JP4858352B2 - 渦電流減速装置 - Google Patents

Description

本発明は、主ブレーキを補助するために、自動車等の車両に補助ブレーキとして用いられる渦電流減速装置に関し、特に機関の回転軸に連結したディスク状のロータに対して磁界を作用させるタイプの渦電流減速装置に関するものである。

近年、トラックなどの大型車両の補助ブレーキとして用いられる渦電流減速装置には、制動時の磁気効率が優れ、簡易な構造で小型、軽量化が可能であるとともに、長期間にわたる使用にも安定した制動力と耐久性を確保できるものが求められている。

この渦電流減速装置にはいくつかのタイプがあり、機関の回転軸に連結したロータの形状に着目すると、ディスク状のロータを採用するディスク式と、ドラム状のロータを採用するドラム式に大別される。

このうちディスク式は、永久磁石の磁極面をディスク状ロータ（以下、ディスクとも言う。）に対向させて接近させることで、ディスクに制動トルクを発生させる簡易な構造で、小型、軽量化が可能な装置が開発されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−４８９７８号公報

また、このようなディスク式渦電流減速装置において、永久磁石とディスクの間に設けられるポールピースを省いたものも、前記特許文献１で開示されている。

しかしながら、前記特許文献１で開示された渦電流減速装置を長期間使用した場合、渦電流による発熱のため、使用条件によってはディスクが変形して制動力が低下する場合がある。また、ディスクの表面に熱疲労き裂が発生するなどの問題が生じ、耐久性が不足する場合がある。

そのため、制動力の安定性及びディスクにき裂が発生するまでの寿命を確保する１つの手段として、渦電流減速装置のディスクに関して、出願人は特許文献２を提案している。
特開２００３−３３３８２４号公報

この特許文献２で提案した技術は、図７に示すように、ディスク１の、外周面から半径方向に肉厚を貫通するスリット２を複数設けたり、図８に示すように、ディスク１や、ディスク１の永久磁石からの磁束作用部に設置する渦電流板３を、円周方向に複数に分割したものである。

このうち、図７に示す構造は、ディスクの内周側は周方向に繋がっている。この周方向に繋がった内周側部分で、ディスクを高速回転させた際の遠心力による負荷を受け持つことができるので、高速回転時の強度を十分に確保することができる。

しかしながら、制動時におけるディスクの熱膨張をより多く吸収して、ディスクに生じる非弾性ひずみを抑制し、ディスクの耐久性をさらに高めるためには、図８のように、ディスク等を周方向に完全に分割して、磁石と対向する高温部の変形をできるだけ拘束しないほうがよい。

また、後述のように、１枚の板で構成される図７に示すディスクは、単一材質からなるものであるため、制動部に強磁性体と強磁性体以外の材質を組み合わせることは難しい。

さらに、図７に示すディスクは、磁力発生手段と対向する制動部（発熱部）の内周側が繋がっているので、制動部が発熱したときの径が大きくなる方向への変形が強く拘束される。つまり、スリットを設けたことで周方向の熱膨張を吸収することはできるものの、径が大きくなる方向への熱膨張はあまり吸収することができない。

一方、図８（ａ）のように円周方向に完全に分割されたディスクを高回転数で使用される車種に適用した場合、高速回転時の遠心力が負荷されるディスクの固定部に発生する応力が大きくなる。通常、ディスクはボルトによって固定されるので、ディスクに設けたボルト締結用孔の周囲に発生する応力が大きくなる。

そのため、ディスクに強度が低い材質を使用すると、高速回転時の遠心力に耐えることができなくなる。特に、制動時にディスクは発熱するため、高温強度にも優れた材質でなければ、遠心力に対する必要強度を確保できないので、高速回転で使用される車種には適用できなくなる。

また、図８（ｂ）のように、ディスクに渦電流板を配置した構造の場合、渦電流板は周方向に完全に分割されているので、発熱時の熱膨張を多く吸収することができる。しかも、渦電流板を取付けるディスクは周方向に分割されていないので、高速回転時の遠心力による負荷をディスクで受け持つことが可能になる。その結果、熱疲労き裂の発生や長期間にわたって使用した場合の変形の抑制、および、高速回転時の強度確保が可能になる。

しかしながら、渦電流板の熱膨張を許すために、渦電流板はディスクに挟持状に支持されて剛に結合されていないので、渦電流板からディスクへの熱伝達が小さくなる。その結果、渦電流板の温度上昇が早いといった問題が生じる場合がある。

