(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケースとカバーによって形成され、前記ケースがトランスミッションの出力に動作的に連結されているハウジングと、
前記ケースの中の入力ローラ軸受によって回転自在に支持される入力軸と、
前記カバーの中の後方出力ローラ軸受によって回転自在に支持される主要出力軸と、
前記ハウジングの下側部分において、前方出力ローラ軸受によって回転自在に支持される二次的出力軸であって、バルジジョイントに動作的に連結され、トルクを伝達するベル形のフランジを有するような二次的出力軸と、
前記主要出力軸にスプライン結合され、下側の被駆動スプロケットに動作的に連結される駆動スプロケットであって、前記下側の被駆動スプロケットは後方ローラ軸受によって回転自在に支持されて、前記二次的出力軸に選択的にトルクを伝達するような駆動スプロケットと、
第一の軌道輪と、第二の軌道輪と、前記第一の軌道輪と第二の軌道輪の間に延びる複数のラチェット要素からなり、前記複数のラチェット要素は前記第一の軌道輪と第二の軌道輪の周囲に複数の列で配置されているクラッチアセンブリと、
を備え、
前記第一の軌道輪は複数の取付用陥凹部を有するように機械加工され、当該取付用陥凹部の中に各ラチェット要素が旋回自在に取り付けられ、
前記第二の軌道輪には複数の切り込みが設けられ、当該切り込みに前記ラチェット要素が係合し、また係合状態から外れ、
前記ラチェット要素はそれぞれ旋回軸を含み、当該旋回軸からロッキングアームが延び、
各ラチェット要素は、取付用陥凹部から切り込み内へと前記ロッキングアームを通常は付勢するようになされたばねを含み、
前記クラッチアセンブリは、第三の軌道輪をさらに備えるとともに、前記第二の軌道輪と前記第三の軌道輪との間に延びる追加の複数のラチェット要素を含む、
自動車用トランスファケース。
【請求項２】
前記クラッチアセンブリの前記ラチェット要素のいくつかは時計回り方向に延び、前記ラチェット要素のいくつかは反時計回り方向に延びる、請求項１に記載の自動車用トランスファケース。
【請求項３】
前記クラッチアセンブリによって双方向の使用が可能となる、請求項１に記載の自動車用トランスファケース。
【請求項４】
前記クラッチアセンブリは、前記ラチェット要素の列のいくつかを同じ方向に取り付けることによってバックラッシュが縮小される、請求項１に記載の自動車用トランスファケース。
【請求項５】
前記クラッチアセンブリは、前記ラチェット要素の列のいくつかを同じ方向に取り付けたときに、バックラッシュ率が０．５に縮小される、請求項１に記載の自動車用トランスファケース。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づき、２００８年１０月２２日に出願された米国仮特許出願第６１，１０７，５７１号の優先権を主張する、特許協力条約に基づく特許出願である。
【０００２】
本願は一般に、クラッチアセンブリに関し、より詳しくは、放射状のラチェットを有するワンウェイクラッチおよび選択的に係合可能なクラッチに関する。
【背景技術】
【０００３】
トランスファケースは、フルタイムおよびパートタイム四輪駆動車で使用され、入力軸を通じて車両のトランスミッションから受け取った駆動力を、１対の出力駆動軸に分配する。駆動軸の一方は車両の前輪に駆動力を伝え、もう一方の駆動軸は車両の後輪に駆動力を伝える。二輪駆動と四輪駆動の間でモード切替が可能な車両において、トランスファケースの入力軸はその出力軸の一方に常時動力を伝達し、もう一方の出力軸には、ビスカスカップリング、電磁クラッチまたは位置決め可能な平歯車等、何らかの種類の係合状態解放可能またはその他調節可能な連結手段によって、選択的に駆動力を伝達する。時には、上記以外の駆動モードが提供されることがあり、たとえば、四輪駆動速度がより高速の四輪駆動高速、駆動速度がより低速の四輪駆動低速、トランスミッションを前後のアクスルから外し、牽引を可能にするニュートラル、車輪スリップを制御するための四輪駆動ロック等がある。
