JP5686761B2 - 磁気粘性流体を用いたトルクコンバータ - Google Patents

Description

本発明は、車両用変速機等に使用されるトルクコンバータで、とくに作動流体としてオイルの代わりに磁気粘性流体を用いたトルクコンバータに関する。

従来、作動流体としてオイルを用いたトルクコンバータがトルク伝達のため多くの分野で利用されてきたが、小型化と伝達効率向上のためオイルよりも比重の大きい磁気粘性流体を用いたトルクコンバータも検討されている。
そして、とくに車両用変速機等に使用するものでは、ロックアップ機能も必須であるので、磁気粘性流体を用いることで磁力制御による精度の高いロックアップ制御が可能となることも期待される。
このような磁気粘性流体を用いたトルクコンバータとして、例えば実開平７−２６６３号公報に開示されたものがある。

この従来の磁気粘性流体を用いたトルクコンバータでは、インペラ羽根とタービン羽根が対向する外周縁近傍に励磁コイルを配置し、その外方に順次誘導コイルおよび起電コイルを設けて、起電コイル側から誘導コイルを経て励磁コイルに電力を供給するようになっている。
そして、励磁コイルによる磁力で磁気粘性流体を磁化させるとその降伏応力（見掛け上の粘度）が変化する。したがって磁力を制御することによりポンプインペラとタービンランナ間の滑り抵抗を変化させ、例えば負荷側の回転が十分に上がっていない場合は磁気粘性流体に磁力制御をかけないで磁気粘性流体の慣性力でタービンランナにトルクを発生させ、負荷側の回転が上昇してきたら磁気粘性流体に磁力をかけてポンプインペラとタービンランナの滑りを小さくして、ロックアップまできめ細かな制御が可能となることを狙っている。

実開平７−２６６３号公報

しかしながら、インペラ羽根とタービン羽根の対向部位近傍に励磁コイルを配置した構造では効率の良い磁気回路は形成されないので、励磁コイルに大きな磁力を発生させても完全にロックアップできるには至らないと考えられる。
逆に、磁気粘性流体における磁束は発散特性を有するので、インペラ羽根とタービン羽根の外周縁対向部位で励磁コイルからの磁力を磁気粘性流体に及ぼすと、磁束密度の広域の分散化が生じてトルクコンバータの流体回路内に漏れ、循環流に粘度の影響を与えることになり、トルクコンバータ本来のトルク増幅機能を低下させてしまう可能性がある。

また、たとえロックアップできるとして、誘導コイルおよび励磁コイルはインペラ羽根と一体回転するコンバータカバーの最外周部に配置されているので、コンバータカバー内の磁気粘性流体は回転による遠心力を受け、とくにロックアップでインペラ羽根とタービン羽根が共に回転しているときは遠心分離により磁気粘性流体から分離した鉄粉がコンバータカバーの最外周部に集中することになる。したがってこの鉄粉が励磁コイルおよびインペラ羽根とタービン羽根の間などに固着するとロックアップの解除が不能となるおそれもある。
したがって上記従来の磁気粘性流体を用いたトルクコンバータは、その狙いにもかかわらず、いまだ実用は困難であるのが実情である。

したがって本発明は、上記従来の問題点にかんがみ、確実なロックアップが可能で、しかも循環流に影響を与えることのない実用度の高い磁気粘性流体を用いたトルクコンバータを提供することを目的とする。

本発明は、それぞれ回転可能なポンプインペラ、タービンランナおよびステータの間に作動流体を循環させてトルク伝達を行うトルクコンバータにおいて、
作動流体を封入した固定側のユニットハウジング内にポンプインペラ、タービンランナおよびステータを配置するとともに、作動流体を磁気粘性流体とし、
ユニットハウジング内であって、作動流体の循環路を形成するトーラスの外部に、ポンプインペラ側に連結された磁性部材からなる複数の第１クラッチ板とタービンランナ側に連結された磁性部材からなる複数の第２クラッチ板とをポンプインペラおよびタービンランナの回転軸線方向に所定の間隙をもって対向させて交互に並べて配置するとともに、
コイルを備えたヨーク部を第１クラッチ板および第２クラッチ板の並び列に回転軸線方向で対向させて配置し、
ヨーク部材と第１クラッチ板および第２クラッチ板との間にコイルの通電による磁気回路を形成し、
第１クラッチ板と第２クラッチ板は回転軸線からの径方向においてトーラスより内側であって、回転軸線方向でトーラスと重なる位置に配置されている構成の磁気粘性流体を用いたトルクコンバータとした。

