JP5930325B2 - 平衡した単位荷重のための改良された摩擦部材 - Google Patents

Description

本発明は、概して摩擦係合装置、具体的にはクラッチ、更に具体的には摩擦面における平衡した単位荷重のための改良された摩擦部材を有するクラッチに関する。

発明の背景
クラッチは、例えば回転している板や軸などの二つの部材を共に連結するために、技術的によく知られている。一般的に、クラッチは、例えば摩擦係数、寿命、圧縮強度、変形性、耐熱性などの、クラッチにおける様々な特性を調節するために特別に選択された材料から形成された摩擦面を有する。摩擦面は、一般的に、内径部及び外径部を有するリングとして配置されている。クラッチを閉じるとき、クラッチ用係合部材の一方の側における圧力によって、クラッチの一つ又は複数の摩擦面に荷重が生じる。これにより、摩擦面の内外径部の間において、摩擦面に沿う圧力分布が生じる。摩擦面におけるこの圧力分布は、単位圧力又は単位荷重とも呼ばれる。摩擦面における局所的な高い圧力によって、摩擦面の変形が生じる。さらに、圧力分布は、特にクラッチがスリップしている間における、摩擦面で生じた熱の量に対応しており、その場合、増加した単位荷重はより多くの熱の量を示す。湿式クラッチでさえ、熱は、クラッチの摩擦面に損傷を与えるのに十分なほど高くなり得る。単位荷重は、たいてい、摩擦面の内外径部の近傍において、内外径部の間における摩擦面の中央に比べて、より高い圧力となる。したがって、摩擦面における損傷を最小にするために、摩擦面の全域で熱及び圧力が平衡となるように、より均一な単位荷重を形成することが望まれている。

トルクコンバータは、例えば、多くの場合湿式クラッチを有しており、当該湿式クラッチは、例えばカバー及びピストンプレートなど、回転する金属構成要素間に配置された紙に基づいた摩擦材を有しており、当該摩擦部材は、例えば、ピストン及び／又はカバーの表面同士を係合するための摩擦面を形成する。クラッチの摩擦面の全域における不均一な単位荷重によって、熱及び／又は圧力が、例えば内外径部の近傍など、摩擦部材の表面のある領域で著しく高くなると、たとえ湿式クラッチであったとしても、この紙に基づいた摩擦材は、焼け焦げ、燃え、永久変形され得る。

発明の概要
本発明は、概して、内径部と外径部とを備える第１の摩擦面を有する第１の部材と、第２の摩擦面を有する第２の部材と、を備えるクラッチにおいて、第１の部材又は第２の部材の少なくとも一方は、第１の摩擦面を第２の摩擦面に係合させて、クラッチを閉鎖するために軸方向に移動可能であり、第１の部材は、第１の内径部、第１の外径部又はその両方と半径方向で略整列された第１の領域において、第１の内径部と第１の外径部との間において半径方向で略配置された第１の摩擦面の部分と半径方向で整列された第２の領域よりも、薄肉であることを特徴とするクラッチを有する。

一つの実施形態において、第１の摩擦面は、第１の内径部と第１の外径部との間における第１の摩擦面の部分に、軸方向の隆起部を有する。一つの実施形態において、軸方向の隆起部は、内径部と外径部との間の半径方向距離よりも、少なくとも１桁大きい曲率半径を有する円弧によって規定されている。一つの実施形態において、曲率半径は、略５００ｍｍと３０００ｍｍとの間である。別の実施形態において、第１の摩擦面の内径部と外径部との間の半径方向距離は、略１０ｍｍと３０ｍｍとの間である。更なる実施形態において、曲率半径は略２０００ｍｍの値を有し、半径方向距離は略３０ｍｍである。

別の実施形態において、請求項１記載のクラッチにおいて、第１の部材は、第１の摩擦面の内径部、外径部又はその両方と半径方向で略整列して配置された、少なくとも一つの逃がし凹部を有する。別の実施形態において、少なくとも一つの逃がし凹部は、第１の部材の、第１の摩擦面に対して軸方向で反対側に配置されている第２の面に形成されている。

本発明は、概して、上述のクラッチを有するトルクコンバータを有することを特徴とする。一つの実施形態において、トルクコンバータは、クラッチを係合するために、加えられた圧力に応じて軸方向に移動するように操作可能に配置されたピストンを有する。一つの実施形態において、ピストンは、クラッチを係合するための、テーパー付けされた端部を有する。一つの実施形態において、クラッチは、トルクコンバータの振動ダンパをトルクコンバータのカバーに機械的に連結するロックアップクラッチである。一つの実施形態において、振動ダンパに設けられたプレートは、第１の部材の第１の摩擦面及び第２の部材の第２の摩擦面をそれぞれ係合するための、第３の摩擦面及び第４の摩擦面を有する。

