JP2009210128A - 電磁式ローラクラッチ - Google Patents

Abstract

【課題】 電磁式クラッチにおいて、非係合状態における引きずりトルクの低減を図るとともに、動作の安定化を図る。
【解決手段】 回転軸中心から内軸、中間軸、外軸を配置する。内軸と中間軸との間、中間軸と外軸との間にそれぞれ電磁式ローラクラッチを組み付ける。各クラッチは、電磁力の作用によってローラを周方向に移動させて係合および切り離しを行う。非係合時にローラに遠心力が作用して回転軸に接触する際に、ローラと回転軸との間に生じる摩擦力を低減する構成を適用することにより、引きずりトルクの低減、動作の安定化を図ることができる。かかる構成としては、ローラの軽量化、ローラと回転軸との接触面での摩擦係数を低減する表面処理、回転軸との接触時におけるローラの転動を確保可能にローラと保持器との間に軸支された小ローラが適用できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は電磁力の作用により、２つの回転軸間の動力の伝達状態を切り替える電磁式ローラクラッチに関する。

２つの回転軸間で動力の伝達を断続する機構としてクラッチがある。クラッチは種々の装置に適用されているが、例えば車両に適用されたクラッチなどでは走行中に動力の伝達経路を速やかに切り替えられることが要求される。また、車両の走行状態に応じて適切な切り替えを行うために制御ユニットからの制御信号により切断および結合を制御できることが望ましい。かかる要求に応えたクラッチとしては、例えば、特開平１０−５９０１１に記載の回転伝達装置が挙げられる。この回転伝達装置は、ローラを利用して２つの回転軸間で動力の伝達を電磁的に切断・結合する電磁式ローラクラッチである。従来技術として、この電磁式ローラクラッチの概略構成を説明する。

特開平１０−５９０１１号公報

図１３は従来技術としての回転伝達装置の回転軸を含む断面の断面図である。図１４は従来技術としての回転伝達装置の回転軸に直交する断面の断面図である。図１５は従来技術としての回転伝達装置について保持器の組み付け状態を示す断面図である。特開平１０−５９０１１に記載の装置を示した。この回転伝達装置は、従動部材となる外輪２と、入力軸４とを切断・結合する２方向クラッチである。このクラッチは、図１４に示す通り、外輪２の内側が円形になっており、入力軸４は断面が正八角形の角を丸めた形状をなしており、正八角形の各辺が８つのカム面となる。このカム面は、外輪２の内面との間で円周方向の両側が狭幅になる楔状空間を形成している。

入力軸４には外周に環状の保持器８が設けられている。保持器８には周方向に８つのポケットが形成され、各ポケット９に係合子としてのローラ１０が組込まれている。保持器８は周方向に回動可能になっており、図１４中に矢印で示す通り、保持器８の回動に伴ってローラ１０の位置も周方向に移動する。ローラ１０がカム面の中央付近にある場合（図１４の状態）では、ローラ１０と外輪２との間には隙間があり、入力軸４と外輪２とは非係合状態にある。ローラ１０がカム面の狭幅部分に移動すると外輪２と係合し、外輪２と入力軸４を一体化する。

図１５に示す通り、保持器８と入力軸４の両者には、周方向の一部に切り欠き１があり、弾性部材であるスイッチバネ１３が組み付けられている。保持器８に外力が作用していない状態では、スイッチバネ１３の弾性力が周方向に作用し、ローラ１０が非係合位置になるよう保持器８を保持する。

回転伝達装置には図１３に示す通り、入力軸４と外輪２の間に電磁クラッチが組込まれている。この電磁クラッチは、ケース等に固定された電磁石１６と、外輪２に固定されたロータ１８と、アーマチュア２１とからなる。アーマチュア２１はロータ１８と保持器８の間に設けられており、保持器８に対して回転不能で軸方向の移動は可能となっている。電磁石１６に通電するとアーマチュア２１が引きつけられ、アーマチュア２１とロータ１８とが摩擦力で結合した状態となる。この結果、保持器８は外輪２から回転方向の外力を受ける。この外力によって保持器８はスイッチバネ１３の弾性力に抗じて周方向に移動し、ローラ１０を係合位置に移動させる。こうして回転伝達装置は入力軸４と外輪２とが係合する。

電磁石１６に通電しない状態では、アーマチュア２１とロータ１８との間に十分な摩擦力が働かないため、保持器８およびローラ１０はスイッチバネ１３の弾性力によって非係合位置に保持される。こうして回転伝達装置は非係合状態となる。かかる回転伝達装置は、電磁石１６への通電により係合状態と非係合状態を速やかに切り替え可能である利点がある。

従来の電磁式ローラクラッチでは、非係合状態、即ち動力の伝達が行われないはずの状態において、ローラと回転軸との接触が生じ、若干の動力伝達が生じる場合があった。この接触で生じる摩擦力は、回転軸の回転を阻害するトルク、いわゆる引きずりトルクとなり、動力の損失を招いていた。製造上のばらつきによって、スイッチバネの弾性力が本来の設計値よりも弱い場合には、上記摩擦力によって、ローラが係合位置に移動することもあり、電磁式ローラクラッチの動作が不安定になることもあった。本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、電磁式ローラクラッチにおいて、非係合時の引きずりトルクを低減することを第１の目的とする。また、電磁式ローラクラッチの係合および切り離しの動作の安定化を図ることを第２の目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明では以下の構成を適用した。
本発明は、第１の回転軸と第２の回転軸の結合および切り離しを電磁力の作用によって行う電磁式ローラクラッチ、即ち、
前記第１の回転軸に固定された内側回転部材と、
前記第２の回転軸に、前記内側回転部材と同心円状に固定された中空の部材であって、 前記内側回転部材との間で、径方向の間隔が周方向の位置によって変動する擬楔状空間を形成する外輪と、
前記第１の回転軸と相対的に回動可能に備えられた第１の摩擦係合器と、
前記第２の回転軸と相対的に回転不能に備えられた第２の摩擦係合器と、
前記径方向の間隔の最小値と最大値の間の径を有し、前記２軸の間に備えられたローラと、
前記第１の回転軸に相対的に回動可能、かつ、前記第１の摩擦係合器に相対的に回転不能に連結され、前記ローラを保持する保持器と、
前記第１の摩擦係合器と第２の摩擦係合器とを吸着する電磁力を作用させる電磁石とを備える電磁式ローラクラッチにおいて、
第１の構成として、さらに、前記外輪、ローラ、保持器の少なくとも一カ所には、前記外輪とローラとの接触面に作用する摩擦力を抑制する摩擦力低減機構を備えるものとした。ここで、回転可能とはある軸周りの位置関係が３６０度いかなる範囲にも変えられる状態をいう。回動可能とはある軸周りの位置関係が３６０度よりも小さい所定の範囲内でのみ変えられる状態をいう。回動可能とは、同時に回転は不能であることを意味する。

