JP4287983B2

JP4287983B2 - プーリユニット

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Publication number: JP4287983B2
Application number: JP2000165815A
Authority: JP
Inventors: 英樹藤原
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2000-06-02
Filing date: 2000-06-02
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2020-06-02
Also published as: JP2001349346A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一方向クラッチを備えるプーリユニットに関する。このプーリユニットは、例えば自動車などのエンジンのクランクシャフトや当該クランクシャフトからベルトを介して駆動される補機に装備される。補機としては、例えば自動車のオルタネータ、エアコンディショナ用コンプレッサ、ウォーターポンプ、冷却ファンなどが挙げられる。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ころやスプラグなどのくさび部材を用いる一方向クラッチがいろいろ知られているが、いずれの構成でも、くさび部材の食い込み力を強弱変化させることによって駆動環体に従動環体を同期回転させるロック状態と、両環体を相対回転させるフリー状態とを切り換えるような形態になっている。
【０００３】
このような一方向クラッチは、例えば駆動環体の角速度が増減変動するような状況において、この角速度変動を従動環体に伝達させないようにするために、利用することがある。つまり、駆動環体の角速度の増減変動に応じて一方向クラッチをロック状態やフリー状態にさせて、駆動環体から従動環体へ回転動力を伝達させたり遮断させたりすることによって、駆動環体側の角速度変動を吸収させることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例の一方向クラッチでは、動力伝達するロック状態と動力伝達を遮断するフリー状態の２状態に切り換えるものであり、ロック状態において、過大なトルクが作用したときに、増速の高角加速度がかかると、過大なトルクが一方向クラッチに作用することがある。
【０００５】
このような一方向クラッチを自動車の補機などに装着されるプーリユニットに組み込んだ構造の場合だと、前述したような過大トルクが作用して、プーリに対してベルトが滑ったり、ベルトの張力変動が大きくなり、ベルトの寿命低下につながる。
【０００６】
このような事情に鑑み、本発明は、一方向クラッチにおいて、過大トルク作用時にクラッチ部で滑らせて、過大トルクを伝達させずに吸収できるようにすることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のプーリユニットは、プーリとその内周に挿通される軸との対向環状空間に、径方向内外に同心状に配設される駆動環体と従動環体との回転速度差に応じて駆動環体に対して従動環体を同期回転させるロック状態と相対回転させるフリー状態とに切り換える一方向クラッチと、この一方向クラッチの少なくとも軸方向一側に配設される転がり軸受とが介装されているプーリユニットであって、前記両環体のうち径方向内側の環体の外周面の円周数カ所に、他方環体の内周面との間で周方向一方で狭くかつ周方向他方で広くなったくさび状空間を形成するカム面が設けられていて、このくさび状空間にころが、内側環体に対して周方向に位置決めされた状態で内側環体に外装された保持器のポケットに、前記ころを押圧する弾性部材とともに収納されることで、所定の周方向転動範囲内でくさび空間の狭い側に押圧される状態で１つずつ配置されており、前記カム面が、内側環体の外周面から急峻に立ち下がる急峻立ち下がり部と、そこから深さが周方向一方へ向けて漸次深くなるように傾斜された凸状球面部とを有する形状に形成され、前記急峻立ち下がり部の手前の前記凸状球面部上の位置では、ころがロックするよう、その位置でのくさび角度が４〜６度の範囲に設定される一方、ころがさらにくさび空間の狭い側に移動して、内側環体の外周面と前記急峻立ち下がり部との角部に当接した状態では、ころが滑り回転するよう、その当接位置でのくさび角度が11度以上に設定されていることを特徴とする。
