JP2003287098A - ベルト式無段変速機 - Google Patents

ベルト式無段変速機

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俊博 斉藤
Takemasa Okano
武政 岡野
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    • F16H9/02Gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio, or for reversing rotary motion, by endless flexible members without members having orbital motion
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    • F16H55/52Pulleys or friction discs of adjustable construction
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ベルト式無段変速機の金属リング集合体の側
縁が金属エレメントやプーリのV面に接触し難くして耐
久性を向上させる。 【解決手段】 ベルト式無段変速機Tは、固定側プーリ
半体7および可動側プーリ半体8を有するドライブプー
リ6と、固定側プーリ半体12および可動側プーリ半体
13を有するドリブンプーリ11とに、無端状の金属リ
ングを複数枚積層した金属リング集合体に多数の金属エ
レメントを支持した金属ベルト15を巻き掛けてなり、
前記ドライブプーリ6は、可動側プーリ半体8の倒れ剛
性が固定側プーリ半体7の倒れ剛性よりも高く設定され
る。これにより、金属リング集合体の側縁が金属エレメ
ントやドライブプーリ6のV面に接触し難くすることが
可能となり、金属リング集合体の耐久性を向上させるこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、ドライブプーリお
よびドリブンプーリに金属ベルトを巻き掛けたベルト式
無段変速機に関する。 【0002】 【従来の技術】近年、自動車の更なる環境対応の要求が
高まる中で、金属ベルトを用いたベルト式無段変速機
は、走行性能の向上と燃料消費量の節減とを両立できる
変速機として注目されている。かかるベルト式無段変速
機は、その走行性能においては、シフトショックの無い
スムーズな加速と静粛性とを可能にし、その燃料消費量
においては、エンジンとの統合制御により燃焼効率の高
いエンジン回転数を維持することで、オートマチックト
ランスミッションを凌ぐ低燃費を実現している。そのた
め、今後ますますベルト式無段変速機のトルク伝達容量
を拡大して多機種への汎用性を高めるニーズが高まって
いる。 【0003】従来、特開昭52−47158号公報に記
載されているように、金属エレメントのサドル面上を金
属リング集合体が移動し、その側縁が金属エレメントの
ネック部やプーリのV面と接触して耐久性が低下するの
を防止すべく、金属エレメントのサドル面を凸形状(ク
ラウニング)にし、金属リング集合体をサドル面上でセ
ンタリングする技術が知られている。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、金属エ
レメントのサドル面を凸形状にしてセンタリング機能を
持たせても、ベルト式無段変速機の運転条件によっては
金属リング集合体がサドル面上を移動することが避けら
れなかった。その原因の一つとして、ドライブプーリの
可動側プーリ半体および固定側プーリ半体の倒れ剛性の
比率が大きな影響を及ぼすことが判明した。 【0005】本発明は前述の事情に鑑みてなされたもの
で、ベルト式無段変速機の金属リング集合体の側縁が金
属エレメントやプーリのV面に接触し難くして耐久性を
向上させることを目的とする。 【0006】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1に記載された発明によれば、固定側プーリ
半体および可動側プーリ半体を有するドライブプーリ
