(57)【要約】  クラッチ（Ａ、Ｂ）はカム（２０、７０）とロータ（２２、７４）とを有し、両者は共通の軸線（Ｘ）の回りに回転する。カムは、ローブ（３２）が設けられたカム面（３０，７２）を有し、その一方、ロータはカムのカム面に支持されたピストン（２６、８０）を保持する。ピストンは、ロータ内のピストン孔（４０、４２；７６）から突出し、それらの孔は連結空洞（４４、７８）を介して連通し、それにより磁気レオロジー流体（２８、８４）を含む一定容積の流体室が形成される。電気コイルは、レオロジー流体の粘性を制御する。粘性が低い場合、カム面がピストン上を通過するにつれてピストンが内外に移動し、カムとロータとの間でトルクは伝達されない。しかしながら、流体が高粘性の場合、流体がピストン孔におけるピストンの移動を妨げ、ピストンはカムとロータとの間でトルクが伝達されるようにカム面を十分に掴む。
2006502358.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルクを伝達するためのクラッチであって、
軸線の回りに回転可能であり、かつカム面を有するカムと、
前記軸線の回りに回転可能であり、外部に開口する複数のピストン孔を有し、さらに流体室を取り囲むロータと、
前記ロータの前記複数のピストン孔に設けられて前記流体室に露出し、前記ピストン孔から前記ロータの前記カム面に向かって突出して該カム面に接する複数のピストンと、
少なくとも一つのピストンを、他のピストンの前記ロータ内へのさらなる後退に応答して、前記ロータからさらに突出させるための前記流体室内のレオロジー流体と、
前記カムとロータとの間の滑りを制御するために前記レオロジー流体の粘性を変化させる作動手段と、
を具備するクラッチ。
【請求項２】
前記複数のピストンが前記カムに接しているときに、前記ロータに対する前記カムの相対的な角位置に拘わりなく、前記流体室の容積が実質的に一定に維持されるように前記カムが形成されている請求項１のクラッチ。
【請求項３】
前記ロータは前記複数のピストン孔と連通する連結空洞を収容し、前記流体室は前記連結空洞を含んでいる請求項２のクラッチ。
【請求項４】
前記複数のピストンが前記ピストン孔の全体を占めておらず、前記流体室は前記ピストン孔の非占有領域もまた含んでいる請求項３のクラッチ。
【請求項５】
前記カム面が前記軸線を取り囲み、かつ前記軸線から離れる方向に向けられている請求項２のクラッチ。
【請求項６】
前記作動手段が電気コイルである請求項２のクラッチ。
【請求項７】
前記コイルが前記ロータを取り囲んでいる請求項６のクラッチ。
【請求項８】
前記ロータが前記カムを取り囲んでいる請求項７のクラッチ。
【請求項９】
前記カムはそのカム面に沿って複数のローブを有し、前記ローブが前記軸線の回りに周方向へ等間隔で並べられ、前記ピストンの数が、前記カム上の前記ローブの少なくとも２倍である請求項２のクラッチ。
【請求項１０】
前記ピストンが前記軸線の回りに周方向へ等間隔で並べられている請求項９のクラッチ。
【請求項１１】
トルクを伝達するためのクラッチであって、
軸線の回りに回転可能であり、前記軸線を取り囲むカム面を有し、前記カム面に沿って複数のローブがあるカムと、
前記軸線の回りに設けられて該軸線の回りに回転可能であり、流体室を取り囲み、前記カム上の前記カム面に向かって開口する複数のピストン孔をさらに有するロータと、
粘性が可変な前記流体室内のレオロジー流体と、
前記ロータの前記複数のピストン孔に設けられて前記流体室内の前記レオロジー流体に晒され、前記ピストン孔から前記カムの前記カム面に向かって突出して該カム面に接する複数のピストンと、
前記レオロジー流体の粘性を制御し、それにより前記カムとロータとの間の滑りを制御
電気装置と、を具備し、
前記ロータに対する前記カムの角位置に拘わりなく前記流体室の容積を本質的に一定に維持するように、前記カム上の前記カム面の形状、前記ロータ内の前記ピストンの位置及び数が定められ、それにより前記レオロジー流体が前記複数のピストンを前記カム面上に保持する、クラッチ。
【請求項１２】
前記電気装置がコイルである請求項１１のクラッチ。
【請求項１３】
前記コイルが前記ロータを取り囲み、前記ロータガ前記カムを取り囲んでいる請求項１２のクラッチ。
【請求項１４】
前記ピストンが前記軸線の回りに周方向へ等間隔で並べられ、かつその数が前記カム上のローブの少なくとも２倍である請求項１２のクラッチ。
【請求項１５】
