JP4807318B2 - 動力伝達装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁性流体を利用した動力伝達装置に関する。

互いに同軸上に配置された一対の円板間に磁性流体を介在させ、その磁性流体に作用する磁場を変化させることにより、円板間にて伝達されるトルクを制御する動力伝達装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
特開平５−１０６６５４号公報

従来の動力伝達装置は、一対の円板を同軸上に配置しているため、動力伝達の有無を切り替えるクラッチとして使用できるに過ぎず、動力伝達に関する設定の自由度が低い。例えば、従来の動力伝達装置では、円板間で回転速度を変化させることができず、円板間のトルク比も、磁場の強さを変化させて滑りを生じさせない限り、これを変化させることができない。

そこで、本発明は磁性流体を利用して一対の回転体間で動力を伝達することができ、しかも動力伝達に関する設定の自由度も高い動力伝達装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の動力伝達装置は、互いに異なる軸線の回りに回転可能であり、かつ隙間を空けて設けられた磁性材料製の一対の回転体と、前記一対の回転体を取り囲むケースと、前記ケースを貫いて前記一対の回転体のそれぞれと同軸に接続される一対の動力伝達軸と、前記隙間を埋めるようにして前記ケース内に収容された磁性流体と、磁気を発生する磁気発生手段と、一方の回転体から前記隙間を介して他方の回転体に向かう磁場が生じるように、前記磁気発生手段が発生した磁気の磁路を形成する磁路形成手段とを備え、前記一対の回転体のそれぞれの軸線が互いに平行であり、かつ、前記一対の回転体の外周面の間に前記隙間が設けられ、前記一対の動力伝達軸間には複数の伝達部が設けられ、前記複数の伝達部のそれぞれに前記一対の回転体が配置され、前記複数の伝達部間にて、前記一対の回転体の回転半径の比率が互いに相違し、前記磁路形成手段は、前記複数の伝達部からいずれか一つの伝達部を選択して該伝達部の一対の回転体と前記磁気発生手段との間に前記磁路を形成させ、選択されなかった他の伝達部の回転体と前記磁気発生手段との間は磁路が形成されないように切り離す磁路切替手段を備えていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

第１の動力伝達装置によれば、一対の回転体間に磁場を生じさせることにより、それらの回転体の隙間にて磁性流体のせん断応力が増加し、回転体間で磁性流体を介した動力の伝達が可能となる。回転体の軸線が互いに異なるため、回転体間の変速比を、回転体のそれぞれの軸線から磁性流体による動力伝達位置までの距離の比率に応じた値に設定することができる。回転体間のトルク比もそれらの間の変速比に応じた値に設定することができる。磁場を消滅させた場合には磁性流体のせん断応力が略ゼロとなり、回転体間の動力伝達をなくすことができる。従って、一対の動力伝達軸間における動力伝達の有無を切り替える装置のみならず、動力伝達軸間で回転速度及びトルク比を変化させて伝達する装置としても、動力伝達装置を機能させることが可能である。よって、動力伝達に関する設定の自由度を高めることができる。また、一対の回転体の外周面間で半径方向に磁場が作用し、その磁場で磁性流体のせん断応力が増加して動力が伝達される。この場合、回転体のそれぞれの軸線を中心とした回転半径の比率を調整することにより、回転体間の変速比を適宜の値に設定することができる。さらに、複数の伝達部間にて一対の回転体の回転半径の比率が互いに相違しているため、回転体間の変速比及びトルク比が伝達部間で互いに相違する。よって、磁路切替手段にて選択される伝達部を切り替えることにより、一対の動力伝達軸間の変速比を、伝達部と同数の複数段の間で切り替えることができる。

本発明の第２の動力伝達装置は、互いに異なる軸線の回りに回転可能であり、かつ隙間を空けて設けられた磁性材料製の一対の回転体と、前記一対の回転体を取り囲むケースと、前記ケースを貫いて前記一対の回転体のそれぞれと同軸的に接続される一対の動力伝達軸と、前記隙間を埋めるようにして前記ケース内に収容された磁性流体と、磁気を発生する磁気発生手段と、一方の回転体から前記隙間を介して他方の回転体に向かう磁場が生じるように、前記磁気発生手段が発生した磁気の磁路を形成する磁路形成手段と、を備え、前記一対の回転体のそれぞれの軸線が互いに平行であり、かつ、前記一対の回転体が前記隙間を介して軸線方向に対向するように設けられ、前記磁路形成手段には、前記一対の回転体を挟むように前記軸線方向に並べられた一対の磁極が設けられ、前記一対の磁極の位置を前記回転体の半径方向に変化させる位置変更手段をさらに備えていることにより、上述した課題を解決する（請求項２）。

第２の動力伝達装置によれば、一対の回転体間に磁場を生じさせることにより、それらの回転体の隙間にて磁性流体のせん断応力が増加し、回転体間で磁性流体を介した動力の伝達が可能となる。回転体の軸線が互いに異なるため、回転体間の変速比を、回転体のそれぞれの軸線から磁性流体による動力伝達位置までの距離の比率に応じた値に設定することができる。回転体間のトルク比もそれらの間の変速比に応じた値に設定することができる。磁場を消滅させた場合には磁性流体のせん断応力が略ゼロとなり、回転体間の動力伝達をなくすことができる。従って、一対の動力伝達軸間における動力伝達の有無を切り替える装置のみならず、動力伝達軸間で回転速度及びトルク比を変化させて伝達する装置としても、動力伝達装置を機能させることが可能である。よって、動力伝達に関する設定の自由度を高めることができる。また、一対の回転体間の隙間を軸線方向に横切るように磁場が作用し、その磁場で磁性流体のせん断応力が増加して動力が伝達される。この場合、回転体の軸線から磁場の中心までの距離の比率を調整することにより、回転体間の変速比を適宜の値に設定することができる。さらに、位置変更手段にて磁極の位置を半径方向に変化させることにより、一対の回転体の軸線から磁場の中心位置までの距離の比率が変化する。これにより、一対の回転体間における変速比を磁極の位置に応じて変化させることができる。

