JP2008185050A - 一方向クラッチ - Google Patents

Abstract

【課題】荷重の過大時に調心性がなくなって偏心し、くさび部材の空転位置でもロックしてしまい、くさび部材の付勢部材や保持器を破損するという問題を解消する。
【解決手段】プーリ４が中空軸３に対してロック方向に相対回転すると、係合ころ１３が、プーリ４の内周面１２と中空軸３のロック位置のカム面区間１１ａとの間のくさび状空間の狭い側に噛み込まれ、プーリ４と中空軸３とが一体となってロック状態となる。このとき、過大なプーリ荷重が負荷されたとしても、係合ころ１３は、ロック位置のカム面区間１１ａから傾斜面区間１１ｃを経由してアンロック位置のカム面区間１１ｂに至り、大きなクリアランスを得て、噛み込みが解除される。したがって、くさび状空間で係合ころ１３が詰まり、空転機能の低下、さらにひどい場合には、逆方向ロックで係合ころ１３が移動してコイルバネ１４や保持器１５を破損するという事態が未然に回避される。
【選択図】 図３

Description

本発明は一方向クラッチに関し、特にくさび部材を用いる一方向クラッチに関する。

一方向クラッチは、例えば自動車などのエンジンのクランクシャフトからベルトを介して駆動されるエンジン補機に装備するプーリユニットなどに内蔵される。エンジン補機としては、例えば、自動車のエアコンディショナ用圧縮機，ウォーターポンプ，オルタネータ，冷却ファン，クランクプーリなどがある。このようなプーリユニットには、回転変動を吸収する目的で一方向クラッチを内蔵したものがある（例えば、特許文献１参照）。例えば、オルタネータでは、プーリが、エンジンのクランクシャフトによりベルトを介して回転駆動されるため、クランクシャフトの回転数が低下するとオルタネータの発電効率が低下していたが、一方向クラッチを内蔵していれば、プーリの回転数が低下するときにオルタネータのロータ軸を自身の慣性力によって回転数を高域に維持させるように一方向クラッチを機能させることができるので、発電効率の向上に貢献できるようになる。また、クランクシャフトからの回転変動とオルタネータのロータ軸の慣性力とにより、ベルトにストレスがかかってベルト寿命が低下したり、スリップによる騒音が発生したりすることを防止できる。

従来の一方向クラッチでは、図５に示すように、内輪１０３の外周面に平坦面（ただし、偏心アールカム面は、広義に「平坦面」であるとみなす）であるカム面１１１が複数形成されていた。カム面１１１は、くさび部材である係合ころ１１３のロック位置のカム面区間の厚さａ（回転中心軸線Ｏを通る平行面からカム面区間までの距離）と、係合ころ１１３のアンロック位置のカム面区間の厚さｂとが等しくなっていた。

ここで、図６を参照して、一方向クラッチで噛み込みが生じる条件を検討すると、摩擦係数μと法線荷重Ｎとの積である摩擦力μＮが接線荷重Ｆより大きくなることが必要である。接線荷重Ｆは、法線荷重Ｎとくさび角θの１／２の正接ｔａｎ（θ／２）との積で表されるので、結局、摩擦係数μに対して、正接ｔａｎ（θ／２）が小さくなければならない。近年、エンジンの回転変動の増大により、摩擦係数μが低下する傾向があり、このため、くさび角θを次第に小さく設計せざるをえなくなってきている。

一方向クラッチのくさび角θは、噛み込み性を考えると小さいほうが望ましいが、くさび角θが小さくなるとトルクが同じでも法線荷重Ｎの比率が増大して面圧が高くなり、この結果、疲労寿命が短くなる。このため、噛み込み性と疲労寿命とは相反することになり、両者を考慮してくさび角θは、４度以上８度以下、好ましくは５度以上７度以下の範囲が適している。詳しくは、くさび角θを最小くさび角θｍｉｎである４度未満に設定すると、くさび状空間における狭い側と広い側との寸法偏差が小さくなり過ぎるために、ロック状態からアンロック状態へ切り替えるときに係合ころ１１３がロックしたままの状態になりやすくなる。一方、くさび角θを最大くさび角θｍａｘである８度を越えて設定すると、くさび状空間における狭い側と広い側との寸法偏差が大きくなり過ぎるために、アンロック状態からロック状態へ切り替えるときに係合ころ１１３が空転して遅れやすくなる。すなわち、噛み込み性を良くするには（滑りにくくするには）、くさび角θが小さいほうが有利であるため、くさび角θは８度以下の条件となる一方、カム面１１１の疲労寿命を長くするには、くさび角θが大きいほうが有利であるため、くさび角θは４度以上の条件となる。
特開２０００−２８３１８７号（図１，段落００１０〜００１１）

