JP2015194205A - トルク制限装置 - Google Patents

Abstract

【課題】規定値以上のトルクが入力された場合に出力軸に伝達されるトルクを低下させつつ、摩擦板に付与される摩擦力を低下させた際に発生し得る不具合の発生を抑制する。
【解決手段】入力軸１と出力軸２との間に介在し摩擦によってトルクを伝達する摩擦板３１及び摩擦板を押圧するためのスプリング力を付加するスプリング３３を有するクラッチ機構３と、入力軸側から出力軸側に伝達される規定値以上のトルクを感知するボール４１及びボールを収めるボールランプ４２を要素とし、規定値以上のトルクが感知された際にスプリングを機械的に変位させるべく作用し摩擦板の摩擦力を低下させるボールランプ機構４と、入力軸と出力軸との間の相対回転運動に伴う運動エネルギを低下させるダンパ機構５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般産業機器、航空機等の動力伝達系に係わり、規定値を超えるトルクが作用しようとする場合にそのトルクの伝達を抑制するトルク制限装置に関する。

従来より、規定値以上のトルクが入力された場合に過大なトルクが出力軸側に作用することを抑止するためのトルク制限装置として、入力軸と出力軸との間に介在し摩擦によってトルクを伝達する摩擦板及び前記摩擦板を押圧するためのスプリング力を付加するスプリングを有するクラッチ機構を備え、規定値以上のトルクが入力された場合に前記摩擦板に付与する摩擦力を低下させることにより、入力軸に接続した摩擦板と出力軸に接続した摩擦板とを相対移動可能にし、出力軸に伝達されるトルクを低下させる構成のものが知られている。より具体的には、入力軸と出力軸との間に、入力軸側から出力軸側に伝達される過大なトルクを感知し、前記摩擦力を軽減させるべく摩擦力を付与させるためのスプリングの一端を変位させるトルク変換機構であるボールランプ機構を採用したものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

ところで、摩擦板に付与される摩擦力が低下し、入力軸に接続した摩擦板と出力軸に接続した摩擦板との間に回転位相差が発生すると、これらの間に生じる摩擦力は静摩擦力から動摩擦力に変化する。すると、入力軸側は動力源から回転駆動力の伝達を受けて回転しようとするのに対し、出力軸側は慣性により過大なトルクが入力軸に入力される以前の速度で回転しようとするので、入力軸側と出力軸側との間の回転位相差の拡大速度（相対回転の速度）がさらに加速する。このとき、ボールランプ機構の入力軸側と出力軸側とがさらに離間し、摩擦板に付与される摩擦力がさらに低下する。このとき、以下に述べるような問題が発生する。

すなわち、トルク制限装置の入力側と出力側とのうち一方は他方に接近する方向への付勢力を受けているので、この付勢力を受けてトルク制限装置の入力側と出力側とが再び接近し、摩擦板に付与される摩擦力が増大する。これを受けて出力側に伝達されるトルクが大きくなり規定値を上回ると、再び出力軸に伝達されるトルクを低下させるための機構が作動し、その結果振動が発生するという不具合が起こり得る。

また、トルク制限装置の入力側及び出力側との間に必要以上の回転位相差が生じないようにすべくメカニカルストップが通常は設けられているが、入力側と出力側との間の回転位相差の拡大速度が大きくなると、メカニカルストップの構成部品同士が高速で衝突し、部品が損傷するという不具合も起こり得る。

実用新案登録第３１６２８１７号公報

本発明は以上の点に着目し、規定値以上のトルクが入力された場合に出力軸に伝達されるトルクを低下させつつ、摩擦板に付与される摩擦力を低下させた際に発生し得る不具合の発生を抑制することを目的とする。

以上の課題を解決すべく、本発明に係るトルク制限装置は、以下に述べるような構成を有する。すなわち本発明に係るトルク制限装置は、入力軸と出力軸との間に介在し摩擦によってトルクを伝達する摩擦板及び前記摩擦板を押圧するためのスプリング力を付加するスプリングを有するクラッチ機構と、前記入力軸側から前記出力軸側に伝達される規定値以上のトルクを感知するボール及びこのボールを収めるボールランプを要素とし、規定値以上のトルクが感知された際に前記スプリングを機械的変位させるべく作用し前記摩擦板の摩擦力を低下させるボールランプ機構と、入力軸と出力軸との間の相対回転運動に伴う運動エネルギを低下させるダンパ機構とを備えている。

