JP2011007253A - 自動変速装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非常に簡単な構成で出力軸の負荷トルクに応じた自動変速を可能とし、それによって装置の小型化と生産コストダウンを図る。
【解決手段】入力軸１と、入力軸１と同心の出力軸２と、入出力軸に対して公転しながら自転する円錐状のコーン３と、コーン３に摩擦係合する変速リング４と、コーン３と変速リング４との間に接圧力を与える接圧力付与手段２３と、変速リング４を入出力軸の軸方向に進退移動する移動手段５と、変速リング４の進退移動を付勢する付勢手段６とを備える。コーン３は、コーンの回転軸心３ｄが入出力軸の回転軸心と交わらないように設けられ、出力軸２に負荷トルクが生じると、変速リング４に対して入出力軸の軸方向に変速力が作用し、付勢手段６は、変速力に対して反対方向の付勢力が予め設定した出力特性で動作するように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷の変化に対応して連続的に速度比を変化させる自動変速装置に関する。

自動変速装置は、車両、各種巻取り機、攪拌機等の変速機として用いられる。従来の自動変速装置は、例えば特許文献１に開示されている。この自動変速装置は、円錐形転子に摩擦係合する変速リングを動かすことにより無段変速する。そして、自動変速装置は、負荷トルクの増減に伴って変速リングが自動で動くようにするために、変速リングを高速側に動かす方向の力を及ぼす押圧装置と、変速リングに加わるトルクの増大に伴い、押圧装置の及ぼす力に抗して変速リングを低速側に動かすカム装置とを備える。そして、変速リングは、これら二つの力が平衡する位置を求めつつ動き、負荷トルクが増大する場合には低速側に、負荷トルクが減少する場合には高速側に移動する。

上記の通り、自動変速装置は、変速リングを低速側に動かすカム装置を備える。このカム装置は、変速リング上に切欠き孔を形成して、切欠き孔のカム面にローラを係合し、歯車列を介して動力が出力軸に伝えられるようになっている。このように、従来の自動変速装置は、非常に複雑な構成のカム装置によって、負荷トルクの増減に伴う回転力を変速力に変換して変速リングを動かすよう構成していたので、装置の大型化と生産コストアップの原因となっていた。

特公平４−３４０２２号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、非常に簡単な構成で出力軸の負荷トルクに応じた自動変速を可能とし、それによって装置の小型化と生産コストダウンをなし得る自動変速装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明に係る自動変速装置は、入力軸と、入力軸と同心の出力軸と、入出力軸に対して公転しながら自転する円錐状のコーンと、コーンに摩擦係合する変速リングと、コーンと変速リングとの間に接圧力を与える接圧力付与手段と、変速リングを入出力軸の軸方向に進退移動する移動手段と、変速リングの進退移動を付勢する付勢手段とを備える。
コーンは、コーンの回転軸心が入出力軸の回転軸心と交わらないように設けられ、出力軸に負荷トルクが生じると、変速リングに対して入出力軸の軸方向に変速力が作用し、付勢手段は、変速力に対して反対方向の付勢力が予め設定した出力特性で動作するように設定されている。

好ましくは、コーンは、入出力軸における回転方向の変化に応じて、コーンの回転軸心を所定範囲の角度で揺動可能とする揺動手段を備える。

好ましくは、付勢手段は、長さ方向の変位に対してバネ定数が変化する非線形特性バネである。

好ましくは、移動手段を介して出力特性を変化させるための変速操作手段を備える。

本発明に係る自動変速装置において、入出力軸に対して公転しながら自転する円錐状のコーンは、コーン回転軸心が入出力軸の回転軸心と交わらないように設けられている。このため、変速リングとコーンとの接触面に回転力の分力が生じるが、この分力を変速力として利用する。これにより、出力軸に負荷トルクが生じると、変速リングに対して入出力軸の軸方向に変速力が作用する。付勢手段は、この変速力に対抗するように反対方向に付勢して、予め設定した出力特性で動作するようになっている。

このように、従来の自動変速装置のような複雑なカム装置を設けることなく、コーンの回転軸心を入出力軸の回転軸心と交わらないように設けることで、出力軸の負荷トルクに応じた変速力を変速リングに作用することができる。そして、付勢手段によって、変速力に対抗して付勢して、予め設定したトルク−変速比となる出力特性で動作するように自動変速できるようになっている。

自動変速装置を示す側面断面図。 自動変速装置の一部を拡大して示す側面図。 自動変速装置を入出力軸の軸方向から見た正面断面図。 変速比と出力トルクの関係を説明する図。 変速力を説明するための図。 付勢手段となる非線形特性バネを説明する図。 自動変速装置の第二実施形態を示す図。

以下、図面に基づいて、本発明に係る自動変速装置について説明する。

図１の通り、自動変速装置は、ケーシング２０を備える。自動変速装置は、入力軸１及び出力軸２を備える。入力軸１及び出力軸２は、ケーシング２０に設けられたベアリング２１，２２を介して、ケーシング２０に対して回転自在に支持されている。

