JP2006501410A - 連続可変トロイダル駆動機構を備えた無段変速機 - Google Patents

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Abstract

本発明は、連続的に変速比を変化させるトロイダル変動装置を備えた無段変速機に関する。本発明の目的は、トロイダル変動装置のローラとトロイダルディスクの間に接触力を加える手段を改善することである。本発明によると、軸方向に移動自在のトロイダルディスク(11)の背面は、油圧で作動するピストンを形成する。油圧は調節すべり弁によって生成され、この調節すべり弁に対して、調節電気弁の初期圧力が制御圧力として供給される。本発明は、特に、自動車に関連する無段変速機に関する。

Description

本発明は、無段変速機に関するもので、請求項1から選択された特徴によると、この変速機においては連続可変トロイダル駆動機構が入力シャフトと出力シャフトとの間の伝達路に配置される。
無段変速機では、駆動トルクの伝達は、摩擦範囲の変化に従って歯車要素の摩擦連結を介して行われる。そのためには、必要な摩擦力が伝達できるような圧力の加え方が求められる。
巻き付き式の無段変速機は、変更された接触条件のため本発明の主題とは異なるが、一方では、位置エネルギー蓄積装置、ここではばね、を用いて圧力を加えることが特許文献1によって知られている。この場合のばねは、関連する摩擦対象上に作用する基本圧力を確保する。もう一方で、圧力の別の成分は、圧力媒体、ここではピストン/シリンダアセンブリ、によって作動される力生成装置を用いて確保される。
さらに、駆動トロイダルディスクと被駆動トロイダルディスクとの間に配置されたローラの旋回を用いて、摩擦範囲を設定するための油圧装置の使用は、特許文献2より周知である。
独国特許出願公開第 28 53 028号明細書 独国特許出願公開第 197 33 660 A1号明細書
本発明の目的は、圧力を加える最適な手段を有する連続可変トロイダル駆動機構を備えた無段変速機を提案することである。
本発明が基づいている目的は、請求項1の特徴によって達成される。
本発明による無段変速機では、連続可変トロイダル駆動機構は、入力シャフトと出力シャフトとの間の伝達路内に配置される。このトロイダル駆動機構に加えて、無段変速機には別の歯車群が設けられても良い。無段変速機は、特に、例えば複数の駆動範囲を有する動力分割式変速機である。
連続可変トロイダル駆動機構は、少なくとも1つの駆動トロイダルディスクと、少なくとも1つの被駆動トロイダルディスクと、駆動及び被駆動トロイダルディスクの間に圧力をかけて保持される少なくとも1つのローラとを有する。駆動アセンブリの駆動トルクの駆動トロイダルディスクから被駆動トロイダルディスクへの伝達は、ローラを用いて行われる。伝達比は、駆動又は被駆動トロイダルディスクとローラとの摩擦範囲の変動の結果、連続的に変化し得る。こうしたトロイダル型変速機は、直列に接続された1つ以上のチャンバを備えたものであってもよく、従って、1つ以上の駆動及び被駆動トロイダルディスク及びローラを備えたものとなる。
少なくとも1つのトロイダルディスクは、軸に沿って軸方向に移動自在となるように取り付けられる。この移動の自由度は、トロイダルディスクとローラとの間に圧力を導入する機能を果たす。移動自在なトロイダルディスクは、圧力の作用を受けることが可能である。圧力は、油圧ピストンを用いて、油圧が作用するピストン表面上に、少なくとも部分的に生成される。トロイダルディスクに対する圧力の伝達は、間接的に、例えば機械的接続要素を介して行われてもよく、あるいは直接的に、すなわちトロイダルディスク上への油圧の直接作用を用いて行われてもよい。
本発明によると、油圧とは調節すべり弁の調節圧力である。トロイダル型の変速機の圧力(の少なくとも一部)を確保するための調節すべり弁の使用は、圧力を確保するには特に有効で、信頼性のある簡易な方法である。この場合、それ自体は周知であり大量生産されている調節すべり弁を使用しても良い。さらに、調節すべり弁の調節スライドの表面比の適切な編成を通じて、低い制御圧力を用いてより高い調節圧力を正確に設定することも可能である。これによって、制御のためのコストは、例えば寸法の小さい制御装置を用いることで、最小限にすることができる。
