JP2007303678A - 最適化された摩擦リングを有する円錐リング変速機 - Google Patents

Abstract

【課題】出来る限り損耗を無くした円錐リング変速機を提供する。
【解決手段】対向する２つの円錐摩擦車２，３と、円錐摩擦車２，３の一方を取り囲む摩擦リング８とを備え、摩擦リング８が内部接触表面１２を介して取り囲まれた円錐摩擦車２に噛み合い且つ外部接触表面１３を介して他方の円錐摩擦車３に噛み合う円錐リング変速機１であって、接触表面１２，１３の少なくとも１つが、上記摩擦リング８の回転方向に対して垂直な断面において、以下の関係Ｐ（ｘ）＝Ａ・ｌｎ（Ｆ（ｘ））に基づくプロファイルＰを有し、Ｐ（ｘ）はプロファイル関数であり、ｘは接触表面１２，１３の中央２２，２３までの距離であり、Ｆ（ｘ）は対数関数Ｉｎの引数としての関数であり、Ａは因子である円錐リング変速機に関するものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、対向する２つの円錐摩擦車とこれら円錐摩擦車に噛み合い且つそのうちの１つを取り囲む摩擦リングとを備えた円錐リング変速機に関する。

下記特許文献１に、対向する円錐摩擦車がそれぞれ同じ開口角αで平行シャフトに取り付けられた円錐リング変速機が記載されている。この円錐リング変速機の変速比は、シャフト軸方向への摩擦リングの移動によって、無段階で調節される。

上記摩擦リングは、周囲を取り囲み放射状に外側へ向かう外部接触表面と、周囲を取り囲み放射状に内側へ向かう内部接触表面とを備えている。この場合、内部接触表面は、摩擦リングによって取り囲まれた円錐摩擦車の接触表面と共に、第１接触ゾーンを形成している。この場合、円錐摩擦車の接触表面は、円錐摩擦車の円錐状の側面である。第２接触ゾーンは、摩擦リングの外部接触表面と摩擦リングによって取り囲まれていない円錐摩擦車の接触表面との間に設けられている。摩擦リングは、対向する双方の円錐摩擦車の間に装着されるので、回転モーメントは、この摩擦リングを介して、双方の円錐摩擦車間の双方の接触ゾーンへ伝送される。

回転モーメントを回転体（円錐摩擦車と摩擦リングと）の間において伝送するために、通常、適切なトラクション流体が使用されており、１つの接触ゾーンにおいて互いに重なり合う接触表面が、このトラクション流体によって分離されているほうがよい。トラクション流体によるこのような分離が行われている場合、使用される回転体間にはスリットが設けられており、このスリット中のトラクション流体の剪断応力によって、回転モーメントが伝送される。トラクション流体の剪断のみによって回転モーメントが伝送される場合、通常は金属製の接触表面の摩損を、理想的に完全に回避することができる。

通常、摩擦リングの内部接触表面および外部接触表面の双方は、摩擦リングの回転方向に対して垂直な断面または平面において直線である。その結果、摩擦リングと円錐摩擦車との間に線接触部がそれぞれ形成される。この場合、線接触部は、摩擦リングの第１の軸端面から第２の軸端面へ延びている。この場合、線接触部は、摩擦リングの第１および第２の周縁端部によって制限されている。なお、上記第１および第２の周縁端部は、それぞれ、周囲を取り囲む接触表面を各軸端面によって分離するものである。
独国特許出願公開第１０３０３８９１号明細書

しかしながら、線接触部は、いわゆる端部軸受となり、この場合、軸方向において線接触部を制限する摩擦リングの端部により大きな圧力がかかり、そのせいで、摩擦リングの材料における不都合なピーク応力となり、摩擦リングと円錐摩擦車との間のスリットにおけるトラクション流体の有利な剪断力分布が保証されなくなる。むしろ、摩擦リングの端部においてトラクション流体膜が裂けてトラクション流体のみを介した材料保護回転モーメント伝送が行われなくなるという危険性が生じる。

