JP2007506052A - カップリング装置並びにカップリング装置を含んだトランスミッションシステム - Google Patents

Abstract

第１回転体と第２回転体（１，３または１，５）と、それら回転体間で駆動力を伝達させるためにそれら回転体同士を選択的にカップリングさせるための複数のカップリング部材（１９，２１，２８，３０）と、カップリング部材の係合を制御するための電磁式アクチュエータ手段（２６）とを含んだカップリング装置が開示されている。本発明は、そのようなカップリング装置を含んだトランスミッションシステムにも関係する。トランスミッションシステムは、第１ドライブシャフト（１）及び第２ドライブシャフト（７）と、シャフト間で駆動力を伝達させるためにシャフトに搭載された第１ギヤセット（１５）及び第２ギヤセット（１７）とを含んでいる。それぞれのギヤセットは、第１シャフトと相対的に回転するために第１シャフト（１）に搭載された第１ギヤホイール（３，５）を含んでいる。第１ギヤホイールは複数の駆動構造（１９，２１）を含んでいる。ギヤセットはさらに、第２シャフトと共に回転するように第２シャフト（７）に搭載された第２ギヤホイール（９，１１）を含んでいる。トランスミッションシステムはさらにセレクター手段（１３）を含んでおり、第１シャフトと、駆動構造（１９，２１）にエネルギーを供給するための複数の係合部材（２８，３０）を含んだ第１ギヤセットまたは第２ギヤセットのいずれかとの間で駆動力を選択的に伝達させる。電磁式アクチュエータ手段（２６）は係合部材と駆動構造の係合を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体同士をカップリングさせる電磁式カップリング装置と、そのようなカップリング装置を含んだトランスミッションシステムに関する。

両者間を選択的に断絶させたり、両者間での駆動力伝達のために選択的に連結させることができる第１回転体と第２回転体とが存在する機械においては、カップリング装置の作動は典型的には、例えば一連の相互連結レバーやシャフトを使用したり、油圧システムを使用した機械的切換え設計によって提供される。例えば、典型的にはモータースポーツで利用される従来のマニュアル式ドグ型トランスミッションシステムは新ギヤの選択にギヤレバーを使用するであろう。ギヤレバーはシャフトに連結されており、シャフトはフォークに連結されている。フォークはドグリングを移動させ、シャフトに搭載されたギヤホイールと係合させたり、係合状態から外したりしてギヤ比を選択させる。あるいは、このシステムは油圧回路を含み、電気モーター式のフォークまたは電気機械システムを作動させ、電気スイッチの操作によって提供されるギヤ選択に対応してフォークを動かすことができる。

ＰＣＴ／ＧＢ２００４／００１９７６で解説された瞬間トランスミッションシステムでは機械式アクチュエータ構造が利用されている。このシステムではギヤレバーはシャフトに連結され、２本のフォークはシャフトに搭載されている。それらフォークはディスクスプリングペアを作動させるように設計されており、２つの係合バーセットを操作して２つのギヤホイールと選択的に係合させる。

本発明は、現存アクチュエータ構造の代用アクチュエータ構造を含んだ、回転体同志をカップリングさせるカップリング装置と、そのカップリング装置を含んだトランスミッションシステムとを提供する。特に、電気式に制御が可能なカップリングシステムを提供する。

本発明の第１の特徴によれば、第１回転体と第２回転体、第１回転体と第２回転体を選択的にカップリングさせ、両者間で駆動力を伝達させる複数のカップリング部材、及びそれらカップリング部材の係合を制御する電磁式アクチュエータ手段を含んだカップリング装置が提供される。

有利には、本発明はＰＣＴ／ＧＢ２００４／００１９７６、ＰＣＴ／ＧＢ２００４／００２９４６、ＰＣＴ／ＧＢ２００４／００３０２１、ＰＣＴ／ＧＢ２００４／００２９５５及びＰＣＴ／ＧＢ２００４／００３７９４のトランスミッションシステムに利用できる。それら文献の内容を本願に援用する。本発明は従来式のドグ型トランスミッションシステムでも利用できる。さらに、本発明は第１回転体と第２回転体とをいかなる適した機械内でもカップリングさせるのに利用できる。例えば、本発明はトランスミッションシステムを利用した炭鉱掘削装置、海上装置、石油及びガス産業、航空機産業、製造装置、ポンプ、並びに車両に利用できる。

カップリング装置は全自動式または半自動式電子制御システムに搭載できる。例えば、全自動式システムは所定の条件が発生すればドライバーを介在させずにギヤチェンジを提供するように設計できる。半自動式システムでは、ドライバーによる新ギヤ選択に対応し、アクチュエータを作動させるためにスイッチまたは機械式入力装置を介在させて電子制御システムを使用できる。

有利には、電磁アクチュエータ手段は、制御可能な磁界を発生させる少なくとも１つの磁界発生器と、少なくとも１つの磁性要素とを含む。好適には、その電磁アクチュエータ手段は、複数の制御可能な磁界を発生させる複数の磁界発生器を含み、電磁アクチュエータ手段は複数の磁性要素を含む。例えば、磁界発生器は少なくとも１つの導電材料製のコイルを含んでおり、そのコイルは、コイルにエネルギーを供給するように設計された回路に電気的に接続されている。磁性要素は少なくとも１つの永久磁石を含むことができ、利用時には、磁性要素で発生された磁界は制御可能な磁界と相互作用し、カップリング部材の係合を制御する。磁性要素は可変磁界を有するように設計することもできる。

好適には、電磁アクチュエータ手段は、磁界発生器にエネルギーを供給するように設計された少なくとも１つのキャパシターを有した電気制御回路を含んでいる。

有利には、電磁アクチュエータ手段は少なくとも１つのカップリング部材を軸方向にて移動させ、少なくとも１つの他のカップリング部材と係合させるように設計できる。

カップリング部材は、それぞれの回転体と関連する少なくとも１つの駆動構造を含んでいる。例えば、カップリング部材は少なくとも１つの駆動構造がそれぞれの回転体と関連している複数の駆動構造を含むことができる。少なくとも１つの回転体は、電磁アクチュエータ手段によって他の回転体方向に軸方向にて移動できる。よって、駆動構造は互いに選択的に係合でき、回転体同士をカップリングさせ、それらの間で駆動力を伝達する。好適には、カップリング部材は複数の係合部材を含み、電磁アクチュエータ手段は係合部材の移動を制御し、それぞれの回転体と関連する少なくとも１つの駆動構造と選択的に係合して回転体同士をカップリングさせるように設計されている。

