JP2005351386A - 遊星ローラ式無段変速機 - Google Patents

Abstract

【課題】 入力軸と出力軸の回転速度比を１：１を含む任意の速度比を中心にして、回転速度比の微調整あるいは意図的な回転速度比の制御を行う。
【解決手段】 ハウジング２０内に、キャリア１０ａを入力軸とし太陽ローラ３５を出力軸とする遊星ローラ増速機３０と、太陽ローラ４５を入力軸としキャリア１１ａを出力軸とする遊星ローラ減速機４０と、遊星ローラ減速機４０の遊星ローラ４３に接触するローラリング４４を回転駆動するウオーム変速機５０とを備え、遊星ローラ増速機３０の出力軸３５と遊星ローラ減速機４０の入力軸４５を連結したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入力軸と出力軸の回転速度比を、１：１を含む任意の速度比を中心にして、回転速度比の微調整あるいは意図的な回転速度比の制御を行う場合に適用されて好適な、駆動機と被動機との間に配設する遊星ローラ式無段変速機に関する。

従来から、無段変速機のニーズは多い。例えば、電動モータを駆動機とした場合、電圧等の使用環境に変化が生じると、任意の回転速度比を得られないことがある。この場合には機械式によって回転速度比を調整する必要がある。
また、紡績工場においては、糸を巻き取る際、糸を巻き取るための心棒の太さが、糸を巻き取っていくにつれて変化していくため、糸を巻き取る速度を調整する必要がある。これらの問題の解決手段として、チェーン式無段変速機等の装置が用いられていた。
近年においては、印刷機、計測器、車両のステアリング系統等の分野において、回転速度比調整を必要としており、低騒音、小型、バックラッシ極小、回転ムラ極小、高効率、高信頼性等の、質の高い動力伝達装置が求められている。
このような技術としては、ステア・バイ・ワイヤ・ステムの中に差動伝達機構を組込んだ次に示す操舵装置が提案されている。

特開２００４−５８８９６号公報

無段変速機としては、以下の事項が要望されている。
１）入力軸と出力軸の変速比（回転速度比）は、両者を直結した場合に対応する１：１を基本とし、必要に応じて適宜の値の基本回転速度比を持たせることが求められる。
２）例えば速度が大きくなった場合には回転速度比を小さくし、速度が小さくなったときには回転速度比を大きくする等、環境条件によって速度比を比較的に小さい範囲で増減させることが出来る動力伝達装置が求められる。
３）変速は制御装置からの指示によって電気的に行うが、電気系に断線などの不具合が生じた場合は、機械的連結を失うことなく基本的回転速度比に戻ることが必要である。
４）大きな過負荷が生じてローラ間で滑りを生じても、入出力軸間の大きな相対変位を生じさせないことが必要である。
５）増減速切換え時の遊びを少なくし、変速の精度を向上させることが必要である。
６）ユニットとして一つのハウジングにコンパクトに纏めることが求められる。
７）低騒音、高剛性、高効率、角度伝達誤差極小、バックラッシ極小である質の高い動力伝達を実現することが求められている。
本発明は、上述の課題を解決する電動式のコンパクトな無段変速機の提供を目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の遊星ローラ式無段変速機は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる遊星ローラ式無段変速機は、ハウジング内に、キャリアを入力軸とし太陽ローラを出力軸とする遊星ローラ増速機と、太陽ローラを入力軸としキャリアを出力軸とする遊星ローラ減速機と、前記遊星ローラ増速機および前記遊星ローラ減速機のうち出力側に位置する遊星ローラ機構の遊星ローラに接触するローラリングを回転駆動するローラリング駆動機構とを備え、前記遊星ローラ増速機の出力軸と前記遊星ローラ減速機の入力軸、または、前記遊星ローラ減速機の出力軸と前記遊星ローラ増速機の入力軸を連結したことを特徴とする。

