(57)【要約】【課題】電磁式２方向クラッチの係合応答性を向上させて、四輪駆動車におけるタイトコーナブレーキ現象等の発生を防止する。【解決手段】四輪駆動モードのような常時係合を維持するときはスイッチング素子ＳＷ１のオフ時のコイル２２の電流の減衰を小さくするためにダイオードＤのみで電流を還流し、オートモードのように電磁２方向クラッチの応答性が重要な場合は、電磁クラッチの係合オフの応答性を向上させるために、コイル２２端に抵抗Ｒ等の負荷をつけ、コイル電流を接続した抵抗等で消費させてスイッチング素子オフ時のコイル電流の減衰を大きくすることができる回路を構成する。【選択図】　図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の回転軸と第２の回転軸間における動力の伝達と遮断を行う２方向クラッチと、この２方向クラッチの係合を制御する電磁クラッチとを備え、電磁クラッチの電磁コイルに流す電流をスイッチング素子によって制御する電磁式２方向クラッチの通電制御回路において、スイッチング素子の作動によって外部から電磁コイルへの電流供給を遮断したとき、電磁コイル自身から発生する電流を流す複数の回路を、選択可能に設けたことを特徴とする電磁式２方向クラッチの通電制御回路。
【請求項２】
上記２方向クラッチを常時係合させるときに、スイッチング素子を頻繁にオン・オフして電磁コイルの電流を減らす場合に、コイル自身から発生する電流を流す回路として、電磁コイルとダイオードのような整流素子とが直列となる回路が選択される請求項１記載の電磁式２方向クラッチの通電制御回路。
【請求項３】
外部から電磁コイルへの電流供給を遮断したときに、電磁コイル自身から発生する電流を流す回路として、電磁コイルと電流の流れを妨げる素子とが直列となる回路、またはさらにダイオード等の整流素子が直列に挿入されている回路が選択される請求項１記載の電磁式２方向クラッチの通電制御回路。
【請求項４】
四輪駆動車における常時二輪駆動モード、常時四輪駆動モード、走行状態によって自動的に二輪駆動状態と四輪駆動状態を切換えるオートモードの各モードの切換え制御に使用する請求項１〜３のいずれかに記載の電磁式２方向クラッチの通電制御回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、２つの回転軸にそれぞれ設けられた摩擦係合器間に、電磁力の作用により摩擦力を発生させ、回転軸間の動力の伝達手段を切換える電磁式２方向クラッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
２つの回転軸間で動力の伝達を断続する機構としてクラッチがある。クラッチは種々の装置に適用されているが、例えば車両に適用されたクラッチなどでは、走行中に動力の伝達を速やかに切換えることが要求されている。このため、車両の走行状態に応じて適切な切換えを行うために、制御ユニットからの制御信号によって動力の伝達と遮断を迅速に制御できることが望ましい。特に、図１に示すようにＦＲベースの四輪駆動車においては、前輪に対する駆動力の伝達と遮断を切換えるために使用するクラッチにより、動力を遮断した場合に二輪駆動、動力を伝達した場合は四輪駆動状態となるので、迅速な応答性が要求される。
この四輪駆動車に使用されるクラッチは、２方向クラッチと、その２方向クラッチの係合を制御する電磁クラッチを一体とした電磁式２方向クラッチであり、例えば、特開平１０−７１８７２号公報においては２方向クラッチ部にローラ式のものが、特開平８−１７５２０６号公報においては２方向クラッチ部にスプラグ式のものが開示されている。
【０００３】
