JP5250137B1

JP5250137B1 - 噛み合いクラッチ

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Publication number: JP5250137B1
Application number: JP2012136057A
Authority: JP
Inventors: 大志村田; 吉弘富松
Original assignee: Kyushu Musashi Seimitsu KK; Musashi Seimitsu Industry Co Ltd
Current assignee: Kyushu Musashi Seimitsu KK; Musashi Seimitsu Industry Co Ltd
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2032-06-15
Also published as: US9518613B2; JP2014001760A; WO2013187111A1; US20150219166A1; EP2863085A1; EP2863085B1; EP2863085A4

Abstract

【課題】切削加工時間が短縮でき、切り屑の発生量が少なくて済む噛み合いクラッチを提供することを課題とする。
【解決手段】鍛造金型を用いて、図（ｃ）に示すように凹部１７を形成する。この段階では、底面３２、３２及び島部３３の表面は、鍛造黒皮である。「〜」は鍛造黒皮を示す。島部３３の上部に削り代３６が予め見込まれており、島部３３の上部をフライスカッタで切削する。結果、図（ｄ）に示すように、島部３３の上部に切削面３７ができる。その他の部位は鍛造黒皮のままである。
【効果】底面３２は、鍛造黒皮のままである。島部３３は、鍛造成形後、上部が切削される。凹部の大部分が鍛造成形され、島部３３の上部が切削されるため、切り屑の発生は僅かであり、切削加工時間は短くて済む。
【選択図】図１０

Description

本発明は、歯車減速機に好適な噛み合いクラッチに関する。

歯車減速機には、ドッグクラッチやジョークラッチと呼ばれる噛み合いクラッチが用いられる。すなわち、噛み合いクラッチは、駆動側回転体と従動側回転体の一方に凸部を設け、他方に凹部を設け、駆動側回転体を回転させこの凹部へ凸部を噛み合わせることで駆動側回転体から従動側回転体へ駆動力を伝える形式の動力伝達機構である。
凸部や凹部の形状が各種提案されてきた（例えば、特許文献１（図６）参照。）。

図１６は従来のドッグクラッチの要部断面図であり、凹部１０１に凸部１０２が嵌められる。凸部１０２が駆動側回転体１０３に形成され、凹部１０１が従動側回転体１０４に形成されている場合は、駆動側回転体１０３が矢印Ｘの方向に移動すると、凸部１０２の側面１０５が凹部１０１の受け面１０６に当たり、その後、従動側回転体１０４も矢印Ｘの方向に移動する。
駆動側回転体１０３が矢印Ｙの方向に移動すると、凸部１０２の側面１０７が凹部１０１の受け面１０８に当たり、その後、従動側回転体１０４も矢印Ｙの方向に移動する。

特許文献１には、凹部１０１の製造方法が記載されていないが、一般に切削法で形成される。そこで、切削法の概要を図面に基づいて説明する。
図１７（ａ）に示すように、素材１０９を準備する。この素材１０９にエンドミルやフライスカッタにより、図１７（ｂ）に示す凹部１０１を切削形成する。「▽」は仕上げ記号を意味する。

切削により、大量の切り屑が発生する。切り屑が多いほど切削加工時間が延びるため、加工工数が嵩む。また、大量の切り屑により、材料の無駄が発生する。
製品コストを下げることが要求される中、切削加工時間の短縮と切り屑の少量化が求められる。