本発明の発展形態によると、制御圧力はソレノイド調節弁によって提供される。このタイプのソレノイド調節弁は、油圧信号が正確に事前設定され、電気信号の事前設定を介した高い原動力を備えるので、コスト面及び調節品質面で特に有利である。
本発明による無段変速機の発展形態によると、無段変速機の少なくとも部分的操作範囲に少なくとも一部の圧力を加えるばね装置が、油圧と共に並列又は直列に接続されて設けられている。このことは、利用可能な油圧がなくても、例えば駆動アセンブリの始動時等に、ばね装置によってもたらされる最小圧力が必要とされる場合に、特に有利である。さらにばね装置は、最小限もしくは恒常的に必要な力を利用可能にすることができる。ばね装置は、油圧に対する支援を提供する働きをし得るので、油圧の確保に必要な装置の寸法をより小さくすることができる。
好ましくは、油圧は、トロイダルディスクに直接作用する。この場合、トロイダルディスクは、特にローラの反対側で、油圧による作用を受ける油圧ピストンを形成する。これにより、特にコンパクトな配置がもたらされ、圧力の加え方はトロイダルディスクに対して特に直接的なものとなる。本発明の発展形態によると、圧力の一部を加えるばねは、移動自在ピストン及び作業シリンダによって形成される圧力空間に配置される。これにより、特にコンパクトな配置が得られる。
無段変速機の有利な改良形態によると、油圧は調節すべり弁の調節スライドに対してフィードバックされる。本発明のこの改良形態によると、油圧を検出するための測定センサは必要ない。調節圧力が変動する際、調節スライドにおける状態は、調節スライドにフィードバックされた油圧による影響を自動化された形で受けることになるので、その結果自己調整が行われる。
有利な発展形態は、詳細な説明及び図面から推測されるであろう。本発明による無段変速機の好ましい例示的実施形態を、図面を参照して以下に詳細に説明する。
本発明は、特に自動車用の無段変速機において使用される。本無段変速機は、動力分割を伴うあるいは伴わない、直結歯車を備えた又は備えていない、シングルレンジもしくはマルチレンジの変速機である。
図1によると、連続可変トロイダル駆動機構7、中間遊星歯車8、及び出力遊星歯車9は、エンジンによって従来の方法で駆動可能な入力シャフト5と、自動車の車輪に対して従来の方法で連結可能な出力シャフト6との間の伝達路内に配置される。
入力シャフト5は、トロイダル駆動機構7の隣接したトロイダル中心駆動ディスク11に対する移動を固定され、また、同軸中心中間シャフト10を介して、中間遊星歯車8の2連結プラネタリーキャリヤ18に対する移動も固定して接続され、上記プラネタリーキャリヤは、今度は、トロイダル駆動機構7の第2中心トロイダル駆動ディスク12に対する回転を固定して接続され、上記駆動ディスク12は、プラネタリーキャリヤ18に隣接して配置され、伝達路内で第1駆動ディスク11に並列に接続される。同軸中間シャフト14は入力及び出力シャフト5、6の共通の幾何学的回転軸52−52に対して同軸に配置されており、中心中間シャフト10が遊隙を持ってシャフト14の中を貫通しており、シャフト14は互いに隣接して配置されたトロイダル駆動機構7の2つの中心トロイダル被駆動ディスク16、17に対する移動を固定して接続され、さらに中間歯車8の内部中心歯車19に対する移動も固定して接続されている。トロイダル駆動機構内において従来の方法で、駆動ディスク11又は12は、関連する被駆動ディスク16又は17と、ローラ13、15として知られる円盤状遊星を介して摩擦接触しており、それらローラは、それぞれ特定の回転軸の回りを回転自在に、かつそれら回転軸に対し直角な旋回軸の回りを旋回自在に配置されるが、他方では回転軸52−52に一致するトロイダル駆動機構7の中心軸についての位置は一定不変となる。