本発明の作用を説明するに当たり、非係合状態で引きずりトルクが発生するメカニズムについて説明する。非係合時には、ローラは擬楔状空間の間隔が広い部位に保持されているが、この状態で保持器が結合された第１の回転軸が回転すると、ローラも第１の回転軸とともに回転するため、ローラには遠心力が作用する。この遠心力によって、ローラは外輪に押しつけられ、ローラと外輪との間に摩擦力が生じる。かかる摩擦力は、保持器を介して第１の回転軸に引きずりトルクとして伝達されることになる。従来、ローラと外輪との接触は、製造上のばらつき等によるものと考えられていたが、本発明者は、精緻な検討の結果、ローラと外輪との接触および引きずりトルク発生のメカニズムが上述の点にあることを見いだした。

本発明では、外輪とローラとの接触面における摩擦力を抑制する機構を備えているため、非係合時に外輪とローラとが接触しても、両者間に生じる摩擦力を抑制することができ、引きずりトルクを低減することができる。どの程度、摩擦力を抑制すればよいかという点については、電磁式ローラクラッチの回転数や引きずりトルクの低減に対する目標値に応じて定まる。例えば、クラッチが運用される回転数が非常に高い場合には、大きな遠心力が作用し、結果として大きな摩擦力、大きな引きずりトルクを生じるから、摩擦力は十分に小さい値に抑制する必要がある。

なお、引きずりトルク低減のためには、遠心力によってローラが外輪に接触しない構成の保持器を用いることも可能ではあるが、かかる構成は非常に複雑に成りがちである。ローラと外輪との隙間を大きくする本発明によれば、保持器の構成を複雑化することなく、比較的簡単な構成によって引きずりトルクを低減できる利点がある。

摩擦力低減機構には、種々の構成を適用可能である。遠心力が作用する際に、外輪とローラとの間の摩擦力を直接的に抑制する機構としては、例えば、前記第１の回転軸の回転中に前記ローラに作用する遠心力を抑制する機構を適用したり、前記外輪の内面と前記ローラとの摩擦係数を抑制する表面処理を適用することができる。

前者によれば、ローラに作用する遠心力を抑制することができるから、結果として遠心力に起因する摩擦力を低減することができる。かかる構成は、例えば、ローラを中空にしたり、セラミックスなど軽量の材料で構成して慣性能率を低減することによって実現される。

摩擦係数は接触する部材の表面粗さによる影響が大きいから、後者の表面処理としては、表面粗さを抑制する処理一般が含まれる。例えば、亜鉛メッキ、硬質クロムメッキ、ニッケルメッキなどの電気メッキを外輪の内面、ローラの表面の少なくとも一方に施せばよい。また、窒化や浸硫と呼ばれる処理、いわゆる強度や耐摩耗性を確保できる熱処理なども該当する。

摩擦力低減機構は、前記外輪とローラの接触時に該ローラが転動可能な程度に前記ローラと前記保持器との間の摩擦力を低減する機構としてもよい。周知の通り、ローラが静止している状態で外輪とローラとの間に働く摩擦力よりも、ローラが転動している状態で働く転がり摩擦力の方が小さい。ローラと保持器の摩擦力を低減する機構を備えれば、ローラの転動を確保することができる。この結果、ローラと外輪との摩擦力を低減することができ、引きずりトルクを低減することができる。

ローラと保持器との間の摩擦力を低減する機構を例示する。
第１の機構は、前記ローラと前記保持器との間に設けられたベアリングである。ベアリングとしては、例えば、ローラを両端から保持する状態で保持器側に固定された２つのローラを適用することができる。
第２の機構は、前記ローラと前記保持器との間の摩擦係数を抑制する表面処理である。この表面処理は、ローラと外輪との摩擦係数を抑制する表面処理と同様の処理を適用できる。

その他の態様は次の通りである。
第３の機構は、前記ローラの軸方向全長に亘る領域の少なくとも一部で該ローラと前記保持器との接触を回避する状態で、前記保持器および前記ローラの少なくとも一方に設けられた凹部である。つまり、ローラと保持器の接触面積を抑制する態様である。ローラ側に凹部を設けた態様とは、例えば両端で径が大きく、中央部で径の小さいローラを用いた態様が挙げられる。

第４の機構は、前記ローラ部分に供給された潤滑油を、前記第１の回転軸の回転中に該潤滑油から前記ローラに作用する遠心力を抑制可能な部位に排出する排出機構である。潤滑油にも遠心力は作用するため、潤滑油がローラに付着していると、ローラの重量を見かけ上増やしたのと同等の効果を生じ、ローラと外輪との間の摩擦力増大を招く。上記態様によれば、潤滑油を排出できるため、かかる弊害を回避できる。ローラに作用する遠心力を抑制する部位への排出としては、例えば、ローラよりも外部に潤滑油を排出する態様が挙げられる。かかる排出は、前述した第３の機構を適用することにより容易に実現することができる。つまり、ローラと保持器との間に非接触の部位を設けておけば、潤滑油に働く遠心力によって、ローラよりも外部に潤滑油を容易に排出することができる。第４の機構は、かかる部位に限られるものではない。ローラの内側以外の部分に潤滑油を排出する態様一般が含まれ、例えば、保持器側に潤滑油を排出するものとしてもよい。