特開平１１−３７１７３号公報

本発明は、切削加工時間が短縮でき、切り屑の発生量が少なくて済む噛み合いクラッチを提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、駆動側回転体と従動側回転体の一方に凸部を設け、他方に凹部を設け、この凹部へ前記凸部を噛み合わせ、前記凹部のトルク受け面へ前記凸部の側面を当てることで、前記駆動側回転体から前記従動側回転体へ駆動力を伝える噛み合いクラッチにおいて、
前記凹部は、底面に、この底面から突出する帯状の島部を周方向に有すると共にこの島部と前記トルク受け面との間に溝部を有し、
前記溝部及び前記底面は、鍛造金型により成形され、表面が鍛造黒皮とされ、
前記島部は、前記鍛造金型により成形された後に上部が切削されることで形成され前記凸部の先端面を受ける切削面を有し、
前記溝部は、前記底面より更に深く、前記切削面は、前記底面より浅く形成されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、周方向に延設される帯状の島部は、一端及び他端が半円状であることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、凹部の外周にはギヤ部が形成され、凹部は、周方向に形成されたトルク受け面の外周を繋ぐ外縁部が、トルク受け面の内周を繋ぐ内縁部より長くて外縁部及び内縁部が円弧状の略台形形状を呈し、断面視で、底面の深さに相当、又はそれ以上の半径で描かれるアール面により、外縁部が底面に繋げられていることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、外縁部とトルク受け面の間のアールは、内縁部とトルク受け面の間のアールより大きいことを特徴とする。

請求項１に係る発明では、凹部を構成する底面とトルク受け面直下の溝部は、鍛造黒皮のままである。底面から突出する帯状の島部は、鍛造成形後、上部が切削される。凹部の大部分が鍛造成形のままであれば、切り屑の発生は僅かであり、切削加工時間は短くて済む。
本発明によれば、切削加工時間が短縮でき、切り屑の発生量が少なくて済む噛み合いクラッチが提供される。

その上で、凹部を構成する底面を溝部より浅くした。
仮に、底面を溝部と同じ深さにすると、凹部が全体的に深くなり、鍛造金型の突き出し長さが大きくなる。突き出し長さが大きいほど、鍛造時に鍛造金型に発生する応力が大きくなるため、鍛造金型の寿命が短くなる。また、駆動側回転体又は従動側回転体の製品厚さは、凹部が深いほど小さくなる。凹部が深いため、製品厚さが小さくなり、駆動側回転体又は従動側回転体の強度が低下する。
この点、本発明によれば、底面を溝部より浅くした。凹部の大半を占める底面が浅いため、凹部が浅くなる。すると、鍛造金型の突き出し長さが短くなり、鍛造時に鍛造金型に発生する応力が小さくなり、鍛造金型の寿命が長くなる。また、凹部が浅いため、製品厚さが大きくなり、駆動側回転体又は従動側回転体の強度が増大する。

請求項２に係る発明では、帯状の島部の周方向両端が半円状である。
鍛造金型に、島部を形成するための島部形成用溝を設ける。この溝は両端が半円状であるため、エンドミルでの加工が容易となる。すなわち、溝の幅に対応する外径のエンドミルにより１パスで島部形成用溝を刻設することができ、鍛造金型の島部形成用溝の溝形成工数を短縮することができる。
また、島部形成用溝は、両端が半円状であるため、応力の集中が回避され、鍛造金型の寿命を更に延ばすことができる。

請求項３に係る発明では、凹部は、略台形形状を呈し、断面視で、底面の深さに相当、又はそれ以上の半径で描かれるアール面により、外縁部が底面に繋げられている。
鍛造金型に底面形成用突起を設けるが、この底面形成用突起に大きなアール面を設けることにより、底面形成用突起の耐久性を高めることができ、鍛造金型の寿命を一層延ばすことができる。
また、凹部の外周にはギヤ部が形成されており、このギヤ部に大きなトルクが伝達されても、大きなアール面により応力集中が大いに緩和されるため、噛み合いクラッチが破壊する心配はない。

請求項４に係る発明では、外縁部とトルク受け面の間のアールは、内縁部とトルク受け面の間のアールより大きい。すなわち、アール面を、大アールと小アールとで構成する。駆動側回転体の外周のギヤにトルクが伝達されても、外縁部とトルク受け面の間のアールが大アールであるため、応力集中が大いに緩和され、噛み合いクラッチが破壊する心配はなくなる。
一方、内縁部とトルク受け面の間のアールはギヤから遠い部位であるため、小アールで差し支えない。内縁部とトルク受け面の間のアールが、小アールであれば、噛み合いクラッチの形状設計の自由度が増す。

