JP6316149B2

JP6316149B2 - 伝達装置

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Publication number: JP6316149B2
Application number: JP2014184598A
Authority: JP
Inventors: 敦哉赤塚; 賢輔遠宮
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: JP2016056898A

Description

本発明は、伝達装置に関する。

クラッチなどの伝達装置では、トルク及び荷重を伝達する軸に連結された回転片より固定片に荷重を掛けながら回転片が回転し、回転片の摺動面と固定片の摺動面とが摺動する。このような伝達装置では、広帯域にわたる荷重及び回転数において摩擦係数が安定し、高荷重域や高回転域でも焼き付きが生じないことが望まれる。

一方、このようなクラッチなどの材料として、近年では、耐摩耗性、耐熱性、耐酸化性、軽量性などに優れた炭素繊維強化炭素複合材（ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄ・ＣａｒｂｏｎＭａｔｒｉｘ・Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ、以下「Ｃ／Ｃ複合材」という。）が用いられるようになってきた。

特許文献１には、内周壁にスプライン歯が設けられたクラッチディスクを、ディスク状本体と、その両面に設けれたクラッチプレートと摺擦する摩擦層とから構成し、摩擦層の気孔率をディスク状本体の気孔率より大きくした技術が開示されている。この技術によれば、ディスク状本体の気孔率を低く設定することができるので、クラッチディスク全体の強度を確保でき、一方摩擦層の気孔率を高く設定することができるので、気孔を介しての流体潤滑から境界潤滑への移行を速やかに行って良好な動摩擦特性を得ることができる。

特開平１０−２６７０５１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、クラッチディスクの内周のスプライン歯に歯合する軸が摩擦層にも当接し、摩擦層に欠けが生じる。特に、特許文献１に記載された技術では、摩擦層の炭素含有率を高くしているので、硬くなり、欠けが生じやすくなる。そして、このような欠けた部分がクラッチプレートと摩擦層との間の摺動面に滞留すると、高荷重域や高回転域において摩擦係数が不安定になり、最終的に摩擦係数が急上昇し、回転しなくなる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、強度を確保しつつ、高荷重域や高回転域においても摩擦係数を安定させることができる伝達装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る伝達装置は、第１の摺動面を有する第１の片と、トルクを伝達する連結部材に連結され、Ｃ／Ｃ複合材（炭素繊維強化炭素複合材）からなる基材と、前記基材に積層され、前記第１の摺動面と当接する第２の摺動面を有し、含有する繊維の重量％が前記基材より低い摺動層とを有する第２の片とを有する。

ここで、摺動層は、例えば繊維（炭素繊維）の含有率が０重量％であってもよく、繊維（炭素繊維）の重量％が基材より低いＣ／Ｃ複合材からなるものであってもよい。

本発明の一形態に係る伝達装置では、摺動面を有する摺動層は、繊維の重量％が基材より低いので、高荷重域や高回転域においても摩擦係数が安定し、また基材は、繊維の重量％が摺動層より高いＣ／Ｃ複合材からなるので、強度を確保できる。しかも、連結部材は、摺動層を避けて、繊維の重量％が高い基材を介して第２の片に連結されているので、連結部材と第２の片との間で当接する部分において欠けが生じ難く、従ってこのような欠けが摺動面間に滞留することを防止できる。よって、高荷重域や高回転域において摩擦係数が不安定になり、突如摩擦係数が急上昇し、回転しなくなるという、上記欠けによる不具合を防止することができる。

本発明の一形態に係る伝達装置では、前記基材は、前記繊維を第１の重量％含有する本体層と、前記本体層と前記摺動層との間に設けられ、前記繊維を前記第１の重量％より高い第２の重量％含有する中間層とを有することが好ましい。これにより、繊維の重量％の低い摺動面の形成を容易に行うことができる。

このように基材の本体層と摺動層との間に繊維の重量％の高い中間層を設けることで、第２の片を成形するときに、摺動層から基材への炭素の浸み込みが繊維の重量％の高い中間層によって阻止することができる。
本発明の別形態に係る伝達装置では、前記基材は、前記摺動層から離れる層ほど含有する繊維の重量％が高い、複数の層を有することが好ましい。