カップリング部材は回転体の１つと関連する少なくとも１つの駆動構造と、他の回転体と関連する少なくとも１つの係合部材とを含むことができる。電磁アクチュエータ手段は係合部材の移動を制御するように設計されており、駆動構造と選択的に係合し、回転体同士をカップリングさせる。好適には、回転体の１つはシャフトであり、係合部材はそのシャフトに搭載されて共に回転する。

カップリング部材は、互いに独立的に少なくとも１つの回転体と係合及び脱係合するように移動できる第１セットと第２セットの係合部材を含むことができる。電磁アクチュエータ手段は第１磁界発生器と第２磁界発生器を含むことができる。それぞれの磁界発生器は係合部材セットの１つの動きを制御するように設計されている。

有利には、カップリング装置は係合部材を少なくとも１つの所定位置で維持する手段を含むことができる。好適には、係合部材を少なくとも１つの所定位置に維持する手段は、戻止め等の少なくとも１つの機械的装置を含む。有利には、少なくとも１つの所定位置に係合部材を維持するその手段は、係合部材を少なくとも１つの中立位置に、第１回転体と係合状態で、あるいは第２回転体と係合状態で維持するように設計できる。

本発明の別な特徴によれば、第１ドライブシャフト及び第２ドライブシャフトと、それらシャフト間で駆動力を伝達するためにそれらシャフトに搭載された第１ギヤセット及び第２ギヤセットであって、それぞれのギヤセットは第１シャフトに対して回転するように第１シャフトに搭載された第１ギヤホイールを含んでおり、その第１ギヤホイールは複数の駆動構造を有しており、さらに、第２シャフトと回転するように第２シャフトに搭載された第２ギヤを含んでいるギヤセットと、第１シャフトと、駆動構造と係合するために複数の係合部材を含んだ第１ギヤセットまたは第２ギヤセットとの間で選択的に駆動力を伝達するセレクター手段と、それら係合部材と駆動構造の係合を制御する電磁アクチュエータ手段とを含んだトランスミッションシステムが提供される。

有利には、電磁アクチュエータ手段は、制御可能な磁界を発生させるための少なくとも１つの磁界発生器と、少なくとも１つの磁性要素とを含んでいる。好適には、電磁アクチュエータ手段は複数の磁界発生器を含んで複数の制御可能な磁界を発生させ、電磁アクチュエータ手段は複数の磁性要素を含んでいる。例えば、磁界発生器は、少なくとも１つの導電材料製のコイルを含んでおり、それぞれのコイルはコイルにエネルギーを供給するように設計された回路に電気的に接続されている。それぞれの磁性要素は少なくとも１つの永久磁石を含んでいる。それは、使用時に磁性要素が発生させる磁界を制御可能な磁界と相互作用させ、係合部材と駆動構造との係合を制御させるように設計されている。

有利には、電磁アクチュエータ手段は磁界発生器にエネルギーを提供するように設計された少なくとも１つのキャパシターを有する電気制御回路を含むことができる。

有利には、電磁アクチュエータ手段は少なくとも１つのカップリング部材を軸方向で移動させ、少なくとも１つの他のカップリング部材と係合させるように設計できる。

有利には、トランスミッションシステムは係合部材を少なくとも１つの所定位置に維持する手段を含むことができる。好適には、係合部材を少なくとも１つの所定位置に維持する手段は戻止めのごとき少なくとも１つの機械的装置を含んでいる。好適には、係合部材を少なくとも１つの所定位置に維持する手段は、係合部材を少なくとも１つの第１ギヤホイールと係合状態で少なくとも１つの中立位置に維持するように設計されている。

好適には、セレクター手段は互いに独立して第１ギヤホイールと係合及び脱係合するように移動できる第１セットと第２セットの係合部材を含む。セレクター手段は、駆動力が伝達されると、第１セットあるいは第２セットの係合部材が駆動式に係合ギヤと係合し、他方のセットの係合部材を非荷重状態とするように設計されている。電磁アクチュエータ手段はその非荷重セットの係合部材を非係合ギヤホイールと駆動係合状態となるように移動させ、ギヤチェンジさせるように設計できる。セレクター手段は、制動力が伝達されると、第１セットの係合部材が係合ホイールと駆動式に係合し、第２セットの係合部材を非荷重状態とし、駆動力が伝達されると第２セットの係合部材が係合ギヤホイールと駆動式に係合し、第２セットの係合部材を非荷重状態とするように設計できる。

電磁アクチュエータ手段は第１セットと第２セットの係合部材の独立した動きを制御するように設計できる。例えば、各係合部材セットは少なくとも１つの磁性要素を含み、電磁アクチュエータ手段は、それぞれ係合部材セットの１つの動きを制御するように設計された第１磁界発生器と第２磁界発生器を含む。

好適には、電磁アクチュエータ手段は荷重状態の係合部材セットを荷重セットの係合部材を係合ギヤホイールから脱係合させることなく非係合ギヤホイール方向に押圧するように設計されている。

好適には、第１セットと第２セットの係合部材は利用時に第１シャフトと共に回転するように設計されている。セレクター手段は、第１セットと第２セットの係合部材が第１シャフトに沿って相対的に軸方向移動するように設計されている。第１セットと第２セットの係合部材は、両セットが第１ギヤホイールと係合するとき軸方向で整合する。

以下において、本発明の１実施例を例示として解説する。

図１は、本発明の１実施例に従った、電磁アクチュエータ手段で作動されるカップリング装置を含んだトランスミッションシステムを示す。このトランスミッションシステムは、第１ギヤホイール３と第２ギヤホイール５を搭載した出力シャフト１と、第３ギヤホイール９と第４ギヤホイール１１を搭載した入力シャフト７と、セレクター構造体１３とを含んでいる。第１ギヤホイール３と第２ギヤホイール５は出力シャフト１に回転式に搭載され、第３ギヤホイール９と第４ギヤホイール１１は入力シャフト７に固定式に搭載されている。第１ギヤホイール３と第２ギヤホイール５は第３ギヤホイール９と第４ギヤホイール１１とそれぞれ係合し、第１ギヤホイールペア１５と第２ギヤホイールペア１７とを形成する。

