(57)【要約】      （修正有）【課題】軌道面上に超高圧の閉じ込め油圧が生じて、そのせん断抵抗と塑性変形抵抗とで強大なトルク伝達が出来るローラクラッチ【解決手段】単純な円錐面を有する軸と外輪軌道の間に保持器１８でスキュウさせたローラ５を装填するだけで、強大なトルクが伝達できる。使用ローラ５全てがトルク伝達に参加するので、巨大なトルク容量を有する。自己保持形クラッチなので、電磁、空圧、油圧などの付勢エネルギーを全く要せず省エネである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪外径の円すい面と外輪内径の円すい面の間に保持器でスキュウした転動ローラーを複数個介装して成るクラッチ装置において、内輪又は外輪の側面に回転軸と直角の平面対して角度を成す斜面を設けて、該斜面が当接することで生ずる軸力で軸方向の相対変位を始動させるローラークラッチ装置。
【請求項２】
内輪外径の円すい面と外輪内径の円すい面の間に保持器でスキュウした転動ローラーを複数個介装して成るクラッチ装置において、クラッチの相対変位摺接面の隙間が復元するばね弾性部材を具備したことを特徴としたローラークラッチ装置。
【請求項３】
内輪外径の円すい面と外輪内径の円すい面の間に保持器でスキュウした転動ローラーを複数個介装して成るクラッチ装置において、トルク負荷による内輪と外輪の相対変位摺接距離が、トルクの作用面と受圧面の間に有する油のずり変位と、該油がトルクの作用で排出される際に生ずるスクイズ流体膜に浮上して変位出来る範囲内に設定されるとともに、前記の二面間に樹脂、二硫化モリブデン、グラファイト、ダイアモンドライクカーボンなどの低摩擦係数材を皮膜した板部材を介装することを特徴としたローラークラッチ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  機械装置の動力の断続装置
【背景技術】
【０００２】  機械装置の駆動力の伝達制御には、粘性接ぎ手、流体接ぎ手、摩擦板クラッチ、歯車と爪のラチェット、コイルスプリングの巻き付き摩擦クラッチ、１９３２年発明のスプラグ式ワンウエイクラッチ、及び円筒ローラーと多角形のカムリングの組み合わせのワンウエイクラッチ、最近ではそれを応用した２ウエイクラッチ、などがある。これら古典的原理に対して、転がり接触面に潤滑油が３ＭＰａ以上の高圧で閉じ込めらて固化する現象を活用した流体摩擦伝達力制限装置、特許２９０３３２５号がある。これは円すい面でなる内輪軌道面と外輪軌道面の間に回転軸に対して３次元に傾斜したスキュウド、ローラを介装することで、トルクを負荷したときに、ローラがトラクションで噛み合ってその軸方向の成分で内外輪の円すいの軌道間にローラーが転がって食い込み、接点下に高圧の閉じ込め油膜が形成されるとともにこれに浮上したローラが固化油膜のせん断抵抗でトルクを伝達するというものである。【０００３】  前述の油膜とは、転がり接触下の弾性流体潤滑理論（ＥＨＬ）で、英、Ｄ．Ｄｏｗｓｏｎ，．Ｈｉｇｇｉｎｓｏｎ．Ｖ．Ｗｈｉｔａｋｅｒ：Ｊ．Ｍｅｃｈ．Ｅｎｇ，．４，２（１９６２）１２１．によって、潤滑油が高圧で閉じ込められて、弾性固化する、ことが論証されており、以降転がり軸受、無断変速機ＣＶＴ等において実用化が進み今では周知の油膜である。
【先行技術文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２９０３３２５
【特許文献２】特開平０５−１４９３５２
【特許文献３】特開２０１１−１４４９１８
