JP5828044B2 - オルタネータ・アイソレーティング・デカップラ - Google Patents

Description

本発明はオルタネータ・アイソレーティング・デカップラ、より適切にはトーション・スプリングと直列に各々交互に設けられ、平行な第１ラップ・スプリング及び第２ラップ・スプリングを有し、各ラップ・スプリングは、ワンウェイ・クラッチと開放可能に係合し、かつオルタネータ・ロータと開放可能に係合するオルタネータ・アイソレーティング・デカップラに関する。

ベルト駆動補機システムは、オルタネータ（ジェネレータ）、ウォーター・ポンプ、オイル・ポンプ（パワー・ステアリング）、エアーコンディショニング・コンプレッサ（エレクトロメカニカル・クラッチを介する）を一般的に含む補機部材に、内燃機関のクランクシャフトから力を伝達するため、通常用いられる。これらの補機部材は、通常、取り付け位置に固定され、そして一定のベルト張力を提供し、かつベルトの緩みを取るために自動ベルト・テンショナを利用する。

内燃機関は、爆発事象が発生したときのみ、クランクシャフトにおいて回転力を発生させる。実際には、これは脈動システムであって、これにより、爆発事象の間隔が狭くなるほど、エンジンの回転一貫性が滑らかになる。各爆発行程において、クランクシャフトは、次の爆発行程までの間に、加速を示した後に減速する。一般的に、より遅いエンジンの回転、及びより少ないシリンダの数は、脈動効果の大きさを増幅する傾向がある。

サーペンタイン・ベルト・システムに関して言えば、クランクシャフトの脈動は速度の変動としてベルトに伝達される。従って、エンジンの速度変動は、システムにおいて駆動されるコンポーネント全てに伝達される。動的なベルト張力の変動は、速度変動により生成される。補機部材の動的負荷及びそれによる張力効果を考慮しなければ、そのような部材を連続的に加減速させようとするベルトのように、被駆動側の慣性が動的な張力を生成することは明らかである。

エンジンが小さい、例えば４又は５シリンダであって、低速域（アイドリング領域）であるとき、動的張力変動は最も高い等級（Ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）になる。エンジン回転慣性を低下させる（デュアル・マス・フライホイール）、または瞬間的な加速を増加させる（ディーゼル、高圧縮、等）ため提供される技術的相違点により、等級がさらに大きくなる。動作条件もまた、かなりの影響を有する。例えば、アイドリングに戻る速度を増加させようとする高出力レベルでその理想的な最小速度（アイドル）未満でエンジンが動作する「ラギング（ｌｕｇｇｉｎｇ）」である。

これらの状況の下で、動的ベルト負荷は大きくなり、これにより、ベルトテンショナは、全ての動的変動に追従できなくなる。この結果により、ベルト、テンショナ、及び補機部材のベルトノイズ、ベルトスリップ、そして強制振動が生じる。その結果、耐久性が譲歩される。

低剛性を有するトーショナル・アイソレータをクランクシャフトで用いることにより、この問題を解決することが可能である。そのような従来のトーショナル・アイソレータは数年の間に渡って採用されているが、かさばり、効果であり、重く、かつ限定された有効性を示す。この限定された有効性は、一般的に、システムの全力の能力を支持するために設計されねばならない駆動の結果である一方で、めったにそもそも同等のものを必要としない。このように、トーショナル・アイソレータは一般的に堅すぎる。

記載された各機能は、システムを最適化するため、異なる工学的要件を有する。例えば、弾性カップリング機能は、カップリング／デカップリング機能を奏するために用いられるバネ定数より大きなバネ定数（より硬いスプリング）を好ましくは有するであろう。好ましくは、高いバネ定数は、相対的に高いねじり力に順応するためにオルタネータ・プーリの被駆動回転動作をハブ構造に伝達することに対して好ましいが、低いバネ定数は、少ない力が発揮され、そしてこれにより、デカップリングあるいはオーバーラン状況の間に機構によって少ない摩擦摩耗及び熱が生成されるため、デカップリング機能に対して好ましい。ねじり伝達機能を提供する機構のバネ定数を上げることは、カップリング／デカップリング機能の損失に繋がりうる一方で、カップリング／デカップリング機能を提供するバネ定数を下げることは、ねじり伝達機能の損失に繋がりうる。

