(57)【要約】【課題】シールの寿命を向上させた、改良されたカップリング装置を提供する。【解決手段】  クラッチピストンアプライチャンバ（43）内の流体圧力に応答するクラッチアセンブリ（29）アクチュエーションを含むカップリング装置（11）であり、一連の流路（53、55、57、59）を有し、チャンバから制御弁アセンブリ（69）まで流通させる。ハウジング（15）は二つの高圧用シール（63、163）を備えるように、プレナム部材（17）によって覆われるハブ部（61）を定める。ハウジングは、ハブ部の外面（60）がグラファイトの有孔性から自由となるように形成され、シールの寿命を向上させる。好ましくは、各シール（63、163）は高さ/幅の比を選択されて、所望の径方向で内側のシール力を及ぼすようにするが、シールが対応するシールキャビティ（73、75、173、175）内に組付けられるようにする。【選択図】  図２
2006112629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カップリング装置（11）であって、クラッチキャビティ（39）を定める回転可能なハウジング（13、15）と、前記クラッチキャビティ（39）内に設けられて、前記ハウジング（13、15）とともに回転可能なように固設される第一クラッチ部材（31）と、出力部（35）とともに回転可能なように固設される第二クラッチ部材（33）を含むクラッチアセンブリ（29）を有し、前記ハウジングは圧力チャンバ（43）を定め、クラッチアプライ部材（41）を前記圧力チャンバ（43）内に配置して、前記第一（31）及び第二（33）のクラッチ部材を前記圧力チャンバ（43）内の加圧流体の存在に応じてトルクを伝達する関係となるように付勢させるように操作可能とし、前記カップリング装置（11）は前記加圧流体の源（47、49）と、入力の変化に応じて前記圧力チャンバ（43）内の流体圧力を変化させるように操作可能な制御弁アセンブリ（69）を含み、前記ハウジング（13、15）は外側に円筒形状面（60）を定めるハブ部（61）を有し、前記ハウジング（13、15）は前記圧力チャンバ（43）から前記外側の円筒形状面（60）に形成される第一ポート（59）まで流通させる高圧流体用の流路（53）を定め、さらに、
（ａ）前記ハブ部（61）によって定められる前記外側の円筒形状面（60）を覆う関係となるように、内側に円筒形状面（85）を定める固設型のプレナム部材（17、117）を有し、
（ｂ）前記プレナム部材（17、117）は高圧流体用の流路（71）を定めて、前記外側の円筒形状面（60）に形成される第一ポート（59）と流通する、前記内側の円筒形状面（85）に形成される第二ポート（77）から、前記制御弁アセンブリ（69）まで流通させ、
（ｃ）前記内側の円筒形状面（85）内に、前記第二ポート（77）と軸方向に反対側に、環状の圧力領域を定めるように、第一（63、163）と第二（63、163）の環状のシール部材を夫々配置し、
（ｄ）前記ハウジング（13、15）の前記ハブ部（61）は、少なくとも前記外側の円筒形状面（60）が実質的にグラファイトの有孔性から自由となるように部材を有することを特徴とするカップリング装置。
【請求項２】
前記制御弁アセンブリ（69）は前記プレナム部材（17、117）上に取り付けられ、電磁コイルを含み、かつ、前記入力は電気入力信号を含むことを特徴とする請求項１に記載のカップリング装置。
【請求項３】
前記固設型のプレナム部材（17、117）は成形されたアルミニウム部材を含み、該部材は前記回転可能なハウジング（13、15）の直径部と接触するように外側の円筒形状部（91、191）を含み、また、これらの間に低圧用のシール（95、195）を含むことを特徴とする請求項１に記載のカップリング装置。
【請求項４】
前記カップリング装置は、流体のリザーバーを含む外部のハウジング内に最終的に装着されることを意図され、前記プレナム部材（17、117）は前記流体のリザーバー内に下方に突出するのに適するようにインレット部（65）を含むことを特徴とする請求項３に記載のカップリング装置。
【請求項５】
前記ハウジング（13、15）と前記プレナム部材（17、117）は協働して低圧用のリザーバー（97）を定め、前記プレナム部材は、前記インレット部（65）から前記低圧用のリザーバー（97）まで流通させるように低圧用の流路を定めることを特徴とする請求項４に記載のカップリング装置。
【請求項６】
前記ハウジング（13、15）の前記ハブ部（61）は、フォージド スチール部材を含むことを特徴とする請求項１に記載のカップリング装置。
【請求項７】
前記第一（63、163）と前記第二（63、163）の環状のシール部材は、夫々前記ハブ部（61）の前記外側の円筒形状面（60）と接触する第一のシール部材（81、181）を含み、該第一のシール部材はグラスファイバーを含むことを特徴とする請求項１に記載のカップリング装置。
【請求項８】
前記第一（63、163）と前記第二（63、163）の環状のシール部材は、夫々前記第一のシール部材（81、181）を囲むように第二のシール部材（83、183）を含むことを特徴とする請求項１に記載のカップリング装置。
【請求項９】
カップリング装置（11）であって、クラッチキャビティ（39）を定める回転可能なハウジング（13、15）と、前記クラッチキャビティ（39）内に設けられて、前記ハウジング（13、15）とともに回転可能なように固設される第一クラッチ部材（31）と、出力部（35）とともに回転可能なように固設される第二クラッチ部材（33）を含むクラッチアセンブリ（29）を有し、前記ハウジングは圧力チャンバ（43）を定め、クラッチアプライ部材（41）を前記圧力チャンバ（43）内に配置して、前記第一（31）及び第二（33）のクラッチ部材を前記圧力チャンバ（43）内の加圧流体の存在に応じてトルクを伝達する関係となるように付勢させるように操作可能とし、前記カップリング装置（11）は前記加圧流体の源（47、49）と、入力の変化に応じて前記圧力チャンバ（43）内の流体圧力を変化させるように操作可能な制御弁アセンブリ（69）を含み、前記ハウジング（13、15）は外側に円筒形状面（60）を定めるハブ部（61）を有し、前記ハウジング（13、15）は前記圧力チャンバ（43）から前記外側の円筒形状面（60）に形成される第一ポート（59）まで流通させる高圧流体用の流路（53）を定め、さらに、
