JP2005527741A - 摩擦クラッチにより伝達されるトルクの調節装置及び方法 - Google Patents

Abstract

電動機（４５）、減速歯車装置（４２）、及び回転運動をクラッチ（１２）の押圧板（２９）の移動に変換する機構から成る操作器系列を有し、摩擦クラッチ（１２）により伝達されるトルクを調節する装置が、大きい摩擦においても、伝達されるトルクの精確かつ速やかな調節を可能にせねばならない。
このため電動機（４５）及び／又は減速装置（４２）が摩擦を持ち、変換する機構（３１，３２，３５，３６，４０）及び／又は摩擦クラッチ自体が弾性を持ち、摩擦クラッチ（１２）のトルク（Ｍｄ）を調節するため、電動機（４５）に接続される位置調整器（４７）、及び操作器系列（４５，４２，４１，４０，３６，３５，３２，３１，２９）の素子のうち１つの素子の位置を求めるセンサ（４６，４６′）が設けられ、そのためセンサ（４６，４６′）が、力流れ方向において弾性の主要部分の前にある個所に設けられている。対応する制御及び校正方法も開発されている。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、摩擦クラッチにより伝達されるトルクを調節する装置であって、電動機、減速歯車装置、及び回転運動をクラッチの押圧板の移動に変換する機構から成る操作器系列を有するものに関する。伝達される調節可能なトルクを持つ摩擦クラッチは、例えば自動車特に全輪駆動される自動車の動力伝達系列において、差動固定装置として又は車軸駆動部を接続するために使用される。

これは、摩擦クラッチの制御される係合のみならず、伝達すべきトルクに応じて精確に調節されるトルクでの長い運転を意味する。その際伝達すべきトルクは、車両運動の必要条件に従って、調節装置又は制御装置により連続的に可変である。伝達すべき大きいトルクは著しい押圧力従って操作力を必要とし、開き方向に作用する戻しばねの存在により更に高める。

大きくかつ配分可能な操作力を発生するため、電動機のトルクが減速歯車装置により増大され、機構により、摩擦クラッチに作用する軸線方向操作力に変換される。機構は、玉付き又はなしの傾斜面環、カム板又は他の機構である。

傾斜面環を持つ最初にあげた種類の摩擦クラッチは例えば国際公開第ＷＯ９１／１２１５２号、国際公開第ＷＯ０１／５９３３１号、米国特許第４，９７６，３４７号明細書、欧州特許出願公開第３６８１４０号明細書から公知である。これらすべてにおいて、所望のトルクの伝達に必要な軸線方向力は、電動機の駆動により、通常の出力制御方法（電流及び／又は電圧調整、パルス幅変調等）によって調節される。必要な電動機電流と摩擦クラッチのトルクとの関係は、特性曲線から取られる。しばしば２つの異なる特性曲線も使用され、特性曲線の一方はトルクの上昇の際、他方はその低下の際、摩擦ヒステリシスを考慮する。

欧州特許出願公開第３６８１４０号明細書では、減速歯車装置として摩擦を持つウオーム歯車装置が使用され、摩擦ヒステリシス効果に打勝つ摩擦力を減少するため、機構に交番荷重が発生される。国際公開第ＷＯ９１／１２１５２号及び米国特許第４，９７６，３４７号明細書では、減速歯車装置として摩擦の少ない歯車装置及び比較的剛性のある伝達機構が使用される。

これらの制御方法における欠点は、これらの制御方法が減速歯車装置及び機構の僅かな摩擦ヒステリシスにおいてのみ使用可能なことである。従って歯車装置が使用されるが、その減速比は限られている。特に力低下のための特性曲線は、精確な調節を可能にするため、明らかに正の範囲にある。更に電動機のトルクと伝達されるトルクとの関係が、特に次の理由により変化することによって、調節の精度が低下する。
操作系列における異なる摩擦状態（温度変動、なじみ効果、静摩擦と滑り摩擦との間の移行）、及び
クラッチ戻しばねの異なる力（製造公差、クラッチ釈放遊隙）

電動機のトルクと電動機電流との関係も、比較的大きい不精確さで、
製造公差、
電動機の温度上昇の際における磁界の強さの減少、
ねじり角にわたるトルクの不均一性
を持っている。

