JP6135426B2 - 流体式減速装置 - Google Patents

Description

本発明は、トラックやバスなどの車両に補助ブレーキとして搭載される流体式減速装置に関する。

一般に、車両の補助ブレーキには、流体式減速装置と渦電流式減速装置がある。

流体式減速装置は、例えば特許文献１、２に開示されるように、トランスミッションの後端に連結された作動容器の内部に、流体継手で用いられるような一対の羽根車が対向して配置される。一対の羽根車はいずれも放射状に延び出す羽根を有し、そのうちの一方は、作動容器に固定されたステータとしての固定羽根車であり、他方は、トランスミッションの出力軸（回転軸）に直接固定されたり、増速歯車機構を介して固定されたりしたロータとしての回転羽根車である。これらの固定羽根車と回転羽根車とによってトーラス状の作動室が形成される。

制動時には、油圧ポンプやエア圧によって作動室内に作動流体（油、水、またはそれらの混合流体）が供給されて充満する。すると、回転羽根車が回転している一方で固定羽根車が静止した状態にあることから、両者の間に相対的な回転速度差が生じ、作動室内では、回転羽根車と固定羽根車との間を作動流体が循環し、作動流体の循環流が起こる。このとき、作動流体が回転羽根車の回転を妨げる抵抗となり、これにより回転羽根車に制動力が発生し、回転羽根車を介して回転軸の回転を減速させることができる。

その際、制動力の発生に伴って回転軸の運動エネルギーが熱エネルギーに変換されることにより、作動流体は温度が上昇し高温になる。このため、特許文献１に開示される流体式減速装置では、高温になった作動流体を作動容器の外部へ排出し、熱交換器によって冷却する外部冷却システムを必要としている。この減速装置の場合、高い制動力を安定的に長時間発生させることが可能である反面、制動力の発生に直接寄与する一対の羽根車のみならず、作動流体の供給・排出装置、さらには熱交換器が不可欠となり、装置構成が複雑で、装置の重量が重くなることは否めない。また、車両が本来備える冷却水系を利用するにしても、車両の大幅な改造が必要であることから、車両重量が比較的軽く、コンパクトで、簡便な組込みが望まれる中小型の車両への搭載には適さない。

これに対し、特許文献２に開示される流体式減速装置では、作動室の径方向外側にリング状熱交換器を配設するとともに、電気や作動流体の圧力を利用して駆動するファンを回転軸に取り付けた内部冷却システムを採用している。この内部冷却システムでは、高温になった作動流体をリング状熱交換器に導入し、これをファンによる送風で空冷するとしている。この減速装置の場合、外部の熱交換器を必要とすることなく、その外部熱交換器とをつなぐ配管を省略することができ、さらに、車両の冷却水系とは別個独立しているため、組込み性に優れる。

しかし、特許文献２に開示される流体式減速装置は、特許文献１に開示されるものと同様に、非制動時には作動流体を作動室から排出し、制動時には作動流体を作動室に供給する必要があることから、作動流体を作動室に対して供給・排出するために空圧機構や油圧ポンプや遮蔽弁などの格別な機構が不可欠であり、さらに作動流体を蓄える貯蔵容器も不可欠となる。これは、より一層の部品点数の削減、軽量化、コンパクト化が望まれる中小型車両への搭載には、大きな障害となる。また、制動と非制動との切り替え時、作動室に対し作動流体を供給・排出する必要があるため、非制動状態から所望の制動力を発揮するまでや、制動状態から完全に非制動状態となるまでに、ある程度の時間を要し、応答遅れが生じるという不都合もある。

一方、渦電流式減速装置は、例えば特許文献３〜６に開示されるように、回転軸に固定した制動部材を有し、制動時に、永久磁石や電磁石からの磁界の作用で、磁石と対向する制動部材の表面に渦電流を発生させ、これにより、回転軸と一体で回転する制動部材に回転方向と逆向きの制動力が生じ、回転軸の回転を減速させるものである。

渦電流式減速装置の場合、制動時に制動部材に発生した渦電流により、回転軸の運動エネルギーが熱エネルギーに変換され、この熱エネルギーによって制動部材が発熱する。制動部材に発生した熱は、高速で回転する制動部材に設けられたフィンによって放熱されるため、流体式減速装置のように作動流体を作動室から排出して、熱交換器で冷却する必要が無く、装置構成が簡素である。特に、強力な永久磁石を使用したものは、同じ磁力を発生する電磁石に比べ、大幅に小さく、軽い永久磁石で済むため、軽量化、コンパクト化を実現することができ、大型車両のみならず、中小型車両への適用も有望である。

しかし、強力な磁力を発揮する永久磁石は、ネオジムなどの希土類金属を多く含有するため、非常に高価であり、さらに、需給バランスの影響による価格変動が大きい。このため、永久磁石を用いた渦電流式減速装置には、永久磁石の仕様に依存してコストが不安定になるという問題がある。

