JP5060906B2 - 噛み合いクラッチ - Google Patents

Description

本発明は自動車、大型特殊作業車両などの伝達トルクの大きい変速機に用いて好適なスプライン結合の噛み合いクラッチに関する。

一般に噛み合いクラッチは、ドッグクラッチ、爪クラッチと呼称され、一度結合したら結合状態を維持するのに油圧のような動力を必要としないので、入力トルクを損失無く出力側に伝達することができる。このような理由からマニュアル変速機、さらにはロボタイズドマニュアルと呼ばれる自動化マニュアル変速機に使用されている。

良く知られているように、噛み合いクラッチにはスプラインクラッチとドッグクラッチとがある。スプラインクラッチは雄スプラインのスプライン歯を雌スプラインのスプライン溝に嵌合して雄雌の両スプラインのスプライン歯同士を噛み合わせるものであり、ドッグクラッチは歯車とスリーブ（回転軸に軸方向へ移動自在に装着固定されている）の対向側面にそれぞれ複数のドッグ歯（突歯）を周方向に設け、ドッグ歯同士を噛み合わせてトルクを伝達するものである。

スプラインクラッチは公知例を挙げるまでもなく良く知られており、ドッグクラッチは、例えば、下記の特許文献１に記載されている。特許文献１には、歯車とスリーブに設けたドッグ歯の長さをドッグ歯の1個おきに大きくして噛み込み易くし、素早く変速させるということも記載されている。

しかしながら、ドッグクラッチはドッグ歯で受け持つ剪断応力に限界があり、伝達トルク容量を大きくするには直径を大きくせざるを得なくなり、大型化するという問題がある。このため、伝達トルク容量の大きい変速機には、スプラインクラッチが多く用いられるようになっている。

ところで、スプラインクラッチは雄雌の両スプラインが回転している状態で両スプラインのスプライン歯を相互に相手方のスプラインのスプライン溝に嵌合して結合している。例えば、マニュアル変速機では摩擦クラッチによりエンジンからの動力を切断している間に前段ギアの噛み合いクラッチを開放して、次段ギアの噛み合いクラッチを結合させている。

雄雌の両スプラインの結合は、両スプラインの回転速度と位相が等しい状態すなわち同期状態にする必要がある。このため、エンジンを切り離したときに自由回転する軸（例えばカウンターシャフト）にブレーキ装置を設けたり、あるいは噛み合いクラッチにシンクロナイザーと呼ばれる摩擦リングを設けて機械的に同期化している。また、エンジンの回転数を制御して同期化することも行われている。

特開２００７−１２０７２３号公報

従来技術は、カウンターシャフトブレーキやシンクロメッシュ機構による摩擦力で同期化したり、エンジンの回転数を制御して同期化しているので、構成が複雑になり、その上、変速時間が大きくなるという問題点を有する。また、摩擦力で同期化すると磨耗するためにメンテナンスを必要とするという実用上の問題もある。

本発明の目的は、簡単な構成で変速時間を短縮することができる噛み合いクラッチを提供することにある。

本発明の特徴とするところは、雄スプラインのスプライン歯を雌スプラインのスプライン溝に嵌挿して雄雌の両スプラインを嵌合させるスプラインクラッチであって、雄スプラインと雌スプラインはスプライン歯の所定個数毎のスプライン歯を嵌挿側面側へ軸方向に突出した嵌合案内歯が形成されていることにある。

換言すると、本発明は、雄雌の両円筒状スプラインにおける所定個数毎のスプライン歯が嵌挿側面側へ軸方向に突出して他のスプライン歯より長く形成され、所定個数毎のスプライン歯の軸方向に突出した部分で嵌合案内歯を形成したものである。

本発明は雄雌の両スプラインがスプライン歯の所定個数毎のスプライン歯を嵌挿側面側へ軸方向に突出した嵌合案内歯を形成されているので、一方のスプラインに推力を加えて移動させると相対速度差により両スプラインの嵌合案内歯同士が当接して係合するので両スプラインを簡単かつ短時間で同期状態にできる。したがって、両スプラインのスプライン歯を相互に相手方のスプラインのスプライン溝に速やかに嵌挿できるので、簡単な構成で変速時間を短縮することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本発明の第１の実施例を図１〜８により説明する。

