JP2011236993A - スタータ用クラッチ - Google Patents

Abstract

【課題】クラッチインナ、クラッチアウタまたはローラの表面に剥離することがない高硬度の硬化層を形成して、耐荷重性と耐摩耗性を有するスタータ用クラッチを提供する。
【解決手段】モータ１１の駆動により回転する出力軸３と同期して回転するクラッチアウタ６と、クラッチアウタ６に対して回転可能に設けられ、エンジンに回転力を伝達するピニオンギヤ５と同期して回転するクラッチインナ４と、クラッチアウタ６とクラッチインナ４との間に設けられた楔形空間に配置し、周方向に沿って転動可能なローラ７とを有するスタータ用クラッチ２において、クラッチインナ４、クラッチアウタ６、ローラ７のいずれか1つ以上の表面にショットピーニング処理を行って表面残留圧縮応力を１２００ＭＰａから１６００ＭＰａとした。
【選択図】図１

Description

この発明は、モータの駆動により回転する出力軸と、この出力軸に設けられ、出力軸の一方向の回転力をリングギヤを介してエンジンに伝達するスタータ用クラッチに関するものである。

スタータは電気エネルギーを回転エネルギーに変換し、リングギヤを介してエンジンを回転させ、エンジンを始動させる。エンジン始動は繰り返し行われ、スタータからエンジンへ回転エネルギーが伝達される時にはクラッチを各部品に高い応力が発生し、エンジンからスタータが回されるときは、クラッチを構成するクラッチアウタ、クラッチインナ、ローラの間では高速での摺動となるため、耐荷重性と耐摩耗性が要求される。また、ローラとクラッチアウタ、あるいは、ローラとクラッチインナとの間に高荷重状態で滑りが発生するとき、ローラに摩擦熱が発生し、ローラの転動面の硬度が低下してしまうことがある。
従来装置ではクラッチ長寿命化のため、また摩擦熱によるローラの転動面の硬度低下を抑制するために、クラッチローラ、またはクラッチアウタ及びインナに化合物皮膜を形成する浸炭窒化処理を行っているものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

国際出願ＷＯ ２００７／０７４８０２ Ａ１（７、８頁）

従来装置ではクラッチ長寿命化のために、クラッチインナ、クラッチアウタまたはローラに化合物皮膜を形成し、具体的には浸炭窒化処理を行っているものがあるが、窒化層は化合物皮膜であり、剥離することがある。また、窒化処理では窒化層の硬度が低く、繰り返し使用すると摩耗を生じる。たとえ窒化層の硬度を高くしても、硬化層が薄く十分な耐久性が得られない。
さらに、従来装置では、通常、転動面は研削で仕上げられて、凹凸がほとんどないため、その状態で負荷が加わると、転動面は強く押し付けられ、潤滑用のグリースが間に介在できなくなり、焼き付きを生じるという問題があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、クラッチインナ、クラッチアウタまたはローラの表面に剥離することがない、高硬度の硬化層を形成することで、ローラの転動面の変形が低減でき、耐荷重性と耐摩耗性を有するスタータ用クラッチを提供することを目的としている。

この発明に係るスタータ用クラッチは、モータの駆動により回転する出力軸と同期して回転するクラッチアウタと、クラッチアウタに対して回転可能に設けられ、エンジンに回転エネルギーを伝達するピニオンギヤと同期して回転するクラッチインナと、クラッチアウタとクラッチインナとの間に設けられた楔形空間に配置し、周方向に沿って転動可能なローラとを有し、クラッチインナ、クラッチアウタ、ローラのいずれか1つ以上の表面にショットピーニング処理を行い、表面残留圧縮応力を１２００ＭＰａから１６００ＭＰａとしたものである。

この発明に係るスタータ用クラッチは、クラッチインナ、クラッチアウタ、ローラのいずれか1つ以上の表面にショットピーニング処理を行い、表面残留圧縮応力を１２００ＭＰａから１６００ＭＰａとしたものであるため、クラッチインナ、クラッチアウタまたはローラの表面に剥離することがない高硬度の硬化層を形成できるので、ローラの転動面の変形や摩耗が低減され、耐荷重性と耐摩耗性を有するスタータ用クラッチを提供出来る。