特開２００２−８７２２２号公報 国際公開ＷＯ２００６／０２７０５６号パンフレット 特開平１−２３４０４３号公報 特開平１−２９８９４８号公報 特開２００２−５１５３３号公報 特開２０１１−９７６９６号公報

本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであり、装置構成が簡素で、軽量化、コンパクト化を実現することができ、しかもコストの安定化が可能な流体式減速装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、流体式減速装置を採用することを前提として鋭意検討を重ねた結果、以下のことを知見した。

上記目的を達成するには、回転軸にディスクを固定し、この回転ディスクの全体を包囲するように一対の円板部および円筒部からなるハウジングを回転軸に回転可能に支持し、さらに、回転ディスクの両面それぞれと各円板部の内面との間を作動流体の作動室として機能させるべく、それらの各面に放射状に延び出す羽根を設けるとともに、回転ハウジングの内部に作動流体を充満させ、その上で、制動時にその回転ハウジングに直接摩擦部材を押し付けて回転ハウジングを静止させる摩擦ブレーキを採用するのが有効である。

ただし、流体式減速装置をこのような構成とした場合、制動時に作動流体に与えられた熱が、制動解除後の非制動状態において放熱されにくい可能性がある。

上記構成の流体式減速装置では、制動時は、摩擦ブレーキを作動させ、回転ハウジングを静止させる。回転ディスクが回転している状態で回転ハウジングが静止すると、回転ハウジングに設けられた羽根と、回転ディスクに設けられた羽根との間に相対的な回転速度差が生じるため、これらの羽根の間に作動流体の循環流が起こる。このとき、作動流体が回転ディスクに設けられた羽根に衝突して回転ディスクの回転を妨げる抵抗となり、回転ディスクに制動力が発生し、回転ディスクを介して回転軸の回転を減速させることができる。

その際、制動力の発生に伴って回転軸の運動エネルギーが熱エネルギーに変換されることにより、作動流体の温度が上昇する。制動時に作動流体に与えられた熱は、作動流体の流動に伴って回転ハウジングに伝導し、回転ハウジングの表面から積極的に放熱される。

しかし、制動を解除した非制動時は、回転ハウジングが回転ディスクに追従して回転するため、作動流体の流動量が小さい。このため、作動流体の熱伝導率が低い場合には、作動流体の熱抵抗の影響により、制動時に作動流体に与えられた熱を非制動時に放熱させる時間が長期化する可能性がある。

特に、回転ハウジングが回転ディスクに完全に追従する場合、すなわち回転ハウジングが回転ディスクと同期して一体的に回転する場合には、作動流体は全く流動せず剛体のように振舞う。そのため、この場合には、作動流体中における伝熱状態は熱伝導率の低い固体中における伝熱状態に近くなり、作動流体中に熱がこもりやすく放熱されにくい。

この問題に対し、非制動時において作動流体が多少なりとも流動すれば、作動流体の実効的な熱伝導率が、流動のない場合の本来の物性値としての熱伝導率よりも向上する。これにより、放熱期間を短縮すること、すなわち制動解除後の作動流体の冷却に必要な時間を短縮することができる。

これは、非制動時に回転ハウジングに回転抵抗を付与する回転抑制機構を減速装置に設け、回転ハウジングと回転ディスクとの間に意図的に相対的な回転速度差を生じさせることにより実現できる。以上の知見に基づき、本発明を完成させた。

本発明の流体式減速装置は、
車両の回転軸に固定された回転ディスクと、
前記回転ディスクを包囲するように一対の円板部およびこれらの円板部同士の外周部を連結する円筒部からなり、前記回転軸に回転可能に支持された回転ハウジングと、
制動時に前記回転ハウジングに摩擦部材を押し付けて前記回転ハウジングを静止させる摩擦ブレーキと、を備え、
前記一対の円板部と対向する前記回転ディスクの両面のうち少なくとも一方の面に放射状に延び出す羽根を設けるとともに、前記回転ディスクの前記羽根が設けられた面と対向する前記円板部の内面に放射状に延び出す羽根を設け、前記回転ハウジングの内部に作動流体が充満しており、
非制動時に前記回転ハウジングに回転抵抗を付与する回転抑制機構を備える。

上記の減速装置において、前記回転抑制機構は、前記回転ハウジングの外面に設けられたフィンとすることができる。

この減速装置は、制動時において前記作動流体から生じる抵抗トルクと、非制動時において前記回転抑制機構により発生する抵抗トルクが、下記（ａ）〜（ｃ）式の関係を満足することが好ましい。
Ｎ_f＝α_f｜ω_R−ω_S｜（ω_R−ω_S） …（ａ）
Ｎ_fin＝−α_fin｜ω_S｜ω_S …（ｂ）
０．０２％≦α_fin／α_f≦１％ …（ｃ）
ここで、Ｎ_f：制動時において前記作動流体から生じる抵抗トルク、ω_R：回転ディスクの回転数（ｒｐｍ）、Ｎ_fin：非制動時において前記回転抑制機構により発生する抵抗トルク、ω_S：回転ハウジングの回転数（ｒｐｍ）、ならびにα_fおよびα_fin：定数である。