このようなものであれば、入力軸と出力軸との間の相対回転運動に伴う運動エネルギがダンパ機構により低下するので、入力軸と出力軸と間の回転位相差の拡大速度が抑制される。従って、回転位相差の拡大に伴う振動や部品の破損といった不具合の発生を抑制できる。

このようなトルク制限装置のダンパ機構の具体的な構成の一例として、入力軸側及び出力軸側の一方に接続された雄ネジ要素と、他方に接続され前記雄ネジ要素に螺合する雌ネジ要素と、これら雄ネジ要素及び雌ネジ要素の間の螺進退に伴い回転運動エネルギを低下させるエネルギ変換部とを備えているものが挙げられる。

本発明によれば、規定値以上のトルクが入力された場合に出力軸に伝達されるトルクを低下させつつ、摩擦板に付与される摩擦力を低下させた際に発生し得る不具合の発生を抑制することができる。

本発明の第一実施形態のトルク制限装置を示す図。 同実施形態におけるボールランプの断面形状を示す図。 同実施形態のトルク制限装置の利用例を示す図。 本発明の第二実施形態のトルク制限装置を示す図。

本発明の第一実施形態を、図１〜図３を参照しつつ以下に述べる。

本実施形態に係るトルク制限装置は、図示しない動力源であるモータからの回転トルクを入力軸１が受け、入力軸１が受けたトルクが出力軸２に伝達され、これら入力軸１及び出力軸２が回転駆動されるものであって、図１に示すように、入力軸１と出力軸２との間に介在し摩擦によってトルクを伝達する摩擦板３１、摩擦板３１を押圧して摩擦板３１にトルクを伝達可能な摩擦力を発揮させる押圧部３２、及び押圧部３２に摩擦板３１を押圧するためのスプリング力を付加するスプリング３３を有するクラッチ機構３と、入力軸１側から出力軸２側に伝達される過大なトルクを感知してこれを前記スプリング３３のスプリング力に抗し得る方向への機械的変位に変換するボールランプ機構４と、入力軸１と出力軸２との間の相対回転運動に伴う運動エネルギを他のエネルギに変換することにより低下させるダンパ機構５とを具備する。また、このトルク制限装置は、潤滑液中に全体を浸した状態で使用される。

前記クラッチ機構３は、摩擦板３１に付与される摩擦により入力軸１に入力されるトルクの略全量を出力軸２に伝達する締結状態と、入力軸１に入力されるトルクの一部のみを出力軸２に伝達するすべり状態とをとることができる。

摩擦板３１は、入力軸１の内周にスプライン結合している第１の摩擦板要素３１ａと、入力軸１の内周に相対して配置される入力側プレート７１のうち一方の外周にスプライン結合している第２の摩擦板要素３１ｂとが、軸Ａ方向に交互に重なり合うように配列されてなる。前記締結状態では、第１の摩擦板要素３１ａと第２の摩擦板要素３１ｂとは互いに静止している。一方、前記すべり状態では、第１の摩擦板要素３１ａと第２の摩擦板要素３１ｂとが相対移動する。前記入力側プレート７１は、入力軸１及び出力軸２の軸方向に延伸する中間軸部材７の長手方向両端部にそれぞれ形成している。

押圧部３２は、スプリング３３よりスプリング力の付与を受けて摩擦板３１を軸Ａ方向に押圧する。

スプリング３３は、押圧部３２を介して摩擦板３１を押圧する役割を担う。本実施形態では、出力軸２と押圧部３２との間に介設されている。そして、入力軸１から出力軸２に向けて規定値以上のトルクが伝達されようとすると、後述するようにボールランプ機構４によって摩擦板３１に作用する押圧力が減少し、クラッチ機構３が締結状態からすべり状態となる。