ところで、近年は、エンジンの回転変動が次第に大きくなる傾向があり、エンジンの回転変動が大きくなると慣性トルクが大きくなって、プーリに装架されるベルトの張力が大きくなり、プーリ荷重が大きくなる。このため、過大なプーリ荷重が負荷されることがあり、サポート軸受等の弾性変形により内輪１０３のカム面１１１に対してプーリ１０４の内周面１１２が偏心し、くさび状空間で係合ころ１１３が詰まり、空転機能が低下するばかりか、さらにひどい場合には、逆方向ロックの状態で係合ころ１１３が移動し、付勢部材１１４や保持器１１５を破損する場合がある。詳しくは、一方向クラッチは、空転するときには係合ころ１１３のクリアランスのために、外部から荷重がかかったならば、偏心してしまう。そのため、サポート軸受を設けて、空転時にも調心性を持たせている。それでも、外輪１０４への荷重が大きくなると、係合ころ１１３のクリアランスが詰まり、外輪１０４への荷重によって係合ころ１１３とサポート軸受とが弾性変形して偏心する。すると、図７に示すように、係合ころ１１３が移動して、空転時には偏心し、偏心すると空転位置でも逆方向にロックしてしまい、両方向ロックで一方向クラッチの機能を果たせなくなるという問題があった。さらに、逆方向ロックの状態で係合ころ１１３が移動すると、付勢部材１１４や保持器１１５を破損するという問題があった。

このような事態を解消するために、係合ころ１１３と外輪１０４の内周面１１２とのクリアランスを大きくすると、通常、平坦面であるカム面１１１では、くさび角θが大きくなってしまう。ただし、平坦面の確保に必要なカム面１１１は、最小くさび角θｍｉｎである４度以上のところであり、それ以下は制約されない。制約されないカム面１１１の形状を変え、クリアランスを大きくする一方、くさび角θが小さくなることを抑えるために、外輪１０４の内半径Ｒが小さく設計される傾向が顕著となる反面、係合ころ１１３の直径ｄが大きく設計されるとともにカム面１１１間の距離（二面幅）が増大するように設計がされる傾向がある。このため、係合ころ１１３の空転時のクリアランスがますます小さくなり、空転時に係合ころ１１３が逆方向ロックして付勢部材１１４や保持器１１５を破損する可能性が増大していた。

本発明の目的は、このような事情に鑑み、荷重過大時の空転機能の低下およびくさび部材による付勢部材や保持器の破損を回避できるようにした一方向クラッチを提供することにある。

課題を解決するための手段および発明の効果

請求項１記載の一方向クラッチは、同心状に配設される内輪および外輪をくさび部材を介して同期回転させるロック状態と相対回転させるアンロック状態とに切り替える一方向クラッチにおいて、前記くさび部材が係合するカム面における前記くさび部材のアンロック位置のカム面区間の厚さを、前記くさび部材のロック位置のカム面区間の厚さよりも小さくしたことを特徴とする。請求項１記載の一方向クラッチによれば、くさび部材が係合するカム面におけるくさび部材のアンロック位置のカム面区間の厚さを、くさび部材のロック位置のカム面区間の厚さよりも小さくしたことにより、くさび状空間でのくさび部材のラジアル方向のクリアランスを確保することができるので、空転時に過大なプーリ荷重が負荷され偏心しても、空転位置で逆方向にロックされてしまうという事態を未然に回避することができる。このため、逆方向ロックの状態でくさび部材が移動して、くさび部材により付勢部材や保持器が破損されることがなくなる。

請求項２記載の一方向クラッチは、請求項１記載の一方向クラッチにおいて、前記ロック位置のカム面区間が平坦面（ただし、偏心アールカム面は、広義に「平坦面」であるとみなす）であることを特徴とする。請求項２記載の一方向クラッチによれば、ロック位置のカム面区間が平坦面であるので、くさび部材の確実な噛み込みが期待できる。

請求項３記載の一方向クラッチは、請求項１または２記載の一方向クラッチにおいて、前記アンロック位置のカム面区間と前記ロック位置のカム面区間との間が傾斜面区間により繋がっていることを特徴とする。請求項３記載の一方向クラッチによれば、アンロック位置のカム面区間とロック位置のカム面区間との間が傾斜面区間により繋がっているので、くさび部材は、アンロック位置のカム面区間とロック位置のカム面区間との間で支障なく移動することができる。