【００１２】
以上、本発明のプーリユニットでは、所要値以上の回転トルクが加担されたときに、一方向クラッチのくさび部材をロック状態から滑り状態にさせることにより、伝達する回転トルクの伝達を遮断させる形態にしている。
【００１３】
また、本発明のプーリユニットでは、上述したような一方向クラッチを組み込んだ構成であるから、過大な回転トルクの入力時にプーリに対してそれに巻き掛けられるベルトの滑りを抑制または防止できるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の詳細を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００１５】
図１ないし図５は本発明の実施形態１である。図１は、プーリユニットの縦断面図、図２は、図１の（２）−（２）線断面の矢視図、図３は、一方向クラッチのポケット内を示す平面展開図、図４は、一方向クラッチにおける内輪のカム面を示す斜視図、図５は、プーリユニットの回転変動波形を示すグラフである。
【００１６】
図例のプーリユニット１は、プーリ２、中空軸３、一方向クラッチ４、２つの転がり軸受５，５を有している。
【００１７】
プーリ２は、例えば自動車エンジンのクランクシャフトによりＶリブ形状のベルト６を介して回転駆動されるもので、その外周にはベルト６が巻き掛けられる波状溝が形成されている。
【００１８】
中空軸３は、プーリ２の内周に挿通されて、図示しないが自動車エンジンの補機の入力軸（例えばオルタネータのロータ）に固定される。
【００１９】
一方向クラッチ４は、プーリ２と中空軸３との対向環状空間の軸方向中央に介装されるもので、内輪１０、外輪１１、合成樹脂製の円環状の保持器１２、複数のころ１３、弾性部材として楕円形のコイルバネ１４とを備えている。
【００２０】
２つの転がり軸受５，５は、プーリ２と中空軸３との対向環状空間の軸方向両側に１つずつ介装されるもので、この実施形態ではいずれも一般的な深溝型玉軸受が用いられている。これらの転がり軸受５，５の軸方向外端側には、それぞれシール（符号省略）が装着されており、グリースなどの潤滑剤が封入されている。また、外側の転がり軸受５の外側には、さらに泥水などが転がり軸受５に直接かかることを防止するために、環状板からなるシールリング７が装着されている。
【００２１】
上記一方向クラッチ４の各構成要素を説明する。
【００２２】
内輪１０は、上記中空軸３に対して圧入により外嵌されるもので、その外周面の円周数カ所には凹状のカム面１０ａが設けられている。このカム面１０ａは、周方向一方へ向けて漸次深さが深くなるような凹形状に形成されており、このカム面１０ａと外輪１１の内周面との対向部分が周方向一方に向けて狭くなるくさび状空間となる。この各カム面１０ａの形状に特徴があるので、後で詳細に説明する。
【００２３】
外輪１１は、上記プーリ２に対して圧入により内嵌されるもので、その内周面は円筒形に形成されている。
【００２４】
保持器１２は、上記内・外輪１０，１１の対向環状空間に配設されて内輪１０に対して周方向ならびに軸方向に位置決めされた状態で外装されるもので、その円周数カ所つまり内輪１０のカム面１０ａに対応する領域には、径方向内外に貫通形成されるポケット１２ａが設けられている。
【００２５】
ころ１３は、保持器１２の各ポケット１２ａに１つずつ周方向転動範囲が規制された状態で収納される。
【００２６】
コイルバネ１４は、保持器１２の各ポケット１２ａの内壁面に突設される突起１２ｂに対して装着されて、ころ１３をカム面１０ａと外輪１１の内周面とで形成するくさび状空間の狭い側（ロック側）へ押圧するものである。
【００２７】
なお、保持器１２の軸方向ならびに周方向での位置決めについては、保持器１２の一方軸端に設けてある凸部１２ｃと、内輪１０の一方軸端に設けてある凹部１０ｂとの嵌合により行わせている。
【００２８】
