JP2004190854A - スタータージェネレータ用ローラークラッチ - Google Patents

Abstract

【課題】モーター／発電機とエンジンが直列配置されたハイブリッド車に用いるクラッチで２つの駆動源は状況に応じて、用方を同時に駆動したり、どちらか一方だけを駆動するため機構提供する。
【解決手段】モーター／発電機とエンジンが直列配置されたハイブリッド車に用いるクラッチ機構。このクラッチ機構は、モーター／発電機とエンジンの間で両者に接続され、１）モーターだけで車両を駆動したり、２）モーターでエンジンを始動したり、３）車載バッテリーに充電したり、４）モーターとエンジンの両方を使って車両を急加速したり、５）回生ブレーキをかけたりといった制御を可能にする。クラッチ機構は、外レース、内レース、内外レース間に設けた複数のローラー、ローラーを保持する保持器を有する。モーターは発電機としても使えるものとする。エンジンは内燃エンジンである。
【選択図】図２

Description

本発明は、一体型スタータージェネレータに用いられるローラークラッチに関する。

いわゆるハイブリッド車（ＨＥＶ）は、２つの駆動源、通常モーターとエンジン、を用いて車両を駆動するものである。２つの駆動源は状況に応じて、両方を同時に駆動したり、どちらか一方だけを駆動するために、両者の間に選択的に両方からまたはどちらか一方からだけの駆動力を伝達するための機構を必要とする。

本発明は、内燃エンジンのクランクシャフトとモーターの出力軸を、変速機の入力軸に連結する２方向クラッチを用いて、上記の要求に答える。

信号を送って２方向クラッチを操作することにより、モーターだけで車両を駆動したり、エンジンをかけたり、バッテリーに充電したり、エンジンとモーターの両方を使って車両を急加速させたり、回生ブレーキをかけたりといった様々な制御を行う。

図１に示すように、全体を２０で示す本発明のクラッチ機構が、ハイブリッド車（ＨＥＶ）２２に搭載されている。エンジン２４とモーター兼発電機２６が、このクラッチ２０を介して連結されている。実施例ではエンジン２４とモーター／発電機２６は同心配置する。

内燃エンジン２４のクランクシャフト２８は、クラッチ機構２０を介してモーター／発電機２６の出力軸３０と変速機３２の入力軸３４に連結されている。すなわち４者は直列に接続されており、モーター／発電機２６の出力軸３０は変速機３２の入力軸３４に直結されている。

クラッチ２０を係合モードと非係合モードの間で切り換えることによって、モーター／発電機２６は次の５つの機能を行うことができる。１）モーターだけで車両を駆動する、２）エンジンをスタートさせる、３）バッテリーに充電する，４）エンジンとモーターの両方を使って車両を急加速させる、５）回生ブレーキをかける。

非係合モードにおいては、モーター／発電機２６はエンジンの力を借りないで、単独で車両２２を駆動する。このモードではエンジン２４はモーター／発電機２６から切り離されているので、機能的には電気自動車と同じである。

残りの４つの機能は、係合モードにおいて行われる。すなわち第１の機能は、クラッチが係合すると、モーター／発電機２６でクランクシャフトが回されエンジン２４がかかる。この時モーター／発電機２６はセルモーターの役目をする。このようにしてエンジンを始動するのは車両２２が停止している間が多いが、車両２２が走行中に停止しているエンジンを始動して、モーターのみの走行から、ハイブリッド走行（つまりエンジンとモーターの両方を使った走行）またはエンジンのみによる走行に切り換える場合もある。

また第２の機能として、係合モードにおいて、エンジン２４が回転している状態では、エンジン２４でモーター／発電機２６を回すと同時に、エンジンで車両を駆動することができる。この時モーター／発電機２６は発電機となって車載バッテリー３６などに充電を行う。

また第３の機能として、係合モードにおいて、エンジンの出力の大部分を車両の駆動に用い、モーター／発電機２６の出力も車両の駆動の補助として用いることもできる。

さらに第４の機能として、係合モードにおいて、走行中に運転手がアクセルペダルから足を離すと、エンジン２４とモーター２６の両方が減速され、車両２２の駆動輪３８にブレーキをかけることができる。この時モーター／発電機２６は駆動輪によってよって回されるので、発電を行いながら車両２２を減速させる「回生ブレーキ」機能を行う。

図２、３はクラッチ機構２０の第１の実施例を示す。図２は、クラッチ機構２０の構成部品の軸方向の配列を示す軸方向断面図である。図３は、クラッチ機構２０の構成部品の半径方向の配列を示す横断面図である。