この技術を示すものは、駆動プーリ軸に対しその上で回転可能な駆動プーリを付随する出力シャフトを有する内燃機関エンジンを含むドライブ・アセンブリを備える自動車のためのサーペンタイン・ベルト・ドライブ・システムを開示する米国特許第６，０８３，１３０号明細書である。被駆動アセンブリの配列は、駆動プーリ軸と平行な軸に対して回転可能な被駆動プーリと、駆動プーリの回転に応じて被駆動プーリを回転させるようなベルトの回転方向に関しては、被駆動アセンブリの配列と一致する配列である駆動プーリと及び被駆動プーリと協働関係にあるように取り付けられるサーペンタイン・ベルトとを各々有する。被駆動アセンブリの配列は、シャフト軸に対して回転するように取り付けられるオルタネータ・シャフトを含むオルタネータ・アセンブリを含む。ハブ構造は、シャフト軸に対し共に回転するように、オルタネータ・シャフトによって固定的に支持される。スプリング及びワンウェイ・クラッチ機構は、ハブ構造にオルタネータ・プーリを結合する。スプリング及びワンウェイ・クラッチ機構は、ワンウェイ・クラッチ部材から離れて形成され、かつ直列に接続される弾性スプリング部材を備える。弾性スプリング部材は、ハブ構造にサーペンタイン・ベルトによってオルタネータの被駆動回転動作を伝達するように構成かつ配列され、これにより、オルタネータ・シャフトが、被駆動回転動作それによる期間にオルタネータ・プーリに関して反対方向である瞬間的な相対的弾性動作を可能にする一方で、オルタネータ・プーリと同じ方向に回転される。ワンウェイ・クラッチ部材は、エンジン出力軸の速度が、規定の負のレベルでオルタネータ・プーリとハブ構造との間にトルクが確立されるに十分な大きさまで減速されるとき、オルタネータ・プーリの回転速度を超えた速度で、ハブ構造が、そしてその結果オルタネータ・シャフトが回転するように構成かつ配列される。

必要とされるものは、トーション・スプリングと直列に各々交互に設けられ、平行な第１ラップ・スプリング及び第２ラップ・スプリングを有し、各ラップ・スプリングは、ワンウェイ・クラッチと開放可能に係合し、かつオルタネータ・ロータと開放可能に係合するオルタネータ・アイソレーティング・デカップラである。本願発明は、この要求に合致する。

本願第１の側面は、トーション・スプリングと直列に各々交互に設けられ、平行な第１ラップ・スプリング及び第２ラップ・スプリングを有し、各ラップ・スプリングは、ワンウェイ・クラッチと開放可能に係合し、かつオルタネータ・ロータと開放可能に係合するオルタネータ・アイソレーティング・デカップラを提供することである。

本願発明の他の側面は、本願発明における以下の説明及び付随する図面により指摘され、明らかにされるであろう。

本願発明は、オルタネータ・シャフトと、オルタネータ・シャフトと係合するワンウェイ・クラッチと、ワンウェイ・クラッチと開放可能となるように係合する第１ラップ・スプリングと、ワンウェイ・クラッチと開放可能となるように係合する第２ラップ・スプリングとを備え、第２ラップ・スプリングは第１ラップ・スプリングと平行となるように配置され、第１ラップ・スプリングと第２ラップ・スプリングとは入れ子関係にあって、第１ラップ・スプリング及び第２ラップ・スプリングは、エンド・キャップと開放可能となるように係合可能な端部を各々有し、エンド・キャップはアウタ・ハウジングと固定されて接続され、第１ラップ・スプリング及び第２ラップ・スプリングはトーション・スプリングと直列に各々係合し、トーション・スプリングはアウタ・ハウジングと係合し、アウタ・ハウジングはオルタネータ・ロータと係合するオルタネータ・アイソレーティング・デカップラを備える。

この明細書に含まれ、そして一部を形成する付随する図面は、本発明の好ましい実施形態を表し、この明細書と共に本発明の原理を説明するために役立つ。
本願発明による装置の分解図である。 アウタ・ハウジングを取り外したアイソレーティング・デカップラの図である。 図４の詳細である。 オルタネータ内の装置の断面図である。 ラップ・スプリングの斜視図である。 エンドキャップの詳細である。