上述した種々の機構は、例示に過ぎず、ローラと外輪との摩擦力を低減する機構は、この他にも種々の機構が適用可能であることはいうまでもない。また、上述した種々の機構を組み合わせて適用することも可能である。

本発明は、第２の構成として、
前記第１の回転軸に固定された内側回転部材と、
前記第２の回転軸に、前記内側回転部材と同心円状に固定された中空の部材であって、前記内側回転部材との間で、径方向の間隔が周方向の位置によって変動する擬楔状空間を形成する外輪と、
前記第１の回転軸と相対的に回動可能に備えられた第１の摩擦係合器と、
前記第２の回転軸と相対的に回転不能に備えられた第２の摩擦係合器と、
前記径方向の間隔の最小値と最大値の間の径を有し、前記２軸の間に備えられたローラと、
前記第１の回転軸に相対的に回動可能、かつ、前記第１の摩擦係合器に相対的に回転不能に連結され、前記ローラを保持する保持器と、
前記第１の摩擦係合器と第２の摩擦係合器とを吸着する電磁力を作用させる電磁石とを備える電磁式ローラクラッチに、
前記電磁力が作用していない状態において、前記ローラが非係合状態となるように前記保持器に弾性力を付加する部材として、所定厚さの板材をくりぬいて形成された弾性部材を備えるものとした。

また、第３の構成として、電磁式ローラクラッチにおいて、
保持器を、前記ローラを軸方向の両側から保持する構成にするとともに、
前記電磁力が作用していない状態において、前記ローラが非係合状態となるように前記保持器に弾性力を付加する弾性部材を、前記ローラの軸方向両側に備えるものとした。

第２の構成は、非係合時に保持器に作用する弾性力を安定させるための構成である。第３の構成は、保持器に作用する弾性力を強化するための構成である。ローラを中立状態に維持する弾性力が弱い場合には、ローラと外輪との間に作用する摩擦力によって、非係合位置に保持されるべきローラが係合位置に移行する可能性がある。保持器に作用する弾性力を本来の設計値に安定させることができる。また、外輪とローラとの摩擦力では係合位置に移行しない程度に弾性力を強化すれば、電磁式ローラクラッチの動作を安定させることができる。

第２の構成は、板材をくりぬいて弾性部材を形成することによって、弾性力の安定化を図っている。通常、弾性部材はピアノ線など、弾性力のある線材の曲げ加工で形成される。曲げ加工は、比較的製造上のばらつきが生じやすい短所がある。板材をくりぬいて弾性部材を形成すれば、かかる弊害なく、所定の弾性力を生じる弾性部材を安定して製造することができる。板材は、周知の種々の方法で加工可能であり、例えば、レーザ溶断を用いることができる。

第３の構成は、弾性部材の数を増やすことによって、弾性力の強化を図っている。ここで、保持器の両側に弾性部材を備えた点に特徴がある。こうすることによって、弾性力を強化しつつ、保持器にバランス良く弾性力を付与することができる利点がある。つまり、揺動を生じることなく、保持器およびローラを回動させることができる。特に、高速回転時の係合および切り離しの動作を安定化することができる利点がある。

本発明は、２つの回転軸の係合および切り離しを行う機構として構成する他、第１ないし第３の回転軸と、該第１の回転軸と第２の回転軸との係合および切り離しを行う第１の電磁式ローラクラッチ機構と、該第２の回転軸と第３の回転軸との係合および切り離しを行う第２の電磁式ローラクラッチ機構とを備える電磁式２段クラッチとして構成することも可能である。かかる場合には、前記第１および第２の電磁式ローラクラッチとして、上述した本発明の電磁式ローラクラッチを適用すればよい。また、該第１および第２の電磁式ローラクラッチを、同心円状に配置することが好ましい。いわゆる２段クラッチとしての構成である。

実施例としての電磁式２段クラッチの概略構成を示す説明図である。 内側回転部１００の構成を示す説明図である。 内側回転部１００についてカム１０２、保持器１０５を含む断面を示す断面図である。 内側回転部１００についてスイッチバネを含む断面における断面図である。 スイッチバネ１０３の形状を示す説明図である。 外側回転部３００の構成を示す説明図である。 中間回転部２００の構成を示す説明図である。 引きずりトルクが発生する原因を示す説明図である。 第２の変形例としての保持器１０５Ａを示す説明図である。 第３の変形例としての保持器１０５Ｂを示す説明図である。 第２実施例としての電磁式２段クラッチの概略構成を示す説明図である。 スイッチバネの組み付け状態を示す説明図である。 従来技術としての回転伝達装置の回転軸を含む断面の断面図である。 従来技術としての回転伝達装置の回転軸に直交する断面の断面図である。 従来技術としての回転伝達装置について保持器の組み付け状態を示す断面図である。

本発明の実施の形態について実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．全体構成
Ｂ．内側回転部の構成
Ｃ．外側回転部の構成
Ｄ．中間回転部の構成
Ｅ．電磁式２段クラッチの動作
Ｆ．引きずりトルク抑制機構
Ｇ．変形例
Ｈ．第２実施例
Ｉ．電磁式２段クラッチの適用例

