JPWO2017081749A1 - 脱連結可能なパワートランスファユニット - Google Patents

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Abstract

第1の軸の周りのトルクを第1の軸とは異なる向きの第2の軸へ切断可能に伝達するパワートランスファユニットは、前記第1の軸の周りに回転可能であって、前記第1の軸に沿って車軸の貫通を許容するべく寸法付けられた中空の入力軸と、前記第1の軸の周りに前記入力軸から独立して回転可能な中間軸と、前記中間軸と噛合して前記第2の軸の周りに回転可能な出力軸と、前記入力軸と前記中間軸とを切断可能に駆動的に結合するクラッチと、前記第1の軸の周りに回転するロータを備えたモータと、前記ロータと結合して前記軸周りに回転可能であって、前記軸から偏心した偏心軸を備えた入力部材と、前記第1の軸の周りに不動な固定部材と、前記偏心軸に嵌合して偏心運動し、前記固定部材に噛合して前記偏心軸周りの回転運動を生じる、中間部材と、前記軸周りに回転可能であって、前記中間部材に係合して従動する出力部材と、前記出力部材と前記クラッチとの間に介在し、前記出力部材の回転運動を前記軸方向の運動に変換して前記クラッチを押圧するカム機構と、を備える。

Description

本開示は、自動車、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パワートランスファユニットに関し、特にコンパクトでありながら高い確実性を持ってトルクの分配を断続することができるパワートランスファユニットに関する。
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トランスファユニット(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。クラッチが脱連結したとき、エンジンは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。
国際出願公開WO2015/071938A1
クラッチにはこれを脱連結させる方向にスラスト力が作用するので、クラッチの操作には十分な駆動力を有するアクチュエータを必要とする。これはもちろんPTUを大型化させる要因である。またその駆動には相当程度の電力を必要とするので、エネルギ効率を損なう要因でもある。特許文献1に開示された関連技術によれば、クラッチ歯の背面にクラッチ歯よりも大きな角度を有する噛合構造があり、かかる噛合構造が二次的にスラスト力を生じてクラッチの噛合を補助する。それゆえ比較的に小型のアクチュエータを利用することができる。しかし、かかる噛合構造は相当程度の遊びを必要とし、かかる遊びはクラッチの信頼性に問題を生じかねない。本開示に係る技術は、これらの問題に鑑みて創出された。
一局面によれば、第1の軸の周りのトルクを第1の軸とは異なる向きの第2の軸へ切断可能に伝達するパワートランスファユニットは、前記第1の軸の周りに回転可能であって、前記第1の軸に沿って車軸の貫通を許容するべく寸法付けられた中空の入力軸と、前記第1の軸の周りに前記入力軸から独立して回転可能な中間軸と、前記中間軸と噛合して前記第2の軸の周りに回転可能な出力軸と、前記入力軸と前記中間軸とを切断可能に駆動的に結合するクラッチと、前記第1の軸の周りに回転するロータを備えたモータと、前記ロータと結合して前記軸周りに回転可能であって、前記軸から偏心した偏心軸を備えた入力部材と、前記第1の軸の周りに不動な固定部材と、前記偏心軸に嵌合して偏心運動し、前記固定部材に噛合して前記偏心軸周りの回転運動を生じる、中間部材と、前記軸周りに回転可能であって、前記中間部材に係合して従動する出力部材と、前記出力部材と前記クラッチとの間に介在し、前記出力部材の回転運動を前記軸方向の運動に変換して前記クラッチを押圧するカム機構と、を備える。
図1は、自動車の動力系を模式的に表す図である。 図2は、一実施形態によるパワートランスファ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、前記パワートランスファユニットにおいてクラッチ、カム機構およびモータを拡大して見せる部分断面図である。 図4は、他の実施形態によるクラッチを採用したパワートランスファユニットの部分断面図であって、図3に対応する図である。 図5は、カム機構を軸に直交する面で切断して取られた断面側面図である。 図6Aは、カム機構を周方向に沿う面に展開して見せた模式図である。 図6Bは、カム機構を軸方向に見た側面図である。
図1ないし6B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。
図1ないし4において図面の上方は車両の前方を、下方は後方に一致するが、実施形態はこれらの図面の向きに制限されるものではない。また説明の便宜のために「入力」「出力」等の方向を規定する語を用いるが、実施形態はこれらの語に制限されるものではない。
