JP2016217435A - トルクコンバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特に高地での車両の発進性能を向上可能なトルクコンバータ装置を提供する。
【解決手段】エンジンの出力軸に接続されるポンプインペラ１２と、変速機の入力軸に接続されるタービンランナ１４と、ポンプインペラ１２とタービンランナ１４の間に配置されるステータ１６と、を備えたトルクコンバータ装置は、ステータ１６に接続されるステータシャフト２１と、ステータシャフト２１の軸心上の軸端部に配設されるトルクカム２０と、ステータ１６をトルクカム２０の配置方向に付勢する付勢部２６と、を備える。作動流体を介してステータ１６に作用するトルクによりステータシャフト２１が回転すると、トルクカム２０は、トルクカム２０に対するステータシャフト２１の回転角度に応じて、ステータ１６を軸心に沿って移動させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両の発進性能を向上可能なトルクコンバータ装置に関する。

従来、エンジンの過給ダウンサイジング化により燃費の向上を図った車両がある。しかし、トルクコンバータを用いたダウンサイジングターボ車が標高の高い地域（高地）の上り坂で発進しようとしても、酸素濃度が低いために通常の標高地よりもトルクが出ず、図８に示すように、エンジンがターボブースト回転数に到達する手前でエンジントルクＴＥとタービントルクＴＴが釣り合ってしまい、エンジントルクＴＥが発進に必要なトルクＴＳまで上がらず、結果として発進できないといった状況が生じ得る。

トルクコンバータを備える車両の発進性能は、ポンプインペラとタービンランナとの相対すべり速度が高い領域でのトルク容量係数を低減させることで改善可能であるが、この場合、一般的に、ポンプインペラとタービンランナとの相対すべり速度が低い領域でのトルク容量係数も下げてしまうので、ロックアップクラッチを締結する際の発熱量が増大し、ロックアップクラッチの寿命が短くなることが懸念される。このため、トルクコンバータを用いたダウンサイジングターボ車には、高地での坂道発進を可能とするポンプインペラとタービンランナとの相対すべり速度に対し、トルクコンバータのトルク容量係数を連続的に調整して、始動時のエンジントルクが小さな高地の上り坂でも安定して発進可能なシステムが求められていた。

米国特許第４１２８９９９号明細書

特許文献１には、トルクコンバータが、ポンプインペラと、タービンランナと、ステータと、ロックアップクラッチとを備え、ロックアップクラッチが作動したとき、ステータを軸方向に移動させることでトルク容量係数を小さくしてパワーロスを最小化する技術が開示されている。しかし、特許文献１に記載された技術では、トルク容量係数の変更がロックアップクラッチの作動に連動して行われているため、高地の上り坂における発進性能を向上できるものではない。また、特許文献１のトルクコンバータには、ステータを移動するために油路やピストンなどの複雑な構成が必要である。

