JP2007327643A - フリーホイールクラッチとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フリーホイールクラッチを伝達可能なトルクの点で改善すると同時にスリップスルーの防止も向上させる。
【解決手段】外輪１と、この外輪とほぼ同心の内輪２と、内輪と外輪との間の環状空間５に配置されて、内輪と外輪との間の一方向への相対回転をロックし、逆方向への相対回転を許容する複数の摩擦係止体６とを有するフリーホイールクラッチ。摩擦係止体６の表面または前記内・外輪の軌道３，４あるいはその両方には摩擦係数を高めるコーティングが施される。
【選択図】図１

Description

本発明は、外輪と、この外輪とほぼ同心の内輪と、前記内輪と前記外輪との間の環状空間に配置されて、前記内輪と前記外輪との間の一方向への相対回転をロックし、逆方向への相対回転を許容する複数の摩擦係止体とを有するフリーホイールクラッチに関する。

オーバランニングクラッチ、一方向ロッククラッチまたは送りフリーホイールとも称されるこの種のフリーホイールクラッチは、摩擦係止体が摩擦力によって内輪または外輪あるいは両方に連行されて内輪と外輪との間に挟み込み係止されることにより、前記摩擦係止体が内輪と外輪との間の一方向への相対回転をロックするという公知の原理に従って作動する。逆方向への相対回転時には前記摩擦係止体は挟み込み係止ポジションから外れる。

この場合、２つのタイプつまり係止カム体型フリーホイールと係止ローラ（ボール）型フリーホイールとが区別される。係止カム体型フリーホイールの場合、内輪と外輪とは円筒形の軌道を有し、係止カム体は非回転対称的なカム輪郭を有している。内輪と外輪との間の相対回転がロック方向に行なわれる場合には前記係止カム体は起立して、環状空間を作り出している内輪と外輪とにクサビのように噛み込むことになる。

これに対して、係止ローラ型フリーホイールの場合には、内輪または外輪に摩擦係止斜面が配置され、ロック方向への相対回転が生ずる場合に円筒形の係止ローラは前記斜面を駆け上がり、摩擦力によって内輪と外輪との間に挟み込み係止される。

連続的な係止伝動状態を維持するため、摩擦係止体はばねによって内輪および外輪の軌道に向かって軽度に押圧されている。

本発明は上述した両方のタイプのフリーホイールに適用可能なものであり、その目的は、フリーホイールクラッチを伝達可能なトルクの点で改善すると同時にスリップスルーの防止も向上させることである。

前記課題は、本発明により、摩擦係止体の表面または内・外輪の軌道あるいはその両方には摩擦係数を高めるコーティングが施されることによって解決される。
この構成によって、前記摩擦係止体はより高い摩擦係止効果を生み出し、前記摩擦係止体がスリップスルーを生じる限界が高められるとの利点が得られる。これによって、前記フリーホイールは、寸法を増強することなく、より高いトルクを伝達することができる。
同じく前記摩擦係止体ならびに前記軌道のいずれについてもより大きな製造許容差が可能となる。というのも、製造時の相対的に小さな相違があって、摩擦低下効果を生み出すことがあったとしても、前述した相対的に高い摩擦レベルの向上は特に内輪と外輪との間に回転誤差がある場合にも摩擦係止効果を致命的に低下させることがないからである。