また、以上説明した従来の渦電流減速装置のディスクは、制動力作用部の全面が強磁性体からなる部材で構成されている。しかしながら、このようなディスクを有する渦電流減速装置では、制動時、永久磁石とディスクの間で高い吸引力が作用し、これがディスクと連結した回転軸の軸受に対してスラスト荷重となる。つまり、制動力の観点からは、磁石吸引力は強い方がよいが、吸引力があまりに過大であると、前記軸受部の寿命が短くなるといった問題が生じる。

本発明が解決しようとする問題点は、従来は、制動部材が短時間で温度上昇することを抑制し、さらに、制動時の熱負荷が加えられても、熱疲労き裂の発生や長期間にわたって使用した場合の変形の抑制、および、高速回転時の強度を確保できるロータはなかったという点である。

本発明は、制動と非制動の繰返し熱負荷が与えられた場合に、ロータの発熱時の熱膨張を多く吸収しつつ、熱疲労き裂の発生や長期間にわたって使用した場合の変形を抑制し、かつ高速回転時の強度確保を可能にするために、以下の構成を採用している。

すなわち、本発明の渦電流式減速装置は、
支持部材を介して車両の回転軸に連結されたロータに対し、磁力発生手段を、接離移動可能に構成した渦電流減速装置において、
前記ロータを、前記磁力発生手段に対向配置される制動部材と、この制動部材を前記支持部材に連結する支持板で構成すると共に、
前記制動部材を、円周方向に複数に分割する一方、前記支持板の外周部には、少なくとも制動部材の前記分割数と同数の溝を設け、
前記複数の制動部材の前記支持板への一体的な固定に際し、
前記分割された制動部材同士が隙間を有し、かつこれらの隙間部分が前記溝と一致して開放されるように、固定されていることを最も主要な特徴としている。

本発明の渦電流式減速装置において、前記溝の底部を、円弧または２つの円弧間を直線または曲線で繋いだ形状とすれば、支持板に生じる非弾性ひずみを低減することができる。

また、本発明の渦電流式減速装置において、前記制動部材が、円周方向に同じ長さに分割されている場合は、分割した制動部材の熱膨張量が同一となって、支持板に偏った応力を発生させることがない。

その際、前記溝を、前記制動部材の分割数と同じ数で、円周方向の等間隔位置に設けた場合は、支持板に発生する応力の偏りが最も小さくなって、支持板の強度が十分に確保できる。

また、本発明の渦電流式減速装置において、円周方向に分割した制動部材の材質を異ならせた場合には、必要な制動性能を容易に得ることができる。

本発明によれば、制動時の熱負荷が繰返し加えられても、疲労損傷し難く、耐久性に優れた制動部材を有する渦電流減速装置を得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態例について、図１〜図４を用いて説明する。
図１は本発明の渦電流減速装置の制動状態における断面を、上半分のみ示したものである。

図１において、１１は回転軸１２に取付けられた支持部材で、この支持部材１１にリング状の支持板１３ａと制動部材１３ｂで構成されたディスク状のロータ１３をボルト１４によって一体的に取付け、回転軸１２に連結している。

１５は強磁性材からなる保持リング１６に複数個取付けられた永久磁石であり、隣接する永久磁石１５の極性が互いに逆向きになるように、前記保持リング１６に周設されている。

そして、この保持リング１６にはエアーシリンダ１７のピストンロッド１７ａが連結され、エアーシリンダ１７の作動によって永久磁石１５群が回転軸１２の軸方向に往復移動し、制動部材１３ｂに対して接近あるいは離反できるようになっている。なお、このエアーシリンダ１７は、永久磁石１５群の往復移動に必要な数だけ設けられている。

１８は車体の非回転部分（例えばトランスミッションのリアカバー）に、前記ロータ１３との間に空隙Ｃを設けて固定された案内筒であり、この案内筒１８の内部に前記永久磁石１５群が収納されている。なお、前記空隙Ｃの大きさは、渦電流減速装置の必要性能に応じて適宜決定する。

この案内筒１８は非磁性体または磁性体の単一材質で構成しても良いが、非磁性体で構成して、ロータ１３と対向する面に強磁性体からなるポールピースを円周に配設し、ロータ１３に作用する磁力の減衰を抑制するようにしても良い。

