JP5951215B2 - クラッチ装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転部材間のトルク伝達又は回転部材の制動を制御するための電磁クラッチに使用して好適なクラッチ装置に関する。

従来、電磁コイルの励磁によって制御されるクラッチによって回転部材の回転を規制するブレーキ機構が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載のブレーキ機構は、回転部材によって回転するカム部材と、カム部材に対向配置されたクラッチ板と、カム部材とクラッチ板との間に介在するカムボールと、クラッチ板に摩擦トルクを発生させるアクチュエータと、アクチュエータからクラッチ板を離間させる付勢力を発生するリターンスプリングとを備えている。また、アクチュエータは、電磁コイルと、電磁コイルを収容する吸引部と、吸引部に形成されてクラッチ板と摩擦接触する摩擦部とを含んで構成されている。

そして、回転部材の回転時に電磁コイルを励磁して、その電磁力によってクラッチ板を摩擦部に接触させると、カム部材とクラッチ板との間に差動回転が発生し、この差動回転によってカムボールによるカム推力が発生する。このカム推力によって、クラッチ板が摩擦部により強く押し付けられ、クラッチ板と摩擦部との間の摩擦力がさらに増大する。これによりブレーキ機構がセルフロック状態となり、その後電磁コイルへの励磁を停止しても、クラッチ板と摩擦部との接触状態が維持される。すなわち、このブレーキ機構はセルフロッククラッチとして構成されている。

このようなセルフロッククラッチでは、振動等の何らかの要因により誤ってセルフロックする誤ロック状態となると、回転部材に作用するトルクが所定値よりも小さくならない限り誤ロック状態が解除されなくなるので、何らかのフェールセーフ動作が必要となる。例えば特許文献１に記載のハイブリッド車両では、誤ロック状態が発生した際に、エンジンへの燃料供給を停止すると共に制動装置を制御して車両を減速させるように構成されている。

特開２０１０−２０８５８４号公報

ところで、上記のような誤ロック状態の発生を防止するためには、例えばリターンスプリングの付勢力を大きくし、この付勢力によってセルフロック状態を解除することが考えられる。しかし、リターンスプリングの付勢力を大きくすると、それに応じてクラッチを作動させるために大きな電磁力が必要となるため、電磁コイルの大型化もしくは消費電力の増大を招来する。また、回転部材に作用するトルクの大きさによっては、リターンスプリングの付勢力によってもセルフロック状態を解除することができない場合が生じ得る。

そこで、本発明は、セルフロック状態の発生を防止することが可能なクラッチ装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、（１）〜（３）のクラッチ装置を提供する。

（１）回転部材との相対回転が可能な摩擦係合部材、及び前記摩擦係合部材から離間する方向の復帰力が復帰用スプリングによって付与されたクラッチ部材を有するクラッチ機構と、前記クラッチ機構に前記回転部材の回転軸線に沿って並列し、前記回転部材に対して回転不能なカム部材、及び前記カム部材と前記クラッチ部材との間に介在するカム面を転動可能なカムフォロアを有するカム機構とを備え、前記カム機構は、その作動による推力及び前記摩擦係合部材側への摩擦係合に伴う反力をＦ、前記クラッチ部材の前記摩擦係合部材側の摩擦面に対する静止摩擦係数をμ _ｍ 、前記カムフォロアの前記クラッチ部材に対する転がり摩擦係数をμ _ｃ 、前記クラッチ部材の等価摩擦円半径をｒ _ｍ 、前記カムフォロアの作用半径をｒ _ｃ とすると、前記カム面のカム角θがμ _ｍ ×ｒ _ｍ ×Ｆ＜Ｆ×ｒ _ｃ ×（ｓｉｎθ−μ _ｃ ｃｏｓθ）／（ｃｏｓθ＋μ _ｃ ｓｉｎθ）を満足する角度に設定されているクラッチ装置。

（２）上記（１）に記載のクラッチ装置において、前記カム機構は、前記カム面のカム角θが０＜μ_ｃ≦０．０２として設定されている。

（３）上記（１）又は（２）に記載のクラッチ装置において、前記クラッチ機構は、前記摩擦係合部材としてのコイルハウジング、前記コイルハウジング内に収容された電磁コイル、及び前記クラッチ部材としてのアーマチャを有する出力機構からなる。

