JP2007298125A - 噛み合い伝達による無段変速機用金属ベルト - Google Patents

Abstract

【課題】ベルト式無段変速機に用いる新方式のベルトを開発することによって、現在一般的に使用されているベルト式無段変速機がもつ動力伝達ロスが大きく且装置が大型なものになるという問題を解決し、ベルト式無段変速機を小型軽量で高い伝達効率を持つものにすることをその課題とした。
【解決手段】無端金属薄板を層状に重ねて造られたリングの全周にわたって外周方向と直角にベルトエレメントを取り付けた本発明になる金属ベルトを、ベルトドライブエレメントにベルトを巻き掛けて駆動変速する方式の公知の無段変速機のベルトに代えて使用することにより、動力伝達方式がベルトエレメントとベルトドライブエレメント間の噛み合い力とリングの張力及びベルトエレメント同士の圧縮力による動力伝達方式となるため、小型軽量で伝達効率が高い無段変速機が実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明はベルト式無段変速機に使用する金属ベルトに関するものである。

かつては自動車の変速機といえばマニュアル式であったが最近では自動変速方式が多くなってきている。特に我国や米国においては乗用車は殆んどが自動変速方式の変速機を備えたものとなっている。
自動変速方式の変速機には変速比を段階的にしか変更できないギア式自動変速機と連続的に変速比を変更できる無段変速機とがある。無段変速機にはベルト式無段変速機やトロイダル型無段変速機等様々な方式があるが、現在自動車の分野において広く使用されているのはベルト式無段変速機である。

ベルト式無段変速機とギア式自動変速機とを比較した場合、ベルト式無段変速機はロスが大きく基本的な伝達効率ではギア式自動変速機の方が優れているといえる。ベルト式無段変速機を使用した自動車とギア式自動変速機を使用した自動車とで比較すると、定地走行ではベルト式無段変速機を使用した自動車はギア式自動変速機を使用した自動車に比べて燃費が悪くなると言われている。但しベルト式無段変速機を使用した自動車はギア式自動変速機を使用した自動車に比べトルクコンバータをロックアップして走行する時間を長く取ることが出来るため、加減速の多い市街地走行や国土交通省が定めた１０・１５モード走行で比較するとこの関係は逆転し、非特許文献１に記されているようにベルト式無段変速機を使用した自動車の方が燃費が約１０％良くなるものとされている。

現在一般的に使用されているベルト式無段変速機でロスが大きくなる原因として二つの事柄が考えられる。その一つはベルト式無段変速機は台形の断面を持ったベルトを一対のコーンプーリで形成されるＶ字型の溝に挟んで引っ張る関係上、その張力によってベルトがＶ字型の溝に食い込みこれを引き抜くときに大きなロスが発生することによるものである。もう一つは強度及び耐久性の点から金属ベルトを用いている関係上ベルトがスリップしないようにベルトとコーンプーリ間の接触圧をゴムベルト等と比較して大きくせねばならず、回転部分にかかる荷重が大きくなって大きな摩擦抵抗が生ずることによるものである。更に接触圧を大きくすることはフレームやシャフトを頑丈なものにしなければならないことにもつながり装置が大型なものになるという問題も発生する。

ベルトを一対のコーンプーリで挟んで駆動する現在一般的に使用されている方式とは異なる方式のベルト式無段変速機が米国特許４０４２７７２号或いは同４２９５８３６号に示されている。
これらは後でより詳しく説明するが円周上に複数個のベルトドライブエレメントを渡して構成した籠型プーリにベルトを巻き掛け、これら複数個のベルトドライブエレメントの実効半径を変えることで変速比を変えることが出来るベルト式無段変速機である。
ベルトドライブエレメントを用いることでベルトをコーンプーリから引き抜くときに発生する動力ロスの問題は解決されるが、平ベルトを使って摩擦力により動力伝達を行うものでありベルトの耐久性に問題があるものと考えられる。
この公知の技術に対し、ベルトドライブエレメントに周方向に延在する溝をつけベルトにこの溝に係合する突起を周方向に設けるようにして「接触面積が増大し、摩擦伝動負荷が増大し、高負荷伝達が可能になった。」とする改良がわが国の公開特許公報 昭６２−７５１６７号に示されている。しかし実用化されたという例は聞いたことがなく、この改良を施しても現在一般的に使用されているベルト式無段変速機に代わるだけの性能はないものと思われる。

公開特許公報 昭６２−７５１６７ 米国特許 ４０２４７７２ 米国特許 ４２９５８３６ 無段変速機ＣＶＴ入門 守本 佳郎著 株式会社グランプリ出版 ２００４年１０月

ベルト式無段変速機に用いる新方式のベルトを開発することによって、従来のベルト式無段変速機がもつ動力伝達ロスが大きく且装置が大型なものになるという問題を解決し、ベルト式無段変速機を小型軽量で自動車の運転モードに関係なく常に高い伝達効率を持つ名実共に優れたものとすることをその課題とした。