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、車体はその後部にもリアデフ219を備え、これは車軸221,223と結合しており、以って後輪間の差動を許容する。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、パワートランスファユニット(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。リアデフ219もクラッチを備えて、プロペラシャフト217を系から切り離すようにしてもよい。
図2を参照するに、PTU1は、ケーシング3に収容されて、入力軸5と、これに同軸であって独立して回転可能な中間軸7と、入力軸5と中間軸7とを切断可能に連結するクラッチ9と、クラッチ9を操作するためのモータ11および増力機構13と、トルクを出力する出力軸15と、を備える。デフケース207に結合してトルクを受容するのは入力軸5であり、クラッチ9が連結するとトルクは中間軸7へ伝達され、ギア組を介して出力軸15へ出力される。ギア組は回転軸の方向を転換するように構成されているので、入力軸5とは異なる軸方向にトルクが出力される。
ケーシング3は、少なくとも第1の部分31と第2の部分33とに分割可能であり、さらにこれらに脱着可能に固定されたサブケーシング35,37を備える。サブケーシング35,37も、部分35と他の部分37とに分割可能である。ケーシング3は、入力軸5、中間軸7、クラッチ9、モータ11および増力機構13を同軸に支持するが、特に中間軸7、クラッチ9、モータ11および増力機構13は、サブケーシング35,37に支持される。詳しくは後述するが、サブケーシング35,37に支持されたこれらの部材は、他の部材から独立して一体に取り扱うことのできるサブアセンブリである。
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に結合可能であり、他の端33eから車軸213が引き出される。入力軸5はケーシング3に回転可能に支持されてフロントデフ205からトルクを受容して回転する。円滑な回転を許容するべく、入力軸5とケーシング3との間には例えばボールベアリング21,23が介在する。第1の部分31は、また、入力軸5の軸C1の方向とは異なる軸方向に出力軸15を向けて支持する部分31gを備える。回転可能に支持するべく、例えばベアリングユニット29を利用することができる。
入力軸5は、既に述べた通り、軸C1周りに回転可能に支持されており、またこれを貫くように軸C1に沿って空洞51が走る。かかる空洞51は、車軸213の貫通を許容するべく寸法付けられている。その一方の端はケーシング3の端31cから突出しており、フロントデフ205のケーシング207と結合するべく、例えばスプライン53を備える。他方の端はケーシング3の反対側の端33eに臨んでいる。入力軸5の全体は一体でもよいが、適宜に分割可能であってもよい。
中間軸7は、既に述べた通り、入力軸5と同軸であって、入力軸5の外側に回転可能に嵌合している。回転を円滑にするべく、また同軸関係を維持するべく、中間軸7と入力軸5との間にニードルベアリング等が介在してもよい。図2に組み合わせて図3を参照するに、中間軸7は、一体に、あるいは別体として、クラッチ部71とギア部73とを備える。クラッチ部71は後述のクラッチ9の一部であり、ギア部73は出力軸15へ出力するためのギア組の一部である。
ギア部73は、PTU1が1ステージ式の場合には、例えばベベルギアであり、直接に出力軸15に噛合するが、図示のごとく2ステージ式の場合にはその間に仲介軸19が介在する。その場合には、ギア部73は円筒歯車であり、仲介軸19はこれに対応するギア部19gを備える。仲介軸19はさらにベベルギア19hを備え、これが出力軸15に噛合する。出力軸15はこれらのベベルギアに対応するピニオンギア部15pを備え、噛合することにより中間軸7に取り出されたトルクを外部に伝える。出力軸15は、その外端にプロペラシャフトと結合するための適宜の構造を備え、それは例えばコンパニオンフランジ15fである。もちろんPTU1は1ステージ式、2ステージ式、あるいは他の何れの形式でもよい。
中間軸7のクラッチ部71は、サブケーシング35,37の内部にまで延長されており、また径方向に外方にフランジ状に張り出していてもよい。クラッチ部71の背面はサブケーシング35の内面に面する。回転を円滑にするべく、またスラスト力を負担するべく、好ましくはかかる背面とサブケーシング35との間にスラストベアリング27が介在する。かかる背面に対して反対側の面にはクラッチ歯71tが切られ、これと後述のクラッチ歯91tとの組み合わせはドッグクラッチ式のクラッチ9を構成する。