請求項４記載の一方向クラッチは、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の一方向クラッチにおいて、前記アンロック位置のカム面区間でのクリアランスは、外輪とくさび部材とのラジアル方向の隙間と、想定される過大プーリ荷重での弾性変形量とを加算した距離以上であることを特徴とする。請求項４記載の一方向クラッチによれば、アンロック位置のカム面区間でのクリアランスが外輪とくさび部材とのラジアル方向の隙間と、想定される過大プーリ荷重での弾性変形量とを加算した距離以上であるので、くさび部材の両方向ロックという事態を確実に回避することができる。

なお、本発明の一方向クラッチは、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の一方向クラッチにおいて、前記傾き角が３度以上４度以下であることが望ましい。このような一方向クラッチによれば、傾き角が３度以上４度以下であるので、くさび角が４度以上８度以下のいずれにあっても、くさび部材のロックを確実に行うことができる。

荷重過大時に偏心し、くさび部材の空転位置でもロックしてしまい、くさび部材が付勢部材や保持器を破損するという問題を、くさび部材のアンロック位置のカム面区間の厚さを、ロック位置のカム面区間の厚さよりも小さくすることによって解決した。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る一方向クラッチ５を備えるプーリユニット１の側面断面図を示す。具体的には、一方向クラッチ５をエンジン補機としてのオルタネータ（図示せず）のプーリユニット１に組み込んだ例を示しており、プーリ４と中空軸３との間に、一方向クラッチ５を介装し、さらに一方向クラッチ５のアキシャル方向両側にサポート軸受としてころ軸受６および玉軸受７を配設している。この場合、プーリ４と中空軸３との回転差に応じて、一方向クラッチ５がアンロック状態とロック状態とに切り替わり、プーリ４から中空軸３へトルクを伝達させたり遮断させたりすることができる。

中空軸３は、オルタネータのロータ軸２に嵌められており、中空軸３と同心に配置されたプーリ４の外周に形成されたベルト掛け渡し部４ａには、エンジンのエンジンプーリに一端を装架されたベルトの他端が架け渡されている。

一方向クラッチ５は、くさび部材として係合ころ１３を用いる、いわゆるローラタイプのものであり、中空軸３とプーリ４のアキシャル方向中間部との間に配設されている。また、中空軸３とプーリ４の各端部寄り部分との間には、サポート軸受であるころ軸受６および玉軸受７が一方向クラッチ５を挟んで配設されている。そして、一方向クラッチ５の外輪，ころ軸受６の外輪および玉軸受７の外輪がプーリ４に一体化されているとともに、一方向クラッチ５の内輪，ころ軸受６の内輪および玉軸受７の内輪が中空軸３に一体化されている。

ころ軸受６および玉軸受７のさらにアキシャル方向外側には、シール部材８，９がそれぞれ配置されており、プーリユニット１の自由端側（図１で見て左側）には、プーリユニット１内部に泥水等の侵入を防止するために、さらに別のシール部材１０が配置されている。

一方向クラッチ５は、図２に示すように、くさび部材としての複数の係合ころ１３と、係合ころ１３をロック方向（くさび状空間の狭い側）に付勢する付勢部材としての楕円筒状のコイルバネ１４と、係合ころ１３をくさび状空間内に保持する保持器１５とを備えている。

中空軸３の外周面には、回転中心軸線Ｏを挟んで一対ずつ対向するように、４組合計８つのカム面１１が形成されている。中空軸３の外周面にカム面１１が設けられることにより、中空軸３には、一方向クラッチ５の内輪としての機能が付与され、中空軸３と一方向クラッチ５の内輪との一体化が果たされている。

