JP4949887B2 - ドグクラッチアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、ドグ歯をかみ合わせて動力を伝達するドグクラッチを駆動するためのドグクラッチアクチュエータに関する。

車両等の駆動力伝達系において、クラッチは重要な要素であり、広く利用されている。このクラッチには各種の形式が知られているが、その結合、解放を制御するために何らかの駆動機構を必要とする。その駆動機構としては、油圧を用いたものが従来より広く知られているが、比較的大型で損失も大きく高速動作には向かないという問題がある。

一方、電気的動力を用いるものとして特許文献１にはボールねじを用い、モータの回転力を直線運動に変換するアクチュエータが示されており、また特許文献２にはシフトレバーを移動させるシフトアクチュエータであるがコイルによって発生する磁力を用いる電磁アクチュエータが示されている。これらは、油圧を用いないため、オイルポンプなどが不要で、効率がよい。

特開２００５−１７２１２７号公報 特開２００２−２１３６０６号公報

ここで、ボールねじは、モータによる回転運動をボールねじによって直線運動にするため、速度が遅くなってしまう。また、電磁アクチュエータをクラッチの外側に配置する構造をとると、クラッチの体格が大きくなってしまう。このため、コンパクトで、高速なクラッチの結合、解放が可能なクラッチの駆動が望まれている。

本発明では、動力伝達軸の外周に設けられたドグ歯とかみ合い可能なドグ歯が内周面に形成され、軸方向に移動可能なスリーブと、このスリーブの外周側に配置され、軸方向においてスリーブと一緒に移動するプランジャと、このプランジャに軸方向において対向するように配置され、コイルに流れる電流によって前記プランジャを軸方向に移動させる磁界を発生するヨークと、前記スリーブおよびプランジャを前記ヨークに対し磁界によって発生する駆動力と反対方向に付勢する付勢部材と、を含み、コイルに流れる電流を制御することで、スリーブの移動を制御する。

そして、本発明は、前記プランジャを前記ヨーク側に移動して近づいた場合において、前記プランジャおよびヨークは、半径方向においてギャップを介し対向することを特徴とする。

また、前記ヨークおよびプランジャの半径方向において対向する対向面を軸方向において傾斜するテーパ面とすることが好適である。

また、前記スリーブおよびプランジャを接続するドーナツ板状の接続部は、この接続部に軸方向において対向する前記ヨーク側の部材に設けられ円周状に互いに離隔して配置された複数の支持軸によって軸方向移動自在に支持されることが好適である。

また、前記付勢部材は、複数の復帰バネが円周状に互いに離隔して配置されて形成されることが好適である。

また、前記プランジャは断面ｈ字状の突出部を有し、前記ヨークは断面Ｉ状の突出部を有し、前記プランジャ二股に前記ヨークの突出部が対向することが好適である。

スリーブの周囲にコイルによる磁界を通すヨークとプランジャを配置し、プランジャをヨークによって直接駆動することで、アクチュエータの全体構成をコンパクト化し、また動作を高速化することができる。

ヨークとプランジャの吸引部をテーパ構造とすることで、プランジャの移動のための力を均一化することができる。

さらに、プランジャの吸引時に上記テーパ面は接触しないようなギャップを設けることで、プランジャの吸引時の偏心防止、解放時の応答性向上、急激な磁束飽和による吸引力低下を防止することができる。

円周状に離散配置された支持軸によりプランジャの軸方向の移動を支持することで、摩擦低減、偏心防止、片面接触回避を図ることができる。

復帰用バネを円周状に分散配置することで、復帰力の調整範囲拡大、解放時の偏心防止（復帰力の円周方向の均一化）を図ることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、実施形態に係るドグクラッチアクチュエータの全体構成を説明する図である。円筒状のスリーブ１０の内周面に円周方向において、軸方向においては一定の半径方向高さとなる溝または山が一定ピッチで形成されたドグ歯（噛み合い歯）が形成されている。

ドグクラッチは、ドグ歯（噛合歯）を入力軸および出力軸の外周面に形成されたドグ歯と噛合わせて結合するものである。このため、スリーブ１０を少なくとも噛合い代の分、変位するようなアクチュエータが必要である。なお、この距離は通常５ｍｍ〜１０ｍｍ程度の値となる。