ローラリング駆動機構によってローラリングを回転させることで、任意の速度比が無段階に得られる。ローラリングを回転させない場合には、遊星ローラ増速機の増速比および遊星ローラ減速機の減速比によって決まる基本回転速度比が得られる。
遊星ローラ増速機、遊星ローラ減速機およびローラリング駆動機構を組合せ、一つのハウジングに設けることとしたので、コンパクト化が実現される。
トルク伝達はローラを介して摩擦力で行うので、動力伝達は静粛でスムーズに行われ、往復動をする場合に遊びが少なく、応答性が良い。
なお、遊星ローラ増速機の出力軸と遊星ローラ減速機の入力軸とを連結し、遊星ローラ減速機側にローラリング駆動機構を設けた場合には、入力の回転速度を増速した状態でローラリング駆動機構によって変速動作を加えた後に、遊星ローラ減速機で減速して出力することとなるので、変速の精度を向上させることができる。さらに、ローラリング駆動機構を駆動させる駆動モータを小型化することもできる。

また、本発明によれば、前記ローラリング駆動機構は、前記ローラリングの外周部に設けられたウオームホイールと、該ウオームホイールに噛合し、モータで駆動される複リードウオームギヤとで構成されたウオーム変速機とされていることを特徴とする。

複リードウオームギヤを採用することとしたので、バックラッシを小さくでき、増減速の切換え時の遊びが小さくなり、変速の精度が良くなる。

また、本発明によれば、前記遊星ローラ増速機及び前記遊星ローラ減速機のそれぞれの太陽ローラ、遊星ローラ、及びローラリングは、それぞれのローラ径と等しいピッチ円径を有する歯車をローラの軸線方向に並べて配置した歯車付ローラとされていることを特徴とする。

歯車付ローラとしたので、ローラだけでは受けきれない過大な荷重を受けたときには、歯車によって過大な回転変位を防止することができる。
なお、歯車の噛合いバックラッシを適宜に大きくし、過大なトルクを受けない常用状態では歯面が接触しないようにして、ローラのみのスムーズな伝動が可能なようにしてもよい。

また、本発明によれば、前記歯車付ローラリングは、歯車部とローラ部とが別体とされていることを特徴とする。

歯車部とローラ部とを別体として歯車付ローラリングを構成したので、この歯車部をハウジングに対して設置した後に、歯車付遊星ローラの歯車を噛合するように組み付け、その後、ローラリングのローラ部と歯車付遊星ローラのローラとを組み付けることができる。これにより、ローラリングに対して歯車付遊星ローラを容易に組み付けることができる。

また、本発明によれば、前記ハウジングは、軸線方向における略中央部において締結手段により固定されていることを特徴とする。

ハウジングを略中央部において固定する構成としたので、固定前の分離されたハウジングのそれぞれに遊星ローラ増速機および遊星ローラ減速機を組み付けた後に、これらを合体させて組み立てることができる。

また、本発明によれば、前記歯車付ローラリングの歯車部およびローラ部は、その外周部に設けた外スプラインが前記ハウジングの内周部に設けた内スプラインに対して噛合された状態で固定されていることを特徴とする。

このようにローラリングとハウジングとをスプラインを用いて固定することとしたので、ローラリングの半径方向における移動ないし変形を許容することができる。

また、前記ウオーム変速機の前記ウオームホイールは、内径側両端をベアリングを介してそれぞれハウジングとキャリア外周部で回転自在に支持されるようにしてもよい。
これにより、ウオームホイールをコンパクトに収納することができる。

また、前記遊星ローラ増速機および前記遊星ローラ減速機の前記太陽ローラは、その両端にジャーナル部とスプライン軸部を備え、両ジャーナル部を前記キャリアの中心に設けたベアリングで支承し、両スプライン軸部をスプラインハブを形成するスリーブによって、前記遊星ローラ増速機の出力軸と前記遊星ローラ減速機の入力軸、または、前記遊星ローラ減速機の出力軸と前記遊星ローラ増速機の入力軸を連結してもよい。

