JP7315687B2 - カップリング装置 - Google Patents

Description

以下の開示は、例えば自動車において回転を制御する目的でドライブラインに介在するカップリング装置に関し、特に、コンパクトで迅速なレスポンスを可能にするカップリング装置に関する。

例えば車体の前方部分にエンジン／モータを搭載し、後方に延びるプロペラシャフトを利用して後輪へ動力を及ぼす形式の４輪駆動（４ＷＤ）車において、動力の伝達を断続するクラッチを内蔵したカップリング装置がプロペラシャフトに介在すれば、パートタイム４ＷＤ車が実現する。

かかるクラッチには極めて大きなトルクが印加されるので、その連結にも大きな駆動力を必要とする。カップリング装置の外部に大型のモータを置き、多段の減速ギヤとカム機構とを利用して大きなスラスト力を得てこれをクラッチの駆動力とすることは、かかる問題に対する解のひとつである。あるいは外部にモータを付帯することを避け、モータを装置に内蔵してプロペラシャフトに同軸にする構成も提案されている。

特許文献１，２は、関連する技術を開示する。

日本国特許出願公開２０１３－２０４７０１号公報 国際特許出願公開ＷＯ２０１５／０６８８２２

モータをプロペラシャフトに同軸にする構成は、モータを含めたカップリング装置の全体としては著しく省スペースである。また必然的にモータの径が大きくなるので、ある程度のトルクも期待でき、従って電力の投入からクラッチ連結に至るレスポンスも満足しうる水準にできる。しかしながらレスポンスをさらに改善し、あるいはレスポンスを劣化させずに小型化しようとすると、その余地は限られている。以下に開示する装置は、かかる問題を克服するべく工夫されたものである。

一局面によれば、軸の周りにそれぞれ回転可能な第１のシャフトと第２のシャフトとの間に介在するカップリング装置は、前記軸に対して静止したケーシングと、前記ケーシングに対して回り止めされ、電力の投入に応じて前記軸に平行な磁束を生ずるステータと、前記軸の方向に離れて前記ステータに対向し、前記磁束を受けて前記軸の周りにトルクを生ずるロータと、前記ロータに駆動的に連結して前記トルクを前記軸に沿う方向のスラスト力に変換する変換機構であって、前記スラスト力を行使するスラスト部材を備えた変換機構と、前記スラスト部材に対向して前記スラスト力を受けて前記第１のシャフトを前記第２のシャフトに連結するクラッチと、を備え、前記ロータは前記ケーシングに唯一つの軸受けにより回転可能に支持されている。

図１Ａは、４輪駆動車の模式図である。 図１Ｂは、一実施形態に基づく、プロペラシャフトに介在したカップリング装置の模式図である。 図２は、カップリング装置に用いるアキシャルギャップモータの分解斜視図である。 図３Ａは、一の例による一組のロータとステータを表すアキシャルギャップモータの断面立面図である。 図３Ｂは、他の例による一組のロータとステータを表すアキシャルギャップモータの断面立面図である。 図４は、遊星ギヤの例によるカップリング装置の断面立面図である。 図５は、遊星ギヤの他の例によるカップリング装置の断面立面図である。 図６は、サイクロイドギヤの例によるカップリング装置の断面立面図である。 図７は、遊星ギヤのさらに他の例によるカップリング装置の断面立面図である。 図８は、ボールねじの例によるカップリング装置の断面立面図である。 図９は、ドッグクラッチの例によるカップリング装置の断面立面図である。

添付の図面を参照して以下に幾つかの例示的な実施形態を説明する。以下の説明および添付の請求の範囲において、特段の説明がなければ軸はステータおよびロータの中心軸を意味し、通常にはカップリング装置が連結するシャフトの回転軸とも一致する。図面は必ずしも正確な縮尺により示されておらず、従って相互の寸法関係は図示されたものに限られないことに特に注意を要する。

図１Ａを参照するに、４輪駆動車１は、概して、エンジン／モータ３と、トランスミッション５とを備える。エンジン／モータ３が生み出したトルクはトランスミッション５を介して前輪１３Ｒ，１３Ｌへ分配される。トルクの一部はパワートランスファユニット７を介してプロペラシャフト１１へ引き出され、ファイナルドライブ９を介して後輪１５Ｒ，１５Ｌへ分配される。以下に説明するカップリング装置またはこれに均等なクラッチ装置は、かかるドライブラインの何れかに介在して回転を制御する。