【０００４】
さらに、トランスファケースの他の応用方法も開発されており、たとえばオンデマンド四輪駆動では、トランスファケースは四輪駆動のための関連部品とともに車両に搭載されるが、四輪駆動モードには、二輪駆動での駆動力が足りなくなった場合のみ、自動的に切り替わるようになっている。フルタイム、すなわち常時四輪駆動モードは「全輪駆動」とも呼ばれ、これも現在、いくつかの車種で採用されている。このモードでは、四輪駆動を解除できず、固定されたままである。
【０００５】
このような車両に用いられるトランスファケースにおいて、駆動力を伝達するために特定の要素または構成要素が必要である。より詳しくは、ある特定の駆動状況で、他の状況では伝達しなくてもよい駆動力を選択的に伝達するための特定の要素が必要となる。トランスファケースの中で駆動力または回転力を選択的に伝えるために使用される装置の一例が、ワンウェイクラッチである。ワンウェイクラッチは、内輪と外輪および、その間に配置された係合機構を有する周知の装置である。一般に、係合機構は、軌道輪(race)の相対的回転が特定の一方向である時に、軌道輪を相互にロックするように設計されている。軌道輪が逆の相対的方向に回転すると、係合機構のロックが外れ、軌道輪は互いに関して自由に回転する。実際には、軌道輪がそれぞれ同心のシャフトに固定されていると、ワンウェイクラッチは係合時にこれらのシャフトをまとめて保持するように機能し、同じ方向に回転させることによって、一方のシャフトからもう一方のシャフトに動力、すなわち駆動トルクを伝える。ワンウェイクラッチの係合が外れると、シャフトは互いに関して自由回転する。
【０００６】
個々の用途によって、ワンウェイクラッチ係合の設計方法が決まる。ワンウェイクラッチは、一方の軌道輪が駆動部材、もう一方が被駆動部材となるように設計されてもよく、また、クラッチは、駆動モードに応じてどちらかのシャフトが駆動部材として機能するように設計されてもよい。このように、ワンウェイクラッチのロッキング機構は、軌道輪の一方のみの回転に応答して係合するように設計されてもよく、あるいは、クラッチは、いずれか一方の軌道輪が適正な相対的回転を行うと係合するように設計されてもよい。
【０００７】
ワンウェイクラッチは一般に、シャフトからシャフトまたはシャフトから軌道輪に回転トルクを伝達する係合が望ましい状況において使用されるが、スプラインまたはキー結合等の「ハードの」結合ができなくなってしまう。たとえば、特定の動作パラメータでは、四輪駆動車には、前輪と後輪が協調的に駆動されることから、動力伝達上の問題が発生することがあるが、これはトランスファケースに上記のようなワンウェイクラッチ装置を使用すれば回避できる。四輪駆動車が、４本の車輪が直結されたまま、舗装された道路で急カーブを曲がる時、「タイトコーナーブレーキング現象」と呼ばれるものが生じるかもしれない。これは、中心点から半径方向の距離が異なる地点で回転する物体に影響を与える固有の物理的幾何学による。四輪駆動車には、２つの明確な効果がある。１つは、どのような車両でも、カーブに入ると、カーブ外側の車輪は、カーブの中心からの半径方向の距離が大きいため、カーブ内側の車輪より長い円周方向の距離を移動しなければならないことである。カーブが急であるほど、内側の車輪と外側の車輪の間の回転速度、角速度の差が大きくなる。したがって、カーブでは外側の車輪が内側の車輪より速く回転しなければならない。この効果は四輪駆動車の場合により顕著となるが、一般には、前後のアクスルに設置されたその車両のディファレンシャルアセンブリによって対抗される。もう１つは、前輪がカーブに入ってから出るまで車体を先導するため、前輪は後輪より速く回転しなければならないことである。固定された四輪駆動係合の場合、このような動作に対抗する装置（ディファレンシャル等）はなく、より低速で移動する後輪が、好ましくないブレーキのような動作をする。
