(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）円筒形の内面を有する回転可能なドラムと、
（ｂ）各シューが接触先端と接触後端を有し、外部係合表面が前記接触端間に延在して前記ドラムの内面と摩擦接触する、複数のシューと、
（ｃ）ハブが前記ドラムと同心円状に回転すると、それとともに回転するよう、前記各シューを回転可能な前記ハブに結合する手段と、
（ｄ）前記各シューの前記ドラムに対する半径方向内側及び外側の移動を許容する手段と、
（ｅ）半径方向内側に突き出す第一ロック部分と、半径方向外側に突き出して前記第一ロック部分から円周方向に間隔をあけた第二ロック部分とを有する前記各シューの剛性シュー部材とを備え、クラッチの高速運転中に前記ドラムが構造的に破損するか、軸方向に外れた場合に前記シューが分離しないように、隣接する前記剛性シュー部材の第一および第二ロック部分が、前記ドラムの内面との接触を越えた所定の距離より半径方向外側に移動しないように前記シューをロックする遠心クラッチ。
【請求項２】
結合手段が、ハブ上に形成された複数のドグを備え、各ドグが対応するシューの一つと係合する、請求の範囲第１項に記載のクラッチ。
【請求項３】
許容手段が、対応するドグと係合する、各シュー上に形成された半径方向のスロットを備える、請求の範囲第２項に記載のクラッチ。
【請求項４】
各シューが、対向するドラム接触端を有し、スロットが、前記接触端のほぼ中間に配置される、請求の範囲第３項に記載のクラッチ。
【請求項５】
前記ドグのそれぞれにドグ表面が形成されており、各剛性シュー部材は、対応する前記ドグの一つと結合して前記ドグとともに回転するように、内側に延びる駆動表面を有しており、クラッチが更に、
（ｆ）各ウェッジ部材が、一の前記シュー部材の駆動表面と前記ハブの対応するドグ表面との間に挿入される、複数のウェッジ部材と、
（ｇ）前記シュー部材に対して半径方向内側に、前記ウェッジ部材にバイアスをかけるウェッジバイアス手段とを備え、前記ウェッジ部材と前記ウェッジバイアス手段との組合せが、
（ｉ）対応する前記ウェッジ部材が前記シュー部材に対して半径方向に移動しながら、前記各シュー部材が前記ハブに対して円周方向に移動する第一低利得結合モードと、
（ｉｉ）前記各ウェッジ部材が、対応する前記シューに対して半径方向に固定される第二高利得結合モードとを提供する、請求の範囲第２項に記載のクラッチ。
【請求項６】
さらに複数の圧縮ばねを備え、ドラムの内面から半径方向内側の方向に、シューにバイアスをかけるため、隣接するシューの第一ロック部分と第二ロック部分との間を圧縮するための、少なくとも一つの圧縮ばねが配置され、前記ばねと前記ロック部分との組合せが、前記ドラムの内面との接点を越えた所定の距離より半径方向外側に移動しないように前記シューをロックする、請求の範囲第１項に記載のクラッチ。
【請求項７】
前記内面が約６インチ（約１５ｃｍ）の直径を有し、約１８００ｒｐｍより下のハブ速度では摩擦接触しないように圧縮ばねが選択された、請求の範囲第６項に記載のクラッチ。
【請求項８】
クラッチが、約１８００ｒｐｍより上で、１００ｒｐｍ当たり少なくとも約１５フィート・ポンド（約２．０７ｋｇ・ｍ）の割合で増加するトルクを伝達することができる、請求の範囲第７項に記載のクラッチ。
【請求項９】
前記割合が、１００ｒｐｍ当たり少なくとも約２０フィート・ポンド（約２．７７ｋｇ・ｍ）である、請求の範囲第８項に記載のクラッチ。
【請求項１０】
さらに、隣接するシュー部材と円周方向で係合し、これによってドラムに対してシューを半径方向に安定させるための、各シュー部材上に固定されたガイドを備える、請求の範囲第１項に記載のクラッチ。
【請求項１１】
各ガイドが、個々のシューの円周方向で近傍の一方の接触端から一体状に延びる、一対の対面する平行間隔のガイド表面で形成され、各シューの舌状部分が、円周方向で近傍の他方の接触端から剛性状に延びて、隣接するシューのガイド表面と係合する、請求の範囲第１０項に記載のクラッチ。
【請求項１２】
