JP5816895B2 - 流体摩擦伝達力制限装置 - Google Patents

Description

機械装置のトルク伝達装置

機械装置の駆動力伝達制御には、粘性接ぎ手、流体接ぎ手、摩擦板クラッチ、歯車と爪のラチェット、コイルスプリングの巻きつき摩擦クラッチ、１９３２年のスプラグ式ワンウエイクラッチ、及び円筒ローラーと多角形のカムリングのワンウエイクラッチ、それを応用した２ウエイクラッチ、などがある。これらの古典的手法に対して、転がり接触の流体摩擦伝達力制限装置、特許２９０３３２５号がある。これは円すい面でなる内輪軌道面と外輪軌道面の間に傾斜したスキュウド、ローラを介装すると、トルクを負荷したときに、ローラが噛み合って内外輪の軌道間に食い込み、接点下に高圧の閉じ込め油膜を生じて、これに浮上したローラがスベリながら固化油膜のせん断抵抗でトルクを伝達する手段である。

前述の油膜とは、転がり接触下の弾性流体潤滑理論（ＥＨＬ）で、英、Ｄ．Ｄｏｗｓｏｎ，．Ｈｉｇｇｉｎｓｏｎ．Ｖ．Ｗｈｉｔａｋｅｒ：Ｊ．Ｍｅｃｈ．Ｅｎｇ，．４，２（１９６２）１２１．によって、潤滑油が高圧で閉じ込められて、弾性固化する、ことが論証され、以降、転がり軸受、無断変速機ＣＶＴ等実用面で長足に進歩した、技術である。

実開平６−１２７２６ 特許登録番号第２９０３３２５ 特許登録番号第４６１４１６７ 特願番号２０１１−２４５９５７

前記の、スプラグ式とローラ式のワンウエイクラッチの課題を述べる。スプラグ式は、ヘリコプターなど回転翼機の、エンジン故障時に、瞬時にエンジンを切り離して滑空する安全装置のオートローテーションに使用されている。過去不具合の都度対症療的手法でスプラグの硬さをビッカース硬度で２０００近くまで上げたり、保持器の強化などを経て来た。しかし近時のトライボロジの観点では、接点に油膜が超高圧で閉じ込められて固化転移し、擬似凍結し瞬間軌道面に固着する、又は微振動負荷では接点から油分が払拭されて金属表面が露出すると面圧で金属同士の分子間の結合力で固着する。その引き剥がし抵抗の反動で、スプラグを押えているリボンバネが変形し保持器を破損（ポップアウト）したり共振しながらトルクが作用すると、一部のスプラグだけが噛み合いロールオーバ、するといった構造上の矛盾が指摘される。

また前記のメカニカルクラッチは、軌道と常に摺接しており、高速オーバーラニングでは、スプラグの遠心力による浮き上がりと、共振を押えるためのリボンバネで押し付けるので摩滅し短寿命で、ローラー式クラッチも、接点のカム面が同じ位置で永久に噛み合うので陥没摩耗する、同時にカム溝の角部の薄肉部に応力が集中して疲労破壊する。許容回転速度も通常２０００ｒｐｍ以下に制限され、遠心力の大きさに応じて都度設計仕様を変えて、変動入力にはダンパーを、過剰入力にはトルクリミッタの併用が不可欠である。

上述の多くの課題に鑑み、冒頭の流体摩擦伝達力制限装置特許２９０３３２５および、その後改良の特許４６１４１６７、が発明された。当該構成では、親和性の高い６Ａ族遷移金属の極圧添加剤を含有した潤滑剤、例えば二硫化モリブデンなどを用いると、接点下の閉じ込め油膜がスクイズアウトする際に出来るスクイズフィルム（スクイズ流体膜）に添加剤が吸着して、摩擦係数が百分の一（μ＜０．０１）以下に低下し、トルクの大小に拘わらず速度が一定の、等速で粘性回転する流体継手に類似の機能を有することが実験で確かめられている。

また、エステル系潤滑剤使用では、滑りが無く、強固に確実に噛み合う一方クラッチになる。この発明では軌道輪を僅かに（１ミリ）軸方向に離せば、トルクは遮断され、軽く接すれば、スキュウしたローラーのトラクションの軸方向成分で狭小側に引き寄せられて自己保持締結のクラッチになる。噛み合う際は、入出力軸間の回転差を、油膜の粘性流体、塑性体、弾性体への遷移過程と、ヘルツ弾性と、内外輪の膨張収縮の弾性とで吸収し、柔らかなクッション機能を有する。
更に、当該方式はトルク容量が非常に大きい、例えば、外径ψ１００ｍｍ、幅５２ｍｍで、ローラーがψ８×３２ｍｍ、１８本使用では、ローラー面圧が３．０ＧＰａになるときの負荷トルクは、１５０ｋｇ−ｍ、に達する。