内部中心歯車20は、中間歯車8のプラネタリーキャリヤ18の1つの連結部に取り付けられた主遊星46を含み、プラネタリーキャリヤ18の放射状駆動連結部の両側に配置された歯付きリング43を備えており、その一方の歯付きリング43は同軸の中間シャフト14に接続された内部中心歯車19とかみ合い、他方の歯付きリング43は第2内部中心歯車48とかみ合い、その歯車48は、放射状駆動連結部のもう一方の側に軸方向に配置され、最終的には、今度は、係合可能かつ開放可能なクラッチK2を含んだ、出力歯車の第1歯車部材を形成する内部中心歯車21に対する駆動接続50を有する。主遊星46の歯付きリング43は、中間歯車8の1つの内部中心歯車19とかみ合い、これに加えて二次遊星63ともかみ合い係合しており、この二次遊星63はプラネタリーキャリヤ18の第2連結部に取り付けられており、さらに二次遊星63自体は外部中心歯車22とかみ合い、この歯車22が、係合可能かつ開放可能なクラッチK1を含んだ、出力歯車9の第2歯車部材を形成する外部中心歯車24に対する駆動接続23を有する。
出力歯車9は、プラネタリーキャリヤ25の形で第3歯車部材を有し、このプラネタリーキャリヤ25は非回転ケーシング部26に対して回転できないように放射支持連結部36を用いて固定されており、またプラネタリーキャリヤ25は同じ歯数を有する2つの歯付きリング37を備えた遊星歯車34を支持し、これら歯付きリング37は放射支持連結部36の両側に配置され、2つのうち中間歯車8に隣接して位置する一方の歯付きリング37は、内部歯車21と外部歯車24との両方にかみ合う。
出力歯車9は、第2外部中心歯車27の形で第4の歯車部材を有し、この外部中心歯車27は遊星歯車34の他方の歯付きリング37とかみ合い、出力シャフト6に対する被駆動接続28を有する。
駐車用歯止め車33は、外部中心歯車27の外周上に、同心に動きを固定して配置される。
低位の駆動範囲では、クラッチK1は係合され、クラッチK2は開放されるので、動力は中間シャフト10、14を介して分割して中間歯車8に供給され、歯車内で再び統合され、駆動接続23と、ここでは分割比1:1にシフトされる出力歯車9とを介して、出力シャフト6に伝達される。
中間歯車8内の主遊星47の歯付きリング44、45は、同一のあるいは異なる歯数を有しても良い。上位駆動範囲における伝達比は、歯付きリング44、45の歯数の比の変動によって変わり得る。
本発明による特徴と容易に組み合わせることのできる無段変速機の他の態様は、特許文献DE 100 21 912、DE 100 40 126、DE 200 224 53、DE 100 40 039、DE 100 30 779、DE 101 32 674、DE 101 21 042、DE 101 25 817、DE 102 02 754、DE 101 54 095、DE 101 54 928、DE 102 18 356、及びDE 102 06 202により周知であり、これらの開示により本応用例の主題が形成されている。
図2及び3は、トロイダルディスクをシャフトに対して回転を固定された状態の例示的実施形態の図で、トロイダルディスクに対して軸52−52の方向に向けられた垂直抗力を加える可能性があり、上記実施形態はトロイダルディスクと少なくとも1つのローラとの間に摩擦接触を確保する機能を果たす。図2及び3に図示した例示的実施形態によると、本発明による原理が、入力シャフト5に対して駆動トロイダルディスク11を固定した状態を用いた一例として図示されている。
駆動シャフト5は、駆動アセンブリに面した領域100において、外部スレッド101、中間歯車8の方向にスレッド101に隣接しかつ溝付き歯部103を備えた部分領域102、スレッド101に関してわずかに拡大された外側直径、及び部分領域102に隣接した円筒形部分領域104を有する。
部分領域102に対する回転を固定して接続されたフランジ105は、ハブ106と軸52−52に対して横に向けられたフランジ付きディスク107を有する。ハブ106は、部分領域102の幾何学的外形に適合する幾何学的内部構成を有し、入力シャフト5とハブ106とは回転を固定された接続を形成する。フランジ105は、スレッド101にねじ留めされるシャフトナット108上で駆動アセンブリの方向に軸方向に支えられる。フランジ105を軸方向に固定する機能に加えて、さらに、シャフトナット108を介して、フランジ105の正確な位置決めも実施することができる。フランジ付きディスク107の中にねじ留めされたねじ109は、シャフトナット108を固定する固定手段110を支える。
