JP6178921B2 - 自動車用パワーテークオフユニット - Google Patents

Description

本発明は、自動車における動力伝達装置に関し、特に四輪駆動車において一方の車軸から他方の車軸へトルクを分配するための自動車用パワーテークオフユニットに関する。

例えば前輪駆動の自動車では、車体の前方に据えられたエンジンがトルクを発生し、これをデファレンシャルが受けて左右の前輪に配分する。四輪駆動車の場合には、通常、デファレンシャルを含むトランスミッションと組み合わせて、トルクの一部を取り出して後輪へ伝達するパワーテークオフユニット（ＰＴＵ）が利用される。

ＰＴＵを搭載した四輪駆動車においても、時限的に二輪駆動モードに切り替えられる構成が採用されることがある。その場合には、ＰＴＵから後輪デファレンシャルに至る動力系の何れかに、動力伝達を一時的に切断するための一以上のクラッチが挿入される。クラッチの何れかが脱連結したとき、エンジンは当のクラッチより下流の伝導機構部位の回転を負担しないので、かかる構成は燃費の向上に有利である。

特許文献１は、関連する技術を開示する。

日本国特許出願公開２０１２−１９３７７９号

燃費向上の効果を極大化するには、トルクの伝達経路において、クラッチの少なくとも一をできるだけ上流側に設けるのが有利であり、それゆえ特許文献１の例においてはクラッチはＰＴＵの内部に組み込まれている。ＰＴＵは必然的に複雑な構造にならざるを得ず、これは幾つかの問題を生ずる。例えば、その組み立ては当然に困難になり、また分解も困難になるので、メンテナンスに問題を生ずる。またＰＴＵの構成を変更するには、部分的な変更によってすることは困難であって、その全体を所望の構成のＰＴＵに置き換える必要がある。本発明はこれらの問題に鑑みて為されたものである。

本発明の一局面によれば、自動車のトランスミッションからトルクを取り出すパワーテークオフユニットは、互いに結合する第１の部分と第２の部分と第３の部分とに分割可能なケーシングと、前記トランスミッションのシャフトの貫通を許容するべく中空に形成され、前記トランスミッションと結合して軸の周りに回転する内側軸と、独立して回転可能であって前記内側軸に同軸な外側軸と、前記内側軸と前記外側軸との間に介在し、連結すると前記内側軸と前記外側軸とを駆動的に連結するべく構成されたクラッチと、前記クラッチを連結するべく構成されたアクチュエータと、前記外側軸と交差的に、又は非平行的かつ非交差的に、配置されて回転可能な出力軸と、前記外側軸と前記出力軸とを駆動的に連結するギア組と、を備え、前記外側軸および前記出力軸は前記第１の部分および前記第３の部分に回転可能に支持され、前記クラッチは前記第２の部分に回転可能に支持され、前記アクチュエータは前記第２の部分に固定され、以って前記クラッチおよび前記アクチュエータは前記第２の部分と共に前記第１の部分および前記第３の部分から分離可能である。

図１は、自動車の動力系を模式的に表す図である。 図２は、本発明の一実施形態によるパワーテークオフユニットの断面図であって、入力軸と出力軸の両方の中心軸を通る面を見せる断面図である。 図３は、前記パワーテークオフユニットにおいてクラッチおよびクラッチを駆動するアクチュエータを拡大してみせる部分断面図である。 図４は、クラッチ部材の周面を模式的に見せる平面図であって、クラッチが連結する以前の状態を示している。 図５は、クラッチ部材の周面を模式的に見せる平面図であって、クラッチが連結した状態を示している。

以下、本発明の実施形態を添付の図面を参照しながら説明する。

以下の説明および請求の範囲を通じて、軸方向の語は、特段の説明がなければ、内側軸５および外側軸７の軸方向を意味する。

図１を参照するに、自動車１００の動力系は、一例として車体の前部に、エンジンおよび／または電動モータ２０１と、トランスミッション２０３とを備える。トランスミッション２０３は、フロントデフ２０５を備え、そのケーシング２０７はエンジンおよび／または電動モータ２０１からトルクを受けることにより回転する。

