JP7469521B2 - 動力伝達装置 - Google Patents

Description

以下の開示は、車両を駆動する動力伝達装置を、モータを利用して制御するクラッチ機構に関し、特にモータの回転角に応じて双方向にクラッチ部材を操作可能なクラッチ機構に関する。

車両に使用される回転機械は、その機能を選択的に稼動および休止するために、しばしばクラッチを利用する。例えば所謂ロックアップデファレンシャルはドッグクラッチを内蔵し、通常時にはドッグクラッチは脱連結しており出力軸間の差動を許容し、外部のアクチュエータによりドッグクラッチを連結させると差動をロックする。

クラッチは回転する回転機械に内包されており、これを静止側である外部から操作するには、特別な機構を必要とする。これまでにモータを利用したカム機構やソレノイドアクチュエータ等のアクチュエータが提案されている。特許文献１ないし３は、関連する技術を開示する。

国際特許出願公開ＷＯ２０１７／０６０９６３Ａ１ 国際特許出願公開ＷＯ２０１６／０３５１２９Ａ１ 国際特許出願公開ＷＯ２０１８／１０９８７４Ａ１

従来のアクチュエータには多くの利点があるものの、その動作とクラッチの状態とが必ずしも対応しない問題がある。すなわち、モータないしソレノイドに電力を投入しても、カム機構にはヒステリシスがあるし、またたまたまクラッチ歯同士が噛み合いに適当でない位置関係にある等の稀な条件において、クラッチが連結し損なうことがありうる。また電力を切断しても、潤滑油の粘性や磁化などによりクラッチ歯同士が一時的に固着して脱連結が滞りかねない。そこで不測の動作を防止するべく、クラッチが連結しているか否かを検出する装置がしばしば追加的に必要である。

以下に開示する装置は、上述の問題に鑑みて工夫されたものであって、モータの回転角がクラッチ部材の移動長を正しく反映し、以って回転角を測定するだけでクラッチが連結しているか脱連結しているかを判断することを可能にしている。

一局面によれば、車両を駆動する動力伝達装置を、モータを利用して制御するクラッチ機構は、軸方向に双方向に可動なクラッチ部材と、軸の周りに回り止めされたベースメンバと、前記ベースメンバから軸方向に離れて対向し、周方向および軸方向に移動を規制されたカウンタメンバと、前記ベースメンバと前記カウンタメンバとの間に介在し、軸方向に可動であって前記クラッチ部材に駆動的に結合し、前記モータに結合して前記軸の周りに回転運動を生ずるアクションメンバと、前記回転運動を前記アクションメンバの軸方向の運動に変換するべく、周方向に沿い前記ベースメンバから前記カウンタメンバに向かって傾いて前記アクションメンバを案内するカム斜面と、を備える。

図１は、一実施形態によるクラッチ機構を含むデファレンシャル装置の部分断面立面図である。 図２は、他の実施形態によるクラッチ機構を含むデファレンシャル装置の部分断面立面図である。 図３Ａは、モータおよびクラッチ機構の分解斜視図である。 図３Ｂは、図３Ａに対応するクラッチ機構の分解立面図である。 図４Ａは、モータおよびクラッチ機構を特に詳しく示す部分断面立面図である。 図４Ｂは、他の例に基づく図４Ａに対応する部分断面立面図である。 図４Ｃは、さらに他の例に基づく図４Ａに対応する部分断面立面図である。 図５は、アクションメンバの動作を説明する周方向に沿うクラッチ機構の断面図である。

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クラッチ機構の中心軸を意味し、通常には動力伝達装置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。

以下に開示するクラッチ機構とモータの組み合わせは、デファレンシャルのごとき回転機械と好適に組み合わせて車両を駆動する動力伝達装置を構成することができ、特に、回転機械の外部からクラッチを連結および脱連結してその機能を制御する目的で利用することができる。以下の説明より理解されるはずだが、モータを正転また逆転してクラッチを連結また脱連結することができ、その過程において常にモータの回転角はクラッチ部材の位置に正しく反映する。

以下に説明する実施形態はデファレンシャルに関するが、あるいはトランスミッション、パワートランスファユニット（ＰＴＵ）、またカップリング装置等の他の回転機械に適用することができる。またクラッチは例えばドッグ歯を備えた所謂ドッグクラッチだが、クロークラッチ等の他の形式、より一般的には、摩擦ではなく互いに噛合する構造によりトルクを伝達する形式のクラッチには概して利用可能であるし、あるいは多板クラッチのごとき摩擦クラッチにも利用可能だろう。

