JP2021014858A - クラッチ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 クラッチを駆動するに大きな電力を消費しなければならなかった。【解決手段】 第１の回転体と第２の回転体とを連結するクラッチを制御するシステムは、前記クラッチを連結する向きに常時付勢する付勢手段と、前記クラッチを脱連結する向きに駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータに通電するべく電気的に接続された通電装置と、前記通電装置に電気的に接続されて制御するコントロールユニットであって、脱連結を許可する条件が成立しても前記クラッチの連結が検出された時には前記通電装置に前記アクチュエータへ第１の電流値を出力させ、脱連結を許可する条件が成立して前記クラッチの脱連結が検出された時には前記通電装置に前記第１の電流値より低い第２の電流値を出力させるように構成されたコントロールユニットと、を備える。【選択図】 図６

Description

以下の開示は、常時連結しているクラッチを時限的に脱連結するための制御システムに関し、特にクラッチの状態を維持するためのエネルギ消費を抑制できる制御システムに関する。

回転機械は、しばしば、種々の目的でクラッチを利用する。例えばリミテッドスリップデフでは、サイドギアとケーシングとの間に摩擦クラッチが介在しており、これを作動させることにより出力ギア間の差動を制限する。滑りを許容しない場合にはドッグクラッチのごとき噛み合いクラッチを利用する。ドッグクラッチを利用した回転機械の一例は、時限的に差動を禁止するロックアップデフである。

これらの例では定常状態においてクラッチは脱連結しており、必要に応じてアクチュエータを用いてクラッチを駆動し、これを連結する。

特許文献１，２は、関連する技術を開示する。

国際特許出願公開ＷＯ２０１９／１１１２９４Ａ１ 日本国特許出願公開２０１１−０９９４６０号

上述の装置では、比較的に限られた場合にのみアクチュエータに電力を投入する構成にすることができ、エネルギ消費を抑制することができる。ところが特定の装置においては、安全の確保等の目的で、定常状態においてクラッチを連結した状態に維持する必要がある。そのためにアクチュエータを稼働させ続ければ、相当程度のエネルギ消費を避けられない。比較的に強力な付勢力を常時クラッチに印加することにより、意図しない脱連結を防止することもできるが、アクチュエータはかかる強力な付勢力に抗しながらクラッチを駆動せねばならないので、エネルギ効率にはなお問題が残ってしまう。

以下に開示するシステムは、これらの問題を解決するために創出された。

一局面によれば、第１の回転体と第２の回転体とを連結するクラッチを制御するシステムは、前記クラッチを連結する向きに常時付勢する付勢手段と、前記クラッチを脱連結する向きに駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータに通電するべく電気的に接続された通電装置と、前記通電装置に電気的に接続されて制御するコントロールユニットであって、脱連結を許可する条件が成立しても前記クラッチの連結が検出された時には前記通電装置に前記アクチュエータへ第１の電流値を出力させ、脱連結を許可する条件が成立して前記クラッチの脱連結が検出された時には前記通電装置に前記第１の電流値より低い第２の電流値を出力させるように構成されたコントロールユニットと、を備える。

好ましくは、制御システムは、前記クラッチが連結状態か脱連結状態かを検出して前記コントロールユニットに入力するべく、前記コントロールユニットに電気的に接続された検出装置をさらに備え、前記検出装置は、前記クラッチに構造的に連結したスイッチ、クラッチの部材が近接したことを検出する非接触センサ、前記アクチュエータへ投入する電流値を測定する電流センサ、および前記第１の回転体または前記第２の回転体の速度を検出する速度センサより選択された何れか一以上である。また好ましくは、前記アクチュエータは、投入された電流に応じて磁束を生ずるソレノイドと、前記磁束に誘引されて前記クラッチを脱連結する向きに駆動するプランジャと、を備え、前記付勢手段は前記クラッチを連結する向きに付勢するバネを備える。あるいは好ましくは、前記コントロールユニットは、脱連結が検出されてからの時間をカウントする手段を備え、前記時間が設定値に達しない間は前記通電装置に前記第１の電流値を維持するようにさらに構成されている。さらに好ましくは、前記コントロールユニットは、前記通電装置に前記第１の電流値より高い第３の電流値を出力させた後に前記第１の電流値を出力させるようにさらに構成されている。

クラッチを操作する過程において、大きな駆動力を必要とする段階にのみアクチュエータに大きな電流が流れるので、エネルギ効率のよい時限的駆動の制御システムが提供される。