（ａ）前記ハブ部（61）によって定められる前記外側の円筒形状面（60）を覆う関係となるように、内側に円筒形状面（85）を定める固設型のプレナム部材（17、117）を有し、
（ｂ）前記プレナム部材（17、117）は高圧流体用の流路（71）を定めて、前記外側の円筒形状面（60）に形成される第一ポート（59）と流通する、前記内側の円筒形状面（85）に形成される第二ポート（77）から、前記制御弁アセンブリ（69）まで流通させ、
（ｃ）前記内側の円筒形状面（85）内に、前記第二ポート（77）の近くに、環状の圧力領域を定めるように、第一の環状のシール部材（63、163）を配置し、
（ｄ）前記第一の環状のシール部材（63、163）はシールキャビティ（73、173）内に配置されて、前記シールキャビティの径方向の大きさよりも大きな径方向の高さＨと、前記シールキャビティの軸方向の幅よりも小さな軸方向の幅Ｗを有し、この際、前記高さＨと前記幅Ｗは、前記第一シール部材が、約２．５：１〜約５：１の範囲内にＨ/Ｗ比を有するように定められることを特徴とするカップリング装置。
【請求項１０】
前記Ｈ/Ｗ比は、約３：１〜約４：１の範囲内にあることを特徴とする請求項９に記載のカップリング装置。
【請求項１１】
前記内側の円筒形状面（85）内には、前記第一シール部材から前記第二ポート（77）の軸方向の反対側に、第二の環状のシール部材（63、163）が配置されて、前記第一のシール部材と前記第二のシール部材は協働して、前記環状の圧力領域を定めることを特徴とする請求項９に記載のカップリング装置。
【請求項１２】
前記第二の環状のシール部材（63、163）はシールキャビティ（75、175）内に配置されて、前記シールキャビティの径方向の大きさよりも大きな径方向の高さＨと、前記シールキャビティの軸方向の幅よりも小さな軸方向の幅Ｗを有し、この際、前記高さＨと前記幅Ｗは、前記第二シール部材が、約２．５：１〜約５：１の範囲内にＨ/Ｗ比を有するように定められることを特徴とする請求項１１に記載のカップリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、自動車のドライブライン内で、トルクを伝達するのに用いられるタイプのカップリング装置に関する。より具体的には、本発明は、カップリング装置を通るトルクの伝達を制御するために、流体圧力で操作されるクラッチアセンブリを含むタイプのカップリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書で用いられる用語の“カップリング装置”は、一つの入力から一つ又は複数の出力までトルクを伝えることができ、かつ、入力と出力の間にクラッチアセンブリを設けて、伝達されるトルクの量がクラッチアセンブリの係合の度合いの関数となるようにした装置を含む。本発明の範囲内では、用語“カップリング装置”には、歯車を用いるタイプの装置（例えば、ディファレンシャル）と、歯車を用いないタイプのカップリングの双方が含まれる。
【０００３】
本発明は、本発明の譲り受け人に譲り受けられ、本明細書に参考として包含される特許文献１の開示例に従って形成されるカップリングのような、多くの様々なタイプで、構成のカップリング装置に用いることができる。特に、本発明は、本発明の譲り受け人に譲り受けられ、本明細書に参考として包含される特許文献２と３に開示された一般的なタイプの自動車用のディファレンシャルと合わせて用いられるときに有用となる。
【０００４】
上記特許文献に開示されたディファレンシャルカップリング装置では、入力（リングギアと接続されたハウジング）と出力（アクスルシャフトの一つ）の間でトルクを伝達する操作が可能となるようにクラッチパックが設けられており、このクラッチパックの係合の度合いは、クラッチアプライチャンバ内の流体圧力によって定められるようにしている。この流体圧力は、クラッチの係合部材（例えば、ピストン）をクラッチパックに対して付勢させている。上記特許文献に開示されたディファレンシャルカップリング装置には、入力側とともに回転するように固設された一方のローターと、出力側とともに回転するように固設された他方のローターを含むジェローターポンプが含まれており、クラッチアプライチャンバ内への加圧流体の流れが、入力と出力の間の速度差と一般に比例するようにしている。尚、本明細書で用いられる用語の“クラッチパック”には、多段式の摩擦ディスクタイプのクラッチパックと、さらに、例えばコーンクラッチのような、他に従来公知のタイプのクラッチアセンブリの双方が含まれており、この際、係合の度合いは、クラッチピストンや同等のクラッチ係合構造上に作用する流体圧力と一般に比例するものとする。
【０００５】
上述したタイプのディファレンシャルカップリング装置では、典型的に、クラッチアプライチャンバからリザーバー又は他の低圧流体源に対して流路を設けており、また、この“主”流路の一部として、何らかの種類の制御弁を設けて、クラッチピストンチャンバから低圧源までの流れを制御させて、クラッチアプライチャンバ内の圧力を制御できるようにしており、この結果、“バイアストルク”つまり、入力から出力まで伝えられるトルクの範囲を制御できるようにしている。また、低圧側の入力（リザーバーからの流体の受け取り）からジェローターポンプに対する入力まで流通させる“主”流路と、この流路内に制御弁を設けて、ポンプの入力内に流れる流体を制限させるようにクラッチアプライ圧力を制御することは、従来公知であって、本発明の範囲に含まれている。
【０００６】
本発明に関するタイプのディファレンシャルカップリング装置に係る問題の一つとして、カップリング装置のハウジングは典型的にアクスルの回転速度でほぼ回転しており、この際、制御弁とこれに関係する構造であって、カップリングハウジングと関係して操作される必要のあるものは、固設されなければならなかった点にある。従って、以下、“固設型の制御弁アセンブリ”と参照するが、この用語については以下において詳述されており、またこれは、典型的に、プレナム部材と制御弁の双方を含むが、これに限定される必要はない。従って、カップリングハウジングと制御弁アセンブリの間の境界上の何らかの場所には、システムの高圧側に存在するかなり高圧な圧力とともに、カップリングハウジングのかなり高い回転速度の双方に耐えられるようにシール構成を設ける必要があった。例示的にのみ示すと、本発明の譲り受け人によって開発されたカップリング装置の商業的な実施形態では、システムの高圧側に存在する流体圧力は、典型的に約５００psiから約１０００psiの範囲内にあり、また、カップリングハウジングは、固設型の制御弁アセンブリに対して、自動車の速度が約１３０mphの場合には、１５００rpmを超える速度で回転することがある。
