JP2005003108A - スプライン装置およびこれを用いたトロイダル型無段変速機 - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷領域での接触面圧を低減させることによって負荷容量を大きくとることができ、また、加工精度の許容度を低下させることによって低コスト化を実現し得るようなスプライン装置および無段変速機を提供する。
【解決手段】軸体１とこれを取り囲む中空体２との互いの対向面にスプライン溝４３ａ，４３ｂが形成され、該スプライン溝に転動体を配置することによって、軸体と中空体の軸方向の相対移動を許容しつつ両者を一体に回転させるようにしたスプライン装置４０において、転動体として球状転動体４４ところ状転動体４５の双方が併用され、ころ状転動体とスプライン溝の間の隙間は、球状転動体とスプライン溝の間の隙間より大きく設定されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転トルクを伝達するのに用いるスプライン装置およびこれを用いたトロイダル型無段変速機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７には、自動車用の変速機として利用可能な従来のトロイダル型無段変速機の一例が示されている。このトロイダル型無段変速機は、いわゆるダブルキャビティ型の高トルク用トロイダル型無段変速機であり、２つの入力側ディスク２，２と２つの出力側ディスク３，３とが、入力軸１の外周に取り付けられている。また、入力軸１の中間部の外周には出力歯車４が回転自在に支持されている。この出力歯車４の中心部に設けられた円筒状のフランジ部４ａ，４ａには、出力側ディスク３，３がスプライン係合によって連結されている。
【０００３】
なお、入力軸１は、図中左側に位置する入力側ディスク２とカム板７との間に設けられたローディングカム式の押圧装置１２を介して、駆動軸２２により回転駆動されるようになっている。また、出力歯車４は、２つの部材の結合によって構成された仕切壁１３を介してハウジング１４内に支持されており、これにより、軸線Ｏを中心に回転できる一方で、軸線Ｏ方向の変位が阻止されている。
【０００４】
出力側ディスク３，３は、入力軸１との間に介在されたニードル軸受５，５によって、入力軸１の軸線Ｏを中心に回転自在に支持されている。また、入力側ディスク２，２は、入力軸１と共に回転するように、その入力軸１の両端部にボールスプライン６，６を介して支持されている。また、図８に、入力軸１の軸線の一方側だけを簡略化して示すように、入力側ディスク２，２の内面（凹面）２ａ，２ａと出力側ディスク３，３の内面（凹面）３ａ，３ａとによって形成される円環状の空間（キャビティ）Ｃには、トラニオンによって連動する複数（通常２個または３個）のパワーローラ１１が、図示しないトラニオンによって軸線Ｏｐを傾転自在にかつ軸線Ｏｐ回りに回転自在に挟持されている。
【０００５】
図７において左側に位置する入力側ディスク２とカム板７との間には第１の皿板ばね８が設けられ、図７中右側に位置する入力側ディスク２とローディングナット９との間には第２の皿ばね１０が設けられている。これらの皿板ばね８，１０は、各ディスク２，２，３，３の凹面２ａ，２ａ，３ａ，３ａとパワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａ（図８参照）との当接部に押圧力を付与し、これらをともに回転させるトラクション力を発生させる。
【０００６】
したがって、上記構成の無段変速機では、駆動軸２２から入力軸１に回転力が入力されると、入力軸１と一体に入力側ディスク２，２が回転し、その回転がパワーローラ１１，１１によって出力側ディスク３，３に、パワーローラ１１，１１の傾転角度によって定まる変速比の逆回転として伝達される。変速比を変えるには、パワーローラ１１，１１の傾転角度を変えれば良い。なお、図８は、入力側ディスク２の回転速度より入力側ディスク２の回転速度が大きくなる増速状態を示している。出力側ディスク３，３の回転は、出力歯車４から伝達歯車１５および伝達軸１６などを介して、出力軸に伝達される。
【０００７】
