JP2009127773A - 電磁クラッチ - Google Patents

Abstract

【課題】電磁石を小型化でき、あるいは電流量を低減できる電磁クラッチを提供する。
【解決手段】第１のピストン１６を前後動自在に収容しているシリンダ部７と、第１のピストンとは反対側に前後動自在に嵌合された第２のピストン１８と、シリンダ部の内部を第１のピストン側の第１流体室と、第２ピストン側の第２流体室と、これらを区画する隔壁部１５と、各流体室を連通させる流通路１４と、これらの流体室に封入された磁気粘性流体と、磁気粘性流体に磁場を与えてその流動を阻止する固化手段と、第２のピストンと一体化され、かつ電磁石２によって磁気吸引される第１のアーマチュアと、電磁石と第１のアーマチュアとの間に配置され、閉磁路を形成するように磁気を透過させるよう構成され、かつシリンダ部に一体化された第２のアーマチュア６とを備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、クラッチにおける摩擦板などの所定の対象物を押圧させて係合させる電磁クラッチに関し、特に電磁石の通電によって対象物を実際に押圧するピストンの先端位置を調整する機構を備えた電磁クラッチに関するものである。

従来、電磁石を使ってアーマチュアを吸引することにより摩擦板を接触させるように構成された装置が知られている。その一例が特許文献１に記載されており、この特許文献１に記載された電磁摩擦クラッチは、電磁石のエアギャップを自動調整することを目的とするものであり、電磁石によってアーマチュアをリターンスプリングに抗して吸引することにより摩擦クラッチを締結させるように構成され、さらにその電磁石についてのエアギャップを広げる方向への電磁石の移動を許容し、これとは反対の方向への移動を阻止する回転駒が設けられている。

また従来、電磁クラッチの締結力発生のための磁気粘性流体を設けることも行われており、その例が特許文献２に記載されている。その電磁クラッチは、入力継手部材と出力継手部材とを対向させて配置するとともに、それらの継手部材の間に磁性反応媒体を充填し、その磁性反応媒体を磁場を掛けて粘性剪断力を増大させることにより、入力継手部材と出力継手部材との間でトルク伝達するように構成されている。なお、アーマチュアを二分割した構成の電磁ブレーキが特許文献３に記載されている。

特開２００４−２３２８３５号公報 特開２００２−３６８９８号公報 実開平５−６２７４７号公報

摩擦板などの対象物を押圧する場合、電磁石およびアーマチュアからなるアクチュエータ、あるいは流体圧シリンダやボールネジなどからなるアクチュエータと、対象物との距離（間隔）は設計の上では所定の値に決められているが、組み付け誤差や摩耗などが原因で、設計上の値とは異なる場合がある。上述した特許文献１に記載された装置は、そのように誤差を自動的に調整して、エアギャップを目標値に収めるように構成されている。しかしながら、特許文献１に記載されているような摩擦クラッチにおいては、摩擦板の押圧を解除する解放制御をリターンスプリングによって行うようになっており、したがって摩擦クラッチを係合させるための推力（電磁力）は、リターンスプリングの弾性力に抗してアーマチュアを前進させるのに充分に大きい推力が必要である。特に係合制御の開始当初は、アーマチュアがリターンスプリングによって押し戻されて電磁石から大きく離れ、両者の間隔であるエアギャップが大きくなっているから、電磁石に流す電流に対して、アーマチュアに作用する磁気吸引力が相対的に弱くならざるを得ない。そのために従来では、必要十分な磁気吸引力を発生させるために、大型の電磁石を必要としたり、電流量を多くしなければならないなどの可能性があった。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであって、電磁石を小型化でき、あるいは電流量を低減できる電磁クラッチを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、電磁石によって磁気的に吸引されるアーマチュアと共に第１のピストンを前進させて該第１のピストンにより摩擦板を押圧する電磁クラッチにおいて、前記第１のピストンを前後動自在に収容しているシリンダ部と、そのシリンダ部の前記第１のピストンとは反対側に前後動自在に嵌合された第２のピストンと、前記シリンダ部の内部を前記第１のピストン側の第１流体室と、前記第２ピストン側の第２流体室と、これらを区画する隔壁部と、前記各流体室を連通させる流通路と、これらの流体室に封入された磁気粘性流体と、前記磁気粘性流体に磁場を与えてその流動を阻止する固化手段と、前記第２のピストンと一体化され、かつ前記電磁石によって磁気吸引される第１のアーマチュアと、前記電磁石と前記第１のアーマチュアとの間に配置され前記電磁石と前記第１のアーマチュアとの間に閉磁路を形成するように磁気を透過させるよう構成され、かつ前記シリンダ部に一体化された第２のアーマチュアとを備えていることを特徴とする電磁クラッチである。

