JP4259705B2 - カム機構とこれを用いたクラッチ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カム機構およびこれを用いたクラッチ装置に関する。
【０００２】
このクラッチ装置は、同軸上に対向配設される二つの回転体の動力伝達間に介装され、かつ第１回転体に回転動力が入力されたときに両回転体を同期回転可能に結合する一方、第２回転体に回転動力が入力されたときに第２回転体を非回転状態として、第１回転体と分離するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来のこの種のクラッチ装置において、モータ等の動力源により第１回転体を回転駆動し、この回転動力を第２回転体側に伝達している場合において、第２回転体に回転動力が入力されたときには第２回転体を非回転状態としてその回転動力が第１回転体に伝達されること（逆入力）を遮断する機構としてウォーム減速機や電磁ブレーキが採用されている。
【０００４】
ウォーム減速機の場合、第１回転体の回転動力の第２回転体に対する伝達効率が低く、また、その伝達に際し、ウォームギヤとウォームとの噛合音が発生してクラッチ装置の静粛性に劣る。
【０００５】
電磁ブレーキの場合、ブレーキ動作に際し通電が必要となるから使用コストが嵩むうえ、回転動力の伝達タイミングを制御する電磁コイルへの通電制御に複雑な電子制御回路が必要となり、それだけ製作コストが高くなる。
【０００６】
また、いずれの場合も、クラッチ装置としての軽量化に限界を生じる。
【０００７】
そこで、本願出願人は、第１回転体の回転動力の伝達性に優れ、また、静粛性に優れたものとし、かつ簡易な構造としてその使用上ならびに製作上におけるコストの大幅な低減を可能とし、かつ、軽量化をさらに図れるクラッチ装置を、特願平１１−２９２０９９号（平成１１年１０月１４日出願）の「クラッチ装置」で既に提案している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記先願に係るクラッチ装置におけるカム機構は、第１回転軸が軸方向不動に配設される固定カムプレートとして、また可動摩擦部材が、この固定カムプレートに対して同軸状に対向配設されかつ軸方向にスライド可能に支持される可動カムプレートとなる。そして、両カムプレートの対向面にカム溝が対向形成されているとともに、前記両カムプレートのカム溝間にクラッチ用のボールが転動可能に介装された構造となっている。
【０００９】
このようなカム機構を備えたクラッチ装置の場合、可動カムプレートが皿バネで固定カムプレート方向に付勢されていても、固定カムプレートに回転動力をかけ、両カム溝の周方向ずれによりボールが転動して可動カムプレートが駆動側カムプレートから離隔されていくとき、ボールがカム溝から抜け出しやすい。
【００１０】
そこで、本発明者らは、上記抜け出しの防止について鋭意研究し、まず、可動カムプレートを軸方向に押さえる特殊な構造のストッパを設けることを考えたが、このようなストッパによる抜け出し防止構造では、クラッチ装置の構造複雑化のみならず重量化をも招来するとともに、クラッチ装置の製造コストアップを余儀なくさせるものである。
【００１１】
したがって、本発明は、カム機構において、固定カムプレートと可動カムプレートの両カム溝間に介装されたボールの抜け出しを簡単な構造でもって防止可能とすることを解決すべき課題としている。
【００１２】
本発明はまた、カム機構を備えたクラッチ装置において、特殊なストッパを用いずに、回転動力の伝達に際して、ボールの抜け出しを防止してクラッチ性能を向上できるようにすることを解決すべき課題としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のカム機構は、一方が軸方向不動に他方が軸方向変位可能な状態に同軸状に対向配設されかつ互いの対向面に一対のカム溝が振り分けて設けられる一対の固定および可動カムプレートと、両カムプレートの一対のカム溝間に転動可能に収納されるボールと、可動カムプレートを固定カムプレート側に弾発付勢する付勢部材と、を有し、前記両カム溝それぞれが、カム溝における周方向中心から周方向両側へ向けて周方向で対称形状となるように深さが浅くなりボールが転動するすり鉢状斜面に形成されており、前記両カム溝それぞれの最深位置の深さが、ボールの半径より小さい寸法に設定され、また、両カム溝それぞれの最も浅い位置の深さが、その浅い位置において前記すり鉢状斜面に接したボールがすり鉢状斜面とカム溝段部をつなぐ面にも接してボールの抜け出しを阻止する寸法に設定されており、両カムプレートの相対的な回転に伴い、前記両カム溝の斜面において最も深い位置にボールが位置することにより前記両カム溝が周方向で合致したときに可動カムプレートを固定カムプレート側に近接させる状態に、また、前記両カム溝が周方向にずれたときに可動カムプレートを固定カムプレート側から離隔させる状態になり、前記カム溝におけるボールの抜け出しを阻止する寸法関係が、次式（１）ないし（３）を満足する、ことを特徴とするカム機構。
ｔａｎφ＞（２・Ｔ）／（Ｄｐ・Ｆｓ）かつＤ B ／２＞Ｒａ…（１）
Ｄｃ＞（Ｓ 1 ／ｔａｎη）＋Ｄ B ・ｓｉｎφ…（２）
Ｓ 2 ＜Ｄ B ・ｃｏｓφ−Ｓ 1 …（３）
ただし、Ｓ 1 ：ボールの軸方向最大変位量Ｓ 2 ：固定カムプレートと可動カムプレートとの軸方向最短離隔距離Ｄｐ：ボールのピッチ円径Ｄ B ：ボールの直径Ｄｃ：カム溝の周方向外径θ：カム作動角φ：カムストッパ角η：すり鉢状斜面の傾斜角度〔（π−θ）／２〕
Ｔ：回転動力（伝達トルク）
Ｆｓ：付勢部材のばね力Ｒａ：すみＲ
【００１５】
