JP2965921B2 - クラッチハブおよび車両用変速機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両用の変速機に
あって変速比をスムーズに変えるためのシンクロナイザ
ーのクラッチハブ、およびそれを組み込んだ変速機に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車用の変速機は、一般的には図４の
ように構成されている。すなわち、入力軸２と出力軸４
とが相対回転自在に配置（図の例では両者が同心上に配
置）されるとともに、カウンターシャフト３が、インプ
ットギヤ５を介し入力軸２と接続されて配置され、ま
た、出力軸４上に回転自在に設けられた複数のギヤ７
が、カウンターシャフト３上に固定された複数のギヤ６
とそれぞれ噛み合っている。入力軸２の回転は、インプ
ットギヤ５を介してカウンターシャフト３に伝わり、同
シャフト３における各ギヤ６から出力軸４上の各ギヤ７
に伝達されるわけである。出力軸４上でこのように回転
している複数のギヤ７のうちからいずれかを選択して出
力軸４と結合させることにより、入力軸２から出力軸４
まで、特定の変速比で回転が伝わることになる。

【０００３】出力軸４とその上に設けられている各ギヤ
７との間には、シンクロナイザー１０が配置されてい
る。図４の例では、それぞれのギヤ７にクラッチギヤ２
１が一体回転可能に配設されているほか、二つのクラッ
チギヤ２１ごとに一つのシンクロナイザー１０が設けら
れている。シンクロナイザー１０は、上記のようにいず
れかのギヤ７（したがってクラッチギヤ２１）と出力軸
４とを噛み合わせる手段であるが、その噛み合わせに先
だって摩擦力により両者を同期させ、それによって変速
をスムーズに行わせるという作用を有する。

【０００４】シンクロナイザー１０は、図２のような構
造部分を含んでいる。すなわち、出力軸４の上にスプラ
イン１３を介してクラッチハブ１１が取り付けられ、そ
のクラッチハブ１１の外周に、やはりスプライン１２を
介してスリーブ１６が設けられている。このスリーブ１
６を、図４に示されるようなシフトフォーク８等によっ
て軸４の長手方向（軸長方向）にスライドさせ、スリー
ブ１６の内周のスプライン１７（図２）を隣接のクラッ
チギヤ２１とクラッチハブ１１（スプライン１２）との
両方に噛み合わせると、クラッチギヤ２１と一体回転す
るギヤ７とクラッチハブ１１とが連結され、ギヤ７から
クラッチハブ１１を介して出力軸４への動力伝達が実現
する。

【０００５】ギヤ７と出力軸４とを摩擦力で同期させる
ためには、図２に示すようにクラッチハブ１１とスリー
ブ１６の間に複数個のインサート（キー）１８が設けら
れ、その両側（図２(ｂ)における左右）にシンクロナイ
ザーリング２２（図４参照）が配置されている。インサ
ート１８は、クラッチハブ１１の外周部に形成された軸
長方向の溝１４のうちに配置され、内側からスプリング
１９で外方へ押され、スリーブ１６の内周のスプライン
１７の中央部に設けた凹部１６ａと係合しているため、
スリーブ１６の軸長方向の動きに連れてインサート１８
も軸長方向へ移動することができる。軸長方向にスリー
ブ１６が移動すると、インサート１８の端面およびスリ
ーブ１６のスプライン１７の端面が順にシンクロナイザ
ーリング２２を軸長方向に押してシンクロナイザーリン
グ２２とクラッチギヤ２１との間に摩擦力を発生させ、
シンクロナイザーリング２２（したがってスリーブ１６
および出力軸４）の回転速度とクラッチギヤ２１（した
がってギヤ７）の回転速度とを同期させるのである。こ
うして速度を合わせたのちにスリーブ１６がクラッチギ
ヤ２１と噛み合うため、変速がスムーズに行われること
になる。