図１は本発明が用いられる一例であるツインクラッチ方式自動変速機の構成図である。図１において、エンジン１の出力軸は変速機２の入力軸３に接続されている。入力軸３には２個の摩擦クラッチ４ａ、４ｂが結合できるようになっている。摩擦クラッチ４ａは奇数段変速ギア列を備える奇数中間軸（回転軸）５ａに接続され、摩擦クラッチ４ｂは偶数段変速ギア列を備える偶数中間軸（回転軸）５ｂに接続されている。

奇数中間軸５ａには１速ギア６ａ、３速ギア６ｂ、５速ギア６ｃ、および後進ギア６ｄが回転自在に設置されている。偶数中間軸５ｂには２速ギア６ｅ、４速ギア６ｆが回転自在に設置されている。各段の変速ギア６ａ〜６ｆはそれぞれに対応する変速出力ギア１０ａ〜１０ｆに噛み合っており、変速出力ギア１０ａ〜１０ｆは出力軸１１に固定されている。

奇数中間軸５ａには１速ギア６ａと３速ギア６ｂを切り替えるために本発明の噛み合いクラッチであるスプラインクラッチが設置されている。奇数中間軸５ａには雄スプライン９ａが固着されている。雌スプラインのスリーブ７ａは奇数中間軸５ａに固着した雄スプライン９ａに噛み合い、奇数中間軸５ａの軸方向に移動自在に設置されている。

１速ギア６ａにはスリーブ７ａと噛み合う雄スプラインの１速ギアスプライン８ａが設けられている。同様に、３速ギア６ｂにはスリーブ７ａと噛み合う雄スプラインの３速ギアスプライン８ｂが設けられている。雄スプライン８ａ、８ｂは回転軸５ａと同軸的に相対回転可能に設けられている。スリーブ７ａは図示しないシフトフォークにより推力を加えられと回転軸５ａの左右軸方向に移動して、１速ギア６ａの雄スプライン８ａまたは３速ギア６ｂの雄スプライン８ｂと噛み合うことで、ギア段を切り替えることができる。

スプラインクラッチは、回転軸５ａ、雄スプライン９ａ、スリーブ（雌スプライン）７ａおよび雄スプライン８ａ、雄スプライン８ｂで構成される。

奇数中間軸５ａには、さらに５速ギア６ｃと後退ギア６ｄを切り替えるために本発明のスプラインクラッチが設置されており、雄スプライン９ｂ、スリーブ７ｂ、５速ギア６ｃの雄スプライン８ｃ、後退ギア６ｄの雄スプライン８ｄが設けられている。

また、偶数中間軸５ｂには２速ギア６ｅと４速ギア６ｆを切り替えるために本発明のスプラインクラッチが設置されており、雄スプライン９ｃ、スリーブ７ｃ、２速ギア６ｅの雄スプライン８ｅ、４速ギア６ｆの雄スプライン８ｆが設けられている。

図２は図１の１速ギア６ａと３速ギア６ｂを切り替えるスプラインクラッチの拡大図である。５速ギア６ｃと後退ギア６ｄを切り替えるスプラインクラッチおよび２速ギア６ｅと４速ギア６ｆを切り替えるスプラインクラッチも同様に構成されている。

図３、図４は図２の雄スプライン８ａ、８ｂ、９ａと雌スプライン７ａを分解して示した分解図である。図３（ａ）は雄スプライン８ａ、８ｂ、９ａを示し、図３（ｂ）は雄スプライン８ｂの左側面図である。また、図４（ａ）は雌スプライン７ａを示し、図４（ｂ）は雌スプライン７ａの右側面図である。

雄スプライン８ｂは図５の斜視図に示すように、円筒状に構成され外周面に複数のスプライン歯８１およびスプライン溝８２が形成されている。端面は、嵌挿側面８４となる。スプラインはインボリュートスプラインの例を示している。雄スプライン８ｂは、スプライン歯８１の所定個数毎のスプライン歯８１がスリーブ（雌スプライン）７ａの嵌挿側面７４の側に嵌挿側面８４から突出して形成されている。

スプライン歯８１の突出部分はスプライン歯８の形状と同一形状で、円筒状雄スプライン８ｂの軸方向に嵌挿側面８４から突出しており、嵌合案内歯８３を形成している。換言すると、円筒状雄スプライン８ｂは、所定個数毎のスプライン歯８１が嵌挿側面側へ軸方向に突出して他のスプライン歯８１より長く形成されている。

