(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁束の制御が可能な複数個の磁石が配設された回転しないステータと、回転するロータとを有する渦電流式減速装置であって、前記ロータは一体に構成された円筒部とディスクとを有し、前記円筒部は強磁性体からなり、前記磁石と対面しており、回転中に前記磁石の磁束によって該円筒部に渦電流が誘起され、制動力が加わるように構成されており、前記ディスクには風穴を有し、前記ロータの各部の寸法は以下の条件にあることを特徴とする渦電流式減速装置。
Ｌ／ｔ１  ≦１２、
０．６０≦ｔ２  ／ｔ１  ≦１．２５、
０．１０≦（ｎ×ｒ１２）／Ｒ２  ≦０．２０、
０．８５≦ｒ２  ／Ｒ、
ここで、Ｌはロータの円筒部の軸方向長さ、ｔ１  はロータの円筒部の肉厚、ｔ２  はディスクの肉厚、Ｒは円筒部の内半径、ｎは風穴個数、ｒ１  は風穴半径、ｒ２  は回転軸から風穴中心までの距離である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トラックやバス等の大型自動車に使用される渦電流式減速装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大型自動車の制動装置には、主ブレーキであるフットブレーキ、補助ブレーキである排気ブレーキの他に、渦電流式減速装置が使用される。これは長い坂道の降坂時等に安定した減速を行い、かつフットブレーキの焼損を防止するためである。この渦電流式減速装置には磁石として永久磁石を使用するものと電磁石を使用をするものがある。
【０００３】
図１（ａ）  、（ｂ）  は、永久磁石を使用した渦電流式減速装置の一例を示す部分側面図および縦断面図である。同図において、符号１はロータ、２はロータのアーム、３はロータの円筒部、４は冷却フィン、５はステータ、６は永久磁石、７は磁石の支持リング、８はポールピース、９はピストンロッド、１０は空圧装置、１１は回転軸、１２は案内棒、１３は回転軸取り付け部材である。
【０００４】
同図において、ロータ１は、回転軸取り付け部材１３を介して回転軸１１にボルトどめされている。ロータ１にはアーム２を介して強磁性体からなる円筒部３が配置されており、ロータ１の円筒部３は、回転軸１１と一体に回転する。
【０００５】
ステータ５には空圧装置１０のピストンロッド９に結合された支持リング７が設けられ、この支持リング７の周囲には永久磁石６が複数個配置されている。支持リング７は空圧装置１０により、複数の案内棒１２に沿って回転軸１１の軸方向に往復する。この往復によって永久磁石６がポールピース８の位置、すなわちロータの円筒部３と磁気的に対向する位置まで挿入された状態（図示の軸の上側の状態）が制動オンの状態である。反対に、永久磁石６がポールピース８から離れた位置にある状態（図示の軸の下側の状態）が制動オフの状態である。ステータ５のポールピース８とロータ１の円筒部の内周面の間にはギャップが保たれている。
【０００６】
制動オンの状態では、永久磁石６から発する磁束を横切って円筒部３が回転するので、円筒部３の内周面の表面近傍に渦電流が流れる。この渦電流と磁束の相互作用によってロータ１には制動トルクが発生する。
【０００７】
制動オン時に円筒部３に誘起される渦電流はジュール熱を発生し、冷却フィン４によって空冷される。このため、円筒部３には、制動のオン・オフ制御の繰返しによって著しい熱サイクルが負荷される。
【０００８】
電磁石を使用した渦電流式減速装置においても制動トルクの発生原理は、永久磁石の場合と同じである。ただし、永久磁石を用いる場合には、前記のように磁石が往復運動することによって制動のオン・オフを行うのに対して、電磁石を用いる場合には、電磁石コイルの電流を調整することによって制動のオン・オフを行う。つまり、永久磁石式と電磁石式の主な相違点は制動オン・オフの磁束の制御方式のちがいであり、以下で述べる本発明品は永久磁石式と電磁石式のいずれの渦電流式減速装置へも適用が可能である。
【０００９】