クラッチ9は、さらに可動部材91を備える。可動部材91はその内端に、軸C1の方向に延びたキー91sを備え、これと対応するように入力軸5はスプライン55を備え、互いに係合することにより入力軸5と可動部材91とを直接に結合し、トルクを伝達する。キー91sおよびスプライン55は軸C1の方向に延びているので、可動部材91は増力機構13のスラスト力を受けて軸C1の方向に可動である。
可動部材91は、クラッチ部71と対応するようにフランジ状に径方向に外方に張り出し、その一方の面にはクラッチ歯71tに対応するようにクラッチ歯91tを備える。その背面はスラスト力を受けるべく、増力機構13に面しており、好ましくは背面と増力機構13との間にスラストベアリング25が介在する。増力機構13からスラスト力を受けると可動部材91はクラッチ部71に向かって移動し、クラッチ9が連結し、以って入力軸5から中間軸7へトルクが伝達される。スラスト力が作用しないときに脱連結を促すべく、スプリング等の弾発手段を利用してもよく、これは例えばクラッチ部71と可動部材91との間に介在していてもよい。
上述の説明はクラッチ9がドッグクラッチの形式である例に基づくが、クラッチ9は図4に例示した多板クラッチの形式であってもよい。クラッチ部71は、クラッチ歯を備えるのに代えて、ドラム状に形成されており、その内面は複数のクラッチ板が係合するキー72を備える。可動部材91はかかるドラムの内側に陥入しており、その外面は複数のクラッチ板が係合するキー92を備える。キー91,92にそれぞれ係合したクラッチ板は交互に配置されて多板クラッチを構成し、また増力機構13に面している。増力機構13から多板クラッチがスラスト力を受けると、クラッチ9が連結し、以って入力軸5から中間軸7へトルクが伝達される。スラスト力が作用しないときに脱連結を促すべく、増力機構13を反対方向に付勢するスプリング等の付勢手段を利用してもよく、これは例えばクラッチ9と増力機構13との間に介在していてもよい。
あるいはドッグクラッチや多板クラッチに代えて、コーンクラッチのごとき他の何れかの形式のクラッチを採用することができる。
主に図3または図4を参照するに、モータ11は、ステータ63と、ステータ63に対して回転するロータ65と、ロータ65を電磁的に駆動するコイル69と、を備える。コイル69の配線12は外部に引き出されて電源に接続される。またかかる配線は車両のECUにも接続され、その制御を受けることにより、ロータ65の回転が制御される。
モータ11の全体は、サブケーシング37に支持され、特にステータ63はこれに固定されている。一方ロータ65はステータ63およびサブケーシング37に対して回転可能である。好ましくは何れも軸C1周りに同軸な構造とするが、少なくともロータ65が軸C1に同軸であってその周りに回転可能であればよい。
増力機構13はモータ11の出力を増力してクラッチ9を押圧するスラスト力に変換する機構であって、これもサブケーシング37に支持される。増力機構13は、概して、ロータ65による回転を減速する(増力する)減速ギア部と、回転運動を軸方向の運動に変換するカム機構と、よりなる。
減速ギア部は、概して、軸C1周りに回転可能な入力部材17と、軸C1周りに不動な固定部材41と、固定部材41に回転可能に嵌合した中間部材43と、中間部材43に係合した出力部材49と、よりなる。
入力部材17は、円筒に類似した構造を有し、ロータ65と結合して軸C1周りに回転可能である。入力部材17は、ロータ65と結合した部分の付近において軸C1に関して対称な円筒だが、そこからさらに軸方向に延長された偏心部17eを備え、偏心部17eは軸C1から偏心している。図5を参照するに、偏心部17eの中心軸C2は軸C1より偏差δcだけ偏っている。入力部材17が軸C1周りに回転するとき、偏心部17eおよび軸C2は軸C1周りに偏心運動する。
図5に組み合わせて図3または図4を参照するに、固定部材41は、軸C1に対して対称な円盤状の構造を有し、サブケーシング37に回り止めまたは固定されて、軸C1周りに不動である。固定部材41は、その内周に、中間部材43に噛合するための構造を有し、その一例は内歯歯車44である。
中間部材43も円盤状の構造を有し、その中心において偏心部17eに嵌合して共に偏心運動をする。中間部材43は、その外周に、固定部材41に噛合するための構造を有し、その一例は外歯歯車45である。中間部材43は、固定部材41に噛合しつつ偏心部17eと共に偏心運動するので、軸C2周りに回転運動を生じうる。内歯歯車44の歯数と外歯歯車45の歯数とが同数であっては回転運動が生じないので、これらは異数である。好ましくは、内歯歯車44の歯数は外歯歯車45の歯数より1以上多くすることができる。
内歯歯車44および外歯歯車45の歯形には、インボリュート歯形、サイクロイド歯形、円弧歯形、あるいはエピトロコイド平行曲線形の何れを適用してもよい。