上記の構成の無段変速機において、ボールスプライン６，６は、入力側ディスクを入力軸に対して軸方向に円滑に移動させ、パワーローラ１１，１１と入力側ディスク２，２および出力側ディスク３，３との接触状態を一定に保つという第１の作用と、入力軸１の回転力を確実に入力側ディスク２，２に伝達するという第２つの作用とを同時に担っている重要な構成要素である。図９には、ボールスプライン６，６の断面図を示しており、入力軸１と入力側ディスク２の対向する面にそれぞれ軸方向に断面略半円形のスプライン溝３１，３２が、周方向に均等に配置して形成され、これらのスプライン溝３１，３２に溝径よりやや小さい複数のボール（球状転動体）３３を介在させている。これらのボール３３の潤滑と冷却のために、潤滑油が入力軸１に設けた油路２０，２１、油穴２５Ａ，２５Ｂ（図７参照）から供給される。このようなボールスプライン６，６によるスプライン結合は、通常のスライド型のスプライン係合より、軸方向の作動の応答性が高いので、パワーローラと２つのディスクの間の接触状態を一定に保つという機能を十分に発揮する。
【０００８】
なお、特許文献１には、入力側ディスクに発生する応力を低減させるための改良案が記載されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−４８６９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような無段変速機では、押圧装置１２によって入力側ディスク２，２を出力側ディスク３，３側に押付けた際、ボールスプライン６，６は、入力側ディスク２，２とパワーローラ１１，１１の間のトラクション力に対する反力を入力軸１に伝達させながら、入力側ディスク２，２を入力軸１の軸線方向に移動させる。また、伝達トルクが増大すれば、ボールスプライン６，６が伝達する回転トルクが大きくなるので，入力側ディスク２，２からボールスプライン６，６を介して入力軸１側へ加わる荷重も増大する。
【００１１】
ところが、上記の従来の無段変速機にあっては、ボールスプライン６，６において、入力軸１および入力側ディスク２，２のそれぞれのスプライン溝３１、３１とボール３３とは点接触しているので、微小な接触面積で荷重を支えるために、荷重が増大すると面圧が非常に大きくなる。したがって、伝達トルクの負荷容量を大きくとることができない。また、パワーローラ１１，１１が安定な動作をするためには、入力軸１、入力側ディスク２，２、出力側ディスク３，３の軸心が一致していることが必要であるが、ボール３３が弾性変形しやすいために、ボールスプライン６，６のスプライン溝３１，３２の形成にはきわめて高い工作精度が要求される。例えば熱処理（焼入れ）後にスプライン溝３１，３２を高精度に成形する工程が必要であって、それぞれの加工工程において不良品の発生比率が上昇する傾向にあり、その影響によりトロイダル型無段変速機全体の製造コストが増加することが問題となっていた。
【００１２】
また、特許文献１に記載された技術においても、上述したようなボールスプライン自体の有する問題点は以前として解決されていない。
【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ボールスプラインの特徴である、優れた軸方向の作動応答性を確保しつつ、特に高負荷領域での接触面圧を低減させることによって負荷容量を大きくとることができ、また、加工精度の許容度を低下させることによって低コスト化を実現し得るようなスプライン装置および無段変速機を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、軸体とこれを取り囲む中空体との互いの対向面にスプライン溝が形成され、該スプライン溝に転動体を配置することによって、軸体と中空体の軸方向の相対移動を許容しつつ両者を一体に回転させるようにしたスプライン装置において、前記転動体として球状転動体ところ状転動体の双方が併用され、前記ころ状転動体と前記スプライン溝の間の隙間は、前記球状転動体と前記スプライン溝の間の隙間より大きく設定されていることを特徴とするスプライン装置である。
【００１５】
請求項１に記載の発明においては、スプライン溝に、転動体として球状転動体ところ状転動体の双方が併用されているので、荷重負荷が小さい間は球状転動体のみがスプライン溝と接触し、高荷重負荷によってスプライン溝が変形した時にころ状転動体がこれと接触する。したがって、球状転動体の転がり性の良さと、ころ状転動体の高い荷重負荷能力とをともに利用することによって、軸方向の作動応答性と、高負荷時の作動安定性や耐久性という異なる機能を１つのスプライン装置において実現させることができる。また、接触面圧が低減されることから、球状転動体だけを使用していた従来のものに比べて、スプライン溝をきわめて高精度に成形する必要がなくなり、スプライン溝の成形工程の削減や低コスト化なども実現することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、入力軸と一体に回転する入力側ディスクと、該入力側ディスクと対向して配置され、前記入力側ディスクとの間にトロイダル形のキャビティを形成する出力側ディスクと、前記キャビティに配置され、前記入力側ディスクと前記出力側ディスクの対向面に同時に接触して回転することによりこれらの間で回転力を伝達するパワーローラとを備え、前記入力軸と入力側ディスクの間に、請求項１に記載のスプライン装置が用いられていることを特徴とするトロイダル型無段変速機である。