Ａ．全体構成：
図１は実施例としての電磁式２段クラッチの概略構成を示す説明図である。回転軸を含む断面の上半分を示した。実施例のクラッチは、３つの回転ユニットと１つの固定ユニットから構成される。回転ユニットは回転軸中心から内側回転部１００、中間回転部２００、外側回転部３００の順に配置され、それぞれ軸受５０１〜５０４により相対的に回転可能に組み付けられている。本実施例では、軸受５０１，５０２として針状ころ軸受を適用して径方向の小型化を図った。軸受５０３、５０４は玉軸受を適用した。各回転部の構成は後で詳述する。

固定ユニット４００は磁性体で形成され、電磁石を形成するコイル４０１，４０３を収納するコア４０２，４０４を有している。固定ユニット４００はボルト４０５によりクラッチの収納ケース等に固定されている。

Ｂ．内側回転部の構成：
図２は内側回転部１００の構成を示す説明図である。実線で示した部分が内側回転部１００に相当する。内側回転部１００の動力伝達軸は内軸１０１である。内軸１０１の外周にはカム１０２が固定されている。図３は内側回転部１００についてカム１０２、保持器１０５を含む断面を示す断面図である。図示する通り、カム１０２は正十角形の断面形状をなしている。中間回転部２００の動力伝達軸となる中間軸２０１の内周は円形断面であるため、この内周面とカム１０２の外周面との間隔は正十角形の頂点近傍で狭く、各辺の中央近傍で広い擬楔状空間を形成している。なお、カム１０２は内軸１０１と一体形成しても構わない。

カム１０２の外周には保持器１０５およびローラ１０４が周方向に回動可能に組み付けられている。図３に示す通り、保持器１０５は周方向に１０カ所のポケットがあり、１０個のローラ１０４が保持器１０５の各ポケットに入っている。ローラ１０４の径は中間軸２０１とカム１０２との間隔の最大値よりも小さく、最小値よりも大きい値である。つまり、ローラ１０４が擬楔状空間の中央付近にある場合には、カム１０２、ローラ１０４、中間軸２０１の間に隙間が生じ、内軸１０１と中間軸２０１の間で動力の伝達はできない。本実施例では、ローラ１０４はセラミックスを用いて中空に形成されている。この理由については、後述する。

ローラが図３中に矢印で示す通り、周方向に移動し、擬楔状空間の両端ＷＲまたはＷＬ近傍に来ると、カム１０２、ローラ１０４、中間軸２０１が一体的に係合し、内軸１０１と中間軸２０１の間で動力の伝達が可能となる。内軸１０１が右側に回転している場合にはローラ１０４がＷＬ部で係合することにより、中間軸２０１に動力を伝達することができる。左側に回転している場合にはローラ１０４がＷＲ部で係合することにより、中間軸２０１に動力を伝達することができる。

このように本実施例のクラッチは、ローラ１０４の位置によって内軸１０１と中間軸２０１との結合・切り離しを行うことができる。続いて、ローラ１０４の位置を制御するための機構について説明する。図２に示す通り、保持器１０５およびカム１０２には一端にスイッチバネ１０３が取り付けられている。図４は内側回転部１００についてスイッチバネを含む断面における断面図である。カム１０２および保持器１０５はそれぞれ一部に切り欠きが設けてあり、そこにスイッチバネ１０３がセットされている。スイッチバネ１０３は図４中に矢印で示す方向に弾性力を作用させ、外力が働かない状態では保持器１０５を図示する位置、即ちニュートラル状態に保つ。

図５はスイッチバネ１０３の形状を示す説明図である。組み付けていない状態での形状を示した。左側には、スイッチバネ１０３を回転軸方向から見た正面図を示した。図示する通り、スイッチバネ１０３は組み付け時に弾性力を生じるリング部１０３ｒと、弾性力を保持器１０５に伝達する役割を果たすつば部１０３ｔとから構成される。スイッチバネ１０３は、ピアノ線など弾性を有する線材や板材の曲げ加工によって形成することも可能ではあるが、本実施例では、板材から図示する形状にレーザ溶断によってくりぬいて形成するものとした。図中の右側には、スイッチバネ１０３のＡ−Ａ断面における断面図を示した。板材からのくりぬき加工であるため、スイッチバネ１０３は、図示する通り、長方形の断面をなしている。板材からのくりぬきによって形成することによって、図示する形状に精度良く加工できる利点がある。従って、曲げ加工で形成されたスイッチバネに比して、本実施例のスイッチバネ１０３は、製造上のばらつきが非常に小さく、弾性力のばらつきが非常に小さい利点がある。もちろん、弾性力のばらつきを十分に抑制可能であれば、スイッチバネを曲げ加工によって形成しても構わない。

図２に示す通り、保持器１０５にはスイッチバネ１０３が突起１０６を設けたスイッチバネ押えによって組み付けられている。また、この突起１０６には円盤状のアマチュア１０７がはめ込まれている。アマチュア１０７は突起１０６があるため、保持器１０５と一体的に回転する。しかしながら、アマチュア１０７は突起１０６に固定されている訳ではなく、若干の隙間をもってはめ込まれており、回転軸方向に移動可能になっている。アマチュア１０７には離反バネ１０８が設けられており、この離反バネ１０８によりアマチュア１０７は中間軸２０１の径方向側面２１０から離反する方向に付勢されている。

本実施例では、カム１０２、ローラ１０４、保持器１０５および突起１０６、アマチュア１０７および離反バネ１０８、スイッチバネ１０３、コイル４０３、径方向側面２１０が内側クラッチユニットを構成する。内側クラッチユニットについては、内軸１０１が第１の回転軸、中間軸２０１が第２の回転軸、アマチュア１０７が第１の摩擦係合器、径方向側面２１０が第２の摩擦係合器に相当する。