本発明によると、セルフロック状態の発生を防止することが可能となる。

本発明の実施の形態に係るクラッチ装置としての電磁クラッチの駆動状態を示す断面図。 本発明の実施の形態に係るクラッチ装置としての電磁クラッチの非駆動状態を示す断面図。 本発明の実施の形態に係るクラッチ装置としての電磁クラッチにおけるカムフォロアの転がり摩擦力の発生状態を説明するために示す断面図。 図３のＡ矢視図。 図３及び図４において、所望のカム角を設定する条件式を導き出すために模式化して示す断面図。

[実施の形態]
以下、本発明の実施の形態に係るクラッチ装置としての電磁クラッチについて、図面を参照しながら詳細に説明する。

（電磁クラッチの全体構成）
図１は電磁クラッチの駆動状態を示す。図２は電磁クラッチの非駆動状態を示す。図１及び図２に示すように、電磁クラッチ１は、入力軸（図示せず）と共に回転する回転部材２と、この回転部材２の回転軸線Ｏ上に配置されたクラッチ機構としての出力機構３と、この出力機構３の出力による作動によって回転部材２からの回転力を回転軸線Ｏ方向の推力に変換するカム機構４とから大略構成されている。

そして、電磁クラッチ１は、非回転部材としてのケーシング６に対し回転部材２を制動するためのブレーキ装置として機能し、例えば遊星歯車機構（図示せず）によるトルク伝達経路を切り替える場合等に用いられる。ケーシング６には、その内面に開口する軸孔６ａが設けられている。

（回転部材２の構成）
回転部材２は、各外径を互いに異にする大小２つの胴部２ａ，２ｂを有する中実の丸軸からなり、電動モータ（図示せず）のモータ軸（入力軸）に減速歯車機構（図示せず）を介して連結され、かつケーシング６の軸孔６ａ（一方のみ図示）に軸受７を介して回転可能に支持されている。

そして、回転部材２は、電動モータの駆動によって入力軸と共に回転するように構成されている。

大径の胴部２ａは、ストレートスプライン嵌合部２０ａを有し、回転部材２の一方側（電動モータ側）に配置されている。小径の胴部２ｂは、回転部材２の他方側（ケーシング６側）に配置され、かつ大径の胴部２ａに連設されている。

（出力機構３の構成）
出力機構３は、回転部材２との相対回転が可能な摩擦係合部材としてのコイルハウジング３１、このコイルハウジング３１内で電磁力を発生させる電磁コイル３２、及びこの電磁コイル３２への通電によって移動するクラッチ部材としてのアーマチャ３３を有し、回転部材２の外周囲に配置されている。

そして、出力機構３は、電磁コイル３２でコイルハウジング３１に対する押圧力Ｐ_１となる電磁力を発生させてアーマチャ３３に対する移動力を出力するように構成されている。

コイルハウジング３１は、ヨークとしてのコイルホルダ３１０及び内フランジ３１１を有し、ケーシング６に締結ボルト８によって固定され、全体が回転部材２を挿通させる環状部材によって形成されている。

コイルホルダ３１０には、アーマチャ３３側に開口する環状のコイル収容部３１０ａを有し、コイルハウジング３１の外周側に配置されている。コイルホルダ３１０には、アーマチャ３３のコイルハウジング３１側端面を指向する摩擦面３１０ｂが設けられている。

内フランジ３１１は、コイルハウジング３１の内周側に配置され、かつコイルホルダ３１０の内周面に一体に形成されている。

電磁コイル３２は、アーマチャ３３に対向し、コイルハウジング３１のコイル収容部３１０ａに収容され、かつ止め輪９によって抜け止めされている。そして、電磁コイル３２は、通電によってアーマチャ３３及びコイルハウジング３１等に跨って磁気回路Ｍを形成するように構成されている。