図５は２個置きのスプライン歯８１に嵌合案内歯８３を形成している例を示している。嵌合案内歯８３の長さは２ｍｍ程度である。なお、図３（ｂ）では嵌合案内歯８３に多数の・印を付し識別し易いように図示している。

一方、スリーブ（雌スプライン）７ａは図６の斜視図に示すように、円筒状に構成され内周面に複数のスプライン歯７１およびスプライン溝７２が一体的に形成されている。雌スプライン７ａのスプラインもインボリュートスプラインである。雌スプライン７ａは、スプライン歯７１の所定個数毎のスプライン歯７１が雄スプライン８ｂとの嵌挿側面７４の側に突出して形成されている。

スプライン歯７１の突出部分は円筒状雌スプライン７ａの軸方向に突出しており、嵌合案内歯７３を形成している。換言すると、円筒状雌スプライン７ａは、所定個数毎のスプライン歯７１が嵌挿側面側へ軸方向に突出して他のスプライン歯７１より長く形成されている。

図６は２個置きのスプライン歯７１に嵌合案内歯７３を形成している例を示している。嵌合案内歯７３の長さは雄スプライン８ｂの嵌合案内歯８３と同じ２ｍｍ程度である。なお、図４（ｂ）では嵌合案内歯７３に多数の・印を付し識別し易いように図示している。

雄スプライン８ｂおよびスリーブ７ａの雄スプライン８ｂとの嵌挿側面側はこのように構成されているが、雄スプライン８ａおよびスリーブ７ａの雄スプライン８ａとの嵌挿側面側も同様に構成されている。また、他のスリーブ７ｂ、７ｃおよび雄スプライン８ｃ〜８ｆもスリーブ７ａまたは雄スプライン８ｂと同様に構成されている。

本発明のスプラインクラッチはこのように構成されているが、次に図７〜図１０を用いて雄スプライン８ｂと雌スプライン７ａを嵌合して結合する挙動を説明する。図７〜図１０はスプライン歯とスプライン溝を直線状に模式的に示している。また、図７〜図１０の図（ａ）は溝面から見た平面図で、図（ｂ）は図（ａ）を側面から見た側面図である。さらに、雄スプライン８ｂと雌スプライン７ａは図の上方に回転移動しており、雄スプライン８ｂの回転速度が多少速いものとする。

図７は雄スプライン８ｂと雌スプライン７ａが最も結合し難いケースで、雌スプライン７ａが図示しないシフトフォークにより推力を加えられ，雄スプライン８ｂの嵌合案内歯８３の先端面と雌スプライン７ａの嵌合案内歯７３の先端面が当接して接触している状態である。図７ａに示されるように、双方の嵌合案内歯は、各嵌挿側面の軸方向の外側で当接触している。なお、雌スプライン７ａの嵌合案内歯７３と雄スプライン８ｂの嵌合案内歯８３の時系列位置遷移状態が分かるように、雌スプライン７ａの嵌合案内歯７３に大文字Ａ、Ｂ、Ｃを付し、雄スプライン８ｂの嵌合案内歯８３に小文字ａ、ｂ、ｃを付して示している。

この状態で雄スプライン８ｂの方が速く回転しているとすれば、嵌合案内歯７３Ａは嵌合案内歯８３ａから滑り落ち、嵌合案内歯７３Ｂは嵌合案内歯８３ｂから滑り落ちる。このとき、滑り落ちた途端に雄スプライン８ｂと雌スプライン７ａを同期結合できる場合もある。しかし、雄スプライン８ｂと雌スプライン７ａの両者の相対速度差が大きいと、ほとんどが図８のように嵌合案内歯７３Ｂ、７３Ｃは雄スプライン８ｂのスプライン歯８１に接触した状態になり、嵌合案内歯８３ａ、８３ｂは雌スプライン７ａのスプライン歯７１に接触した状態になる。

図８の状態から位相がずれてくると、相対速度差が小さい場合には雄スプライン８ｂのスプライン歯８１が雌スプライン７ａのスプライン溝７２に入り込んで嵌挿され、同期結合できることもある。しかし、相対速度差が大きいと雄スプライン８ｂのスプライン歯８１が雌スプライン７ａのスプライン溝７２を通り越して同期結合できない状態になる。