中間キャリヤ111は、軸52−52に対して同軸に配置され、ハブ112を有する。ハブ112は、円筒形穴114が中間歯車8の方向に隣接している内部溝付き歯部113を有する。内部溝付き歯部113は、溝付き歯部103に回転を固定された接続を形成する。円筒形穴114付近には、部分領域104において駆動シャフト5に関してハブ112を密閉する密閉要素115が配置される。中間歯車8から離れた方を向いているハブ112の末端領域では、中間キャリヤ111は中空円筒形延長部116を有し、この延長部116を介して中間キャリヤ111はフランジ付きディスク107に関して軸方向に支持される。延長部116は、隙間又は中間嵌めを形成するようにハブ106を取り囲む。
中間キャリヤ111は、図2に示す部分断面図においてU型形状を有する作業シリンダ117を有する。作業シリンダの(軸52−52の回りに伸びている)U型断面は、ハブ112によって形成される内部側脚部118、軸52−52に対して横に向けられた(環状)基礎脚部119、及び側脚部120を用いて形成される。作業シリンダ117は、中間歯車8の方向に開口する。
駆動トロイダルディスク11は、駆動アセンブリに面した末端領域において、(環状)ピストン121を有し、このピストン121は、側脚部120と駆動トロイダルディスク11の外側表面との間の歯部122を介して、駆動トロイダルディスク11と作業シリンダ117とが、互いに回転を固定しつつも軸方向には移動可能に接続されるように、またピストン121が、密閉要素124、125を用いて側脚部118、120の付近で密閉される作業空間123を、作業シリンダ117と共に形成するように、作業シリンダ117内に収容される。密閉要素124は、ハブ112の外側環状溝内に収容され、ピストン121の内側円筒形表面部の付近でピストン121に動作可能に接続される。密閉要素125は、ピストン121の半径方向に外側の環状溝内に収容され、側脚部120に動作可能に接続される。
作業空間123は、油圧接続126に油圧的に接続される。油圧接続126は環状のダクトで、このダクトを用いて、中間キャリヤ111が回転する際に油圧媒体を供給することが可能となる。油圧接続126は好ましくはハブ112の付近に配置され、2つの密閉要素170、171を用いて密閉される。図2によると、油圧接続126の作業空間123に対する接続は、油圧接続126から発して軸52−52に対して横を向いているブラインド穴127と、作業空間123から駆動アセンブリの方向に軸52−52に対して鋭角に傾けられたブラインド穴128とを用いて行われ、ブラインド穴127、128はそれらの末端付近で互いに出会う。駆動トロイダルディスク11に対して回転を固定した駆動シャフト5の接続の場合、駆動トロイダルディスク11は、作業空間123への圧力の作用によって、中間歯車8の方向に軸方向の圧力によって作動する。駆動トロイダルディスク11は、駆動シャフト5に関して転がり軸受け129を介してディスク11の内部で半径方向に支えられる。遊隙130を確保するため、転がり軸受け129の回転体は、ハブ112の端面と、駆動トロイダルディスク11の内部に放射状に配置された固定リング131との間の軸方向に誘導される。
軸方向に作用する1つ(以上)のばね要素が、作業空間123内に配置される。図2に示す例示的実施形態によると、このばね要素は、軸52−52に対して同軸に配置された円盤状ばね132である。
図3に示す例示的実施形態によると、代替もしくは別の実施形態では、ばね要素133は、延長部116とフランジ付きディスク107との間に配置され、ばね要素133は中間キャリヤ111の移動をもたらし、その結果、駆動トロイダルディスク11の中間歯車8方向への移動をもたらす。作業空間123への圧力の追加的作用によって、油圧及びばね要素133の力は、機械的に並列に接続されて作用する。
