JP2007303669A - 歯車機構で構成された無段変速機 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の無段変速機は摩擦力を応用した円板車，ベルトと円すい摩擦車等で構成されるので“すべり”の恐れと変速比に限界があり、その変速の範囲が小さいなどの点があり、摩擦力維持のために勝れた耐摩耗性の材料が必要で常に保守点検を要し摩耗した部品、材料の交換も必要である。
【解決手段】歯車のみで構成された下図の歯車機構で解決できる。
この歯車機構は主動力機に直結する主動軸を１，負荷に直結する従動軸を１６とし、これに外部からの回転操作用に回転軸８を設け、これらの各軸を複数の歯車で連動させる構造で、外部より回転軸８を操作することにより従動軸１６を回転させて主動軸１より増速又は減速の変速を任意にできる。
この機構は歯車のみによって構成しているので従来の無段変速機の様な“すべり”の恐れもなく保守点検に大いに利点があり、且つ変速の範囲が大きく主動軸に対する従動軸の正転、逆転までも出来て更に利用範囲が大きくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は従来の無段変速機の如く摩擦力を応用した円板車、ベルトと円すい摩擦車等を用いずに従動軸である回転軸１６と別に設けた回転軸８との間に装着した複数の歯車を連動させる構造にて外部より回転軸８の回転を操作することにより回転軸１６を回転させて主動軸１より無段の増速或いは減速の変速及び正転、逆転の回転もできる歯車機構に関するものである。

従来の無段変速機は摩擦力を応用した円板車、ベルトと円すい摩擦車等で構成されるので“すべり”の恐れと変速比に限界があり且つその変速の範囲が小さいなどの欠点がある。又、“すべり”に対して常に摩擦力を維持するために対摩耗性に勝れた特別の材料を必要とし点検と保守をしなければならず部品、材料が摩耗すれば取換の必要がある。
〔円板車、ベルトと円すい摩擦車等を用いた無段変速機の実施例〕を参照下さい

本発明者はこれらの摩擦力の減少による“すべり”の恐れと変速比に限界があり且つ変速の範囲が小さいこと又耐摩耗性に勝れた材料を必要とし常に保守点検を行わねばならず摩耗をすれば部品、材料の交換も必要となるなどの欠点をなくすために歯車のみで構成される無段変速機を考えた。

この歯車の基本構造は図１〔歯車機構の構造図〕及び図２〔歯車機構立体図〕に示す通りである。
この無段変速機は主動力機に直結する主動軸を１、負荷側に直結する従動軸を１６とし、これに外部からの回転操作用に回転軸８を別に設け、これらの各軸を複数の歯車で連動させる構造にて外部より回転軸８の回転を操作することにより回転軸１６を回転させて主動軸１より増速又は減速の変速を任意に行うことができる歯車機構である。
この機構は歯車のみによって構成されているので円板車，ベルトや摩擦車などを応用した従来の無段変速機の如き“すべり”の心配は全くなく保守点検に大いに利点がある。その他に従来の無段変速機の様な変速比に限度があり、その変速の範囲が小さい等の欠点は当歯車機構にはなく変速の範囲が大きく適当な動力で回転軸８を操作すれば任意の方向の回転操作までも不可能ではなくその変速の範囲は格段に大きくなり主動軸に対する従動軸の回転を逆方向等速回転，逆方向増速回転及び逆方向減速回転，同方向等速回転、同方向増速回転までの操作もできるのでその利用価値は甚だ大きいと云えます。
注）主動軸１に対する従動軸１６の回転方向を変えるには歯車１５と１７との間に遊び歯車を入れヽば変えることができますが後の説明のために遊び歯車は省略しました。