本発明のカム機構によると、当該両カム溝それぞれの最深位置の深さが、ボールの半径より小さい寸法に設定され、また、最も浅い位置の深さが、ボールの抜け出しを阻止する寸法に設定されているだけで、ボールの抜け出しを防止できるものであり、構成が簡単でその製造コストを低減できるものとなる。
【００１７】
本発明のクラッチ装置は、同軸上に対向配設される二つの回転体の動力伝達間に介装され、かつ第１回転体に回転動力が入力されたときに両回転体を同期回転可能に結合する一方、第２回転体に回転動力が入力されたときに第２回転体を非回転状態として第１回転体と分離するクラッチ装置であって、第１回転体に対して軸方向で対向されているとともに、第２回転体と同期回転可能でかつ軸方向変位可能に取り付けられる可動摩擦部材と、可動摩擦部材の軸方向変位によって当該可動摩擦部材が圧接または離隔する位置に固定配置される固定摩擦部材と、第１回転体が回転したときに可動摩擦部材を固定部材から離隔させて第１回転体と可動摩擦部材と第２回転体との三者を一体にして両回転体を同期回転可能に結合する一方、第２回転体が回転したときに可動摩擦部材を固定摩擦部材に圧接させて第２回転体と可動摩擦部材と固定摩擦部材との三者を一体にして第２回転体を非回転状態にするカム機構と、を含み、前記カム機構が、第１回転体を固定カムプレートとして、可動摩擦部材を可動カムプレートとして用いられる請求項１のカム機構とされ、前記カム機構のボールの転動で可動摩擦部材を固定摩擦部材に対し圧接または隔離するよう変位させるものである。
【００１８】
本発明のクラッチ装置によると、可動摩擦部材と固定摩擦部材とカム機構とで第１回転体の回転動力を第２回転体に高効率で伝達でき、また、簡易な構造として使用ならびに製作のコストを低減できるものとなる。
【００１９】
そして、本発明のクラッチ装置では、上記カム機構により、ストッパ無しで、回転動力の伝達に際して、両カムプレートのカム溝からプレート面にボールが乗り上げてしまうことがなくなり、クラッチ性能を向上できるようにすることができると同時に、その重量化、構造の簡易化を図れるとともに、その製造コストの低減を図れる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００２１】
図１ないし図５は、本発明の実施形態１に係り、図１は、動力遮断状態におけるクラッチ装置の側面断面図、図２は、動力伝達状態におけるクラッチ装置の側面断面図、図３は、クラッチ装置の分解斜視図、図４（ａ）は、図１の要部拡大図、図４（ｂ）は、図２の要部拡大図である。また、図５は、図４（ａ）（ｂ）を合わせて示す図である。この図５では、図４（ａ）が実線で、図４（ｂ）が仮想線で示される。
【００２２】
これらの図において、Ａは、クラッチ装置の全体を示しており、このクラッチ装置Ａは、主として、クラッチハウジング１と、第１回転軸２と、第２回転軸３と、カムプレート４と、皿バネ５と、転がり軸受６と、カム機構７とを備えている。
【００２３】
クラッチハウジング１は、固定摩擦部材として、図外のクラッチ装置取付壁に固定されるとともに、その内周面の軸方向一方側に軸方向一方に向けて拡径するテーパ面１ａと、軸方向他方側に軸受取り付け面１ｂとを備えた筒体構造となっている。
【００２４】
第１回転軸２は、モータ等の動力源により回転駆動されるものであって、外周面に環状のフランジ８が一体に形成され、また、その軸方向端面に小径軸部９が形成されている。フランジ９は回転軸本体８とは別体に構成してもよい。
【００２５】
第２回転軸３は、軸方向一方側軸部１０がクラッチハウジング外に延び、軸方向他端側の軸部端面に形成された軸方向有底穴１１に第１回転体２の小径軸部９が嵌入され、サークリップ１２で第１回転軸２に連結される。
【００２６】
第２回転軸３はまた、外周面にスプライン歯１３が形成され、軸受６を介してクラッチハウジング１の軸受取り付け面１ｂに回転可能に支持されている。
【００２７】
この場合、第２回転軸３の外周面の周溝１４に止め輪１５が固定され、これによって、第２回転軸３等がクラッチハウジング１から抜け出すのが防止されている。
【００２８】
カムプレート４は、可動摩擦部材として、径方向の外周面が軸方向一方に向けて拡径するテーパ面４ａを有し、クラッチハウジング１のテーパ面１ａと対向するようクラッチハウジング１と同心状に配設された環状板構造となっている。
【００２９】
カムプレート４はまた、第２回転軸３の嵌入穴を有し、その嵌入穴内周壁に第２回転軸３の前記スプライン歯１３に嵌合するスプライン歯１６を備え、そのスプライン歯１３と１６との嵌合で第２回転軸３と一体回転し、かつ、軸方向に変位可能となっている。
【００３０】
カム機構７は、フランジ８と、カムプレート４と、皿バネ５と、ボール１９とを少なくとも構成要素として備える。
【００３１】
フランジ８は、カム機構７において軸方向不動の固定カムプレートとして機能する。
【００３２】
カムプレート４は、カム機構７において可動カムプレートとしてフランジ８に対して軸方向変位可能な状態に同軸状に対向配設される。
【００３３】
フランジ８とカムプレート４との互いの対向面に一対のカム溝１７，１８が振り分けて設けられている。
【００３４】
両カム溝１７，１８それぞれは、周方向中心１７ａ０，１８ａ０から周方向両側へ向けて深さが浅くなるすり鉢状斜面１７ａ１，１７ａ２；１８ａ１，１８ａ２に形成されている。
【００３５】
皿バネ５は、カムプレート４をフランジ８側に弾発付勢する付勢部材となる。
【００３６】
ボール１９は、両カム溝１７，１８間に転動可能に収納される。
【００３７】
このようなカム機構７において、両カム溝１７，１８は、周方向中心１７ａ０，１８ａ０で最深となり、そこでの深さは、ボール１９の半径（ＤB／２：ＤBはボール径）より小さい寸法に設定されている。
【００３８】
そして、実施形態では、後で詳述するように、両カム溝１７，１８における最も浅い位置での深さがボール１９の抜け出しを阻止する寸法に設定されている。