クラッチ機構２０は、係合モードと非係合モードの切り換えが可能な２方向クラッチである。このクラッチ２０は、内レース４０、外レース４２、内レース４０と外レース４２の間に設けた複数の転動体４４、転動体４４を保持する保持器４６を備えている。転動体４４を介して、内レースと外レースを固着させたりフリーにすることによって、クラッチ２０の係合モードと非係合モードの切り換えを行う。

第１実施例においては、内レース４０をエンジンのクランクシャフト２８に接続し、外レース４２をモーター２６および／または出力軸３０に接続している。

図３に示すように、内レース４０は、円筒形内周面４８と、断面が多角形状の外面５０を有する。多角形の各辺がカム面５２となっている。カム面は平坦面とするのが好ましいが、図１９に示すように多少凹状に窪んでいてもよい。内周面４８には、エンジンのクランクシャフトに係合するスプラインを設けてもよい。

平板状または凹状の各カム面の中央には、図２０、２１に示すような凹みが形成されている。転動体がこの凹みに嵌まることによって、カム面の中央に安定的に保持される。図１９、２０、２１のいずれの例においても、各カム面に１個ずつ転動体が配置される。図１９は、凹状のカム面１５２を有する内レース１４８を示す。図２０は、凹状のカム面１５２の中央に凹み８５を設けた内レース２４８を示す。図２１は、フラットなカム面５２の中央に凹み１８５を設けた内レース３４８を示す。

外レース４２は、ほぼ円筒形の内周面５４とやはりほぼ円筒形の外周面５６を有する。

実施例の転動体４４は円筒形の部材つまりローラーであり、その数は最低３本とする。しかし転動体は球形の部材つまりボールでもよい。ボールの場合もその数は最低３個とする。転動体は金属製のものがよい。転動体、すなわちローラーまたはボールは、クラッチが非係合位置にあるときは、各カム面５２の中央に位置する。

転動体は、外レースの内径４−１０mmにつき１個ずつ設ける。実施例では、転動体１個につきカム面が１個設けられているが、転動体１個につきカム面を２つ設けてもよい。

非係合位置では、転動体４４と外レースの内周５４との間に隙間５８が生じる。また非係合位置では、転動体４４と保持器４６は、内レースの外周５０に押しつけられているため、転動体４４と保持器４６は、エンジンのクランクシャフト２８に連結されている内レース４０と一体に回転する。また隙間５８があるため、この非係合位置では、外レース４２は内レース４０に対してフリーに回転できる。

図２に戻って説明すると、クラッチ機構２０は、中立位置保持バネ６０と、このバネと転動体の軸方向位置決め手段を備えている。実施例の位置決め手段はワッシャー６２と止め輪６４から成る。図２、４に示すように、上記３部品６０、６２、６４は、転動体４４と保持器４６を半径方向、円周方向、軸方向に位置決めしている。具体的には、非係合位置において、保持器４６は転動体が各カム面の中央に来る位置に向けてバネ６０によって付勢されている。ワッシャー６２は、バネ６０を軸方向に位置決めしている。止め輪６４はバネ６０とワッシャー６２を軸方向に位置決めしている。

図２、５に示すように、クラッチ機構２０は作動ディスク６６と、非係合位置において作動ディスク６６を軸方向に位置決めするバネ部材６８を備えている。バネ部材は波バネまたは作動ディスクを軸方向に位置決めできる他の部材である。作動部材６６は図５に示す非係合位置と係合位置の間で軸方向に動くことができる。作動ディスク６６は保持器４６に対して相対的に回転することはできないが、軸方向には動ける。非係合位置で作動ディスク６６は外レース４２には接触していない。係合位置では、作動ディスク６６は外レース４２に取り付けたアーマチャー７６の表面７７に接触する。

クラッチ機構はさらに、固定のハウジング７１、軸受７０、電磁コイル７２、制御ユニット７４を備えている。電磁コイル７２は固定のハウジング７１に収容されている。制御ユニット７４は、クラッチ機構２０を係合位置と非係合位置の間で切り換える。

図６に示すように、制御ユニット７４によって電磁コイル７２に通電すると、電磁コイル７２から磁束が発生し、作動ディスク６６がアーマチャーに引きつけられ、係合状態になる。