１、この歯車機構は歯車のみで構成されているため従来の摩擦力を使った無段変速機の如き耐摩耗性に勝れた特別の材料を選ぶ必要もなく摩擦力の維持のための保守点検の必要もありません。
２、従動軸の主動軸に対する変速の範囲が大きく、主動軸と同方向から逆方向の回転の操作まで無段の変速が可能であります。
それは外部から回転軸８の回転操作をするだけで微妙なる変速の遠隔操作も可能であります。 従って運搬用あるいは操業用の多数の回転軸を有するコンベアラインなどの生産設備においては各々の回転軸を遠隔操作で部分的に回転を制御することも可能であり、場合によっては主動軸に対する従動軸の逆回転までも出来るので、あるラインステージのみの送行の停止或いは逆送行までも円滑自在に行えるなど活用の範囲が広くなります。
この様なことは従来のベルトや摩擦車を応用した無段変速機では全く不可能であります。

本発明者が課題を解決するための手段として歯車機構のみで構成する別図の図１〔歯車機構の構造図〕に示す機構を考案するに至った根拠は下記の通りです。この歯車機構の「はたらき」について以下説明します。
１．軸８は軸１６の回転の速さ，回転の方向を外部から操作をするための操作軸です。
２．今、軸８を停止した状態で軸１を右（又は左）回りに１回転させた場合、歯車９及び２，３は停止しているが軸４も右（又は左）回りに１回転するので歯車５は歯車３の上を転がるように回ります（以下“歯車”の言葉は省略）
この５の回転により７と６が回転し、これに連動して１１，１２，１４，１５及び１７も回転するので軸１６を回転させることになります。このとき３と５との歯数の比には関係なく７と６は軸１の周りを２周（２回転）します。
その理由は下記の通りです。
３．この歯車機構の基本となった考え方は次の通りです。
３−１小車の上に板を載せて転がした場合を考えてみます。
〔図３〕を参照下さい。
今、小車の円周を１５ｃｍとすると小車の軸が１の位置から２の位置に移動したとき小車は１回転したことになり、このとき板の端は小車の軸の位置（２の位置）から１５ｃｍ先に送り出されていることになります。
つまり、板の端は１の位置から３０ｃｍの３の位置にきていることになります。
次に小車の円周の大きさを変えてみた場合、つまり直径を変えた場合小車が３ｃｍの場合は５回，５ｃｍの場合は３回回転をして小車の軸が２の位置にくることになります、いずれの場合も板の端は３の位置にくることで小車の大きさには関係がありません。
３−２これを円板を使った構造に置きかえてみます
〔図４〕を参照下さい。
上の円板と下の円板は直径が同じで円周の長サを１５ｃｍとします。
今、小車の軸が１の位置から左回りをして（右回りでもよい）１周した場合に小車は下の円板の円周に沿って（すべることなく）転がって１周をし２の位置（元の１の位置）にもどってきます。つまり小車の軸の先端が円周上にて１５ｃｍ移動したのと同じことになります。
このとき上の円板は小車の軸より１５ｃｍ先に左回りの方向に送り出されているわけでこれは小車の軸の１周に更にもう１周しているわけで結局、上の円板は１の位置から円周上にて３０ｃｍ回ったこと即ち２回転したことになります。