本発明における、上述の及び他の対象及び利点は、下述する本発明の好適な実施形態の記載、添付の図面及び請求項から容易に理解できる。

本発明の作動方式及び作動性質は、添付の図面を用いて理解される以下の発明の詳細な説明において十分に説明されている。

改良された摩擦部材を有するクラッチを備えるトルクコンバータの断面図である。 本発明の第１実施形態による、改良された摩擦部材を有するクラッチの断面図である。 本発明の第２実施形態による、改良された摩擦部材を有するクラッチの断面図である。 テーパーした係合部材を有する最新式クラッチの性能を示すグラフである。 図２の実施形態を象徴するクラッチの性能を示すグラフである。 図３の実施形態を象徴するクラッチの性能を示すグラフである。

発明の詳細な説明
最初に、異なる図面に示された同一の参照符号は、同一の、又は機能的に類似する本発明の構造的要素であると認識されるべきである。本発明は、好適な態様であると現に検討されたものについて記載されているが、本発明の請求の範囲は、開示された態様に限定されないと理解されるべきである。

さらに、本発明は、本明細書に記載された、特定の方法、特定の材料、及び特定の変更に限定されるものではなく、勿論、そのようなものとして変更してもよいものとして理解される。また、本明細書で使用される用語は、特定の態様のみを説明することを目的とするものであり、本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ限定されるものであると理解される。

そうでないことが定義されない限り、本明細書で使用される技術的及び科学的な全ての用語は、本発明が属する技術分野における当業者に一般的に理解されるものと同じ意味を有する。軸方向又は半径方向の、特性又は距離に関連するあらゆる事項は、そうでないことが特定されない限り、図１の最下部に沿って示された回転軸に関連する。「摩擦面」、「係合面」、又は「接触面」は、本明細書において、クラッチを閉じるために、共に係合又は接触するクラッチの面を示すものとして交互に使用されてよい。本明細書で説明されるものと類似又は同等の、あらゆる方法、装置、又は材料を、本発明の実施又は試験において使用することができるが、ここでは、好適な方法、好適な装置、及び好適な材料が説明される。

図面を参照すると、図１は、例えば、エンジン又は他のねじり入力部（図示せず）に連結されたカバー１２を有して配置されたトルクコンバータ１０を示す。該トルクコンバータ１０は、エンジンとトランスミッション（図示せず）の入力軸との間でトルクを液圧下で伝達するための、インペラ１４、タービン１６、ステータ１８、及び振動ダンパ２０を有する。これらの構成要素は、図示する目的のみで示されており、技術的に知られたあらゆる型式又は形態の、カバー、インペラ、タービン、ステータ、及び／又は振動ダンパに置き換えられてもよく、幾つかの実施形態では、これらの構成要素の幾つか或いは全てが含まれていなくてもよい。

図１に示された特定の実施形態において、クラッチ２２は、液圧下でトルクを伝達する装置（例えばインペラ、タービン、ステータ）を迂回して、振動ダンパ２０をねじり入力部（例えばエンジン）に機械的に連結するロックアップクラッチとして、振動ダンパ２０とカバー１２との間に設けられている。ピストン２４は、該ピストン２４の軸方向位置に基づいてクラッチ２２を係合且つ非係合するために設けられ、すなわち、ピストンは閉鎖位置と開放位置との間を移動可能である。例えば、ピストン２４の第１の軸方向側でチャンバ２６に圧力を加えることによって、ピストンをクラッチ２２に向かって軸方向に移動させて、カバー１２の部材２８とピストン２４との間でクラッチを係合するために、ピストンに圧力が加えられる。

つまり、ダンパ２０に連結されるクラッチプレート３０は、ピストン２４とカバーの部分２８との間に配置され、その場合、クラッチプレート３０は摩擦リング３２，３４を有している。摩擦リングは、例えば、クラッチプレート３０に接合された紙に基づいた摩擦材である。したがって、摩擦リング３２，３４は、クラッチプレート３０のための摩擦面を形成するのに使用され、特に面３３，３５は、それぞれリング３２，３４上に形成されている。ピストン２４に加えられた異なる圧力に対するクラッチのスリップ量、ピストンとクラッチプレート３０又はカバーとクラッチプレート３０間の摩擦係数などを調節するなどして、使用者がクラッチの所望の性能を獲得し得る材料を選択するために、例えば摩擦リングは、ピストンをクラッチプレート又はカバーに直接係合することに代えて使用され得るものである。

