JP5040793B2

JP5040793B2 - 渦電流減速装置

Info

Publication number: JP5040793B2
Application number: JP2008116024A
Authority: JP
Inventors: 憲治今西; 光雄宮原; 泰隆野口; 裕野上; 晃齋藤; 博行山口
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2028-04-25
Also published as: JP2009268275A

Description

本発明は、小型・中型のバスやトラック等に、補助ブレーキとして取付けるのに適した車両用の渦電流減速装置（以下、リターダと言う。）に関するものである。

トラックやバス等の車両（車両にはハイブリッド電気車両（ＨＥＶ：Hybrid Electric Vehicle）を含む。）に取付けるリターダは、構成部材の内のドラムやディスク等の制動部材が、プロペラシャフトと一体に回転するように取付けられる。一方、ステータ部は、トランスミッションのハウジング等の車体側に取付けられる。

中小型のトラックやバス等では、このリターダの搭載位置である、トランスミンションとプロペラシャフトの間の空間が、中大型車両に比べて非常に狭い。

加えて、近年、バスやトラック等においても、燃費改善やドライバーの快適性を高めることを目的として、例えばマニュアルトランスミッションを自動化した機械式自動ミッションの搭載が進められており、その駆動源として電動アクチュエータが用いられている。

機械式自動ミッションを搭載し、その駆動源として電動アクチュエータを採用する場合、トランスミッションの重量が増大する。加えて、トランスミッションのハウジングも部分的に凹凸が形成される場合が多くなるので、前記ステータ部の取付け空間の確保が難しくなると共に、使用可能な空間が減少して、リターダを設置する際に、他の装置との干渉が問題となる。

また、近年、ディーゼルエンジンでは、ガソリンエンジンに比べてＣＯ₂の排出量が少ない反面、ＮＯｘ（窒素酸化物）やＳＯｘ（硫黄酸化物）などの有害排気ガスが多いので、都市環境の面からの対策がなされてきている。

その一つとして、触媒やワイヤーメッシュ等のフィルターを活用したＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）がある。このＤＰＦは、エキゾーストマニホールドとマフラーの中間に配置されるので、リターダを搭載する空間が更に少なくなってきている。

もともと中小型のトラックやバス等の場合、リターダを取付ける空間の長さも十分でなく、さらに前記ＤＰＦの取付け空間を確保する要請もあり、リターダの取付け空間を確保することが困難になってきている。

従って、これらの問題点を解決するためには、特にトランスミッションのハウジング等の車体側に取付けるステータ部が、搭載性に優れることが要求されている。

また、近年の環境問題への対応から、燃費改善が必須の要件であり、リターダの軽量化要求にこたえることが重要な課題となっている。更には、リターダのメンテナンスの際に、取外しの工数が少ないことが求められている。

ところで、リターダには、様々な方式がある。磁気の発生機構では、電磁石を用いるものや、永久磁石を用いるもの等に分けられる。また、制動トルクを得るための制動部材では、ドラム状のものやディスク状のものがある。いずれの制動部材の場合でも、電磁石または永久磁石を円周状に配置し、これら磁石を環状または円盤状の強磁性材を用いた支持板に固定した構造である。

現在、永久磁石式で小型車両用として実用化されているのは、例えば特許文献１で開示されている軸方向複列旋回方式のものである。
特開平４−１２６５９号公報

中小型のトラックやバス等に取付けるリターダは、この軸方向複列旋回方式を基本として、従来の設計方法に基づきスケールダウンさせて超小型のリターダを数値解析により設計するが、制動トルクなどの性能を満足するものの、重量が重くなってしまう。

これらに対し、ディスクを電磁石で両側から部分的に挟む構造としたリターダ（例えば特許文献２）や、ディスクの片側の面に対してのみ永久磁石を配置したリターダ（例えば特許文献３）が提案されている。
実開昭６３−１７９７７４号公報特開２０００−３５８３５３号公報