フロントデフ２０５は、デファレンシャルギア組を備えることにより、ケーシング２０７に入力されたトルクを、両サイドギア２０９，２１１を介して右および左の車軸２１３，２１５へ、その間の差動を許容しながら伝達する。デファレンシャルギア組としては、例えばベベルギア式が例示できるが、他の形式であってもよい。

図示された四輪駆動車の例では、車体後部もリアデフ２１９を備え、後車軸２２１，２２３と結合しており、以って後輪間の差動が許容されている。さらに、例えば左後車軸２２３へのトルクの伝達を切断するべく、クラッチ２２５が備えられ、これは通常リアデフ２１９と共にキャリアケースに収容される。左後車軸２２３に代えて、右後車軸２２１あるいはプロペラシャフト２１７上にクラッチを設けてもよい。

プロペラシャフト２１７を介してトルクの一部をトランスミッション２０３からリアデフ２１９に伝える目的で、パワーテークオフユニット（ＰＴＵ）１が利用される。

ＰＴＵ１は、デフケース２０７に伝達されたトルクの一部を取り出して、出力軸１５へ伝達する。出力軸１５は等速ジョイントとプロペラシャフト２１７とを介してリアデフ２１９と結合している。トルクの伝達を切断するために、ＰＴＵ１はクラッチ９を備える。クラッチ９がクラッチ２２５と連携して脱連結すれば、プロペラシャフト２１７は系から切り離される。

図２を参照するに、ＰＴＵ１は、ケーシング３に収容されて、内側軸５と、これに同軸であって独立して回転可能な外側軸７と、噛み合うと内側軸５と外側軸７とを駆動的に連結するクラッチ９と、クラッチ９を操作するためのアクチュエータ１１と、ギア組１３によって外側軸７に駆動的に連結した出力軸１５と、を備える。詳しくは後述するが、デフケース２０７に結合してトルクを受容するのは内側軸５であり、クラッチ９が連結するとトルクは外側軸７へ伝達され、ギア組１３を介して出力軸１５へ出力される。

ケーシング３は、第１の部分３１と第２の部分３３とに分割可能である。内部の部材を収容して第２の部分３３を第１の部分３１に結合すると、その内部が密閉されるように、ケーシング３は構成されている。

ケーシング３は、内側軸５、外側軸７、クラッチ９およびアクチュエータ１１を同軸に支持する。またケーシング３の第１の部分３１は、これらの軸方向とは異なる方向に向けられた部分３７を備え、この部分３７は、出力軸１５を外側軸７に対して交差的に、又は非平行的かつ非交差的に（すなわち、ねじれの関係に）向けて支持する。

第１の部分３１は、その端３１ｃにおいてトランスミッション２０３に結合可能である。第１の部分３１は、外側軸７とギア組１３と出力軸１５とを収容し、それぞれ回転可能に支持する。第２の部分３３は、クラッチ９とアクチュエータ１１とを収容し、クラッチ９を回転可能に支持し、アクチュエータ１１を回転不能に支持する。詳しくは後述するが、第２の部分３３を第１の部分３１から分離すると、これに伴ってクラッチ９とアクチュエータ１１とが他の要素から分離する。

第１の部分３１は、分離可能な第３の部分３５をさらに含むことができる。外側軸７は、第３の部分３５を分離した状態で第１の部分３１の内部に収納され、第３の部分３５が第１の部分３１に結合することにより、これらに支持される。その回転を許容するために、ボールベアリングのごときベアリング６１，６３が外側軸７とケーシング３との間に介在する。その一のベアリング６１は第１の部分３１に支持され、他のベアリング６３は第３の部分３５に支持されてもよい。

第３の部分３５を第１の部分３１に対して正確に位置決めするべく、第３の部分３５は第１の部分３１の内面に嵌合する構造３５ｃを備えてもよい。あるいは、逆に、第１の部分３１が第３の部分の内面に嵌合してもよい。内部のオイルの漏洩を防ぐべく、その間にはＯリングあるいはガスケットが介在してもよい。

