JP5372811B2 - ワンウェイクラッチ - Google Patents

Description

本発明は、アウター部材の内周面とインナー部材の外周面との間に形成される空間に配置した複数のローラをスプリングで円周方向一方に付勢し、前記アウター部材および前記インナー部材の所定の方向への相対回転により前記ローラを前記アウター部材の内周面と前記インナー部材の外周面との間に噛み込ませてトルクを伝達するワンウェイクラッチに関する。

お互いの端部を突き合わせた状態で同軸上に配置した入力軸および出力軸の対向する端部の外周にコイルスプリングを巻き付け、入力軸の一方向の回転によりコイルスプリングを縮径して入力軸から出力軸への動力伝達を可能にするとともに、入力軸に過大なトルクが入力した場合にコイルスプリングの内周面と出力軸の外周面とをスリップさせてトルクリミット機能を発揮させるワンウェイクラッチにおいて、コイルスプリングの最小締まり径を変化させることでトルクミット値を調整するものが、下記特許文献１により公知である。

特許３０７１３８９号公報

ところで、アウター部材とインナー部材との間にスプリングで付勢された多数のローラを配置したワンウェイクラッチは、その係合時にアウター部材とインナー部材とで形成される楔状の空間にローラが噛み込んでトルク伝達を行うようになっている。しかしながら、発明の詳細な説明の欄で詳述するように、ワンウェイクラッチに過大なトルクが入力すると、アウター部材およびインナー部材とローラとの間に作用する摩擦でローラを噛み込み位置に保持しようとする荷重よりも、楔状の空間からロータを押し出そうとする荷重の方が大きくなり、その瞬間にローラが高速で弾き出されるポップアウト現象が発生する場合がある。このポップアウト現象が発生すると、衝撃で損傷したローラの破片やローラが衝突した相手部材の破片が飛び散り、ワンウェイクラッチに大きな損傷を与える可能性がある。特に、複数のワンウェイクラッチを並置して使用する場合には、損傷したワンウェイクラッチの破片が隣接するワンウェイクラッチを損傷させることで、被害が更に拡大する可能性がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、過大なトルクの入力時におけるワンウェイクラッチの損傷を最小限に抑えることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、アウター部材の内周面とインナー部材の外周面との間に形成される空間に配置した複数のローラをスプリングで円周方向一方に付勢し、前記アウター部材および前記インナー部材の所定の方向への相対回転により前記ローラを前記アウター部材の内周面と前記インナー部材の外周面との間に噛み込ませてトルクを伝達するワンウェイクラッチにおいて、前記アウター部材に所定値以上の荷重の入力により破断する脆弱部を設けたことを特徴とするワンウェイクラッチが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記ワンウェイクラッチは複数個が並置されており、前記アウター部材に接続された駆動力入力部材にそれぞれ設けられた歪み検出手段の検出値を比較することで、前記アウター部材の破断を判定する破断判定手段を備えることを特徴とするワンウェイクラッチが提案される。

尚、実施の形態のコネクティングロッド１９は本発明の駆動力入力部材に対応し．実施の形態のノッチ２２ａは本発明の脆弱部に対応し、実施の形態の歪みゲージ２６は本発明の歪み検出手段に対応し、実施の形態の電子制御ユニットＵは本発明の破断判定手段に対応する。

請求項１の構成によれば、アウター部材の内周面とインナー部材の外周面との間に形成される空間に配置した複数のローラをスプリングで円周方向一方に付勢したので、アウター部材およびインナー部材が所定の方向に相対回転すると、アウター部材の内周面とインナー部材の外周面との間にローラが噛み込んでワンウェイクラッチが係合する。ワンウェイクラッチが係合した状態でアウター部材またはインナー部材に所定値以上の荷重が入力すると、アウター部材の脆弱部が破断してトルクの伝達が遮断されるので、ローラのポップアウトを未然に防止してワンウェイクラッチの損傷を最小限に抑えることができる。