本発明の第１又は第２の動力伝達装置においては、前記磁場の強さを変化させる磁場調整手段をさらに備えてもよい（請求項３）。磁場の強さを変化させることにより、磁性流体のせん断応力を増減して、回転体間のトルク比を変化させることができる。これにより、変速比の設定に応じて定まるトルク比をさらに柔軟に変化させることが可能となり、動力伝達に関する設定の自由度がさらに高まる。

本発明の第１又は第２の動力伝達装置においては、少なくともいずれか一方の回転体の前記隙間に臨む表面に、当該回転体の周方向に沿って凹凸が付されてもよい（請求項４）。凹凸を付すことにより、磁場によってせん断応力が増加した磁性流体と回転体との間のトルクの伝達効率を高めることができる。

以上に説明したように、本発明の動力伝達装置によれば、一対の磁性材料製の回転体を互いに平行な２本の軸線の回りにそれぞれ回転可能に配置し、それらの回転体を磁路の一部として利用しつつ、一方の回転体から隙間を介して他方の回転体に磁場を作用させて回転体間で動力を伝達しているため、動力伝達の有無だけではなく、回転速度及びトルク比を変化させて動力を伝達する変速装置としても動力伝達装置を機能させることが可能となる。これにより、動力伝達に関する設定の自由度を高めることができる。

［第１の形態］
図１は本発明の第１の形態に係る動力伝達装置を示す断面図である。動力伝達装置１は、回転体としてのドライブローラ２及びドリブンローラ３と、それらのローラ２、３を取り囲むケース４と、ローラ２、３及びケース４を支持する支持機構５とを備えている。ローラ２、３はいずれも円板状であり、それらの直径及び厚さは互いに等しく設定されている。支持機構５は、ベース６と、そのベース６上に固定された一対の支持脚７、８とを備えている。ケース４は支持脚７、８の上面７ａ、８ａに固定されている。支持脚７、８の上面７ａ、８ａには支軸１０、１１が設けられ、それらの支軸１０、１１はケース４の内部に挿入されている。支軸１０の軸線Ｘ１と支軸１１の軸線Ｘ２とは互いに平行である。ドライブローラ２は支軸１０に対して同軸かつ回転可能に嵌め合わされ、ドリブンローラ３は支軸１１に対して同軸かつ回転可能に嵌め合わされている。これにより、ローラ２、３は互いに平行な軸線Ｘ１、Ｘ２の回りに回転可能に支持されている。なお、ローラ２、３はボルト１２及びナット１３によって支軸１０、１１に対して抜け止めされている。

支軸１０、１１に支持された状態において、ローラ２、３の軸線方向（軸線Ｘ１、Ｘ２の方向）の位置は互いに等しい。また、図２にも示したように、ローラ２、３の外周面２ａ、３ａの間には半径方向の隙間１５が設けられている。隙間１５の大きさはローラ２、３間で磁路が形成できる範囲に設定される。ドライブローラ２の上部には入力軸１６がローラ２と一体回転可能に取り付けられ、ドリブンローラ３の上部には出力軸１７がローラ３と一体回転可能に取り付けられている。それらの軸１６、１７はケース４の上方に突出し、動力伝達軸として機能する。入力軸１６は動力を発生する側と接続され、出力軸１７は動力にて駆動される側と接続される。例えば、車両の原動機（内燃機関、電動モータ等）と駆動輪との間に動力伝達装置１を組み込む場合には、原動機の出力軸側と入力軸１６とが連結され、車両の駆動輪側と出力軸１７とが連結される。

ケース４の内部には、隙間１５を埋めるようにして磁性流体１８が収容されている。ローラ２、３と支軸１０、１１との間への磁性流体１８の侵入を防ぐため、ローラ２、３の内周の上下端部にはシールリング１９が取り付けられている。同様に、ケース４と支軸１０、１１との隙間からの磁性流体１８の漏れを防止するため、支持脚７、８とケース４との間には、支軸１０、１１を取り囲むようにシールリング２０が取り付けられている。

ドリブンローラ３側の支持脚８の外周には、磁気発生手段として電磁コイル２１が設けられている。電磁コイル２１は、直流電源２２とスイッチ２３を介して接続されている。ベース６、支持脚７、８、支軸１０、１１及びローラ２、３はいずれも磁性材料にて形成されている。磁性材料としては、保磁力が小さく透磁率が大きい軟磁性材料を用いることが好ましい。例えば鉄、あるいは鉄系合金にてローラ２、３等を形成することができる。なお、磁路２４の意図しない変化を防止するため、ケース４、入力軸１６、及び出力軸１７は非磁性材料にて構成されている。

以上のように構成された動力伝達装置１においては、スイッチ２３を閉じて電磁コイル２１を励磁した場合、図１に破線で示したように、支持脚８、支軸１１、ドリブンローラ３、隙間１５、ドライブローラ２、支軸１０、支持脚７及びベース６を順次経由して支持脚８に戻るように磁路２４が形成される。これにより、図２に矢印ＭＦで示したように、ローラ２、３の間では、ドリブンローラ３から隙間１５を介してドライブローラ２へと向かう半径方向の磁場が生じる。その磁場の影響で、磁性流体１８のせん断応力が増加する。この結果、ドライブローラ２とドリブンローラ３との間での動力伝達が可能となる。よって、図２に示したように、入力軸１６からドライブローラ２に角速度ω１、トルクＴ１の回転を与えると、ドリブンローラ３がドライブローラ２と反対方向に角速度ω２、トルクＴ２で回転する。ドリブンローラ３の回転は出力軸１７から取り出される。