ところで、図１に示すように、ＦＲベースの四輪駆動車においては、エンジン２に連なるトランスミッション３からの出力を、入力軸５を介して直接後輪６の推進軸７に伝達し、トランスファの内部に、入力軸５と、それと同軸上かつ相対回転可能に装着されたチエンスプロケット８との回転伝達と遮断を行うためのローラ係合型の２方向クラッチ９と、その２方向クラッチ９のロックとフリーを制御する電磁クラッチ１０を設け、チエンスプロケット８はサイレントチエン１１を介して前輪推進軸１２と連動し、これによって、従来の典型的なパートタイム４ＷＤの走行モード（二輪駆動モード、四輪駆動モード）に加えて、オートモードが追加されている。
【０００４】
図２は上記電磁式２方向クラッチにおける２方向クラッチ９と電磁クラッチ１０の具体的な構造を示し、２方向クラッチ９は、内方部材１３と外輪１４を、軸受を介して同軸上に回転可能に嵌合させ、内方部材１３と外輪１４の一方に複数のカム面１５を設け、他方に円筒面１６を設け、両面間に楔形空間を形成し、その楔形空間内に保持器１７を設け、保持器１７に形成した複数のポケットに係合子としてのローラ１８を組み込み、ローラ１８が円筒面１６とカム面１５に係合しない中立位置へ保持器１７を支持付勢するスイッチばね１９を、保持器１７とカム面１５を有する内方部材１３または外輪１４の間で係止して形成されている。
【０００５】
また、電磁クラッチ１０は、外輪１４または内方部材１３に固定された摩擦フランジ２０と、保持器１７の端部に保持器１７とスライド可能、相対回転不可能に嵌合したアーマチュア２１を適当な隙間を介して重ね合わせ、その摩擦フランジ２０とアーマチュア２１を磁力により圧接させるための電磁コイル２２を設け、電磁コイル２２の電流をオン・オフすることによってローラ１８を係合または空転させるようになっている。
【０００６】
この回転伝達装置によれば、手動によるモード切換えスイッチのオートモードを選択すれば、車両が通常一定走行中は後輪駆動（二輪駆動）状態であり、前輪速度検出手段２３と後輪速度検出手段２４から入力される前後輪速度間の相違や変化度合をＥＣＵ（コントローラ）が演算し、車両が加速した場合、基本的に前後の回転数からＥＣＵが後輪のスリップを感知して設定値を越えたときに電磁クラッチ１０に電流が流れ、２方向クラッチ９がロックされ四輪駆動となる。
【０００７】
また、低μ路で急なエンジンブレーキを掛けた場合なども後輪のスリップを感知して電磁クラッチ１０に電流を流し、四輪駆動とする制御を行っている。
【０００８】
また、電磁式２方向クラッチを走行状態に合わせて自動的に二輪駆動と四輪駆動を切換る制御方法として、特開平８−１７５２０６号公報、特開平９−３２８０２２号公報、特開平１０−７１８７２号公報において前後輪の回転数差または回転数変化を利用したものが開示されている。
【０００９】
このような四輪駆動車においては、選択できる車両走行モードとして、二輪駆動モード、四輪駆動モード、走行状態に合わせて自動的に二輪駆動と四輪駆動を切換えるオートモードがある。
【００１０】
各モードの切換えは、電磁式２方向クラッチの係合を制御する電磁クラッチの電磁コイルがバッテリ等の電源と直列に接続されたスイッチング素子をオン・オフすることによって行われ、二輪駆動モードではこのスイッチング素子をオフとして常時電流を遮断し２方向クラッチを空転状態とし、四輪駆動モードではスイッチング素子をオンとして常時電流を通電し２方向クラッチを係合状態とし、オートモードでは四輪駆動にするときのみスイッチング素子をオンして電流を通電して２方向クラッチを係合状態とする。
【００１１】
電磁コイルの通電電流の大きさは、オートモードにおいて、２方向クラッチ部を空転状態から係合状態へ切換えるための電磁クラッチの係合応答性から概ね決定されているが、四輪駆動状態では常時コイル電流が通電状態であるため、切換えの応答性は必要ではなく、電流量を減らして消費電力を低減することができる。その手法として、特開平１１−１５９５４５号公報に示すように高速にスイッチング素子のオン・オフを繰り返すＰＷＭ制御がある。
【００１２】