また請求項２の構成によれば、複数個が並置されたワンウェイクラッチのアウター部材に接続された駆動力入力部材の歪みを歪み検出手段で検出し、それらの歪みを比較することでアウター部材の破断を判定するので、アウター部材の破断を精度良く判定することができる。

無段変速機の全体側面図（ＴＯＰ状態）。 同じく無段変速機の全体側面図（ＬＯＷ状態）。 図１の３−３線断面図。 ＴＯＰ状態での作用説明図。 ＬＯＷ状態での作用説明図。 係合状態にあるワンウェイクラッチの要部拡大図。 ワンウェイクラッチの伝達トルクと角度αとの関係を示すグラフ。 コネクティングロッドの歪みゲージ出力波形を示す図。

以下、図１〜図８に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１および図３に示すように、本実施の形態の無段変速機Ｔは同一構造を有する複数個（実施の形態では４個）の変速ユニット１０…を軸方向に重ね合わせたもので、それらの変速ユニット１０…は平行に配置された共通の入力軸１１および共通の出力軸１２を備えており、入力軸１１の回転が減速または増速されて出力軸１２に伝達される。

以下、代表として一つの変速ユニット１０の構造を説明する。エンジンのような駆動源１３に接続されて回転する入力軸１１は、電動モータのような変速アクチュエータ１４の中空の回転軸１４ａの内部を相対回転自在に貫通する。変速アクチュエータ１４のロータ１４ｂは回転軸１４ａに固定されており、ステータ１４ｃはケーシングに固定される。変速アクチュエータ１４の回転軸１４ａは、駆動源１３の入力軸１１と同速度で回転可能であり、かつ入力軸１１に対して異なる速度で相対回転可能である。

変速アクチュエータ１４の回転軸１４ａを貫通した入力軸１１には第１ピニオン１５が固定されており、この第１ピニオン１５を跨ぐように変速アクチュエータ１４の回転軸１４ａにクランク状のキャリヤ１６が接続される。第１ピニオン１５と同径の２個の第２ピニオン１７，１７が、第１ピニオン１５と協働して正三角形を構成する位置にそれぞれピニオンピン１６ａ，１６ａを介して支持されており、これら第１ピニオン１５および第２ピニオン１７，１７に、円板形の偏心ディスク１８の内部に偏心して形成されたリングギヤ１８ａが噛合する。偏心ディスク１８の外周面に、コネクティングロッド１９のロッド部１９ａの一端に設けたリング部１９ｂがボールベアリング２０を介して相対回転自在に嵌合する。

出力軸１２の外周に設けられたワンウェイクラッチ２１は、コネクティングロッド１９のロッド部１９ａにピン１９ｃを介して枢支されたリング状のアウター部材２２と、アウター部材２２の内部に配置されて出力軸１２に固定されたインナー部材２３と、アウター部材２２の内周の円弧面とインナー部材２３の外周の平面との間に形成された楔状の空間に配置されてスプリング２４…で付勢されたローラ２５…とを備える。

図３から明らかなように、４個の変速ユニット１０…はクランク状のキャリヤ１６を共有しているが、キャリヤ１６に第２ピニオン１７，１７を介して支持される偏心ディスク１８の位相は各々の変速ユニット１０で９０°ずつ異なっている。例えば、図３において、左端の変速ユニット１０の偏心ディスク１８は入力軸１１に対して図中上方に変位し、左から３番目の変速ユニット１０の偏心ディスク１８は入力軸１１に対して図中下方に変位し、左から２番目および４番目の変速ユニット１０，１０の偏心ディスク１８，１８は上下方向中間に位置している。

図１に示すように、各々のコネクティングロッド１９…のロッド部１９ａ…には歪みゲージ２６…が設けられており、それらの歪みゲージ２６…が出力するコネクティングロッド１９…の歪み量は電子制御ユニットＵに入力される。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