これらの理由から公知のシステムでは、電動機から機構までの全操作器系列は、最小の摩擦ヒステリシスに関して最適化されねばならず、これは大抵の場合小さい減速比及び比較的大きい電動機を必要とするが、いずれにせよ付加的な費用を生じ、伝達される大きいクラッチトルクを保持するため、大きい電動機電流を永続的に流さねばならないという欠点も持っている。この運転状態は通常電動機の熱的過負荷の原因となるので、電磁的に操作される電動機制動機が必要であり、これが更に費用を生じ、操作器系列の動特性に不利な影響を及ぼす。なぜならば、トルクの調節の前毎に、制動機を釈放せねばならないからである。非可逆ウオームを持つ減速歯車装置を使用すると、制動機は必要でないが、力低下のための特性曲線は大きく負の範囲にあるため、問題にならない。

従って本発明の目的は、前記の欠点を回避して、摩擦クラッチにより伝達されるトルクの精確で速やかな調節を、操作器系列における大きい摩擦や変動する摩擦でも、他の外乱の影響により妨げられることなく、可能にすることである。

本発明による装置は、
ａ）電動機及び／又は減速装置が摩擦を持ち、
ｂ）変換する機構及び／又は摩擦クラッチ自体が弾性を持ち、
ｃ）摩擦クラッチのトルクを調節するため、電動機に接続される位置調整器、及び操作器系列の素子のうち１つの素子の位置を求めるセンサが設けられ、
ｄ）そのためセンサが、力流れ方向において弾性の主要部分の前にある個所に設けられている
ことを特徴としている。

従って摩擦クラッチの制御は、電動機により及ぼされる″力″によって行われるのではなく、迂回して位置制御を介して行われる。しかし本発明によるこの迂回によって、公知のシステムの欠点が除去され、特に摩擦ヒステリシスが回避される。即ち操作器系列の素子のうち１つの素子の位置と摩擦クラッチの操作力従って伝達されるトルクとの間には、制御に特に適した関係がある。なぜならば、機械的操作器系列と特に摩擦クラッチ自体は、常にある程度の弾性可撓性を持っているからである。それにより特性曲線は、精確な制御に必要な勾配を持つ。

摩擦損失は主として非常に剛性的な減速歯車装置に生じ、弾性は主として力流れ方向においてそれに続く部分特に摩擦クラッチ自体に生じるので、操作器系列の素子のうち１つの素子の位置と摩擦クラッチの操作力との関係は、操作器系列の剛性的素子特に減速歯車装置における摩擦状態とは大幅に無関係である。

更にセンサが、力流れ方向において弾性の主要部分の前にある操作器系列の素子にも作用することも、重要であり、この素子又はセンサの後には、もっと少ない摩擦しか存在しない。これはしばしば運動を変換する機構であるだろう。この認識に基いて、本発明により″奇跡″が完成され、摩擦を持つシステムが摩擦ヒステリシスなしに制御される。

それにより全く意識的にかつ有利に、大きい内部摩擦を持つ歯車付き電動機（ウオーム歯車装置、滑り軸受）が使用される。これは大きい減速比及び小さい高速回転電動機を助長し、一層低い費用に加えて、大きいクラッチトルクが小さい電動機電流で制御されかつ保持されるという利点も生じる。本発明のため今や有利に使用可能な非可逆ウオーム歯車装置では、大きいクラッチトルクを電流なしでも保持することができる。

センサを減速歯車装置又は電動機の軸に設け（請求項２）、またセンサを電動機の回転子軸にある増分発信器として設ける（請求項３）と、非常に有利なことがわかった。それにより電動機のねじれ角を直接測定することができる。非常に大きい減速比の場合、回転子軸の回転数を簡単に測定することもできる。大きい減速比及び著しい摩擦は、ウオーム歯車装置により最も簡単に実現される（請求項４）。これは、高速回転電動機に関連して非常に小さい取付け寸法を生じる。

運動を変換する機構及び摩擦クラッチ自体が剛性的でありすぎると、有利な展開は、そこに構造的に付加的な弾性を与える（請求項５）ことである。これは、特定の部分の適当な寸法設定により、また機構又は摩擦クラッチ自体へばねを組込むことによって、行うことができる。