と、固定側プーリ半体および可動側プーリ半体を有する
ドリブンプーリとに、無端状の金属リングを複数枚積層
した金属リング集合体に多数の金属エレメントを支持し
た金属ベルトを巻き掛けたベルト式無段変速機におい
て、前記ドライブプーリは、可動側プーリ半体の倒れ剛
性が固定側プーリ半体の倒れ剛性よりも高く設定された
ことを特徴とするベルト式無段変速機が提案される。 【0007】上記構成によれば、ベルト式無段変速機の
ドライブプーリの可動側プーリ半体の倒れ剛性を固定側
プーリ半体の倒れ剛性よりも高く設定したことにより、
金属リング集合体の側縁が金属エレメントやプーリのV
面に接触し難くすることが可能となり、金属リング集合
体の耐久性を向上させることができる。 【0008】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。 【0009】図1〜図18は本発明の一実施例を示すも
ので、図1は金属ベルト式無段変速機を搭載した車両の
動力伝達系のスケルトン図、図2は金属ベルトの部分斜
視図、図3は金属エレメントの正面図、図4はミスアラ
イメントの定義を説明する図、図5はレシオとミスアラ
イメントとの関係を示すグラフ、図6はプーリを剛体と
仮定した場合の金属リング集合体の周方向のミスアライ
メントの分布を示すグラフ、図7は金属ベルトの周方向
の各位置の定義を説明する図、図8は左右の金属リング
集合体の周方向のミスアライメントの分布を示す図、図
9は左右の金属リング集合体の外側縁の周方向の応力の
分布を示す図、図10はプーリの倒れ剛性を考慮したモ
デルの説明図、図11はプーリの倒れ剛性を考慮した場
合の金属リング集合体の周方向のミスアライメントの分
布を示すグラフ、図12は固定側プーリ半体および可動
側プーリ半体の剛性値を異ならせたケース(1)〜
(9)の定義を示す図、図13はケース(1)〜(4)
における金属リング集合体の4つの側縁の応力を示すグ
ラフ、図14はケース(1),(4)における金属リン
グ集合体の周方向の応力の分布を示すグラフ、図15は
ケース(1),(4)における金属リング集合体の周方
向の荷重の分布を示すグラフ、図16はケース(5),
(3),(6)における金属リング集合体の4つの側縁
の応力を示すグラフ、図17はケース(5)における金
属リング集合体の周方向のクリアランスおよびミスアラ
イメントの分布を示すグラフ、図18はケース(1)〜
(9)における金属リング集合体の4つの側縁のクリア
ランスを示すグラフである。 【0010】尚、本実施例で用いる金属エレメントの前
後方向、左右方向、半径方向の定義は図2に示されてい
る。半径方向はその金属エレメントが当接するプーリの
半径方向として定義されるもので、プーリの回転軸に近
い側が半径方向内側であり、プーリの回転軸に遠い側が
半径方向外側である。また左右方向は金属エレメントが
当接するプーリの回転軸に沿う方向として定義され、前
後方向は金属エレメントの車両の前進走行時における進
行方向に沿う方向として定義される。 【0011】図1は自動車に搭載された金属ベルト式無
段変速機Tの概略構造を示すもので、エンジンEのクラ
ンクシャフト1にダンパー2を介して接続されたインプ
ットシャフト3は発進用クラッチ4を介して金属ベルト
式無段変速機Tのドライブシャフト5に接続される。ド
ライブシャフト5に設けられたドライブプーリ6は、ド
ライブシャフト5に固着された固定側プーリ半体7と、
この固定側プーリ半体7に対して接離可能な可動側プー
リ半体8とを備えており、可動側プーリ半体8は油室9
に作用する油圧で固定側プーリ半体7に向けて付勢され
る。 【0012】ドライブシャフト5と平行に配置されたド
リブンシャフト10に設けられたドリブンプーリ11
は、ドリブンシャフト10に固着された固定側プーリ半
体12と、この固定側プーリ半体12に対して接離可能
な可動側プーリ半体13とを備えており、可動側プーリ
半体13は油室14に作用する油圧で固定側プーリ半体
12に向けて付勢される。ドライブプーリ6およびドリ
ブンプーリ11間に、左右の一対の金属リング集合体3
1,31に多数の金属エレメント32を支持してなる金