各シューのガイド表面が、円周方向近傍の接触先端から延在し、舌状部分が、円周方向近傍の接触後端から延在する、請求の範囲第１１項に記載のクラッチ。
【請求項１３】
ガイド表面が、個々の舌状部分の上に約０．００５インチ（約０．０１３ｃｍ）以下のクリアランスで形成される、請求の範囲第１１項に記載のクラッチ。
【請求項１４】
内面が約６インチ（約１５ｃｍ）の直径を有し、シュー部材のロック部分によるシューのロックが、少なくとも３０００ｒｐｍの回転速度で有効である、請求の範囲第１項に記載のクラッチ。
【請求項１５】
シュー部材が、それぞれ全体幅を有し、シュー部材のロック部分が前記全体幅にわたって中実状に延在する、請求の範囲第１項に記載のクラッチ。
【発明の詳細な説明】
背景技術
本発明は、軽車両、チェーンソー、ポンプ、風車、圧縮機、エンジン、電動機、風力駆動製品などに使用するような、回転動力源を被駆動負荷に可変結合する遠心クラッチに関する。
遠心クラッチは、たとえば本発明の発明者に帰される米国特許第2,942,711号および第3,971,463号で開示され、これらの特許はこの参照により本明細書に組み込まれる。通常は、複数の半径方向に移動可能なシューが、シューの接続されているハブと同心円状に回転するドラムの内面に摩擦接触する。通常、ハブはエンジンまたは動力源に結合された駆動軸またはフェイスプレートに固定され、ドラムは、ベルト、チェーンまたは直結駆動装置などによって被駆動負荷に結合される。このようなクラッチは、低速ではトルクをほとんど、あるいはまったく伝達せず、シューにかかる遠心力に比例して、高速になるほど徐々に伝達トルクが大きくなる。上記の特許では、エンジンまたはその他の動力源が無負荷状態でアイドリングできるよう、所定の限界未満の速度ではクラッチが切れた状態を維持するため、ばねでバイアスがかかった要素を使用する。
先行技術で実施されたような遠心クラッチには、たとえば次のようないくつかの問題および欠点がある。
１．動力源の特性に合わせて所望のトルクと速度との関係を提供できないという点で、効果的でない。
２．シューが過度に滑動し、その結果、過度に磨耗するという点で寿命が短く、これは特に振動が大きい構成要素がある場合やトルクの慣性負荷が大きい場合に甚だしい。
３．使用しているばねが破損しやすく、特に両端のフックに疲労を誘発する応力の発生部分があるという点で、信頼性が低い。
４．ドラムに構造的故障がある場合に、シューが飛び散ってしまう可能性があるという点で、安全ではない。
５．望ましくないほど製造費が高い。
米国特許第２，９４２，７１１号で開示されたようなクラッチは、様々な方法で組み立てて、それに対応する様々なトルクと速度との関係を選択的に提供することができる。たとえば噛合いの速度を選択できるストレート遠心、比較的素早い作動、または比較的滑らかな作動などである。しかし、完全に満足できるトルクと速度との関係はなく、不正確な組立の可能性が多数にある。米国特許第３，９７１，４６３号で記載されたようなクラッチは、トルク伝達が漸進的に増加するよう、増加する速度増分でシューと連続的に噛み合える駆動部材突起を提供する。この場合も、完全に満足できるトルクと速度との関係はなく、最初にクラッチの全負荷速度のうち高い割合で噛み合うことが望ましい場合は特に満足できず、クラッチは過度に複雑で、製造費が高額になる。
遠心クラッチのドラムと金属シュー部材とは、金属と金属とが直接接触することも知られている。しかし、このようなクラッチは、摩擦係数が低く、過度に磨耗し、磨損があることから、応用例が非常に限定される。
したがって、狭い速度範囲で無負荷から全負荷まで滑らかに移行することができる所望のトルク速度曲線を自動的に提供し、ドラムの故障時にはシューが分離しないようフェールセーフ式で、信頼性があって寿命が長く、製造費が安価な遠心クラッチに対する需要がある。
概要