繊維の重量％の差が大きい面と面とを接合させた場合、接合面が剥離するおそれがあるが、このように基材を摺動層から離れる層ほど繊維の重量％の高い複数の層から構成することで、すなわち繊維の重量％を徐々に変え、接合面の間の繊維の重量％の差を小さくし、かつ、結果的に基材の繊維の重量％を高めるように構成することで、強度を確保しつつ、接合面の剥離を防止できる。
本発明の一形態に係る伝達装置では、前記第２の片は、前記基材と前記摺動層とを縫合する糸を有することが好ましい。
このように糸により基材と摺動層とを連結することで、摺動層と基材とが剥離することを防止できる。

本発明によれば、第２の片を炭素繊維強化炭素複合材からなる基材と、基材よりも繊維の重量％が低い摺動層とを積層させた構成とし、連結部材を基材を介してこの第２の片に連結したので、強度を確保しつつ、高荷重域や高回転域においても摩擦係数を安定させることができる。

本発明の一実施形態に係る伝達装置の構成を示す図である。図１に示した回転片の摺動面を臨む斜視図である。図１に示した回転片の断面図である。本発明の効果を確認するために行った実験結果を示すグラフである。本発明の他の実施形態に係る回転片の断面図である。図５に示した回転片の成形方法を説明するための図である。本発明のさらに別の実施形態に係る回転片の断面図である。本発明のまた別の実施形態に係る回転片の断面図である。図８に示した実施形態の変形例に係る回転片の平面図である。図９に示した回転片のＡ−Ａ断面図である。本発明の変形例に係る伝達装置における連結構造を示す一部断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る伝達装置の構成を示す図である。
図１に示すように、この伝達装置１は、回転軸１０と、回転片２０と、固定片３０と、固定軸４０とを有する。
伝達装置１は、例えば自動車や鉄道、航空機などにおけるトルクを伝達するための機構に用いられる。
回転軸１０は、外部よりトルクＴ及び軸荷重Ｎを受け、トルクＴ及び軸荷重Ｎを回転軸１０に連結された回転片２０に伝達する。

図２は回転片２０の斜視図である。
図２にも示すように、回転片２０は、ディスク形状の部材であり、その背面において、回転軸１０に先端に取り付けられたフランジ部材１１を介して例えばボルト（図示を省略）により回転軸１０に連結され、回転軸１０とともに回転するように構成されている。回転片２０は、その表面に固定片３０の摺動面３１と当接する摺動面２１を有し、回転軸１０より伝達されたトルクＴを固定片３０側に伝達する。

固定片３０は、回転片２０と同様のディスク形状の部材であり、その背面において、固定軸４０に先端に取り付けられたフランジ部材４１を介して例えばボルト（図示を省略）により固定軸４０に連結されている。固定片３０は、その表面において回転片２０の摺動面２１と当接する摺動面３１を有し、回転片２０と対向して例えば常にドライな状態で接するように同軸上に配置されている。
固定軸４０は、例えば図示を省略した壁体に固定され、固定片３０とともに回転しないように固定されている。

図３は回転片２０の断面図である。
図３にも示すように、回転片２０は、フランジ部材１１を介して回転軸１０に連結された基材２２と、基材２２に積層され、摺動面２１を有する摺動層２３とを有する。基材２２は、Ｃ／Ｃ複合材（炭素繊維強化炭素複合材）からなり、摺動層２３は、Ｃ／Ｃ複合材或いは黒鉛（１００重量％の黒鉛）からなる。Ｃ／Ｃ複合材とは、炭素複合材のなかでも、母材・強化繊維ともに炭素を用いたエンジニアリング素材である。ここで、基材２２の繊維の重量％（（繊維重量／全体重量）×１００）は摺動層２３の繊維の重量％よりも高い。すなわち、基材２２の方は繊維の重量％が高く、黒鉛の重量％（黒鉛重量／全体重量×１００）が低く、摺動層２３の方が繊維の重量％が低く或いは０、黒鉛の重量％が高い或いは黒鉛１００重量％である。本実施形態では、例えば摺動層２３の繊維の含有率を０重量％〜３０重量％で、基材２２の繊維の含有率を３０重量％よりも高くしている。

