JP5007557B2

JP5007557B2 - 一方向クラッチ

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Publication number: JP5007557B2
Application number: JP2006323764A
Authority: JP
Inventors: 伸志山根; 敏幸前田; 憲和合田
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2006-06-28
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: EP1873415B1; JP2008032210A; US20080011572A1; EP1873415A2; EP1873415A3

Description

この発明は、モリブデンを含む潤滑油の環境下で用いられる一方向クラッチに関する。

従来、一方向クラッチとして知られているものに、内輪と、外輪と、これら内外輪間に複数配設されたスプラグと、これらスプラグを周方向に所定間隔で保持している保持器とを備えたものがある。この一方向クラッチは、外輪と内輪とが相対的に一方向に回転することによりスプラグが内外輪間に噛み合って動力が伝達され、外輪と内輪とが相対的に他方向に回転した場合は、スプラグの噛み合いが解除され、内外輪間で空転して動力伝達が遮断される。
このような一方向クラッチにおいて、従来では、スプラグに例えば軸受鋼であるＳＵＪ２が使用されている（例えば、特許文献１参照）。

実開平６−４７７４０号公報

従来の一方向クラッチを例えばエンジンオイルの環境下で使用した場合、エンジンオイルには摩擦調整剤として有機モリブデンが含まれているため、この有機モリブデンの影響により、ＳＵＪ２からなるスプラグと内外輪間において摩擦係数が極めて小さくなることが確認されている。これは、生成された二硫化モリブデンがスプラグの表面に付きやすくなり、摩擦係数を低下させているものと考えられる。このために、スプラグと内外輪間で滑りが生じ、スプラグによる噛合性が低下し、寿命が短くなるおそれがある。

そこでこの発明は、モリブデンを含む潤滑油の環境下で用いられても、スプラグと内外輪間における噛合性の低下を抑えることができる一方向クラッチを提供することを目的とする。

前記目的を達成するためのこの発明の一方向クラッチは、鋼製の内輪と、鋼製の外輪と、これら内外輪間に複数配設された鋼製のスプラグと、これらスプラグを周方向に所定間隔で保持している保持器とを備え、モリブデンを含む潤滑油の環境下で用いられる一方向クラッチにおいて、前記スプラグの素材である鋼のクロム含有量を、１．２重量％以下として、前記潤滑油に含まれるモリブデンに基づいて生成される二硫化モリブデンを前記スプラグの表面に付きにくくし、前記スプラグと前記内外輪間の摩擦係数の低下を抑えることを特徴としている。
これによれば、生成される二硫化モリブデンがスプラグの表面に付きにくくなり、スプラグと内外輪間の摩擦係数の低下を抑え、スプラグと内外輪間における噛合性の低下を抑えることができる。

また、前記一方向クラッチにおいて、前記スプラグの素材である鋼のクロム含有量が、０．３０重量％以下であり、かつ、前記内輪及び外輪に対する前記スプラグの接触面の硬さがＨＲＣ５０以上でかつ６２．５以下であるのが好ましい。
これによれば、生成される二硫化モリブデンがスプラグの表面にさらに付きにくくなり、スプラグと内外輪間の摩擦係数の低下を抑え、スプラグと内外輪間における噛合性の低下を、より一層効果的に抑えることができる。さらに、スプラグの接触面の硬さがＨＲＣ５０以上であるので、スプラグと内外輪間に生じる高い面圧によって一方向クラッチの寿命が低下することを抑制することができ、また、硬さをＨＲＣ６２．５以下とすることにより、実用上充分な硬さとすることができる。

また、前記一方向クラッチの前記スプラグは機械構造用炭素鋼又は炭素工具鋼からなるのが好ましい。
これによれば、スプラグと内外輪間の摩擦係数の低下を抑えるために、スプラグの素材である鋼のクロム含有量に関して、及び、スプラグの接触面の硬さに関して、好ましいものとできる。

