JP6596681B2 - ドグクラッチ - Google Patents

Description

本発明は、ドグ歯の噛合いにより締結するドグクラッチに関する。

特許文献１には、ドグクラッチの締結により2輪駆動から4輪駆動への切換を行う際、ドグクラッチが噛み合わなかった状態を検出したときは、シフト部材を一旦解放位置に戻し、再度締結位置に移動することでドグクラッチを締結する制御が開示されている。

特開２００２−２６４６８５公報

しかしながら、再度の締結作動によってドグクラッチが締結する保証が無く、締結動作を繰り返している間に相対回転数が低下すると、同期タイミングが得られず、締結できないという問題があった。
本発明の目的は、締結動作を何度も繰り返すことなく締結可能なドグクラッチを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のドグクラッチでは、第１回転体に相対回転可能に支持された第１ドグと、
前記第１回転体に軸方向移動可能に支持され、軸方向噛合い側への移動により前記第１ドグと噛合う第２ドグと、
前記第２ドグの軸方向移動を行うアクチュエータと、
前記アクチュエータを制御する制御部と、
を備え、
前記第１及び第２ドグの円周上でドグ歯が円周に対して占有する第１占有率を２５％以下とし、ドグ歯とドグ歯の間が円周に対して占有する第２占有率を７５％以上とし、前記第１占有率を前記第２占有率で除した値が１／３以下であり、
前記制御部は、前記アクチュエータに前記第２ドグを軸方向噛合い位置に向けて軸方向噛合い側に移動する締結指令を出力したときに、前記第２ドグの軸方向噛合い側への移動が前記第１ドグと前記第２ドグとの軸方向噛み合い位置よりも軸方向解放側で停止したときは、前記指令を停止し、前記第２ドグの移動が停止したときから、前記第１ドグの円周上で一つのドグ歯が占有する回転角と前記第２ドグの円周上で一つのドグ歯が占有する回転角の和である所定相対角度を前記第１ドグと前記第２ドグの相対角速度で除した時間が経過したときに、前記アクチュエータに前記締結指令を再出力することを特徴とする。

すなわち、第１ドグと第２ドグとが噛み合わなかったときの状態に基づいて、再度の締結指令を出力することで、確実に締結することができ、締結動作を何度も繰り返すことなくドグクラッチを締結できる。

実施例１の自動変速機を表す概略システム図である。 実施例１のドグ形状を表す概略図である。 実施例１の締結作動時におけるドグ歯の関係を表す概略図である。 実施例１の６つのドグ歯に代えて４つのドグ歯を備えたドグクラッチで検証した場合の概略図である。 実施例１のＮ−Ｄセレクト時におけるドグクラッチ締結制御処理を表すフローチャートである。 実施例１の車両停止中におけるＮレンジからＤレンジへのセレクト時制御を表すタイムチャートである。

〔実施例１〕
図１は実施例１の自動変速機を表す概略システム図である。エンジン１のエンジン出力軸には、クラッチ２が接続されている。クラッチ２は乾式クラッチであり、クラッチプレートの位置をクラッチアクチュエータ２ａにより制御する。クラッチアクチュエータ２ａは、要求されたトルク伝達容量に応じてクラッチプレートを押圧するクラッチピストンの位置を制御し、クラッチ２の相対回転を許容しながらトルクを伝達するスリップ制御や、クラッチ２の相対回転を許容しない完全締結制御を行う。クラッチアクチュエータ２ａは、クラッチピストンのストローク位置を検出するピストンストロークセンサ１１を有し、検出されたストローク位置に基づいてトルク伝達容量を制御する。

クラッチ２の出力側には、入力された回転を変速して駆動輪４に出力する自動変速機３が接続されている。自動変速機３は、クラッチ２の自動変速機側に接続された第１シャフト３ａと、第１シャフト３ａと平行に配置された第２シャフト３ｂと、を有する。第１シャフト３ａ上には、第１シャフト３ａに対して相対回転可能に支持された１速ドライブギヤ３１と、２速ドライブギヤ３２と、を有する。第２シャフト３ｂ上には、第２シャフト３ｂに固定され、第２シャフト３ｂと一体に回転する１速ドリブンギヤ３３と、２速ドリブンギヤ３４と、を有する。各ドリブンギヤは、各ドライブギヤと常時噛み合っている。尚、図示しないが、前進４速の自動変速機を構成する場合は、更に３速ドライブギヤ及び３速ドリブンギヤ、４速ドライブギヤ及び４速ドリブンギヤを１速や２速と同様に搭載すればよく、特に言及しない。