【０００７】
このようなカップリング装置に関する技術分野において通常の知識を有する者には公知なように、ハウジング（“ディファレンシャルケース”）は通常、一つ又は複数の鋳鉄（キャストアイロン）部材を含み、特定の平坦さや、滑らかさ等を必要とする幾つかの表面に機械加工を施して、部材の残りを鋳造された状態（as-cast condition）に残している。本発明の譲り受け人によって開発された、本発明に関する商業的な実施形態では、制御弁アセンブリの一部を含む、プレナムとシールの構成は、上記本発明に包含される特許文献３に開示されているように、一般的に、ハウジングハブ部の円筒形状面の区間とプレナム内に一対の高圧用のシールを取り付けるように構成されている。この商業的な実施形態の開発の初期段階では、高圧用のシールの寿命がほとんど許容できないものであることが解かっていたが、何故、このように不十分な寿命となるかについては十分に明らかではなかった。
【０００８】
そこで、円筒形状のハブ部の表面は回転する高圧用のシールとの係合用に十分であると信じられていたとき、仮定として、以下において“グラファイトの有孔性（graphite porosity）”として参照される状態が、小さな空隙や孔のある場所を有する円筒形状面として生じ、この表面が、滑らかではなく、実際には、固設型のシール内でハブ部が回転するにつれて、高圧用のシールのシール面を切削するように機能しているとされた。そして、本発明の開発段階でテストされた部分の観察に基いて、シール部材がハブ部の表面と接触するように設けられていて、この際、シール部材はグラス−ファイバーの補強部材を含むように、シールが用いられる結果として、“グラファイトの有孔性”が生じていると信じられた。つまり、シールとハブ部が通常の操作温度に達すると（約２００〜約３００度Ｆの範囲内で）、シール部材からグラスファイバーが突出して、ハブ部がシール部材に対して回転するにつれて、グラファイトの塊（graphite nodules）と係合できるようになっていた。このような係合によって、グラファイトの塊をハブ部の表面から引き出して、表面に孔が形成されていた（このため、グラファイトの“有孔性”という用語が用いられている）。
【０００９】
さらに、ハブ部の表面上に空隙や孔を形成させる結果、グラスファイバーの一部を集めて、これをシール部材の内径部に対して、ハブ部がシールアセンブリ内で回転するにつれて、小さな“切削用の工具”として作用させることがあり、及び／又は、孔の露出された縁部をシール部材の内径部を切削させるように作用させることがあると観察された。そして、上述のように、グラスファイバーか、孔の縁部のいずれかが、シール部材上で切削作用を及ぼすことが、観察されたような、不十分なシールの寿命に責任があると信じられており、この場合、かなり短い期間で、シールが保つことができる高圧が急に減少することがあった。
【特許文献１】米国特許第５,９６４,１２６号明細書
【特許文献２】米国特許第５,３１０,３８８号明細書
【特許文献３】米国特許第６,４６４,０５６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、不十分なシールの寿命をもたらすような、上述した問題を克服するように、回転型のカップリングハウジングと固設型の制御弁アセンブリの間に、実質的に改良された高圧用のシール構成を設けた、改良されたカップリング装置を提供することを目的とするものである。
【００１１】
また、本発明は、グラファイトの有孔性として参照された状態をなくすか、少なくとも実質的に減少させて、この結果、実質的に高圧用のシールの寿命を向上させるように、高圧用のシールを係合させるカップリングハウジングの表面を形成するように、改良されたカップリング装置を提供することをさらなる目的とするものである。
【００１２】
さらに、本発明は、非常にコンパクトで、効率的となるように固設型のプレナムと高圧用のシール構成を回転型のハブ部に対してシールさせるように、実質的に改良されたシールアセンブリを有する、改良されたカップリング装置を提供することをさらなる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記課題と、他の課題を解決するための手段として、クラッチキャビティを定める回転型のハウジングを含むようにカップリング装置を提供する。また、クラッチアセンブリをクラッチキャビティ内に配置して、ハウジングとともに回転するように固設される第一クラッチ部材と、出力部とともに回転するように固設される第二クラッチ部材を有するようにする。ハウジングには圧力チャンバを定めるとともに、この圧力チャンバ内にクラッチアプライ部材を配置して、圧力チャンバ内の加圧流体の存在に応じて、トルクを伝達する関係となるように、第一及び第二のクラッチ部材を付勢させるように操作可能にする。カップリング装置は加圧流体源と、入力内の変化に応じて圧力チャンバ内の流体圧力を変化させるように操作可能にした制御弁アセンブリとを含む。ハウジングは、外側に円筒形状面を有するようにハブ部を定め、また、ハウジングは、圧力チャンバから外側の円筒形状面内に形成された第一ポートまで流通するように高圧流体用の流路を定める。
【００１４】
本発明に係る改良されたカップリング装置は、ハブ部によって定められる外側の円筒形状面を覆うように配置された内側の円筒形状面を定める、固設型のプレナム部材を有することを特徴とする。このプレナム部材は、高圧流体用の流路を定めて、内側の円筒形状面に形成された第二ポートから、ハブ部の外側の円筒形状面に形成された第一ポートを通って、制御弁アセンブリまで流通させている。また、第一及び第二の環状のシール部材を、第二ポートの軸方向に反対側で、内側の円筒形状面内に夫々設けて、環状の圧力領域を形成させる。ハウジングのハブ部は、少なくとも外側の円筒形状面がグラファイトの有孔性から実質的に自由となるように部材を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本明細書に添付した図を参照して、本発明に係る好適な実施形態について説明するが、これら図は本発明の範囲を限定させるものではない。図１を参照すると、自動車のドライブラインに用いられるディファレンシャルカップリング装置が符合１１を用いて概略的に示されている。これは、上述した本発明に包含される特許文献に開示された一般的なタイプのものであり、本発明に係る改良された流体圧力システムを用いて、この効果を得るのに特に適している。ディファレンシャルカップリング装置１１は、ギアハウジング１３、クラッチハウジング１５、及び弁ハウジング１７を含むハウジングを有しており、弁ハウジング１７はまた、以下において“制御弁アセンブリ”としても参照されている。ギアハウジング１３とクラッチハウジング１５は従来技術において公知の任意の手段を用いて一体に保持されていてもよく、例えば複数のボルト（ここでは図示せず）を用いて一体に保持されている。弁アセンブリ１７は、典型的に、ベアリングセット１８のインナーレース１８ａによって、軸方向に保持されている。