【００１７】
請求項２に記載の発明においては、入力軸と入力側ディスクの間に設けられたスプライン装置により、球状転動体によって軸方向の作動応答性が維持されているので、入力側ディスクを入力軸に対して軸方向に円滑に移動させ、パワーローラと入力側ディスクおよび出力側ディスクとの接触状態が一定に保たれ、効率良く回転力が伝達される。また、ころ状転動体によって高荷重が負荷されるので、部品に高い接触面圧が負荷されることがなく、許容負荷容量を高く設定できるとともに、高負荷時の作動安定性や耐久性が担保される。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、前記スプライン溝は複数形成され、前記球状転動体と前記ころ状転動体は、それぞれ異なるスプライン溝に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のスプライン装置または請求項２に記載のトロイダル型無段変速機である。
【００１９】
請求項３に記載の発明においては、球状転動体ところ状転動体を異なるスプライン溝に配置するので、組立作業が容易であり、スプライン溝の加工精度の分別も可能となる。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、前記球状転動体と前記ころ状転動体は、同一のスプライン溝に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のスプライン装置または請求項２に記載のトロイダル型無段変速機である。
【００２１】
請求項４に記載の発明においては、球状転動体ところ状転動体が同一のスプライン溝に配置されているので、高負荷時における球状転動体の変形に伴うころ状転動体の関与が一層明確になり、ボールの過度の変形を防止する機能が高く発揮される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明の特徴は、従来の装置のボールスプライン６，６の部分を改良した点にあり、無段変速機の全体的な構成および作用は、図７、図８によって説明した従来の構成および作用と同様であるため、以下においては、本発明の特徴部分についてのみ言及し、それ以外の部分については、図７、図８と同一の符号を付してその詳細な説明を省略することにする。
【００２３】
図１は、本発明の第１の実施形態の無段変速機を示すもので、図７の従来の無段変速機におけるボールスプライン６，６の代わりに、本発明のスプライン装置４０，４０を採用しているものである。図１においては、簡略化のために、キャビティＣに配置されたパワーローラ１１，１１を省略しているので、これについては、図８を参照されたい。
【００２４】
図２ないし図４は、このスプライン装置４０の詳細を示している。このスプライン装置４０は、入力軸（軸体）１と入力側ディスク（中空体）２を、軸線方向の移動を許容しかつ回転を拘束するように結合するものであって、互いの対向面、すなわち、入力軸１の外周面と入力側ディスク２の外周面には、断面がほぼ半円形状のスプライン溝部４１，４２が、周方向に複数等間隔に設けてあり、これらが対向した状態において円形断面を有するスプライン溝４３ａ，４３ｂが構成される。この実施の形態では、スプライン溝４３ａ，４３ｂは中心角６０度ごとに６個ずつ形成されているが、数や配置は適宜に決められる。
【００２５】
これらのスプライン溝４３ａ，４３ｂには、図３および図４に示すように、それぞれ複数（例では３個）のボール（球状転動体）４４と、ローラ（ころ状転動体）４５が配置されている。ボール４４とローラ４５とは、この実施の形態では、それぞれ別のスプライン溝４３ａ，４３ｂに配置されている。すなわち、ボール４４はボール用スプライン溝４３ａに、ローラ４５はローラ用スプライン溝４３ｂに配置されている。これらの転動体４４，４５は、入力側ディスク２から入力軸側に加わる荷重に対応して大きさや素材が決定される。
【００２６】
図３（ｂ）と図４（ｂ）を比較すれば分かるように、ローラ４５の外径は、ボール４４の外径よりも少し小さく設定されている。スプライン溝４３ａ，４３ｂの内径はこの例では同じであるので、ローラ４５とスプライン溝４３ｂの間の隙間は、ボール４４とスプライン溝４３ａの間の隙間より大きくなっている。これにより、回転トルクが負荷された時にボール４４の方が先にスプライン溝４３ａに接触してトルク伝達や軸方向への移動に関与し、さらにトルクが増大してボール４４が弾性変形した時にローラ４５がスプライン溝４３ｂに接触するようになっている。したがって、ローラ４５とスプライン溝４３ｂの隙間は、入力側ディスク２から入力軸側への荷重によるボール４４の弾性変形量の分だけ大きくなっている。逆に、この隙間の差を適当に設定することによって、ローラ４５がトルク伝達に関与するタイミングを設定することができる。