第１ドライブギヤ３１の側面には、軸方向に延在された第１ドグ３１ａを有する。第２ドライブギヤ３２の側面には、軸方向に延在された第２ドグ３２ａを有する。１速ドライブギヤ３１及び２速ドライブギヤ３２には、第１及び第２ドグクラッチ機構を有する。第１ドグクラッチ機構は、第１シャフト３ａ上に固定設置され、第１シフトフォーク３１０に対して相対回転可能に噛み合う第１クラッチリング３１１を有する。同様に、第２ドグクラッチ機構にも、第２クラッチリング３２１を有する。

第１クラッチリング３１１は、第１シフトフォーク３１０に相対回転可能に保持されつつ第１シフトフォーク３１０との間で軸力を相互に付与可能な円盤状部材である。第１クラッチリング３１１は、１速ドライブギヤ３１と対向する側面の軸方向に延在された１速用クラッチリングドグ３１１ａを有する。同様に、第２クラッチリング３２１は、第２シフトフォーク３２０に相対回転可能に保持されつつ第２シフトフォーク３２０と軸力を相互に付与可能な円盤状部材である。第２クラッチリング３２１は、２速ドライブギヤ３２と対向する側面の軸方向に延在された２速用クラッチリングドグ３２１ａを有する。

１速時は、第１シフトフォーク３１０を図１中の右側に移動し、第１クラッチリング３１１を右側に移動させ、１速用クラッチリングドグ３１１ａと１速ドライブギヤ３１の第１ドグ３１ａとを噛み合わせ、１速を達成する。１速から２速へのアップシフト時は、第１シフトフォーク３１０を図１中の左側に移動させることで１速用クラッチリングドグ３１１ａと第１ドグ３１ａとの噛合いを解放し、第２シフトフォーク３２０を図１中の右側に移動させることで２速用クラッチリングドグ３２１ａと第２ドグ３２ａとを噛み合わせ、２速を達成する。

シフトアクチュエータ５は、第１シフトフォーク３１０及び第２シフトフォーク３２０を軸方向に移動可能に構成されている。このシフトアクチュエータ５は、外周に各シフトフォーク３１０，３２０と係合する変速溝５１，５２を有するシフトドラム５０を有する。変速溝５１，５２は、シフトドラム５０の回転に伴って各シフトフォーク３１０，３２０の軸方向位置を移動可能に形成され、シフト用モータ５３によりシフトドラム５０の回転位置を制御することで変速を行う。

変速機コントローラ３０は、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ１０と、第１シャフト３ａの回転数を検出するＩｎｐｕｔ回転数センサ１２と、各シフトフォーク３１０，３２０のストローク位置を検出するシフトストロークセンサ１３と、シフト用モータ５３の電流値を検出する電流センサ１４と、第２シャフト３ｂの回転数を検出するＯｕｔｐｕｔ回転数センサ１５と、Ｐ，Ｒ，Ｎ，Ｄレンジを選択するシフトレバー７のシフト信号と、に基づいて所望の変速段を決定し、シフトアクチュエータ５のシフト用モータ５３に締結指令である駆動電流Ｉｓを出力する。

ここで、ドグクラッチの噛合い時における課題について説明する。１速用クラッチリングドグ３１１ａ及び第１ドグ３１ａ（以下、両ドグとも記載する。）は、円周上の均等位置に並んだ複数のドグ歯と、ドグ歯の間に形成された凹部を有する。そして、両ドグが軸方向に近づき、一方のドグのドグ歯が他方のドグの凹部に入り込むと、両ドグ歯が円周上に交互に並ぶ。これにより、一方のドグから他方のドグへのトルク伝達を行う。このとき、一方のドグ歯と他方のドグ歯とが円周上において重なる位置のまま両ドグを軸方向に近づけたとしても、ドグ歯同士が干渉して軸方向に近づくことができない。そうすると、両ドグ歯が円周上に交互に並ぶことができず、ドグクラッチは締結できない。この状態を入り不状態という。