アーマチャ３３は、コイルハウジング３１の摩擦面３１０ｂに対向する摩擦面３３ａを有し、出力機構３のカム機構４側で回転部材２に相対回転可能かつ相対移動可能に配置され、全体が回転部材２を挿通させる環状部材によって形成されている。

そして、アーマチャ３３は、出力機構３の出力による軸線方向の移動によって摩擦面３３ａがコイルハウジング３１の摩擦面３１０ｂに押圧力Ｐ_１で摩擦係合するように構成されている。

また、アーマチャ３３は、出力機構３のコイルハウジング側端面とは反対側の端面に開口するカム溝３３０を有し、コントロールカム４１及びカムフォロア４２（共に後述）と共にカム機構４の構成部品として機能し、カム機構４の作動によるカム作用によって摩擦面３３ａがコイルハウジング３１の摩擦面３１０ｂに押圧力Ｐ_１よりも大きい押圧力Ｐ_２（Ｐ_１＜Ｐ_２）で摩擦係合するように構成されている。カム溝３３０は、アーマチャ３３の円周方向に沿って軸線方向の深さが変化する凹溝によって形成されている。

アーマチャ３３には、復帰用スプリング１０によって電磁コイル３２から離間する方向の復帰力が常時付与されている。復帰用スプリング１０は、例えば皿ばねからなり、コイルハウジング３１（内フランジ３１１）上の軸受１１とアーマチャ３３との間に介在して回転部材２の外周囲に配置されている。

（カム機構４の構成）
カム機構４は、カム部材としてのコントロールカム４１、このコントロールカム４１とアーマチャ３３との間に介在するカムフォロア４２を有し、回転部材２の外周囲に配置されている。

コントロールカム４１は、回転部材２のストレートスプライン嵌合部２０ａに対応するストレートスプライン嵌合部４１ａを有し、カム機構４の電動モータ側で回転部材２における大径の胴部２ａに相対回転不能かつ相対移動可能に配置され、かつ止め輪１２によって軸線一方向（電動モータ側）への移動が規制されている。

コントロールカム４１には、カムフォロア４２側に開口するカム溝４１０が設けられている。カム溝４１０は、コントロールカム４１の円周方向に沿って軸線方向の深さが変化する凹溝によって形成されている。

カムフォロア４２は、球状部材からなり、コントロールカム４１のカム溝４１０とアーマチャ３３のカム溝３３０との間に介在して転動可能に配置され、かつリテーナ１３によって保持されている。リテーナ１３には、カムフォロア４２を転動可能に保持するボール保持孔１３ａが設けられている。

次に、アーマチャ３３のカム溝３３０及びコントロールカム４１のカム溝４１０につき、図３及び図４を用いて説明する。図３はカム機構の作動状態を示す。図４はアーマチャとコントロールカムの各カム溝を示す。図３及び図４に示すように、カム溝３３０は、アーマチャ３３の軸線方向の深さが最も大きい円周方向中央部ａから円周方向端部ｂ，ｃに向かって漸次小さくなる凹溝からなり、その溝底が円周方向中央部ａと円周方向端部ｂとの間に及び円周方向中央部ａと円周方向端部ｃとの間にそれぞれ介在するカム面３３０ａ，３３０ｂで形成されている。

カム溝３３０の円周方向中央部ａには、電磁コイル３２の非通電状態においてカムフォロア４２が配置される。カム溝３３０の円周方向中央部ａと円周方向端部ｂとの間でコントロールカム４１をアーマチャ３３に対して矢印Ｒ_１方向に相対回転させた場合に、またカム溝３３０の円周方向中央部ａと円周方向端部ｃとの間でコントロールカム４１をアーマチャ３３に対して矢印Ｒ_２方向に相対回転させた場合にそれぞれカムフォロア４２が転動し、アーマチャ３３に捩り力Ｆｃが作用する。

カム面３３０ａ，３３０ｂは、円周方向中央部ａから円周方向端部ｂ，ｃに向かって上るカム角θをもつ傾斜面で形成されている。

同様に、カム溝４１０は、コントロールカム４１の軸線方向の深さが最も大きい円周方向中央部ａから円周方向端部ｂ，ｃに向かって漸次小さくなる凹溝からなり、その溝底が円周方向中央部ａと円周方向端部ｂとの間に及び円周方向中央部ａと円周方向端部ｃとの間にそれぞれ介在するカム面４１０ａ，４１０ｂで形成されている。