【００３９】
このような実施形態のカム機構７では、第１回転軸２の回転に伴うフランジ８とカムプレート４との相対的な回転に伴い、両カム溝１７，１８の最も深い位置である周方向中心１７ａ０，１８ａ０にボール１９が位置することによりカムプレート４をフランジ８側に近接させる状態に、また、前記両カム溝１７，１８の最も浅い位置にボール１９が位置することによりカムプレート４をフランジ８側から最も離隔させる状態になる。
【００４０】
上記クラッチ装置Ａの動作について図１ないし図３と共に図４（ａ）（ｂ）を参照して説明する。
【００４１】
図示の状態では、カムプレート４は、皿バネ５で軸方向他方に付勢され、そのテーパ面４ａが、クラッチハウジング１のテーパ面１ａに圧接されている状態となっているから、第２回転軸３は回転がロックされて非回転状態となっている。この状態では図４（ａ）で示すように、ボール１９は、カム溝１７，１８の軸方向最深の周方向中心１７ａ０，１８ａ０間に位置しているので、第１回転軸２とカムプレート４との軸方向離隔距離は最短Ｓ２となっている。
【００４２】
この状態から、第１回転軸２が図外のモータ等の動力源で回転駆動される（図４で周方向一方へ移動される）と、フランジ８とカムプレート４の両対向面間のカム溝１７，１８の互いに逆方向のすり鉢状斜面１７ａ２、１８ａ２間を図４（ａ）から図４（ｂ）で示すようにボール１９が周方向に転動する。このすり鉢状斜面１７ａ２、１８ａ２においては、図４（ａ）（ｂ）で示すように一方のすり鉢状斜面１７ａ２は周方向他方へ向けて、また他方のすり鉢状斜面１８ａ２は周方向一方へ向けてそれぞれ深さが浅くなっているので、カムプレート４は、皿バネ５に抗して、フランジ８より軸方向一方に向けて変位（最大変位量はＳ１）させられ、これによって、カムプレート４のテーパ面４ａが、クラッチハウジング１の内周面のテーパ面１ａから離隔する。
【００４３】
そして、ボール１９が、図４（ｂ）で示すようにすり鉢状斜面１７ａ２、１８ａ２の両側間で軸方向に挟まれた状態になる。このときの第１回転軸２とカムプレート４との軸方向最大離隔距離は、Ｓ１＋Ｓ２となる。
【００４４】
このようにボール１９がすり鉢状斜面１７ａ２、１８ａ２の両側間で軸方向に挟まれた状態になると、カムプレート４は、第１回転軸２の周方向一方の回転動力Ｔで、それと同方向に回転し、これとともに、第２回転軸３も同方向に回転させられて、第１回転軸２の回転動力Ｔが伝達されることになる。
【００４５】
また、第１回転軸２が、上記と逆方向に回転駆動された場合は、ボール１９は、すり鉢状斜面１７ａ１、１８ａ１間を転動し、そのすり鉢状斜面１７ａ１、１８ａ１の両側間で軸方向に挟まれた状態になって、カムプレート４は、第１回転軸２の周方向他方の回転動力Ｔで、それと同方向に回転し、これとともに、第２回転軸３も同方向に回転させられて、第１回転軸２の回転動力Ｔが伝達されることになる。
【００４６】
このようにして回転動力Ｔはいずれの回転方向にも伝達される。
【００４７】
上記構造を備えた実施形態のクラッチ装置は、第１回転軸２の回転動力を第２回転軸３に高効率で伝達できる一方、第１回転軸２から第２回転軸３への回転動力の伝達と第２回転軸３を非回転として第１回転軸２から分離する構造が簡易であるから使用ならびに製作のコストを低減できる。
【００４８】
次に、上記クラッチ装置が備えるカム機構７に関し図３ないし図５を参照して説明する。なお、図５は、図４（ａ）（ｂ）を合わせて示される図であり、図４（ａ）は実線で図４（ｂ）は仮想線でそれぞれ示されている。また、ここで、これらの図に示される記号について説明する。
【００４９】
カム溝１７，１８のボール１９の抜け出しを阻止する寸法関係つまり、ボール１９の最深位置における両カム溝１７，１８それぞれの深さ（周方向中心１７ａ０，１８ａ０）が、ボール１９の半径より小さい寸法関係に、また、ボール１９がすり鉢状斜面のａ点にきたとき、ボール１９の抜け出しを阻止するカム溝の段部ｂ点の寸法関係は、次式（１）ないし（３）を満足する。
【００５０】
ｔａｎφ＞（２・Ｔ）／（Ｄｐ・Ｆｓ）かつＤB／２＞Ｒａ … （１）
Ｄｃ＞（Ｓ1／ｔａｎη）＋ＤB・ｓｉｎφ … （２）
Ｓ2＜ＤB・ｃｏｓφ−Ｓ1 … （３）
ただし、
Ｓ1：ボール１９の軸方向最大変位量
Ｓ2：第１回転軸２とカムプレート４との軸方向離隔最短距離
Ｄｐ：ボール１９のピッチ円径
ＤB ：ボール１９の直径
Ｄｃ：カム溝１７，１８の周方向外径
θ ：カム作動角
φ ：カムストッパ角
η ：すり鉢状斜面の傾斜角度〔（π−θ）／２〕
Ｔ ：回転動力
Ｆｓ：皿バネ５のバネ力
Ｒａ：すみＲ
ここで、カム作動角θは、第１回転軸２のカム溝１７では周方向中心１７ａ０，１８ａ０つまり最も最深の位置を中心にして隣り合うすり鉢状斜面１７ａ１，１７ａ２の開き角度、カムプレート４のカム溝１８では周方向で隣り合うすり鉢状斜面１８ａ１，１８ａ２の開き角度である。
【００５１】
カムストッパ角φは、ボールがカム溝１７，１８のすり鉢状斜面１７ａ１の周方向他方側とすり鉢状斜面１８ａ１の周方向一方側との間で挟まれた状態、または、カム溝１７，１８のすり鉢状斜面１７ａ２の周方向一方側とすり鉢状斜面１８ａ２の周方向他方側との間で挟まれた状態において、ボールとカム溝の段部ｂとの接点とボール１９の中心を通る軸方向線とのなす角度である。
【００５２】
また、Ｒａは、ｂ点において、ボール１９に接する平面とすり鉢状斜面とのすみＲがボール１９の半径より大きいとボール１９が容易に乗り上げるでそれを防ぐためにボール１９の半径より小さくする。
【００５３】
そして、上記各式（１）ないし（３）の意味について説明する。
【００５４】
式（１）の左側は、回転動力Ｔとカムストッパ角φとの関係を示し、右側は、単にカムストッパ角φにおいてボール１９が乗り上げない条件を示している。