例えば、特許文献１に、摩擦リングの接触表面を、摩擦リングの回転方向に対して垂直な断面において、凸形またはボール形に形成することが記載されている。したがって、接触表面の均一な湾曲により、摩擦リングの回転方向に対して垂直な断面において、線接触部ではなく点接触部となる。このような点接触部により、上記の不利な端部軸受は最大限に回避される。しかし、摩擦リングの幅に関して検討すれば点接触部は圧力を放射線状に分散することとなり、ここでは特に摩擦リングの（双方の周縁端部間の）中央に不都合に高い応力が生じてしまう。この不都合に高い応力を回避する必要がある。それゆえ、一般には、圧力を低減するが、その結果、最大限伝送可能な回転モーメントは減少する。簡単に言えば、点接触部は、線接触部よりも少ない回転モーメントを伝送する。なぜなら、接触部のどの場所でも摩擦リング材料および／またはトラクション流体の負荷限度を超えてはならないからである。

したがって、本発明の目的は、出来る限り損耗を無くして、高い回転モーメントを効率的に伝送することのできる円錐リング変速機を提供することである。

本発明の目的は、請求項１の特徴によって達成される。本発明の好ましい実施例は、従属請求項２〜９に記載されている。請求項１０は、請求項１〜９に記載の円錐リング変速機のための摩擦リングを対象とするものである。

本発明の円錐リング変速機は、摩擦リングの接触表面の少なくとも１つが、摩擦リングの回転方向に対して垂直な断面において、対数推移を有するプロファイルＰを有していることを特徴とする。この場合、プロファイルＰは対数関数Ｉｎに比例する関数である。対数関数Ｉｎの引数は変数ｘに依存しており、変数ｘは接触表面の中央までの距離である。接触表面の中央は、この場合、（接触表面の断面にみられる）点であり、この点は、摩擦リングの端部の中間にある。なお、端部は、接触表面を摩擦リングの軸方向において制限している。

したがって、対数関数Ｉｎの引数は、ｘに依存した関数Ｆ、すなわち、関数Ｆ（ｘ）と解釈することができる。対数関数Ｉｎ（Ｆ（ｘ））とプロファイルまたはプロファイル関数Ｐ（ｘ）との関連付けは、（比例）因子Ａによって行われる。この因子Ａは変数ｘに依存していないことが好ましい。

関数Ｆ（ｘ）は、単調に上昇する関数であることが好ましい。対数関数Ｉｎも単調に上昇する関数なので、中央からの距離ｘが増大するにつれてプロファイル関数Ｐ（ｘ）は上昇する。この場合、プロファイル関数Ｐ（ｘ）は、摩擦リングの直線または未加工の接触表面に対するプロファイルされた接触表面の距離と解釈することができる。この場合、この直線の距離は、接触表面の中央において最も狭く、値ｘが上昇するにつれて、接触表面の軸方向の端すなわち摩擦リングの端部に対して対数的に上昇する。驚くべきことに、対数的な推移を有するこのようなプロファイル関数Ｐ（ｘ）は、特に有利な圧力分布となり、したがって、トラクション流体における有利な剪断力分布となる、ということが分かった。

特に好ましい実施例では、関数Ｆ（ｘ）は以下のおとりである。
Ｆ（ｘ）＝１／（１−（（２・ｘ）／Ｂ_Ｒ）^２）
なお、ｘは、プロファイルまたは接触表面の中央からの距離であり、Ｂ_Ｒは、摩擦リングの接触表面の幅である。

このような関数Ｆ（ｘ）は、ちょうど接触面の中央において値０となる。なぜなら、１のＩｎは０に等しいからである（この場合、関数Ｆ（ｘ）の分母は１に等しい）。接触表面の軸方向の端すなわち端部において、関数Ｆ（ｘ）は無限に大きくなる。なぜなら、軸方向の端すなわち端部では、接触面の中央までの距離ｘの２倍が幅Ｂ_Ｒに相当し、それゆえ、関数Ｆ（ｘ）の分母は０に等しくなるからである。このことにより、リングの端部における関数Ｐ（ｘ）の値は無限大になるであろう。しかしながら、実際には、摩擦リングの端部における関数Ｐ（ｘ）の値は通常の値よりも著しく大きくなる。