本発明によれば、コイルへの通電の制御によりヨーク部材、第１クラッチ板および第２クラッチ板の各間隙に存する磁気粘性流体を磁化してその降伏応力（見掛け上の粘度）を効率よく変化させ、必要に応じてポンプインペラとタービンランナの滑りをなくさせることによりロックアップが可能である。
そして、ヨーク部材および各クラッチ板間の間隙内の磁気粘性流体の見掛け上の粘度を変化させている間、磁気回路の磁束は離間した循環路の磁気粘性流体に影響を与えないので、循環流によるトルク増幅機能を低下させることもない。

本発明の実施の形態を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は実施の形態を示す断面図である。
トルクコンバータ１は、変速機ケース２などに結合される固定側のユニットハウジング６内に、循環路Ａを形成するトーラス１０とクラッチ機構３０を配置して構成されている。
トーラス１０は、ポンプインペラ１１、タービンランナ１５およびステータ２０とからなり、これらにより作動流体の循環流を生起する。
ポンプインペラ１１はエンジンなど不図示の動力源に連結される入力軸３に接続した入力シェル１２の外周部にインペラ羽根保持部１３を備え、インペラ羽根保持部１３にインペラ羽根１４を保持している。
タービンランナ１５は、入力軸３と共通の回転軸線Ｚ上を直列に延びる主軸４に接続した出力シェル１６の外周部にタービン羽根保持部１７を備え、タービン羽根保持部１７にタービン羽根１８を保持している。

インペラ羽根保持部１３とタービン羽根保持部１７は主軸４からの径方向に対向し、インペラ羽根１４が径方向外側、タービン羽根１８が径方向内側に位置している。
インペラ羽根１４とタービン羽根１８の間に挟まれて配置されたステータ２０は、ワンウエイクラッチ２２により１方向回転可能なステータベース２１に支持されており、主軸４と平行な方向から作動流体の循環路Ａに臨んでいる。ワンウエイクラッチ２２はユニットハウジング６に固定されたワンウエイクラッチ支持部７に取付けられている。ワンウエイクラッチ支持部７はユニットハウジング６と一体成型でもよい。

ポンプインペラ１１の入力シェル１２とタービンランナ１５の出力シェル１６とは軸方向に離間して配置され、タービン羽根保持部１７と主軸４の間に所定のスペースＳが形成されている。このスペースＳに、クラッチ機構３０を形成するための後述のクラッチ板が配置される。
入力軸３と主軸４はそれぞれラジアルベアリング８ａ、８ｂを介してユニットハウジング６に支持されている。
ユニットハウジング６内は作動流体として磁気粘性流体で満たされ、ユニットハウジング６と入力軸３間およびユニットハウジング６と主軸４間にはそれぞれラジアルベアリング８ａ、８ｂに隣接してそれぞれの内側にオイルシール９ａ、９ｂが設けられ、磁気粘性流体の漏れを阻止するようになっている。
ユニットハウジング６の外周壁６ａは変速ケース２の延長部として外気に面する。

