JP2008082514A - 一方向クラッチおよび一方向クラッチ用リボンスプリング - Google Patents

Abstract

【課題】 噛み合い性と空転時のトルク損失の低減とを両立させた一方向クラッチを提供する。
【解決手段】 噛み込み部材がスプラグ14、付勢部材がリボンスプリング15とされているスプラグ式の一方向クラッチ11であって、リボンスプリング15は、外径側のステンレス鋼層21および内径側の炭素鋼層22からなる二層の金属で形成されており、外径側が線膨張係数大とされている。
【選択図】 図３

Description

この発明は、自動車のスタータ、トルクコンバータなどの動力伝達装置で使用される一方向クラッチおよび一方向クラッチ用リボンスプリングに関する。

自動車のスタータ装置では、エンジンの駆動部とスタータモータの回転軸とを連結する部分に一方向クラッチが設けられており、このような一方向クラッチとしては、内輪、外輪、両輪間に配された複数の噛み込み部材としてのころ、各ころを噛み込み方向へ付勢する付勢部材としてのコイルばねおよび複数のころを保持する保持器を備えたもの（特許文献１）や、内輪、外輪、両輪間に配された複数の噛み込み部材としてのスプラグ、各スプラグを噛み込み方向へ付勢する付勢部材としてのリボンスプリングおよび複数のスプラグを保持する保持器を備えたもの（特許文献２）などが知られている。
特開２００３−１５６０７５号公報 実開平５−８６０４４号公報

この種の一方向クラッチでは、噛み込み部材を両輪間に確実に噛み合わせてロック状態とするためには、付勢部材の付勢力は大きい方が好ましいが、付勢力を大きくすると、空転時のトルク損失が大きくなるという問題があり、噛み合い性と空転時のトルク損失の低減とを両立させることは極めて難しい課題となっている。

この発明の目的は、噛み合い性と空転時のトルク損失の低減とを両立させた一方向クラッチを提供することにある。

この発明の他の目的は、噛み合い性と空転時のトルク損失の低減とを両立させたスプラグ式一方向クラッチ用リボンスプリングを提供することにある。

この発明による一方向クラッチは、内輪、外輪、両輪間に配された複数の噛み込み部材、各噛み込み部材を噛み込み方向へ付勢する付勢部材および複数の噛み込み部材を保持する保持器を備えた一方向クラッチにおいて、付勢部材は、温度変化によってその付勢力が変化する材料で形成されていることを特徴とするものである。

一方向クラッチは、噛み込み部材がころで、付勢部材がコイルばねのもの（ころ式）であってもよく、噛み込み部材が、スプラグで、付勢部材がリボンスプリングのもの（スプラグ式）であってもよい。

温度変化によってその付勢力が変化する材料は、例えば、形状記憶合金とされる。形状記憶合金製の付勢部材（コイルばねまたはリボンスプリング）は、高温時に伸び、低温時に縮むものでもよく、高温時に縮み、低温時に伸びるものでもよい。

通常、一方向クラッチしたがって付勢部材の温度は、始動時または低速回転時に低く、高速回転時に高くなることから、一方向クラッチは、相対的に低温時に噛み合い、相対的に高温時に空転する（逆の場合もあり）という条件で使用される。この発明による一方向クラッチは、噛み合い時と空転時とで温度が異なるという条件を活用したものである。

例えば、自動車のスタータで使用される一方向クラッチの場合、噛み合い初期時すなわちエンジンスタート時では、潤滑剤（潤滑油またはグリース）の温度が低いことから、付勢部材の温度も低くなっており、空転時すなわちエンジンスタート後は、潤滑剤の温度が高くなり、これに伴って付勢部材の温度も高くなる。そこで、形状記憶合金製の付勢部材を低温時に付勢力大で高温時に付勢力小、すなわち、高温時にコイルばねまたはリボンスプリングの自然長（荷重が無負荷の時のばね長さ）を短くして、付勢力（締め代）を低下させるように成形することで、噛み合い性と空転時のトルク損失の低減とを両立させることができる。その結果、噛み合い性を維持して空転時のトルク損失を低減することが可能となり、逆に、トルク損失を維持して噛み合い性を向上させることも可能となる。

上記の低温時に付勢力大で高温時に付勢力小とした形状記憶合金製の付勢部材は、噛み合い初期時に相対的に低温であり、空転時に相対的に高温となる一方向クラッチで使用され、噛み合い初期時に相対的に高温であり、空転時に相対的に低温となる一方向クラッチでは、高温時に付勢力大で低温時に付勢力小とした形状記憶合金製の付勢部材が使用される。