本願発明による装置は、一般的に自動車のエンジンと接続されるベルト駆動補機システムに使用される。補機システムは、オルタネータ、パワー・ステアリング・ポンプ、エアー・コンディショニング・コンプレッサ、及びウォーター・ポンプを備えうる。補機は、各装置の間に掛け回されるサーペンタイン・ベルトにより駆動される。高い慣性を有する装置は、一般的にオルタネータである。

図１は、本願発明による装置の分解図である。本願発明によるアイソレータ・デカップラ１０００は、アウタ・ハウジング１０を備える。好ましい実施形態においては、オルタネータ・ロータは、アウタ・ハウジング１０上に適合される。装置１００及びアウタ・ハウジング１０は、オルタネータ・ケース１４０内に完全に格納される。図４参照。

アウタ・ハウジング１０内に設けられるものは、トーション・スプリング２０である。トーション・スプリングの端部２１は、ストップ１１でアウタ・ハウジングと係合する。図３参照。トーション・スプリング２０は、実質的な矩形断面を有する。図３参照。矩形断面は、渦巻きに対して短い軸方向長さを与える。トーション・スプリング２０は、好ましくはロータ１００と接触しない。

トーション・スプリングの他端２２と係合するものは、トーション・スプリング駆動部材３０である。トーション・スプリング駆動部材３０はスプリング受容部３１と係合するが、他方アウタ・ハウジング１０またはオルタネータ・ロータ１００のいずれかに固定されない。実際には、それは、トーション・スプリング２０とラップ・スプリング４０および５０双方との間で「浮かぶ」。

トーション・スプリング・ドライバ３０と係合するものは、ラップ・スプリング４０および５０各々の端部４１および５１各々である。端部５２は、スプリング受容部３２と係合する。端部４２は、スプリング受容部３３と係合する。

第１のラップ・スプリング４０および第２のラップ・スプリング５０の渦巻きは、入れ子関係、説明すると、各ラップ・スプリングの渦巻きが交互に互いに隣接するように配置される。図５参照。第１のラップ・スプリングおよび第２のラップ・スプリングは、平行に運用上配置される。通常の運用状況では、第１のラップ・スプリング４０および第２のラップ・スプリング５０は、クラッチ・キャリア６０の外面と摩擦係合する。運用時においては、第１のラップ・スプリング４０および第２のラップ・スプリング５０は、ワンウェイ・クラッチ７０からトーション・スプリング２０にスプリングの巻回方向へトルクを伝達する。トーション・スプリング２０は、反巻回方向に負荷がかけられる。トーション・スプリング２０は、ラップ・スプリング４０および５０の巻回方向とは反対方向に巻回される。平行に組み合わされたラップ・スプリング４０、５０は、トーション・スプリング２０と直列に配置される。

各ラップ・スプリングは、クラッチ・キャリア６０上において負荷がかけられる状況にあるため、どちらも、通常動作の間、クラッチ・キャリアに対して滑らない。システムにトルクを適用すると、ラップ・スプリング４０、５０がクラッチ・キャリア６０の回りにきつく巻かれ、さらに、いかなる滑る可能性をも排除する。

クラッチ・キャリア６０は、ワンウェイ・クラッチ７０のアウタ・レース上に圧入される。ワンウェイ・クラッチ７０は、オルタネータ・シャフト１００上に圧入される。ニードル・ベアリング８０もまた、オルタネータ・シャフト１００と係合する。図４参照。エンド・キャップ９０は、ニードル・ベアリングおよびアウタ・ハウジングと係合する。

動作時において、ベルト（非図示）はプーリ１１０と係合する。プーリ１２０は、オルタネータ・シャフト１００の端部に固定される。ワンウェイ・クラッチ７０は、オルタネータ・シャフト１００によって駆動される。ワンウェイ・クラッチ７０は、第１のラップ・スプリング４０および第２のラップ・スプリング５０を順に駆動するクラッチ・キャリア６０を順に駆動する。第１および第２のラップ・スプリングは、トーション・スプリング・ドライバ３０を駆動する。トーション・スプリング・ドライバ３０は、アウタ・ハウジング１０を駆動するトーション・スプリング２０を駆動する。アウタ・ハウジング１０は、オルタネータ・ロータ１１０を駆動する。トーション・スプリング２０は反巻回方向に駆動する。説明すると、トルクが、それが適用されるにつれて、トーション・スプリングを解き、かつ伸ばそうとする。