入力軸１及び出力軸２は、同一の回転軸心１ａになるように配置されている。入力軸１及び出力軸２は、連結軸部１ｂを介して、互いに回転自在に連結している。入力軸１は、エンジン、駆動モータ等の駆動手段（図示略）に連結されている。

自動変速装置は、複数個のコーン３、変速リング４、入力円板１３及び伝達円板１４を備える。コーン３は、主として円錐形で構成されている。コーン３は、底面（軌道面）３ｂの中心に配置される回転軸心３ｄ上に回転軸３ｅを備える（図２）。

図２の通り、コーン３は、円錐形部分に伝動部３ａ、軌道面（底面）３ｂ及び変速面３ｃを有する。伝動部３ａは、コーン３の外周の円上端部である。なお、伝動部３ａは、回転軸３ｅの略外周面でもよい。軌道面３ｂは、コーン３の底面（平面）部である。変速面３ｃは、コーン３の傾斜面部である。

図１の通り、コーン３は、支持円板１５で支持されている。コーン３は、回転軸３ｅを介して、支持円板１５の周囲に回転自在に支持されている。そして、図２の通り、側面視において、コーン３は、コーン３の回転軸心３ｄが入出力軸１，２の回転軸心１ａに対して角度θだけ傾斜して支持されている。また、支持円板１５は、入出力軸１，２に対して回転自在に支持されている。従って、コーン３は、入出力軸１，２に対して自転及び公転自在になっている。

入力円板１３は、入力軸１に対してキー結合されている。従って、入力円板１３は、入力軸１の回転と同一方向及び同一回転速度で回転する。入力円板１３は、コーン３の伝動部３ａに当接して摩擦係合する（図２）。これにより、入力円板１３の回転が、コーン３に伝達される。

伝達円板１４は、コーン３の軌道面３ｂに当接して摩擦係合する（図２）。図１の通り、伝達円板１４は、出力軸２に対して接圧力付与手段２３を介して結合されている。接圧力付与手段２３は、コーン３と、変速リング４及び伝達円板１４との間に、接触面に垂直な接圧力（法線力）Ｐ（図３）を与える。従って、出力軸２は、伝達円板１４の回転と同一方向及び同一回転速度で回転する。

変速リング４は、コーン３の変速面３ｃに当接して摩擦係合する（図２）。また、図１の通り、自動変速装置は、変速リング４を入出力軸１，２の軸方向に進退移動する移動手段５を備える。本例では、移動手段５は、回転軸心１ａの方向に延設されたリング移動部材５からなり、リング移動部材５は、ケーシング２０に対して、長さ方向（回転軸心１ａの方向）に進退移動するように構成されている。そして、変速リング４は、リング移動部材５に連結されており、リング移動部材５の進退移動に伴って移動するようになっている。

自動変速装置は、移動手段５を介して出力特性Ｌを変化させる変速操作手段７を備える。本例では、変速操作手段７は、回転軸心１ａの方向に延設された変速操作部材７からなり、変速操作部材７は、ケーシング２０に対して、長さ方向（回転軸心１ａの方向）に進退移動するように構成されている。また、リング移動部材５は、入力軸１側に付勢手段６を備える。付勢手段６は、バネ手段、ゴム手段等で構成される。

付勢手段６は、一端側６ａがリング移動部材５に設けられた移動端５０に連結され、他端側６ｂが変速操作部材７に設けられた固定端７０に連結されている。そして、変速操作部材７の固定端７０は、リング移動部材５に対して移動自在（フリー）に構成されている。

図３の通り、自動変速装置を入出力軸１，２の軸方向（回転軸心１ａの方向）から見た正面視において、コーン３の回転軸心３ｄが、コーン３と変速リング４の接触点（コーン３と変速リング４との接触面における中心点）４ａと、入出力軸１，２の回転軸心１ａと、を結ぶ線４ｂに対して角度αだけ傾斜するように設けられている。角度αは支持円板１５によって規制されている。即ち、コーン３は、その回転軸心３ｄが入出力軸１，２の回転軸心１ａと交わらないように設けられている。

上記の通り、コーン３を角度α傾斜して設置することによって、自動変速装置は、出力軸２に負荷トルクが作用すると、コーン３と変速リング４との接触面において、入出力軸１，２の回転軸心１ａの方向に変速力Ｆが生じるようになる（図２）。

図４の通り、自動変速装置は、変速比Ｒが小さくなると出力トルクＴが大きくなり、変速比Ｒが大きくなると出力トルクＴが小さくなって、変速比Ｒと出力トルクＴとの関係において出力特性線Ｌを描く。なお、変速比Ｒ＝Ｎ２／Ｎ１（出力軸２の回転数／入力軸１の回転数）である。

そして、自動変速機は、コーン３の変速面３ｃにおいて、変速リング４が、コーン３の有効半径が大きくなる方向（図４の左方向）に移動すると、変速比Ｒが小さく（減速）出力トルクＴが大きくなり、有効半径が小さくなる方向（図４の右方向）に移動すると、変速比Ｒが大きく（加速）出力トルクＴが小さくなる。

