JP2007511724A - 無段変速装置 - Google Patents

Abstract

ギアセットを連続的に用いて無段変速を行なうパワー変速装置。第一の一定比率ギアセット６２はモーター４０からトルクと回転を受け取り、第二の一定比率ギアセット７０は駆動装置４４にトルクと回転を供給する。これらの２ギアセットは３つのギア要素をもち、第一ギアセットはパワーを１軸に受け２軸に供給する。第二ギアセットはパワーを異なる２軸に受け１軸に供給する。２つの駆動ルートで回転とトルクを第一ギアセットから第二ギアセットに伝達し、１つの駆動ルートでは２ギアセット間で回転が反転させられる７２。変速装置全体のギア比の制御は、１つの分岐点７４の回転数を変更するパワーを必要に応じて用いて制御できる。ある実施態様では流体継手が各駆動ルートでパワーの伝達に用いられる。

Description

本発明は一般的にモーターから駆動負荷へのトルクと回転の伝達に関する。本発明は特に、モーターから自動車、船、機関車などの乗り物の駆動部へのパワーの伝達方法に関する。

モーターは各種のエネルギーから回転の機械的エネルギーを生成する。モーターにより変換される典型的なエネルギーは、電気エネルギー、水圧エネルギー、内部化学的燃焼、プラズマ流その他である。モーターのパワーを回転に変換する装置について、パワーＰ（単位時間にモーターにより行なわれる仕事量）とトルク（Ｔ）と回転数（ｒｐｍ）は式１により記述される：
１． Ｐ＝ｋ（Ｔ×ｒｐｍ）
換言すれば、パワーＰはモーターにより生成されるトルク（Ｔ）とモーターの回転数（ｒｐｍ）の積の関数である。

変速装置は、通常ｒｐｍで測定されるモーターの出力回転数特性と駆動負荷の要求事項とが一致することが要求される。典型的には、変速装置は１つの回転数を、ギア要素間の物理的寸法関係により特定される別の回転数に変換する１個以上のギアのセットを含み、以後これをギアセットと称する。通常、これは、トルクと回転を１つのギアから他に伝達する、かみ合ったギアの半径間の比に関係する。ギア比は特定のギアセット配列の変化率を記述する１つの数値である。しかし、通常特定のギアセット配列は、どちらかといえば、モーター速度の範囲を維持しながら１つ以上の入力回転数を維持する。しかし、モーターは維持可能な範囲のより限定された部分においてより効率的に作動する。駆動負荷から要求された所望の入力回転速度が特定のギアセット配列に許容された回転数の範囲外であるとき、新しいギアセット配列が使用されることになる。ＣＶＴ（無段変速装置）は不連続なグループのギア比ではなく、連続的なギア比の領域を供給できる点で従来の変速装置と異なる。ＣＶＴを用いたモーターはほとんど常に最適なｒｐｍ範囲で動作でき、より効率的なモーター機能をもたらす。

従来の変速装置はいかなるトルク／ｒｐｍ入力範囲をも受け入れ、あらゆるトルク／ｒｐｍ出力範囲を生成することはできない。従ってモーターにより供給されるいかなるトルク／ｒｐｍ組合せについて、あらゆる他の組合せを出力できるわけではない。本発明の無段変速装置（ＣＶＴ）は駆動負荷に要求されるいかなるモータートルクまたはｒｐｍに対しても最大性能でモーター動作を維持することを目的とする。

本発明の無段変速装置（ＣＶＴ）は２つの一定比率のギアセットを用い、それらはパワー供給源（以後全ての可能なケースについてモーターと称する）からトルクと回転を受け取る第１ギアセット（以後ギアセットＡと称する）、トルクと回転を回転パワーを消費するものに供給する第２ギアセット（以後ギアセットＢと称する）である。本発明のＣＶＴのギアセットＡ及びＢの仕事を実行する適切なギアセットは、遊星ギアセットまたは差動ギアセットのような、３つのギア要素と付随した入力と出力の軸をもつギアセットである。このようなギアセットの基礎的な構造と機能の様子は、Ｒｉｃｈａｒｄ Ｍ. Ｐｈｅｌａｎ著「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ」 第２版、ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋの１７章「ｇｅａｒ ｔｒａｉｎｓ」に記述されており、この内容は以下参考に組み入れられる。しかし、似た特徴をもついかなる他のギアセットも本発明のＣＶＴに採用され得る。