スリーブ１０の外周は、軸方向の両端側がフランジ状に高く、中間部分がドーナツ状に凹んだ形状になっており、この凹んだ部分に断面Ｌ字状のフォーク１２の内側部が挿入配置される。このフォーク１２は、全体としてドーナツ状で、スリーブ１０の外周部から外側に伸びている。また、フォーク１２の内側部の内周面は、スリーブ１０の外周面との接触面が摺動可能になっており、回転方向は固定されているが、軸方向にはスリーブ１０と一緒に移動するようになっている。なお、この例では、スリーブ１０の凹部の底面に円周方向の凸部を設け、接触面積を小さくしている。また、摺動面は、そこにおける摩擦抵抗が少なくなるように各種構造を採ることができる。例えば、各種の軸受けを設けることもできる。

フォーク１２の外側に伸びる円板部の外側端部の表面側には、プランジャ１４が固定されている。このプランジャ１４は、軸方向において一端（表面）側が２股となった断面ｈ状であり、その肩の部分の裏面側がフォーク１２の表面側に固定されている。プランジャ１４は、断面がｈ状の円筒型の部材である。そして、このプランジャ１４に軸方向の表面側で対向して、ヨーク１６が設けられている。このヨーク１６は、断面が概略逆コ字状の円筒状体で、逆コ字の半径方向内側の突出部がプランジャ１４の二股部の凹部に対向しており、ここに挿入可能となっている。また、ヨーク１６の外側の突出部は、内側の突出部より長くかつ裏面側の先端が内側方向に伸びプランジャ１４の側面に対向するようになっている。

このヨーク１６の逆コ字の内部には、コイル１８が配置されている。このコイル１８によって、表面または裏面方向からプランジャ１４を介し裏面または表面方向に至る磁界が形成される。

ヨーク１６の裏面側には、プランジャ１４の裏面に対向するようにドーナツ板状のストッパ２０が設けられ、プランジャ１４の裏面がストッパ２０に当接することによってプランジャ１４の裏面側への移動が規制される。なお、このストッパ２０は、フォーク１２の裏面側をスリーブ１０の近くまで伸びている。また、プランジャ１４の内側の突出部を表面側を覆うと共に、フォーク１２の表面側を内側に伸びる円板状のバネ受け部材２２が設けられている。そして、ヨーク１６の表面側には、内側に向けて円板状のストッパ２４が設けられ、前記バネ受け部材２２の表面側に対向している。このため、バネ受け部材２２の表面がストッパ２４の裏面側に当接することでプランジャ１４の表面方向への移動が規制される。

ストッパ２４と、ストッパ２０との間には、バネ受け部材２２、フォーク１２を貫通して支持軸２６が設けられている。この支持軸２６のバネ受け部材２２およびフォーク１２を貫通する部分の周囲には、軸受けが設けられ、支持軸２６に対しバネ受け部材２２およびフォーク１２が軸方向に容易に摺動移動できるようになっている。この支持軸２６は、半径方向が一定の円周方向に互いに離隔して等間隔で配置されている。この例では、４本の支持軸２６が設けられている。このように、円板状のフォーク１２を所定の円周上の複数点で支持することで、偏心防止、片面接触回避、および摩擦低減を図ることができる。

さらに、支持軸２６と同一の円周上には、復帰バネ２８が等間隔で離隔して複数設けられている。この復帰バネ２８は、プランジャ１４がヨーク１６から離れる方向に付勢するものであり、この例では弦巻バネが圧縮して、ストッパ２４とバネ受け部材２２との間に挿入されている。このような構成によって、復帰バネ２８による復帰力の円周方向の均一化を図ることができ、解放時の偏心を防止することができる。

図４には、本実施形態のアクチュエータによるクラッチ動作を説明する図が示されている。この例では、入力軸３０には、外周にドグ歯を有する入力側ギア３２が設けられている。一方、入力軸３０を取り囲むように中空の出力軸３４が配置されており、この出力軸３４には、外周にはドグ歯を有する出力側ギア３６が設けられている。そして、これら入力側ギア３２と出力側ギア３６は、軸方向に所定距離だけ離隔して配置されている。

そして、図４の左図では、コイル１８には電流が流されていない。従って、ヨーク１６とプランジャ１４の軸方向の対向面間では、吸引力が発生せず、復帰バネ２８の力によってヨーク１６とプランジャ１４は軸方向において離れた状態にある。このとき、入力側ギア３２のドグ歯がスリーブ１０の内周面のドグ歯と噛み合っているが、出力側ギア３６は、スリーブ１０と離れている。従って、入力側ギア３２の回転力は、出力側ギア３６に伝達されない。