図１は、本実施形態による制御システムの模式図である。 図２は、制御システムが適用されるロックアップデフの断面図である。 図３は、制御システムが適用されるフリーランニングデフの断面図である。 図４は、一例に基づく電流値変化を模式的に表すグラフである。 図５は、他の例に基づく電流値変化を模式的に表すグラフである。 図６は、一例に基づく電流値制御のフローチャートである。 図７は、他の例に基づいて高電流印加を行う場合のフローチャートの一部である。 図８は、他の例に基づいて高電流印加を行う場合のフローチャートの他の一部である。

添付の図面を参照して以下に幾つかの例示的な実施形態を説明する。

図１を参照するに、本実施形態による制御システムは、第１の回転体１と第２の回転体３とを常時連結している（ノーマリクローズ）形式のクラッチ５を制御するのに好適である。もちろん常時脱連結している（ノーマリオープン）形式のクラッチに適用することもできる。

クラッチ５には多板クラッチやコーンクラッチのごとき摩擦クラッチを適用することができるが、通常にはドッグクラッチのごとき噛み合いクラッチが適用される。クラッチの一方の部材は軸方向に不動だが、他方の部材は矢印Ｍｄのごとく軸方向に可動である。可動なクラッチ部材にはバネのごとき付勢手段７が弾発的に連結し、矢印Ｍｄとは反対方向に常時付勢するので、クラッチ５は常時連結している。かかる可動なクラッチ部材には、また、適宜のアクチュエータ９が連結しており、アクチュエータ９により駆動されるとクラッチ５は脱連結する。

アクチュエータ９は、電力の投入によりプランジャ等を軸方向に駆動する、例えばソレノイド、油圧装置、空圧装置、モータ・カム機構等である。例えばアクチュエータ９は、投入された電流に応じて磁束を生ずるソレノイドと、磁束に誘引されてクラッチ５を脱連結する向きに駆動するプランジャと、を備える。付勢手段７はクラッチ部材に直接に当接していてもよく、あるいはアクチュエータ９のプランジャに当接していてもよい。あるいはアクチュエータ９は独立したプランジャを持たずにクラッチ部材を直接に駆動してもよく、さらにあるいはアクチュエータ９自身が移動してクラッチ５を駆動してもよく、これらの場合に付勢手段７はクラッチ部材とアクチュエータ９との何れを付勢してもよい。

かかるシステムの用途は、例えば図２に示す時限的にのみ機能するデファレンシャルを内蔵したファイナルドライブ２０である。この装置においては、第１の回転体１はケーシングであり、第２の回転体３は車軸に連結するサイドギアであって、共通の回転軸Ｃ周りに回転する。かかる装置はロックアップデフに類似した構造を有するが、付勢手段７によりクラッチ５が常時連結しており、定常時において左右の車軸に差動は生じない。アクチュエータ９に電力が投入されたときにのみクラッチ５が脱連結して、デファレンシャルギアが機能し、左右の車軸の間で差動が許容される。

他の用途は、例えば図３に示す時限的にのみトルク伝達を遮断する形式のフリーランニングデフ３０である。この装置においては、第１の回転体１はアウタケーシングであり、第２の回転体３はインナケーシングであって、共通の回転軸Ｃ周りに回転する。インナケーシングが一体にクラッチ歯を備え、あるいはクラッチ歯を備えたクラッチ部材と結合しており、これに対応する可動なクラッチ部材との組み合わせがクラッチ５を構成し、付勢手段７によりクラッチ５は常時連結している。図示の例ではインナケーシングは軸方向に不動だが、これに代えてインナケーシングが可動であり、これを付勢手段７およびアクチュエータ９が操作してもよい。これと噛合するクラッチ歯はアウタケーシングに結合し、あるいはこれと一体に形成されていてもよい。定常時においてクラッチ５は連結しているので、アウタケーシングに入力されたトルクはインナケーシングに伝達され、デファレンシャルを介して左右の車軸に分配される。アクチュエータ９に電力が投入されたときにのみクラッチ５が脱連結し、インナケーシングがアウタケーシングから自由になり、すなわちトルクは車軸に伝達されない。このような装置は、例えばパートタイム４ＷＤ車に利用される。

なお図２，３のいずれの実施形態においても、付勢手段７に加え、これと反対方向にクラッチ部材を付勢する他の付勢手段８を、必須ではないが、備えてもよい。これはアクチュエータ９の負担、特に噛合したクラッチ歯を引き離すのに大きな推力を必要とするので、かかる段階における負担を軽減し、以ってエネルギ消費を小さくするのに役立つ。