一方、スイッチ２３を開いて電磁コイル２１の励磁を解除した場合には、ローラ２、３の間の磁場が消滅し、ドライブローラ２からドリブンローラ３への動力伝達が不可能となる。従って、ドライブローラ２にトルクを入力しても、ドリブンローラ３へはトルクが伝達されず、ドリブンローラ３は回転しない。このとき、ローラ２、３の間の摩擦抵抗は無視し得るほどに小さく、略ゼロである。よって、動力の非伝達中におけるエネルギー損失は極めて少ない。

本形態の動力伝達装置１では、ドライブローラ２の回転半径Ｒａと、ドリブンローラ３の回転半径Ｒｂとが等しいため、ドライブローラ２の角速度ω１とドリブンローラ３の角速度ω２とは互いに等しい。しかし、これらの回転半径Ｒａ、Ｒｂの比率を変化させることにより、ローラ２、３の間の変速比ω１／ω２を適宜の値に設定することができる。これにより、ドライブローラ２の回転を増速又は減速してドリブンローラ３に伝達することが可能である。例えば、ドライブローラ２の回転半径Ｒａをドリブンローラ３の回転半径Ｒｂよりも大きく設定した場合には、ドライブローラ２に対してドリブンローラ３が増速される。ドライブローラ２の回転半径Ｒａをドリブンローラ３の回転半径Ｒｂよりも小さく設定した場合には、ドライブローラ２に対してドリブンローラ３が減速される。また、ローラ２、３間における滑り損失が無視し得るほど小さければ、ローラ２、３間のトルク比も変速比の逆数に応じて変化する。例えば、ドライブローラ２に対してドリブンローラ３を増速した場合、ドライブローラ２に入力されるトルクＴ１よりもドリブンローラ３から取り出されるトルクＴ２が大きくなる。反対に、ドライブローラ２に対してドリブンローラ３を減速した場合、ドライブローラ２に入力されるトルクＴ１よりもドリブンローラ３から取り出されるトルクＴ２が小さくなる。このように、本形態の動力伝達装置１では、ローラ２、３の回転半径Ｒａ、Ｒｂを適宜に設定することにより、ローラ２、３間の変速比、及びトルク比を任意の値に設定することが可能である。

しかも、本形態の動力伝達装置１によれば、隙間１５を横断する磁場の強さを変化させることにより、ローラ２、３間のトルク比を、それらの回転半径Ｒａ、Ｒｂの比率に従って定まるトルク比からさらに変化させることができる。図３に示したように、磁性流体１８に作用する磁場の強さと磁性流体１８のせん断応力との間には、磁場が強いほどせん断応力も増加する関係が存在する。一方、図４に示したように、磁性流体１８のせん断応力と、ドライブローラ２からドリブンローラ３に伝達されるトルクの大きさとの間には、せん断応力が大きいほどトルクも増加する関係が存在する。従って、ローラ２、３の間で伝達されるトルクの大きさは、それらのローラ２、３の間の隙間１５に作用する磁場の強さによって定まり、磁場を強くするほど、より大きなトルクをドライブローラ２からドリブンローラ３に伝達することができる。磁場の強さは、例えば電源２２の電圧を変更し、電気回路内に可変抵抗を配置してこれを操作し、あるいは電源電圧又は励磁電流に対してパルス幅変調制御を適用することによって変化させることができる。

以上の動力伝達装置１においては、ローラ２、３、ベース６、支持脚７、８、及び支軸１０、１１の組み合わせが磁路形成手段として機能する。但し、磁路形成手段の構成は、ローラ２、３を磁路形成手段の一部として利用しつつ、ローラ２、３の間に、隙間１５を半径方向に横切る磁場を生じさせることができる限りにおいて、適宜に変更可能である。なお、ローラ２、３を磁性材料で構成してこれらを磁路の一部として利用しているので、磁束を隙間１５に効率よく集中させて動力伝達効率を高められる。

［第２の形態］
図５は本発明の第２の形態に係る動力伝達装置３０を示している。動力伝達装置３０は、入力軸３１と出力軸３２との間の変速比を複数段（図示例では３段）に変更可能な変速装置として機能するように構成されている。入力軸３１と出力軸３２とは一対の動力伝達軸として設けられており、それらの軸３１、３２は軸受３３によって互いに平行な軸線Ｘ１、Ｘ２の回りに回転自在に支持されている。入力軸３１は非磁性材料にて構成され、出力軸３２は磁性材料にて構成されている。入力軸３１と出力軸３２との間には、３つの伝達部３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃが設けられている。

第１の伝達部３４Ａには、回転体として、入力軸３１と一体に回転可能な第１のドライブローラ３５Ａと、出力軸３２と一体に回転可能な第１のドリブンローラ３６Ａとが設けられている。ドライブローラ３５Ａとドリブンローラ３６Ａとは軸線方向（図において左右方向）に同一位置に並べられ、それらの外周面間には半径方向の隙間３７Ａが設けられている。第２の伝達部３４Ｂには、回転体として、入力軸３１と一体に回転可能な第２のドライブローラ３５Ｂと、出力軸３２と一体に回転可能な第２のドリブンローラ３６Ｂとが設けられている。ドライブローラ３５Ｂとドリブンローラ３６Ｂとは軸線方向に同一位置に並べられ、それらの外周面間には半径方向の隙間３７Ｂが設けられている。第３の伝達部３４Ｃには、回転体として、入力軸３１と一体に回転可能な第３のドライブローラ３５Ｃと、出力軸３２と一体に回転可能な第３のドリブンローラ３６Ｃとが設けられている。ドライブローラ３５Ｃとドリブンローラ３６Ｃとは軸線方向に同一位置に並べられ、それらの外周面間には半径方向の隙間３７Ｃが設けられている。