さらに、前記一方向クラッチにおいて、前記内輪及び前記外輪の素材である鋼のクロム含有量が、０．３０重量％以下であり、かつ、前記スプラグに対する前記内輪の接触面及び外輪の接触面の硬さがＨＲＣ５０以上でかつ６２．５以下であるのが好ましい。
これによれば、生成される二硫化モリブデンが内輪及び外輪の表面に付きにくくなり、スプラグと内外輪間の摩擦係数の低下を抑え、スプラグと内外輪間における噛合性の低下を、より一層効果的に抑えることができる。さらに、内輪の接触面及び外輪の接触面の硬さがＨＲＣ５０以上であるので、スプラグと内外輪間に生じる高い面圧によって一方向クラッチの寿命が低下することを抑制することができ、また、硬さをＨＲＣ６２．５以下とすることにより、実用上充分な硬さとすることができる。

また、前記一方向クラッチの前記内輪及び前記外輪は機械構造用炭素鋼又は炭素工具鋼からなるのが好ましい。
これによれば、スプラグと内外輪間の摩擦係数の低下を抑えるために、内輪及び外輪の素材である鋼のクロム含有量に関して、並びに、内輪の接触面及び外輪の接触面の硬さに関して、好ましいものとできる。

また、モリブデンを含む潤滑油の環境下で用いられ、スプラグの素材である鋼のクロム含有量が、１．２重量％以下である前記一方向クラッチにおいて、前記内輪及び前記外輪の素材である鋼のクロム含有量が、１．２重量％以下であるのが好ましい。
これによれば、内輪の外周面及び外輪の内周面においても二硫化モリブデンが付きにくくなり、スプラグと内外輪間の摩擦係数の低下を抑え、スプラグと内外輪間における噛合性の低下をより効果的に抑えることができる。

また、前記一方向クラッチにおいて、前記スプラグと、前記内輪及び外輪との間のそれぞれの接触面の硬さがＨｖ７００以上であるのが好ましい。
スプラグと内外輪間には高い面圧が生じるが、これによれば、一方向クラッチの寿命を延ばすことができる。

この発明によれば、生成される二硫化モリブデンがスプラグの表面に付きにくくなり、スプラグと内外輪間の摩擦係数の低下を抑え、スプラグと内外輪間における噛合性の低下を抑えることができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１はこの発明の一方向クラッチの実施の一形態を示している側面図であり、図２はこの一方向クラッチの要部を示している図である。この一方向クラッチは、鋼製の内輪１と、鋼製の外輪２と、これら内外輪１，２間において周方向に複数配設された鋼製のスプラグ３と、これらスプラグ３を周方向に所定間隔で保持している外保持器５及び内保持器６と、スプラグ３を内輪１と外輪２とに対して噛み合い方向に付勢するスプリング４とを備えている。そして、内輪１が外輪２に対して一方向（矢印Ｐ方向）に回転することによりスプラグ３が内外輪１，２間に噛み合って動力が伝達され、内輪１が外輪２に対して他方向に回転した場合は、スプラグ３の噛み合いが解除されて動力伝達が遮断される。

外保持器５は円環状とされており外輪２に固定されている。この外保持器５には周方向に複数のポケット（孔部）１１が所定間隔で複数形成されており（図２参照）、これらポケット１１のそれぞれに各スプラグ３がその径方向外側部において保持されている。
この外保持器５の径方向内方に円環状の内保持器６が設けられている。この内保持器６には周方向に複数のポケット（孔部）１２が所定間隔で複数形成されており、これらポケット１２のそれぞれに各スプラグ３がその径方向内側部において保持されている。これにより、内輪１が矢印Ｐ方向と反対方向に回転すると、外保持器５、スプラグ３、及び、内保持器６は外輪２に保持された状態となることができ、内輪１は外輪２に対して空転することとなる。