本発明は更に、減速歯車装置及び回転運動を移動に変換する機構を介してクラッチの押圧板（２９）の移動を行う電動機から成る操作器系列により、摩擦クラッチにより伝達されるトルクを調節する方法に関する。公知の方法では、伝達されるトルクの調節のため、上述した別の欠点を持って電動機が普通の出力制御方法の１つにより制御される。

しかし本発明による方法によれば、摩摩擦クラッチにより伝達すべきトルクから、操作器系列の素子の目標位置が求められ、電動機に作用する位置調整器により調節される（請求項６）。その際操作器系列において力流れ方向にまず剛性的で摩擦を持つ素子が設けられ、弾性素子の主要部分が検出される素子の後にのみある限りこの弾性素子が次に設けられている場合、素子の位置と摩擦クラッチの操作力との関係が操作器系列の摩擦状態とは大幅に無関係であるという上述した認識を利用する。それにより有害な摩擦ヒステリシスの影響を排除して、伝達されるトルクの精確な調節が行われる。

摩擦クラッチにより伝達すべき特定のトルクのため、素子の目標位置が、特定曲線に基いて求められる（請求項７）と、付属する制御装置において記憶場所が実際に節約される。その際両方の座標軸に対する平行線との所定の交点を得るために、充分な勾配の比較的簡単な特性曲線が重要であることを利用する。更にこの特性曲線の勾配は長い時間にわたって大幅に不変である。

方法の好ましい実施態様では、素子の目標位置が電動機又は減速歯車装置の軸であり、目標位置が目標ねじれ角である（請求項８）。

電動機の実際ねじれ角を目標回転角となるように調節するため、例えばＰＩＤ調整器により、古典的な位置調整方法を使用することができる。このような方法は、操作器系列における動的状態に、迂回して調整量を介してのみ反応する。しかし実際ねじれ角を目標ねじれ角に調節する際、新しい位置へできるだけ高い調節速度で向かい、制動行程の付随する計算の際、適時に前もって目標位置における停止まで制動することも可能である。

本発明による方法の展開では、特性曲線が少なくとも最初の運転開始の際校正される。これは望ましい。なぜならば、特性曲線は製造公差のためばらつき、摩耗のため特に電動機ねじれ角を示す座標軸の方向へ移動する可能性があるからである。これは、運転時間中に特定の間隔で利用可能であり、その場合特性曲線は特定の時間間隔で追加校正される（請求項９）。特性曲線を校正するため、請求項９による方法が、特に簡単であり、それにもかかわらず精確である。

少なくとも第１の校正点が、戻しばねに打勝つための電動機電流の測定に役立つ、特性曲線の勾配が既知であり、実質的に不変なので、第１の校正点で充分である。第２の校正点において、クラッチ自体の戻し力が既に生じている。即ち対応する電動機電流が測定されるので、クラッチトルクにとって重要な電動機電流がわかる。第２の校正点が小さいクラッチトルクの範囲にあることによって、誤差は僅かしか影響を及ぼさない。電流測定の際のオフセット誤差、戻しばねの公差、基本摩擦等は、精度に影響を及ぼさない。なぜならば、それらは２つの第１の校正点から得られる値の差引きによりなくなるからである。

少なくとも１つの第１の校正点が問題である。なぜならば、別の校正点でも、更に圧縮される戻しばねに打勝つための電動機電流を測定できるからである。この手順の前に、固定ストッパの所まで″クラッチを開く″方向への電動機の駆動により、ねじれ角の０点を最初から規定することができる。

最高の精度を得るための校正方法の洗練は、３つの校正点が校正区間であり、この構成区間にわたって電動機電流が積分され、それから操作器系列の運動エネルギの変化が校正区間において差し引かれ、間隔の幅によって割り算される（請求項１０）。

図により本発明が以下に説明される。

図１において動力分配装置のハウジングは全体を１で示され、車両の図示しない駆動装置から来る入力軸が２で示され、後車軸に伝動結合される第１の出力軸は３で示され、同様に図示しない前車軸に伝動結合される第２の出力軸は４で示されている。第２の出力軸４は、第１の鎖車５により、入力軸２の下にある第２の鎖車６を駆動し、この鎖車６は前車軸の駆動用従動軸７上にある。