【００５５】
式（２）は、カム溝１７，１８の周方向外径の制約を示している。
【００５６】
式（３）は、深さの関係としてφというカムストッパ角をもっても必ずボール１９に接触面が存在する条件を示している。
【００５７】
このような式の関係において、ボール１９の抜け出し防止には、実施形態でこのカム角Ｒａの基準位置ｃの深さが、上記式（１）ないし（３）を満足させることが必要となる。
【００５８】
このような式を満足するカム機構７の作用を説明する。
【００５９】
第１回転軸２に回転動力が与えられず、図４（ａ）または図５の実線で示すように、両カム溝１７，１８が軸方向に正対しているときは、ボール１９は、両カム溝１７，１８の周方向中心１７ａ０，１８ａ０間に位置して、カムプレート４は、第１回転軸２に対して最小離隔距離Ｓ２で軸方向に対向している。この状態ではカムプレート４は、皿バネ５で軸方向他方に付勢され、そのテーパ面４ａが、クラッチハウジング１のテーパ面１ａに圧接されている状態となっているから、第２回転軸３は回転がロックされて非回転状態となっている。
【００６０】
この状態から、第１回転軸２が図外のモータ等の動力源で回転駆動されると、ボール１９が、両カム溝１７，１８のすり鉢状斜面１７ａ２，１８ａ２または１７ａ１，１８ａ１を転動し、図４（ｂ）または図５の仮想線で示すように、そのすり鉢状斜面の両側で挟まれた状態となる。
【００６１】
この状態では、第１回転軸２とカムプレート４との離隔距離はＳ１＋Ｓ２となり、上述したように、第１回転軸２の回転動力が第２回転軸３に伝達されることになる。
【００６２】
この段階でさらに第１回転軸２が回転していっても、カム溝１７，１８は上述した関係式（１）ないし（４）を有しているから、ボール１９は、カム溝１７，１８のすり鉢状斜面を抜け出すことが防止される。
【００６３】
なお、本発明は、上述の実施形態１に限定されるものではなく、種々の応用が変形が可能である。
【００６４】
（１）上述の実施形態１では、クラッチハウジング１の外周面とカムプレート４の内周面は共にテーパ面１ａ，４ａを有した構造であったが、これに限定されるものではなく、クラッチハウジング１とカムプレート４それぞれの一方の面を軸方向に対向させ、カムプレート４を軸方向に変位させて、クラッチハウジング１の対向面に圧接または離隔させるようにしてもよい。
【００６５】
（２）なお、上述の実施形態では、第１回転軸２が皿バネ５の反力で第２回転軸３との相対位置がずれないようにするために、第１回転軸２と第２回転軸３とはサークリップで一体に結合されていたが、これを廃止しても構わず、その代わりに、図６の実施形態２のように、第１回転軸２をクラッチハウジング１に対して転がり軸受２２を介して回転自在に支持させればよい。
【００６７】
（４）実施形態のクラッチ装置は、例えば、無断変速機や、電動パワーステアリング、その他の機械装置類に応用することができる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明第１、第２のカム機構によると、固定カムプレートと可動カムプレートの両カム溝間に介装されたボールの抜け出しを簡単な構造でもって防止可能となる。
【００６９】
本発明のクラッチ装置によると、可動摩擦部材と固定摩擦部材とカム機構とで第１回転体の回転動力を第２回転体に高効率で伝達でき、また、簡易な構造として使用ならびに製作のコストを低減できるものとなる。また、本発明のクラッチ装置の場合、前記カム機構を内蔵するから、両カム溝間に介装されたボールの抜け出しを防止でき、構造上の信頼性に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】動力非伝達状態にある本発明の実施形態１のクラッチ装置の側面断面図
【図２】動力伝達状態にある本発明の実施形態１のクラッチ装置の側面断面図
【図３】クラッチ装置の分解斜視図
【図４】（ａ）図１の要部拡大図、（ｂ）図２の要部拡大図
【図５】図４（ａ）（ｂ）を合わせて示す図
【図６】図１に対応する本発明の実施形態２のクラッチ装置の側面断面図
【符号の説明】
１ クラッチハウジング
２ 第１回転軸
３ 第２回転軸
４ カムプレート
５ 皿バネ
７ カム機構
８ フランジ（固定カムプレート）
１７，１８ カム溝
【発明の属する技術分野】
本発明は、カム機構およびこれを用いたクラッチ装置に関する。
【０００２】
このクラッチ装置は、同軸上に対向配設される二つの回転体の動力伝達間に介装され、かつ第１回転体に回転動力が入力されたときに両回転体を同期回転可能に結合する一方、第２回転体に回転動力が入力されたときに第２回転体を非回転状態として、第１回転体と分離するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来のこの種のクラッチ装置において、モータ等の動力源により第１回転体を回転駆動し、この回転動力を第２回転体側に伝達している場合において、第２回転体に回転動力が入力されたときには第２回転体を非回転状態としてその回転動力が第１回転体に伝達されること（逆入力）を遮断する機構としてウォーム減速機や電磁ブレーキが採用されている。
【０００４】
ウォーム減速機の場合、第１回転体の回転動力の第２回転体に対する伝達効率が低く、また、その伝達に際し、ウォームギヤとウォームとの噛合音が発生してクラッチ装置の静粛性に劣る。
【０００５】
電磁ブレーキの場合、ブレーキ動作に際し通電が必要となるから使用コストが嵩むうえ、回転動力の伝達タイミングを制御する電磁コイルへの通電制御に複雑な電子制御回路が必要となり、それだけ製作コストが高くなる。
【０００６】
また、いずれの場合も、クラッチ装置としての軽量化に限界を生じる。
【０００７】
