JP5200111B2 - 拡大可能プーリ - Google Patents

Description

本発明は、拡大可能プーリに関し、特に外部から掛かるトルクに応じて可変的に決定される有効径を有する拡大可能分割プーリに関する。

ハイブリッド電気自動車の補機ベルト伝動装置は、ベルトによって駆動されるスタータ／ジェネレータを備え得ることが知られている。このようなシステムでは、始動と発電の両モードを満足するために特別なベルト張力が与えられる。従来技術のシステムでは、２つのテンショナが利用可能であり、例えば、オルタネータのベルト緩み側には流体テンショナが取り付けられ、オルタネータのベルト張り側には機械的なトーションスプリングテンショナが取り付けられる。

この技術の代表は、米国特許第３，９３５，７５１号明細書（１９７６）であり、無段階速度可変装置、より具体的には、自動車などに適した自動変速装置の構造を開示し、前記変速装置の遠心力は、回転手段の高速回転により発生し、回転ディスクに旋回可能に嵌め合わされた複数の鉤爪ブロックがその外径を増大させるように外側に拡張できるようにし、動力が出力された後、前記動作外径の変化により様々な強さの異なる速度比を自動生成する。

必要とされているのは、外部から掛かるトルクに応じて可変的に決定される有効径を有する拡大可能分割プーリである。本発明はこの要求に合致する。

本発明は、第１の目的は、外部から掛かるトルクに応じて可変的に決定される有効径を有する拡大可能分割プーリを提供することである。

本発明のその他の目的は、本発明の以下の説明と添付された図面により指摘され明らかとされる。

本発明は、複数の隣接するセグメントを備え、各セグメントが径方向に移動可能であり、各セグメントがピン部材と滑動自在に係合し、各セグメントが各ピン部材に沿って径方向に対して実質的に角度（α）の方向に動けるように、各ピン部材が各セグメントと係合し、各セグメントを他のセグメントに対して空間的に配置するために各セグメントと係合する可動ガイド部材と、各セグメントに協動的に連結されるとともに各ピン部材と協働敵に係合可能なカウンタウエイトとを備え、各カウンタウエイトがセグメントの救心力に対抗する力を発生し、各ピン部材がハブに連結される拡大可能プーリを含む。

この明細書に組み込まれその一部を構成する添付図面は、本発明の好ましい実施形態を示し、説明とともに本発明の原理を説明するために用いられる。
本発明の拡大可能プーリの分解斜視図である。 ハブの詳細図である。 セグメント・ピン部材の詳細図である。 セグメント・ガイドの詳細図である。 セグメントの詳細図である。 セグメント・ストップの詳細図である。 カウンタウエイトの詳細図である。 圧縮性部材の詳細図である。 バックプレートの詳細図である。 拡大可能プーリハブの部分的な詳細図である。 拡大可能プーリの部分的な詳細図である。 拡大可能プーリ・セグメントの詳細図である。 拡大可能プーリ・セグメントおよびカウンタウエイトの詳細図である。 拡大可能プーリの斜視図である。 拡大可能プーリの閉じられた位置における側面図である。 拡大可能プーリの途中まで開かれた位置における側面図である。 拡大可能プーリの完全に開かれた位置における側面図である。 拡大可能プーリの断面図である。 拡大可能プーリを用いたベルト伝動システムの概略図である。 セグメントシステムの力学的関係を示す模式図である。 スロット角度の関数としての力のグラフである。 図１７に示されるプーリの詳細図である。

図１は拡大可能プーリの分解斜視図である。プーリ１００は、ハブ１０、セグメント・ストップ２０、セグメント・ピン部材３０、セグメント・ガイド４０、セグメント５０、カウンタウエイト６０、圧縮性部材７０、そしてバックプレート８０を備える。組立体は、ネジやボルトを含むファスナ９０により１つに保持される。ファスナ９０はバックプレート８０からハブ１０へと延出する。