本発明は、シューと圧縮バイアスばねとの連動組合せ、および狭い速度範囲内で低利得と高利得方向との間で滑らかに移行する、ばねでバイアスがかかったウェッジを有する遠心クラッチを提供することにより、この需要に応じる。本発明の一つの態様では、クラッチは、円筒形の内面を有する回転可能なドラムと、ドラムの内面と摩擦接触するために、それぞれが外部噛合い面を有する複数のシューと、ハブがドラムと同心円状に回転しているときに回転可能なハブとともに回転するよう、各シューをハブに結合する手段と、各シューのドラムに対する半径方向内側および外側への移動を許容する手段と、半径方向内側に突き出す第一ロック部分と半径方向外側に突き出して第一ロック部分から円周方向に間隔をあけた第二ロック部分とを有する各シューの剛性シュー部材とを含み、隣接するシューの第一および第二ロック部分は、ドラムが構造的に破損するか、軸が外れた場合にシューが分離しないよう、シューが、ドラムの内面と接触する以上の所定の距離より半径方向外側に移動しないよう、シューをロックする。
結合手段は、ハブ上に形成された複数のドグ（ｄｏｇ）を含むことができ、各ドグは対応するシューの一つと噛み合う。許容手段は、対応するドグと噛み合うよう、各クラッチシュー上に形成された半径方向に向いたスロットを含むことが好ましい。各シューは、対向するドラム接触先端を有することができ、スロットは接触先端間のほぼ中央に配置される。
クラッチは複数の圧縮ばねを含むことができ、ドラムの内面から半径方向内方向にシューにバイアスをかけるため、隣接するシューの第一ロック部分と第二ロック部分との間を圧縮するよう、少なくとも一つの圧縮ばねが配置され、ばねとロック部分との組合せで、ドラムの内面との接点を越えた所定の距離より半径方向外側に移動しないよう、シューをロックする。内面は、ほぼ６インチ（ほぼ１５ｃｍ）の直径を有することができ、圧縮ばねは、約１８００ｒｐｍ未満のハブ速度では摩擦接触しないよう選択される。クラッチは、１８００ｒｐｍを上回ると１００ｒｐｍ当り少なくとも約１５フィート・ポンド（約２．０７ｋｇ・ｍ）の割合で増加するトルクを伝達できるようにすることができる。この割合は１００ｒｐｍ当り少なくとも約２０フィート・ポンド（約２．７７ｋｇ・ｍ）とすることができる。
クラッチは、さらに、隣接するシューを円周方向に噛み合わせ、これによってドラムに対してシューを半径方向に安定させるため、各シュー上にガイドを含むことが好ましい。各ガイドは、個々のシューのロック部分の近傍の一方から延在する、一対の対面する平行間隔のガイド表面で形成することができ、各シューの舌状部分が他方のロック部分から延びて、隣接するシューのガイド表面と噛み合う。各シューのガイド表面は、第一ロック部分から延び、舌状部分は第二ロック部分から延びることができる。
本発明の別の態様では、クラッチはドラムと、複数のシューと、各シューを回転可能なハブに結合する手段と、ドラムに対する各シューの半径方向内側および外側への移動を許容する手段と、剛性シュー部材と、複数の圧縮ばねとを含み、少なくとも一つの圧縮ばねは、ドラムの内面から半径方向内側へシューにバイアスをかけるため、隣接するシューの第一ロック部分と第二ロック部分との間を圧縮するよう配置され、ばねとロック部分との組合せは、ドラムが構造的に破損するか、軸が外れた場合にシューが分離しないよう、シューが、ドラムの内面との接点を越えた所定の距離より半径方向外側に移動しないよう、シューをロックする。
本発明のさらなる態様では、クラッチは回転可能なドラムと、ドラムと同心円状に回転可能な状態で取り付けられ、外側に延びる複数のドグを有するハブを含み各ドグに表面が形成され、クラッチはさらに、複数のシューと、剛性シュー部材と、一のシュー部材の駆動表面とハブの対応する傾斜表面との間に挿入された複数のウェッジ部材と、シュー部材に対して半径方向内側にウェッジ部材にバイアスをかけるウェッジバイアス手段とを含み、ウェッジ部材とウェッジバイアス手段との組合せが、第一低利得結合モードを提供し、このモードでは、対応するウェッジ部材がシュー部材に対して半径方向に移動するにつれ、各シュー部材がハブに対して円周方向に移動し、さらに各ウェッジ部材が対応するシューに対して半径方向に固定された第二高利得結合モードも含む。
図面
