JPH081226B2 - ブレーキ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、軸の回転に対し、所望の制動力を与えるブ
レーキに関する。

（従来の技術） 従来より、速度、加速度の増減に応じて、ブレーキ力
が増減されるブレーキ構造が種々提案されている。例え
ば、遠心力を利用したもの、粘性のある流体を撹拌する
もの、粘性のある流体を小さな穴に出し入れするもの、
電磁力を利用するものなどが知られている。

遠心力を利用した方法では、釣合い重りが、回転中心
となる軸から離れるほどブレーキ効果が高い。そこで、
大きなブレーキ力を得ようとする場合には、ドラム径が
大きくなってしまうという問題がある。ドラム径を小さ
くして、回転数を上げても得られるブレーキ力には限界
がある。また、ブレーキの摩擦面の摩擦係数が、摩擦に
よる温度上昇のために減少したり、油や水の介入によっ
て摩擦力が減少するため、ブレーキ力が不安定であると
いう欠点もある。

粘性のある液体の撹拌や小さな穴を通過する方法は、
液体の完全なシーリングが難しく、長期間機能を維持す
ることが難しいという問題がある。また、液体の温度、
圧力、時間などによる化学変化のために、ブレーキ力が
変化してしまうという問題もある。さらに、高速で液体
を運動させると、キャビテーションによるエロージョン
の問題も生じる。

さらに、電磁力を利用する方法は、ブレーキ力に対す
る装置の重量が大きくなってしまい、装置の単位重量に
対するブレーキ力発生の効率が悪いという問題点があっ
た。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上述の問題点を解消し、速度、加速度の増
減に応じてブレーキ力が増減し、温度、圧力、時間、油
や水の介入などによってブレーキ力がが変化するという
ような問題がなく、さらにシーリングの必要もなく小型
で大きなブレーキ力を得ることができるブレーキを提供
することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明にかかるブレーキは、 本体に回転自在に保持された出力軸と、 この出力軸に固定された歯車と、 本体に取り付けられた複数の副軸に、前記出力軸に直
角な面内において直線的に往復自在に支持され、前記歯
車の歯面に対向する一対の両端部分と歯車の両側面に沿
って伸び上記歯面に対向する一対の部分を接続する一対
の中間部分とを含むハンドと、 このハンドの歯車の両端部分であって歯車の歯面に近
接する位置に設けられ一対のフィンガーと、 を含み、 前記歯車の回転に伴って、前記一対のフィンガーを前
記歯車の歯面に交互に接触させ、これによってハンドを
歯車の周囲で直線的に往復振動させ、この振動による慣
性抵抗により、出力軸の速度、加速度に応じて増減する
ブレーキ力を出力軸に出力することを特徴とする。

（作用） このように、本発明では、歯車の回転に伴って、一対
のフィンガーが歯車に交互に接触し、ハンドが移動す
る。そして、ハンドは副軸によって支持されているた
め、ハンドは直線的に往復運動し、この直線往復運動の
慣性抵抗によって、歯車の回転にブレーキがかかる。

また、このハンドは、歯車の歯面に対向する一対の両
端部分と、歯車の両側面に沿って伸び歯車の歯面に対向
する一対の部分を接続する中間部分とを含んでいる。従
って、歯車の回転に伴い、ハンドが歯車の側面に沿って
直線往復運動をし、この運動の慣性抵抗によって制動を
行う（ブレーキをかける）ことができる。特に、ハンド
は、歯車の両側面に沿って伸びているため、ハンドが直
線往復運動をする際のバランスが良く、振動する際にバ
ランスが崩れることが防止される。

例えば、歯車の一側面のみに沿って伸びる構成とした
場合には、振動がアンバランスになり、ハンドを安定し
て振動させることはできない。しかし、本発明のブレー
キによって、全体をコンパクトにして、出力軸の回転数
に応じたブレーキをかけることができる。