また、上記の減速装置において、前記回転抑制機構は、非制動時に前記摩擦ブレーキを作動させ、前記摩擦部材を制動時よりも低い押付け力で前記回転ハウジングに押し付ける構成とすることができる。

さらに、上記の減速装置において、前記回転抑制機構は、前記回転ハウジングに対して接近および離間が可能な磁石を備え、非制動時に前記磁石を前記回転ハウジングに接近させる構成とすることができる。

本発明の流体式減速装置によれば、制動時に高温になった作動流体を冷却するための外部熱交換器が不要となるだけでなく、作動流体を作動室に対して供給・排出するための格別な機構や作動流体を蓄える貯蔵容器も不要となるため、装置構成が簡素で、軽量化、コンパクト化を実現することができる。また、非制動状態においても作動流体が流動するため、制動時に温度が上昇した作動流体の冷却に必要な時間を短縮することができる。しかも、永久磁石が必須ではないため、コストの安定化が可能である。

本発明の第１実施形態である流体式減速装置の構成を示す模式図であり、同図（ａ）は全体の斜視図を、同図（ｂ）は同図（ａ）の上半分のＡ―Ａ断面図を、同図（ｃ）は回転ハウジングの横断面図を、同図（ｄ）は回転ディスクの正面図をそれぞれ示す。 回転ディスクと回転ハウジングの相対回転数と、作動流体から生じる抵抗トルクの関係を示す図である。 回転ハウジングの回転数と、抵抗フィンにより生じる抵抗トルクとの関係を示す図である。 本発明の第２実施形態である流体式減速装置の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第３実施形態である流体式減速装置の構成を模式的に示す断面図である。 損失係数と作動流体の実効熱伝導率との関係を示す図である。 制動解除からの経過時間と、作動流体の温度との関係を示す図である。

以下に、本発明の流体式減速装置の実施形態について詳述する。

〈第１実施形態〉
図１は、本発明の第１実施形態である流体式減速装置の構成を示す模式図であり、同図（ａ）は全体の斜視図を、同図（ｂ）は同図（ａ）の上半分のＡ―Ａ断面図を、同図（ｃ）は回転ハウジングの横断面図を、同図（ｄ）は回転ディスクの正面図をそれぞれ示す。同図（ｃ）および（ｄ）にも、同図（ａ）に示すＡ―Ａ断面の位置を示した。同図に示す第１実施形態の減速装置は、回転ディスク３と、この回転ディスク３の全体を包囲する回転ハウジング１とを備える。

第１実施形態では、回転ディスク３は、プロペラシャフトなどの回転軸１１と一体で回転するように構成される。具体的には、回転ディスク３は、回転軸１１に圧入されたスリーブ１３を介して回転軸１１に固定されている。これにより、回転ディスク３は、回転軸１１と一体で回転するようになる。

回転ハウジング１は、回転ディスク３を包囲しつつ、回転軸１１に対し回転可能に構成される。具体的には、回転ハウジング１は、回転ディスク３の両面それぞれと対向するように前後に一対からなるドーナツ形の円板部１ａ、１ｂと、回転ディスク３の外周面と対向するように円板部１ａ、１ｂ同士の外周部を連結する円筒部１ｃとから構成される。各円板部１ａ、１ｂは、回転軸１１と一体化されたスリーブ１３に軸受１５ａ、１５ｂを介して支持され、これにより回転ハウジング１は、一対の円板部１ａ、１ｂおよび円筒部１ｃが一体で、回転軸１１に対し自由に回転が可能になる。図１では、前側の円板部１ａと円筒部１ｃが一体成形され、これが後側の円板部１ｂとボルトなどによって一体化された態様を示している。

ここで、第１実施形態では、回転ディスク３の両面それぞれと各円板部１ａ、１ｂの内面との間を作動流体の作動室として機能させるため、以下のように構成される。すなわち、各円板部１ａ、１ｂと対向する回転ディスク３の両面それぞれに、放射状に延び出す羽根（以下「ディスク羽根」という。）４ａ、４ｂが設けられている（図１（ｂ）、（ｄ）参照）。同様に、回転ディスク３の両面それぞれと対向する各円板部１ａ、１ｂの内面にも、放射状に延び出す羽根（以下「ハウジング羽根」という。）５ａ、５ｂが設けられている（図１（ｂ）、（ｃ）参照）。ディスク羽根４ａ、４ｂと、ハウジング羽根５ａ、５ｂは、回転ディスク３を間に挟む前後の位置で対を成し、それぞれ流体継手で用いられるように対向して配置され、それらのディスク羽根４ａ、４ｂとハウジング羽根５ａ、５ｂとの間の円周方向にわたる領域によって前後に一対のトーラス状の作動室が形成される。

図１では、ディスク羽根４ａ、４ｂは、羽根車として回転ディスク３とは別体で成形され、これが回転ディスク３に取り付けられた態様を示しているが、回転ディスク３と一体成形されたものであっても構わない。同様に、ハウジング羽根５ａ、５ｂは、羽根車として円板部１ａ、１ｂとは別体で成形され、これが円板部１ａ、１ｂに取り付けられた態様を示しているが、円板部１ａ、１ｂと一体成形されたものであっても構わない。