【特許文献４】特許４４７０５８８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  前記の、スプラグ式とローラ式のワンウエイクラッチの課題を述べる。前記の通称メカニカルクラッチの実施例ではヘリコプターのエンジン停止時に自動的にローターを切り離すオートローテーションがある。過去不具合の都度対策が繰り返され、最近の例ではスプラグの硬さをビッカース硬度でＨｖ２０００近くまで上げるとともに保持器の材質の強化がある。しかし近時のトライボロジの観点ではスプラグの接点に油膜が超高圧で閉じ込められて凍結状態に固化し固着する。又は微振動の負荷を繰り返すと接点から油分がスクイズアウトして金属同士の接触になりこの場合も金属の分子間の結合力で固着する。こういった固着を伴うとその引き剥がし抵抗の反動でスプラグが跳ね上がり押えているリボンバネが変形して保持器を破損（ポップアウト）したり、また変動トルクを負荷してもスプラグが弾性で共振して偶発的に一部のスプラグだけが噛み合ってしまいそのスプラグは過負荷になって座屈し反対側に転覆するロールオーバ事故が起きる。【０００６】また高速回転するとスプラグが遠心力での軌道から浮き上がため、及びスプラグの共振を抑えるため、リボンバネでスプラグを軌道表面に常に押し付ける。そのため接点が擦れて早期に摩滅する。またローラーのカム式クラッチでは接点のカム面が永久に同じ位置で噛み合うため陥没摩耗して噛み合い不能に陥る。
ローラー式では収容するローラーの数が限られ大きなトルクを負荷すると軌道輪が多角形に変形してローラーを収容するカム溝の角の薄肉部に応力が集中し破壊しやすい。空転時の許容回転速度においても通常２０００ｒｐｍ以下に制限される。またトルク振動、衝撃入力には衝撃吸収ダンパーを、過剰入力にはトルクリミッタの併設が不可欠である。【０００７】上述のような多くの課題に対して、背景技術に述べたところの先行技術文献１の特許２９０３３２５および、その改良の特開２０１１−１４４９１８、の課題について述べる。
この発明の特徴は軌道輪を僅かに（１ミリ）軸方向に離せば、トルクは遮断されて正逆自由回転する。軽く接すれば、スキュウしたローラーのトラクションの軸方向成分で内外輪の軌道間距離が狭くなり（吸い込まれて）トルク負荷で自己締結する自己保持形のクラッチになる。また噛み合う際には、入出力軸間の回転差、及び衝撃を、油膜が圧力で粘性流体から塑性体、弾性体に遷移する過程で吸収し更に接点のヘルツ弾性と、内外輪の膨張収縮の弾性変形で極めて柔らかなクッション形クラッチになる。この原理でエステル系潤滑剤を用いると、スベリの全く無いワンウエイクラッチが得られ、高粘度油に極圧添加剤（二硫化モリブデン、フッソ樹脂等）を用いればトルクの大小に拘わらず速度が一定の速さで粘性回転する、等速の粘性継手、になる。【０００８】  逆方向に回転すると吸い込みから吐き出しに転じて油膜に浮上して空転するので摩擦抵抗が少なく省エネになる。またローラーが遠心力の影響を受けないので皿バネ１枚で常時噛み合いが担保される。更に当該方式はトルク容量が非常に大きい、例えば、サイズが外径φ１００ｍｍ、幅５２ｍｍで、ローラーがφ８×３２ｍｍ、１８本使用で、ローラー面圧が３．０ＧＰａになるときの負荷トルクは１５０ｋｇ−ｍの容量となる。また内外輪の軸方向の相対変位量は３ｍｍ程度になる。【０００９】上述を実施する場合の課題について述べる。