本発明の目的は、特に高地での車両の発進性能を向上可能なトルクコンバータ装置を提供することである。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
エンジンの出力軸（例えば、後述の実施形態でのクランクシャフト１１ｅ）に接続されるポンプインペラ（例えば、後述の実施形態でのポンプインペラ１２）と、変速機の入力軸（例えば、後述の実施形態での入力軸１１ｔ）に接続されるタービンランナ（例えば、後述の実施形態でのタービンランナ１４）と、前記ポンプインペラと前記タービンランナの間に配置されるステータ（例えば、後述の実施形態でのステータ１６）と、を備え、前記ポンプインペラと前記タービンランナとの間に形成された循環路に作動流体を循環させて、前記作動流体を介して前記ポンプインペラから前記タービンランナに回転動力を伝達するトルクコンバータ装置（例えば、後述の実施形態でのトルクコンバータ装置１０，１０Ａ）であって、
前記ステータに接続されるステータシャフト（例えば、後述の実施形態でのステータシャフト２１）と、
前記ステータシャフトの軸心（例えば、後述の実施形態での軸心ＣＬ）上の軸端部に配設されるトルクカム（例えば、後述の実施形態でのトルクカム２０）と、
前記ステータを前記トルクカムの配置方向に付勢する付勢部（例えば、後述の実施形態での圧縮ばね２６）と、を備え、
前記作動流体を介して前記ステータに作用するトルクにより前記ステータシャフトが回転すると、前記トルクカムは、前記トルクカムに対する前記ステータシャフトの回転角度に応じて、前記ステータを前記軸心に沿って移動させる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記ステータは、トルク容量係数が最大となる位置を基準として、前記トルクカムに対する前記ステータシャフトの回転角度の増加に伴って前記トルク容量係数が低下する方向に移動する。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の発明において、
前記トルクカムは、
前記軸心に対して傾斜する第１カム面（例えば、後述の実施形態でのカム面２４ａ）を有し、前記ステータシャフトと一体回転可能に固定されたシャフトカム（例えば、後述の実施形態でのシャフトカム２４）と、
前記軸心に対して傾斜する第２カム面（例えば、後述の実施形態でのカム面２５ａ）を有し、トルクカムベースによって回転不能に支持されたベースカム（例えば、後述の実施形態でのベースカム２５）と、を有し、
前記シャフトカム及び前記ベースカムは、第１カム面と前記第２カム面とが対向するよう前記軸心上に配置されている。

また、請求項４に記載の発明では、請求項１または２に記載の発明において、
周囲の大気圧を計測する気圧計測部（例えば、後述の実施形態での気圧計４３）と、
周囲の大気圧の低下に伴って前記ステータをトルク容量係数が低下する方向に移動させる駆動部（例えば、後述の実施形態でのベースカム位置制御機構４０）と、をさらに備え、
前記トルクカムは、
前記軸心に対して傾斜する第１カム面（例えば、後述の実施形態でのカム面２４ａ）を有し、前記ステータシャフトと一体回転可能に固定されたシャフトカム（例えば、後述の実施形態でのシャフトカム２４）と、
前記軸心に対して傾斜する第２カム面（例えば、後述の実施形態でのカム面２５ａ）を有し、トルクカムベースによって回転不能に支持されたベースカム（例えば、後述の実施形態でのベースカム２５）と、を有し、
前記シャフトカム及び前記ベースカムは、第１カム面と前記第２カム面とが対向するよう前記軸心上に配置され、
前記駆動部は、周囲の大気圧に応じて前記ベースカムを前記軸心に沿って移動させる。

請求項１に記載の発明によれば、標高の高い地域では空気密度が低いためエンジン始動時のエンジントルクは低いが、トルクコンバータ装置は、このときステータに作用するねじりトルクを利用してステータを移動させることでトルク容量係数を低下させるトルクカムを備える。トルクカムによって、ポンプインペラとタービンランナとの相対すべり速度が大きな領域でのトルク容量係数を低減できる。このため、エンジン始動時のエンジントルクが低い状態であっても、エンジントルクがタービントルクを上回る状態のままエンジンの回転数が上昇し、エンジントルクが発進に必要なトルクを超えて、トルクコンバータ装置を搭載した車両は容易に発進することができる。また、トルク容量係数を小さくするための構成を電気的な仕組みを用いずに実現することができるため、構造が簡単であると共に、車両の発進性能を向上できる。

請求項２に記載の発明によれば、ステータは、トルク容量が最大となる位置を基準として、トルクカムに対するステータシャフトの回転角度が増加するに伴ってトルク容量が低下する方向に移動するので、ポンプインペラとタービンランナとの相対すべり速度が大きな領域でのトルク容量係数を低減させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、ステータは付勢部によってシャフトカムと共にトルクカムの配置方向に付勢されているため、シャフトカムの第１カム面の少なくとも一部は、常時、ベースカムの第２カム面に当接する。ステータに接続されたシャフトカムがステータと共に回動すると、ステータは、軸心に対して傾斜して互いに当接する第１カム面及び第２カム面の作用により、付勢部の付勢力に抗して、軸心に沿ってトルクカムから離れる方向に移動する。