図８の状態から位相がずれて図９に示す状態になる。図９は嵌合案内歯８３ａが嵌合案内歯７３Ｂに、嵌合案内歯８３ｂが嵌合案内歯７３Ｃに当接して係合する。したがって、雄スプライン８ｂと雌スプライン７ａは同期状態になる。雌スプライン７ａは回転軸５ａの軸方向に推力を加えられているので、雄スプライン８ｂのスプライン歯８１と雌スプライン７ａのスプライン歯７１が相手方スプライン７ａ、８ｂのスプライン溝７２、８２に嵌挿される。

雄スプライン８ｂのスプライン歯８１と雌スプライン７ａのスプライン歯７１は図１０に示すように噛み合い深さＬまでに嵌挿される。この状態で雄スプライン８ｂのスプライン歯８１と雌スプライン７ａのスプライン歯７１の噛み合い嵌合が完了し、スプラインクラッチの切り替えが終了する。

以上説明したように、本発明の噛み合いクラッチは、雄雌の両スプラインはスプライン歯の所定個数毎のスプライン歯に嵌挿側面側へ軸方向に突出した嵌合案内歯が形成されているので、一方のスプラインに推力を加えて移動させると両スプラインの嵌合案内歯同士が当接し係合するので両スプラインを簡単かつ短時間で同期状態にできる。したがって、雄雌両スプラインのスプライン歯を相手方スプラインのスプライン溝に速やかに嵌挿して雄雌の両スプラインを嵌合でき、簡単な構成で変速時間を短縮することができる。

また、摩擦力を用いて同期化していないので、部品の磨耗のためにメンテナンスを行う必要がないという実用上の効果もある。

なお、実施例１は雌スプラインを回転軸方向に移動させているが、この移動させるスプラインを雄スプラインに形成し、これと嵌合させる他方を雌スプラインに形成しても同様な効果を奏しえることは勿論のことである。

また、実施例１はインボリュートスプラインの例を挙げているが、台形スプラインや方形スプラインなど他の断面形状のスプラインを用いてもよいことは明らかなことである。

実施例１は雄雌の両スプラインが２個置きのスプライン歯に嵌合案内歯を設けているが、回転バランスが取れるように均等に割り振ることにより何個置きであってもよく、さらに雄スプラインと雌スプラインで嵌合案内歯を設けるスプライン歯の数を異ならせることもできる。

図１１に実施例２としてその一例を示す。図１１は雄スプライン８で嵌合案内歯を設けたスプライン歯に○印を付し、雌スプライン７で嵌合案内歯を設けたスプライン歯に●印を付している。

図１１（ａ）は雄雌の両スプライン７、８とも１個置きのスプライン歯に嵌合案内歯を設けた例であり、図１１（ｂ）は雄雌の両スプライン７、８とも５個置きのスプライン歯に嵌合案内歯を設けた例である。また、図１１（ｃ）は、雄スプライン８は５個置きのスプライン歯に嵌合案内歯を設け、雌スプライン７は２個置きのスプライン歯に嵌合案内歯を設けた例であり、図１１（ｄ）は、雄スプライン８は１１個置きのスプライン歯に嵌合案内歯を設け、雌スプライン７は５個置きのスプライン歯に嵌合案内歯を設けた例である。

図１１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のように嵌合案内歯を設けたスプライン歯の数を減らすと噛み込みの機会は増えるが、同期状態になるまでの時間が実施例１や図１１（ａ）の例よりも若干長くなる。また雄雌の両スプライン７、８の嵌合案内歯同士が係合して同期するときに、少ない嵌合案内歯で当たると歯１個あたりの衝撃が大きくなるが、スプライン軸の慣性モーメント等を考慮して設計することになる。

実施例２においても実施例１と同様に、雄雌の両スプラインはスプライン歯の所定個数毎のスプライン歯に嵌挿側面側へ軸方向に突出した嵌合案内歯が形成されているので、一方のスプラインに推力を加えて移動させると両スプラインの嵌合案内歯同士が当接係合するので両スプラインを簡単かつ短時間で同期状態にできる。したがって、両スプラインのスプライン歯を相手方スプラインのスプライン溝に速やかに嵌挿して雄雌の両スプラインを嵌合でき、簡単な構成で変速時間を短縮することができる。