因子Ａは、それぞれ円錐摩擦車から摩擦リングへ伝送される接触圧力Ｑに比例していてもよい。この場合、接触圧力Ｑは、便宜的には、円錐リング変速機の設計の際に決定される名目値（最大値）である。接触圧力Ｑが高いほど、関数Ｐ（ｘ）は接触表面をいっそうボール形の推移とする。

好ましい実施例では、因子Ａは、摩擦リングまたは円錐摩擦車の材料の弾性率Ｅに反比例している。弾性率Ｅが非常に大きい場合は、この依存性により、プロファイル関数Ｐ（ｘ）が非常に平坦な推移となる。大きな弾性率Ｅは、任意の接触圧力Ｑにおいて摩擦リングの材料がほんの少ししか変形しない、ということを意味している。したがって、特に摩擦リングの中央の領域における接触表面はほんの少ししか加圧されない。その結果、変形を考慮した理想的状態において、圧力は接触表面の幅に亘ってほぼ均等且つ一定となる。

好ましい実施例では、因子Ａが接触表面の幅Ｂ_Ｒに反比例している。さらに、因子Ａは、項Ｔに対して比例していてもよい。なお、項Ｔは、以下のように、摩擦リングの材料のポアソン比μに依存している。
Ｔ＝１−μ^２
なお、μは、摩擦リングまたは円錐摩擦車の材料のポアソン比である。

因子Ａは以下の関係から求められる。
Ａ＝（ａ・Ｑ・（１−μ^２））／（Ｅ・Ｂ_Ｒ）
なお、ａは、０．４と０．８との間の定数である。

特に好ましい実施例では、定数ａが２／πに等しい、すなわち、約０．６４である。しかしながら、内部接触表面に対する定数ａ_ｉが外部接触表面に対する定数ａ_ａとは異なっていても有利である。後者の場合、定数ａ_ｉは定数ａ_ａよりも大きくてもよい。その場合、摩擦リングの内部接触表面は、摩擦リングの外部接触表面よりも強く対数的に推移する。

このことにより、摩擦リングの内部接触表面に圧力分布が集中する傾向となる。この集中した圧力分布を、摩擦リングの回転方向におけるより平坦な圧力分布によって平均化することができる。内部接触表面では回転方向において圧力分布が本質的により平坦なのは、回転方向に見て放射状に内側へ向かう摩擦リングの内部接触表面と周囲を取り囲まれた円錐摩擦車の接触表面とは、摩擦リングの外部接触表面と周囲を取り囲まれていない円錐摩擦車との間の接触部と比較して、より平坦な接触部を形成するからだとされる。

幾何学的形態および負荷に基づいて、摩擦リングの内部接触表面の幅Ｂ_ＲＩを外部接触表面の幅Ｂ_ＲＡと同じ幅に、幅Ｂ_ＲＡよりも広く、または、好ましくは幅Ｂ_ＲＡよりも狭く形成する、ということは意味がある。

図に示す実施形態を参照して本発明を詳細に説明する。

図１に、円錐リング変速機を示す。円錐リング変速機全体を１で示す。円錐リング変速機１は、第１円錐摩擦車２と第２円錐摩擦車３とを備えている。円錐摩擦車２，３は、対向して配置されており、これらの回転軸は平行に延びており、互いに間隔が開いている。円錐摩擦車２，３の回転軸を、破線４，５によって示す。各円錐摩擦車２，３は、開口角αを有している。

