(57)【要約】【課題】耐焼き付き性及び飽和磁束密度が高く製造が容易な電磁クラッチ機構用の提供。【解決手段】クラッチ板２及び３と、そのクラッチ板２及び３の間で吸引力を発生させて互いに当接させる励磁コイル９とを有する電磁クラッチ機構において、クラッチ板２及び３の少なくとも一方が鋳鉄系材料から構成され、その鋳鉄系材料に球状黒鉛鋳鉄系材料を採用したり、組織中のフェライトが分断されている鋳鉄系材料を採用した上で、フェライト化率として５０％以上８０％以下の値を採用することで、高い磁気特性及び摩擦係数を保ったまま、焼き付きの発生も抑制できる。鋳鉄系材料は成形性が高く、磁気特性も高い。更に、組織中のフェライト組織の状態により、焼き付き（摩耗）の発生量が変化する。【選択図】図１
2006009960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに当接することで一方から他方に動力を伝達する一組のクラッチ板と、該一組のクラッチ板を磁化することで該一組のクラッチ板の間で吸引力を発生させて互いに当接させる励磁コイルとを有する電磁クラッチ機構に採用されるクラッチ板であって、
Ｃが１．０質量％以上３．５質量％以下、Ｓｉが０．５質量％以上５．０質量％以下、残部Ｆｅであって、フェライト化率が５０％以上８０％以下である球状黒鉛鋳鉄系材料から構成されることを特徴とする電磁クラッチ機構用のクラッチ板。
【請求項２】
互いに当接することで一方から他方に動力を伝達する一組のクラッチ板と、該一組のクラッチ板を磁化することで該一組のクラッチ板の間で吸引力を発生させて互いに当接させる励磁コイルとを有する電磁クラッチ機構に採用されるクラッチ板であって、
フェライト化率が５０％以上８０％以下で且つ分断されたフェライト組織をもつ鋳鉄系材料から構成されることを特徴とする電磁クラッチ機構用のクラッチ板。
【請求項３】
前記フェライト化率は７０％以上８０％以下である請求項１又は２に記載のクラッチ板。
【請求項４】
互いに当接することで一方から他方に動力を伝達する一組のクラッチ板と、該一組のクラッチ板を磁化することで該一組のクラッチ板の間で吸引力を発生させて互いに当接させる励磁コイルとを有する電磁クラッチ機構であって、
前記クラッチ板の少なくとも一方は、請求項１〜３のいずれかに記載のクラッチ板であることを特徴とする電磁クラッチ機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励磁コイルにより力の伝達を制御する電磁クラッチ機構用のクラッチ板及びそのクラッチ板を採用した電磁クラッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に示すように、従来の電磁クラッチ機構は、基本的にロータ３、アーマチャ２及び励磁コイル９から構成されている。ロータ３（クラッチ板）及びアーマチャ２（クラッチ板）は互いに当接できる円盤状の摺動面を備え、同軸で回転できる部材である。アーマチャ２又はロータ３の摺動面には摩擦材が貼り付けられている。
【０００３】
ロータ３及びアーマチャ２は僅かなギャップを介して配設されている。ロータ３には回転軸であるシャフト４が配設され、シャフト４にはモータ等の動力装置が接続されている。アーマチュア２はアーマチュア保持器兼出力シャフト５に固定されている。アーマチュア保持器兼出力シャフト５及びシャフト４はカラーによって同軸度を確保している。
【０００４】
励磁コイル９は励磁コイルケース１０内に配設されている。ロータ３はシャフト４に圧入されており、励磁コイルケース１０の内側にベアリング７にて保持されている。励磁コイルケース１０は固定治具８に固着されている。
【０００５】