出力部材49は円筒に類似した構造を有し、その一端において中間部材43と係合する。 図6を参照するに、係合のために、中間部材43と出力部材49とは係合部47を備える。係合部47は、例えば、中間部材43に軸C2周りの周上に開けられた複数の係合孔87と、これに対応して出力部材49から突出した複数の係合ピン89と、よりなる。各係合孔87は、有底孔でもよく、あるいは貫通孔でもよい。それぞれの回転中心の相違を吸収するべく、各係合孔87は各係合ピン89より大きくなっている。各係合孔87と各係合ピン89との間の摩擦を減ずるべく、摺動ブッシュやベアリングが介在していてもよい。かかる係合により、出力部材49は中間部材43に従動して軸C1周りに回転する。
図3または図4に戻って参照するに、出力部材49は、係合ピン89とは反対の端であってその外周に、係合のための構造、例えばスプラインを備えて、後述のカムロータ97と係合する。
カム機構は、カムステータ93とカムロータ97との組み合わせよりなり、出力部材49とクラッチ9との間に介在する。カム機構は、回転運動を軸方向運動に変換する。変換のために、カムステータ93とカムロータ97との何れかまたは両方はカム突起を備えてもよく、あるいはその間にカムボール95のごとき仲介部材が介在してもよい。以下の説明ではカムボール95による例を説明するが、もちろんかかる説明は実施形態を制限しない。
図6Aを参照するに、カムステータ93とカムロータ97とは、それぞれ互いに対向する円環状の部材である。これらの一方、あるいは両方は、それぞれその周方向に沿って傾斜して次第に浅くなる複数のカム面105を備える。
図6Bを参照するに、カムステータ93は径方向に外方に突出した一以上のタブ93pを備える。かかるタブ93pにより、図3,4より理解される通り、カムステータ93はサブケーシング37に回り止めされる。一方、カムロータ97は出力部材49と共に回転可能である。
図6Aに戻って参照するに、カムロータ97が回転するとき、カムステータ93は静止しているので、カムロータ97はカム面105による斜面に沿ってカムボール95により押し出され、以って回転運動が軸方向の運動に変換される。好ましくはカム機構に作用する力を軸対称にするべく、カム面105は、軸C1に関して互いに回転対称である。
各カム面105は、より急峻な第1の斜面107と、これに連続してより緩やかな第2の斜面109と、よりなっていてもよい。かかる構造は、回転運動の距離に対する軸方向の運動の距離の比(ストロークレシオ)を、以下のようなプロフィールにする。
当初の状態において、カムボール95は第1の斜面107の底に落ち着いている。出力部材49がカムロータ97にその回転を伝えると、カムボール95は最初、より急峻な第1の斜面107を登り、以って比較的に大きなストロークレシオでカムロータ97が軸方向に移動する。かかる構成は、比較的に小さな押圧力しか生まないが、カムロータ97をクラッチ9に向けて急速に移動せしめる。カムロータ97がクラッチ9に当接するまでは大きな押圧力を必要としないので、かかる段階に好適である。次いでカムボール95は、より緩やかな第2の斜面109を登っていき、比較的に小さなストロークレシオでカムロータ97が軸方向に移動する。かかる構成は比較的に大きな押圧力を生じ、カムロータ97がクラッチ9に当接した後に大きな押圧力を必要とする段階に好適である。
クラッチ9に作用するスラスト力とその反力とは釣り合わねばならない。図3または図4に戻って参照するに、クラッチ9に作用するスラスト力はスラストベアリング27が受容し、さらにサブケーシング35がこれを負担する。反力は増力機構13を介してサブケーシング37が受容する。サブケーシング35とサブケーシング37とは互いに直接に固定されているので、スラスト力とその反力とはサブケーシング35,37の範囲において釣り合い、その外部に作用することはない。またスラスト力および反力が伝わる経路上には、ボールベアリングのごときスラスト力に弱い部材がなく、回転体はスラストベアリングが負担するので、クラッチ9に大きなスラスト力が作用しても問題が生じない。
また中間軸7、クラッチ9、モータ11、増力機構13およびサブケーシング35,37は、これらを一体に取り扱うことができるサブアセンブリである。他の部材からは独立して組み立てることができ、最終的な組立工程において他の部材と組み合わせることができる。
本実施形態によれば、中間部材43が固定部材41に噛合しつつ偏心部17eと共に偏心運動して生ずる回転運動を利用してモータ11の回転を減速しているので、極めて大きな減速比を実現できる。中間部材43と固定部材41との噛合が、互いに歯数の異なる内歯歯車44と外歯歯車45とによる場合は、減速比はこれらの歯数および歯数の差により決まる。例えば内歯歯車44の歯数が50であり、外歯歯車45の歯数が49の場合、モータ11が1回転する間に出力部材49は1/50回転に留まる。減速比が従来技術によるよりも遥かに大きいことにより、モータ11の出力は遥かに大きく増力され、これをカム機構によって軸方向の押圧力に変換している。すなわち本実施形態による動力伝達装置1は、小出力のモータ11を利用していても大きな押圧力でクラッチ9を連結することができる。また緩やかに傾斜するカム面を利用して押圧力を生じているので、押圧力を徐々に増大あるいは減少させることができる。すなわち押圧力の制御性が高いので、前後輪へのトルクの配分を制御することにも利用することができる。