回転駆動力は入力シャフト７から出力シャフト１へ第１ギヤホイールペア１５または第２ギヤホイールペア１７を介在させて伝達される。操作ギヤホイールペアの選択はセレクター構造体１３の位置で決定される。セレクター構造体１３は第１ギヤホイール３と第２ギヤホイール５にそれぞれ配置された駆動構造の第１群１９と第２群２１と係合する。駆動構造はそれぞれドグ群を含んでいる。

第１ドグ群１９は第１ギヤホイール３の一面に配置されている。これを図３で示す。ギヤホイールのギヤ歯は説明を簡潔にするために省略されている。好適にはドグは第１ギヤホイールと一体的に形成されるが、必須条件ではない。第１ドグ群１９はギヤ面に均等に配分された３つのドグを含んでいる。すなわち、ドグペア中心間の角度は約１２０°である。ドグの側面１９ａは平坦であり、保持角を有することができる。第２ドグ群２１は３つのドグを含んでおり、第２ギヤホイール５の１面で第１ギヤホイールに同様に提供されている。これを図３で示す。このアレンジが提供するドグ間のスペースが大きな係合窓を提供し、セレクター構造体１３を受領できるため、３つのドグが利用されている。このように大きな係合窓はセレクター構造体がギヤホイール３、５に駆動力を伝達する前に、あるいはそれらから駆動力が伝達される前に充分に係合する大きな機会を提供する。もし、部分的にのみ係合したときにセレクター構造体１３がギヤを駆動すると、ドグ及び／又はセレクター構造体１３が損傷する恐れがある。

第１ギヤホイール３と第２ギヤホイール５はローラーベアリング２３、２５の出力シャフト１に離れて搭載されており、第１ドグ群１９と第２ドグ群２１を含んだ面が対面するように配置されている。

セレクター構造体１３は第１セットの係合バー２７と第２セットの係合バー２９並びにアクチュエータ構造体２６を含んでおり、少なくとも１つの電磁界発生器３３が少なくとも１つの回路に電気的に接続したコイル３４を含んでいる。

第１セットの係合バー２７と第２セットの係合バー２９は第１ギヤホイール３と第２ギヤホイール５との間で出力シャフト１上に搭載されている。第１セットの係合バー２７は、底部が内側に向き、バー２８の軸が実質的に平行となるように出力シャフト１に均等に配分された３つのバー２８を含んでいる。第２セットの係合バー２９は出力シャフト１の周囲で同様にアレンジされた３つのバー３０を含んでいる。

第１係合バーセット２７と第２係合バーセット２９は、第１ギヤホイール３と第２ギヤホイール５との間で出力シャフト１に搭載されたスリーブ２に搭載されている（図２）。係合バーセット２７、２９は出力シャフト１と共に回転するようにアレンジされているが、アクチュエータ構造体２６の切り替え動作に対応してスリーブ２と出力シャフト１に沿ってスライドできる。そのためには、スリーブ２はその曲面に形成された６つのキー溝４１を含む。各係合バー２８、３０はそのベース部に相補形態を備える。キー溝４１は実質的にＴ形状であり、バーは放射方向及び接線方向（軸方向ではない）にキー溝４１内で規制される。あるいは、キー溝４１はスロット状または鳩尾状を有し、バーを放射方向で規制することもできる。

バーセット２７、２９は、特定セットのバーが交互キー溝４１内に配置され、バーセット２７、２９がスリーブ２に沿ってスライドできるようにアレンジされている。各バーセット２７、２９は共同に移動するが、各バーセットは相互に独立して移動できる。

オプションとして、第１バーセットのバー２８は第１コネクターリング１５０で結合でき、第２バーセットのバー３０は第２コネクターリング１５２で結合できる。その結合には、例えば、係合バーの上面に形成された凹部と係合する内側方向に延びるアームが利用される（図７参照）。コネクターリングは第３実施例の概略図に示されているが、それぞれの実施例と共に利用することができる。各バーセット２７、２９は共に移動するが、各バーセットは互いに独立的に移動できる。第１バーセット２７と第２バーセット２９との間に相対移動が存在するとき、第２コネクターリング１５２は第１バーセット２７をスライドし、第１コネクターリング１５０は第２バーセット２９をスライドする。

好適には、バーは出力シャフト１に近接するように設計され、荷重領域の大きな放射距離による大きなカンチレバー効果を防止し、構造崩壊の可能性を低減させている。

第１バーセット２７のそれぞれのバー２８は、第１ギヤホイール３に取り付けられた第１群のドグ１９と係合するように設計された第１端部２８ａと、第２ギヤホイール５の第２群のドグ２１と係合するように設計された第２端部２８ｂとを有している（図４（ａ）参照）。第１端部２８ａと第２端部２８ｂは典型的には同一形状であるが、対称であり、例えば、自動車のエンジンブレーキ作動中のごとく、第１端部２８ａが第１ギヤホイール３の減速中に第１群のドグ１９と係合し、第２端部２８ｂが第２ギヤホイール５の加速中に第２群のドグ２１と係合するように設計されている。第２バーセット２９の各バー３０も同様に設計されている。違いは、第１端部３０ａが第１ギヤホイール３の加速中に第１群のドグ１９と係合し、第２ギヤホイール５の減速中に第２群のドグ２１と係合するように設計されていることである。

第１係合バーセット２７と第２係合バーセット２９の両方がギヤホイールと係合すると、ギヤが加速状態であるか減速状態であるかに拘わらず駆動力は入力シャフト７から出力シャフト１に伝達される。

