JP2007514114A - 多段トランスミッションのシフトドラム用グルーブフォロワ - Google Patents

Abstract

【課題】急速摩耗を受けない改善されたグルーブフォロワを提供することにある。
【解決手段】自動車用多段トランスミッションのギヤセレクタドラム（４４）のシフトグルーブ（４８）と協働するグルーブフォロワ（７０、９０）を開示する。グルーブフォロワ（７０、９０）には垂直クラウニングおよび長手方向クラウニングが設けられている。一方、シフトグルーブ（４８）は有効直径を形成し、グルーブフォロワ（７０、９０）は、該グルーブフォロワがシフトグルーブ（４８）内に係合する状態で前記有効直径に沿って案内される。垂直クラウニングの全ての頂点（Ｓ_HB）の全体がグルーブフォロワの周囲に沿ってガイドカーブ（Ｌ）を形成する。本発明のグルーブフォロワは、ガイドカーブ（Ｌ）がシフトドラム（４４）の有効直径に本質的に等しくなるように垂直クラウニングの頂点の位置が選択されることに特徴を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、自動車用多段トランスミッションのシフトドラムのシフトグルーブと協働するグルーブフォロワであって、垂直クラウニングおよび長手方向クラウニングを有し、シフトグルーブは有効直径を形成し、グルーブフォロワは、該グルーブフォロワがシフトグルーブ内に係合する状態で前記有効直径に沿って案内され、垂直クラウニングの全ての頂点の全体がグルーブフォロワの周囲に沿ってガイドカーブを形成する構成のグルーブフォロワに関する。

従来技術において、グルーブフォロワ、より詳細には、スライディングブロック、ロールまたは同様なカムフォロワが広く知られている。

この場合、グルーブフォロワは、シフトドラムのシフトドラムと協働して、トランスミッションギヤの係合または離脱を行う。シフトドラムは、一般に、例えばドイツ公開公報１９９２４３３５号公報に開示されているように、従来技術において知られている。シフトドラムは、これらの周囲に沿いシフトグルーブとして知られている凹部を有している。軸線方向に変位できるグルーブフォロワは、シフトグルーブ内で導かれすなわち案内される。一般に多段トランスミッションの連続的シフトを行うためのシフトドラムの回転運動では、グルーブフォロワが軸線方向に移動される。また、グルーブフォロワは、例えばシフトフォークとして知られたものと協働し、シフトフォークは、次にシフトスリーブに連結され、これによりギヤチェンジが開始される。シフトドラムは、多段トランスミッションの作動装置を構成する。

シフトドラム自体は、例えばモータより詳細には電気モータ等の駆動装置により駆動される。次に、ギヤが、グルーブフォロワに連結されたギヤと係合すると、シフトドラム従ってシフトグルーブが電気モータの補助により回転される。コントロールグルーブは、シフト歯またはシフトカムとも呼ばれる湾曲状領域を有し、この湾曲状領域によりグルーブフォロワが軸線方向に変位される。これらの湾曲状領域では、通常は、周方向に真直に延びているシフトグルーブが軸線方向に変位される。

種々のギヤに割当てられた複数のグルーブフォロワは、シフトグルーブ内で導かれる。適当であれば、単一のグルーブフォロワを複数のギヤに割当てることができ、すなわち、ニュートラル位置から第一軸線方向へのグルーブフォロワの軸線方向変位により一方のギヤと係合し、ニュートラルから逆の軸線方向へのグルーブフォロワの軸線方向変位により他方のギヤと係合する。

従来技術は、所定の一定高さＨを有するグルーブフォロワ、より詳しくはスライディングブロックを開示している。このようなスライディングブロックを、以下により詳細に説明する。このようなグルーブフォロワの上面および下面は、一般に、平らでかつ互いに平行に形成されている。

しかしながら、シフトローラの軸線方向に見られるように、シフトドラムのシフトグルーブは実質的に円形に形成されている。シフトドラムの回転対称構造のため、シフトドラムの軸線に対して垂直な断面内にはシフトグルーブの円形形状が生じる。

