JP3700247B2 - 推力アクチュエータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータの回転力を軸方向の推力に変換してロッドを駆動する推力アクチュエータに関し、特に４輪駆動車における２輪駆動と４輪駆動との切換装置、または差動固定装置（通称デフロック）のロック状態とアンロック状態との切換装置等に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、４輪駆動車における２輪駆動と４輪駆動との切換装置が知られている。
この切換装置は、推力アクチュエータによりフォークシャフトを駆動することで、そのフォークシャフトに固定されたシフトフォークによってスライダを操作し、そのスライダを介して前輪側の駆動軸に設けられたスプラインと後輪側の駆動軸に設けられたスプラインとが連結されることで４輪駆動となり、切り離されることで２輪駆動となる。
ところが、フォークシャフトを駆動するための必要推力をモータの回転トルクによって発生する推力アクチュエータでは、以下の問題が生じる。
つまり、モータは、スライダとスプラインとが噛み合う直前およびスライダが滑り始める直前の大きな推力を出力できるだけの回転トルクを発生する必要がある。その結果、モータの発生する回転トルクが大きくなるため、モータの小型化および省電力化が困難であった。
【０００３】
そこで、本出願人は、動力伝達機構に衝撃吸収用のトーションスプリングを介在させた推力アクチュエータを出願した（平成７年９月１８日提出）。この推力アクチュエータでは、クラッチを噛み合わせる時あるいは離脱させる時にロッドに掛かる負荷が増大してロッドの移動が停止した際に、トーションスプリングがモータの回転慣性エネルギを吸収してクラッチ操作に必要なトルクを蓄えることができる。この結果、モータの発生するロックトルクをクラッチ操作に必要なトルクより小さくできるため、その分、モータの小型化および省電力化を図ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、例えば４輪駆動から２輪駆動へ切り換える際に、スライドと後輪駆動軸に設けられたスプラインとの間に大きなトルクが掛かっていると（例えば前輪と後輪との回転数差が大きい時）、スライダが滑り始める直前から離脱するまでの略全ストロークに亘って大きな推力を必要とする。このため、先願の推力アクチュエータでは、トーションスプリングに蓄えられたトルクだけでスライダをスプラインから離脱させることはできない。言い換えれば、トーションスプリングに蓄えられたトルクで得られる１回分の推力だけではスライダが全ストローク移動することはできず、トーションスプリングに蓄えられたトルクが出力されて推力が低下した時点でスライダの移動が停止してしまう。その結果、４輪駆動から２輪駆動への切り換えを実行できないという課題を有していた。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、モータへの平均駆動電流を小さくできるとともに、確実なクラッチ操作を行うことのできる推力アクチュエータを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、モータ駆動回路は、クラッチ操作に必要な推力を得るために必要な電流ｉ1 と、少なくともトーションスプリングに蓄えられたトルクによってモータが逆回転しない程度のトルクを発生できる電流ｉ2 との間でモータを間欠通電する。これにより、トーションスプリングに蓄えられたトルク（反力）が出力されても、モータが間欠通電されることにより再びトーションスプリングを巻き上げて反力を蓄えることができる。従って、クラッチを離脱させる際に大きなトルクが掛かっている場合でも、クラッチの離脱が完了するまで略一定の推力を確保できるため、トーションスプリングに蓄えられた反力が出力される毎に少しずつクラッチを離脱させることができる。