つぎに、クラッチ機構３０について説明する。
上述したタービン羽根保持部１７と主軸４の間のスペースＳにおいて、入力シェル１２からドラム部３１が軸方向に出力シェル１６近傍まで延び、ドラム部３１の内壁から径方向に主軸４近傍まで延びる円盤状の第１クラッチ板３２が所定の間隙をもって軸方向等間隔に複数枚設けられている。ドラム部３１はアルミニウムなどの非磁性体とされ、第１クラッチ板３２は鉄など透磁率の高い磁性体とする。
また、主軸４から径方向には円盤状の第２クラッチ板３５がドラム部３１の内壁近傍まで延びている。第２クラッチ板３５は第１クラッチ板３２と同様に透磁率の高い磁性体で、第１クラッチ板３２間の各間隙の中央に位置するように軸方向等間隔に複数枚設けられている。なお、第２クラッチ板３５と主軸４との間には小径幅の非磁性体部３４を挟んでいる。
これにより、入力シェル１２から出力シェル１６までの間に第１クラッチ板３２と第２クラッチ板３５が交互に配置される。第１クラッチ板３２と第２クラッチ板３５の互いに対向する面は平滑な平面である。

入力シェル１２における第２クラッチ板３５と軸方向に対向する領域は平滑な平板部３７とされ、この平板部３７に対面する第２クラッチ板３５との間隙は、互いに隣接する第１クラッチ板３２と第２クラッチ板３５間の間隙と略同等に設定してある。
平板部３７は透磁率の高い磁性体とする。なお、入力シェル１２が磁性体であるときは、平板部３７の径方向内側および外側に所定の径幅の非磁性体部を設ける。図１においては入力シェル１２が非磁性体のアルミニウム合金製として、平板部３７の径方向両側が素材のまま残っている状態を示している。

また、出力シェル１６における第１クラッチ板３２と軸方向に対向する領域も平滑な平板部３９とされ、この平板部３９に対面する第１クラッチ板３２との間隙は、互いに隣接する第１クラッチ板３２と第２クラッチ板３５間の間隙と略同等に設定してある。
そして、平板部３９を透磁率の高い磁性体とし、出力シェル１６が磁性体であるときは、平板部３９の径方向内側および外側に所定の径幅の非磁性体部を設ける。図１においては出力シェル１６が非磁性体のアルミニウム合金製として、平板部３９の径方向両側が素材のまま残っている状態を示している。

ユニットハウジング６には、ワンウエイクラッチ支持部７より内径側に、出力シェル１６に対向し鉄など透磁率の高い磁性体からなるヨーク部４０を設けてある。
ヨーク部４０は軸方向から見たときの第１クラッチ板３２と第２クラッチ板５３の重なり幅に略対応する径方向幅を有するリング状であり、出力シェル１６の平板部３９に対向する。ヨーク部４０の平板部３９との対向面は平滑であり、出力シェル１６との間隙は互いに隣接する第１クラッチ板３２と第２クラッチ板３５間の間隙と略同等に設定してある。

ヨーク部４０の出力シェル１６との対向面の径方向中央部には主軸４を中心とするリング状のコイル収納溝４１が形成され、ここにリング状に巻かれたコイル４２が取付けられている。とくに図示しないが、コイル４２の引き出し線はコイル収納溝４１からヨーク部４０を軸方向へ貫通してユニットハウジング６の側壁６ｃなどから外部へ導かれる。
ここでは、コイル４２を保持するヨーク部４０がユニットハウジング６側に固定されているので、コイル４２の引き出し線途中にスリップリングやブラシは不要であるから、摺動抵抗の発生もなく、通電の高い安定性と耐久性を有する。

第１クラッチ板３２、第２クラッチ板３５、入力シェル１２と出力シェル１６の各平板部３７、３９およびヨーク部４０とでいわゆる多板クラッチが構成される。すなわち、コイル４２に通電することにより、図１に破線で示すように、それぞれ高磁性体で形成されたヨーク部４０から出力シェル１６の平板部３９、交互に配置された第１クラッチ板３２および第２クラッチ板３５、そして入力シェル１２の平板部３７を経由する実効的な磁気回路が形成されるので、通電を制御することにより各多板クラッチ構成部材間を満たしている磁気粘性流体の見掛け上の粘度（降伏応力）を制御することができ、これにより、ポンプインペラ１１とタービンランナ１５間の滑りを制御可能である。