この発明の実施の形態１のスタータ用クラッチの断面図である。 図１のII−II線に沿った矢視断面図である。 図２のローラによるトルクリミット機能の説明図である。 この発明の実施の形態１のスタータ用クラッチのテスト結果である。 この発明の実施の形態１のスタータ用クラッチの表面部位拡大図である。

実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態１について、図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係るスタータ用クラッチの断面図であり、関連するスタータ部分も記載している。図２はクラッチの断面図であり、図３はローラのトルクリミット機能の説明図である。

以下、この発明の実施の形態１に係るスタータ１の構成を、図１および図２に基づいて説明する。
スタータ１は、回転エネルギーを発生するモータ１１と、モータ１１からの回転エネルギーを伝達する出力軸３と、出力軸３上に軸方向摺動可能に配置され出力軸からモータ１１の回転エネルギーが伝達されるクラッチ２と、このクラッチ２に設けられ、エンジンのリングギヤ１２と歯合可能なピニオンギヤ５と、モータ１１を駆動する回路を開閉する電磁継電器１４と、この電磁継電器１４により駆動されクラッチ２をリングギヤ１２方向に移動させるレバー１０を備えている。さらに、クラッチ２、出力軸３、レバー１０はハウジング１３に保持されている。
クラッチ２は、出力軸３に係合し、出力軸３と同期して回転するクラッチアウタ６と、クラッチアウタ６に回転可能に設けられ、クラッチアウタ６の内部に臨み、ピニオンギヤ５と同期して回転するクラッチインナ４と、クラッチアウタ６の内周面とクラッチインナ４の外周面との間に設けられた楔形空間に配置し、周方向に沿って転動可能なローラ７と、端部がローラ７に接触したスプリング８とを有している。
クラッチアウタ６の内周面には、周方向に沿ってカム面６ａが形成され、クラッチアウタ６の内周面とクラッチインナ４外周面との間には、狭小側と広大側を有する楔形空間９が形成されている。
クラッチインナ４のインナレース部４ａは、ローラ７と接触し、リングギヤ１２へトルクを伝達する時はローラ７との間で抗力を発し、エンジン始動後、リングギヤ１２側からピニオンギヤ５が回される時は、ローラ７と摺動する部分である。

次に、スタータ１の動作について、図１から図３に基づき説明する。
電磁継電器１４にキースイッチ等の操作で通電されると、モータ１１を駆動する回路が閉じられ、スタータ１にはバッテリー(図示しない)から電気エネルギーが供給される。スタータ１はこの電気エネルギーを回転エネルギーに変換し、リングギヤ１２を介してエンジン(図示しない)を回転させ、エンジンが始動する。
まず、クラッチ２はレバー１０でリングギヤ１２側に押し出され、ピニオンギヤ５とリングギヤ１２が噛み合う。その後、モータ１１からの回転エネルギーを受けるが、その際、図２の例ではクラッチアウタ６が右回りに回転する。クラッチインナ４はリングギヤ１２と噛み合うピニオンギヤ５と一体になっているため、リングギヤ１２からの反力を受け、クラッチアウタ６とは逆向きの力を受ける。スプリング８でクラッチアウタ６とクラッチインナ４に押さえつけられているローラ７は、クラッチアウタ６とクラッチインナ４で形成された楔形空間９の狭小側の部分に食い込み、回転エネルギーを伝達する。

また、エンジンが始動した後は、クラッチインナ４がリングギヤ１２により右回りに高速で回されることになり、ローラ７は楔形空間９の狭小側から広大側（すなわちスプリング側）へ転動する。この動作により、エンジン側からの入力をモータ１１側へ伝達されることを防止し、モータ１１を保護している。

通常のエンジン始動では、上記の繰り返しであり、回転エネルギー伝達時にはクラッチ各部品に高い応力が発生し、エンジンから回されるときは高速での摺動となり、耐荷重性と耐摩耗性が要求される。