また、図１では、冷却性能を向上させるために制動部材１３ｂの外周側にフィン１３ｂａを設けたものを示しているが、制動部材の内周側や永久磁石と対向していない側の面にフィンを設けても良い。さらに、ロータの冷却性能を向上させるために、支持板にフィンを設けても良い。

このような構成の渦電流減速装置では、図１のように、永久磁石１５がロータ１３に近付いた状態が制動状態である。
この制動時には永久磁石１５が発する磁場内をロータ１３が回転するため、永久磁石１５と対向する制動部材１３ｂの表面近傍に渦電流が発生する。それと同時に、発生した渦電流と磁場の相互作用で、ロータ１３の回転方向と反対方向に制動力が発生する。

一方、図１の白抜き矢印の方向に永久磁石１５を移動させて、永久磁石１５がロータ１３から離れた状態が非制動状態で、ロータ１３に作用する磁力が減少する。そして、永久磁石１５をロータ１３から最も後退させた状態では、磁力がロータ１３にほとんど作用せず、制動力はほぼゼロになる。

ところで、前記制動時に生じる渦電流によって、制動部材１３ｂは発熱する一方、非制動時には渦電流が発生しないので、制動部材１３ｂは発熱しない。従って、制動状態と非制動状態を繰り返すと、制動部材１３ｂは発熱と冷却を繰返し、熱サイクルが負荷される。

この際、制動部材１３ｂがより高い温度になるまで使用したり、短時間で制動部材１３ｂが加熱される等の熱負荷が厳しい条件で使用すると、熱サイクルによって制動部材１３ｂに熱疲労き裂が発生する場合がある。

これは、温度上昇とともに大きくなる制動部材１３ｂの熱膨張が、制動部材１３ｂの支持部分に拘束されること、および、制動部材１３ｂ内の温度差によって高温部の熱膨張が低温部によって拘束されることにより、制動部材１３ｂの表面（高温部）に発生する非弾性ひずみが、制動と非制動の繰返しに伴って繰返し負荷されるからである。

この制動部材１３ｂに発生する非弾性ひずみを低減するために、本発明では、図２〜図４に示すように、発生する非弾性ひずみの抑制を目的に、制動部材１３ｂを周方向に例えば８等分し、各制動部材１３ｂ間に隙間ｃを設けて配置している。

このように隙間ｃを設けて制動部材１３ｂを配置すれば、制動時の発熱によって制動部材１３ｂが熱膨張しても、分割していない場合に比べて自由に変形できるので、熱膨張時の制動部材１３ｂの変形に対する拘束力が低下し、制動部材１３ｂに発生する非弾性ひずみを抑制できる。

非弾性ひずみの発生が抑制されると、制動と非制動の繰返しに伴う温度変動時に負荷される非弾性ひずみ範囲（非弾性ひずみの変動幅）が小さくなって、熱疲労き裂が発生するまでの寿命が長くなる。また、永久変形が抑制されることになるため、長期間使用した場合でも、制動力の経年変化を抑制することができる。

また、制動部材１３ｂを複数に分割することで、複数の材質からなる制動部材１３ｂを設けたロータ１３にすることが可能になる。
例えば強磁性体（鋼）からなる制動部材１３ｂと非磁性材（銅合金やアルミ合金など）からなる制動部材１３ｂを交互に半数ずつ配置すれば、強磁性体の制動部材１３ｂを配したロータ１３と、非磁性材の制動部材１３ｂを配したロータ１３の中間の特性を持つロータ１３が得られ、支持部材１１を介して連結した回転軸１２の軸受へのスラスト荷重を低減することができる。また、強磁性体と非磁性体の個数を調整すれば、任意の特性をもつロータ１３を形成することができる。

この分割された個々の制動部材１３ｂは単一材質で構成されている必要はなく、強磁性体と非磁性体を組み合わせたものでもよい。例えば強磁性体と非磁性体をろう付や拡散接合などの熱間で接合した制動部材１３ｂとすれば、制動部材１３ｂが分割されているほうが、接合処理を実施する炉内に隙間無く密に制動部材１３ｂを投入できるので、接合効率が向上する。