例えば図１Ｂに示す例によれば、カップリング装置１０はプロペラシャフト１１とファイナルドライブ９との間に介在する。カップリング装置１０はクラッチ１７を備え、クラッチ１７が連結したときにはトルクがプロペラシャフト１１からファイナルドライブ９へ伝えられて４輪駆動車１は４輪駆動モードで走行し、脱連結したときには２輪駆動モードで走行する。クラッチ１７にはアクチュエータ１９が結合しており、その連結／脱連結を制御する。

あるいは、図示を省略するが、カップリング装置は例えばエンジン／モータ３とトランスミッション５との間に介在してもよい。エンジン／モータ３の出力を断続することに利用することができる。またあるいは、ギアチェンジに伴う同期を行わせる目的で、トランスミッション５が以下に説明するクラッチ装置を内蔵してもよい。さらにあるいは、ロックアップやフリーランニング動作を行わせる目的で、デファレンシャル装置がクラッチ装置を内蔵してもよい。なおあるいは、アクスルディスコネクト、車軸、メイン駆動側とサブ駆動側との間、パワーテイクオフ等にカップリング装置ないしクラッチ装置を利用することができる。言うまでもなく、これらの二つ以上に利用することもできる。

また以下において、一のシャフトと他のシャフトとの間にカップリング装置１０が介在する例を説明するが、他のシャフトは固定部材であってもよい。かかる例によれば、一のシャフトの回転を制限ないし停止する目的に装置を使用することができ、例えばシフトパーキングやリバース機構に利用することができる。

説明の便宜のために、以下の実施形態は主に図１Ｂに示す例に基づいて説明するが、言うまでもなく説明に基づき上述の何れの例も実現することができる。

図２を参照するに、アクチュエータ１９には、アキシャルギャップモータ２１を利用することができる。アキシャルギャップモータ２１は、カップリング装置１０の軸Ｘと同軸に配置することができ、軸Ｘ周りにトルクを生ずることができる略円形のモータである。

そのステータ２３は回り止めされた静止部材であり、軸Ｘ周りに並べられた複数のコア２３Ｂと、コア２３Ｂをそれぞれ囲む複数の電磁コイル２５とよりなる。それぞれのコイル２５とコア２３Ｂとの組み合わせは、軸Ｘに平行な磁束を生ずるように構成されている。

ロータ２７は、磁性材料よりなり、軸Ｘ周りに対称的な略円形体であり、回り止めされずに軸Ｘ周りに回転運動Ｒをすることができる。ステータ２３が生じた磁束を受けることができるよう、ロータ２７は軸Ｘの方向にステータ２３から僅かに離れ、かつ対向するように配置される。ロータ２７は、また、ステータ２３に向かって軸Ｘの方向に突出した複数の突起２７Ｐを備えることができる。

図２に組み合わせて図３Ａを参照するに、ロータ２７とステータ２３とは、特にコア２３Ｂと突起２７Ｐとは、軸Ｘの方向にごく接近しており、以ってステータ２３は磁束を漏らさずに受容できる。コア２３Ｂと突起２７Ｐとは、互いに対向する面においてそれぞれ平面であってもよいが、磁束が通過する面積を増大するべく、それぞれ３次元構造を備えてもよい。かかる構造の一例は、図３Ｂのごとく、それぞれ周方向に延びた複数のリブ２３Ｒ，２７Ｒであって互いに入り組んだものであるが、もちろんこれに限られない。かかる構造はトルクの増大に寄与し、あるいは電力の利用効率を改善するのに寄与する。

アキシャルギャップモータ２１の駆動には、通常、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のごときスイッチング素子を用いた駆動回路を利用する。すなわち、スイッチング素子を利用して位相差を有する交流ないしパルス電流を生成し、これを複数の電磁コイル２５に入力することにより、ロータ２７にトルクを生ずる。

発生するトルクは、ラジアルギャップモータでは磁束が通過する面の半径の２乗および軸方向長さに比例するが、アキシャルギャップモータでは半径の３乗に比例する。カップリング装置１０に同軸な配置においては、軸方向長さよりも半径方向に比較的に余裕があるので、アキシャルギャップモータ２１を利用することは出力の向上に有利であり、あるいは同じ出力では小型化に有利である。

図４乃至９を参照するに、図１Ｂに示す例によれば、カップリング装置１０は、軸Ｘの周りに回転可能なプロペラシャフト１１と、同じく軸Ｘの周りに回転可能であってファイナルドライブ９に連絡するシャフトとの間に介在する。ファイナルドライブ９に連絡するシャフトはこれらの図中に描かれていないが、それぞれの図の左手のスプライン７３に結合する。