図２において、外保持器５のポケット１１と内保持器６のポケット１２とは位相を相異させてスプラグ３を傾斜させた姿勢としている。スプラグ３と内輪１との接点Ａと、スプラグ３と外輪２との接点Ｂとを結ぶ直線をＬ０とすると、この直線Ｌ０と、接点Ａにおける法線Ｌ１とは、所定の大きさのストラト角αを有しており、また、前記直線Ｌ０と、接点Ｂにおける法線Ｌ２とは、所定の大きさのストラト角βを有している。

図３はスプラグ３と内輪１との接触部を示しており、噛合条件を説明する図である。スプラグ３と内輪１とが噛み合って滑りが生じないための条件は、図３において、スプラグ３と内輪１との間の摩擦力Ｆ１が、噛合い時に接点Ａに生じる接線方向の回転力Ｆ２よりも大きいことが必要である（Ｆ１＞Ｆ２）。つまり、スプラグ３と内輪１との噛合い時に接点Ａに生じる法線Ｌ１方向の力をＮとし、この接点Ａにおける摩擦係数をμとすると、スプラグ３と内輪１とが噛み合って滑りが生じないためには、μＮ＞Ｎｔａｎαを満たす必要がある。

すなわち、この式より滑りが生じないためには、μ＞ｔａｎαを満たすことが必要となる。ここでストラト角αは一定であることからｔａｎαの値は一定であるが、摩擦係数μが小さくなると前記噛合いの条件式が満たされなくなり、スプラグ３と内輪１との間に滑りが生じ噛合性が低下する。また、スプラグ３と外輪２との間（接点Ｂ）においても、スプラグ３と外輪２とが噛み合って滑りが生じないための条件は内輪１側（接点Ａ）と同様であり、μ＞ｔａｎβを満たすことが必要となる。したがって、スプラグ３と内外輪１，２間における噛合性を確保するためには、摩擦係数μが小さくなることを防ぐ必要がある。

特に、一方向クラッチを、モリブデン（有機モリブデン）を含む潤滑油の環境下で用いた場合、具体的にはエンジンオイルの環境下で用いた場合、エンジンオイルには摩擦調整剤として有機モリブデンが含まれているため、この有機モリブデンの影響により、スプラグ３と内外輪１，２間において摩擦係数μが小さくなることが確認されている。

そこで、この発明では、スプラグ３の素材である鋼のクロム含有量を、１．２重量％以下としている。具体的な材質としては、クロム鋼（ＳＣｒ）、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）、ニッケルクロムモリブデン鋼（ＳＮＣＭ）に代表される浸炭鋼、炭素工具鋼（ＳＫ）、機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃなど）のいずれかとするのが好ましい。
特に、スプラグ３において、素材である鋼のクロム含有量を０．３０重量％以下とするのが好ましい。

さらに、内輪１及び外輪２の素材である鋼のクロム含有量についても、１．２重量％以下とするのがさらに好ましく、具体的な材質はスプラグ３と同様である
また、内輪１及び外輪２においても、素材である鋼のクロム含有量を０．３０重量％以下とするのが好ましい。

このように、スプラグ３においてクロム含有量を、ゼロ乃至１．２重量％以下とすることで、モリブデンを含む潤滑油の環境下で一方向クラッチを用いた場合であっても、生成される二硫化モリブデンがスプラグ３の表面に付きにくくなり、スプラグ３と内外輪１，２間の摩擦係数μの低下を抑え、スプラグ３と内外輪１，２間における噛合性の低下を抑えることができる。
さらに、スプラグ３の素材である鋼のクロム含有量を、０．３０重量％以下とすることで、生成される二硫化モリブデンがスプラグ３の表面にさらに付きにくくなり、スプラグ３と内外輪１，２間における噛合性の低下をより一層効果的に抑えることができる。