本実施形態においては、固定片３０についても回転片２０と同様な構成とされている。すなわち、固定片３０もフランジ部材４１を介して固定軸４０に連結された基材３２と、基材３２に積層され、摺動面３１を有する摺動層３３とを有する。そして、基材３２は、Ｃ／Ｃ複合材からなり、摺動層３３は、Ｃ／Ｃ複合材或いは１００重量％黒鉛からなり、基材３２の繊維の重量％のは摺動層３３の繊維の重量％よりも高い。

このように構成された伝達装置１では、回転軸１０からのトルクＴ及び軸荷重Ｎが回転片２０に掛かり、回転片２０より固定片３０に荷重が掛かりながら回転片２０が回転し、回転片２０の摺動面２１と固定片３０の摺動面３１とが摺動する。これにより、回転軸１０のトルク及び軸荷重が回転片２０を介して固定片３０に伝達され、伝達装置１として機能する。

この実施形態に係る伝達装置１では、回転片２０及び固定片３０の摺動層２３、３３の繊維の重量％が低いので、高荷重域や高回転域においても摩擦係数が安定する。このように高荷重域や高回転域においても摩擦係数が安定することを確認するために行った実験結果を図４に示す。
・本発明に係る実施例（図４中、塗り潰しの四角でプロットした）
回転片及び固定片：全体が黒鉛１００重量％面圧１．０ＭＰａ
・比較例１（図４中、白抜きの三角でプロットした）
回転片及び固定片：全体がＣ／Ｃ複合材（黒鉛７０重量％）面圧０．５ＭＰａ
・比較例２（図４中、白抜きの丸でプロットした）
回転片及び固定片：全体がＣ／Ｃ複合材（黒鉛７０重量％）面圧１．０ＭＰａ
図４では、回転速度を０から上昇させた場合の上記実施例及び比較例１、２の構成におけるＰＶ値と摩擦係数（動摩擦係数）μとの関係を示している。
図４に示したように、実施例の構成では、ＰＶ値が２８０（ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎ）近くになるまで摩擦係数は安定し、焼き付きは生じなかった。

一方、比較例１の構成では、ＰＶ値が６０（ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎ）の手間で摩擦係数が急激に上昇し、比較例２の構成では、ＰＶ値が６０（ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎ）を超えたところで摩擦係数が急激に上昇した。

従って、回転片２０及び固定片３０の繊維の重量％を低く、すなわち黒鉛の重量％を高くすることで、高荷重域や高回転域においても摩擦係数が安定することがわかる。しかしながら、このように黒鉛の重量％を高くすると、脆くなり、強度が低下する。そこで、本実施形態では、回転片２０及び固定片３０を、黒鉛の重量％が高い摺動層２３、３３と、黒鉛の重量％が低い、すなわち繊維の重量％が高くて強い強度の基材２２、３２とをそれぞれ積層した構成とすることで、強度を確保しつつ、高荷重域や高回転域においても摩擦係数を安定させることができる。しかも、回転軸１０及び固定軸４０は、脆い摺動層２３、３３を避けて、黒鉛の重量％が低い、すなわち繊維の重量％が高く強い強度の基材２２、３２を介して回転片２０及び固定片３０にそれぞれ連結されているので、大きな応力が掛かる回転軸１０と回転片２０との当接部分や固定軸４０と固定片３０との当接部分において欠けが生じ難く、従ってこのような欠けが摺動面２１、３１間に滞留するようなことはなくなる。よって、高荷重域や高回転域において摩擦係数が不安定になり、突如摩擦係数が急上昇し、回転しなくなるという、欠けによる不具合を防止することができる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。
図５はこの実施形態に係る回転片２０の断面図である。
図５に示すように、この実施形態に係る回転片２０は、上記実施形態と同様に、基材２２と、摺動層２３とを積層させた構成を有する。そして、この実施形態では、さらに、基材２２が、繊維を第１の重量％含有する本体層２２２と、本体層２２２と摺動層２３との間に設けられ、繊維を第１の重量％より高い第２の重量％含有する中間層２２３とを積層させた構成となっている。