電磁クラッチ機構は、アーマチュア２とロータ３との間の摩擦によりトルクを伝達する。励磁コイル９に給電することにより磁場を発生させて、ロータ３及びアーマチャ２を磁化させて、ロータ３及びアーマチャ２間に吸引力を発生させる。アーマチャ２は回転軸方向に移動可能である。アーマチャ２はロータ３から離れる方向に常に付勢されている。アーマチャ２はその吸引力によりロータ３側に移動することで、ロータ３及びアーマチャ２間で摺動面が当接する。
【０００６】
ロータ３及びアーマチャ２間が吸引力により当接すると、クラッチは結合された状態になり、モータなどからのトルクがシャフト４、ロータ３、アーマチャ２そしてアーマチュア保持器兼出力シャフト５の順に伝達される。ロータ３及びアーマチャ２（摩擦材）間の静摩擦係数及び吸引力の大きさによって本電磁クラッチ機構が伝達できるトルクの大きさが決定される。
【０００７】
従来技術の電磁クラッチ機構において、クラッチ板の摺動面に摩擦材を採用する理由としては、金属同士を直接当接させると、焼き付きなどの発生が懸念されるからである。本来ならば高い磁気特性及び高い摩擦係数を発揮する純鉄により双方のクラッチ板を形成することが好ましいが、純鉄同士を組み合わせると、焼き付きが発生して耐摩耗性が低くなる。
【０００８】
そして、従来技術でロータ３、アーマチャ２などに貼り付けられている摩擦材は、フェノール樹脂などの非磁性材料を主成分にするものが多く、ロータ３とアーマチャ２との間における摩擦材の存在がエアギャップになって吸引力を低下していた。また、フェノール樹脂などを主成分にした摩擦材は硬さが低いので、摩耗が大きく耐久性が課題になっていた。また、摩擦材を用いても、静摩擦係数が顕著に高くなる訳でもなく（例えば０．３〜０．５程度）、電磁クラッチの動力伝達能力の向上乃至は小型化を目指すことは困難であった。
【０００９】
従来技術の中には低摩耗・高摩擦係数の実現をねらった金属系の焼結材料から構成された摩擦材も提案されている（特許文献１）。しかしながら、そのような摩擦材の多くはＡｌ系材料、Ｃｕ系材料などの非磁性材料から構成されるので、磁気特性向上の観点からは電磁クラッチ用のクラッチ板としては不向きであった。また、鉄系の焼結材料を採用することもあるが（特許文献２）、(1)粉末成形を採用することから形状の制約を受けることがあること、(2)溶製材に比べると密度が低く、粉末の粒界の存在により飽和磁束密度が低くなって吸引力が低下すること、などの問題があった。
【特許文献１】特開２０００−２９１７０５号公報
【特許文献２】特許第２５９４０５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記実状に鑑みなされたものであり、摩擦材を用いなくても焼き付くおそれが少ないと共に、飽和磁束密度を高くすることが可能であって、製造が容易な電磁クラッチ機構用のクラッチ板及びそのクラッチ板を採用した電磁クラッチ機構を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のクラッチ板は、互いに当接することで一方から他方に動力を伝達する一組のクラッチ板と、該一組のクラッチ板を磁化することで該一組のクラッチ板の間で吸引力を発生させて互いに当接させる励磁コイルとを有する電磁クラッチ機構に採用されるクラッチ板である。
【００１２】
本発明者らは上記課題を解決する目的で鋭意検討を行い、磁気特性が高く、容易にクラッチ板が製造できる材料として鋳鉄系材料に着目した。鋳鉄系材料について、焼き付きが発生する原因を探求したところ、組織中のフェライト組織の状態により、焼き付き（摩耗）の発生量が変化することを発見した。本発明は本知見に基づき完成した。
【００１３】
すなわち、上記課題を解決する本発明のクラッチ板は、Ｃが１．０質量％以上３．５質量％以下、Ｓｉが０．５質量％以上５．０質量％以下、残部Ｆｅであって、フェライト化率が５０％以上８０％以下である球状黒鉛鋳鉄系材料から構成されることを特徴とする。