【０００６】
また、本発明では、電流ｉ1 を常時モータに流す必要はなく、電流ｉ1 と、その電流ｉ1 より低い電流ｉ2 との間でモータを間欠通電しているため、電流ｉ1 を常時モータに流してクラッチ操作に必要な推力を得ようとする場合と比較してモータに通電される平均駆動電流を小さくできる。その結果、モータの発熱を抑制できる効果を有する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の推力アクチュエータを４輪駆動車の２輪駆動と４輪駆動とを切り換える切換装置に適用した実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１および図２は推力アクチュエータの内部構造を示す平面図（アッパケースを取り外した状態）、図３は推力アクチュエータの内部構造を示す側面断面図（図１および図２のＡ−Ａ断面図）である。
まず、図９に基づいて２輪駆動と４輪駆動とを切り換える切換装置１００の構造を説明する。
切換装置１００は、前輪駆動軸１１０の外周に設けられたスプライン１１１、後輪駆動軸１２０に設けられたスプライン１２１、両者のスプライン１１１、１２１に係合可能に設けられたスライダ１３０、およびスライダ１３０を操作するシフトフォーク１４０が固定されたフォークシャフト１５０等より構成されている。
【０００８】
前輪駆動軸１１０は、エンジンからトランスミッション（図示しない）を介して駆動力が伝達されて、エンジン運転中は常時回転している（後輪駆動軸１２０にエンジンの駆動力が伝達される構造でも良い）。
後輪駆動軸１２０は、前輪駆動軸１１０と軸方向に対向して配置され、前輪駆動軸１１０の端部にベアリング１６０を介して回転自在に支持されている。
スライダ１３０は、２輪駆動の時に前輪駆動軸１１０のスプライン１１１に噛み合わされており、２輪駆動から４輪駆動へ切り換える時に、図９の右方向へ移動して後輪駆動軸１２０のスプライン１２１とも噛み合う（両方のスプライン１１１、１２１と噛み合った状態）。即ち、フォークシャフト１５０に固定されたシフトフォーク１４０によってスライダ１３０を操作し、このスライダ１３０を介して前輪駆動軸１１０のスプライン１１１と後輪駆動軸１２０のスプライン１２１とが連結されることで４輪駆動となり、切り離されることで２輪駆動となる。なお、本発明のクラッチの噛み合いおよび離脱とは、スライダ１３０と後輪駆動軸１２０のスプライン１２１との噛み合いおよび離脱を言う。
【０００９】
推力アクチュエータ１は、フォークシャフト１５０を駆動操作するもので、図１〜図３に示すように、通電を受けて回転トルクを発生するモータ２、このモータ２の回転トルクを伝達する動力伝達機構（後述する）、この動力伝達機構に介在されたトーションスプリング３、動力伝達機構により伝達された動力（推力）を受けて軸方向に往復動するロッド４、各構成部品を収容するケース５、およびモータ２を通電するモータ駆動回路６（図７参照）等より構成されている。
【００１０】
動力伝達機構は、
ａ）モータ２の出力軸２ａに取り付けられて出力軸２ａと一体に回転するウォームギヤ７（但し、このウォームギヤ７は、モータ２への通電が停止された時にモータ２が逆回転できるように進み角の大きいものを使用している。したがって平歯車でも良い）、
ｂ）ウォームギヤ７と噛み合うウォームホイール８、
ｃ）ウォームホイール８と共通の支持軸９に支持されてウォームホイール８と一体に回転する小径ギヤ１０、
ｄ）小径ギヤ１０と噛み合う大径ギヤ１１、
ｅ）大径ギヤ１１と共通の支持軸１２に支持されてトーションスプリング３を介してトルク伝達される小径ギヤ１３、
ｆ）小径ギヤ１３と噛み合う大径ギヤ１４、
ｇ）大径ギヤ１４と共通の支持軸１５に支持されて大径ギヤ１４と一体に回転する小径ギヤ１６、
ｈ）小径ギヤ１６と噛み合うプレートギヤ１７、