アクチュエータ１９およびクラッチ１７の全体はケーシングに収容される。ケーシングは、必須ではないが２以上の部分３１，３３に分割することができ、内部の部品を組み込んだ後にボルト等により互いに結合される。プロペラシャフト１１と他方のシャフトとは、いずれも、部分３１，３３を互いに結合した後に図中左方から挿入してカップリング装置１０と結合することができる。

各図の右手に示される通り、ステータ２３はケーシングの部分３１に固定される。ロータ２７はベアリング３５を介して同じ部分３１に支持されるが、ステータ２３に対するギャップを適当に維持できる限りにおいて、部分３１でなく他の部分３３がこれを支持してもよい。また詳しくは後述するが、ロータ２７には軸方向には顕著な力がかかるわけではないので、ベアリング３５にはボールベアリングのごときラジアルベアリングを利用することができ、あるいは滑り軸受けを利用してもよい。

ロータ２７を支持するに、唯一つのベアリング３５によることができる。ベアリング３５は、図４乃至６および８，９に示すごとく、ロータ２７の内周に介在してもよいが、図７に示すごとく、ロータ２７の外周に介在してもよい。いずれにせよ、ベアリング３５は径方向にはロータ２７とケーシングの部分３１との間に配置することができる。また特に図４，７，８に典型的なように、軸方向にはこれらが互いにオーバーラップした位置にすることができる。かかる配置はカップリング装置１０の軸方向の寸法を小さくすることに寄与し、またロータ２７が径方向に偏心することを防止するのに役立つ。

またベアリング３５は、図４乃至９に示すごとく、ステータ２３とも軸方向に少なくとも部分的にオーバーラップしていてもよい。これらの図から理解される通り、ステータ２３より径方向に外側または内側には空間的に余裕があり、かかる空間を利用してベアリング３５を配置することは、カップリング装置１０の径方向の寸法を小さくすることに寄与する。またこれらの位置はステータ２３に近接していることから高い精度を確保することができ、結果的にステータ２３に対するロータ２７の位置の精度を高めることができる。これは動作の安定化に寄与する。

アクチュエータ１９は、さらに、トルクを軸Ｘに沿う方向のスラスト力に変換する変換機構４１を備える。変換機構４１は、アキシャルギャップモータ２１が生じるトルクをスラスト力に変換してこれをクラッチ１７に印加する。変換機構４１は、スラスト力を行使するに例えばスラスト部材４３を備え、スラスト部材４３がクラッチ１７の一端に当接することによりスラスト力をクラッチ１７に及ぼし、以ってこれを連結する。

変換機構４１は、トルクを増倍するべく減速機構を含むことができ、例えば図４，５，７に示すごとく、減速機構はプラネタリギヤ機構であってもよい。かかる例によれば、ロータ２７は例えばキャリア４５に結合しており、プラネタリギヤ４７がキャリア４５に回転可能に支持されている。プラネタリギヤ機構は、また、それぞれ歯数の異なるギヤ歯を備えた静止部材５１と被動部材５５とを備える。プラネタリギヤ４７は静止部材５１および被動部材５５とギヤ結合し、歯数差に応じて減速された回転が被動部材５５に生じる。

変換機構４１は、また、回転運動を直線運動に変換するカム機構を備える。本実施形態においてカム機構は、静止部材５１と被動部材５５との間に介在したカムボール５３と、部材５１，５５の一方または両方が備える傾斜したカム面である。ロータ２７が軸Ｘ周りに回転すると、カムボール５３が部材５１，５５のカム面上を転動して被動部材５５を押圧し、以ってトルクをスラスト力に変換する。

静止部材５１は、スラスト力の反力を負担するべく、ケーシングの部分３１または部分３３に着座し、またこれに回り止めされる。これまでの説明より理解される通り、変換機構４１はロータ２７に対して周方向にのみ力学的に連結しており、軸方向の反力はケーシングが負担するので、ギヤ４７やロータ２７等の部材に反力が伝わることがない。

図４の例では部材５１，５５のギヤ歯は外歯であり、プラネタリギヤ４７はこれらの外側に噛合する。図５の例では内歯であってプラネタリギヤ４７は内側に噛合する。いずれの場合においてもキャリア４５，プラネタリギヤ４７，および被動部材５５は、ギヤ結合によって間接的に静止部材５１に支持されるので、これらを支持するためにボールベアリングやローラベアリングを必要としない。もちろん各部材の安定等のために、ベアリングが介在してもよい。

スラスト部材４３は、図４に示すごとく、被動部材５５に結合することができ、以ってスラスト力をクラッチ１７に行使する。あるいは図５に示すごとく、被動部材５５はスラスト部材４３と一体であってもよい。