円錐リング変速機１の他に、図１に、自動車のクラッチ６を示す。自動車の全体はここには図示されていない。クラッチ６は、シャフト７を介して、第１円錐摩擦車２に、回転しないように接続されている。クラッチ６は、閉じた状態において、回転モーメントを、シャフト７を介して、第１円錐摩擦車２へ伝送する。この回転モーメントを、第１円錐摩擦車２から第２円錐摩擦車３へ伝送するために、摩擦リング８が備えられている。この摩擦リング８は、双方の円錐摩擦車２，３に噛み合い、第１円錐摩擦車２を取り囲んでいる。摩擦リング８は、調整メカニズム（ここには図示せず）を介して、摩擦リング８と円錐摩擦車２，３とにより生成される接触線の方向において軸方向にシフトされる。摩擦リング８を軸方向にシフトすることにより、円錐リング変速機１の変速比が変更される。摩擦リング８の軸方向の位置を無段階で調節できるので、円錐リング変速機１は、無段階で変更可能な変速比を有している。

第２円錐摩擦車３へ伝送された回転モーメントは、歯車９と歯車９に噛み合う環状歯車１０とからなる歯車対を介して、動力取出ユニット１１へ導かれる。動力取出ユニット１１は、ディファレンシャル１１ａと２つの軸１１ｂ，１１ｃとを備えている。ディファレンシャル１１ａは、歯車１０に伝わった回転モーメントを軸１１ｂ，１１ｃへ分配する。回転モーメントの流れに対応して、図１に示す円錐リング変速機１では、第１円錐摩擦車２が入力車と称され、第２円錐摩擦車３が出力車と称される。

回転軸４，５に沿って、円錐摩擦車２，３は互いに相対的にシフトされる。この相対的なシフト可能性により、軸方向の力Ｆは、ここにはさらには記載されていないアクチュエータによって調節される。アクチュエータは、円錐摩擦車２，３を、回転軸４，５の軸方向において、摩擦リング８に対して押さえつけるものである。

摩擦リング８は、リング内面すなわち内部接触表面１２と、リング外面すなわち外部接触表面１３とを備えている。内部接触表面１２は（摩擦リング８の回転軸２６に関して）円錐状に形成されており、対応するフラップ角は、円錐摩擦車２または円錐摩擦車３の開口角αに相当している。摩擦リング８の外部接触表面１３も、円錐状に形成されており、同じく、開口角αによって特徴付けられている。摩擦リング８の回転軸２６は、回転軸４，５に対して平行に配置されている。摩擦リング８の内部接触表面１２には、平均径１４が割り当てられていてもよい。同じく、摩擦リング８の外部接触表面１３は、平均径１５を有している。

図１から分かるように、内部接触表面１２は、第１接触ゾーン１７において、円錐摩擦車２の側面１６に接している。円錐リング変速機１の動作時に、接触ゾーン１７に、トラクション流体の細い膜が形成される。その結果、円錐摩擦車２の接触表面１６と、摩擦リング８の内部接触表面１２とは、トラクション流体によって相互に分離されており、直接相互に押し付けあうことはない。接触ゾーン１７における高い圧力と高い粘性とによって、トラクション流体は、トラクション流体が受け止めることのできる剪断応力により、円錐摩擦車２の回転モーメントを摩擦リング８へ伝送する。

第１接触ゾーン１７と同じく、第２接触ゾーン１８は、円錐摩擦車３の円錐状の側面である接触表面１９と、摩擦リング８の外部接触表面１３との間に設けられている。第２接触ゾーン１８においても、円錐リング変速機１の動作時に、トラクション流体の膜が、接触表面１３と接触表面１９との間に形成される。その結果、ここでも、対向する双方の表面は互いに分離されている。ここでも、回転モーメントは、理想的には、トラクション流体のみによって伝送される。

図１では、円錐リング変速機１の回転体（円錐摩擦車２，３および摩擦リング８）の第１および第２の接触ゾーン１７，１８における旋転または回転方向は、その紙面に対して垂直に延びている。摩擦リング８の軸方向の位置に応じて、且つ、円錐摩擦車２の先細りによって、有効径ｄ_２は変化する。同様のことが、円錐摩擦車３の有効径ｄ_３にも該当する。有効径ｄ_２，ｄ_３の変化に対応して円錐リング変速機１の変速比が変化する。

図２は、第１円錐摩擦車２の接触表面１６と第２円錐摩擦車３の接触表面１９との間の摩擦リング８の断面を拡大して示す。図２において、円錐摩擦車２，３は、一部だけ示されている。