ｉ）支持軸１８に嵌合するプレートギヤ１７のボス部の外周に形成されてプレートギヤ１７と一体に回転するピニオンギヤ１９、
ｊ）ロッド４の端部に一体に設けられてピニオンギヤ１９と噛み合うことでピニオンギヤ１９の回転力を推力（軸方向の動力）に変換するラックギヤ２０等より構成されている。
【００１１】
トーションスプリング３は、図４（図１のＢ−Ｂ断面図）および図５に示すように、大径ギヤ１１の内周に配されており、その両端部３ａ、３ｂが内周側へ折り曲げられて大径ギヤ１１の内側に突設された円弧状の係止壁１１ａに係止されて所定のセットトルクが付与されている。なお、大径ギヤ１１は、軸方向の一方側（図４の右側）のみ側壁を有し、他方側は開口されている。トーションスプリング３を介してトルク伝達される小径ギヤ１３は、大径ギヤ１１の開口された側面を塞ぐ円形のプレート１３ａを有し、このプレート１３ａの一側面（図４の右側面）に、大径ギヤ１１の係止壁１１ａの内周側でトーションスプリング３の両端部３ａ、３ｂの間に挿入される円弧状の係合壁１３ｂが設けられている。なお、係合壁１３ｂは、大径ギヤ１１の係止壁１１ａより周方向の長さ（円弧長）が若干短く形成されており、トーションスプリング３の両端部３ａ、３ｂの間で回転方向に多少の遊びが設定されている（図５（ａ）参照）。
【００１２】
このトーションスプリング３は、例えばモータ２の回転中にロッド４がロックして小径ギヤ１３の回転が停止した時に、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、自身の一方の端部３ａが小径ギヤ１３の係合壁１３ｂの一端に係合しながら大径ギヤ１１を通じて伝わるモータ２の回転慣性エネルギによって回転方向に捩じり込まれ、その捩じり角に応じた捩じりトルクを蓄えることができる。なお、図５（ａ）は捩じり角＝０のセット状態、図５（ｂ）はセット状態（つまり図５（ａ）の状態）から捩じり角θ1 だけ捩じられた状態、図５（ｃ）はセット状態から捩じり角θ2 （＞θ1 ）だけ捩じられた状態を示す。
【００１３】
但し、本実施例のトーションスプリング３は、図６のグラフに示すように、捩じり角が増大しても、それによって得られる捩じりトルクが大きく変化しない様に、スプリング定数が小さく設定されている。
なお、図６における各記号は以下の通りである。
Ｔ0 ：トーションスプリング３のセットトルク
Ｔ1 ：セット状態からθ1 だけ捩じられた時の捩じりトルク
Ｔ2 ：セット状態からθ2 だけ捩じられた時の捩じりトルク
Ｅ1 ：モータ回転数が「低速」時の回転慣性エネルギ
Ｅ2 ：モータ回転数が「中速」時の回転慣性エネルギ
【００１４】
具体的に、捩じり角θ＝１．５ｒａｄ、２．４ｒａｄ、３．２ｒａｄの場合のトーションスプリング３の捩じりトルクＴ、トーションスプリング３に吸収されるエネルギＥ、および捩じりトルクＴによって得られる推力を算出または測定すると、それぞれ下記の表１の様になる。
【表１】

【００１５】
一方、本アクチュエータ１において、無負荷動作時でのモータ２の回転数変動を５０００rpm （at１０ｖ）〜８０００rpm （at１６ｖ）の範囲とした場合に、その変動範囲内の回転数によって生じるモータ２の回転慣性エネルギは下記の表２に示す通りである。なお、無負荷動作時のモータ通電電流は０．１〜０．２Ａである。
【表２】

【００１６】
上記の表１と表２の結果からも分かるように、ロッド４の移動が停止した時にモータ２の回転慣性エネルギによってトーションスプリング３を捩じり込むことができ、その時、トーションスプリング３に蓄えられた捩じりトルクにより得られる推力は５０〜７０kgとなり、切替装置１００のスライダ１３０とスプライン１２１とを噛み合わせる時、あるいは離脱させる時に必要な推力（本実施例では最大５０kg）より大きな推力が得られる。
【００１７】