本発明の別の必須要素は、ギアセットＡにより供給される回転方向とトルクを反転させるギアセットで、以下に詳述される。回転速度を適合させるための付加的ギアが、ギアセットＡにより供給されるトルクをギアセットＢの個々のギアへ適合させるために用いられる。

本発明の変速装置は、あらゆるトルク／ｒｐｍ出力範囲を生成するために、あらゆるトルク／ｒｐｍ入力範囲に対応できる。従ってこの点については、この装置は所望の動作範囲内では制限がない。さらに、モーターにより供給されるあらゆるトルク／ｒｐｍの組み合わせについて、この装置はいかなる他の組合せを出力することも可能である。本発明の好適な実施態様は、モーター／エンジンからのパワーを駆動負荷へ完全に軸とギアにより伝え、それゆえ非常に効率の良い変速装置である。

本発明のＣＶＴの使用は、駆動装置によるあらゆる消費パワーに対するトルク／ｒｐｍ組み合わせにマッチするだけでなく、結果的に駆動負荷に要求されるあらゆるモータートルクまたはｒｐｍに対して最大性能でモーター動作を維持することを可能とする。これは燃焼エンジンについては、駆動負荷に使用される１台当たりの燃料消費量を最小にすることにより、最適効率が得られることを意味する。さらに、燃料の効率的な使用により、燃料の酸化による大気中への汚染物質放出が少なくなる。

一般的には、本発明の変速装置の駆動ルートは、ギアセットＡを通して２つの分岐点で分割され、そのためトルクと回転は２つの平行な分岐点に移され、結合ギアセットＢにおいて再結合される。本発明の駆動ルートの概略は符号を付して図２に記述される。モーター４０は、回転とトルクをギアセット７０（ギアセットＢ）の１つの入力のギアと、ギアセットＢ７０のもう１つの入力のギアに供給する、トルク／回転分割手段であるギアセットＡ６２に、回転とトルクを供給する。反転ギアセットの機能をもつギアセット７２は、ギアセットＡ６２とトルク／回転結合ギアセットＢ７０の間に設置される。通常は、回転を反転させるギアセットが独立ユニットとして、またはギアセットＡまたはＢ、ないしは他のギアセットと結合して、本発明のＣＶＴのアセンブリーに含まれる。反転ギアセットの位置は仕事を実行するためアセンブリーの範囲内で変更できる。いくつかの実施態様において、本発明の付加部分は、駆動ルートの分岐点の片方ないし両方の回転数に調整効果を及ぼす回転数調整機構７４である。いくつかの実施態様においては、液体継手が、駆動ルートのそれぞれの２つの分岐点の統合部分として用いられる。この種の実施態様は以後、流体継手変速装置（ＦＣＴＳ）と呼ばれる。これらの実施態様において、流体継手はモーターの軸に接続された羽根車を利用する。羽根車は流体継手の中に運動エネルギーを生み出し、次にランナーとしても知られるタービンを動作させ、駆動負荷に結合している。羽根車とランナーは、適切な流体の入っている、流体の漏れないケースに入れられる。羽根車の回転数は完全にはランナーに伝達されず、羽根車とランナーの回転数の差は流体継手のスリップと呼ばれる。通常の安定した運転条件でのスリップは約１％〜５％であるが、もっと大きくなることも有り得る。

流体継手の動作範囲内では、最小のスリップでの動作において、流体継手により伝達されるトルクは次の特徴をもつ。
Ａ.流量の増加とともに増加
Ｂ.回転数の増加の２乗とともに増加
Ｃ．スリップの増加とともに増加

本発明のＦＣＴＳシステムは無段変速装置を実現するのに上記の３つの原理を用いる。上記の３つの原理に従う流体継手、その他いかなる装置も本発明の実現に用いられる。

本発明の各々のギアセットＡとギアセットＢの３個の入出力用ギアは次のルールに従う：どのギアの回転数ｎも他のギアの回転数の関数である、従って
１. ｎ_１＝ｆ（ｎ_２＋ｎ_３）
２. ｎ_２＝ｆ（ｎ_１＋ｎ_３）
３. ｎ_３＝ｆ（ｎ_２＋ｎ_１）
４．上記の各々のギアセットの特定の２個のギアのトルク間に次の関係がある。
５．Ｔ_１＝ＫＴ_２、Ｔ_１，Ｔ_２はギアセットのギアに関係する。