カム溝４１０の円周方向中央部ａには、電磁コイル３２の非通電状態においてカムフォロア４２が配置される。カム溝４１０の円周方向中央部ａと円周方向端部ｂとの間でコントロールカム４１をアーマチャ３３に対して矢印Ｒ_１方向に相対回転させた場合に、またカム溝３３０の円周方向中央部ａと円周方向端部ｃとの間でコントロールカム４１をアーマチャ３３に対して矢印Ｒ_２方向に相対回転させた場合にそれぞれカムフォロア４２が転動し、コントロールカム４１に捩り力Ｆｃが作用する。

カム面４１０ａ，４１０ｂは、円周方向中央部ａから円周方向端部ｂ，ｃに向かって上るカム角θをもつ傾斜面で形成されている。

カム角θは、カム機構４の作動による推力Ｆによってアーマチャ３３に作用するトルクＴ_１（図示せず）よりも電磁コイル３２側への摩擦係合に伴う反力Ｆｐによってアーマチャ３３に作用するトルクＴ_２（Ｔ_１＜Ｔ_２：図示せず）を大きくする角度に設定されている。すなわち、カム機構４の作動によってアーマチャ３３に発生する推力Ｆ及びその反力をＦｐ（Ｆ＝Ｆｐ）、アーマチャ３３の電磁コイル３２側の摩擦面３１０ｂに対する静止摩擦係数をμ_ｍ（例えばμ_ｍ≒０．１〜０．１５）、カムフォロア４２のアーマチャ３３に対する転がり摩擦係数をμ_ｃ（例えば０＜μ_ｃ≦０．０２）、アーマチャ３３の等価摩擦円半径をｒ_ｍ、カムフォロア４２の作用円半径をｒ_ｃとすると、カム角θはＴ_１（Ｔ_１＞０．７×Ｔ_２）＝μ_ｍ×ｒ_ｍ×Ｆ＜Ｆ×ｒ_ｃ×（ｓｉｎθ−μ_ｃｃｏｓθ）／（ｃｏｓθ＋μ_ｃｓｉｎθ）＝Ｔ_２を満足する角度に設定されている。

上記トルクＴ_２は、図３〜図５を用い、次のようにして求めることができる。図５は、電磁コイル３２の通電停止によってアーマチャ３３に捩り力Ｆｃ等が作用した状態を示す。

図５において、カムフォロア４２の転動によってアーマチャ３３のカム面３３０ａに作用する垂直抗力をＮとすると、力の釣り合いよりＦｃ＝−Ｎｓｉｎθ＋μＮｃｏｓθ，Ｆｐ＝−Ｎｃｏｓθ−μＮｓｉｎθである。これら２式より垂直抗力Ｎを消去すると、Ｆｃ＝Ｆｐ×（ｓｉｎθ−μｃｏｓθ）／（ｃｏｓθ＋μｓｉｎθ）となる。これより、Ｔ_２＝ｒｃ×Ｆｃ＝Ｆｐ×ｒｃ×（ｓｉｎθ−μｃｏｓθ）／（ｃｏｓθ＋μｓｉｎθ）＝Ｆ×ｒｃ×（ｓｉｎθ−μｃｏｓθ）／（ｃｏｓθ＋μｓｉｎθ）となる。

本実施の形態においては、電磁コイル３２の通電停止時にアーマチャ３３が復帰用スプリング１０によって電磁コイル３２から離間するというセルフリリースの成立性を確保しながら、カムフォロア４２のアーマチャ３３に対する転がり摩擦係数μ_ｃとして実験結果によって求めたμ_ｃ＝０．０２を用いてカム面３３０ａのカム角θを設定し、カム機構４の作動による推力Ｆ（伝達トルク容量）を可能な限り大きくすることができる。

