JP2006077879A

JP2006077879A - トロイダル型無段変速機

Info

Publication number: JP2006077879A
Application number: JP2004262200A
Authority: JP
Inventors: Norihisa Kobayashi; 功久小林
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2024-09-09
Also published as: JP4605497B2

Abstract

【課題】ディスクとパワーローラとの間の当接部に予圧を付与するばねのセット高さを決める各寸法を厳しく管理しなくて済む安価なトロイダル型無段変速機を提供する。
【解決手段】本発明のトロイダル型無段変速機においては、ローディングカム４６と入力側ディスク２との間に初期モーメントを与えることにより、ローディングカム４６自体によってディスク２，４とパワーローラ１１との間の当接部に予圧を付与する。特に、好ましい実施形態においては、ローディングカム４６と入力側ディスク２との間に周方向に沿って介挿された複数のばね３５０により前記初期モーメントが与えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車や各種産業機械の変速機などに利用可能なトロイダル型無段変速機に関する。

自動車用変速機として、図２および図３に略示するようなトロイダル型無段変速機を使用することが一部で実施されている。このトロイダル型無段変速機は、入力軸１と同心に入力側ディスク２を支持し、入力軸1と同心に配置された出力軸３の端部に、出力側ディスク４を固定している。トロイダル型無段変速機を納めたケーシングの内側には、入力軸１並びに出力軸３に対し捻れの位置にある枢軸（傾転軸）５，５を中心として揺動するトラニオン６，６が設けられている。各トラニオン６，６には、パワーローラ１１が回転自在に支持されており、各パワーローラ１１，１１は、入力側および出力側の両ディスク２，４の間に挟持（転接）されている。

入力側および出力側の両ディスク２，４の互いに対向する内周面２ａ，４ａの断面はそれぞれ、枢軸５を中心とする円弧或いはこのような円弧に近い曲線を回転させて得られる凹面を成している。そして、球状の凸面に形成された各パワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａが各内周面２ａ，４ａに当接されている。

入力軸１と入力側ディスク２との間には、ローディングカム式の押圧装置（以下、ローディング機構という）１２が設けられている。このローディング機構１２は、入力側ディスク２を出力側ディスク４に向けて弾性的に押圧している。また、ローディング機構１２は、入力軸１と共に回転するカム板１３と、保持器１４により保持された複数個(例えば４個)のローラ１５とから構成されている。また、カム板１３の片側面(図２および図３の左側面)には、周方向に亙って凹凸面（波状面）であるカム面１６が形成され、入力側ディスク２の外側面(図２および図３の右側面)にも同様のカム面１７が形成されている。そして、複数個のローラ１５は、入力軸1に対して放射方向に延びる軸を中心に回転できるように、支持されている。

このような構成のトロイダル型無段変速機においては、入力軸１を回転させると、その回転に伴ってカム板１３が回転し、カム面１６によって複数個のローラ１５，１５が、入力側ディスク２の外側面に設けられたカム面１７に押圧される。この結果、入力側ディスク２が複数のパワーローラ１１，１１に押圧されると同時に、一対のカム面１６，１７と複数個のローラ１５，１５の転動面との押し付け合いに基づいて、入力側ディスク２が回転する。そして、この入力側ディスク２の回転が、各パワーローラ１１，１１を介して、出力側ディスク４に伝達され、この出力側ディスク４に固定された出力軸３が回転する。

入力軸１と出力軸３との回転速度を変える場合であって、入力軸１と出力軸３との間で減速を行なう場合には、枢軸５，５を中心として各トラニオン６，６を揺動させ、各パワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａが、図２に示すように、入力側ディスク２の内周面２ａの中心寄り部分と出力側ディスク４の内周面４ａの外周寄り部分とにそれぞれ当接するように、各変位軸９，９を傾斜させる。