本実施形態による制御システムの用途はこれらに限られず、時限的にのみ脱連結（あるいは時限的に連結）する必要のある、例えばシフト装置のようないずれの回転機械にも適用することができるだろう。

図１に戻って参照するに、アクチュエータ９を制御するべく、制御システムはコントロールユニット１１を備える。コントロールユニット１１は、専らハードウェア資源により動作する特定用途向け電子回路であってもよいが、ソフトウェアと協働して動作するコンピュータチップが好適に利用可能である。また後者の例としては、車両がその各部を制御するために備える電子制御装置（ＥＣＵ）あるいはそれと均等なものを挙げることができ、またこれは他のＥＣＵとコントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）通信バスを介して相互に接続されていてもよい。

コントロールユニット１１は、また、これに内蔵して、あるいは外部の要素として、バッテリと接続されて電流を制御可能に供給できる通電装置１３を備える。通電装置１３はアクチュエータ９に電気的に接続され、コントロールユニット１１による制御の下、アクチュエータ９に電流を出力する。

制御システムは、さらに、クラッチ５が脱連結したことを検出する適宜の手段を備える。その一例は、可動クラッチ部材に構造的に連結したスイッチ１５であり、これはコントロールユニット１１に直接または間接に電気的に接続されて検出結果を通知する。あるいはスイッチ１５はクラッチ５に構造的に連結していなくてもよく、例えばクラッチ部材の何れかが近接したことを非接触で検出する非接触センサを利用することができる。非接触センサとしては、高周波発振を利用して金属の近接を検出するものや、静電容量形のものを例示できるが、これらに限られない。

他の例は、回転体１，３の回転速度をそれぞれ検出する速度センサ１７Ａ，１７Ｂであり、これらもコントロールユニット１１に直接または間接に電気的に接続されている。例えば速度センサ１７Ａ，１７Ｂの検出値を比較することにより、コントロールユニット１１はクラッチ５が脱連結したか否かを判断することができる。あるいはこれらに代えて、アクチュエータ９に流れる電流値の変化またはインピーダンス変化から判断することができるし、また潤滑油の温度から粘度を推定して判断することもできる。判断はコントロールユニット１１が自律的に行ってもよいし、他のＥＣＵによってもよい。一つの手段に基づいて判断してもよいし、二つ以上の手段に基づいて判断してもよい。

また制御システムは、コントロールユニット１１に接続されたインジケータ１９を備えてもよく、これは例えば車両のコンソールに設置されていてもよい。

通電装置１３は、例えば図４に示すプロファイルでアクチュエータ９に電流を出力する。すなわち、定常時において通電装置１３は実質的に電流を出力しないが、脱連結要求Ｒｄがあると、クラッチ５を脱連結するに十分な高電流を出力する。次いでクラッチ５が脱連結状態Ａｄになったことが検出されると、付勢手段７はより低い電流を出力する。かかる電流値は、付勢手段７による付勢力に抗して脱連結状態を維持するに十分な程度であり、クラッチ５を脱連結するための電流値よりも相当に低い。通電装置１３は、連結要求Ｒｃがあるまで、かかる低電流値を維持する。連結要求Ｒｃがあると、電流の出力が実質的に停止され、付勢手段７によりクラッチ５は連結状態に復帰する。

ここで脱連結状態Ａｄになったことが検出された後も、すぐに電流値を低減せずに、一定の時間は電流値を維持してもよい。かかる制御は脱連結の動作を確実にする点で有利である。

あるいは図５に示す通り、脱連結要求Ｒｄの直後に、通電装置１３はより高電流を出力する制御をしてもよい。これはクラッチ５の脱連結をより確実にするのみならず、脱連結を早めるのにも役立ち、結果的に消費電力の低減にも役立つ。ごく短い一定の時間、特に高電流を出力した後、図４の場合と同程度の高電流を出力し、脱連結状態Ａｄが検出されたならば、電流値をさらに低減する。上述と同様に、脱連結状態Ａｄが検出された後も一定の時間は電流値を維持し、その後に電流値を低減してもよい。

コントロールユニット１１は、例えば図６に示すアルゴリズムに従って動作することにより上述の電流プロファイルを実現する。以下のアルゴリズムはコントロールユニット１１のみで実行できるが、あるいは他のＥＣＵと協働して実行してもよい。