なお、形状記憶合金には、一方向性のもの（変態温度以上に加熱されて変形状態から記憶形状に戻った後、変態温度以下に冷却されても記憶形状のまま保たれる）と、二方向性のもの（変態温度以上に加熱されて変形状態から記憶形状に戻った後、変態温度以下に冷却された場合に、変形状態となる）とがあり、上記材料としては、二方向性のものが適している。

スプラグ式の一方向クラッチでは、温度変化によってその付勢力が変化する材料で形成されている付勢部材（リボンスプリング）は、次のような形状とすることもできる。

すなわち、リボンスプリングは、少なくともスプラグを付勢する部分が線膨張係数が異なる二層の金属で形成されていることがあり、リボンスプリングの内径側および外径側のいずれか一方少なくともスプラグを付勢する部分に母材とは線膨張係数が異なる表面処理層が形成されていることがある。

二層の金属で形成されているリボンスプリングでは、外周面を形成する材料が内周面を形成する材料よりも大きな線膨張係数を有しているものとされ、例えば、外径側にステンレス鋼（線膨張係数：１６×Ｅ−６）が、内径側にこれより線膨張係数の低い炭素鋼（線膨張係数：１１．５×Ｅ−６）が使用され、両材料は、焼結、溶接などによって結合される。低温時の締め代を従来と同じに設定すると、高温時には、線膨張係数の違いによりばねが収縮するため、ばねの締め代が小さくなり、これにより、噛み合い性（低温時の締め代）を維持したままで、高温時空転トルク（高温時の締め代）を低減することができる。

リボンスプリング全体が二層の金属で形成されていてもよく、スプラグを付勢する付勢部だけが二層の金属で形成されていてもよい。また、二層の内の一層を形状記憶合金製としてもよい。

表面処理層が形成されているリボンスプリングでは、表面処理層は、各種金属メッキ、ＴｉＮ（チタンナイトライド）、ＣｒＮ（クロムナイトライド）、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）などの硬質皮膜コーティング処理とすることが可能であり、母材の内径側および外径側のいずれに表面処理層を設けるかは、母材および表面処理層の線膨張係数の大小関係（線膨張係数の小さいものが内径側）による。

この発明による一方向クラッチ用リボンスプリングは、スプラグ式の一方向クラッチでスプラグをロック方向に付勢するリボンスプリングであって、少なくともスプラグを付勢する部分が線膨張係数が異なる二層の金属で形成されていることを特徴とするものである。

この発明の一方向クラッチによると、温度変化によって付勢力が変化する材料によって付勢部材が形成されていることにより、噛み合い時（例えば低温時）に付勢力を大きくして、空転時（例えば高温時）に付勢力を小さくすることができ、噛み合い性と空転時のトルク損失の低減とを両立させることができる。

また、この発明の一方向クラッチ用リボンスプリングによると、少なくともスプラグを付勢する部分が線膨張係数が異なる二層の金属で形成されていることにより、噛み合い時（例えば低温時）に付勢力を大きくして、空転時（例えば高温時）に付勢力を小さくすることができ、スプラグ式一方向クラッチにおける噛み合い性と空転時のトルク損失の低減とを両立させることができる。

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、この発明による一方向クラッチの第１実施形態を示している。この一方向クラッチ(1)は、エンジンの駆動部とスタータモータの回転軸とを連結する部分に配置されるもので、スタータモータの回転軸に嵌められる中空状の内輪(2)とこれと同心に配置されたプーリを兼ねる外輪(3)とを備えている。

一方向クラッチ(1)は、外輪(3)の内周面に設けられたカム面(7)と、カム面(7)と内輪(2)の外周面とによって形成された楔状空間(8)内に配置され、内輪(2)と外輪(3)とが一の方向（ロック方向）に相対回転することにより内輪(2)と外輪(3)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(4)と、ころ(4)を噛み込み方向（楔状空間(8)の狭い側）に付勢する付勢部材としてのコイルばね(5)と、ころ(4)およびコイルばね(5)を収納するポケットを有しておりころ(4)を楔状空間(8)内に位置させる保持器(6)とを備えている。

コイルばね(5)以外のものは、従来と同じ構成とされており、コイルばね(5)については、従来、ステンレス鋼などの金属ばねとされていたのに対し、Ｔｉ−Ｎｉ合金などの形状記憶合金製とされている。この形状記憶合金製コイルばね(5)は、二方向性のものであり、図２に示すように、記憶形状では自然長が相対的に短く形成され（図２（ａ））、自然長が相対的長くなるように変形させられる（図２（ｂ））。このコイルばね(5)は、低温時に従来のコイルばねと同じ弾性力が得られるように圧縮状態（押しばね）で使用される。そして、高温になる（変態温度以上に加熱する）と、コイルばね(5)は、記憶形状に戻り（図２（ｃ））、その自然長が短くなることで弾性力が低下する。その後、温度が低下する（変態温度以下に冷却する）と、コイルばね(5)は、その二方向性により、変形形状に戻る（図２（ｄ））。