属ベルト15が巻き掛けられる(図2参照)。それぞれ
の金属リング集合体31は、12枚の金属リング33を
積層してなる。 【0013】ドリブンシャフト10には前進用ドライブ
ギヤ16および後進用ドライブギヤ17が相対回転自在
に支持されており、これら前進用ドライブギヤ16およ
び後進用ドライブギヤ17はセレクタ18により選択的
にドリブンシャフト10に結合可能である。ドリブンシ
ャフト10と平行に配置されたアウトプットシャフト1
9には、前記前進用ドライブギヤ16に噛合する前進用
ドリブンギヤ20と、前記後進用ドライブギヤ17に後
進用アイドルギヤ21を介して噛合する後進用ドリブン
ギヤ22とが固着される。 【0014】アウトプットシャフト19の回転はファイ
ナルドライブギヤ23およびファイナルドリブンギヤ2
4を介してディファレンシャル25に入力され、そこか
ら左右のアクスル26,26を介して駆動輪W,Wに伝
達される。 【0015】而して、エンジンEの駆動力はクランクシ
ャフト1、ダンパー2、インプットシャフト3、発進用
クラッチ4、ドライブシャフト5、ドライブプーリ6、
金属ベルト15およびドリブンプーリ11を介してドリ
ブンシャフト10に伝達される。前進走行レンジが選択
されているとき、ドリブンシャフト10の駆動力は前進
用ドライブギヤ16および前進用ドリブンギヤ20を介
してアウトプットシャフト19に伝達され、車両を前進
走行させる。また後進走行レンジが選択されていると
き、ドリブンシャフト10の駆動力は後進用ドライブギ
ヤ17、後進用アイドルギヤ21および後進用ドリブン
ギヤ22を介してアウトプットシャフト19に伝達さ
れ、車両を後進走行させる。 【0016】このとき、金属ベルト式無段変速機Tのド
ライブプーリ6の油室9およびドリブンプーリ11の油
室14に作用する油圧を、電子制御ユニットU1からの
指令で作動する油圧制御ユニットU2で制御することに
より、その変速比が無段階に調整される。即ち、ドライ
ブプーリ6の油室9に作用する油圧に対してドリブンプ
ーリ11の油室14に作用する油圧を相対的に増加させ
れば、ドリブンプーリ11の溝幅が減少して有効半径が
増加し、これに伴ってドライブプーリ6の溝幅が増加し
て有効半径が減少するため、金属ベルト式無段変速機T
の変速比はLOWに向かって無段階に変化する。逆にド
リブンプーリ11の油室14に作用する油圧に対してド
ライブプーリ6の油室9に作用する油圧を相対的に増加
させれば、ドライブプーリ6の溝幅が減少して有効半径
が増加し、これに伴ってドリブンプーリ11の溝幅が増
加して有効半径が減少するため、金属ベルト式無段変速
機Tの変速比はODに向かって無段階に変化する。 【0017】図2および図3に示すように、金属板材か
ら打ち抜いて成形した金属エレメント32は、概略台形
状のエレメント本体34と、金属リング集合体31,3
1が嵌合する左右一対のリングスロット35,35間に
位置するネック部36と、ネック部36を介して前記エ
レメント本体34の上部に接続される概略三角形のイヤ
ー部37とを備える。エレメント本体34の左右方向両
端部には、ドライブプーリ6およびドリブンプーリ11
のV面に当接可能な一対のプーリ当接面39,39が形
成される。また金属エレメント32の進行方向前側およ
び後側には相互に当接する主面40がそれぞれ形成さ
れ、また進行方向前側の主面40の下部には左右方向に
延びるロッキングエッジ41を介して傾斜面42が形成
される。更に、前後に隣接する金属エレメント32,3
2を結合すべく、イヤー部37の前後面に相互に嵌合可
能な凸部43fおよび凹部43rが形成される。そして
左右のリングスロット35,35の下縁に、金属リング
集合体31,31の内周面を支持するサドル面44,4
4が形成される。 【0018】さて、図4に示すように、ドライブプーリ
6およびドリブンプーリ11に金属ベルト15を巻き掛
けて成る金属ベルト式無段変速機Tでは、ドライブプー
リ6の固定側プーリ半体7とドリブンプーリ11の固定
側プーリ半体12とが対角位置に配置されており、かつ
ドライブプーリ6の可動側プーリ半体8とドリブンプー
リ11の可動側プーリ半体13とが対角位置に配置され