シフトドラムまたはシフトグルーブは有効直径として知られているものを形成し、該有効直径に沿って、グルーブフォロワとシフトドラムのグルーブ（または理想的にはシフトドラムのフランク）との間の接触が形成される。有効直径は、シフトドラム従って全アクチュエータ機構のジオメトリの理論的設計が基礎とする機能的パラメータである。

次に、従来技術のグルーブフォロワがシフトグルーブ内に挿入されると、グルーブフォロワおよびシフトドラムは互いに最適には係合しない。なぜならば、グルーブフォロワが、シフトグルーブとグルーブフォロワとの理想的接触点、すなわち有効直径のライン（図５）を「前進」させるからである。

グルーブフォロワ、より詳しくはスライディングブロックは、有効直径の上方でシフトグルーブの側方フランクと優先的に接触する。
このため、例えば同期位置またはシフト完了位置で高荷重を受けるシフトドラムグルーブの領域に損傷および故障が生じることがある。

また、ヘルツ圧力も考慮に入れなくてはならない。ヘルツ圧力とは、２つの弾性体の相互接触面の中央部を支配する最大機械応力である。シリンダまたはボールのような湾曲面をもつ２つの弾性体が互いに押付けられると、両者は（理論的に）線態様または点態様でのみ接触する。しかしながら、両者の弾性により、接触位置に接触面の平坦化が生じる。両者の接触面に沿って特徴的な圧力分布が生じ、応力は、接触面の中央において常に最大になる。

２つのボール同士、ボールと平面、または２つの交差シリンダ同士が接触すると、接触楕円すなわち圧力楕円が生じる。２つの平行シリンダ同士または１つのシリンダと平面とが接触すると、線接触面が生じる。この場合、これはローラ圧力とも呼ばれている。

ドイツの物理学者Heinrich Hertzの理論によれば、接触面のサイズおよび形状、および接触面の下の機械的応力の大きさおよび分布は計算できる。またヘルツ（Hertz）の理論によれば、接触面の中央を支配する最大機械応力は、ヘルツ圧力としても知られている。
ヘルツ圧力の大きさは、両本体が互いに押付けられる力、曲率半径および両本体の弾性係数に基いて定まる。

また、クラウニングの概念は、以下に述べる重要な役割を演じる。クラウニングとは、例えば機械部品または工具の表面の僅かな（凸状）湾曲である。クラウニングを付すことにより、例えば縁部の近傍での好ましくない（点）圧力または力ピークを防止できる。かくして、例えば、歯車の歯のフランク（側面）またはベルトプーリの走行面はクラウニング設計されている。

図１は、破線で示す直方体を用いて、クラウニングを模式的に例示するものである。図１に斜視図で示す直方体は、高さＨ、幅Ｂおよび深さ（奥行）Ｔを有する。また、説明を簡単化するため、ｘ、ｙ、ｚ軸を有するデカルト座標系が示されている。

垂直クラウニングを説明するのに、図１では直方体の前面の左側縁部を使用する。クラウニングがなされていない直方体の場合には、この縁部（破線）はｘ軸に平行に配向される。この場合、ｘ軸は直方体の高さを示す。直方体の端面に垂直クラウニングを付す場合には、ｘ−ｙ平面が負のｚ方向に膨張される。対称的垂直クラウニングの場合には、これは、例えば高さＨに関する正中線に沿って行われる。この場合、垂直クラウニングの頂点Ｓ_HBはＨ／２の高さに位置する。垂直クラウニングの頂点Ｓ_HBは、「通常」の直方体のｘ軸からの距離ｄが最大になるという特徴を有している。

直方体の他の外面も、同様に「膨張」される。
ドットで示すような垂直クラウニングの頂点Ｓ_HBは、クラウニングが付された直方体の周囲に沿って互いに連結され、いわゆる垂直クラウニングのガイドカーブＬが得られる。
垂直クラウニングのガイドカーブＬは、例えば、直方体の底面が湾曲していないものとして、クラウニングが付された直方体を地上に置き、これを壁に押付けた場合にクラウニングが付された直方体が壁に接触するラインを表すものである。