図５（ｂ）に示すようにスイッチング素子ＳＷ１をオフすると、コイルＬは電流の変化を妨げるために逆起電力を発生させ電流を維持しようとする。コイルＬの両端にダイオードＤを接続すれば、電力損失はコイルＬの抵抗分でのみ消費されるので、コイル電流は少しずつ減衰しながら流れつづける。このため、ＰＷＭ制御するときは、オフ時のコイル電流の減衰量は少ないため、エネルギー効率がよく、コイル電流はほぼ一定となり、その大きさはオン・オフ制御のデューティ比にほぼ比例する（図６）。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
オートモードでは前後輪に所定の回転数差が発生した場合に電磁式２方向クラッチを係合させるが、例えば後輪急加速の場合には後輪と前輪の回転数差は時間とともに広がるので、係合応答性が遅いと電磁コイル２２の電流通電を開始してから係合までの間に回転数差が広がることになる。２方向クラッチが係合するときの前後輪の回転数差が大きいと運転者に係合時の違和感を与えるばかりか、係合時の衝撃ストレスが大きく電磁式２方向クラッチの耐久性を低下させる。したがって、電磁式２方向クラッチの係合応答性は非常に重要であり、係合応答性ができるだけ速いことが望ましい。
【００１４】
係合応答性を向上させる１つの方法として、電磁クラッチの応答性を向上させる方法があるが、この場合は電磁コイルの電流値を大きくすることや、電磁クラッチの吸引力を上げる。しかしながら、電流値を大きくすると、電磁コイルのＳＷ１をオフしたときに従来よりもオフ時のコイル電流が増加し減衰までの時間が延びる。また、電磁クラッチの吸引力を上げるには磁気回路の効率化が必要であるが、その場合には電磁コイルのインダクタンス成分が大きくなり、従来よりもコイル駆動回路の時定数が大きくなってしまう。時定数が上がるとコイル電流の立ち上がりが遅くなるが、磁気回路の効率化によってコイル電流から吸引力への変換効率が大きくなっているため、吸引力の応答性は向上する。この場合に時定数が大きくなるのでオフ時のコイル電流の減衰量が少なくなる。したがって、電磁クラッチの係合応答性を向上させると、電磁式２方向クラッチを係合状態から空転状態へ切換えるときの応答性が遅れるという問題が発生する。この遅れによってタイトコーナブレーキ現象が発生する。以下にタイトコーナブレーキ現象の発生メカニズムを述べる。
【００１５】
図２と図３に示すローラ式の電磁式２方向クラッチにおいて、スイッチばね１９によりローラ１８は内輪１３のカム面１５の中央に支持される。ローラ１８と外輪１４の間には隙間があるため、内輪１３と外輪１４は係合していない。電磁クラッチ１０の電磁コイル２２に電流を流すと、アーマチュア２１と外輪１４は摩擦係合するが、アーマチュア２１と保持器１７とは一体となっているため、外輪１４は保持器１７と係合することになる。図４（ａ）に示すように内輪１３が外輪１４よりも高速に回転しているときに電磁クラッチ１０を作動させて保持器１７と外輪１４を摩擦係合させる。摩擦係合力はスイッチばね１９より大きく設定されているので、ローラ１８は保持器１７によって内輪１３に対して位相遅れし、図４（ｂ）に示すように、内輪１３と外輪１４の間に形成された楔に入り込み、２方向クラッチ９が内輪１３で外輪１４を駆動するように係合する。そのまま電磁クラッチ１０の電磁コイル２２の電流を遮断して、内輪１３と外輪１４間の摩擦係合器の係合を解除しても、内輪１３で外輪１４を駆動する方向にトルクが伝達している間は、図４（ｃ）に示すように、２方向クラッチの係合がはずれない。この場合に係合を解除するには、図４（ｄ）に示すように、外輪１４が内輪１３より速く回転し、内輪１３から外輪１４へトルクが伝達しなくなる必要がある。
【００１６】