換言すると、ある特定のギアのトルクは、第２の特定のギアのトルクの定数倍に等しい。本発明の第３のギアは駆動モーターか、駆動負荷のいずれかに結合している。

本発明の非ＦＣＴＳの実施態様の変速装置全体のギア比を制御するため、駆動ルートの少なくとも一方の分岐点に回転数調整効果を及ぼすことにより、駆動ルートの２つの分岐点の回転数が調整される。回転数調整機構の効果は、駆動ルートの１つの分岐点の回転数をもう一方の分岐点に対し遅くする、または速くすることにより、及ぼされる。物理的には、この効果は、ｒｐｍを上げる、または下げるためのギアセットのような機械的手段、またはベルト駆動のようなトルク変換機構の採用で発生する。駆動ルートの分岐点の回転を下げるためブレーキシステムが利用できる。

この点において可能な変形例の概略的説明が図３Ａ―Ｆに示される。図３Ａにおいて、回転数調整機構７４は、変速装置が固定されるシャーシまたはフレームに対して、典型的には、回転を制限して、回転数に影響を及ぼす。図３Ｂにおいて、回転数調整機構７４は、駆動ルートの他の分岐点に影響を及ぼす。あるいは、回転数調整機構は、駆動ルートの両方の分岐点に影響を及ぼす。これは図３Ｃのように２つの分離した調整機構７４、７６により行なわれ得る。あるいは、図３Ｄのように複合調整機構により行なわれ得る。このような複合調整機構は、当業界では二次的無段変速装置（ＶＣＴ）ギアセットとして知られ、例えばベルト駆動である。もし複合調整機構７７が使用されると、図３Ｄに概略的に示されるように、ひとつの分岐点の回転数が他のアームのそれと異なるようになる。図３Ｅにおいてこれは、回転数調整機構８０を通してギアセットＡの入力軸から駆動分岐点へトルクと回転を伝達する、二次的ＶＣＴギアセットの応用により得られる。

一般的に、回転数調整効果を得るために、全体的変速装置が１つの動的平衡状態をもう１つの動的平衡状態に変換するような、何らかの機械的手段が用いられる。このような手段はいくつかのクラスのどれかに分類され得る。この調整手段は、変速装置のフレームに対して、１つの分岐点の回転を調整することに関する。典型的にはギアセットＡからギアセットＢへのトルクの伝達の軸の回転を摩擦により制限することで行なわれる。より複雑な調整装置は、２つの分岐点が相互に調整される装置である。上述の図３Ｅに示されるように、第三の調整型においては、ギアセット又はベルトのような回転変速手段を含む調整機構がギアセットＡの入力軸に対して分岐の回転を調整するために使用される。さらに他の例においては、図３Ｆに概略的に示されるように、回転数調整機構８０は、ドライブチェーンの少なくとも１つの分岐点の回転数を調整するため、外部パワー源８２を使用する。

図４Ａ−Ｂにおいて、本発明のＣＶＴの種々な部分における回転の方向が記述される。図４Ａにおいて、ギアセット６２とギアセット７０は差動ギアセットである。回転とトルクはギアセット６２からギアセット７０と反転ギアセット７２に伝達される。モーター４０からトルクと回転を受け取るギアの回転数はｎ_１である。さらに他の２つのギアに伴なう回転数の関係は次の通りである。
ｎ_１＝（ｎ_３＋ｎ_２）／２、そして
ｎ_４＝−ｎ_２
出力回転数について、
ｎ_５＝（ｎ_４＋ｎ_３）／２、そしてトルクについて、
Ｔ_３＝Ｔ_２およびＴ_４＝―Ｔ_２

