JP2017166599A

JP2017166599A - 一方向クラッチ

Info

Publication number: JP2017166599A
Application number: JP2016052872A
Authority: JP
Inventors: 有紀子米虫; Yukiko Yonemushi; 和茂大塚; Kazushige Otsuka; 佑規新舘; Yuki Niidate; 藤原　英樹; Hideki Fujiwara; 英樹藤原; 亮平保坂; Ryohei Hosaka; 喜重武田; Kiju Takeda
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2017-09-21

Abstract

【課題】過負荷が付与された場合に動力伝達を遮断し、過負荷の解消に伴って自動的に動力伝達を可能にする一方向クラッチを提供する。
【解決手段】内輪１１と、内輪１１の径方向外側に同心状に配置されかつ内輪１１の外周面１１ａとの間にくさび状空間Ｓを形成する内周面１２ａを有する外輪１２と、くさび状空間Ｓに配置されかつくさび状空間Ｓの狭小側で内輪１１の外周面１１ａ及び外輪１２の内周面１２ａに噛み合うころ１３と、ころ１３をくさび状空間Ｓの狭小側へ向けて付勢する付勢部材１５とを備えている一方向クラッチ１０であって、内輪１１の外周面１１ａ及び外輪１２の内周面１２ａのいずれか一方には、ころ１３が噛み合う第１のカム面２１と、第１のカム面２１における狭小側の端部に隣接して設けられ、くさび状空間Ｓにおけるくさび角を第１のカム面２１よりも拡大することで、ころ１３との噛み合いを解除する第２のカム面２２とが形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、トルクリミッタ機能を有する一方向クラッチに関する。

例えば、下記特許文献１には、自動車のエンジンの回転動力をエアコン用圧縮機に伝達する経路に設けられ、エンジンの回転変動を吸収することによって圧縮機の回転を安定させるようにした一方向クラッチが開示されている。
特許文献１に記載の一方向クラッチは、エンジンの動力によって回転するプーリに一体的に設けられた内輪と、圧縮機の回転軸に固定された外輪と、内輪と外輪との間に設けられた複数のころとを備えている。内輪の外周面には平坦なカム面が周方向複数箇所設けられ、このカム面と外輪内周面との間のくさび状空間にころが配置されている。

この一方向クラッチにおいては、プーリの回転速度が回転軸の回転速度よりも相対的に大きくなると、ころがくさび状空間の狭い側に転動し、カム面と外輪内周面とに噛み合うことでプーリと回転軸とを一体化し、両者を同期回転させる。また、プーリの回転速度が回転軸の回転速度よりも相対的に小さくなると、ころがくさび状空間の広い側へ転動することでカム面及び外輪内周面に対するころの噛み合いが解除され、プーリから回転軸への動力伝達が遮断されるようになっている。

また、特許文献１に記載の一方向クラッチは、トルクリミッタ手段を有している。具体的に、トルクリミッタ手段は、カム面におけるくさび状空間の狭い側の端部に隣接して、ころを嵌入保持させるための凹部を設けることにより構成されている。例えば圧縮機の焼き付きに起因して回転軸の回転トルク（負荷トルク）が増大すると、ころはくさび状空間の狭い側へ転動し、さらに凹部に落ち込む。これにより、ころが外輪の内周面から離れ、プーリから回転軸への動力伝達が遮断されるようになっている。

特開２００２−１０６６０８号公報

特許文献１に記載の一方向クラッチに設けられたトルクリミッタ手段は、ころを嵌入保持させるための凹部により構成され、この凹部内にころが落ち込むことによって機能するものであるため、一旦、トルクリミッタ手段が機能すると、人為的に凹部からころを取り出してくさび状空間に戻さない限り、再度一方向クラッチを使用するができない。そのため、一時的な過負荷を回避し、過負荷の解消と同時に自動的に一方向クラッチを機能させるような用途には、特許文献１に記載の一方向クラッチは適していない。

本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたものであり、過負荷が付与された場合に動力伝達を遮断し、過負荷の解消に伴って自動的に動力伝達を可能にする一方向クラッチを提供することを目的とする。