このうち、前者のディスクを挟み込む構造は、ディスクの両側に電磁石を設置しているが、周方向の一部分にしか電磁石を配置しない構造であるため、搭載性・メンテナンス性に優れるものの、短絡の磁気回路となって制動効率が悪い。

また、トランスミッションに連結されたプロペラシャフトの前後方向の遊び量を考えると、ディスクと電磁石間の距離を大きくしなければならない。磁石からの距離が大きくなると、電磁石の容量を大きくする必要があり、結果的に重量増となって制動効率も悪くなる。

最も搭載性に優れて軽量化を実現可能な構造は、上記の良い部分を組み合わせたものである。具体的には、制動部材であるディスクと対向する位置に永久磁石を配置し、その永久磁石は周方向に部分的に配置されている構造である。但し、トランスミッションに搭載する取付け面の制約から最低１８０°開放する必要がある。

しかしながら、この構造は、円周状に磁石を３６０°配置した構造と比べて制動効率が悪いので、前記構造のリターダと比べて磁石使用量を大幅に増やす必要があり、その結果、重量が増加する。

また、磁石を配置した部分と対向する部位にのみ、磁石による吸引力が働くので、ディスクを支える軸受部に過大な片荷重が加わり、軽量化を実現しつつ強度を保つことが難しい。

更に、中小型の車両では制動トルクが必要な回転数域が２０００〜６０００RPM（以下、実用回転域と言う。）と広範囲であり、この実用回転域で安定的に制動トルクを得ることが困難であった。

これらの事情により、ディスクと対向した位置に永久磁石を周方向に部分的に配置した構造のリターダでは、実用に耐える性能を有するものは得られていない。

本発明が解決しようとする問題点は、軽量化を実現しつつ強度を保つことが難しい、実用回転域で安定的に制動トルクを得ることが困難、などの理由から、ディスクと対向した位置に永久磁石を周方向に部分的に配置したリターダでは実用に耐える性能を有するものは得られていなかったという点である。

本発明のリターダは、
回転軸に結合した制動ディスクと、
前記制動ディスクの一方の面に対向するよう複数の磁石を固定した強磁性体からなる支持板を、前記制動ディスクに対して接離移動可能なように、前記回転軸の軸方向に移動可能としたステータを備え、
前記ステータを円周方向に９０°〜１８０°の範囲で構成し、
前記制動ディスクの、前記磁石と対向する面に、２mm〜４mmの厚みの銅合金層を備えさせたことを最も主要な特徴としている。

上記構成の本発明では、ステータの取付け位置に最低１８０°の開放部が必要な構造的な制約条件を有するリターダにおいても、軽量で優れた搭載性を有し、しかも実用回転域で安定的に制動力を得ることができる。また、制動ディスクに働く片荷重をも実用的なレベルに低減することができる。

本発明のリターダにおいては、前記ステータは１個に限らず、複数個設けたものでも良い。但し、複数個設ける場合は、吸引時の片荷重防止の観点から、回転対称となる位置にステータを設けることが望ましい。この場合、当該複数個のステータが占める円周方向幅を合せた範囲が９０°〜１８０°の範囲にあることは言うまでもない。

本発明により、ステータの取付け位置に最低１８０°の開放部が必要となる構造的な制約条件下においても、搭載性に優れ、かつ軽量で、実用回転域で安定的に制動力を得ることができる。更に、制動ディスクに働く片荷重を実用的なレベルに低減することができる。

従って、リターダの搭載位置である、トランスミンションとプロペラシャフトの間の空間が、中大型車両に比べて非常に狭い中小型のトラックやバス等の車両への搭載も可能になる。

以下、発明者らが行った辺要素法を用いた有限要素法に基づく電磁場解析シミュレーションを用いて行った検討について説明すると共に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

量産品である特許文献１で開示されたドラム型２列旋回方式のリターダは、ドラムの外径が３４５mmで、素材はＣｒ−Ｍｏ鋼のＳＣＭ４１５や特許第３０３６３７２号に開示された高温疲労特性に優れた低合金鋼等が用いられる。