回転ハウジング１の内部には、図示しない作動流体（油、水、またはそれらの混合流体）が充満している。この作動流体は、各円板部１ａ、１ｂを支持する軸受１５ａ、１５ｂに隣接して配置された図示しないリング状のシール部材により、漏出を防止されている。こうして、回転ハウジング１内は、ディスク羽根４ａ、４ｂとハウジング羽根５ａ、５ｂとの間の作動室を含め、常に作動流体で満たされている。作動流体は、回転ディスク３の内周部に設けられた貫通穴３ａを通じて回転ディスク３の両側に移動可能である。

図１に示す減速装置は、制動時に回転ハウジング１を静止させる摩擦ブレーキを備える。この摩擦ブレーキは、回転ハウジング１の外周部、すなわち円板部１ａ、１ｂそれぞれの外面の外周部を間に挟む摩擦部材としてのブレーキパッド８ａ、８ｂを有するブレーキキャリパ７と、このブレーキキャリパ７を駆動させる、不図示の電動式アクチュエータとから構成される。

ブレーキキャリパ７は、前後で一対のブレーキパッド８ａ、８ｂを有しており、ブレーキパッド８ａ、８ｂの間に回転ハウジング１を配置し所定の隙間を設けて挟んだ状態で、バネを搭載したボルトなどによりブラケット１７に付勢支持される。このブラケット１７は、車両の非回転部（例：トランスミッションカバー）に取り付けられる。

ブレーキキャリパ７には、アクチュエータが固定されており、制動時にはアクチュエータが後側のブレーキパッド８ｂを後側の円板部１ｂに向け直線移動させる。これにより、後側のブレーキパッド８ｂが後側の円板部１ｂを押圧し、これに伴う反力の作用で、前側のブレーキパッド８ａが前側の円板部１ａに向け移動し、その結果、回転ハウジング１を前後のブレーキパッド８ａ、８ｂで強力に挟み込む。

このような構成の第１実施形態の減速装置では、非制動時は、摩擦ブレーキを作動させない状態にある。このとき、回転ハウジング１が回転軸１１に対し自由に回転が許容されているので、回転軸１１と一体で回転ディスク３が回転するのに伴い、ディスク羽根４ａ、４ｂとハウジング羽根５ａ、５ｂが流体継手として機能し、回転ハウジング１が回転ディスク３と同方向に回転する。

一方、制動時は、摩擦ブレーキを作動させ、回転ハウジング１が摩擦部材であるブレーキパッド８ａ、８ｂによって挟み込まれ、これにより回転ハウジング１の回転が停止し、回転ハウジング１が静止する。回転ディスク３が回転している際に回転ハウジング１のみが静止すると、円板部１ａ、１ｂ（回転ハウジング１）におけるハウジング羽根５ａ、５ｂと、回転ディスク３におけるディスク羽根４ａ、４ｂとの間の相対的な回転速度差が生じるため、作動室内では、ディスク羽根４ａ、４ｂとハウジング羽根５ａ、５ｂとの間を作動流体が循環し、作動流体の循環流が起こる。このとき、作動流体がディスク羽根４ａ、４ｂに衝突しこれと一体の回転ディスク３の回転を妨げる抵抗となり、これにより回転ディスク３に制動力が発生し、回転ディスク３を介して回転軸１１の回転を減速させることができる。

その際、制動力の発生に伴って回転軸１１の運動エネルギーが熱エネルギーに変換されることにより、作動流体は温度が上昇するが、その作動流体に与えられた熱は回転ハウジング１に伝導し、回転ハウジング１の表面を通じて放熱される。また、制動時に発熱した熱は、作動流体の温度上昇と回転ハウジング１の温度上昇としてある程度蓄熱しておき、非制動時に摩擦ブレーキの作動を解除することによって回転ハウジング１を高速回転させ、積極的に放熱する。

さらに、第１実施形態の減速装置では、回転ハウジング１には、その外周に円筒部１ｃと一体成形された抵抗フィン２が設けられる。なお、回転ハウジング１の円板部１ａ、１ｂにおいて、抵抗フィン２は、摩擦ブレーキの摩擦部材の配設に支障が無い領域、例えば、外面の内周部の領域に設けてもよい。この抵抗フィン２は、非制動時に回転ハウジング１に回転抵抗を付与する回転抑制機構であり、回転ハウジング１と回転ディスク３との間に回転速度差を生じさせる役割を担う。

この抵抗フィン２により、制動解除後の非制動時において、回転ハウジング１に回転抵抗が発生する。この回転抵抗に起因して、ディスク羽根４ａ、４ｂとハウジング羽根５ａ、５ｂとの間に僅かであるが相対的な回転速度差が生じ、作動室内では、ディスク羽根４ａ、４ｂとハウジング羽根５ａ、５ｂとの間を作動流体が流動する。作動流体が流動することにより、作動流体の実効的な熱伝導率が、流動のない場合の本来の物性値としての熱伝導率よりも向上し、回転ハウジング１に回転抵抗が無い場合と比較して、制動解除後において作動流体の冷却に必要な時間を短縮することができる。