第１シャフト３ａもしくは第２シャフト３ｂが回転している状態で両ドグを軸方向に近づける締結動作を行うと、１速用クラッチリングドグ３１１ａと第１シャフト３ａとの間に相対回転が生じているため、仮に入り不状態が生じたとしても、両ドグの相対角度が変化するため、例えば、入り不状態を検知したときは、再度の締結動作を行い、締結が完了するまで繰り返すことで、両ドグはいずれ噛み合うと考えられる。しかしながら、闇雲に締結動作を繰り返しても、相対角度が適正な関係のときに締結動作が行われる保証が無い。また、車両停止時でクラッチ２が締結され、第１シャフト３ａがエンジンと共に回転した状態で各ドグが解放されたＮレンジから、Ｄレンジにセレクトされた場合、クラッチ２を開放し、第１シャフト３ａの惰性回転中に１速用クラッチリングドグ３１１ａと第１ドグ３３ａとを締結する必要がある。このとき、締結動作を繰り返していると、フリクションの増大により惰性回転が低下してしまい、両ドグの相対角度をずらすことができず、入り不状態を解消することができないという問題がある。そこで、実施例１では、入り不状態を検知したときは、入り不状態を検知したときのドグの回転状態に基づいて再度締結動作を行うこととした。

ここで、ドグの形状について説明する。例えば、レゾルバのような高精度な回転角センサを各ドグに設け、常にドグ歯の位置を把握している状態であれば、入り不状態が生じることはない。しかし、このような高価なセンサを個別に設置すると、コストアップを招く。そこで、入り不状態が生じた場合の両ドグ歯の位置関係から、所定相対角度の移動が生じた場合、確実にドグ歯が噛み合うドグの形状を検討した。

図２は実施例１のドグ形状を表す概略図である。実施例１の各ドグは、６つのドグ歯を有し、回転軸方向から見たとき、ドグ歯は円周上に均等に配置される。円周上のドグ歯の配置角度，ドグ歯が占有する回転角θ１、ドグ歯とドグ歯の間（以下、バックラッシュと記載する。）が占有する回転角θ２は、各ドグで同一とする。言い換えると、ドグ歯の占有率Ｐθ１はθ１/３６０で表され、バックラッシュの占有率Ｐθ２はθ２／３６０で表される。また、説明にあたり、第１ドグ３１ａのドグ歯を第１ドグ歯ｄ１、１速用クラッチリングドグ３１１ａのドグ歯を第２ドグ歯ｄ２と記載する。

図３は実施例１の締結作動時におけるドグ歯の関係を表す概略図である。図３には、１速用クラッチリングドグ３１１ａを正面から見た概略図に、第１ドグ３１ａの第１ドグ歯ｄ１を一歯のみ記載するが、全ての第２ドグ歯ｄ２において同様の関係が生じている。また、図３は第１ドグ３１ａを固定した状態で１速用クラッチリングドグ３１１ａが時計回りに回るときの相対関係を記載する。図３（ａ）は、第１ドグ歯ｄ１が第２ドグ歯ｄ２の反時計回り側の端部（回転方向手前側端部）で入り不となった状態を表す。この状態から、図３（ｂ）に示すように、第１ドグ歯ｄ１の一歯分の回転角と第２ドグ歯ｄ２の一歯分の回転角を加算した角度（以下、回避角度と記載する。）だけ相対角度が生じた際に、第１ドグ歯ｄ１は第２ドグ歯ｄ２を通過して確実にバックラッシュに位置することが望ましい。次に、図３（ｃ）は、第１ドグ歯ｄ１が第２ドグ歯ｄ２の時計回り側の端部（回転方向奥側端部）で入り不となった状態を表す。この状態から、図３（ｄ）に示すように、回避角度だけ相対角度が生じたとしても、第１ドグ歯ｄ１は次の第２ドグ歯ｄ２まで届かず、確実にバックラッシュに位置することが望ましい。