バーの第１端部２８ａ、３０ａと第２端部２８ｂ、３０ｂはそれぞれ係合面４３を含み、ドグ１９、２１（図示せず）、ランプ４５、端面４２、肩部４４と係合する（図４（ａ）参照）。端面４２はギヤホイールの側面に隣接することで係合バー２８、３０の軸方向移動を規制する。係合面４３はドグ側面１９ａ、２１ａと相補的な角度を有しており、係合バー２８、３０がそれらと係合するように回転するときに面と面の接触を提供し、磨耗を減少させている。各ランプ４５は螺旋形で、端面４２から斜面となっている。ランプ４５の傾斜角は、端面４２から最も遠いランプエッジと、端面４２の平面との間の距離がドグ１９、２１の高さより大きくさせる角度である。これで、ランプ４５をドグ２８、３０と係合させるように移動させる係合バー２８、３０とドグ１９、２１との間での相対的な移動が存在するときにトランスミッションはロックアップしない。ドグ１９、２１は係合バー２８、３０の側面と衝突せず、ランプ４５と係合する。ドグ１９、２１と係合バー２８、３０との間のさらなる相対回転運動が発生すると、ドグ１９、２１はランプ４５をスライドし、ランプの螺旋面は係合バー２８、３０をドグ１９、２１から離れるように出力シャフト１に沿って軸方向に移動させ、トランスミッションをロックアップさせない。

第１バーセット２７と第２バーセット２９のバーが図２で示すように重なると、第１バーセット２７の第１端部２８ａの係合面４３は第２バーセット２９の第１端部３０ａの係合面４３に隣接する。第１バーセット２７と第２バーセット２９がギヤと完全係合すると、ドグは隣接係合面４３の各ペア間に配置される。ドグ１９、２１とバー端部の寸法は、好適には、ギヤが加速から減速に移動するとき、あるいはその逆の場合に、加速バーの係合面４３と減速バーの係合面４３との間で各ドグの動きはほとんどないようにさせ、ギヤにバックラッシュをほとんど発生させない寸法である。

電磁界発生器３３は、出力シャフト１に接触せず、従って出力シャフト１と共に回転せずにシャフト１周囲を延びる環状支持体３４ａに搭載された銅線製の２つのコイルを含む。各コイル３４は複数の銅線巻きを含む。このことは図１と図２で概略的に示される。図示の巻数は実際の巻数ではない。ワイヤ内の巻数はケースバイケースであり、必要な磁界の強度によって異なる。環状支持体３４ａはトランスミッションハウジングに取り付けられ、図２では解説を簡単にするために切り欠かれている。各コイル３４は電気的に回路に接続されている。それはキャパシター、タイマー及びスイッチを含む。回路は電池等の共通電源に接続される。好適には車両用電気システムにエネルギーを提供する電池に接続される。回路はコイル３４を流れる電流を反転可能にするように設計される。

各係合バー２８、３０は上面（外面）の中央に設置された天然磁石等の２つの永久磁石３１を含む（図４（ａ）参照）。好適には、磁石３１のＮ極は係合バー２８、３０の１端に向き、Ｓ極は他端に向く。係合バー２８、３０はキー溝４１内に位置し、各磁石３１のＮ極がギヤホイールの１つに向き、Ｓ極が他のギヤホイールに向くようにする。しかし、他のアレンジでも可能である。

回路の１つが作動されると、コイル３４の１つにエネルギーが提供され、永久磁石３１の磁界と相互作用する少なくとも１つの制御可能な磁界を発生させ、係合バー２８、３０を軸方向の一方または他方に押圧し、キー溝４１内でのバーの移動を制御する。回路は、電流がコイル３４をいずれかの方向で流れるように設計されている。係合バー２８、３０はキー溝４１内をギヤホイールの１つ側に移動するように押圧される。移動方向は発生した磁界方向で決定される。磁界方向はコイル３４を流れる電流方向と永久磁石の方向性で決定される。係合バー２８、３０に作用する力の大きさはコイル３４で発生される磁界の強度で決定される。磁界強度はコイル３４を流れる電流量で制御できる。他の回路が作動すると、他のコイル３４にエネルギーが提供され、同様に係合バー２８、３０の移動を制御する。

回路は、ギヤチェンジに反応して、両方のバーセットがギヤホイールと係合するように移動するまでエネルギーを維持すべくコイル３４にエネルギーを供給するように設計できる。あるいは、コイル３４の１つにまずエネルギーを与え、バーセットの１つをギヤホイールと係合させ、続いて他のバーセットをギヤホイールと係合させるが、その間にコイル３４にはエネルギーを供給させないようにすることもできる。コイル３４は、コイル３４の１つがバー２８、３０を移動させてギヤホイール３、５の一方と係合または脱係合状態とし、他方のコイル３４に係合バー２８、３０を移動させて別のギヤホイールと係合または脱係合状態とすることもできる。この場合、コイル３４の電流を反転させる必要はない。なぜなら、各コイル３４は係合バー２８、３０を１方向に動かし、電池３５ａ、スイッチ３５ｂ、コイル３４、キャパシター３５ｃを含む図４（ｂ）で示すような単純な制御回路が使用できるからである。あるいは、両コイル３４に同時または順番にエネルギーを供給し、バー２８、３０をキー溝４１内で移動させることができる。コイル３４にエネルギーが与えられると、発生された磁界はバーセット２７、２９に位置する永久磁石３１で発生する磁界と相互作用する。しかし、バーセットは、非荷重状態であるならキー溝４１内で動けるだけである。バーセットが荷重状態であるなら、キー溝４１に沿って動くように促されるが、ギヤホイールと駆動状態で係合するため、動くことができないであろう。

戻止め３２は各係合バーの内側の凹部３６内に提供されている（図５（ａ）から図５（ｄ）参照）。各戻止め３６は鋼ボール３８とスプリング４０を含んでいる。スプリング４０はボール３８に作用し、それをキー溝４１方向に押圧する。各キー溝４１は、キー溝４１内の所定位置で係合バー２８、３０を保持すべくボール３８と係合するように、上面に形成された３つの凹部４２ａから４２ｃを含んでいる。凹部４２ｂはキー溝４１に沿って中央に提供され、他の２つは、実質的に軸方向で整合して中央凹部４２ｂの両側に提供されている。戻止め３６が中央凹部４２ｂと係合すると、係合バー２８、３０は中立ポジションに保持される。すなわち、第１ギヤホイール３や第２ギヤホイール５とは係合していない。係合バー２８、３０をコイル３４の中立ポジションに移動させるため、コイル３４の１つにエネルギーを供給し、バーの移動を規制して戻止め３６を係合バー２８、３０と完全係合させることができる。係合バー２８、３０を中立ポジションから外すには、コイル３４の少なくとも１つにエネルギーを供給し、戻止め３６と凹部４２ｂとの間の摩擦抵抗に打ち勝つような充分な力を発生させる。あるいは、コイル３４に係合バー２８、３０を中立ポジションに移動するようにエネルギーを付与した後に、コイルの電流を逆転させてバーの移動を停止させることができる。