主に図１，２を参照するに、クラッチ機構１はデファレンシャル３の動作を制御するべく、モータ５と組み合わせて利用されてクラッチ７を駆動する。

デファレンシャル３は、例えばそのケーシング３１から径方向に延びるフランジに固定されたリングギアを介してエンジンからトルクを受容し、矢印Ｔで示すように軸Ｘ周りに回転する。図示された例ではデファレンシャル３はベベルギア式のデファレンシャルギア組を備え、ケーシング３１にピニオンギア３３が回転可能に支持されており、一対のサイドギア３５，３７がこれらに噛合することによりトルクを両車軸に差動的に分配する。クラッチ７が脱連結しているときにはサイドギア３５，３７間の差動が許されるが、連結すると差動がロックされる。もちろんベベルギア式に代えてフェースギア式やプラネタリギア式等の他の形式であってもよい。また図１，２に示す例は所謂ロックアップデファレンシャルに関するが、これに代えて所謂フリーランニングデフにクラッチ機構１が組み合わされてもよい。

ケーシング３１は、少なくとも２つに分割できる２ピース型であってもよく、もちろん分割されない１ピース型であってもよい。２ピース型では、例えばフランジの側においてケースが分割される。何れの型かに関わらず、クラッチ機構１，モータ５およびクラッチ７は、図１に示すごとくフランジとは反対側に配置することもできるし、図２に示すごとくフランジの側に配置することもできる。

図３Ａ，３Ｂを参照するに、クラッチ機構１は、概して、ベースメンバ１３と、軸方向に離れてこれに対向するカウンタメンバ１５と、これらに挟まれたアクションメンバ１１と、よりなる。アクションメンバ１１、ベースメンバ１３およびカウンタメンバ１５は軸Ｘ周りの円環状の板材であって軸方向に突出した幾つかの構造を有する。円環状であること、板材よりなることは必須ではないが、例えば機構用鋼よりなる板材を打ち抜き、切削加工し、プレス加工することにより容易に製作できる点では、これらの要素は有利だろう。これらの構成要素はケーシング３１に隣接するがその外部に配置され、また軸Ｘをケーシング３１と共有する。

ベースメンバ１３は車体に対して、特に例えばキャリアに対して、回り止めされる。カウンタメンバ１５は、ベースメンバ１３と互いに係合しており、以って軸方向と周方向の両方に移動が規制されており、あるいは固定されていてもよい。アクションメンバ１５はこれらの間に挟まれて軸方向と周方向に可動である。アクションメンバ１５を当初位置に復帰せしめるべく、例えばカウンタメンバ１５とアクションメンバ１１との間には、アクションメンバ１５をベースメンバ１３に向けて押圧するスプリング２５が介在してもよい。

アクションメンバ１１は、モータ５とギア噛合するべく、ギア歯１１Ｇを備える。例えばアクションメンバ１１の外周が部分的に径方向に外方に突出し、その外周にギア歯１１Ｇが刻まれていてもよい。これはモータ５をクラッチ機構１より径方向に外方に配置してギアシャフト１５Ｇをこれに噛合させるのに都合がよい配置である。可能ならばモータ５を他の位置に配置するべくギア歯１１Ｇは他の箇所に刻まれていてもよい。図３Ａ，３Ｂに図４Ａを組み合わせて参照するに、ギア歯１１Ｇとギアシャフト１５Ｇとが噛合してモータ５の回転を受けることにより、アクションメンバ１１は軸Ｘ周りに回転運動を起こす。言うまでもなく、正転と逆転の両方がありうる。

モータ５は、図４Ａに例示するようにロータの回転を直接にギアシャフト５Ｇに出力するものとすることができるが、ギア機構を介する構造であってもよい。例えば図４Ｂは、モータ５がウォームギア機構４１を介して回転を出力する例である。ウォームギア機構４１が介在すると、それ自体のギア抵抗により外力に対して抵抗するので、ギア歯１１Ｇの位置が保持される。あるいはモータ５がウォームギア機構４１を備えるのに代えて、ギアシャフト５Ｇとギア歯１１Ｇとがウォームギア組を構成していてもよい。いずれの場合にも、アクションメンバ１１の位置を保持するためにモータ５に電力を供給し続ける必要がないので、かかる構成は省電力に有利である。