ベルト式無段変速機の動力伝達方式を摩擦力による動力伝達方式から、ベルトエレメントとベルトドライブエレメント間の噛み合い力とリングの張力及びベルトエレメント同士の圧縮力による動力伝達方式とする新方式のベルトを開発することで課題を解決した。

ベルト式無段変速機が小型軽量化されると共に動力伝達ロスが小さくなるため、本発明になる金属ベルトを使用した自動車は定地走行、市街地走行、１０・１５モード走行の何れで比較してもギア式自動変速機を使用した自動車より燃費が低下する。

以下本発明について実施例に基づき具体的に説明する。
本発明では図８に示したように中心軸上に或いは想定された中心軸上に中心を持つ円周上に中心軸と或いは想定された中心軸と実質的に平行に複数個のベルトドライブエレメント５を渡して構成された籠型プーリにベルト６を巻き掛けて、これら複数個のベルトドライブエレメント５と中心軸との或いは想定された中心軸との距離を変えることでプーリとしての実効半径を変え、これによって変速比を変える方式の公知の無段変速機をベースとしている。ベルトドライブエレメント５と中心軸との或いはベルトドライブエレメント５と想定された中心軸との距離を変える方法については溝付コーンプーリを用いるものが米国特許４０４２７７２号に、ガイドディスクを用いるものが同４２９５８３６号に記されており公知の技術である。

これら公知の技術はいずれもゴムや合成樹脂或いは革等で出来た平ベルトを使用して摩擦力によって動力を伝達する方式であるため高負荷を伝達することが難しく耐久性に劣るという問題が発生する。
公知の技術で用いられているこのベルトを本発明になる金属ベルトに代えることによって、摩擦力によっていた動力伝達方式がベルトエレメントとベルトドライブエレメント間の噛み合い力とリングの張力及びベルトエレメント同士の圧縮力による動力伝達方式となり、動力ロスと耐久性の問題を同時に解決することが可能となった。

先ず第一の例について説明する。本発明になるベルトは無端金属薄板２を重ね合わせたリング３を２本つくり、片方のリング３の全周にわたって図２に示す工字型をした厚さ２ミリ前後の鋼板で出来たベルトエレメント１をベルトエレメント１の間隙４にリング３を差し込むようにしてリング３の周方向と直角に保持し、さらにその間隙４の反対側の間隙４にもう１本のリング３を差し込んで一体とすることによってつくられている。図１はベルトエレメント１がリング３に取り付けられている様子を示したものである。これに使用するリング３は、厚さ０．２ミリ程度のマレージング鋼相当の最高強度材料を用いた全長が異なる複数枚の帯状薄板のそれぞれの始端と終端とを溶接して無端金属薄板２をつくりこれらを層状に重ね合わせたものである。それぞれの帯状薄板の長さは溶接された無端金属薄板２がそれぞれ重ね合わせることが出来且重ね合わせたときに層間に隙間が出来ないようになっている。なお溶接は帯状薄板の始端と終端とを接続して環状とするためのもので各層間を溶接するものではなく、リングの各層間及びリングとベルトエレメント間はある程度動くようになっている。溶接によらず薄いシームレス鋼管（鋼筒）を作りそれを一定の幅にカットすることで溶接部分のない無端金属薄板２を安価につくることが出来るようになれば勿論その方が望ましい。

図１ではベルトの構造を判りやすく説明するため、リング３を構成する無端金属薄板２を一部切断して記している。無端金属薄板２の厚さもわかり易いように誇張して厚く書いているが実際はもっと薄いものである。その枚数も図１では５枚重ねになっているが実際の枚数はもっと多いものである。ベルトエレメント１についても図１では５個しか記していないが実際の数はもっと多く隣接するベルトエレメント１同士が接触して圧縮力を伝達することが出来る程度でしかも籠型プーリの径が小さくなった場合でも籠型プーリに添って円くなり籠型プーリから浮き上がることがない程度にリング３の全周にくまなく取り付けられている。その個数が少なすぎるとベルトエレメント１同士が接触することが出来ず圧縮力による力の伝達ができなくなり、多すぎると籠型プーリの径が小さくなったときに対応できないので注意する必要がある。これらの点に関しては後に記した実施例２の図６も同様である。

図２は実施例１で使用するベルトエレメント１の形状の一例を示した正面図、図３はこの側面図である。全体の形状は工字型をしているが籠型プーリの径が小さくなった場合でもベルトが籠型プーリに添うことができるように、リングがはまる間隙より下の部分は圧縮力による力の伝達ができなくならない程度に緩い角度で薄くなっている。これが余り薄くなりすぎると圧縮力による力の伝達ができなくなるので注意する必要がある。
ベルトエレメントの先端部の形状はこの例では図３の側面図に示すように山型をしておりベルトドライブエレメント５との噛み合いを良くするようになっている。ベルトエレメント先端部の形状はこれ以外にも鋸歯型や半円型或いは中央が窪んだＶ型等多くのものが可能であるが、その形状は力の伝達方向、回転速度、伝達トルク等に応じ適切なものを選択すればよい。