（実施例） 以下、図面に示した実施例につき、説明する。第１図
および第２図において、２は外部からの回転力によって
回転する出力軸である。この出力軸２は、キー１によっ
て歯車３が固定されており、出力軸２の回転により歯車
３が回転する。この出力軸２は、歯車３の両側において
本体４によって回転自在に軸支されている。また、出力
軸２は、歯車３の両側において、ハンド５に設けられた
穴を貫通している。ハンド５は、２枚の平板を重ね合わ
た構成となっており、その内部に歯車３を収容できる空
間が形成されている。そして、このハンド５は、一対の
副軸によって本体４に軸支されており、本体４内におい
てハンド５が往復運動できるようになっている。また、
ハンド５の歯車３の歯面に対向する位置には、歯車３の
歯面に形状に対応した形状を有する２つのフィンガー
６、７が形成されている。

第１図に示すように、歯車３の上方及び下方の位置に
歯車３に係合可能な凸凹形状をしたフィンガー６、７が
形成されている。特に、ハンド５の２つのフィンガー
６、７は、歯車３の中心から線対称の位置にあり、歯車
３の回転に伴って歯面９の２箇所に交互に接触する。す
なわち、ハンド５が図における上下方向に往復移動可能
となっているため、歯車３の歯面がフィンガー６に接触
するとハンド５が上方に移動し、これによってフィンガ
ー７が歯車３の反対側の歯面９に接触し、これによって
ハンド５が下方に移動するという振動を繰り返す。な
お、ハンド５の副軸８の貫通する部分は、ハンド５の往
復運動の妨げにならないように長穴が形成されている。

さらに、ハンド５の歯車３を収容する空間の上部及び
下部は、その他の部分に対しその厚みが厚くなってお
り、振動の際の振子10として作用する。本例では、この
振子10は、上下に１つずつ形成したが、偶数個の振子10
が、ハンド５の任意な位置で、かつ歯車３を中心とした
点対称の位置に設置されていれば良い。そして、この振
子10によって十分な慣性抵抗を得るために、この振子10
は十分な大きさの質量を有している。

このブレーキにおいて、出力軸２に回転力が付加され
ると、出力軸２にキー１で連結した歯車３が回転する。
ハンド５のフィンガー６、７と歯車３が逃し止め機構に
なっているため、ハンド５が歯車の回転に応じ交互に上
下方向に移動され、ハンド５が往復運動する。これによ
って、ハンド５全体が上下方向に振動する。このよう
に、ハンド５を振動させると、このハンド５は振子10に
よって十分に質量を有しているため、このハンド５の運
動に慣性抵抗が生じ、歯車３の回転にブレーキがかか
る。

このような作用について、さらに詳細に説明すると、
振子10を強制的に振動させることにより、振子10の振幅
が一定で、共振の一次モードとこの一次モードに近いｎ
次モードの振動を除いた場合には、一般に振子10の質量
に比例し、振動数の二乗に比例する慣性抵抗が生じる
（詳細な理論解析については、省略する）。従って、歯
車３の回転数が大きくなると、振子10の質量が一定の場
合には、振動数が増加して、慣性抵抗が大きくなり、出
力軸２にブレーキがかかる。また、振子10を有するハン
ド５は、一般に共振のｎ次のモードを有し、そのモード
数が１に近いほどブレーキの作用が少ない。ハンド５の
振動数が共振の一次の振動の場合には、ブレーキ力がほ
とんど作用しない。この特性は、別名トンネル効果とも
言い、ハンド５の振動する方向が水平か垂直かによっ
て、多様に変化する。

本発明のブレーキは、上に述べた回転数において、他
の方法によるブレーキにはない特異な点をもっている。
このため、エンジン、モータ、タービン等の過回転防止
用のブレーキ、釣り用両軸リールの過回転防止ブレー
キ、電車や自動車のブレーキ、風力発電機の過回転防止
用ブレーキ等に有効に利用できる。