クラッチ機構３０はユニットハウジング６内におけるタービン羽根保持部１７と主軸４の間のスペースＳに構成され、トーラス１０で形成される作動流体（磁気粘性流体）の循環路Ａからドラム部３１によって隔絶されている。そして、クラッチ機構３０で生起される磁束は、ヨーク部４０とこれに対向する第１、第２クラッチ板３２、３５（および入力シェル１２と出力シェル１６の各平板部３７、３９）との間に閉じた磁気回路を形成してほとんど外部へ漏れないから、循環路Ａ内の磁気粘性流体に影響を及ぼさない。
したがって、トルクコンバータ１は上述のクラッチ機構３０を備えることにより、循環流に影響を与えることなく、確実なロックアップが可能である。

本実施の形態では、軸方向にポンプインペラとタービンランナの間にステータを位置させた従来一般的な配置と異なり、ワンウエイクラッチ支持部７をポンプインペラ１１の入力シェル１２とタービンランナ１５の出力シェル１６間のスペースＳ外に位置させてユニットハウジング６に固定しているので、実開平７−２６６３号公報には図示省略されているが従来必要であったステータ（ステータベース）と入力シェルおよび出力シェルとの間の軸方向シールが不要である。
相対回転部分でのシールは、ユニットハウジング６と入力軸３および主軸４との間のみであり、回転軸に沿っているので遠心油圧の影響を受けることがないとともに、構成簡単でシール機能の安定したラジアルタイプを使用することができる。

なお、図１には実施の形態にかかるトルクコンバータの骨格を示したが、製作に当たっては、例えばユニットハウジング６の入力軸側の側壁６ｂを外周壁６ａおよび側壁６ｃに対するカバーとして分離可能とし、側壁６ｂを外したユニットハウジング６内にステータ２０、ヨーク部４０、タービンランナ１５を順次組み込み、さらにあらかじめサブセンブリしたドラム部３１、第１クラッチ板３２および第２クラッチ板３５をクラッチパックとして主軸４に組み込むことができる。この場合には、とくに図示していないが、各第２クラッチ板３５の非磁性体部３４を連結して主軸４に嵌合する連結筒を設けて、各第２クラッチ板３５間の間隔を規定すればよい。
このあとポンプインペラ１１をクラッチパックのドラム部３１に結合すれば、側壁６ｂでカバーすることができる。なお、クラッチパックをあらかじめポンプインペラ１１に結合しておくこともできる。
ポンプインペラ１１と入力軸３の接続、およびタービンランナ１５と主軸４の接続はスプライン結合によればよい。
この例示以外にも種々の製作・組立構造が可能である。

本実施の形態では、ヨーク部４０が発明におけるヨーク部材に該当し、主軸４が出力軸に該当している。

実施の形態は以上のように構成され、作動流体を磁気粘性流体としたトルクコンバータ１において、作動流体を封入した固定側のユニットハウジング６内にポンプインペラ１１、タービンランナ１５およびステータ２０を配置するとともに、ユニットハウジング６内であって、作動流体の循環路Ａを形成するトーラス１０の外部に、ポンプインペラ１１側に連結された磁性部材からなる第１クラッチ板３２とタービンランナ１５側に連結された磁性部材からなる第２クラッチ板３５とをポンプインペラ１１およびタービンランナ１５の回転軸線Ｚ方向に所定の間隙をもって対向させて交互に並べて配置するとともに、コイル４２を備えたヨーク部４０を第１クラッチ板３２および第２クラッチ板３５の並び列に回転軸線Ｚ方向で対向させて配置し、ヨーク部４０と第１クラッチ板３２および第２クラッチ板３５との間にコイル４２の通電による磁気回路を形成するように構成した。
これにより、通電の制御によりヨーク部４０および各クラッチ板３２、３５の間隙に存する磁気粘性流体の粘度を効率よく変化させ、必要に応じてポンプインペラ１１とタービンランナ１５の滑りをなくさせることによりロックアップが可能である。（請求項１に対応する効果）