上記の関係が成立する回転角θ１の円周に対する割合である占有率Ｐθ１及び回転角θ２の円周に対する割合である占有率Ｐθ２を鋭意検討した結果、Ｐθ１が２５％以下、Ｐθ２が７５％以上で成立することを見出した。言い換えると、Ｐθ１≦０．２５，Ｐθ２≧０．７５から、
（回避条件）
Ｐθ１／Ｐθ２≦１／３
の関係が成立する場合、入り不状態を検知後、回避角度の相対角度が生じれば、入り不状態を確実に回避できることを見出した。図４は、実施例１の６つのドグ歯に代えて４つのドグ歯を備えたドグクラッチで検証した場合の概略図である。図４に示すように４つのドグ歯を備えた構成であっても、同じ回避条件が成立することを見出した。尚、４つのドグ歯を備えた場合、例えばバックラッシュに歯高さが低いドグ歯を追加して８つのドグ歯を備えた構成であっても、実質的に４つのドグ歯を備えた場合と変わりはない。更に、４つのドグ歯以外にも回避条件を満たせば、何歯であってもよい。

図５は実施例１のＮ−Ｄセレクト時におけるドグクラッチ締結制御処理を表すフローチャートである。
ステップ１では、ＮレンジからＤレンジへのセレクト（以下、Ｎ−Ｄセレクトと記載する。）が行われたか否かを判断し、行われていないときには本制御フローを終了し、Ｎ−Ｄセレクトと判断したときはステップＳ２に進む。
ステップＳ２では、クラッチ２を解放する。
ステップＳ３では、シフト用モータ５３に、１速用クラッチリングドグ３１１ａを軸方向噛合い位置に向けて軸方向噛合い側に移動する締結指令を出力する。
ステップＳ４では、シフト用モータ５３の駆動電流Ｉｓがシフトドラム５０の回転により生じる所定電流より大きな入り不電流Ｉ１以上か否かを判断し、Ｉｓ＜Ｉ１のときは入り不が生じていないと判断して本制御フローを終了し、それ以外のときは入り不の恐れがあると判断してステップＳ５に進む。すなわち、入り不状態となると、シフトフォークが軸方向に移動できないことからシフトドラム５０が回転できない。そうすると、所望の変速段に応じた回転位置に移動しようとしてもシフト用モータ５３の駆動負荷が大きくなり、駆動電流Ｉｓが増大する。この特性を利用して、駆動電流Ｉｓによる入り不判定を行う。

ステップＳ５では、締結指令を停止し、シフト用モータ５３を逆回転させ、１速用クラッチリングドグ３１１ａを、第１ドグ３３ａと非接触となる位置に戻す。このように両ドグを非接触状態とすることで、第１シャフト３ａの惰性回転の低下を抑制する。
ステップＳ６では、ステップＳ４で入り不状態を検知したときの第１シャフト３ａの回転数に基づいて１速用クラッチリングドグ３１１ａの回転角速度（相対角速度）を演算する。実施例１では、車両停止中のドグクラッチ締結を想定しているため、第２シャフト３ｂ及び第１ドグ３１ａの回転は停止している。よって、１速用クラッチリングドグ３１１ａの回転角速度は、第１ドグ３１ａとの相対角速度と一致する。両シャフトが回転している場合には、第１シャフト３ａの回転数と第２シャフト３ｂの回転数の両方を検出し、相対回転数から相対角速度を検出すればよい。

ステップＳ７では、１速用クラッチリングドグ３１１ａの移動が停止したときである入り不状態検出時から、１速用クラッチリングドグ３１１ａと第１ドグ３１ａとが噛み合うことが可能な回避角度（所定相対角度）を相対角速度である１速用クラッチリングドグ３１１ａの回転角速度で除した時間が経過したときに締結指令を再出力する。

図６は実施例１の車両停止中におけるＮレンジからＤレンジへのセレクト時制御を表すタイムチャートである。エンジン１は作動状態であり、車両は停止しており、クラッチ２は完全締結状態である。
時刻ｔ１において、運転者がシフトレバー７を操作し、ＮレンジからＤレンジへと操作すると、発進に備えるためにクラッチ２が解放される。これにより、第１シャフト３ａの回転数が惰性回転しながら徐々に低下する。