図４Ｂにおいて、回転とトルクはギアセット６２からギアセット７０と反転ギアセット７２に伝達される。モーター４０からトルクと回転を受け取るギアの回転数はｎ_１である。さらに他の２つのギアに伴なう回転数の関係は次の通りである。
ｎ_１＝（ｎ_３＋ｎ_２）／２、及び
ｎ_４＝−ｎ_３
出力回転数について、
ｎ_５＝（ｎ_４＋ｎ_２）／２、及びトルクについて、
Ｔ_３＝Ｔ_２およびＴ_４＝―Ｔ_３

一般的に、反転ギアセットは、本発明のＣＶＴのアセンブリーに、独立ユニットとして、またはギアセットＡあるいはＢ、または他のギアセットと結合して含まれる。その位置は仕事が完遂されるようにアセンブリーの中で移動できる。

１つの実施態様に関する本発明の主要な機械要素は、図５に概略が示される。入力軸９０から差動ギア９２により利用されるトルクと回転が供給される。この分割ギア９２は２つの出力軸、すなわち出力軸９４と出力軸９６を通してトルクと回転を供給する。出力軸９４からのトルクと回転は方向反転ギア１００に伝達され、トルクと回転が入力軸１０２で受け取られ、さらに出力軸１０４において反転した回転とトルクを前方に伝達する。結合ギア１０６はトルクと回転を入力軸１０８と入力軸１１０において受け取る。トルクと回転は次に出力軸１１２を通じて駆動負荷に供給される。破線１１８で定義される回転調整モジュール１１６は、２個のプーリー１２２、１２４とベルト１２６からなる二次的ＣＶＴを含み、出力軸９６に回転を伝達する。本発明のＦＣＴＳの実施態様において、ＦＣＴＳの実施態様における本発明の構成要素のアセンブリーが図６に概略的に記述される。モーター４０は、２個の流体継手に回転とトルクを供給するギアセットＡ６２に回転とトルクを供給する。ギアセット７０（ギアセットＢ）の１つの入力軸ギアに回転とトルクを供給する第１流体継手１３０、ギアセットＢ７０のもう１つの入力ギアに回転とトルクを供給する第２流体継手１３２。流体継手６６とギアセットＢ７０の間に設置され、反転ギアセット機能を有するギアセット７２。本発明の追加部分は、流体継手６８内の流量を決める流量コントローラー１３４である。本発明のＦＣＴＳの実施態様において、流体継手による本発明のＣＶＴの連続的ギア比変更態様は充実する。最小のスリップでの、所定の回転数限度内で動作する流体継手により伝達されるトルクは、３個の独立した条件要因により変化する：
Ａ.流量の増加とともに増加
Ｂ.回転数の増加の２乗とともに増加
Ｃ．スリップの増加とともに増加

この実施態様の１つの改良機では、羽根車―ランナー型の流体継手が用いられ、その機能は上述されている。ＦＣＴＳの実施態様の機能を説明するために、図６の概略的説明について述べる。モーター４０は、２個の流体継手に回転とトルクを供給するギアセットＡ６２に、回転とトルクを供給する。ギアセット７０（ギアセットＢ）の１つの入力ギアに回転とトルクを供給する第１流体継手６６、ギアセットＢ７０のもう１つの入力ギアに回転とトルクを供給する第２流体継手６８。流体継手１３０とギアセットＢ７０の間に設置され、反転ギアセットとして機能するギアセット７２。本発明の追加のオプショナル構成要素は、流体継手１３２内の流量を決める流量コントローラー７４である。

本発明の非ＦＣＴＳ ＣＶＴにより駆動負荷に供給される回転数を変えるため、新しい状態が実現されるまで回転数調整機構を作動させる。調整機構を作動させるため、調整機構にコントロールメカニズムが適用される。このようなコントロールメカニズムは、ドライブチェーンの１つの分岐点の回転数を増加又は減少させる二次的ＶＣＴギアセットと結合する作動装置であり得る。通常、１つの分岐点の回転数を減少させたとき、他の分岐点の回転数は増加する。もう１つのコントロールメカニズムはブレーキ装置の作動装置であり、これは駆動ルートの１つの分岐点の回転数を減少させる。二次的ギアまたはブレーキを作動させるパワーはいくつかの供給源、例えば外部パワー源（図３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｆ）、変速装置の部品間を伝達されるパワー（図３Ｅ，３Ｄ）でもよい。