請求項４に記載の発明によれば、標高が高く気圧の低い地域では駆動部によってステータの基準位置が変更された状態で、エンジン始動時のポンプインペラとタービンランナとの相対すべり速度に応じたステータの移動によるトルク容量係数の変更によって、車両は容易に発進することができる

トルクコンバータ装置の基本構成を示す断面図である。 第１実施形態のトルクコンバータ装置の全体構成を示す模式図である。 ポンプインペラとタービンランナとの相対すべり速度が高い領域において、ステータが軸方向に移動してトルク容量を低減する状態を示すトルクコンバータ装置の模式図である。 図３に示すトルク容量低減時のタービントルクを、従来のタービントルクと比較して示すグラフである。 エンジントルクがタービントルクを上回り、車両が発進する状態を示すグラフである。 ポンプインペラとタービンランナとの相対すべり速度が低い領域において、トルク容量が増大する方向にステータが移動する状態を示すトルクコンバータ装置の模式図である。 第２実施形態のトルクコンバータ装置の全体構成を示す模式図である。 従来のトルクコンバータ装置の特性を示すグラフである。

以下、本発明の各実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

（第１実施形態）
本発明に係る第１実施形態のトルクコンバータ装置の基本構成について、図１を参照して説明する。図１に示すように、自動車等の車両に搭載されるトルクコンバータ装置１０は、エンジン（図示せず）のクランクシャフト１１ｅに連結されたポンプインペラ１２と、ポンプインペラ１２の作動流体吐出口に近接して配置された作動流体流入口を有し、変速機（図示せず）に結合されたタービンランナ１４と、タービンランナ１４からポンプインペラ１２に戻る作動流体の流れを偏向するステータ１６と、ロックアップクラッチ３０とを備える。ポンプインペラ１２、タービンランナ１４及びステータ１６は、トルクコンバータケース１８内に収容されている。トルクコンバータ装置１０は、ポンプインペラ１２とタービンランナ１４との間に形成された循環路に作動流体を循環させて、作動流体を介してポンプインペラ１２からタービンランナ１４に回転動力を伝達する。

ポンプインペラ１２は、エンジンのクランクシャフト１１ｅに連結されて一体回転するトルクコンバータケース１８に取り付けられている。ポンプインペラ１２は、外側のポンプシェル１２ａと、内側のポンプコアリング１２ｂと、ポンプコアリング１２ｂに取り付けられているポンプブレード１２ｃとから構成され、外側のポンプシェル１２ａ及び内側のポンプコアリング１２ｂによって作動流体の流路を形成する。

タービンランナ１４は、ポンプシェル１２ａに対向して配置されている。タービンランナ１４は、外側のタービンシェル１４ａと、内側のタービンコアリング１４ｂと、タービンコアリング１４ｂに取り付けられているタービンブレード１４ｃとから構成され、外側のタービンシェル１４ａ及び内側のタービンコアリング１４ｂによって作動流体の流路を形成する。タービンランナ１４は、ポンプインペラ１２と同軸上にあるタービンハブ１７に結合され、変速機の入力軸１１ｔと一体に回転する。

ステータ１６は、ポンプインペラ１２とタービンランナ１４との間に挟まれるように配置されている。ステータ１６は、シェル側リング１６ａと、コア側リング１６ｂと、ステータブレード１６ｃとから構成され、シェル側リング１６ａ及びコア側リング１６ｂによって作動流体の循環路を形成する。ステータ１６は、ワンウェイクラッチ１９を介してトルクコンバータ装置１０のハウジング（図示せず）に支持されている。

ロックアップクラッチ３０は、トルクコンバータケース１８とタービンランナ１４との間に配置されており、エンジンのクランクシャフト１１ｅと変速機の入力軸１１ｔとを機械的に結合可能である。ロックアップクラッチ３０は、円盤状に形成された入力側プレート３１と、摩擦板３２と、一端が曲げ起こされた爪部を有する入力爪３３とを有する。

