JP2010054003A - Gyroscope precession movement automatic transmission - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、負荷の変化に応じて速度を変える必要のある自動変速機に関し、より詳細には、ジャイロスコープを備えた遊星歯車ユニットからなる自動変速機に関する。 The present invention relates to an automatic transmission that needs to change its speed in accordance with a change in load, and more particularly to an automatic transmission that includes a planetary gear unit having a gyroscope.
自動変速機は、とりわけ自動車両の製造においてよく知られている。
油圧自動変速機は、自動車両の走行を円滑にし、運転を容易にし、かつ、良好な動力特性を維持し、さらには自動車両の安全性を保障するための自動車両の主要な種類の自動変速機を構成している。しかしながら、油圧駆動の使用は、自動変速機の伝達効率を悪くし、また、コストを高くしている。
Automatic transmissions are particularly well known in the manufacture of motor vehicles.
Hydraulic automatic transmissions are the main types of automatic transmissions in motor vehicles to facilitate the driving of motor vehicles, facilitate driving, maintain good power characteristics, and also ensure the safety of motor vehicles. Make up machine. However, the use of a hydraulic drive deteriorates the transmission efficiency of the automatic transmission and increases the cost.
電気機械式自動変速機には、単純に歯車駆動が使用されており、したがって効率が高く、その割には低コストである。しかしながら、電気機械式自動変速機は、ギヤチェンジと動力伝達の組合せに関連する問題を抱えており、電気機械式自動変速機の可撓エレメントには若干の誤差がある。したがって、電気機械式自動変速機は、良好な走行を得るために適しているとは言えない。 The electromechanical automatic transmission simply uses a gear drive, and thus is highly efficient and inexpensive. However, the electromechanical automatic transmission has problems associated with the combination of gear change and power transmission, and the flexible element of the electromechanical automatic transmission has some errors. Therefore, it cannot be said that the electromechanical automatic transmission is suitable for obtaining good running.
無段自動変速機または連続可変変速機は、当初から良好であると見なされてきたが、現在は完成期に入っている。無段自動変速機または連続可変変速機は、電子制御システムを使用して、トルク容量、雑音および信頼性などの問題を解決しているが、コストの問題は依然として未解決のままである。 A continuously variable automatic transmission or a continuously variable transmission has been considered good from the beginning, but is now in its infancy. While continuously variable automatic transmissions or continuously variable transmissions use electronic control systems to solve problems such as torque capacity, noise and reliability, cost issues remain unresolved.
例えば米国特許第6,416,437号明細書、米国特許公開公報第2003/0176955号および国際公開WO242658号に開示されている例やToyotaハイブリッドシステム(THS)などの、2つの経路すなわち遊星駆動経路および発電機−電動機駆動経路からなる二重経路ハイブリッド自動変速機の場合、二重経路ハイブリッド自動変速機内の歯車によって動力が直接伝達されるため、遊星駆動は高い効率を有しているが、発電機−電動機駆動は、いくつかのエネルギー変換を経て動力が伝達されるため、その効率が悪く、さらには、駆動プロセスが複雑であるため、前記変速機の構築がますます複雑になっており、延いては総合コストが高くなっている。 Two paths or planetary drive paths such as the example disclosed in US Pat. No. 6,416,437, US 2003/0176955 and WO 242658 and the Toyota hybrid system (THS) In the case of a double-path hybrid automatic transmission comprising a generator-motor drive path, planetary drive has high efficiency because power is directly transmitted by the gears in the double-path hybrid automatic transmission. The motor-motor drive is less efficient because power is transmitted through several energy conversions, and the drive process is complicated, so the construction of the transmission is becoming more and more complicated, As a result, the total cost is high.