同様に、第２の部分３３を第１の部分３１に対して正確に位置決めするべく、第３の部分３５は第２の部分３３の内面に嵌合する構造３５ｅを備えてもよい。あるいは、逆に、第２の部分３３が第３の部分３５の内面に嵌合してもよい。同様に、内部のオイルの漏洩を防ぐべく、その間にはＯリングあるいはガスケットが介在してもよい。

第２の部分３３は、その一端３３ｃから軸方向に通されたボルト等の締結要素により第１の部分３１に固定される。締結要素は、第３の部分３５を貫通して第１の部分３１に締結され、以ってこれら３つの部分が同時に固定されるようにしてもよい。あるいは、第１の部分３１と第３の部分３５との固定、第２の部分３３と第３の部分３５との固定のために、それぞれ個別の締結要素を利用してもよい。

外側軸７は中空であって、これを貫通するように同軸に内側軸５が延びている。フロントデフ２０５側の端７１付近において、好ましくはベアリング６１とオーバーラップするように、すべり軸受け部材６７が内側軸５と外側軸７との間に介在しており、以って内側軸５を回転可能に支持する。

内側軸５も中空であって、内部の空洞５１を通って車軸２１３が右方に引き出される。内側軸５においてフロントデフ２０５側の端部には、スプライン５３が軸方向に切られており、以ってデフケース２０７に駆動的に結合することができる。すべり軸受け部材６７の圧入の障害にならないよう、この端部は、すべり軸受け部材６７が接する部分よりも僅かに小径にすることができる。

内側軸５において反対側の端部近傍にもスプライン５５が軸方向に切られており、これは後述の第１のクラッチ部材９１に駆動的に結合するために利用される。また内側軸５は、スプライン５５の付近において、第１のクラッチ部材９１と共にボールベアリングのごときベアリング６５により回転可能に支持される。

外側軸７において、フロントデフ２０５に向いた端７１とは反対側の端７３は、第３の部分３５の開口から第２の部分３３に向けて露出し、クラッチ９に臨んでいる。詳しくは後述するが、外側軸７の端７３とクラッチ９の第２のクラッチ部材９３とは、図４，５に示される通り、第１の歯１０１により互いに係合し、以ってトルクを伝達する。

図２に戻って参照するに、外側軸７は、その両端７１，７３の中間において、好ましくは大径にされており、ここにベベルギア７７が固定される。固定のため、およびスラスト力を受けるべく、フランジ部７５が一体的に径方向に張り出していてもよい。ベベルギア７７の固定は、圧入でもよいし、フランジ部７５を利用したボルト締結でもよいし、あるいは溶接でもよい。

図２の例では、ベベルギア７７の歯はフロントデフ２０５側に向けられており、フランジ部７５はその背面よりベベルギア７７に当接している。この配置は、ベベルギア７７と噛み合う出力軸１５をフロントデフ２０５側に寄せ、引いてはプロペラシャフト２１７を自動車１００の中心に寄せる配置を実現できる点で有利である。もちろん、この配置は任意に変更しうる。

出力軸１５は、外側軸７と交差的に、又は非平行的かつ非交差的に、配置されている。出力軸１５は、その一端において、好ましくは一体的に、ギア１５１を備える。ギア１５１とベベルギア７７との組み合わせは、ベベルまたはハイポイドギア組１３を構成する。以って外側軸７に伝えられたトルクは、その軸方向とは異なる方向に、出力軸１５から出力される。

出力軸１５を回転可能に支持するべく、ベアリング組６９が利用できる。出力軸１５とベアリング組６９とを予め組み立てておき、これらを一体にケーシング３の部分３７に組み付けることができる。

図２と組み合わせて図３を参照するに、クラッチ９は、概して、第１のクラッチ部材９１と第２のクラッチ部材９３と、よりなる。

第１のクラッチ部材９１は、概して円筒状であり、その外面をベアリング６５により回転可能に支持されており、その内面にはスプライン９５が軸方向に切られている。既に述べたように、スプライン９５は内側軸５のスプライン５５と係合し、以って内側軸５と第１のクラッチ部材９１とは共に回転する。また内側軸５は第１のクラッチ部材９１を介してベアリング６５に回転可能に支持される。