前記複数のピストンが前記ピストン孔の全体を占めておらず、前記複数のピストン孔は前記ロータ内の連結空洞内に開口しかつ該連結空洞を介して連通し、前記連結空洞は、前記ピストン孔の前記ピストンによっては閉鎖されない領域とともに、前記流体室を形成している請求項請求項１１のクラッチアッセンブリ。
【請求項１６】
前記ピストン孔が円筒状である請求項１２のクラッチ。
【請求項１７】
共通の軸線の回りに回転可能な第１及び第２のメンバー間でトルクを伝達する方法であって、
前記第１のメンバー上に複数のローブを有するカム面を設け、
前記第１のメンバーの前記カム面に向かって前記第２のメンバー外に開口する複数のピストン孔、及び前記複数のピストン孔が露出する流体室を前記第２のメンバーに設け、
前記第２のメンバーの前記複数のピストン孔に、前記第１のメンバーの前記カム面に向かって延びてこれに接する複数のピストンを設け、
前記流体室を満たすレオロジー流体を設け、
一方のメンバーにトルクを作用させ、
前記メンバー間でトルクを伝達可能ならしめるに足りるほど前記ピストンが前記第１のメンバーの前記カム面を掴むために必要な粘性を前記レオロジー流体が帯びるように前記レオロジー流体の粘性を制御する、
トルクの伝達方法。
【請求項１８】
前記レオロジー流体が磁場に感応し、その粘性はそれが置かれた磁場の強さに依存し、さらに、前記レオロジー流体が置かれた磁場を提供しかつ前記ピストンがトルクを伝達することを可能ならしめるに足りる粘性を前記レオロジー流体が帯びるように前記磁場の強さを変化させる請求項１７の方法。
【請求項１９】
前記第１のメンバー上の前記カム面が複数のローブを有し、前記第２のメンバーが前記第１のメンバーを取り囲んでいる請求項１５の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般に、回転する機械構成要素のための連結装置に係り、より詳しくは、回転する機械構成要素間のトルク伝達を制御するための可変粘性流体を含むクラッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的なクラッチは、ある時には同調して回転し、他の時には一方の構成要素が回転し、他方が静止するように切り離される二つの機械構成要素間のカップリングとして機能する。勿論、クラッチが噛み合わされて二つの構成要素が同調して回転するとき、トルクは駆動構成要素から従動構成要素に伝達される。大抵の適用例において、クラッチはそれが一部をなす装置に機械的な衝撃を与えないように徐々に噛み合わされる必要がある。
【０００３】
クラッチには様々なデザイン及び構成があり、自動車及び産業設備において広汎な用途を提供している。優れたクラッチは、噛み合い時及び噛み合い解除の両者において最小限の抵抗トルクを有し、遠心力及び向心力に対して比較的鈍く、様々な速度及び速度差で噛み合い、また噛み合いを解除することができ、双方向、つまり回転の両方向においてトルクを伝達し、バックラッシュが小さく、振動を減衰させ、過負荷に対して保障されるべきである。
【０００４】
現在製造されている多くのクラッチは、それらを噛み合わせ、また噛み合いを解除するために複雑な動作機構を必要とする。これらの機構は、複雑さはさておくとしても、それらのクラッチの重量及び寸法を増加させる。実際のところ、これらのクラッチは、それらを動作させるために複雑なリンクに概して依存し、このことはクラッチの応答性、及び回転する構成要素間におけるトルクの伝達能力に不利な影響を及ぼす。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、共通の軸線の回りに回転するカムとロータとを有するクラッチに属する。カムはカム面を有し、かつロータはカム面と接触するピストンを支持している。ロータ内のピストンの背後にはレオロジー流体（rheological fluid）があり、その粘性は適切な手段により制御される。粘性が低いとき、カムはロータから独立して回転し、ピストンはカム面に単純に追従する。一方、粘性が高いとき、ピストンはカム面を掴むようになり、カムとロータとの間でトルクが伝わる。本発明は、レオロジー流体を利用してトルクを伝達するための方法にも属する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図面を参照するに、クラッチＡ（図１）は、共通の軸線Ｘの回りを回転する、あるいは、少なくとも回転し得る二つの機械構成要素を連結する。