コントロールユニット１１は、まず脱連結を許可する条件が成立したかどうかを判断する（ステップＳ１）。かかる条件は、脱連結要求Ｒｄをコントロールユニット１１が受信することにより成立しうる。要求Ｒｄは運転者によるスイッチ操作による場合、あるいは他のＥＣＵからの通信による場合がありうる。あるいは他の一以上の条件に応じてコントロールユニット１１が自律的に判断する場合がありうる。

条件が成立していない場合には、コントロールユニット１１は通電装置１３に電流を出力させず、非通電の状態に維持する（ステップＳ３）。またインジケータ１９が接続されている場合には、例えばこれを消灯する（ステップＳ５）。

条件が成立している場合には、次いでコントロールユニット１１はクラッチ５が連結しているか否かを判断する（ステップＳ７）。かかる判断は、既に述べた通り、クラッチ５に構造的に連結したスイッチ１５、可動クラッチ部材が近接したことを検出する非接触センサアクチュエータ９へ投入する電流値を測定する電流センサ、および速度センサ１７Ａ，１７Ｂより選択された何れか一以上による。

コントロールユニット１１は、経過時間をカウントするための手段を備えることができ、それは例えばソフトウェア上のカウンタであり、あるいはコントロールユニット１１が動作するためのベースクロックまたは独立した他のクロックを利用してもよい。連結が検出された場合にはカウンタはクリア（０にリセット）される（ステップＳ９）。

連結が検出された場合（ステップＳ７においてＹｅｓ）には、コントロールユニット１１は通電装置１３に、クラッチ５を脱連結させるに十分な電流をアクチュエータ９へ出力させる（ステップＳ１１）。またインジケータ１９が接続されている場合には、例えばこれを点滅する（ステップＳ１３）ことにより、運転者へ動作状態を知らせる。

脱連結が検出された場合（ステップＳ７においてＮｏ）には、コントロールユニット１１は、通電装置１３に上述の高電流値より低い電流値を出力させる（ステップＳ２５）。

既に述べた通り、脱連結が検出された後も、一定の時間は電流値を維持する制御を採用することができる。かかる構成においては、脱連結が検出される（ステップＳ７においてＮｏ）のに続いて、コントロールユニット１１は、カウンタに記録された経過時間が設定値に達しているか否かを判断する（ステップＳ２１）。設定値に達していない場合（ステップＳ２１においてＮｏ）には、カウンタの数値を増加し（ステップＳ３１）、高電流を維持する（ステップＳ３３）。

経過時間が設定値に達した場合（ステップＳ２１においてＹｅｓ）には、コントロールユニット１１は、カウンタの数値を保持し（ステップＳ２３）、通電装置１３に上述の高電流値より低い電流値を出力させる（ステップＳ２５）。

何れの場合にも、インジケータ１９が接続されている場合には、例えばこれを点灯する（ステップＳ２７）ことにより、運転者へ動作状態を知らせる。

コントロールユニット１１は、上述のアルゴリズムを繰り返し実行することにより、図４に示す電流プロファイルを実現する。

通電装置１３が低い電流値を出力して脱連結を維持しているときは、脱連結要求Ｒｄが出されている（ステップＳ１においてＹＥＳ）限り、制御はステップＳ２５に戻ってくるので、保持電流が維持される。意図せずに連結してしまったとしても（ステップＳ７においてＹＥＳ）、出力は高電流値に切り替えられる（ステップＳ１１）ので、クラッチ５が再び脱連結状態となることが保証される。連結要求Ｒｃが出されたとき（ステップＳ１においてＮｏ）には、制御はステップＳ３に移されるので、出力はカットされ、付勢手段７によりクラッチ５が連結する。

図５に示す電流プロファイルを実現しようとする場合には、アルゴリズムは以下のように変形される。この場合にコントロールユニット１１は、特に高い電流を許可するか否かを判断するための手段を備えることができ、それは例えばソフトウェア上のフラグである。

図７を参照するに、ステップＳ１１において、特に高い電流を許可するフラグが立っている（１である）か否かを判断する（ステップＳ４１）。許可フラグが１の時（ステップＳ４１においてＹｅｓ）、コントロールユニット１１は通電装置１３に、特に高い電流をアクチュエータ９へ出力させ（ステップＳ４３）、カウンタの数値を増加する（ステップＳ４５）。次いで経過時間が設定値に達した場合（ステップＳ４７においてＹｅｓ）には、コントロールユニット１１は許可フラグを０にリセットし（ステップＳ４９）、設定値に達していない場合（ステップＳ４７においてＮｏ）には許可フラグを維持する（ステップＳ５１）。