反対に、増速を行なう場合には、各トラニオン６，６を揺動させ、各パワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａが、図３に示すように、入力側ディスク２の内周面２ａの外周寄り部分と出力側ディスク４の内周面４ａの中心寄り部分とにそれぞれ当接するように、各変位軸９，９を傾斜させる。各変位軸９，９の傾斜角度を図２と図３との中間にすれば、入力軸1と出力軸３との間で、中間の変速比が得られる。

図４および図５には、より具体化されたダブルキャビティ型のトロイダル型無段変速機の一例が示されている。なお、図２および図３と共通する構成部材に関しては、以下、同一符号を付して、その詳細な説明または図示を省略する。

これらの図に示すように、ケーシング１０１の内側には、入力軸１が回転自在に支持されている。入力軸１の両端寄り部分には、第１および第２の入力側ディスク２，２がそれぞれ、ボールスプライン９６を介して支持されている。この場合、第１および第２の入力側ディスク２，２は、その内周面２ａ，２ａ同士を互いに対向させた状態で同心的に配置されるとともに、ケーシング１０１の内側で互いに同期して回転できる。

入力軸１の中間部の周囲には、第１および第２の出力側ディスク４，４がスリーブ１０９を介して支持されている。スリーブ１０９の中間部の外周面には、出力歯車１１０が一体に設けられている。この出力歯車１１０は、入力軸１と同心的に配置されるとともに、入力軸１の外径よりも大きな内径を有している。また、出力歯車１１０は、一対の転がり軸受１１２を介して、ケーシング１０１内に設けられた支持壁１１１に回転自在に支持されている。

第１および第２の出力側ディスク４，４は、スリーブ１０９の両端部にスプライン係合されている。この場合、出力側ディスク４，４は、それぞれの内周面４ａ，４ａを互いに反対方向に向けた状態で配置されている。したがって、入力側ディスク２と出力側ディスク４は、その内周面２ａ，４ａ同士が互いに対向している。

図５に示すように、ケーシング１０１の内側であって、出力側ディスク４，４の側方位置には、両ディスク４，４を両側から挟む状態で一対のヨーク１１３ａ，１１３ｂが支持されている。これら一対のヨーク１１３ａ，１１３ｂは、鋼等の金属のプレス加工あるいは鍛造加工により矩形状に形成されている。そして、後述するトラニオン６の両端部に設けられた枢軸５を揺動自在に支持するため、ヨーク１１３ａ，１１３ｂの四隅には、円形の支持孔１１８が設けられるとともに、ヨーク１１３ａ，１１３ｂの幅方向の中央部には、円形の係止孔１１９が設けられている。

一対のヨーク１１３ａ，１１３ｂは、ケーシング１０１の内面の互いに対向する部分に形成された支持ポスト２０ａ，２０ｂにより、僅かに変位できるように支持されている。これらの支持ポスト２０ａ，２０ｂはそれぞれ、入力側ディスク２の内周面２ａと出力側ディスク４の内周面４ａとの間にある第１キャビティ２１および第２キャビティ２２にそれぞれ対向する状態で設けられている。なお、ポスト２０ａには、トラニオン６の傾転量を規制する傾転ストッパ１５０が設けられている。

したがって、ヨーク１１３ａ，１１３ｂは、各支持ポスト２０ａ，２０ｂに支持された状態で、その一端部が第１キャビティ２１の外周部分に対向するとともに、その他端部が第２キャビティ２２の外周部分に対向している。

第１および第２のキャビティ２１，２２は同一構造であるため、以下、第１キャビティ２１のみについて説明する。

第１キャビティ２１には、一対のトラニオン６が設けられている。トラニオン６の両端部には同心的に枢軸５が設けられており、これらの枢軸５は一対のヨーク１１３ａ，１１３ｂの一端部に揺動且つ軸方向に変位自在に支持されている。すなわち、枢軸５は、ヨーク１１３ａ，１１３ｂの一端部に形成された支持孔１１８の内側に、ラジアルニードル軸受２６によって支持されている。ラジアルニードル軸受２６は、その外周面が球状凸面で且つその内周面が円筒面である外輪２７と、複数本のニードル２８とから構成されている。