次に、上記プーリユニット１の動作を説明する。ここでは、ベルト６によりプーリ２が回転駆動されて、このプーリ２から中空軸３に対して動力伝達される形態になっている。ここで、プーリ２の回転速度が中空軸３よりも相対的に速くなると、一方向クラッチ４のころ１３がくさび状空間の狭い側へ転動させられてロック状態となるので、プーリ２と中空軸３とが一体化して同期回転する。しかし、プーリ２の回転速度が中空軸３よりも相対的に遅くなると、一方向クラッチ４のころ１３がくさび状空間の広い側へ転動させられてフリー状態となるので、プーリ２から中空軸３へ回転動力の伝達が遮断されることになって中空軸３が回転慣性力のみで回転を継続するようになる。
【００２９】
そして、上記実施形態１では、プーリユニット１に用いられる一方向クラッチ４について、プーリ２から入力される回転トルクが所要値を越えると、ころ１３をくさび状空間の狭い側においてプーリ２と中空軸３とに対して滑り回転させるようにして、プーリ２から中空軸３への動力伝達を遮断させる形態にしていることに特徴がある。
【００３０】
このような動作を実現するために、内輪１０のカム面１０の形状を次のようにしている。
【００３１】
このカム面１０ａは、内輪１０の外周面から急峻に立ち下がる急峻立ち下がり部１０ａ１と、そこから深さが周方向一方へ向けて漸次深くなるように傾斜された凸状球面部１０ａ２とを有する形状に形成されている。なお、図４に示すように、凸状球面部１０ａ２は、その曲率中心Ｏ１を内輪１０の曲率中心からずらした位置に確保することにより、形成される。
【００３２】
このようなカム面１０ａでは、凸状球面部１０ａ２のロック位置Ｐ１におけるくさび角度θ１が、ころ１３を強く食い込ませるよう小さい角度になり、角部１０ａ３の滑り回転位置Ｐ２におけるくさび角度θ２が、ころ１３を滑らせるよう大きい角度になる。但し、前述のくさび角度θ１は、例えば４〜６度の範囲に、また、くさび角度θ２は、例えば１１度以上に設定するのが好ましい。
【００３３】
そして、カム面１０ａの浅い側の所要位置Ｐ１にころ１３が位置したときにロックするように設定し、このロック位置Ｐ１からさらに浅い側へころ１３が移動したときにころ１３が内輪１０の外周面とカム面１０ａとの角部１０ａ３に当接してころ１３を受け止めるとともにこの位置Ｐ２までくると、ころ１３を滑り回転させる状態になるように設定している。
【００３４】
ここで、前述したロック位置Ｐ１と滑り回転位置Ｐ２との離隔間隔と、内輪１０、外輪１１のばね定数により、ころ１３が滑り回転するトルクを設定できる。
【００３５】
なお、上記ころ１３のかみ合い性は、前述したくさび角度θ１，θ２の他に、くさび状空間を形成する外輪１１の内周面や、カム面１０ａにおける急峻立ち下がり部１０ａ１および角部１０ａ３の摩擦係数μも関係する。つまり、ロック時において、トルク伝達に必要な条件としては、一般的に周知であるが、μ＞ｔａｎθ／２の関係式であらわせる。θは、くさび角度である。
【００３６】
このような構成により、一方向クラッチ４の動作としては、ころ１３がロックしている状態つまり動力伝達状態において、ベルト６の回転変動に伴いプーリ２に対して所要の規定値以上の回転トルクが加わると、ころ１３がくさび状空間の狭い側へさらに押し込まれることになる。このときにころ１３が角部１０ａ３に当接する位置Ｐ２まで移動させられると、ころ１３が滑り回転することになって、プーリ２と中空軸３とが相対的に回転することになるので、プーリ２から中空軸３に対する動力伝達が遮断されることになる。これにより、ベルト６がプーリ２上で滑らずに共回りして滑らずに済むので、ベルト６の張り側（回転方向上流側）の張力がより強くなって緩み側（回転方向下流側）の張力が弱くなるといった張力変動を抑制できるようになり、しかも、ベルト６に余分なストレスが作用せずに済むので、ベルト６の寿命向上に貢献できるようになる。
【００３７】
但し、ベルト６からプーリ２に対して加わる回転トルクが所要の規定値未満になると、ころ１３が角部１０ａ３から離れてロック位置Ｐ１側へ戻されることになって、再度、ころ１３がロックすることになるので、プーリ２から中空軸３に対する動力伝達が行われる。
【００３８】
このように、一方向クラッチ４の本来のロック、フリー動作の他に、上述した滑り回転という動作を可能としているから、動力伝達する回転トルクの上限値を規制できるようになり、結果的に、動力伝達する回転トルクの下限値と上限値とを規定できるようになる。
【００３９】
参考までに、上記実施形態１のプーリユニット１の回転変動と張力変動とについて調べているので、説明する。