ドライブローラ３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃは第１の形態のドライブローラ２と同様に磁性材料製の円板であり、ドリブンローラ３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃは第１の形態のドリブンローラ３と同様に磁性材料製の円板である。但し、ドライブローラ３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃのそれぞれの直径は互いに異なっている。第１のドライブローラ３５Ａの直径が最も小さく、第３のドライブローラ３５Ｃの直径が最も大きく、第２のドライブローラ３５Ｂの直径はそれらの中間である。図中の回転半径Ｒａ１、Ｒａ２、Ｒａ３の関係で示せば、Ｒａ１＜Ｒａ２＜Ｒａ３である。ドリブンローラ３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃのそれぞれの直径は、隙間３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃが互いに略等しくなるように、対応するドライブローラ３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃの直径に応じて差別化されている。回転半径Ｒｂ１、Ｒｂ２、Ｒｂ３の関係は、Ｒｂ１＞Ｒｂ２＞Ｒｂ３である。また、ドライブローラ３５Ａの回転半径Ｒａ１はドリブンローラ３６Ａの回転半径Ｒｂ１よりも小さく、ドライブローラ３５Ｂの回転半径Ｒａ２とドリブンローラ３６Ｂの回転半径Ｒｂ２は略等しく、ドライブローラ３５Ｃの回転半径Ｒａ３はドリブンローラ３６Ｃの回転半径Ｒｂ３よりも大きい。隙間３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃの大きさは、第１の形態におけるローラ２、３間の隙間１５と同様に設定される。

ドライブローラ３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ及びドリブンローラ３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃは共通のケース３８によって取り囲まれている。ケース３８は非磁性材料にて形成されている。ケース３８内には、隙間３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃを埋めるようにして磁性流体３９が収容されている。なお、共通のケース３８に代えて、伝達部３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃのそれぞれで個別にケースを用意し、それらの内部に磁性流体を収容してもよい。ケースを個別に設ける場合には、伝達部３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃのそれぞれに最適な動力伝達特性が得られるように、ケース間で磁性流体の特性を変化させてもよい。

動力伝達装置３０には、さらに磁気発生手段として電磁コイル４０が設けられている。電磁コイル４０はスイッチ４１を介して直流電源４２と接続されている。電磁コイル４０の中心には磁性材料製のコア４３が配置され、そのコア４３の一端は出力軸３２と接続され、他端は磁路切替手段としての磁路切替装置４４と接続されている。磁路切替装置４４は、コア４３を、磁性材料製の磁路構成部材４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃのいずれか一つに対して選択的に接続させる。図５は磁路構成部材４５Ａとコア４３とを接続した状態を示している。磁路構成部材４５Ａは第１の伝達部３４Ａまで延ばされ、その先端部４５ａは第１のドライブローラ３５Ａと略接触する。すなわち、磁路構成部材４５Ａと第１のドライブローラ３５Ａとの間に磁路が形成されるように両者は接触又は近接している。例えば、磁路構成部材４５Ａの先端部４５ａを磁性材料製のブラシ等の接触子として構成し、これを第１のドライブローラ３５Ａと接触させてもよい。あるいは、磁路構成部材４５Ａの先端部４５ａを第１のドライブローラ３５Ａに対して接しない程度にローラ３５Ａの表面に接近させてもよい。磁路構成部材４５Ｂは第２のドライブローラ３５Ｂと略接触し、磁路構成部材４５Ｃは第３のドライブローラ３５Ｃと略接触する。磁路構成部材４５Ｂの先端部４５ｂと第２のドライブローラ３５Ｂとの関係、及び磁路構成部材４５Ｃの先端部４５ｃと第３のドライブローラ３５Ｃとの関係は、磁路構成部材４５Ａの先端部４５ａと第１のドライブローラ３５Ａとの関係と同様でよい。

以上のように構成された動力伝達装置３０においては、スイッチ４１を閉じて電磁コイル４０に励磁電流を供給することにより、入力軸３１に入力されたトルクを、いずれか一つの伝達部３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃを介して出力軸３２へと伝達することができる。動力伝達を担当する伝達部３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃは、磁路切替装置４４によって選択することができる。

磁路構成部材４５Ａがコア４３と接続されるように磁路切替装置４４を操作した場合には、図６に小矢印で示したように、コア４３、磁路構成部材４５Ａ、第１のドライブローラ３５Ａ、隙間３７Ａ、第１のドリブンローラ３６Ａ及び出力軸３２を順次経由してコア４３に戻る磁路が形成される。これにより、第１のドライブローラ３５Ａと第１のドリブンローラ３６Ａとの間では、第１のドライブローラ３５Ａから隙間３７Ａを介して第１のドリブンローラ３６Ａに向かう磁場ＭＦが生じる。従って、隙間３７Ａにて磁性流体３９のせん断応力が増加し、第１の伝達部３４Ａを介した入力軸３１と出力軸３２との間の動力伝達が可能となる。その一方、磁路構成部材４５Ｂ、４５Ｃはコア４３に対して磁気的に切り離されているので、第２の伝達部３４Ｂのドライブローラ３５Ｂと電磁コイル４０との間、第３の伝達部３４Ｃのドライブローラ３５Ｃと電磁コイル４０との間には磁路が形成されず、これらの伝達部３４Ｂ、３４Ｃでは動力が伝達されない。つまり、ドライブローラ３５Ｂ、３５Ｃに対してドリブンローラ３６Ｂ、３６Ｃは自由に相対回転することができ、それらの間の摩擦抵抗は略ゼロとなる。