これの実施上の課題について述べる。
従来の図９、の軌道輪の内輪は、円すいの小径側では肉厚が薄く、大径側で厚い、外輪はその逆で、そのため噛み合ったときのローラと接する軌道輪内部の引っ張りと圧縮応力が両端で異なり当然、両端で弾性変形量も異なる。

また、１万ｒｐｍの高速のオーバラニングでは、ローラーがスキュウして転走するため差動スベリが激しく摩擦損失が大きい。更に当クラッチを断続用に用いる場合、入出力軸に回転差があると、繋がる際の力積（速度と質量と締結までの所要時間）で入力が巨大になる。また締結後は、入力側のトルク変動、振動を、出力側に伝えないアブゾーバ機能と過剰入力による破壊を防ぐところの、特許文献１の実開平６−１２７２６の図４のようなリミッター併用を要する。つまり当クラッチには、極小トルクから最大トルクまで対応のソフトなショック吸収と、過剰入力防止が不可欠である。

当該クラッチはトルクを負荷すると、内輪と外輪が軸方向に弾性で２〜３ミリ相対変位する。その変位を止めると高いトルクでスリップする。ストッパーの位置調節で可変のトルクリミッターになる。スリップすると発熱で軌道輪、ローラーは熱膨張する、また介在する油膜の厚さは、０．０００３ミリと、極めて薄く、従ってストッパー位置での調節は、寸法上微細過ぎて困難である。その解決策の一つは、先ずは軸方向の相対変位距離を増大させることにある。

またトルク負荷でローラーは２．５ＧＰａ（２５０ｋｇ／ｍｍ^２）もの高圧で内外輪の間に強固に食い込む。これを引き剥がして切り離すには、巨大な軸力を要する。これ等が当方式のクラッチの実用化を妨げてきた課題であった。

請求項１について説明する。模式図は、説明のため誇張して記載してある。
図５、に噛み合ったときのローラの面圧による緊迫力分布を示す。図５の９４が、円すい軌道輪の両端で同じになるように、図１、の５０、のように両端の肉厚を同じにする、同時に、軌道輪の中央部を５３、のように減肉して、中央部の半径方向の剛性（ばね定数）を低くする、この手段によれば弾性が増し噛み合い時の衝撃、振動の吸収能力が大幅に増える。また軌道の中央が湾曲した凸面形状になり、ローラーは点接触に近く、無負荷のオーバラニングは差動スベリが殆ど消えてボールベアリング並みの高速回転ができる。

繰り返しの上記弾性変形の疲労強度については、高品位の軸受用ＳＵＪ−２材は清浄度面で飛躍的に進化し、軸受に置いては面圧２．５ＧＰａ以下の負荷では疲労剥離寿命は永久とする近時の市場実績に倣い、当構成も十分な強度を有する。

また、当弾性変形量の増大化の手段として、使用ローラーを中空、又はコイルバネ形状にすることでも同様の効果を得る。

請求項２について説明する。トルクの負荷によって軌道面間に食い込んだローラーを速やかに切り離す操作性と、粘性伝達の際の調速を、容易にする手段について述べる。当該構成は、図５の如く外輪にラジアル荷重Ｐの負荷で、負荷圏９３、が出来る、同時に、図６、の軌道輪の円すい斜面９７、でローラー接点にはスラスト分力９７、を生ずる。そこでローラーの緊迫力９４、を緩める力Ｆ，は次の関係になる。
Ｆ＝ラジアル荷重Ｐで生ずるスラスト分力９７、に、スプラインの摩擦抵抗を加えた合計 ＞ バネ５６、の予圧と、トルク負荷時の吸い込み力のとき。又は、ラジアル荷重を押付けたときの負荷圏９３、の反対側の無負荷圏にスキマ９６、が出来るとき、に緩む。しかし円すい角が５°では図６のスラスト分力９７、はＰの９％で小さすぎる。そこで、実施例に示す図１、図２のような偶力１１２、にすると、図５、の９０、９１、の負荷の不釣合いと、スプライン６２、のラジアルスキマの遊びで傾いて、円すい角度の拡大と同じ効果で緊迫力が緩む。
参考：軸受メーカーカタログの、円すいコロ軸受の弾性変形と適正予圧、に関する項に詳述されている。