上記のように、制動オン・オフの繰返しに伴って、ロータの円筒部には著しい熱サイクルが負荷され、熱膨張収縮を繰り返す。熱膨張がロータのアームによって拘束されると円筒部に大きな熱応力や熱ひずみが発生し、円筒部の熱変形（永久変形）や円筒部内面での熱疲労によるき裂の発生などロータ損傷の原因となる。このため、ロータのアームが円筒部の熱膨張を拘束しないような各種の構造が採用されている。
【００１０】
図２は実開平５−１８２６２号公報に開示された渦電流式減速装置のロータの概要図である。同公報の技術は回転軸取り付け部材１３に支持金物１４を突設し、円筒部３を支持するスポーク状のアーム２の根元の支持片１６との間をゴムブッシュを介して結合した構造を有する。この構造はロータ円筒部３の熱変形を吸収するため、アーム２は回転軸取り付け部材１３に対して半径方向に変位可能な構造となっており、円筒部の熱膨張を拘束しないようになっている。
【００１１】
図３は実開平４−１１４７８３号公報に開示された渦電流式減速装置のロータの概要図である。同公報の技術は回転軸取り付け部材１３とロータの円筒部３を曲がり梁状のアーム２によって連結した構造を有する。ロータの円筒部３の熱変形に伴い、アーム２が弾性変形することによってロータの円筒部３の熱膨張を吸収する構造になっている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前記の従来のロータには以下のように製造コストの問題がある。
（ａ）  前記実開平５−１８２６２号公報に開示の技術は円周方向に多数のアームを使用するため、部品点数が多い。さらに、アームとロータ円筒部は溶接などによって連結されるが、この製造工程に多くの労力が必要である。このため、ロータの製造コストが高い。
【００１３】
（ｂ）  前記実開平５−１８２６２号公報および実開平４−１１４７８３号公報に開示の技術はアームをロータ円筒部に連結する際、多数のアームを均等に連結することが困難であり、連結後の回転バランスの調整に労力と時間を要する。この結果、ロータの製造コストが高くなる。
【００１４】
本発明の目的は従来のロータの上記問題を解決し、低コストで、かつ耐久性に優れた渦電流式減速装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
発明者らはアームによる支持方式を用いた上記の従来型の複雑な構造のロータにおけるコストアップ問題を解決するため、極力シンプルな構造を検討した。従来はシンプルな構造では熱ひずみの問題を解決できないものと考えられていたが、適切な構造・条件によっては、解決可能であることを確認し、下記の知見を得た。
【００１６】
（ａ）  基本構造は円筒部と回転軸部を連結する部材を、ディスク状とし、円筒部と一体形成する。
（ｂ）  永久磁石が円筒部からの輻射により、または電磁石の場合には自己発熱によって高温にならないよう、前記ディスクに風穴を設ける。
【００１７】
（ｃ）  このような構造を採用した場合には、ロータ円筒部やディスクに、塑性変形や熱疲労き裂の発生のおそれがあるが、有限要素法による熱応力解析と、ロータ材の材料強度特性に基づく熱疲労寿命評価の結果、円筒部、平板部、風穴の寸法を適切に選ぶことにより、円筒部の熱ひずみに耐えうる強度を維持することができる。
【００１８】
本発明は上記の知見に基づいて完成したものであり、その要旨は以下の通りである。
磁束の制御が可能な複数個の磁石が配設された回転しないステータと、回転するロータとを有する渦電流式減速装置であって、前記ロータは一体に構成された円筒部とディスクとを有し、前記円筒部は強磁性体からなり、前記円筒部は前記磁石と対面しており、回転中に磁石の磁束によって渦電流が誘起され、制動力が加わるように構成されており、前記ディスクには風穴を有し、ロータ各部の寸法が以下の条件であることを特徴とする渦電流式減速装置。
Ｌ／ｔ１  ≦１２、
０．６０≦ｔ２  ／ｔ１  ≦１．２５、
０．１０≦（ｎ×ｒ１２）／Ｒ２  ≦０．２０、
０．８５≦ｒ２  ／Ｒ、