入力側プレート３１は、タービンハブ１７の外周面に軸方向に摺動自在に軸支されている。入力側プレート３１の左右の圧力を変えることによって入力側プレート３１を図中、左右方向に移動させ、摩擦板３２とトルクコンバータケース１８とを接離させることで、ロックアップクラッチ３０を締結又は開放する。

また、入力側プレート３１のタービンランナ１４側にリベット３４によって固定されている入力爪３３は、ロックアップクラッチ３０とタービンランナ１４との間に配置されているダンパ装置３５に当接し、トルクを伝達する。

図２は、図１に示した第１実施形態のトルクコンバータ装置１０の全体構成を示す模式図である。図２に示すように、トルクコンバータ装置１０のステータ１６は、ステータシャフト２１に連結されている。ステータシャフト２１の一端にはトルクカム２０が配設されている。ステータシャフト２１とトルクカム２０とは、同一の軸心ＣＬ上に配置されている。

トルクカム２０は、軸心ＣＬに対して傾斜するカム面２４ａを有し、ステータシャフト２１と一体回転可能に固定されたシャフトカム２４と、同じく軸心ＣＬに対して傾斜するカム面２５ａを有し、トルクカムベース２３によって回転不能に支持されたベースカム２５とを有する。シャフトカム２４及びベースカム２５は、カム面２４ａとカム面２５ａとが対向するよう軸心ＣＬ上に配置されている。

ステータ１６は、ステータシャフト２１のばね受け部２１ａとトルクコンバータケース１８との間に配設された圧縮ばね２６の弾性力により、シャフトカム２４と共にトルクカム２０の配置方向に付勢されている。このため、シャフトカム２４のカム面２４ａの少なくとも一部は、常時、ベースカム２５のカム面２５ａに当接する。

本実施形態では、ステータ１６に固定されたシャフトカム２４がステータ１６と共に回動すると、ステータ１６は、軸心ＣＬに対して傾斜して互いに当接するカム面２４ａ，２５ａの作用により、圧縮ばね２６の弾性力に抗して、図２に示す基準位置から軸心ＣＬに沿ってトルクカム２０から離れる方向（図２において左方向）に移動する。このとき、ステータ１６は、トルクカム２０に対するステータシャフト２１の回転角度の増加に伴って移動する。すなわち、１８０度を上限として、この回転角度が大きいほどステータ１６の移動量は大きい。なお、ステータ１６の基準位置は、ステータ１６が最もトルクカム２０側に移動した位置であり、トルクコンバータ装置１０のトルク容量係数が最大となる位置に設定されている。ステータ１６がトルクカム２０から離れる方向に移動するに伴って、トルクコンバータ装置１０のトルク容量係数は低下する。

次に、本実施形態のトルクコンバータ装置１０を搭載した車両が、標高が高く大気圧が低い地域の上り坂で発進する際のトルクコンバータ装置１０の作用について、図４〜図６を参照して詳細に説明する。

標高が高く大気圧が低い地域では、空気密度が低いために通常の標高地よりもエンジン始動時のエンジントルクは低い。エンジン始動時のトルクコンバータ装置１０のトルク容量係数が大きいと、ポンプインペラ１２とタービンランナ１４との相対すべり速度が大きく、ステータ１６には作動流体を介して大きなねじりトルクが作用する。ステータ１６にねじりトルクが作用して、ステータシャフト２１及びシャフトカム２４が回動すると、ステータ１６は、軸心ＣＬに対して傾斜して互いに当接するカム面２４ａ，２５ａの作用により、圧縮ばね２６の弾性力に抗して、図３に示すようにトルクカム２０から離れる方向（図３において左方向）に移動する。このとき、ステータ１６は、ステータシャフト２１のトルクカム２０に対する回転角度に応じて移動する。その結果、ポンプインペラ１２及びタービンランナ１４に対するステータ１６の位置がトルク伝達効率の点で最適な位置ではなくなるため、トルクコンバータ装置１０のトルク容量係数が低下する。