許可フラグが０の時（ステップＳ４１においてＮｏ）、コントロールユニット１１は通電装置１３に、既に述べたクラッチ５を脱連結させるに十分な電流を出力させる（ステップＳ５３）、カウンタの数値を増加する（ステップＳ５５）。次いで経過時間が設定値に達した場合（ステップＳ５７においてＹｅｓ）には、コントロールユニット１１は許可フラグを１にセットし（ステップＳ５９）、設定値に達していない場合（ステップＳ５７においてＮｏ）には許可フラグを維持する（ステップＳ５１）。

また図６における符号ａに、以下のステップが挿入される。すなわち図８を参照するに、コントロールユニット１１は高電流許可フラグが１の時（ステップＳ６３においてＹｅｓ）には制御を次のステップに移すが、０の時（ステップＳ６３においてＮｏ）にはカウンタの数値を増加した（ステップＳ６５）上で、経過時間が設定値に達したか否かを判断する（ステップＳ６７）。経過時間が設定値に達した場合（ステップＳ６７においてＹｅｓ）には、コントロールユニット１１は許可フラグを１にセットし（ステップＳ６９）、設定値に達していない場合（ステップＳ６７においてＮｏ）には許可フラグを維持して（ステップＳ７１）、制御を次のステップに移す。

かかる変形したアルゴリズムによれば、図６に示す通り、脱連結要求Ｒｄの直後の一定時間、通電装置１３は特に高電力を出力し、以ってクラッチ５の脱連結を早める。

何れの実施形態においても、制御システムは各段階で最適な電流をアクチュエータに与えることができ、以ってクラッチは素早いレスポンスをすることができ、また電力消費を抑制することができる。

幾つかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正ないし変形をすることが可能である。

レスポンスに優れ、エネルギ効率のよい時限的駆動のクラッチ制御システムが提供される。

１ 第１の回転体
３ 第２の回転体
５ クラッチ
７ 付勢手段
９ アクチュエータ
１１ コントロールユニット
１３ 通電装置
１５ スイッチ
１７Ａ 速度センサ
１７Ｂ 速度センサ
１９ インジケータ
２０ ファイナルドライブ
３０ フリーランニングデフ
Ａｄ 脱連結状態
Ｃ 回転軸
Ｍｄ 脱連結方向
Ｒｃ 連結要求
Ｒｄ 脱連結要求

Claims (5)

1. 第１の回転体と第２の回転体とを連結するクラッチを制御するシステムであって、
   前記クラッチを連結する向きに常時付勢する付勢手段と、
   前記クラッチを脱連結する向きに駆動するアクチュエータと、
   前記アクチュエータに通電するべく電気的に接続された通電装置と、
   前記通電装置に電気的に接続されて制御するコントロールユニットであって、脱連結を許可する条件が成立しても前記クラッチの連結が検出された時には前記通電装置に前記アクチュエータへ第１の電流値を出力させ、脱連結を許可する条件が成立して前記クラッチの脱連結が検出された時には前記通電装置に前記第１の電流値より低い第２の電流値を出力させるように構成されたコントロールユニットと、
   を備えたシステム。
2. 前記クラッチが連結状態か脱連結状態かを検出して前記コントロールユニットに入力するべく、前記コントロールユニットに電気的に接続された検出装置をさらに備え、
   前記検出装置は、前記クラッチに構造的に連結したスイッチ、クラッチの部材が近接したことを検出する非接触センサ、前記アクチュエータへ投入する電流値を測定する電流センサ、および前記第１の回転体または前記第２の回転体の速度を検出する速度センサより選択された何れか一以上である、請求項１のシステム。
3. 前記アクチュエータは、投入された電流に応じて磁束を生ずるソレノイドと、前記磁束に誘引されて前記クラッチを脱連結する向きに駆動するプランジャと、を備え、前記付勢手段は前記クラッチを連結する向きに付勢するバネを備える、請求項１または２のシステム。
4. 前記コントロールユニットは、脱連結が検出されてからの時間をカウントする手段を備え、前記時間が設定値に達しない間は前記通電装置に前記第１の電流値を維持するようにさらに構成されている、請求項１乃至３の何れか１項のシステム。
5. 前記コントロールユニットは、前記通電装置に前記第１の電流値より高い第３の電流値を出力させた後に前記第１の電流値を出力させるようにさらに構成されている、請求項４のシステム。

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