そこで、本願出願人は、第１回転体の回転動力の伝達性に優れ、また、静粛性に優れたものとし、かつ簡易な構造としてその使用上ならびに製作上におけるコストの大幅な低減を可能とし、かつ、軽量化をさらに図れるクラッチ装置を、特願平１１−２９２０９９号（平成１１年１０月１４日出願）の「クラッチ装置」で既に提案している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記先願に係るクラッチ装置におけるカム機構は、第１回転軸が軸方向不動に配設される固定カムプレートとして、また可動摩擦部材が、この固定カムプレートに対して同軸状に対向配設されかつ軸方向にスライド可能に支持される可動カムプレートとなる。そして、両カムプレートの対向面にカム溝が対向形成されているとともに、前記両カムプレートのカム溝間にクラッチ用のボールが転動可能に介装された構造となっている。
【０００９】
このようなカム機構を備えたクラッチ装置の場合、可動カムプレートが皿バネで固定カムプレート方向に付勢されていても、固定カムプレートに回転動力をかけ、両カム溝の周方向ずれによりボールが転動して可動カムプレートが駆動側カムプレートから離隔されていくとき、ボールがカム溝から抜け出しやすい。
【００１０】
そこで、本発明者らは、上記抜け出しの防止について鋭意研究し、まず、可動カムプレートを軸方向に押さえる特殊な構造のストッパを設けることを考えたが、このようなストッパによる抜け出し防止構造では、クラッチ装置の構造複雑化のみならず重量化をも招来するとともに、クラッチ装置の製造コストアップを余儀なくさせるものである。
【００１１】
したがって、本発明は、カム機構において、固定カムプレートと可動カムプレートの両カム溝間に介装されたボールの抜け出しを簡単な構造でもって防止可能とすることを解決すべき課題としている。
【００１２】
本発明はまた、カム機構を備えたクラッチ装置において、特殊なストッパを用いずに、回転動力の伝達に際して、ボールの抜け出しを防止してクラッチ性能を向上できるようにすることを解決すべき課題としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のカム機構は、一方が軸方向不動に他方が軸方向変位可能な状態に同軸状に対向配設されかつ互いの対向面に一対のカム溝が振り分けて設けられる一対の固定および可動カムプレートと、両カムプレートの一対のカム溝間に転動可能に収納されるボールと、可動カムプレートを固定カムプレート側に弾発付勢する付勢部材と、を有し、前記両カム溝それぞれが、カム溝における周方向中心から周方向両側へ向けて周方向で対称形状となるように深さが浅くなりボールが転動するすり鉢状斜面に形成されており、前記両カム溝それぞれの最深位置の深さが、ボールの半径より小さい寸法に設定され、また、両カム溝それぞれの最も浅い位置の深さが、その浅い位置において前記すり鉢状斜面に接したボールがすり鉢状斜面とカム溝段部をつなぐ面にも接してボールの抜け出しを阻止する寸法に設定されており、両カムプレートの相対的な回転に伴い、前記両カム溝の斜面において最も深い位置にボールが位置することにより前記両カム溝が周方向で合致したときに可動カムプレートを固定カムプレート側に近接させる状態に、また、前記両カム溝が周方向にずれたときに可動カムプレートを固定カムプレート側から離隔させる状態になり、前記カム溝におけるボールの抜け出しを阻止する寸法関係が、次式（１）ないし（３）を満足する、ことを特徴とするカム機構。
ｔａｎφ＞（２・Ｔ）／（Ｄｐ・Ｆｓ）かつＤ B ／２＞Ｒａ…（１）
Ｄｃ＞（Ｓ 1 ／ｔａｎη）＋Ｄ B ・ｓｉｎφ…（２）
Ｓ 2 ＜Ｄ B ・ｃｏｓφ−Ｓ 1 …（３）
ただし、Ｓ 1 ：ボールの軸方向最大変位量Ｓ 2 ：固定カムプレートと可動カムプレートとの軸方向最短離隔距離Ｄｐ：ボールのピッチ円径Ｄ B ：ボールの直径Ｄｃ：カム溝の周方向外径θ：カム作動角φ：カムストッパ角η：すり鉢状斜面の傾斜角度〔（π−θ）／２〕
Ｔ：回転動力（伝達トルク）
Ｆｓ：付勢部材のばね力Ｒａ：すみＲ
【００１５】
本発明のカム機構によると、当該両カム溝それぞれの最深位置の深さが、ボールの半径より小さい寸法に設定され、また、最も浅い位置の深さが、ボールの抜け出しを阻止する寸法に設定されているだけで、ボールの抜け出しを防止できるものであり、構成が簡単でその製造コストを低減できるものとなる。
【００１７】
本発明のクラッチ装置は、同軸上に対向配設される二つの回転体の動力伝達間に介装され、かつ第１回転体に回転動力が入力されたときに両回転体を同期回転可能に結合する一方、第２回転体に回転動力が入力されたときに第２回転体を非回転状態として第１回転体と分離するクラッチ装置であって、第１回転体に対して軸方向で対向されているとともに、第２回転体と同期回転可能でかつ軸方向変位可能に取り付けられる可動摩擦部材と、可動摩擦部材の軸方向変位によって当該可動摩擦部材が圧接または離隔する位置に固定配置される固定摩擦部材と、第１回転体が回転したときに可動摩擦部材を固定部材から離隔させて第１回転体と可動摩擦部材と第２回転体との三者を一体にして両回転体を同期回転可能に結合する一方、第２回転体が回転したときに可動摩擦部材を固定摩擦部材に圧接させて第２回転体と可動摩擦部材と固定摩擦部材との三者を一体にして第２回転体を非回転状態にするカム機構と、を含み、前記カム機構が、第１回転体を固定カムプレートとして、可動摩擦部材を可動カムプレートとして用いられる請求項１のカム機構とされ、前記カム機構のボールの転動で可動摩擦部材を固定摩擦部材に対し圧接または隔離するよう変位させるものである。
【００１８】
本発明のクラッチ装置によると、可動摩擦部材と固定摩擦部材とカム機構とで第１回転体の回転動力を第２回転体に高効率で伝達でき、また、簡易な構造として使用ならびに製作のコストを低減できるものとなる。
【００１９】