本発明は、内輪と、前記内輪の径方向外側に同心状に配置されかつ前記内輪の外周面との間にくさび状空間を形成する内周面を有する外輪と、前記くさび状空間に配置されかつ前記くさび状空間の狭小側において前記内輪の外周面及び前記外輪の内周面に噛み合うころと、前記ころを前記くさび状空間の狭小側へ向けて付勢する付勢部材とを備えている一方向クラッチであって、前記内輪の外周面及び前記外輪の内周面のいずれか一方には、前記ころが噛み合う第１のカム面と、前記第１のカム面における前記狭小側の端部に隣接して設けられ、前記くさび状空間におけるくさび角を前記第１のカム面よりも拡大することで前記ころとの噛み合いを解除する第２のカム面と、が形成されていることを特徴とする。

上記構成の転がり軸受によれば、例えば負荷トルクが所定よりも小さい場合には、内輪の外周面及び外輪の内周面のうち一方の周面に形成された第１のカム面と、他方の周面とにころを噛み合わせ、内輪と外輪とを同期回転させることができる。また、負荷トルクが所定よりも増大した場合には、ころを第１のカム面に隣接する第２のカム面に移行させ、くさび角の拡大によってころの噛み合いを解除させることができる。つまり、第２のカム面をトルクリミッタ手段として機能させることができる。また、第２のカム面によるトルクリミッタ手段が機能したとしても、ころはくさび状空間内に存在するので、再び負荷トルクが所定よりも小さくなったときに、ころを第１カム面及び他方の周面に噛み合わせ、外輪と内輪とを自動的に同期回転させることができる。

上記一方向クラッチは、前記第１のカム面における前記くさび状空間の拡大側の端部から径方向に突出し、前記ころの移動を制限するストッパ部を備えていることが好ましい。
上記のようにトルクリミッタ機能によってころの噛み合いが解除されると、ころは勢いよくくさび状空間の拡大側に飛び出すことがあり、これによって付勢部材に負担がかかり、付勢部材の損傷の原因になるが、上記のようにストッパ部を設けることでころの移動を制限し、付勢部材の負担を軽減することができる。

本発明の一方向クラッチによれば、過負荷が付与された場合に動力伝達を遮断し、過負荷の解消に伴って自動的に動力伝達を可能にすることができる。

本発明の一実施形態に係る一方向クラッチの断面図である。一方向クラッチの一部を拡大して示す断面図である。フリー状態におけるころの作用を説明する図である。ロック状態におけるころの作用を説明する図である。トルクリミッタ手段の作用を説明する図である。ストッパ面の作用を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る一方向クラッチの断面図である。
一方向クラッチ１０は、駆動側の回転部材１８と、従動側の回転部材１９との間に設けられている。本実施形態において、駆動側の回転部材１８は駆動軸とされており、従動側の回転部材１９は円筒形状の従動輪体とされている。したがって、以下の説明では駆動軸に符号１８を付し、従動輪体に符号１９を付す。

一方向クラッチ１０は、内輪１１と、外輪１２と、内輪１１の外周面１１ａと外輪１２の内周面１２ａとの間に配置された複数のころ１３とを備えている。
内輪１１は、円環状に形成されている。内輪１１は、内周面１１ｂが駆動軸１８の外周面に嵌合されることによって駆動軸１８に一体回転可能に固定されている。

外輪１２は、内輪１１よりも大径の円環状に形成されている。外輪１２は、内輪１１の径方向外側に内輪１１と同心状に配置されている。また、外輪１２は、外周面１２ｂが従動輪体１９の内周面に嵌合されることによって従動輪体１９に一体回転可能に固定されている。

ころ１３は、円筒ころにより構成されている。ころ１３は、内輪１１の外周面１１ａ及び外輪１２の内周面１２ａ上で転動可能に構成されている。
内輪１１の外周面１１ａにはころ１３と同数（８つ）の平坦な第１のカム面２１が形成されており、外輪１２の内周面１２ａは円筒面に形成されている。内輪１１の第１のカム面２１と外輪１２の内周面１２ａとの間には、くさび状空間Ｓが周方向に複数（８箇所）形成され、このくさび状空間Ｓにころ１３が配置されている。