図２はハブの詳細図である。ハブ１０はセグメント・ピン部材３０の各々を受ける戻り止め１１を備える。戻り止め１１は、ハブ１０の周りに円に沿って配置される。ハブ１１は更にリム１２を備え、リム１２はハブ１０から軸方向に突出する。プーリを補機あるいは他の取付面に取り付けるため、取付シャフトはボア１３を通して延出する（例えば、図１８参照）。ファスナ９０は、ハブ１２に設けられた孔に係合する。

図３は、セグメント・ピン部材の詳細図である。各セグメント・ピン部材３０はハブ１０に係合する。各セグメント５０は、セグメント・ピン部材３０と滑動自在に係合する。各セグメント・ピン３０は、各スロット５３との滑動自在な係合を通して各セグメント５０に係合する外側面３１を備える。各セグメント・ピン部材３０は、僅かに半径ｒ_２の円弧形状を呈し（図１５参照）、これはこの明細書の他の場所で説明されるように、セグメント５０の動きを容易にする。各セグメント・ピン部材３０は、プーリが回転しているときに各セグメント５０とカウンタウエイト６０をプーリ１００の中に保持する手段である。

図４は、セグメント・ガイドの詳細図である。セグメント・ガイド４０は、頂点が径方向内側を向くように径方向外側に延出する楔形状部材４１を備える。隙間４２が各部材４１の間に設けられる。セグメント部材５２は、各隙間４２に配置される。ガイド４０は更に、リング４３、４４を備える。リング４３、４４の目的は、各セグメント・ガイド４１を適切に空間的に位置決めすることである。

セグメント・ガイド４０は、ハブ１０やバッキング・プレート８０、あるいはセグメント５０の何れにも固定的な連結はされていない。すなわち、セグメント・ガイド４０は、各セグメント５０とハブ１０の間を「自由に動く」（図１８参照）。これは結果として、セグメント・ピン部材３０および隣接するセグメント５０の各々との適切なアライメントを維持しながら、各セグメント５０が径方向および周方向に動く自由を与えるのに必要なセグメント・ガイド４０のプーリ内でのパーシャルな回転を許す。

この好ましい実施形態では、部材３０はセグメント・ピン部材として説明される。しかし、セグメント・ピン部材３０の機能は、セグメント・ピン部材３０の面３１によって達成される。面３１は、ハブ１０またはバックプレート８０から適正位置へ片持ち梁部材や他の軸突起物を延出し、それによってセグメント５０の位置を制御するようにスロット５３と接触するようにすることによっても実現できる。

図５は、セグメントの詳細図である。プーリ１００は、外周の周りに配置される複数のセグメント５０を備える。セグメント５０は円弧部５１を備える。円弧部５１は、ベルト（図示せず）と係合する外面５４を備える。外面５４は、マルチリブ形状を有するように描かれるが、平ベルトや単独のＶリブ形状も適用できる。

部材５２は、円弧部５１から径方向内側にプーリの中心に向けて延出する。部材５２は、一般的には円弧部５１に垂直に配置される。部材５２はスロット５３と穴５５を備える。カウンタウエイト６０は、穴５５を通して各セグメント５０に係合する（図７参照）。例えば、各セグメントは約８ｇのオーダの質量を有する。

図６は、セグメント・ストップの詳細図である。セグメント・ストップ２０は、円環状であり、エラストマー素材あるいは他の弾性材料であってもよく、プラスチック、天然ゴム、合成ゴムやそれらの等価物や組合せが含まれる。セグメント・ストップ２０は、各セグメント５０の動きに対して径方向内側最大限界として働く。

図７は、カウンタウエイトの詳細図である。カウンタウエイト６０は、セグメント５０の穴５５に旋回可能に係合するピン６１を備える。カウンタウエイト６０は、使用時のプーリの回転により各セグメントに働く遠心力に対抗すように作用する所定の質量を有する。ノッチ６２は、セグメント・ピン部材３０と協働的に係合する。カウンタウエイトの質量の大部分は、ローブ６３に位置する。例えば、各カウンタウエイトは、約８ｇのオーダの質量を有する。