【００１６】
図１を参照すると、ギアハウジング１３はギアチャンバ１９を定めて、この中に、典型的にディファレンシャルギアセットを備える場合があるが、これは例示的にのみ示したものである。本発明に係る実施形態では、ピニオンシャフト２３に対して回転自在に取り付けられるように、一対の入力用のピニオンギア２１が含まれており、このピニオンギア２１は一対のサイドギア２５と２７と噛み合うように係合している。本発明に係る実施形態では、例示的にのみに示すが、入力用のピニオンギア２１は（ハウジング１３と１５とともに）ディファレンシャルカップリング装置１１に対する“入力”として考えることができ、また、サイドギア２５と２７はカップリング装置１１の“出力”として考えることができる。より特徴的には、以下の明細書の説明の多くでは、サイドギア２７はカップリング装置１１の“出力”を構成すると考えることが出来る。当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、カップリング装置１１の最終的な“出力”は、以下の明細書において説明されるように、サイドギア２５と２７とスプライン係合する一対のアクスルシャフト（ここでは、説明を容易にするため、示されていない）である。
【００１７】
サイドギア２５と２７は、まっすぐな、内側のスプライン２５Ｓと２７Ｓのセットを定めており、夫々、上述した右と左のアクスルシャフトと取り付けられるように設けており、これらにより、カップリング装置１１がアクスルシャフトを用いて、関連する自動車の駆動車輪（図示せず）に対してトルクを伝えるようにするが、これは従来技術において公知な方法によって行われ、この部分は本発明を何ら構成しない。しかしながら、上述した構造は例示的に示されたものに過ぎず、他のタイプのカップリング装置の構造とともに本発明を用いることは可能であることを理解されたい。実際、本発明に係る流体圧力システムは、カップリング装置やディファレンシャルの様々な実施形態で、クラッチアプライ圧力を制御するために一般的に利用することができる。
【００１８】
主に図１を再度参照すると、クラッチハウジング１５内には、符合２９を用いて概略的に示されるようにクラッチパックが設けられているが、これは図２においてより詳しく示されているように、外側のディスク３１を複数含んでいて、これらをクラッチハウジング１５によって定められる内側のスプラインのセットとスプライン係合させている。さらに、クラッチパック２９には内側のディスク３３が複数含まれており、これらは、従来公知の手段によって外側のディスク３１とはさまれており、また、内側のディスク３３をカップリング部材３５とスプライン係合させている。カップリング部材３５は一対の内側のスプライン３５Ｓを定め、これらはまた左側のアクスルシャフトとスプライン係合しており、このため、カップリング部材３５は固定されているが、この実施形態では、サイドギア２７とともに回転可能となっている。尚、このようなスプライン構成と、さらにはカップリング部材３５自身は、本発明にとって本質的ではないことを理解されたい。
【００１９】
また、クラッチハウジング１５内には環状のハウジングインサート３７が配置されており、これは、近接するカップリング部材３５と、クラッチパック２９と協働して、クラッチキャビティつまりクラッチピストンチャンバ３９を定めている。このクラッチピストンチャンバ３９内には、軸方向に移動可能となるように、クラッチピストン４１が設けられており、これはまたハウジングインサート３７と協働して、ピストン圧力（アプライ）チャンバ４３を定めているが、これは図２により詳しく示されている。このような装置に関する技術分野において通常の知識を有する者には公知なように、ピストン圧力（アプライ）チャンバ４３内の流体圧力の変化は、クラッチパック２９に対してクラッチピストン４１により及ぼされる軸方向の力を変化させ、このため、“バイアストルク”つまりカップリング１１の入力から出力までクラッチパックを通って伝えられるトルクを変化させることになる。
【００２０】
ここで、主に図２を参照すると、クラッチハウジング１５内にはまた、ハウジングインサート３７の左側のそばにジェローターギアセットが設けられており、このジェローターギアセットには、ポンプハウジングの一部として機能する、固設型の、偏心部材４５と、内側に歯を設けた外側のローター４７と、外側に歯を設けた内側のローター４９とが含まれている。内側のローター４９は、まっすぐで、内側のスプライン４９Ｓのセットを定め、これはまた上述したように、左側のアクスルシャフトと係合して、内側のローター４９をカップリング部材３５とサイドギア２７とともに回転できるように固定させている。当該技術分野における通常の知識を有する者には公知なように、通常の、まっすぐに進行する操作時には、全ディファレンシャルカップリング１１は一つのユニットとして回転し、つまり、ハウジング１３、１５とサイドギア２５、２７とアクスルシャフトは全て同じ回転速度で回転する。この状況では、外側のローター４７と内側のローター４９の間には相対的な回転はないので、（ローター４７と４９の歯が相対的な回転をする場合にこれらの間に形成される）ボリュームチャンバから加圧流体のポンピングが全く行われない。
【００２１】
当該技術分野における通常の知識を有する者には公知なように、本明細書に参考として包含される技術に一部基いて、差が存在するとき、つまり、左側と右側のアクスルシャフトの間で回転速度に差があるときにはまた、入力（ハウジング１３、１５とピニオンギア２１）と出力（左側のアクスルシャフト）の間で速度差が存在する必要がある。この入力と出力の間の速度差は、内側のローター４９を駆動する左側のアクスルシャフトの回転になり、さらに、外側のローター４７を駆動して、出力チャンバ５１内に加圧流体をポンピングさせて、ここからハウジングインサート３７内の適当な流体ポート５２を通るように流通させて、加圧流体をピストン圧力アプライチャンバ４３内に流通させることになる。