上記外力の付勢手段は、図１の外輪の外周に突き出たフランジの側面４２、にレバー８０で、又は、図２の、４２、にレバー８０、で又は、図３、のカム面６０とロッド５９、で、更には、図４、のようにピン６４で軸方向に、又は、図７、の７７の如くラジアル方向に付勢する。当該構成の粘性速度の実験では、ラジアル荷重でも偶力でも良く、要するに緊迫力に不釣り合いをもたらせば足りる。外部からの付勢を除くと、予圧バネで復帰し、粘性伝達では、元の粘性速度に戻る。
また、軸方向の相対弾性変位距離が増える分トルクの微調節が容易になる。

本発明は背景技術に対して以下の進歩性と効果がある。
即ち、単純な二個の円環とローラと保持器だけで、超高圧の閉じ込め油膜を作り、そのせん断抵抗と、塑性変形抵抗とで、トルクを伝達するもので、電磁、空圧、油圧などの付勢エネルギーを全く要しない省エネで、堅牢で高トルクを断続したり、調速ができる。しかも結合時の入力と出力軸間の回転差を吸収して、衝撃を吸収する。接続後は、入力側のトルク変動、トルク振動を共振を遮断する。

また、許容回転速度も転がりの点接触で１〜２万ｒｐｍが可能になり、摩耗してもバネで自動補正される。過剰な入力には、リミッターで破壊を防せぐ。構造がＪＩＳの標準円すいころ軸受の鍔を除いて、円筒ローラーでスキュウしただけの構造で、材料、部品、製造設備も共通で安価に出来る、近時のトライボロジとレオロジを活かした次世代の動力の、伝達制御手段である。

図１は、請求項１、の実施例を示す断面略視図。 図２は、同じく軌道輪に偶力を与えて、ローラー接点の面圧に不釣合いを起こして緩めて切り離しを容易にする実施例の断面の略視図。 図３は、入出力軸の相対回転変位を、カムとピンとで軸方向変位に変換して、その変位で軌道輪をバネに逆らって押し返して遮断する実施例の断面略視図。 図４、は図３の手段を、外輪をタンデムの複列に適応した実施例断面略視ず。 図５、はローラーの面圧緊迫力の釣合いの模式図。 図６、は緊迫力を緩和する、力の釣合い、模式図。 図７、は速度可変の付勢手段の実施例。 図８、弾性ローラーの実施例。 図９、は従来の特許２９０３３２に記載の実施例。

発明を実施するための形態を以下に説明する。
図１、の実施例は、入力軸５１の片端の外径に、軸心に対して５°傾斜した母線が一葉双曲線で成る円すい面を設けて、その周上に保持器５８、を被せて保持器のポケット穴を軸心に対して４３、の如く８〜１５°傾斜させて、その穴にローラーを挿入し、ローラの外周に円すいの内径面のカップ５０を被せる。ローラーは、円すいころでも中空でも球面ころでも、更にコイルバネ式のタワミころでも良い。この状態で入力軸にトルクを負荷すると、スキュウしたローラー５７が円すい面で噛み合いロックして外輪５０と入力軸５１が一体で回る。そのとき外輪５０と内輪５１は、径方向に弾性変形し、軸方向には相対変位する。内外輪の径方向の弾性変位量に差があると、介在するローラーのピッチ円寸法（保持器の径寸法）が変化するので、両者の径方向の変形量を揃える。軸方向変位は、スプライン６２、のスライド摺接によって許容される。この状態で外輪５０、のフランジ部４２、の側面にインボリュート曲面を設けて、そこをレバー８０、で押すと、スプイライン６２、を支点に偶力が生じて、円周上のローラーの緊迫力が図５、の９０，９１のように不釣合いになるとともにスラスト荷重で噛み合いが解除される。レバー８０、の付勢を除くと、バネで外輪５０は元の位置に押されて締結になる。締結のとき入出力軸間に高速の回転差と、トルクが存在すると、力積で瞬間トルクは巨大化する。

その緩和に軌道の中央部を弾性変形させて吸収する。そのために軌道中央部を凸にして点接触させ、最大トルク負荷では線接触するように軌道の中央部位の肉厚を両端より薄くして半径方向のばね定数を下げる。こうすると接点のヘルツ弾性変位と軌道の弾性変位とでソフトなクッションになり、締結後も入力側のトルク変動、振動を遮断する。この弾性変形で軸方向の相対変位量が増大するとスプラインのスライド摺接距離が長くなり、潤滑油膜が生じ易く摩耗を防ぎ、しかもレバー８０の操作量の拡大で調節が容易になる。