従来公知のオルタネータ１３０は、シャフト１００が、オルタネータ・ロータ１１０を順に駆動するアイソレーティング・デカップラ１０００を駆動する代わりに、シャフト１００がロータ１１０を通常、直接駆動する本実施形態を除き、任意の公知のオルタネータとして構成される。本願発明による装置は、アイソレーティング・デカップラをオルタネータ・アセンブリに完全に一体化することによって、先行技術に対して著しく単純かつより効果的な構成を示す。

トーション・スプリング２０およびワンウェイ・クラッチ７０の物理的大きさを最小化するため、トーション・スプリング２０および／またはワンウェイ・クラッチ７０に規定の最大値を超えるトルクを防ぐオーバーロード特徴を有することが好ましい。トーション・スプリングまたはワンウェイ・クラッチのいずれかに加えられる過度のトルクは、いずれの部品をも早期に故障させうる。

本願発明は、装置に適用するいかなる過度のトルクを切り下げ、従って、装置内の要素に適用する最大トルクを下げる、スリップ特徴を提供する。これにより、断続的なピークトルク事象を単に取り扱う過大設計状態を避ける、減らされたトルク推定に基づいて、部材が最適化される。

エンジンをスタートしたときに観測されるピークトルクよりも、オルタネータの基準ピークトルクの方が小さいことが知られている。例えば、一般的な自動車のオルタネータは、エンジンをスタートする間、１２Ｎｍの基準ピークトルク、０．０００３０ｋｇ・ｍ^２の慣性、および１００，０００ｒａｄ／ｓ^２のオルタネータの加速度を有する。エンジンをスタートさせるときに式１を用いれば、装置は２０Ｎｍのピークトルクを取り扱うことができなくてはならないが、他の全ての動作状況の間では、そのような高いトルクを見ないであろう。

ここで、
Ｔ＝トルク
Ｉ＝オルタネータの慣性
ω^２＝加速度

ピーク・スターティング・トルクを取り扱いうるトーション・スプリングおよびワンウェイ・クラッチを用いる必要性を排除するため、本願発明による装置は、ピーク最大トルクを超えると切り離される第１のラップスプリング４０および第２のラップスプリング５０を用いる。

図２は、アウタ・ハウジングを取り外したアイソレーティング・デカップラの図である。ラップ・スプリング４０および５０の端部４１および５１は、エンド・キャップ９０でポケット９１およびポケット９３と各々係合する。図６参照。ポケット９１およびポケット９３は、エンド・キャップ９０の外周に等間隔で配置される。この係合により、ラップ・スプリング４０およびラップ・スプリング５０がエンド・キャップ９０に対して回転動作する。エンド・キャップ９０は、アウタ・ハウジング１０に固定される。

動作時において、ラップ・スプリング４０およびラップ・スプリング５０の端部４１および端部５１は、ポケット９１および９３の内部で各々移動し、この移動は、装置に加えられるトルクが増加するに従う、面９２および面９４に向けた移動を含みうる。端部４１および端部５１は、装置を介してトルクが伝達されるに従い、ポケット９１およびポケット９３内で各々移動する。加えられたトルクは、トーション・スプリング２０を反巻回方向に緩める。端部４１および端部５１の位置は、通常の動作の間、各ポケットの中で各々変化する。

規定のピークトルクに達したとき、端部４１および端部５１は、面９２および面９４と各々接触する。トルクが増え続ける場合、各面９２および面９４は、各ラップ・スプリング端部４１および端部５１を部分的に緩めさせ、これにより、クラッチ・キャリア６０から各ラップ・スプリング４０およびラップ・スプリング５０を部分的、あるいは次第に、開放、あるいは切り離す。これにより、第１のラップ・スプリング４０および第２のラップ・スプリング５０はクラッチ・キャリア６０に対して回転し、従って、ワンウェイ・クラッチ７０およびトーション・スプリング２０に加えられる最大トルクを制限する。