上記に加え、稀にキースイッチの誤操作等により、リングギヤ１２が逆回転しているときに、クラッチ２が飛び出しリングギヤ１２と噛み合う時がある。
図３はこの時の状態を説明する図であり、図３（ａ）は静止状態、図３（ｂ）はトルクリミット機能動作時である。
図３（ｂ）において、クラッチインナ４は左回りに回転し、ローラ７はクラッチアウタ６の係止部６ｂに到達するまで転動して空転し、トルクリミッタとして機能する。
このときも、ローラ７とクラッチインナ４は高荷重下かつ高速での摺動となり、高い許容応力が要求されることとなる。
なお、図３（ｂ）に示すδは、ローラ７が係止部６ｂに当接した場合の、クラッチインナ４へのローラ７の噛む込み深さ（δ）である。この噛む込み深さ（δ）は、クラッチアウタ６からクラッチインナ４へ伝達される最大の回転力である伝達限界トルクの大きさを決める主要因の１つである。

以下、本発明の具体的実施例について、効果と合わせて、図４、図５を用いて説明する。
通常の熱処理では、表面の残留圧縮応力がおよそ５００〜７００MPa程度しか得られないが、本実施例のショットピーニング処理では、ローラ７を焼き入れで硬度を上げた後に、それらと同等以上の硬度を有し、かつ略球状の粒径２０〜２００μmのショット玉を５０ｍ／sec以上の速度、圧力で噴射して表面の残留圧縮応力１２００MPa以上に高めることで、耐荷重性、耐摩耗性を向上させた。なお、ショットピーニング処理を行うことで、表面の残留圧縮応力は１２００MPa以上に向上することを確認した。実施した上記のショットピーニング処理では、表面の残留圧縮応力の上限値として１６００MPaまで確認した。
ローラ７の表面のみに本実施例のショットピーニング処理を行ったクラッチ２を用いたテスト結果を図４に示す。
表面残留圧縮応力が１２００ＭＰａに高まり、繰り返しエンジン始動可能回数および始動耐久テスト後のクラッチ伝達トルク低下率が向上していることがわかる。

さらに、クラッチインナ４、クラッチアウタ６にも同様のショットピーニング処理をすることで、更にクラッチ２の長寿命化が可能となる。

クラッチインナ４、クラッチアウタ６およびローラ７にショットピーニング処理をすることで、クラッチ２各部品の許容応力が増すために、各部品のサイズを下げることが可能となり、小型軽量化ができる。また、部品のサイズを変えない場合は、長寿命化できる。
クラッチインナ４、クラッチアウタ６およびローラ７の耐摩耗性が向上するため、クラッチ２内部の摩耗粉(鉄粉)が低減できる。このため、グリース内の成分比率(基油/増ちょう剤/添加剤)を保つことができ、グリースの劣化が少なく、結果的にクラッチの長寿命化が可能である。
図４（ｂ）に示したように、クラッチ２の繰り返し使用によるクラッチ伝達トルク低下率が従来品より小さいため、初期のスリップトルクを低めに設定することができる。これによりクラッチ２を支持する関連部品の強度も下げることができるため、スタータ１全体を軽量化することが可能となる。

ローラ７をショットピーニング処理する場合は、バッチ処理で多数個の処理が可能となり、低コストで高い表面残留圧縮応力を有するローラ７が得られる。

また、クラッチインナ４、クラッチアウタ６、ローラ７のいずれか1つ以上の表面にショットピーニング処理を行うことで、表面に０．５〜４μｍの凹部を形成することができ、耐荷重性と耐摩耗性を有するスタータ用クラッチを提供できる。
図５に表面に本発明のショットピーニング処理を実施した表面部位拡大図を、表面を研削した場合の表面部位拡大図とともに示す。図５（ａ）は、本発明のショットピーニング処理をした表面部位拡大図であり、図５（ｂ）は表面を研削した場合の表面部位拡大図である。

表面に深さ０．５〜４μｍの凹部が形成されるので、クラッチ２各部品間に潤滑用グリースが介在しやすくなり、部品の摩耗、焼き付きが抑えられるため、クラッチ２各部品を長寿命化できる。
クラッチ２内部の摩耗粉(鉄粉)を低減できるため、グリース内の成分比率(基油/増ちょう剤/添加剤)を保つことができ、グリースの劣化が少なく、結果的にクラッチの長寿命化が可能である。