また、本発明では、分割した複数の制動部材１３ｂを、円周方向に連続した、例えばリング状（分割されていない形状）の支持板１３ａと、例えば溶接によって固定する。この際、固定方法は溶接に限らず任意であり、接合部の幅は、接合強度および熱伝導性を考慮し設定する。また、支持板１３ａは１枚の板で構成したものでも、また複数の部材を結合して円周方向に連続した形状としたものでもよい。

このように円周方向に連続した支持板１３ａでは、ロータ１３の回転時に遠心力が負荷された場合に、その連続部分で遠心力による負荷を受け持つことが可能になって、支持部材１１との固定部分に負荷される応力が小さくなる。そのため、ロータ１３を高速回転させた際に、制動部材１３ｂおよび支持板１３ａに生じる遠心力に耐えることができる。

仮に円周方向に分割された支持板１３ａの場合は、円周方向に連続した部分で遠心力による負荷を負担できなくなるので、制動部材１３ｂと支持板１３ａに生じる遠心力がすべて支持部材１１との固定部に負荷されて非常に大きな負荷がかかり、高速回転させた場合には遠心力に耐えることができなくなる。

しかしながら、複数に分割した制動部材１３ｂを１枚の連続した支持板１３ａで支持した場合、制動時に制動部材１３ｂが高温になって熱膨張すると、支持板１３ａの、隣接する両制動部材１３ｂの間の部分には、両側に位置する制動部材１３ｂが共に膨張して張り出してくることによる圧縮ひずみが加わる。

この圧縮ひずみは制動部材１３ｂの温度が高くなるほど大きくなるので、負荷が厳しい使用条件で長期間使用すると、制動と非制動の繰返しに伴う温度変動で、支持板１３ａに熱疲労き裂が発生しやすくなる。

そこで、本発明は、前記支持板１３ａの、隣接する制動部材１３ｂと制動部材１３ｂの間に位置する箇所に、例えば図２や図４のように、底が半径Ｒの半円形状の溝１３ａａを設けている。このような溝１３ａａを設けることで、制動時、制動部材１３ｂが熱膨張した場合に、支持板１３ａに生じる応力、圧縮ひずみを低減することが可能になる。

しかしながら、図２や図４のような底が半径Ｒの半円形状の溝１３ａａの場合、溝１３ａａの底（円弧の中央）の１点に応力とひずみが集中する。従って、溝１３ａａの底の１点に応力とひずみが集中することを避けたい場合は、例えば図３のように、底が半径Ｒ１とＲ２の２つの円弧の間に直線またはＲ１，Ｒ２より大きい半径の曲線部分Ｓを設けた形状の溝１３ａａにすればよい。このような形状の溝１３ａａの場合は、応力とひずみの集中する位置が円弧の端部（溝の底に設けた直線または曲線の両端部）の２点になるので、１点に集中する場合より発生する応力とひずみを低減することができる。

ところで、前記溝１３ａａの幅Ｗは、図２や図３のように、開口面から底まで同一の幅Ｗとしたものでも、図４のように、底部付近の幅Ｗ２がその他の部分の幅Ｗ１より広くしたものでも良い。

以上説明した本発明の渦電流式減速装置のロータ１３を、先に示した図７のディスク１と比較する。
図７のディスク１は制動時に永久磁石４と対向する部位が発熱すると、その部位の熱膨張による半径方向の変形は、その発熱部より内周側の部分で拘束される程度が大きい。また、発熱部とディスク１の固定部が回転軸の軸方向にずれていないので、放射状に熱膨張時の変形は生じる（図５（ａ）参照）。

これに対して、図２〜図４に示したロータ１３では、発熱部とロータ１３の固定部が回転軸の軸方向にずれているので、熱膨張時の変形に永久磁石１５から離れる方向への回転成分が生じる（図５（ｂ）参照）。その変形を支持板１３ａの弾性変形で吸収することで、半径方向への熱膨張に対する拘束力が減り、制動部材１３ｂに非弾性ひずみが生じ難くなる。

ところで、支持板１３ａの、隣接する両制動部材１３ｂ間の位置に生じる応力とひずみは、図６に示すように、その位置の両側の制動部材１３ｂが熱膨張することによる圧縮によって発生する。

しかしながら、本発明では、支持板１３ａの、隣接する両制動部材１３ｂ間に位置する部分に溝１３ａａを設けているので、制動時、制動部材１３ｂが熱膨張した際に支持板１３ａに生じる応力と圧縮ひずみを低減することができる。