請求項２の発明は、前記第１のピストンを前記摩擦板から離れる方向に弾性的に押圧する第１のリターンスプリングと前記シリンダ部を前記摩擦板から離れる方向に弾性的に押圧する第２のリターンスプリングとをさらに備え、前記第１のリターンスプリングの弾性力が前記第２のリターンスプリングの弾性力よりも小さく設定されていることを特徴とする電磁クラッチである。

請求項３の発明は、前記第１のピストンの第１流体室における受圧面積が前記第２のピストンの第２流体室における受圧面積よりも小さく設定されていることを特徴とする電磁クラッチである。

請求項１の発明によれば、係合制御の開始当初は第１のアーマチュアが電磁石によって吸引されて前進するが、その際には第２のピストンおよび磁気粘性流体を介して第１のピストンを摩擦板に向けて前進させ、かつ当接させるだけであるから、エアギャップが大きいとしても小さい電磁気力で第１のアーマチュアを前進させることができる。第１のアーマチュアが電磁石側にある程度移動すると、両者の間に配置されている第２のアーマチュアに第１のアーマチュアが当接して両者が一体となる。

その結果、第２のアーマチュアおよびこれと一体のシリンダ部に対し、これを摩擦板側に押圧する推力が作用する。したがってその時点で固化手段により磁気粘性流体を固化させておくことにより、シリンダ部と第１のピストンとが一体化され、第１のピストンを介して摩擦板に対してこれを摩擦接触させる押圧力が作用し、摩擦板が係合させられる。このように第２のアーマチュアが摩擦板側に押圧される時点では、第１のアーマチュアと電磁石との間のエアギャップが小さくなっているので、小さい電流であっても磁気吸引力が大きく、必要十分な摩擦係合力を生じさせることができる。このように係合制御の開始から係合完了までの間のいずれにおいても電磁石で生じさせる磁気力を大きくさせる要因がないので、電磁石を小型化でき、また電流を下げることができる。

請求項２の発明によれば、第１のリターンスプリングの弾性力が第２のリターンスプリングの弾性力よりも小さく設定されているので、第１のリターンスプリングに掛かる第１のピストンをまず摩擦板に接近させ、次に第２のリターンスプリングに掛かるシリンダ部を摩擦板に接近させることができる。また、第１のアーマチュアを前進させるための電磁気力を相対的に小さくでき、この点においても電磁石を小型化でき、また電流を下げることができる。

請求項３の発明によれば、第１のピストンの第１流体室における受圧面積が第２のピストンの第２流体室における受圧面積よりも小さく設定されているので、第１ピストンのストローク量を第２ピストンのストローク量よりも大きくすることができ、したがってクラッチ解放時の引き摺りを低減でき、また応答性が向上する。