次に、第３〜５図は、歯車３の回転力（Ｆ）が一定の
場合、歯車３とハンド５のフィンガー６、７の接点の接
線に対する法線と、ハンド５の往復運動をする方向の軸
線との成す角、すなわち押し進め角（ψ）によって、ハ
ンド５を往復運動させる力すなわち慣性抵抗（Ｑ）が変
化することを表した図である。ここで、Ｎは歯車からフ
ィンガー６、７に及される接点の接線に対して法線方向
の垂直反力である。μc Nは、この垂直反力による摩擦
力である。μｃは、歯面９とフィンガー６、７との間の
摩擦係数であり、μｃ＝tanρｃとなる。ここで、ρｃ
は、摩擦角である。同様にμは副軸８とハンド５の長穴
の溝の側面との摩擦係数であり、μ＝tanρとなる。こ
こで、ρは摩擦角である。

今、この歯車３を回転させた場合、力の釣合方程式
は、 Ｆ＝Nsinψ＋μc Ncosψ Ｑ＝Ncosψ−μc Nsinψ−μＲ Ｒ＝Nsinψ＋μc Ncosψ＝Ｆ …（１） となる。

従って、 F/Q＝（μｃ＋tanψ）／ （１−μμｃ−（μ＋μｃ）tanψ） …（２） ここで、この式（２）において分母が０のとき、すな
わち、 tanψ＝（１−μμｃ）／（μ＋μｃ） …（３） の時に、F/Q＝∞となり、Ｑ＞０であるから、Ｆ＝∞で
なければならない。

押し進め角（ψ）が（３）式を満足する時には、歯車
３にどんな大きな回転力（Ｆ）を与えてもハンド５を動
かすことはできない。このような押し進め角、すなわち
臨界押し進め角（ψｓ）は、 tanψｓ＝（１−tanρ・tanρｃ） ／（tanρ＋tanρｃ） ＝cot（ρ＋ρｃ） …（４） となる。

従って、押し進め角が（ρ＋ρｃ）の余角に等しい
か、または大きな場合には、ハンド５を動かすことは不
可能となる。また、押し進め角が（ρ＋ρｃ）の余角よ
り僅かに小さい場合、歯車の回転力は、F/Qの値が大き
いため、ハンド５は辛うじて往復運動をさせる力とな
る。

従って、押し進め角を臨界押し進め角ψｓに接近させ
ることにより、振子10の慣性抵抗は小さくて良いことに
なり、振子10の質量を小さくすることができ、ブレーキ
の重量を軽減することができる。但し、押し進め角を利
用した制動機構は、歯車の回転力が一定の場合には、摩
擦抵抗が歯車の回転速度、回転加速度の増減に対して一
定であるために、回転速度及び回転加速度を相殺するこ
とができない。従って、振子10の慣性抵抗を補佐する機
構に過ぎない。

さらに、本発明においてハンド５を複数の偶数個にる
ことが好適である。そこで、これについて以下に説明す
る。

ハンド５が１個の場合、ハンド５は単振動を行う。ハ
ンド５が単振動を行うと、慣性による反動で装置も振動
する。歯車３の回転数が小さいうちはこの振動は問題は
ないが、歯車の回転数が大きくなると、、この振動が無
視できなくなる。すなわち、ねじの緩みやノックピンの
抜け、副軸８の、副軸の軸受、出力軸、本体４などに大
きな力と衝撃を与える。従って、装置の故障、破損、疲
労などが生じてしまう。そこで、互いに反対方向に運動
する２個のハンドを一対にして組み合わせることによ
り、ハンド５の振動の力の方向を反対とし、振動の力を
全体として打ち消すことができる。これによって、副軸
やその周辺、本体４等に振動をほとんど伝達させなくす
ることができる。これら互いに反対方向に運動するハン
ドの対を等間隔に位相差を付けて運動させることによ
り、回転軸２の回転を円滑にし、故障等を防止すること
ができる。