この一方向クラッチ(1)によると、まず、始動時においては、スタータモータの回転軸と一体の内輪(2)が反時計回りに回転させられる。これにより、一方向クラッチ(1)の内輪(2)が反時計回りに回転し、一方向クラッチ(1)の楔状空間(8)の狭い側にころ(4)が噛み込まれ、駆動力が伝達されて、内輪(2)と外輪(3)とが一体となって回転する（ロック状態）。外輪(3)はベルトを介してクランクシャフトに接続されており、外輪(3)の回転によってエンジンが始動する。エンジンが始動すると、スタータが停止し、外輪(3)は反時計方向の回転を続ける。これにより、ころ(4)の噛み込みが解除され、外輪(3)だけが回転する状態が継続され、エンジンの高速回転時、ころ(4)は、内輪(2)と非接触状態となる（空転状態）。こうして、外輪(3)が所定回転速度以上になると、外輪(3)だけが回転することになり、エンジンの駆動に寄与しない部分が回転することに伴うエネルギロスを抑えることができる。

エンジン始動時は、一方向クラッチ(1)は低温状態であり、形状記憶合金製コイルばね(5)は、通常のばねと同様の作用を行い、ころ(4)を噛み合い状態に維持する。エンジンが高速回転に移行すると、一方向クラッチ(1)は高温状態となり、形状記憶合金製コイルばね(5)は、記憶形状すなわち自然長が短い状態に復帰し、これにより、ころ(4)を噛み合い方向に付勢する力が減少し、空転時のトルクが大幅に減少させられる。こうして、噛み合い時はコイルばね(5)の付勢力を確保した上で、空転時のコイルばね(5)の付勢力を小さくすることができ、噛み合い性と空転時のトルク損失の低減とが両立する。

図３は、この発明による一方向クラッチの第２実施形態を示している。この一方向クラッチ(11)は、エンジンの駆動部とスタータモータの回転軸とを連結する部分に配置されるもので、内輪(12)および外輪(13)と、これらの間に形成される環状空間(18)に配置される複数のスプラグ(14)と、各スプラグ(14)をロック側に付勢するリボンスプリング(15)と、各スプラグ(14)を収容するポケットが形成された内外１対の保持器(16)(17)とを備えている。

各スプラグ(14)には、内輪(12)の外周面に接するカム面(14a)と、外輪(13)の内周面に接するカム面(14b)とがそれぞれ形成されており、内輪(12)と外輪(13)とが図中矢印Ｌで示す方向に相対回転した時に各スプラグ(14)が内輪(12)と外輪(13)との間に噛み合ってトルクを伝達するが、図中矢印Ｆで示すその逆方向への相対回転時には各スプラグ(14)が噛み合うことなく、内輪(12)と外輪(13)とが相対的に空転するようになっている。ここで、リボンスプリング(15)は、各スプラグ(14)を傾斜するように付勢することで、ロック動作を確実にするもので、スプラグ(14)を挿入するためのポケット(15a)および各ポケット(15a)ごとに設けられてスプラグ(14)を付勢する付勢部(15b)を有している。

リボンスプリング(15)は、外径側のステンレス鋼層(21)と、内径側の炭素鋼層(22)とからなる。ステンレス鋼層(21)の線膨張係数は、１６×Ｅ−６であり、炭素鋼層(22)の線膨張係数は、１１．５×Ｅ−６であり、外径側が線膨張係数大となっている。

図４（ａ）に示すように、リボンスプリング(15)の付勢部(15b)は、スプラグ(14)に対して所定の締め代（フリー状態の付勢部(15b)の長さ−スプラグ(14)を押している時の付勢部(15b)の長さ）Ｓ１を有している。この締め代Ｓ１は、エンジン始動時の外気温に相当する相対的に低い温度で適正な値となるように設定されている。一方向クラッチ(11)が高温になると、外径側のステンレス鋼層(21)の伸び量が内径側の炭素鋼層(22)の伸び量よりも相対的に大きいことから、リボンスプリング(15)の付勢部(15b)は、図４（ｂ）に示すように、内径側に曲がり、締め代Ｓ２が低温時に比べて減少し、この結果、押し付け荷重が減少する。