他の凹部４２ａ、４２ｃも同様にアレンジされ、係合バー２８、３０をキー溝４１に沿って軸位置に保持する。そこで、それらは第１ギヤホイール３と第２ギヤホイール５とそれぞれ完全係合する。このことは図５（ａ）から図５（ｄ）にかけて概略図で示されている。戻止め３６の主要な目的は、ギヤホイール３、５と接触状態であるか、あるいは中立ポジションに係合バー２８、３０を保持するようにコイル３４に継続的にエネルギーを供給する必要性を軽減させることである。コイル３４にはキー溝４１内で係合バー２８、３０を移動させるようにエネルギーが供給され、戻止め３６は充分な抵抗力を提供して、凹部４２ａから４２ｃと係合するときにそれらの位置からバー２８、３０が離脱するのを防止する。これでさらに効率が高いアクチュエータシステムが提供される。

各凹部４２ａから４２ｃは傾斜面を含む。傾斜面はボール３８及びスプリング３６の弾性と相互作用し、係合バー２８、３０を適正な位置に移動させる。係合バー２８、３０が磁界作用でキー溝４１内で適正な位置に移動するとき、戻止め３６と凹部４２ａから４２ｃとの間の相互作用によって係合バー２８、３０は適正な位置に引っ張られる。

使用時に、両方のバーセットがギヤホイールと完全係合しているとき、３つのバーには荷重がかけられ、３つのバーには荷重がかけられない。ギヤチェンジが実行されると、コイル３４の少なくとも１つにエネルギーが与えられ、磁界を発生させて係合バー２８、３０を脱係合ギヤホイール方向に押圧する。係合バー２８、３０に作用する力は３つの非荷重バーを係合ギヤホイールから係合状態を外させ、３つの荷重バーを係合状態に残す。非荷重バーは永久磁石３１の磁界とコイル３４で発生する磁界との相互作用によって、新ギヤホイールと係合し、戻止めが、新ギヤホイールと関連する凹部と係合するまでキー溝４１に沿って移動する。非荷重バーが新ギヤホイールと係合したとき、残りの３つのバーは元のギヤホイールから外れる。少なくともコイル３４の１つは回路からエネルギーを受領し、残りのバーは磁界の相互作用により、それらが新ギヤホイールと係合し、戻止め３６が適切な凹部と係合するまでキー溝４１内を新ギヤホイール方向に移動する。

この構成は非常にコンパクトなデザインを可能にする。

セレクター構造体１３の操作を図６（ａ）から図６（ｆ）を利用して解説する。説明を簡単にするため、これらの図は、各セットから１つのバーのみの相対位置で第１バーセット２７と第２バーセット２９の動きを概略的に示す。

図６（ａ）は中立ポジションにある第１バーセット２７と第２バーセット２９を示す。すなわち、どちらのバーセットもギヤホイールとは係合していない。図６（ｂ）は第１バーセットと第２バーセットが、コイル３４（図５（ｂ）では図示せず）によって発生される磁界の作用で第１ギヤホイール３と係合するように移動する様子を示す。

図６（ｃ）はギヤホイール３が完全係合している状態を示す。すなわち、バー２８、３０は第１群のドグ１９と重なっている。戻止め３６は凹部４２ａ（図示せず）と係合し、第１バーセット２７と第２バーセット２９は第１ギヤホイール３と係合状態に維持される。従って、パワーは、減速時に第１バーセット２７によって第１ギヤホイール３から出力シャフト７へ伝達され、加速時に第２バーセット２９により第１群のドグを介して伝達される。パワーは第３ギヤホイール９を介して入力シャフト７から伝達される。

第１ギヤホイールペア１５を利用して（図６（ｃ）の矢印Ｂ方向に回転する第１ギヤホイール３を）加速する際、第１バーセット２７のバーの係合面４３は荷重されておらず、第２バーセット２９のバーの係合面４３は荷重状態である。ユーザーまたはエンジン管理システム（図示せず）が第２ギヤホイールペア１７と係合を希望するとき回路は活性化され、少なくとも１つのコイル３４にエネルギーを与え、第１バーセット２７のバーをスリーブ２内のキー溝４１に沿って軸方向にスライドさせ、バーを第１ギヤホイール３から脱係合させ、戻止め３６を凹部４２ａから外させる（図６（ｄ）、凹部は図示せず）。

発生する磁界は第２バーセット２９のバーを押圧して、第２ギヤホイール５の方向に移動させる。しかし、第２バーセット２９のバー３０は荷重状態であるため、すなわち、第１ギヤホイールで駆動されているため、第１ギヤホイール３から脱係合できず、第２バーセット２９のバーは静止状態のままである。この段階で、回路はコイル３４の少なくとも１つにエネルギーを継続的に与え、第２バーセット２９のバー３０を第２ギヤホイール５の方向に押圧するか、あるいはコイル３４をオフ状態とするように設計できる。

第１セット２７のバーが出力シャフト１に沿って軸方向にスライドするとき、それらはドグ２１に係合する。その後、バーは図６（ｅ）の矢印Ｃの方向に第２ギヤホイール５によって駆動され、エネルギーは第２ギヤホイールペア１７を介して入力シャフト７から出力シャフト１に伝達される。その後、第２バーセット２９は荷重状態を解放され、第１群のドグ１９から自由に脱係合できる。もし少なくともコイル３４の１つがギヤチェンジ中に継続的にエネルギー付与されるように設計されていると、第２バーセット２９のバー３０は、脱荷重状態になると直ちにキー溝４１に沿って軸方向にスライドし、出力シャフト１から第１ギヤホイール３の脱係合を完成する。もし両方のコイル３４が、第１バーセット２７が第２ギヤホイール５と係合した後に脱活性化されると、回路はコイル３４の少なくとも１つにエネルギー付与し、第２バーセットを第１ギヤホイール３との係合から外す。いずれの場合も、第２バーセット２９のバーはスリーブ２内でキー溝４１に沿って、第２ギヤホイール５と係合して、戻止め３６が凹部４２ｃと係合するまでスライドし、第２ギヤホイール５の出力シャフト１との係合を完成させる（図６（ｆ）参照）。このギヤホイールペア選択方法はトルク妨害を排除する。なぜなら、第２ギヤホイールペア１７は第１ギヤホイールペア１５が脱係合する前に係合するので、第１ギヤホイールペア１５と第２ギヤホイールペア１７は直ちに同時的に係合する。