本発明に係る噛み合いクラッチを内蔵する歯車変速機の部分断面図である。歯車変速機の作用図である。図１の３−３矢視図である。図１の４−４矢視図である。凹部の斜視図である。図４の６−６線断面図である。噛み合いクラッチの作用図である。噛み合いクラッチの製造方法を説明する図である。図４の９−９線断面図である。別の断面について製造方法を説明する図である。図４の１１−１１線断面図である。鍛造金型の部分斜視図である。島部形成用溝の正面図である。図１２の１４−１４線断面図である。図８に示す噛み合いクラッチの製造方法の変更例を示す図である。従来のドッグクラッチの要部断面図である。従来のドッグクラッチの製造方法を示す図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１に示すように、歯車変速機１０に、駆動軸１１と従動軸１２が備えられる。
駆動軸１１に、第１ギヤ１３と、この第１ギヤ１３より大径の第２ギヤ１４が、圧入嵌合により一体的に取付けられる。

従動軸１２に、ニードル軸受１５を介して駆動側回転体としての第３ギヤ１６が回転自在に取付けられる。この第３ギヤ１６は、軸線方向の一側に凹部１７を有し、第１ギヤ１３に常時噛み合っている。
さらに、従動軸１２に、ニードル軸受１５を介して第４ギヤ１８が回転自在に取付けられる。この第４ギヤ１８は、軸線方向の一側に凹部１９を有し、第２ギヤ１４に常時噛み合っている。

第３ギヤ１６と第４ギヤ１８とに挟まるようにして、従動軸１２に筒形ガイド２１が嵌められ、この筒形ガイド２１にスプライン２２を介して軸移動自在に従動側回転体２３が取付けられる。
この従動側回転体２３は、軸線方向の一側と他側に凸部２４、２４を有し、外周に環状溝２５を有する。この環状溝２５にシフトフォーク２６が嵌められる。

駆動側回転体である第３ギヤ１６と従動側回転体２３とで、噛み合いクラッチ２０が構成される。
クラッチであるから動力系に介設されて、動力の断接を行う。動力の断接について、以下説明する。

従動側回転体２３は、いわゆる中立位置にある。駆動軸１１が回されると、第１ギヤ１３により第３ギヤ１６が回されると共に第２ギヤ１４により第４ギヤ１８が回されるが、ニードル軸受１５、１５により空転するため、従動軸１２は回されない。

シフトフォーク２６により、従動側回転体２３が軸方向に動かされると、図２（ａ）に示すように、従動側回転体２３の軸線方向他側の凸部２４が第４ギヤ１８の凹部１９に噛み合うか、又は図２（ｂ）示すように、従動側回転体２３の軸線方向一側の凸部２４が第３ギヤ１６の凹部１７に噛み合う。

図２（ａ）であれば、第４ギヤ１８と従動側回転体２３が機械的に連結される。すると、第２ギヤ１４と第４ギヤ１８を介して、駆動軸１１により従動軸１２が回される。
図２（ｂ）であれば、第３ギヤ１６と従動側回転体２３が機械的に連結される。すると、第１ギヤ１３と第３ギヤ１６を介して、駆動軸１１により従動軸１２が回される。
第１ギヤ１３と第２ギヤ１４は径が異なるため、図２（ａ）と図２（ｂ）では、従動軸１２の回転速度が異なる。
すなわち、シフトフォーク２６により、変速を行うことができる。

なお、図１において、駆動軸１１と従動軸１２とを入れ替えることができる。すなわち、符号１２を駆動軸、符号１１を従動軸、符号２３を駆動側回転体、符号１６を従動側回転体とすることができる。凸部２４は駆動側回転体（第３ギヤ１６）と従動側回転体２３の一方に設ければよく、凹部１７は他方に設ければよい。

図３に示すように、従動側回転体２３は、内周面にスプライン２２を有し、図面おもて側の面である側面に等ピッチで複数個（この例では６個）の凸部２４を備えるリングである。

図４に示すように、第３ギヤ１６は、複数個（この例では６個）の凹部１７を有する。凹部１７は、外縁部２８が内縁部２９より長くて、外縁部２８及び内縁部２９が、回転中心を中心として円弧状の略台形形状を呈する。外縁部２８と内縁部２９の両端を大アール３９及びこの大アール３９より曲率半径が小さい小アール４０を介して結ぶ脚が、トルク受け面３１、３１となる。