当該発明の原型は古く実願昭３９−１６３８５で始まり以降４９年間に多くの業者が試行したがいまだに実用化されない。その主たる理由を述べる。先ず当該クラッチの動作は、スキュウしたローラが公転方向に圧力を受けて転がると切線力つまりトラクションを生ずる。そのトラクションはスキュウ角度によって一部が軸方向成分に変換される、この軸方向成分で内外輪の円すい面が間隔が狭くなる側に相対変位（以降、吸い込み力と称する）する。するとローラーは円すいの軌道間に食い込んでロックするという動作である。ところがこの軌道輪の軸方向の相対変位を許容する必須の摺接部材の摺接抵抗が吸い込み力を勝ると完全にロック不能となる。【００１０】上記のローラーの転動で生ずる吸い込み力は、ローラー接点下の油剤のトラクション係数（μの値、μ＝０．０４〜０．０８）に依存する。
吸い込み開始時の入力初期はトルが小さくローラー面圧も低いので小さな吸い込み力しか得られず付勢ばね力のみに依存する。因みにワンウエイクラッチは、機械の逆転防止の安全装置に使用されることが多く、耐用年数の期間内で一瞬でもスリップすると重大事故になる。にも拘わらず当該クラッチでは締結の成否を担保する摺接部の信頼性が欠落してきた。【００１１】これ迄その信頼性改善に摺接部にスパイラルのスプラインを用いた案（特許文献４の４４７０５８８）及びそのスパイラル溝にボール介在させたスパイラルボールスプライン（摩擦係数μ＝０．００３）の特許文献２、特開平０５−１４９３５２がある。上記考案のスプラインの摺接面の摩擦係数は鋼の平滑な面同士の場合、乾燥時の動摩擦係数μは、０．１２で、これが起動する静的摩擦は特に大きく（最大静摩擦係数）μ０は、動摩擦係数μの５〜６倍にもなる。特に近時の電力と内燃機関の複合動力を用いる場合では摺接部位が電位差、漏電によって電腐（腐蝕）を生じたり、寒冷地では凍結、長期間停止による油分の乾燥、異物の噛み込み、露結による発▲錆▼、微振動によるフレッティング発▲錆▼で、摺接部位が固着し異常に起動摩擦抵抗が増大する恐れがある。【００１２】また前述の特開平０５−１４９３５２のスプラインのボール化では、長時間微振動トルクを負荷するとボール接点が陥没摩耗したり、往復の揺動距離が１．５ｍｍ以下では微小揺動で接点から油分がスクイズアウトして乾燥状態の金属接触になりたちまち擬似圧痕（フレッティングコロージョン）を生じるし面圧強度の点からも成立しない。【００１３】ここで前述のスプラインの摺接摩擦の大きさの試算例を述べる。仮に２０Ｋｇ−ｍのトルクがキーに作用すると、キーの伝達半径が２０ｍｍでは、キーの摺接面に作用する力は１，０００ｋｇｆに及ぶ、そのキーのスライドの起動力つまり静摩擦抵抗は６００〜７００ｋｇｆに達する。【００１４】  この静摩擦抵抗に対して吸い込み力を補うスラスト方向の付勢ばね力では遠く及ばない。仮にばね圧を上げても今度は空転時にスキュウしたローラーの差動スベリの油膜のせん断が激しく発熱とブレーキを伴い、大きなエネルギー損失を招く。【００１５】また前述のスパイラルのスプラインにすると、入力トルクに比例して発生するスラスト分力が（軸力）ローラークラッチの円すい面に作用してしまいトルク容量を大幅に低下さる不都合が起きる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】そこで起動摩擦抵抗を下げる対策に、先ずはスプラインの起動時の不安定な静摩擦係数の領域を回避して低い動摩擦係数で噛み合いを開始させることであるこの機序の過程を図９のダイアグラムで説明する。横軸３６はクラッチの吸い込み力、縦軸３５は入力トルクを示す。入力が作用する以前から予め予圧付勢ばね図３の２２、でもって図１１の４１、のようにローラーは軌道に押し付けられているので初期段階で図７の外輪６、に回転力が発生（４０）しスプラインのバックラッシュの分だけ回転する。このバックラッシュ分の変位が開始する前に図２のクサビ（カム）斜面図５の１２と１３を当接させることで図１１の線分Ａに沿って推力（軸力）４４が発生する。この推力（軸力）でもって先ず▲錆▼、凍結などによるスプラインの張り付き固着を解除する。