この結果、図６の状態では、図中に太線矢印で示したように、入力軸３１に与えられたトルクが、第１の伝達部３４Ａのドライブローラ３５Ａからドリブンローラ３６Ａを介して出力軸３２へと伝達される。このとき、入力軸３１の角速度をω１、出力軸３２の角速度をω２とすれば、変速比ω１／ω２は、ドライブローラ３５Ａの回転半径Ｒａ１に対するドリブンローラ３６Ａの回転半径Ｒｂ１の比Ｒｂ１／Ｒａ１（図５参照）に等しい。図示例ではＲａ１よりもＲｂ１が大きいため、変速比ω１／ω２は１よりも大きく、出力軸３２は入力軸３１に対して減速される。入力軸３１に与えたトルクＴ１と出力軸３２のトルクＴ２との比Ｔ１／Ｔ２は変速比ω１／ω２の逆数となるため、図６の状態では入力軸３１のトルクよりも出力軸３２のトルクの方が大きい。但し、そのトルク比は、磁場の強さを変化させてローラ３５Ａ、３６Ａ間の滑り率を増減させることにより、適宜の値に調整することができる。

図７は、磁路切替装置４４によって磁路構成部材４５Ｂをコア４３と接続した場合を示す。このときは、第２の伝達部３４Ｂのドライブローラ３５Ｂ及びドリブンローラ３６Ｂが磁路の構成部材として利用されて、ドライブローラ３５Ｂから隙間３７Ｂを介してドリブンローラ３６Ｂへと向かう磁場ＭＦが生じる。第１の伝達部３４Ａ、第３の伝達部３４Ｃにおいては磁場が生じない。従って、図中に太線矢印で示したように、入力軸３１に与えられたトルクが、第２の伝達部３４Ｂのドライブローラ３５Ｂからドリブンローラ３６Ｂを介して出力軸３２へと伝達される。このとき、入力軸３１と出力軸３２との間の変速比ω１／ω２は、ドライブローラ３５Ｂの回転半径Ｒａ２と、ドリブンローラ３６Ｂの回転半径Ｒｂ２とが略等しいためにほぼ１となる。よって、出力軸３２は入力軸３１に対して略等速で回転する。入力軸３１と出力軸３２との間のトルク比Ｔ１／Ｔ２も略１である。但し、そのトルク比は、磁場の強さを変化させてローラ３５Ｂ、３６Ｂ間の滑り率を増減させることにより、適宜の値に調整することができる。

図８は、磁路切替装置４４によって磁路構成部材４５Ｃをコア４３と接続した場合を示す。このときは、第３の伝達部３４Ｃのドライブローラ３５Ｃ及びドリブンローラ３６Ｃが磁路の構成部材として利用されて、ドライブローラ３５Ｃから隙間３７Ｃを介してドリブンローラ３６Ｃへと向かう磁場ＭＦが生じる。第１の伝達部３４Ａ、第２の伝達部３４Ｂにおいては磁場が生じない。従って、図中に太線矢印で示したように、入力軸３１に与えられたトルクが、第３の伝達部３４Ｃのドライブローラ３５Ｃからドリブンローラ３６Ｃを介して出力軸３２へと伝達される。このとき、ドライブローラ３５Ｃの回転半径Ｒａ３がドリブンローラ３６Ｃの回転半径Ｒｂ３よりも大きいため、入力軸３１と出力軸３２との間の変速比ω１／ω２は１よりも小さい。よって、出力軸３２は入力軸３１に対して増速される。入力軸３１と出力軸３２との間のトルク比Ｔ１／Ｔ２は変速比ω１／ω２の逆数となるため、図８の状態では入力軸３１のトルクよりも出力軸３２のトルクの方が小さい。但し、トルク比は、磁場の強さを変化させてローラ３５Ｃ、３６Ｃ間の滑り率を増減させることにより、適宜の値に調整することができる。

スイッチ４１を開いて電磁コイル４０の励磁を解除した場合、いずれの伝達部３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃにおいても磁場が作用せず、入力軸３１から出力軸３２への動力伝達は不可能となる。つまり、出力軸３２の角速度ω２及びトルクＴ２はいずれもゼロである。

以上のように、本形態によれば、スイッチ４１の開閉操作によって動力伝達の有無を切り替えることができる。しかも、動力伝達時においては、磁路切替装置４４における磁路の切替操作を行うだけで、出力軸３２の出力トルク及び回転速度を３段階に切り替えることができる。各速度段において、磁場の強さを変化させることにより、出力トルクをさらに多段に、あるいは無段階に変化させることができる。この結果、動力の伝達及び変速が可能な動力伝達装置を簡単な構成で実現することができる。

以上の形態では、出力軸３２、コア４３、磁路切替装置４４、磁路構成部材４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、ドライブローラ３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、ドリブンローラ３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃの組み合わせが磁路形成手段として機能する。但し、入力軸３１を磁性材料で構成してコア４３と接続し、出力軸３２は非磁性材料で構成して、磁路構成部材４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃをドリブンローラ３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃと略接触させ、磁路構成部材４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃとコア４３との間に磁路切替装置４４を設けてもよい。磁路構成部材４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃはローラの外周面と略接触するように設けられてもよい。変速段数は３段に限らず、適宜に増減してよい。なお、本形態の動力伝達装置３０は、伝達部３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃのそれぞれにおいて第１の形態と同様の作用効果が得られる。