それらの構成要素は、シャフト２と、ハウジング６内で軸受に支持された平歯車４との形をとり得る。現に、平歯車４はシャフト２に嵌め合わされた軸受８上で回転し、かつその歯車４はシャフト２と平行に置かれ得る他のシャフト１２に嵌め合わされたピニオン１０と噛み合っている。シャフト１２とそのピニオン１０とはハウジング６内で同様に回転する。従って、広義において、クラッチＡは、２本のシャフト２及び１２を、その一方が他方とともに回転しかつトルクがそれらの２本の間で伝わるように連結する。さらに、クラッチＡは、シャフト２とギア４とが互いに選択的に噛み合われ、また、噛み合いが解除されることを可能ならしめる。シャフト２、１２、平歯車４及びピニオン１０が、それら又はそれらが連結された他の機械構成要素を損傷させるかもしれない急激なトルク変化を受けないように、噛み合い及び噛み合い解除の両者は滑らかに行われる。
【０００７】
クラッチＡ自体に着目すると、それは、カム２０と、カム２０を取り囲むロータ２２と、ロータ２２を取り囲むコイル２４とを含んでいる（図２）。全ては回転の軸線Ｘの周りに同心に置かれている。加えて、クラッチＡは、ロータ２２によって支持されかつカム２０に対して動作するピストン２６と、ロータ２２内に封じ込まれた磁気レオロジー流体（magneto-rheological fluid）２８とを含んでいる。カム２０はそれとともに回転するシャフト２に取り付けられ、それに対して、ロータ２２はそれとともに回転する平歯車４に装着されている。コイル２６はハウジング６上の一定の位置に取り付けられている。広義において、カム２０は一つの回転可能なクラッチメンバーを構成し、それに対してロータ２２は他の回転可能なクラッチメンバーを構成し、各々は、回転時において、回転の軸線が軸線Ｘとなるようにして公転する。
【０００８】
カム２０はシャフト２に強固に嵌め合わされ、さらにはシャフト２と一体に形成されてもよい。いずれにしても、それはシャフト２とともに回転し、如何なる時もその回転はシャフト２の回転である。カム２０は、軸線Ｘの回りに周方向に等間隔で並べられた幾つかのローブ（lobe）３２を含んだカム面３０をその外周に沿って有している。横断面上において、カム面３０は平坦でもよいし、溝付きでもよい。ローブ３２は同一形状であり、各々は軸線Ｘから全く等しい距離で突出している。
【０００９】
ロータ２２は平歯車４に強固に取り付けられて歯車４とともに回転し、その回転は歯車４の回転である。ロータ２２は同心でかつ軸線Ｘに沿った中心線を有する円筒状内面３４と円筒状外面３６とを有している。内面３４の直径は、ローブ３２上におけるカム２０の最大径を超えるが、それほど大きくは超えていない。従って、カム２０はそのローブ３２にてその円筒状内面に最も接近し、かつローブ３２の中間においては、弧状の隙間３８がカム面３０と円筒状内面３４との間に存在する。ロータ２２はボア４０とカウンタボア４２との幾つかのセットを含み、前者は円筒状内面３４に開口し、後者はロータ２２によって囲まれた連結空洞４４内に開口する。その結果、全てのカウンタボア４２は連結空洞４４を介して連通している。各ボア４０とそのカウンタボア４２とはピストン孔を形成し、それらのピストン孔は軸線Ｘの回りに周方向に等間隔で並べられている。ロータ２２は、好ましくはカム２０のローブ３２の少なくとも２倍の数のピストン孔、すなわちボア４０及びカウンタボア４２のセットを含むべきである。この組み合わせにおいては、ボア４０の半分は、カム２０とロータ２２との間の相対回転の間における幾つかの時点でカム２０上のローブ３２に整列し、その一方、残りのボア４０は弧状の隙間３８に沿った中央に置かれる。
【００１０】
ピストン２６は、ロータ２２のボア４０とカウンタボア４２とによって形成されたピストン孔内に存在し、ボア４０とカウンタボア４２との各組み合せ内に単一のピストンが存在する。各ピストン２６は、半球状の内側端部５０と円筒状側面５２とを有し、任意的にフランジ付き外側端部５４を有している。半球状の内側端部５０はカム２０のカム面３０に支持されている。カム面３０が溝付きの場合、その横断面形状はピストン２６の半球状の端部５０に一致させるべきである。円筒状側面５２はボア４０内に少なくとも部分的に位置し、それに対してフランジ付き端部５４は大きなカウンタボア４４内に全体的に置かれている。各カウンタボア４２におけるフランジ付き端部５４の背後の領域、つまり各カウンタボア４２の非占有領域は、連結空洞４４とともにロータ２２内にて流体室５６を形成する。