従って本発明の目的は、急速摩耗を受けない改善されたグルーブフォロワを提供することにある。

上記目的は、冒頭に述べたグルーブフォロワであって、ガイドカーブがシフトドラムの有効直径に実質的に等しくなるように垂直クラウニングの頂点の位置が選択されたグルーブフォロワにより達成される。
これにより、グルーブフォロワの接触面すなわちフランクとシフトドラムのグルーブとの間に最適支持すなわち接触パターンが得られる。なぜならば、シフトドラムグルーブ内の接触を、グルーブフランクの高さに対して中央で行なわせることができるからである。

このため、相互接触するシフトドラムおよびグルーブフォロワのフランクの摩耗および変形が小さくなる。
これにより、シフトドラムグルーブの形状の変形が小さくなり、トランスミッション全体の機能がより安全になる。
また、寿命も改善される。
最後に、グルーブフォロワおよびシフトグルーブの両者の材料は、より小さい材料強度条件を満たすものを使用できる。

ヘルツ圧力楕円のシフト中心位置は、実質的に、シフトドラムの有効直径のライン上に位置する。
実際に生じる接触位置は、理論的に予め計算した位置に一致する。
また、垂直クラウニングは、グルーブフランクとの接触面に沿ってシフトグルーブに設けられるだけでなく、グルーブフォロワの全周に沿っても設けられることが好ましい。

この構成により、シフトドラム従ってシフトグルーブ対するグルーブフォロワの方向が変化するようなことがあっても、グルーブフォロワが、有効直径に沿ってシフトグルーブの対応フランクと接触するようになることが達成される。
また、グルーブフォロワはスライディングブロックであるのが好ましい。

より詳細に後述するように、スライディングブロックは、通常、（斜方形）すなわち菱形状のベースを有し、角部が丸められ、かつスライディングブロックは、好ましくはその本質的に真直な面がシフトグルーブと接触するようになる。これらの接触面はグルーブフォロワとシフトグルーブとの信頼性のある協働を確保できる。なぜならば、シフトグルーブとの接触が大きい領域に亘って生じるからである。

好ましい実施形態によれば、グルーブフォロワは、コンタクトスロープを有し、グルーブフォロワの長手方向クラウニングはコンタクトスロープに沿って形成されている。
長手方向クラウニングの結果として、特に、シフトグルーブの垂直方向だけでなく、周方向でもヘルツ圧力が同様に低下される。

更に、シフトグルーブの底に対向して位置するグルーブフォロワの表面は、シフトグルーブの曲率に本質的に等しい曲率を有するのが有利であることが証明されている。
この構成により、グルーブフォロワがシフトグルーブ内に係合する状態において、グルーブフォロワがシフトグルーブ自体にできる限り深く侵入でき、従ってシフトの安全性が更に高められる。

上記特徴および以下に説明する特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、各場合に特定した組合せだけでなく、他の組合せまたは単独に使用できることは理解されよう。

本発明の例示実施形態は添付図面に示されておりかつ以下の記載においてより詳細に説明する。
既に上述したように、図１には、クラウニングが付された設計（実線）の直方体が破線で示されている。

図２は、スライディングブロック１０の２つの斜視図、すなわち左側の上方から見た斜視図、および右側の下方から見た斜視図である。任意であるが、スライディングブロック１０は、この高さ方向に沿うオリフィス１２を有している。このオリフィス１２内には、スライディングブロック１０を例えばシフトフォーク（図示せず）に連結する要素（図示せず）を導入できる。

スライディングブロック１０は上面１４および下面１６を有し、これらの面１４、１６は、図２に示す例では互いに平行に設計されている。スライディングブロック１０は、複数のフランク要素１８、２０、２２から形成されている。
図２の左側に示されたスライディングブロック１０には、長手方向軸線２４が一点鎖線で示されている。

また、上面１４には２つの突出部２６、２８が設けられているが、これらの突出部は本発明の機能にとって重要ではないので、詳細には説明しない。
スライディングブロック１０は、フランク要素１８〜２２を介して、シフトドラム（図示せず）のシフトグルーブ（図示せず）内で導かれすなわち案内される。