6段または7段の自動変速機では、各段の速度比率範囲が狭く、かつ、最高段と最低段の間の速度比率範囲が広いため、電子制御を使用してより敏速な変速を達成することができる。したがって燃料消費が少なく、また、応答性が高いため、自動車両の可動性および加速性が改善される。しかしながらこの変速機は、その構築がますます複雑になっており、また、精巧な制御システムが必要であるため、コストが高くなっている。また、動力伝達の損失が決して小さいとは言えず、また、制御動作が一定であるとは決して言えない油圧変換機を使用することにより、変速機の特性曲線に多くの屈曲点が形成される。したがってこれらの変速機は、機械的に完全な変速機とは言えない。 In 6-speed or 7-speed automatic transmissions, the speed ratio range of each stage is narrow, and the speed ratio range between the highest and lowest stages is wide, so electronic control is used to achieve a quicker shift. be able to. Therefore, since the fuel consumption is low and the response is high, the mobility and acceleration of the motor vehicle are improved. However, this transmission is more complex to build and requires a sophisticated control system, which increases the cost. Also, it can be said that the loss of power transmission is never small, and the use of a hydraulic converter that can never be said to have a constant control action creates many inflection points in the characteristic curve of the transmission. . Therefore, these transmissions are not mechanically perfect transmissions.
したがって、従来技術による自動変速機が抱えている問題には、変速プロセス、信頼性、コスト、制御、応答性および効率等が含まれている。
本発明の目的は、固有の用途のために機械的に必要でかつ十分な条件を完全に満足させ、負荷の変化に応じてギヤをチェンジすることなく(ギヤをチェンジすることも、ギヤメッシュコンビネーションをチェンジすることもなく)自然に変化する速度比率で動作する歯車式自動変速機であって、速度比率が入力トルクに対する出力トルクの比率に維持される歯車式自動変速機を大衆に提供することである。 The object of the present invention is to completely satisfy the mechanically necessary and sufficient conditions for the specific application, without changing the gear according to the change of the load (changing the gear can also be a gear mesh combination To provide the public with a geared automatic transmission that operates at a naturally changing speed ratio (without changing the gear ratio), the speed ratio being maintained at the ratio of the output torque to the input torque. It is.
開示される本発明の一態様は、好ましくは1つの遊星軸を有するかさ歯車アセンブリである遊星歯車ユニットからなる自動変速機である。遊星軸は、所与の慣性モーメントを有するロータであり、遊星軸の回転軸は、遊星軸の回転軸に対して直角である。代替態様では、遊星歯車ユニットは、所与の慣性モーメントを有するロータである複数の遊星軸を有している。 One aspect of the disclosed invention is an automatic transmission comprising a planetary gear unit, preferably a bevel gear assembly having one planetary shaft. The planetary axis is a rotor having a given moment of inertia, and the rotation axis of the planetary axis is perpendicular to the rotation axis of the planetary axis. In an alternative embodiment, the planetary gear unit has a plurality of planetary shafts that are rotors having a given moment of inertia.
遊星軸は、所与の慣性モーメントを有するロータであるため、ジャイロスコープとして機能し、その回転は、ジャイロスコープの歳差運動と等価である。歳差運動をもたらす外力は、出力軸に印加される負荷である。したがって、遊星軸の回転速度は出力負荷の変化に応じて変化し、また、出力軸の回転速度も同じく出力負荷の変化に応じて変化する。そのため、速度を変えるための制御操作を一切必要とすることなく、出力負荷の変化に応じて自然に変化する速度比率で変速機を動作させることができる。 Since the planetary shaft is a rotor having a given moment of inertia, it functions as a gyroscope, and its rotation is equivalent to precession of the gyroscope. The external force that causes precession is a load applied to the output shaft. Therefore, the rotational speed of the planetary shaft changes according to the change in the output load, and the rotational speed of the output shaft also changes according to the change in the output load. Therefore, the transmission can be operated at a speed ratio that naturally changes according to the change in the output load without requiring any control operation for changing the speed.