第２のクラッチ部材９３も概して円筒状であり、アクチュエータ１１の内側に嵌合してこれに回転可能に支持され、また軸方向に移動可能である。あるいは、アクチュエータ１１と内側軸５との間に介在するのに代えて、第２の部分３３に直接に、あるいはベアリングを介して、支持されていてもよい。図４，５を参照するに、第１のクラッチ部材９１と第２のクラッチ部材９３とは、互いに係合可能な第２の歯１０３を備え、以ってクラッチ９を構成する。

図３に戻って参照するに、アクチュエータ１１は、第２のクラッチ部材９３を軸方向に駆動してクラッチ９を操作する。アクチュエータ１１には、例えばソレノイドを利用することができる。あるいはソレノイドに代えて、空圧装置や油圧装置など他の駆動装置を利用してもよい。ソレノイドは、磁束を生ずるべく周方向に巻かれたコイル１１１と、生じた磁束を導くコア１１３とを備える。

コイル１１１は銅のごとき導体よりなり、導体は樹脂にモールドされている。コア１１３は磁性材料よりなり、その内周のギャップ１１５を残してコイル１１１を囲む。コア１１３は第２の部分３３の隅に嵌合しており、その変位を防止するべくタブ４１が第２の部分３３の内面に嵌合する。

ギャップ１１５を跨ぐように、円筒状ないしリング状のプランジャ１１７がコア１１３に嵌合しており、プランジャ１１７も磁性材料よりなる。すなわち、コア１１３とプランジャ１１７との組み合わせは、コイル１１１を囲む閉じた磁気回路を構成する。磁束はギャップ１１５を飛躍せずに専らプランジャ１１７に流れ、以ってプランジャ１１７を軸方向に駆動する。

好ましくはプランジャ１１７にさらに副プランジャ１１９が嵌合する。副プランジャ１１９も円筒状ないしリング状であるが、非磁性材料よりなり、共に動くようにプランジャ１１７に固定される。副プランジャ１１９の一端は第２のクラッチ部材９３に当接してこれを軸方向に駆動する。非磁性材料よりなる副プランジャ１１９が介在することは、磁束の漏れを抑制する点で有利である。

プランジャ１１７ないし副プランジャ１１９と第２のクラッチ部材９３との間に、スリーブ部１２１が介在してもよい。これは第２のクラッチ部材９３の支持を安定せしめ、またプランジャ１１７ないし副プランジャ１１９と第２のクラッチ部材９３との接点を制限できる点で有利である。スリーブ部１２１は、ソレノイドから径方向に延長されていてもよいし、他の固定部材から延長されていてもよい。プランジャ１１７および副プランジャ１１９は、コア１１３とスリーブ部１２１との間の空間において可動である。

好ましくは、第１のクラッチ部材９１と第２のクラッチ部材９３との間に、ばねのごとき弾発材９７が介在する。弾発材９７は、クラッチ９が脱連結する向きに第２のクラッチ部材９３を付勢する。弾発材９７の摩擦を軽減するべく、スラストベアリング９９が利用できる。

既に述べた通り、外側軸７の端７３とクラッチ９の第２のクラッチ部材９３とは第１の歯１０１により互いに係合し、第１のクラッチ部材９１と第２のクラッチ部材９３とは第２の歯１０３により互いに連結可能である。図４を参照するに、第２の歯１０３が連結したときにも第１の歯１０１の係合が保持されるよう、第１の歯１０１は第２の歯１０３よりも歯長が長い。係合を容易にするべく、第１の歯１０１と第２の歯１０３の何れも、軸方向に対して僅かに角度をなしていてもよい。第１の歯１０１がなす角ａ１を比較的に大きくすることにより、第１の歯１０１にカム作用を持たせてもよい。この場合、好ましくは、第２の歯１０３がなす角ａ２を、第１の歯１０１がなす角ａ１よりも小さくする。