また、ヨーク部４０および各クラッチ板３２、３５の間隙内の磁気粘性流体の粘度を変化させている間、磁気回路の磁束は離間した循環路Ａの磁気粘性流体に影響を与えないので、循環流によるトルク増幅機能を低下させることもない。
さらに、ポンプインペラ１１、タービンランナ１５およびステータ２０がユニットハウジング６内に配置されているので、ポンプインペラ１１、タービンランナ１５およびステータ２０間において作動流体（磁気粘性流体）に対するシールは不要である。
そして、作動流体はユニットハウジング６の壁面６ａが外気に曝されるので効率よく熱交換されて、放熱が容易である。（請求項１に対応する効果）

第１クラッチ板３２と第２クラッチ板３５は回転軸線Ｚからの径方向においてトーラス１０より内側に配置され、内側のスペースＳが有効利用され、トルクコンバータ１の全体サイズが小型化される。
そして、トーラス１０の回転によって磁気粘性流体からの鉄粉の遠心分離が生じることがあっても、第１クラッチ板３２と第２クラッチ板３５は内径側に配置されているので、各クラッチ板間に鉄粉が固着してその締結、解放に悪影響を及ぼすと言うようなことがない。

ポンプインペラ１１は入力軸３に接続した入力シェル１２の外周部にインペラ羽根保持１３部を備え、タービンランナ１５は入力軸３と共通の回転軸線Ｚ上を延びる主軸４に接続した出力シェル１６の外周部にタービン羽根保持部１７を備えて、インペラ羽根１４とタービン羽根１８が回転軸線Ｚからの径方向で対向し、また、第１クラッチ板３２と第２クラッチ板３５が入力シェル１２と出力シェル１６間のスペースＳに配置され、ステータ２０が当該スペースＳの外部から循環路Ａに臨んでいるので、ステータ２０（のワンウエイクラッチ２２）を固定側のユニットハウジング６に支持させることができ、構成が簡単となる。
そして、ステータ２０はトーラス１０（循環路Ａ）に沿って回転軸線Ｚから遠い外周側の位置となるので、内周側に位置した場合と比較してステータトルクが増大し、トルクコンバータ１のトルク比を大きく設計することが可能となる。

第１クラッチ板３２は、その外周が入力シェル１２から軸方向に延びる非磁性体のドラム部３１に接続されて、径方向内方へ延びるとともに、第２クラッチ板３５は、その内周が非磁性体部を介して主軸４に接続し径方向外方へ延びることにより、入力シェル１２と出力シェル１６間のスペースＳに効率良く収まる。
そして、第１クラッチ板３２および第２クラッチ板３５はそれぞれの接続先との間に非磁性体を介しているので、磁束が第１クラッチ板３２および第２クラッチ板３５の並び列から発散せず、各クラッチ板間に効率よく集中する。

ヨーク部４０は、出力シェル１６を挟んでスペースＳの外部に配置されているので、固定側のユニットハウジング６に取り付けることができ、コイル４２への配線も容易である。
ここで、出力シェル１６は、第１クラッチ板３２と第２クラッチ板３５の並び列に回転軸線Ｚ方向に対向する部位を磁性部材としているので、出力シェル１６が間に介在しても、ヨーク部４０と第１クラッチ板３２および第２クラッチ板３５との間に有効な磁気回路が形成され、磁束が外部へ漏れにくい。
さらに入力シェル１２における第１クラッチ板３２と第２クラッチ板３５の並び列に回転軸線Ｚ方向で対向する部位を磁性部材としているので、磁気回路がヨーク部４０から入力シェル１２まで及び、磁気粘性流体の粘度を変化させ得る領域が増大して、ロックアップを含む制御機能が一層向上する。

なお、実施の形態ではステータ２０を主軸４と平行な方向から作動流体の循環路Ａに臨ませたものとしたが、インペラ羽根保持部１３とタービン羽根保持部１７を主軸４と平行な方向で対向させ、ステータ２０を径方向外方から循環路Ａに臨ませるように配置することもできる。