【０００６】図４のような変速機においては、軸２・３
・４やギヤ６・７のような主要な動力伝達部材だけでな
く、クラッチハブ１１やスリーブ１６などシンクロナイ
ザー１０の部材にも鉄系の材料が使用されている。鉄系
の材料は、化学成分と熱処理とを適切に選ぶことによっ
て引張強さや表面硬さ、耐摩耗性などを高くすることが
でき、すぐれた耐用性を発揮するからである。クラッチ
ハブ１１について言えば、たとえばa)炭素鋼鍛造品（Ｓ
Ｃ材）を材料として必要箇所に部分高周波焼入または軟
窒化処理を施す、b)肌焼鋼を材料として浸炭焼入を施
す、または、c)鉄系の焼結合金に部分高周波焼入または
浸炭焼入を施す、といった材料的選択がなされている。

【発明が解決しようとする課題】ところが、近年、車両
の重量を削減し燃費を改善しようとする要望が強く、変
速機についても軽量化が必要となっている。そのため、
車両用変速機の機能部品であるシンクロナイザーについ
ても軽量化の要望が強く、シンクロナイザー部品のう
ち、強度部品ではあるが比較的重量のあるクラッチハブ
の軽量化をはかり、変速機の重量を大幅に削減すること
が課題となっている。ところが、クラッチハブはシンク
ロナイザーリングのトルク容量の関係から外径を小さく
できないことや、スリーブの移動量の関係から幅も制限
されること等から、形状変更による大幅な重量減を達成
することは困難な状況にある。

【０００７】本発明は上述のような背景のもとになされ
たもので、鉄系部品で作られた従来のクラッチハブは、
通常、軸またはスリーブとの結合部であるスプラインの
耐面圧強度により最大トルクの伝達容量（能力）が制限
され、スプラインの歯元強度などには強度的に若干の余
裕があることに着目し、スプラインの耐面圧強度と歯元
強度等とのバランスをとることにより、クラッチハブの
材質を軽量なアルミニウム合金（アルミ合金）とするこ
とを可能とし、軽量な変速機を提供しようとするもので
ある。

【０００８】なお、実開昭５７−１０５４３２号公報や
特開昭５９−１９０１５７号公報には、シンクロナイザ
ー部品の一つであるシンクロナイザーリングをアルミ合
金によって形成する旨が記載されているが、それら公報
に記載の技術が目的とするところは、軽量化により慣性
量を減少してアイドリング時の騒音低減をはかろうとす
るもので、重量の低減量もわずかであるため、本発明が
課題とする上記の点を解決しようとするものではない。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、前記のように内周および外周にそれぞれ軸およびス
リーブと結合するスプラインを有していて、車両用変速
機のシンクロナイザーに組み込まれて軸とスリーブとの
間で動力伝達をするクラッチハブについて、それを高力
アルミニウム合金の展伸材にて形成するとともに、当該
材料を加工硬化させ、少なくとも上記各スプラインの表
面に硬質アルマイト処理を施していることを特徴とす
る。なお高力アルミニウム合金とは、引張強さが４０ｋ
ｇｆ／ｍｍ²程度以上のアルミニウム展伸材またはアル
ミニウム鋳物材をいう。

【００１０】シンクロナイザーに組み込まれるクラッチ
ハブは、その内外周に設けられたスプラインを介してギ
ヤから出力軸へ回転トルクを伝達するが、その伝達可能
な負荷は主としてスプラインの歯面の耐面圧強度と歯元
の曲げ強度に左右され、両者の強度がバランスしている
ことが望ましい。