米国特許第４８７８５７０号公報から、フリーホイールクラッチにおいて、前記摩擦係止体をそれらの摩擦係止面へのイオン注入つまり窒素イオンの埋め込みによって表面処理することがすでに知られている。これらの窒素イオンは表面組織の欠陥を除去するとともに硬化、固化を生ずる。ただし、特に摩擦係数の引き上げを目的とした、摩擦係数への影響を与えるような指摘はこの文献から読み取ることはできない。
前記コーティングの少なくとも一部は前記摩擦係止面とくに前記摩擦係止体表面に埋め込まれた粒子からなるのが好適である。この場合、特に、コランダム粒子およびダイヤモンド粒子ならびにさまざまな炭化物粒子、特に炭化ケイ素粒子、炭化タングステン粒子または炭化ホウ素粒子が適切なものとして考えられる。これらの粒子に共通しているのは、それらが利用可能な最も硬い材料に数えられ、したがって、耐久的な高い摩擦係数を保証する点である。さらに、これらの粒子はすでに公知の方法たとえばニッケル母材への埋め込みによっても容易に使用することができる。化学ニッケルめっきは均等な、正確にプレセレクト可能な層厚さを保証するため、本体形状が変化することはない。さらに、ダイヤモンド粒子によるコーティングは、ダイヤモンド粒子と当該基材との結合を最適化し得る熱処理を行うことができるために、有利である。前記摩擦係止体の前記コーティングの寿命は簡単かつ安価な方法によって高めることが可能である。ただし、その他のコーティング法またはその他の粒子を摩擦係数の引き上げに使用することも可能である。

さらに、前記摩擦係止体の輪郭、または、摩擦係止ローラが使用される場合には、内輪または外輪あるいはその両方の輪郭を、前記内輪または前記外輪あるいはその両方の軌道と接触している領域で変化させ、それぞれの摩擦係止面において、ストラットアングル：εの最大がｔａｎε＞０．１２、特に＞０．１５、好ましくは＞０．２となるようなストラットアングル特性線を有するように形成するのが好ましい。こうした高いストラットアングルによって、同じトルクに際して、より小さな法線力が前記軌道に作用するため、摩擦係止体ないしは軌道間の接触箇所に、より小さなヘルツ面圧が生ずる。したがって、フリーホイールクラッチの寿命は延びるかまたは同じ伝動使用時間でより大きなトルクの伝達が可能である。
前記ストラットアングル特性線の上昇カーブは≦０．０５で開始して、少なくともｔａｎεが約０．２５、好ましくは約０．３にまで上昇することが好適である。
また、前記摩擦係止体の輪郭は、一方の軌道と接触している領域においては、前記フリーホイールの伝動時にストラットアングル：εがｔａｎε≧０．０５、好ましくは≧０．０６となるように形成されているとよい。

本発明の特に好適な実施形態では、遠心力で浮揚する摩擦係止体との組み合わせで摩擦係数の高まりを実現することを基本にしているが、それはこうすることにより摩擦係数を高めるコーティングが空転時に摩耗の高まりを引き起こさないからである。遠心力によるこの浮揚は内輪からも外輪からも行われるようにすることができる。後者の場合には前記摩擦係止体は、遠心力を吸収する保持部たとえば支持リングに支持されている。これにより、遠心力浮揚式摩擦係止体の使用は、摩擦係数の高まりが空転時に不適に作用することなく、トルク伝達の向上および／または寿命の向上を可能にする。したがって、このタイプのフリーホイールにおいて、摩擦係数を高めるコーティングの利点を最適に利用することが可能である。

本発明によるフリーホイールクラッチ製造方法では、上述した利点を享受するため、摩擦係数を高める微小粒子が前記摩擦係止体の摩擦係止面または前記内・外輪の軌道表面あるいはその両方に埋入、ないしは注入、あるいは打ち込まれる。

本発明のその他の特徴および利点は以下に記述する実施形態の説明ならびに図面から理解できる通りである。

図１には、フリーホイールクラッチの不可欠な要素を備えたフリーホイールの径方向部分断面図が表されている。フリーホイール外輪１はその内側円筒壁により外側軌道３を形成し、フリーホイール内輪２はその外側円筒壁により内側軌道４を形成している。内輪と外輪との間には傾倒式に配置された多数の摩擦係止体（カム体）が配設されている。図中にはこれらのうち１個の摩擦係止体６が図示されており、前記摩擦係止体はその内側摩擦係止面８で内側軌道４に、外側摩擦係止面９で外側軌道３にそれぞれ当接して摩擦係止される。この場合、軌道３，４間の間隔つまり内外円筒壁３，４の半径差は勘定空間を作り出す隙間の高さ５となる。外輪および内輪ならびに摩擦係止体は鋼製である。
本発明により、摩擦係止体６の表面７は少なくとも摩擦係止面８，９の部分に摩擦係数を高めるコーティングが施されている。