また、内輪１及び外輪２においてクロム含有量を、ゼロ乃至１．２重量％以下とすることで、内輪１の外周面及び外輪２の内周面においても、生成される二硫化モリブデンが付きにくくなり、スプラグ３と内外輪１，２間の摩擦係数μの低下を抑え、噛合性の低下をより効果的に抑えることができる。
さらに、内輪１及び外輪２の素材である鋼のクロム含有量を、０．３０重量％以下とすることで、生成される二硫化モリブデンが内輪１及び外輪２の表面にさらに付きにくくなり、スプラグ３と内外輪１，２間における噛合性の低下をより一層効果的に抑えることができる。

さらに、スプラグ３において、素材である鋼のクロム含有量を０．３０重量％以下とし、かつ、内輪１及び外輪２に対するスプラグ３の接触面の硬さがＨＲＣ５０以上でかつ６２．５以下であるのが好ましい。また、内輪１及び外輪２において、素材である鋼のクロム含有量を０．３０重量％以下とし、かつ、スプラグ３に対する内輪１の接触面及び外輪２の接触面の硬さがＨＲＣ５０以上でかつ６２．５以下であるのが好ましい。
これによれば、スプラグ３と内外輪１，２間には噛合の際に高い面圧が生じるが、スプラグ３の接触面、並びに内輪１の接触面及び外輪２の接触面の硬さをＨＲＣ５０以上に設定することより、一方向クラッチの寿命が低下することを抑制することができる。また、硬さをＨＲＣ６２．５以下に設定することにより、二硫化モリブデンがスプラグ３及び内外輪１，２の接触面に付いても剥がれやすくなり、スプラグ３と内外輪１，２間の摩擦係数の低下をさらに効果的に抑えることができる。これは、二硫化モリブデンがスプラグ３及び内外輪１，２の接触面に付いても、硬さをＨＲＣ６２．５以下に設定することにより、接触面のそれぞれにおいて実用上問題のない範囲で摩耗がし易くなるので、この摩耗に伴って二硫化モリブデンが剥がれやすくなるからであると推測される。

そして、スプラグ３において、クロム含有量が０．３０重量％以下であり、接触面の硬さをＨＲＣ５０以上でかつ６２．５以下とするのに適した素材としては、炭素鋼、すなわち機械構造用炭素鋼又は炭素工具鋼である。また、内輪１及び外輪２において、クロム含有量が０．３０重量％以下であり、接触面の硬さをＨＲＣ５０以上でかつ６２．５以下とするのに適した素材としては、スプラグ３と同様に、機械構造用炭素鋼又は炭素工具鋼である。さらに、機械構造用炭素鋼又は炭素工具鋼の場合において、炭素含有量は０．４５％以上であり１．６％以下であるのが好ましい。
そして、機械構造用炭素鋼のうち好ましい具体例としてはＳ４５Ｃ、Ｓ５０Ｃ、Ｓ５５Ｃであり、この場合、クロム含有量は０．２０重量％以下である。さらに、炭素工具鋼のうち好ましい具体例としては、例えばＳＫ５である。

さらに、スプラグ３と内外輪１，２間には噛合の際に高い面圧が生じるが、スプラグ３と内輪１との間の接触面の硬さ、及び、スプラグ３と外輪２と間の接触面の硬さを、硬化熱処理を施すことによりＨｖ７００以上としている。これにより、高い面圧が生じても一方向クラッチの寿命を延ばすことができる。具体的には、スプラグ３について、内外輪１，２と間の接触面の硬さをＨｖ７００以上とすればよく、内輪１についてはその外周面、外輪２についてはその内周面の硬さをＨｖ７００以上とすればよい。
すなわち、本発明の一方向クラッチとして、スプラグ３と内輪１との間の接触面の硬さ、スプラグ３と外輪２と間の接触面の硬さについて、ＨＲＣ５０以上でかつ６２．５以下として説明したが、この下限値については特にＨｖ７００（≒ＨＲＣ６０）以上とするのが好ましい。
また、本発明の一方向クラッチとして、スプラグ３の素材である鋼のクロム含有量を、１．２重量％以下とし、スプラグ３と、内輪１及び外輪２との間のそれぞれの接触面の硬さをＨｖ７００以上とすることができる。さらに、この一方向クラッチにおいて、内輪１及び外輪２の素材である鋼のクロム含有量が、１．２重量％以下であるのが好ましい。