ここで、繊維の含有率についての一例を示すと、摺動層２３の繊維を０重量％、すなわち黒鉛１００重量％とし、基材２２における本体層２２２の繊維を３０重量％、中間層２２３の繊維を４０重量％程度としている。
なお、ここでは、回転片２０の構成について説明したが、固定片３０についても同様の構成とすればよい。

図６はこのような回転片２０の成形方法を説明するための図である。
回転片２０の成形方法では、まずカーボンファイバーと黒鉛の粉体とを７：３程度（重量割合）に混ぜた本体層２２２の前駆体２２２Ａと、カーボンファイバーと黒鉛の粉体とを６：４程度（重量割合）に混ぜた中間層２２３の前駆体２２３Ａと、摺動層２３となる黒鉛粉末２３Ａを準備する。

次に、下型５１の上部開口より、下型５１内に本体層２２２の前駆体２２２Ａ、中間層２２３の前駆体２２３Ａ、摺動層２３となる黒鉛粉末２３Ａを入れる。つまり、下型５１内には、下から順番に本体層２２２の前駆体２２２Ａ、中間層２２３の前駆体２２３Ａ、摺動層２３となる黒鉛粉末２３Ａが積層された状態となる。

次に、この積層された状態で、上型５２により圧縮しつつ加熱することで、回転片２０を成形する。加熱の温度としては、１５０℃〜２００℃程度、圧力として１５ＭＰ程度とすればよい。その後、成形品を焼成することにより、炭素化、黒鉛化がなされる。

以上により、回転片２０を成形することができるが、本実施形態では、基材２２の本体層２２２と摺動層２３との間に繊維の重量％の高い中間層２２３を設けることで、この成形の際に、摺動層２３の前駆体２３Ａから基材２２への黒鉛の浸み込みが繊維の重量％の高い中間層２２３の前駆体２２３Ａによって阻止される。すなわち、繊維の重量％の高い中間層２２３が存在しない場合には、摺動層２３となる黒鉛が成形時に基材２２側に流動し、所望の厚さの摺動層２３が形成できず、或いは摺動層２３の黒鉛の重量％が下がって摩擦係数の安定性を欠くこととなり、また基材２２の黒鉛の重量％が高くなり、基材２２の強度に影響を与えることになるが、上記中間層２２３を設けることでこれらの欠点を解消できる。
次に、本発明のさらに別の実施形態を説明する。
図７はこの実施形態に係る回転片２０の断面図である。

図７に示すように、この実施形態に係る回転片２０は、上記実施形態と同様に、基材２２と、摺動層２３とを積層させた構成を有する。そして、この実施形態では、さらに、基材２２を複数の層、例えば４つの層２２４〜２２７により構成し、これらの層２２４〜２２７のうち摺動層２３から離れる層２２４〜２２７ほど繊維の含有率を高くしている。この実施形態では、例えば摺動層２３の繊維の含有率を０重量％、層２２４の繊維の含有率を１０重量％、層２２５の繊維の含有率を２０重量％、層２２６の繊維の含有率を３０重量％、層２２７の繊維の含有率を４０重量％としている。
なお、ここでは、回転片２０の構成について説明したが、固定片３０についても同様の構成とすればよい。

基材２２の繊維の含有率と摺動層２３の繊維の含有率の差が大きいと、これらの接合面において剥離しやすくなる。これは、これらの面どうしでの繊維の絡みが弱くなり、或いは摺動層２３が黒鉛１００重量％の場合には熱膨張率の差が大きくなるので、境界でのせん断力（応力差）が生じて破壊しやすくなる。

この実施形態では、基材２２を複数の層２２４〜２２７を積層した構成とし、摺動層２３から離れる層２２４〜２２７ほど繊維の含有率が高くしているので、すなわち繊維の含有率を徐々に変え、接合面の間の繊維の含有率の差を小さくし、かつ、結果的に基材２２の繊維の含有率を高めるように構成することで、強度を確保しつつ、接合面の剥離を防止できる。