【００１１】請求項１の発明は、クラッチハブの材質と
してアルミニウムを含有する軽量な合金を用いることに
より、クラッチハブに関して必要な機械的強度と望まし
い軽量化とを同時にもたらすものである。アルミニウム
やそれを含む合金は軽量であるものの一般的には鉄系材
料ほどの引張強度や硬さを有しないが、この発明にこう
した作用があるのは、アルミ材としては比較的強度の
高い高力アルミニウム合金をとくに選択して材料とした
ことにより、部品全体において引張強度が高いこと、ま
た、加工硬化によっても強度が向上していること、各
スプラインの表面等に硬質アルマイト処理を施している
ため、表面が硬化していること−による。このはす
なわち、各スプラインの表面に硬質アルマイト処理を施
すことにより、鉄系材料の表面を高周波焼入したものと
ほぼ同等のスプラインの耐面圧強度を確保できることを
意味する。歯元強度など鉄系材料で比較的余力のある点
については、材料強度の高い高力アルミ合金を使用する
ことにより対応し、その一方、耐面圧強度については
のとおりの処理をし、それらによって、クラッチハブと
しての強度バランスをとり得るわけである。したがっ
て、鉄系材料なみのトルク伝達能力を発揮する軽量なク
ラッチハブを提供できることになる。そしてクラッチハ
ブは、図４のように車両用変速機のうちに複数組み込ま
れていて、それぞれがかなりの重量を有するため、これ
を鉄系材料からアルミニウム合金に変えることによって
変速機は相当に軽量化される。

【００１２】請求項２に記載のクラッチハブは、高力ア
ルミニウム合金の鋳物材にて形成するとともに、少なく
とも内・外周の各スプラインの表面に対し、鋳肌面を除
去したうえで硬質アルマイト処理を施していることを特
徴とする。

【００１３】この請求項２のクラッチハブは、高力アル
ミ合金として、比較的材料強度が低いが低コスト化が可
能な鋳造アルミ材を使用するものである。硬質アルマイ
ト処理層の厚さ（皮膜厚さ）は、鋳造面に対しては１０
〜３０μｍ程度にしか達しないため、鋳肌面を除去した
うえで当該処理を行う。

【００１４】

【００１５】

【００１６】請求項３に記載の車両用変速機は、請求項
１または２のクラッチハブをシンクロナイザーのうちに
組み込んだものである。

【００１７】請求項１または２に記載のクラッチハブは
いずれもアルミニウム合金によって形成されており、鉄
系材料からなる従来のものを大幅に軽量化したものであ
るため、そのようなクラッチハブを組み込んだ変速機に
おいても相当の軽量化が達成される。請求項１または２
のクラッチハブのほか、前掲の公報に記載されているア
ルミニウム合金製のシンクロナイザーリングや、そのほ
かにも機械的負荷の高くない部材（たとえばシフトフォ
ーク（図４における符号８））等を同様にアルミニウム
合金製にして変速機に組み込むのもよい。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１および図２に、発明の実施に
ついての一形態を紹介する。図１はクラッチハブ１１の
正面図（図１(ａ)）および縦断面図（図１(ｂ)）、また
図２は、そのクラッチハブ１１を組み込んだシンクロナ
イザー１０の正面図（図２(ａ)）および縦断面図（図２
(ｂ)）である。クラッチハブ１１も、それを含むシンク
ロナイザー１０も、図４に示した車両用変速機１（前
述）のうちに内蔵されるものである。

【００１９】前述したように、シンクロナイザー１０は
図２に示す構造部分を含んでいる。すなわち、出力軸４
の上にスプライン１３を介してクラッチハブ１１が取り
付けられ、そのクラッチハブ１１の外周に、やはりスプ
ライン１２を介してスリーブ１６が設けられている。ス
プライン１３とスプライン１２とは、クラッチハブ１１
の内周および外周に一体に形成されたものである（図１
参照）。また、クラッチハブ１１の外周部三箇所には軸
長方向に溝１４が形成されていて、各溝１４内にインサ
ート１８が配置され、そのインサート１８は、円弧状の
スプリング１９で内側から外方へ押されることによりス
リーブ１６の内周のスプライン１７上の凹部１６ａと係
合している。

【００２０】発明者は、このようなシンクロナイザー１
０について軽量化をはかるべく、それに組み込まれてい
るクラッチハブ１１をアルミニウム合金によって形成し
た。ただし、アルミ合金製とするにあたっては、クラッ
チハブ１１が必要な強度を満たすように、引張強さの高
いいわゆる高力アルミ合金を材料として成形後に全表面
に硬質アルマイト処理を施すとともに、図１のような形
状的特徴を付与するなど、種々の工夫を施している。詳
しく述べるとつぎのとおりである。