そして、本発明のクラッチ装置では、上記カム機構により、ストッパ無しで、回転動力の伝達に際して、両カムプレートのカム溝からプレート面にボールが乗り上げてしまうことがなくなり、クラッチ性能を向上できるようにすることができると同時に、その重量化、構造の簡易化を図れるとともに、その製造コストの低減を図れる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００２１】
図１ないし図５は、本発明の実施形態１に係り、図１は、動力遮断状態におけるクラッチ装置の側面断面図、図２は、動力伝達状態におけるクラッチ装置の側面断面図、図３は、クラッチ装置の分解斜視図、図４（ａ）は、図１の要部拡大図、図４（ｂ）は、図２の要部拡大図である。また、図５は、図４（ａ）（ｂ）を合わせて示す図である。この図５では、図４（ａ）が実線で、図４（ｂ）が仮想線で示される。
【００２２】
これらの図において、Ａは、クラッチ装置の全体を示しており、このクラッチ装置Ａは、主として、クラッチハウジング１と、第１回転軸２と、第２回転軸３と、カムプレート４と、皿バネ５と、転がり軸受６と、カム機構７とを備えている。
【００２３】
クラッチハウジング１は、固定摩擦部材として、図外のクラッチ装置取付壁に固定されるとともに、その内周面の軸方向一方側に軸方向一方に向けて拡径するテーパ面１ａと、軸方向他方側に軸受取り付け面１ｂとを備えた筒体構造となっている。
【００２４】
第１回転軸２は、モータ等の動力源により回転駆動されるものであって、外周面に環状のフランジ８が一体に形成され、また、その軸方向端面に小径軸部９が形成されている。フランジ９は回転軸本体８とは別体に構成してもよい。
【００２５】
第２回転軸３は、軸方向一方側軸部１０がクラッチハウジング外に延び、軸方向他端側の軸部端面に形成された軸方向有底穴１１に第１回転体２の小径軸部９が嵌入され、サークリップ１２で第１回転軸２に連結される。
【００２６】
第２回転軸３はまた、外周面にスプライン歯１３が形成され、軸受６を介してクラッチハウジング１の軸受取り付け面１ｂに回転可能に支持されている。
【００２７】
この場合、第２回転軸３の外周面の周溝１４に止め輪１５が固定され、これによって、第２回転軸３等がクラッチハウジング１から抜け出すのが防止されている。
【００２８】
カムプレート４は、可動摩擦部材として、径方向の外周面が軸方向一方に向けて拡径するテーパ面４ａを有し、クラッチハウジング１のテーパ面１ａと対向するようクラッチハウジング１と同心状に配設された環状板構造となっている。
【００２９】
カムプレート４はまた、第２回転軸３の嵌入穴を有し、その嵌入穴内周壁に第２回転軸３の前記スプライン歯１３に嵌合するスプライン歯１６を備え、そのスプライン歯１３と１６との嵌合で第２回転軸３と一体回転し、かつ、軸方向に変位可能となっている。
【００３０】
カム機構７は、フランジ８と、カムプレート４と、皿バネ５と、ボール１９とを少なくとも構成要素として備える。
【００３１】
フランジ８は、カム機構７において軸方向不動の固定カムプレートとして機能する。
【００３２】
カムプレート４は、カム機構７において可動カムプレートとしてフランジ８に対して軸方向変位可能な状態に同軸状に対向配設される。
【００３３】
フランジ８とカムプレート４との互いの対向面に一対のカム溝１７，１８が振り分けて設けられている。
【００３４】
両カム溝１７，１８それぞれは、周方向中心１７ａ０，１８ａ０から周方向両側へ向けて深さが浅くなるすり鉢状斜面１７ａ１，１７ａ２；１８ａ１，１８ａ２に形成されている。
【００３５】
皿バネ５は、カムプレート４をフランジ８側に弾発付勢する付勢部材となる。
【００３６】
ボール１９は、両カム溝１７，１８間に転動可能に収納される。
【００３７】
このようなカム機構７において、両カム溝１７，１８は、周方向中心１７ａ０，１８ａ０で最深となり、そこでの深さは、ボール１９の半径（ＤB／２：ＤBはボール径）より小さい寸法に設定されている。
【００３８】
そして、実施形態では、後で詳述するように、両カム溝１７，１８における最も浅い位置での深さがボール１９の抜け出しを阻止する寸法に設定されている。
【００３９】
このような実施形態のカム機構７では、第１回転軸２の回転に伴うフランジ８とカムプレート４との相対的な回転に伴い、両カム溝１７，１８の最も深い位置である周方向中心１７ａ０，１８ａ０にボール１９が位置することによりカムプレート４をフランジ８側に近接させる状態に、また、前記両カム溝１７，１８の最も浅い位置にボール１９が位置することによりカムプレート４をフランジ８側から最も離隔させる状態になる。
【００４０】
上記クラッチ装置Ａの動作について図１ないし図３と共に図４（ａ）（ｂ）を参照して説明する。
【００４１】
図示の状態では、カムプレート４は、皿バネ５で軸方向他方に付勢され、そのテーパ面４ａが、クラッチハウジング１のテーパ面１ａに圧接されている状態となっているから、第２回転軸３は回転がロックされて非回転状態となっている。この状態では図４（ａ）で示すように、ボール１９は、カム溝１７，１８の軸方向最深の周方向中心１７ａ０，１８ａ０間に位置しているので、第１回転軸２とカムプレート４との軸方向離隔距離は最短Ｓ２となっている。
【００４２】
この状態から、第１回転軸２が図外のモータ等の動力源で回転駆動される（図４で周方向一方へ移動される）と、フランジ８とカムプレート４の両対向面間のカム溝１７，１８の互いに逆方向のすり鉢状斜面１７ａ２、１８ａ２間を図４（ａ）から図４（ｂ）で示すようにボール１９が周方向に転動する。このすり鉢状斜面１７ａ２、１８ａ２においては、図４（ａ）（ｂ）で示すように一方のすり鉢状斜面１７ａ２は周方向他方へ向けて、また他方のすり鉢状斜面１８ａ２は周方向一方へ向けてそれぞれ深さが浅くなっているので、カムプレート４は、皿バネ５に抗して、フランジ８より軸方向一方に向けて変位（最大変位量はＳ１）させられ、これによって、カムプレート４のテーパ面４ａが、クラッチハウジング１の内周面のテーパ面１ａから離隔する。