これにより、上記したセルフリリースの成立性を確保するために、カム面３３０ａのカム角θを過度に大きい角度に設定して伝達トルク容量を必要以上の低い見積もりとする設計を回避することができる。

（電磁クラッチ１の動作）
次に、本実施の形態に示す電磁クラッチの動作につき、図１〜図５を用いて説明する。

図２において、電動モータ（図示せず）を駆動すると、電動モータの回転駆動力が減速歯車機構（図示せず）を介して回転部材２に伝達され、回転部材２が回転駆動される。

通常、電動モータの始動時には、出力機構３の電磁コイル３２が非通電状態にあるため、電磁コイル３２を基点とした磁気回路Ｍが形成されず、アーマチャ３３が電磁コイル３２側にコイルハウジング３１を介して吸引されることがない。

このため、出力機構３においてそのクラッチ力となる押圧力Ｐ_１が発生せず、アーマチャ３３の摩擦面３３ａとコイルホルダ３１０の摩擦面３１０ｂとが摩擦係合せず、電磁クラッチ１による制動力は回転部材２に伝達されない。

一方、電動モータの駆動時（回転部材２の回転時）に電磁コイル３２が通電されると、電磁コイル３２を基点とした磁気回路Ｍが形成され、アーマチャ３３がコイルハウジング３１のコイルホルダ３１０側に初期位置から移動する。

このため、図１に示すように、アーマチャ３３の摩擦面３３ａがコイルホルダ３１０の摩擦面３１０ｂに押圧力Ｐ_１をもって摩擦係合し、これに伴いカム機構４が作動する。

カム機構４が作動すると、その作動によるカム作用によってカム機構４の作動前の状態よりもアーマチャ３３の摩擦面３３ａがコイルホルダ３１０の摩擦面３１０ｂに押圧力Ｐ_２（Ｐ_１＜Ｐ_２）をもって強固に摩擦係合し、電磁クラッチ１による制動力が回転部材２に伝達される。

また、電動モータの駆動時に電磁コイル３２が通電停止されると、図３に示すように復帰用スプリング１０のばね力によってアーマチャ３３がコイルハウジング３１から離間するが、コントロールカム４１に回転部材２からのトルクが入力されたままであるため、コントロールカム４１及びアーマチャ３３に加わる捩り力Ｆｃ（図４に示す）によってカム機構４が作動し、アーマチャ３３に推力Ｆが作用する。これに伴い、アーマチャ３３がコイルハウジング３１に推力Ｆをもって摩擦係合するとともに、コイルハウジング３１からアーマチャ３３に反力Ｆｐ（Ｆｐ＝Ｆ）が作用し、アーマチャ３３とカムフォロア４２との間に転がり摩擦力Ｆｍ（図５に示す）が発生する。

本実施の形態においては、アーマチャ３３のカム面３３０ａ，３３０ｂ及びコントロールカム４１のカム面４１０ａ，４１０ｂのカム角θがカムフォロア４２の転動を円滑にする角度に、すなわちμ_ｍ×ｒ_ｍ×Ｆ＜Ｆ×ｒ_ｃ×（ｓｉｎθ−μ_ｃｃｏｓθ）／（ｃｏｓθ＋μ_ｃｓｉｎθ）を満足する角度に設定されているため、カムフォロア４２のカム面３３０ａ，３３０ｂ，４１０ａ，４１０ｂ上での回転が阻害されることはない。このことは、幾多の実験によって確認されている。

[実施の形態の効果]
以上説明した実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。

（１）Ｔ_１（カム推力によりアーマチャに作用する摩擦トルク）をＴ_２（反力によってアーマチャに作用するトルク）よりも小さくしたので、電磁コイル３２の非通電状態では電磁クラッチ１が確実に解放状態となり、セルフロック状態が発生しない。

（２）セルフリリースの成立条件を満たしながらカム機構の推力を可能な限り大きくすることができるので、クラッチ装置の容量を過剰に制限してしまうことを回避することが可能となる。つまり、カム角を大きくした場合には、それに応じてカム推力が小さくなるため、このカム推力の減少を補うためにはクラッチ装置を大型化したりコイル電流を増大する等の対策が必要となるが、本実施の形態によれば、このような対策による装置の大型化や消費電力の増大を抑制することができる。