【００１４】
そして、上記課題を解決する他の本発明のクラッチ板は、フェライト化率が５０％以上８０％以下で且つ分断されたフェライト組織をもつ鋳鉄系材料から構成されることを特徴とする。
【００１５】
つまり、鋳鉄系材料として球状黒鉛鋳鉄系材料を採用したり、組織中のフェライトが分断されている鋳鉄系材料を採用した上で、フェライト化率として５０％以上８０％以下の値を採用することで、高い磁気特性及び摩擦係数を保ったまま、焼き付きの発生も抑制できる。球状黒鉛鋳鉄系材料では黒鉛の周りにフェライト組織が存在している。
【００１６】
本明細書中における「フェライト化率」とは、クラッチ板における摺動面又は任意の断面で評価したフェライト組織の面積で定義される：（フェライト化率）＝（摺動面などにおけるフェライト組織の面積）÷（その面の面積）×１００（％）。ここで、好ましいフェライト化率としては７０％以上８０％以下が挙げられる。特に摺動面におけるフェライト化率を前述の範囲に制御することが好ましい。
【００１７】
更に上記課題を解決する本発明の電磁クラッチ機構は、互いに当接することで一方から他方に動力を伝達する一組のクラッチ板と、該一組のクラッチ板を磁化することで該一組のクラッチ板の間で吸引力を発生させて互いに当接させる励磁コイルとを有する電磁クラッチ機構であって、上述の本発明のクラッチ板を少なくとも一方に採用したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のクラッチ板は、鋳鉄系材料を採用しているので、大きな飽和磁束密度が得られると共に、焼結材料よりも成形性に優れている。また、フェライト組織の形態及びフェライト化率を規定することにより、焼き付き（摩耗）の発生を低減できるので、金属間での直接的な当接・摺動が実現できる。従って、エアギャップを除くことができるので吸引力が増大化できる。
【００１９】
このような高性能なクラッチ板を採用することで、電磁クラッチ機構の性能も向上できる。例えば、(1)焼き付き（摩耗）の発生が少なく、耐久性の向上が実現できる、(2)磁気特性（吸引力）及び摩擦係数のいずれも優れたクラッチ板を採用したことで、同じクラッチ板の大きさであれば、より大きなトルクを伝達することが可能になり、同じ大きさのトルクを伝達するためには小型化することができる、といった効果が発揮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
〔電磁クラッチ機構用のクラッチ板〕
本実施形態のクラッチ板は、電磁クラッチ機構に採用されるクラッチ板である。電磁クラッチ機構は互いに当接することでトルクを伝達する１以上のクラッチ板の組を有するが、それらのクラッチ板の組のうちの少なくとも一方に本実施形態のクラッチ板を採用することで充分な効果が発揮できる。
【００２１】
例えば、本実施形態のクラッチ板に対する相手材であるクラッチ板として、純鉄、冷間圧延鋼などの磁気特性に極めて優れた材料を採用することができる。その場合に、相手材に対して表面処理を施して耐久性を向上することが好ましい。表面処理としては耐摩耗性向上などが目的として例示できるが特に限定されない。窒化処理、高周波加熱処理、浸炭熱処理、めっき、ＣＶＤなどが挙げられる。
【００２２】
本クラッチ板は鋳鉄系材料から構成される。従って、本クラッチ板は鋳造により製造することができ、製造方法に起因する形状などの制約を少なくできる。本クラッチ板は外部からの励磁による磁気特性が問題になるので、適正な形状が実現できることで、より高い磁気特性（その結果、クラッチ板間での吸引力が向上できる）を実現できる。
【００２３】