次に、コイル１８に電流を流すことで、ヨーク１６からプランジャ１４を介しヨーク１６に戻る磁路が形成され、従ってヨーク１６とプランジャ１４の軸方向の対向面において吸引力が発生する。これによって、図４の右図に示すように、プランジャ１４がヨーク１６側へ移動する。これによって、入力側ギア３２のドグ歯および出力側ギア３６のドグ歯の両方がスリーブ１０の内周面のドグ歯と噛み合い、入力側ギア３２の回転力は、スリーブ１０を介し出力側ギア３６に伝達される。

なお、図４の構成では、図１の構成とは異なり、プランジャ１４とヨーク１６の軸方向の対向面を有し、プランジャ１４の吸引時には、対向面同士が直接接触する構成になっている。また、対向面は半径方向に対し傾斜したテーパ面となっている。

図４の構成では、スリーブ１０の外方にプランジャ１４を形成し、このプランジャ１４に軸方向において対向するようにヨーク１６を設ける。そして、このヨーク１６の内部にコイル１８を設けて、ヨーク１６からプランジャ１４を介しヨークに戻る磁路を形成する。従って、スリーブ１０と一緒に動くプランジャ１４をコイル１８およびヨーク１６によって直接駆動することができ、余分な部材を不要として、構成を簡略化することができる。

図５には、図１に対応する要部構成が示されている。このように、断面ｈ字状のプランジャ１４の表面側の二股にヨーク１６の内側の突出部が対向するように形成されている。そして、プランジャ１４の内側側面と、ヨーク１６の外側側面（対向面）の間に、径方向ギャップが形成されている。従って、プランジャ１４とヨーク１６とは軸方向ギャップだけでなく径方向ギャップも介し近接することになり、この径方向ギャップを介する磁路も形成される。

図４の構成では、プランジャ１４とヨーク１６の突出部が対向するように配置されている。従って、左図のように両者が離れた状態において、プランジャ１４とヨーク１６との間の距離が大きくなる。このため、コイル１８に大きな電流を流しても比較的小さい吸引力しか得られない。従って、プランジャ１４の移動距離をあまり大きくすることができない。

一方、図５の構成では、プランジャ１４の移動距離を大きくしても、プランジャ１４とヨーク１６の距離を比較的小さくすることができ、所定の吸引力を維持することが容易となる。

ここで、この図５の構造の軸方向ギャップと吸引力との関係を磁場解析によって求めると、図６のようになる。このように、図５の構造においても、基本的に吸引方向と吸引面（プランジャ１４とヨーク１６が近接して対向する面）が垂直なため、軸方向ギャップが小さくなると吸引力が急増する。

クラッチの推力は吸引力と復帰バネによる反力の差となるが、復帰バネ力を最低推力が所定以上になるように保証するように設定すると、復帰力をあまり大きくすることができない。また、吸着間際に推力が急増するため、吸着時の衝撃による音・振動が大きくなりやすい。

図２、３には、ヨーク１６とプランジャ１４の対向面にテーパ面が形成されている実施形態における要部の移動状態を示してある。図２は、コイル１８に電流を流していない状態であって、プランジャ１４に対する吸引力は働いていない。従って、プランジャ１４はヨーク１６から離れて位置しており、復帰バネ２８は伸びた状態にある。次に、コイル１８に電流を流すと、プランジャ１４とヨーク１６のテーパ面を通る磁路が形成され、これによって吸引力が生じる。

そして、テーパ面同士の対向する面積が徐々に増加するが、これによって両者の吸引力は軸方向ギャップの変化に対して線形に変化する。

すなわち、図７に示すように、軸方向ギャップの減少により吸引面の軸方向距離も接近するため、吸引力が増加する。一方、吸引面間距離の接近によりヨーク内磁束密度も増加し、磁束飽和が起こり始める。磁束飽和は、吸引力を減少する作用を生むため、吸着間際での吸引力の急増が回避され、軸方向ギャップの低下に対して、ほぼ線形に吸引力が増加することになる。

その結果、復帰バネ力も大きく設定でき、吸着時の衝撃による音・振動も小さくすることができる。

また、図３のように、プランジャ１４のヨーク１６に対する吸着時に、テーパ面間にギャップがあるようにすることにより、吸着時の急速な磁束飽和を回避し、吸引力の急激な低下を防ぐことができる。また、軸方向ギャップ減少時の径方向吸引力が緩和される。このため、ヨーク１６とプランジャ１４の軸が若干偏心していた場合にも、両者が接触するのを防止することができる。