先ず、無段変速機Ｔの一つの変速ユニット１０の作用を説明する。変速アクチュエータ１４の回転軸１４ａを駆動源１３の入力軸１１に対して相対回転させると、入力軸１１の軸線Ｌ１まわりにキャリヤ１６が回転する。このとき、キャリヤ１６の中心Ｏ、つまり第１ピニオン１５および２個の第２ピニオン１７，１７が成す正三角形の中心は入力軸１１の軸線Ｌ１まわりに回転する。

図１および図４は、キャリヤ１６の中心Ｏが第１ピニオン１５（つまり入力軸１１）に対して出力軸１２と反対側にある状態を示しており、このとき入力軸１１に対する偏心ディスク１８の偏心量が最大になって変速機ＴのレシオはＴＯＰ状態になる。図２および図５は、キャリヤ１６の中心Ｏが第１ピニオン１５（つまり入力軸１１）に対して出力軸１２と同じ側にある状態を示しており、このとき入力軸１１に対する偏心ディスク１８の偏心量が最小になって変速機ＴのレシオはＬＯＷ状態になる。

図４に示すＴＯＰ状態で、駆動源１３で入力軸１１を回転させるとともに、入力軸１１と同速度で変速アクチュエータ１４の回転軸１４ａを回転させると、入力軸１１、回転軸１４ａ、キャリヤ１６、第１ピニオン１５、２個の第２ピニオン１７，１７および偏心ディスク１８が一体になった状態で、入力軸１１を中心に反時計方向（矢印Ａ参照）に偏心回転する。図４（Ａ）から図４（Ｂ）を経て図４（Ｃ）の状態へと回転する間に、偏心ディスク１８の外周にリング部１９ｂをボールベアリング２０を介して相対回転自在に支持されたコネクティングロッド１９は、そのロッド部１９ａの先端にピン１９ｃで枢支されたアウター部材２２を反時計方向（矢印Ｂ参照）に回転させる。図４（Ａ）および図４（Ｃ）は、アウター部材２２の前記矢印Ｂ方向の回転の両端を示している。

このようにしてアウター部材２２が矢印Ｂ方向に回転すると、ワンウェイクラッチ２１のアウター部材２２およびインナー部材２３間の楔状の空間にローラ２５…が噛み込み、アウター部材２２の回転がインナー部材２３を介して出力軸１２に伝達されるため、出力軸１２は反時計方向（矢印Ｃ参照）に回転する。

入力軸１１および第１ピニオン１５が更に回転すると、第１ピニオン１５および第２ピニオン１７，１７にリングギヤ１８ａを噛合させた偏心ディスク１８が反時計方向（矢印Ａ参照）に偏心回転する。図４（Ｃ）から図４（Ｄ）を経て図４（Ａ）の状態へと回転する間に、偏心ディスク１８の外周にリング部１９ｂをボールベアリング２０を介して相対回転自在に支持されたコネクティングロッド１９は、そのロッド部１９ａの先端にピン１９ｃで枢支されたアウター部材２２を時計方向（矢印Ｂ′参照）に回転させる。図４（Ｃ）および図４（Ａ）は、アウター部材２２の前記矢印Ｂ′方向の回転の両端を示している。

このようにしてアウター部材２２が矢印Ｂ′方向に回転すると、アウター部材２２とインナー部材２３との間の楔状の空間からローラ２５…がスプリング２４…を圧縮しながら押し出されることで、アウター部材２２がインナー部材２３に対してスリップして出力軸１２は回転しない。

以上のように、アウター部材２２が往復回転したとき、アウター部材２２の回転方向が反時計方向（矢印Ｂ参照）のときだけ出力軸１２が反時計方向（矢印Ｃ参照）に回転するため、出力軸１２は間欠回転することになる。