図３に拡大して示すように、各カム面１１は、ロック位置のカム面区間１１ａと、アンロック位置のカム面区間１１ｂと、カム面区間１１ａ，１１ｂ間を繋ぐ傾斜面区間１１ｃとから形成さている。ロック位置のカム面区間１１ａとアンロック位置のカム面区間１１ｂとは、平坦面で形成されているが、ロック位置のカム面区間１１ａの厚さａ（回転中心軸線Ｏを通る平行面からカム面区間１１ａまでの距離）と、アンロック位置のカム面区間１１ｂの厚さｂ（回転中心軸線Ｏを通る平行面からカム面区間１１ｂまでの距離）とが異なっている。正確には、アンロック位置のカム面区間１１ｂの厚さｂがロック位置のカム面区間１１ａの厚さａより小さくなるように設定されている。また、ロック位置のカム面区間１１ａは、回転中心軸線Ｏを通りアンロック位置のカム面区間１１ｂに対して垂直な面から回転中心軸線Ｏを通り最小くさび角θｍｉｎ（＝４度）より小さい鋭角の傾き角ωだけ傾いた面によって規定される移行線１１ｄから確保されている。このように、ロック位置のカム面区間１１ａが確保されているので、係合ころ１３のロックを確実に行うことができる。なお、図３中、Ｒはプーリ４の円周面１２の半径を示し、ｄは係合ころ１３の直径を示す。

保持器１５は、合成樹脂で、プーリ４の内周面１２にほぼ沿った外周形状と中空軸３のカム面１１に沿った内周形状とを有するように円環状に形成されており、係合ころ１３を収納するための８つのポケット１６が穿設されている。保持器１５のポケット１６には、コイルバネ１４を位置決めするバネ受け突起１５ａ（図２参照）が周方向に突設されている。バネ受け突起１５ａは、コイルバネ１４の基端部を嵌着し、コイルバネ１４の中心軸方向を一定に保っている。保持器１５は、プーリ４と中空軸３との間に配置されており、配置された状態で、保持器１５とプーリ４の内周面１２との間には若干の間隙が設けられている。

コイルバネ１４は、ばね鋼線材を楕円筒形に巻回することにより形成されている。ただし、コイルバネ１４としては円筒形や角筒形としたものを用いることもできる。コイルバネ１４は、その基端部を保持器１５のバネ受け突起１５ａに嵌着されて保持器１５のポケット１６内に収められることによって、そのラジアル方向内方への移動に対する位置決めがなされ、プーリ４の内周面１２によって、そのラジアル方向外方への移動に対する位置決めがなされている。これらの位置決めによって、コイルバネ１４の中心軸は、図３に示すように、係合ころ１３の中心軸と略直交し、ロック位置のカム面区間１１ａおよびアンロック位置のカム面区間１１ｂと略平行に保たれている。

係合ころ１３は、保持器１５のポケット１６内にコイルバネ１４によってロック方向に付勢されて収納されている。この収納状態で、係合ころ１３は、中空軸３のカム面１１とプーリ４の内周面１２とによって形成されたくさび状空間内に配置されていることになる。プーリ４が中空軸３に対してロック方向に相対回転することにより、係合ころ１３が中空軸３とプーリ４との間に噛み込んでロック状態となり、アンロック方向に相対回転することにより、中空軸３とプーリ４との間での噛み込みを解除してアンロック状態となる。

プーリユニット１を組み立てる際には、玉軸受７の玉および保持器，一方向クラッチ５のコイルバネ１４および係合ころ１３，ころ軸受６のころおよび保持器の順に、プーリ４と中空軸３との間に挿入すればよい。各挿入作業時においてラジアル方向外側に作業用のスペースが確保され、組立て作業を容易に行うことができる。

なお、図３では、ロック位置のカム面区間１１ａが平坦面であるとしたが、図４に示すように、平坦面という概念には広義の偏心アールカム面が含まれるものとする。ロック位置のカム面区間１１ａが偏心アールカム面で形成され、平坦面から最大で距離δだけ離れていたとしても、移行線１１ｄから傾斜面区間１１ｃによって一段と低いアンロック位置のカム面区間１１ｂに繋がってさえいれば、平坦面であるロック位置のカム面区間１１ａと全く同様の作用効果を奏するからである。

次に、このように構成された実施例１に係る一方向クラッチ５の動作について、プーリユニット１の動作とともに説明する。

まず、プーリ４が中空軸３に対してロック方向に相対回転すると、係合ころ１３が、コイルバネ１４を伸長させる方向に移動して、プーリ４の内周面１２と中空軸３のロック位置のカム面区間１１ａとの間のくさび状空間の狭い側に噛み込まれる。これにより、係合ころ１３を介してプーリ４と中空軸３との間でトルクの伝達が行われて、プーリ４と中空軸３とが一体となって回転する。すなわち、一方向クラッチ５がロック状態になる。