第１実施形態の減速装置によれば、制動時に高温になった作動流体を冷却するための外部熱交換器が不要となるだけでなく、作動流体を作動室に対して供給・排出するための格別な機構や作動流体を蓄える貯蔵容器も不要となるため、装置構成が簡素で、軽量化、コンパクト化を実現することができる。しかも、永久磁石が必須ではないので、コストの安定化が可能である。さらに、制動と非制動との切り替え時を問わず、回転ハウジング１内の作動室が常に作動流体で満たされているため、作動室に対し作動流体を供給・排出する必要がなく、切り替えの応答性が優れる。また、非制動時において、抵抗フィン２により回転ハウジング１に回転抵抗が発生するため、作動室内では作動流体が流動し、作動流体の実効的な熱伝導率を向上させることができ、制動解除後において作動流体の冷却に必要な時間を短縮することができる。

ここで、第１実施形態の減速装置において、非制動時に抵抗フィン２により発生する回転抵抗の好ましい条件について、その検討内容とともに説明する。

本発明者らは、まず、制動時および非制動時において作動流体から生じる抵抗トルクの特性を把握するため、基礎調査として、流体解析による数値実験を実施した。制動時については、回転ディスク３の回転数を変化させ、回転ハウジング１の回転数は０ｒｐｍとした。また、非制動時については、回転ディスク３の回転数は１２００ｒｐｍで一定とし、回転ハウジング１の回転数を変化させた。その結果を図２に示す。

図２は、回転ディスクと回転ハウジングの相対回転数と、作動流体から生じる抵抗トルクの関係を示す図である。同図から、制動時および非制動時のいずれの場合とも、作動流体から生じる抵抗トルクは、回転ディスク３と回転ハウジング１の相対回転数の二乗に比例することがわかる。回転ディスク３と回転ハウジング１の相対回転数δωとは、下記（１）式で表される値である。
δω＝ω_R−ω_S …（１）
ここで、δω：回転ディスクと回転ハウジングの相対回転数（ｒｐｍ）、ω_R：回転ディスクの回転数（ｒｐｍ）、ω_S：回転ハウジングの回転数（ｒｐｍ）である。

次に、非制動時に抵抗フィン２により生じる抵抗トルクの特性を把握するため、流体解析による数値実験を実施した。その結果を図３に示す。

図３は、回転ハウジングの回転数と、抵抗フィンにより生じる抵抗トルクとの関係を示す図である。同図から、抵抗フィン２により生じる抵抗トルク、すなわち抵抗フィン２が気流から受ける抵抗トルク（風損トルク）Ｎ_finは、回転ハウジング１の回転数ω_Sの二乗に比例することがわかる。

以上の結果を基に、回転ハウジング１に抵抗フィン２が設けられた場合における、回転ディスク３と回転ハウジング１の相対回転数δωと、作動流体から生じる抵抗トルクＮ_fと、抵抗フィン２が気流から受ける抵抗トルクＮ_finとの関係を導出する。

まず、回転ハウジングの回転運動方程式は、下記（２）式で記述できる。

ここで、Ｉ_S：回転ハウジングの慣性モーメント、Ｎ_f：作動流体から生じる抵抗トルク、Ｎ_fin：抵抗フィンが気流から受ける抵抗トルクである。

（２）式のＮ_fおよびＮ_finは、それぞれ上記図２および図３に示す結果を用いて上述した下記（３）式および（４）式で記述できる。
Ｎ_f＝α_f｜ω_R−ω_S｜（ω_R−ω_S） …（３）
Ｎ_fin＝−α_fin｜ω_S｜ω_S …（４）
ここで、α_fおよびα_finはいずれも定数であり、α_fを「作動流体から受ける抵抗力の回転抵抗係数」、α_finを「気流から受ける抵抗力の回転抵抗係数」と称する。

上記（２）式に（３）式および（４）式を代入し、さらに流体式減速装置を搭載した車両が停止状態から加速し、回転ハウジング１の回転数ω_Sが一定値（車両が一定速度で走行している状態）に至った状態（ω_R＞ω_S＞０）を想定すると、下記（５）式が得られる。
０＝α_f（ω_R−ω_S）²−α_finω_S ² …（５）

（６）式を変形すると下記（６ａ）式および（６ｂ）式が得られる。

（６ａ）式および（６ｂ）式はいずれも一定速度走行時における回転ディスク３の回転数ω_Rと回転ハウジング１の回転数ω_Sとの関係を表す。これらの式から、抵抗フィン２が気流から受ける抵抗トルクに見合った分だけ、回転ディスク３の回転数ω_Rと回転ハウジング１の回転数ω_Sとの差が生じることがわかる。これらの式中、作動流体から受ける抵抗力の回転抵抗係数α_fに対する気流から受ける抵抗力の回転抵抗係数のα_finの比の値α_fin／α_fは「損失係数」と称する。