以下、この発明を実施する最良の形態について説明する。図１には、電磁クラッチを適用した第１の実施例を示してある。ここに示す第１の実施例における電磁クラッチ１は電磁石２とこれに吸引される第１のアーマチュア（図にはアーマチュア１と記す）３とによって推力を発生するように構成されている。電磁石２は、全体として環状を成しかつ周辺部分の断面が、軸線方向に開いたコ字状を成すヨーク４と、通電することにより磁界を発生する電磁コイル（以下、仮にメインコイルと記す）５とを備えている。そのメインコイル５はヨーク４の内部にはめ込まれた状態になっている。

第１のアーマチュア３は、ヨーク４に対向するように備えられ、この第１のアーマチュア３に隣接し、かつ第１のアーマチュア３とヨーク４との間に第２のアーマチュア（図にはアーマチュア２と記す）６が設けられている。そして、この第２のアーマチュア６の中央部にはヨーク４に対向するように非磁性体であるたとえば樹脂６ａが嵌め込まれている。すなわち、メインコイル５との間に閉磁性を形成しないようになっている。

そして、第１のアーマチュア３の外周端に一体化させられているシリンダ部７を備えている。そのシリンダ部７は、内筒部７ａとそれより大径の外筒部７ｂとを備え、全体として環状を成し、かつ周辺部分が中空形状を成している。

このシリンダ部７は、ヨーク４の外周側の少なくとも一部を被うように配置されており、その先端部に薄板状のリテーナ８が取り付けられている。このリテーナ８に対向する他のリテーナ９が、電磁石２を保持している所定の固定部１０に固定されている。そして、これらのリテーナ８，９の間に第１及び第２のリターンスプリング１１，１２が配置されている。この第１及び第２のリターンスプリング１１，１２は、第１と第２のアーマチュア３，６が電磁石２によって吸引されて前進された場合に圧縮され、電磁石２による吸引力（アーマチュア３，４の推進力）がなくなった場合にアーマチュア３，４を元の初期位置に押し戻す弾性力を発生するように構成されている。

ここで図２、図３に示すように、第１のアーマチュア３に掛かり、後述する第１のピストンを後述する摩擦板から離れる方向に弾性的に押圧する第１のリターンスプリング１１の弾性力は小さく、一方、第２のアーマチュア６に掛かり、シリンダ部７を摩擦板から離れる方向に弾性的に押圧する第２のリターンスプリング１２の弾性力は大きく設定されている。

前記シリンダ部７の内部で軸線方向でのほぼ中央部に電磁石１３が固定されている。この電磁石１３は、前記内筒部７ａの外周面に固定したベースリング１３ａと、その外周側に嵌合させた電磁コイル（以下、仮にサブコイルと記す）１３ｂと、そのサブコイル１３ｂを被うフレーム部材１３ｃとを備えている。なお、ベースリング１３ａとサブコイル１３ｂおよびフレーム部材１３ｃとの間には僅かな隙間が開いていて、この隙間が後述する磁性流体もしくは磁気粘性流体のための流路１４ａとなっている。したがってベースリング１３ａ、サブコイル１３ｂ、フレーム部材１３ｃが隔壁部１５を形成している。

上記のシリンダ部７の内部で前記電磁石１３を挟んだ一方（図１の右側）には、第１ピストン１６が液密状態を維持して前後動するように嵌め込まれている。それに伴って電磁石１３と第１ピストン１６との間に第１ピストン室１７が形成されている。また、上記のシリンダ部７の内部で前記電磁石１３を挟んだ他方（図１の左側）には、第２ピストン１８が液密状態を維持して前後動するように嵌め込まれている。それに伴って電磁石１３と第２ピストン１８との間に第２ピストン室１９が形成されている。

そして、第１ピストン室１７に連通するアキュームレータ２０が設けられている。このアキュームレータ２０は緩衝部材として機能するものであって、図においては、第２ピストン１８の内部に形成されている。そして、シリンダ部７の内部すなわち前記第１ピストン室１７および第２ピストン室１９ならびに流路１４の内部に磁性流体が充填されている。なお、前記流路１４ａは、各ピストン室１７，１９を連通させる流路１４の絞りとして機能するようになっており、また、アキュームレータ２０と第２ピストン室１９とを連通させる流路１４ｂはこれらの間の絞りとして機能するようになっている。各絞りは前記第１ピストン１６のシリンダ部７に対する相対的な後退移動を容易にし、第１ピストン１６の後退移動の後にアキュームレータ２０に磁性流体が流入するように設定されている。