第１のクラッチ部材９１は、内側軸５の回転に伴い、回転運動Ｒをする。クラッチ９が連結する以前において、外側軸７および第２のクラッチ部材９３は、必ずしも回転運動Ｒに対応するように回転しておらず、例えば静止している。図５を参照するに、ソレノイドは、励磁されると、第２のクラッチ部材９３を軸方向に駆動し、以ってクラッチ９が連結する。このとき第２のクラッチ部材９３は第１のクラッチ部材９１に従動するので、第２のクラッチ部材９３と外側軸７との間に相対回転Ｒ’が生じる。相対回転Ｒ’は、第１の歯１０１のカム作用により軸方向の力Ｆを生じ、これは連結を強化するように第２の歯１０３に作用する。すなわち第１の歯１０１のカム作用は、クラッチ９の連結を維持するようにアクチュエータ１１を補助する。第２の歯１０３も角ａ２をなしているので、これに対抗するカム作用を生ずるが、第１の歯１０１がなす角ａ１よりも小さければ、第１の歯１０１のカム作用が第２の歯１０３のカム作用を凌駕し、以って第１の歯１０１による補助作用が確実になる。励磁を停止すれば弾発材９７によりクラッチ９は脱連結する。

なお、上述の実施形態では、第１のクラッチ部材９１と第２のクラッチ部材９３との組み合わせがクラッチを構成し、第２のクラッチ部材９３と外側軸７との組み合わせが定常的な連結を構成しているが、この関係は逆であってもよい。その場合には、第２のクラッチ部材が直接に内側軸５に結合していてもよく、この結合には軸方向に移動可能なスプライン結合が適用できる。

本実施形態によれば、第１の部分３１に属する部分と、第２の部分３３に属する別の部分とは、それぞれ独立に組み立てることができる。すなわち、外側軸７を第１の部分３１に組み込む作業は、第２の部分３３の組み立てに依存せずに行うことができる。同様に、クラッチ９、アクチュエータ１１および内側軸５を第２の部分３３に組み込む作業は、第１の部分３１の組み立てに依存せずに行うことができる。これらの作業の後、内側軸５を外側軸７に挿入しつつ、第２の部分３３を第１の部分３１に組み付けることにより、ＰＴＵ１の組み立ては概して完了する。第２のクラッチ部材９３と外側軸７との連結が、第１の歯１０１による簡易な係合なので、かかる作業に困難は生じない。すなわち、本実施形態によるＰＴＵ１は、複雑な構造でありながら、簡易な組み立て作業を可能にしている。

上述の構造は、また、容易なメンテナンスをも可能にしている。例えばソレノイドにメンテナンスの必要が生じたとき、第２の部分３３を第１の部分３１から分離するだけでソレノイドを露出させることができる。ＰＴＵ１の全体を分解する必要がないので、メンテナンスが容易である。

上述の構造は、さらに、構成の変更をも容易にしている。例えば、クラッチ９およびアクチュエータ１１を第２の部分３３から除き、これらに代えて内側軸５のスプライン５５と外側軸７の第１の歯１０１とを連絡する部材を適用すれば、トルクは出力軸１５に常時伝達される。すなわち、ＰＴＵ１の全体を置き換えることなく、パートタイム４ＷＤの構成からフルタイム４ＷＤの構成に変更することができる。

すなわち、本実施形態はＰＴＵの構造的な複雑さがもたらす多くの問題を解決している。

好適な実施形態により本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記開示内容に基づき、当該技術分野の通常の技術を有する者が、実施形態の修正ないし変形により本発明を実施することが可能である。

構造の複雑さがもたらす問題を解決するパワーテークオフユニットが提供される。

Claims (9)