上記（６ａ）式から、制動トルク（上記（１）式でω_S＝０としたときのＮ_f）を一定とする条件下では、抵抗フィン２が気流から受ける抵抗トルクＮ_finを高めるほど、相対回転数δω＝ω_R−ω_Sが増加し、作動流体の流動を助長できることが容易に推測できる。

また、上記（４）式から、抵抗フィン２が気流から受ける抵抗トルクＮ_finを変化させることによりα_finの値も変化することがわかる。例えば抵抗フィン２を大きくした場合、抵抗フィン２が気流から受ける抵抗トルクが大きくなることから、α_finの値も大きくなる。

そこで、回転ハウジング１に抵抗フィン２を設けて損失係数α_fin／α_fを変化させた場合について、熱流体解析による数値実験を実施し、損失係数と作動流体の実効的な熱伝導率との関係について調査した。この数値実験については、後述の「実施例」において説明する。

損失係数α_fin／α_fが０．０２〜１％を満足することにより、流体式減速装置を搭載した車両の燃費を悪化させることなく、かつ作動流体の実効的な熱伝導率を十分に向上させることができ、作動流体の冷却に必要な時間をより短縮することができる。すなわち、制動時において作動流体から生じる抵抗トルクＮ_fと、非制動時において抵抗フィン２が気流から受ける抵抗トルクＮ_finが、下記（ａ）〜（ｃ）式の関係を満足することが好ましい。（ａ）式および（ｂ）式は、それぞれ上記（３）式および（４）式と同じ式である。
Ｎ_f＝α_f｜ω_R−ω_S｜（ω_R−ω_S） …（ａ）
Ｎ_fin＝−α_fin｜ω_S｜ω_S …（ｂ）
０．０２％≦α_fin／α_f≦１％ …（ｃ）

〈第２実施形態〉
図４は、本発明の第２実施形態である流体式減速装置の構成を模式的に示す断面図である。同図に示す第２実施形態の減速装置は、前記図１に示す第１実施形態の減速装置の構成を変形したものであり、実質的に同一の部分には同一の符号を付している。

すなわち、図４に示すように、第２実施形態の減速装置は、回転ハウジング１の円筒部に抵抗フィンを備えず、非制動時に回転ハウジング１に回転抵抗を付与する回転抑制機構として摩擦ブレーキを用いる。

このような構成の第２実施形態の減速装置では、非制動時は、摩擦ブレーキを作動させない状態にある。このとき、回転ハウジング１は、抵抗フィンのような回転抑制機構が設けられることなく、回転軸１１に対し自由に回転が許容されている。そのため、回転軸１１と一体で回転ディスク３が回転するのに伴い、ディスク羽根４ａ、４ｂとハウジング羽根５ａ、５ｂが流体継手として機能することにより、回転ハウジング１が回転ディスク３と同期して一体的に回転する。

一方、制動時は、第１実施形態の減速装置と同様に、摩擦ブレーキを作動させ、回転ハウジング１が摩擦部材であるブレーキパッド８ａ、８ｂによって挟み込まれ、回転ハウジング１が静止する。これにより、作動室内では作動流体の循環流が起こり、回転ディスク３に制動力が発生し、回転ディスク３を介して回転軸１１の回転を減速させることができる。

制動解除後の非制動時には、制動により温度が上昇した作動流体の熱が、回転ハウジング１の表面を通じて放熱される。第２実施形態の減速装置では、制動解除後の作動流体の冷却時において、摩擦ブレーキを作動させ、摩擦ブレーキのブレーキパッド８ａ、８ｂを、制動時よりも低い押付け力で回転ハウジング１に押し付け、回転ハウジング１に回転抵抗を発生させる。この回転抵抗により、ディスク羽根４ａ、４ｂとハウジング羽根５ａ、５ｂとの間に相対的な回転速度差が生じ、作動室内では、ディスク羽根４ａ、４ｂとハウジング羽根５ａ、５ｂとの間を作動流体が流動する。そのため、第１実施形態の減速装置と同様に、作動流体の実効的な熱伝導率を向上させることができ、制動解除後において作動流体の冷却に必要な時間を短縮することができる。

第２実施形態の減速装置では、非制動時には作動流体の冷却時においてのみ摩擦ブレーキを作動させればよく、作動流体の冷却が完了すれば摩擦ブレーキを開放してよい。そのため、第１実施形態の減速装置と比較して、非制動時に生じる損失トルクを小さくすることができる。

〈第３実施形態〉
図５は、本発明の第３実施形態である流体式減速装置の構成を模式的に示す断面図である。同図に示す第３実施形態の減速装置は、前記図４に示す第２実施形態の減速装置の構成を変形し、非制動時に回転ハウジングに回転抵抗を付与する回転抑制機構として直動アクチュエータおよび磁石を付加したものであり、実質的に同一の部分には同一の符号を付している。