図４と図５は、前記のような一方向クラッチにおいて、スプラグ３に相当する第１摩擦係数測定治具（図示せず）と、内外輪１，２に相当する第２摩擦係数測定治具（図示せず）との摩擦係数と、各素材である鋼中のクロム含有量との関係を示しているグラフである。図４は第１摩擦係数測定治具の鋼中のクロム含有量を変化させたものであり、図５は第１摩擦係数測定治具及び第２摩擦係数測定治具の双方の鋼中のクロム含有量を変化させたものである。また、図中のμはモリブデンを含む潤滑油の環境下で測定した摩擦係数であり、μ０はモリブデンを含まない潤滑油の環境下で測定した摩擦係数である。

図４において、スプラグ３（第１摩擦係数測定治具）について、従来のスプラグ材質（鋼のクロム含有量が１．３〜１．６重量％）では、比μ／μ０が極めて小さいが（１．３重量％の場合の比が０．２）、この発明のスプラグ３のようにクロム含有量を減少させると（１．２重量％以下であると）、比μ／μ０は大きくなる（比が０．４以上となる）。
さらに、図５において、スプラグ３（第１摩擦係数測定治具）と内外輪１，２（第２摩擦係数測定治具）の双方について、クロム含有量を減少させると（１．２重量％以下であると）、比μ／μ０はさらに大きくなり（比が０．６以上となり）、相互間の摩擦係数をより一層大きくさせる効果が得られる。
すなわち、スプラグ３の素材である鋼のクロム含有量を１．２重量％以下とした場合、さらに、内外輪１，２の素材である鋼のクロム含有量を１．２重量％以下とした場合では、従来よりも噛合性能を向上させることができ、噛合寿命を長くできる。これにより、この発明によれば品質及び信頼性の高い一方向クラッチが得られる。

また、噛合寿命性能については一方向クラッチの型（体格）が大きいほど、高くなる。これにより、この発明によれば噛合寿命性能を高めることができることから、必要とされる噛合寿命性能（仕様）を満足させる一方向クラッチを、従来の一方向クラッチで必要とされていたものよりも小さくすることができる。これにより、一方向クラッチ、及びこれを備えた装置の製造コストの低減が可能となり、軽量化も図ることができる。

また、図４において、スプラグ３（第１摩擦係数測定治具）についてクロム含有量を０．３重量％以下とすると、前記比μ／μ０は大きくなる（比が０．５となる）。さらに、図５において、スプラグ３（第１摩擦係数測定治具）と内外輪１，２（第２摩擦係数測定治具）の双方についてクロム含有量を０．３重量％以下とすると、前記比μ／μ０はさらに大きくなり（比が０．６７以上となり）、相互間の摩擦係数をさらに大きくさせる効果が得られる。

図６は、本発明の一方向クラッチ（実施例）と従来の一方向クラッチとの摩擦耐久試験を行った結果を示している。実施例ではスプラグ３及び内外輪１，２の素材が機械構造用炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）であり、従来例ではスプラグ３及び内外輪１，２の素材が軸受鋼（ＳＵＪ２）である。そして、実施例と従来例とのそれぞれについて、スプラグ３及び内外輪１，２の接触面の硬さをＨＲＣ４５から６５まで段階的に変化させたものを用い、モリブデンを含む潤滑油の環境下で試験を行い、結果が良好なものを○又は◎と評価し、特に計算寿命と同等又はそれ以上のものを◎としている。