トラニオン６の中間部にはそれぞれ、円孔３０が設けられている。また、各円孔３０には変位軸３１が支持されている。変位軸３１はそれぞれ、互いに平行で且つ偏心した第１の軸部３３と第２の軸部３４とを有している。このうち、第１の軸部３３は、円孔３０の内側に、ラジアルニードル軸受３５を介して支持されている。また、第２の軸部３４の周囲には、別のラジアルニードル軸受３８を介して、パワーローラ１１が支持されている。

なお、第１および第２キャビティ２１，２２毎に一対ずつ設けられた変位軸３１は、第１および第２キャビティ２１，２２毎に、入力軸１に対して１８０度反対側に位置して設けられている。また、変位軸３１の各第２の軸部３４が各第１の軸部３３に対して偏心している方向は、入力側ディスク２，２と出力側ディスク４，４の回転方向に関して同方向となっている。また、偏心方向は入力軸１の配設方向に対して略直交する方向となっている。したがって、パワーローラ１１は、入力軸１の長手方向に沿って僅かに変位できるように支持されている。その結果、トロイダル型無段変速機により伝達されるトルクの変動に基づく構成部材の弾性変形量の変動等に起因して、パワーローラ１１が入力軸１の軸方向に変位する傾向となった場合でも、構成部材に無理な力が加わることがなく、その変位を吸収することができる。

また、パワーローラ１１の外周面とトラニオン６の中間部内周面との間には、パワーローラ１１の外側面から順に、スラスト玉軸受３９と、滑り軸受あるいはニードル軸受等のスラスト軸受４０とが設けられている。このうち、スラスト玉軸受３９は、パワーローラ１１に加わるスラスト方向の荷重を支承しつつ、これらパワーローラ１１の回転を許容する。また、スラスト軸受４０は、パワーローラ１１からスラスト玉軸受３９の外輪４１に加わるスラスト荷重を支承しつつ、第２の軸部３４および外輪４１が第１の軸部３３を中心に揺動することを許容する。

トラニオン６の一端部にはそれぞれ、駆動ロッド４２が結合されている。また、これらの駆動ロッド４２の中間部外周面には、駆動ピストン４３が固着されている。この駆動ピストン４３は、駆動シリンダ４４内に油密に嵌装されている。そして、駆動ピストン４３がトラニオン６を軸方向に変位させるためのアクチュエータを構成している。

図４に示すように、エンジンからの動力を伝達する駆動軸２００と一方の入力側ディスク２との間には、ローディングカム式の押圧装置４５が設けられており、この押圧装置４５によって、入力側ディスク２を出力側ディスク４に向け弾性的に押圧しつつ、この入力側ディスク２を回転駆動自在としている。また、この押圧装置４５は、駆動軸２００と共に回転するローディングカム（カム板）４６と、保持器４７により転動自在に保持された複数個（例えば４個）のローラ（転動体）４８とから構成されている。ローディングカム４６の片側面（図４の右側面）には、円周方向に亙る凹凸（波状部）であるカム面４６ａが形成され、入力側ディスク２の外側面（図４の左側面）にも、同様の形状を有するカム面２ｂが形成されている。なお、入力軸１の端部とローディングカム４６との間には、スラスト荷重を支承自在なアンギュラ型の玉軸受（アンギュラ軸受）２１０が介挿されている。また、ローディングカム４６は、その爪部４６ｂが駆動軸２００の嵌合部２００ａと嵌合状態で結合している。

このように構成されたトロイダル型無段変速機の運転時、駆動軸２００の回転は、押圧装置４５を介して、一方の入力側ディスク２に伝えられ、この入力側ディスク２と他方の入力側ディスク２とが互いに同期して入力軸１と共に回転する。入力側ディスク２，２の回転は、パワーローラ１１を介して、出力側ディスク４，４に伝えられる。出力側ディスク４，４の回転は、出力歯車１１０により取り出される。