そして、上記の各ピストン室１７，１９の内部に、磁性流体もしくは磁気粘性流体（以下、仮にこれらを磁性流体と記す）２１が封入されている。この磁性流体２１は、従来知られているものであり、磁気を印加することによりその流動性が低下し、もしくは固化する流体である。

第２ピストン室１９の受圧面積を第１ピストン室１７の受圧面積よりも大きくしたことで、第１と第２のアーマチュア３，６の小さなストロークで第１ピストン１６の大きなストロークを得ることができる。

第１ピストン１６は、シリンダ部７の内部に嵌合する部分から軸線方向に延び出ている部分を備え、そのいわゆる延出部分が、クラッチ機構２２を構成している所定の対象物である摩擦板２３に接近して対向している。この摩擦板２３は、ケーシング２４の内周面にスプライン嵌合されたブレーキプレートと、ブレーキドラム２５の外周面にスプライン嵌合されかつブレーキプレートに対して交互に配置されたブレーキディスクとを含み、第１ピストン１６によって厚さ方向（軸線方向）に押圧されることにより互いに摩擦接触してトルクを伝達するように構成されている。図１に示す例では、遊星歯車機構２６のサンギヤ２７にブレーキドラム２５が一体化され、そのサンギヤ２７を選択的に制動するように構成されている。

また、第２ピストン１８は、シリンダ部７の内部に嵌合する部分から軸線方向（図１における左方向）に延び出ている部分を備え、そのいわゆる延出部分が、ケーシング２４に取り付けられているストッパー２８に当接するように構成されている。このストッパー２８は、第２ピストン１８をシリンダ部７の内部に押し戻すためのものであり、したがって第２ピストン１８に前記延出部分を形成する替わりに、第２ピストン１８に向けて突出した部分をストッパー２８に設けてもよい。

つぎに上述した装置の作用について説明する。図１に示す状態は、メインコイル５がオフ状態であって押圧作用を行っていない状態であり、第１のアーマチュア３はリターンスプリング１１によって、各ピストン１６，１８と共に後退側の初期位置に押し戻されている。この状態では、サブコイル１３ｂもオフ状態となっており、したがって磁性流体２１は磁気が印加されていないことにより流動性を保持している。また、第２ピストン１８がストッパー２８に当接して第２ピストン室１９内に相対的に押し込まれている。そのため、第２ピストン室１９の容積が小さくなっているので、磁性流体２１の多くは第１ピストン室１７の内部に移動している。したがって、第１ピストン室１７の容積が大きく、あるいはその内部の磁性流体２１の量が多いことにより、第１ピストン１６が第１のアーマチュア３から相対的に大きく突出した状態となっている。

この状態でメインコイルへ電流を流す開始の判断が成立して係合指示が出力されると、図４のフローチャートに示すように、先ず、メインコイル５の電流Ｉ１が制御させられる（ステップＳ１）。その結果、メインコイル５による磁力によって第１のアーマチュア（アーマチュア１）３が吸引され、軸線方向の推力が発生する。この吸引力により第１のアーマチュア３が移動する（ステップＳ２）。そして、第１のアーマチュア３が移動することによりシリンダ部７を押圧する。このシリンダ部７の押圧により第２ピストン室１８が圧縮され、第２ピストン室１８に充填されていた磁性流体２１が流路１４ａを通って第１ピストン室１７に流れ込む。磁性流体２１が第１ピストン室１７に充満すると第１ピストン１６が押圧される。その結果、その第１のアーマチュア３に押圧されて第１ピストン１６が移動した状態となる（ステップＳ３）。この第１ピストン１６の移動によって第１ピストン１６が摩擦板２３に接触する位置にまで到達する（ステップＳ４）。