このようにして造ったベルトを図８に示す公知の無段変速機のベルトに代えて使用することによって、公知の無段変速機では摩擦力によっていた動力伝達方式がベルトエレメント１とベルトドライブエレメント５間の噛み合い力とリング３の張力及びベルトエレメント１同士の圧縮力による動力伝達方式となり、ベルトエレメント１とベルトドライブエレメント５との間の接触圧を低くすることが出来るようになり動力ロスと耐久性の問題を同時に解決することが可能となった。
本発明になるベルトはベルトドライブエレメントを使用する方式の無段変速機であれば殆んどそのまま使用することが出来るが、ベルトエレメント１と噛み合うベルトドライブエレメント５の形状はベルトエレメント１の形状に適合した形状に変更してベルトエレメント１とベルトドライブエレメント５とが噛み合いやすくするようにすることが望まれる。

ベルトドライブエレメント５の間隔は変速比の変化に応じて常に変化するものであり変速過程においてはベルトエレメント１とベルトドライブエレメント５が完全なかたちで噛み合わない場合が当然発生する。ベルトエレメント１とベルトドライブエレメント５との接触部分の形状を対応させたからベルトエレメント１とベルトドライブエレメント５は全て噛み合うというわけではないが一部が噛み合っておれば滑って空転することはないので十分である。
このベルトを用いることによって従来摩擦力によっていた動力伝達方式がベルトエレメント１とベルトドライブエレメント５間の噛み合い力とリング３の張力及びベルトエレメント１同士の圧縮力による動力伝達方式となり、ベルトとベルトドライブエレメント５との間の接触圧を下げることが出来るようになり回転部分での摩擦抵抗の低減や耐久性の向上、全体の軽量化を図ることが可能となった。

図６は別の形状のベルトを示したものである。実施例１ではリング３はベルトエレメント１の左右にそれぞれ１本付いていたがこの例では実施例１のリング１より広いリング１６が中央部に１本だけ存在する。このリング１６の構造は実施例１と同様に無端金属薄板１７を層状に重ね合わせたものである。この例ではベルトエレメント１１は図６に示すように底板１２に押さえ棒１３を嵌めこんだもので口の字を横に引き伸ばした形状をしている。このベルトエレメント１１はリング１６を底板１２と押さえ棒１３との間に出来る間隙１４に嵌めた後押さえ棒１３で押さえこれが抜けないようにカシメて固定して形成されたものでありカシメ跡１５が底板１２に付いている。実施例１の場合と同様にベルトエレメント１１とリング１６とは固定されておらずある程度動くようになっている。
ベルトエレメント１１の先端部及びベルトドライブエレメント５の形状については実施例１の場合と同様のことがいえる。

このようにして造ったベルトを実施例１と同様に図８に示す公知の無段変速機のベルトとして使用することによって実施例１と同様の効果を得ることが出来る。

本発明は基本的には自動車やオートバイに使用することを目的として開発したものでありこれらの変速機として極めて有効なものである。これらのもの以外にも、工作機械や動力機械の分野で使用されているＰＩＶ型無段変速機やリングコーン型無段変速機、バイエル式無段変速機等に代わるものとしても極めて有効である。

工字型ベルトエレメントがリングに取り付けられている状態の一例を示した模式図である。 工字型ベルトエレメントの一例を示す正面図である。 工字型ベルトエレメントの一例を示す側面図である。 無端金属薄板の一例を使用した模式図である。 口字型ベルトエレメントがリングに取り付けられている状態の一例を示した模式図である。 底板と押さえ棒からなる口字型ベルトエレメントの一例の正面図である。 底板と押さえ棒からなる口字型ベルトエレメントの一例の側面図である。 公知の無段変速機の主要部分の概要を示す模式図である。

符号の説明

１ ベルトエレメント ２ 無端金属薄板 ３ リング ４ 間隙
５ ベルトドライブエレメント ６ ベルト
１１ ベルトエレメント １２ 底板 １３ 押さえ棒 １４ 間隙
１５ カシメ跡 １６ リング １７ 無端金属薄板

Claims (1)

1. 中心軸上に或いは想定された中心軸上に中心を持つ円周上に中心軸と或いは想定された中心軸と実質的に平行に複数個のベルトドライブエレメントを渡して構成した籠型プーリにベルトを巻き掛け、これら複数個のベルトドライブエレメントと中心軸との或いは想定された中心軸との距離を変えることでプーリとしての実効半径を変えることによって変速比を変えることが出来る無段変速機に使用するベルトであって、重ね合わせたときに層間に隙間が出来ないように全周の長さが順に長くなっている関係にある複数個の無端金属薄板を重ね合わせてリングとなし該リングの全周にわたって周方向と直角にベルトエレメントを取り付け一体となした無段変速機用金属ベルト
   

Images