本発明の以上およびその他の特徴、態様および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、および図面を参照することによって、さらによく理解される。
第１図は、本発明による遠心クラッチの端断面図である。
第２図は、第１図のクラッチの側断面図である。
第３図は、第１図のクラッチのトルク速度曲線を示すグラフである。
第４図は、低利得モードで作動し、噛み合う第１図の代替構成を示す端断面図である。
第５図は、中利得モードで噛み合う第４図のクラッチを示す詳細な端面図である。
第６図は、高利得モードで噛み合う第４図のクラッチを示す詳細な端面図である。
第７図は、低利得モードにおける第４図のクラッチのベクトル図である。
第８図は、高利得モードにおける第４図のクラッチのベクトル図である。
第９図は、第４図のクラッチのトルク速度曲線を示すグラフである。
説明
本発明は、特に安全で、信頼性が高く、効果的に狭い速度範囲内で無負荷から全負荷まで滑らかに移行する遠心クラッチを指向する。図面の第１図から第３図を参照すると、遠心クラッチ１０は、円筒形の内面１４を有するドラム１２を含み、ドラム１２は、一対の玉軸受け１６によって、駆動軸１８に回転可能な状態で取り付けられ、軸１８は、従来通りの手段（図示せず）によってドラム１２と同心円板に回転可能な状態で取り付けられる。半径方向に突き出すドグ２２を有するハブ２０は、軸１８に固定状態で取り付けられ、ドグ２２は、これとともに半径方向に移動可能な対応する遠心シュー２４を噛み合う。各シューは、剛性シュー部材２６と、ドラム１２と摩擦状態で噛み合うライニング２８を含み、これによってクラッチ１０のトルク伝達能力は、軸１８の速度とともに増加する。ライニング２８は、ライニング２８の先端３０Ａと後端３０Ｂとの間でシュー部材２６上に円周方向に延在し、端部３０Ａおよび３０Ｂは一般にライニング端部３０と呼ばれる。シュー部材２６は、ライニング２８を削除して、ドラム１２と直接接触するようにできることが理解される。実際、本発明のクラッチ１０は、先行技術では不可能であった多くの応用例で、全て金属の構成を有することができる。
シュー部材２６にはそれぞれ、ハブ２０の対応するドグ２２と噛み合う半径方向に向いた駆動スロット３２を形成する。図示のクラッチ１０の例証的な構成では、駆動スロット３２は、シュー２４のソフトスタート応答を生じるため、円周方向でライニング２８の後端３０Ｂより先端３０Ａにわずかに近く配置されている。摩擦噛合いを生じる遠心力は、回転速度の二乗に比例する。駆動スロット３２を端部３０Ａと３０Ｂとの中間に配置することによって、ニュートラルな反応を提供することが理解される。その逆に、駆動スロット３２を後端３０Ｂに近づけて配置すると、上記で言及した米国特許第2,942,711号に記載されているように、クラッチ１０のトルク曲線が、より急激に漸進的になるトルク特性になる（利得が高くなる）。
本発明によると、各シュー部材２６は、円周方向に間隔をあけて内側に突き出す第一ロック部分３４および外側に突き出す第二ロック部分３６を有する。隣接するシュー２４のロック部分３４および３６は、ドラム１２との噛み合いを越えて所定の量より大きくシュー２４が分離しないよう連動する。したがって、ドラム１２が破損するか、それが軸方向に移動してシュー２４から離れた場合、シュー２４は外側に投げ出されず、軸１８の周囲で端と端とが噛み合った状態で保持されるので有利である。これは、ドラム１２の故障時に、ハブ２０がドラム１２によって達成されるよりはるかに高速で回転する可能性が高い、という点で非常に有利である。
図面で図示されているようなクラッチ１０では、シュー２４をドラム１２から離して内側にバイアスをかけるため、シューばね３８と指定される、横方向に間隔をあけた複数の圧縮ばねを、隣接するシュー２４の第一ロック部分３４と第二ロック部分３６との間に挿入する。ドラムの故障時に、シュー２４の端と端とを噛み合わせるための連動は、ばね３８との組合せで達成され、ばね３８はコイル圧縮ばねである。ばね３８のような圧縮ばねは、同等の有効負荷容量を有する張力ばねほど嵩張らないばかりでなく、これより圧縮に対して本質的に強力で、疲労破損を生じにくいことが理解される。さらに、ロック部分３４および３６が、ばね３８がなくてもシュー２４の端と端とを組み合わせるという点で、ばね３８が構造的に故障しても、支持がまったく失われることにはならない。さらに、以下でさらに述べるように、ばね３８が破損しても、ばね３８はロック部分３４、３６間に制限され、その間に少なくとも多少の間隔を生じる。