スラスト部材４３とクラッチ１７との間には、スラストベアリング３９と、プレッシャプレート５９とが介在してもよい。スラストベアリング３９は、変換機構４１に対するプレッシャプレート５９およびクラッチ１７の相対回転を許容する。プレッシャプレート５９は、相対回転なしにクラッチ１７を押圧する。

またスラスト力が印加されていないときにプレッシャプレート５９を押し戻す向きに、スプリング６０が介在してもよい。スプリング６０には、板ばね、あるいはウェイブばねを利用することができる。例えばプレッシャプレート５９は径方向に内方または外方に延長され、また適宜に軸方向に曲げられてインナドラム７１またはアウタドラム７５に対向しており、かかる縁とインナドラム７１またはアウタドラム７５との間にスプリング６０が介在し、以って付勢力がプレッシャプレート５９に及ぶ。プレッシャプレート５９とは別体の、同様にＺ型に曲げられたＺワッシャを利用し、かかるワッシャにスプリング６０が当接してもよい。またあるいはスプリング６０はスラスト部材４３に直接に当接してもよい。スプリング６０が介在すれば、脱連結の際にはクラッチ１７が連結から脱連結へ迅速に切り替わり、またスラスト力が作用しないときに脱連結を維持するので、外部からの制御に対するクラッチ１７のレスポンスを向上する。

減速機構としては、上述のプラネタリギヤ機構に限らず、図６に示すごときサイクロイドギヤ機構を利用することができる。かかる例によれば、歯車部材６１は、軸Ｘに対して僅かに偏心した偏心軸ＥＸ周りに回転するように、ロータ２７に支持される。円滑な回転を可能にするべく、その間にはボールベアリング等のベアリング６７が介在してもよい。歯車部材６１はその外周にギア歯６３を備え、静止部材５１は、ギア歯６３に噛合するべく内歯歯車６５を備える。カム機構は部材６１に係合しており、ロータ２７が軸Ｘ周りに回転すると、減速された回転が被動部材５５に生じ、カムボール５３が部材５１，５５の間で転動してトルクをスラスト力に変換する。

かかる例においても図４，５の例と同じく、反力はケーシングに着座した静止部材５１が負担するので、反力が歯車部材６１やロータ２７に伝わることはない。またかかる例においても、被動部材５５自体がスラスト部材４３を兼ねてもよく、あるいは別体のスラスト部材が介在していてもよい。言うまでもなく、スラスト部材とクラッチ１７との間にはスラストベアリング３９が介在してもよい。

図４乃至７に示した例においては、回転運動から直線運動への変換はカム機構によったが、もちろん他の機構によることもできる。図８はボールねじ５７による例である。かかる例において、静止部材５１および被動部材５５には、ボールを介して互いに螺合する螺子が切られており、部材５１，５５の組み合わせはボールねじ５７を構成する。被動部材５５にはスラスト部材４３が結合し、あるいはこれと一体である。

ロータ２７が軸Ｘ周りに回転し、プラネタリギヤ機構により被動部材５５が静止部材５１に対し回転させられると、ボールねじ５７の作用により被動部材５５が軸方向に前進し、スラスト部材４３を介してクラッチ１７を連結する。もちろんプラネタリギヤ機構に代えて、サイクロイドギヤ機構あるいは他の減速機構を利用することができる。

また図４乃至８に示した例においては、減速機構を利用してモータ２１の出力が増倍されるが、あるいは減速機構はなくてもよい。図９に示す例においては、変換機構４１は単純に回転運動を直線運動へ変換するカム機構であって、ロータ２７のトルクが直接にスラスト部材４３のスラスト力に変換される。あるいはカム機構によらず、ボールねじや他のリンク機構を利用してもよい。スラスト力の強さの点では不利だが、図示されたドッグクラッチ７９のごとく、連結した後にはその維持に大きなスラスト力を必要としない噛み合いクラッチと組み合わせるには、かかる単純な構造は好適である。

クラッチ１７には、何れの形式のクラッチを利用することもできる。アキシャルギャップモータ２１が生ずる比較的に大きなトルクと、プラネタリギヤ機構等の減速機構との組み合わせによれば、大きなスラスト力が得られる。これを利用するに、摩擦クラッチ、特に図４乃至８に示すごとき多板クラッチと組み合わせるのが好適だろう。

