるピニオンギア34とリングギア100との相対位置関係を示した図である。この図9に示すように、噛み合わせ時において、リングギア100とピニオンギア34の位置関係で重なる点は、重なり部37a,37b、37cである。その中で、実際に当たる箇所は、重なり部37bとなる。
しかしながら、本実施の形態1の構造において、ピニオンギア34の軸芯の精度、あるいはピニオンギア34の工作精度による傾きにより、重なり部37cが接触する場合がある。その場合には、リングギア100の外形部とピニオンギア34のエッジ部が当たって歯先が干渉して回転できない状態になる。
そこで、このような状態を回避するためには、先の図4に示したように、ピニオンギア34の歯先外径部に面取り部34eを設けることが有効となる。図10は、本発明の実施の形態1におけるピニオンギア34とリングギア100との相対位置関係を示した、図9とは異なる図である。図10に示すように、歯先外径部に面取り部34eを設けることで、必ず重なり部37bないしは重なり部37aで、ピニオンギア34とリングギア100とを接触させることができる。
このような構成を採用することで、リングギア100とピニオンギア34を瞬時に噛み合わせて、モータを始動することが可能となる。また、ピニオンギア34の曲面は、鍛造で作成することで、低コスト化も可能である。
以上のように、実施の形態1によれば、ピニオンギアを、単体で軸方向に動作可能な構造としている。さらに、ピニオンギアのリングギア側端面と、非トルク伝達面側の歯面との間に、歯面に沿った曲面形状を有する面取り部を設けている。このような構造を有することで、リングギア回転中にピニオンギアをリングギアと噛み合わせる際に、リングギア、ピニオンギアの回転数差が大きい場合でも、正回転・逆回転に関わらず簡単に噛み合わせて再始動できるエンジン始動装置を実現できる。
さらに、面取り部の形状を軸方向に深くすることで、より小さな押し付け力でピニオンギアを移動可能にするとともに、初期噛み合い長さをより長く確保することが可能となり、噛み合せ性能をより向上させることができる。
10 モータ駆動力部、20 軸、30 ピニオン部、31 オーバーランニングクラッチ、32 軸芯、33 コイルバネ、34 ピニオンギア(ピニオン)、34a 溝、34b ピニオンギアのトルク伝達側の面、34c ピニオンギアの非トルク伝達側の面、34d 面取り部、34e 歯先外径部の面取り部、35 保持部品、36a 初期噛み合い長さ、36b トルク伝達噛み合い長さ、36c 非トルク伝達面衝突長さ、37a、37b、37c 重なり部、40 吸引コイル部、41 吸引コイル、42 芯、43 移動接点部、44a、44b モータ接点、45 バネ、50 プランジャ、60 レバー、61 レバー回転軸中心、70 ブラケット、80 ストッパ、90 減速ギア部、100 リングギア。

Claims (4)

  1. スタータモータと、
    前記スタータモータの出力軸側にスプライン結合され、軸方向に摺動するとともに、エンジン回転と同方向の回転に対しては空転する1方向クラッチを有するピニオン部と、
    前記ピニオン部をリングギアとの噛み合い位置に移動させる押し出し機構と、
    前記押し出し機構により押し出された前記ピニオン部のピニオンと噛み合い、前記スタータモータの回転力が伝達されることでエンジンを始動するリングギアと
    を備え、エンジン停止後のエンジン惰性回転中にも再始動要求が発生した場合に所定の条件によって再始動を実施するエンジン始動装置において、
    前記ピニオン部の前記ピニオンは、軸芯との噛み合い用の溝を内側に有することで、単体で前記軸方向に動作が可能であり、前記ピニオンの前記リングギア側端面と、非トルク伝達面側の歯面との間に、前記歯面に沿った曲面形状を有する面取り部が設けられており、
    前記面取り部は、前記ピニオンが、初期衝突で前記リングギアの端面に当接し、前記面取り部に沿って引き込まれることで前記リングギアと噛み合うときの初期噛み合い長さが、所望の長さとして確保できるように、かつ、前記リングギアが回転中でも前記ピニオン部を瞬時に同期させて前記リングギアに噛み合わせることができるように、前記軸方向に対する大きさが、前記ピニオンの回転方向に対する大きさよりも大きくなるように設けられている
    ことを特徴とするエンジン始動装置。
  2. 請求項1に記載のエンジン始動装置において、
    前記面取り部は、前記ピニオンが前記リングギアに対して完全に噛み合った状態で、前記リングギアに前記非トルク伝達面が衝突する際に、前記非トルク伝達面の前記軸方向の長さが残るように設けられている
    ことを特徴とするエンジン始動装置。
  3. 請求項1または2に記載のエンジン始動装置において、
    前記ピニオンは、前記リングギア側の歯先外径部に、歯先外径に沿った2段目の面取り部がさらに設けられている
    ことを特徴とするエンジン始動装置。
  4. 請求項1ないし3のいずれか1項に記載エンジン始動装置において、
    前記面取り部は、鍛造で作成される
    ことを特徴とするエンジン始動装置。
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