本発明のもう1つの好ましい実施形態は、かさ歯車アセンブリであることが好ましい遊星歯車ユニットからなる自動変速機である。遊星歯車ユニットは、入力歯車と出力歯車の間に配置された回転フレーム上に内側に向かって取り付けられた、好ましくは3つの遊星軸を備えている。これらの遊星軸は、入力軸と出力軸の間を展開している軸に対して遊星軸が直角になるように取り付けられている。遊星歯車ユニットは、さらに、回転フレーム上の遊星軸と遊星軸の間に外側に向かって配置された、所与の慣性モーメントを有する、好ましくは3つのロータを備えている。代替実施形態では、遊星歯車ユニットは、環状−円筒形歯車アセンブリまたは2つの円筒形歯車アセンブリである。 Another preferred embodiment of the present invention is an automatic transmission consisting of a planetary gear unit, preferably a bevel gear assembly. The planetary gear unit preferably comprises three planetary shafts mounted inwardly on a rotating frame arranged between the input gear and the output gear. These planetary shafts are attached so that the planetary shaft is at right angles to an axis extending between the input shaft and the output shaft. The planetary gear unit further comprises three rotors having a given moment of inertia, arranged outwardly between the planetary axes on the rotating frame and between the planetary axes. In an alternative embodiment, the planetary gear unit is an annular-cylindrical gear assembly or two cylindrical gear assemblies.
ロータの各々は、入力軸に取り付けられた補助歯車を介してロータを回転フレームに対して回転させるように適合されたロータ歯車を有している。入力軸が特定の速度で回転すると、補助歯車の使用によってロータが回転し、したがってジャイロモーメントによって回転フレームが回転し続ける。したがって、入力歯車および遊星歯車を介して出力歯車に動力が引き渡される。出力歯車に負わせることができる負荷が、遊星軸を介して回転フレームに作用すると、回転フレームが回転し、それによりロータは歳差運動に入る。したがって、出力負荷の変化に応じて回転フレームの回転速度が変化し、変速機は、出力負荷の変化に応じて自然に変化する速度比率で動作する。 Each of the rotors has a rotor gear adapted to rotate the rotor relative to the rotating frame via an auxiliary gear attached to the input shaft. When the input shaft rotates at a specific speed, the rotor rotates due to the use of the auxiliary gear, and thus the rotating frame continues to rotate due to the gyro moment. Therefore, power is delivered to the output gear via the input gear and the planetary gear. When a load that can be applied to the output gear acts on the rotating frame via the planetary shaft, the rotating frame rotates, thereby causing the rotor to precess. Therefore, the rotational speed of the rotating frame changes according to the change in the output load, and the transmission operates at a speed ratio that naturally changes according to the change in the output load.
図1は、本発明の一実施形態を示したものである。
変速機は、好ましくは4つのかさ歯車と、所与の慣性モーメントを有するロータである1つの遊星軸とを有する遊星歯車ユニットからなっている。代替変速機では、遊星歯車ユニットは、所与の慣性モーメントを有するロータである複数の遊星軸を有している(図3および4)。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention.
The transmission preferably consists of a planetary gear unit having four bevel gears and one planetary shaft that is a rotor with a given moment of inertia. In an alternative transmission, the planetary gear unit has a plurality of planetary shafts that are rotors with a given moment of inertia (FIGS. 3 and 4).
図1を参照すると、入力軸1に取り付けられた入力歯車2は、同じ軸に沿って、出力軸5に取り付けられた出力歯車4の反対側に配置されており、入力歯車2と出力歯車4の間に、遊星軸として機能するロータ8が同じ軸に対して直角に配置されている。ロータ8は、キー遊星歯車3および軸受遊星歯車6を有しており、その両端は、好ましくは、万能継手軸に取り付けられたジャイロスコープのような軸受によって回転フレーム7内に支持されている。キー遊星歯車3は、キーによってロータ8に移動不可能に固定されており、入力歯車2から出力歯車4へ動力を伝達する機能と、ロータ8を回転させる機能の2つの機能を実行している。また、軸受遊星歯車6は、軸受によってロータ8に移動可能に固定されており、ただ単に入力歯車2から出力歯車4へ動力を伝達する機能を実行している。