【００４０】
試験条件は、エンジンに付設されるオルタネータに試料としてのプーリユニット１を搭載した状態とし、オルタネータ回転数を２０００ｒｐｍとし、オルタネータの負荷電流を５Ａに設定している。
【００４１】
図５には、本実施形態に関する結果を、また、図６には、一方向クラッチを用いていない従来例に関する結果を、それぞれ示している。これらの図から明らかであるが、従来例の場合だと、プーリ２の角速度がサインカーブのように微小に増減変動していて、それがそのまま中空軸３に対して伝達されるのに対して、本実施形態の場合では、プーリ２の角速度がサインカーブのように微小に増減変動しているような場合であっても、中空軸３の回転変動幅が小さくなることを確認している。また、従来例の場合だと、プーリ２に巻き掛けられるベルト６の張り側（回転方向下流側）と、緩み側（回転方向上流側）との張力変動が大きくなるのに対して、本実施形態の場合では、それらの張力変動量が小さく抑制されることを確認している。
【００４２】
図７ないし図１１に本発明の参考例を示している。図７は、プーリユニットの上半分の縦断面図、図８は、図７の（８）−（８）線断面の矢視図、図９は、一方向クラッチにおけるスプラグの動作を示す説明図、図１０は、一方向クラッチにおけるばね体を示す斜視図、図１１は、一方向クラッチにおけるスプラグの設計要件を示す説明図である。
【００４３】
この参考例のプーリユニット１は、スプラグを用いるタイプの一方向クラッチ２０を用いている点が、上記実施形態１と相違している。
【００４４】
ここでの一方向クラッチ２０は、一般的に周知の構成であるが、一対の環状板２１、２２と、複数のスプラグ２３と、保持器２４と、ばね体２５とを備えている。
【００４５】
スプラグ２３は、鼓状断面を有する形状とされ、一対の環状板２１，２２間に配置される。
【００４６】
保持器２４は、例えば合成樹脂などで円環状に形成されており、その円周数ヶ所に各スプラグ２３が挿通されるポケット２４ａが設けられている。この保持器２４は、一対の環状板２１，２２間に介装される。
【００４７】
ばね体２５は、薄肉のばね鋼材などで円環状に形成されており、図１０に示すように、その円周数ヶ所に各スプラグ２３が挿通される貫通孔２５ａが設けられているとともに、この貫通孔２５ａ内においてスプラグ２３を起立姿勢に押圧する押さえ片２５ｂが設けられている。このばね体２５は、保持器２４の内径側に嵌合装着される。
【００４８】
この一方向クラッチ２０では、上述した実施形態１と同様の機能を持たせるために、プーリ２や中空軸３に対するスプラグ２３の各ストラト角度α、βが、ロック方向に所要角度以上傾いた姿勢のときにロック状態から滑り状態に変化させるように設定されている。
【００４９】
具体的に、スプラグ２３が起立姿勢となるように傾いてその径方向寸法が最も大きくなるとロック状態になるが、その状態において、所要の規定値以上の回転トルクが作用したときに、スプラグ２３がロック状態の起立姿勢からさらに倒れてその径方向寸法が若干小さくなると、滑り回転状態になって、動力伝達が遮断される。
【００５０】
そして、スプラグ２３が滑り状態になっている状況において、入力される回転トルクが所要の規定値未満になると、スプラグ２３とプーリ２、中空軸３の弾性変形の反力でもってロック状態に戻されることになる。
【００５１】
ここで、上記スプラグ２３を用いた一方向クラッチ２０の設計条件について説明する。
【００５２】
まず、図１１に示すように、スプラグ２３がプーリ２と中空軸３とに対して接する点をそれぞれＡ，Ｂとすると、直線ＡＢと、プーリ２と中空軸３の軌道径の中心Ｏからひかれる直線ＯＡ，ＯＢとのなす角α，βをストラト角という。なお、直線ＯＡとＯＢのなす角度をγとすると、α＝β＋γとなり、常に、α＞βとなる。
【００５３】
スプラグ２３が軌道輪とかみ合い、トルクを伝達するためには、ｔａｎαが接触面の摩擦係数μより小さくなければならない。つまり、ｔａｎα＜μとなる。
【００５４】
スプラグ２３がトルクを受けると、ストラト直線Ａ，Ｂ上に力Ｑを生じ、接触点Ａにおいて垂直分力をＰ、接触分力をＦとすると、
Ｆ＝Ｐ・ｔａｎαとなる。
【００５５】
このときの伝達トルクＴは、
Ｔ＝Ｎ・Ｐ・ｔａｎα・Ｒ１・ｌとなる。
【００５６】
ここで、Ｎはスプラグ２３の数、Ｒ１は中空軸３の軌道半径、ｌはスプラグ２３の有効長さである。