【０００８】
上記の問題を解決するために、トランスファケースにおいてワンウェイクラッチを採用することにより、車両がカーブを曲がり始めると、前輪（ワンウェイクラッチによってトランスファケースの出力軸に連結されている）が外れ、後輪より速く自由回転できるような構成がとられている。特に、ワンウェイクラッチの被駆動軸（すなわち、四輪駆動の前輪への出力軸）は、入力軸、すなわち駆動軸より高速で回転し始め、ワンウェイクラッチ機構が外れて、出力軸は入力軸に対して自由回転する。これによってトランスファケースは瞬間的に四輪駆動モードから解除され、「タイトコーナーブレーキング現象」が防止される。
【０００９】
四輪駆動に関する別の好ましくない駆動効果は、エンジンブレーキの作動中に発生する。これは、マニュアルトランスミッションの四輪駆動車において四輪駆動モードで惰行運転中に発生する。マニュアルトランスミッションは車両とエンジンとが物理的に連結されたままにし、車が惰行すると、エンジンがトランスファケース、入力軸と出力軸の両方、そして最終的には前輪と後輪の両方に減速、すなわち制動力を加える。マニュアルトランスミッションの二輪駆動車の後輪を通じてエンジンブレーキを作動させた場合に通常発生する好ましくない寄生効果は、燃費と効率に不利な影響を与え、これは、四輪駆動車の場合、前輪にも加わるため、大幅に増大する。この例において、ワンウェイクラッチをトランスファケースの動力伝達部に使用すると、エンジンブレーキ効果による入力軸の減速によって、出力軸（前輪に連結されている）が外れて自由回転し、トランスファケースが循環的に四輪駆動モードから解除され、エンジンブレーキ効果が前輪に伝わらなくなり、その結果、燃費に及ぶ不利な影響が軽減される。
【００１０】
最後に、オンデマンド方式では、ワンウェイクラッチをトランスファケースに採用し、通常の二輪駆動モードで後輪の一方が車の加速中にスリップした場合、入力軸の回転速度が増大し、ワンウェイクラッチ係合要素がトランスファケースを四輪駆動モードに切り替えて、前輪を被駆動モードにするようにすることができる。
【００１１】
ワンウェイクラッチを利用したトランスファケースの設計技術が進化を続けるにつれ、非常に価値があることがわかっているが、ワンウェイクラッチの設計にはある限界も見え始めてきた。最も重要な点として、ワンウェイクラッチは上記の問題や欠点を解決するが、ワンウェイクラッチは、それ自体、一方向にしか動かない。言い換えれば、トランスファケースの入力軸と出力軸の間の、前進方向への一方向に回転する係合では、四輪駆動の前進運動は可能であるが、四輪駆動の後退運動はできない。この機能を提供するために、トランスファケースには、ワンウェイクラッチを補足するための追加の機構や装置が付加されてきた。しかしながら、その結果、トランスファケースは重量化し、より複雑となった。
【００１２】
トランスファケースの機械的複雑さを軽減し、物理的な嵩を縮小し、その機能性を増大させるという同時進行の設計目標によって、ワンウェイクラッチ機構が双方向、すなわち二方向（ツーウェイ）に係合できるように改良する、別のトルク伝達装置の設計が考案された。この装置は一般にツーウェイクラッチと呼ばれる。ツーウェイクラッチは、四輪駆動に関わる上記の問題のすべてを解決し、完全前進後退機能を提供するうえで望ましい。これによって、入力軸は四輪駆動モードの両方の回転方向への駆動部材として設計されるが、入力軸が停止しているか、出力軸より低速で回転しているときには、必要に応じて被駆動出力軸の双方向への自由回転運動も可能となる。
【００１３】