Referring to FIG. 1, the
歳差運動では、ロータ8の歳差運動の中心は、一対の回転軸力(歳差運動によって生成される遠心力)が互いに平衡するよう、ロータ8の回転軸に沿った中心に位置している(図1のポイント0)。出力軸5が無負荷の状態で入力軸1が特定の速度で回転すると、ロータ8は、ロータ8の軸に沿った中心の周りを回ることなく回転する。入力軸1が回転し続けている間に出力軸5に負荷が印加されると、ロータ8が回転し、負荷が徐々に増加すると、それに応じて回転速度が速くなる。これは、外力によってロータ8が特定の速度で回転し、歳差運動に入ることを意味している。言うなれば、ロータ8の回転は、外力、つまり特定の速度で回転しているロータ8に加えられる出力負荷によって生成される、ジャイロスコープとしてのロータ8自体の歳差運動である。
In the precession, the center of the precession of the
歳差運動速度(回転角速度)は、式 Precession velocity (rotational angular velocity) is the formula
で表すことができる。上式で、
ωre − ロータの回転角速度
ωpre − ロータの歳差運動角速度
ωro − ロータの固有角速度(回転角速度)
J − ロータの慣性モーメント
Fout − 出力負荷によってロータに課せられる力
R − 負荷トルクの作用点から歳差運動の中心までの垂直方向の距離
Mout − 出力軸に作用する負荷トルク
式(1)から、変速機では、ロータ8の回転が、出力負荷に依存するロータ8自体の歳差運動である、と言える。図2は、入力歯車、出力歯車および遊星歯車を略図で示したもので、便宜上、単一の平面上に示されている。図2のポイント0’では、
ωre・b=ωpla,ro・(r−b)
であり、0’は、遊星歯車の瞬時回転中心である。
Can be expressed as Where
ω re − Rotor angular velocity ω pre − Rotor precession angular velocity ω ro − Rotor intrinsic angular velocity (rotational angular velocity)
J - Moment of inertia of the rotor F out - force imposed on the rotor by the output load R - vertical distance from the point of the load torque to the center of precession M out - load torque equation acts on the output shaft (1) Therefore, in the transmission, it can be said that the rotation of the
ω re・ b = ω pla, ro・ (r−b)
0 ′ is the instantaneous rotation center of the planetary gear.
この関係を書き直すと、 If we rewrite this relationship,
が得られる。
式(2)を参照すると、遊星歯車の瞬時回転中心は、遊星軸の回転速度の変化に応じて位置が変化する。変速機では、図2に示すように、入力トルクによる遊星歯車の瞬時回転中心に対するモーメントと、出力トルクによる遊星歯車の瞬時回転中心に対するモーメントは、常に平衡している。
Is obtained.
Referring to Equation (2), the position of the instantaneous rotation center of the planetary gear changes according to the change in the rotation speed of the planetary shaft. In the transmission, as shown in FIG. 2, the moment with respect to the instantaneous rotation center of the planetary gear due to the input torque and the moment with respect to the instantaneous rotation center of the planetary gear due to the output torque are always balanced.
Fin・a=Fout・b ・・・(3)
式(3)の両辺にωpla,ab(遊星歯車の絶対角速度)を掛けると、
Fin・a・ωpla,ab=Fout・b・ωpla,ab
が得られる。
F in · a = F out · b (3)
Multiplying both sides of equation (3) by ω pla, ab (absolute angular velocity of the planetary gear)
F in · a · ω pla, ab = F out · b · ω pla, ab
Is obtained.
歯車のかみあい点AおよびBでは、互いに対するすべりは存在していないため、
a・ωpla,ab=υin、 b・ωpla,ab=υout
である。
At the meshing points A and B of the gear, there is no slip with respect to each other,
a · ω pla, ab = υ in , b · ω pla, ab = υ out
It is.
したがって、式
Fin・υin=Fout・υout
が得られる。上式で、υin=R・ωin、 mυout=R・ωoutである。
Therefore, the expression F in · υ in = F out · υ out
Is obtained. In the above equation, υ in = R · ω in and m υ out = R · ω out .
したがって、式(3)は、
Min・ωin=Mout・ωout ・・・(4)
になる。
Therefore, equation (3) is
M in · ω in = M out · ω out (4)
become.
式(4)から、式 From equation (4)
が得られる。
したがって、速度比率は、
Is obtained.
Therefore, the speed ratio is
である。
上で説明したように、変速機は、運転中、出力負荷の変化に応じて速度比率が連続的に変化する特性を有しており、速度比率は、常に、入力トルクに対する出力トルクの比率に等しい。ロータ8の歳差運動軸は、ロータ8の固有回転軸に対して直角であるため、ロータ8の歳差運動によって、歳差運動の中心を原点とする一対の遠心力が生成される。
It is.