ギヤホイールが第１バーセット２７と第２バーセット２９に係合すると、２条件間で切り替えたときバックラッシュ現象をほとんど発生させずにギヤホイールペアを使用して加速または減速ができる。バックラッシュとは、加速から減速、あるいはその逆に移動する際に、ドグが加速バーの係合面４３から減速バーの係合面４３に移動するときに経験する消失モーションである。従来のドグ式トランスミッションシステムは約３０度のバックラッシュを有していた。本発明による車の典型的なトランスミッションシステムは４度以内のバックラッシュである。

バックラッシュはギヤシフト時の係合部材とドグとの間に必要なクレアランスを最低限度とすることで減少される。すなわち、ドグと続く係合部材との間のクレアランスを祭典限度とする（図６（ｂ）の‘Ａ’）。ドグと続く係合部材との間のクレアランスは０．５ｍｍから０．０３ｍｍの範囲であり、典型的には０．２ｍｍ以内である。バックラッシュは保持角の関数でもある。すなわち、係合面４３の角度の関数である。その角度はドグの係合面の下削角である。保持角は、ドグと係合面４３との間に相対移動が存在するか否かに影響する。保持角は小さいほど、バックラッシュは小さくなる。典型的には保持角は２．５から１５度であり、好適には１５度である。

減速時の第２ギヤホイールペア１７から第１ギヤホイールペア１５への切り替えも同様に実行される。

第２ギヤホイールペア１７での減速時に、第１バーセット２７のバーの係合面４３は非荷重状態であり、第２バーセット２９のバーの係合面４３は荷重状態である。ユーザーまたはエンジン管理システム（図示せず）が第１ギヤホイールペア１５との係合を試みるとき、回路は活性化され、少なくともコイル３４の１つにエネルギーを与え、磁界を発生させて、第１バーセット２７のバーをスリーブ２のキー溝４１に沿って軸方向にスライドさせ、バーを第２ギヤホイール５から脱係合させて、さらに戻止め３６を凹部４２ｃから脱係合させる（図６（ｄ）参照、凹部図示せず）。

第２バーセット２９のバーは荷重状態であり、第２ギヤホイールのドグ２１と駆動式に係合しているため、第２バーセット２９は静止状態に残る。しかし、磁界は第２バーセット２９を第１ギヤホイール３の方向に押圧する。この段階で、回路は第２バーセット２９のバー３０を第１ギヤホイール３の方向に押圧するようにコイル３４の少なくとも１つにエネルギーを継続的に供給するか、コイル３４をオフに切り替えることができるように設計できる。

第１バーセット２７のバーがキー溝４１で軸方向にスライドすると、それらはドグ１９と係合する。バー２８は第１ギヤホイール３で駆動され、エネルギーは入力シャフト７から出力シャフト１へ第１ギヤホイールペア１５によって伝達される。このことが起こると、第２バーセット２９のバー３０は荷重状態を脱する。もしコイル３４の少なくとも１つがギヤチェンジ時に継続的にエネルギー供与されると、第２バーセット２９のバー３０は、非荷重状態になると直ちにキー溝４１に沿って軸方向にスライドし、第２ギヤホイール５を出力シャフト１から完全に脱係合させる。第１バーセット２７が第１ギヤホイール３と係合したあとでもし両方のコイル３４が脱活性されたら、回路は再びコイル３４の少なくとも１つにエネルギーを供与し、第２バーセットを第２ギヤホイール５との係合を外すように動かす。いずれの場合も、第２バーセット２９のバーは、それらが第１ギヤホイール３と係合し、戻止め３６が凹部４２ａと係合するまでスリーブ２内でキー溝４１に沿ってスライドし、出力シャフト１との第１ギヤホイール３の係合を完成させる。

例えば、車が坂を上っており、坂道を加速するためにドライバーが低ギヤを選択するとき、加速を引き起こす高ギヤから低ギヤへのギヤシフトであるキックダウンシフトはトルクを短時間妨害して、シフト前に脱係合させるかも知れない。

複数のセレクター構造体は対応する数のペアのギヤホイールと共に出力シャフトに搭載でき、出力シャフトと入力シャフトとの間でさらに多数のギヤ比を提供できる。３つ以上のシャフトを備えたトランスミッションシステムを有して追加のギヤ比を提供することも可能である。

駆動妨害は実質的に排除されているため、トランススミッションシステムの使用によって性能が改善し、燃費が向上し、さらに排気ガス量が低減す。また、システムは従来のギヤボックスよりも小型化することができ、軽量化することができる。

本発明の範囲内で前述の実施例に様々な変更を加えることができる。例えば、電磁界を発生させるコイル３４は種々な方法で巻くことができ、異なる磁界特性を与えて、所定の方法で係合バー２８、３０の動きを制御できる。どのような実際的な数のコイル３４や永久磁石３１でも利用できる。例えば、図７で示すように１つのコイル１３４と１つの永久磁石１３１とを共に利用できる。コイル１３４は図７で部分的に示される環状支持部材１３４ａに搭載される。各磁石１３１は各係合バー１２８、１３０の上の中央に位置し、Ｎ極はバーの１端に向かって方向付けられ、Ｓ極はバーの他端に向かって方向付けられる。係合バー１２８、１３０はキー溝１４１内に位置し、第１バーセットのバー１２８は第１連結リング１５０で連結されており、第２バーセットのバー１３０は第２連結リング１５２で連結されている。このアレンジは、Ｎ極がギヤホイールの１つに向き、Ｓ極が他のギヤホイールに向くようになっている。この実施例の作動は前述の実施例と類似する。