ボールランプ機構４は、入力軸１側から出力軸２側に伝達されるトルクを感知するボール４１及びこのボール４１を収めるボールランプ４２を要素とするものである。ボールランプ４２は、入力側プレート７１、出力側プレート８の双方に形成されている。ボールランプ４２に収められたボール４１は入力側プレート７１と出力側プレート８とに挟まれた状態にある。なお、ボールランプ４２の断面形状を、図２に示す。また、出力側プレート８は、スプリング４３により入力側プレート７１に近づく方向に付勢されている。加えて、入力側プレート７１と出力側プレート８との間の周方向及び軸Ａ方向への相対変位を制限するために、図示しないメカニカルストップを設けている。

ダンパ機構５は、入力側プレート７１及び出力側プレート８の相対回転運動を進退運動に変換する動作変換部５１と、進退運動の運動エネルギを他のエネルギに変換することにより低下させるエネルギ変換部５２とを備えている。前記動作変換部５１は、出力側プレート８に接続された雄ネジ要素５３と、入力側プレート５１に接続され前記雄ネジ要素５３に螺合する雌ネジ要素５４とを備えている。一方、前記エネルギ変換部５２は、前記雄ネジ要素５３と一体的に進退移動し進退方向に貫通するオリフィス５５ａを有するピストン５５と、前記雌ネジ要素９４と一体的に進退移動し前記ピストン５５を収納可能なシリンダ５６と、前記ピストン５５と前記シリンダ５６との間に設けられ前記ピストン５５を前記シリンダ５６の底面から離間する方向に付勢するスプリング５７とを備えている。前記シリンダ５６の内部は、潤滑液により満たされている。

入力軸１に入力されるトルクは、摩擦板３を介して入力側プレート７１に伝達され、さらにボール４１を介して出力側プレート８に伝達される。図２に示しているように、断面視略Ｖ字溝状をなすボールランプ４２の形状から、入力側プレート７１から出力側プレート８へ伝達されるトルクによって出力側プレート８には軸Ａに平行な軸力が作用する。この軸力は、出力側プレート８を入力側プレート７１より離反させようとする。軸Ａからボールランプ４２までの距離をＲ、トルクをＴ、軸力をＷ、入力側プレート７１及び出力側プレート８の対向面とボールランプ４２の内側面とがなす角をθとおくと、トルクＴと軸力Ｗとの間には
Ｗ＝Ｔ/Ｒtanθ
なる関係が成立する。そして、ボール４１に対しては、スプリング３３が及ぼすスプリング力とスプリング４３が及ぼすスプリング力との差分がプリロードとして作用する。

規定値（許容される伝達トルクの上限）のトルクが入力された場合における軸力の大きさは上式より算出できる。そして、この算出される軸力と同等のプリロードがボール４１に付加されるように、スプリング３３、４３のばね定数や寸法等を設計しておく。

規定値以上の過大なトルクが入力軸１に入力され、摩擦板３、入力側プレート７１及びボールランプ機構４を介して出力軸２に伝達されようとすると、ボール４１がボールランプ４２に対し相対的に変位する。即ち、ボール４１がボールランプ４２の内側面を乗り上げはじめる。よって、より大きな軸力が出力側プレート８に作用して、出力側プレート８を入力側プレート７１から離反する方向に変位させることとなる。

その後、ボール４１がボールランプ４２の内側面をさらに乗り上げると、出力側プレート８はさらに入力側プレート７１から離反し、出力側プレート８が押圧部３２に接触する。このとき、押圧部３２に作用していたスプリング力の少なくとも一部が出力側プレート８に肩代わりされ、結果的に摩擦板３１を押圧する圧力が減少する。従って、第１の摩擦板要素３１ａと第２の摩擦板要素３１ｂとの摩擦が低減してクラッチ機構３がすべり状態となり、クラッチ機構３によって伝達されるトルクも低下する。すなわち、規定値以上の過大なトルクが入力軸１に入力されると、ボールランプ機構４は、クラッチ機構３を締結状態からすべり状態に変化させるべく機能する。このとき、ボール４１がボールランプ４２の内側面を乗り上げる変位量が維持されることから、摩擦板３によって伝達されるトルクはすべりが発生した時点での大きさに保たれる。