本発明の遊星ローラ式無段変速機によれば、以下の効果が得られる。
コンパクトで、低騒音、高剛性、高効率、角度伝達誤差極小である質の高い動力伝達を実現した遊星ローラ式無段変速機を提供することができる。

本発明の遊星ローラ式無段変速機(以下「無段変速機」という。)の実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
図１は、本発明の無段変速機の正面図（縦断面図)であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図（一部外観図）である。
両図(主として図１を参照)において、１０は例えばモータ等の駆動機と連結する入力軸、１１は従動機と連結する出力軸である。
２０はほぼ筒形をしたハウジングであり、このハウジング２０は前端壁を含む前部ハウジング２０ａ、後部ハウジング２０ｂ、及び後蓋２０ｃより成っている。前部ハウジング２０ａと後部ハウジング２０ｂは、ハウジング２０の前後の中央部においてボルト（締結手段）で結合されている。
前部ハウジング２０ａ内には、キャリア軸を入力軸とし太陽軸を出力軸とする遊星ローラ増速機３０が収納されている。
また、後部ハウジング２０ｂと後蓋２０ｃ内には、太陽軸を入力軸とし、キャリア軸を出力軸とする遊星ローラ減速機４０と、この遊星ローラ減速機４０の外側に配置されたウオーム変速機（ローラリング駆動機構）５０とが収納されている。

入力軸１０の後端部(図１において右側)は、前部ハウジング２０ａの中に嵌挿されており、厚肉円板状に広がってキャリア１０ａを形成している。キャリア１０ａの後端中心部に形成された穴には、ベアリング３１が内嵌装されている。また、キャリア１０ａの外周には、後方に向いて複数(図では３個)の遊星ピン３２が垂設されている。
遊星ピン３２には遊星ローラ３３がベアリングを介して回転自在に支承されており、この遊星ローラ３３は、ローラ（ローラ部）３３ａの隣に一体に形成されて軸線方向に並ぶ平歯車（以下、単に「歯車」という。）３３ｂを備えた歯車付ローラとなっている。なお、歯車３３ｂは図示したようにローラ３３と一体に形成するのが好ましいが、別体で形成しローラ３３ａとの相対的回転を許しても支障ない。
この歯車３３ｂは、噛合する相手の歯車３４ｂとのバックラッシを積極的に大きくしてある。これは、過大なトルクがかからない常用状態では歯面が接触しないようにし、ローラ３３ａのみのスムーズな伝動を可能とするためである。このような歯車のバックラッシは、この歯車３３ｂと太陽ローラ３５の歯車３５ｂとの間、遊星ローラ減速機４０側の遊星ローラ４３の歯車とローラリング４４の歯車との間、及び、遊星ローラ４３の歯車と太陽ローラ４５の歯車との間についても同様となっている。

３４ａは遊星ローラ３３のローラ３３ａと接触する内側に転動面を有する内リング（ローラ部）、３４ｂは歯車３３ｂと噛合する内歯車（平歯車部）であり、両者でローラリング３４を構成する。
ローラリング３４は、外周部に外スプラインを備えており、前部ハウジング２０ａの内径側に設けられた内スプラインに噛合している。内リング３４ａと内歯車３４ｂは、組立上の理由から分離可能な別体構造となっている。つまり、内リング３４ａと内歯車３４ｂとを別体として歯車付きのローラリング３４を構成したことにより、この内歯車３４ｂをハウジング２０に対して設置した後に、遊星ローラ３３の歯車３３ｂを噛合するように組み付け、その後、ローラリング３４の内リング３４ａを組み付けることができる。これにより、ローラリング３４に対して歯車付の遊星ローラ３３を容易に組み付けることができる。このような構成は、遊星ローラ減速機４０の遊星リング４４にも採用されている。
また、ローラリング３４は、外周部に設けられた外スプラインによって前部ハウジング２０ａとの相対回転運動を拘束されるが、半径方向には僅かに移動を許されて自由な弾性変形が可能となっている。これにより、前部ハウジング２０ａにしまりばめされたり、キーやピン止めされて局部的な剛性の変化を生ずる従来の欠点を防止することができる。
３５は入力軸１０と同心に中心部に配設された太陽ローラで、遊星ローラ３３と同様にローラ３５ａと歯車３５ｂを一体に備えており、前端部及び後端部にはジャーナル部３５ｃ及びスプラインシャフト３５ｄがそれぞれ突設されている。