時刻ｔ２において、シフト用モータ５３を駆動し、シフトドラム５０が回転することで、第１シフトフォーク３１０がストロークを開始する。このとき、入り不が生じなければ、シフトドラム５０はスムーズに回転し、駆動電流Ｉｓが入り不電流Ｉ１まで上昇することはない。しかしながら、入り不が生じると、第１シフトフォーク３１０が十分にストロークできず、シフトドラム５０がスムーズに回転できないため、駆動電流Ｉｓが上昇し始める。
時刻ｔ３において、駆動電流Ｉｓが入り不電流Ｉ１を超えると、一旦、シフトドラム５０を逆方向に回転させる。このとき、１速用クラッチリングドグ３１１ａと第１ドグ３１ａとの間の相対回転角を演算し、回避角度を達成する時間を演算し、タイマのカウントアップを開始する。
時刻ｔ４において、タイマのカウント値が回避角度を達成する時間以上経過すると、再度締結指令を出力し、シフトドラム５０を締結側に回転駆動する。このとき、１速用クラッチリングドグ３１１ａと第１ドグ３１ａとは回避角度だけ相対回転しているため、入り不状態となることはない。
時刻ｔ５において、１速用クラッチリングドグ３１１ａと第１ドグ３１ａとが噛合うと、シフトストローク量Ｓｔｒが入り不ストローク量Ｓｔｒ０を超えて増大し、１速へのシフトを完了できる。時刻ｔ６において、シフトドラム５０の回転が完全に目標位置まで回転すると、駆動電流Ｉｓを停止する。

以上説明したように、実施例１にあっては下記に列挙する作用効果が得られる。
（１）第１シャフト３ａ（第１回転体）に相対回転可能に支持された第１ドグ３１ａと、第１シャフト３ａに軸方向移動可能に支持され、軸方向噛合い側への移動により第１ドグ３１ａと噛合う１速用クラッチリングドグ３１１ａ（第２ドグ）と、１速用クラッチリングドグ３１１ａの軸方向移動を行うシフトアクチュエータ５（アクチュエータ）と、シフトアクチュエータ５を制御する変速機コントローラ３０（制御部）と、を備え、変速機コントローラ３０は、シフトアクチュエータ５に１速用クラッチリングドグ３１１ａを軸方向噛合い位置に向けて軸方向噛合い側に移動する指令である締結指令を出力したときに、１速用クラッチリングドグ３１１ａの軸方向噛合い側への移動が軸方向噛み合い位置よりも軸方向解放側で停止したときは、締結指令を停止し、１速用クラッチリングドグ３１１ａの移動が停止したときの第１ドグ３１ａ及び１速用クラッチリングドグ３１１ａの状態に基づいてシフトアクチュエータ５に締結指令を再出力することとした。
すなわち、第１ドグ３１ａと１速用クラッチリングドグ３１１ａとが噛み合わなかったときの状態である入り不状態に基づいて、再度の締結指令を出力することで、確実に締結することができ、締結動作を何度も繰り返すことなくドグクラッチを締結できる。

（２）第１ドグ３１ａ及び１速用クラッチリングドグ３１１ａの状態は、第１ドグ３１ａと１速用クラッチリングドグ３１１ａの相対角速度である。
よって、入り不状態が解消する状態がいつ発生するかを推定することができる。

（３）変速機コントローラ３０は、１速用クラッチリングドグ３１１ａの移動が停止したときから、第１ドグ３１ａと１速用クラッチリングドグ３１１ａとが噛み合うことが可能な回避角度（所定相対角度）を入り不状態を検出したときの相対角速度で除した時間が経過したときに締結指令を再出力することとした。
よって、レゾルバのような高精度の回転角センサを用いることなく、確実に入り不状態を回避可能なタイミングでドグクラッチを締結できる。

（４）回避角度は、第１ドグ３１ａの円周上で一つのドグ歯が占有する回転角と１速用クラッチリングドグ３１１ａの円周上で一つのドグ歯が占有する回転角の和である。
入り不状態は、１速用クラッチリングドグ３１１ａを軸方向移動させたときに、第１ドグ３１ａのドグ歯と１速用クラッチリングドグ３１１ａのドグ歯とが、回転方向手前側端部で入り不の状態から回転方向奥側端部で入り不の状態となり、広い範囲に亘って入り不状態が生じ得る。そこで、両ドグ歯が占有する回転角の和だけ相対回転角が生じれば、ドグ歯とバックラッシュとが対向する状態が得られ、入り不状態を確実に回避できる。