【００５７】
以上のようなスプラグ式の一方向クラッチ２０を備えるプーリユニットでは、プーリ２と中空軸３に対するスプラグ２３の各ストラト角度α、βを、ロック方向に所要角度以上傾いた姿勢のときにロック状態から滑り状態に変化させるように大きく設定すれば、上記実施形態１で説明したことと同様に、一方向クラッチ２０の本来のロック、フリー動作の他に、上述した滑りという動作を可能とすることができるので、動力伝達する回転トルクの下限値と上限値とを規定できるようになる。このように、過大な回転トルクを伝達させないようにすることによって、ベルト６とプーリ２との間の滑りを無くすことができて、ベルト６の張力変動を抑制するとともに、ベルト６の寿命向上に貢献できるようになる。
【００５８】
なお、本発明は上述した実施形態１のみに限定されるものではなく、種々な応用や変形が考えられる。
【００６０】
（１）上記実施形態での一方向クラッチ４，２０における細部の構成についても限定されるものでなく、種々な変形が考えられる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明のプーリユニットは、それに備えられる一方向クラッチの本来のロック、フリー動作の他に、くさび部材を滑り回転状態または滑り状態という動作を行えるような形態にしているから、動力伝達する回転トルクの上限値を規制できるようになる。したがって、動力伝達する回転トルクの下限値と上限値とをシビアに規定できるようになるから、使用対象に応じて最適なものを選定できるなど、使い勝手が向上することになる。
【００６２】
本発明のプーリユニットは、上述したように過大な回転トルクを伝達させないように構成した一方向クラッチを備えているから、過大な回転トルクの入力時に動力伝達を遮断させる状態にできて、ベルトとそれに巻き掛けられるプーリとの間の滑りを無くすことができるとともに、ベルトの張力変動を抑制することができるようになるなど、ベルトの寿命向上に貢献できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るプーリユニットの上半分の縦断面図
【図２】図１の（２）−（２）線断面の矢視図
【図３】実施形態１の一方向クラッチのポケット内を示す平面展開図
【図４】実施形態１の一方向クラッチにおける内輪のカム面を示す斜視図
【図５】実施形態１のプーリユニットの回転変動波形を示すグラフ
【図６】実施形態１の比較例とする従来例のプーリユニットの回転変動波形を示すグラフ
【図７】本発明の参考例に係るプーリユニットの上半分の縦断面図
【図８】図７の（８）−（８）線断面の矢視図
【図９】参考例の一方向クラッチにおけるスプラグの動作を示す説明図
【図１０】参考例の一方向クラッチにおけるばね体を示す斜視図
【図１１】参考例の一方向クラッチにおけるスプラグの設計要件を示す説明図

Claims

プーリとその内周に挿通される軸との対向環状空間に、径方向内外に同心状に配設される駆動環体と従動環体との回転速度差に応じて駆動環体に対して従動環体を同期回転させるロック状態と相対回転させるフリー状態とに切り換える一方向クラッチと、この一方向クラッチの少なくとも軸方向一側に配設される転がり軸受とが介装されているプーリユニットであって、
前記両環体のうち径方向内側の環体の外周面の円周数カ所に、他方環体の内周面との間で周方向一方で狭くかつ周方向他方で広くなったくさび状空間を形成するカム面が設けられていて、このくさび状空間にころが、内側環体に対して周方向に位置決めされた保持器のポケットに、前記ころを押圧する弾性部材とともに収納されることで、所定の周方向転動範囲内でくさび空間の狭い側に押圧される状態で１つずつ配置されており、
前記カム面が、内側環体の外周面から急峻に立ち下がる急峻立ち下がり部と、そこから深さが周方向一方へ向けて漸次深くなるように傾斜された凸状球面部とを有して、内側環体の外周面から内径側に凹入する形状に形成され、
前記急峻立ち下がり部の手前の前記凸状球面部上の位置では、ころがロックするよう、その位置でのくさび角度が４〜６度の範囲に設定される一方、ころがさらにくさび空間の狭い側に移動して、内側環体の外周面と前記急峻立ち下がり部との角部に当接した状態では、ころが滑り回転するよう、その当接位置でのくさび角度が11度以上に設定されている、
ことを特徴とするプーリユニット。