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JP4356638B2 - 車両用交流発電機の駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は乗用車、トラック等に搭載される車両用内扇式交流発電機(以後は車両用交流発電機と記す)の駆動装置に関する。
近年、車両補機類の駆動方式として、取り付け作業性向上のため、図2のように補機類のプーリ全てを1本のポリVベルトで巻き付け駆動するサーペンタイン駆動方式が主流になっている。
ポリVベルトで駆動される補機系は慣性モーメントの大きい補機が不安定な挙動を示すとエンジンが不安定となることがわかっていた。エンジン補機の中で車両用交流発電機は大きなイナーシャをもっており、更にはプーリ比も高いため車両用交流発電機のイナーシャが回転変動を増幅させる役割を担っており、車両用交流発電機の回転の安定化がエンジン回転の安定につながるため検討が進められていた。
そこで、回転変動を抑制する手法として、振動を抑制する理論が応用された。
図6のように、車両用交流発電機は、他の補機に比べコンプライアンス(振動倍率)がもっとも高くこの振動を抑制することにより、回転変動の抑制は可能である。
回転変動を振動に置き換えた場合、振動を抑制する手段として、振動の原因を取り除く、即ち振動絶縁の考え方から、車両用交流発電機のプーリに一方向クラッチを設けたり(特開昭61−228153号公報を参照)、バネを介したダンパープーリを設けたり(特表2001−523325号公報を参照)を使用して、車両用交流発電機の慣性モーメントの影響を軽減させる方法が具体化され提案されている。
しかしこの様にクラッチ・ダンパープーリを追加することにより、クラッチ・ダンパープーリが破損してしまう問題が発生し、最悪の場合空回りとなり発電不良に至る可能性がある。
また、構造自体も複雑となる上に、部品点数も増加することによりコストアップとなる問題もあった。
特開昭61−228153号公報 特表2001−523325号公報
本発明は、上述の問題を解決するため、クラッチ・ダンパープーリ等の特殊部品を使用せずに振動低減を達成する車両用交流発電機の駆動装置を提供する事を目的とするものである。
本案は、車両用交流発電機が他の補機に比べ振動倍率がもっとも高いため、原点に帰り、振動倍率を増加させる要因を考え、減衰比(ζ)に注目した。
文献によれば、図8のように、減衰比の値が低くなるほど、振幅倍率が高くなり高振動になる。
減衰比(ζ)は以下の関係式で表すことができる。
J = 慣性モーメント
K = バネ定数
C = 粘性係数
数式1の減衰比の関係式を車両の駆動関係式に置き換えたのが以下の数式2である。
数式2におけるKネシ゛リ(バネ定数)、Cネシ゛リ(等価粘性減衰係数)は、一般に知られている車両搭載時の物性である。
今回初めて、車両搭載時の物性と、ベルト単体におけるK引っ張り(バネ定数)、C引っ張り(等価粘性減衰係数)との関係を求め、減衰比への寄与度を明確にした。
図10は、ベルト単体におけるK引っ張り、C引っ張りであり、図11は、車両搭載時のベルトのKネシ゛リ(バネ定数)、Cネシ゛リ(等価粘性減衰係数)である。
車両搭載時の物性であるKネシ゛リ(バネ定数)、Cネシ゛リ(等価粘性減衰係数)とベルト単体におけるK引っ張り(バネ定数)、C引っ張り(等価粘性減衰係数)の関係は、数式3及び数式4となる。
上記数式2に、数式3及び数式4を代入すると
J = 各補機の慣性モーメント
ネシ゛リ = 各補機の両側のベルト合成バネ定数
ネシ゛リ = 各補機の両側のベルト合成等価粘性減衰係数
引っ張り = ベルト単体のバネ定数
引っ張り = ベルト単体の等価粘性減衰係数
L = 各補機の両側のベルト合成スパン長さ
R = 各補機のプーリ半径
Z = ポリVベルトのベルト山数
E*A = ベルト1リブ(山)当たりの、ベルト単体の弾性率

数式5より減衰比に寄与する6つの要因(寄与6要因)及び寄与度を以下に記す。
減衰比は、
・プーリ半径(R)に比例