図５に示すように、凹部１７は、底面３２に、この底面３２から図面表へ突出し周方向へ延設される帯状の島部３３を有し、この島部３３とトルク受け面３１、３１との間に図面奥へ底面３２より窪む溝部３４、３４を有する。また、帯状の島部３３は、周方向の両端に半円部３５、３５を備える。

図６に示すように、島部３３とトルク受け面３１、３１との間に、溝部３４、３４が設けられる。
図７（ａ）に示すように、第３ギヤ１６の凹部１７に、従動側回転体２３の凸部２４が嵌まり、凸部２４の先端が島部３３に沿って滑ることにより、凸部２４の側面２７が凹部１７のトルク受け面３１に当たる。

ところで、図７（ｂ）に示す比較例もよく採用される。
凹部１０１の根元隅１０１ａは、切削加工の場合、一般公差として約０．２〜０．５ｍｍのアール（半径、以下同）とされる。
また、凹部１０１の根元隅１０１ａとの干渉を避けるため、凸部１０２の先端隅１０２ａのＣ面は、凹部１０１の根元隅１０１ａのアールより大きく設定される。

ここで、根元隅１０１ａのアール面を鍛造する場合を検討する。
根元隅１０１ａのアール面を鍛造する鍛造金型の凸部先端隅の破損を少なくする為、鍛造金型の凸部先端隅のアールを１ｍｍ以上にすることが考えられる。１ｍｍ以上にするとトルク受け面１０６自体が軸線方向に小さくなり、トルク受け面１０６の強度が確保できなくなる。強度を確保するには、トルク受け面１０６を更に、軸線方向に長く伸ばすことが考えられる。しかし、トルク受け面１０６を軸方向に伸ばすと、第３ギヤ１６の凹部１７と従動回転体２３の凸部２４が軸線方向に長くなることに繋がり、結果として歯車変速機１０の構成部品が大型化しコスト上昇につながり、好ましくない。

対策として、切削加工のようにアールを小さくすることで、トルク受け面１０６の軸線方向の長さを確保することが考えられる。すなわち、凹部１０１の根元隅１０１ａのアールを１ｍｍ以下より小さくすることで、トルク受け面１０６の軸線方向の長さを確保する。そのためには、根元隅１０１ａのアール面を鍛造する鍛造金型の凸部先端隅を１ｍｍより小さなアールにしなければならない。しかし、１ｍｍより小さい鍛造金型の凸部先端隅は、鍛造時に応力が集中し、鍛造金型の凸部先端隅が破損しやすくなり、好ましくない。

この点、実施例の図７（ａ）では、溝部３４が設けられているので、凸部２４の先端隅２４ａが凹部１７の根元隅に干渉することがなく、軸線方向に必要なトルク受け面３１が確保されて、凸部２４の側面２７はトルク受け面３１に確実に当たり、駆動側回転体（第３ギヤ１６）から従動側回転体２３にトルクが伝達される。
また、溝部３４内のアールを１ｍｍ以上（好ましくは、１．５ｍｍ以上）と大きくすれば、鍛造金型の凸部先端隅が破損しにくくなる。

次に凹部１０１と凹部１７の形成方法を各々説明する。なお、図８では説明の便宜上、（ｂ）で従来の比較例を説明し、（ｃ）、（ｄ）で実施例を説明する。

図８（ａ）で素材１０９を準備し、切削加工により、（ｂ）に示すような凹部１０１を形成する。「▽」は仕上げ面を示す。

これに対して、本発明では、図８（ａ）で素材１０９を準備し、図８（ｃ）に示すように鍛造金型（詳細後述）を用いて、凹部１７を塑性加工法により形成（形成）する。この段階では、溝部３４、３４及び島部３３の表面は、鍛造黒皮である。「〜」は鍛造黒皮を示す。