トルクを両方の出力軸３，４へ分配するために、概括して１０で示す差動装置が設けられている。更に制御装置１１が差動装置１０の下に設けられ、差動装置１０を固定する差動固定クラッチ１２が設けられている。図示した実施例では、差動固定クラッチは構造的に差動装置１０にまとめられている。しかしこれは分離して、しかも動力分配装置又は動力伝達系列の別のどこかに設けることができる。差動装置自体も、本発明の範囲内で種々に構成することができる。

図１には、例示的に差動装置の特別な構成も認められる。同時に遊星キャリアとしても役立つ差動装置ハウジング１６の内部には、入力軸２に相対回転しないように結合される太陽歯車１７、差動装置ハウジング１６内に回転可能に支持される不斉地変速段の遊星歯車１８、第１の差動歯車２１及び第２の差動歯車２２がある。第１の差動歯車２１は第１の出力軸３に、また第２の差動歯車２２は第２の出力軸４に、相対回転しないように結合されている。差動装置ケース１６は、軸線方向に移動可能で不斉地変速段において差動装置ケース１６に相対回転しないように結合されている内歯環状歯車１９により包囲されている。

図１には差動固定クラッチ１２も詳細に示されている。これは摩擦クラッチであり、差動装置ケース１６に固定的に結合されしかもここでは一体であるクラッチケース２６、第２の出力軸４に相対回転しないように結合される、クラッチ内側部分２７、薄板積層体２８、及び戻しばね３０により開き方向に作用される押圧板２９から成っている。押圧板２９と第２の出力軸、ここでは特に出力軸上にある第１の鎖車５との間には、２つの環３１，３２が設けられている。これらの環３１，３２の間には、適当な周囲溝内に玉３３がある。これらの周囲溝は、環の１つ又は両方の環に傾斜路として構成されているので、両方の環の互いに逆方向の相対運動の際、この傾斜路上を玉が移動することにより、軸線方向力が発生される。クラッチが操作されない時、両方の環３１，３２は全く静止している。従って回転分離のため、両方の環３１，３２は針軸受３４上に支持されている。第１の環３１は第１の傾斜路レバー３５を持ち、第２の環３２は第２の傾斜路レバー３６を持ち、これらのレバーは一端を環に固定的に結合され、かつ下方へ突出し、自由端３７，３８にそれぞれローラ３９を持っている。両方のローラ３９の間には回転可能な制御円板４０がある。この制御円板の回転の際、ローラ３９が互いに離れるように動かされ、鋏状に動かされる傾斜路レバー３５，３６を介して、環３１，３２が互いに逆向きに回される。

図２には、摩擦クラッチ１２により伝達されて互いに逆向きに回転可能な環３１，３２へ作用するトルクを調節するための本発明による装置が概略的に示されている。全操作器系列は、制御可能で回転子軸４８を持つ電動機４５，ウオーム歯車４３及びウオーム４４から成る減速歯車装置４２、及び減速歯車装置４２の出力軸４１の回転運動を押圧板２９（図１）の並進運動に変換する機構から成っている。

この機構は、相対回転しないように取付けられる制御円板４０を持つ出力軸４１と、レバー３５，３６を持つ環３１，３２から成っている。減速装置４２は、このような減速装置に固有な大きい内部摩擦を持つウオーム歯車装置である。しかしこれは、場合によっては、付加的な摩擦要素を備えた別の形式の歯車装置であってもよい。出力軸４１、レバー３５，３６及び／又は摩擦クラッチ１２自体の部分は、弾性的である。これらは直列に接続されているので、その弾性が加算され、従って機構は全体として可撓的である。それが充分でないと、個々の要素を適当な寸法にするか、付加的に弾性要素を設けることができる。

電動機４５の回転子軸４８には、増分発信器として構成されるセンサ４６が設けられて、回転子軸のねじれ角を測定する。その代わりにセンサ４６をセンサ４６′として、出力軸４１に設けることもできる。重要なことは、弾性の主要部分が力流れ方向においてセンサの後に設けられていることである。センサ４６は、回転子軸４８のねじれ角α_ｉｓｔに相当する信号を位置調整器４７へ与える。位置調整器４７において、摩擦クラッチにより伝達すべきトルクＭｄ_ｓｏｌｌから、特性曲線４９に基いてねじれ角α_ｓｏｌｌとα_ｉｓｔとの差から、電動機４５用駆動信号が形成される。