図4は、油圧接続126の圧力供給の例示的実施形態を示す。作業圧力管路140では、作業圧力が利用可能で、この作業圧力は、例えばエンジンで駆動しタンクから作業圧力管路の中へ油圧液を運ぶポンプによって提供される。(一定の)低供給圧力は、供給圧力管路141に提供される。供給圧力管路141は、ソレノイド弁142の投入口に接続される。電気信号143に従って、ソレノイド弁142は、制御圧力管路144においてソレノイド弁142の出力を形成する制御圧力を生成する。制御圧力は、電気信号143に従って所定の区間内で変動することができる。
作業圧力管路140及び制御圧力管路144は、調節すべり弁145への投入口として導かれる。調節すべり弁145は、作業圧力と制御圧力を、それ自体は既知の方法で、調節圧力管路146を経由して油圧接続126に供給される調節圧力に加工する(適切な場合、調節すべり弁145への差し戻しも伴う)。図4に図示する油圧回路を用いて、調節装置による所定の電気信号は、比例した油圧信号へと変換される。
調節すべり弁145はケーシング200を有し、このケーシング200の中では、調節スライド201が、軸202−202の軸方向に移動自在に誘導される。制御圧力144は、調節スライド201の一方の端面上の制御圧力空間203において作用する。このためには、調節すべり弁145は、調節スライド201から半径方向に配置され、制御圧力管路144に接続される環状ダクト204を有する。制御圧力空間203と環状ダクト204との間には、調節スライド201の制御端205を用いて上記調節スライド201の位置に応じて閉じたり削減したりするオーバフロー断面が設けられる。
さらに、調節すべり弁145は、調節圧力管路146に油圧的に接続された調節圧力空間206を有する。環状管路207は作業圧力管路140に接続される。制御縁端部208は、環状管路207から調節圧力空間206へのオーバフローを調節し、オーバフロー断面は、調節スライド201の位置に応じて、完全閉鎖することもあるいは部分的に開口することもできる。
調節圧力管路146の調節圧力は、バイパス管路209を経由してバイパス空間210の中へ戻される。バイパス空間210では、戻された調節圧力は、戻された調節圧力に依存する合力が残るように、調節スライド201の端面上に作用する。制御圧力空間203の反対側に位置する調節スライド201の端面は、ケーシング200に対して調節スライドを支持する機能を果たし、位置エネルギー蓄積装置、特に圧縮ばね、が間に置かれる。
図5は、駆動媒体の摩擦係数の推移を示すと同時に、トロイダルディスク11、16又は17、12と割り当てられたローラ13又は15との間の圧力又は垂直抗力153に対する摩擦係数152を示す図である。臨界圧力150(「ガラス転移」)未満では、摩擦特性曲線151は、急速に低値に落ち込み、一方で、臨界圧力を超えると、ほぼ一定の水準になる高い摩擦係数が存在する。
操作点の設計とばね要素132、133の寸法を決めるために、参照として、個々の牽引媒体用の牽引マップが知られており、例として次のものがある。
S.アイハラ(S.Aihara)、S.ナツメダ(S.Natsumeda)、H.アチハ(H.Achiha):高い接触圧力を伴う牽引駆動機構におけるEHL牽引(EHL Traction in traction drives with high contact pressure)、日本精工株式会社(NSK Ltd.)研究開発センター(神奈川県藤沢市鵠沼神明1−5−50)。
図5に示す摩擦特性曲線は、操作条件に関して変動する。特に、臨界圧力150は、例えば、駆動体の周辺速度、操作条件における変動の大きさ、エンジン始動、駆動媒体の温度等の操作パラメータに依存する。従来の設計方法は、臨界圧力150を、全ての又は複数の可能な操作条件について決定する。実際の設計は、臨界圧力150に安全性を加味して行われ、それによって決定される。これに対して、本発明によると、臨界圧力150は、安全性の加味を削減することなくあるいは削減しつつも、及び/又は最適化された操作範囲においてのみ決定され、ばね要素130、134によって放出される基本圧力は、臨界圧力がばね要素133、134によって高くとも選択された操作状態になるように設計される。臨界圧力150における移動の結果、別の操作状態で必要とされる別の圧力は、油圧系によって提供される。