As explained above, the transmission has a characteristic that the speed ratio continuously changes according to the change of the output load during operation, and the speed ratio is always equal to the ratio of the output torque to the input torque. equal. Since the precession axis of the
図1に示すように、ロータ8の歳差運動の中心は、ロータ8の回転軸に沿った中心に位置しているため、ロータ8の歳差運動によって、大きさが等しく、かつ、逆方向の一対の遠心力が単一の直線状に生成され、したがって互いに平衡し、さらに、ロータ8の固有回転軸をロータ8の歳差運動軸に向かって傾斜させるジャイロモーメントが生成される。したがって、歳差運動のためにはロータ8をジャイロモーメントに対して支持する必要があり、したがって図1に示すように、ロータ8は回転フレーム7によって支持されている。代替実施形態では、ロータは、好ましくは軸受によってスライド可能に支持されており(図4参照)、かつ、好ましくは案内ローラ9、支持グローブ10および支持ローラ11(図3参照)によって、歳差運動によって生成される遠心力およびジャイロモーメントに対してころがり可能に支持されている。
As shown in FIG. 1, the center of the precession of the
ロータ8は、歳差運動中、ジャイロモーメントにさらされ、それによりロータ8の固有回転軸がロータ8の歳差運動軸に向かって傾斜し、いずれも歳差運動軸に対して直角の方向の一対の遠心力が、固有回転軸に沿ってセットアップされる。したがって歳差運動中は仕事は実行されず、したがってエネルギーの損失もなく、歳差運動のプロセスは、せいぜい動力を伝達するための力の場のポテンシャル変化の歳差運動のプロセスにすぎない。その意味では、本明細書における動力伝達は、効率の観点からすると、従来の歯車駆動における動力伝達と同じである。また、歳差運動は非慣性運動であり、したがって負荷の変化と正確に同期しているため、変速機の応答性が改善され、最良の可動性および加速性が自動車両に提供される。
The
図5は、本発明のもう1つの好ましい実施形態を示したものである。
変速機は、入力歯車2、出力歯車5、いずれもかさ歯車であることが好ましい、好ましくは3つの遊星歯車3を備え、さらに、所与の慣性モーメントを有する、好ましくは3つのロータ12を備えた遊星歯車ユニットからなっている。代替変速機では、遊星歯車ユニットは、環状−円筒形歯車アセンブリまたは2つの円筒形歯車アセンブリである(図6および図7参照)。
FIG. 5 shows another preferred embodiment of the present invention.
The transmission preferably comprises a bevel gear, preferably an
入力歯車2は、出力歯車5と同軸で対向している。3つの遊星軸は、入力歯車2と出力歯車5の間に配置された回転フレーム9上に、好ましくは同じ円周間隔で取り付けられている。これらの遊星軸は、入力軸1と出力軸6の間を展開している軸に対して遊星軸が直角になるように取り付けられている。回転フレーム9の上には、好ましくは3つのロータ12が遊星軸と遊星軸の間に同じ円周間隔で外側に向かって配置されている。ロータ12の各々は、入力軸1に取り付けられた補助歯車7を介してロータ12を回転フレーム9に対して回転させるように適合されたロータ歯車8を有している。入力軸1が所与の速度で回転すると、補助歯車7によってロータ12が回転し、したがってジャイロモーメントによって回転フレーム9が回転し続ける。したがって、入力歯車2および遊星歯車3を介して出力歯車5に動力が引き渡される。出力歯車5に負わせることができる負荷が、遊星軸を介して回転フレーム9に加えられると、回転フレーム9が回転し、それによりロータ12は歳差運動に入る。したがって、負荷の変化に応じて回転フレーム9の回転速度が変化し、この実施形態も、負荷の変化に応じて自然に変化する速度比率で動作する。また、ロータ12の歳差運動の中心Oは、図5に示すように配置されているため、歳差運動中、ロータ12は遠心力にさらされ、ロータ12は、好ましくはロータスラスト軸受11によってこれらの遠心力に対して支持されている。また、ロータ12は、歳差運動中、ジャイロモーメントにさらされ、ロータ12は、好ましくは回転フレームスラスト軸受10によってこれらのジャイロモーメントに対して支持されている。
The
図8は、本発明による変速機の特性を示したものである。曲線Aは、トルクと負荷を比較したグラフである。曲線Bは、機関のトルクを示すグラフであり、曲線Cは、機関の所与の速度における変速機のトルクを示すグラフである。曲線Dは、所与の速度の機関に印加される負荷トルクを示すグラフである。座標はトルク軸であり、横座標は、機関の回転数の軸である。 FIG. 8 shows the characteristics of the transmission according to the present invention. Curve A is a graph comparing torque and load. Curve B is a graph showing the torque of the engine, and curve C is a graph showing the torque of the transmission at a given speed of the engine. Curve D is a graph showing the load torque applied to a given speed engine. The coordinate is the torque axis, and the abscissa is the axis of engine speed.