ている。従って、ドライブプーリ6およびドリブンプー
リ11の可動側プーリ半体8,13が固定側プーリ半体
7,12に対して接近・離反すると、ドライブプーリ6
のV溝中心線Laとドリブンプーリ11のV溝中心線L
bとが一致しなくなり、僅かなミスアライメントαが発
生することになる。 【0019】ミスアライメントが大きくなると金属ベル
ト15の寿命が低下することが実験的に知られており、
このミスアライメントはプーリを剛体と仮定してもゼロ
にはならず、その大きさは金属ベルト式無段変速機Tの
レシオによって決定される(図5参照)。更に、実際の
プーリは有限な剛性値を持つことから、その変形量がミ
スアライメントに及ぼす影響を考慮することが重要とな
る。しかしながら、現状では金属ベルト式無段変速機T
の運転中のミスアライメントと金属ベルト15の強度と
の関係が充分に解明されているとは言えない。金属ベル
ト式無段変速機Tの運転中のミスアライメントを測定す
ることは困難であることに鑑み、シミュレーションによ
って金属ベルト式無段変速機Tの運転中の金属ベルト1
5の挙動を解析した。ここでは、プーリの倒れ剛性の影
響を知ることが目的であるため、金属エレメント32の
個数を280個とし、金属リング集合体31の金属リン
グ33の枚数を3枚とした簡易モデルを用いて解析を行
った。 【0020】先ず、ドライブプーリ6およびドリブンプ
ーリ11を共に剛体と仮定し、その倒れの影響を考慮し
ない場合について解析した。図6は金属ベルト15の周
方向位置(横軸)に対する金属エレメント32のミスア
ライメント(縦軸)の関係を示しており、横軸のa,
b,c,dは、図7に示すように、それぞれドリブンプ
ーリ11の出口部分、ドライブプーリ6の入り口部分、
ドライブプーリ6の出口部分およびドリブンプーリ11
の入り口部分に対応する。金属ベルト15がドライブプ
ーリ6に巻き付いているb〜cの範囲と、ドリブンプー
リ11に巻き付いているd〜aの範囲とで金属エレメン
ト32のミスアライメントは一定値に保持されており、
金属ベルト15がドライブプーリ6に巻き付くbの部分
で金属エレメント32のミスアライメントが急激に増加
している。尚、ミスアライメントは、ドリブンプーリ1
1の固定側プーリ半体12および下動側プーリ半体13
のV溝中心線Lbを基準としている(図4参照)。 【0021】一方、図8に示すように、左右の金属リン
グ集合体31,31のミスアライメントは、金属エレメ
ント32のミスアライメントとは異なり、金属エレメン
ト32のサドル面44,44に対して相対速度差を持ち
ながら周方向に滑らかに変化している。図9には、この
ときの左右の金属リング集合体31,31の外側縁(A
位置およびD位置)における応力が示される。左右の金
属リング集合体31,31は、金属エレメント32のミ
スアライメントの影響を受けて異なる応力状態となって
おり、更に左右の金属リング集合体31,31の外側縁
での応力が高くなっていることが分かる。 【0022】次に、倒れ量が大きいドライブプーリ6の
影響を調べるために、図10に示すように、シミュレー
ションモデルにドライブプーリ6の倒れ剛性を表す回転
ばねを新たに追加した。これにより、固定側プーリ半体
7の倒れ剛性はKsに設定され、可動側プーリ半体8の
倒れ剛性はKmに設定される。倒れ剛性Ks,Kmの値
はプーリの三次元FEMモデルを作成して金属ベルト1
5の荷重を静的に加えることで算出した。プーリはその
剛性に応じて半径方向や円周方向にも変形するが、それ
らのうちで倒れ変形が最大であることから、ここではプ
ーリの倒れ変形のみに着目した。 【0023】図11はプーリの倒れの影響を考慮した場
合の、金属ベルト15の位置に対する金属エレメント3
2のミスアライメントの関係を示すもので、横軸のa,
b,c,dは図7に示す金属ベルト15の周方向の位置
である。ここでは、プーリの剛性は倒れ量が大きいドラ
イブプーリ6だけを考慮しており、かつ左右のプーリ半
体7,8の倒れ剛性を異なる値に設定している。ドライ
ブプーリ6を剛体とした図6と比較すると明らかなよう
に、金属ベルト15がドライブプーリ6に巻き付いてい
るb〜cの範囲でミスアライメントが増加していること