第２図で示すように、複数のリベット固定具４２によって一対の円盤形保持部材４０が、ハブ２０の対向する側にしっかり固定され、シュー２４は保持部材４０間に摺動可能な状態で制限される。保持部材４０は、ばね３８の破損時に、ばね３８をシュー部材の第一ロック部分３４と第二ロック部分３６との間に制限する働きもする。これ以外では、各ばね３８を、シュー部材２６上に形成された個々のロケータボス（locator boss）４４によって対向する端部に配置する。第２図でさらに示すように、シュー２４は、クラッチ１０の図示の例証的な構成では約２．５インチ（約６．３５ｃｍ）である幅Ｗを有し、ばね３８は隣接するシュー２４のそれぞれの対の間で、４つのグループに横方向に間隔をあける。ロック部分３４および３６はそれぞれ、ドラム１２の高速での構造的破損時に、シューの分離防止を強化するため、ほぼ幅Ｗ全体にしっかり延在する。
シューばね３８は、噛み合いの所望の限度速度Ｓ0を提供するよう選択され、クラッチ１０は、第３図で示すように速度Ｓ0より下でほぼ切り離される。クラッチ１０の一つの例証的で好ましい構成では、ドラム１２の内面１４は、ほぼ６インチ（ほぼ１５ｃｍ）の直径Ｄを有し、３つのシュー２４はそれぞれほぼ２．５ポンド（１．１３ｋｇ）の重量を有する。隣接するシューの間に約１８５ポンド（８３．９ｋｇ）の力を提供するようばね３８を選択すると、速度Ｓ0はほぼ１８００ｒｐｍである。トルク容量は、以下で検討するように、ハブ２０の回転速度の二乗に比例して増加する摩擦噛合いの遠心要素とともに増加する。したがって、クラッチ１０によるトルク伝達はＴN＝Ｋ（Ｎ2−１８００2）に制限され、ここでＮは１８００ｒｐｍから上の範囲であり、Ｋはシュー２４の重量およびシュー２４とドラム１２との間の摩擦係数に比例する。ライニング２８をウィスコンシン州ミルウォーキーのScan Pacから入手できるＲＦ−３８のような代表的な組成で形成し、ドラム１２の内面１４を軟鋼で形成すると、クラッチ１０は２２００ｒｐｍで８０フィート・ポンド（約１１．１ｋｇ・ｍ）を伝達することができ、たとえば３０００ｒｐｍで４０馬力という定格のディーゼルエンジンに使用するのに適し、４０馬力は３０００ｒｐｍで７０フィート・ポンド（約９．６８ｋｇ・ｍ）に等しい。クラッチ１０によって伝達されるトルクは、第３図でさらに図示するように、最初は１００ｒｐｍで約１８フィート・ポンド（約２．４９ｋｇ・ｍ）という利得または率で増加する。クラッチ１０のこの構成では、シュー２４は、３０００ｒｐｍを超える速度、および好ましくは少なくとも４０００ｒｐｍで、シュー部材２６のロック部分３４および３６によって、所定の直径を越えて分離しないようロックされる。
さらに第４図から第７図を参照すると、１０’で指定されたクラッチの代替構成は、２２’で指定されたドグの片方が傾斜して形成されたハブ２０を有する。ウェッジ部材４６が、各シュー部材２６と対応するドグ２２’との間の駆動スロット３２内に挿入され、ウェッジ部材４６は、クラッチ１０’に特有の可変利得トルクを生成するため、少なくとも一つのウェッジばね４８によって、ハブ２０に向かって内側にバイアスがかかる。特に、ウェッジ部材４６は、ドグ２２’に接触する傾斜したウェッジ表面５０を有し、ウェッジ表面５０は駆動スロット３２の後面５２から角度θで傾斜し、後面５２は距離Ｃだけ、スロット３２の半径方向の二等分線５４から横方向にずれる。第４図で示すように、ドグ２２’は、ウェッジ部材４６がウェッジばね４８によってハブ２０に対して十分内側に進んだ場合、ウェッジ表面５０と駆動スロット３２の後面５２とに同時に接触し、ドラム１２に対するハブ２０の通常の回転方向は、湾曲した矢印で指示するように、時計回りである。