図３は、図２の右側に示されたスライディングブロック１０のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面図である。
図３に示された断面３０は、図２に示されたスライディングブロック１０の上面１４および下面１６に対して平行である。かくして、断面３０は、高さ（図示せず）に対して垂直である。断面３０は、オリフィス１２による円形空所を有している。

断面３０の外側輪郭線Ｕは、複数のフランク要素１８〜２２により形成されている。スライディングブロック１０の幅は、長手方向２４に対して垂直な他の一点鎖線３２により示されている。主フランク２２の領域では、スライディングブロック１０の外面が、主直径Ｄ_Mainの１／２に等しい半径を有し、周方向に湾曲している。

主フランク２２には、それぞれコンタクトスロープ２０が続いている（図２参照）。コンタクトスロープ２０は、長手方向クラウニング（これは、明瞭化のため、断面３０の右側下部に破線で誇張して示されている）を除き、事実上直線、すなわち表面に対して平らに設計されている。断面３０の輪郭Ｕに沿うクラウニングは、以下、全体として長手方向クラウニングとして示し、ここでは、スライディングブロック１０の長さおよび幅は区別されない。同様に使用される用語「垂直クラウニング」は、図４Ｄに関連してより詳細に説明する。

図３のコンタクトスロープ２０は、一般に、シフトグルーブ（図示せず）またはそのグルーブフランク（図示せず）と協働するスライディングブロック１０のこれらの部分を構成する。最初に述べたように、シフトグルーブは、ギヤを、ニュートラル位置とギヤが係合する位置との間で移動させるためのいわゆるシフト歯を有するので、一般にグルーブフランクはシフト歯の領域においてシフトドラムの周囲に対して同様に傾斜しており、このため、ギヤチェンジ中に、コンタクトスロープとシフトドラムのシフトグルーブのグルーブフランクとの間に大きい面接触が常時生じる。

コンタクトスロープ２０には、それぞれチップフランク１８が続いている。チップフランク１８は、それぞれ、スライディングブロック１０の長手方向２４のヘッドおよび端部を形成する。チップフランク１８は、２αのチップ角をカバーしかつ直径Ｄ_tipの１／２で丸められている。

図４Ａ〜図４Ｄには、別のスライディングブロック４０が示されている。
図４Ａは、スライディングブロック４０を下から見た図面である。図４Ｂは、スライディングブロック４０を側方から見た図面である。図４Ｃは、スライディングブロック４０の平面図である。図４Ｄは、スライディングブロック４０を長手方向２４から見た図面であり、正面図に一致する。図２に示したスライディングブロックの特徴と同様な特徴には、同じ参照番号が付されている。

図４に示すスライディングブロックは、該スライディングブロック４０の突出部２６、２８（これらは本質的に主フランクにより限定されている）が中央領域に設けられていない点で、図２に示したスライディングブロック１０とは本質的に異なっている。突出部２６、２８は、チップフランク１８により本質的に外方に限定されている端領域に設けられている。

また、図４Ｂおよび図４Ｄには、垂直クラウニングのガイドカーブＬが示されている。従来のスライディングブロックでは、このガイドカーブは、それぞれスライディングブロック４０の上面および下面を形成する表面１４、１６に平行に形成されている。また、補助線４２を参照すれば、これらの表面には垂直方向に関してクラウニングが形成されていることが明瞭に理解されよう。これは、種々のフランク要素１８〜２２の間の移行部を表す補助線４２が、所定の曲率半径を有する湾曲線であると表現される。また、垂直クラウニングのガイドカーブＬが表面１４、１６のいずれに対しても平行に配置されているのに対し、周方向の各ユニット要素の垂直クラウニングの全ての頂点は同じ高さにある。

図５には、図２のスライディングブロック１０がシフトドラム４４と係合しているところが部分的に示されている。この場合、スライディングブロック１０およびシフトドラム４４は、シフトドラム４４の軸線方向から見たものである。シフトドラム４４の軸線が参照番号４６で示されている。

シフトドラム４４は、外側半径ｒ_outerを有している。また、シフトグルーブ４８はシフトドラム４４の周方向に概略的に示されており、シフトグルーブ４８の深さは参照番号５０により示されている。シフトグルーブ４８の深さ５０は、外側半径ｒ_outerと内側半径ｒ_innerとの差から計算される。シフトグルーブ４８の深さ５０は、突出部２６または２８のないスライディングブロック１０の高さの大きさにほぼ等しい。