1. 自動車（１００）のトランスミッション（２０３）からトルクを取り出すパワーテークオフユニット（１）であって、
   互いに結合する第１の部分（３１）と第２の部分（３３）と第３の部分（３５）とに分割可能なケーシング（３）と、
   前記トランスミッション（２０３）のシャフト（２１３）の貫通を許容するべく中空に形成され、前記トランスミッション（２０３）と結合して軸の周りに回転する内側軸（５）と、
   独立して回転可能であって前記内側軸（５）に同軸な外側軸（７）と、
   前記内側軸（５）と前記外側軸（７）との間に介在し、連結すると前記内側軸（５）と前記外側軸（７）とを駆動的に連結するべく構成されたクラッチ（９）と、
   前記クラッチ（９）を連結するべく構成されたアクチュエータ（１１）と、
   前記外側軸（７）と交差的に、又は非平行的かつ非交差的に、配置されて回転可能な出力軸（１５）と、
   前記外側軸（７）と前記出力軸（１５）とを駆動的に連結するギア組（１３）と、
   を備え、
   前記外側軸（７）および前記出力軸（１５）は前記第１の部分（３１）および前記第３の部分（３５）に回転可能に支持され、前記クラッチ（９）は前記第２の部分（３３）に回転可能に支持され、前記アクチュエータ（１１）は前記第２の部分（３３）に固定され、以って前記クラッチ（９）および前記アクチュエータ（１１）は前記第２の部分（３３）と共に前記第１の部分（３１）および前記第３の部分（３５）から分離可能である、パワーテークオフユニット（１）。
2. 請求項１のパワーテークオフユニット（１）であって、前記クラッチ（９）は、前記内側軸（５）に駆動的に結合した第１のクラッチ部材（９１）と、前記外側軸（７）に係合する第２のクラッチ部材（９３）と、を備え、前記アクチュエータ（１１）は前記第２のクラッチ部材（９３）を前記軸の方向に駆動するべく構成されている、パワーテークオフユニット（１）。
3. 請求項２のパワーテークオフユニット（１）であって、前記第１のクラッチ部材（９１）は前記内側軸（５）の外周面に結合し、前記第２のクラッチ部材（９３）は前記外側軸（７）の端に前記軸の方向に係合する、パワーテークオフユニット（１）。
4. 請求項２または３のパワーテークオフユニット（１）であって、前記第２のクラッチ部材（９３）は、前記外側軸（７）との係合を保持しながら前記軸の方向に移動して第１のクラッチ部材（９１）と連結可能である、パワーテークオフユニット（１）。
5. 請求項２ないし４の何れか１項のパワーテークオフユニット（１）であって、前記第１のクラッチ部材（９１）は前記第２の部分（３３）にベアリング（６５）を介して支持され、前記第２のクラッチ部材（９３）は前記第２の部分（３３）に前記アクチュエータ（１１）を介して支持された、パワーテークオフユニット（１）。
6. 請求項２ないし５の何れか１項のパワーテークオフユニット（１）であって、
   前記第２のクラッチ部材（９３）を支持するべく、前記アクチュエータ（１１）から径方向に延びて前記第２のクラッチ部材（９３）に摺動可能に嵌合するスリーブ部（１２１）を、さらに備えた、パワーテークオフユニット（１）。
7. 請求項２ないし６の何れか１項のパワーテークオフユニット（１）であって、前記外側軸（７）と前記第２のクラッチ部材（９３）とは、前記軸の方向に延びて互いに係合した第１の歯（１０１）を備え、前記第２のクラッチ部材（９３）を前記第１のクラッチ部材（９１）へ向けて付勢するべく、前記第１の歯（１０１）はそれぞれ前記軸の方向に対して角度（ａ１）をなす、パワーテークオフユニット（１）。
8. 請求項７のパワーテークオフユニット（１）であって、前記第１のクラッチ部材（９１）と前記第２のクラッチ部材（９３）とは、前記軸の方向に延びて互いに係合可能な第２の歯（１０３）を備え、前記第２の歯（１０３）はそれぞれ前記軸の方向に対して前記角度（ａ１）より小さな角度（ａ２）をなす、パワーテークオフユニット（１）。
9. 請求項１ないし７の何れか１項のパワーテークオフユニット（１）であって、
   前記軸の方向に互いに離れ、それぞれ前記第１の部分（３１）と前記外側軸（７）との間に挟まれて前記外側軸（７）を支持する第１の軸受け（６１）および第２の軸受け（６３）を、さらに備えた、パワーテークオフユニット（１）。

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