解除後はバックラッシュが消滅して一旦図９の４１、の位置まで戻る。この時点からスプラインの受圧面が見かけ上当接してトルク伝達が始まりローラーの公転方向への転がりのトラクションでクラッチの締結が開始する。同時にトルクで図１０のスプライン歯筋の角度２１（０〜５°）によって推力を生じて図１１の３９、の線に沿って変位し締結を完了する。このとき図１１の３８、の矢印に沿った変位は、図６に示すスプラインのスキマに介装した板部材３０、のディンプル穴、図１３、の２８の周辺に介在する油膜（図６の４３）の、ずり変位と、圧力４８、で介装板３０、の凸部が弾性範囲で押しつぶされることでディンプル穴２８、から油４３がスクイズアウトされる、これにより図６のスクイズ流体膜４２、に浮上することで、μ＝０．０４（実際は０．０１以下）以下の低い摩擦抵抗で変位する。【００１７】クラッチが無負荷になると図１０に示す、クリップばね２０、（２０は説明用であって実際はばね鋼製波形の板材３０、の弾性反力による）でバックラッシュ３１、は元のスキマに復元し受圧面間に油が取り込まれる。従って当該バネは繰り返し応力への疲労耐久強度を要するので、一枚当たりの変形量を抑えた図１２のような積層方式が望ましい。上記のバネ３０、及びクリップばね２０、は締結作用を妨げない程度に弱くする。【００１８】当該クラッチのスプラインの負荷と摺接距離の関係動作について述べる。図６に示すようにトルク入力による負荷４８、が増えるに連れて変位量も矢印２４、２５、も徐々に増え最後にスプラインのＰＣＤがφ５０ｍｍの例では３〜４ｍｍ（サイズにより異なる）ずれたところで停止する。逆に言うと変位しながら荷重がゼロから徐々に増えて行くと云うプロセスで、この僅か３〜４ｍｍの変位は接触面間に保持された油の粘性変形のずり変位、とディンプル穴からのスクイズアウトで出来るスクイズ流体膜に浮上して位置がずれる作動範囲に収まる。ここでクラッチの軸方向変位量はクラッチの円すい面の角度と内輪の肉厚と外輪の肉厚による剛性で決まるので、変位量がこの範囲に収まる様に剛性のある肉厚と、円すい角度を大きくする。例えばスプラインでの受圧面の面圧は、負荷トルクが２０ｋｇ−ｍでスプライン歯が６枚のＰＣＤがφ５０ｍｍ、で受圧面の面積が７５ｍｍ２の場合では、最大面圧１．７ｋｇ／ｍｍ２で、油膜強度は充分に耐えるしスプラインの歯数を増やせ���更に下がる。【００１９】クラッチの動作はトルクが入力される初期段階で前述の摺接面の張り付き固着を解くことから開始させる。そのため図３の軌道輪６、のスプライン歯８の側面エッジ（角部）に設けたカム斜面１３、と側板９の斜面１２、とに初期トルク入力段階で当接させることで図４の符号４９の如く拡大された強い軸力４９を発生させる。その軸力の試算例では、斜面の角度を回転軸の直角断面に対して５°にするとトルクの１１．５倍の推力（軸力）になる。当クラッチでは予めばねで軽く付勢されているのでローラは常時噛み合い状態にあるのでトルクは初期段階で発生する。例えば初期の０．１ｋｇ−ｍのトルクが作用しても斜面部の位置が軸心からの距離が１６ｍｍであれば、斜面の当接位置での回転方向には６．２５ｋｇが発生する。この切線力はカムの５°の斜面で軸力として１１．５倍に増幅されて７０ｋｇｆに達する。当該カム斜面は軸力を発生させるだけが目的で斜面は曲面でもローラーピンの外径またはボールでも良く更にはテコの機構でもよい。（図省略）。【００２０】  また図６の前記のずり変位矢印２４、２５を促進するためスプラインの受圧面間に油分を包含した図８の板材３０を介装させる。その油分保持には図６の３０、のようにばね鋼を波形に成型し表面に図１３のディンプル穴２８、を一面に設けて該穴内に溜まった油分４３がトルク負荷４８、で図６拡大図の矢印４２のスクイズ流体膜が出来て結果ずり変位とスクイズ油膜との混合で一定間隔３〜４ｍｍだけ浮いた状態で変位する。介在する波板バネ３０に二硫化モリブデンを被覆すると層状潤滑でずり変位の粘性係数μは、μ＝０．００１（実験値）以下になる。ずり変位を促進するために板材にフッ素樹脂、ＤＬＣ処理などの低μ材のコーティングしてもよく、（図省略）更に図１２の３０、の如く積層すると一層の効果がある。