すなわち本実施形態によれば、増力機構13は十分に大きなスラスト力を生ずるので、クラッチの連結を維持するために追加的な構造を必要とせず、高い信頼性を提供することができる。また多板クラッチのごとき大きなスラスト力を必要とする形式のクラッチを利用するにも都合がよい。言うまでもなく、多板クラッチによればクラッチの連結力を増減することができ、以って前輪と後輪とのトルク配分を制御することができる。
また本実施形態によれば、大きな減速比を得るために複雑なギア機構を必要とせず、構造を特に径方向に短縮することができる。PTUを搭載するために車両に大きなスペースを必要としない。また重量の増加も僅かであって、省燃費の点でも有利である。
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。
コンパクトで信頼性の高い断続可能なパワートランスファユニットが提供される。

Claims (7)

  1. 第1の軸の周りのトルクを第1の軸とは異なる向きの第2の軸へ切断可能に伝達するパワートランスファユニットであって、
    前記第1の軸の周りに回転可能であって、前記第1の軸に沿って車軸の貫通を許容するべく寸法付けられた中空の入力軸と、
    前記第1の軸の周りに前記入力軸から独立して回転可能な中間軸と、
    前記中間軸と噛合して前記第2の軸の周りに回転可能な出力軸と、
    前記入力軸と前記中間軸とを切断可能に駆動的に結合するクラッチと、
    前記第1の軸の周りに回転するロータを備えたモータと、
    前記ロータと結合して前記軸周りに回転可能であって、前記軸から偏心した偏心軸を備えた入力部材と、
    前記第1の軸の周りに不動な固定部材と、
    前記偏心軸に嵌合して偏心運動し、前記固定部材に噛合して前記偏心軸周りの回転運動を生じる、中間部材と、
    前記軸周りに回転可能であって、前記中間部材に係合して従動する出力部材と、
    前記出力部材と前記クラッチとの間に介在し、前記出力部材の回転運動を前記軸方向の運動に変換して前記クラッチを押圧するカム機構と、
    を備えたパワートランスファユニット。
  2. 請求項1のパワートランスファユニットであって、前記クラッチは、前記第1の軸の方向に移動可能であって前記入力軸に結合した第1のクラッチ部材と、前記中間軸に結合した第2のクラッチ部材とを備え、前記第1のクラッチ部材は前記カム機構に押圧されて前記第2のクラッチ部材に連結するべく前記カム機構に臨んでいる、パワートランスファユニット。
  3. 請求項2のパワートランスファユニットであって、前記第1のクラッチ部材は、前記第1の軸の方向に延びたキーを備え、前記キーは前記第1のクラッチ部材を前記入力軸に直接に結合する、パワートランスファユニット。
  4. 請求項1ないし3の何れか1項のパワートランスファユニットであって、
    ケーシングと、
    前記ケーシングに脱着可能に固定され、少なくとも前記クラッチと前記カム機構とを支持するサブケーシングと、
    前記クラッチと前記サブケーシングとの間に介在して前記カム機構によるスラスト力を受容するスラストベアリングと、
    をさらに備えたパワートランスファユニット。
  5. 請求項1のパワートランスファユニットであって、前記固定部材は第1の歯数を有した内歯歯車を備え、前記中間部材は前記内歯歯車と噛合し前記第1の歯数より少ない第2の歯数を有する外歯歯車を備え、以って前記中間部材が前記固定部材に噛合する、パワートランスファユニット。
  6. 請求項1のパワートランスファユニットであって、前記カム機構は、
    前記固定部材に結合し、または一体を成す、カムステータと、
    前記出力部材に前記軸方向に移動可能に係合して共に回転し、前記カムステータに押圧されて前記軸方向に運動して前記クラッチを押圧するカムロータと、を備えたパワートランスファユニット。
  7. 請求項6のパワートランスファユニットであって、前記カムロータおよび前記カムステータとの何れかまたは両方はカム突起を備え、または、前記カムロータと前記カムステータとの間にカム部材が仲介し、以って前記カム機構は前記出力部材の前記回転運動を前記軸方向の前記運動に変換する、パワートランスファユニット。
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