ＦＣＴＳの実施態様において、回転数調整機構は流量コントローラーである。この概略は図６に示される。流体継手１３２はギアセットＡ６２からギアセットＢ７０へ回転とトルクを伝える。流量コントローラー１３４は、本発明のＣＶＴの全体のギア比、本発明の変速装置の２つの流体継手のうちの１つである、少なくとも流体継手１３２の実効的な流量を決定するのに使用され得る。流体継手の流量の変化（増加、減少のいずれも）はすぐさま流体継手の回転数の変化を生じさせ、後にＣＶＴの他のパーツの変化を生じさせる。

上述したように、１つ以上の回転数適合ギアセット、つまりギアセットＡまたはＢ、またはその他のギアセットと組み合わせた独立したギアセットが本発明のＣＶＴのアセンブリーに含まれ得る。本発明を具体化する駆動ルートにそのようなギアセットを用いることが図７に概略記述される。反転ギアセット７２とギアセットＡ６２の間に回転数アダプター１４０が設置される。もう１つの例が同じ図に示されている：回転数アダプター１４２がギアセットＡ６２とギアセットＢ７０の間に設置される。

本発明の装置は、無段変速装置（ＣＶＴ）を機械的に実行する調整されたパワー変速装置である。本発明の変速装置は、各種のモーター／エンジンに使用されることを目的とする。これは図１に概略が示される：一般的にはエンジンまたはモーターである、パワーを供給する装置４０はトルクと回転速度の形で推進パワーを供給する。トルクは本発明の無段変速装置４２により伝達され、トルクと回転を駆動負荷４４に供給する。本発明の装置に互換性のあるパワーの供給装置は、あらゆる内燃エンジン、電気モーター、タービン、水圧エンジン、要するに全ての回転パワー源である。駆動消費分野では、本発明の装置は産業用機械、発電機、道路上の乗り物、トラクター、機関車、タンク、軍隊輸送機、ヘリコプター、船、あらゆる回転する機械装置の形をとり得る。

本発明の変速装置の位置を示す概略図である。 本発明の変速装置の駆動ルートの概略図である。 駆動ルートの第１軸の回転をフレームに対して制限可能な、本発明のＣＶＴの回転数調整機構を示す概略レイアウト図である。 第２軸の回転をフレームに対して制限可能な、本発明のＣＶＴの回転数調整機構を示す概略レイアウト図である。 第１軸、第２軸の回転をフレームに対して制限可能な、本発明のＣＶＴの回転数調整機構を示す概略レイアウト図である。 第１軸、第２軸の回転を互いに制限可能な、本発明のＣＶＴの回転数調整機構を示す概略レイアウト図である。 第１軸の回転数を、モーター軸から引出された回転により調整可能な、本発明のＣＶＴの回転数調整機構を示す概略レイアウト図である。 駆動ルートの分岐点において回転数変化を起こすための外部パワー源を利用する、本発明のＣＶＴの回転数調整機構を示す概略レイアウト図である。 各部分における回転方向を示す、本発明の変速装置の構造の概略図である。 各部分における回転方向を示す、本発明の変速装置の概略図である。 本発明の好適な実施態様の変速装置のギアセットの概略図である。 本発明の変速装置において２つの平行な流体継手を含む実施態様の概略図である。 回転数アダプターを含む、本発明の好適な実施態様の変速装置の概略図である。

符号の説明

４０ 駆動モーター
４２ 無段変速装置
４４ 駆動負荷
６２ ギアセットＡ
７０ ギアセットＢ
７２ 反転ギア
７４、７６，７７，８０ 回転数調整機構
８２ パワー源
９０ 入力軸
９２ 差動ギア
９４，９６ 出力軸
１００ 方向反転ギア
１０２ 入力軸
１０４ 出力軸
１０６ 結合ギア
１０８，１１０ 入力軸
１１２ 出力軸
１１６ 回転調整モジュール
１１８ 破線
１２２、１２４ プーリー
１２６ ベルト
１３０，１３２ 流体継手
１３４ 流量コントローラー
１４０，１４２ 回転数アダプター

Claims (16)