・ベルトスパン(L)の平方根に逆比例
・慣性モーメント(J)の平方根に逆比例
・ベルトリブ(山)数(Z)の平方根に比例
・ベルト単体の弾性率(E*A)に比例
(バネ定数 Kネジリ引っ張り
(等価粘性減衰係数 Cネシ゛リ引っ張り
図9に、上記の数式5より求めた、各補機の減衰比を示す。
これより解るように、車両用交流発電機の減衰比が他の補機に比べ格段に低く実状に合致する。なお、A/Cはエアコン、W/Pはウォータポンプ、P/Sはパワーステアリング、A/Tはオートテンショナーを示している。
請求項1の構成では、上記結果及び、従来の対策(車両用交流発電機にクラッチプーリの装着)より、車両用交流発電機の減衰比を他の補機並のζ=0.5以上に向上すれば、駆動系として振動を抑制する事ができる。
ζ=0.5以上にする手段としては、前記減衰比の寄与6要因を組み合わせる事により達成できる。この発明によれば、ポリVベルトの心線の基本物性である、バネ定数及び等価粘性減衰係数の関係をポリエステル(PET)に対し、

にすることによりほとんどの車両においてζ=0.5以上を確保できる。
請求項2の発明によれば、エンジンクランクプーリに対する車両用交流発電機のプーリ比を2以下とすると、通常、車両用交流発電機のプーリ有効径はФ100以上となり車両用交流発電機における減衰比を向上することが出来でき、ほとんどの車両において減衰比ζ=0.5以上を確保できる。
請求項3の発明によれば、車両用交流発電機の固定は、サイドマウント方式とすることにより車両用交流発電機がエンジン本体に接近し、その結果車両用交流発電機の両側のベルトスパン長さを短縮することができ減衰比を向上することができる。
図7に請求項2と3の内容を盛り込んだときの各補機のエンジン回転時の振動倍率を示す。
請求項4によればポリVベルトの心線をポリエステル(PET)からポリエチレンナフタレート(PEN)に変更する事により、減衰比ζの改善効果は、1.15倍となる。
以下、ζ=0.5以上にするための具体的構造を述べる。
図1乃至図4に示すように、本実施形態の車両用交流発電機1は、エンジン100のエンジンプーリ100aからベルト11にて、車両用交流発電機1のプーリ10を介して回転駆動される回転子2と、回転子2のポールコア25の両端に固定される内扇ファン21,22、電機子として働く固定子4と、回転子2と固定子4とを一対の軸受け3c、3dを介して支持するフロントフレーム3aおよびリアフレーム3bと、固定子4に接続されて交流出力を直流出力に変換する整流装置5と、回転子2の界磁コイル24に界磁電流を供給するブラシを保持するブラシ装置7と、出力電圧を制御するレギュレータ9と、車両との間で電気信号を入出力する端子を持つコネクタケース6と、整流装置5やレギュレータ9やブラシ装置7等を覆うようにリアフレーム3bの端面に取り付けられる樹脂製の保護カバー8等を含んで構成されている。
この内で車両用交流発電機1の慣性モーメントを構成するのはプーリ10、回転子2、及び軸受け3c、3dの内輪3e、3fの4部品である。
ここで前記の減衰比寄与要因より、車両用交流発電機1のプーリ10において、有効径ФAを拡大すればよい。
プーリ10の有効径ФAは通常Ф70(mm)以下であるが、有効径ФAを100以上とすることにより車両用交流発電機1においてはζ=0.5程度を確保できる。
この時、エンジンプーリ100aに対する 車両用交流発電機1のプーリ11のプーリ比は2倍以下となる。
例えばエンジンプーリ100aの有効径をФ200とすると、車両用交流発電機1のプーリ10の有効径ФAをФ100以上とすると、以下のように、プーリ比は2倍以下となる。
Ф200/Ф100以上 < 2
他の実施例としては、前記の減衰比寄与要因より、車両用交流発電機1の両側のベルト11のスパン長さ11a、11bを短縮しても同様な効果が得られる。
従来の3軸駆動方式ではベルトの張力調整を、エンジンブロック100bより突き出たアジャストバー100cに、車両用交流発電機1のアジャストステー3cをネジ締め固定しているため、車両用交流発電機1の本体は、張力調整時エンジンブロック100bより離れるため、必然的に車両用交流発電機1の両側のベルト11のスパン長さ11a、11bは長くなってしまう。