すなわち、図５に示すように、第３実施形態の減速装置のブレーキキャリパ７は、回転ハウジング１の円板部１ｂに対向する部分に直動アクチュエータ２０を介して永久磁石２１が配設されている。直動アクチュエータ２０を駆動させることにより、永久磁石２１を回転ハウジング１の円板部１ｂに接近および離間させることが可能である。直動アクチュエータ２０による永久磁石２１の駆動は、摩擦ブレーキの動作と独立して行う。

また、円板部１ｂは鉄、ステンレス鋼およびアルミニウムなどの導電性材料とする。

このような構成の第３実施形態の減速装置は、制動時および非制動時の動作は第２実施形態の減速装置と同様である。そして、制動解除後の作動流体の冷却時には、直動アクチュエータ２０を駆動させることにより、永久磁石２１を回転ハウジング１の円板部１ｂに接近させ、回転している円板部１ｂ内に渦電流を生じさせ、ローレンツ力により回転ハウジング１に回転抵抗を発生させる。この回転抵抗により、ディスク羽根４ａ、４ｂとハウジング羽根５ａ、５ｂとの間に相対的な回転速度差が生じ、作動室内では、ディスク羽根４ａ、４ｂとハウジング羽根５ａ、５ｂとの間を作動流体が流動する。そのため、第２実施形態の減速装置と同様に、作動流体の実効的な熱伝導率を向上させることができ、制動解除後において作動流体の冷却に必要な時間を短縮することができる。

第３実施形態の減速装置では、作動流体の冷却時においてのみ永久磁石２１を回転ハウジング１の円板部１ｂに接近させればよく、作動流体の冷却が完了すれば永久磁石２１を制動時（冷却開始前）の元の位置に戻してよい。そのため、第２実施形態の減速装置と同様に、非制動時に生じる損失トルクを小さくすることができる。

第１〜３実施形態では、図１、図４および図５においてディスク羽根４ａ、４ｂとハウジング羽根５ａ、５ｂとの間の円周方向にわたる領域によって前後に一対、すなわち２個のトーラス状の作動室が形成される態様を示した。しかし、ディスク羽根を回転ディスク３の片面にのみ設け、ハウジング羽根を回転ディスクのディスク羽根が設けられた面に対向する面にのみ設け、トーラス状の作動室を１個とする態様としてもよい。

本発明の効果を確認するため、以下の数値実験を行った。

１．実験条件

表１には実験条件として、損失係数α_fin／α_f、作動流体の流動の有無、回転ハウジングの外表面の熱伝達率を示した。

本発明例１および２の減速装置は、前記図３に示す第１実施形態に準じたものであり、回転ハウジングに抵抗フィンを備え、本発明例２の抵抗フィンは、本発明例１の抵抗フィンよりも小さいものとした。

比較例１および２の減速装置は、回転ハウジングが抵抗フィンを備えないものとした。また、非制動時には回転ハウジングが回転ディスクと同期して一体的に回転し、作動流体が回転ハウジングの内部で剛体回転していることとした。さらに、回転ハウジングの外表面を強制的に空冷または水冷していることとした。回転ハウジングの外表面の強制冷却により、比較例１は本発明例１と同等、比較例２は本発明例２と同等の冷却能（熱伝達率）を有することとした。

また、いずれの減速装置とも、回転ディスクの回転数は１２００ｒｐｍとし、作動流体は水または油とした。

以上の条件の下で、作動流体の実効熱伝導率を算出した。ここで、実効熱伝導率とは、本来の作動流体の物性値としての熱伝導率に、作動流体の流動の影響を加味した実効値としての熱伝導率をいい、熱流体解析により算出できる。

また、制動解除後の非制動時における作動流体の冷却挙動（温度変化）についても調査した。

２.実験結果
図６は、損失係数と作動流体の実効熱伝導率との関係を示す図である。同図には、本発明例１および２に加え、これらよりも損失係数α_fin／α_fが大きい場合について算出した、作動流体の実効熱伝導率も示した。

図６に示すように、作動流体が水である場合と油である場合のいずれも、損失係数が０よりも大きければ、すなわち作動流体が流動していれば、作動流体の実効熱伝導率は本来の物性値としての熱伝導率よりも大きいことがわかる。また、損失係数が大きいほど実効熱伝導率が高いことがわかる。損失係数が０である比較例１および２の場合には、作動流体が剛体回転しているため、作動流体の実効熱伝導率は本来の物性値としての熱伝導率に等しい。

また、損失係数が０．０２％以上の場合には、作動流体が水である場合と油である場合のいずれも、実効熱伝導率が、３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超え、磁性金属（フェライト系ステンレス鋼ＳＵＳ４３０）の熱伝導率と同等以上の値となり、作動流体の冷却時間を十分に短縮できる。そのため、本発明では、損失係数の好ましい下限を０．０２％とする。