入力軸１と出力歯車１１０との間の回転速度比を変える場合には、制御弁（図示しない）の切換えに基づいて、第１および第２のキャビティ２１，２２に対応してそれぞれ一対ずつ設けられた駆動ピストン４３を、各キャビティ２１，２２毎に互いに逆方向に同じ距離だけ変位させる。これらの駆動ピストン４３の変位に伴って、一対ずつ合計４個のトラニオン６がそれぞれ逆方向に変位し、一方のパワーローラ１１が下側に、他方のパワーローラ１１が上側にそれぞれ変位する。その結果、各パワーローラ１１の周面１１ａ，１１ａと、入力側ディスク２，２の内周面２ａ，２ａ、出力側ディスク４，４の内周面４ａ，４ａとの当接部に作用する、接線方向の力の向きが変化する。そして、その力の向きの変化に伴って、トラニオン６がヨーク１１３ａ，１１３ｂに枢支された枢軸５を中心として逆方向に揺動する。この結果、パワーローラ１１の周面と、入力側ディスク２，２、出力側ディスク４，４との当接位置が変化し、入力軸１と出力歯車１１０との間の回転速度比が変化する。

ところで、このようなトロイダル型無段変速機において、図４中右側に位置する入力側ディスク２は、その背面（図４の右面）が、大きな弾力を有する第１の皿ばね３１０を介して、ローディングナット３１４に突き当てられており、入力軸１に対する軸方向（図４の左右方向）の変位が実質的に阻止されている。また、図４中左側に位置する入力側ディスク２とローディングカム４６との間には、第２の皿ばね３１２が設けられている。これらの皿ばね３１０，３１２は、各ディスク２，２，４，４の内周面２ａ，２ａ，４ａ，４ａとパワーローラ１１，１１の周面（トラクション面）１１ａ，１１ａとの当接部に押圧力（予圧）を付与する。このように、従来においては、ローディングカム４６に対して直列または並列に配置された皿ばね３１０，３１２によって予圧を発生させていた（例えば、特許文献１参照）。

特許第３４４０２８７号

ハーフトロイダル型無段変速機は、トラクションドライブ機構の一種であり、高い圧力で接触するディスク２，４とパワーローラ１１との界面に介在するガラス遷移したトラクション油のせん断応力によりトルクを伝達する。

一方、ローディングカム式の押圧装置４５は、トルクに応じて、ディスク２，４とパワーローラ１１とを押し付ける機構である。したがって、始動時や低トルク領域では、ローディングカム４６が推力を発生しないため、接触面に介在するトラクション油をガラス遷移させるための予推力をかけておく仕組みが必要である。そのため、従来においては、前述したように、皿ばね３１２をローディングカム４６とディスク２との間に直列または並列に配置し、この皿ばね３１２によって所定の推力を発生させるようにしている。

トラクション油をガラス遷移させるためには、比較的大きな接触面圧が必要である。また、変速機の小型化要求から、予圧用のばねを配置するスペースは限られている。そのため、蓄積エネルギが高く且つコンパクトで大きな荷重を発生することができる皿ばね３１２が必然的に用いられている。

しかしながら、このような皿ばね３１２は、その構造上、小さなストロークで大きな荷重を発生する（ばね定数が大きい）ため、セット寸法を厳しく管理しないと、発生荷重が大きくずれてしまう。発生荷重が所定値を下回ると、トラクション油が十分にガラス遷移せず、スリップが発生する懸念があり、一方、発生荷重が所定値を上回ると、寿命低下や、フリクション増大による動力伝達効率の低下といった問題が懸念される。