以上、本発明のクラッチ装置を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。

（１）上記実施の形態では、コントロールカム４１が回転部材２に相対移動可能にかつ相対回転不能に配置されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、回転部材にコントロールカムを相対移動不能にかつ相対回転不能に配置してもよい。すなわち要するに、本発明は、コントロールカムが回転部材に対して回転不能であればよい。

（２）上記実施の形態では、クラッチ装置が電磁力を用いた電磁クラッチである場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば油圧，水圧など他のロック力を用いたクラッチ装置にも適用可能である。

（３）上記実施の形態では、回転部材２を制動するブレーキ装置として機能する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、一対の回転部材間で駆動トルクを伝達する駆動力伝達装置としても機能させることができる。

１…電磁クラッチ、２…回転部材、２ａ…大径の胴部、２０ａ…ストレートスプライン嵌合部、２ｂ…小径の胴部、３…出力機構、３１…コイルハウジング、３１０…コイルホルダ、３１０ａ…コイル収容部、３１０ｂ…摩擦面、３１１…内フランジ、３２…電磁コイル、３３…アーマチャ、３３ａ…摩擦面、３３０…カム溝、３３０ａ，３３０ｂ…カム面、４…カム機構、４１…コントロールカム、４１ａ…ストレートスプライン嵌合部、４１０…カム溝、４１０ａ，４１０ｂ…カム面、４２…カムフォロア、６…ケーシング、６ａ…軸孔、７…軸受、８…締結ボルト、９…止め輪、１０…復帰用スプリング、１１…軸受、１２…止め輪、１３…リテーナ、１３ａ…ボール保持孔、Ｍ…磁気回路、Ｏ…回転軸線、Ｐ_１，Ｐ_２…押圧力、ａ…円周方向中央部、ｂ，ｃ…円周方向端部、Ｆ…推力、Ｆｐ…反力、Ｆｃ…捩り力、Ｆｍ…転がり摩擦力、ｒ_ｍ…アーマチャの等価摩擦円半径、ｒ_ｃ…カムフォロアの作用円半径、Ｔ_１，Ｔ_２…トルク、θ…カム角、μ_ｍ…静止摩擦係数、μ_ｃ…転がり摩擦係数

Claims (3)

1. 回転部材との相対回転が可能な摩擦係合部材、及び前記摩擦係合部材から離間する方向の復帰力が復帰用スプリングによって付与されたクラッチ部材を有するクラッチ機構と、
   前記クラッチ機構に前記回転部材の回転軸線に沿って並列し、前記回転部材に対して回転不能なカム部材、及び前記カム部材と前記クラッチ部材との間に介在するカム面を転動可能なカムフォロアを有するカム機構とを備え、
   前記カム機構は、その作動による推力及び前記摩擦係合部材側への摩擦係合に伴う反力をＦ、前記クラッチ部材の前記摩擦係合部材側の摩擦面に対する静止摩擦係数をμ _ｍ 、前記カムフォロアの前記クラッチ部材に対する転がり摩擦係数をμ _ｃ 、前記クラッチ部材の等価摩擦円半径をｒ _ｍ 、前記カムフォロアの作用半径をｒ _ｃ とすると、前記カム面のカム角θがμ _ｍ ×ｒ _ｍ ×Ｆ＜Ｆ×ｒ _ｃ ×（ｓｉｎθ−μ _ｃ ｃｏｓθ）／（ｃｏｓθ＋μ _ｃ ｓｉｎθ）を満足する角度に設定されている
   クラッチ装置。
2. 前記カム機構は、前記カム面のカム角θが０＜μ_ｃ≦０．０２として設定されている請求項１に記載のクラッチ装置。
3. 前記クラッチ機構は、前記摩擦係合部材としてのコイルハウジング、前記コイルハウジング内に収容された電磁コイル、及び前記クラッチ部材としてのアーマチャを有する出力機構からなる請求項１又は２に記載のクラッチ装置。

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