【００４３】
そして、ボール１９が、図４（ｂ）で示すようにすり鉢状斜面１７ａ２、１８ａ２の両側間で軸方向に挟まれた状態になる。このときの第１回転軸２とカムプレート４との軸方向最大離隔距離は、Ｓ１＋Ｓ２となる。
【００４４】
このようにボール１９がすり鉢状斜面１７ａ２、１８ａ２の両側間で軸方向に挟まれた状態になると、カムプレート４は、第１回転軸２の周方向一方の回転動力Ｔで、それと同方向に回転し、これとともに、第２回転軸３も同方向に回転させられて、第１回転軸２の回転動力Ｔが伝達されることになる。
【００４５】
また、第１回転軸２が、上記と逆方向に回転駆動された場合は、ボール１９は、すり鉢状斜面１７ａ１、１８ａ１間を転動し、そのすり鉢状斜面１７ａ１、１８ａ１の両側間で軸方向に挟まれた状態になって、カムプレート４は、第１回転軸２の周方向他方の回転動力Ｔで、それと同方向に回転し、これとともに、第２回転軸３も同方向に回転させられて、第１回転軸２の回転動力Ｔが伝達されることになる。
【００４６】
このようにして回転動力Ｔはいずれの回転方向にも伝達される。
【００４７】
上記構造を備えた実施形態のクラッチ装置は、第１回転軸２の回転動力を第２回転軸３に高効率で伝達できる一方、第１回転軸２から第２回転軸３への回転動力の伝達と第２回転軸３を非回転として第１回転軸２から分離する構造が簡易であるから使用ならびに製作のコストを低減できる。
【００４８】
次に、上記クラッチ装置が備えるカム機構７に関し図３ないし図５を参照して説明する。なお、図５は、図４（ａ）（ｂ）を合わせて示される図であり、図４（ａ）は実線で図４（ｂ）は仮想線でそれぞれ示されている。また、ここで、これらの図に示される記号について説明する。
【００４９】
カム溝１７，１８のボール１９の抜け出しを阻止する寸法関係つまり、ボール１９の最深位置における両カム溝１７，１８それぞれの深さ（周方向中心１７ａ０，１８ａ０）が、ボール１９の半径より小さい寸法関係に、また、ボール１９がすり鉢状斜面のａ点にきたとき、ボール１９の抜け出しを阻止するカム溝の段部ｂ点の寸法関係は、次式（１）ないし（３）を満足する。
【００５０】
ｔａｎφ＞（２・Ｔ）／（Ｄｐ・Ｆｓ）かつＤB／２＞Ｒａ … （１）
Ｄｃ＞（Ｓ1／ｔａｎη）＋ＤB・ｓｉｎφ … （２）
Ｓ2＜ＤB・ｃｏｓφ−Ｓ1 … （３）
ただし、
Ｓ1：ボール１９の軸方向最大変位量
Ｓ2：第１回転軸２とカムプレート４との軸方向離隔最短距離
Ｄｐ：ボール１９のピッチ円径
ＤB ：ボール１９の直径
Ｄｃ：カム溝１７，１８の周方向外径
θ ：カム作動角
φ ：カムストッパ角
η ：すり鉢状斜面の傾斜角度〔（π−θ）／２〕
Ｔ ：回転動力
Ｆｓ：皿バネ５のバネ力
Ｒａ：すみＲ
ここで、カム作動角θは、第１回転軸２のカム溝１７では周方向中心１７ａ０，１８ａ０つまり最も最深の位置を中心にして隣り合うすり鉢状斜面１７ａ１，１７ａ２の開き角度、カムプレート４のカム溝１８では周方向で隣り合うすり鉢状斜面１８ａ１，１８ａ２の開き角度である。
【００５１】
カムストッパ角φは、ボールがカム溝１７，１８のすり鉢状斜面１７ａ１の周方向他方側とすり鉢状斜面１８ａ１の周方向一方側との間で挟まれた状態、または、カム溝１７，１８のすり鉢状斜面１７ａ２の周方向一方側とすり鉢状斜面１８ａ２の周方向他方側との間で挟まれた状態において、ボールとカム溝の段部ｂとの接点とボール１９の中心を通る軸方向線とのなす角度である。
【００５２】
また、Ｒａは、ｂ点において、ボール１９に接する平面とすり鉢状斜面とのすみＲがボール１９の半径より大きいとボール１９が容易に乗り上げるでそれを防ぐためにボール１９の半径より小さくする。
【００５３】
そして、上記各式（１）ないし（３）の意味について説明する。
【００５４】
式（１）の左側は、回転動力Ｔとカムストッパ角φとの関係を示し、右側は、単にカムストッパ角φにおいてボール１９が乗り上げない条件を示している。
【００５５】
式（２）は、カム溝１７，１８の周方向外径の制約を示している。
【００５６】
式（３）は、深さの関係としてφというカムストッパ角をもっても必ずボール１９に接触面が存在する条件を示している。
【００５７】
このような式の関係において、ボール１９の抜け出し防止には、実施形態でこのカム角Ｒａの基準位置ｃの深さが、上記式（１）ないし（３）を満足させることが必要となる。
【００５８】
このような式を満足するカム機構７の作用を説明する。
【００５９】
第１回転軸２に回転動力が与えられず、図４（ａ）または図５の実線で示すように、両カム溝１７，１８が軸方向に正対しているときは、ボール１９は、両カム溝１７，１８の周方向中心１７ａ０，１８ａ０間に位置して、カムプレート４は、第１回転軸２に対して最小離隔距離Ｓ２で軸方向に対向している。この状態ではカムプレート４は、皿バネ５で軸方向他方に付勢され、そのテーパ面４ａが、クラッチハウジング１のテーパ面１ａに圧接されている状態となっているから、第２回転軸３は回転がロックされて非回転状態となっている。
【００６０】
この状態から、第１回転軸２が図外のモータ等の動力源で回転駆動されると、ボール１９が、両カム溝１７，１８のすり鉢状斜面１７ａ２，１８ａ２または１７ａ１，１８ａ１を転動し、図４（ｂ）または図５の仮想線で示すように、そのすり鉢状斜面の両側で挟まれた状態となる。
【００６１】
この状態では、第１回転軸２とカムプレート４との離隔距離はＳ１＋Ｓ２となり、上述したように、第１回転軸２の回転動力が第２回転軸３に伝達されることになる。
【００６２】
