JP5879786B2 - カップリング装置 - Google Patents

Description

この発明は、実質的に同軸状に配置された２つの回転軸の間で比較的大きなトルクを伝達するとともに、両回転軸の多少の偏心ないし角度ずれを許容することが可能なカップリング装置に関する。

互いに偏心した２つの回転軸を連結するカップリング装置としては、特許文献１に開示されているような所謂オルダムカップリングが広く知られている。このオルダムカップリングは、十字形に交差する２つの直径方向に沿って中間部材が摺動することで２つの回転軸の偏心を吸収する構成であり、原理的に比較的大きな偏心を許容することができる。

一方、特許文献２には、車両の駆動源として内燃機関と電動モータとを備えたハイブリッド車両において、内燃機関のクランクシャフト後端にモータのロータを固定し、このロータと変速機入力軸とを、円錐台形のコーン型をなすドライブプレートによって連結するようにした構成が開示されている。

特開２０１０−２４９１５１号公報 特開２００４−２４２４９４号公報

特許文献１のようなオルダムカップリングは、摺動部のバックラッシュが存在するため、内燃機関のようなトルク変動の大きな箇所でのカップリング装置としては適当ではなく、また構成の複雑化や大型化、さらには潤滑の問題も生じてしまう。

一方、特許文献２の構成では、内燃機関のクランクシャフトと変速機入力軸とがモータのロータおよび円錐台形のドライブプレートを介して連結されているが、この連結部には、クランクシャフトと変速機入力軸との間の僅かな偏心や角度ずれを許容する機構はなく、従って非常に高い精度で両者の同心度を確保しなければならない。そして、僅かな偏心などが残存していると、これを吸収できないことから、例えば軸受の偏摩耗などが生じてしまう。

この発明は、第１の回転軸と第２の回転軸とを、両者の中心軸線の偏心ないし角度ずれを許容しつつ連結するカップリング装置であって、第１の回転軸に取り付けられる第１のフランジと、第２の回転軸に取り付けられ、上記第１のフランジに対向して配置される第２のフランジと、複数の連結アームと、を備える。この連結アームは、ばね性を有する帯状金属板からなり、放射状に複数配設されるとともに、外周側の一端が上記第１のフランジにそれぞれ固定され、かつ内周側の他端が上記第２のフランジにそれぞれ固定されている。そして、上記連結アームは、その半径方向の中間部に、半径方向の伸縮変形を許容する波状屈曲部を備えるとともに、外周側の端部および内周側の端部に比較して相対的に剛性が低くなるように連結アームを構成する金属板に孔もしくは切欠を形成あるいは板厚を部分的に薄肉化してなる低剛性部を備えている。

このようなカップリング装置においては、放射状に配設された複数の連結アームを介して一方の回転軸から他方の回転軸へ回転が伝達される。個々の連結アームは、金属板のばね性によって弾性変形可能であるので、例えば、第２の回転軸の中心軸線が第１の回転軸の中心軸線に対し偏心していたり、両者の中心軸線が角度的にずれている場合でも、各連結アームの弾性変形によって、その偏心や角度ずれが吸収され、回転トルクの伝達が可能である。そして、放射状に延びる連結アームは、一般に第１，第２のフランジに固定されている両端の取付部に応力が集中し易いが、半径方向の中間部に低剛性部を備えることにより応力が分散され、結果として取付部の応力集中が緩和される。

この発明によれば、比較的簡単な構成で２つの回転軸の偏心や角度ずれを許容しつつ回転の伝達を行うことができ、かつトルク変動に伴うバックラッシュの問題や潤滑の必要性がない。

この発明に係るカップリング装置を内燃機関のクランクシャフトと電動モータとの間に備えた実施例の要部断面図。 この実施例のカップリング装置を単体で示す断面図。 同じく実施例のカップリング装置を電動モータ側から見た平面図。 スリットを備えた連結アームの１つを示す平面図。 波状屈曲部の一例を示す要部の断面図。 波状屈曲部の他の例を示す要部の断面図。 波状屈曲部のさらに他の例を示す要部の断面図。 モータ回転軸がクランクシャフトに対し偏心している場合の連結アームの変形状態を示す説明図。 伝達トルクが大きい場合の連結アームの変形状態を示す説明図。 連結アームに切欠を設けた第２の実施例の平面図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係るカップリング装置１が用いられる一つの例として、内燃機関２と電動モータ３との接続部の構成を示している。内燃機関２は、シリンダブロック４の下部に図示せぬ主軸受を介してクランクシャフト５が回転自在に支持されているとともに、このクランクシャフト５が収容されるクランク室６を画成するように、オイルパン７がシリンダブロック４下面に取り付けられている。