入力軸１０は、キャリア１０ａの前方に設けられたジャーナル部を前部ハウジング２０ａの前壁に設けたベアリング２１と、遊星ピン３２及び遊星ローラ３３を介して位置するローラリング３４とによって回転自在に支持されている。
太陽ローラ３５は、遊星ローラ３３と、前側のジャーナル部３５ｃを支持するベアリング３１とによって回転自在に支持されている。
太陽ローラ３５の後側に設けられたスプラインシャフト３５ｄは、スプラインハブを形成するスリーブ３６によって後述の遊星ローラ減速機４０の太陽ローラ４５と連結されている。

遊星ローラ減速機４０は、太陽軸を入力軸、キャリア軸を出力軸とした減速機で、遊星ローラ増速機３０とほぼ同様の構成で、遊星ローラ増速機３０に対して対称に後部ハウジング２０ｂと後蓋２０ｃの内部に収められており、異なるところはローラリング４４が後部ハウジング２０ｂに固定されずに回転可能なウオーム変速機（ローラリング回転機構）５０のウオームホイール５１の内径側に固定される点にある。

出力軸１１の前端部(図の左側)は、後蓋２０ｃを貫いて後部ハウジング２０ｂの中に嵌挿されており、厚肉円板状に広がってキャリア１１ａを形成している。キャリア１１ａの外周部には、ベアリング４１が設けられている。
遊星ピン４２、遊星ローラ４３、ローラリング４４及び太陽ローラ４５は、それぞれ遊星ローラ増速機３０の対応する同名の部材とほぼ同じである。
出力軸１１は、キャリア１１ａの後方に設けられたジャーナル部を後蓋２０ｃ設けたベアリング２２と、遊星ピン４２、遊星ローラ４３、ローラリング４４、ウオームホイール５１、ベアリング４１を介して位置する後部ハウジング２０ｂとによって回転自在に支持されている。

５１はウオームホイールで、内径側に固設された２個のベアリグ４１を介して、一方を後部ハウジング２０ｂで、他方をキャリア１１ｂで回転自在に支持されている。前側（入力側）のベアリング４１は、後部ハウジング２０ｂの前端から内周側に屈曲しかつ後方（出力側）に屈曲して形成された断面Ｌ字状の腕部に保持されている。後側（出力側）のベアリング４１は、キャリア１１ａに挿入された遊星ピン４２と同じ断面位置となるように、キャリア１１ａの外周部に嵌合された状態で保持されている。
ウオームホイール５１の内径側はスプラインハブとなっていてローラリング４４の外周部に設けられた外スプラインと噛合している。
５２はウオームホイール５１と噛合する複リードウオームギヤで、入力軸は後部ハウジング２０ｂに固設されたサーボモータ５５（図２参照）と連結している。複リードウオームギヤ５２は両端をベアリングで回転自在に支持されており、スラストは入力側に固定された対向する２個のアンギュラベアリング５３で受けられている。これら２個のベアリング５３の位置を段付スリーブ５４によって動かし、複リードウオームギヤ５２の位置を調節することが出来るようになっている。

