JP3849401B2 - 渦電流式減速装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制動補助装置としてバスやトラックなどの大型自動車に取り付けられる渦電流式減速装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、バスやトラックなどの大型自動車には、主ブレーキであるフットブレーキや補助ブレーキである排気ブレーキの他に渦電流式減速装置が取り付けられるようになってきた。渦電流式減速装置は、長い降坂時などに安定した減速を行い、フットブレーキの使用回数を減少させて、ブレーキライニングの摩耗やフェード現象を防止するとともに制動停止距離を短縮する効果がある。
【０００３】
この渦電流式減速装置には、磁石として電磁石を使用するものと永久磁石を使用するものとがあり、最近では、制動時に通電を必要としない永久磁石を使用したものが多くなっている。
【０００４】
図１は、永久磁石を使用した渦電流式減速装置の一例を示す図であり、(a)は(b)のA-A断面図、(b)は平面図である。
【０００５】
渦電流式減速装置は、図１に示すように回転軸1に連結されたロータ2と車体部（例えば、トランスミッションリヤーケース）に固定されたステータ3から構成されている。
【０００６】
ロータ2は、冷却フィン4を備える円筒部5がスポーク6およびスポーク支持部材7によって支持され、ボス8を介して回転軸1に連結されている。ボス8には、図示するようにパーキングブレーキドラム9が取り付けられることもある。円筒部は、導電性材料で製作されている。
【０００７】
ステータ3は、複数個の永久磁石片10,10-1を円周部に備える支持リング11,11-1と高透磁率材料で製作された複数個のポールピース12を円周部に備えるケーシング13がトランスミッションリヤーケース（図示せず）などに固定されている。支持リング11,11-1は、ケーシング13の中にあって、それぞれの円周部に複数個の永久磁石片10,10-1が配置され、駆動装置（図示せず）によって片方の支持リング11が磁石片の取り付け１ピッチだけ円周方向に摺動する。支持リング11が円周方向に摺動することによって永久磁石片10,10-1の表面の磁極が軸方向で異なる配置になれば円筒部に制動力が働かず（制動オフの状態）、軸方向で同じ配置になれば円筒部に制動力が働く（制動オンの状態）ことになる。
【０００８】
制動オンの状態では、永久磁石片10,10-1から発する磁束を横切ってロータ2の円筒部5が回転するので、ロータの円筒部の内周面の表面近傍に渦電流が流れる。この渦電流と磁束の相互作用によってロータ2には制動トルクが発生する。
【０００９】
電磁石を使用した渦電流式減速装置においても制動トルクの発生原理は、永久磁石の場合と同じである。ただし、永久磁石を用いる場合には、前記のように磁石が摺動運動することによって制動のオン・オフを行うのに対して、電磁石を用いる場合には、電磁石コイルの電流を調整することによって制動のオン・オフを行う。
【００１０】
制動オン時にロータの円筒部5に誘起される渦電流はジュール熱を発生するため、円筒部には制動のオン・オフの繰返しによって加熱・冷却の熱サイクルが負荷される。この熱サイクルによって、円筒部は膨張・収縮を繰返し、円筒部および円筒部と回転軸のボスとの結合部には熱ひずみによるき裂が発生する。このため、例えば実開平5-18262号公報には、円筒部と回転軸との間をゴムブッシュを内蔵するスポーク状のアーム構造（たとえば、図１の符号6-1を参照）として、円筒部の熱膨張を吸収する構造が開示されている。しかし、この構造では、部品点数が多くなり、また組立後の回転バランスの調整などに長い時間を要していた。
【００１１】
特開平11-308852号公報には、円筒部の片側の側面を中心に穴を有する円板（以下、これを「側板」という）で結合した構造の渦電流式減速装置が開示されている。これは、ロータのアームを側板とすることによって、製造コストの低減および組立の容易さを可能としたものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記特開平11-308852号公報で提案した渦電流式減速装置は、円筒部が側板で支持されているので過酷な条件で長期間使用すると、側板と円筒部との連結部に熱疲労き裂が発生することがある。また、側板に風穴を設けると、風穴に応力・ひずみが集中して長期間使用した場合には風穴周囲に熱疲労き裂が発生することがある。
【００１３】
本発明の目的は、過酷な長期間使用条件下でもロータの円筒部および側板にき裂の発生がなく、安価で耐久性に優れた渦電流式減速装置を提供することにある。
【００１４】
【発明が解決するための手段】