図５は、ＬＯＷ状態で変速機Ｔを運転するときの作用を示すものである。このとき、入力軸１１の位置は偏心ディスク１８の中心Ｏに一致しているので、入力軸１１に対する偏心ディスク１８の偏心量はゼロになる。この状態で駆動源１３で入力軸１１を回転させるとともに、入力軸１１と同速度で変速アクチュエータ１４の回転軸１４ａを回転させると、入力軸１１、回転軸１４ａ、キャリヤ１６、第１ピニオン１５、２個の第２ピニオン１７，１７および偏心ディスク１８が一体になった状態で、入力軸１１を中心に反時計方向（矢印Ａ参照）に偏心回転する。しかしながら、偏心ディスク１８の偏心量がゼロであるため、コネクティングロッド１９の往復運動のストロークもゼロになり、出力軸１２は回転しない。

従って、変速アクチュエータ１４を駆動してキャリヤ１６の位置を図１のＴＯＰ状態と図２のＬＯＷ状態との間に設定すれば、ゼロレシオおよび所定レシオ間の任意のレシオでの運転が可能になる。

無段変速機Ｔは、並置された４個の変速ユニット１０…の偏心ディスク１８…の位相が相互に９０°ずつずれているため、４個の変速ユニット１０…が交互に駆動力を伝達することで、つまり４個のワンウェイクラッチ２１…の何れかが必ず係合状態にあることで、出力軸１２を連続回転させることができる。

次に、ワンウェイクラッチ２１に発生するポップアウト現象について説明する。ポップアウト現象とは、係合状態にあるワンウェイクラッチ２１に過剰なトルクが入力したとき、アウター部材２２およびインナー部材２３間に噛み込んだローラ４５が急激に弾き出されることを言う。

図６は係合状態にあるワンウェイクラッチ２１の要部拡大図である。ローラ２５は円弧面よりなるアウター部材２２の内周面と、平面よりなるインナー部材２３の外周面との間に挟まれるが、実際には円弧面であるアウター部材２２の内周面を、ローラ２５との接点Ｐｏを通る接線Ｔｏで置き換えて考える。接点Ｐｏでアウター部材２２の内周面に接するローラ２５の接線Ｔｏと、接点Ｐｉでインナー部材２３の外周面に接するローラ２５の接線Ｔｉとは角度２αで交差しており、ローラ２５の中心Ｃは前記角度２αの二等分線Ｌ上に位置している。

アウター部材２２およびローラ２５の接点Ｐｏには、法線方向の法線荷重Ｎと接線Ｔｏ方向の接線荷重Ｎμとが作用しており、それらの前記二等分線Ｌ方向の成分であるＮｓｉｎαがローラ２５を押し出すように作用し、μＮｃｏｓαがローラ２５を噛み込ませる方向に作用する。アウター部材２２およびインナー部材２３が同一の材料で構成されている場合、インナー部材２３およびローラ２５の接点Ｐｉには、法線方向の法線荷重Ｎと接線Ｔｉ方向の接線荷重Ｎμとが作用しており、それらの前記二等分線Ｌ方向の成分であるＮｓｉｎαがローラ２５を押し出すように作用し、μＮｃｏｓαがローラ２５を噛み込ませる方向に作用する。

よって、ローラ２５がポップアウトする条件は、２Ｎｓｉｎα＞２μＮｃｏｓαであり、μ＞ｔａｎαが成立したときにローラ２５がポップアウトすることになる。ちなみに、μ＝０．０８０とするとα＝４．５７ｄｅｇとなり、αを４．５７ｄｅｇ未満に抑えればポップアウトを防止することができる。

図６において、ワンウェイクラッチ２１の伝達トルクが大きくなるほど、ローラ２５は図中左側に移動してアウター部材２２およびインナー部材２３に強く噛み込むため、接点Ｐｏにおける接線Ｔｏが立ち上がって角度αが大きくなる。従って、ワンウェイクラッチ２１の伝達トルクが大きくなると、角度αが大きくなってポップアウトが発生する可能性が高くなる。

無段変速機Ｔの運転中に一つの変速ユニット１０のワンウェイクラッチ２１のローラ２５がポップアウトすると、ポップアウトしたローラ２５が衝突する衝撃で破片が飛び散り、その変速ユニット１０だけでなく、他の変速ユニット１０…にも被害が及ぶ可能性があるため、ポップアウトを未然に防止することが必要である。