図６において、実施例（機械構造用炭素鋼：Ｓ５５Ｃ）のうち硬さがＨＲＣ５０〜６２．５であるものについては、計算寿命と同等又はそれ以上であり、特に好ましい結果が得られた。
従来例（軸受鋼：ＳＵＪ２）においては、クロム含有量が１．３〜１．６重量％であるので、モリブデンを含む潤滑油の環境下において、二硫化モリブデンがスプラグ及び内外輪の表面に皮膜として付きやすく、相互間の摩擦係数が低下し、両者間で滑りが生じ、摩耗により寿命の低下が生じた。また、スプラグ３と内外輪１，２との間の接触面圧は高くなることから、硬さがＨＲＣ５０未満のものについては、摩耗が多く発生した。
以上のことから、スプラグ３、さらには内外輪１，２において、素材を炭素鋼とし（クロム含有量を０．３０重量％以下とし）かつ、これらの接触面の硬さをＨＲＣ５０以上でかつ６２．５以下に設定することで、スプラグ３と内外輪１，２間の摩擦係数の低下を抑えることができ、滑りが生じることによる摩耗が原因となって一方向クラッチの寿命が低下してしまうことを防止することができる。

この発明の一方向クラッチの実施の一形態を示している側面図である。図１の一方向クラッチの要部を示している図である。スプラグと内輪との接触部を示しており、噛合条件を説明する図である。スプラグに相当する第１摩擦係数測定治具と、内外輪に相当する第２摩擦係数測定治具との摩擦係数と、各素材である鋼中のクロム含有量との関係を示しているグラフであり、第１摩擦係数測定治具の鋼中のクロム含有量を変化させたものである。スプラグに相当する第１摩擦係数測定治具と、内外輪に相当する第２摩擦係数測定治具との摩擦係数と、各素材である鋼中のクロム含有量との関係を示しているグラフであり、第１摩擦係数測定治具及び第２摩擦係数測定治具の双方の鋼中のクロム含有量を変化させたものである。本発明の一方向クラッチと従来の一方向クラッチとの摩擦耐久試験を行った結果を示している表である。

符号の説明

１内輪
２外輪
３スプラグ
５外保持器
６内保持器
Ａ接点
Ｂ接点
Ｌ１法線
Ｌ２法線
μ 摩擦係数

Claims

鋼製の内輪と、鋼製の外輪と、これら内外輪間に複数配設された鋼製のスプラグと、これらスプラグを周方向に所定間隔で保持している保持器と、を備え、モリブデンを含む潤滑油の環境下で用いられる一方向クラッチにおいて、
前記スプラグの素材である鋼のクロム含有量を、１．２重量％以下として、前記潤滑油に含まれるモリブデンに基づいて生成される二硫化モリブデンを前記スプラグの表面に付きにくくし、前記スプラグと前記内外輪間の摩擦係数の低下を抑えることを特徴とする一方向クラッチ。
前記スプラグの素材である鋼のクロム含有量が、０．３０重量％以下であり、かつ、前記内輪及び外輪に対する前記スプラグの接触面の硬さがＨＲＣ５０以上でかつ６２．５以下である請求項１に記載の一方向クラッチ。
前記スプラグは機械構造用炭素鋼又は炭素工具鋼からなる請求項１又は２に記載の一方向クラッチ。
前記内輪及び前記外輪の素材である鋼のクロム含有量が、０．３０重量％以下であり、かつ、前記スプラグに対する前記内輪の接触面及び外輪の接触面の硬さがＨＲＣ５０以上でかつ６２．５以下である請求項１〜３のいずれか一項に記載の一方向クラッチ。
前記内輪及び前記外輪は機械構造用炭素鋼又は炭素工具鋼からなる請求項１〜４のいずれか一項に記載の一方向クラッチ。
前記内輪及び前記外輪の素材である鋼のクロム含有量が、１．２重量％以下である請求項１に記載の一方向クラッチ。
前記スプラグと、前記内輪及び外輪との間のそれぞれの接触面の硬さがＨｖ７００以上である請求項１〜６のいずれか一項に記載の一方向クラッチ。