本発明者らは、渦電流式減速装置を過酷な条件で長期間使用してもき裂の発生がないロータの構造を、極力シンプルな構造で実現することを前提に研究を行った。その結果、側板をステータと反対方向に湾曲させることにより、側板の変形が容易になり熱応力による円筒部の非弾性変形の発生を防止し、き裂の発生を抑制できることを確認し、本発明を完成した。ここで「非弾性変形」とは、塑性変形とクリープ変形との和を意味する。
【００１５】
本発明は、図２に示すような側板の縦断面が湾曲した下記に示す渦電流式減速装置を要旨とする。
【００１６】
回転する円筒部を磁界によって減速する渦電流式減速装置であって、円筒部5が中心に穴を有しかつ湾曲する円板状の側板14によって回転軸1に連結されており、前記円筒部5および側板14が下記式を満足する断面形状である渦電流式減速装置。
L／W≧0.15 ・・・・・・・・(1)
t₂／t₁＝0.25〜1.25 ・・・・・(2)
L／t₂≧3.0 ・・・・・(3)
ここで、Lは側板の湾曲量であり、円筒部の端面から最大湾曲部の肉厚中心部までの距離(mm)、Wは円筒部の長さ(mm)、t₁は円筒部の肉厚(mm)、t₂は側板の肉厚(mm)である。
【００１７】
上記の磁界の発生は、永久磁石片10,10-1で行うのが望ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の渦電流式減速装置のうち永久磁石を用い、磁石片の取り付けピッチだけ円周方向に摺動させて制動のオン・オフを切り替えるタイプの渦電流式減速装置の一例を示す図であり、(a)は(b)のB-B断面図、(b)は平面図である。
【００１９】
本発明の渦電流式減速装置は、側板14およびパーキングブレーキドラム9-1の形状が異なっている他は、図１に示す従来の渦電流式減速装置と構造は同じである。側板14は、外周部の一部がステータ3と反対方向に突出するように湾曲している。
【００２０】
円筒部5は、前述したように制動をオンにすると渦電流によって温度が上昇して膨張する。この膨張は、側板14によって拘束され、円筒部には熱応力が発生する。本発明は、この熱応力を低減できるロータの最適な形状を見いだすことによってなされた。
【００２１】
図３は、ロータ各部の寸法を示す断面図である。この図によって円筒部の長さWと側板の湾曲量Lとの関係について説明する。
【００２２】
円筒部の内周面または円筒部と側板との結合部での熱応力には、円筒部の長さと側板の湾曲量が関係する。
【００２３】
側板14の湾曲量Lは、図３に示すように、円筒部5の端面から長手方向に湾曲した側板肉厚中心部までの距離である。湾曲量Lが小さく、円筒部の長さWとの比L／Wが0.15より小さくなれば、円筒部の熱膨張の拘束を緩和させる効果が不十分である。したがって、L／Wを0.15以上とした。なお、側板の湾曲量Lは、大きければ大きいほどよいが、装置の容積が大きくなるため、L／Wの上限は0.4とするのが好ましい。
【００２４】
次に、側板の肉厚について説明する。
【００２５】
側板の肉厚t₂が小さく、円筒部の肉厚t₁との比t₂／t₁が0.25より小さくなれば、円筒部に対して側板の強度が低下する。制動のオン・オフによって円筒部が膨張・収縮を繰り返すと、側板に非弾性ひずみが生じて疲労き裂が発生する。側板の肉厚t₂が大きく、円筒部の肉厚t₁との比t₂／t₁が1.25を超えると、円筒部が熱膨張したときの側板による拘束力が強くなり、円筒部内面または円筒部と側板との結合部に熱疲労き裂が発生する。したがって、側板の肉厚t₂と円筒部の肉厚t₁との比t₂／t₁は、0.25〜1.25とした。なお、t₂／t₁が大きくなると、円筒部が熱膨張したときの側板による拘束力が強くなり、長期間使用時には、円筒部の非弾性変形が蓄積され、円筒部の内径が大きくなり制動力が低下すのでt₂／t₁の上限は1.0とするのが好ましい。更に好適な範囲は、0.3〜1.0である。
【００２６】
側板を湾曲させることは、側板の厚さ方向のばね定数を大きくして変形を容易にするのが狙いである。L／t₂が3.0未満では、円筒部内面または円筒部と側板との結合部に熱疲労き裂が発生する。したがって、L／t₂は3.0以上とした。L／t₂が大きいほど側板の変形が大きくなり好ましいので、上限は特に定めない。しかし、これが大きくなるとロータの軸方向の長さが大きくなるので、その上限は10.0とするのが望ましい。
【００２７】
以上の説明は、永久磁石を用い、磁石片の取り付けピッチだけ円周方向に摺動させて制動のオン・オフを切り替えるタイプの渦電流式減速装置について説明したが、磁石片を回転軸の軸方向に往復させるタイプの渦電流式減速装置、あるいは電磁石を用いる渦電流式減速装置であってもよい。
【００２８】
【実施例】