【００２２】
再度主に図２を参照すると、ハウジングインサート３７は偏心部材４５とクラッチハウジング１５と協働して、軸方向の流路５３を定めるが、これは、ピストン圧力アプライチャンバ４３と連通している。また、クラッチハウジング１５は径方向に流路５５を定めて、軸方向の流路５３と交差させており、この径方向の内側の領域では、他の軸方向の流路５７と連通させて、短めの径方向の流路５９を用いて、クラッチハウジング１５のハブ部６１によって形成される外側の円筒形状面６０と連通させている。径方向の流路５９は、ハブ部６１の外側の円筒形状面６０内にポートを形成し、このポートはまた、以下において、参照番号“５９”を用いて参照される。本発明に係る実施形態では、例示的にのみ示すが、夫々二つの流路５３、５５、５７及び５９があり、これらは典型的に約１８０度離れて配置されることがあるが、図示した実施形態では、スペースの制限のため、約２０度離れて配置されている。
【００２３】
ここで、主に図２と３を参照すると、弁ハウジング又は制御弁アセンブリ１７が示されており、これは好ましくは、成形されたアルミニウムのプレナム部材を含み、外側のディファレンシャルハウジング（ここでは、図示せず）内に固設されている。弁ハウジング１７は、この内側の周囲に、参照番号６３で概略的に示すように、一対のシール部材を取り付けているが、これらは径方向の流路（ポート）５９の軸方向の反対側に夫々設けられており、シール部材６３によって、近接する、ハブ部６１の外側の円筒形状面６０をシールするように係合させている。図３から理解できるように、弁ハウジング１７はインレット部６５を含み、これは、好ましくは、従来技術において公知なように、典型的にリザーバー又はサンプであって流体を含み、外側のディファレンシャルハウジング内に配置される、低圧流体の“源”に向って下方に延びている。
【００２４】
また、弁ハウジング１７（これはまた、以下において“プレナム部材１７”としても参照される）は、ポート部６７を含み、この上には参照番号６９を用いて概略的に示すように、圧力制御弁アセンブリが取り付けられるが、これは、好ましくは、本発明の譲り受け人に譲り受けられ、本明細書に参考として包含される、“カップリング装置と、改良されたトルク伝達の制御方法”に関する、クリストファー  ジェイ．バビンの名で２００４年３月８日に出願された、同時係属中の米国特許出願番号第１０/７９５,６５１号に開示されているように形成されて、操作される。従って、制御弁アセンブリ６９は、好ましくは電磁弁であり、電気入力信号の変化に応じて、ピストン圧力アプライチャンバ４３内の圧力を変化させるようにする。また、プレナム部材１７は、一般に径方向の流路７１を（図２の平面に対して角度付けてカットされるように）定めて、径方向の流路とポート５９と常に流通するように、径方向内側に延ばしている。径方向の流路７１は、ポート部６７内にこの径方向の外側の端部を配置して、この結果、径方向の流路７１を圧力制御弁アセンブリ６９の近くに配置させている。従って、任意の時間で、効果的には圧力制御弁アセンブリ６９の“入力”である、流路７１内の流体圧力は、流路５３、５５、５７及び５９により、ピストン圧力アプライチャンバ４３内の流体圧力と実質的に同一になる。
【００２５】
背景技術で説明したように、従来、ディファレンシャルとカップリング装置のハウジング部材を、クラッチハウジング１５として、鋳鉄部材を用いて形成することが行われていた。そして、“鋳造された”状態では、十分に機能しないおそれのある所定の表面は、機械加工されたり、さらには他の任意の手段により処理されることがあった。ハブ部６１の外側の円筒形状面６０は、このようなさらなる処理を必要とする表面の場合があるが、背景技術で説明したように、この外側の円筒形状面６０をさらに機械加工しても、グラファイトの有孔性に関する問題があり、また、シール部材６０と好ましくない相互作用を行って、作用させることが認められている。また、鋳鉄ハブ部を熱処理することは、幾分効果があることが知られているが、シールの寿命は望ましくないままであった。
【００２６】
従って、本発明では、この重要な特徴として、クラッチハウジング１５をフォージド スチール（forged steel）部材から形成する。金属加工技術分野における通常の知識を有する者には公知なように、（鋳鉄部材と比べて）スチール部材を用いる場合には、（他の非鉄材料とは反対に）スチールを利用することによる強度、機械加工性、コスト面等の要因の組合せを考えて好ましいことを理解するであろう。さらに、好ましいものとして記載された材料が“フォージド”スチール部材であることの主な理由は、機械加工された部品と比べて、鍛造（フォージング）による従来公知のコスト面と強度面で長所があるためである。しかしながら、当該技術分野における通常の知識を有する者ならば、他、様々な方法で、ハブ部６１の外側の円筒形状面６０がグラファイトの有孔性から実質的に自由となるようにクラッチハウジング１５を提供することは、本発明と基本的に同じであることを理解するであろう。
【００２７】
ハブ部６１に磨耗用スリーブを設けて、磨耗用スリーブの外面が外側の円筒形状面６０となるようにすることで、本発明の範囲内で、グラファイトの有孔性を減少させる所望の結果を得ることができる。理論的には、摩耗用スリーブはこの目的に適する任意の材料、例えば、銅合金（ブロンズ）から構成することができるが、図示した実施形態では、銅合金は柔らか過ぎると認められたため、十分に実施できるようにするためにより硬い材料を必要としており、例えば、スチールのような材料をここでは利用している。しかしながら、当該技術分野における通常の知識を有する者ならば理解できるように、別体の磨耗用スリーブを用いる場合には、ハブ部６１に対して磨耗用スリーブを固定するために何らかの構成を必要とし、また、磨耗用スリーブには、径方向の流路５９と連通するポートを形成するために一つ又は複数の適当な開口部を備える必要がある。当該技術分野における通常の知識を有する者には公知なように、本発明に係る実施形態のように摩耗用スリーブを加えることは、潜在的にさらなる漏れの流れを加えるおそれがある。従って、図示した実施形態では、例示的にのみ示すが、クラッチハウジング１５をフォージド スチール部材から形成して、ハブ部６１の外側の円筒形状面６０を機械加工することで、所望の結果が得られるようにしている。当該シール技術分野における通常の知識を有する者には公知なように、また、以下の明細書で述べるように、最良のシール構成を得るためには、外側の円筒形状面６０に可能な限り最も滑らかな仕上げを行うことを必要としない。