島部３３の上部に削り代３６が予め見込まれており、島部３３の上部をフライスカッタで切削する。
結果、図８（ｄ）に示すように、島部３３の上部に切削面３７ができる。底面３２、溝部３４のその他の部位は鍛造黒皮のままである。図８（ｂ）に比較して図８（ｄ）は切削屑の発生量が格段に小さくなる。

また、図９に示すように、凹部１７において、底面３２から島部３３が突出している。好ましくは、断面視で、底面３２の深さＤ１に相当する半径Ｒ又はそれ以上の半径Ｒで描かれるアール面３８により、外縁部２８を底面３２に繋げる。

図９に示す凹部１７の形成方法を説明する。なお、図１０では説明の便宜上、（ｂ）で従来の比較例を説明し、（ｃ）、（ｄ）で実施例を説明する。
図１０（ａ）で素材１０９を準備し、切削加工により、（ｂ）に示すような凹部１０１を形成する。「▽」は仕上げ面を示す。

これに対して、本発明では、図１０（ａ）で素材１０９を準備し、図１０（ｃ）に示すように鍛造金型（詳細後述）を用いて、凹部１７を形成する。この段階では、底面３２、３２、島部３３及び溝部３４の表面は、鍛造黒皮である。「〜」は鍛造黒皮を示す。
島部３３の上部に削り代３６が予め見込まれており、島部３３の上部をフライスカッタで切削する。

結果、図１０（ｄ）に示すように、島部３３の上部に切削面３７ができる。底面３２、溝部３４のその他の部位は鍛造黒皮のままである。図１０（ｂ）に比較して図１０（ｄ）は切削屑の発生量及び切削時間が格段に小さくなる。

次に、凹部１７における溝部３４と切削面３７と底面３２の深さの差異を説明する。
図１１（ａ）に比較例を示し、溝部１１１と底面１１２を同じ深さｄ１とし、切削面１１３の深さｄ２をｄ１より小さくした。底面１１２が面積比で最大であるため、底面１１２を広幅にして示した。

一方、図１１（ｂ）に示す実施例では、底面３２の深さＤ１に対して、溝部３４を深くし（Ｄ１＜Ｄ２）、切削面３７を浅くした（Ｄ３＜Ｄ１）。底面３２が面積比で最大であるため、底面３２を広幅にして示した。

（ａ）の底面１１２における製品厚さｄ４と、（ｂ）の底面３２における製品厚さＤ４を比較すると、（ｂ）の製品厚さＤ４が大きくなる（ｄ４＜Ｄ４）。この製品厚さＤ４が大きいほど、駆動側回転体としての第３ギヤ１６の強度が大きくなる。
また、鍛造金型の寿命向上には、鍛造金型への応力低減が必要である。よって、面積が大きな底面３２を溝部３４より浅くすることが望まれる。

一方、（ｂ）では、溝部３４を鍛造成形する部分の鍛造金型（後述する溝部成形用突起５２）は、素材１０９への押出し長さが、底部３２を形成する部分の鍛造金型（後述する底面形成用突起５１）より長いため、応力が集中するが、溝部３４の底のアールを１ｍｍ以上（好ましくは１．５ｍｍ以上）とすれば、応力の集中が低減される。
また、溝部３４を鍛造成形する部分の鍛造金型が多少摩耗して鍛造成形される溝部３４が多少浅くなっても、溝部３４が底面３２より深いので、切削面３７上を滑る凸部２４（図７（ａ）参照）の先端が、溝部３４と干渉することを防止し、凸部２４の側面２７が凹部３７のトルク受け面３１に確実に当たる。

次に、鍛造金型の構造を説明する。
図１２に示すように、鍛造金型５０に、底面形成用突起５１を設け、この底面形成用突起５１に溝部形成用突起５２、５２を設け、これらの溝部形成用突起５２、５２の間にて、底面形成用突起５１に島部形成用溝５３を設ける。

図１３に示すように、島部形成用溝５３は、周方向の両端が半円である。島部形成用溝５３の溝幅Ｗに対応する外径のエンドミル５４により１パス加工を施すだけで、両端に半円が形成できる。結果、鍛造金型５０の島部形成用溝５３の溝形成工数を短縮することができる。
また、島部形成用溝５３は、両端が半円であるため、応力の集中が回避され、鍛造金型５０の寿命を更に延ばすことができる。