図３には、本発明による制御にとって決定的な特性曲線が示されている。横座標には、クラッチにより伝達すべきトルクが記入され、縦座標には回転子軸の対応する回転角αが記入されている。特性曲線４９は、部分的に直線によって近似可能な一義的な連続曲線であることがわかる。

これに対して、従来技術により使用される図４の特性曲線図では、縦座標に、操作量として用いられる電動機電流、従って電動機により及ぼされる力が記入されている。伝達されるトルクの上昇には特性曲線５１が適用され、低下には特性曲線５２が適用される。その間にある面積５３は摩擦ヒステリシスに相当する。特性曲線５２は明らかに正の象限（これは図示された象限である）にあり、充分な傾斜を持っていなければならず、そうでないとトルクの精確な調節が実際に不可能である。特性曲線５２は横座標に対して平行であるか疑わしいが、それに近いことがわかる。

再び図３の特性曲線４９について、各特性曲線のように、製造公差及びクラッチの摩耗のため、この特性曲線が個々に相違しているか、後になって特にねじれ角の方向に移動することがある。従っていずれにせよ運転開始の際、ただし有利に後になっても特定の間隔で、この特性曲線の校正が必要である。この校正は次のように行われる。

図５は校正の概要を示す。まずねじれ角の零点を規定せねばならない。そのため電動機が、″クラッチを釈放″の方向へ、機械的ストッパへ達するまで駆動される。給電するにもかかわらず電動機が停止するこの位置が、ねじれ角の零点として定義される。図３及び５において横座標軸がこの位置に相当する。

それから電動機が、″クラッチを閉じる″の方向へ、小さいクラッチトルクを確立するために充分確実な電動機電圧で駆動される。これが図５に直線５６として示されている。その際電動機電流およびねじれ角が測定され、特性曲線４９の校正のため、３つの校正点の電動機電流及びねじれ角が測定される。

図示した実施例では、特に高い精度を得るため、校正点が校正区間５７，５８，６０により代えられる。電流はそれぞれの区間にわたって積分され（これはシステムへ供給されるエネルギに相当する）、それからそれぞれの区間における操作器系列の運動エネルギの変化が差引かれ、区間の幅により割り算される。積分は測定の精度を上げ、更にねじれ角にわたる電動機トルクの不均一さの影響を除去する。

戻しばね（図１の３０）の力にのみ打勝てばよく、まだクラッチトルクが生じないねじれ角の下の範囲に、両方の区間５７及び５８がある。これらの区間において、戻しばねの力に打勝つために必要な電動機電流のそれぞれ１つの値が検出される。これらの区間は直線５６で結ばれ、従ってこの直線は、直線５６の勾配であるばね定数を持つ戻しばねに打勝つために必要な電動機電流を表わす。

戻し力が摩擦クラッチ１２から生じる（直線５９）第３の区間６０において、上述したように電動機電流が検出される。これは、戻し力及び戻しばねに打勝つために必要な電動機電流６１である。戻しばねのためにのみ必要な電流６２（これは直線５６の延長によって得られる）を差引くことにより、伝達されるクラッチトルクのために必要な電動機電流が生じる。この電動機電流から、校正区間６０におけるクラッチトルクが、電動機電流６１と６２との差から、好都合な場合一定である既知の係数を掛け算して計算される。このクラッチトルク及び現われるねじれ角が、今や図５の線図から図３の特性曲線４９へ書き換えられる。これが点６５を生じ、特性曲線の勾配は変化しないので、校正された特性曲線６６が図３に記入されている。

図５における区間６０が比較的小さいクラッチトルクの所に選ばれることによって、電動機電流からクラッチトルクを計算する際、誤差が全く僅かしか現われない。ねじれ角にわたって電動機トルクの不均一さの影響も、区間にわたる積分によって回避される。電流測定の際のオフセット誤差、戻しばねの公差、基本摩擦等も、精度に影響を及ぼさない。なぜならば、これらは、戻しばねに打勝つためにのみ必要な電流の引き算により除去されるからである。