1. トルクと回転をモーターから受け取り、前記トルクと回転を２軸に伝える第１ギアセットと、
   前記第１ギアセットから２軸にトルクと回転を受け取り、トルクと回転を駆動負荷に伝達するための第２ギアセットと、
   前記第１ギアセットの１軸の回転の回転方向を反転させるための反転ギアセットと、
   前記第１ギアセットの少なくとも１軸の回転数を調整する、少なくとも１つの手段
   とからなる、
   モーターから負荷へ回転とトルクを伝達する無段変速装置。
2. 前記第１ギアセットから前記第２ギアセットへ回転とトルクを伝達するための前記軸のそれぞれに流体継手が採用された、請求項１に記載のモーターから負荷へ回転とトルクを伝達するための無段変速装置。
3. 流量コントローラーが、前記軸の回転数を調整するための前記の少なくとも１つの流体継手における流量を決定する、請求項２に記載のモーターから負荷へ回転とトルクを伝達するための無段変速装置。
4. 前記第１ギアセットの回転数を前記第２ギアセットのそれと適合させるための、前記第１ギアセットと前記第２ギアセットの間に追加のギアセット手段を配置した、請求項１に記載のモーターから負荷へ回転とトルクを伝達するための無段変速装置。
5. 前記第１ギアセットの１出力軸に回転数を調整するための前記手段を適用した、請求項１に記載のモーターから負荷へ回転とトルクを伝達するための無段変速装置。
6. 前記第１ギアセットの２出力軸に回転数を調整するための前記手段を適用した、請求項１に記載のモーターから負荷へ回転とトルクを伝達するための無段変速装置。
7. 前記負荷が乗り物である、請求項１に記載のモーターから負荷へ回転とトルクを伝達するための無段変速装置。
8. 前記駆動負荷が産業用機械である、請求項１に記載のモーターから負荷へ回転とトルクを伝達するための無段変速装置。
9. 第２ギアセット内の異なる２ギアが回転とトルクをそれぞれ第１ギアセットと反転ギアセットとから受け取り、駆動負荷がトルクと回転を前記第２ギアセットから受け取り、同一の第１ギアセット内の異なるギアの回転数を調整することによりパワー変速装置の全体のギア比を変化させる方法。
10. 前記第１ギアセットのもう１つの出力軸の回転数を調整するため、前記第１ギアセットの１出力軸のトルクを使用して前記調整が達成される、請求項９に記載の方法。
11. 前記第１ギアセットの１出力軸の回転数を調整するため、前記第１ギアセットの入力軸のトルクを使用して前記調整が達成される、請求項９に記載の方法。
12. 前記変速装置のフレームに対して、前記第１ギアセットの１ギアの回転数を摩擦により減少させることにより、前記回転数調整が行なわれる、請求項９に記載の方法。
13. 前記変速装置のフレームに対して、前記第１ギアセットの２出力ギアの回転数がそれぞれ調整される、請求項９に記載の方法。
14. 前記第１ギアセットの少なくとも１出力軸の回転数を調整するため、外部パワー源からのトルクを使用することにより、前記調整が行なわれる、請求項９に記載の方法。
15. ２流体継手のうちの少なくとも１流体継手は流量がコントロールされ、
    前記２流体継手が同一の第１ギアセット内の異なるギアから回転とトルクを受け取り、
    第２ギアセット内の異なる２ギアが前記流体継手から回転とトルクを受け取り、
    駆動負荷がトルクと回転を前記第２ギアセットから受け取り、
    反転ギアセットが、回転を前記第２ギアセットに伝達する前に回転方向を反転させるのに採用される、
    パワー変速装置により駆動負荷に供給される回転数とトルクを連続的に変化させる方法。
16. 前記２流体継手は回転とトルクを同一の第１ギアセット内の異なるギアから受け取り、
    第２ギアセットの異なる２ギアは前記流体継手から回転とトルクを受け取り、
    駆動負荷はトルクと回転を前記第２ギアセットから受け取り、
    回転の反転が、前記第２ギアセットが回転とトルクを１ギアで受け取る前に行なわれる、
    ２流体継手の少なくとも１つの流体継手の流量をコントロールする、
    請求項１５に記載の、パワー変速装置の全体のギア比を連続的に変化させる方法。

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