（５）第１ドグ３１ａ及び１速用クラッチリングドグ３１１ａの円周上でドグ歯が円周に対して占有する第１占有率Ｐθ１を、ドグ歯とドグ歯の間が円周に対して占有する第２占有率Ｐθ２で除した値が１／３以下である。
よって、入り不状態発生後、回避角度分の相対回転が生じた際、ドグ歯とバックラッシュとが対向する状態が得られ、入り不状態を確実に回避できる。

（他の実施例）
以上、実施例１に基づいて説明したが、上記実施例に限らず、他の構成を備えた自動変速機に本発明を適用してもよい。例えば、実施例１では、Ｎ−Ｄセレクト時に本発明を適用したが、変速時であれば、どの変速段にも適用できる。この場合、相対回転角速度を推定可能なセンサを備えていればよく、各回転数を高精度に検出する必要はない。また、実施例１では、第１シャフト３ａに相対回転体であるドライブギヤを配置し、これらドライブギヤを第１シャフト３ａに選択的に固定可能なドグクラッチ機構を設けた例を示したが、第１シャフト３ａに限らず、第２シャフト３ｂに設けてもよいし、それぞれ組み合わせて第１シャフト３ａと第２シャフト３ｂの両方に設定してもよい。
また、前進４速に限らず、前進２速や、更なる多段化した自動変速機にも適用できる。
また、実施例では、動力源として内燃機関であるエンジンを搭載した例を示したが、動力源として駆動用モータやエンジンとモータを併用するハイブリッド車両であっても本発明を適用できる。

１ エンジン
２ クラッチ
２ａ クラッチアクチュエータ
３ 自動変速機
３ａ 第１シャフト
３ｂ 第２シャフト
４ 駆動輪
５ シフトアクチュエータ
７ シフトレバー
１０ エンジン回転数センサ
１２ Ｉｎｐｕｔ回転数センサ
１４ 電流センサ
１５ Ｏｕｔｐｕｔ回転数センサ
３０ 変速機コントローラ
３１ １速ドライブギヤ
３１ａ 第１ドグ
３２ ２速ドライブギヤ
３２ａ 第２ドグ
３３ １速ドリブンギヤ
３４ ２速ドリブンギヤ
５０ シフトドラム
５１，５２ 変速溝
５３ シフト用モータ
３１０ 第１シフトフォーク
３１１ 第１クラッチリング
３１１ａ １速用クラッチリングドグ
３２０ 第２シフトフォーク
３２１ 第２クラッチリング
３２１ａ ２速用クラッチリングドグ

Claims (1)

1. 第１回転体に相対回転可能に支持された第１ドグと、
   前記第１回転体に軸方向移動可能に支持され、軸方向噛合い側への移動により前記第１ドグと噛合う第２ドグと、
   前記第２ドグの軸方向移動を行うアクチュエータと、
   前記アクチュエータを制御する制御部と、
   を備え、
   前記第１及び第２ドグの円周上でドグ歯が円周に対して占有する第１占有率を２５％以下とし、ドグ歯とドグ歯の間が円周に対して占有する第２占有率を７５％以上とし、前記第１占有率を前記第２占有率で除した値が１／３以下であり、
   前記制御部は、前記アクチュエータに前記第２ドグを軸方向噛合い位置に向けて軸方向噛合い側に移動する指令を出力したときに、前記第２ドグの軸方向噛合い側への移動が前記第１ドグと前記第２ドグとの軸方向噛み合い位置よりも軸方向解放側で停止したときは、前記指令を停止し、前記第２ドグの移動が停止したときから、前記第１ドグの円周上で一つのドグ歯が占有する回転角と前記第２ドグの円周上で一つのドグ歯が占有する回転角の和である所定相対角度を前記第１ドグと前記第２ドグの相対角速度で除した時間が経過したときに、前記アクチュエータに前記指令を再出力することを特徴とするドグクラッチ。

Images