このオイルパン７とシリンダブロック４とからなる内燃機関２の後端面には、変速機ハウジング１１が取り付けられており、電動モータ３は、この変速機ハウジング１１の前端部に収容されている。なお、変速機ハウジング１１の後部には、図外の変速ギヤ機構が収容されている。電動モータ３は、変速機ハウジング１１側に固定されたステータ１２と、このステータ１２に対し回転するロータ１３と、を有する。ロータ１３は、モータ回転軸１４に固定されており、このモータ回転軸１４の前端部は、変速機ハウジング１１の前端のバルクヘッド部１５に軸受１６を介して回転自在に支持され、かつオイルシール１７によってシールされている。

上記モータ回転軸１４は、内燃機関２のクランクシャフト５に対し直列に並んでおり、両者は、基本的に互いに同心となるように配置されているが、各部の公差や変速機ハウジング１１の取付時の誤差等により生じ得る両者の中心軸線の僅かな偏心および角度ずれを吸収するために、クランクシャフト５の後端部とモータ回転軸１４の前端部とが、カップリング装置１を介して連結されている。なお、クランクシャフト５後端部は、内燃機関２の後端面においてシリンダブロック４およびオイルパン７に対し図示せぬオイルシールを介してシールされている。

上記変速機ハウジング１１は、バルクヘッド部１５の前方が、徐々に大径に膨らんだベルマウス部１８となっており、全体として円盤状をなすカップリング装置１は、このベルマウス部１８内の空間、換言すれば、変速機ハウジング１１のバルクヘッド部１５と内燃機関２の後端面との間に生じる空間内に収容されている。

上記カップリング装置１は、図２および図３にも示すように、第１フランジプレート２１と、第２フランジプレート２２と、両者を連結する複数の連結アーム２３と、から大略構成されている。

上記第１フランジプレート２１は、鋼板をプレス成形したものであって、全体として円形をなし、中央部に小径の補強板２４が重ねられてリベット２５にて固定されているとともに、この２枚重ねの中央部分が複数のボルト２６によってクランクシャフト５後端のボス部２７に取り付けられている。なお第１フランジプレート２１は、補強板２４外周縁よりも僅かに外周側の位置を境界として、中央部が内燃機関２側へ僅かに窪んだ形に成形されており、この窪んだ部分に補強板２４が重ねられている。また、第１フランジプレート２１の外周部には、その内燃機関２側の面に、フライホイール用の錘となる円環状のリング部材２８がボルト２９によって取り付けられている。さらに、第１フランジプレート２１の外周縁は、軸方向後方へ向かって、つまり円筒面に沿って折り曲げられており、ここに、多数の歯部３０が切欠形成されている。変速機ハウジング１１には、この歯部３０に隣接して該歯部３０を検出するための図示せぬプローブが配置されており、この歯部３０とプローブとによって、クランクシャフト５の回転位置（クランク角）を検出するクランク角センサが構成されている。つまり、上記第１フランジプレート２１は、クランク角センサのいわゆるシグナルプレートとしても機能しており、換言すれば、クランクシャフト５の後端に通常配置されるシグナルプレートが上記第１フランジプレート２１を兼ねたものとなっている。

上記第２フランジプレート２２は、アルミニウム合金等のダイキャスト部品からなり、上記第１フランジプレート２１よりも小径な円形をなすとともに、中央に円筒部３１が一体に形成されている。モータ回転軸１４の先端部には、スプライン加工あるいはセレーション加工が施されており、対応するスプラインないしセレーションを有する円筒部３１内周面に、モータ回転軸１４の先端部が嵌合している。上記第２フランジプレート２２は、上記第１フランジプレート２１に対向して位置し、両者間には、軸方向に適宜な間隔が保たれている。詳しくは、上記円筒部３１は、その軸方向長さの大部分が第２フランジプレート２２の面から前方（つまり内燃機関２側）へ突出しているが、この円筒部３１の先端が第１フランジプレート２１の補強板２４よりも僅かに後方に位置したものとなるように、上記の間隔が設定されている。なお、第２フランジプレート２２には、クランクシャフト５への取付用のボルト２６の位置に各々対応して円形の開口部３２が複数個設けられている。