位置エネルギー蓄積装置によって利用可能となる圧力は、好ましくは、合計で、700N/mm、1500N/mm又は1800N/mmとなり、これに従って、ばね要素132、133の設計が実行される。この場合の最大圧力は、合計で約4000 N/mmである。
本発明による無段変速機の実施形態の半断面図の概略図である。 位置エネルギー蓄積装置と、圧力媒体によって作動する動力生成装置の、並列接続を備えた本発明による変速機の部分断面図である。 位置エネルギー蓄積装置と、圧力媒体によって作動する動力生成装置の、直列接続を備えた変速機の部分断面図である。 ソレノイド弁及び調節スライドを備え、圧力媒体によって作動する動力生成装置に作用する油圧システムの基本図である。 圧力に応じてローラとトロイダルディスクとの間の接触媒体の例示的摩擦特性曲線を示すグラフである。

Claims (11)

  1. 無段変速機であって、該無段変速機において連続可変トロイダル駆動機構は入力シャフト(5)と出力シャフト(6)との間の伝達路内に配置されており、前記トロイダル駆動機構は少なくとも、
    (a) 1つの駆動トロイダルディスク(11、12)と、
    (b) 1つの被駆動トロイダルディスク(16、17)と、
    (c) 1つのローラ(13、15)であって、前記駆動トロイダルディスク(11、12)と前記被駆動トロイダルディスク(16、17)との間に圧力をかけて張られており、これを用いて前記駆動トロイダルディスク(11、12)と前記被駆動トロイダルディスク(16、17)との間の駆動トルクの伝達が連続的に変化する伝達比で行われるローラ、とを有し、
    (d) 少なくとも1つのトロイダルディスク(11)は軸52−52に沿って軸方向に移動自在となるよう取り付けられており、
    (e) 前記移動自在なトロイダルディスク(11)は、油圧ピストンによる圧力の少なくとも一部の作用を受けることが可能であり、油圧が少なくとも1つのピストン表面上に作用し、
    (f) 前記油圧は、調節すべり弁(145)の調節圧力である、無段変速機。
  2. 作業圧力(140)及び制御圧力(144)が前記調節すべり弁(145)に供給されることを特徴とする、請求項1に記載の無段変速機。
  3. 前記制御圧力(144)は、ソレノイド調節弁(142)によって提供されることを特徴とする、請求項2に記載の無段変速機。
  4. 前記調節すべり弁(145)は2つの制御端部を有することを特徴とする、請求項3に記載の無段変速機。
  5. ばね装置(ばね132、ばね133)は、前記油圧との並列又は直列に接続されて、前記無段変速機の少なくとも部分的操作範囲に前記圧力の少なくとも一部を加えることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の無段変速機。
  6. 前記油圧は前記トロイダルディスク(11)に直接作用することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の無段変速機。
  7. 圧力空間(123)は、前記移動自在なピストンを形成する前記トロイダルディスク(11)を用いて、及び中間キャリヤ(111)の作業シリンダ(117)を用いて形成され、前記圧力空間(123)は前記油圧によって作用することを特徴とする、請求項6に記載の無段変速機。
  8. 前記中間キャリヤ(111)は、前記軸52−52に関して軸方向に移動不能に取り付けられることを特徴とする、請求項7に記載の無段変速機。
  9. 前記中間キャリヤ(111)は、ばね(133)の作用の下に前記軸(52−52)に関して軸方向に移動自在に取り付けられることを特徴とする、請求項7に記載の無段変速機。
  10. 前記圧力の一部を加えるばね(132)は、前記圧力空間(123)内に配置されることを特徴とする、請求項7、8あるいは9に記載の無段変速機。
  11. 前記油圧は、前記調節すべり弁(145)の前記調節スライドにフィードバックされることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項に記載の無段変速機。
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