つまり、溝１３ａａを設けていない構造では、使用温度が高い場合には、制動部材１３ｂの熱膨張が大きくなるので、支持板１３ａの、隣接する両制動部材１３ｂ間に非弾性ひずみが発生し、制動と非制動の繰返しに伴う非弾性ひずみの繰返し負荷で疲労き裂が発生する場合が生じる。

しかしながら、溝１３ａａを設けることで制動部材１３ｂの熱膨張による変形を支持板１３ａの弾性変形で吸収できる量が多くなるので、支持板１３ａに非弾性ひずみが生じ難くなる。

さらに、溝１３ａａの形状を適正化することで、吸収できる制動部材１３ｂの変形量を大きくしたり、支持板１３ａに生じる非弾性ひずみを低減することが可能になる。具体的には、溝１３ａａの底に図２や図４のように円弧を設け、その曲率半径を適度に大きく取ることにより、応力とひずみの集中を緩和できる。また、図３のように溝１３ａａの底に２つの円弧を繋ぐ直線または曲線部Ｓを設けることにより、応力とひずみが集中する位置を複数に分散できる。

本発明は上記の例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば、その態様の変形は任意である。

例えば図４の例において、溝１３ａａの底の１点に応力とひずみが集中するのを防止するため、図３の例と同様に、溝１３ａａの底の２つの円弧Ｒ１，Ｒ２を直線または曲線部Ｓで繋いで、応力とひずみの集中箇所を複数に分散しても良い。

また、本発明に使用する磁力発生手段としては、永久磁石に限らず、電磁石でもよい。
また、本発明に使用するアクチュエータとしては、エアーシリンダに限らず、電動モータとボールねじを組み合わせたもの、電動モータとラック・ピニオンを組み合わせたもの、電磁ソレノイド、リニアモータ等を使用してもよい。

本発明の渦電流減速装置の制動状態における断面を、上半分のみ示した図である。 本発明の渦電流減速装置のロータの第１の例を、支持板が取付けられた側からみた正面図で、（ａ）は全体図、（ｂ）は支持板の溝部の拡大図である。 本発明の渦電流減速装置のロータの第２の例を示した図２と同様の図である。 本発明の渦電流減速装置のロータの第３の例を示した図２と同様の図である。 制動時におけるロータ（ディスク）の熱膨張による変形について説明する図で、（ａ）は図７に示したディスク、（ｂ）は図２〜図４に示したロータである。 支持板の、隣接する両制動部材間の位置に生じる応力とひずみについて説明した図である。 （ａ）（ｂ）は特許文献２で提案した、外周面から半径方向に肉厚を貫通するスリットを複数設けたディスクの平面形状を示す図である。 特許文献２で提案したディスクの平面形状を示す図で、（ａ）はディスクを円周方向に複数に分割したもの、（ｂ）はディスクの永久磁石からの磁束作用部に設置する渦電流板を、円周方向に複数に分割したものである。

符号の説明

１１ 支持部材
１２ 回転軸
１３ ロータ
１３ａ 支持板
１３ａａ 溝
１３ｂ 制動部材
１５ 永久磁石
１７ エアーシリンダ

Claims (6)

1. 支持部材を介して車両の回転軸に連結されたロータに対し、磁力発生手段を、接離移動可能に構成した渦電流減速装置において、
   前記ロータを、前記磁力発生手段に対向配置される制動部材と、この制動部材を前記支持部材に連結する支持板で構成すると共に、
   前記制動部材を、円周方向に複数に分割する一方、前記支持板の外周部には、少なくとも制動部材の前記分割数と同数の溝を設け、
   前記複数の制動部材の前記支持板への一体的な固定に際し、
   前記分割された制動部材同士が隙間を有し、かつこれらの隙間部分が前記溝と一致して開放されるように、固定されていることを特徴とする渦電流減速装置。
2. 前記溝の底部が、円弧または２つの円弧間を直線または曲線で繋いだ形状であることを特徴とする請求項１に記載の渦電流減速装置。
3. 前記溝の底部付近がその他の部分より幅広になっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の渦電流減速装置。
4. 前記制動部材は、円周方向に同じ長さに分割されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の渦電流減速装置。
5. 前記溝は、前記制動部材の分割数と同じ数で、円周方向の等間隔位置に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の渦電流減速装置。
6. 前記円周方向に分割された制動部材は、全てが同一の材質でないことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の渦電流減速装置。

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