一方向クラッチ１０は、保持器１４と、付勢部材１５とをさらに備えている。保持器１４は、環状に形成され、複数のころ１３を円周方向に沿って所定間隔に保持している。付勢部材１５は、各ころ１３を一方向に弾性的に付勢する。本実施形態の付勢部材１５は、圧縮コイルバネからなる。保持器１４には、ころ１３を収容するポケット１４ａが周方向に複数形成されている。また、保持器１４には、ポケット１４ａに収容された付勢部材１５を案内する突起部１４ｂを備えている。付勢部材１５は、ポケット１４ａ内のころ１３を周方向一方側へ向けて付勢している。具体的には、くさび状空間Ｓが狭くなる方向（狭小側）へ向けて、図１の反時計回り方向にころ１３を付勢している。

以上のように構成された一方向クラッチ１０は、駆動軸１８が増速回転することにより、駆動軸１８の回転速度が従動輪体１９の回転速度を上回る場合には、内輪１１が外輪１２に対して一方向Ａ（図１の反時計回り方向）に相対回転しようとする。この場合、付勢部材１５の付勢力により、ころ１３はくさび状空間Ｓが狭くなる方向（図１の反時計回り方向）へ僅かに移動して、ころ１３の外周面が内輪１１の第１のカム面２１及び外輪１２の内周面１２ａに圧接し、ころ１３が第１のカム面２１及び外輪１２の内周面１２ａに噛み合った状態（ロック状態）となる。これにより、内輪１１及び外輪１２が接続され、前記一方向Ａに一体回転可能となり、駆動軸１８と従動輪体１９とを一方向Ａに同期回転させることができる。

また、駆動軸１８が増速回転後に一定速回転となり、駆動軸１８の回転速度が、従動輪体１９の回転速度と同一になった場合には、ころ１３が内輪１１及び外輪１２に噛み合った状態で保持される。このため、一方向クラッチ１０は、内輪１１及び外輪１２の前記一方向への一体回転を維持し、駆動軸１８及び従動輪体１９は同期回転し続ける。

一方、駆動軸１８が減速回転することにより、駆動軸１８の回転速度が、従動輪体１９の回転速度を下回る場合には、内輪１１が外輪１２に対して他方向（図１の時計回り方向）に相対回転しようとする。この場合には、付勢部材１５の付勢力に抗して、ころ１３がくさび状空間Ｓが広くなる方向（拡大側）へ移動することにより、ころ１３と内輪１１及び外輪１２との噛み合いが解除された状態（フリー状態）になる。このように、ころ１３の噛み合いが解除されることで、駆動軸１８と従動輪体１９との接続が遮断される。

本実施形態の一方向クラッチ１０は、トルクリミッタ手段を有している。このトルクリミッタ手段は、従動輪体１９の回転トルク（従動輪体１９を回転させるためのトルク；負荷トルク）が所定よりも大きい場合に、駆動軸１８の回転速度が従動輪体１９の回転速度を上回っていたとしても、駆動軸１８と従動輪体１９との接続を遮断するものである。

図２は、一方向クラッチ１０の一部を拡大して示す断面図である。
図２に示すように、内輪１１の外周には、第１のカム面２１に加えて、第２のカム面２２と、ストッパ面（ストッパ部）２３とが設けられている。
第２のカム面２２は、前述のトルクリミッタ手段を構成している。第２のカム面２２は、第１のカム面２１におけるくさび状空間Ｓの狭小側の端部に隣接して設けられている。第２のカム面２２は、第１のカム面２１の端部から径方向外方へ立ち上がる（突出する）平坦面に形成されている。第１のカム面２１と第２のカム面２２とは、角度θ_１で交差している。

ストッパ面２３は、第１のカム面２１におけるくさび状空間Ｓの拡大側の端部に隣接して設けられている。ストッパ面２３は、第１のカム面２１の端部から径方向外方へ立ち上がる（突出する）平坦面に形成されている。ストッパ面２３と第１のカム面２１とは、角度θ_２で交差している。ストッパ面２３は、くさび状空間Ｓの拡大側へのころ１３の移動を制限する。具体的には、ころ１３が保持器１４（特に突起部１４ｂ）に接触せず、付勢部材１５が最小長さ（密着長さ）にまで圧縮されないように、その周方向の位置が設定されている。ストッパ面２３と第１のカム面２１との間の角度θ_２は、ころ１３の移動を所定の位置で制限することができれば、特に限定されるものではない。