自動車のスタータの場合、その使用温度領域は、−３０℃〜＋１５０℃程度（最高温度と最低温度との差が約１８０℃）であり、リボンスプリング(15)の付勢部(15b)の有効長（熱膨張に効果のある長さ）は約２ｍｍである。したがって、ステンレス鋼層(21)と炭素鋼層(22)との膨張量の差は、（１６×Ｅ−６×１８０℃−１１．５×Ｅ−６×１８０℃）×２ｍｍ＝１．６２μｍとなる。リボンスプリング(15)の付勢部(15b)の締め代Ｓ１は、通常、０．５〜１．０ｍｍであるが、この膨張量の差を考慮すると、０．４ｍｍ程度（比率にして４０〜８０％程度）減少することができ、これにより、噛み合い性を維持したままで、高温時空転トルクを低減（４０〜８０％程度）することができる。なお、二層をステンレス鋼層(21)および炭素鋼層(22)からなるものとするのは、１例であり、各層(21)(22)の材料は、温度上昇時に外径側の層(21)の伸び量が内径側の層(22)の伸び量よりも相対的に大きいという条件を満たすものの中から適宜選択することができる。

この一方向クラッチ(11)によると、まず、始動時においては、スタータモータの回転軸と一体の内輪(12)が時計回りに回転させられる。これにより、スプラグ(14)が内輪(12)と外輪(13)との間に噛み込まれ、駆動力が伝達されて、一方向クラッチ(11)の内輪(12)と外輪(13)とが一体となって回転する（ロック状態）。外輪(13)はクランクシャフトに接続されており、外輪(13)の回転によってエンジンが始動する。エンジンが始動すると、スタータが停止し、外輪(13)は時計方向の回転を続ける。これにより、スプラグ(14)の噛み込みが解除され、外輪(13)だけが回転する（空転状態）。

エンジン始動時は、一方向クラッチ(11)は低温状態であり、リボンスプリング(15)は、同じ材料だけからなるリボンスプリングと同様の作用を行い、スプラグ(14)を噛み合い状態に維持する。エンジンが高速回転に移行すると、一方向クラッチ(11)は高温状態となり、リボンスプリング(15)は、線膨張率が異なる二層(21)(22)からなることに起因して、その付勢部(15b)の締め代が小さくなり、これにより、スプラグ(14)を噛み合い方向に付勢する力が減少し、空転時のトルクが大幅に減少させられる。こうして、噛み合い時はリボンスプリング(15)の付勢力を確保した上で、空転時のリボンスプリング(15)の付勢力を小さくすることができ、噛み合い性と空転時のトルク損失の低減とが両立する。

なお、上記第２実施形態において、リボンスプリング(15)全体を二層としてもよいが、付勢部(15b)のみを二層としてもよい。また、金属の二層に代えて、母材となる金属の表面に線膨張率が母材と異なる硬質膜などをコーティングするようにしてもよい。また、図１に示したころ式の一方向クラッチは、外輪にカムが形成されているものであるが、ころ式の一方向クラッチは、内輪にカムが形成されているものとすることもできる。

図１は、この発明による一方向クラッチの第１実施形態を示す横断面図である。 図２は、第１実施形態で使用されるコイルばねの特徴を模式的に示す図である。 図３は、この発明による一方向クラッチの第２実施形態を示す横断面図である。 図４は、第２実施形態で使用されるリボンスプリングの特徴を模式的に示す図である。

符号の説明

(1)(11) 一方向クラッチ
(2)(12) 内輪
(3)(13) 外輪
(4) ころ（噛み込み部材）
(5) コイルばね（付勢部材）
(6) 保持器
(14) スプラグ（噛み込み部材）
(15) リボンスプリング（付勢部材）
(16) 保持器

Claims (4)

1. 内輪、外輪、両輪間に配された複数の噛み込み部材、各噛み込み部材を噛み込み方向へ付勢する付勢部材および複数の噛み込み部材を保持する保持器を備えた一方向クラッチにおいて、
   付勢部材は、温度変化によってその付勢力が変化する材料で形成されていることを特徴とする一方向クラッチ。
2. 付勢部材は、形状記憶合金で形成されていることを特徴とする請求項１の一方向クラッチ。
3. 噛み込み部材がスプラグ、付勢部材がリボンスプリングとされており、リボンスプリングは、少なくともスプラグを付勢する部分が線膨張係数が異なる二層の金属で形成されていることを特徴とする請求項１の一方向クラッチ。
4. スプラグ式の一方向クラッチでスプラグをロック方向に付勢するリボンスプリングであって、少なくともスプラグを付勢する部分が線膨張係数が異なる二層の金属で形成されていることを特徴とする一方向クラッチ用リボンスプリング。

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