また、ローラ７に軸受鋼（例えばＳＵＪ２）を使用し、本発明のショットピーニング処理の前に、油焼入れ焼戻し処理をすることで、耐荷重性と耐摩耗性を有するスタータ用クラッチを提供できる。
軸受鋼を油焼入れ焼戻しすることにより、ショットピーニング処理前のローラ７の表面硬度が安定し、ショットピーニング処理後の表面硬度を高く安定させることができる。 このため、ローラ７の許容応力が増し、クラッチの小型化、長寿命化が可能となる。更に、ショットピーニング処理後のローラ７の寸法のばらつきも少なくなるため、図３の噛込み深さδのばらつきが少なくなり、安定したトルクリミット機能を持つクラッチ２を提供できる。

また、クラッチインナ４、クラッチアウタ６に冷間鍛造で製造した鋼材を使用し、ショットピーニング処理の前に、浸炭焼入れ焼戻し処理を行うことで、耐荷重性と耐摩耗性を有するスタータ用クラッチを提供できる。
ショットピーニング処理を行う際に、クラッチインナ４、クラッチアウタ６の表面硬度が低いと、過度の変形が発生するため、炭素量が少なく材料強度が低い冷間鍛造用鋼材を使用する場合は、浸炭焼入れ焼戻し処理を行うことで、強度、表面硬度および靱性を与える必要がある。
冷間鍛造で製造した鋼材を浸炭焼入れ焼戻しすることにより、ショットピーニング処理前のクラッチインナ４、クラッチアウタ６の表面硬度が安定し、この結果、ショットピーニング処理後の表面硬度を高く安定させることができ、クラッチインナ４、クラッチアウタ６の許容応力が増し、クラッチ２の小型化、長寿命化が可能となる。

また、クラッチインナ４とピニオンギヤ５を一体に構成し、ピニオンギヤ５の歯部表面とインナレース部４ａに、ショットピーニング処理をすることで、耐荷重性と耐摩耗性を有するスタータ用クラッチを提供できる。
ピニオンギヤ５の歯部およびインナレース部４ａにショット処理を行うことで表面の許容応力が増すため、相手側のリングギヤ１２との繰り返し衝突や噛み合いでの摩耗量も軽減される。使用回数が多いアイドリングストップ対応のスタータ１でも、十分な歯部の耐久性が得られる。

さらに、クラッチアウタ６のローラ７との接触面のみに、ショットピーニング処理をすることで、耐荷重性と耐摩耗性を有するスタータ用クラッチを提供できる。
クラッチアウタ６のローラ７との接触面にのみショットピーニング処理を行うことで、短時間のショットピーニング処理でローラ７との摺動面の表面の残留圧縮応力を上げることができるため、経済的である。

１ スタータ、２ クラッチ、３ 出力軸、４ クラッチインナ、
４ａ インナレース部、５ ピニオンギヤ、６ クラッチアウタ、６ａ カム面、
６ｂ 係止部、７ ローラ、８ スプリング、９ 楔形空間、１０ レバー、
１１ モータ、１２ リングギヤ、１３ ハウジング、１４ 電磁継電器。

Claims (6)

1. モータの駆動により回転する出力軸と同期して回転するクラッチアウタと、
   前記クラッチアウタに対して回転可能に設けられ、エンジンに回転力を伝達するピニオンギヤと同期して回転するクラッチインナと、
   前記クラッチアウタと前記クラッチインナとの間に設けられた楔形空間に配置し、周方向に沿って転動可能なローラとを有するスタータ用クラッチにおいて、
   クラッチインナ、クラッチアウタ、ローラのいずれか1つ以上の表面にショットピーニング処理を行い表面残留圧縮応力を１２００ＭＰａから１６００ＭＰａとしたスタータ用クラッチ。
2. クラッチインナ、クラッチアウタ、ローラのいずれか1つ以上の表面に０．５〜４μｍの凹部を形成した請求項１記載のスタータ用クラッチ。
3. ローラは軸受鋼であり、ショットピーニング処理の前に、油焼入れ焼戻し処理をした請求項２記載のスタータ用クラッチ。
4. クラッチインナ、クラッチアウタは鋼材であり、ショットピーニング処理の前に、浸炭焼入れ焼戻し処理をした請求項２記載のスタータ用クラッチ。
5. クラッチインナとピニオンギヤを一体に構成し、ピニオンギヤ表面とインナレース部に、ショットピーニング処理をした請求項２記載のスタータ用クラッチ。
6. クラッチアウタのローラとの接触面に、ショットピーニング処理をした請求項２記載のスタータ用クラッチ。

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