トルクコンバータ装置１０のトルク容量係数が小さい状態であれば、ポンプインペラ１２にかかる負荷は小さく、かつ、タービントルクＴＴは、図４に点線で示すトルク容量係数が大きい状態のトルクよりも小さな、実線で示すトルクまで低下する。その結果、図５に示すように、エンジントルクＴＥがタービントルクＴＴを上回る状態のままエンジンの回転数が上昇して、エンジントルクＴＥは発進に必要なトルクＴＳを超える。その後、タービントルクＴＴがトルクＴＳを超えると車両の発進が可能となる。

車両が発進した後、トルクコンバータ装置１０のトルク容量係数が小さいままであると、ポンプインペラ１２とタービンランナ１４との相対すべり速度が高く、エネルギー伝達効率が悪い。また、ポンプインペラ１２とタービンランナ１４との相対すべりによるロックアップクラッチを締結する際の発熱のためにロックアップクラッチ３０の寿命が短くなることが懸念される。しかし、エンジントルクＴＥが発進に必要なトルクＴＳを超えた後のポンプインペラ１２とタービンランナ１４との相対すべり速度は小さくなり、ステータ１６に作用するねじりトルクも減少するため、図６に示すように、ステータ１６は、ステータ１６に作用するねじりトルクと圧縮ばね２６の弾性力とが均衡する位置まで、トルクカム２０の配置方向（図６において右方向）に移動する。その結果、トルクコンバータ装置１０のトルク容量係数が大きくなる。本実施形態では、図６に示したようにステータ１６が基準位置まで戻った状態で、ロックアップクラッチ３０を締結する。

なお、標高が低い地域では、高地と比べてエンジン始動時のエンジントルクは低くないため、ステータ１６に作用するねじりトルクは大きくない。このため、トルクカム２０から離れる方向へのステータ１６の移動量は小さく、高地と比べて、トルクコンバータ装置１０のトルク容量係数は低下しない。

以上説明したように、本実施形態によれば、標高の高い地域では空気密度が低いためエンジン始動時のエンジントルクは低いが、トルクコンバータ装置１０は、このときステータ１６に作用するねじりトルクを利用してステータ１６を移動させることでトルク容量係数を低下させるトルクカム２０を備える。トルクカム２０によって、ステータ１６は、トルク容量係数が最大となる位置を基準位置として、トルク容量係数が低下する方向に移動するので、ポンプインペラ１２とタービンランナ１４との相対すべり速度が大きな領域でのトルク容量係数を低減できる。このため、エンジン始動時のエンジントルクが低い状態であっても、エンジントルクＴＥがタービントルクＴＴを上回る状態のままエンジンの回転数が上昇し、エンジントルクＴＥが発進に必要なトルクＴＳを超えて、車両は容易に発進することができる。また、トルク容量係数を小さくするための構成を電気的な仕組みを用いずに実現することができるため、構造が簡単であると共に、車両の発進性能を向上できる。

さらに、トルクコンバータ装置１０には、ステータ１６をトルクカム２０の配置方向に付勢する圧縮ばね２６が設けられているため、エンジントルクＴＥが発進に必要なトルクＴＳを超えてポンプインペラ１２とタービンランナ１４との相対すべり速度が小さくなると、圧縮ばね２６の付勢力によって、ステータ１６は基準位置に戻される、ロックアップクラッチ３０の締結は、ステータ１６が基準位置に戻されてトルクコンバータ装置１０のトルク容量係数が大きい状態で行われるため、ロックアップクラッチ３０の締結時における発熱を抑えつつ通常のエネルギー伝達効率で車両が走行できる。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態のトルクコンバータ装置１０Ａの全体構成を示す模式図である。第２実施形態のトルクコンバータ装置１０Ａの基本構成は図１に示した第１実施形態のトルクコンバータ装置１０と同じであるが、第２実施形態のトルクコンバータ装置１０Ａは、図７に示すように、トルクカム２０のベースカム２５が軸心ＣＬの方向に移動可能であり、ベースカム位置制御機構４０をさらに備える。