オートモードでは加速時の後輪スリップを防止するため電磁式２方向クラッチを係合させる。路面の摩擦係数μが高いアスファルト道路などの高μ路においてスエキリ旋回で急発進を行うと、最初は後輪がスリップし前輪より速く回転するので、制御ユニットはスリップを防止するために、図５（ａ）に示すように電磁コイル２２のスイッチング素子ＳＷ１をオンさせて電磁コイル２２に電流を流し電磁式２方向クラッチを係合させる。後輪のスリップがなくなると、旋回中であるので前輪は後輪よりも回転半径が大きく、前輪が後輪より速くなる。そのときに制御ユニットは２方向クラッチの係合を解除しようと、図５（ｂ）に示すように電磁クラッチ１０の電磁コイル２２を駆動するスイッチング素子をオフするが、ダイオードＤを経由して流れるコイル電流は減衰が小さく、しばらく流れつづけるために電磁クラッチ１０の係合がすぐには解除されない。前輪が後輪に対して急激に速くなる場合に、電磁クラッチ１０の係合解除よりも、前後輪間の急な回転差による２方向クラッチ９の係合が速い。この場合に２方向クラッチ９が前輪で後輪を駆動する方向に係合する。高μ路を旋回中であるので、前輪は後輪より速く回転しようとし、２方向クラッチ９の係合が維持される。旋回中であるので、前輪が後輪より速く回転しなくてはならないが、前輪と後輪は等しい回転数でしか回転できないため、タイトコーナブレーキ現象が発生する。
そこで、この発明は、電磁式２方向クラッチの係合応答性を向上させて、四輪駆動車におけるタイトコーナブレーキ現象等の課題を解決しようとするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、この発明は、第１の回転軸と第２の回転軸間における動力の伝達と遮断を行う２方向クラッチと、この２方向クラッチの係合と解除を制御する電磁クラッチとを備え、電磁クラッチの電磁コイルに流す電流をスイッチング素子によって制御する電磁式２方向クラッチの通電制御回路において、スイッチング素子の作動によって外部から電磁コイルへの電流供給を遮断したとき、電磁コイル自身から発生する電流を流す複数の回路を、選択可能に設けたものである。
【００１８】
例えば、電磁式２方向クラッチを常時係合させるときに、スイッチング素子を頻繁にオン・オフして電磁コイルの電流を減らす場合に、コイル自身から発生する電流を流す回路として、電磁コイルとダイオードのような整流素子とが直列となる回路を選択するようにする。
【００１９】
また、電磁式２方向クラッチを係合状態から、係合を解除させる場合に、スイッチング素子によって、外部から電磁コイルへの電流供給を遮断したときに、電磁コイル自身から発生する電流を流す回路として、電磁コイルと電流の流れを妨げる素子とが直列となる回路、またはさらにダイオード等の整流素子が直列に挿入されている回路を選択するようにする。
【００２０】
この発明の制御回路は、四輪駆動車の回転伝達機構として電磁式２方向クラッチが使用される場合に、常時二輪駆動モード、常時四輪駆動モード、走行状態によって自動的に二輪駆動状態と四輪駆動状態とに切換えるオートモードの各モードの切換え制御に使用することができる。
【００２１】
即ち、四輪駆動モードのような常時係合を維持するときはスイッチング素子オフ時のコイル電流の減衰を小さくするためにダイオードのみで電流を還流し、オートモードのように電磁式２方向クラッチの応答性が重要な場合は、電磁クラッチの係合オフの応答性を向上させるために、コイル端に抵抗等の負荷をつけ、コイル電流を接続した抵抗等で消費させてスイッチング素子オフ時のコイル電流の減衰を大きくする。
【００２２】
【実施例】
この発明に係る電磁式２方向クラッチにおける電磁クラッチの制御回路の例を以下に示す。
この制御回路の例では、スイッチング素子としてスイッチ記号を用いているが、通常はパワーＭＯＳ型ＦＥＴやパワートランジスタ等の半導体素子が使用される。