上記第１フランジプレート２１と上記第２フランジプレート２２は、複数個、例えばこの実施例では７個の連結アーム２３によって互いに連結されている。この連結アーム２３は、ばね性を有する鋼板からなり、図４にも示すように、第１フランジプレート２１の外周縁に沿う円弧形の外周側リム部４１と、第２フランジプレート２２の外周縁に沿う円弧形の内周側リム部４２と、両者を連結する一定幅の帯状をなすアーム部４３と、を備え、全体として、Ｉ字形ないしＴ字形をなしている。外周側リム部４１の両端には取付孔４４がそれぞれ設けられており、この取付孔４４を貫通するボルト２９によって外周側リム部４１が第１フランジプレート２１の外周部に固定されている。上記ボルト２９は、上記のリング部材２８に螺合し、第１フランジプレート２１の前面に配置されるリング部材２８と第１フランジプレート２１の後面に配置される外周側リム部４１とを、同時に第１フランジプレート２１に固定している。また内周側リム部４２には一対の取付孔４５が設けられており、これらの取付孔４５を貫通するリベット４６によって内周側リム部４２が第２フランジプレート２２の外周部前面に固定されている。このように連結アーム２３が各々取り付けられた状態では、各々のアーム部４３は、第１フランジプレート２１および第２フランジプレート２２の半径線に沿って放射状に延びている。なお、複数個、例えば７個の連結アーム２３は、周方向に沿って等間隔に配置されている。

上記連結アーム２３におけるアーム部４３は、図１，図２に示すように、軸方向に離れて位置する外周側リム部４１と内周側リム部４２とを互いに連結するように軸方向に斜めに延びているが、実施例のカップリング装置１においては、その半径方向の中間部に、半径方向の伸縮変形を許容する波状屈曲部４７が設けられている。

この波状屈曲部４７は、帯状金属板からなるアーム部４３を断面円弧形ないし略Ｕ字形に１回ないし複数回折り曲げることで構成されている。図５〜図７は、波状屈曲部４７のいくつかの例を示しており、図５の例では、アーム部４３を外周側リム部４１寄りの符号５１で示す折曲線に沿って断面円弧形に折り曲げるとともに、内周側リム部４２寄りの符号５２で示す折曲線に沿って逆向きに断面円弧形に折り曲げた構成となっており、換言すれば、２箇所の折曲部が緩い円弧形のステップ状をなしている。上記の折曲線５１，５２は、図３のような平面図上では、回転の接線方向に沿った直線をなす。

図６の例では、アーム部４３を外周側リム部４１寄りの符号５３で示す折曲線に沿って断面円弧形に折り曲げるとともに、符号５４で示す稜線に沿って断面略Ｕ字形に折り返し、さらに、内周側リム部４２寄りの符号５５で示す折曲線に沿って断面円弧形に折り曲げた構成となっている。換言すれば、外周側リム部４１と内周側リム部４２との間に、後方（電動モータ３側）へ向かって突出した断面略Ｕ字形の山部５６を備えた構成となっている。上記の折曲線５３，５５および稜線５４は、やはり回転の接線方向に沿った直線をなす。

図７の例では、アーム部４３を外周側リム部４１寄りの符号５７で示す折曲線に沿って断面円弧形に折り曲げるとともに、符号５８で示す稜線に沿って断面略Ｕ字形に折り返し、かつ、符号５９で示す稜線に沿って逆向きの断面略Ｕ字形に折り返し、さらに、内周側リム部４２寄りの符号６０で示す折曲線に沿って断面円弧形に折り曲げた構成となっている。換言すれば、外周側リム部４１と内周側リム部４２との間に、後方（電動モータ３側）へ向かって突出した断面略Ｕ字形の山部６１と、逆に窪んだ断面略Ｕ字形の谷部６２と、を備えた構成となっている。上記の折曲線５７，６０および稜線５８，５９は、やはり回転の接線方向に沿った直線をなす。

図１〜図４に示した実施例のカップリング装置１は、図７に示した例と同様の波状屈曲部４７を備えており、後方へ向かって突出した山部６１と逆に窪んだ谷部６２とを有する。但し、この例では、図１，図２に示すように、図７の折曲線５７，６０に相当する折曲箇所の半径が比較的小さく、外周側リム部４１および内周側リム部４２から中間のアーム部４３がほぼ直線的に折れ曲がった形となっている。