図５はまた、スライディングブロック１０の垂直クラウニングのガイドカーブＬを示している。図５には更に、いわゆる有効半径ｒ_actも示されている。有効半径ｒ_actまたは有効直径は、全シフトドラムジオメトリ従って全アクチュエータ機構が基づいている機能的パラメータである。スライディングブロックのフランクとシフトローラグルーブのフランクとは、理想的には有効直径に沿って接触する。

しかしながら、ヘルツ圧力により、回転方向５２へのシフトドラム４４の回転中に圧力楕円５４が形成される。

圧力楕円５４は、有効直径より本質的に上方に位置することが分かる。スライディングブロックのフランク１８、２０は、理想的接触点すなわち有効直径を前進させる。かくして、スライディングブロック１０の接触点は、スライディングブロック１０のチップフランク１８の方向およびシフトドラムグルーブの外縁部（外縁部は、ｒ_outerにより形成される）の方向に変位される。

このため、例えば同期位置またはシフト完了位置で高荷重を受けるシフトドラムグルーブの領域に損傷および故障が生じることがある。有効直径のライン５６に対する圧力楕円５４の中心位置の変位は、理論的な所定値に対して生じる値に不定偏差を引起こす。これらの効果は、シフトドラム４４の有効直径が小さい場合に大きい度合いで生じる。

本発明によれば、これらの負の効果は、垂直クラウニングの頂点がスライディングブロックの周囲に沿って配置され、従って垂直クラウニングの頂点が本質的に有効直径のライン５６に一致するため、解消される。

これは図６に概略的に示されており、ここでは、スライディングブロックの高さがスライディングブロックの周囲に対してプロットされている。
参照符号Ｍ_Lは、スライディングブロックの２つの最大幅位置のうちの１つを示している。図６において理論的に考察するスライディングブロックは全高Ｈ_overallを有する。従来技術によるスライディングブロックでは、例えば図１、図４Ｂおよび図４Ｄに「Ｌ」で示すように、垂直クラウニングの全ての頂点Ｓ_HBがライン５８上に位置する。

本発明によれば、垂直クラウニングの頂点Ｓ_HBは、周囲の各単位要素Ｕ_elementについて、有効直径のライン５６の方向に「変位」している。

図６の右側部分は、位置Ｍ_Lにおいて長手方向軸線に対して垂直な、本発明によるスライディングブロックの断面の一部を示すものである。ここで、垂直クラウニングの頂点Ｓ_HBは、期待位置にある。しかしながら、位置Ｍ_Lから離れると、頂点Ｓ_HBは、本発明に従って矢印６０の方向に移動する。

図７は、垂直クラウニングの湾曲ガイドカーブＬを有する本発明のスライディングブロック１０を示すものである。また、スライディングブロック７０は、内側半径ｒ_innerに適合する湾曲底面７２を有している。しかしながら、これは、好ましい実施形態を示すに過ぎない。また、図９からも明らかなように、底面は湾曲を設けることなく形成できる。

スライディングブロック７０は、図１および図４のスライディングブロック１０、４０と同様に構成でき、異なる点のみを以下により詳細に説明する。

図８は、図７のスライディングブロック７０をより詳細に示すものである。図８Ａは、スライディングブロック７０の底面図である。図８Ｂは、スライディングブロック７０の側面図である。図８Ｃは、スライディングブロック７０の平面図である。図８Ｄは、長手方向２４から見た端面図であり、これは正面図に一致する。

図９は、本発明によるスライディングブロック９０の他の実施形態を示し、底面９２には湾曲が全く設けられていない。
図１０は、図９のスライディングブロック９０を２つの概略的斜視図で示すものである。

図９Ｄから明らかなように、スライディングブロック９０は、この上方領域９４にカラー９６を有し、該カラー９６の幅はシフトグルーブの幅より大きく、従って、係合状態においてスライディングブロック９０の上方領域９４はシフトグルーブを越えて側方に突出する。