図８は、２つのコイル２３４と、各係合バー２２８、２３０の上面に１端に向けて提供されている１個の磁石２３１とを有した本発明の第３実施例を示す。この実施例では、バーセットの１つのバーに位置する永久磁石２３１はギヤホイールの１つに隣接して設置され、他のバーセットのバーに位置する永久磁石２３１は他のギヤホイールに隣接して提供される。このアレンジで、コイル２３４の１つは主としてバーセットの１つと相互作用し、他のコイル２３４は主として他のバーセットと相互作用する。これで各コイル２３４は１つのバーセットの動きを制御する。好適には、特定バーセットのための磁石２３１は、それらの極が同様に方向付けされるようにアレンジされる。例えば、１つのバーセットの磁石２３１はそのＮ極を隣接ギヤホイールの方向に向け、他のバーセットの磁石２３１はそのＳ極を隣接ギヤホイールに向けてアレンジされる。制御回路はコイル３４の電流が反転でき、各コイル２３４がその関連バーセットをキー溝２４１に沿って両方の軸方向に移動でき、第１ギヤホイールと第２ギヤホイールとの係合及び脱係合を提供する。バーセットを中立ポジションに移動させるため、関連コイル２３４にエネルギーを付与し、バーを中立ポジション側に移動させることができる。続いて電流はコイル２３４内で反転させ、中立ポジションでバーセットの動きを阻むことができる。

永久磁石は係合バー２８、３０の異なる位置に設置でき、磁石の極性は、コイル３４にエネルギーが付与されたとき出力シャフト１に沿ってバー２８、３０の望む動きを達成させるように決定することができる。

コイル３４と回路は知られたソレノイド型システムと同様にアレンジできる。例えば、米国特許６６６７６７７、６４９８４１６、６４８９８７０、６３６６１８９に記載されているようにアレンジできる。

あるいは、係合バー２８、３０を永久磁石としてもよい。

戻止め３６は、ボール３８とスプリング４０がキー溝４１内に位置し、凹部４２ａから４２ｃを係合部材の内側に配置させるようにアレンジすることもできる。

各ギヤホイールのドグ数は３に限らず、実用範囲内であればいくつであってもよい。２から８個のドグが最も適していよう。同様に、バーセットのバーの数はいくつでもよいが、１群のドグ数と同じであるのが望ましい。

トランスミッションシステムは、例えば、乗用車、レーシングカー、トロリー、バイク、自転車、ブルドーザ、クレーン、軍用車、飛行機、ヘリコプター、ボート、船舶、ホーバークラフト、並びに旋盤やフライス盤等に利用できる。

トランスミッションシステムは、セレクター構造体と第１ギヤホイール及び第２ギヤホイールを入力シャフトに搭載させ、固定ギヤホイールを出力シャフトに搭載させることもできる。

上述の電磁カップリング装置は、従来型ドグ式トランスミッションシステムで利用できる。少なくとも１つのコイル、好適には２つの銅線コイルが１つのドグ周囲にアレンジされる。コイルは、制御可能な電磁界を発生させるように各コイルにエネルギーを選択的に提供するようアレンジされた回路に電気的に接続されている。少なくとも１つの永久磁石がドグリングに配置される。そのアレンジは、コイルにエネルギーが供給されたときに発生する磁界が永久磁石で発生する磁界と相互作用し、ドグリングを選択的にギヤホイールと係合状態または脱係合状態となるように動かし、ギヤホイールとシャフトとの間でパワーを伝達させるものである。

解説したカップリング装置は車のトランスミッションシステム以外にも利用できる。このカップリング装置は、駆動力を伝達させるようにカップリングが必要な第１回転体と第２回転体とを有したどのような機械であっても利用できる。例えば、シャフトとプリーホイール、シャフトとローラー、シャフトと機械のチャックとの間、回転する荷重に連結されたシャフト、２つのシャフトのごとき２つの類似した部材間、シャフトとギヤホイール、ポンプのごとき装置への駆動部材、カムシャフトまたはカムへの駆動部材等で駆動力を伝達するごとき第１回転体と第２回転体とを接続するカップリング構造を有したどのような機械であっても使用できる。特に、本発明はどのようなドグ式駆動システムにでも使用できる。例えば、２つの回転部材が各回転要素と関連するドグ式構造で接続されている場合に利用できる。例えば、端面に形成されたドグを有した２つのシャフトや、シャフトに搭載されたカップリング要素を有したものがあり、少なくとも１つのシャフトは他方のシャフト側に移動でき、カップリング構造を係合させることができるものである。あるいは、カップリング構造は別々の構造物であり、一方または両方の回転体と選択的に係合または脱係合できるものである。いずれの場合も、この電磁アクチュエーターシステムは部材を移動させて駆動式に係合させ、それらをカップリングさせることができる。

本発明の第１実施例によるトランスミッションシステムの一部の断面形態である。 本発明の第１実施例によるトランスミッションシステムの一部の断面形態である。 ギヤホイール上のドグ群の配置を示す斜視図である（ギヤホイール歯は省略）。 （ａ）は係合バーの斜視図、（ｂ）は電磁手段にエネルギーを提供する回路図である。 （ａ）から（ｄ）は係合バーを所定の位置に維持する戻止めの配置と、その作用を示す概略図である。 （ａ）から（ｆ）はセレクター構造体の作動を示す概略図である。 本発明の第２実施例の斜視図である。 本発明の第３実施例の斜視図である。

Claims (28)