そして、第１ピストン１６が更に摩擦板２３を押圧すると第１ピストン室１７に充填されている磁性流体２１が流路１４ｂを通ってアキュームレータ２０に流入し、アキュームレータ２０が作動する（ステップＳ５）。アキュームレータ２０が作動してさらに第１のアーマチュア３が移動すると第１のアーマチュア３と第２のアーマチュア６とが接触する（ステップＳ６）。この第１のアーマチュア３と第２のアーマチュア６とが接触した状態でサブコイル１２ｂに電流i１を流す（ステップＳ７）。すると、サブコイル１２ｂの周りを巡っている磁性流体２１が固化するので、第１ピストン１６とピストンケースであるシリンダ部７とが一体化される（ステップＳ８）。そして、さらにメインコイル５に電流Ｉ２を増大させると第１のアーマチュア３と第２のアーマチュア６とが一体となって移動して摩擦板２３を押圧する（ステップＳ９）。以降、メインコイルの電流を制御することによる摩擦板押圧制御が実行される（ステップＳ１０）。

また、制御フローを図５のフローチャートに示すと、先ず、メインコイル５の電流Ｉ１が制御させられる（ステップＳ１１）。その結果、メインコイル５による磁力によって第１のアーマチュア（アーマチュア１）３が吸引され、軸線方向の推力が発生する。この吸引力により第１のアーマチュア３が移動する（ステップＳ１２）。そして、第１のアーマチュア３が移動することによりその第１のアーマチュア３に押圧されて第１ピストン１６が移動する（ステップＳ１３）。この第１ピストン１６の移動によって例えば第１ピストン室１７内に設けられている油圧センサが作動する。そして、その油圧センサ値が所定の値よりも大きいか否かが判断され（ステップＳ１４）、判断結果が肯定的ならば第１ピストン１６が摩擦板２３に接触したとみなしてサブコイル１２ｂに電流i２が流され（ステップＳ１５）、判断結果が否定的ならばメインコイル５へ電流Ｉ１が更に制御される。

そして、サブコイル１２ｂに電流i２が流されると第１ピストン１６がさらに摩擦板２３を押圧し、この押圧によって第１ピストン室１７に充填されている磁性流体２１が流路１４ｂを通ってアキュームレータ２０に流入し、アキュームレータ２０が作動する（ステップＳ１６）。このアキュームレータ２０の作動によって磁性流体２１であるオイルの粘性がその油温とオイルの劣化の度合いによって決められる。そして、そのオイルの粘性と作動時間経過によるメインコイル５への電流をいつまで流すのかが判断（推定）され、第１のアーマチュア（図にはアーマチュア１と記す）３と第２のアーマチュア（図にはアーマチュア２と記す）６が接触される（ステップＳ１７）。そして、この判断により、判断結果が肯定的ならば磁気粘性流体２１が固化され第１ピストン１６とピストンケースであるシリンダ部７とが一体化され（ステップＳ１８）、判断結果が否定的ならばメインコイル５へ電流Ｉ１が再び流される。そして、さらにメインコイル５に電流Ｉ２を増大させると第１のアーマチュア３と第２のアーマチュア６とが一体となって移動して摩擦板２３を押圧する。（ステップＳ１９）。これにより、摩擦板押圧制御が成立する（ステップＳ２０）。