さらに、従来のツーウェイクラッチの設計は四輪駆動モードでの駆動に伴う上記およびその他の問題を解決するのに非常に有益であるものの、四輪駆動の係合にツーウェイクラッチを使用する用途において、特定の問題の原因となる、ある欠陥が依然として存在することが明らかとなってきた。特に、第一の回転方向のためにツーウェイクラッチの軌道輪を係合させた内側の連結部から、逆転、すなわち第二の方向のための軌道輪の係合部までに、物理的な角距離がある。この角距離はバックラッシュと呼ばれ、トランスファケースの使用可能寿命中に駆動回転方向を変更するために繰り返しツーウェイクラッチが使用されると、機械的な問題の原因となりうる。これは、１つの回転方向からもう一方の方向への切替時に機械的負荷がかかるからである。この回転シフトは衝撃性の大きな衝撃負荷となり、ツーウェイクラッチによって吸収されるだけでなく、動力伝達系の中でツーウェイクラッチに取り付けられた他の構成要素にも伝えられ、すべて反復的な有害な影響を受ける。この衝撃負荷は、構成要素の寿命と信頼性を低下させ、車両の乗り心地も悪くなるため、有害である。
【００１４】
ツーウェイクラッチアセンブリ内のバックラッシュの量を減少させるために、いくつかの試みがなされているが、これらは一般に、トランスファケースの構造の設計を実質的または大幅に変更することが必要とする。現在使用されている代表的なツーウェイクラッチの場合、構造的に固有のバックラッシュは、物理的に４ないし５度の回転角度までしか縮小できない。このような一見小さなバックラッシュであっても、上述の問題の原因となる。
【００１５】
そこで、トランスファケース内の動力伝動装置の構成要素として使用するための、バックラッシュが減少され、またはわずかであるために衝撃負荷が軽減され、クラッチおよび関連する構成要素の寿命が延び、車両の乗り心地が改善されるような、改良されたクラッチアセンブリを作り出すことが求められている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の１つの態様によれば、内輪と、外輪と、内輪と外輪の間に延びる複数のラチェット要素とを備え、複数のラチェット要素は、内輪と外輪の周囲に複数の列として配置されるクラッチが開示される。
【００１７】
本発明の別の態様によれば、バックラッシュが少なく、双方向に動作できるクラッチの操作方法が開示され、この方法は、内輪と、外輪と、ロッキングアームと、カム面と、肩状部とを有するクラッチを提供するステップと、内輪を外輪に対して時計回り方向に回転させて、この回転によってロッキングアームがカム面に沿ってスライドし、内輪が自由に運動できるようにするステップと、内輪を外輪に対して反時計回りに回転させて、この回転によってロッキングアームが肩状部と係合し、それ以上の回転を防止するようにするステップと、を含む。
【００１８】
本発明のまたは別の態様によれば、ケースとカバーにより形成されるハウジングであって、ケースがトランスミッションの出力に動作的に連結されているハウジングと、入力ローラ軸受とケースによって回転自在に支持される入力軸と、カバー内で後方出力ローラ軸受によって回転自在に支持される主要出力軸と、ハウジングの下側部分において前方出力ローラ軸受によって回転自在に支持される二次的出力軸であって、バルジジョイントに動作的に連結されてトルクを伝達するベル形のフランジを有する二次的出力軸と、主要出力軸にスプライン結合され、下側被駆動スプロケットに動作的に連結された駆動スプロケットであって、下側被駆動スプロケットが後方ローラ軸受によって回転自在に支持されて、二次的出力軸に選択的にトルクを伝達するような駆動スプロケットと、内輪、外輪、内輪と外輪の間に延びる複数のラチェット要素を有し、複数のラチェット要素が内輪と外輪の周囲に複数の列として配置されるクラッチアセンブリと、を備える自動車用トランスファケースが開示される。
【００１９】
本願の上記およびその他の態様と特徴は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによって明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本願の教示に従って製造されたクラッチを利用したトランスファケースの断面図である。