全てのピストン２２の半球状の端部５０がカム２０のカム面３０上に留まっている限りにおいて、カム２０とロータ２２との間の相対的な回転により流体室５６の形状が変化しても流体室５６の容積は一定に保たれる。ロータ２２には、ボア４０内のピストン２６の円筒状側面５２を拭うシール５８がボア４０の各々に沿って嵌め合わされ、それにより、カム２０にて閉鎖されたロータ２２の内側とロータ２２内の流体室５６との間において流体バリアが確立される。シール５８があるにもかかわらずピストン２６は軸線Xに向かって移動し、また軸線Ｘから離れるように移動でき、それどころか、カム２０とロータ２２とが相対回転するときですらもそれらは移動し得る。ピストン２６がカム２０のローブ３２の中心線上に位置する場合を除いて、この相対回転の間の如何なる時でも半数のピストン２６は軸線Xに向かって内向きに移動し、残りの半数は軸線Xから離れて外向きに移動する。容積に関して、内側に移動するピストン２６の変位は外側に移動するピストン２６の変位に等しく、その結果、流体室５６の全体の容積は変化しない。
【００１１】
共通の連結空洞４４内に開口するピストン孔の全てを有することに代えて、ピストン孔が二つで一組に編成され、各組のピストン孔は互いに隣接しかつロータ２２の連結溝を介して連通してもよい。結果において、各連結溝及びそれが連結するピストン孔の非占有領域は一定の容量の流体室を形成する。
【００１２】
内燃機関のピストンリングと同様に、シール５８はピストン２６に支持されてもよく、そのように設けられた場合、シール５８はボア４４の円筒状の表面をぬぐう。それらはバイトン（viton）のようなエラストマーから製造されてもよい。
【００１３】
磁気レオロジー流体２８は流体室５６の全体を占めている。室５６内には空気又はガスのポケットは存在しない。流体２８のレオロジー的特性（rheological properties）のゆえに、流体２８の流れる能力、すなわちその粘性は変化させることができる。磁気に対してレオロジー的であれば、その粘性は、磁場に応じて、より正確には流体２８が置かれる磁場の変化に応じて変化する。実際のところ、磁場を利用することにより、粘性を水のそれに概ね等しいところから殆ど固体となるまで変化させることができ、磁場が強いほど粘性も増加する。
【００１４】
電気コイル２４はハウジング６に強固に取り付けられてロータ２２を取り囲み、さらにロータ２２の円筒状外面３６に極めて近付けて置かれている。電気コイル２４は、それを通過する電流を変化させるための制御装置を介して電気エネルギの供給源に連結されている。電流は磁場を作り、その磁場内にロータ２２とロータ２２内の磁気レオロジー流体２８とが置かれる。磁場の強さはロータ２２の流体室５６における流体の粘性を決定する。
【００１５】
クラッチＡの動作において、何らかの形式のモータに連結されたシャフト２は回転し、それに取り付けられたカム２０を回転させる。コイル２４が消磁されて流体２８が低粘性を有し、かつ歯車４とシャフト１２とが負荷を受けて回転に抵抗すると仮定した場合、カム２０のカム面３０はピストン２６の半球状の端面５０上を移動し、それによりピストン２６はそれらのボア４０及びカウンタボア４２の内外に移動する。より詳しくは、ピストン２６上のローブ３２がロータ２２のボア４０に接近するに従って、そのローブ３２はそのボア４０のピストン２６をボア４０及びそのカウンタボア４２内にさらに駆動し、それによりレオロジー流体２８の一部をカウンタボア４２から排出させる。同時に、カム面３０は他のボア４０から遠ざかる。結果として、容積が減少するカウンタボア４２から排出された流体２８は容積が増加するカウンタボア４２に流れ込む。結局、ロータ２２に関するカム２０の角位置に拘わりなく、流体室５６の容積は同一に保たれる。従って、流体２８が低粘性で、かつロータ２２が回転を阻止された状態でカム２０が回転するとき、カム２０はロータ２２内で単純に回転してロータ２２のピストン２６を内外に移動させるとともにレオロジー流体２８を流体室５６内で変位させるが、ロータ２２を乱さない。要するに、ロータ２２は停止したままである。
【００１６】