まず、図７には、抵抗ＲとダイオードＤを使用した制御回路を示している。この制御回路は、オートモードの状態において、図７（ａ）に示すように、ＳＷ２をオフにし、ＳＷ１オフ時のコイル電流はＳＷ２と並列に取り付けられた抵抗Ｒを経由して電磁コイル２２を還流するようにしている。そして、四輪駆動モードでは、図７（ｂ）に示すように、ＳＷ２をオンにし、ＳＷ１オフ時の電流がＳＷ２を経由して抵抗Ｒには流れないようにしている。上記オートモードでは抵抗Ｒによってエネルギー消費が行われるため、コイル電流は速く減衰する。この減衰の度合いは図８に示すように時定数によって決定され、τ１はＳＷ２と並列に取り付けられた抵抗Ｒ分だけ時定数が小さくなる。
【００２３】
この制御回路において、抵抗Ｒをなくすと、時定数は０となり、コイル電流はほぼ瞬間になくなるが、この場合はコイルの逆起電力が大きくなるためＳＷ１へ高電圧が印加されることになる。ＳＷ１が半導体素子の場合は逆起電力がＳＷ１の耐電圧を超えるとＳＷ１は破壊されることがあるので、抵抗Ｒは必要である。この場合に抵抗Ｒはサージ回路としてＳＷ１へ印加される電圧を抑制する。
【００２４】
次に、上記の例では、オートモードのときに抵抗Ｒを使用したが、図９に示すように、定電圧素子であるバリスタＺや、抵抗ＲとコンデンサＣを使用して制御回路を構成することができる。
【００２５】
また、以上の例は、ＳＷ２に並列に抵抗等の素子を接続した場合であるが、他の方法としては、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、ＳＷ１へ並列にバリスタや抵抗とコンデンサを接続することもできる。この制御回路の場合、ＳＷ１をオフしたときのコイル電流は、図１０（ｂ）に示すように、ＳＷ１に並列された回路を流れる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る電磁式２方向クラッチの通電制御回路は、電磁クラッチの電磁コイルへの電流供給をオフした時に、電磁コイル自身から発生する電流の流れる回路をオートモードと四輪駆動モードで切換えることにより、オートモードではオフ特性が向上し、四輪駆動モードでは消費電力が少なくエネルギー効率を向上させることができる。
また、電磁コイルの電流を増加させることや、磁気回路の効率化を図ることができるため、電磁式２方向クラッチの係合応答性を向上させることができ、運転者に対して係合時の違和感が発生せず、電磁式２方向クラッチ自体では係合時の衝撃ストレスも小さくなるため耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】電磁式２方向クラッチを搭載した四輪駆動車のレイアウトを示す平面図
【図２】電磁式２方向クラッチ部分を示す縦断面図
【図３】図２の矢印方向の断面図
【図４】（ａ）〜（ｄ）は２方向クラッチの作動状態を示す部分拡大図
【図５】（ａ）（ｂ）は従来の電磁式２方向クラッチの制御回路を示す回路図
【図６】従来の電磁式２方向クラッチの制御回路におけるスイッチング素子をオン・オフ制御した場合のコイル電流波形を示す図
【図７】（ａ）（ｂ）はこの発明に係る制御回路の一例を示す回路図
【図８】時定数の比較を示すグラフ
【図９】（ａ）（ｂ）はこの発明に係る制御回路の他例を示す回路図
【図１０】（ａ）（ｂ）はこの発明に係る制御回路の他例を示す回路図
【符号の説明】
１　前輪
２　エンジン
３　トランスミッション
５　入力軸
６　後輪
７　推進軸
８　チエンスプロケット
９　２方向クラッチ
１０　電磁クラッチ
１１　サイレントチエン
１２　前輪推進軸
１３　内方部材
１４　外輪
１５　カム面
１６　円筒面
１７　保持器
１８　ローラ
１９　スイッチばね
２０　摩擦フランジ
２１　アーマチュア
２２　電磁コイル
【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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