JP2008082456A

JP2008082456A - トルクリミッタ付き一方向クラッチ

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Publication number: JP2008082456A
Application number: JP2006263875A
Authority: JP
Inventors: Hajime Watanabe; 肇渡邉
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2008-04-10

Abstract

【課題】トルクリミッタが作動するトルク値のばらつきを抑えたトルクリミッタ付き一方向クラッチを提供する。
【解決手段】カム面16上のロック位置を越えた領域に、過負荷時にころ13が入り込むロック解除用凹部19が形成されている。カム面16上のロック位置とロック解除用凹部19との間に、ころ13が両軌道輪11,12間に隙間なく嵌め入れられることを可能とする芯出し用凹部20が形成されている。一方向クラッチ10の組立て前には、ころ13は、芯出し用凹部20に嵌め入れられる。
【選択図】図２

Description

この発明は、一方向クラッチに関し、特に、ロック状態において過負荷を受けた場合に、ロック状態が解除されるようになされているトルクリミッタ付き一方向クラッチに関する。

例えば自動車エンジンなどのクランクシャフトからベルトを介して駆動される補機（例えば、エアコンディショナ用の圧縮機）に装備されるプーリユニットでは、一方向クラッチを用いることにより、ベルトの張力変動に伴うプーリの回転変動を吸収するようになされている。

一般的な一方向クラッチは、過負荷が作用したときにベルトから圧縮機の回転軸に対する動力の伝達を遮断する機能は有していないため、過負荷時にプーリに対してベルトが滑り、ベルトが焼き付いたり、破損したりするという問題がある。そこで、この問題を解消するものとして、特許文献１には、カム面上のロック位置を越えた領域に、ころが入り込む凹部が形成されており、過負荷を受けたときに、ころが噛み込み部材として作用しない状態に拘束され、これにより、外輪と内輪とがフリー状態となって動力伝達が遮断されるトルクリミッタとしての動作が得られるトルクリミッタ付き一方向クラッチが提案されている。

このトルクリミッタ付き一方向クラッチでは、例えば圧縮機の焼き付き故障などに伴い回転軸の回転に異常が生じると、一方向クラッチの負荷トルクが増大し、この値が所要の規定値（例えば６０Ｎｍ）に到達すると、ころがくさび状空間におけるロック位置のさらに狭い側へ移動させられることになってカム面の凹部に入り込み、ころがプーリに対して非接触あるいは空転する状態になるので、プーリのみが回転することになって、プーリから圧縮機の回転軸に対する動力伝達が遮断されるトルクリミッタの機能が果たされる。
特開２００２−１０６６０８号公報

上記特許文献１のトルクリミッタ付き一方向クラッチによると、過負荷時には、ころが凹部に入り込むことによって、ロック状態が解消し、これにより、ベルトから圧縮機の回転軸に対する動力の伝達が遮断されるので、ベルトが焼き付いたり、破損したりする問題が解消されるが、より好ましいトルクリミッタ機能を確保するには、次のような課題が存在している。すなわち、トルクリミッタ付き一方向クラッチの内外輪の位置決めは、外輪が取り付けられるハブを固定するコンプレッサ軸（回転軸）とコンプレッサ本体に取り付けられた軸受の外輪兼一方向クラッチの内輪との同軸度や、組立て時のずれなど、誤差因子が多く、位置決め精度が悪くなって、トルクリミッタの作動トルクのばらつきが大きくなる可能性がある。

この発明の目的は、トルクリミッタが作動するトルク値のばらつきを抑えたトルクリミッタ付き一方向クラッチを提供することにある。

この発明によるトルクリミッタ付き一方向クラッチは、外輪、内輪、両軌道輪間に配された複数のころ、各ころを噛み込み方向へ付勢する付勢部材および各ころを保持するポケットを有する保持器を備えており、外輪および内輪のうちのいずれか一方の軌道輪に、ロック位置およびフリー位置を規定するカム面が形成されるとともに、カム面上のロック位置を越えた領域に、過負荷時にころが入り込むロック解除用凹部が形成されているトルクリミッタ付き一方向クラッチにおいて、カム面上のロック位置とロック解除用凹部との間に、ころが両軌道輪間に隙間なく嵌め入れられることを可能とする芯出し用凹部が形成されていることを特徴とするものである。