しかも、各ハンド５の間隙にグリース等の潤滑剤を存
在させ、この潤滑油が互いに反対方向または同一方向に
異なる速度で運動するハンドによって剪断を受け、潤滑
油の粘性による抵抗を生じさせることができる。

この剪断による粘性抵抗は、 （Ａ）間隙が狭いほど二次曲線的に増大する（抵抗値の
限界はある）。

（Ｂ）ハンド５の数が大きいほど、すなわ潤滑油が剪断
力を受ける面積が広いほど増大する。

（Ｃ）隣接したハンド５の相対速度が大きいほど増大す
る。

（Ｄ）潤滑油の粘度が高いほど増大する。ただし、粘度
が高く、ハンド５の相対運動速度が大きいと、潤滑油間
に鮮明な剪断の境界面ができたり、ハンド５と潤滑油の
境界が剥離現象を生じ、かえって粘性抵抗が減少してし
まう場合もある。

という特性を有する。

この（Ａ）〜（Ｄ）のなかでも述べたように、粘性抵
抗が速度が大きくなるほど増加するから、歯車３の回転
速度が増加するのに応じて抵抗を増加させることができ
る。

従って、慣性抵抗に粘性抵抗を加えることによって、
相互抵抗が同じであれば、ハンド５の振子の重量を軽減
することができ、装置の小型化、軽量化を図ることがで
きる。

また、万一ハンド５のフィンガー６、７または歯車の
一部が故障したり破損した場合に、ハンド５が単体であ
ると、速度抑制効果が失われることになるが、ハンド５
が偶数個であれば、他のハンド５でブレーキ力を維持す
ることができる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明のブレーキは、構造が簡
単であるため、故障が少なく製造原価が安くなる。ま
た、構造上空転や装置が差動しなくなるような事故が生
じ難いため、安全であり安心して使用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るハンド５が往復運動するブレー
キ機構の一部を切断した左側面断面図。第２図は同じく
中心で切断した正面断面図。第３図は歯車の回転力、押
し進め角、ハンドの往復に作用する抵抗力の関係を表し
た図。第４図は歯車に加わる力の関係を示した図。第５
図はハンドに加わる力の関係を示した図である。 １……キー、２……出力軸、３……歯車、４……本体、
５……ハンド、6,7……フィンガー、８……副軸、９…
…歯車、10……振子。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】本体に回転自在に保持された出力軸と、 この出力軸に固定された歯車と、 本体に取り付けられた複数の副軸に、前記出力軸に直角
   な面内において直線的に往復自在に支持され、前記歯車
   の歯面に対向する一対の両端部分と歯車の両側面に沿っ
   て伸び上記歯面に対向する一対の部分を接続する一対の
   中間部分とを含むハンドと、 このハンドの歯車の両端部分であって歯車の歯面に近接
   する位置に設けられ一対のフィンガーと、 を含み、 前記歯車の回転に伴って、前記一対のフィンガーを前記
   歯車の歯面に交互に接触させ、これによってハンドを歯
   車の周囲で直線的に往復振動させ、この振動による慣性
   抵抗により、出力軸の速度、加速度に応じて増減するブ
   レーキ力を出力軸に出力することを特徴とするブレー
   キ。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載のブレーキにお
   いて、 前記歯車とフィンガーとの接点の接線に対する法線と、
   ハンドの往復運動する方向の軸線とのなす押し進め角の
   設定によって、歯面とフィンガーの接触圧力および摩擦
   量を設定し、ハンドの往復運動の抵抗力を設定すること
   を特徴とするブレーキ。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項または第２項記載の
   ブレーキにおいて、 ハンドを複数個の偶数個とし、隣接する２つのハンドを
   対とすると共に、これらの運動方向を正反対とし、各々
   の対同士の振動の位相差を等間隔に設定することを特徴
   とするブレーキ。