この段階でさらに第１回転軸２が回転していっても、カム溝１７，１８は上述した関係式（１）ないし（４）を有しているから、ボール１９は、カム溝１７，１８のすり鉢状斜面を抜け出すことが防止される。
【００６３】
なお、本発明は、上述の実施形態１に限定されるものではなく、種々の応用が変形が可能である。
【００６４】
（１）上述の実施形態１では、クラッチハウジング１の外周面とカムプレート４の内周面は共にテーパ面１ａ，４ａを有した構造であったが、これに限定されるものではなく、クラッチハウジング１とカムプレート４それぞれの一方の面を軸方向に対向させ、カムプレート４を軸方向に変位させて、クラッチハウジング１の対向面に圧接または離隔させるようにしてもよい。
【００６５】
（２）なお、上述の実施形態では、第１回転軸２が皿バネ５の反力で第２回転軸３との相対位置がずれないようにするために、第１回転軸２と第２回転軸３とはサークリップで一体に結合されていたが、これを廃止しても構わず、その代わりに、図６の実施形態２のように、第１回転軸２をクラッチハウジング１に対して転がり軸受２２を介して回転自在に支持させればよい。
【００６７】
（４）実施形態のクラッチ装置は、例えば、無断変速機や、電動パワーステアリング、その他の機械装置類に応用することができる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明第１、第２のカム機構によると、固定カムプレートと可動カムプレートの両カム溝間に介装されたボールの抜け出しを簡単な構造でもって防止可能となる。
【００６９】
本発明のクラッチ装置によると、可動摩擦部材と固定摩擦部材とカム機構とで第１回転体の回転動力を第２回転体に高効率で伝達でき、また、簡易な構造として使用ならびに製作のコストを低減できるものとなる。また、本発明のクラッチ装置の場合、前記カム機構を内蔵するから、両カム溝間に介装されたボールの抜け出しを防止でき、構造上の信頼性に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】動力非伝達状態にある本発明の実施形態１のクラッチ装置の側面断面図
【図２】動力伝達状態にある本発明の実施形態１のクラッチ装置の側面断面図
【図３】クラッチ装置の分解斜視図
【図４】（ａ）図１の要部拡大図、（ｂ）図２の要部拡大図
【図５】図４（ａ）（ｂ）を合わせて示す図
【図６】図１に対応する本発明の実施形態２のクラッチ装置の側面断面図
【符号の説明】
１ クラッチハウジング
２ 第１回転軸
３ 第２回転軸
４ カムプレート
５ 皿バネ
７ カム機構
８ フランジ（固定カムプレート）
１７，１８ カム溝
Claims (2)
- 一方が軸方向不動に他方が軸方向変位可能な状態に同軸状に対向配設されかつ互いの対向面に一対のカム溝が振り分けて設けられる一対の固定および可動カムプレートと、
両カムプレートの一対のカム溝間に転動可能に収納されるボールと、
可動カムプレートを固定カムプレート側に弾発付勢する付勢部材と、
を有し、
前記両カム溝それぞれが、カム溝における周方向中心から周方向両側へ向けて周方向で対称形状となるように深さが浅くなりボールが転動するすり鉢状斜面に形成されており、前記両カム溝それぞれの最深位置の深さが、ボールの半径より小さい寸法に設定され、
また、両カム溝それぞれの最も浅い位置の深さが、その浅い位置において前記すり鉢状斜面に接したボールがすり鉢状斜面とカム溝段部をつなぐ面にも接してボールの抜け出しを阻止する寸法に設定されており、
両カムプレートの相対的な回転に伴い、前記両カム溝の斜面において最も深い位置にボールが位置することにより前記両カム溝が周方向で合致したときに可動カムプレートを固定カムプレート側に近接させる状態に、また、前記両カム溝が周方向にずれたときに可動カムプレートを固定カムプレート側から離隔させる状態になり、
前記カム溝におけるボールの抜け出しを阻止する寸法関係が、次式（１）ないし（３）を満足する、ことを特徴とするカム機構。
ｔａｎφ＞（２・Ｔ）／（Ｄｐ・Ｆｓ）かつＤ B ／２＞Ｒａ…（１）
Ｄｃ＞（Ｓ 1 ／ｔａｎη）＋Ｄ B ・ｓｉｎφ…（２）
Ｓ 2 ＜Ｄ B ・ｃｏｓφ−Ｓ 1 …（３）
ただし、Ｓ 1 ：ボールの軸方向最大変位量Ｓ 2 ：固定カムプレートと可動カムプレートとの軸方向最短離隔距離Ｄｐ：ボールのピッチ円径Ｄ B ：ボールの直径Ｄｃ：カム溝の周方向外径θ：カム作動角φ：カムストッパ角η：すり鉢状斜面の傾斜角度〔（π−θ）／２〕
Ｔ：回転動力（伝達トルク）
Ｆｓ：付勢部材のばね力Ｒａ：すみＲ - 同軸上に対向配設される二つの回転体の動力伝達間に介装され、かつ第１回転体に回転動力が入力されたときに両回転体を同期回転可能に結合する一方、第２回転体に回転動力が入力されたときに第２回転体を非回転状態として第１回転体と分離するクラッチ装置であって、
第１回転体に対して軸方向で対向されているとともに、第２回転体と同期回転可能でかつ軸方向変位可能に取り付けられる可動摩擦部材と、可動摩擦部材の軸方向変位によって当該可動摩擦部材が圧接または離隔する位置に固定配置される固定摩擦部材と、第１回転体が回転したときに可動摩擦部材を固定部材から離隔させて第１回転体と可動摩擦部材と第２回転体との三者を一体にして両回転体を同期回転可能に結合する一方、第２回転体が回転したときに可動摩擦部材を固定摩擦部材に圧接させて第２回転体と可動摩擦部材と固定摩擦部材との三者を一体にして第２回転体を非回転状態にするカム機構と、を含み、前記カム機構が、第１回転体を固定カムプレートとして、可動摩擦部材を可動カムプレートとして用いられる請求項１のカム機構とされ、前記カム機構のボールの転動で可動摩擦部材を固定摩擦部材に対し圧接または隔離するよう変位させる、ことを特徴とするクラッチ装置。
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