図２に示されるように、摩擦リング３２，３４は、それぞれ、内径部３６（ＩＤ３６）と外径部３８（ＯＤ３８）との間に規定されている。内外径部は、ピストンとカバーとクラッチプレートの摩擦リングとの摩擦面及び／又は接触面の範囲を規定する。摩擦リングの内外径部から軸方向に延びる破線が示されており、この破線は、摩擦リングの摩擦面と半径方向で整列されるとともに前記摩擦面と係合する、ピストン２４の部分とカバー１２とを大まかに特定している。つまり、半径方向で整列されるとは、ＩＤ３６とＯＤ３８との間において、（トルクコンバータ１０の回転軸線に対する）半径方向距離で配置される、部材２８及びピストン２４の夫々の部分を意味する。本明細書で使用されるように、摩擦面又は接触面は、クラッチの係合のために共に接触する、クラッチ２２の構成要素の部分を意味している。よって、摩擦面は、原則的に、図２，３における一対の破線によって表された内外径部の間に規定されている。

クラッチを係合している間、ピストン２４を部分２８に向かって軸方向に移動させるために、例えばチャンバ２６に圧力を加えるなどして、ピストン２４に圧力が加えられる。それによって、ピストン２４の接触面３１は、クラッチプレート３０の摩擦リング３２の摩擦面３３に押し付けられ、一般に摩擦リング３２と共にクラッチプレート３０に接合されている、摩擦リング３４の摩擦面３５が、部材２８の接触面４４に押し付けられる。チャンバ２６を圧抜きするなどして、ピストンに加えられた圧力を解放することによって、ピストンは開放位置に戻ることができる。これによって、摩擦リング３２の摩擦面３３及び摩擦リング３４の摩擦面３５のそれぞれは、ピストン２４の接触面３１及びカバー１２の部分２８の接触面４４から非係合となる。このようにして、クラッチ２２は、ダンパ２０及びカバー１２を機械的に連結又は非連結するために使用され得る。

ピストン２４は、摩擦材３２の内径部に近接してテーパーカット部４０を含んでテーパー付けされており、これによりピストンの軸方向幅が、カット部４０からピストンの端部４２まで増大する。このようなテーパー付けされた係合面がクラッチの係合を改良することが発見されたが、摩擦材の外径部に近接した摩擦面において熱の著しい増加を招き得る。例えば図４は、テーパー付けされたピストンを有する最新式クラッチの性能の線図を示し、接触圧に対する（内径部から外径部までの）フェーシング（摩擦面）距離を図示している。線５４，５６，５８，６０，６２の各々は、クラッチ２２を閉鎖するためにピストン２４に加えられる異なる圧力（作用圧力）に関連している。例えば、線５４，５６，５８，６０，６２に対し、作用圧力は、それぞれ、１６０ＰＳＩ，１２０ＰＳＩ，９０ＰＳＩ，３０ＰＳＩ，１５ＰＳＩである。従って、ピストンに低い圧力が加えられるならクラッチは係合し始めるだけであるということが、例えば線６０，６２に関連して読み取ることができ、ピストンがテーパー付けされているために、滑りのエネルギーが、摩擦面の外側部分（例えばグラフの右側）によって専ら支えられる。より一層高い作用圧力では、摩擦面の外径部近傍の領域において、単位荷重のピークが残存する。より高い作用圧力では、第二のピークが内径部に近接して形成され、例えばそれは、クラッチを閉じる際に発生するピストンの曲げが少なくとも一つの原因である。よって、クラッチの摩擦面の内外径部近傍でより損傷が生じ易く、その場所で、単位荷重は最大となる。