ここで、Ｌはロータの円筒部の軸方向長さ、ｔ１  はロータの円筒部の肉厚、ｔ２  はディスクの肉厚、Ｒは円筒部の内半径、ｎは風穴個数、ｒ１  は風穴半径、ｒ２  は回転軸から風穴中心までの距離である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図４（ａ）  、（ｂ）  は本発明の渦電流式減速装置のロータの構造を示す部分側面図および縦断面図である。同図において、ロータ１はディスク１５、円筒部３、冷却フィン４、風穴１７、回転軸と締結するためのボルト穴１８の各部で構成されている。
【００２０】
同図に示すように、円筒部３をディスク１５と連結し、一体構造とすることにより、ロータのアームを不要とし、部品点数の低減と製造工程の簡略化を行い、ロータの製造コストを低減する。
【００２１】
ロータの円筒部３の内側には図１の渦電流式減速装置と同様のステータが配置されるが同図には図示していない。制動オン時のロータの円筒部３の発熱によって永久磁石６（図１参照）も加熱される。この永久磁石６の昇温を抑制するためにはディスク１５に風穴１７を設け、永久磁石６の近傍に通風する必要がある。
【００２２】
円筒部３の熱膨張・熱収縮などの熱変形を吸収するためには、ディスク１５の剛性をできるだけ低くし、ディスク１５によるロータの円筒部３の熱変形の拘束を小さくする必要がある。ディスク１５の剛性を小さくする方法としては、ディスクの肉厚を薄くするか、風穴１７の径や個数を増加し、開口部を大きくすれば良い。
【００２３】
このように、ディスクの剛性の低下は円筒部の熱変形、熱応力の発生や熱疲労き裂の発生を抑制する有効な手段である。ただし、ディスクの剛性を過度に低くした場合には、円筒部の熱膨張・熱収縮に伴ってディスクに生じる熱応力や熱ひずみが大きくなる。特に、ディスクには前述の理由によって風穴を設けているため、応力集中によって風穴底から熱疲労き裂が発生するおそれがある。したがって、ディスクの剛性には適正値がある。
【００２４】
また、ロータの熱応力を小さくするためには円筒部３の剛性を低減し、円筒部が自由に変形できる構造とすれば良く、このためには円筒部３の肉厚を薄くすれば良い。ただし、過度に円筒部３の剛性を低くすると、熱変形量が大きくなり、磁石と円筒部の間隔が変化する。例えば、制動時には円筒部は熱膨張によって半径方向の外側へ移動するが、この結果、円筒部３と図示されていないポールピースの間隔が広がって制動トルクが低下する。さらに、制動オン・オフの繰返しに伴ってこの変形が進行する場合には、制動トルクが次第に低下するとともに、最悪の場合には円筒部が破損する。したがって、円筒部の剛性には適正値がある。
【００２５】
本発明においてこれらの寸法値を限定した理由を以下に述べる。
ロータ円筒部の長さＬと円筒部肉厚ｔ１  の比Ｌ／ｔ１  を１２以下とする。Ｌ／ｔ１  が１２より大きいと、ロータ円筒部の半径方向の熱変形量が大きくなり、耐久性の低下や制動力の低下の原因となる。下限は特に定めないが、Ｌ／ｔ１  を過度に小さくすると、ロータの軸方向長さが短くなり、磁石と対向する部分の面積が減少し、制動力が低下するため、下限を５とするのが妥当であり、好適範囲は７〜１１である。
【００２６】
ディスクの肉厚ｔ２  とロータ円筒部の肉厚ｔ１  の比ｔ２  ／ｔ１  を０．６０以上、１．２５以下とする。ｔ２  ／ｔ１  の値が０．６０より小さい場合にはディスクの剛性が不足し、ディスクの風穴底から熱疲労き裂が発生する。また、この値が１．２５より大きい場合には、ディスクの熱疲労破壊は抑制できるが、円筒部の熱変形量が大きくなり、耐久性の低下や制動力の低下の原因となる。好適範囲は０．７〜１．２である。
【００２７】
ロータ内半径Ｒ、風孔半径ｒ１  および風孔個数ｎの関係は、０．１０≦（ｎ×ｒ１２）／Ｒ２  ≦０．２０、とする。ディスクを回転軸方向から見た時の表面積はπ×Ｒ２  で表される（冷却フィン部、円筒部を除き、中心部を含む）。風孔１個当たりの開口部の面積はπ×ｒ１２であり、全風孔ではｎ×π×ｒ１２である。従って、両者の比（ｎ×π×ｒ１２）／（π×Ｒ２  ）＝（ｎ×ｒ１２）／Ｒ２  はディスクの表面積に対する開口部の割合を代表するパラメータである。
【００２８】