図８は、圧縮性部材の詳細図である。圧縮性部材７０は、エラストマー素材あるいは他の弾性材料であり、プラスチック、天然ゴム、合成ゴムやそれらの等価物や組合せが含まれる。作動時、カウンタウエイト６０は、ピン６１とセグメント・ピン部材３０の周りに、各カウンタウエイトが圧縮性部材７０と接触するように旋回する。圧縮性部材７０は、各カウンタウエイトの運動を所定の位置で停止させる弾性手段として働く。殆どの場合、各カウンタウエイト６０が圧縮性部材７０と係合する位置は、略各セグメント５０の最大径方向位置に対応する。

図９は、バックプレートの詳細図である。バックプレート８０は、形状において一般的に平坦かつ円形である。各戻り止め８１は、セグメント・ピン部材３０の一端を受け入れる。各戻り止め８１は、ハブ１０に設けられた協働する戻り止め１１と一直線に並ぶ。

ファスナ９０は、ハブリム１２に設けられた穴にバックプレート８０を連結する。ファスナ９０は、ネジやその技術分野で従来知られている適切な任意のファスナである。

図１０は、拡大可能プーリハブの部分詳細図である。セグメント・ピン部材３０は、戻り止め１１においてハブ１０と係合された状態で示される。セグメント・ストップ２０は、リム１２の周りに係合された状態で示される。

図１１は、拡大可能プーリの部分詳細図である。セグメント・ガイド４０は、ハブ１０に隣接して配置される。セグメント・ピン部材３０は、ガイド４０のリング４３、４４を通して延在する。各セグメント・ピン部材３０は、各部材４１の間にある各隙間４２を通して延出する。各セグメント・ピン部材は、回転軸Ａ−Ａに実質的に平行な軸方向に延在する。セグメント・ガイド４０は、ハブ１０やセグメント・ピン部材３０の何れにも固定されないが、その代わり、説明した様々な構成部との関係により、この位置に緩く保持される。これはセグメント・ガイド４０が、セグメント５０の動きに応じて自由に動くことを許容する。

図１２は、拡大可能プーリ・セグメントの詳細図である。部材５２は、各部材４１の間の隙間４２に滑動自在に係合される。隙間４２は、スロット５３を通した部材５２のセグメント・ピン３０に沿った滑動を許容するのに十分広く、すなわち、スロット５３はセグメント・ピン部材３０に沿って滑動する。スロット５３は、径方向に対して約３０〜５０°の範囲にある角度αをもって配置される（図２０参照）。

図１３は、拡大可能プーリ・セグメントとカウンタウエイトの詳細図である。カウンタウエイト６０は、穴５５に回動可能に挿入されたピン６１によってセグメント５０に回動可能に係合される。セグメント・ピン部材３０は、ノッチ６２に係合する。カウンタウエイト６０とセグメント・ガイド４０は、セグメント５０の幅の中に完全収まる。この図１３において、幅は垂直軸方向であり、セグメント・ピン部材３０に平行である。セグメント外面５４は、マルチリブベルト（図示せず）と噛み合うマルチリブ形状を呈する。

図１４は、拡大可能プーリの斜視図である。部材７０は、リム１２の周りに配置される。バックプレート８０とファスナ９０は、この斜視図では省略されている。セグメント５０が部分的に開かれた位置で示される。ピン１２０は、ハブ１００をバックプレート８０に位置決めする。

図１５は、閉じられた位置での拡大可能プーリの側面図である。複数のセグメント５０はプーリ１００の外周の周り隣接して配置される。プーリ１００は、協働的セグメント５０の組立体を含み、各組立体には、セグメント５０、セグメント・ピン部材３０、カウンタウエイト６０が含まれる。各セグメント５０は、隣接するセグメント５０によりプーリ外周に適正に配置される。図１５のプーリは、「閉じられた」位置として示され、すなわち、各セグメント５０は隣接するセグメント５０と接触している。各カウンタウエイト６０は、部材７０に軽く押し付けられる。

