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

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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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