しかしながら、コイル２４が励磁されたとき、レオロジー流体２８は硬化、すなわち、より粘性を帯びる。流れる能力を失うにつれて、流体２８はカウンタボア４６及び連結空洞４４内で移動しなくなり、ピストン４６はボア４０及びカウンタボア４４内で往復運動に対してより大きな抵抗を示す。それどころか、ロータ２２内で移動していたピストン２６、すなわち、突出部３２に向かってカム面３０を上昇するピストン２６はカム３０を掴むようになる。コイル２４の電流が増加するに従って、流体室５６内の流体の粘性はより増加する。いずれかの時点において、流体２８は、ピストン２６がロータ２２の回転に対する抵抗に打ち勝つために足りる力でカム３０の表面３２を掴むことを可能ならしめるに必要な粘性を帯びる。その時点でカム２０はロータ２２に回転を与える。その結果、歯車４は回転し、ピニオン１０を介して歯車４に連結されているシャフト１２もまた回転する。カム２０がロータ２２内で依然として回転し、ピストン２６が内外に移動することは確かであるが、ロータ２２が回転するためにその頻度は少ない。
【００１７】
仮に、十分な電流がコイル２４によって伝えられるならば、あらゆる意味及び目的において、レオロジー流体２８は殆ど固体化する。これらの状態の下で、ロータ２２はカム２０に固定されてカム２０と等しい角速度で回転する。
【００１８】
カム面はクラッチＡにおける回転の軸線Ｘに対して外側に向けられている必要なく、それに代えて、軸線Ｘに対して内側に向けられてもよい。同様に、カムは複数のローブを有している必要はない。この点に関して、変形例に係るクラッチＢ（図３）は、軸線Ｘの回りを回転し、かつ軸線Ｘに対して偏心した円筒状のカム面７２を有するカム７０を有している。その偏心は、実質的に、円筒状の表面７２にローブを与える。クラッチＢはまた、軸線Ｘの回りに回転するロータ７４と、連結空洞７８内に開口するカウンタボア７６とを有している。ボア７６は外側に突出したピストン８０を保持し、ピストン８０はそれらの端部にてカム７０のカム面７２に支持されている。ボア７６の非占有領域は、連結空洞７８とともに、磁気レオロジー流体（magneto rheological fluid）８４を含んだ流体室８２を形成している。連結空洞７８は、レオロジー流体（rheological fluid）８４に浸けられたコイル８６をさらに含んでおり、それ自体が流体８４の粘性を制御する。
【００１９】
モータがカム７０を回転させている全期間において、コイル８６が励磁されずかつ負荷がロータ７４に与えられる仮定した場合、カム７０はロータ７４の回りを単純に回転し、そのカム面７２がピストン７８を内外に駆動する。しかし、コイル８６が励磁されて流体８４がより粘性を帯びたときには、流体８４がそれらのボア７８内のピストン７６の移動を阻止する。ピストン７６は実質的にカム面７２及びロータ７４を掴む。そのように伝達されたトルクはロータ７４を回転させる。
【００２０】
勿論のこと、クラッチＡにおいては、ギア４及びそれに伴うロータ２２が駆動構成要素であり、カム２０及びシャフト２が従動構成要素であってもよい。同様のことがクラッチＢにも当てはまり、ロータ７４が駆動構成要素であり、カム７０が従動構成要素であってもよい。磁気レオロジー流体２８の粘性を制御するコイル２４及び８６に代え、永久磁石のシリーズが、例えば流体２８からの距離を変化させる等してそれを行ってもよい。あるいは、クラッチＡ及びＢ内のレオロジー流体２８及び８４は、磁場に代えて、それを貫いて導かれる電流に反応する種類のものでもよい。また、ピストン２６及び８０は横断面上において円形である必要はなく、他の断面形状を有していてもよい。さらに、クラッチＡにおいては、カウンタボア４２が省略され、ボア４０のみがピストン２６を受け入れてもよく、ピストン２６はそれらの往復運度を十分に受容する深さの連結空洞４４内に全体に亘って延びてもよい。さらに、カム面は、軸線に向けられ、あるいは軸線から離して向けられる意味では、回転の軸線を取り囲んでいる必要はなく、その代わり、軸線が貫く平面又は他の包絡面に置かれてもよく、その包絡面に対して軸線が傾いてもよい。その変形例において、ピストンは軸線方向に移動する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一形態に係るクラッチと連結された２本のシャフトを含むハウジングの断面図。
【図２】図１の２−２線に沿ったクラッチの断面図。
【図３】変形例に係るクラッチの断面図。
【図１】
2006502358.tif 000003
【図２】
2006502358.tif 000004
【図３】
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【国際調査報告】
2006502358.tif 000006
2006502358.tif 000007