1. 第１回転体及び第２回転体と、該第１回転体及び該第２回転体を選択的にカップリングし、両者間で駆動力を伝達させる複数のカップリング部材と、該カップリング部材の係合を制御する電磁式アクチュエータ手段とを含んでいることを特徴とするカップリング装置。
2. 電磁式アクチュエータ手段は、制御可能な磁界を発生させるための少なくとも１つの磁界発生器と、少なくとも１つの磁性要素とを含んでいることを特徴とする請求項１記載のカップリング装置。
3. 電磁式アクチュエータ手段は、複数の制御可能な磁界を発生させるために複数の磁界発生器を含んでいることを特徴とする請求項２記載のカップリング装置。
4. 電磁式アクチュエータ手段は複数の磁性要素を含んでいることを特徴とする請求項２または３に記載のカップリング装置。
5. 電磁式アクチュエータ手段は磁界発生器にエネルギーを供給するように設計された少なくとも１つのキャパシターを有した電気制御回路を含んでいることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載のカップリング装置。
6. 電磁式アクチュエータ手段は、少なくとも１つのカップリング部材を少なくとも１つの他のカップリング部材と係合状態となるよう軸方向に移動させるように設計されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のトランスミッションシステム。
7. カップリング部材は回転体のそれぞれと関連した少なくとも１つの駆動構造を含んでいることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のカップリング装置。
8. カップリング部材は複数の係合部材を含んでおり、電磁式アクチュエータ手段は、係合部材の動きを制御し、回転体同士をカップリングすべく各回転体と関連する少なくとも１つの駆動構造と選択的に係合するように設計されていることを特徴とする請求項５記載のカップリング装置。
9. カップリング部材は、一方の回転体と関連した少なくとも１つの駆動構造と、他方の回転体と関連した少なくとも１つの係合部材とを含んでおり、電磁式アクチュエータ手段は係合部材の動きを制御し、駆動構造と選択的に係合して、両回転体同士をカップリングさせるように設計されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のカップリング装置。
10. 回転体の１つはシャフトであり、係合部材は該シャフトに搭載されて共に回転することを特徴とする請求項９記載のカップリング装置。
11. カップリング部材は、少なくとも１つの回転体と互いに独立して係合状態及び脱係合状態となるように移動できる第１セットの係合部材と第２セットの係合部材とを含んでいることを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載のカップリング装置。
12. 電磁式アクチュエータ手段は第１磁界発生器と第２磁界発生器とを含んでおり、それぞれの磁界発生器は一方のセットの係合部材の動きを制御するように設計されていることを特徴とする請求項１１記載のカップリング装置。
13. 少なくとも１つの所定位置で係合部材を保持する手段を含んでいることを特徴とする請求項８から１２のいずれかに記載のカップリング装置。
14. 係合部材を少なくとも１つの所定位置で保持する手段は、該係合部材を少なくとも１つの中立位置にて第１回転体または第２回転体と係合状態で保持するように設計されていることを特徴とする請求項１３記載のカップリング装置。
15. 第１ドライブシャフト及び第２ドライブシャフトと、両シャフト間で駆動力を伝達させるため、該シャフトに搭載された第１ギヤセット及び第２ギヤセットであって、それぞれ、前記第１シャフトと相対的に回転するように該第１シャフトに搭載され、複数の駆動構造を有した第１ギヤホイールと、前記第２シャフトと共に回転するように該第２シャフトに搭載された第２ギヤホイールとを含んでいるギヤセットと、前記第１シャフトと、前記駆動構造と係合するために複数の係合部材を含んだ前記第１ギヤセットあるいは前記第２ギヤセットのいずれかとの間で駆動力を選択的に伝達させるセレクター手段と、前記係合部材と前記駆動構造の係合を制御するために電磁式アクチュエータ手段と、を含んでいることを特徴とするトランスミッションシステム。
16. 電磁式アクチュエータ手段は、制御可能な磁界を発生させるための少なくとも１つの磁界発生器と、少なくとも１つの磁性要素とを含んでいることを特徴とする請求項１４記載のトランスミッションシステム。
17. 電磁式アクチュエータ手段は、複数の制御可能な磁界を発生させるための複数の磁界発生器を含んでいることを特徴とする請求項１５記載のトランスミッションシステム。
18. 電磁式アクチュエータ手段は複数の磁性要素を含んでいることを特徴とする請求項１５または１６に記載のトランスミッションシステム。
19. 電磁式アクチュエータ手段は、磁界発生器にエネルギーを供給するように設計された少なくとも１つのキャパシターを有した電気制御回路を含んでいることを特徴とする請求項１４から１７のいずれかに記載のトランスミッションシステム。
20. 電磁式アクチュエータ手段は、少なくとも１つのカップリング部材を少なくとも１つの他のカップリング部材と係合状態にすべく移動させるように設計されていることを特徴とする請求項１４から１８のいずれかに記載のトランスミッションシステム。
21. 係合部材を少なくとも１つの所定位置に保持する手段を含んでいることを特徴とする請求項１４から１９のいずれかに記載のトランスミッションシステム。
22. 係合部材を少なくとも１つの所定位置に保持する手段は、該係合部材を少なくとも１つの中立位置に保持するか、少なくとも１つの第１ギヤホイールと係合状態に保持するように設計されていることを特徴とする請求項２０記載のトランスミッションシステム。
23. セレクター手段は、第１ギヤホイールと互いに独立的に係合及び脱係合するように移動できる第１セットの係合部材と第２セットの係合部材とを含んでおり、該セレクター手段は、駆動力が伝達されると、前記第１セットの係合部材または第２セットの係合部材が係合されたギヤホイールと駆動式に係合し、他方のセットの係合部材は非荷重状態であることを特徴とする請求項１５から２１のいずれかに記載のトランスミッションシステム。
24. 電磁式アクチュエータ手段は第１磁界発生器と第２磁界発生器とを含み、それぞれの磁界発生器は一方のセットの係合部材の動きを制御するように設計されていることを特徴とする請求項２３記載のトランスミッションシステム。
25. 電磁式アクチュエータ手段は、ギヤチェンジのために非荷重セットの係合部材を非荷重ギヤホイールと駆動式に係合させるべく移動させるよう設計されていることを特徴とする請求項２３または２４に記載のトランスミッションシステム。
26. セレクター手段は、制動力が伝達されると、第１セットの係合部材は係合されたギヤホイールと駆動式に係合し、第２セットの係合部材は非荷重状態となり、駆動力が伝達されると、第２セットの係合部材は係合されたギヤホイールと駆動式に係合し、第２セットの係合部材は非荷重状態となるように設計されていることを特徴とする請求項２２から２５のいずれかに記載のトランスミッションシステム。
27. 電磁式アクチュエータ手段は、荷重セットの係合部材を係合状態のギヤホイールから脱係合させることなく、荷重セットの係合部材を非荷重ギヤホイール側に押圧するように設計されていることを特徴とする請求項２２から２４のいずれかに記載のトランスミッションシステム。
28. 第１セットの係合部材と第２セットの係合部材は、利用時に第１シャフトと共に回転するように設計されていることを特徴とする請求項２２から２５のいずれかに記載のトランスミッションシステム。
    

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