すなわちこの係合位置においては、保持器４６に連結された作動ディスク６６は、外レース４２のアーマチャー面７６に接触する。実施例のアーマチャー面７６は、外レース４２に圧入したアーマチャーの面であるが、外レース４２と一体の部材に形成した面であってもよい。作動ディスク６６を引きつけて外レース４２またはアーマチャー７６に接触させるためには、作動ディスク６６を外レース４２に引きつける力は、波バネ６８の軸方向の力より大きくする必要がある。また作動ディスク６６を外レース４２またはアーマチャー７６に引きつけることによって両者の間に発生する摩擦力は、バネ６０の力に逆らって、図７に示すように転動体４４を内レース４０の各カム面の中央の位置から動かせるように、バネ６０の力より大きくする必要がある。

この係合位置においては、エンジンのクランクシャフト２８によって内レース４０が回転しても、転動体４４は内レース４０とは一緒に回転せず、図７、８に示すように、外レースと一緒に回転し、その結果実線で示すように、内レース４０のカム面５０と外レース４２の内周面５４の間に噛み込む。こうして転動体が噛み込むと内レース４０と外レース４２は一体化され、両者は共回りする。

この状態から非係合モードに切り換える場合は、制御ユニット７４は電磁コイル７２への通電を切る。こうして電磁コイルからの磁束が消滅すると、作動ディスク６６は、波バネ６８に押されて、外レース４２のアーマチャー面７６から離れ、次にバネ６０の力で、転動体４４と保持器４６は、転動体が内レース４０のカム面の中央に来る非係合位置に戻る。その結果内レース４０と外レース４２は互いにフリーに回転できるようになる。

図９に示す別の実施例では、内レース１４０の内外周１４８、１５０は共に円筒面で、外レースの内周１５４が多角形面で、外周１５６が円筒面である。この実施例では中立位置保持バネによって、保持器と転動体と外レースは、転動体が外レースの多角形面の各頂点１５７に来る位置に向けて押圧されている。図１０に示すように、第１実施例、第２実施例のいずれにおいても、転動体を噛み込ませるには、角度θを摩擦係数μのアークタンジェント以下（θ≦ａｒｃｔａｎ μ）にする必要がある。好ましいθの値は３−６°である。

上で述べたように、また図１１に示すように、第２実施例では、中立位置保持バネ１６０によって、保持器と転動体１４４は、転動体は外レース１４２の内周１５４のカム面１５２の頂点に来る位置に向けて円周方向に付勢されている。このため非係合位置では、転動体１４４と保持器１４６は外レース１４２と一緒に回転する。係合モードに切り替わると、転動体１４４は内レース１４０と外レース１４２の間に噛み込み、両者を一体化させる。

この第２実施例では、図１２に示すように、バネ１６０の両端は外レースに形成した溝に嵌まり、転動体１４４と保持器１４６を上記の中立位置に保持している。

図１３に示す第３実施例では、外レース２４２の内周面２５４に２つのカム面２５２を設け、転動体１４４の各ローラーに対応している。制御ユニット７４で電磁コイル７２に通電することによって、電磁コイルから磁束を発生させて、作動ディスク６６を引き寄せて、クラッチを係合モードに切り替えている。

作動ディスク６６を引きつけて内レースのアーマチャー面７６に接触させるためには、作動ディスク６６を内レースのアーマチャー面７６に引きつける力は、波バネ６８の軸方向の力より大きくする必要がある。また作動ディスク６６を内レースのアーマチャー面に引きつけることによって両者の間に発生する摩擦力は、バネ６０の力に逆らって、転動体を外レースのカム面の頂点の位置から動かせるように、バネ６０の力より大きくする必要がある。こうしてローラーが動いて、内レースと外レースの間に噛み込むと、両者はロックされ一体化され、共回りする。

第２、第３実施例において、係合モードから非係合モードに切り換える場合は、転動体を外レースの内周のカム面の頂点に来る位置に戻し、内レースと外レースがフリーに回転できるようにする。

図１４、１５、１６に示す第４実施例では、内レース２４０をモーターの出力軸２３０に連結し、外レース２４２をエンジンのクランクシャフト２２８に連結している。この点を除けば、この実施例は第１実施例と同じである。すなわち内レース２４０の外周２５０にカム面２５２が形成され、内周２４８はほぼ円筒形であり、外レース２４２の内外周２５４、２５６は共に円筒形である。また非係合モードでは、転動体２４４は、保持器によって内レース外周２５０の各カム面２５２の中央に保持される。

図１７、１８に示す第５実施例では、内レース３４０がモーター出力軸３３０に、外レース３４２がエンジンクランクシャフト３２８にそれぞれ連結されている。内レース３４０の内外周３４８、３５０は共に円筒形、外レース３４２の内周３５４は多角形状、外周３５６は円筒形である。