コイル４０３に通電すると、中間軸２０１の径方向側面２１０およびアマチュア１０７を貫通する磁気回路が形成される。この結果、アマチュア１０７が離反バネ１０８に抗して中間軸２０１の径方向側面２１０側に引き寄せられ、それに応じて径方向側面２１０およびアマチュア１０７が互いに接触する。接触面では摩擦力が作用し、中間軸２０１と内軸１０１とは一体となって回転しようとする。この摩擦力は磁気回路の強さに応じて変化する。摩擦力によるトルク（以下、「摩擦トルク」と呼ぶ）が十分に高い場合には、スイッチバネ１０３の弾性力によるトルク（以下、「ローラ噛み込みトルク」と呼ぶ）に逆らって保持器１０５が周方向に移動することによって、ローラ１０４が係合位置に移動し、先に図３で説明した通り、内軸１０１と中間軸２０１とが係合状態となる。ローラ噛み込みトルクよりも摩擦トルクが低い場合には、中間軸２０１と内軸１０１との間では摩擦トルクに相当するトルク伝達が行われる。

Ｃ．外側回転部の構成：
図６は外側回転部３００の構成を示す説明図である。実線で示した部分が外側回転部３００に相当する。外側回転部３００の動力伝達軸は外軸３０１である。外軸３０１にはコイル４０１に対向する部位にロータ３０２がはめ込まれている。ロータ３０２は磁性体で形成されており、リング形状をなしており、外軸３０１と一体的に回転するように固定されている。ロータ３０２の回転を妨げないよう、ロータ３０２とコイル４０１との間にはわずかの隙間が設けてある。外側電磁クラッチユニットについては、中間軸２０１が第１の回転軸、外軸３０１が第２の回転軸、後述する中間軸２０１に設けられているアマチュア２０７が第１の摩擦係合器、ロータ３０２が第２の摩擦係合器となる。

コイル４０１に通電して電磁力を作用させると、内側クラッチユニットについて説明したと同様、アマチュア２０７がロータ３０２側に吸引され、両者の間で摩擦力が作用し、クラッチを係合することができる。アマチュア２０７を吸着する磁気回路の形成を助けるスリット３１１ａ，３１１ｂが設けられている。なお、外側クラッチユニットについても外軸３０１はその動力をチェーンベルトで抽出できるよう、一部がスプロケット３０３となっている。

Ｄ．中間回転部の構成：
図７は中間回転部２００の構成を示す説明図である。実線で示した部分が中間回転部２００に相当する。中間回転部２００の動力伝達軸は中間軸２０１である。中間軸２０１は鋼で形成されており、図示する通り、円盤状の径方向側面２１０を挟んで太径部と細径部とを有している。太径部の外周と、外軸３０１との間には外側電磁クラッチユニットが備えられている。外側電磁クラッチユニットの構成は、内側電磁クラッチユニットとほぼ同じである。即ち、中間軸２０１の太径部の外周にカム２０２が固定されている。カム２０２の外周にはローラ２０４と保持器２０５設けられるとともに、スイッチバネ２０３が、突起２０６を有するスイッチバネ押えによって組み付けられている。突起２０６には、アマチュア２０７が挿入されている。このアマチュア２０７には、ロータ３０２から離反させる方向に付勢している離反バネ２０８が設けられている。ローラ２０４は、内側電磁クラッチユニットのローラ１０４と同様、セラミックスで中空状に形成されている。これらの各要素、およびロータ３０２、コイル４０１が外側電磁クラッチユニットを構成する。その動作は、内側電磁クラッチユニットと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。なお、中間軸２０１には、内側電磁クラッチユニットが動作する際に磁気回路の形成を助けるスリット２１１ａ，２１１ｂが径方向側面２１０に設けられている。

Ｅ．電磁式２段クラッチの動作：
以上で説明した本実施例の電磁式２段クラッチの動作について説明する。コイル４０１、４０３に通電していない状態では、外側クラッチユニットおよび内側クラッチユニットの第１および第２の摩擦係合器は、それぞれ接触していない状態にあり、内軸１０１、中間軸２０１、外軸３０１は互いに切り離された状態となる。コイル４０１に通電すると、外側電磁クラッチユニットのアマチュア２０７がロータ３０２側に吸引され両者の間に摩擦力が生じる。コイル４０３に通電すると、内側電磁クラッチユニットのアマチュア１０７が径方向側面２１０側に吸引され両者の間に摩擦力が生じる。

これらの摩擦力が小さい間は、スイッチバネ１０３，２０３の弾性力に逆らってローラを係合させることができない。従って、トルクは摩擦力によってのみ伝達される。十分な摩擦力が作用すると、摩擦力によるトルクがスイッチバネ１０３，２０３の弾性力にうち勝つようになり、ローラを係合位置に移動させる。この結果、電磁クラッチユニットは、係合状態となり、ローラを介してトルクが伝達される。コイル４０１，４０３への通電制御は、種々の方法で実現可能である。例えば、トランジスタやサイリスタ等のスイッチング素子を用いることができる。この場合には、スイッチング素子がオンとなっているデューティを制御することにより、コイル４０１，４０３の電圧を制御することができる。

Ｆ．引きずりトルク抑制機構：
本実施例のクラッチは、コイル４０１，４０３に通電していない状態では、ローラが非係合位置に保持され、クラッチが切り離された状態となる。かかる状態において、本来トルク伝達が生じ得ない内軸１０１、中間軸２０１、外軸３０１の間でトルクの伝達が生じれば、各回転軸の回転動力を失わせる引きずりトルクを生じることになる。本実施例のクラッチは、引きずりトルクを低減するための構成を適用している。以下、引きずりトルクが生じる原因について説明し、引きずりトルクを抑制するための構成について説明する。

図８は引きずりトルクが発生する原因を示す説明図である。内側電磁クラッチユニットを構成するローラ１０４近傍の拡大図を示した。下側には、回転軸側から見た正面図を示し、上側には、回転軸に直交する方向から見た平面図を示した。ここでは、ローラ１０４が非係合位置に保持されている状態を示した。本来、ローラ１０４は保持器１０５によって、実線で示した位置、即ち、内軸１０１に固定されたカム１０２と中間軸２０１との間に形成された擬楔状空間の間隔が広い位置に保持される。この状態では、ローラ１０４は中間軸２０１と接触しないため、内軸１０１と中間軸２０１の間でトルク伝達は起こらない。