しかし、近年はサーペンタイン駆動方式による多軸駆動が主流であり、張力調整はオートテンショナーで行うため、車両用交流発電機1による張力調整は不要となったにも関わらず、相変わらずエンジンブロック100bより突き出たアジャストバー100cに、車両用交流発電機1のアジャストステー3cをネジ締め固定しているために、ベルト11のスパン長さ11a、11bは長くなってしまう。
ここでサーペンタイン駆動方式の特徴を生かしスパン長さ11a、11bを短縮するため、車両用交流発電機1の固定は、図3及び図4に示す如く、サイドマウント方式とする。
即ち、車両用交流発電機1の固定は、アジャストバー100cを介さずに、エンジンブロック100bに直付けすると共に車両用交流発電機1の本体をエンジンブロックに干渉しないぎりぎりまで近付ける方式とすることにより減衰比ζを向上することができる。
又、他の実施例としては、ベルト11の基本物性であるバネ定数の低減及び、等価粘性減衰係数の増加することにより、減衰比ζの向上が可能である。ここでバネ定数、等価粘性減衰係数共に、心線11dの材質によって決定される。
心線材料を現在広く使用されているポリエステル(PET)から、ポリエチレンナフタレート(PEN)に変更することにより、ベルトの弾性率は0.77に低下するが、ベルトのヒスシステリ損が1.5倍に向上し、結果として減衰比ζとしては1.15倍に改善される。
0.77*1.5=1.15
・1/E*A (ベルトの弾性率)の比率・・・0.77
このように、心線材料を改善すれば減衰比ζの向上が可能である。
具体的には、ポリエステル(PET)に対し、
等価粘性減衰係数の比率 / バネ定数の平方根の比率=2以上にすれば、通常、車両用発電機の減衰比ζ=0.25以上であり、心線材料を改善することにより、減衰比ζ=0.5以上を確保できる。
第1実施例の車両用交流発電機の断面図 第2実施例のエンジンベルトレイアウト図 第3実施例の車両用交流発電機の正面図 第3実施例の車両用交流発電機の断面図 従来のエンジンレイアウト図 従来の各補機のエンジン回転数のコンプライアンス(振動倍率) 本発明による各補機のエンジン回転数のコンプライアンス(振動倍率) 文献より引用した、減衰比ζと振動倍率の関係のグラフ 各補機の減衰比の比較グラフ ベルト単体におけるK引っ張り、C引っ張りの関係図 車両搭載時におけるKネシ゛リ、Cネシ゛リの関係図
符号の説明
100a エンジンのプーリ
1 車両用交流発電機本体
2 回転子
10 車両用交流発電機のプーリ
11 ポリVベルト本体
11a、11b 車両用交流発電機の両側のベルトのスパン長さ
21、22 内扇ファン

Claims (4)

  1. ポリVベルトによるサーペンタイン駆動方式の車両用内扇式交流発電機(以後は車両用交流発電機と記す)の駆動装置において、
    前記ポリVベルトの心線の基本物性であるバネ定数及び等価粘性減衰係数の関係をポリエステル(PET)に対し、
    等価粘性減衰係数の比率 / バネ定数の平方根の比率≧2
    にし、
    前記車両用交流発電機の減衰比ζを0.5以上にすることを特徴とした車両用交流発電機の駆動装置
  2. 請求項1に記載の車両用交流発電機の駆動装置において、エンジンクランクプーリに対する前記車両用交流発電機のプーリ比を2以下にすることを特徴とした車両用交流発電機の駆動装置
  3. 請求項1又は請求項2に記載の車両用交流発電機の駆動装置において、前記車両用交流発電機の固定をエンジン直付けのサイドマウント方式にすることを特徴とした車両用交流発電機の駆動装置
  4. 請求項1乃至請求項3に記載の車両用交流発電機の駆動装置において、前記ポリVベルトの心線材質をポリエチレンナフタレート(PEN)にしたことを特徴とした車両用交流発電機の駆動装置
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