芯出し用凹部は、組立て時にのみころが嵌め入れられる部分で、一方向クラッチの組立て時には、ころは、隙間なくすなわちロック状態で内外輪間に保持される。これにより、一方向クラッチの内輪と外輪とが芯出しされる。こうして先に内輪と外輪との芯ずれをなくしておいてから、一方向クラッチとハブ（外輪支持部材）とのアッシーを例えばコンプレッサなどの装置本体に固定したのち、最後に、一方向クラッチの芯が出るようにして、回転軸とハブとをボルトで締結すればよい。組立て終了後、ころは、外部からロック解除用凹部とは逆方向に移動させられ、一方向クラッチとしての使用位置であるくさび状空間内に位置させられる。ハブのボルト挿通孔は、ボルト軸部との間にある程度の隙間がある大きさとされ、ハブは、径方向の取付位置が微調整される。ここで、ころによる芯出しを可能とするとともに、組立て後はくさび状空間側にころが移動可能とし、さらに、トルクリミッタとしての作動時には、ころが芯出し用凹部で停止せずにこれを越えてロック解除用凹部まで移動する必要があるので、そのためにいくつかの寸法上の条件が必要となり、例えば、芯出し用凹部の中心から底面までの距離は、少なくとも中心からロック解除用凹部の底面までの距離よりも大きい（芯出し用凹部はロック解除用凹部よりも浅い）ものとされる。

通常時には、ころは、保持器のポケット内にあって、ロック位置およびフリー位置の間を周方向に移動し、これにより、一方向クラッチとしての機能が果たされる。そして、異常時（過負荷時）には、ころは、その過大なトルクによって、芯出し用凹部を越えてロック解除用凹部に嵌まり込み、これにより、ロック状態が解除される。

芯出し用凹部を使用しての芯出しが可能となるので、一方向クラッチの内外輪と共通の内外輪を有する転がり軸受（サポート軸受）は不要であり、コンパクト化および原価低減が可能となる。

この一方向クラッチは、例えば、ベルトが巻き掛けられたプーリと、プーリの内径側に配置された回転軸と、プーリ内径と回転軸外径との間に配置された転がり軸受と、転がり軸受の外輪と回転軸に固定された円筒状ハブ内径との間に配置された一方向クラッチとを備えているプーリユニット（動力伝達装置）における一方向クラッチとして好適に使用される。このようなプーリユニットは、自動車のエアコンディショナ用の圧縮機などの補機その他種々の装置において使用することができる。

一方向クラッチの外輪、内輪およびころは金属製とされ、保持器は、合成樹脂製とされる。付勢部材は、例えばコイルばねとされるがこれに限定されるものではない。付勢部材は、保持器に設けられた突起または凹所などを有する付勢部材保持部によって位置決めされて保持され、付勢部材保持部ところとの間に挟持される。カム面は、内輪に形成されることがあり、また、外輪に形成されることもある。

この発明のトルクリミッタ付き一方向クラッチによると、組立て時において、ころがロック状態で芯出し用凹部に保持されることにより、一方向クラッチの内輪と外輪とが芯出しされた状態で装置側（例えばコンプレッサ本体）に取り付けることができるので、トルクリミッタが作動するトルク値のばらつきを抑えることができる。過負荷時には、ころは、その過大なトルクによって、芯出し用凹部を越えてロック解除用凹部に嵌まり込み、これにより、ロック状態が解除される。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

図１は、この発明によるトルクリミッタ付き一方向クラッチが使用される一例としての圧縮機用プーリユニットを示し、図２から図４までは、この発明によるトルクリミッタ付き一方向クラッチの１実施形態を示している。