図示した非係合状態において、内軸１０１が回転している状態を考える。このとき、保持器１０５で保持されたローラ１０４も内軸１０１と一体的に回転している。ローラ１０４は保持器１０５によって周方向の位置が規制されているに過ぎないため、図中の矢印方向に作用する遠心力Ｆによってローラ１０４は外周方向にとばされる。この結果、ローラ１０４は図中の破線で示す位置に移動し、中間軸２０１と接触する。非係合状態では、内軸１０１と中間軸２０１との間には回転速度差があるため、ローラ１０４と中間軸２０１との間に摩擦力が作用する。この摩擦力は、内軸１０１にとって、引きずりトルクを生じさせる。この引きずりトルクが非常に大きい場合には、スイッチバネの力に抵抗して保持器１０５およびローラ１０４を係合位置に移動させる可能性もある。

本実施例では、先に説明した通り、ローラ１０４を軽量のセラミックスで製造するとともに、中空状に形成している。ローラ１０４は、金属棒で形成した場合に比較して非常に軽量に作られている。一般に遠心力は、回転中心からの重量に比例するから、本実施例のローラ１０４は、図８に示した遠心力Ｆの大きさを抑制することができる。摩擦力はローラ１０４と中間軸２０１との接触面に作用する反力、即ち、遠心力に比例するため、本実施例のローラ１０４は、この摩擦力を低減でき、引きずりトルクを低減することができる。ここでは、内側クラッチユニットを例にとって説明したが、外側クラッチユニットについても同様である。

ローラ１０４の材料および中空にした場合の肉厚は、例えば、次の方法で設定可能である。まず、非係合状態における引きずりトルクの許容範囲を設定する。引きずりトルクは値０となることが望ましいのは当然であるが、スイッチバネの弾性力を超えない範囲、クラッチを適用した装置の運転効率に大きな影響を与えない範囲などの条件に基づいて現実的に許容可能な目標値を設定すればよい。これと並行して、非係合状態における各回転軸の最大回転数を設定する。

次に、上述の最大回転数において、引きずりトルクを許容範囲に抑えるという条件に基づいて、ローラ１０４に作用する遠心力の上限値を求める。遠心力は、回転中心からの距離、回転数、ローラ１０４の重量の関数であるから、最大回転数で遠心力をこの上限値以下に抑え得る重量の上限値を求めることができる。こうして求められた重量の上限値を満足するように、ローラ１０４の材質および肉厚等を設定すればよい。本実施例では、遠心力を極力抑制する観点から、軽量のセラミックスを用いたが、必ずしもセラミックスを材料とする必要はなく金属で形成しても構わない。

以上で説明した本実施例の電磁式ローラクラッチによれば、ローラに働く遠心力を抑制することによって、非係合時における引きずりトルクを低減することができる。従って、引きずりトルクによる回転動力の損失を低減することができる。また、非係合状態にあるにも関わらず、引きずりトルクによってローラが係合位置に移動することを回避することができ、電磁式ローラクラッチの動作を安定させることができる。

さらに、本実施例の電磁式ローラクラッチでは、スイッチバネを板材のくりぬき加工によって形成している。このことにより、製造上のばらつきなく、保持器およびローラを中立位置に保持するための弾性力を安定して付加することができる。かかる構成を適用することにより、本実施例の電磁式ローラクラッチは、個体差なく係合および切り離しの動作を安定して行うことができる。

Ｇ．変形例：
本実施例の電磁式ローラクラッチでは、ローラの軽量化を図ることによって、非係合時に作用する摩擦力の低減、ひいては引きずりトルクの低減を図った。引きずりトルクの低減を図る構成としては、この他にも種々の変形例が適用可能である。

第１の変形例として、ローラと回転軸との摩擦係数を低減する構成を適用することができる。例えば、ローラの表面および回転軸の内面の少なくとも一方に摩擦係数を低減するための表面処理を施すものとすればよい。かかる表面処理としては、亜鉛メッキ、硬質クロムメッキ、ニッケルメッキなどの電気メッキや、窒化処理、浸硫処理などの熱処理を適用することができる。

第２の変形例として、ローラと保持器との摩擦力を低減する構成を適用することもできる。図９は第２の変形例としての保持器１０５Ａを示す説明図である。内側電磁クラッチユニットを構成するローラ１０４近傍の拡大図を示した。下側には回転軸方向から見た正面図、上側には回転軸に直交する方向から見た平面図を示した。図示する通り、第２変形例では、保持器１０５Ａにおいて、ローラ１０４との接触部に、小ローラ１０４ａ，１０４ｂが軸支されている。

小ローラ１０４ａ，１０４ｂの作用は次の通りである。非係合時に遠心力によってローラ１０４が中間軸２０１の内面と接触した場合を考える。このとき、既に説明した通り、ローラ１０４と中間軸２０１との間には摩擦力が作用する。先に説明した第１実施例では、保持器１０５とローラ１０４との間の接触部における摩擦力が比較的大きいため、ローラ１０４は保持器１０５に対して静止した状態で中間軸と接する。これに対し、第２変形例の構成によれば、小ローラ１０４ａ，１０４ｂの働きによって、ローラ１０４は保持器１０５Ａおよび中間軸２０１に対して転動した状態で接触する。一般に転がり摩擦係数は、静止時の摩擦係数よりも小さいため、第２の変形例によれば、結果としてローラ１０４と中間軸２０１との間の摩擦係数を低減することができ、引きずりトルクを低減することができる。