ポールピース材には一般構造用工具鋼であるＳＳ４００を、磁石にはネオジュームボロン系のNEOMAX-46BH（商品名）を、ステータ材には炭素鋼であるＳ３５Ｃをそれぞれ用いた。

制動ＯＮ時には、磁石の極性が１６極と見なせる場合での、回転数とトルクの関係をシミュレーションにより求めた。中小型のトラック及びバス等に用いられるリターダにおいては、回転数が２０００〜６０００回転の範囲は、前記のように実用的な回転域であり、この範囲にて安定した制動トルクを有することが必要とされる。

また、本発明の対象となるディスク式のリターダは、約１１２．５°のステータ（Ｓ３５Ｃ製）に磁石（NEOMAX-46BH製）を等間隔に１０極配置した。制動ディスクの外径を２６４mmとし、母材にはドラム材と同じ、前記低合金鋼を用い、磁石と対向する面に銅合金を配置した。ここで用いた銅合金は、銅６０質量％、亜鉛４０質量％からなる６−４黄銅であり、その厚みを１、２、３、４、５mmと変化させた。

なお、銅合金層の厚みを変化させる際には、小型トラックにおける通常走行時の標準的な回転数である４５００RPM時に同等の制動トルクを得るように、磁石使用量を変化させている。また、磁石使用量を変化させる場合は、制動トルクに対する影響度の少ない厚みを変化させている（磁石面積一定）。

図１に回転数と制動トルク比で整理した結果を示す。ここで、制動トルク比とは、制動力が１００N・mの場合を１としたときの比率である。

図１より、ドラム型２列旋回方式のリターダの場合のトルク特性は、３０００RPMでピークを有し、３０００RPMより高い回転域では制動トルクが大幅に低下することが分かる。

これに対し、本発明の対象となるディスク式のリターダでは、銅合金層の厚みを２〜４mmとすることで、２０００RPM〜６０００RPMの実用回転域で、ほぼ平坦な特性を得ることができた。

一方、本発明の対象となるディスク式のリターダであっても、前記銅合金層の厚みが２mm未満の場合、回転数の低いところで十分な制動トルクを得ることができない。また、４mmを超えると高回転数側で制動トルクが低下し、実用回転域での安定性が確保できない。

前記解析を行ったリターダのそれぞれの重量を下記表１に示す。
図１及び下記表１より、従来のドラム式のステータを部分的に開放する場合と比較し、本発明のディスク式では、ほぼ同一重量で、大幅に優れた制動トルクが安定して得られていることが分かる。

また、本発明が対象とするディスク式リターダのスイッチング方式として採用する軸方向スライド方式は、非常に簡単な構成で、実用性の高い構造であるが、片側から磁石を引き離すので、片荷重が生じる。

この片荷重の低減には、磁石とディスク間の距離を拡大して、ディスクの鋼部表層に到達する磁束密度の値を小さくすれば、吸引力を小さくすることができて有効である。しかしながら、このままでは、制動トルクが大幅に低下する。

そこで、発明者等は、本発明が対象とするディスク式軸方向スライド方式の特有の問題であるＯＮ／ＯＦＦスイッチング時の磁石の吸引力について、シミュレーションにより検討を行った。

このシミュレーションによる検討では、参考までに銅合金層の厚みが１mmの場合に使用するのと同様の磁石を使用し、ディスクを鋼のみとした場合についても合わせて行った。

図２に回転数と磁石吸引反発比で整理した結果を示す。ここで、磁石吸引反発比とは、磁石の吸引力が１５００Nの場合を１としたときの比率である。

図２より、磁石と対向する面に銅合金層を施すことで、磁石吸引力をも大幅に低減することが可能であり、板厚を厚くすることで、反磁界にともなう反発力が増大して吸引反発を零にバランスさせることが可能となることが分かる。