部材３０における各円弧は、半径ｒ_２を有する。半径ｒ_２は、図１６に示されるように、各セグメント５０の径方向への動きに対し各スロット５３が円弧に沿って動くことを可能にする。

図１６は、部分的に開かれた位置での拡大可能プーリの側面図である。この図１６は、プーリが途中まで拡大された状態を示し、プーリが回転している場合に対応する。各セグメント５０は、所定距離径方向外側に移動されており、そのときスロット５３は、セグメント・ピン３０に沿って途中まで移動される。各カウンタウエイト６０は、ピン６１の周りに途中まで回転される。これは各カウンタウエイト６０が、各ノッチ６２において各セグメント・ピン部材３０にも押し付けられるからである。

例えば、各セグメント５０が径方向外側へ移動すると、それは「Ｄ」方向への動きの成分ももつ。セグメント５０が方向「Ｄ」へ移動すると、穴５５も同様に移動し、それによりカウンタウエイト６０も同様に移動する。各カウンタウエイト６０の「Ｄ」方向への僅かな動きは、各ノッチ６２のセグメント・ピン３０への押し付けを発生する。要するに、ノッチ６２とセグメント・ピン３０の間の接触は、各カウンタウエイト６０のノッチ６２におけるセグメント・ピン３０の周りの旋回、およびピン６１の周りの旋回を発生する。ピン３０との係合、それによるセグメント・ピン部材表面３１との係合は、各セグメント５０とカウンタウエイト６０をプーリ１００内の適正位置に保持する。この運動は更に、他のセグメントに対する各セグメントの適正なアライメントを維持するため、ガイド部材４０も途中まで回転する。

図１７は、完全に開いた状態における拡大可能プーリの側面図である。求心力の影響の下、各セグメント５０が径方向外側へと動くと、プーリの有効径が増大し、各セグメント間の隙間が拡大する。各セグメント５０の径方向外側への運動の限界は、各カウンタウエイトの部材７０との係合によって規定される。各ローブ６３は径方向内側に動き、そして増大する力を部材７０へ掛ける。最終的には、部材７０との接触は、カウンタウエイトの更なる内側への運動の全て停止し、これは同様に各セグメント５０の更なる外側への運動の全て停止する。

図１８は、拡大可能プーリの断面図である。拡大可能プーリ１００は、一般的には回転シャフト「Ｓ」に取り付けられる。シャフト「Ｓ」は、例えばモータあるいはエンジン（図示せず）に利用されるであろう補機から延出してもよい。補機には、オルタネータや、モータ・ジェネレータ、ウオーターポンプ、パワーステアリング・ポンプ、あるいは他の回転する補機が含まれる。プーリ１００は、ナット「Ｎ」を用いてシャフトＳのネジ付端部に確りと固定される。

図１９に示されるこのシステムの有効駆動比は、セグメント５０の外側への運動により生じる拡大可能プーリの有効径の変化によって変更可能である。

例えば、約６０ｍｍの「閉じた」直径をもつ拡大可能プーリは、約４０００ＲＰＭの運転速度において約６５ｍｍの直径まで拡大し得る。プーリの直径の増大は、プーリ、それによって補機シャフト（図１８、「Ｓ」参照）の回転速度を比率：
速度１×直径１＝速度２×直径２
で低下させる。
解：
速度２＝［（４０００ＲＰＭ）×６０ｍｍ］／６５ｍｍ
速度２＝３６９２ＲＰＭ

これは直径の増大に比例する補機回転速度の速度低下を表す。システムの回転速度が増大すると、これに比例する補機の速度低下が起こり得る。拡大可能プーリは、運転速度の広い範囲に対して適しており、例えば、約１４，０００ＲＰＭまで適応する。