内輪１１の外周面は、第１のカム面２１、第２のカム面２２、及びストッパ面２３が形成されることによって径方向内方へ凹んだ状態になっている。言い換えると、内輪１１の外周面に凹部２４を形成することによって、第１のカム面２１、第２のカム面２２，及びストッパ面２３が形成されている。ころ１３は凹部２４内に配置される。

以下、第１のカム面２１、第２のカム面２２、及びストッパ面２３の作用について具体的に説明する。
図３は、フリー状態におけるころ１３の作用を説明する図である。この場合、ころ１３は、第１のカム面２１上にあり、外輪１２の内周面１２ａには接していない。また、ころ１３は、第２のカム面２２及びストッパ面２３にも接していない。

図４は、ロック状態におけるころ１３の作用を説明する図である。この場合、内輪１１の矢印Ａ方向の回転により、ころ１３が付勢部材１５の付勢力で同方向に移動し、第１のカム面２１と外輪１２の内周面１２ａとに噛み合う。これにより、内輪１１に同期して外輪１２も矢印Ａ方向に回転する。

ころ１３は、外輪１２の内周面１２ａとの接点Ｐ１と、第１のカム面２１との接点Ｐ２とを結ぶ線分Ｌ１に沿った圧縮力を受ける。図４には、特に、外輪１２の内周面１２ａからの圧縮力Ｆを示している。外輪１２には、圧縮力Ｆにおける内周面１２ａの接線方向成分Ｆｔが駆動力として付与される。

一方、ころ１３と外輪１２の内周面１２ａとの間には、摩擦力ｆが発生する。この摩擦力ｆは、圧縮力Ｆにおける内周面１２ａに対する垂直方向成分Ｆｎに静止摩擦係数μを掛けた値（すなわち、ｆ＝μＦｎ）が最大となる。また、圧縮力Ｆとその垂直方向成分Ｆｎと間の角度αは、第１のカム面２１と外輪１２の内周面１２ａとの間のくさび角θ_３の１／２となる（α＝θ_３／２）。

ころ１３が第１のカム面２１に接触しているとき、角度αは、ころ１３と外輪１２の内周面１２ａの間に相対的な滑りを生じさせる摩擦角よりも小さい。そのため、駆動力Ｆｔと摩擦力ｆとは釣り合い、ころ１３が外輪１２の内周面１２ａに噛み合った状態となる。ころ１３と第１のカム面２１との関係も同様であり、ころ１３は第１のカム面２１に噛み合った状態となる。したがって、外輪１２は、内輪１１と矢印Ａ方向に一体回転する。なお、一般に、摩擦角βと静止摩擦係数μとの間には、μ＝ｔａｎβの関係がある。

図５は、トルクリミッタ手段の作用を説明する図である。
外輪１２の回転トルクが大きくなると、ころ１３はくさび状空間Ｓのより狭い領域へ向けて移動し、トルクリミッタ手段が作動する所定の回転トルクに達すると、ころ１３は第１のカム面２１から第２のカム面２２に移行する。このとき、ころ１３は、外輪１２の内周面１２ａとの接点Ｐ３と、第２のカム面２２との接点Ｐ４とを結ぶ線分Ｌ２に沿った圧縮力を受ける。図５には、特に、外輪１２の内周面１２ａからの圧縮力Ｆを示す。

第２のカム面２２と外輪１２の内周面１２ａとの間のくさび角θ_４は、第１のカム面２１と外輪１２の内周面１２ａとのくさび角θ_３（図４参照）よりも大きい。さらに、圧縮力Ｆとその垂直方向成分Ｆｎとの間の角度α’（＝θ_４／２）は、ころ１３と外輪１２の内周面１２ａとの間に相対的な滑りを生じさせる摩擦角よりも大きい。そのため、駆動力Ｆｔは最大の静止摩擦力ｆ’よりも大きくなる。これにより、外輪１２はころ１３に相対して駆動力Ｆｔの方向の滑りを生じ、ころ１３と外輪１２の噛み合いが解除される。したがって、内輪１１と外輪１２との接続が遮断され、内輪１１と外輪１２とは相対回転する。