図１に示す自動車のエアコンディショナ用の圧縮機用プーリユニット(1)は、自動車エンジンのクランクシャフトにベルト(4)を介して接続されエンジンの動力を圧縮機(2)の回転軸(3)に伝達するもので、ベルト(4)が巻き掛けられたプーリ(5)と、プーリ(5)の内径側に配置されて圧縮機(2)の回転軸(3)に固定された中空軸(6)と、内輪(71)、外輪(72)、２列に配置された複数の玉(73)およびこれらの玉(73)を保持する保持器(74)を有しプーリ内径と中空軸外径との間に配置された複列転がり軸受(7)と、回転軸(3)端部に袋ナット(8)により固定されている有底円筒状ハブ（一方向クラッチ外輪の支持部材）(9)と、転がり軸受(7)の外輪(72)と一体の内輪(12)、外輪(11)、両輪(11)(12)間に配された複数のころ(13)、各ころ(13)を噛み込み方向へ付勢する付勢部材（図示略）および複数のころ(13)を保持するポケットを有する保持器(14)を有し転がり軸受(7)の外輪(71)外径とハブ(9)の円筒部(9a)内径との間に配置された一方向クラッチ(10)とを備えている。

一方向クラッチ(10)の外輪(11)は、ハブ(9)を介して回転軸(3)に一体化され、一方向クラッチ(10)の内輪(12)は、プーリ(5)に一体化されている。したがって、ベルト(4)によりプーリ(5)が回転駆動されて、一方向クラッチ(10)を介してプーリ(5)から圧縮機(2)の回転軸(3)に対して動力を伝達するに際し、一方向クラッチ(10)は、プーリ(5)の回転速度が圧縮機(2)の回転軸(3)よりも相対的に速くなると、ロック状態となって、プーリ(4)、ハブ(9)および回転軸(3)の三者を一体化して同期回転させ、プーリ(5)の回転速度が圧縮機(2)の回転軸(3)よりも相対的に遅くなると、フリー状態となって、プーリ(5)から圧縮機(2)の回転軸(3)に対する回転動力の伝達を遮断し、これにより、回転軸(3)が回転慣性力のみで回転を継続する。

回転軸(3)の端部には、袋ナット(8)により、フランジ(31)が固定されており、このフランジ(31)には、周方向に等間隔でめねじ(31a)が形成されている。ハブ(9)の円板状部（底壁）(9b)には、フランジ(31)のめねじ部(31a)に対応する位置にそれぞれ貫通孔(32)が設けられており、ハブ(9)は、各貫通孔(32)から挿通されたボルト(33)によってフランジ(31)に取り付けられている。

一方向クラッチ(10)は、図２に示すように、円筒形の外輪(11)と、多角形状に形成されてこの部分がロック位置およびフリー位置を規定するカム面(16)とされた内輪(12)と、カム面(16)と外輪(11)の内周面とで形成されたくさび状空間(17)に配置され、外輪(11)と内輪(12)とが一の方向（ロック方向）に相対回転することにより外輪(11)と内輪(12)との間に噛み込み、他の方向（フリー方向）に相対回転したとき噛み込みを解除する複数の噛み込み部材としてのころ(13)と、ころ(13)を噛み込み方向（くさび状空間(17)の狭い側）に付勢する付勢部材としてのコイルばね(15)と、ころ(13)およびコイルばね(15)を収納するポケット(18)を有しておりころ(13)をくさび状空間(17)内に位置させる環状の保持器(14)とを備えている。

カム面(16)は、内輪(12)の外周面が横断面多角形状（図示は８角形）とされることにより形成されており、その各面（断面では辺）の反時計方向側部分と外輪(11)内周面との間がくさび状空間(17)として使用されている。

内輪(12)には、カム面(16)上のロック位置を越えた領域に、過負荷時にころ(13)が入り込むロック解除用凹部(19)が形成されている。そして、カム面(16)上のロック位置とロック解除用凹部(19)との間に、ころ(13)が外輪(11)と内輪(12)との間に隙間なく嵌め入れられることを可能とする芯出し用凹部(20)が形成されている。

芯出し用凹部(20)は、組立て時にころ(13)が嵌め入れられるもので、後述するような寸法関係が成り立つように形成されており、一方向クラッチ(10)の製品出荷時には、芯出し用凹部(20)を利用して、図３に示すように、ころ(13)がこの芯出し用凹部(20)に嵌まり合った状態とされる。これにより、一方向クラッチ(10)の内輪(12)と外輪(11)とが芯出しされる。