例えば多板クラッチの一方のディスク群と結合したインナドラム７１は、その内周にスプライン等の結合手段を備え、プロペラシャフト１１と結合することができる。他方のディスク群と結合したアウタドラム７５は、スプライン７３等の結合手段を備え、ファイナルドライブ９に連絡するシャフトと結合することができる。

あるいは摩擦クラッチに代えて、噛み合いクラッチ、特に図９に示すごときドッグクラッチ７９を利用することができる。この場合にクラッチの脱連結を促すべく、例えばクラッチ歯間にリターンスプリング８３が介在していてもよい。またクラッチ歯の連結を維持、あるいは脱連結を維持する向きに、ラチェット機構を利用してもよい。

何れの例においても、インナドラム７１とアウタドラム７５との間には、ベアリング７７が介在していてもよい。かかるベアリングにはスラスト力は作用しないので、ボールベアリングのごときラジアルベアリングを利用することができ、あるいは滑り軸受けを利用してもよい。またアウタドラム７７とプロペラシャフト１１との間、またはアウタドラム７７とケーシングとの間にもベアリング８１が介在してもよい。かかるベアリングにもスラスト力は作用しないので、ニードルベアリングのごときラジアルベアリングを利用することができ、あるいは滑り軸受けを利用してもよい。これらのベアリングにより、プロペラシャフト１１、クラッチ１７、およびケーシングが互いに軸合わせされる。

変換機構４１によるスラスト力を受けるべく、クラッチ１７の背面、例えばアウタドラム７５の端面、とケーシングの部分３３との間には、スラストベアリング３７が介在してもよい。これはケーシングにスラスト力を負担させるのに役立つと共に、クラッチ１７の円滑な回転を助ける。

図４乃至６および８，９より理解される通り、アキシャルギャップモータを利用することにより、ロータ２７の外周にはなお利用できる空間が残されている。あるいは図７に示す通り、ロータ２７の内周に空間を残すことができる。かかる空間を利用して、例えばロータ２７の回転数を読み取るエンコーダ２９を設置することができる。もちろん他の種々のセンサ等を設置してもよい。

これまでの説明より理解される通り、カップリング装置は径方向には寸法的な余裕があるので、アキシャルギャップモータを利用することにより比較的に大きな出力を得ることができる。これにさらに減速機構を含む変換機構を組み合わせることにより、クラッチの連結に関わるレスポンスの改善と装置全体の小型化とを両立している。

またクラッチの軸合わせのために幾つかのベアリングが必要であるとしても、モータのために必要なベアリングは少なく、あるいは省くことができ、これによってもカップリング装置の小型化および構造的簡略化を追求することができる。

さらには変換機構が生ずるスラスト力は、専らクラッチと変換機構とが負担し、クラッチの背面と静止部材とをケーシングが支持することによりスラスト力のループが完結し、他の構成要素にスラスト力は及ばない。これは他の構成要素の支持や補強の必要性を減じ、このことによっても装置の小型化および構造的簡略化が達成されている。

幾つかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正ないし変形をすることが可能である。

Claims (4)

1. 軸の周りにそれぞれ回転可能な第１のシャフトと第２のシャフトとの間に介在するカップリング装置であって、
   前記軸に対して静止したケーシングと、
   前記ケーシングに対して回り止めされ、電力の投入に応じて前記軸に平行な磁束を生ずるステータと、
   前記軸の方向に離れて前記ステータに対向し、前記磁束を受けて前記軸の周りにトルクを生ずるロータと、
   前記ロータに駆動的に連結して前記トルクを前記軸に沿う方向のスラスト力に変換する変換機構であって、前記スラスト力を行使するスラスト部材を備えた変換機構と、
   前記スラスト部材に対向して前記スラスト力を受けて前記第１のシャフトを前記第２のシャフトに連結するクラッチと、
   を備え、
   前記ロータは前記ケーシングに唯一つの軸受けにより回転可能に支持されている、カップリング装置。
2. 前記ケーシングと前記クラッチとの間に介在し、前記スラスト力を負担して前記クラッチを回転可能に支持するスラストベアリングを、
   さらに備えた請求項１のカップリング装置。
3. 前記ケーシングと前記クラッチとの間に介在し、前記スラスト力を負担して前記クラッチを回転可能に支持するスラストベアリングをさらに備え、
   前記変換機構は、前記スラスト力の反力を受ける静止部材を備え、前記静止部材は前記反力を前記ケーシングに負担させるべく前記ケーシングに着座している、請求項１のカップリング装置。
4. 前記変換機構は、前記軸に関して周方向にのみ前記ロータに連結しており、以って前記反力は前記ロータに作用しない、請求項３のカップリング装置。

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