本発明が用いられる自動変速機の一例を示す構成図である。 本発明の第１実施例を示す図１のスプラインクラッチの部分拡大図である。 図２の雄スプラインを分解して示した分解図である。 図２の雌スプラインを分解して示した分解図である。 図２の雄スプラインの拡大斜視図である。 図２のスリーブ（雌スプライン）の拡大斜視図である。 本発明の第１実施例の動作説明図である。 本発明の第１実施例の動作説明図である。 本発明の第１実施例の動作説明図である。 本発明の第１実施例の動作説明図である。 本発明の第２実施例を示す構成図である。

符号の説明

１：エンジン、２：変速機、３：入力軸、４ａ、４ｂ：摩擦クラッチ、５ａ、５ｂ：中間軸（回転軸）、６ａ〜６ｆ：変速ギア、７ａ〜７ｃ：スリーブ（雌スプライン）、８ａ〜８ｆ：雄スプライン、９ａ〜９ｃ：軸固着雄スプライン、１０ａ〜１０ｆ：変速出力ギア、１１：出力軸、７１：雌スプライン歯、７２：雌スプライン溝、７３、８３：嵌合案内歯、８１：雄スプライン歯、８２：雄スプライン溝。

Claims (4)

1. 複数段のギア切り替えを行うツインクラッチ式変速機に用いられ、外周面に複数のスプライン歯とスプライン溝が形成されている円筒状の雄スプラインと、内周面に複数のスプライン歯とスプライン溝が形成されている円筒状の雌スプラインとを有し、前記雄雌の両スプラインが相対回転速度差のある状態で、かつ伝達駆動力が解除された状態で一方のスプラインに推力を加えて前記両スプラインを同期、嵌合させる噛み合いクラッチであって、前記雄スプラインと前記雌スプラインは共に、すべてが、スプラインの端面である嵌挿側面に達するスプライン歯で形成され、これらのスプライン歯の内の所定個数のスプライン歯が、所定個数毎前記嵌挿側面から軸方向外側にスプライン歯の形状と同一形状を有して２ｍｍ程度まで長く突出した嵌合案内歯が形成されたスプライン歯として形成され、該双方の嵌合案内歯が前記推力によって各嵌挿側面の軸方向外側で当接接触し、次いで相手方のスプラインのスプライン歯にそれぞれ接触し、次いで両嵌合案内歯同士が当接して係合したことで、スプラインの嵌挿側面の軸方向外側で双方のスプラインが同期状態にされることを特徴とする噛み合いクラッチ。
2. 複数段のギア切り替えを行うツインクラッチ式変速機に用いられ、回転軸と同軸的に相対回転可能に設けられ、外周面に複数のスプライン歯とスプライン溝が形成されている円筒状の雄スプラインと、前記回転軸に軸方向への移動自在に装着固定され、内周面に複数のスプライン歯とスプライン溝が形成されている円筒状のスリーブとを有し、前記雄スプラインと前記スリーブとが相対回転速度差のある状態で、かつ伝達駆動力が解除された状態で推力を加え、前記スリーブを軸方向に移動させて前記雄スプラインと前記スリーブを同期、嵌合させる噛み合いクラッチであって、前記雄スプラインと前記スリーブは共に、すべてが、スプラインの端面である嵌挿側面に達するスプライン歯で形成され、これらのスプライン歯の内で所定個数のスプライン歯が所定個数毎前記嵌挿側面から軸方向外側にスプライン歯の形状と同一形状を有して２ｍｍ程度まで長く突出した嵌合案内歯が形成されたスプライン歯として形成され、前記雄スプラインと前記スリーブの前記嵌合案内歯同士が前記推力によって各嵌挿側面の軸方向外側で当接接触し、次いで相手方のスプラインあるいはスリーブのスプライン歯にそれぞれ接触し、次いで嵌合案内歯同士が当接して係合したことで、前記雄スプラインと前記スリーブとがこれらの嵌挿側面の軸方向外側で同期状態にされることを特徴とする噛み合いクラッチ。
3. 請求項１、２のいずれか１項において、前記雄雌の両スプラインあるいは前記雄スプラインと前記スリーブの前記嵌合案内歯が形成されているスプライン歯の数が異なることを特徴とする噛み合いクラッチ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の噛み合いクラッチを備えた変速機。

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