［第３の形態］
図９〜図１１は本発明の第３の形態に係る動力伝達装置５０を示している。動力伝達装置５０は、回転体としての一対のドライブローラ５１及びドリブンローラ５２と、それらのローラ５１、５２を取り囲むケース５３とを備えている。ドライブローラ５１は入力軸５４と同軸かつ一体に回転可能に接続され、ドリブンローラ５２は出力軸５５と同軸かつ一体に回転可能に接続されている。入力軸５４及び出力軸５５は、不図示の軸受により、互いに平行な軸線Ｘ１、Ｘ２を中心として回転可能に支持されている。図９及び図１０から明らかなようにローラ５１、５２は円板状である。ローラ５１、５２の直径は互いに等しく、かつ軸線方向（図９の上下方向）の厚さも互いに等しい。ローラ５１、５２は、いずれも磁性材料にて形成されている。ローラ５１、５２は、軸線方向に隙間５６を挟んで互いに対向するように配置されている。つまり、ローラ５１、５２は軸線方向から見てそれらの一部が互いに重なり合うように配置され、それらの間に軸線方向の隙間５６が設けられている。ケース５３の内部には、隙間５６を埋めるようにして磁性流体５７が収容されている。隙間５６の大きさは、ローラ５１、５２の間で磁路が形成できる範囲に設定される。

ケース５３の下面側及び上面側には、磁性材料にて形成された一対の磁極５８、５９がローラ５１、５２を挟むように軸線方向に並べて設けられている。それらの磁極５８、５９は、ケース５３の抜き穴５３ａ、５３ｂを介してケース５３内に挿入され、ローラ５１、５２とそれぞれ接するか、又は磁路の形成に支障がない程度に近接している。図９及び図１１に示すように、磁極５８は下アーム６０を介してコア６２と接続され、磁極５９は上アーム６１を介してコア６２と接続されている。アーム６０、６１及びコア６２はいずれも磁性材料にて形成されている。コア６２の外周には、磁気発生手段としての電磁コイル６３が設けられている。電磁コイル６３はスイッチ６４を介して直流電源６５と接続されている。コア６２の下端には軸部６２ａが設けられ、その軸部６２ａは軸受６６によってコア軸線Ｘ３の回りに回転自在に支持されている。軸部６２ａの下端部はアクチュエータ６７と接続されている。アクチュエータ６７は、コア６２を軸線Ｘ３を中心として図１０に示す範囲θの間で回転させる駆動源として設けられている。範囲θは、磁極５８、５９がドリブンローラ５２の最外周の限界位置Ｐａと、ドライブローラ５１の最外周の限界位置Ｐｂとの間にてローラ５１、５２の略半径方向に位置を変更することができるように設定されている。なお、図１０では上側の磁極５９のみ示すが、下側の磁極５８は磁極５９に隠れて見えない。

ケース５３は非磁性材料にて構成される。但し、ローラ５１、５２を迂回して磁路が形成されるおそれがない場合には、ケース５３を磁性材料にて形成してもよい。ケース５３外への磁性流体５７の漏れを防止するため、磁極５８、５９とケース５３との間には弾性材料製のシール６８が設けられている。シール６８には、磁極５８、５９の動きを阻害しないように、例えばラバーブーツ、ベローズといったシール部品を用いるとよい。

以上のように構成された動力伝達装置５０においては、スイッチ６４を閉じて電磁コイル６３を励磁した場合、図１１に破線で示したように、コア６２、下アーム６０、磁極５８、ドリブンローラ５２、隙間５６、ドライブローラ５１、磁極５９及び上アーム６１を順次経由してコア６２に戻るように磁路７０が形成される。これにより、図９及び図１１に矢印ＭＦで示したように、ローラ５１、５２の間では、ドリブンローラ５２から隙間５６を介してドライブローラ５１へと向かう軸線方向の磁場が生じる。その磁場の影響で、磁性流体５７のせん断応力が増加する。この結果、ドライブローラ５１とドリブンローラ５２との間での動力伝達が可能となる。よって、図１０に示したように、入力軸５４からドライブローラ５１にトルクＴ１を与えると、ドリブンローラ５２にトルクＴ２が伝達されて、ドリブンローラ５２がドライブローラ５１と同一方向に駆動され、そのトルクＴ２が出力軸５５から取り出される。

また、本形態の動力伝達装置５０では、アクチュエータ６７によってコア６２を回転させることにより、磁極５８、５９を略半径方向に移動させてローラ５１、５２の間に作用する磁場の位置を変化させることができる。ドライブローラ５１からドリブンローラ５２へのトルク伝達は磁極５８、５９の位置にて行われる。よって、磁場の位置を半径方向に変化させることにより、ドライブローラ５１とドリブンローラ５２との間の回転速度の比を増減させることができる。すなわち、図１０に示したように、ドライブローラ５１の軸線Ｘ１から磁極５８、５９が作用させる磁場の中心（動力伝達位置）までの距離をＲａ、ドリブンローラ５２の軸線Ｘ２から磁場の中心までの距離をＲｂ、ドライブローラ５１の角速度をω１、ドリブンローラ５２の角速度をω２としたとき、ローラ５１、５２間の変速比ω１／ω２はＲｂ／Ｒａにて定まる。