このように、第１のカム面２１に隣接して第２のカム面２２を設け、外輪１２の回転トルクが所定以上の場合にころ１３を第１のカム面２１から第２のカム面２２に移行させることで、ころ１３を挟むくさび状空間Ｓのくさび角を急拡大し、ころ１３と内輪１１及び外輪１２との噛み合いを解除することができる。

ころ１３と内輪１１及び外輪１２との噛み合いを解除する回転トルク（リミット値）は、第２のカム面２２の周方向の位置（ころ１３が接触する位置）に応じて設定することができる。また、複数のころ１３について、第２のカム面２２の周方向の位置を適切に設定することで、トルクリミッタ手段の作動タイミングにばらつきが生じないようにすることができ、安定したトルクリミッタ機能を実現することができる。

また、ころ１３は、内輪１１及び外輪１２との噛み合いが解除されたとしても、くさび状空間Ｓの拡大側に戻るだけでくさび状空間Ｓ内に存在するので、外輪１２の回転トルクがリミット値を下回れば、再度一方向クラッチ１０を自動的に機能させることができる。

図６は、ストッパ面２３の作用を説明する図である。
図５を参照して説明したように、第２のカム面２２によってころ１３と外輪１２との噛み合いが解除されると、ころ１３は、第２のカム面２２と外輪１２の内周面１２ａとの間から勢いよく離脱し、くさび状空間Ｓの拡大側（矢印Ｃ方向）へ向けて飛び出す。これによって、ころ１３は付勢部材１５を強く押し戻して圧縮させる。

しかしながら、外輪１２の回転トルクがリミット値に達する度にころ１３によって付勢部材１５が強く圧縮されると、付勢部材１５が早期に劣化し、寿命が低下する可能性がある。このため、本実施形態では、内輪１１にストッパ面２３を形成し、ころ１３の移動をストッパ面２３によって制限することで付勢部材１５の圧縮を抑制している。このような構成によって付勢部材１５の寿命を高めることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、第１のカム面、第２のカム面、ストッパ面が内輪に形成されていたが、これらは外輪に形成されていてもよい。この場合、内輪の外周面が円筒形状に形成される。

また、上記実施形態では、駆動側の回転部材が軸形状に形成され、従動側の回転部材が円筒形状に形成されていたが、その逆であってもよい。また、外輪が駆動側に配置され、内輪が従動側に配置されていてもよい。
上記実施形態では、第１のカム面と第２のカム面との境界が角形状となっていたが、当該境界は滑らかな曲面形状に形成されていてもよい。

本発明の一方向クラッチは、種々の用途に適用することができる。例えば、自動車のエンジンの回転動力をエアコンの圧縮機の回転軸に伝達する経路に適用したり、風力発電装置におけるブレードの回転動力を発電機のロータ軸に伝達する経路に適用したりすることができる。

１０：一方向クラッチ、１１：内輪、１１ａ：外周面、１２：外輪、１２ａ：内周面、１３：ころ、１５：付勢部材、２１：第１のカム面、２２：第２のカム面、２３：ストッパ面、Ｓ：くさび状空間

Claims

内輪と、前記内輪の径方向外側に同心状に配置されかつ前記内輪の外周面との間にくさび状空間を形成する内周面を有する外輪と、前記くさび状空間に配置されかつ前記くさび状空間の狭小側において前記内輪の外周面及び前記外輪の内周面に噛み合うころと、前記ころを前記くさび状空間の狭小側へ向けて付勢する付勢部材とを備えている一方向クラッチであって、
前記内輪の外周面及び前記外輪の内周面のいずれか一方には、前記ころが噛み合う第１のカム面と、前記第１のカム面における前記狭小側の端部に隣接して設けられ、前記くさび状空間におけるくさび角を前記第１のカム面よりも拡大することで前記ころとの噛み合いを解除する第２のカム面と、が形成されていることを特徴とする、一方向クラッチ。
前記第１のカム面における前記くさび状空間の拡大側の端部から径方向に突出し、前記ころの移動を制限するストッパ部を備えている、請求項１に記載の一方向クラッチ。