図１において、ハブ(9)のの円板状部(9b)に設けられている貫通孔(32)は、ボルト(33)の軸部との間にある程度の隙間がある大きさとされており、これにより、ハブ(9)は、径方向の取付位置が微調整可能であり、回転軸(3)と芯ずれを調整できるようになっている。

したがって、一方向クラッチ(10)の出荷時（組立て前）には、ころ(13)が芯出し用凹部(20)に嵌まり合った状態として一方向クラッチ(10)を芯が出た状態にしておき（図３）、一方向クラッチ(10)とハブ(9)を圧縮機(2)本体に固定することで、内輪(12)が圧縮機(2)本体に一体化されるとともに、これに対して外輪(11)およびハブ(9)が相対回転可能とされる。最後に、一方向クラッチ(10)の芯が出るようにして、フランジ(31)とハブ(9)とをボルト(33)で締結することにより、外輪(11)が回転軸(3)に一体化される。こうして組み立てた後、芯出し用凹部(20)に嵌まり合っているころ(13)は、外部から逆方向（図３の時計方向）にトルクを負荷することで、ロック解除用凹部(19)とは逆方向に移動させられ、一方向クラッチ(10)としての使用位置であるくさび状空間(17)内に位置させられる。

この一方向クラッチ(10)によると、外輪(11)の回転速度が内輪(12)よりも相対的に速くなると、ころ(13)がくさび状空間(17)の狭い側（図２の反時計方向）へ転動させられてロック状態となるので、外輪(11)と内輪(12)とが一体化して同期回転する。しかし、外輪(11)の回転速度が内輪(12)よりも相対的に遅くなると、ころ(13)がくさび状空間(17)の広い側（図２の時計方向）へ転動させられてフリー状態となるので、外輪(11)から内輪(12)へ回転動力の伝達が遮断されることになって内輪(12)が回転慣性力のみで回転を継続するようになる。

大きなトルク負荷がかかると、ころ(13)は、内輪(12)と外輪(11)との間に噛み込んだ状態で、くさび状空間(17)のより狭い方向に強制的に移動させられる。ころ(13)がさらに反時計方向に移動して、ころ(13)がロック解除用凹部(19)に嵌まり込むと、内輪(12)と外輪(11)とはフリー状態となる。

したがって、この圧縮機用プーリユニット(1)によると、例えば圧縮機(2)の焼き付き故障などに伴い回転軸(3)の回転に異常が生じると、一方向クラッチ(10)の負荷トルクが増大し、この値が所要の規定値（例えば６０Ｎｍ）に到達すると、ころ(13)は、カム面(16)のロック解除用凹部(19)に入り込み、プーリ(5)から圧縮機(2)の回転軸(3)に対する動力伝達が遮断されるトルクリミッタの機能が果たされる。この結果、過負荷を受けたときでもプーリ(5)の回転が継続し、クランクシャフトの回転損失を生じることなく、プーリ(5)上でベルト(4)が滑らずに済んでベルト(4)の寿命が向上し、圧縮機(2)やベルト(4)を通じて連結される機器に悪影響を及ぼさずに済む。

次に、図４を参照して、カム面の寸法関係の好ましい条件を説明する。これらの条件が満たされることにより、上記の一方向クラッチの各機能（本来の一方向クラッチ機能、トルクリミッタ機能および出荷時の芯出し機能）が確実に発揮される。

まず、Ｒ０＜Ｒ５−ｄｗでかつＲ１＞Ｒ５−ｄｗとされている。ｄｗは、ころ(13)の径であり、Ｒ０は、カム面(16)のフリー位置の内径であり、Ｒ１は、カム面(16)のロック位置の内径であり、Ｒ５は、外輪(11)の内径である。前者の関係により、通常使用時に反駆動方向のトルクが入ると空転状態が得られ、後者の関係により、駆動方向にトルクが入るとロック状態が得られる。これらの条件は、一方向クラッチ(10)の本来機能としての必要条件である。