よって、半径Ｒａ、Ｒｂが等しい基準位置（図１０に実線で示す位置）Ｐｒｅｆに磁極５８、５９を配置すれば変速比は１となり、入力軸５４と出力軸５５とは等速で回転する。磁極５８、５９を基準位置Ｐｒｅｆよりもドリブンローラ５２側の限界位置Ｐｂに向かって移動させたときは、変速比ω１／ω２が１よりも小さくなり、入力軸５４に対して出力軸５５が増速される。反対に、磁極５８、５９を基準位置Ｐｒｅｆよりもドライブローラ５１側の限界位置Ｐａに向かって移動させたときは、変速比ω１／ω２が１よりも大きくなり、入力軸５４に対して出力軸５５が減速される。なお、磁場を作用させる位置をＰｂ〜Ｐａ間で変化させたときの変速比ω１／ω２の変化を図１２に示す。

スイッチ６４を開いて電磁コイル６３の励磁を解除した場合には、ローラ５１、５２の間の磁場が消滅し、ドライブローラ５１からドリブンローラ５２への動力伝達が不可能となる。従って、入力軸５４にトルクを入力しても、出力軸５５へはトルクが伝達されず、出力軸５５は回転しない。このとき、ローラ５１、５２の間の摩擦抵抗は無視し得るほどに小さく、略ゼロである。よって、動力の非伝達中におけるエネルギー損失は極めて少ない。

入力軸５４と出力軸５５との間のトルク比Ｔ１／Ｔ２は変速比ω１／ω２の逆数に従って変化する。但し、そのトルク比は、磁場の強さを変化させてローラ５１、５２間の滑り率を変化させることにより、これを増減させることができる。磁場の強さは、例えば電源６５の電圧を変更し、電気回路内に可変抵抗を配置してこれを操作し、あるいは電源電圧又は励磁電流に対してパルス幅変調制御を適用することによって変化させることができる。

以上に説明したように、本形態の動力伝達装置５０においては、一対のローラ５１、５２を横切る磁場の位置を半径方向に変化させるだけで、ローラ５１、５２間の変速比及びトルク比を変化させることができる。よって、動力伝達の有無の切り替え機能及び変速機能の両者を備えた簡素かつ小型な動力伝達装置を提供することができる。

本形態の動力伝達装置５０においては、ローラ５１、５２、磁極５８、５９、アーム６０、６１、及びコア６２の組み合わせが磁路形成手段として機能する。但し、磁路形成手段は、ローラ５１、５２を磁路形成手段の一部として利用しつつ、ローラ５１、５２の間に、隙間５６を軸線方向に横切る磁場を生じさせることができる限りにおいて、適宜に変更可能である。本形態においても、ローラ５１、５２を磁性材料で構成してこれらを磁路の一部として利用しているので、磁束を隙間５６に効率よく集中させて動力伝達効率を高められる。また、本形態の動力伝達装置５０においては、アクチュエータ６７が位置変更手段として機能する。但し、位置変更手段の構成は、磁極５８、５９をローラ５１、５２の半径方向に変化させる限りにおいて適宜に変更可能である。例えば、アーム６０又は６１、あるいはコア６２を軸線Ｘ１、Ｘ２を結ぶ方向に直線的に移動させる機構を設けてもよい。

本発明は上述した第１〜第３の形態に限ることなく、適宜の形態にて実施することができる。例えば、回転体は円板状に限らず、適宜の形状に変更してよい。図１３はドライブローラ２及びドリブンローラ３のそれぞれの外周面２ａ、３ａに多数の突起２ｂ、３ｂを周方向に等間隔に設けた例を示す。また、図１４はドライブローラ２及びドリブンローラ３の外周を正多角形状に形成した例を示す。これらの例に示すように、ドライブローラ２及びドリブンローラ３の外周面、つまり隙間１５に臨む表面に、周方向へ沿って凹凸を付した場合には、隙間１５に磁場を作用させて磁性流体１８のせん断応力を増加させたときに、その磁性流体１８とローラ２、３との間の滑りが減少して動力伝達効率が高まる。第２の形態のドライブローラ３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、及びドリブンローラ３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃについても同様に凹凸を付してよい。

図１５及び図１６は第３の形態のドライブローラ５１及びドリブンローラ５２の軸線方向に重なり合う領域Ａ１、Ａ２、つまり隙間５６に臨む表面に、多数の突起５１ａ、５２ａを周方向に沿って等間隔に設けた例を示す。この場合も、上記と同様に、ローラ５１、５２と磁性流体５７との間の滑りが減少して動力伝達効率が高まる。なお、図１３〜図１６のいずれの例においても、回転体に設けるべき凹凸は図示の形状に限らず、磁性流体と周方向に噛み合う作用を奏する形状である限りにおいて、適宜の変更が可能である。凹凸をいずれか一方の回転体に限って付してもよい。

本発明において、磁気発生手段は電磁コイルに限らず、永久磁石又はヨークでもよい。磁場の方向は図示の例に限らず、ドライブローラ側からドリブンローラ側へと磁場を作用させてもよい。本発明の動力伝達装置は、車両の動力伝達系に限らず、適宜の動力伝達系に組み込むことができる。例えば、遊星ローラ機構の太陽ローラと遊星ローラとの間、又は遊星ローラとリングローラとの間に本発明を適用して、それらのローラ間の動力伝達の有無の切り替え、並びに変速比及びトルク比の変更を行ってもよい。

本発明において、回転体は互いに平行な軸線の回りに回転可能に配置される例に限らない。それらの軸線は同軸でない限り、非平行であってもよい。例えば、円錐状の回転体をそれらの円錐面間に隙間が空くようにして配置し、一方の回転体から隙間を介して他方の回転体に磁場を作用させてもよい。