あるいは図４Ｃに例示するように、モータ５とアクションメンバ１１との結合は、ギア歯１１Ｇによらなくてもよい。モータ５が中空軸のロータ５１を有するアキシャルギャップまたはラジアルギャップモータであれば、モータ５もデファレンシャル３およびクラッチ機構１と同軸にすることができる。ロータ５１とアクションメンバ１１との結合は、例えばロータ５１とスプライン結合したロータリメンバ５３を介してもよい。ロータリメンバ５３は、例えば外面にロータ５１とスプライン結合するためのキー溝を有する概して円筒状であり、さらにボルト結合のためのフランジを有するが、形状は必ずしもこれに限られない。ロータリメンバ５３は、また、後述の固定プレート１９に代えてボールベアリング２１の固定の用に供されてもよい。さらにあるいは、アクションメンバ１１とロータリメンバ５３とは一体であってもよい。

なおモータ５は回り止めされる必要があり、回り止めは例えばキャリアに固定されたブラケット４３によることができる。ベースメンバ１３の回り止めもかかるブラケット４３によることもでき、あるいはベースメンバ１３とブラケット４３とが一体であってもよい。

図３Ａ，３Ｂに戻って参照するに、クラッチ部材９は、クラッチ機構１の最も端に配置され、通常はケーシング３１内に配置される。クラッチ部材９はその端面にクラッチ歯９Ｔのごとき噛合構造を備える。デファレンシャル３がロックアップデファレンシャルの場合には、一方のサイドギア３５が対応する噛合構造を備え、クラッチ部材９との組み合わせはクラッチ７を構成する。既に述べた通り、フリーランニングデフの場合には、インナケーシングが噛合構造を備えてクラッチ７を構成する。クラッチ部材９はケーシング３１内において軸方向に双方向に移動ができるようにされており、サイドギア３５（ないしインナケーシング）から離れたときにはクラッチ７は脱連結し、その反対方向に移動したときにはクラッチ７は連結する。必須ではないが、クラッチ７の脱連結を促すべく、リターンスプリング２７を利用することができる。

アクションメンバ１１はクラッチ部材９に直接に結合してもよいが、その軸方向運動をクラッチ部材９に伝えるべく、これらの間にトランスファメンバ１７が介在してもよい。クラッチ部材９とトランスファメンバ１７との結合は、例えばボルトによることができ、ボルト結合のためにクラッチ部材９から延びた脚９Ｌおよびアクションメンバ１１から延びたタブ１７Ｔの一方または両方を利用することができる。例えば図１に示す通り、ケーシング３１の端に比較的大きく開いた開口３１Ｈを通ってタブ１７Ｔが外部に露出し、かかる箇所においてボルト結合してもよい。あるいは図２に例示する通り、開口３１Ｈはごく細い貫通孔であり、タブ１７Ｔがかかる貫通孔を通ってケーシング３１内に貫入し、内部のクラッチ部材９に結合してもよい。後に詳しく述べるが、何れの場合においても、開口３１Ｈはクラッチ部材９の噛合を補助するためのカム構造を備える必要がなく、その製作は容易であり、またケーシング３１の強度および剛性を損なうことがない。図２のごとき細い貫通孔であれば、強度および剛性の維持にはより有利である。

図３Ａ，３Ｂに戻って参照するに、トランスファメンバ１７とアクションメンバ１１とは、例えばボールベアリング２１を介して結合し、以ってトランスファメンバ１７がアクションメンバ１１に対して相対的に回転することができる。ボールベアリング２１に代えて、他の形式のベアリングであってもよく、あるいは滑らかな回転が保証される限りアクションメンバ１１がトランスファメンバ１７に摺動可能に結合していてもよい。ボールベアリング２１による場合、それが嵌入して互いに係合するに適した構造をアクションメンバ１１の内周は備えることができる。さらに例えば固定プレート１９を利用し、固定プレート１９とアクションメンバ１１とがボールベアリング２１を挟むことにより、これらが一体に軸方向に移動するようにしてもよい。ボールベアリング２１はトランスファメンバ１７に固定され、固定のために例えばスナップリング２３を利用することができる。以ってトランスファメンバ１７はアクションメンバ１１に対して相対的に回転することができる一方、アクションメンバ１１の軸方向に双方向の運動は、クラッチ部材９に伝えられる。

図３Ａ，３Ｂに組み合わせて図５を参照するに、メンバ１１，１３，１５の組み合わせは、モータ５によるアクションメンバ１１の回転運動を軸方向の運動に変換するための構造を備える。その一例は、ベースメンバ１３からカウンタメンバ１５に向けて傾いたカム斜面１３Ｃである。アクションメンバ１１に周方向の回転運動Ｒが生じると、カム斜面１３Ｃは、アクションメンバ１１を案内してこれに軸方向の運動Ｍを生じさせる。既に述べた通り、かかる構造はプレス加工により容易に形成することができる。あるいは図示されていないが、カム斜面１３Ｃはベースメンバ１３とは別体であってもよい。