他方、プーリ４が中空軸３に対してアンロック方向に相対回転すると、例えば、中空軸３が高速回転となり、プーリ４の回転が停止されると、係合ころ１３は、コイルバネ１４を圧縮しながら、ロック位置のカム面区間１１ａから外れて傾斜面区間１１ｂを経由してアンロック位置のカム面区間１１ｂに至り、プーリ４の内周面１２と中空軸３のアンロック位置のカム面区間１１ｂとの間で遊嵌状態となる。これにより、係合ころ１３を介するプーリ４と中空軸３との間でのトルクの伝達が遮断されて、一方向クラッチ５がアンロック状態になる。このとき、玉軸受７ところ軸受６とが、一方向クラッチ５の両側でラジアル荷重を支持するので、一方向クラッチ５では噛み合い性能と耐久性とを良好に維持することができる。

実施例１によれば、ロック位置のカム面区間１１ａの厚さａよりもアンロック位置のカム面区間１１ｂの厚さｂを小さくしたことにより、くさび状空間での係合ころ１３のラジアル方向のクリアランスを確保することができるので、空転時には過大なプーリ荷重が負荷され偏心しても、空転位置で逆方向にロックされてしまうという事態を未然に回避することができる。このため、逆方向ロック状態で係合ころ１３が移動して、コイルバネ１４や保持器１５が破損されるおそれもなくなる。

また、実施例１によれば、アンロック位置のカム面区間１１ｂとロック位置のカム面区間１１ａとの間が傾斜面区間１１ｃにより繋がれているので、アンロック位置のカム面区間１１ｂとロック位置のカム面区間１１ａとの間を係合ころ１３が支障なく移動することができる。

さらに、実施例１によれば、アンロック位置のカム面区間１１ｂでのクリアランスが、プーリ４と係合ころ１３とのラジアル方向の隙間と、想定される過大プーリ荷重での弾性変形量とを加算した距離以上であるので、係合ころ１３の両方向ロックという事態を確実に回避することができる。

以上、本発明の実施例について説明したが、これはあくまでも例示にすぎず、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。

例えば、実施例では、カム面１１を内輪（中空軸３）の外周面に形成した例を挙げたが、外輪（プーリ４）の内周面にカム面を設けたものにも本発明を適用できる。

また、実施例では、付勢部材をコイルバネ１４としたが、コイルバネ１４の代わりに、板バネや皿バネなどの他の付勢部材を用いることも可能である。

さらに、実施例では、くさび部材が係合ころ１３である場合を示したが、くさび部材は玉等の他のくさび部材を使用することもできる。

本発明の実施例１に係る一方向クラッチを備えるプーリユニットを示す側面断面図。 一方向クラッチの正面断面図。 実施例１においてアンロック位置のカム面の厚さをロック位置のカム面の厚さよりも小さくしたことを説明する模式図。 平坦面という概念に広義の偏心アールカム面が含まれることを説明する図。 従来のロック位置のカム面の厚さとアンロック位置のカム面の厚さとの関係を説明する模式図。 摩擦係数とくさび角との関係を説明する図。 従来の一方向クラッチで生じる不具合を説明する模式図。

符号の説明

１ プーリユニット
３ 中空軸（内輪）
４ プーリ（外輪）
５，５０ 一方向クラッチ
６ ころ軸受
７ 玉軸受
１１ カム面
１１ａ ロック位置のカム面区間
１１ｂ アンロック位置のカム面区間
１１ｃ 傾斜面区間
１１ｄ 移行線
１２ 内周面
１３ 係合ころ（くさび部材）
１４ コイルバネ（付勢部材）
１５ 保持器

Claims (4)

1. 同心状に配設される内輪および外輪をくさび部材を介して同期回転させるロック状態と相対回転させるアンロック状態とに切り替える一方向クラッチにおいて、
   前記くさび部材が係合するカム面における前記くさび部材のアンロック位置のカム面区間の厚さを、前記くさび部材のロック位置のカム面区間の厚さよりも小さくしたことを特徴とする一方向クラッチ。
2. 前記ロック位置のカム面区間が平坦面（ただし、偏心アールカム面は、広義に「平坦面」であるとみなす）である請求項１記載の一方向クラッチ。
3. 前記アンロック位置のカム面区間と前記ロック位置のカム面区間との間が傾斜面区間により繋がっている請求項１または２記載の一方向クラッチ。
4. 前記アンロック位置のカム面区間でのクリアランスは、前記外輪と前記くさび部材とのラジアル方向の隙間と、想定される過大プーリ荷重での弾性変形量とを加算した距離以上である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の一方向クラッチ。

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