３−３〔図４〕の機構を応用し主軸と同軸上の歯車とを同調した回転をさせることができます。
〔図５〕を参照下さい。
上の円板（以下、円板を歯車とします）が２回転したとき１回転する歯車、つまり上の歯車の２倍の歯数の歯車（これを仮に１１とします）を噛み合わせてその回転を主軸１と同軸の歯車１４に伝えることができれば歯車１４と主軸１との回転はずれることなく一緒に回せることができます。
３−４これを実現させるために下記の構造を考えました。
〔図６〕を参照下さい。
図示の如く下の歯車（ロ）３と円筒軸で一体である下の歯車（イ）２とこれに噛み合う歯車９と同軸８を付加することにより主軸１と歯車１４との相互間の回転速度のずれ或いは逆転の操作までも可能にし、同軸８は外部からの任意の操作用の回転軸として扱うことができます。
下記のように主軸１の回転、停止とは関係なしに歯車１４の回転を単独で外部から任意の操作をすることができます。
その理由は下記の通りです。
▲１▼下の歯車（ロ）３が停止した状態（２，９も停止している）で主軸１を回転させた場合
小車５は３の上を転がって１周します。このとき７は前記３−２の理由により主軸１の周りを２周（２回転）するので７と一体になっている６は２回転します。
１１は６の２倍の歯数であるので６の１／２回転します。
１２は１１と一体のため同じ様に１／２回転をしますので１２と同じ歯数である１４は６の１／２回転をします。このとき１４は主軸１と同じ方向に回転します。
つまり１４は主軸１とずれることなく同じ方向に回るので１４と円筒軸で一体になっている板（ロ）２０を同じように回します。
これにより主軸１と一体になっている板（イ）１９と板（ロ）２０はお互いにずれることなく同一方向に回ります。
▲２▼主軸１が停止した状態で９を外部から回した場合
９の回転は２に伝えられて２と一体である３を回わし、それが５，７，６，１１，１２，１４に伝えられて１４と一体の２０を単独で任意に操作することができます。
つまり、主軸１が回転しているときでも９の回転の方向と速さを外部から任意に操作をすることにより２０と１９の２つの板を同じ方向にずれることなく回したり或いはお互いを逆方向に回したり、そのお互いの間の速度の調整も任意に行うことができます。
３−５これを応用することにより下記の様なことが可能になります。
〔図７〕を参照下さい（以下、主軸１を主動軸１と呼ぶことにします）
当機構を無段変速機として考えた場合に、主動軸１の回転方向と回転速度（一定）を示す１８に対し従動軸１６につながる１５が速いか遅いかで変速をすることができて、その操作は操作軸８を正、逆方向及びその回転速度を任意に行うことにより可能となります。
今、仮に図中の矢印の方向を正の回転とすると、各歯車の回転方向は図示のようになります。
○歯車９と２の歯数の比が変われば１５の回転数は変わるが２と１５の回転数の比は変わらない。
○歯車１５と１７の歯数の比は任意でよい
○各歯車の回転方向と回転数を比較すると下記の様になります。
今、図の説明上仮に９と２，１５と１７は同じ歯数として設定しました。