この図２の結果より、発明者等は、ディスク部の磁石と対向する面付近のみに、導電性の良い非磁性材、例えば銅合金を、磁石とディスク間の距離を拡大させた厚み部分に設置すれば良いと考えた。

これにより、制動トルクが発生する非磁性体部位での磁束密度の値は、従来の鋼ディスクと同等の値となり、非磁性体に導電性に優れた材料を使用することで、制動トルクを低下させることがなくなる。

本発明は、上記の有限要素法に基づく電磁場解析シミュレーション結果に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明のリターダは、例えば図３に示すように、プロペラシャフト１に結合した制動ディスク２と、この制動ディスク２に対して接離移動可能なように、プロペラシャフト１の軸方向に移動可能としたステータ４を備えている。

このうち、前記ステータ４は、制動ディスク２に対向するよう、複数の永久磁石３を固定した強磁性体からなる支持板を有しており、円周方向に９０°〜１８０°の範囲で構成されている。

また、前記制動ディスク２の、前記永久磁石３と対向する面には、２mm〜４mmの厚みの銅合金層５を備えさせている。

本発明では、ステータを円周方向に９０°〜１８０°の範囲に構成することで、トランスミッションのハウジングの凸凹に合せて取付けることができ、搭載性が優れる。また、メンテナンスの際の取外し等の工数が削減できる。さらに、従来タイプのリターダに比べて軽量で、安定した制動力が得られる。

本発明において、ステータの構成範囲を９０〜１８０°としたのは、９０°未満の場合、必要な回転数範囲で安定した制動トルクを得ることができないからである。また、１８０°を超えると、搭載性が低下するとともに、メンテナンス工数の増加、重量の増加が生じるからである。

本発明において、永久磁石３を備えたステータ４は図３に示したように１個に限らない。ステータ４を複数個設ける場合は、図４に示すように、複数個のステータ４の合計が９０〜１８０°となるように、回転対称に設ければ、制動力を維持したまま、吸引に伴う片荷重を防止することができ、望ましい。なお、ステータ４の配置は、個々のトラック、バス等における搭載部の空間を考慮して定めればよい。

前記の制動ディスクと対向配置する永久磁石を周方向に部分的となす技術は、従来は、制動トルクの向上や永久磁石の使用量削減等に用いてきた技術である。しかしながら、本発明では、この技術を用いて、制動トルクを維持しつつ磁石の吸引力を小さくし、ディスク固定部の片荷重を効果的に低減することとしている。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

以上の本発明は、トラックやバスのリターダに限らず、自動車のリターダにも適用できる。

本発明の対象となるディスク式のリターダと、量産品であるドラム型２列旋回方式のリターダにおける回転数と制動トルク比の関係を示した図である。本発明の対象となるディスク式のリターダにおける回転数と磁石吸引反発比の関係を示した図である。ステータが１個で銅合金層の厚さが２mmの場合の本発明のリターダの要部を示した図で、（ａ）はプロペラシャフトの正面から見た図、（ｂ）は同じく側面から見た図である。ステータが２個の場合の図３（ａ）と同様の図である。ステータが３個の場合の図３（ａ）と同様の図である。

符号の説明

１プロペラシャフト
２制動ディスク
３永久磁石
４ステータ
５銅合金層

Claims

回転軸に結合した制動ディスクと、
前記制動ディスクの一方の面に対向するよう複数の磁石を固定した強磁性体からなる支持板を、前記制動ディスクに対して接離移動可能なように、前記回転軸の軸方向に移動可能としたステータを備え、
前記ステータを円周方向に９０°〜１８０°の範囲で構成し、
前記制動ディスクの、前記磁石と対向する面に、２mm〜４mmの厚みの銅合金層を備えさせたことを特徴とする渦電流減速装置。
請求項１に記載の渦電流減速装置であって、
前記ステータは、複数個、回転対称に設けられ、当該複数個のステータが占める円周方向幅を合せた範囲が９０°〜１８０°の範囲にあることを特徴とする渦電流減速装置。