更なる信頼性の確保手段に、当該摺接部のみずり変位に有効な高粘度の潤滑剤を封入したグリース密封形シール付きの独立ユニットにして周辺の潤滑剤と隔離する。これによって有害な異物の混入、酸素の侵入によるフレッティング▲錆▼、結露による▲錆▼も防げる。（図省略）【００２１】上述を実施した場合の弊害有無について述べる。
初期の斜面のクサビ作用による軌道輪の軸方向変位距離は図４の４９、のように約１ｍｍ以下でありフルトルクの変位量３〜４ミリより遥かに小さくローラーの接触面圧の増加にはならない。【００２２】また当該クラッチではもともと回転方向に極めてソフトな捻れ弾性変位の約１２０°の角度変位を伴うことと、図８の板材３０又は図１０のバネ２０の介在でもって打音になるガタは生じない。【００２３】次に図９の外輪６、の回転軸と直角の断面の側面に等配に３箇所にＶ溝３４、とこれに対抗する（図８の側板９に相当する）側板５０にも溝斜面を設けそのＶ溝間に転がり媒体のボール３２を保持器３３で介在させる。側板５０、は出力部材図３の符号２の側面に設けたネジ１１と長穴１０とでＶ溝の周方向の位置を合わせてボールに当接させて置く。図９によれば円周方向の変位量４６（バックラッシュ）に対してボールが斜面に乗り上げて軸方向変位量４５で軸力は拡大される。
【発明の効果】
【００２４】本発明は冒頭に述べた背景技術に対して以下の進歩性と効果がある。
即ち、単純な円すい面を有する軸と外輪軌道の間に、保持器でスキュウさせたローラーを装填するだけで、軌道面上に超高圧の閉じ込め油膜が生じて、そのせん断抵抗と、塑性変形抵抗とで強大なトルクが伝達できる。使用ローラー全てがトルク伝達に参加するので巨大なトルク容量を有する。さらに自己保持形クラッチなので電磁、空圧、油圧などの付勢エネルギーを全く要せず省エネである。また結合時には入力と出力軸間の回転差、衝撃を吸収する。接続後は、入力側のトルク変動、トルク振動を転動体のヘルツ弾性、軌道輪の膨張弾性で吸収して出力側に伝えない。【００２５】また、許容回転速度においても予圧のバネ圧が最小にできるので常時噛み合いの空転でも差動すべりの抵抗は軽微で済む。また軌道面をゆるい球面に近いフルクラウニングを施せば常時噛み合いで空転速度は高速の１万ｒｐｍをも可能になる。仮にスプライン等の摺接部位が長期停止による発▲錆▼、凍結で固着しても確実に機能する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】は、従来の特開平０５−１４９３５２の実施例。
【図２】は、請求項１、の実施例を示す外観略視図。
【図３】は、図２の拡大説明図。
【図４】、
【図５】は、スプラインの内歯と外歯の軸力発生の動きの説明図。
【図６】は、ディンプルと油剤のスクイズ流体膜形成模式図。
【図７】は、スプライのスキマの配置断面説明図。
【図８】は、ずり変位促進板バネの配置説明略視図。
【図９】は、Ｖ溝にボールを介在して軸力発生の説明図。
【図１０】は、スプラインのスキマ拡張ばねの装着説明図。
【図１１】は、軸力発生と吸い込みの作用のダイアグラム
【図１２】は、スプラインの歯の間にずり変位促進材を積層した配置図。
【図１３】は、ずり変位促進部材のディンプル成型の実施例。