なお、第２の変形例では、保持器１０５Ａに小ローラ１０４ａ，１０４ｂを設けることにより、ローラ１０４の転動を確保する態様を例示した。同様の原理に従い、保持器とローラとの接触部に摩擦係数を低減する表面処理を施す態様を採ることもできる。かかる表面処理としては、第１の変形例で説明した種々の処理を適用可能である。

第３の変形例として、潤滑油の排出を促すことにより摩擦力を低減する構成を適用することもできる。図１０は第３の変形例としての保持器１０５Ｂを示す説明図である。内側電磁クラッチユニットを構成するローラ１０４近傍の拡大図を示した。上側には回転軸に直交する方向から見た平面図を示した。下側にはＢ−Ｂ断面における断面図を示した。図示する通り、第３変形例では、保持器１０５Ｂにおいて、ローラ１０４との接触部に、孔ｃ１，ｃ２が設けられている。この結果、保持器１０５Ｂとローラ１０４とは、図中に破線で示した４カ所、即ち、ローラ１０４の軸方向両端付近でのみ接触する。

上述の構成では、ローラ１０４と保持器１０５Ｂとの接触領域を低減させることができるため、両者間に作用する摩擦力を低減することができ、第２の変形例と同じくローラ１０４の転動を確保することができる利点もある。それに加えて、第３の変形例では、次に示す通り、孔ｃ１．ｃ２が潤滑油の排出を促すことができ、ローラ１０４に作用する遠心力を抑制することもできる。

クラッチの回転部には潤滑油が供給されるのが通常であり、本実施例のクラッチにおいても、ローラ１０４には潤滑油が供給される。潤滑油は、図１０中の領域ＯＩＬに示す通り、ローラ１０４の内径側にたまる。この状態で内軸１０１が回転すれば、潤滑油ＯＩＬにも遠心力が作用し、この遠心力はローラ１０４を中間軸２０１に押しつける作用を奏するから、潤滑油ＯＩＬはローラ１０４の重量が増大したのと同じ効果をもたらす。第３変形例では、孔ｃ１，ｃ２が設けられているため、潤滑油ＯＩＬは遠心力によってこの孔ｃ１，ｃ２から外部に排出される。従って、第３変形例によれば、潤滑油ＯＩＬに遠心力が作用することによって、ローラ１０４の重量が増大したのと同様の弊害を招くことを回避でき、引きずりトルクを低減することができる。

以上の各変形例は、内側電磁クラッチユニットについて例示したが、外側電磁クラッチユニットにも同様の構成を適用可能である。また、各変形例で例示した構成を適宜、組み合わせて適用するものとしてもよい。

Ｈ．第２実施例：
図１１は第２実施例としての電磁式２段クラッチの概略構成を示す説明図である。第２実施例のクラッチは、第１実施例と同様、内側電磁クラッチユニット、外側電磁クラッチユニットから構成される。第１実施例では、内側電磁クラッチユニット、外側電磁クラッチユニットのそれぞれに、スイッチバネが一つずつ設けられていた。これに対し、第２実施例では、内側電磁クラッチユニット、外側電磁クラッチユニットのそれぞれに、スイッチバネが２カ所ずつ設けられている点で相違する。

内側電磁クラッチユニットについては、ローラ１０４の軸方向両端から保持器１０５に弾性力を付加するように、スイッチバネ１０３Ａ、１０３Ｂが備えられている。外側電磁クラッチユニットについては、ローラ２０４の軸方向両端から保持器２０５に弾性力を付加するように、スイッチバネ２０３Ａ、２０３Ｂが備えられている。各スイッチバネの形状は、第１実施例と同様である（図５参照）。第２実施例においても、スイッチバネは、板材のくりぬき加工により形成するものとした。線材または板材の曲げ加工によって形成しても構わない。

図１２はスイッチバネの組み付け状態を示す説明図である。内側電磁クラッチユニットのローラ１０４近傍を模式的に示した。上側には側面図を示し、下側には、スイッチバネ１０３Ａ，１０３Ｂについて回転軸方向から見た状態を示した。図示する通り、ローラ１０４および保持器１０５に両端から弾性力を付加するスイッチバネ１０３Ａ，１０３Ｂは、それぞれつば部１０３Ａｔ，１０３Ｂｔが１８０度対向するように、この例では、上下逆方向となるように組み付けられている。ここでは、内側電磁クラッチユニットについて例示したが、外側電磁クラッチユニットについても同様である。

第２実施例の電磁式２段クラッチによれば、各電磁クラッチユニットについて、スイッチバネを２カ所設けることにより、非係合状態においてローラを中立位置に保持する弾性力を強化することができる。従って、非係合状態において、遠心力の作用により、ローラが回転軸と接触した場合であっても、接触面で生じる摩擦力によってローラが係合位置に移動することを回避できる。この結果、第２実施例の電磁式２段クラッチでは、係合および切り離しの動作を安定して行うことができる。

第２実施例では、スイッチバネをローラおよび保持器の両端に設けたことにより、次に示す利点もある。単一のスイッチバネによって弾性力を強化しする場合には、スイッチバネの加工および精度保持が困難になりやすく、保持器への組み付けも困難になるという弊害があるが、複数のスイッチバネを用いることにより、かかる弊害を回避できる。複数のスイッチバネをローラおよび保持器の一方に設けるものとすれば、保持器の構造が複雑になり、スイッチバネの組み付けも困難になるが、両端に設けるものとすれば、かかる弊害を回避できる。

さらに、スイッチバネを両端に設けることにより、ローラおよび保持器の軸方向両側からバランスよく弾性力を付加することができる。この結果、不要な揺動モーメントを生じることなく、ローラおよび保持器を安定して回動させることができ、クラッチの動作をより安定させることができる。特に、この作用は、遠心力の作用によって、ローラおよび保持器の動きが不安定になり易い高速回転時に有効である。