ロッド４は、ケース５にシール部材２１（図１参照）を介して往復動可能に支持されて、先端部がケース５の外側（図１の右側）へ突出し、その先端部に設けられた連結ピン４ａ（図９参照）が切換装置１００のフォークシャフト１５０に設けられた連結凹部１５１に係合されている。このロッド４は、ピニオンギヤ１９とラックギヤ２０との噛み合いにより変換された推力を受けてラックギヤ２０と一体に作動する（軸方向に移動する）ことにより、フォークシャフト１５０を駆動する。
ケース５は、図３に示すように、シール部材２２を介して液密に組み合わされたロアケース５ａとアッパケース５ｂから成る。
【００１８】
モータ駆動回路６は、図７に示すように、手動スイッチ２３を介して電子制御装置（ＥＣＵ）２４に接続され、手動スイッチ２３がオンされた時に、電子制御装置２４より出力される起動信号を受けてモータ２を所定時間（例えば１秒間）だけ通電する。但し、モータ２への通電開始から一定時間（例えば０．３秒）経過してもクラッチ操作が開始されない場合には、モータ２に対して間欠通電が行われる。この間欠通電とは、図８（ｂ）に示す様に、クラッチ操作に必要な推力を得るために必要な電流ｉ1 と、トーションスプリング３に蓄えられたトルクによってモータ２が逆回転しない程度のトルクを発生できる電流ｉ2 とを交互に通電することを言う。
【００１９】
クラッチ操作が開始されたか否かの判定は、例えばスライダ１３０の挙動を検出する検出手段（図示しない）からの検出信号によって行うことができる。なお、図８（ｂ）に示す電流ｉ1 の通電時間ｔ1 と電流ｉ2 の通電時間ｔ2 は、それぞれ適宜設定することができるが、一例として、ｔ1 ＝０．１秒、ｔ2 ＝０．３秒程度である。
電子制御装置２４は、例えば車両のエンジン制御、サスペンション制御、またはエアコン制御等を行うもので、イグニッションスイッチＩＧがオンされることで、車載電源Ｂより電力の供給を受けて作動する。
【００２０】
次に、本実施例の作動を説明する。
ａ）２輪駆動から４輪駆動へ切り換える場合の作動。
乗員により手動スイッチ２３がオンされて、電子制御装置２４からモータ駆動回路６へ起動信号が出力されることにより、モータ駆動回路６を通じてモータ２が通電される。
通電を受けてモータ２が回転すると、出力軸２ａに取り付けられたウォームギヤ７が出力軸２ａと一体に回転し、このウォームギヤ７と噛み合うウォームホイール８が回転する。ウォームホイール８の回転は、ウォームホイール８と共に支持軸９に一体に設けられた小径ギヤ１０を介して大径ギヤ１１に伝達されて、この大径ギヤ１１からトーションスプリング３を介して小径ギヤ１３に伝達され、さらに小径ギヤ１３から大径ギヤ１４へ、大径ギヤ１４から小径ギヤ１６へ、小径ギヤ１６からプレートギヤ１７へ順に伝達された後、このプレートギヤ１７と一体に回転するピニオンギヤ１９からラックギヤ２０に伝達されて、ピニオンギヤ１９とラックギヤ２０との間で軸方向の推力に変換される。
【００２１】
このラックギヤ２０で変換された推力によりロッド４が引き込まれて（図２参照）フォークシャフト１５０を駆動する。これにより、フォークシャフト１５０に固定されたシフトフォーク１４０を介してスライダ１３０が移動（図９の右方向へ移動）し、前輪駆動軸１１０に設けられたスプライン１１１と噛み合ったまま、後輪駆動軸１２０に設けられたスプライン１２１とも噛み合うことで、前輪駆動軸１１０と後輪駆動軸１２０とが連結されて２輪駆動から４輪駆動へ切り換えられる。ここで、シフトフォーク１４０を介して移動するスライダ１３０は、後輪駆動軸１２０のスプライン１２１に噛み合う際に、スプライン１２１の端面に当接してスムーズな噛み合いが行われない場合が生じる。この場合、前輪駆動軸１１０の回転に伴ってスライダ１３０とスプライン１２１との互いの歯筋が合致するまでスライダ１３０の移動が停止される。
【００２２】