この例は、単に例示の目的で提供されたもので、本発明のプーリの大きさ、実施形態、あるいは用途を限定することを意図したものではない。

図１９は、拡大可能プーリを使用したベルト伝動システムの概要図である。この例では、発明に係るプーリ１００はモータ／ジェネレータに連結されている。また、このシステムは、ベルトＢ、アイドラ、テンショナ、そしてクランクシャフトに取り付けられたプーリを備える。この例示されたシステムは、一般的なハイブリッド内燃機関において利用できる。発電モードでは、クランクシャフトがベルトＢを駆動する。始動モードでは、モータ／ジェネレータがベルトＢを駆動し、それによりクランクシャフトを回転し、それによりベルト伝動システムが取り付けられたエンジンを始動する原動機として利用される。

図２０は、セグメントシステムの力学的関係を示す模式図である。第１運転モードでは、拡大可能プーリのセグメント５０は、図１５に示されるように最も径方向内側に位置する。このモードでは、プーリは最小の直径を有する。各セグメント５０のスロット５３は、略ピン部材３０を中心に配置する。プーリが回転していても、ベルトによってプーリにトルクが掛からず、それ故、セグメント５０を径方向に対し垂直な方向に押し遣る救心力Ｆ_Ｃに垂直に作用する「トルク」力Ｔ_Ｂが存在しない。別の言い方をすると、力Ｔ_Ｂは、プーリの外周に対して各セグメント外面５４に実質的に接線方向に作用する。各カウンタウエイト６０は、力Ｆ_Ｃと略釣り合う力（Ｆ_ＣＷ）を作用し、そのため各セグメント５０は径方向外側へは動かない。更に、カウンタウエイト（Ｆ_ＣＷ）によって作用する力は、一度ベルトトルクが除かれると各セグメントを引っ込めるように作用する。

ベルトトルクが各セグメントに掛かるとき、救心力Ｆ_Ｃに実質的に垂直な力Ｔ_Ｂが作用する。横方向の力Ｔ_Ｂは、各セグメント５０のスロット５３が各ピン３０に沿って動くように働く。径方向外側の救心力Ｆ_Ｃと結び付けられたこのような横方向の運動は、カウンタウエイト（Ｆ_ＣＷ）によって働く力に打ち勝ち、各セグメント５０を径方向外側に向けて動かし、そしてこの運動はプーリの有効径を増大させる。ベルトは、同時に全てのセグメント５０には係合せず、同時に全てのセグメント５０にトルクを伝達しないが、１つのセグメントの如何なる動きも、ガイド部材４０により他のセグメント全てに等しく伝達される。それにより、１つのセグメントの運動は、全てのセグメントにおいても同様に行われる。

プーリは、トルクセンシティブであり、プーリの有効径がベルトにより各プーリ・セグメントに掛かるトルク力（Ｔ_Ｂ）によって変化することを意味する。

この例では、約４５度の角度（α）が、始動モードにおいて適正なベルト張力を与えるのに十分である。発電モードでは、セグメントは径方向内側に引っ込んでおり、その結果、プーリは最小の有効径を有する。各場合において、拡大可能プーリはモータ／ジェネレータに連結されている。

各セグメント５０（結果として全てのセグメント５０）の外側への運動を発生するのに必要な力ＦＣの強さは、説明された各々の構成部の滑動により発生する摩擦力と同様に、角度（α）の関数である（例えば図２１参照）。図２１は、スロット角の関数としての救心力のグラフである。

「始動モード」は、ベルトＢを駆動し、それによりエンジン・クランクシャフトを回転させることでＩＣエンジンを始動するモータ／ジェネレータのスタータとしての利用を指す。「発電モード」は、車両のバッテリシステム（図示せず）を再充電するモータ／ジェネレータのジェネレータとしての利用を指す。ジェネレータモードでは、モータ／ジェネレータは、ベルトＢを通してＩＣエンジン・クランクシャフトによって駆動される。