部材２８は、（摩擦リング３４によって形成された）クラッチプレート３０の摩擦面３５と係合する摩擦面４４を有する。内外径部の間において半径方向で整列された摩擦面４４の部分（即ち、内外径部を特定している一対の破線の間に位置する面４４の部分）は、軸方向に、隆起し、半球形状に膨らみ、又は湾曲している。つまり、隆起、半球形状、又は湾曲によって、部材２８において、内径部及び／又は外径部と半径方向で整列される軸方向での薄肉部と、内外径部の間に配置される部材２８の厚肉部分とが生じる。本明細書で使用される際、カバーの「厚さ」又は「軸方向の厚さ」は、大まかに、面４４と反対の面４５との間で規定される。面４４における隆起、半球形状、又は湾曲は、矢印Ｒによって大まかに示された半径を有する円弧によって規定される。簡単のため、円弧を形成する半径も円弧それ自体も、符号Ｒによって示されてよい。面４４を形成する円弧の中心が図２の完全に範囲外に配置されているので、図２においてその円弧の中心が示されていないと理解されるべきである。例えば、一つの実施形態において、内径部３６と外径部３８との間の半径方向距離は３０ｍｍであり、半径Ｒは約２０００ｍｍである。幾つかの実施形態において、ＩＤ（内径部）とＯＤ（外径部）との間の半径方向距離はだいたい１０ｍｍと３０ｍｍとの間の範囲にあり、半径Ｒはだいたい５００ｍｍと３０００ｍｍとの間の範囲にある。従って、この実施形態において、面４４の湾曲は、ＩＤとＯＤとの間の距離よりも大凡少なくとも１桁大きく、最大では大凡２桁又は３桁大きいと理解されるべきである。つまり、他の実施形態において他の比率が十分によく作用することが理解されているとしても、半径Ｒは、ＩＤとＯＤとの間の距離よりも１０倍から数百倍の範囲で大きいときに好適に作用することが発見された。

図２の実施形態に類似して、図３におけるクラッチ２２は、摩擦面の内外径部の間の領域で、摩擦面と半径方向で整列された領域よりも、部材２８を軸方向に厚くするという特徴を有する。特に図３において、部材２８は、部材２８に薄肉の区分５０，５２を形成するため、面４５に逃がし凹部４６，４８を有する。見て取れるように、薄肉の区分５０は内径部３６と半径方向で略整列されており、区分５２は外径部３８と半径方向で略整列されている。例えば、内外径部に近接する摩擦面における負荷を軽減するために、逃がし凹部によって、部分２８は、摩擦面の内外径部に半径方向で対応した領域において僅かに大きく曲げられ、よって、摩擦面３４の全域でより均一に荷重を平衡する。

図５は、接触圧に対するフェーシング（摩擦面）距離が図示された図４に類似したグラフであって、摩擦面３５で測定された接触圧を用いた、図２に示されたように配置されたクラッチとして図示されている。図４と同様に、線６４，６６，６８，７０，７２は、それぞれ、クラッチを閉鎖するためにピストンに加えられた、１６０ＰＳＩ，１２０ＰＳＩ，９０ＰＳＩ，３０ＰＳＩ，１５ＰＳＩの圧力に関連している。面４４を僅かに湾曲した結果として、より高い作用圧力において、図４で示されたピークが完全に除去されたことが見て取れる。よって、クラッチを閉鎖するために同じ圧力がピストンに加えられたときでさえ、この実施形態では、摩擦面３５の完全に全体に亘る平衡した単位荷重が生じる。

図６は、摩擦面３５の接触圧に対する摩擦面３５のフェーシング距離が図示された図４，５のグラフに類似したグラフであって、図３に示されたように配置されたクラッチとして図示されている。図４，５と同様に、線７４，７６，７８，８０，８２は、それぞれ、クラッチを閉鎖するためにピストンに加えられた、１６０ＰＳＩ，１２０ＰＳＩ，９０ＰＳＩ，３０ＰＳＩ，１５ＰＳＩの圧力に関連している。図４で示されたピークがまだ存在しているものの、内径部近傍の接触圧が著しく減少したことが見て取れる。よって、図３の実施形態は、内径部近傍で低圧を使用することができる。

実施形態にかかわらず、一般的に、クラッチの摩擦面の内径部及び／又は外径部と半径方向で略整列された部材の部分における薄肉部と、半径方向で内外径部の間に配置される部材の部分における肉厚部とを形成するための特徴を有するように、部材２８は構成されている。例えば図３に示されるように、ＯＤ３８の半径方向外側に位置する逃がし凹部４８のように、内径部又は外径部と半径方向で正確に整列されるような特徴は必要でなく、部材２８の薄肉区分は、内径部及び／又は外径部と半径方向で、実質的に又は略整列されて配置されるべきである。よって、「半径方向で整列された」という記載によって、実質的に又は大凡、近接して、近傍で、又は隣接して整列されるということが意味される。唯一つだけの逃がし凹部を有することが必要であり、面４４の半球形状又は隆起は、半径方向である程度ずらされて、ＩＤとＯＤとの間の中間点に半径方向で対応する距離で正確に中心合わせされる必要はない、ということが理解される。例えば、改良された性能は、（トルクコンバータの回転軸線に対して半径方向で測定された）ＩＤとＯＤとの間の中間点の半径方向距離よりも大きな（トルクコンバータの回転軸線に対する）半径方向距離で、図２における円弧／半径Ｒの中心を配置することによって達成され得る。