４．当歯車機構を無段変速機として使用した場合
４−１操作軸８が停止している場合
前記３−４，▲１▼項の理由により主動軸１が定速度運転状態で且つ１５は主動軸１と同方向，同一速度の回転を続けることになり、１５と１７は同一歯数のため、１６，１７は１と逆方向、同一速度の回転を続けることになる。
これを１６の正規の運転状態とします。
その時の１６の回転数をｎ_０とします。
４−２操作軸８を正方向（図の矢印方向）に回転させた場合
８（及び９）を矢印方向に回転させてその回転数をｎ_８とすると１６（及び

４−３操作軸８を逆方向（図の矢印の反対方向）に回転させた場合
８（及び９）を矢印と反対方向に回転させてその回転数をｎ_８とすると

これは図の如く９と２，１５と１７の歯数の比を仮に定めたため９の１回転に対し１７即ち１６も１／２回転をするのでこの歯数の比を変えれば増速又は減速の大きさも変わってきます。この歯数の比は希望する変速の程度に合わせて、それぞれに適当な値に決定をすればよい。
従ってこのｎ_８の回転数を大きくすればするほど変速の範囲も大きくなります。
又、操作軸８に直結する回転操作用の動力を手動或いは適当な電動機を選ぶことにより主動軸１よりわずか数回ほどの極めて小さな増速又は減速から高速の増速又は減速、それからｎ_８の回転数を逆方向に次第に大きくしていけば主動軸と逆方向の回転操作までも可能となります。
この様に当機構で構成された無段変速機は任意に従動軸の増速も減速も自由に行うことができます。
主動軸自体の回転数を大きくしたり、小さくしたりしてこれにｎ_８の回転を加減すれば更に変速の範囲を大きくすることができます。
５．この無段変速機を応用することにより次の様な効果があります。
５−１コンベアラインにおける変速の効果
（１）１ライン中における物品の送りを早めたり遅くしたりする必要がある場合〔図８〕を参照下さい。
図示の如く１ラインを複数のステージで構成させてその各ステージ毎に無段変速機を設けて、その速度を変えることにより物品の送りの速さ、位置までも個別に遠隔操作で調整ができる。又、場合によってはステージ単位での送りの停止、逆送りまでも一ヶ所で集中的に遠隔操作ができるのでそのラインで作業をする人々が機械に合わせて作業をするのではなく人の作業スピードに機械を合わせることにより無理のない作業ができる。
（２）複数の並列ラインで物品の集合、合体などをする場合
〔図９〕を参照下さい。
各ライン相互間の送りの速さ、或いは相互間の物品などの位置の調整なども遠隔操作にて集中的に調整できる。
５−２生産、加工などの作業における変速の効果
（１）加熱、冷却、加圧その他の加工作業における加工時間、加工速度、供給量などの遠隔制御ができる。
（２）機械加工における回転数、送りなどの任意変速ができる。
５−３超微速から高速までの無段変速，回転の追い足し操作，同調操作が容易などの利点
（１）操作軸８に直結する回転操作用動力機を適当に選ぶことにより主動軸の回転が低速、高速の如何にかヽわらず、主動軸の回転に対しての従動軸の超微速，低速，中速，高速の増速，或いは減速の変速を可能にし、減速を更に大きくしていった場合には遂に主動軸と逆の回転までも無段に円滑にできる。この様なことは他の変速機にはない大きな利点である。
（２）従動軸を主動軸より希望する回数だけ回したいとき即ち主動軸は回したまヽまで従動軸を例えば２．５回なり３回だけ回して止めたいときなどの追い足し操作も出来る。
（３）従動軸と主動軸のお互いの回転をぴったり合せたいとき、操作軸の回転を止めさえすれば従動軸と主動軸の回転は必ず同速でずれることがない。
これは変速中の従動軸を主動軸の回転に合せたいとき操作軸を止めさえすれば容易に同速とすることができるので同調操作が非常に楽である。
この様な自由自在の回転操作はワードレオナード方式などの電気的な回転制御又はその他の機械的な変速機では殆ど不可能であると考えます。

歯車機構の構造図である。 歯車機構の立体図である。 小車の上に板をのせて転がした場合の動作説明図である。 ２枚の円板と小車を使った機構の動作説明図である。 〔図４〕の機構を応用した本発明の基本構造の動作説明図である。 〔図５〕の基本構造を歯車の組合せで示した構造図である。 無段変速機に応用した場合の構造図である。 複数のステージで構成される単列のコンベアラインの図である。 複数の並列ラインから集合、合体に移るコンベアラインの図である。

符号の説明

１ 主動軸
２ 下の歯車（イ）
３ 下の歯車（ロ）
４ 小車の軸
５ 小車
６ 上の歯車（イ）
７ 上の歯車（ロ）
８ 操作軸
９ 操作用歯車
１０ 伝導軸
１１ 減速歯車
１２ 減速伝導歯車
１３ 中空軸
１４ 従動軸回転用歯車（イ）
１５ 従動軸回転用歯車（ロ）
１６ 従動軸
１７ 従動軸の歯車
１８ 主動軸の歯車
１９ 板（イ）
２０ 板（ロ）

Claims (1)

1. 連動する複数の歯車で構成された歯車機構であって回転軸１と回転軸１６との間の相互の回転数と回転方向を別に設けた回転軸８によって外部から任意に操作ができる機構で、この回転軸８を滑らかにその回転数と回転方向を変えることにより回転軸１を主動軸、回転軸１６を従動軸とする無段変速機として応用することができて従動軸の主動軸に対する回転数の増減及び正転、逆転の向きまでも変えることができる歯車機構。

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