【図２】クラッチアセンブリの１つの実施形態の部分図である。
【図３】図２の実施形態の、図２の線３−３に沿って切断した断面図である。
【図４】図２の実施形態の、図２の線４−４に沿って切断した断面図である。
【図５】すべて同じ方向に延びるラチェット要素を２セット有する３つの軌道輪を利用した、本願の別の実施形態の断面図である。
【図６】反対方向に延びるラチェット要素を２セット有する、本願の別の実施形態の断面図である。
【図７Ａ−７Ｅ】本願の教示によるクラッチの構成に使用される、実際のラチェット機構の各種実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本願には各種の変更を加え、またさまざまな実施形態を考案できるが、具体的な例示的な実施形態を図に示し、以下に詳細に説明する。しかしながら、理解すべき点として、いかなる記載事項も本願を開示された具体的な形式に限定するものではなく、反対に、本発明の精神と範囲の中に含まれるあらゆる変更、代替の構成、同等のものの一切を包含するものとする。
【００２２】
ここで、図面、特に図１を参照すると、四輪駆動車（図示せず）において利用され、本願を取り入れたトランスファケースが概して参照番号１０で示されている。トランスファケース１０は、従来の方法で中心線１８に沿って結合するケース１４とカバー１６により形成されるハウジング１２を備える。入力軸２０は入力ローラ軸受２２によって回転自在に支持され、ケースは従来の方法で、トランスミッションの出力に動作的に連結される。同様に、主要出力軸２４は、従来の方法でカバー１６の中の後方出力ローラ軸受２６によって回転自在に支持される。図面からわかるように、入力および出力軸は一体であるが、当業者であれば、これらは従来の方法で相互にスプライン結合される２つの軸として形成してもよいことがわかるであろう。入力軸と出力軸とが、トランスファケースの主要軸を画定する。
【００２３】
さらに、本願のトランスファケース１０は、前方出力ローラ軸受３０によってハウジング１２の下側部分に回転自在に支持される二次的出力軸２８を有する。二次的出力軸２８は、バルジジョイント（図示せず）に動作的に連結され、自動車が四輪駆動モードである時に車両の前輪にトルクを伝達するベル形のフランジ３２を有する。
【００２４】
駆動スプロケット３４は、主要出力軸２４にスプライン結合され、ハウジング１２の上側部分において、それと一緒に回転する。駆動スプロケット３４は、破線で示される鎖３８によって、下側の被駆動スプロケット３６に動作的に連結される。下側の被駆動スプロケット３６は、後方ローラ軸受３９によってハウジング１２の下側部分で回転自在に支持され、二次的出力軸２８に選択的にトルクを伝達する。これ以降に説明する１速度トランスファケース(ｏｎｅ  ｓｐｅｅｄ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｃａｓｅ)１０は、当業界で従来のものである。
【００２５】
しかしながら、本願のクラッチに関しては、これは概して参照番号４０によって示される。図２に最もよく示されているように、第一の実施形態において、クラッチ４０は、内輪４２と、外輪４４と、内輪と外輪４２、４４の間に延びる複数のラチェット要素４６を備えていてもよい。ラチェット要素４６は、第一の円周上の列４６ａと第二の円周上の列４６ｂとして設けられていてもよい。
【００２６】
当業者であれば理解できるように、ラチェット要素４６は旋回軸５０を有していてもよく、そこからロッキングアーム５２が延びる。外輪４４は複数の取付用陥凹部５４を有するように機械加工されてもよく、この陥凹部５４に各ラチェット要素４６を旋回自在に取り付けることができる。別の実施形態において、複数のラチェット要素４６は、内輪４２における旋回運動のためにも同様に取り付けることができる。
【００２７】