さらに第４図で示すように、シュー２４は、ウェッジ部材４６がハブ２０に対して十分内側に進んだ状態にある間に、外側に移動してドラム１２と接触することができ、ウェッジ部材４６は駆動スロット３２の前面５６と摺動接触し、スロット３２の表面５２と５６とは平行である。このクラッチ１０’の状態を、本明細書では限界利得モードと呼び、これは速度Ｓ0で獲得され、速度が第一中間速度Ｓ1に増加するまで続くが、この速度で、ウェッジ部材４６の遠心力と、クラッチ１０’のトルク負荷に応答してドグ２２’がウェッジ部材に加える半径方向のトルクの負荷成分との組合せに応答して、ウェッジ部材46がハブ２０に対して外側に移動し始める。限界利得モードでは、シュー２４を外側に駆動するのは、シュー２４、シューばね３８およびウェッジばね４８に作用する遠心力、およびウェッジばね４８の圧縮負荷のみで、その程度は、これらの力がシューばね３８の内側へのバイアスを克服する程度である。
第５図で示すように、第一中間速度Ｓ1から第二中間速度Ｓ2まで、クラッチ１０’は第一利得モードで作動し、このモードではドグ２２’はもう駆動スロット３２の前面５６と接触せず、ウェッジ部材４６は駆動スロット３２内で部分的に外側に移動する。第一利得モードでは、シュー２４は、上述した限界モードと同様、遠心力およびウェッジばね４８の負荷によって外側に駆動されるが、ウェッジ部材４６が駆動スロット３２内で外側に移動するにつれ、ウェッジばね４８の負荷が増加する点が異なる。本明細書では、限界利得モードと第一利得モードとを、低利得モードと総称する。
第６図で示すように、第二速度Ｓ2を上回る速度で、ウェッジ部材４６は駆動スロット３２内で完全に外側に引っ込み、クラッチ１０’は、第二または高利得モードで作動し、このモードでは、シュー２４は、シュー２４、シューばね３８、ウェッジばね４８、さらにウェッジ部材４６にかかる遠心力、およびドグ２２’によるウェッジ部材４６へのトルク反応の半径成分によって外側に駆動され、シューばね３８による内向きのバイアスによってずれる。第二速度Ｓ2（高トルクモードの開始時）では、ウェッジ部材４６にかかる遠心力は、ウェッジばね４８の圧縮荷重と同じであることが理解される。したがって、本発明によるクラッチ１０’では、低利得モードと高利得モードとの間が滑らかに移行する。
直径Ｄ＝６インチ（０．２５フィート、１５ｃｍ）およびＷ＝１．１２５インチ（０．０９４フィート、２．８６ｃｍ）を有する第４図から第６図のクラッチ１０’は、本明細書で述べるように、４０ＢＨＰのディーゼルエンジンに使用するよう構成されている。遠心クラッチの容量評価で考慮すべき要素は、ドラムの直径、シューの回転重量および半径、シューにかかるばね力、シューを駆動するドグとの接触半径および角度、および摩擦係数である。（ストレート遠心クラッチではなく）増力タイプのクラッチでは、各ドグと個々のシューとの間の力の半径方向成分が、シューの遠心力にベクトル的に加わり、複合力がドグからのトルクをシューに結合する。したがって、エンジンまたはクラッチのその他の駆動源のトルク容量も、考慮すべき要素である。このような例証的な４０ＢＨＰの駆動源は、「Isusa」として知られ、かなり平坦なトルク曲線を有し、１４００ｒｐｍで７２．０フィート・ポンド（９．９５ｋｇ・ｍ）、２４００ｒｐｍで７３．９フィート・ポンド（１０．２ｋｇ・ｍ）、３０００ｒｐｍで７２．３フィート・ポンド（１０．０ｋｇ・ｍ）を提供する。以下の分析では、利用可能なトルクは上記の平均、つまりＴE＝７２．７フィート・ポンド（１０．１ｋｇ・ｍ）と見なす。
さらに第７図および第８図を参照すると、クラッチ１０’に関する以下の分析は、ソフトスタート作動用に組み立てられた、上述の米国特許第２，９４２，７１１号で開示されたようなクラッチおよび高増力用に組み立てられた同じクラッチのトルク容量の評価で開発され、使用に成功している式に基づくものである。該式は、約１．５パーセントの精度まで、独立の研究所で実施したダイナモメータ試験で確認された。ソフトスタートの構成の場合、第４図および第７図に示したようなクラッチ１０’の低利得モードに対応して、トルク容量ＴCLは下式から求められる。