この校正方法は、回転子軸又は他の軸のねじれ角でなく、他の素子の位置が利用される場合、全制動方法と同様に適用することができる。

本発明による装置を持つ摩擦クラッチの使用例の断面を示す。 本発明による装置の概要を示す。 本発明による制御にとって決定的な特性曲線を示す。 従来技術により使用される特性曲線図を示す。 図３の特性曲線の校正の概要を示す。

Claims (11)

1. 摩擦クラッチ（１２）により伝達されるトルクを調節する装置であって、電動機（４５）、減速歯車装置（４２）、及び回転運動をクラッチ（１２）の押圧板（２９）の移動に変換する機構から成る操作器系列を有するものにおいて、
   ａ）電動機（４５）及び／又は減速装置（４２）が摩擦を持ち、
   ｂ）変換する機構（３１，３２，３５，３６，４０）及び／又は摩擦クラッチ自体が弾性を持ち、
   ｃ）摩擦クラッチ（１２）のトルク（Ｍｄ）を調節するため、電動機（４５）に接続される位置調整器（４７）、及び操作器系列（４５，４２，４１，４０，３６，３５，３２，３１，２９）の素子のうち１つの素子の位置を求めるセンサ（４６，４６′）が設けられ、
   ｄ）そのためセンサ（４６，４６′）が、力流れ方向において弾性の主要部分の前にある個所に設けられている
   ことを特徴とする、装置。
2. センサ（４６，４６′）が減速歯車装置（４２）又は電動機（４５）の軸（４１；４８）に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. センサ（４６）が電動機（４５）の回転子軸（４８）にある増分発信器であることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 減速歯車装置（４２）がウオーム歯車装置であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. 回転運動を移動に変換する機構（３１，３２，３５，３６，４０）及び／又は摩擦クラッチ（１２）に弾性が構造的に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 減速歯車装置（４２）及び回転運動を移動に変換する機構（３１，３２，３５，３６，４０）を介してクラッチの押圧板（２９）の移動を行う電動機（４５）から成る操作器系列（４５，４２，４１，４０，３６，３５，３２，３１，２９）により、摩擦クラッチ（１２）により伝達されるトルク（Ｍｄ）を調節する方法において、摩擦クラッチにより伝達すべきトルク（Ｍｄ_ｓｏｌｌ）から、操作器系列の素子の目標位置（α_ｓｏｌｌ）が求められ、電動機（４５）に作用する調整器（４７）により調節されることを特徴とする、方法。
7. 摩擦クラッチ（１２）により伝達すべき特定のトルク（Ｍ_ｓｏｌｌ）のため、素子の目標位置（α_ｓｏｌｌ）が、特定曲線（４９）に基いて求められることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 素子の目標位置が電動機（４５）又は減速歯車装置（４２）の軸（４８；４１）のねじれ角（α_ｓｏｌｌ）であることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
9. 特性曲線（４９）の校正のため、次の段階がとられる
   摩擦クラッチにより小さいトルクが伝達されるまで、電動機が″クラッチを閉じる″方向へ電動機が駆動され、その際少なくとも２つの校正点（５７，６０；５８，６０）において電動機電流（Ｉ_ｍｏｔ）及び電動機ねじれ角（α_ｉｓｔ）の測定が行われ、
   第１の校正点（５７；５８）が摩擦クラッチの釈放範囲にあり、第２の校正点（６０）が小さいトルクの伝達される範囲にあり、
   第２の校正点（６０）において、既知の関数に従って、２つの校正点（５７，６０；５８，６０）における電動機電流からクラッチトルクが計算され、
   第２の校正点（６０）におけるクラッチトルク及び電動機ねじれ角から、特性曲線（４９）の移動が行われる
   ことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 校正点（５７，５８，６０）が校正区間であり、校正区間にわたって電動機電流が積分され、特性曲線（４９）の移動を求めるため、操作器系列（４５，４２，４１，４０，３６，３５，３２，３１，２９）の運動エネルギが取出され、それぞれの区間の幅により割算されることを特注とする、請求項９に記載の方法。
11. 特性曲線（４９）が特定時間間隔で追加校正されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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