クラッチ機構３が締結状態からすべり状態に変化すると、第１の摩擦板要素３１ａと第２の摩擦板要素３１ｂとの間に発生する摩擦は、静摩擦から動摩擦へと変化する。すると、入力軸１側は前記モータにつれて回転しようとするのに対し、出力軸２は慣性により過大なトルクが入力軸１に入力される以前の速度で回転しようとするので、入力軸１及び入力側プレート７１と出力側プレート８及び出力軸２との間で回転位相差が発生する。これらの間の回転位相差が所定の大きさに達すると、前記メカニカルストップが作用し、回転位相差の拡大が阻止される。

その上で、入力軸１と出力軸２との間に回転位相差が発生すると、より厳密には入力側プレート７１と出力側プレート８との間に回転位相差が発生すると、ダンパ機構５の雄ネジ要素５３が雌ネジ要素５４に螺着されるので、前記ピストン５５が前記シリンダ５６内部に向けて押し込まれ、スプリング５７に弾性エネルギが蓄積されるとともに、前記オリフィス５５ａを潤滑液が通過し、雄ネジ要素５３及びピストン５５の運動エネルギの一部が潤滑液とオリフィス５５ａとの間の摩擦により発生する熱エネルギに変換される。すなわち、入力側プレート７１と出力側プレート８との間の回転位相差の発生に伴う相対回転移動のエネルギが他のエネルギ、具体的には熱エネルギに変換されることにより低下し、相対回転移動が減速される。

本実施形態のトルク制限装置は、例えば、図３に示すような航空機の操舵面駆動システムに実装することができる。各翼に配置される舵面Ｘ１は、トルクシャフトＸ２によって駆動される。トルクシャフトＸ２がトルク制限装置の出力軸２に接続されることは言うまでもない。両翼にトルクを均等に分配する必要上、駆動源（モータ等）Ｘ３は両翼の中間に配置される。

しかして、故障その他の不具合が発生した場合には、片側のトルクシャフトＸ２に対してのみ伝達されるトルクを制限しなければならないことがあり得る。本実施形態のトルク制限装置では、ボール４１、ボールランプ４２及び出力軸２が軸Ａ方向の両側に配置されており、単一の入力軸１より入力されるトルクを左右二方向に分配でき、しかも左右個別にトルク制限を行うことが可能である。但し、クラッチ機構３を構成する摩擦板３１及び押圧部３２、ボールランプ機構４を構成するトルクボール４１及びボールランプ４２、並びに出力軸２が片側にのみ配置される態様、言い換えるならばトルクを複数方向に分配しない態様を妨げない。

以上に述べたように、本実施形態によれば、入力側プレート７１と出力側プレート８とが相対回転移動した際に、相対回転移動の運動エネルギがダンパ機構５のエネルギ変換部５２により熱エネルギ及び弾性エネルギに変換され、運動エネルギが低下するので、相対回転運動が減速される。従って、入力側プレート７１と出力側プレート８との離間が抑制され、摩擦板３に付与される摩擦力が大きく減少することにより生じる振動の発生を抑制できる。また、ダンパ機構５により相対回転移動が減速されるので、メカニカルストップ同士が高速で衝突することによる破損の発生を抑制することもできる。

加えて、ダンパ機構５が、動作変換部５１及びエネルギ変換部５２を備え、動作変換部５１が雄ネジ要素５３及び雌ネジ要素５４を備えているので、簡単な構成により入力側プレート７１と出力側プレート８との相対回転移動の運動エネルギを他のエネルギ、具体的には熱エネルギに変換することにより低下させることができる。

次いで、本発明の第二実施形態を、図４を参照しつつ以下に述べる。

この第二実施形態に係るトルク制限装置Ｄ２は、第一実施形態におけるダンパ機構５に替えて以下に述べるようなダンパ機構６を備えており、その他の点では第一実施形態に係るトルク制限装置と同一の構成を有する。以下、第一実施形態との相違点についてのみ述べる。また、以下の説明において、第一実施形態におけるものに対応する各部位に同一の名称及び符号を付している。