【００２１】まず、素材として高力アルミ合金展伸材を
選択し、これに所定の加工等を加えてクラッチハブ１１
を成形している。具体的には、 ＪＩＳに規定される２０００系（熱処理型のＡｌ−
Ｃｕ合金）、５０００系（非熱処理型のＡｌ−Ｍｇ合
金）、または７０００系（熱処理型のＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ
合金）のアルミ合金を材料とする。具体的にはＡ２０１
４−Ｔ６、Ａ２０１７−Ｔ４、Ａ２０２４−Ｔ３６（以
上２０００系）、Ａ５０５６−Ｈ１８（５０００系）、
またはＡ７０７５−Ｔ６（７０００系）などが適当であ
る。

【００２２】 これらの素材を冷間引抜きまたは冷間
押出しすることによって、外・内周のスプライン１２・
１３を含むパイプ状の物を成形したうえ、所定の長さに
切断し、さらに切削加工によって端面を仕上げる。イン
サート１８用の溝１４は、引抜きや押出しの際に形成し
てもよく、また仕上げの際に切削加工してもよい。引抜
きや押出しに代えて、精密冷間鍛造によりスプライン１
２・１３や溝１４等を成形するのもよい。引抜きや押出
し・精密冷間鍛造等によって、わずかな切削加工で足り
る程度にまでクラッチハブ１１の形状が定まるうえ、材
料が加工硬化して強度が向上するといった効果がもたら
される。

【００２３】 ２０００系や７０００系の熱処理型合
金を材料とする場合には、上記による成形または温間
押出しもしくは温間プレスによる成形をしたのち必要な
切削加工をし、さらに所定の熱処理をする。熱処理を加
えると、強度はさらに向上することになる。

【００２４】 以上によってクラッチハブ１１を成形
等し終わったのち、全表面に対して硬質アルマイト処理
を施す。硬質アルマイト処理とは、硫酸やしゅう酸等の
浴中に材料を浸けることによりその材料の表面に硬質陽
極酸化皮膜を形成する公知の処理である。皮膜の厚さは
３０μｍ以上、望ましくは５０μｍ以上とし、スプライ
ン１２・１３の表面硬度についてはｍＨｖ（ビッカース
硬さ）が５００以上になるようにする。なお硬質アルマ
イト処理は、クラッチハブの全面にではなく、表面硬度
が必要なスプライン部のみに施すのもよい。

【００２５】一方、クラッチハブ１１に必要な機械的強
度を形状面から補うため、スプライン１２・１３の歯や
溝１４などを図１(ａ)・(ｂ)のように形成している。す
なわち、イ ) 外周および内周のスプライン１２・１３をインボリ
ュートスプラインにするとともに、それぞれの圧力角α
およびβを、クラッチハブが鉄製の場合の通常の圧力角
（図１中に仮想線にて示すα’およびβ’）である２０
°よりも大きい３５°としている。スプライン１２・１
３はこのように大きい圧力角をもつインボリュートスプ
ラインであり、歯先に比べて歯元が厚い（歯元の厚さ
は、圧力角が２０°の場合よりも１〜２割増大する）た
め、トルクを伝達の際にスプライン歯が受ける曲げ力に
対して強度が高いといえる。したがって、クラッチハブ
として最も強度が必要とされるスプラインの歯元の強度
が補強でき、クラッチハブのアルミ化に関してとくに効
果的に作用する。

【００２６】ロ) インサート１８を配置するための前記
の溝１４について、図１(ａ)に示す隅の丸みの半径Ｒ１
を、従来刃具成形上好都合な０．２ｍｍ程度としていた
が、それよりもかなり大きい１．５ｍｍ（またはそれ以
上）とした。これにより、その隅における応力集中係数
は従来（約３．７）の半分以下（約１．７）になる。こ
の隅は、クラッチハブ１１が動力伝達する際に応力が集
中しがちであり、強度的に最も厳しい部分の一つであっ
たが、このように半径Ｒ１を大きくして応力集中係数を
下げたことにより周辺の最大応力が小さくなって、クラ
ッチハブ１１の実質的な強度が向上することになり、ク
ラッチハブ１１のアルミ化に関してとくに効果が大き
い。