一般に、ハーフトロイダル型無段変速機の予圧用の皿ばね３１２のセットの高さは、複数部品の寸法によって決まるため、厳しく管理する寸法が増え、コストアップの要因になっている。更に、セット高さを決める各寸法を厳しく管理しても、関係する寸法が多い場合は、セット高さの公差範囲が広くなってしまうため、公差下限でもスリップが発生しないような大きな推力を発生する皿ばねを使用せざるを得なかった。

本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、ディスクとパワーローラとの間の当接部に予圧を付与するばねのセット高さを決める各寸法を厳しく管理しなくて済む安価なトロイダル型無段変速機を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載のトロイダル型無段変速機は、エンジンからの回転力を伝える駆動軸と、駆動軸から回転力を受ける入力軸に結合され且つ入力軸と一体で回転する入力側ディスクと、入力側ディスクとの間に設けられたパワーローラを介して入力側ディスクの回転力を所定の変速比で受ける出力側ディスクと、入力側ディスクと駆動軸との間に配置され且つ駆動軸の回転力に応じて入力側ディスクをパワーローラに対して押圧するローディングカム式の押圧装置とを備え、前記押圧装置は、前記駆動軸と共に回転するローディングカムと、このローディングカムのカム面と前記入力側ディスクのカム面との間で保持器により転動自在に保持された転動体とを有して成るトロイダル型無段変速機であって、前記ローディングカムと前記入力側ディスクとの間に初期モーメントを与えることにより、前記ローディングカム自体によって前記ディスクと前記パワーローラとの間の当接部に予圧を付与することを特徴とする。

この請求項１に記載のトロイダル型無段変速機においては、ローディングカムと入力側ディスクとの間に初期モーメントを与えることにより、ローディングカム自体によってディスクとパワーローラとの間の当接部に予圧を付与するようにしている。そのため、予圧用のばねの設置スペースを軸方向に大きく確保してローディングカムとディスクとの間に直列または並列に予圧用のばねを配置する必要がなくなり、変速機の小型化要求に対応することができる。特に、請求項２に記載されるように、ローディングカムと入力側ディスクとの間に初期モーメントを与えるべく、ローディングカムと入力側ディスクとの間に複数のばねを周方向に沿って介挿すると、大きなスペースを確保することなく、予圧用のばねの数を増やせるため、各ばねの必要発生推力が下がり、その結果、予圧用のばねとしてコイルばね等を使用することも可能になる。コイルばねは、皿ばねに比べてばね定数が小さいため、セット高さに関係する寸法を厳しく管理しないで済む。そのため、トロイダル型無段変速機を安価に製造できる。

本発明のトロイダル型無段変速機では、ローディングカムと入力側ディスクとの間に初期モーメントを与えることにより、ローディングカム自体によってディスクとパワーローラとの間の当接部に予圧を付与するようにしているため、予圧用のばねの設置スペースを軸方向に大きく確保してローディングカムとディスクとの間に直列または並列に予圧用のばねを配置する必要がなくなり、変速機の小型化要求に対応することができる。また、この場合、ローディングカムと入力側ディスクとの間に複数のばねを周方向に沿って介挿することにより前記初期モーメントを与えれば、ばねのセット高さを決める各寸法を厳しく管理しなくて済む。

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、ディスクとパワーローラとの間の当接部に予圧を付与するばねの配置形態にあり、その他の構成および作用は前述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２〜図５と同一の符号を付して簡潔に説明するに留める。

図１は、本発明の実施形態を示している。図示のように、ローディングカム４６と入力側ディスク２との間には、周方向に沿って４つのコイルばね（ばね）３５０が配置されている。具体的には、これらのコイルばね３５０は、環状のローディングカム４６の内周側から入力ディスク２側へと軸方向に突出したカム延出部４６ｃと、入力側ディスク２の内周側からローディングカム４６へと軸方向に突出したディスク延出部２ｃとの間に介挿されており、周方向に沿って伸縮するように配置されている。