次に図２、のタンデム配置での実施形態を説明する。その形態は、図２の、入力軸４、に固定の内輪３５、にトルクが入るとスキュウーローラー９、で外輪３、に伝わる、すると隣接の軌道に接する逆向きのスキュウドローラー１０、で内輪１から出力側３８、に伝わる。図２の、中心のロッド６の両端のナット５、と鍔１３、とで挟まれている軸端の皿バネ７、と外側のバネ８とで、内輪３５とローラー９は外輪３に軽く当接。又外輪２と内輪１、の間のローラー１０、はバネ８、で付勢されて当接。内輪３５、とローラー９並びに、内輪１とローラー１０が、同時に軌道面に当接するため予め両者の円すい軌道径をゲージで合わせて置く。

ローラーを保持する保持器１５、と４９は、出力側の内側の皿バネ１１と、反対側のスラスト軸受け１７、とでセンタリングされる。
ローラーは弾性変位分だけ斜面を転がって、図では外輪の小径側に１〜２ｍｍ抜け出す、同時に内輪１と入力側の内輪３５も外輪から２〜４ｍｍ抜け出す。
内輪３５、を左に回すと外輪３、から抜け出して空転する。

外輪３３、の外周に突き出たフランジ４２に、レバー８０で偶力が付勢されるとローラーの圧力分布は図５の９０，９１、のようになり緊迫力は緩んで粘性スベリの速度は速くなる。 次に付勢力の微調整と、付勢レバーの摺接摩擦を無くす手段の図７を説明する。外輪の外周７６、に転動のアイドラーホイル７７を押付け、且つ回転軸１０１、を１０２のように傾斜させる。すると傾斜角でアイドラのトラクションの軸方向分力が変化するので、角度で外輪への偶力スラストが細かく制御できてトルク伝達量の微調節が出来る。

次の実施形態は、図３、に示すドアの蝶番に内臓のドアクローザ用の実施例を説明する。ドアクローザでは、開けるときは軽く動き、閉まる側にはゆっくり動く。しかし、人が通過した後、外気の流入を防ぐため速やかに閉じる。更に閉じる直前には衝撃音を無くすため、再び減速する、といった、９０°の作動角内で、最初は遅く、１５°付近で速く、５°付近で再度遅くする、二段調速になる。図３、のように入力出力４、と５２、間の相対回転変位を、出力外輪５０、の側面のカム面６０、に設けた突起に、入力軸のフランジ５１に設けたピン５９、の先端を摺接させて突起に乗り上げることで軸方向変位に変換する。側面６０の動きは、外輪５０、と共にバネ５６、に逆らって押され、噛み合いから外れる。

図４、も同様にドアの蝶番に内臓のドアクローザへの実施例で、図３におけるスプライン摺接の摩擦変動の不安定要因を排除するため、外輪を複列タンデムにした配置で、出力側に、スプライン７５、で摺接する外筒７２、を設けて、これにピン６４を固定し、ピンの片端を外輪３、の外周溝６９、に係合する。入力側と一体の外筒７３、の端面に突起カムを設ける。ピン６４が、カムに乗り上げると、ピン６４、は押されて、これと係合する溝６９で、外輪６８には偶力スラストが生じて噛み合いは解除される。つまり扉を開く側には空転し、手を離せば別途設けたバネの力で反転し、粘性抵抗でゆっくり閉じる、１０度付近に達するとカムに乗り上げ前述同様にカムの突起の長さを通過中外輪は外れて、通過すれば復帰する。角度の精度は、カム位置の半径１１０、を大きくすれば向上する。

次に回転中に速度を微細に制御する実施形態を図７、に示す。図２、の外輪外径に回転体のアイドラーローラー７７、を押付けるもので、アイドラローラーの回転軸１０１は、図７の操作ロッド７８、に固定してある。ロッド７８を回すと、アイドラローラーは外輪外周７６、と斜めに転動する。その接点には、交角に応じてトラクションの推力成分１１３、を生ずる。ロッドの角度操作で推力は増減するので、その押付け力とで、粘性伝達の速度を細かく制御する。