【００２７】
なお、このような隙間の大小関係が維持されれば、ボール４４用のスプライン溝４３ａとローラ４５用のスプライン溝４３ｂが同じ内径である必要はない。例えば、ローラ４５用のスプライン溝４３ｂをボール４４用のスプライン溝４３ａより小さく設定して、ローラ４５自体もさらに小さくし、重量の低下を図ることができる。また、この実施の形態では、ローラ４５としてあまり軸方向に長くないものを複数配置しているが、場合によっては長いものを１つ用いるようにしてもよい。
【００２８】
次に、上記のように構成されたスプライン装置４０を入力軸１と入力側ディスク２の間に備えた無段変速機（図１参照）の作用を説明する。駆動軸２２から入力軸１に回転力が入力されると、このトルクはスプライン装置４０によって入力側ディスク２，２に伝達され、さらにキャビティＣに配置されたパワーローラ１１，１１によって、パワーローラ１１，１１の傾転角度によって定まる変速比で逆回転として出力側ディスク３，３に伝達される。出力側ディスク３，３の回転は、出力歯車４から伝達歯車１５および伝達軸１６などを介して、走行装置につながる出力伝達軸（図示略）に伝達される。
【００２９】
ここで、入力側ディスク２はローディングカム式の押圧装置１２や皿ばね１０によって、入力側ディスク２側に向けて押付けられており、この押し付け力によって、入力側ディスク２で発生するトラクション力を受けると同時に、入力側ディスク２を入力軸１に対して軸方向に移動させることによって、両ディスク２，３とパワーローラ１１との接触面圧を保ち、摩擦係合に滑りが生じないようにしている。
【００３０】
ここにおいて、図５に示すように、低荷重状態では、スプライン溝４３ａ，４３ｂとの隙間量が小さいボール４４のみが接触してトルクを受け、したがって、軸方向の移動にも主に関与する。この際、ローラ４５はトルク伝達に関与しないが、入力側ディスク２の軸線方向の移動をも妨げないので、スプライン装置４０における軸線方向の抵抗は、ボール４４の接触によるもののみの小さなものであり、入力軸１に対して入力側ディスク２の軸線方向の移動が非常に円滑に行われる。
【００３１】
さらに、伝達トルクが増大し、入力側ディスク２から入力軸１側への荷重が増大していくと、図５に示すようにトルクがＴに達した時に、ボール４４が弾性変形してローラ４５がスプライン溝４３ｂの壁面に接触し、ボール４４とローラ４５と両方のスプライン溝４３ａ，４３ｂで荷重を受ける。このとき、ローラ４５の軸線方向は入力軸１の軸線方向と一致しているので、スプライン溝４３ｂに対して線接触する。したがって、ボール４４による点接触の状態と比較して接触面積が増大し、面圧を低く抑えることができ、ボール４４の偏摩耗を防止しつつ安定な動作が確保される。
【００３２】
また、接触面圧が低減されることから、ボール４４だけを使用していた従来のものに比べて、スプライン溝４３ａ，４３ｂをきわめて高精度に成形する必要がなくなり、スプライン溝４３ａ，４３ｂの成形工程の削減や低コスト化も実現できる。なお、この実施の形態では、ボール４４とローラ４５を異なるスプライン溝４３ａ，４３ｂに配置しているので、組立作業が容易であり、スプライン溝４３ａ，４３ｂの加工精度の分別も可能となっている。なお、ボール４４とローラ４５の機能分担は、これらの配置の比率を変えることによって、調整可能であり、例えば、図示例ではスプライン溝４３ａ，４３ｂは同じ数であったが、ボール４４を配置するスプライン溝４３ａを４つ設け、ローラ４５を配置するスプライン溝４３ａ，４３ｂを２つとすれば、ボール４４の負荷分が大きくなるように設定することができる。
【００３３】
図６に示すのは、この発明の第２の実施の形態であり、スプライン溝４３に、ボール４４とローラ４５の双方が配置されている。この実施の形態では、３つの転動体のうち、両側の２つがボール４４であり、中央にローラ４５が配置されているが、このような数の比率やスプライン溝４３内の配置は適宜に設定可能である。この実施の形態の動作は、基本的に先の実施の形態で説明したものと同様であるが、この実施の形態においては、同じスプライン溝４３内にボール４４とローラ４５が並置されているので、高負荷時におけるボール４４の変形に伴ってローラ４５がスプライン溝４３に接触する過程が一層明確に行われ、ボール４４の過度の変形を防止する機能が高く発揮される。