そのような相対的な回転は、オルタネータ・ロータ１１０からシャフト１００を一時的に切り離すであろう。例えば、スタート・アップにおけるトルクが規定最大値を超え、かつラップ・スプリングがクラッチ・キャリアに対して回転可能であるとき、オルタネータ・プーリの速度はオルタネータ・ロータの速度を一時的に超え、クラッチおよびスプリングを経たトルクは、規定最大値に制限される。ワンウェイ・クラッチ７０は、オルタネータ・ロータ速度がオルタネータ・プーリのそれを超えたとき、切り離す。これにより、オルタネータ・ロータは、オルタネータ・シャフトよりも速く回転し、オルタネータの慣性がベルト・ドライブから切り離される。この装置は、デカップラがシャフトからプーリを切り離しうる先行技術に対する改良を示し、その代わりに、本願装置ではロータがシャフトから切り離す。

図３は、図４の詳細である。本願装置１０００は、オルタネータ、あるいは他の被駆動補機装置において容易に用いられるための単純なカートリッジ設計を備える。

図４は、オルタネータ内の装置の断面図である。装置１０００は、ロータ１１０およびシャフト１００の間、すなわち全てがオルタネータ・ケース１４０内に設けられる。オルタネータ・ケースは、公知であっても良い。

シャフト１００の両端、つまりシャフトおよびプーリの間に設けられる公知のデカップラと比較して、ロータ１１０は、装置１０００のアウタ・ハウジング１０に直接取り付けられる。本願装置は、シャフト１００の全長を減少させ、これによりオルタネータの全長を減少させる。これにより、エンジンにおけるオルタネータによって要求される空間を減少させる。

シャフト１００は、ベアリング１４１、１４３の内周で回転する。さらに、オルタネータ・ロータ１１０は、ベアリング８０およびベアリング１４２の外周で回転する。ベアリング１４１、１４２は、好ましくはボールベアリングであるが、同様に動作するニードルまたはスリーブベアリングを含む任意の公知のものであってもよい。

図５は、ラップ・スプリングの斜視図である。各ラップ・スプリング４０、５０の各渦巻き４５および渦巻き５５は、隣接して交互に配置される。これは、「入れ子」配置として参照されうる。ラップ・スプリング４０およびラップ・スプリング５０もまた平行である。

図６は、エンドキャップの詳細である。エンド・キャップ９０は、各ラップ・スプリングの受容端５１、４１を各々受容するためのポケット９１、９３を備える。ポケットは、好ましくは、エンド・キャップの周囲にお互いから１８０°離間して配置される。エンド・キャップ９０は、装置に塵芥が侵入することを防ぐため、ダスト・シールとしても提供される。

ここに本発明の複数の実施形態が説明されたが、記載された発明の範囲と精神から逸脱することなく、変形が各部の関係と構造と方法に施されることは、当業者にとって自明である。

Claims (15)