【００２８】
ここで、図２と合わせて、主に図４を参照すると、弁ハウジング１７は成形されたアルミニウムのプレナム部材を含み、この部材は、ポート５９の軸方向の反対側に、好ましくはこれらが直接流通しないように、一対の環状のシール用キャビティ７３と７５を定めている。また、シール用キャビティ７３と７５の軸方向の間には環状の流体用の溝７７が設けられており、これはポート５９と常に流通し、またこれは径方向の流路７１とも流通するように環状に構成されている。従って、流体用の溝７７は、以下の明細書で説明されるように、また、添付された特許請求の範囲に記載されるように、第一ポート５９と連通する“第二ポート”としても参照される。尚、このことは本発明にとって重要な特徴ではないが、通常、溝７７は、ハブ部６１ではなく、プレナム部材１７に形成されるのが好ましく、これは、溝部７７がハブ部６１内に形成される場合には、組付け時に、プレナム部材１７をハブ部６１上に設ける際、シール用のキャビティ７５内に設けられるシール部材６３が、溝部を“超える”必要があり、このことがシール部材に損傷を与える可能性があるためである。これに対して、環状の流体用の溝部７７をプレナム部材１７内に設ける場合には、シール用のキャビティ７５内に設けられるシール部材６３は、ポート５９上を越えるだけとなるので、シール部材に対して損傷を与える危険性を大幅に減少できるからである。
【００２９】
ここで、主に図５を参照して、本発明に係るシール部材６３の好適な実施形態の一つについて幾分より詳しく説明する。尚、図５では、シール部材６３はシール用のキャビティ７３内に設けられているが、二つのシール部材６３とシール用のキャビティ７３と７５は好ましくは同一であり、このため、機械加工を簡略化して、シール部材の用意を簡単にする。図５を参照すると、シール部材６３の好適な実施形態では、第一の（主要な）シール部材８１と、第一のシール部材８１を取り囲む第二のシール部材８３が含まれることを示している。図５に示すように、シール部材６３を“レスト状態”（つまり、シール部材６３にハブ部６１を設けない状態）にすると、第一のシール部材８１は、プレナム部材１７によって定められる内側の円筒形状面８５を超えて、径方向で内側に延びる（図４参照）。
【００３０】
本発明に係る好適な実施形態では、例示的にのみ示すが、第一のシール部材８１は、高圧下で、かつ高温の環境で、回転する金属の表面をシールするのに適するように、グラス充填ポリテトラフルオロエチレン（glass-filled, polytetrafluoroehtylene）部材（イー.アイ. デュポン・ドゥ・ヌムール  アンド  カンパニー（E. I. Dupont de Nemours and Company）によって所有されている、“テフロン（登録商標）（Teflon）”の名で販売されているもの）を含む。背景技術で説明したように、グラスファイバーを含む、高圧、高温のシール部材を用いることを必要とする場合、上述のような“グラファイトの有孔性”に関する問題が生じていた。
【００３１】
上記第二のシール部材８３は、シール用の目的に通常使われている、または使われることのある、従来公知の任意のエラストマータイプの部材、好適にはフルオロカーボンから構成することができる。しかしながら、本発明に係る好適な実施形態では、シール部材８３は表面６０に対してシール機能を直接的に作用させず（しかしながら、拡径された円形状部８３Ｃは、シール用のキャビティ７３の湾曲部内に接触してフィットされる）、この替わりに、シール部材８３は、第一のシール部材８１用の“バックアップ用のリング”として機能する。本発明に係る重要な機能面の一つでは、シール部材６３の全高（径方向の大きさ）は、シール用のキャビティ７３の高さに関するとともに、シール部材８３の幅に関して定められて、ハブ部６１に対してシール部材８１によって及ぼされる径方向のシール力が所定の力の範囲内に収まるようにする。当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、シール部材６３に及ぼされる圧力の範囲内に適するように、所定の、望ましいシール力を得られるように、シール部材６３とシール用のキャビティ７３の相対的な高さを定めることは可能であると思料する。シール部材用の幅に対する高さの所望な比（Ｈ／Ｗ）については、以下において詳述される。
【００３２】
本発明に関する他の重要な機能面では、シール用のキャビティ７３の構成に対するシール部材６３の構成（そしてより特徴的には、第二シール部材８３のもの）は、幾つかの目的を達成できるように定められている。第一に、第二シール部材８３の径方向で最も外側の部位８３Ｃは、一般に湾曲して、好ましくはシール用のキャビティ７３の近接部位でより大きく、このため、一度装着されて、流体圧力が加えられると、シール部材６３がプレナム部材１７内で回転しないようにするが、しかし、シール部材６３と外側の円筒形状面６０の間でシールを含む唯一の相対的な回転が行われるようにする。シールドラッグ（seal drag）と、第一のシール部材８１の径方向の内面と表面６０の間のドラッグを最小にする理由は、このような回転が許容される場合、部材８３とキャビティ７３の間のドラッグを一層低めるためである。また、シール部材８１の材料は、シール部材８３のものと比べて、上述のような摩擦接触により良好に耐えることができるものとする。
【００３３】
また、シール部材６３の構成は、シールとハブの領域での温度が向上すると、第二シール部材８３がキャビティ７３内で“拡張”できるように定められる。より特徴的には、この目的は、操作温度の領域にわたって、径方向のシール力がほぼ一定となるように、シール用のキャビティ７３と第二シール部材８３の構成を定めることにある。当該シール技術分野において通常の知識を有する者であれば、本明細書の記載内容を読解することで、このような“力−対−温度”の関係を得られるように、キャビティ７３と第二シール部材８３の構成を定めることは可能であると思料する。
【００３４】