【００２７】ハ) 図１(ｂ)に示すクラッチハブ１１のウ
ェブ部１１ａの幅Ｂを、クラッチハブが鉄製である場合
に比べて３割程度以上増す（クラッチハブの大きさをと
くに増加しない範囲）とともに、リム部１１ｂおよびボ
ス部１１ｃがウェブ部１１ａとの間で形成する隅の丸み
Ｒ２についても、半径を従来（０．８ｍｍ）よりも大き
い１．５ｍｍとした。幅Ｂを増すことによりウェブ部に
生じる平均応力を小さくし、また半径Ｒ２を大きくして
その付近の応力集中係数を下げることにより最大応力も
小さくしたので、クラッチハブの本体部分（ウェブ・リ
ム・ボス等）を強化でき、クラッチハブのアルミ化を一
層容易にした。

【００２８】以上のように材料的および形状的な工夫を
施したことにより、クラッチハブ１１として、鉄製の場
合よりも大幅に軽量なアルミニウム合金製のものを、鉄
製のものに比べてほぼ同等の大きさで形成することがで
きた。鉄の比重（約７．８）に対する上記アルミ合金の
比重（約２．８）がかなり小さいことから、このクラッ
チハブ１１を内蔵したシンクロナイザー１０、ならびに
それを３組含む図４の変速機１は、相当に軽量化される
ことになる。

【００２９】なお、上記では素材として展伸材を採用し
たが、クラッチハブ１１の使用条件等によっては、高力
アルミニウム合金の鋳物材を採用するのもよい。使用中
の負荷が大きくないために従来も焼結合金や鋼の生材
（表面硬化処理しない材料）を素材としているクラッチ
ハブに対しては、そのようなアルミ鋳物材を採用するこ
とも可能である。ただし、気孔や引け巣を減らして凝固
組織を微細化できる溶湯鍛造や無孔性ダイカストによっ
て成形し、そののちバリ取り程度の仕上げ加工を施して
製品としたうえ、熱処理を加えて母材強度の向上を図る
−といった工程を経ることにより、引張強さを４０ｋｇ
ｆ／ｍｍ² 程度以上にすべきである。また、上述した硬
質アルマイト処理は、この場合にも製品の表面に施すべ
きである。同処理層の厚さ（皮膜厚さ）は、鋳造面に対
しては１０〜３０μｍ程度にしか達しないため、スプラ
イン１２・１３の歯面等については、３０μｍ以上の厚
さを確保すべく鋳肌面を０．４ｍｍ程度除去したうえで
当該処理を行う。このように鋳物材を用いる場合にも、
そのクラッチハブ１１に対し、上記イ)・ロ)・ハ)に示した
形状的工夫を加えるのが好ましいことは言うまでもな
い。

【００３０】図３には、発明の実施についての別の形態
を示している。図１に示す上記のクラッチハブ１１の場
合、インサート１８用の溝１４の両隣の歯１２’は溝１
４のためスプライン歯が不完全となる。そのため、負荷
の大きさや材料の強度によっては上述の対応だけでは不
十分で、不完全歯が破損したり、あるいは変形してイン
サート１８やスリーブ１６の作動がスムーズでなくなっ
たりするなど、不具合を生じる場合がある。そこでこの
クラッチハブ３１には、上述した対応のほか、以下のよ
うな工夫を加えている。すなわち、図３に示すごとく、
スプライン３２のうちインサート挿入用の上記の溝３４
の両隣において、その溝３４のために本来は歯厚が不完
全になる歯（図３(ａ)の引出し図に仮想線で示す歯）３
２’を、隣接の歯に対して歯みぞを介さぬよう一体に形
成したのである。溝３４の形成のために切除されて歯厚
が不完全になるはずの歯３２’がそのまま存在すると、
その歯３２’の歯元強度の不足がネックとなって高負荷
への耐用性を発揮できないため、その歯３２’を隣接の
歯と一体化して歯元強度を高めたのである。なお、この
ような外周のスプライン３２と噛み合うスリーブ（図示
せず）のスプライン（同）においては、該当部分に歯み
ぞを連続させて形成する。