いうまでもないが、スライディングブロックのフランクとシフトドラムグルーブのフランクとの間の接触パターンの空間的位置を更に最適化するため、スライディングブロックまたはグルーブフォロワの種々のパラメータ、例えばクラウニング半径、チップ角α、曲率直径等を変えることができる。

本発明の結果として、シフトドラムグルーブの摩耗または変形が最小化され、またシフトドラムのアクチュエータ機構の作動信頼性および寿命も高められる。更に、かなりのコストを節約できる。また、アクチュエータの理論的設計で決められるパラメータを信頼性をもって定めることもできる。ガまた、本発明により許容される機能性を大きく損なうことなく、ガイドカーブの曲率半径を、有効直径の曲率半径から僅かにずらすこともできる（図７参照）。

曲率半径をずらすことにより、圧力楕円の位置を最適化することもできる。
シフトドラムの形状が回転対称軸からずれるようなことがあると、シフトグルーブの断面も、もはや回転対称性を喪失し、用語「有効直径」は「有効ライン」に置換しなければならない。

直方体の垂直クラウニングおよびその周囲に沿う長手方向クラウニングが付された直方体を示す模式図である。 スライディングブロックを示す２つの概略斜視図である。 図２のスライディングブロックのＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 他のスライディングブロックを示す底面図である。 他のスライディングブロックを示す側面図である。 他のスライディングブロックを示す平面図である。 他のスライディングブロックをその長手方向から見た側面図である。 図１のスライディングブロックが、シフトドラムまたはシフトドラムの関連接触楕円を含むシフトグルーブ内に係合しているところを示す図面である。 スライディングブロックの周囲に沿う垂直クラウニングの頂点の分布を示す図面である。 シフトグルーブ内に係合している本発明のスライディングブロックを示す図面である。 図７のスライディングブロックの底面図である。 図７のスライディングブロックの側面図である。 図７のスライディングブロックの平面図である。 図７のスライディングブロックをその長手方向から見た側面図である。 本発明のスライディングブロックの他の実施形態の底面図である。 本発明のスライディングブロックの他の実施形態の側面図である。 本発明のスライディングブロックの他の実施形態の平面図である。 本発明のスライディングブロックの他の実施形態をその長手方向から見た側面図である。 図９のスライディングブロックを示す２つの概略斜視図である。

Claims (5)

1. 自動車用多段トランスミッションのシフトドラム（４４）のシフトグルーブ（４８）と協働するグルーブフォロワ（７０、９０）であって、垂直クラウニングおよび長手方向クラウニングを有し、シフトグルーブ（４８）は有効直径を形成し、グルーブフォロワ（７０、９０）は、該グルーブフォロワがシフトグルーブ（４８）内に係合する状態で前記有効直径に沿って案内され、垂直クラウニングの全ての頂点（Ｓ_HB）が全体でグルーブフォロワの周囲に沿ったガイドカーブ（Ｌ）を形成する構成のグルーブフォロワにおいて、
   垂直クラウニングの頂点の位置は、ガイドカーブ（Ｌ）がシフトドラム（４４）の有効直径に本質的に対応するように選択されている、
   ことを特徴とするグルーブフォロワ。
2. 前記垂直クラウニングは、シフトグルーブ（４８）のグルーブフランクとの接触面（１８、２０）に沿って設けられているだけでなく、グルーブフォロワ（７０、９０）の全周（Ｕ）に沿っても設けられている、
   請求項１に記載のグルーブフォロワ。
3. 前記グルーブフォロワ（７０、９０）はスライディングブロックである、
   請求項１または２に記載のグルーブフォロワ。
4. 前記グルーブフォロワ（７０、９０）はコンタクトスロープ（２０）を有し、グルーブフォロワ（７０、９０）の長手方向クラウニングはコンタクトスロープに沿って形成されている、
   請求項３に記載のグルーブフォロワ。
5. 前記シフトグルーブ（４８）の底に対向して位置するグルーブフォロワ（７０、９０）の表面（７２、９２）は、シフトグルーブ（４８）の曲率に本質的に等しい曲率を有する、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載のグルーブフォロワ。

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