本発明の第１の形態に係る動力伝達装置の軸線方向断面図。 第１の形態に係る動力伝達装置のローラ間の関係を示す平面図。 磁場と磁性流体のせん断応力との関係を示す図。 磁性流体のせん断応力と回転体間で伝達されるトルクとの関係を示す図。 本発明の第２の形態に係る動力伝達装置のスケルトン図。 第１の伝達部を介して動力が伝達されるときのスケルトン図。 第２の伝達部を介して動力が伝達されるときのスケルトン図。 第３の伝達部を介して動力が伝達されるときのスケルトン図。 本発明の第３の形態に係る動力伝達装置の軸線方向断面図。 第３の形態に係る動力伝達装置のローラ間の関係を示す平面図。 図１０のXI−XI線に沿った断面図。 磁場の位置とローラ間の変速比との関係を示す図。 一対の回転体の外周面に凹凸を付した例を示す図。 一対の回転体の外周面に凹凸を付した他の例を示す図。 一対の回転体の軸線方向における対向面に凹凸を付した例を示す図。 図１５のXVI−XVI線に沿った断面図。

符号の説明

１ 動力伝達装置
２ ドライブローラ（回転体、磁路形成手段）
３ ドリブンローラ（回転体、磁路形成手段）
４ ケース
６ ベース（磁路形成手段）
７、８ 支持脚（磁路形成手段）
１０、１１ 支軸（磁路形成手段）
１５ 半径方向の隙間
１６ 入力軸（動力伝達軸）
１７ 出力軸（動力伝達軸）
１８ 磁性流体
２１ 電磁コイル（磁気発生手段）
２４ 磁路
３０ 動力伝達装置
３１ 入力軸（動力伝達軸）
３２ 出力軸（動力伝達軸）
３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ 伝達部
３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ ドライブローラ（回転体、磁路形成手段）
３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ ドリブンローラ（回転体、磁路形成手段）
３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ 隙間
３８ ケース
３９ 磁性流体
４０ 電磁コイル（磁気発生手段）
４３ コア（磁路形成手段）
４４ 磁路切替装置（磁路形成手段、磁路切替手段）
４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ 磁路構成部材（磁路形成手段）
５０ 動力伝達装置
５１ ドライブローラ（回転体、磁路形成手段）
５２ ドリブンローラ（回転体、磁路形成手段）
５３ ケース
５４ 入力軸（動力伝達軸）
５５ 出力軸（動力伝達軸）
５６ 隙間
５７ 磁性流体
５８、５９ 磁極
６０ 下アーム（磁路形成手段）
６１ 上アーム（磁路形成手段）
６２ コア（磁路形成手段）
６３ 電磁コイル（磁気発生手段）
６７ アクチュエータ（位置変更手段）
７０ 磁路
ＭＦ 磁場
Ｘ１、Ｘ２ 回転体の軸線

Claims (4)

1. 互いに異なる軸線の回りに回転可能であり、かつ隙間を空けて設けられた磁性材料製の一対の回転体と、
   前記一対の回転体を取り囲むケースと、
   前記ケースを貫いて前記一対の回転体のそれぞれと同軸的に接続される一対の動力伝達軸と、
   前記隙間を埋めるようにして前記ケース内に収容された磁性流体と、
   磁気を発生する磁気発生手段と、
   一方の回転体から前記隙間を介して他方の回転体に向かう磁場が生じるように、前記磁気発生手段が発生した磁気の磁路を形成する磁路形成手段と、を備え、
   前記一対の回転体のそれぞれの軸線が互いに平行であり、かつ、前記一対の回転体の外周面の間に前記隙間が設けられ、
   前記一対の動力伝達軸間には複数の伝達部が設けられ、
   前記複数の伝達部のそれぞれに前記一対の回転体が配置され、
   前記複数の伝達部間にて、前記一対の回転体の回転半径の比率が互いに相違し、
   前記磁路形成手段は、前記複数の伝達部からいずれか一つの伝達部を選択して該伝達部の一対の回転体と前記磁気発生手段との間に前記磁路を形成させ、選択されなかった他の伝達部の回転体と前記磁気発生手段との間は磁路が形成されないように切り離す磁路切替手段を備えている、
   ことを特徴とする動力伝達装置。
2. 互いに異なる軸線の回りに回転可能であり、かつ隙間を空けて設けられた磁性材料製の一対の回転体と、
   前記一対の回転体を取り囲むケースと、
   前記ケースを貫いて前記一対の回転体のそれぞれと同軸的に接続される一対の動力伝達軸と、
   前記隙間を埋めるようにして前記ケース内に収容された磁性流体と、
   磁気を発生する磁気発生手段と、
   一方の回転体から前記隙間を介して他方の回転体に向かう磁場が生じるように、前記磁気発生手段が発生した磁気の磁路を形成する磁路形成手段と、を備え、
   
   前記一対の回転体のそれぞれの軸線が互いに平行であり、かつ、前記一対の回転体が前記隙間を介して軸線方向に対向するように設けられ、
   前記磁路形成手段には、前記一対の回転体を挟むように前記軸線方向に並べられた一対の磁極が設けられ、
   前記一対の磁極の位置を前記回転体の半径方向に変化させる位置変更手段をさらに備えている、
   ことを特徴とする動力伝達装置。
3. 前記磁場の強さを変化させる磁場調整手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の動力伝達装置。
4. 少なくともいずれか一方の回転体の前記隙間に臨む表面に、当該回転体の周方向に沿って凹凸が付されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の動力伝達装置。

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