また、Ｒ２＞Ｒ５−ｄｗとされている。Ｒ２は、芯出し用凹部(20)の底の径であり、Ｒ２の位置にころ(13)が入ると、径方向ガタがなくなり、法線荷重が発生する。そして、外輪(11)と内輪(12)とが力の釣り合う位置、すなわち、対称の位置（１８０°離れた位置）の変形量が同じになり、外輪(11)と内輪(12)とで芯の出た状態になる。ここで、Ｒ２は、Ｒ１＞Ｒ２およびＲ３＞Ｒ２を満たすようになされている。Ｒ３は、芯出し用凹部(20)とロック解除用凹部(19)との間に形成された凸部の先端の径であり、これにより、ころ(13)は、出荷時にＲ２の位置で保持される。

上記Ｒ２を挟むＲ１とＲ３とは、Ｒ１＞Ｒ３とされている。これにより、Ｒ１部を通過するトルクよりＲ３部を通過するトルクの方が小さくなり、トルクリミッタが作動して、Ｒ１部を越えた場合、Ｒ３部も乗り越えることができ、Ｒ２の芯出し用凹部(20)で止まることはない。すなわち、Ｒ２部で止まってしまうと、中途半端にトルクが伝わり、トルク遮断ができなくなるが、トルクリミッタが作動するような過大トルクが入れば、Ｒ３部を必ず乗り越えてしまい、確実にＲ４のロック解除用凹部(19)まで移動する。

Ｒ４は、ロック解除用凹部(19)の底の径であり、このＲ４については、Ｒ４＜Ｒ５−ｄｗとされている。この結果、Ｒ４部にころ(13)が入れば、ころ(13)と外輪(11)との間にすきまが生じ、確実にトルクを遮断できる。

θは、くさび角（噛み込み状態になったときのころ(13)と内輪(12)の接触位置における接線ところ(13)と外輪(11)の接触位置における接線とがなす角）であり、θ＜１０°とされる。これにより、常温でμ（摩擦係数）＞tanθ／２となり、ころ(13)は、Ｒ０部（くさび状空間(17)の広い側）からＲ１部（くさび状空間(17)の狭い側）に移動して噛み込むことができ、一方向クラッチ機能が得られる。

さらに、δ１をＲ１部をころ(13)が乗り越えるときの変形量の限界値とし、δ２をＲ２部にころ(13)が入る場合すなわち一方向クラッチ出荷時の変形量の限界値として、Ｒ１−Ｒ５＋ｄｗ＜δ１およびＲ２−Ｒ５＋ｄｗ＜δ２とされている。δ１は、ロック・フリー機能に影響するような永久変形が出ないように、例えば鋼の場合、４０００ＭＰａ以下になる変形量とされる。δ２は、放置していても永久変形のおきない値とされ、例えば鋼の場合、面圧１０００ＭＰａ以下になる変形量とされる。

なお、上記実施形態において、一方向クラッチ(10)は、自動車のエアコンディショナ用の圧縮機用プーリユニット用として説明したが、一方向クラッチの用途はこれに限定されるものではない。また、上記の一方向クラッチは、内輪にカム面が形成されているものであるが、上記の芯出し用凹部を設ける構成は、外輪にカム面が形成されている一方向クラッチにも同様に適用することができる。

図１は、この発明による一方向クラッチが使用される１例である圧縮機用プーリユニット示す横断面図である。図２は、この発明による一方向クラッチの１実施形態を示す横断面図である。図３は、組立て前の一方向クラッチを示す横断面図である。図４は、一方向クラッチの各部の好ましい寸法を説明する図である。

符号の説明

(10) 一方向クラッチ
(11) 外輪
(12) 内輪
(13) ころ
(14) 保持器
(15) コイルばね（付勢部材）
(16) カム面
(18) ポケット
(19) ロック解除用凹部
(20) 芯出し用凹部

Claims

外輪、内輪、両軌道輪間に配された複数のころ、各ころを噛み込み方向へ付勢する付勢部材および各ころを保持するポケットを有する保持器を備えており、外輪および内輪のうちのいずれか一方の軌道輪に、ロック位置およびフリー位置を規定するカム面が形成されるとともに、カム面上のロック位置を越えた領域に、過負荷時にころが入り込むロック解除用凹部が形成されているトルクリミッタ付き一方向クラッチにおいて、
カム面上のロック位置とロック解除用凹部との間に、ころが両軌道輪間に隙間なく嵌め入れられることを可能とする芯出し用凹部が形成されていることを特徴とするトルクリミッタ付き一方向クラッチ。