次に、第１のアーマチュア３と第２のアーマチュア６との荷重に対するストロークの関係を図６に示すと、ストローク１のときにメインコイル５への通電する電流量Ｉを電流量Ｉ１よりも小さいとき第１のアーマチュア３は第１のリターンスプリング１１により停止されている。そして、メインコイル５への通電を上げて、電流量Ｉを電流量Ｉ１と等しくなるまで上昇させると第１のアーマチュア３は第１のリターンスプリング１１に打ち勝って移動を開始する。メインコイル５への通電をさらに行い電流量Ｉを電流量Ｉ１に維持すると第１のアーマチュアが移動し続け第１のリターンスプリング１１に荷重が負荷されストローク２まで移動する。ストローク２において、第１のアーマチュア３は第２のアーマチュア６に接触するが第２のリターンスプリング１２によって、一旦停止する。そして、さらにメインコイル５への通電を電流量Ｉ１よりも大きい電流量Ｉ２を通電すると第１のアーマチュア３と第２のアーマチュア６とが一体となって第２のリターンスプリング１２に抗して摩擦板２３を押圧する。

なお、上述した磁気粘性流体に磁場を与えてその流動を阻止する固化手段とは、サブコイル１３ｂに電流をオンにして、磁気粘性流体２１に磁気を印加している状態である。

電磁クラッチを適用した第１の実施例を示した図である。 電磁クラッチの概略断面を示す図である。 電磁クラッチのリターンスプリングの周辺を示す断面図である。 電磁クラッチのメインコイルへ電流を流す開始の判断が成立して係合指示が出力された場合のフローチャートである。 電磁クラッチの制御フローを示す図である。 アーマチュアの荷重に対するストロークを示す図である。

符号の説明

１…電磁クラッチ、 ２…電磁石、 ３…第１のアーマチュア、 ４…ヨーク、 ５…メインコイル、 ６…第２のアーマチュア、 ７…シリンダ部、 ７ａ…内筒部、 ７ｂ…外筒部、 ８…リテーナ、 ９…リテーナ、 １０…固定部、 １１、１２…リターンスプリング、 １３…電磁石、 １３ａ…ベースリング、 １３ｂ…サブコイル、 １３ｃ…フレーム部材、 １４…流路、 １５…隔壁部、 １６…第１ピストン、 １７…第１ピストン室、 １８…第２ピストン、 １９…第２ピストン室、 ２０…アキュームレータ、 ２１…磁性流体、 ２２…クラッチ機構、 ２３…摩擦板、 ２４…ケーシング、 ２５…ブレーキドラム、２６…遊星歯車機構、 ２７…サンギヤ、２８…ストッパー。

Claims (3)

1. 電磁石によって磁気的に吸引されるアーマチュアと共に第１のピストンを前進させて該第１のピストンにより摩擦板を押圧する電磁クラッチにおいて、
   前記第１のピストンを前後動自在に収容しているシリンダ部と、
   そのシリンダ部の前記第１のピストンとは反対側に前後動自在に嵌合された第２のピストンと、
   前記シリンダ部の内部を前記第１のピストン側の第１流体室と、
   前記第２ピストン側の第２流体室と、
   これらを区画する隔壁部と、
   前記各流体室を連通させる流通路と、
   これらの流体室に封入された磁気粘性流体と、
   前記磁気粘性流体に磁場を与えてその流動を阻止する固化手段と、
   前記第２のピストンと一体化され、かつ前記電磁石によって磁気吸引される第１のアーマチュアと、
   前記電磁石と前記第１のアーマチュアとの間に配置され前記電磁石と前記第１のアーマチュアとの間に閉磁路を形成するように磁気を透過させるよう構成され、かつ前記シリンダ部に一体化された第２のアーマチュアと
   を備えていることを特徴とする電磁クラッチ。
2. 前記第１のピストンを前記摩擦板から離れる方向に弾性的に押圧する第１のリターンスプリングと前記シリンダ部を前記摩擦板から離れる方向に弾性的に押圧する第２のリターンスプリングとをさらに備え、
   前記第１のリターンスプリングの弾性力が前記第２のリターンスプリングの弾性力よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁クラッチ。
3. 前記第１のピストンの第１流体室における受圧面積が前記第２のピストンの第２流体室における受圧面積よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁クラッチ。

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