さらに、上記アーム部４３の半径方向の中間部には、該アーム部４３の両端部に比較して相対的に剛性が低い低剛性部を構成するように、細長いスリット７０が開口形成されている。このスリット７０は、回転の接線方向に沿って延びており、帯状金属板からなるアーム部４３の両側部のみを残すように該アーム部４３の幅の中央部に形成されている。なお、このような細長い１個のスリット７０の形成に代えて、円形の孔を１個あるいは複数個並べて形成するようにしてもよく、あるいは、短いスリットを複数個並べるようにしてもよい。

また、図１〜図４の実施例では、屈曲方向に変位する波状屈曲部４７の山部６１および谷部６２の頂部を避けてスリット７０を形成してあるが、本発明は必ずしもこれに限定されず、例えば図６の例では、山部５６の頂部付近にスリット７０が位置している。

上記のように構成されたカップリング装置１においては、放射状に配置される複数のアーム部４３を介して第１フランジプレート２１と第２フランジプレート２２との間で回転トルクが伝達される。そして、第２フランジプレート２２は、弾性変形可能なアーム部４３を介して第１フランジプレート２１に対し保持されているので、両者の中心軸線の相対的な偏心や角度ずれが許容される。図８は、一例として、第１フランジプレート２１の中心軸線に対し第２フランジプレート２２の中心軸線が図右方へ偏心している場合の各連結アーム２３の状態を模式的に示しており、図示するように、第２フランジプレート２２の偏心に応じて、図左側に位置するアーム部４３は伸長し、図右側に位置するアーム部４３は縮小し、これによって、容易に偏心を吸収する。つまり、中心軸線の偏心を許容しつつ確実な回転トルクの伝達が可能である。同様に、２つの中心軸線の角度的なずれも吸収される。特に、この実施例では、伸縮変形が可能な波状屈曲部４７を具備することから、偏心や角度的なずれがより容易に吸収される。

ここで、上記のような偏心があると、一部のアーム部４３（例えば図８で上方および下方に位置するアーム部４３）は、半径線に対し傾けられることとなり、該アーム部４３と外周側リム部４１との接続部のコーナ、さらには、該アーム部４３と内周側リム部４２との接続部のコーナ、に応力が集中しやすい。これに対し、上記実施例では、アーム部４３の半径方向の中間部がスリット７０の形成により低い剛性となっているため、応力が分散し、アーム部４３両端のコーナ部分における応力集中が緩和される。従って、高い耐久性が得られる。

なお、図８では、説明のために第２フランジプレート２２が大きく偏心した状態を描いているが、上述したように、内燃機関２のクランクシャフト５と電動モータ３のモータ回転軸１４とは基本的に同心状に配置されているので、カップリング装置１が吸収すべき偏心量や角度ずれは実際にはかなり小さな値である。例えば、１ｍｍ以下の偏心、１度以下の角度ずれ、を吸収できれば十分である。

また、図９は、第１フランジプレート２１と第２フランジプレート２２との間に大きな回転トルクが与えられた場合の各連結アーム２３の変形状態を若干誇張して示している。この例では、第１フランジプレート２１に対し第２フランジプレート２２が時計回り方向に回転しており、これに伴って各連結アーム２３は、半径線に対し傾くように傾斜する。このような場合、やはり外周側リム部４１および内周側リム部４２に対し中間のアーム部４３が傾こうとするので、仮にアーム部４３全体が一定の剛性のものであると、アーム部４３と外周側リム部４１との接続部のコーナ、さらには、アーム部４３と内周側リム部４２との接続部のコーナ、に応力が集中してしまう。これに対し、上記実施例では、図８の例と同様に、中間部のスリット７０によって応力が分散し、アーム部４３両端のコーナ部分における応力集中が緩和される。

なお、スリット７０の位置や大きさ等は、図８や図９のような変形状態における各部の応力分布が適切なものとなるように設定される。

このように、上記のカップリング装置１によれば、内燃機関２のクランクシャフト５と電動モータ３のモータ回転軸１４とを、両者の多少の偏心や角度ずれを許容する形で連結することができ、各部の公差や変速機ハウジング１１取付時の誤差等を容易に吸収できる。そして、このカップリング装置１は、軸方向の寸法が小さく、内燃機関２と電動モータ３との間のベルマウス部１８内の空間に収容できるため、直列に配置される内燃機関２と電動モータ３との全体的な軸方向の寸法を拡大する必要がない。特に、第１フランジプレート２１がクランク角センサ用のシグナルプレートを兼ねており、全体としての部品点数が少なくなるとともに、通常のシグナルプレートを配置するために必要な空間内にカップリング装置１を収容することが可能である。しかも、このカップリング装置１は、潤滑の必要はなく、かつ十分な耐久性を確保できる。