アクションメンバ１１は、カム斜面１３Ｃに関連した構造を備え、その一例はカム斜面１３Ｃに対応した斜面１１Ｃである。より好ましくはかかる斜面１１Ｃは常にカム斜面１３Ｃに面接触するよう寸法づけられる。さらにこれらに対応して、カウンタメンバ１５も第２のカム斜面１５Ｃを備えることができる。アクションメンバ１１の斜面１１Ｃは、常にカム斜面１３Ｃ，１５Ｃの両方と接触を維持しながら運動する。これは回転運動Ｒに対して軸方向の運動Ｍにヒステリシスが生ずるのを防ぐ。すなわちモータ５の回転角はクラッチ部材９の軸方向の運動を正確に反映する。

カム斜面１３Ｃに関連するアクションメンバ１１の構造として、斜面１１Ｃに代えて、カム斜面１３Ｃを受容する開口であってもよい。アクションメンバ１１に開けられた開口にカム斜面１３Ｃが部分的に嵌入し、摺り当たることにより、アクションメンバ１１を案内する。この場合に第２のカム斜面１５Ｃは、図５とは反対に、ベースメンバ１３に向けて傾いた斜面であってもよく、何れにせよカム斜面１１Ｃ，１５Ｃの両方が常にアクションメンバ１１に接してこれを案内することができる。かかる構造も、回転運動Ｒを軸方向の運動Ｍに変換するだけでなく、ヒステリシスの発生を防ぐ。

これまでの説明より理解される通り、モータ５がアクションメンバ１１を軸Ｘ周りに回転させると、回転に応じてアクションメンバ１１は軸方向に運動してクラッチ部材９を駆動する。モータ５のロータの回転角はクラッチ部材９の軸方向の移動長に一対一に対応するので、回転角を検出するだけでクラッチ７が連結しているか脱連結しているかを判断することができる。また回転角は、例えばモータのインダクタンス変化を読み取ることにより検出できるし、あるいはロータにエンコーダのごとき構造を取り付ければ電気的に検出することができる。クラッチが連結しているか脱連結しているかを判断するに、追加的な装置を必要としない。またクラッチ部材９に外力が加わっても、カム構造はこれに対する十分な抵抗を発揮する。すなわちクラッチ７の連結を維持するための特段の構造を必要としない。これはケーシング３１の製造を容易にするし、またその強度および剛性が犠牲になることがない。

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 (8)

1. 車両を駆動する動力伝達装置を、モータを利用して制御するクラッチ機構であって、
   軸方向に双方向に可動なクラッチ部材と、
   軸の周りに回り止めされたベースメンバと、
   前記ベースメンバから軸方向に離れて対向し、周方向および軸方向に移動を規制されたカウンタメンバと、
   前記ベースメンバと前記カウンタメンバとの間に介在し、軸方向に可動であって前記クラッチ部材に駆動的に結合し、前記モータに結合して前記軸の周りに回転運動を生ずるアクションメンバと、
   前記回転運動を前記アクションメンバの軸方向の運動に変換するべく、周方向に沿い前記ベースメンバから前記カウンタメンバに向かって傾いて前記アクションメンバを案内するカム斜面と、
   を備えたクラッチ機構。
2. 前記カウンタメンバと前記アクションメンバとの間に介在して前記アクションメンバを前記ベースメンバに向けて押圧するスプリングを、
   さらに備えた請求項１のクラッチ機構。
3. 前記カム斜面は前記ベースメンバと一体である、請求項１のクラッチ機構。
4. 前記アクションメンバと前記クラッチ部材とに結合して前記軸方向の運動を前記クラッチ部材に伝えるトランスファメンバを、
   さらに備えた請求項１のクラッチ機構。
5. 前記カウンタメンバは前記アクションメンバに接して案内する第２のカム斜面を一体的に備える、請求項１のクラッチ機構。
6. 前記アクションメンバは前記カム斜面と前記第２のカム斜面との両方に面接触する斜面を備える、請求項５のクラッチ機構。
7. 前記アクションメンバは、前記モータとギア噛合するギアを備え、または、前記モータのロータとスプライン結合するロータリメンバを備え、以って前記モータに駆動されて前記回転運動を生ずる、請求項１のクラッチ機構。
8. 請求項１のクラッチ機構と、
   トルクを差動的に出力する一対のサイドギアを備えたデファレンシャルギア組と、を備え、
   前記一対のサイドギアの一方または前記デファレンシャルギア組を支持するインナケーシングは、前記クラッチ部材と噛合するクラッチ歯を備えて前記クラッチ部材と共にクラッチを構成する、動力伝達装置。

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