この（ｎ×ｒ１２）／Ｒ２  の値が０．１０より小さい場合には、ディスクの開口部が少ないため、風穴を通って磁石に達する風量が少なくなる。このため、磁石が高温となり、磁石の劣化や制動性能の低下をもたらす。一方、（ｎ×ｒ１２）／Ｒ２  値が０．２０より大きい場合には、風穴による磁石の冷却効果は十分に得られるが、ディスクの開口量が多いために、ディスクの剛性が不十分となり、ディスクの塑性変形や風穴底からの熱疲労き裂の発生などのディスクの損傷が生じる。好適範囲は０．１１〜０．１６である。
【００２９】
円筒部の内半径Ｒと回転軸から風穴中心までの距離ｒ２  の比、ｒ２  ／Ｒを０．８５以上とする。ディスクの開口部は磁石の冷却のために設けられるものであるが、磁石は円筒部と対向する位置、すなわち、ディスクの外側近傍に位置している。したがって、磁石を効率的に冷却し、その昇温を抑制するためには風穴位置をディスクの半径方向の外側とした方が良い。また、風穴の内側にはロータを回転軸に固定するためのボルトがあり、この位置でディスクの熱変形が拘束される。したがって、風穴とボルト部の間隔が近い場合には、風穴のボルト側穴底での熱応力や熱ひずみが大きくなり、この位置から熱疲労き裂が発生する。以上の理由によって、ｒ２  ／Ｒが０．８５より小さく、風穴が相対的にディスクの半径方向の内側に位置する場合には、風穴から熱疲労き裂が発生し、耐久性の低下をもたらす。ｒ２  ／Ｒの好適範囲は、０．８６〜０．９０である。
【００３０】
なお、図４において風穴の壁の断面形状は真直としているが、強制的に磁石に通風するため、穴壁面を傾斜させ、軸方向の通風効果を狙う構造としてもよい。また、図４においてディスクは平板形状としているが、ディスクの耐曲げ剛性を損なわない範囲で、ディスクに同心円状の凹凸すなわち、ディスクの径方向断面での屈曲部を設け、円筒部の熱変形に対して、ディスクの熱応力を緩和する構造としてもよい。
【００３１】
【実施例】
本発明の効果を実施例によって説明する。
図４の形状の永久磁石式渦電流式減速装置用ロータを、表１に示す寸法で作製した。作製した渦電流式減速装置は１０ｔｏｎ車用（内半径２００ｍｍ、比較例１〜１０、本発明例１〜１０）と４ｔｏｎ車用（内半径１６０ｍｍ、比較例１１、本発明例１１、１２）であった。設計制動トルクは１０ｔｏｎ車用が５０ｋｇｆ・ｍ、４ｔｏｎ車用が２０ｋｇｆ・ｍである。
【００３２】
これらの渦電流式減速装置のロータの材質はＭｏ系低合金鋼である。
ロータ円筒部は、ローリング鍛造（鍛造温度１１００℃）により素材を円筒状に鍛造し、その後、機械加工によりロータ外周部の冷却フィンを形成した。ロータディスクは、素材を所定の形状に機械加工した。次に、ロータ円筒部とディスクを溶接により接合した後、ロータ内径、取り付け座面の仕上げ加工及びボルト穴の加工と風穴の加工を行った。
【００３３】
【表１】
0003591299.tif 000002
【００３４】
表１に示す各種のロータを装備した渦電流式減速装置の性能を調査するため、制動オン・オフを２０サイクル繰返す試験を行った。
オン・オフサイクル試験の方法は、制動オン中にロータの円筒部の内周の表面温度を監視し、この温度が６５０℃となった時点で制動をオフにし、１００℃まで冷却されたとき、再度、制動オンとする方法であった。
【００３５】
同時に磁石の温度を測定した。磁石の温度は制動オンで上昇し、制動オフで下降するが、最高温度で見ると最初の数サイクルでは、順次上昇するが、以後はサイクルによらず、ほぼ一定値となった。２０サイクル終了後、一旦ロータを取り外し、ロータ円筒部の残留変形を測定した。残留変形とは半径方向の最大変位量、すなわち内径の増加量（ｍｍ）である。
表２に２０サイクル目での磁石温度、ロータ変形量および制動トルクの測定結果を示す。
【００３６】
【表２】
0003591299.tif 000003
【００３７】
ロータの円筒部と磁石の間の空隙は設計上１．０ｍｍ以下としているが、ロータに０．１ｍｍを超える残留変形があると、設計制動トルクが確保できないため、２０サイクル試験での残留変形量が０．１ｍｍを超えるものを耐久性不良の判断基準とした。
【００３８】