これにより、推力アクチュエータ１では、ロッド４がロック（移動停止）してトーションスプリング３よりロッド４側に設けられた各ギヤ（１３、１４、１６、１７、１９、２０）の回転は停止するが、トーションスプリング３よりモータ２側に設けられた各ギヤ（７、８、１０、１１）はモータ２の回転慣性エネルギによって回転を継続しようとする。このため、トーションスプリング３は、モータ２の回転数（５０００rpm 〜８０００rpm ）に応じた回転慣性エネルギ（表２参照）を吸収して捩じり込まれる。従って、ロッド４は、スライダ１３０とスプライン１２１との噛み合いに必要な推力が加えられた状態で停止している。
【００２３】
その後、前輪駆動軸１１０の回転に伴いスライダ１３０と後輪駆動軸１２０のスプライン１２１との歯筋が合致して両者が噛み合い始めると、ロッド４に掛かる負荷が低減して、それまで停止していたロッド４がトーションスプリング３から得られる推力により作動してスライダ１３０とスプライン１２１との噛み合いを完了させる。この後、フォークシャフト１５０は、スライダ１３０と後輪駆動軸１２０のスプライン１２１とが噛み合った状態でさらに移動し、シフトフォーク１４０がストッパ１７０に当接することで停止する。このシフトフォーク１４０がストッパ１７０に当接して停止することで再びロッド４に掛かる負荷が増大してロッド４は停止するが、上記のようにトーションスプリング３にモータ２の回転慣性エネルギが吸収されるため、ロッド４の移動停止に伴う衝撃力が動力伝達機構に加わることはない。
そして、モータ２の通電開始から所定時間（１秒）経過後に通電が停止されて、２輪駆動から４輪駆動への切り換えが終了する。このモータ２への通電が停止されるとトーションスプリング３に蓄えられた捩じりトルクによってモータ２が逆回転することにより、動力伝達機構に掛かる負荷は解消される。
【００２４】
ｂ）４輪駆動から２輪駆動へ切り換える場合の作動。
４輪駆動から２輪駆動への切り換えは、スライダ１３０が前輪駆動軸１１０のスプライン１１１と後輪駆動軸１２０のスプライン１２１とに噛み合っている状態から、スライダ１３０をスプライン１２１から離脱させて前輪駆動軸１１０のスプライン１１１と後輪駆動軸１２０のスプライン１２１とを切り離すことにより行われる。このため、例えば前輪と後輪との間に回転数差が生じて、スライダ１３０とスプライン１２１との間に大きなトルク（摩擦力）が掛かっている場合には、モータ２への通電開始から一定時間経過してもクラッチ操作が開始されない場合が生じる。
【００２５】
この場合、モータ駆動回路６を通じてモータ２への間欠通電が行われる。この間欠通電は、図８（ｂ）に示す様に、クラッチ操作に必要な推力を得るために必要な電流ｉ1 と、トーションスプリング３に蓄えられたトルクによってモータ２が逆回転しない程度のトルクを発生できる電流ｉ2 との間で行われる。これにより、電流ｉ1 がモータ２に通電される時には、モータ２の発生する回転トルクによってトーションスプリング３に反力（クラッチ操作に必要な推力を出力できるトルク）を蓄えることができる。また、電流ｉ2 がモータ２に通電される時には、トーションスプリング３に蓄えられた反力が出力されることでクラッチ操作に必要な推力を得ることができる。この結果、図８（ｃ）に示す様に、間欠通電が行われている間、略一定の推力を確保できるため、トーションスプリング３に蓄えられた反力が出力される毎に少しずつスライダ１３０が移動して（図８（ａ）参照）、最終的にスプライン１２１から離脱することで４輪駆動から２輪駆動へのクラッチ操作を完了することができる。
【００２６】
（本実施例の効果）
本実施例では、４輪駆動から２輪駆動へ切り換える際に、スライダ１３０とスプライン１２１との間に大きな摩擦力が生じている場合でも、モータ２への間欠通電が行われている間、クラッチ操作を実行するために必要な略一定の推力を確保できるため、確実にスライダ１３０がスプライン１２１から離脱して４輪駆動から２輪駆動への切り換えを行うことができる。
【００２７】