が分かる。 【0024】次に、ドライブプーリ6の剛性によって金
属リング集合体31の応力がどのように変化するかを調
べる。図12にはパラメータスタディに用いた両プーリ
半体7,8の剛性の9種類の組み合わせがケース(1)
〜ケース(9)で示される。即ち、横軸はプーリシャフ
ト(つまり固定側プーリ半体7)の剛性Ksであり、縦
軸は可動側プーリ半体8の剛性Kmである。 【0025】図12において、ケース(7)およびケー
ス(9)を通る実線は固定側プーリ半体7と可動側プー
リ半体8との剛性比が1となる関係を示しており、従っ
て、ケース(1)〜ケース(4)、ケース(6)および
ケース(8)では可動側プーリ半体8の剛性が固定側プ
ーリ半体7の剛性よりも大きいことを示し、反対にケー
ス(5)では可動側プーリ半体8の剛性が固定側プーリ
半体7の剛性よりも小さいことを示している。 【0026】図13には、固定側プーリ半体7および可
動側プーリ半体8の剛性比(図12の破線参照)を略一
定にしたまま剛性の絶対値を変化させた4つのケース
(1),(2),(3),(4)について、一対の金属
リング集合体31,31の4つの側縁A,B,C,Dに
おける応力が示されている。ここで応力値は金属リング
集合体31,31の周方向で最大となる値を採用した。
同図から明らかなように、剛性の絶対値が大きくなるほ
ど、つまりケース(4)からケース(1)に向けて応力
が次第に増加することが分かる。 【0027】図14には、ケース(1)およびケース
(4)における金属リング集合体31の周方向の応力の
分布が示される。ケース(4)に対して剛性を高くした
ケース(1)ではドライブプーリ6の入口での応力振幅
が増加していることが分かる。その理由は、ドライブプ
ーリ6の倒れ剛性を高くしたケース(1)では、ドライ
ブプーリ6のV面から金属エレメント32のプーリ当接
面39,39に作用する衝撃荷重が増加し(図15
(A)のドライブプーリ6の入口位置b参照)、これに
より金属リング集合体31の応力増加が助長されるため
と考えられる。 【0028】図16には、固定側プーリ半体7および可
動側プーリ半体8の剛性比(Ks/Km)を変化させた
際の、金属リング集合体31,31の4つの側縁A,
B,C,Dの応力が、ケース(5),(3),(6)に
ついて示される。ケース(5),(3),(6)につい
て、金属リング集合体31,31の4つの側縁A,B,
C,Dの応力に若干の差が見られるものの、剛性比の影
響の度合いは小さいことが分かる。しかしながら、前記
剛性比は金属エレメント32と金属リング集合体31,
31との相対的なアライメントに対して直接的な影響を
及ぼしている。 【0029】即ち、図17には、ケース(5)について
の、可動側プーリ半体8側の金属リング集合体31と金
属エレメント32のネック部36との間のクリアランス
β(図3参照)と、金属エレメント32のミスアライメ
ントと、前記金属リング集合体31のミスアライメント
とが示されている。同図において、金属ベルト15がド
ライブプーリ6に巻き付く領域b〜cで、可動側プーリ
半体8側の金属リング集合体31と金属エレメント32
のネック部36との間のクリアランスβが極めて小さく
なっており、金属リング集合体31の内側縁が金属エレ
メント32に接触して耐久性低下の原因となることが懸
念される。 【0030】図18には、全てのケース(1)〜(9)
における左右の金属リング集合体31,31の外縁部の
クリアランスと内縁部のクリアランスとが示される。ク
リアランスが負値になっている部分は、金属リング集合
体31,31の縁部が金属エレメント32あるいはドラ
イブプーリ6に接触していることを示している。可動側
プーリ半体8および固定側プーリ半体7の剛性差がゼロ
に近いか逆転しているケース(5),(7),(9)で
は、可動側プーリ半体8側の金属リング集合体31と金
属エレメント32のネック部36とが強く接触し、かつ
固定側プーリ半体7側の金属リング集合体31と固定側
プーリ半体7とが強く接触しており、金属リング集合体
31,31の耐久性に悪影響を与えていることが分か
る。 【0031】それに対して、可動側プーリ半体8の剛性
を固定側プーリ半体7の剛性よりも高く設定したケース