これは本発明における一つの適用例であるが、本発明によるクラッチはトルクコンバータ内に設置される必要はないということが、図２，３に関して理解されるべきである。つまり、ピストン２４はクラッチのためのあらゆる係合部材と置き換えられることができ、一般的に、カバー１２はあらゆる対向部材によって置き換えられることができる。さらに、３つの係合部材（例えばカバー１２、ピストン２４、及びプレート３２）が係合されることが示されるが、本発明によれば、それ以外の数の部材が、少なくとも一つの摩擦面を有する各部材と共に連結され得る。例えば、ピストン２４は、カバー１２と直接係合することができるし、別の構成として、ピストン又はカバーのいずれかに接合された一つの摩擦面と係合することができる。

よって、本発明の請求項の精神と範囲内にあることを目的とされる本発明に対する改良及び変化は、当業者にとって非常に明白であるべきだが、本発明の対象は効率的に獲得されると理解される。上述の記載は本発明の例示であり、限定することが考慮されるべきではないことも理解される。よって、本発明の別の実施形態は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく可能である。

１０ トルクコンバータ
１２ カバー
１４ インペラ
１６ タービン
１８ ステータ
２０ 振動ダンパ
２２ クラッチ
２４ ピストン
２６ チャンバ
２８ カバーの部材，カバーの部分
３０ クラッチプレート
３１，４４ 接触面
３２，３４ 摩擦リング
３３，３５ 摩擦面
３６ 内径部
３８ 外径部
４０ テーパーカット部
４２ 端部
４５ 反対の面
４６ 逃がし凹部
５０，５２ 薄肉区分
Ｒ 半径

Claims (11)

1. 内径部と外径部とを備える第１の摩擦面を有する第１の部材と、
   第２の摩擦面を有する第２の部材と、を備えるクラッチにおいて、
   前記第１の部材又は前記第２の部材の少なくとも一方は、前記第１の摩擦面を前記第２の摩擦面に係合させて、前記クラッチを閉鎖するために軸方向に移動可能であり、
   前記第１の部材は、前記内径部、前記外径部又はその両方と半径方向で整列された第１の領域において、前記内径部と前記外径部との間に半径方向で配置された前記第１の摩擦面の部分と半径方向で整列された第２の領域よりも、薄肉であり、
   前記第１の部材は、前記第１の摩擦面の前記内径部、前記外径部又はその両方と半径方向で整列して配置された、少なくとも一つの逃がし凹部を有し、
   前記少なくとも一つの逃がし凹部は、前記第１の部材の、前記第１の摩擦面に対して軸方向で反対側に配置されている第２の面に形成されていることを特徴とするクラッチ。
2. 前記第１の摩擦面は、前記内径部と前記外径部との間における前記第１の摩擦面の前記部分に、軸方向の隆起部を有することを特徴とする、請求項１記載のクラッチ。
3. 前記軸方向の隆起部は、前記内径部と前記外径部との間の半径方向距離よりも、少なくとも１桁大きい曲率半径を有する円弧によって規定されていることを特徴とする、請求項２記載のクラッチ。
4. 前記曲率半径は、５００ｍｍと３０００ｍｍとの間にあることを特徴とする、請求項３記載のクラッチ。
5. 前記第１の摩擦面の前記内径部と前記外径部との間の前記半径方向距離は、１０ｍｍと３０ｍｍとの間にあることを特徴とする、請求項３又は４記載のクラッチ。
6. 前記曲率半径は２０００ｍｍの値を有し、前記第１の摩擦面の前記内径部と前記外径部との間の前記半径方向距離は３０ｍｍであることを特徴とする、請求項３から５までのいずれか１項記載のクラッチ。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載のクラッチを有することを特徴とする、トルクコンバータ。
8. 前記クラッチを係合するために、加えられた圧力に応じて軸方向に移動するように操作可能に配置されたピストンを有することを特徴とする、請求項７記載のトルクコンバータ。
9. 前記ピストンは、前記クラッチを係合するための、テーパー付けされた端部を有することを特徴とする、請求項８記載のトルクコンバータ。
10. 前記クラッチは、前記トルクコンバータの振動ダンパを前記トルクコンバータのカバーに機械的に連結するロックアップクラッチであることを特徴とする、請求項７から９までのいずれか１項記載のトルクコンバータ。
11. 前記振動ダンパに設けられたプレートは、前記第１の部材の前記第１の摩擦面及び前記第２の部材の前記第２の摩擦面をそれぞれ係合するための、第３の摩擦面及び第４の摩擦面を有することを特徴とする、請求項１０記載のトルクコンバータ。

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