さらに、図１に対して図２の記載では、円錐摩擦車２，３および摩擦リング８が角度αだけ傾斜している。それゆえ、摩擦リング８に噛み合っている接触表面１６，１９は水平である。

図２は、単なる概略的な図である。したがって、ここに示した長さ、幅、その他の大きさは、実際には互いに比率が著しく異なっている可能性がある。

円錐摩擦車２，３とこれらの間に位置する摩擦リング８とを互いに押し付ける軸方向の力Ｆによって、接触圧力Ｑが生じる。この接触圧力Ｑを用いて、第１円錐摩擦車２を摩擦リング８に押し付け、または、第２円錐摩擦車３を摩擦リング８に押し付ける。この接触圧力Ｑは、ここでは、点力として示す。この接触圧力Ｑは、摩擦リング８の内部接触表面１２の幅Ｂ_ＲＩに亘る圧力分布から生じる合力に相当している。

図２から明らかなように、摩擦リング８の内部接触表面１２は、ボール形をしている。この場合、接触表面１２は、摩擦リング８の第１の端部２０から第２の端部２１へ延びている。内部接触表面１２は、接触表面１６の延長方向においてそれぞれ端部２０，２１までの距離が等しい中央２２に対して対称に形成されている。接触表面１２の推移は、関数Ｐ（ｘ）によって表される。この場合、変数ｘは、摩擦リング８の内部接触表面１２の中央２２からの距離である。

既述の通り、プロファイル関数Ｐ（ｘ）は、対数関数である。内部接触表面１２の中央２２においてＰ（ｘ）が０に等しく、この点２２において接触表面１６が図２に示すように接触するとすれば、関数Ｐ（ｘ）は、直線の接触表面１６からのプロファイル表面の距離である。ただし、本発明の関数Ｐ（ｘ）に基づく推移は、負荷されていない摩擦リング８の接触表面１２，１３に当てはまるものである。摩擦リング８に接触圧力Ｑのかかる円錐リング変速機１の動作時には、円錐摩擦車２，３と金属製であることが好ましい摩擦リング８との弾性によって接触表面１２，１３が変形し、端部軸受ではなく接触表面１２の幅Ｂ_ＲＩに亘って均等な圧力分布がなされるという本発明によって引き出される結果となる。

自家用車およびそれに必要とされる伝送可能な回転モーメントにおける円錐摩擦リング変速機１に関して、端部２０，２１の直近における関数Ｐ（ｘ）は、例えば５〜１５０μｍの値と推定できる。このことは、内部接触表面１２が中央２２から端部２０，２１まで５〜１５０μｍだけ減少しており、推移は関数Ｐ（ｘ）に従っていることを意味している。内部接触表面１２の推移に関する上記の数値例は、図２が関数Ｐ（ｘ）を、分かりやすいように誇張して示していることを明らかにしている。

内部接触表面１２について説明された関係は、同様に、外部接触表面１３にも当てはまる。この接触表面も、中央２３に対して対称に形成されており、本発明の対数関数Ｐ（ｘ）に従っており、端部２４，２５によって制限されている。

接触圧力Ｑは、内部接触表面１２の中央２２と、外部接触表面１３の中央２３とを通る作用線２９に沿って作用する。したがって、不都合な破壊トルクが接触圧力Ｑによってリングへ導入されることはない。

調整メカニズム（ここには図示せず）により、端部２０，２１，２４，２５は、接触圧力Ｑの作用線２９に対して平行に配置されていない。このことにより、摩擦リング８の接触表面１２は先鋭化する。不都合な破壊トルク（前の段落を参照）を回避するため、中央２２と端部２０との間の接触表面１２の回転モーメントを伝送する部分の幅は中央２２と遷移部２８との間の部分の長さに等しい。この長さはそれぞれ（１／２）Ｂ_ＲＩである。遷移部２８と端部２１との間に、減衰部２７が設けられている。減衰部２７と円錐摩擦車２との間の距離は、関数Ｐ（ｘ）の最大関数値よりも著しく大きい。したがって、不都合な力の伝送は、減衰部２７の領域において回避される。遷移部２８は、真っ直ぐに、階段状に、および／または、鋸歯形を伴って生じてもよい。この実施形態は、内部接触表面１２の領域のリング幅Ｂ_ＲＩが外部接触表面１３の領域におけるリング幅Ｂ_ＲＡよりも狭くてもよいことを示している。