また、本実施例では、電流ｉ1 を常時モータ２に流す必要はなく、電流ｉ1 と、その電流ｉ1 より低い電流ｉ2 との間でモータ２を間欠通電しているため、電流ｉ1 を常時モータ２に流してクラッチ操作に必要な推力を得ようとする場合と比較してモータ２に通電される平均駆動電流を小さくできる。その結果、モータ２の発熱を抑制できる効果もある。
【００２８】
更には、モータ２の通電が停止された時に、モータ２が逆回転してロッド４および動力伝達機構に掛かっていた負荷を解消することができる。これにより、ロッド４および動力伝達機構を構成する各ギヤ（ウォームギヤ７、ウォームホイール８、小径ギヤ１０、大径ギヤ１１、小径ギヤ１３、大径ギヤ１４、小径ギヤ１６、プレートギヤ１７、ピニオンギヤ１９、ラックギヤ２０）の小型化および樹脂化による軽量化を図ることができるとともに、それに伴って各ギヤを支持する支持軸９、１２、１５、１８およびケース５の樹脂化が可能となり、コストダウンを図ることができる。
【００２９】
〔変形例〕
本実施例では、モータ２の通電が停止された時にモータ２が逆回転できるように、進み角の大きいウォームギヤ７を使用したが、ウォームギヤ７の代わりに小径の平歯車を用いても良い。
本実施例では、推力アクチュエータ１を２輪駆動と４輪駆動とを切り換える切換装置１００に適用したが、差動固定装置のロック状態とアンロック状態との切換装置に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】推力アクチュエータの内部構造を示す平面図である。
【図２】推力アクチュエータの作動状態を示す内部構造の平面図である。
【図３】推力アクチュエータの内部構造を示す側面断面図である。
【図４】トーションスプリングの取付け状態を示す断面図である。
【図５】トーションスプリングが捩じられる状態を示す作動図である。
【図６】トーションスプリングの捩じり角とトルクとの関係を示すグラフである。
【図７】推力アクチュエータを駆動する電気回路図である。
【図８】（ａ）はスライダの移動ストロークと経過時間との関係を示すグラフ、（ｂ）はモータへの間欠通電を示すグラフ、（ｃ）は間欠通電時に出力される推力を示すグラフである。
【図９】推力アクチュエータを含む切換装置の全体断面図である。
【符号の説明】
１ 推力アクチュエータ
２ モータ
３ トーションスプリング
４ ロッド
６ モータ駆動回路
７ ウォームギヤ（動力伝達機構）
８ ウォームホイール（動力伝達機構）
１０ 小径ギヤ（動力伝達機構）
１１ 大径ギヤ（動力伝達機構）
１３ 小径ギヤ（動力伝達機構）
１４ 大径ギヤ（動力伝達機構）
１６ 小径ギヤ（動力伝達機構）
１７ プレートギヤ（動力伝達機構）
１９ ピニオンギヤ（動力伝達機構）
２０ ラックギヤ（動力伝達機構）

Claims (1)

1. クラッチの噛み合いおよび離脱を行わせる推力アクチュエータであって、
   通電を受けて回転トルクを発生するモータと、
   このモータの回転トルクを増大して軸方向の推力に変換する動力伝達機構と、
   この動力伝達機構を介して推力が付与されることにより、軸方向に移動してクラッチ操作を行うロッドと、
   前記動力伝達機構に介在されて、前記クラッチを噛み合わせる時あるいは離脱させる時に前記ロッドに掛かる負荷が増大して前記ロッドの移動が停止した場合に、前記モータの回転慣性エネルギを吸収して前記クラッチ操作に必要な推力を出力できるトルクを蓄えるトーションスプリングと、
   前記モータへの通電電流を制御するモータ駆動回路とを備え、
   このモータ駆動回路は、前記クラッチ操作に必要な推力を得るために必要な電流ｉ1 と、少なくとも前記トーションスプリングに蓄えられたトルクによって前記モータが逆回転しない程度のトルクを発生できる電流ｉ2 との間で前記モータを間欠通電することを特徴とする推力アクチュエータ。

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