本実施形態のクラッチ板に適用できる鋳鉄系材料のフェライト化率は５０％以上８０％以下である。フェライト化率の測定は鋳鉄材料の表面や断面におけるフェライト組織の面積により算出できる。フェライト組織の面積はフェライト化率を測定する面に対し、適正にエッチングして観察・測定する方法や、Ｘ線マイクロアナライザにより炭素や鉄などの元素分布を観察・測定する方法などにより算出できる。断面中でフェライト組織以外の部分はパーライト、黒鉛などの組織にすることができる。
【００２４】
フェライト化率は大きくすることで飽和磁束密度が向上できる。反対にフェライト化率を小さくすることで静摩擦係数を大きくできる。飽和磁束密度は主に材料自身（バルク）に由来する性質なので、摩擦係数のように、使用によって表面状態などが変化しても大きく変わることは少ない。従って、当初から安定した値が得られることが好ましいので、飽和磁束密度が高いフェライト化率が高い材料を採用することが好ましい。具体的には、フェライト化率の下限として７０％以上を採用することが好ましい。
【００２５】
鋳鉄系材料としては球状黒鉛鋳鉄系材料が好適に採用できる。球状黒鉛鋳鉄系材料は析出した黒鉛の周りにフェライト組織領域を形成することが容易である（例：ブルスアイ組織）。例えば、含有する炭素量にもよるが、ケイ素の含有量を増大させることで黒鉛の球状化を促すと共に組織のフェライト化率を大きくすることができる。炭素量が１．０質量％以上３．５質量％以下である場合に、ケイ素量を０．５質量％以上５．０質量％以下の範囲で変化させることで、適正なフェライト化率を達成することが可能になる。炭素量の下限は鋳造性を向上するとの理由から１．５質量％以上にすることが好ましい。炭素量の上限は割れのおそれの低減などの理由から３．５質量％以下にすることが好ましい。ケイ素量の下限は所定のフェライト化率を達成する目的で１．５質量％以上にすることが好ましい。ケイ素量の上限は材質をもろくしないとの理由から３．０質量％以下にすることが好ましい。
【００２６】
更に、鋳造後の冷却速度を遅くすること、鋳造冷却後に焼き鈍し（例えば９５０℃程度で行う）を長時間行うことにより、フェライト化率を高くできる。なお、炭素及びケイ素以外の元素（例えばＭｇ：黒鉛の球状化を促進する作用をもつ、０．１質量％程度）を含有することは上述のフェライト化率が達成できる範囲内であれば構わないことはいうまでもない。組成の残部は鉄元素である。
【００２７】
その他にも、球状黒鉛鋳鉄系材料以外の鋳鉄系材料であって、フェライト化率が前述の範囲内であり、フェライト組織が分断されている鋳鉄系材料を採用することもできる。ここで、フェライト組織が分断されているとは、フェライト組織の周りにパーライト組織が存在する、若しくはフェライト組織がパーライト組織に区切られていることをいう。フェライト組織が分断されていることで、本クラッチ板が当接する相手材（クラッチ板）と接触することで凝着する個々の凝着部の面積が小さくなることで焼き付き（摩耗）の発生を抑制できるものと推測できる。
【００２８】
〔電磁クラッチ機構〕
本実施形態の電磁クラッチ機構は、一組のクラッチ板と励磁コイルとを有する。クラッチ板は互いに当接することで一方から他方に動力を伝達する部材である。クラッチ板の少なくとも一方に、前述の本実施形態のクラッチ板が採用されている。他方のクラッチ板として、本実施形態のクラッチ板以外を採用する場合には純鉄やケイ素鋼などの磁気特性に優れた材料が採用できる。クラッチ板間での当接面には摩擦材を貼り付けなくても充分な摩擦係数が得られる。励磁コイルは一方のクラッチ板を磁化することで他方のクラッチ板も磁化して、それらクラッチ板の間に吸引力を生じさせる。
【実施例】
【００２９】
（摩擦係数及び磁気特性の測定）
本実施例のクラッチ板は球状黒鉛鋳鉄系材料を用い、鋳造を行うことにより製造した。本実施例のクラッチ板が相手材に当接する摺動面の面粗度は３．２Ｒｚとした。材料組成及び熱処理条件を変化させることでフェライト化率を変化させ、それぞれ試験試料１〜４のクラッチ板とした（試験試料１：フェライト化率３５％、試験試料２：５０％、試験試料３：７５％及び試験試料４：８０％）。材料組成について表１に示す。