円錐リング変速機の概略的構造を示す図である。 摩擦リングをその回転方向に対して垂直に切断した拡大図である。

符号の説明

１ 円錐リング変速機
２ 第１円錐摩擦車
３ 第２円錐摩擦車
４ 回転軸
５ 回転軸
６ クラッチ
７ シャフト
８ 摩擦リング
９ 歯車
１０ 環状歯車
１１ 動力取出ユニット
１２ 内部接触表面
１３ 外部接触表面
１４ 内径
１５ 外径
１６ 接触表面
１７ 第１接触ゾーン
１８ 第２接触ゾーン
１９ 接触表面
２０ 端部
２１ 端部
２２ 中央
２３ 中央
２４ 端部
２５ 端部
２６ 回転軸
２７ 減衰部
２８ 遷移部
２９ 作用線

Claims (10)

1. 対向する２つの円錐摩擦車（２，３）と、該円錐摩擦車（２，３）の一方を取り囲む摩擦リング（８）とを備え、摩擦リング（８）が内部接触表面（１２）を介して取り囲まれた円錐摩擦車（２）に噛み合い且つ外部接触表面（１３）を介して他方の円錐摩擦車（３）に噛み合う円錐リング変速機であって、
   上記接触表面（１２，１３）の少なくとも１つが、上記摩擦リング（８）の回転方向に対して垂直な断面において、Ｐ（ｘ）＝Ａ・ｌｎ（Ｆ（ｘ））に基づくプロファイルＰを有し、
   Ｐ（ｘ）はプロファイル関数であり、
   ｘは接触表面（１２，１３）の中央（２２，２３）までの距離であり、
   Ｆ（ｘ）は対数関数Ｉｎの引数としての関数であり、
   Ａは因子であることを特徴とする円錐リング変速機。
2. 上記関数Ｆ（ｘ）が、Ｆ（ｘ）＝１／（１−（（２・ｘ）／Ｂ_Ｒ）^２）であり、
   Ｂ_Ｒ＝Ｂ_ＲＩまたはＢ_Ｒ＝Ｂ_ＲＡは接触表面（１２，１３）の幅であることを特徴とする請求項１に記載の円錐リング変速機。
3. 上記因子Ａが、上記摩擦リング（８）を円錐摩擦車（２，３）に押し付ける接触圧力Ｑに比例していることを特徴とする請求項１または２に記載の円錐リング変速機。
4. 上記因子Ａが、上記摩擦リング（８）および／または上記円錐摩擦車（２，３）の材料の弾性率Ｅに反比例していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の円錐リング変速機。
5. 上記因子Ａが、上記接触表面（１２，１３）の幅Ｂ_Ｒに反比例していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の円錐リング変速機。
6. 上記因子Ａが、項Ｔに比例しており、
   Ｔ＝１−μ^２であり、
   μは上記摩擦リング（８）および／または上記円錐摩擦車（２，３）の上記材料のポアソン比であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の円錐リング変速機。
7. 上記因子Ａが、Ａ＝（ａ・Ｑ・（１−μ^２））／（Ｅ・Ｂ_Ｒ）であり、
   ａは０．４と０．８との間の定数であり、好ましくは２／πに等しいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の円錐リング変速機。
8. 上記内部接触表面（１２）に対する定数ａ_ｉが、上記外部接触表面（１３）に対する定数ａ_ａとは異なっていることを特徴とする請求項７に記載の円錐リング変速機。
9. 上記定数ａ_ｉが上記定数ａ_ａよりも大きいことを特徴とする請求項８に記載の円錐リング変速機。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の円錐リング変速機（１）のための摩擦リング（８）。

Images