図9は、自動車両用ジャイロ歳差運動自動変速機を示したものである。
部分Iは、動力軸1、直結スプライン軸2、環状歯車3、入力ラチェットクラッチ4、方向変換遊星歯車5、遊星歯車回転フレーム6、方向変換機7、方向変換太陽歯車8および入力軸9の組合せを備えた前進/後退/ニュートラル変換部分である。
FIG. 9 shows a gyro precession automatic transmission for a motor vehicle.
Part I is a combination of a
部分IIは、入力歯車10、遊星歯車11、ロータ12、回転フレーム13、内部回転フレーム14、出力歯車15および出力軸16の組合せを備えた変速部分である。
部分IIIは、出力ラチェットクラッチ17、連結スプリング18、臨界トルク自動クラッチ19、スクリューコンバイナ20および駆動軸21の組合せを備えた直結部分である。
Part II is a speed change part including a combination of the
Part III is a direct connection part including a combination of the
部分Iで、動力軸1からの動力が直結スプライン軸2および入力ラチェットクラッチ4を介して入力軸9へ伝達される。方向変換機7は、方向を前進/後退/ニュートラルに変換することができる。部分Iにおける回転数は、部分IIにおける回転数より大きい。
In the portion I, power from the
部分IIで、動力が入力歯車10を介して出力歯車15へ伝達され、負荷の変化に応じて速度が変化する。
部分IIIで、出力軸16の回転速度が機関の回転速度より遅くなると、出力ラチェットクラッチ17を介して動力が駆動軸21へ伝達され、出力軸16の回転速度が機関の回転速度より速くなると、スクリューコンバイナ20によって入力ラチェットクラッチ4および出力ラチェットクラッチ17の係合が解除され、直結スプライン軸2を介して駆動軸21へ直接動力が伝達される。負荷トルクが規定の限界を超えると、臨界トルク自動クラッチ19が作用して入力ラチェットクラッチ4および出力ラチェットクラッチ17が係合し、したがって動力は部分IIを通過する。
In part II, power is transmitted to the
In part III, when the rotational speed of the
ジャイロ歳差運動自動変速機を備えた自動車両の場合、ガスペダルおよびブレーキペダルのみで運転者の意図を実現することができる。 In the case of an automobile equipped with a gyro precession automatic transmission, the driver's intention can be realized only by the gas pedal and the brake pedal.
1 入力軸
2 入力歯車
3 キー遊星歯車
4 出力歯車
5 出力軸
6 軸受遊星歯車
7 回転フレーム
8 ローター
1
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008221638A JP2010054003A (en) | 2008-08-29 | 2008-08-29 | Gyroscope precession movement automatic transmission |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108548684A (en) * | 2018-04-25 | 2018-09-18 | 河北工业大学 | A kind of mechanical pulsing formula space junk active racemization experimental system |
-
2008
- 2008-08-29 JP JP2008221638A patent/JP2010054003A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN108548684A (en) * | 2018-04-25 | 2018-09-18 | 河北工业大学 | A kind of mechanical pulsing formula space junk active racemization experimental system |
CN108548684B (en) * | 2018-04-25 | 2024-05-03 | 河北工业大学 | Mechanical pulse type space debris active racemization experiment system |
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