次に、上記構成の無段変速機の動作を説明する。
入力軸１０を回転させるとキャリア１０ａが同じ速度で回転し、キャリア１０ａに固設された複数の遊星ピン３２は入力軸１０周りに同じ速度で公転する。遊星ローラ３３は入力軸１０の反対側の外側部を内リング３４ａで摩擦によって滑りを止められているので、入力軸１０と反対方向に遊星ピン３２の周りを自転し、この自転によって摩擦駆動する太陽ローラ３５を増速回転させる。図は速度比が４：１の場合を示している。
太陽ローラ３５の回転はスリーブ(スプラインハブ)３６によって入力として太陽ローラ４５に伝達され、前記経路と逆に遊星ローラ４３、遊星ピン４２を経て、減速されて出力軸１１に伝えられる。ウオーム変速機５０が作動していないとすれば、速度比は１：４となり、入力軸１０と出力軸１１との速度比は１：１（基本回転速度比）となる。

ウオーム変速機５０を作動させてウオームホイール５１を入力軸１０と同じ方向に回転させると、遊星ローラ４３の自転が少なくなり、減速比が小さくなる。また、ウオームホイール５１を入力軸１０と反対方向に回転させると、遊星ローラ４３の自転が多くなり減速比が大きくなり、入力軸１０と出力軸１１の回転速度比はウオームホイール５１の速度に減速比を乗じた分だけ増減速することになる。
このように、出力軸１１に与える速度変化は、入力軸１０の回転速度を増速した段階で与え、減速して出力するので、出力軸１１に与える小さな速度変化に対して精度よく行うことが出来ると共に、サーボモータ５５の容量を小さくすることが出来る。
また、ウオーム変速機５０のウオームホイール５１はセルフロック（自動締り）の特性があるので、ウオーム変速機５０の電源が絶たれたときは無段変速機の速度比は自動的に基本回転速度比である１：１になる。

次に、本実施形態にかかる無段変速機の作用効果について説明する。
ウオーム変速機５０によってローラリング４４を回転させることとしたので、任意の速度比を無段階に得ることができる。
遊星ローラ増速機３０、遊星ローラ減速機４０およびウオーム変速機５０を組合せ、一つのハウジング２０に設けることとしたので、コンパクト化が実現される。
トルク伝達はローラ３３，３４，３５，４３，４４，４５を介して摩擦力で行うこととしたので、動力伝達は静粛でスムーズに行われ、往復動をする場合に遊びが少なく、応答性が良い。
遊星ローラ増速機３０の出力軸（太陽ローラ３５）と遊星ローラ減速機４０の入力軸（太陽ローラ４５）とを連結し、遊星ローラ減速機４０側にウオーム変速機５０を設けたので、入力の回転速度を増速した状態でウオーム変速機５０によって変速動作を加えた後に、遊星ローラ減速機４０で減速して出力することになり、変速の精度を向上させることができる。さらに、ウオーム変速機５０を駆動させるサーボモータ５５を小型化することもできる。
複リード式のウオームギヤ５２を採用することとしたので、バックラッシを小さくでき、増減速の切換え時の遊びが小さくなり、変速の精度が良くなる。
歯車付ローラ３３，３４，３５，４３，４４，４５としたので、ローラだけでは受けきれない過大な荷重を受けたときには、歯車によって過大な回転変位を防止することができる。
なお、歯車の噛合いバックラッシを積極的に大きくし、過大なトルクがかからない常用状態では歯面が接触しないようにしたので、ローラのみのスムーズな伝動が可能となる。
内リング３４ａと内歯車３４ｂとを別体として歯車付ローラリング３４を構成したので、この内歯車３４ｂをハウジング２０に対して設置した後に、歯車付遊星ローラ３３の挿入時の先端に歯車３３ｂを噛合するように組み付け、その後、ローラリング３４の内リング３４ａを組み付けることができる。これにより、ローラリング３４に対して歯車付遊星ローラ３３を容易に組み付けることができる。
ハウジング２０を略中央部において固定する構成としたので、固定前の分離されたハウジング（２０ａと、２０ｂ及び２０ｃ）のそれぞれに遊星ローラ増速機３０および遊星ローラ減速機４０を組み付けた後に、これらを合体させて組み立てることができる。これにより、簡便な組立が可能となる。
ローラリング３４とハウジング２０とをスプラインを用いて固定することとしたので、ローラリング３４の半径方向における移動ないし変形を許容することができる。