表２に示すように、ロータのＬ／ｔ１  値が大きい比較例１、２や、ｔ２  ／ｔ１  値が大きい比較例５では円筒部の残留変形量が０．１ｍｍを超えており、耐久性不良と判断した。
【００３９】
磁石種類によって異なるが、永久磁石は長時間１００℃以上の環境に置くと減磁が進行し性能が劣化する。実車装備時の余裕を勘案して、磁石温度の上限を９０℃とした。
【００４０】
表２に示すように、ロータの（ｎ×ｒ１２）／Ｒ２  値が小さい比較例６、８では、ロータ円筒部の熱変形や制動トルクに問題はなかったが、前記の磁石の限界温度９０℃を超えたため、この点で不合格と判断した。
【００４１】
上記の２０サイクル繰り返し試験に続いて、制動オン・オフを長期にわたって繰り返す耐久試験を実施した。ただし、前記の比較例１、２、５、６、８のロータは２０サイクル繰り返し試験での円筒部の変形が大きかったり、磁石温度が異常に高温になったため、耐久試験から除外した。
【００４２】
耐久試験の目標は６０００サイクルである。これは、トラック等が長い坂で渦電流式減速装置を使用して、ロータの円筒部温度が６５０℃にまで上昇する回数が２回／日、年間３００日稼動で１０年間の寿命（２×３００×１０＝６０００）を想定したものである。
【００４３】
耐久試験の制動オン・オフ条件は前記の２０サイクル繰り返し試験と同じとした。この試験では最長６０００回まで制動オン・オフを繰返したが、途中でロータのディスクの風穴から熱疲労き裂の発生が確認された場合には、その時点で試験を中止した。
【００４４】
表２に試験結果を併記する。ロータのｔ２  ／ｔ１  値が小さい比較例３、４、（ｎ×ｒ１２）／Ｒ２  値が大きい比較例７、９、１１や、ｒ２  ／Ｒ値が小さい比較例１０、１１ではこの耐久試験の途中で風穴部から熱疲労き裂が発生し、耐久性の点で不合格となった。特に、（ｎ×ｒ１２）／Ｒ２  値が大きく、ｒ２  ／Ｒ値が小さい比較例１１では最も早期に熱疲労き裂が発生した。
【００４５】
一方、本発明例の渦電流式減速装置では、いずれも、６０００サイクルの時点では熱疲労き裂は発生していなかった。このように、本発明例は以上の性能調査試験、耐久試験のいずれにおいても、不具合は発生せず、制動性能や耐久性の点で優れていることが確認された。
【００４６】
本発明のロータの製造工程では、従来のアーム式ロータを製造する場合に比べて、部品点数が大幅に少なく、その工程も簡略である。このため、低コストで短時間での製造が可能である。また、上記実施例ではロータの円筒部とディスクを別に作製した後、溶接によって連結したが、一体鍛造や鋳造によって、両者を一度に作製することも可能である。
【００４７】
【発明の効果】
本発明により、耐久性の高い渦電流式減速装置を安価に提供することができ、大型車両の安全性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】渦電流式減速装置の構造を示す概要図で、同図（ａ）  は部分側面図、同図（ｂ）  は縦断面図である。
【図２】従来のアーム支持式のロータの構造を示す概要図である。
【図３】従来のアーム支持式のロータの構造を示す概要図である。
【図４】本発明のロータの構造を示す概要図で同図（ａ）  は部分側面図、同図（ｂ）  は部分縦断面図である。
【符号の説明】
１    ロータ              ２    アーム
３    円筒部              ４    冷却フィン
５    ステータ            ６    永久磁石
７    支持リング          ８    ポールピース
９    ピストンロッド      １０  空圧装置
１１  回転軸              １２  案内棒
１３  回転軸取り付け部材  １４  支持金物
１５  ディスク            １６  支持片
１７  風穴                １８  ボルト穴
【図１】
0003591299.tif 000004
【図２】
0003591299.tif 000005
【図３】
0003591299.tif 000006
【図４】
0003591299.tif 000007