再度、主に図２と３を参照して、本発明の第一の実施形態に関する最終的な目的の一つについて説明する。弁ハウジング（プレナム部材）１７は、この上に形成され、またクラッチハウジング１５によって定められる外径を囲むように、外側の円筒形状部９１を含む。クラッチハウジング１５の外径と外側の円筒形状部９１の間には、好ましくは、銅合金製のブッシング９３か、又は他の適当なベアリングやジャーナルタイプの部材が設けられる。ブッシング９３の特定の構成や、ブッシング９３の基本的な利用は、本発明にとって本質的ではないが、テストを通じて、クラッチハウジング１５とプレナム部材１７の間に何らかの種類のベアリング構成を設けることで、外側の円筒形状面６０と内側の円筒形状面８５の間を同心状に保つことが向上されることが解かっている。また、表面６０と８５の間の同心性を良好にすることは、シール構成の耐性を向上させることが解かっている。
【００３５】
銅合金製のブッシング９３のすぐ近くで、また、ここからわずかに径方向で内側には、低圧用のシール９５が設けられるが、これは、図２において幾分概略的に示されており、環状で四角形状に切削されたシール部材を含むが、開発の初期段階では、この替わりにリップシールが用いられていた。低圧シールは、例えば、ウレタンやブチルラバーのような、従来公知の低圧シール用の材料を用いることができるが、図示した実施形態では、テフロン（登録商標）を含む、液晶ポリマーとフルオロエラストマーのような材料を利用することが必要であることが解かっている。尚、低圧用のシール９５の構成や材料、さらには低圧用のシールの利用は、本発明を実施する上で本質的ではない。しかしながら、カップリング装置１１に係る実施形態では、インレット部６５を通ってカップリング装置内に取り込まれる流体は、クラッチハウジング１５とプレナム部材１７の間に形成された、低圧用のリザーバー９７内に流通されている。従って、クラッチハウジング１５、プレナム部材１７、及び銅合金製のブッシング９１の間で、径方向で内側にエアの漏れを防ぐために、低圧用のシール９５を必要としているが、この理由は、このようなエアの漏れは、ジェローターポンプがチャンバ４３内に圧力を形成することを防ぐためである。
【００３６】
プレナム部材１７とシール部材６３の組付け時には、各場所で夫々のシール部材６３をわずかに径方向で内側に変形させるように用意することを必要として、シール部材はもはや“円形状”ではなくなるようにして、対応するシール用のキャビティ７３又は７５内にシール部材６３を挿入することが可能となるように、シール部材の外径を一時的に十分に減少させるようにする。そして、シール部材をこのシール用のキャビティ内に装着したとき、シール部材をシール用のキャビティ内に配置されるように作用させて、再度円形状にさせる。上述したように、シール部材６３の高さ−対−幅の比（“Ｈ/Ｗ”比）は、表面６０に対して第一のシール部材８１が所望な径方向の力を提供できるように選ばれる必要があり、また、本発明の開発段階時には、シール部材８１の内径と外側の円筒形状面６０の間で大きく接触してフィットできるように傾向が定められた。しかしながら、上記組付け方法を達成できるようにするためには、シール用のキャビティ内に装着される直前に、必要とされるシール部材の変形を行えるように（また、場合によっては、手動で行えるようにするように）、Ｈ／Ｗ比を選択する必要があった。例示的にのみ示すと、図５に示すように、シール部材６３のＨ／Ｗ比は、約４：１の範囲内にある。
【００３７】
シール用のキャビティ７３と７５内に二つのシール部材６３を装着するように、プレナム部材１７を“組付けた”後、プレナム部材１７をクラッチハウジング１５上に装着することが可能になる。第一のシール部材８１は、内側の円筒形状面８５を超えて、径方向で内側には延びておらず、このため、一時的に、表面６０の外径よりも小さな内径を有するので、ハブ部６１を超えてシール部材６３をスライド移動することをデリケートな操作で行うことができる。従って、本発明に関する一つの特徴として、外側の円筒形状部９１の長さを選択することは、組み付け時に、プレナム部材１７を組付けられていない位置から右側に、図２に示す位置に向って移動させて、シール部材６３がシール用のキャビティ７５内で外側の円筒形状面６０と係合し始める前に、部位９１が銅合金製のブッシング９３を超えてスライドし始めるように定められる。換言すると、外側の円筒形状部９１の係合は、ハブ部６１を超えるようにプレナム部材１７を“案内して”、外面６０と内面８５の間で同心性が失われることを最小にする。当該シール技術分野において通常の知識を有する者には理解できるように、関連する表面が同心状の場合には、組付け時にシール部材を損傷させる可能性をより少なくさせることができる。
【００３８】
上述したように、シール部材によってシールされる表面に対して可能な限り最も滑らかに表面の仕上げを行うように、最良なシール構成を用意することは必要とされない。また、クラッチハウジング１５は、上述したように、スチールフォージングによって得られるのが好ましい。典型的に、外側の円筒形状面６０は、この後に機械加工されるが、ハブ部６１の表面６０に対して仕上げを行うのに用いられる特定のプロセスは、本発明にとって本質的な特徴ではない。また、表面６０がシール部材８１との接触領域で“拭き取られる”場合よりも、表面６０上に幾分かのオイルが保たれて、シール部材８１を潤滑できるように、表面６０が十分な表面粗さを有する場合には、圧力と、長いシール寿命を保つ上で、非常に良好なシール性能を得られることが解かっている。本発明の開発段階では、しばらくカップリング装置を操作した後、第一のシール部材８１から幾分かのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）材料が表面６０まで伝えられることがあることが解かっている。
【００３９】
ここで、主に図６と７を参照すると、本発明に係る他の実施形態が示されており、この場合、同一又は同様の部品は同一の参照番号で示されているが、但し、図１〜５に示した実施形態と比べて、“１００”を増やすように参照番号が付けられている。即ち、図６では符合１１７を用いてプレナム部材を示しているが、これは、上述した実施形態で用いられた符合１７とわずかに異なっている。但し、このような差は本発明にとって無関係であることを理解されたい。プレナム部材１１７の外側の円筒形状面１９１には、銅合金製のブッシング１９３が設けられており、このブッシング１９３の左側には、低圧用のシールアセンブリ１９５が取り付けられており、このアセンブリには、クラッチハウジング１５の近接する外面上で乗り上げられるようにリップ部１９５Ｌが含まれており、上述したように、エアの侵入を防ぐようにしている。従って、本発明の他の実施形態に係る低圧用のシール１９５は、第一の実施形態に用いられたシール９５と比べて、幾分より低いシールドラッグを有している。