【００３４】
なお、本発明に係わるスプライン装置および無段変速機は、上記実施の形態のみに限定されることはなく、ボールやローラの数やそれらが係合されるスプライン溝の数を適宜変更することができる。例えば、第１の実施の形態と第２の実施の形態の双方の特徴を有する構成、すなわち、ボール４４とローラ４５の双方を有するスプライン溝４３と、ボール４４のみを有するスプライン溝４３ａまたはローラ４５のみを有するスプライン溝４３ｂのいずれか一方または両方を併せ持つような構成としてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、球状転動体の転がり性の良さと、ころ状転動体の高い荷重負荷能力とをともに利用することによって、軸方向の作動応答性と、高負荷時の作動安定性や耐久性という異なる機能を１つのスプライン装置において実現させることができる。また、接触面圧が低減されることから、球状転動体だけを使用していた従来のものに比べて、スプライン溝をきわめて高精度に成形する必要がなくなり、スプライン溝の成形工程の削減や低コスト化なども実現することができる。したがって、これを無段変速機に使用すれば、パワーローラと入力側ディスクおよび出力側ディスクとの接触状態を一定に保ち、効率良く回転力を伝達するとともに、高負荷時における装置の安定な稼動と、部品コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るトロイダル型無段変速機の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るスプライン装置の軸方向から見た断面図である。
【図３】図２のスプライン装置のボールを収容する１つのスプライン溝の（ａ）軸を含む面における断面図、（ｂ）軸方向から見た断面図である。
【図４】図２のスプライン装置のローラを収容する１つのスプライン溝の（ａ）軸を含む面における断面図、（ｂ）軸方向から見た断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るトロイダル型無段変速機におけるスプライン装置の作用を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るスプライン装置の１つのスプライン溝の（ａ）軸を含む面における断面図、（ｂ）軸方向から見た断面図である。
【図７】従来のトロイダル型無段変速機の断面図である。
【図８】図７における入力側ディスクと出力側ディスクとの間に備わるパワーローラ部分の断面図である。
【図９】図７におけるボールスプラインの断面図である。
【符号の説明】
１ 入力軸（軸体）
２ 入力側ディスク（中空体）
１１ パワーローラ
４０ スプライン装置
４３ スプライン溝
４３ａ ボール用スプライン溝
４３ｂ ローラ用スプライン溝
４４ ボール（球状転動体）
４５ ローラ（ころ状転動体）
Ｃ キャビティ

Claims (4)

1. 軸体とこれを取り囲む中空体との互いの対向面にスプライン溝が形成され、該スプライン溝に転動体を配置することによって、軸体と中空体の軸方向の相対移動を許容しつつ両者を一体に回転させるようにしたスプライン装置において、前記転動体として球状転動体ところ状転動体の双方が併用され、前記ころ状転動体と前記スプライン溝の間の隙間は、前記球状転動体と前記スプライン溝の間の隙間より大きく設定されていることを特徴とするスプライン装置。
2. 入力軸と一体に回転する入力側ディスクと、
   該入力側ディスクと対向して配置され、前記入力側ディスクとの間にトロイダル形のキャビティを形成する出力側ディスクと、
   前記キャビティに配置され、前記入力側ディスクと前記出力側ディスクの対向面に同時に接触して回転することによりこれらの間で回転力を伝達するパワーローラとを備え、
   前記入力軸と入力側ディスクの間に、請求項１に記載のスプライン装置が用いられていることを特徴とするトロイダル型無段変速機。
3. 前記スプライン溝は複数形成され、前記球状転動体と前記ころ状転動体は、それぞれ異なるスプライン溝に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のスプライン装置または請求項２に記載のトロイダル型無段変速機。
4. 前記球状転動体と前記ころ状転動体は、同一のスプライン溝に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のスプライン装置または請求項２に記載のトロイダル型無段変速機。

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