図７は、横軸にワンウェイクラッチ２１の伝達トルクをとり、縦軸に角度αをとったもので、伝達トルクおよび角度αの関係は放物線状のラインで示される。伝達トルクがＴ３以上（α≧４．５７ｄｅｇ）の領域はポップアウトが発生する領域である。無段変速機Ｔの通常の運転状態で使用する領域は、伝達トルクがＴ１未満（α＜４．０ｄｅｇ）の領域である。そして、伝達トルクがＴ２（α＝４．３ｄｅｇ）のとき、ワンウェイクラッチ２１のアウター部材２２がノッチ２２ａ（図１参照）において破断するように、そのノッチ２２ａの強度が設定されている。

従って、無段変速機Ｔの出力トルクが次第に増加し、変速ユニット１０のワンウェイクラッチ２１の伝達トルクが通常の運転状態の上限値であるＴ１を超えてＴ２に達すると、アウター部材２２がノッチ２２ａが破断する。アウター部材２２のノッチ２２ａが破断すると、アウター部材２２およびインナー部材２３の間隔が広がって前記法線荷重Ｎが消滅するためにポップアウトが発生する虞はなくなり、そのワンウェイクラッチ２１は非係合状態になって駆動力を伝達しなくなる。アウター部材２２のノッチ２２ａが破断した場合、その被害はアウター部材２２だけに止まり、破片がワンウェイクラッチ２１の内部に飛散して損傷を拡大することが防止される。

図８は、コネクティングロッド１９に設けた歪みゲージ２６の出力波形を示すものである。各変速ユニット１０が駆動力を伝達しているとき、図８（Ａ）に示すように、コネクティングロッド１９は周期的な圧縮荷重を受けるが、特定のワンウェイクラッチ２１のアウター部材２２が破断すると、図８（Ｂ）に示すように、伝達トルクが急激に減少するために前記圧縮荷重の振幅が小さくなる。よって、電子制御ユニットＵは、特定のコネクティングロッド１９の歪みゲージ２６の出力波形の振幅が、他のコネクティングロッド１９の歪みゲージ２６の出力波形の振幅よりも小さくなったとき、ワンウェイクラッチ２１のアウター部材２２の破断を判定して警報を発することができる。これにより、ワンウェイクラッチ２１のポップアウトに起因する無段変速機Ｔの重大な損傷を未然に防止することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、本発明のワンウェイクラッチ２１は無段変速機Ｔ以外の任意の用途に適用可能である。

また本発明のワンウェイクラッチ２１は、複数個を並置することなく１個で使用することも可能である。

１９ コネクティングロッド（駆動力入力部材）
２１ ワンウェイクラッチ
２２ アウター部材
２２ａ ノッチ（脆弱部）
２３ インナー部材
２４ スプリング
２５ ローラ
２６ 歪みゲージ（歪み検出手段）
Ｕ 電子制御ユニット（破断判定手段）

Claims (2)

1. アウター部材（２２）の内周面とインナー部材（２３）の外周面との間に形成される空間に配置した複数のローラ（２５）をスプリング（２４）で円周方向一方に付勢し、前記アウター部材（２２）および前記インナー部材（２３）の所定の方向への相対回転により前記ローラ（２５）を前記アウター部材（２２）の内周面と前記インナー部材（２３）の外周面との間に噛み込ませてトルクを伝達するワンウェイクラッチにおいて、
   前記アウター部材（２２）に所定値以上の荷重の入力により破断する脆弱部（２２ａ）を設けたことを特徴とするワンウェイクラッチ。
2. 前記ワンウェイクラッチ（２１）は複数個が並置されており、前記アウター部材（２２）に接続された駆動力入力部材（１９）にそれぞれ設けられた歪み検出手段（２６）の検出値を比較することで、前記アウター部材（２２）の破断を判定する破断判定手段（Ｕ）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のワンウェイクラッチ。

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