ベースカム位置制御機構４０は、ベースカム２５を回転不能かつ軸方向に移動可能に支持するトルクカムベース２３の油圧室２７に、油圧ポンプ４１から供給される作動油の流量を流量制御弁４２で制御して供給する。流量制御弁４２は、周囲の大気圧を測定する気圧計４３からのデータに基づいて、大気圧の低下に伴って油圧室２７に供給される油量が多くなるよう制御する。

本実施形態のベースカム２５Ａは、第１実施形態のベースカム２５と同様にトルクカムベース２３によって支持されているが、軸心ＣＬに沿って移動可能であり、大気圧の低下に従いより多くの作動油が油圧室２７に供給されると、シャフトカム２４の配置方向（図７において左方向）に移動する。その結果、ステータ１６の基準位置は、周囲の大気圧の低下に従ってトルク容量係数が低くなる方向に変更される。このように、標高が高く気圧の低い地域ではベースカム位置制御機構４０によってステータ１６の基準位置が変更された状態で、第１実施形態と同様に、エンジン始動時のポンプインペラ１２とタービンランナ１４との相対すべり速度に応じたステータ１６の移動によるトルク容量係数の変更によって、車両は容易に発進することができる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。

１０，１０Ａ トルクコンバータ装置
１１ｅ クランクシャフト
１１ｔ 入力軸
１２ ポンプインペラ
１４ タービンランナ
１６ ステータ
２０ トルクカム
２１ ステータシャフト
２４ シャフトカム
２４ａ カム面
２５ ベースカム
２５ａ カム面
２６ 圧縮ばね
４０ ベースカム位置制御機構
４３ 気圧計

Claims (4)

1. エンジンの出力軸に接続されるポンプインペラと、変速機の入力軸に接続されるタービンランナと、前記ポンプインペラと前記タービンランナの間に配置されるステータと、を備え、前記ポンプインペラと前記タービンランナとの間に形成された循環路に作動流体を循環させて、前記作動流体を介して前記ポンプインペラから前記タービンランナに回転動力を伝達するトルクコンバータ装置であって、
   前記ステータに接続されるステータシャフトと、
   前記ステータシャフトの軸心上の軸端部に配設されるトルクカムと、
   前記ステータを前記トルクカムの配置方向に付勢する付勢部と、を備え、
   前記作動流体を介して前記ステータに作用するトルクにより前記ステータシャフトが回転すると、前記トルクカムは、前記トルクカムに対する前記ステータシャフトの回転角度に応じて、前記ステータを前記軸心に沿って移動させる、トルクコンバータ装置。
2. 請求項１に記載のトルクコンバータ装置であって、
   前記ステータは、トルク容量係数が最大となる位置を基準として、前記トルクカムに対する前記ステータシャフトの回転角度の増加に伴って前記トルク容量係数が低下する方向に移動する、トルクコンバータ装置。
3. 請求項１又は２に記載のトルクコンバータ装置であって、
   前記トルクカムは、
   前記軸心に対して傾斜する第１カム面を有し、前記ステータシャフトと一体回転可能に固定されたシャフトカムと、
   前記軸心に対して傾斜する第２カム面を有し、トルクカムベースによって回転不能に支持されたベースカムと、を有し、
   前記シャフトカム及び前記ベースカムは、第１カム面と前記第２カム面とが対向するよう前記軸心上に配置された、トルクコンバータ装置。
4. 請求項１又は２に記載のトルクコンバータ装置であって、
   周囲の大気圧を計測する気圧計測部と、
   周囲の大気圧の低下に伴って前記ステータをトルク容量係数が低下する方向に移動させる駆動部と、をさらに備え、
   前記トルクカムは、
   前記軸心に対して傾斜する第１カム面を有し、前記ステータシャフトと一体回転可能に固定されたシャフトカムと、
   前記軸心に対して傾斜する第２カム面を有し、トルクカムベースによって回転不能に支持されたベースカムと、を有し、
   前記シャフトカム及び前記ベースカムは、第１カム面と前記第２カム面とが対向するよう前記軸心上に配置され、
   前記駆動部は、周囲の大気圧に応じて前記ベースカムを前記軸心に沿って移動させる、トルクコンバータ装置。

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