図２２は、図１７に示されるプーリの詳細図である。図は、セグメント５０、カウンタウエイト６０、セグメント・ピン部材３０、ガイド部材４１の組立体の全体的に示す。図２２は、セグメント・ピン部材３０がスロット５３の一端にあることから、セグメント５０が開かれた位置にあるときを示す。セグメント・ピン部材３０は、ノッチ６２とも係合して示される。部材４１の間の隙間４２は、各セグメント５０が径方向外側へ移動するときに、各セグメント５０が径方向に整列された状態を維持する役割を果たす。これは、プーリが「開く」にしたがって、各セグメント５０がそれぞれ隣合うセグメントから離れるからである。これにより、セグメント・ガイド４０は、各セグメントが外側へ移動し、それにより隣接するセグメントと接触しなくなるときに、適正な間隔とアライメントを保証する。

ここでは、本発明の１つ形態について説明されたが、当業者にとっては、ここで説明された本発明の趣旨と範囲を逸脱することなく、その構成や構成部の関係を様々に変形することは容易である。

Claims (10)

1. 複数の隣接するセグメントを備え、
   各セグメントが径方向に移動可能であり、
   各セグメントがピン部材と滑動自在に係合し、各セグメントが各ピン部材に沿って径方向に対して所定の角度（９０°−α）で傾けられられた方向に動けるように、各ピン部材が各セグメントと係合し、
   各セグメントを他のセグメントに対して空間的に配置するために各セグメントと係合する可動ガイド部材と、
   各セグメントに協動的に連結されるとともに各ピン部材と協働的に係合可能なカウンタウエイトとを備え、各カウンタウエイトがセグメントを径方向外側に押し遣る力に対抗する力を発生し、
   各ピン部材がハブに連結される
   ことを特徴とする拡大可能プーリ。
2. 各セグメントが前記ピン部材に係合するスロットを備えることを特徴とする請求項１に記載の拡大可能プーリ。
3. 各カウンタウエイトが各セグメントに旋回可能に連結されることを特徴とする請求項１〜２の何れか一項に記載の拡大可能プーリ。
4. 各カウンタウエイトと係合可能な弾性ストップ部材を更に備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の拡大可能プーリ。
5. 前記スロットが接線方向に対して角度（α）で設けられることを特徴とする請求項２に記載の拡大可能プーリ。
6. エンジン補機に連結された拡大可能プーリを備え、
   前記拡大可能プーリが、
   複数の隣接するセグメントを備え、
   各セグメントが径方向に移動可能であり、
   各セグメントがピン部材と滑動自在に係合し、各セグメントが各ピン部材に沿って径方向に対して所定の角度（９０°−α）で傾けられられた方向に動けるように、各ピン部材が各セグメントと係合し、
   各セグメントを他の全てのセグメントに対して空間的に配置するために各セグメントと係合する可動ガイド部材と、
   各セグメントに協動的に連結されるとともに各ピン部材と協働的に係合可能なカウンタウエイトとを備え、
   各カウンタウエイトがセグメントを径方向外側に押し遣る力に対抗する力を発生し、
   各ピン部材がハブに連結され、
   更に、原動プーリと、
   前記原動プーリと前記拡大可能プーリに掛け回されるベルトと
   を備えることを特徴とするベルト伝動システム。
7. 前記エンジン補機にモータ／ジェネレータが含まれることを特徴とする請求項６に記載のベルト伝動システム。
8. 前記原動プーリがエンジン・クランクシャフトに連結されていることを特徴とする請求項６〜７の何れか一項に記載のベルト伝動システム。
9. 前記ベルトに係合されるテンショナを更に備えることを特徴とする請求項６〜８の何れか一項に記載のベルト伝動システム。
10. 前記拡大可能プーリがマルチリブ形状を呈することを特徴とする請求項６〜９の何れか一項に記載のベルト伝動システム。

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