したがって、本実施形態においては、これらのコイルばね３５０によって、ローディングカム４６と入力側ディスク２との間に初期トルク（初期モーメント）が生じ、推力が発生する。なお、本実施形態では、ローディングカム４６の内周側にコイルばね３５０を配置したが、ローディングカム４６の外周部にコイルばね３５０を配置すれば、より弱いばねで同等の初期トルクを発生させることができる。

上記構成では、駆動軸２００からローディングカム４６にトルクが入力されると、コイルばね３５０が弾性変形するが、この変形は、コイルばね３５０が広がる方向にローディングカム４６とディスク２とが相対回転して吸収する。したがって、コイルばね３５０によって発生するトルクは、駆動軸２００から入力されるトルクの増大と共に減少し、コイルばね３５０の縮み代が０になった以降は、ローディングカム４６単体の発生する推力のみとなる。

なお、以上の構成は、ローディングカム４６に入力されるトルクが常に正であることを前提としている。このようなものとしては、例えば、前述した特許文献１に記載されている航空機搭載発電機の低速駆動装置や産業用機械等を挙げることができる。

以上説明したように、本実施形態では、ローディングカム４６と入力側ディスク２との間に初期モーメントを与えることにより、ローディングカム４６自体によってディスク２，４とパワーローラ１１との間の当接部に予圧を付与するようにしている。そのため、予圧用のばねの設置スペースを軸方向に大きく確保してローディングカム４６とディスク２との間に直列または並列に予圧用のばねを配置する必要がなくなり、変速機の小型化要求に対応することができる。特に、本実施形態のように、ローディングカム４６と入力側ディスク２との間に初期モーメントを与えるべく、ローディングカム４６と入力側ディスク２との間に複数のばね３５０を周方向に沿って介挿すると、大きなスペースを確保することなく、予圧用のばね３５０の数を増やせるため、各ばね３５０の必要発生推力が下がる。また、本実施形態のように、予圧用のばねとしてコイルばね３５０を使用すると、皿ばねに比べてばね定数が小さいため、セット高さに関係する寸法を厳しく管理しないで済む。そのため、トロイダル型無段変速機を安価に製造できる。

本発明は、ダブルキャビティ型などのハーフトロイダル型無段変速機の他、トラニオンを有さないフルトロイダル型無段変速機にも適用することができる。

（ａ）は本発明の実施形態に係るトロイダル型無段変速機の要部の断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ方向矢視図である。従来から知られているトロイダル型無段変速機の基本的構成を最大減速時の状態で示す側面図である。従来から知られているトロイダル型無段変速機の基本的構成を最大増速時の状態で示す側面図である。ダブルキャビティ型無段変速機の具体的構造の一例を示す断面図である。図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

符号の説明

１入力軸
２入力側ディスク
４出力側ディスク
１１パワーローラ
４５押圧装置
４６ローディングカム
２００駆動軸
３５０コイルばね（ばね）

Claims

エンジンからの回転力を伝える駆動軸と、駆動軸から回転力を受ける入力軸に結合され且つ入力軸と一体で回転する入力側ディスクと、入力側ディスクとの間に設けられたパワーローラを介して入力側ディスクの回転力を所定の変速比で受ける出力側ディスクと、入力側ディスクと駆動軸との間に配置され且つ駆動軸の回転力に応じて入力側ディスクをパワーローラに対して押圧するローディングカム式の押圧装置とを備え、前記押圧装置は、前記駆動軸と共に回転するローディングカムと、このローディングカムのカム面と前記入力側ディスクのカム面との間で保持器により転動自在に保持された転動体とを有して成るトロイダル型無段変速機において、
前記ローディングカムと前記入力側ディスクとの間に初期モーメントを与えることにより、前記ローディングカム自体によって前記ディスクと前記パワーローラとの間の当接部に予圧を付与することを特徴とするトロイダル型無段変速機。
前記ローディングカムと前記入力側ディスクとの間に周方向に沿って介挿された複数のばねにより前記初期モーメントを与えることを特徴とする請求項１に記載のトロイダル型無段変速機。