【００３０】
従来、クラッチ板に貼り付けて使用していたフェノール系摩擦材Ａ（試験試料５）、フェノール系摩擦材Ｂ（試験試料６）及びゴム系摩擦材（試験試料７）についても表１に併せて示した。
【００３１】
相手材としてのクラッチ板は純鉄製のブロックに切削・研磨加工を行った後、窒化処理を施すことにより製造した。
【００３２】
・静摩擦係数の測定
各試験試料の材料を用いて、外径２５．８ｍｍφ、内径２０．０ｍｍそして高さ１７ｍｍのリング試験片を作製した。そのリング試験片と、相手材と同じ材料（純鉄の表面に窒化処理を行った材料）から作製した３２ｍｍ×３２ｍｍのプレートとの間の摩擦係数を測定した。結果を表１に示す。
【００３３】
・飽和磁束密度の測定
試験試料１〜４の材料を用いて、外径２６ｍｍ×内径１９ｍｍ×２ｍｍのリング状の試験片を作製し、Ｂ−Ｈアナライザ（岩崎通信機製、型番ＳＹ８２３２）を用いて飽和磁束密度を測定した。結果を表１に示す。測定した飽和磁束密度から、相手材との間の吸引力を算出した。
【００３４】
また、クラッチ板の間に摩擦材を貼り付けた場合の吸引力も評価した。具体的には純鉄製のクラッチ板に摩擦材を貼り付けることを想定した。まず、純鉄の飽和磁束密度を測定し、摩擦材の厚みを０．５ｍｍ及び１．０ｍｍとした際の吸引力を算出した。結果を表２に示す。
【００３５】
・焼き付き（摩耗量）の測定
試験試料１〜７について、形状を３２ｍｍ×３２ｍｍ、厚さ５ｍｍとした試験片を作製し、形状を外径２５．６ｍｍ、内径２０ｍｍ、高さ１７ｍｍとした相手材を用いて、摩擦試験を行った前後での摩耗量を測定した。結果を表２に示す。
【００３６】
【表１】
2006009960.tif 000003
【００３７】
【表２】
2006009960.tif 000004
【００３８】
表より明らかなように、フェライト化率が大きくなるにつれて飽和磁束密度が高くなり、反対にフェライト化率が低くなるにつれて静摩擦係数が大きくなることが分かった。飽和磁束密度及び静摩擦係数の積などの値からフェライト化率は５０％以上８０％以下が実用的であることが分かった。
【００３９】
更に摩耗量の値から、好ましいフェライト化率としては７０％以上８０％以下、より好ましくは７５％であることが分かった。なお、詳細は示さないが、純鉄などは、フェライト化率は高くても摩耗量が本発明のクラッチ板に比べて著しく大きいことが分かっている。その理由としてはフェライト組織が連続して存在するためであると推測される。
【００４０】
また、従来の摩擦材の静摩擦係数は、本発明のクラッチ板の範囲に含まれる試験試料２、３よりも低いばかりか、試験試料１、４と比較しても劣っていた。吸引力についても摩擦材を貼り付ける厚み（０．５〜１．５ｍｍ）を考慮すると、従来の摩擦材（試験試料５〜７）は、大きく劣ることが分かった。摩耗量についても試験試料５のフェノール系摩擦材Ａが本発明範囲に含まれる試験試料２及び３と同等の性能を示した以外は大きな摩耗量を示した。
【００４１】
従って、本発明のクラッチ板に含まれる試験試料２及び３のクラッチ板は摩擦係数、吸引力（飽和磁束密度）及び摩耗量のすべてについていずれも優れた特性を発揮することが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】電磁クラッチ機構の概略を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００４３】
２…アーマチャ
３…ロータ
４…シャフト
５…アーマチュア保持器兼出力シャフト
７…ベアリング
８…固定治具
９…励磁コイル
１０…励磁コイルケース
【図１】
2006009960.tif 000005