【００３１】

【発明の効果】請求項１に記載のクラッチハブは、アル
ミニウム合金製であり軽いことから、それが組み込まれ
るシンクロナイザーおよび車両用変速機を軽量化するこ
とに役だち、ひいては車両の低燃費化・省エネルギーに
寄与する。このクラッチハブの慣性モーメントは鉄製の
ものよりも当然に小さいので、車両の加・減速のレスポ
ンスを向上させる効果も生じる。なおこのクラッチハブ
は、アルミニウム合金製であるとはいえ必要な機械的強
度を発揮することができる。

【００３２】アルミニウム合金製であるため、このクラ
ッチハブは引抜きや押出し・精密冷間プレス等によって
ほとんどの成形を完了することができ、その後のわずか
な切削加工等によって形状を仕上げることができる（し
かもその仕上げ加工も容易である）。したがって、鉄製
である場合よりも製造が簡単である。

【００３３】請求項２のクラッチハブは、鋳造アルミ材
を使用するものであるから低コスト化が可能である。ま
た硬質アルマイト処理層の厚さ（皮膜厚さ）は、鋳造面
に対しては１０〜３０μｍ程度にしか達しないため、鋳
肌面を除去したうえで当該処理を行うのである。

【００３４】

【００３５】請求項３に記載の車両用変速機は、上記の
ようなアルミニウム合金製の軽量なクラッチハブを組み
込んだものであるため、相当に軽く、したがって車両の
軽量化・低燃費化に貢献する。請求項１について記載し
たように、車両の加・減速レスポンスを向上させる効果
もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施についての一形態を示す図で、図１
(ａ)はクラッチハブ１１の正面図、同(ｂ)はその縦断面
図である。

【図２】図１のクラッチハブ１１を組み込んだシンクロ
ナイザー１０についての正面図（図２(ａ)）および縦断
面図（図２(ｂ)）である。図２(ｂ)は、図４におけるII
部の要部に相当する。

【図３】図１および図２とは別の実施形態であるクラッ
チハブ３１を示す正面図（図３(ａ)）および縦断面図
（図３(ｂ)）である。

【図４】クラッチハブ１１やそれを含むシンクロナイザ
ー１０などを内蔵した一般的な車両用変速機１の縦断面
図である。

【符号の説明】

１ 車両用変速機 ４ 出力軸 １０ シンクロナイザー １１・３１ クラッチハブ １２・１３・３２・３３ スプライン １４・３４ 溝 １６ スリーブ α 圧力角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16D 23/06 F16H 55/00 - 55/30 F16D 1/02,1/06

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車両用変速機のシンクロナイザーに組み
   込まれて軸とスリーブとの間で動力伝達をすべく、当該
   軸およびスリーブと結合するスプラインを内周および外
   周にそれぞれ有するクラッチハブであって、 高力アルミニウム合金の展伸材にて形成され、当該材料
   が加工硬化させられ、少なくとも上記各スプラインの表
   面が硬質アルマイト処理を施されていることを特徴とす
   るクラッチハブ。
2. 【請求項２】 車両用変速機のシンクロナイザーに組み
   込まれて軸とスリーブとの間で動力伝達をすべく、当該
   軸およびスリーブと結合するスプラインを内周および外
   周にそれぞれ有するクラッチハブであって、 高力アルミニウム合金の鋳物材にて形成され、少なくと
   も上記各スプラインの表面が、鋳肌面を除去されたうえ
   硬質アルマイト処理を施されていることを特徴とするク
   ラッチハブ。
3. 【請求項３】 請求項１または２のクラッチハブがシン
   クロナイザーに組み込まれていることを特徴とする車両
   用変速機。