軌道輪は、軸受鋼で、硬さＨＲＣ６２〜３に焼き入れ硬化し、軌道輪の肉厚は、負荷トルクと弾性変位量とを勘案し中央を両端よりも薄くして、軌道表面中央は凸形状に研削加工する。円すいの角度は、約１０°で、ローラーのスキュウ角度は、使用油剤と用途に合わせて８〜１０°の範囲で保持器のポケット穴の角度で与える。保持器の材料は、鉄または、ガラス繊維で強化の６６ナイロン、又はＰＥＥＫ材を用いる。保持器の側面のスラスト軸受１７、と摺接する部位、並びに中央の保持器同士の摺接面は、平滑にして摩擦を減らす。ローラーは軸受鋼で硬さ、ＨＲＣ６５、で相互差２μ以下、真円度、円筒度ともに１μ以下にする。
コイルバネ形状のローラーは軸受鋼線材をコイル状に巻き、熱処理し、通常ローラー同様に外径を研削加工する。

図１、は軌道輪の弾性変形を大きくする、断面を湾曲形状にした実施例と、外輪に荷重を負荷して緊迫力を緩めて、クラッチを外す手段の実施例。
図２、は、図１の構成でタンデムに配置した中間軌道輪４０、を浮動状態にして、これに外力Ｐの偶力でローラーの緊迫力を緩めて、調速、遮断の手段を示す。
図３、は図１の構成をドアの蝶番に内臓のドアクローザ等、揺動用途への実施例図４、は図２、をドアの蝶番に内臓するドアクローザ等、揺動用途への実施例。
図７、は図２、の実施例を、制御を高度化した実施例。
図８、は弾性ローラーの中空、コイルバネローラーの実施例。

当クラッチの機能は、高速オーバラニングするワンウエイクラッチ、トルクリミッター、トーショナルダンパー、更には衝撃吸収付きのクッション、シンクロクラッチで、油圧空圧、電磁力を要しない自己保持形の断続クラッチである。また潤滑剤を選択することで、速度可変の粘性流体継手になる。
例えばヘリコプターのオートローテーションのクラッチを当該発明に置き換えると、信頼性が向上し、又ハイブリッド車の動力配分振り分け装置、並びに４ＷＤ車の差動制限装置、速度可変の粘性流体継手、クルマの変速機の同期クラッチドアクローザ、緩降機などに用いる。

１・・・出力側内輪
２、３３、４０・・・出力側外輪インタミディエイトカム
３・・・入力側外輪インタミディエイトカム
４・・・入力軸フランジ
５・・・ナット
６・・・連結ロッド
７、８・・・皿バネ
９・・・入力側ローラー
１０・・・出力側ローラー
１１・・・保持器押さえばね
１３・・・止めフランジ１４・・操作レバー
１５・・・入力側保持器
１７・・・スラスト軸受
３２、３３，３４・・・締結部材
３５・・・入力側内輪
３６・・・シム
３７、３８・・・取り付けボルト穴
４２・・・突起フランジ
４３、４４、８０・・・スキュウ角
４９・・・入力側保持器
５０・・・外輪
５１・・・回転軸
５２・・・出力軸。固定軸
５３・・・外輪中央部
５５・・・内輪中央部
５６・・・予圧バネ
５７・・・ローラー
５８・・・保持器
５９・・・ロッド
６０・・・カム
６２・・・スプライン
６３・・・止め輪
６４・・・ガイドピン
６６・・・ノックピン
６７・・・軌道中央突部
６９・・・ガイド溝
７２・・・固定側（出力軸）外筒
７３・・・入力側（入力軸）外筒
７５・・・スプライン
７６・・・アイドラー転走面
７７・・・アイドラローラ
７８・・・操作ロッド
８０・・・操作レバー
９１・・・負荷圏
９６・・・ラジアルスキマ
９８・・・ラジアル荷重
９４・・・緊迫力（面圧）
９７・・・スラスト分力
１０１・・・回転軸
１０２・・・アイドラー制御傾斜角
１１２・・・偶力負荷方向
１１３、１１４・・・弾性ローラー

Claims (1)

1. 外径が円すいの内輪と内径が円すいの外輪の間に保持器手段で回転軸に対して傾斜（スキュウ）して転動するローラーを複数個介装して、一方向にトルクを負荷すると接点下にトルクに比例する圧力で油剤が閉じ込められて固化遷移し油膜の塑性変形抵抗若しくはせん断抵抗で内輪と外輪間でトルクが伝達される流体摩擦伝達力制限装置において、トルク負荷によって軌道間にローラーが均等に噛み合って生ずるローラーの緊迫力に対して、外力を与えて該緊迫力に不釣り合いをもたらして、円すい面上をスキュウしたローラーが公転することで該不釣り合いが全周に伝播して全体の該緊迫力が変化する原理を用いた、滑りの度合いを調節する流体摩擦伝達力制限装置。

Images