一方、損失係数が大きいほど、作動流体の流動化による実効熱伝導率の向上効果が高くなるものの、損失係数が大きすぎる場合には、非制動時における損失トルクが増大し、流体式減速装置を搭載した車両の燃費を悪化させる。そのため、搭載車両の燃費を考慮し、損失係数の好ましい上限を１％とする。

損失係数α_fin／α_fの範囲が０．０２〜１％の範囲では、回転ハウジングと回転ディスクの間に回転速度差が発生し、作動流体に粘性発熱が生じても流体式減速装置の動作に問題は生じない。

図６において、作動流体が水である場合と油である場合とで、損失係数に対する実効熱伝導率の変化特性がやや異なっている。これは、損失係数が大きくなるにつれて、作動流体の流れが層流から乱流に遷移するが、この遷移の仕方が作動流体の物性（密度、粘性係数）によって異なるからである。油は、水と比較して、密度が小さく、粘性係数が大きいため、遷移を生じる損失係数が大きい。

図７は、制動解除からの経過時間と、作動流体の温度との関係を示す図である。同図には、制動により作動流体の温度が１００℃になった状態で制動を解除し、非制動状態とした場合の作動流体の温度変化を示す。同図から、制動解除から時間が経過するに従って冷却が進行し、作動流体の温度が低下することがわかる。

図７から、本発明例１および２は、それぞれ比較例１および２と比較して作動流体の温度低下が急速であり、作動流体の冷却時間を短縮できることがわかる。これは、作動流体を流動化させることにより、実効熱伝導率が本来の物性値としての熱伝導率よりも高くなったことによる。すなわち、比較例１および２のように回転ハウジングの外表面を強制冷却しても、作動流体を流動させない限り、十分な冷却性能を確保することはできないことがわかる。

また、本発明例１および２では、回転抑制機構として、回転ハウジングに抵抗フィンを設けており、この抵抗フィンからも作動流体の熱が放熱される。損失係数が増大すると、作動流体の流動化の効果に加えて、抵抗フィンの空冷も促進されるため、回転ハウジングの表面の熱伝達（外気への放熱能力）も向上することとなる。

本発明の流体式減速装置は、あらゆる車両の補助ブレーキとして有用である。

１：回転ハウジング、 １ａ、１ｂ：円板部、 １ｃ：円筒部、
２：抵抗フィン、 ３：回転ディスク、 ３ａ：貫通穴、
４ａ、４ｂ：羽根（ディスク羽根）、 ５ａ、５ｂ：羽根（ハウジング羽根）、
７：ブレーキキャリパ、 ８ａ、８ｂ：ブレーキパッド、
１１：回転軸、 １３：スリーブ、 １５ａ、１５ｂ：軸受、
１７：ブラケット、 ２０：直動アクチュエータ、 ２１：永久磁石

Claims (5)

1. 車両の回転軸に固定された回転ディスクと、
   前記回転ディスクを包囲するように一対の円板部およびこれらの円板部同士の外周部を連結する円筒部からなり、前記回転軸に回転可能に支持された回転ハウジングと、
   制動時に前記回転ハウジングに摩擦部材を押し付けて前記回転ハウジングを静止させる摩擦ブレーキと、を備え、
   前記一対の円板部と対向する前記回転ディスクの両面のうち少なくとも一方の面に放射状に延び出す羽根を設けるとともに、前記回転ディスクの前記羽根が設けられた面と対向する前記円板部の内面に放射状に延び出す羽根を設け、前記回転ハウジングの内部に作動流体が充満しており、
   非制動時に前記回転ハウジングに回転抵抗を付与する回転抑制機構を備えることを特徴とする流体式減速装置。
2. 前記回転抑制機構は、前記回転ハウジングの外面に設けられたフィンであることを特徴とする請求項１に記載の流体式減速装置。
3. 制動時において前記作動流体から生じる抵抗トルクと、非制動時において前記回転抑制機構により発生する抵抗トルクが、下記（ａ）〜（ｃ）式の関係を満足することを特徴とする請求項２に記載の流体式減速装置。
   Ｎ_f＝α_f｜ω_R−ω_S｜（ω_R−ω_S） …（ａ）
   Ｎ_fin＝−α_fin｜ω_S｜ω_S …（ｂ）
   ０．０２％≦α_fin／α_f≦１％ …（ｃ）
   ここで、Ｎ_f：制動時において前記作動流体から生じる抵抗トルク、ω_R：回転ディスクの回転数（ｒｐｍ）、Ｎ_fin：非制動時において前記回転抑制機構により発生する抵抗トルク、ω_S：回転ハウジングの回転数（ｒｐｍ）、ならびにα_fおよびα_fin：定数である。
4. 前記回転抑制機構は、非制動時に前記摩擦ブレーキを作動させ、前記摩擦部材を制動時よりも低い押付け力で前記回転ハウジングに押し付ける構成であることを特徴とする請求項１に記載の流体式減速装置。
5. 前記回転抑制機構は、前記回転ハウジングに対して接近および離間が可能な磁石を備え、非制動時に前記磁石を前記回転ハウジングに接近させる構成であることを特徴とする請求項１に記載の流体式減速装置。

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