本発明の効果を実施例によって説明する。
【００２９】
図２に示す形状のロータを、表１に示す寸法で作製した。円筒部は、Cr-Mo系の低合金鋼（JIS SCM415）を使用し、環状熱間圧延によって円筒状に加工した。その後、機械加工によって外周部に冷却フインを形成した。円筒部の内半径Rは200mmである。側板は、Cr-Mo系の低合金鋼板をプレスによって所定の形状に成形加工した。円筒部と側板を溶接により接合した後、円筒部内面、側板の取付けボルト穴などを機械加工によって加工した。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１に示す各種ロータを装備した渦電流式減速装置の性能を調査するため、制動のオン・オフを繰り返す耐久試験を実施した。
【００３２】
耐久試験は、ロータの回転速度を2000rpmとして制動のオン・オフを繰り返す試験である。制動オンの状態で円筒部の内周面温度を測定し、この温度が650℃となった時点で制動をオフとして、100℃まで冷却した後、再び制動をオンとすることを繰り返した。
【００３３】
試験結果の評価は、制動のオン・オフの繰り返し回数が最小100回で試験を中断し、カラーチェックによってロータにき裂が発生していないかを検査した。そして、10000回でき裂が検出できなかったものを合格とした。これらの結果を表１に示した。
【００３４】
比較例の番号１の渦電流式減速装置は、側板が湾曲していない。このため、3500回の耐久試験で円筒部内面および円筒部と側板との結合部にき裂が発生した。
【００３５】
番号２の渦電流式減速装置は、円筒部からの湾曲量Lを12mm、円筒部の長さWを90mmとしたので、突出量Lと円筒部の長さWとの比L／Wが0.13と小さい。このため、7000回の耐久試験で円筒部内面にき裂が発生した。
【００３６】
番号３の渦電流式減速装置は、円筒部の肉厚t₁を14mm、側板の肉厚t₂を3mmとしたので、側板の肉厚t₂と円筒部の肉厚t₁との比t₂／t₁が0.21と小さい。このため、7500回の耐久試験で側板にき裂が発生した。
【００３７】
番号４の渦電流式減速装置は、円筒部の肉厚t₁を7mm、側板の肉厚t₂を9mmとしたので、側板の肉厚t₂と円筒部の肉厚t₁との比t₂／t₁が1.29と大きい。このため、5500回の耐久試験で円筒部内面にき裂が発生した。
【００３８】
番号５の渦電流式減速装置は、側板の肉厚が6mm、湾曲量が15で、L／t₂が2.50と小さい。このため、4900回の耐久試験で円筒部内面にき裂が発生した。
【００３９】
本発明例の番号６から番号１０の渦電流式減速装置は、いずれも10000回の耐久試験で、いずれにもき裂は検出されなかった。このように、本発明の渦電流式減速装置は、耐久性および制動性能に優れていることが確認された。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の渦電流式減速装置は、ロータの円筒部の片面を縦断面が湾曲した側板で一体に連結されているので側板の変形が容易になり、円筒部の熱膨張を拘束する力を軽減させ、熱応力を軽減させることができる。本発明の渦電流式減速装置を使用すれば、過酷な制動の繰り返しに耐えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】永久磁石を使用した渦電流式減速装置の一例を示す図であり、(a)は(b)のA-A断面図、(b)は平面図である。
【図２】本発明の渦電流式減速装置の一例を示す図であり、(a)は(b)のB-B断面図、(b)は平面図である。
【図３】ロータ各部の寸法を示す断面図である。
【符号の説明】
１．回転軸 ２．ロータ ３．ステータ
４．冷却フィン ５．円筒部 ６．スポーク
７．スポーク支持部材 ８．ボス
9,9-1．パーキングブレーキドラム 10,10-1．永久磁石片
11,11-1．支持リング 12．ポールピース
13．ケーシング 14．側板

Claims (1)

1. 回転する円筒部を磁界によって減速する渦電流式減速装置であって、円筒部が中心に穴を有しかつ湾曲する円板状の側板によって回転軸に連結されており、前記円筒部および側板が下記式を満足する断面形状であることを特徴とする渦電流式減速装置。
   L／W≧0.15 ・・・・・・・・(1)
   t₂／t₁＝0.25〜1.25 ・・・・・(2)
   L／t₂≧3.0 ・・・・・(3)
   ここで、Lは側板の湾曲量であり、円筒部の端面から最大湾曲部の肉厚中心部までの距離(mm)、Wは円筒部の長さ(mm)、t₁は円筒部の肉厚(mm)、t₂は側板の肉厚(mm)である。

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