ダンパ機構６は、入力側プレート７１及び出力側プレート８の相対回転運動を進退運動に変換する動作変換部６１と、進退運動の運動エネルギを他のエネルギに変換するエネルギ変換部６２とを備えている。前記動作変換部６１は、出力側プレート８に接続された雄ネジ要素６３と、入力側プレート７１に接続され前記雄ネジ要素６１に螺合する雌ネジ要素６４とを備えている。一方、前記エネルギ変換部６２は、前記雄ネジ要素６３及び前記雌ネジ要素６４に接続された輪ばね６５を利用して形成している。

その上で、入力軸１と出力軸２との間に回転位相差が発生すると、より厳密には入力側プレート７１と出力側プレート８との間に回転位相差が発生すると、ダンパ機構６の雄ネジ要素６３が雌ネジ要素６４に螺着されるので輪ばね６５が押し込まれる。このことにより、輪ばね６５に弾性エネルギが蓄積されるとともに、輪ばね６５の内輪と外輪との間の摩擦により、運動エネルギの一部が熱エネルギとして放出される。すなわち、入力側プレート７１と出力側プレート８との間の回転位相差の発生に伴う相対回転移動のエネルギが他のエネルギ、具体的には弾性エネルギ及び熱エネルギに変換されることにより低下し、相対回転移動が減速される。

従って、本実施形態によっても、入力側プレート７１と出力側プレート８とが相対回転移動した際に、相対回転移動の運動エネルギがダンパ機構６のエネルギ変換部６２により輪ばね６５の弾性エネルギ及び輪ばね６５の内輪と外輪との間の摩擦により生じる熱エネルギに変換されることにより低下するので、相対回転運動が減速される。従って、入力側プレート７１と出力側プレート８との離間が抑制され、摩擦板に付与される摩擦力が大きく減少することにより生じる振動の発生を抑制できる。

加えて、ダンパ機構６が動作変換部６１及びエネルギ変換部６２を備え、動作変換部６１が雄ネジ要素６３及び雌ネジ要素６４を備えているので、簡単な構成により入力側プレート７１と出力側プレート８との相対回転移動の運動エネルギを他のエネルギ、具体的には弾性エネルギ及び熱エネルギに変換することにより低下させることができる。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らない。

例えば、入力軸及び出力軸の形状を種々に変更してもよい。

また、入力側プレートと出力側プレートとの相対回転の運動エネルギを他のエネルギに変換することにより低下させるダンパ機構として、上述した第一及び第二実施形態に述べた以外のもの、例えばねじりコイルばねを利用したもの等を採用してももちろんよい。

その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変更してよい。

１…入力軸
２…出力軸
３１…摩擦板
３３…スプリング
４…ボールランプ機構
５、６…ダンパ機構
５２、６２…エネルギ変換部
５３、６３…雄ネジ要素
５４、６４…雌ネジ要素

Claims (2)

1. 入力軸と出力軸との間に介在し摩擦によってトルクを伝達する摩擦板及び前記摩擦板を押圧するためのスプリング力を付加するスプリングを有するクラッチ機構と、前記入力軸側から前記出力軸側に伝達される規定値以上のトルクを感知するボール及びこのボールを収めるボールランプを要素とし、規定値以上のトルクが感知された際に前記スプリングを機械的変位させるべく作用し前記摩擦板の摩擦力を低下させるボールランプ機構と、入力軸と出力軸との間の相対回転運動に伴う運動エネルギを低下させるダンパ機構とを備えていることを特徴とするトルク制限装置。
2. 前記ダンパ機構が、入力軸側及び出力軸側の一方に接続された雄ネジ要素と、他方に接続され前記雄ネジ要素に螺合する雌ネジ要素と、これら雄ネジ要素及び雌ネジ要素の間の螺進退に伴い回転運動エネルギを低下させるエネルギ変換部とを備えている請求項１記載のトルク制限装置。

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