実施例では電磁手段によって、クラッチを係合モードに切り換えているが、その代わりに油圧手段や空気圧手段を用いることもできる。

内レース、外レース、転動体は、特殊な焼き入れ処理した材料で形成するのがよい。これに限定するわけではないが、例を挙げると、Ａ２工具スチール、ＳＡＥ８６２０，ＳＡＥ５２１００などがある。これらの材料は十分な強度を有するとともに、本願のクラッチ機構に用いた場合に受ける高接触応力に十分耐えられる。

電子制御装置７４を用いて、モーター／発電機２６の回転速度をエンジン２４の回転速度に同期させることによって、内レース４０と外レース４２の回転速度をほぼ等しくした状態でクラッチ２０を係合させて、クラッチ２０係合時の騒音や振動を小さくするようにしてもよい。

以上実施例を説明したが、これらの実施例には、添付のクレームの範囲から逸脱せずに、様々な改良、変更を行うことができる。

本発明のクラッチ機構を搭載した車両の上面図 本発明の第１実施例の縦断面図 非係合状態を示す、本発明の第１実施例の横断面図 非係合状態を示す、本発明の第１実施例の部分横断面図 非係合状態を示す、本発明の第１実施例の縦断面図 係合状態を示す、本発明の第１実施例の部分縦断面図 係合状態を示す、本発明の第１実施例の部分横断面図 係合状態を示す、本発明の第１実施例の横断面図 本発明の第２実施例の横断面図 第２実施例のクラッチ機構の部分横断面図 本発明の第２実施例のクラッチ機構の部分縦断面図 本発明の第２実施例の部品の横断面図 本発明の第３実施例の横断面図 本発明の第４実施例の上半分の縦断面図 本発明の第４実施例の縦断面図 本発明の第４実施例の横断面図 本発明の第５実施例の上半分の縦断面図 本発明の第５実施例の部分横断面図 凹状の湾曲カム面を有する内レースの横断面図 中央に凹みが形成された凹状の湾曲カム面を有する内レースの横断面図 中央に凹みが形成されたフラットなカム面を有する内レースの横断面図

符号の説明

２０ クラッチ機構
４０、１４０、２４０、３４０ 内レース
４２、１４２、２４２、３４２ 外レース
４４、１４４、２４４ 転動体
４６、１４６ 保持器
６０、１６０ バネ
６６ 作動ディスク
６８ バネ部材
７６ アーマチャー
７０ 軸受
７１ ハウジング
７２ 電磁コイル
７４ 制御ユニット

Claims (15)

1. 第１レースが、ハイブリッド車のエンジンのクランクシャフトと同ハイブリッド車のモーターの出力部の一方に連結され、断面がほぼ多角形状の面を有し、
   第２レースが、第１レースに対して同心状に設けられ、前記クランクシャフトと前記出力部の他方に連結され、円筒面を有し、
   複数の転動体が、前記第１レースと第２レースの間に設けられ、この転動体を介して、第１レースと第２レースを選択的に係合させたり、係合を解除したりするようになっているハイブリッド車用ローラークラッチ。
2. 断面がほぼ多角形状の前記面が少なくとも３つのカム面から成り、前記転動体が少なくとも３個の転動体からなる請求項１の発明。
3. カム面がほぼフラットな請求項２の発明。
4. カム面が湾曲している請求項２の発明。
5. カム面に凹部が形成されている請求項２の発明。
6. 保持器によって転動体を互いに位置決めしている請求項２の発明。
7. 中立位置保持バネが保持器と第１レースの多角形面に連結され、このバネで保持器と転動体を多角形面に対して所定の円周方向位置に向けて付勢している請求項６の発明。
8. 選択的に第２レースと保持器を係合させる手段を備えている請求項７の発明。
9. 選択的に磁場を作りだす電磁コイルと、
   第２レースに連結され、上記磁場を伝えるアーマチャーと、
   保持器に連結され、前記磁場があるかないかによって、第２レースに係合していない非係合位置と、第２レースに係合する係合位置の間を移動する作動ディスクを備えた請求項７の発明。
10. 上記磁場がないとき、非係合位置に向けて作動ディスクを付勢するバネ部材を備えている請求項９の発明。
11. バネ部材が波バネである請求項１０の発明。
12. 選択的に電磁コイルに通電する制御装置を備えている請求項９の発明。
13. 第１レースがクランクシャフトに、第２レースが前記出力部にそれぞれ連結されている請求項１の発明。
14. 第２レースが第１レースの外側に同心状に設けられている請求項１３の発明。
15. 第２レースが第１レースの外側に同心状に設けられている請求項１の発明。

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