１ トルクコンバータ
２ 変速機ケース
３ 入力軸
４ 主軸
６ ユニットハウジング
６ａ 外周壁
６ｂ、６ｃ 側壁
７ ワンウエイクラッチ支持部
８ａ、８ｂ ラジアルベアリング
９ａ、９ｂ オイルシール
１０ トーラス
１１ ポンプインペラ
１２ 入力シェル
１３ インペラ羽根保持部
１４ インペラ羽根
１５ タービンランナ
１６ 出力シェル
１７ タービン羽根保持部
１８ タービン羽根
２０ ステータ
２１ ステータベース
２２ ワンウエイクラッチ
３０ クラッチ機構
３１ ドラム部
３２ 第１クラッチ板
３４ 非磁性体部
３５ 第２クラッチ板
３７、３９ 平板部
４０ ヨーク部
４１ コイル収納溝
４２ コイル
Ａ 循環路
Ｓ スペース
Ｚ 回転軸線

Claims (6)

1. それぞれ回転可能なポンプインペラ、タービンランナおよびステータの間に作動流体を循環させてトルク伝達を行うトルクコンバータにおいて、
   前記作動流体を封入した固定側のユニットハウジング内に前記ポンプインペラ、タービンランナおよびステータを配置するとともに、前記作動流体を磁気粘性流体とし、
   前記ユニットハウジング内であって、前記作動流体の循環路を形成するトーラスの外部に、前記ポンプインペラ側に連結された磁性部材からなる複数の第１クラッチ板と前記タービンランナ側に連結された磁性部材からなる複数の第２クラッチ板とを前記ポンプインペラおよびタービンランナの回転軸線方向に所定の間隙をもって対向させて交互に並べて配置するとともに、
   コイルを備えたヨーク部を前記第１クラッチ板および第２クラッチ板の並び列に回転軸線方向で対向させて配置し、
   前記ヨーク部材と前記第１クラッチ板および第２クラッチ板との間に前記コイルの通電による磁気回路を形成し、
   前記第１クラッチ板と第２クラッチ板は前記回転軸線からの径方向において前記トーラスより内側であって、回転軸線方向で前記トーラスと重なる位置に配置されていることを特徴とする磁気粘性流体を用いたトルクコンバータ。
2. 前記ポンプインペラは入力軸に接続した入力シェルの外周部にインペラ羽根保持部を備え、
   タービンランナは入力軸と共通の回転軸線上を延びる出力軸に接続した出力シェルの外周部にタービン羽根保持部を備え、
   前記ポンプインペラのインペラ羽根と前記タービンランナのタービン羽根が前記回転軸線からの径方向で対向し、
   前記第１クラッチ板と第２クラッチ板が前記入力シェルと出力シェル間のスペースに配置され、
   前記入力シェルと出力シェル間のスペースの外部から前記ステータが前記循環路に臨んでいることを特徴とする請求項１に記載の磁気粘性流体を用いたトルクコンバータ。
3. 前記第１クラッチ板は、その外周が前記入力シェルから軸方向に延びる非磁性体のドラム部に接続されて、径方向内方へ延びており、
   前記第２クラッチ板は、その内周が非磁性体部を介して前記出力軸に接続して、径方向外方へ延びていることを特徴とする請求項２に記載の磁気粘性流体を用いたトルクコンバータ。
4. 前記ヨーク部材は、前記出力シェルを挟んで前記スペースの外部に配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載の磁気粘性流体を用いたトルクコンバータ。
5. 前記出力シェルは、少なくとも前記第１クラッチ板と第２クラッチ板の並び列に前記回転軸線方向に対向する部位を磁性部材としていることを特徴とする請求項４に記載の磁気粘性流体を用いたトルクコンバータ。
6. さらに前記入力シェルの少なくとも前記第１クラッチ板と第２クラッチ板の並び列に前記回転軸線方向で対向する部位を磁性部材とすることを特徴とする請求項５に記載の磁気粘性流体を用いたトルクコンバータ。

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