次に、本発明のさらにまた別の実施形態を説明する。
図８はこの実施形態に係る回転片２０の断面図である。
図８に示すように、この実施形態に係る回転片２０は、上記実施形態と同様に、基材２２と、摺動層２３とを積層させた構成を有する。そして、この実施形態では、さらに、基材２２と摺動層２３とを糸２４により縫合している。糸２４の材質としては、炭素系の繊維からなるものが好ましく、例えばＰＡＮ糸炭素繊維やピッチ糸炭素繊維などを用いることができる。また、糸は、一本の糸、束の糸、撚った糸などいずれであってもよい。また、この縫合は、各前駆体を積層した状態で行い、縫合後に上型５２（図６参照）により圧縮しつつ加熱することが好ましい。
なお、ここでは、回転片２０の構成について説明したが、固定片３０についても同様の構成とすればよい。
この実施形態では、糸２４により基材２２と摺動層２３とを縫合することで、摺動層２３と基材２２とが剥離することを防止できる。

なお、例えば図９及び図１０に示すように、摺動層２３に摺動面２１側に溝２５を設け、摺動面２１側に露出した糸２４を溝２５内に収容し、摺動面２１に糸２４が突出しないように構成してもよい。これにより、糸２４が摺動面に介在しないので、摺動時の摩擦係数を安定させることができ、糸２４の破断も防止できる。また、摺動時に、摺動面２１、３１で摩耗粉が発生するが、摩耗粉は溝２５によりトラップされ、これら摺動面に摩耗粉が滞留しない。さらに、溝２５によりトラップされた摩耗粉は、溝２５が外周面に露出していることから、回転片２０が回転するときに生じる遠心力により溝２５より外方に排出される。よって、摩耗粉が滞留することがないので、摺動面が荒れにくくなり、摺動面の摩擦係数の変動が抑えられる。しかも、溝２５によりトラップされた摩耗粉は、外方に排出されるので、溝２５に摩耗粉が詰まることがなくなる。
本発明は上記した実施形態には、限定されず様々な態様で実施することができ、その実施の範囲も本発明の技術的範囲に属するものである。

例えば、上記の各実施形態では、回転軸１０は基材２２の背面に連結されていたが、例えば図１１に示すように、基材２２の外周面に複数の凹部２６を設け、これらの凹部２６に係合する係合凸部１２を複数有する係合部材１３に回転軸１０を取り付けることで、連結部材を基材の外周に連結するように構成してもよい。これにより、連結部材が摺動層に当接することはなくなる。

また、上記の各実施形態では、回転片及び固定片の両方を摩擦層と基材からなる積層構造としたが、回転片及び固定片のうちいずれか一方を摩擦層と基材とからなる積層構造とし、他方を単層のＣ／Ｃ複合材としてもよい。

さらに、上記の各実施形態では、回転片及び固定片の両方にＣ／Ｃ複合材を用いるものであったが、回転片及び固定片のうちいずれか一方にＣ／Ｃ複合材を用い、他方に鉄などの別の材料を用いても構わない。
また、上記の各実施形態では、一方を回転片とし、他方を固定片としたが、両方を回転片としても構わない。

１伝達装置
１０回転軸
２０回転片
２１摺動面
２２基材
２３摺動層
２４糸
２５溝
３０固定片
３１摺動面
３２基材
３３摺動層
４０固定軸

Claims

第１の摺動面を有する第１の片と、
トルクを伝達する連結部材に連結され、炭素繊維強化炭素複合材からなる基材と、前記基材に積層され、前記第１の摺動面と当接する第２の摺動面を有し、含有する繊維の重量％が前記基材より低い摺動層とを有する第２の片と、
を具備する伝達装置。
請求項１に記載の伝達装置であって、
前記基材は、前記繊維を第１の重量％含有する本体層と、前記本体層と前記摺動層との間に設けられ、前記繊維を前記第１の重量％より高い第２の重量％含有する中間層とを有する
伝達装置。
請求項１に記載の伝達装置であって、
前記基材は、前記摺動層から離れる層ほど含有する前記繊維の重量％より高い、複数の層を有する
伝達装置。
請求項１〜請求項３のうちいずれか１項に記載の伝達装置であって、
前記第２の片は、前記基材と前記摺動層とを縫合する糸を有する
伝達装置。
請求項４に記載の伝達装置であって、
前記第２の片の摺動層の摺動面側に溝が設けられ、
前記第２の摺動面側に露出した前記糸は、前記溝内に収容されている
伝達装置。