【００４０】
次に、主に図７を参照すると、シールキャビティ１７３内に、符合１６３を用いて概略的に示すようにシール部材が配置されている。第一の実施形態と同様に、シール部材１６３は、第一のシール部材１８１と第二のシール部材１８３を含み、また、この実施形態では、第一の実施形態と同様の材料からシール部材を形成することができる。第二のシール部材１８３は、径方向で外側に、拡径された部位を有しており、これは上述したものと同様の機能を有しており、つまり、シール部材１６３をシールキャビティ１７３内で回転できないように保持させている。但し、相違点の一つとして、シール部材１８３は、部材１８１のすぐ径方向で外側の部位が、部材８１のものと比べて、比較的広くされており、また、部材１８１には、符合１８３Ｕを用いて示すように、チャンファ又はアンダーカットが備えられている。テストを通じて、表面６０に対して第一のシール部材１８１を所望な一定の径方向の力を及ぼすために、部材１８３の所望の弾性を得る上で、アンダーカット部１８３Ｕを設けることは非常に効果的であることが解かっている。また、アンダーカット部１８３Ｕは、組付け時に効果的となるように、部材１８１の柔軟性を提供させている。さらに、アンダーカット部１８３Ｕは、シールキャビティ１７３内で第二のシール部材１８３が熱膨張するために十分な広さを提供しており、このため、熱膨張が第一のシール部材１８１上に過度の径方向で内側に負荷を与えることがないようにしている。
【００４１】
第一の実施形態では、シール部材６３のＨ/Ｗ比は、約４：１であった。本発明に係る他の実施形態では、シール部材６３のＨ/Ｗ比（レスト状態で、部材１８１と１８３を合わせた全体の高さ）は、約３．２：１である。従って、好ましくは、シール部材のＨ/Ｗ比は、約２．５：１〜約５：１の範囲内にあるということができるが、より好ましくは、約３：１〜約４：１の範囲内にある。このＨ/Ｗ比内にあるシール部材は、ほとんどの応用例で、操作温度の範囲にわたって、シールキャビティ内にシール部材を装着する性能と、近接する外面６０に対して径方向にシール力を及ぼすこととの間で、良好なバランスを提供する。
【００４２】
以上、添付した図を参照しながら、二つの“径方向”のタイプのシール部材６３と１６３を用いる高圧用のシール構成に関して、本発明について説明した。しかしながら、一対の径方向のタイプのシール部材によって定められるように、この間に、高圧用の領域を設けることは、本発明を実施する上で必須ではないが、このことは、図示したように、二つの径方向のシールを用いることは、高圧流体の圧力が変化する際に、プレナム部材１７上に作用する任意のネットの軸方向の付勢力を減少させるので好ましい。
【００４３】
以上、本発明について、上述した実施形態を参照しながら詳述したが、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、この実施形態に関する説明を読解することで、本発明に対して様々な修正や変更を加えることが可能であると思料する。但し、このような修正や変更の全ては、本明細書に添付した特許請求の範囲内に収まる限り、本発明に含まれることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明を利用することができるタイプの、自動車のディファレンシャルカップリング装置を示す軸方向の断面図である。
【図２】図１に示したものと同様の、要部の軸方向断面図であるが、本発明に係る改良された流体圧力システムをより強く関係させたカップリング装置の要部を示す図である。
【図３】本発明の実施形態を含むタイプの図１及び２に示されたカップリング装置の、プレナム部材を含む、制御弁アセンブリを示す斜視図である。
【図４】図２に示したものと同様の、要部の軸方向断面図であるが、本発明に係るシールアセンブリとハブ部を詳細に示す図であり、また、理解の容易化を図るため、シールを取り除いて示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係るシール部材の一つを拡大して、幾分絵的に示す図であり、シール部材をこのキャビティ内に示すが、“レスト”状態（つまり、ハブ部を示していない）で示す図である。
【図６】本発明に係る他の実施形態を示す図であり、プレナム及びシールアセンブリの軸方向の断面図（上半分のみ）を幾分拡大して（図２と比べて）示す図である。
【図７】図６に示した本発明に係る他の実施形態に従って形勢されたシール部材の一つの要部の軸方向断面図であり、“レスト”状態で示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１１            カップリング装置（ディファレンシャルカップリング装置）
１３、１５      ハウジング
１７、１１７    プレナム部材（弁ハウジング、制御弁アセンブリ）
２９            クラッチアセンブリ（クラッチパック）
３１            第一クラッチ部材（外側のディスク）
３３            第二クラッチ部材（内側のディスク）
３５            出力部（カップリング部材）
３９            クラッチキャビティ（クラッチピストンチャンバ）
４１            クラッチアプライ部材（クラッチピストン）
４３            圧力チャンバ（ピストン圧力アプライチャンバ）
４７、４９      加圧流体の源（ローター）
５３            流路
５９            第一ポート（流路）
６０            外側の円筒形状面
６１            ハブ部
６３、１６３    環状のシール部材
６９            制御弁アセンブリ
７１            流路
７７            第二ポート（溝）
８５            内側の円筒形状面
【図１】
2006112629.tif 000003
【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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