ＴCL＝ｎ［ＦGS−ＦSR−ＦY1］μＲD
ここでＦGSはシュー２４にかかる遠心力、つまり０．０００３４０８ＷSＲGSＮ2で、Ｎはｒｐｍで表した速度、ＷSはシュー２４のポンドで表した重量、ＲGSはシュー２４の回転半径である。第４図に示すクラッチ１０’の構成では、シュー部材２６は４．６１平方インチ（２９．７ｃｍ2）の面積（体積５．１８４立方インチ、８５．０ｍ3）および０．１８８フィート（０．０５７３ｍ）の回転半径を有する。密度０．２４５８ポンド／立方インチ（６．８０ｇ／ｃｍ3）の焼結ニッケル鋼鉄合金を使用すると、シュー部材２６の重量は１．２７５ポンド（０．５７８ｋｇ）である。ライニング２８が０．０６８ポンド（０．０３０８ｋｇ）の重量を加え、シュー２４の回転半径を、シュー部材２６のみの場合より約０．００６フィート（０．００１８３ｍ）外側に移動させ、したがってＷS＝１．３４３ポンド（０．６０９ｋｇ）およびＲGS＝０．１５２フィート（０．０４６３ｍ）となる。第７図は、シュー２４が第４図の方向からわずかに回転し、したがってＲGSがハブ２０の中心から垂直に延びることを示す。また、ＦSRは、シューばね３８およびウェッジばね４８からシュー部材２６にかかる力の半径方向成分で、Ｎ＝Ｓ0でＦSR＝ＦGSである。さらに、ＦY1はウェッジ部分４６とシュー部材２６との間の力のＲGSと平行な方向を向いた半径方向成分で、ＦTEと指定され、これによってエンジンのトルクＴEがシュー２４と結合され、力ＦTEはＸ方向に向かって２０°の角度φに向かう。したがって、エンジンがトルクＴEを伝達している場合は下式のようになる。
0003833251.tif 000002
より一般的にはＦY1＝０．０５９１Ｔであり、ここでＴはクラッチ１０’によって伝達される実際のトルクである。また、摩擦係数μは上述したように、実験的に０．３４と求められている。したがって、下式のようになる。
0003833251.tif 000003
高増力構成では、第６図および第８図に示したようなクラッチ１０’の高利得モードに対応して、ブロック４６にかかる遠心力がシューにかかる遠心力に加わり、したがってトルク容量ＴCWは下式から求められる。
ＴCH＝ｎ［ＦGS＋ＦGW−ＦSR−ＦY2］μＲD
ここでＦGWはウェッジ部材４６からの遠心力、つまり0.0003408ＷWＲGWＮ2で、ＷWはウェッジ部材４６のポンドで表した重量、ＲGWは部材４６の回転半径である。第４図に示すクラッチ１０’の構成では、ウェッジ部材４６は０．３０７平方インチ（１．９８ｃｍ2）の面積（体積０．５３７立方インチ、８．８０ｃｍ3）を有し、０．１９４フィート（０．０５９１ｍ）の回転半径ＲGWを有する。シュー部材２６に焼結合金を使用すると、ウェッジ部材４６の重量は０．１３２ポンド（０．０５９９ｋｇ）で、一対のシューばね３８を含めると約０．１４ポンド（０．０６３５ｋｇ）となる。第８図は、第７図の方向からわずかに回転し、したがって座標軸がシュー２４とウェッジ部材４６を組み合わせた回転半径と整列するシュー２４を示す。また、ＦSWはウェッジばね３８からウェッジ部材４６にかかる力の半径方向成分で、Ｎ＝Ｓ2でＦSW＝ＦGWである。さらに、ＦY2はボス４４とウェッジ部材４６との間の力ＦNの半径方向成分で、Ｙ方向に向かう。力ＦNはウェッジ表面５０と直角で、エンジンのトルクＴEをウェッジ部材４６に結合する力ＦTEから５３°の角度θであり、力ＦNはＸ軸から４８°の角度φで正方向に傾く。したがって、下式のようになる。
0003833251.tif 000004
したがって下式のようになる。
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第９図は、１４００ｒｐｍで開始するエンジン速度について描いたＴCLおよびＴCHを示し、１８００ｒｐｍの垂直方向の点線は、低利得モードから高利得モードへの移行を示す。もう１本の垂直方向の点線は、２０００ｒｐｍにあり、速度Ｓ2はウェッジばね４８を適切に選択することによって調節できることを示す。他の要素が等しければ、ウェッジばね４８からの力が増加すると、第９図には描かれていないが、ＴCLのプロット図がわずかに上方にずれることが理解される。