第２実施例では、図１２に示す通り、両端に設けたスイッチバネのつば部が１８０度対向するように組み付けられている。スイッチバネが完全な環状であれば、遠心力は周方向のいずれの部位でも均一に作用するが、実際には、つば部が設けられているため、この部分に作用する遠心力はその他の部分よりも大きくなる。遠心力の偏りは、特に高速回転時に電磁クラッチユニットの円滑な回転を損ねる可能性がある。第２実施例では、両端に位置するスイッチバネのつば部を１８０度対向させているため、遠心力の偏りを相殺することができ、円滑な回転を確保することができる。

第２実施例の電磁式２段クラッチにおいても、第１実施例およびその変形例で説明した引きずりトルク低減のための種々の構成を適用可能である。第２実施例では、ローラおよび保持器の両端にスイッチバネを一つずつ設ける構成を例示したが、片側に二つ以上設けるものとしても構わない。また、両端に設けられたスイッチバネの個数が必ずしも一致している必要はない。

Ｉ．電磁式２段クラッチの適用例：
実施例の電磁式２段クラッチは、一つの回転軸と他の２つの回転軸との結合状態を切り替える必要がある種々の装置に適用することができる。例えば、車両に適用することにより、駆動軸を自在に切り替えることが可能となる。この場合は、エンジンを中間軸２０１に結合し、前車軸を内軸１０１、後車軸を外軸３０１に結合すればよい。中間軸２０１と内軸１０１とを結合すれば、前輪駆動車両となる。中間軸２０１と外軸３０１とを結合すれば、後輪駆動車両となる。中間軸２０１を内軸１０１、外軸３０１の双方に結合すれば、四輪駆動車両となる。また、同様にモータとエンジンと動力源として備えるハイブリッド車両に適用することもできる。

このように本実施例の電磁式２段クラッチは、３つの回転軸のうち２つの回転軸の結合状態の切り替えが要求される種々の装置において有効に適用することができる。上述の例では、車両およびハイブリッド車両への適用を挙げたが、これらに限定されるものではない。

また、以上の説明では、電磁式２段クラッチおよびその適用例を例示した。本実施例は、必ずしも２段クラッチとして構成する必要はなく、２軸の係合および切り離しを行う機構、即ち、通常のクラッチ機構として構成してもよい。かかる構成は、例えば、実施例の２段クラッチにおける内側クラッチユニットまたは外側クラッチユニットのいずれか一方を用いることにより容易に実現可能である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、更に種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１００…内側回転部
１０１…内軸
１０２…カム
１０３，１０３Ａ，１０３Ｂ…スイッチバネ
１０３ｒ…リング部
１０３ｔ…つば部
１０３Ａｔ，１０３Ｂｔ…つば部
１０４…ローラ
１０４ａ，１０４ｂ…小ローラ
１０５，１０５Ａ，１０５Ｂ…保持器
１０６…突起
１０７…アマチュア
１０８…離反バネ
２００…中間回転部
２０１…中間軸
２０２…カム
２０３，２０３Ａ，２０３Ｂ…スイッチバネ
２０４…ローラ
２０５…保持器
２０６…突起
２０７…アマチュア
２０８…離反バネ
２１０…径方向側面
２１１ａ，２１１ｂ…スリット
３００…外側回転部
３０１…外軸
３０２…ロータ
３０３…スプロケット
３１１ａ，３１１ｂ…スリット
４００…固定ユニット
４０１，４０３…コイル
４０２，４０４…コア
４０５…ボルト
５０１〜５０４…軸受

Claims (2)

1. 第１の回転軸と第２の回転軸の結合および切り離しを電磁力の作用によって行う電磁式ローラクラッチであって、
   前記第１の回転軸に固定された内側回転部材と、
   前記第２の回転軸に、前記内側回転部材と同心円状に固定された中空の部材であって、前記内側回転部材との間で、径方向の間隔が周方向の位置によって変動する擬楔状空間を形成する外輪と、
   前記第１の回転軸と相対的に回動可能に備えられた第１の摩擦係合器と、
   前記第２の回転軸と相対的に回転不能に備えられた第２の摩擦係合器と、
   前記径方向の間隔の最小値と最大値の間の径を有し、前記２軸の間に備えられたローラと、
   前記第１の回転軸に相対的に回動可能、かつ、前記第１の摩擦係合器に相対的に回転不能に連結され、前記ローラを保持する保持器と、
   前記第１の摩擦係合器と第２の摩擦係合器とを吸着する電磁力を作用させる電磁石と、
   前記電磁力が作用していない状態において、前記ローラが非係合状態となるように前記保持器に弾性力を付加する部材として、所定厚さの板材をくりぬいて形成された弾性部材を備える電磁式ローラクラッチ。
2. 第１の回転軸と第２の回転軸の結合および切り離しを電磁力の作用によって行う電磁式ローラクラッチであって、
   前記第１の回転軸に固定された内側回転部材と、
   前記第２の回転軸に、前記内側回転部材と同心円状に固定された中空の部材であって、前記内側回転部材との間で、径方向の間隔が周方向の位置によって変動する擬楔状空間を形成する外輪と、
   前記第１の回転軸と相対的に回動可能に備えられた第１の摩擦係合器と、
   前記第２の回転軸と相対的に回転不能に備えられた第２の摩擦係合器と、
   前記径方向の間隔の最小値と最大値の間の径を有し、前記２軸の間に備えられたローラと、
   前記第１の回転軸に相対的に回動可能、かつ、前記第１の摩擦係合器に相対的に回転不能に連結され、前記ローラを軸方向の両側から保持する保持器と、
   前記第１の摩擦係合器と第２の摩擦係合器とを吸着する電磁力を作用させる電磁石と、
   前記電磁力が作用していない状態において、前記ローラが非係合状態となるように前記保持器に弾性力を付加する弾性部材を、前記ローラの軸方向両側に備える電磁式ローラクラッチ。

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