また、内燃機関２側に接続される第１フランジプレート２１は、実質的に剛体であり、外周部の錘つまりリング部材２８によってフライホイールを構成しているので、連結アーム２３に作用する内燃機関２のトルク変動が抑制され、この点からもカップリング装置１の耐久性を高く得ることができる。

次に、図１０は、連結アーム２３の低剛性部として、前述したスリット７０の形成に代えて、連結アーム２３の両側縁に切欠７１を設けた第２の実施例を示している。つまり、この実施例の連結アーム２３は、やはり外周側リム部４１と内周側リム部４２とアーム部４３とに大別されるが、アーム部４３の半径方向の中間部に、一対の切欠７１が設けられており、これによって、幅の狭い狭小部７２が残存した形となっている。

上記狭小部７２は、外周側リム部４１および内周側リム部４２に連なるアーム部４３両端部よりも剛性が低く、従って、前述した実施例と同様に、応力が分散される。この狭小部７２の位置および寸法は、変形状態における各部の応力分布が適切なものとなるように設定される。

この他、低剛性部としては、アーム部４３の半径方向の中間部の板厚を部分的に薄肉化することによって剛性を低くした構成も可能である。

なお、上記各実施例では、複数の連結アーム２３を別々に形成して第１，第２フランジプレート２１，２２に個々に取り付けているが、外周側リム部４１および内周側リム部４２の少なくとも一方を円環状に連続したものとして、複数の連結アーム２３を１部材に形成することもできる。また、図示例では、アーム部４３が第１，第２フランジプレート２１，２２の半径線に完全に沿って配置されているが、例えば回転方向を考慮して一方へ傾斜した配置としてもよい。さらに、第１フランジプレート２１および第２フランジプレート２２は、必ずしも円形である必要はなく、連結アーム２３を放射状に取り付けられる形状であればよい。

本発明のカップリング装置は、上記の内燃機関２と電動モータ３との間の動力伝達に限らず、種々の駆動機構や回転装置における回転軸の連結に広く適用することが可能である。

１…カップリング装置
２…内燃機関
３…電動モータ
５…クランクシャフト
１４…モータ回転軸
２１…第１フランジプレート
２２…第２フランジプレート
２３…連結アーム
３０…歯部
４１…外周側リム部
４２…内周側リム部
４３…アーム部
４７…波状屈曲部
７０…スリット
７１…切欠

Claims (5)

1. 第１の回転軸と第２の回転軸とを、両者の中心軸線の偏心ないし角度ずれを許容しつつ連結するカップリング装置であって、
   第１の回転軸に取り付けられる第１のフランジと、
   第２の回転軸に取り付けられ、上記第１のフランジに対向して配置される第２のフランジと、
   ばね性を有する帯状金属板からなり、放射状に複数配設されるとともに、外周側の一端が上記第１のフランジにそれぞれ固定され、かつ内周側の他端が上記第２のフランジにそれぞれ固定された複数の連結アームと、
   を備え、上記連結アームは、その半径方向の中間部に、半径方向の伸縮変形を許容する波状屈曲部を備えるとともに、外周側の端部および内周側の端部に比較して相対的に剛性が低くなるように連結アームを構成する金属板に孔もしくは切欠を形成あるいは板厚を部分的に薄肉化してなる低剛性部を備えることを特徴とするカップリング装置。
2. 上記孔は、回転の接線方向に沿って細長く延びたスリットであることを特徴とする請求項１に記載のカップリング装置。
3. 直列に配置された内燃機関とモータとの間に設けられ、第１の回転軸となる内燃機関のクランクシャフトと第２の回転軸となるモータの回転軸とを連結する請求項１または２に記載のカップリング装置。
4. 第１の回転軸が入力軸であり、上記第１のフランジは、外周部に錘を備えたフライホイールとして構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のカップリング装置。
5. 上記連結アームは、上記第１のフランジの外周縁に沿う円弧形をなす外周側リム部と、上記第２のフランジの外周縁に沿う円弧形をなす内周側リム部と、を有し、上記外周側リム部が上記第１のフランジに固定されているとともに上記内周側リム部が上記第２のフランジに固定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のカップリング装置。

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