図２には、２つの異なった摩擦係止体２０および２１が示されているが、図２（ａ）で示されているものが、ｔａｎεが約０．１という形で表されるストラットアングル：εの最大値をもつ従来の表面輪郭２０ａを形成した、摩擦係数を高めるコーティングなしの通常の摩擦係止体２０であり、図２（ｂ）で示されているものが、ｔａｎεが約０．３という形で表されるストラットアングル：εの最大値をもつ新たな摩擦係止体輪郭２１ａを有した、本発明による摩擦係数を高めるコーティングの施された第２の摩擦係止体２１である。

この新たな摩擦係止体輪郭２１ａは、当接摩擦係止面の少なくとも一方が従来よりも遥かに大きな曲率半径を有することによって生み出される。この曲率半径は、図示した実施形態において、外側摩擦係止面９の曲率半径Ｒａ_２である。これに応じて、摩擦係止面を規定する曲率中心点間のずれＣ_２も拡大している。変更されたこの輪郭形状がより大きなストラットアングルが達成される原因である。

図３には、それぞれ摩擦係止体２０ないし２１のストラットアングル特性線がグラフによって表されている。これから、コーティングとその他の輪郭形状とによって挟み込み隙間高さと相関してストラットアングルε、つまりｔａｎεのかなり急峻な上昇勾配が生じ、その結果、最大伝達可能トルクの大幅な増大が生ずることが明確にみとめられる。

図４は前記コーティングと新たな輪郭形状との間の上述した関係を具体的に示したものである。特性線３０ａは同じ輪郭を有する無コーティングの摩擦係止体と本発明によるコーティングの施された摩擦係止体とのストラットアングル特性線を示している。このストラットアングル特性線は、双方の摩擦係止体の形状が不変であったことから、両者について同一である。
特性線３１ａは伝動開始点における粘着摩擦係数を示し、特性線３１ｂはハイパワー域における粘着摩擦係数を示している。この粘着摩擦係数は伝動開始域においてハイパワー域におけるよりもずっと低いが、それはトルク伝達の開始時に接触箇所になお、先ず突き破られなければならない潤滑膜が存在しているからである。

特性線３２ａと３２ｂとは本発明によるコーティングの施された摩擦係止体の伝動開始点ないしハイパワー域におけるそれぞれの粘着摩擦係数を示している。いずれの粘着摩擦係数も無コーティング状態におけるよりも高いことが明瞭にみとめられる。この高まりは早期スリップスルーの防止の向上を表している。この向上は、摩擦係止体または摩擦係止斜面の形状を、より高い最大のストラットアングルεが達成されるように変化させることによって最適に利用することができる。

図５は、遠心力の作用下で静止している外輪から浮揚し得る摩擦係止体による本発明の応用例を示したものである。このため、摩擦係止体２１は保持リング２２に揺動式に支持されると共に、両側に突き出た斜面２１ａを介して外輪の円筒形内側面２２ａに接当保持されている。摩擦係止体２１の形状はその重心が揺動軸に対して側方に変位するように選択されており、そのため、摩擦係止体２１は一定のフリーホイール回転数以上から遠心力の作用下で、図中不図示のフリーホイール外輪からの摩擦係止体の外側伝動面９の浮揚を生ずる揺動運動を行う。他方、摩擦係止体２１を保持している保持部としての保持リング２２はフリーホイール内輪と摩擦接触しており、前記内輪によって連行される。したがって、結果として保持リング２２は前記内輪と共に回転するが、前記摩擦係止体２１と静止している外輪との間の接触は生じない。したがって、摩擦係数を高めるコーティングが摩耗を大きくすることはない。

図６は、より理解を完全にするため、ローラ型フリーホイールへの本発明の適用例を２種類示したものである。この場合、摩擦係止体は円筒ローラ２３からなり、他方、内輪の軌道（図６（ａ））または外輪の軌道（図６（ｂ））は、環状空間５を狭くすることで摩擦係止面として機能し、公知の方法で内輪と外輪との間の一方向への相対回転を許容するが、逆方向への相対回転をロックする斜面２４を有している。
この種のフリーホイールの場合にも、本発明によるコーティングは摩擦係止体としての係止ローラまたは内・外輪の軌道の少なくとも斜面部２４に施されるとよい。

尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造に限定されるものではない。

非回転対称的な摩擦係止伝動体の形をした摩擦係止体を有するフリーホイールクラッチの径方向部分断面図 従来の摩擦係止体ジオメトリと本発明による摩擦係止体ジオメトリとの比較を示す図 無コーティングの摩擦係止体と、本発明によるコーティングが施されて、輪郭形状が最適化された摩擦係止体とのストラットアングル特性線を示す図 摩擦状態の概要を示す図 外輪からの遠心力浮揚を生ずるフリーホイールの斜視図 ローラ型フリーホイールの、図１と同じ部分断面図

符号の説明

１ 外輪
２ 内輪
３ 内輪の軌道
４ 外輪の軌道
５ 環状空間
６，２１，２３ 摩擦係止体

Claims (12)

1. 外輪（１）と、前記外輪とほぼ同心の内輪（２）と、前記内輪と外輪との間の環状空間（５）に配置されて、前記内輪と外輪との間の一方向への相対回転をロックし、逆方向への相対回転を許容する複数の摩擦係止体（６，２１，２３）とを有するフリーホイールクラッチであって、
   前記摩擦係止体（６，２１，２３）の表面または前記内輪と外輪の軌道（３，４）あるいはその両方には摩擦係数を高めるコーティングが施されることを特徴とするフリーホイールクラッチ。
2. 前記コーティングの少なくとも一部は、前記摩擦係止体の表面（７）または前記内輪と外輪（３，４）の軌道表面あるいはその両方に埋入されたコランダム粒子、ダイヤモンド粒子または炭化物粒子であることを特徴とする請求項１に記載のフリーホイールクラッチ。
3. 前記摩擦係止体として非回転対称摩擦係止体（６，２１）が使用される場合にはそれらの輪郭形状が、摩擦係止伝動ころが使用される場合には内輪または外輪の輪郭形状が、それぞれの摩擦係止面（８，９，２４）において、ストラットアングル：εの最大がｔａｎε＞０．１２となるようなストラットアングル特性線を有するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフリーホイールクラッチ。
4. 前記ストラットアングル特性線の上昇カーブは≦０．０５で開始して、少なくともｔａｎεが約０．２５にまで上昇することを特徴とする請求項３に記載のフリーホイールクラッチ。
5. 前記摩擦係止体の輪郭（７）は、一方の軌道と接触している領域（８，９）においては、このフリーホイールクラッチの伝動時にストラットアングル：εがｔａｎε≧０．０５となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフリーホイールクラッチ。
6. 前記摩擦係止体（２１）は遠心力浮揚式に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のフリーホイールクラッチ。
7. 外輪から遠心力浮揚する前記摩擦係止体（２１）は対遠心力保持部（２２）に接当保持されていることを特徴とする請求項６に記載のフリーホイールクラッチ。
8. 前記摩擦係止体（２１）は側方の斜面（２１ａ）又はスリットを介して前記保持部（２２）または支持リングに支持されていることを特徴とする請求項７に記載のフリーホイールクラッチ。
9. 前記摩擦係止体（６）は滑り軸受または転がり軸受に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のフリーホイールクラッチ。
10. 前記外輪（１）と前記内輪（２）とは円筒状に、前記摩擦係止体（６，２１）はカム体として形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフリーホイールクラッチ。
11. 前記外輪（１）または前記内輪（２）あるいはその両方は前記環状空間側に摩擦係止斜面（２４）を有し、前記摩擦係止体（２３）はローラ体またはボール体として形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフリーホイールクラッチ。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のフリーホイールクラッチを製造するための方法であって、
    摩擦係数を高める微小粒子が前記摩擦係止体（６，２１，２３）の摩擦係止面または前記内輪と外輪（１，２）の軌道表面（３，４）あるいはその両方に埋入されることを特徴とするフリーホイールクラッチ製造方法。

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