図８、９に本実施形態のアクチュエータの応答特性を示す。図８に示すように、応答時間が短く（０．０２秒程度）、極めて早い応答を示すことがわかる。また、図９に示すように、変位速度がほぼ一定に増加していることがわかる。これは推力がほぼ一定に保たれていることを示している。

このように、図２，３に示すようなテーパ面およびテーパ面同士のギャップを形成することで、適切な推力が得られる。

なお、上述の説明において、表面側は図における左側で出力側ギア３４が位置する側、裏面側は図における右側で入力側ギア３２が位置する側、外側は入力軸３０を中心として半径方向外側、内側は入力軸を中心として半径方向内側を意味する。
「変形例など」

復帰バネ２８は図１または図４に示されるように分散配置する他に、図１０のように１つの復帰バネ２８で実現しても良い。すなわち、スリーブ１０を内部に取り込むように大きな復帰バネ２８を設けることもできる。この構成の場合、バネの巻き数が少ない場合は、バネの復帰力が円周方向で均一にできない場合が生じやすくなる。そして、復帰力が均一でないと、偏心等が起こりやすくなるため、バネの巻数を比較的多くすることが好ましい。

また、図１に示すような支持軸２６およびその軸受けを分散配置する構成ではなく、図１１に示すように、プランジャ１４と、ストッパ２０との摺動面や、バネ受け部材２２とヨーク１６の摺動面をすべり軸受けとしてもよい。これによって、構成を単純化することができる。

実施形態の構成を示す一部断面斜視図である。 ヨークおよびプランジャの要部形状を示す断面図（非吸着時）である。 ヨークおよびプランジャの要部形状を示す断面図（吸着時）である。 アクチュエータによるクラッチ動作を説明する図である。 径方向ギャップを有するヨークおよびプランジャの要部形状を示す断面図（非吸着時）である。 図５の構成におけるギャップ構造における吸引力の特性を示す図である。 図２，３の構成におけるギャップ構造における吸引力の特性を示す図である。 アクチュエータの応答特性を示す図である。 アクチュエータの応答特性を示す図である。 復帰バネを１つとした場合の構成を示す図である。 変形例の軸受け構造を示す図である。

符号の説明

１０ スリーブ、１２ フォーク、１４ プランジャ、１６ ヨーク、１８ コイル、２０ ストッパ、２２ バネ受け部材、２４ ストッパ、２６ 支持軸、２８ 復帰バネ、３０ 入力軸、３２ 入力側ギア、３４ 出力軸、３６ 出力側ギア。

Claims (5)

1. 動力伝達軸の外周に設けられたドグ歯とかみ合い可能なドグ歯が内周面に形成され、軸方向に移動可能なスリーブと、
   このスリーブの外周側に配置され、軸方向においてスリーブと一緒に移動するプランジャと、
   このプランジャに軸方向において対向するように配置され、コイルに流れる電流によって前記プランジャを軸方向に移動させる磁界を発生するヨークと、
   前記スリーブおよびプランジャを前記ヨークに対し磁界によって発生する駆動力と反対方向に付勢する付勢部材と、
   を含み、
   コイルに流れる電流を制御することで、スリーブの移動を制御するドグクラッチアクチュエータであって、
   前記プランジャを前記ヨーク側に移動して近づいた場合において、前記プランジャおよびヨークは、半径方向においてギャップを介し対向することを特徴とするドグクラッチアクチュエータ。
2. 請求項１に記載のドグクラッチアクチュエータにおいて、
   前記ヨークおよびプランジャの半径方向において対向する対向面を軸方向において傾斜するテーパ面とすることを特徴とするドグクラッチアクチュエータ。
3. 請求項１または２に記載のドグクラッチアクチュエータにおいて、
   前記スリーブおよびプランジャを接続するドーナツ板状の接続部は、この接続部に軸方向において対向する前記ヨーク側の部材に設けられ円周状に互いに離隔して配置された複数の支持軸によって軸方向移動自在に支持されることを特徴とするドグクラッチアクチュエータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載のドグクラッチアクチュエータにおいて、
   前記付勢部材は、複数の復帰バネが円周状に互いに離隔して配置されて形成されることを特徴とするドグクラッチアクチュエータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載のドグクラッチアクチュエータにおいて、
   前記プランジャは断面ｈ字状の突出部を有し、前記ヨークは断面Ｉ状の突出部を有し、前記プランジャ二股に前記ヨークの突出部が対向することを特徴とするドグクラッチアクチュエータ。