本実施形態では、２つの同じ遊星ローラ機構を増速機及び減速機として対向させてこの順に連結し、下流側の減速機で目的の変速を行い、変速しない時の入力軸と出力軸の基本回転速度比が１：１の場合で説明したが、次のように変形することができる。
ローラの直径を変えて、基本回転速度比を１：１以外の適宜の値にしてもよい。
また、図１と類似の構成で、２つの遊星ローラ機構について、入力側を減速機、出力側を増速機として対向させてこの順に連結し、出力側の増速機で目的の変速を行うこととしてもよい。

本発明の遊星ローラ式無段変速機の正面図（縦断面図)である。 図１のＡ−Ａ断面図(一部外観図)である。

符号の説明

１０：入力軸
１０ａ：キャリア
１１：出力軸
１１ａ：キャリア
２０：ハウジング
３０：遊星ローラ増速機
３３：遊星ローラ
３５：太陽ローラ
３６：スリーブ
４０：遊星ローラ減速機
４４：ローラリング
４５：太陽ローラ
５０：ウオーム変速機
５１：ウオームホイール
５２：複リードウオームギヤ
５５：サーボモータ

Claims (8)

1. ハウジング内に、キャリアを入力軸とし太陽ローラを出力軸とする遊星ローラ増速機と、太陽ローラを入力軸としキャリアを出力軸とする遊星ローラ減速機と、前記遊星ローラ増速機および前記遊星ローラ減速機のうち出力側に位置する遊星ローラ機構の遊星ローラに接触するローラリングを回転駆動するローラリング駆動機構とを備え、
   前記遊星ローラ増速機の出力軸と前記遊星ローラ減速機の入力軸、または、前記遊星ローラ減速機の出力軸と前記遊星ローラ増速機の入力軸を連結したことを特徴とする遊星ローラ式無段変速機。
2. 前記ローラリング駆動機構は、前記ローラリングの外周部に設けられたウオームホイールと、該ウオームホイールに噛合し、モータで駆動される複リードウオームギヤとで構成されたウオーム変速機とされていることを特徴とする請求項１記載の遊星ローラ式無段変速機。
3. 前記遊星ローラ増速機及び前記遊星ローラ減速機のそれぞれの太陽ローラ、遊星ローラ、及びローラリングは、それぞれのローラ径と等しいピッチ円径を有する歯車をローラの軸線方向に並べて配置した歯車付ローラとされていることを特徴とする請求項１または２に記載の遊星ローラ式無段変速機。
4. 前記歯車付ローラリングは、歯車部とローラ部とが別体とされていることを特徴とする請求項３記載の遊星ローラ式無段変速機。
5. 前記ハウジングは、軸線方向における略中央部において締結手段により固定されていることを特徴とする請求項４記載の遊星ローラ式無段変速機。
6. 前記歯車付ローラリングの歯車部およびローラ部は、その外周部に設けた外スプラインが前記ハウジングの内周部に設けた内スプラインに対して噛合された状態で固定されていることを特徴とする請求項４または５に記載の遊星ローラ式無段変速機。
7. 前記ウオーム変速機の前記ウオームホイールは、内径側両端をベアリングを介してそれぞれハウジングとキャリア外周部で回転自在に支持されていることを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の遊星ローラ式無段変速機。
8. 前記遊星ローラ増速機および前記遊星ローラ減速機の前記太陽ローラは、その両端にジャーナル部とスプライン軸部を備え、
   両ジャーナル部を前記キャリアの中心に設けたベアリングで支承し、両スプライン軸部をスプラインハブを形成するスリーブによって、前記遊星ローラ増速機の出力軸と前記遊星ローラ減速機の入力軸、または、前記遊星ローラ減速機の出力軸と前記遊星ローラ増速機の入力軸を連結したことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の遊星ローラ式無段変速機。

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