【発明を実施するための形態】
【００２７】代表的実施例を図２に沿って説明する。図２の内外輪１、６及びローラー５、は軸受鋼ＳＵＪ−２を焼入れ焼戻し硬さＨＲＣ６２〜６５に硬化する。軌道表面は研削加工で粗さ０．２Ｒａにする。軌道は回転双曲面を基本とするが、内外輪が膨張、収縮の弾性変形を伴うことと、ローラーがトルク負荷によって軌道と線接触さえすれば足りるので、それに見合った形状で良い。
保持器１８は帯板鋼をプレス成型、または帯板にポケット穴を穿孔し丸めて溶接で環状にする。更には樹脂の成型品でもよく転がり軸受の保持器に準ずる。
出力部材２、は炭素鋼で同じく熱処理硬化を施す。スプラインの隙間に介装するすべり促進の板材、図３の３０、はバネ鋼にディンプルをコイニング成型し、両端をそれぞれ逆方向に折り曲げてスプライン部材から外れなくする。表面粗さはバレル研磨を施して平滑にする。同板材にはフッ素樹脂、ＤＬＣ、二硫化モリブデン、グラファイト等の低μ材をコーティングしてもよい。また前記板材を図１１のように積層することでずり変位を安定させる効果がある。
当該クラッチは相対変位する距離が３〜４ミリと限られているので、その伸縮摺接にはスプラインの形式に限定されるものでなく、内外輪の側面にドッグクラッチのように軸方向に突き出た凹凸の歯の嵌合、又はピンと穴の系合でもよい。（図省略）実施例の代表に図２を示したが、ローラーが接触する相手部材が中空軸の外径、ギヤの内径など何でも良く（図省略）ローラーと保持器が収容され、内外軌道が滑らかに相対変位すれば良い。
【実施例】
【００２８】実施例を図２、図６、図５、図８、図９、図１２、図１３に示す。
【産業上の利用可能性】
【００２９】  当クラッチの機能は、常時噛み合いで高速のオーバラニングが可能なワンウエイクラッチ、トルクリミッター、ショック吸収のトーショナルダンパー、更には衝撃吸収付きシンクナイズドクラッチで、補助手段の油圧空圧、電磁力を要しない自己保持形クラッチであって極めて高い信頼性を得る。また潤滑剤を適宜選択することで、速度可変の粘性流体継手にもなる。例えばヘリコプターのオートローテーションのクラッチを当該発明品に置き換えると、信頼性が向上する。又ハイブリッド車の動力配分装置、並びに４ＷＤ車の差動制限装置、速度可変の粘性流体継手、ドアクローザ、緩降機などに用いる。
【符号の説明】
【００３０】１・・入力側内輪
２・・出力ハウジング
３・・出力部材連結ねじ穴
４・・・軸受
５・・ローラー
６・・外輪
７・・保持器
９・・側板カム
１０・・長穴
１１・・止めねじ
１２・・側輪のカム斜面
１３・・スプライン歯の先端カム斜面
１４・・出力部材のメススプライン歯
１５・・内輪一葉回転双曲面
１８・・保持器
２０・・クリップばね
２１・・スプラインリード角
２２・・付勢皿バネ
２３・・スナップリング
２４、２５・・吸い込み変位方向
２７・・スクイズ流体の流出方向
２８・・ディンプル
２９・・スクイズ流体膜
３０・・変位促進板材
３１・・外輪
３３・・スラストボール保持器
３４・・外輪側面のボールカム斜面
３５・・負荷トルク
３６・・吸い込み力
３７・・ボールによる軸力終点
３８・・クラッチの噛み合いによる吸い込み力
３９・・クランチ噛み合い締結終点
４０・・バックラッシュ範囲の変位量
４１・・予圧ばねの付勢力
４５・・ボールの転動による軸方向変位距離
４６・・バックラッシュ範囲のボール転動による周方向変位距離
４７・・カムの初期位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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