第４図でも示すように、各シュー部材２６の第一ロック部分３４は、個々のライニング２８の後端５８の近傍に形成され、第二ロック部分は、ライニング２８の先端６０を越えて間隔をおく。したがって、後端５８は、シュー２４を安定化させるために、先端６０よりも長い距離、駆動スロット３２から円周方向に延在する。
さらに第４図に示すように、クラッチ１０’の好ましい構成は、組合せの動的安定性を向上させ、チャタリングを防止し、磨耗を軽減させるため、近接した摺動噛み合いする隣接したシュー２４の一方を有する。特に、各シュー部材２６は、関連のシューばね３８とほぼ一直線上に、第一ロック部分から延在する案内舌状部分６２を有し、案内舌状部分６２は、隣接するシュー部材２６に形成された案内スロット６４の対向する側面６とを摺動状態で噛み合う。舌状部分６２の対向する側およびスロット６４の表面６６は平行で、クリアランスが約０．００５インチ（０．０１３ｃｍ）しかないことが好ましい。したがって、舌状部分６２と個々のスロット６４との噛合いによって、隣接する後端５８の一方および隣接するシュー２４の先端６０は、ドラムからの半径方向の間隔が一致するよう配置され、シュー２４の動的挙動をさらに安定化し、隣接するシュー２４の対面する後端５８と先端６０とで、ライニング２８の磨耗の均等さも確保する。案内舌状部分６２およびスロット６４はそれぞれ、シュー２４の間で相対的に捻らないことによって動的安定をさらに強化し、過度の磨耗に抵抗するために、シュー２４のほぼ全幅Ｗに中実状に延在することが好ましい。シュー部材２６間の摺動噛合いのさらなる利点は、シュー２４がほぼ円形の関係に制限され、隣接するシュー部材の一方間の間隔がほぼ均等化することである。その結果、ハブ２０とほぼ同心円状に維持されたライニング２８によって、一定でないジャダーまたは「チャター」が防止される。これに対して、先行技術の既存の遠心クラッチは、過度なチャターが生じ、一方のシューとドラムとの間の摩擦噛合いが一時的に増加すると、ドラムの共振がずれてハブと偏心関係になり、シューとドラムとの噛合い摩擦の変動は、一方のシューがハブから遠くへ移動し、他方のシューがハブの近くに移動することによって悪化し、一方のシューの遠心荷重がそれに応じて増大し、他方のシューの遠心荷重が減少する。
したがって、本発明のクラッチ１０’は、比較的小さいパッケージで高容量を提供する、ソフトスタートと高利得との特に有利な組合せを提供する。低利得モードと高利得モードとの自動シフトは、双方向である。したがって、クラッチ１０’は、たとえばポンプの閉塞などが発生するとほぼ即座に低利得モードに入るという点で、動力源の過度な過負荷も保護し、クラッチ１０’が時には過熱するかもしれないが、より高価なポンプおよびエンジンは、クラッチ１０’によって、さもないと起るかもしれない損傷から保護される。
本発明について、特定の好ましいバージョンを参照しながら詳細に記述してきたが、他のバージョンも可能である。たとえば、上述したように、ライニング２８を削除することができる。また、クラッチ１０’の増力を大きく、あるいは小さくするよう角度θを選択することもできる。直径Ｄは、多種多様な用途に応じて、１．１２５インチ（２．８６ｃｍ）から最大６フィート（１．８３ｍ）以上までなど、選択することができる。運転速度は、５００ｒｐｍ未満から１０，０００ｒｐｍを上回る範囲まで可能である。したがって、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲は、必ずしも、本明細書に含まれる好ましいバージョンの記述に限定されるものではない。
【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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