1. オルタネータ・シャフトと、
   前記オルタネータ・シャフトと係合するワンウェイ・クラッチと、
   前記ワンウェイ・クラッチと開放可能となるように係合する第１ラップ・スプリングと、
   前記ワンウェイ・クラッチと開放可能となるように係合する第２ラップ・スプリングとを備え、
   前記第２ラップ・スプリングは、前記第１ラップ・スプリングと平行となるように配置され、
   前記第１ラップ・スプリングと前記第２ラップ・スプリングとは入れ子関係にあって、
   前記第１ラップ・スプリング及び前記第２ラップ・スプリングは、エンド・キャップと係合可能な端部を各々有し、前記エンド・キャップはアウタ・ハウジングと固定されて接続され、前記第１ラップ・スプリングおよび第２ラップ・スプリングの端部がそれぞれ前記エンド・キャップに係合することにより前記第１ラップ・スプリングおよび第２ラップ・スプリングがそれぞれ前記ワンウェイ・クラッチから開放され、
   前記第１ラップ・スプリング及び前記第２ラップ・スプリングはトーション・スプリングと直列に各々係合し、
   前記トーション・スプリングは前記アウタ・ハウジングと係合し、
   前記アウタ・ハウジングはオルタネータ・ロータと係合する
   オルタネータ・アイソレーティング・デカップラ。
2. 前記第１ラップ・スプリングと前記第２ラップ・スプリングと前記ワンウェイ・クラッチとの間に設けられるクラッチ・キャリアをさらに備える請求項１に記載のオルタネータ・アイソレーティング・デカップラ。
3. 前記エンド・キャップは、前記第１ラップ・スプリングと前記第２ラップ・スプリングの端部を受容するための円周状ポケットを備える請求項１に記載のオルタネータ・アイソレーティング・デカップラ。
4. 前記第１ラップ・スプリングと前記第２ラップ・スプリングと前記トーション・スプリングとの間に設けられるトーション・ドライバ・メンバをさらに備える請求項１に記載のオルタネータ・アイソレーティング・デカップラ。
5. 前記エンド・キャップはベアリングと係合し、前記ベアリングは前記オルタネータ・シャフトと係合する請求項１に記載のオルタネータ・アイソレーティング・デカップラ。
6. オルタネータ・シャフトと、
   前記オルタネータ・シャフトと係合するワンウェイ・クラッチと、
   平行となるように配置される第１スプリング及び第２スプリングとを備え、
   前記第１スプリング及び前記第２スプリングは前記ワンウェイ・クラッチと開放可能に係合し、
   前記第１スプリング及び前記第２スプリングは、エンド・キャップと直列に係合可能な端部を各々有し、前記エンド・キャップはアウタ・ハウジングと固定されて接続され、前記第１スプリングおよび第２スプリングの端部がそれぞれ前記エンド・キャップに係合することにより前記第１スプリングおよび第２スプリングがそれぞれ前記ワンウェイ・クラッチから開放され、
   前記第１スプリング及び前記第２スプリングはトーション・スプリングと直列に係合し、
   前記トーション・スプリングは前記アウタ・ハウジングと係合し、
   前記アウタ・ハウジングはオルタネータ・ロータと係合する
   オルタネータ・アイソレーティング・デカップラ。
7. 前記第１スプリングと前記第２スプリングとは入れ子関係にある請求項６に記載のオルタネータ・アイソレーティング・デカップラ。
8. 前記第１スプリング及び前記第２スプリングは巻回方向に対して負荷がかけられる請求項６に記載のオルタネータ・アイソレーティング・デカップラ。
9. 前記トーション・スプリングは反巻回方向に対して負荷がかけられる請求項６に記載のオルタネータ・アイソレーティング・デカップラ。
10. オルタネータ・シャフトと、
    前記オルタネータ・シャフトと係合するワンウェイ・クラッチと、
    前記ワンウェイ・クラッチと開放可能となるように係合される第１スプリング及び第２スプリングとを備え、
    前記第１スプリング及び前記第２スプリングは、アウタ・ハウジングに固定されたエンド・キャップと係合可能な端部を各々有し、前記第１スプリングおよび第２スプリングの端部がそれぞれ前記エンド・キャップに係合することにより前記第１スプリングおよび第２スプリングがそれぞれ前記ワンウェイ・クラッチから開放され、
    前記第１スプリング及び前記第２スプリングはトーション・スプリングと直列に係合し、
    前記トーション・スプリングは前記アウタ・ハウジングと係合し、
    前記アウタ・ハウジングはオルタネータ・ロータと係合する
    オルタネータ・アイソレーティング・デカップラ。
11. 前記第１スプリングと前記第２スプリングとは入れ子関係にある請求項１０に記載のオルタネータ・アイソレーティング・デカップラ。
12. 前記第１スプリング及び前記第２スプリングは巻回方向に対して負荷がかけられる請求項１０に記載のオルタネータ・アイソレーティング・デカップラ。
13. 前記トーション・スプリングは反巻回方向に対して負荷がかけられる請求項１０に記載のオルタネータ・アイソレーティング・デカップラ。
14. 前記第１スプリングと前記第２スプリングとは平行である請求項１０に記載のオルタネータ・アイソレーティング・デカップラ。
15. 前記第１スプリングと前記トーション・スプリングとの間に設けられるトーション・スプリング・ドライバ・メンバをさらに備える請求項１０に記載のオルタネータ・アイソレーティング・デカップラ。
    

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