(1),(2),(3),(4),(6)では、金属リ
ング集合体31,31の側縁の接触が大幅に緩和されて
おり、そのうちケース(4),(6)では接触が全く発
生していない。尚、可動側プーリ半体8の剛性を固定側
プーリ半体7の剛性よりも高く設定したケース(8)で
は、可動側プーリ半体8側の金属リング集合体31と可
動側プーリ半体8とが接触し、かつ固定側プーリ半体7
側の金属リング集合体31と金属エレメント32のネッ
ク部36とが接触しているが、これは固定側プーリ半体
7の剛性に対して可動側プーリ半体8の剛性を過度に高
く設定したための例外であり、ケース(1),(2),
(3),(4),(6)の如く剛性比を適切に設定する
ことにより、金属リング集合体31,31の側縁の接触
による耐久性の低下を確実に低減することが可能とな
る。 【0032】以上、本発明の実施例を詳述したが、本発
明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行う
ことが可能である。 【0033】 【発明の効果】以上のように請求項1に記載された発明
によれば、ベルト式無段変速機のドライブプーリの可動
側プーリ半体の倒れ剛性を固定側プーリ半体の倒れ剛性
よりも高く設定したことにより、金属リング集合体の側
縁が金属エレメントやプーリのV面に接触し難くするこ
とが可能となり、金属リング集合体の耐久性を向上させ
ることができる。
【図面の簡単な説明】 【図1】金属ベルト式無段変速機を搭載した車両の動力
伝達系のスケルトン図 【図2】金属ベルトの部分斜視図 【図3】金属エレメントの正面図 【図4】ミスアライメントの定義を説明する図 【図5】レシオとミスアライメントとの関係を示すグラ
フ 【図6】プーリを剛体と仮定した場合の金属リング集合
体の周方向のミスアライメントの分布を示すグラフ 【図7】金属ベルトの周方向の各位置の定義を説明する
図 【図8】左右の金属リング集合体の周方向のミスアライ
メントの分布を示す図 【図9】左右の金属リング集合体の外側縁の周方向の応
力の分布を示す図 【図10】プーリの倒れ剛性を考慮したモデルの説明図 【図11】プーリの倒れ剛性を考慮した場合の金属リン
グ集合体の周方向のミスアライメントの分布を示すグラ
フ 【図12】固定側プーリ半体および可動側プーリ半体の
剛性値を異ならせたケース(1)〜(9)の定義を示す
図 【図13】ケース(1)〜(4)における金属リング集
合体の4つの側縁の応力を示すグラフ 【図14】ケース(1),(4)における金属リング集
合体の周方向の応力の分布を示すグラフ 【図15】ケース(1),(4)における金属リング集
合体の周方向の荷重の分布を示すグラフ 【図16】ケース(5),(3),(6)における金属
リング集合体の4つの側縁の応力を示すグラフ 【図17】ケース(5)における金属リング集合体の周
方向のクリアランスおよびミスアライメントの分布を示
すグラフ 【図18】ケース(1)〜(9)における金属リング集
合体の4つの側縁のクリアランスを示すグラフ 【符号の説明】 6 ドライブプーリ 7 固定側プーリ半体 8 可動側プーリ半体 11 ドリブンプーリ 12 固定側プーリ半体 13 可動側プーリ半体 15 金属ベルト 31 金属リング集合体 32 金属エレメント 33 金属リング

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 固定側プーリ半体(7)および可動側プ
    ーリ半体(8)を有するドライブプーリ(6)と、固定
    側プーリ半体(12)および可動側プーリ半体(13)
    を有するドリブンプーリ(11)とに、無端状の金属リ
    ング(33)を複数枚積層した金属リング集合体(3
    1)に多数の金属エレメント(32)を支持した金属ベ
    ルト(15)を巻き掛けたベルト式無段変速機におい
    て、 前記ドライブプーリ(6)は、可動側プーリ半体(8)
    の倒れ剛性が固定側プーリ半体(7)の倒れ剛性よりも
    高く設定されたことを特徴とするベルト式無段変速機。
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