次に、図３を参照すると、第一の列のラチェット要素４６ａが断面図によってより詳細に示されている。図のように、旋回軸５０が外輪４４に取り付けられ、ロッキングアーム５２は内輪４２に向かって時計回り方向に延びる。次に、内輪４２には複数の切り込み５６が設けられ、そこにラチェット要素４６に係合し、係合を解除できる。より詳しくは、各切り込み５６は、カム面５８と肩状部６０を有する。カム面５８には角度が付けられ、内輪４２が外輪４４に対して時計回り方向に回転することによって、ロッキングアーム５２がカム面５８に沿ってスライドし、その結果、内輪４２が自由に運動できるようになっている。しかしながら、内輪４２が外輪４４に対して反時計回り方向に回転しようとすると、ロッキングアーム５２が肩状部６０と係合し、その回転を阻止する。ばね６２は、各ラチェット要素４６に関連付けられ、ロッキングアーム５２を切り込み５６に向かって付勢する。
【００２８】
しかしながら、第一の列のラチェット要素４６ａと同時に、第二の列のラチェット要素４６ｂも外輪４４に取り付けられる。図２に示されるように、第二の列４６ｂは外輪４４の周囲に円周方向に、そこから単純に横方向に離して設けられてもよい。さらに、第二の列のラチェット要素４６ｂは、第一の列４６ａと同じ時計回り方向に延びてもよく、あるいは図４に示されるように、逆の反時計回り方向に延びるように取り付けてもよい。同じ方向に取り付けた場合、そのクラッチアセンブリは従来のクラッチと比較して、バックラッシュが大幅に減少され、たとえば５０％程度小さいこともありうる。したがって、本願は、本明細書において、たとえば０．５程度の低いバックラッシュ率を有するものとされる。反対の方向に取り付けた場合、そのクラッチアセンブリは双方向運動が可能であり、これについて本明細書でより詳しく説明する。
【００２９】
また別の実施形態において、第一と第二の列のラチェット要素４６ａ、４６ｂは、３つ以上の軌道輪の間に延びていてもよい。言い換えれば、このようなクラッチは、第一、第二、第三の軌道輪６３、６４、６６を有していてもよく、第一の列のラチェット要素４６ａは第一の軌道輪６３と第二の軌道輪６４の間に延び、第二の列のラチェット要素４６６ｂは第二の軌道輪６４と第三の軌道輪６６の間に延びる。さらに、前述の実施形態と同様に、第一と第二の列のラチェット要素４６ａ、４６ｂは、同じ方向（図５では時計回り方向）か、または図６に示されるように反対方向に延びるように取り付けて、バックラッシュを縮小し、または双方向で使用できるようにしてもよい。特に後者の実施形態に関して、双方向に取り付けることによって４種類の動作モードが可能となることがわかる。具体的には（１）時計回りおよび反時計回りの両方向への自由回転／オーバーラン、（２）時計回りおよび反時計回りの両方向へのロック／トルク伝達、（３）時計回り方向へのロックと反時計回り方向へのオーバーラン、（４）反時計回り方向へのロックと時計回り方向へのオーバーランである。
【００３０】
最後に、図７Ａ−図７Ｅは、本願で使用可能なラチェット要素４６のさまざまな種類と形状の実施形態を示す。これらは単に例として示されており、これらに限定されることはない。さらに、上の説明では主として放射状のラチェットクラッチに言及しているが、円周方向の複数の列の要素は、たとえば、ローラクラッチ、スプラグクラッチその他、別の種類のクラッチでも利用可能である。
【００３１】
上記の説明から、本願は、たとえば最大５０％と、大幅に減少されたバックラッシュのクラッチを構成するのに使用できることがわかる。さらに、軌道輪と複数のラチェット要素の向きを利用して、少なくとも４つの動作モードを有する選択可能なクラッチを作製できる。
【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７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図７ｅ】
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