また、図１４に示すように、底面形成用突起５１に、突起５１の高さと同等か、それ以上の大きなアール面５５を設けることにより、底面形成用突起５１の耐久性を高めることができ、鍛造金型５０の寿命を一層延ばすことができる。

また、図１５（ａ）に示すように、島部３３に削り代３６を見込む他、トルク受け面３１に削り代３６ｂを見込んだ形態の凹部１７を鍛造形成する。次に、削り代３６及び削り代３６ｂを切削加工により削除する。
結果、図１５（ｂ）に示すように、島部３３の上面が切削面３７になると共に、トルク受け面３１が仕上げ面とされた駆動側回転体１６が得られる。

図１５は、トルク受け面３１に精度が要求されるときに、推奨される。
図１５であっても、図１５（ａ）に示すように、凹部１７が鍛造で形成され、削り代３６、３６ｂの厚さは大きくないため、全て切削加工で製造する場合に比較して、切り屑を大幅に減らすことができる。

尚、本発明の駆動側回転体１６は、実施例では歯車変速機に内蔵されるギヤに適用した。しかし、駆動側回転体１６は、ドッグクラッチやジョークラッチと呼ばれる噛み合いクラッチを構成する回転体であればよく、ギヤに限るものではない。

本発明は、ドッグクラッチやジョークラッチと呼ばれる噛み合いクラッチに好適である。

１６…駆動側回転体（第３ギヤ）、１７…凹部、２０…噛み合いクラッチ、２３…従動側回転体、２４…凸部、２７…凸部の側面、２８…外縁部、２９…内縁部、３１…トルク受け面、３２…底面、３３…島部、３４…溝部、３５…半円部、３６…削り代、３７…切削面、３８…アール面、Ｄ１…底面の深さ、Ｄ２…溝部の深さ、Ｄ３…切削面の深さ。

Claims

駆動側回転体（１６）と従動側回転体（２３）の一方に凸部（２４）を設け、他方に凹部（１７）を設け、この凹部（１７）へ前記凸部（２４）を噛み合わせ、前記凹部（１７）のトルク受け面（３１）へ前記凸部（２４）の側面（２７）を当てることで、前記駆動側回転体（１６）から前記従動側回転体（２３）へ駆動力を伝える噛み合いクラッチにおいて、
前記凹部（１７）は、底面（３２）に、この底面（３２）から突出する帯状の島部（３３）を周方向に有すると共にこの島部（３３）と前記トルク受け面（３１）との間に溝部（３４）を有し、
前記溝部（３４）及び前記底面（３２）は、鍛造金型（５０）により成形され、表面が鍛造黒皮とされ、
前記島部（３３）は、前記鍛造金型（５０）により成形された後に上部が切削されることで形成され前記凸部（２４）の先端面を受ける切削面（３７）を有し、
前記溝部（３４）は、前記底面（３２）より更に深く、前記切削面（３７）は、前記底面（３２）より浅く形成されていることを特徴とする噛み合いクラッチ。
前記周方向に延設される帯状の島部（３３）は、一端及び他端が半円状であることを特徴とする請求項１記載の噛み合いクラッチ。
前記凹部（１７）の外周にはギヤ部（１６）が形成され、前記凹部（１７）は、周方向に形成された前記トルク受け面（３１、３１）の外周を繋ぐ外縁部（２８）が、前記トルク受け面（３１、３１）の内周を繋ぐ内縁部（２９）より長くて前記外縁部（２８）及び前記内縁部（２９）が円弧状の略台形形状を呈し、断面視で、前記底面（３２）の深さに相当、又はそれ以上の半径で描かれるアール面（３８）により、前記外縁部（２８）が前記底面（３２）に繋げられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の噛み合いクラッチ。
前記外縁部（２８）と前記トルク受け面（３１）の間のアール（３９）は、前記内縁部（２９）と前記トルク受け面（３１）の間のアール（４０）より大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の噛み合いクラッチ。