自動変速機は、出力軸２に負荷トルクが作用したとき、予め設定した出力特性線Ｌに沿って変速リング４が移動して自動変速するようになっている。この自動変速について、変速操作部材７を所定位置に停止した場合で説明する。

図４の通り、変速リング４が所定位置にあるとき、変速比Ｒ１と出力トルクＴ１の関係点をＭ１とする。なお、点Ｍ１は出力特性線Ｌ上にある。この状態で、出力軸２における負荷トルクが増大すると、出力トルクＴ２に上昇するので、変速比Ｒ１と出力トルクＴ２の関係点がＭ１’となる。

そして、上記の通り、出力軸２における負荷トルクが増大すると、接触面には負荷トルクに略比例した変速力Ｆが生じて、変速リング４は変速比Ｒを減ずる方向（図４の左方向）へ移動する。これに伴い、移動部材５も移動して、付勢手段６は移動端５０で押圧されて、付勢力（反発力）Ｓが生じる。付勢力Ｓは、移動距離ｘに応じて増減するようになっている。

従って、変速リング４が所定距離ｘ１だけ移動すると、変速力Ｆ＝付勢力Ｓとなり、変速リング４は停止するようになっている。このときに、変速比Ｒ２と出力トルクＴ２の関係点がＭ２となる。そして、点Ｍ２が出力特性線Ｌ上になるように、付勢手段６は付勢力Ｓが設定されている。

同様に、出力軸２の負荷トルクがＴ２からＴ１に減少すると、変速力Ｆも減少し、付勢手段６の付勢力Ｓに対して小さく（Ｆ＜Ｓ）となり、出力特性線Ｌ上になるように変速リング４がＲ２からＲ１まで移動するようになっている。即ち、付勢手段６は、変速力Ｆに対して反対方向の付勢力Ｓが、予め設定した出力特性で動作するように設定されており、出力軸２に負荷トルクが作用しても、変速比Ｒと出力トルクＴの関係点Ｍが、予め設定した出力特性線Ｌ上になるように構成されている。

このように、自動変速装置は、出力軸２に負荷トルクが作用したとき、予め設定した出力特性線Ｌに沿って変速リング４が移動して自動変速するので、変速操作部材７を操作することなく、予め設定した最適な出力特性になるように動作させることができる。

一方、変速操作部材7と共に固定端７０を図５の右方向に移動させると、出力特性線Ｌは上方に移動して出力特性線Ｌ’となる。また、変速操作部材7と共に固定端７０を図５の左方向に移動させると、出力特性線Ｌは下方に移動して出力特性線Ｌ’’となる。従って、変速比Ｒ１の状態で変速操作部材７を操作することにより、出力トルクＴを増減することができる。

変速操作部材７を運転者が操作するアクセルやモード切替え手段等に連動させることによって、例えば、自動車等の移動車における速度の設定やパワフルな運転、経済的な運転などを自由に選択できる。

ここで、図５に基づいて変速比Ｆについて説明する。接圧力付与手段２３として、調圧カムを採用した場合について説明する。調圧カム２３は、コーン３と変速リング４との接圧力(法線力）Ｐ（図３）を、出力軸２に対する負荷（出力トルク）Ｔの変動に応じて変化させるものであって、負荷Ｔが小さいときは小さな接圧力Ｐを、負荷Ｔが大きいときは大きな接圧力Ｐを発生する。

先ず、図５の符号を説明する。δは、角度θによって生じる接触面（図５の楕円面）のスピン角速度を示す（δとθは比例関係）。ｗは、角度αによって生じる接触面中心の移動量を示す（αとｗは比例関係）。Ｆ１は、変速方向の力を示す。Ｆ２は、付勢力Ｓ方向の力を示す。

この条件では、変速力Ｆ＝Ｆ１−Ｆ２となる。α＝０では、ｗ＝０となるので、Ｆ１とＦ２がｙ軸を対称軸として同じ面積になるため、負荷Ｔの変化にかかわらず常にＦ１＝Ｆ２となって、Ｆ＝０となる。

また、接触楕円のｘ軸方向の長径を２ａとすると、ヘルツ理論によって、ａとＰ＾（１／３）は比例関係であるから、スピンによる三角形で構成されるＦ１，Ｆ２は次式で表される。

ここで、上記したように、調整カム２３によって、出力トルクＴと、接触面に垂直な接圧力（法線力）Ｐ（図３）とは比例する。さらに、ａとＰ＾（１／３）は比例するので、上記（１）式及び（２）式から、下記（３）式が成立する。

また、Ｑ（図３）は、負荷トルクＴを回転半径で除した接線力であるので、ＴとＱは比例関係である。上記の通り、ＴとＰは比例関係であるので、Ｑ／Ｐ＝ｃｏｎｓｔ．＝トラクション係数（摩擦係数）となる。ここで、Ｑ＞トラクション係数×Ｐがスリップせずに伝達できる条件となるので、調圧カム２３を、この条件が満足するように設定する。また、上記（３）式より、αが小さい場合は変速力Ｆも小さいが、αが大きくなると変速力Ｆも大きくなり、自動変速のレスポンスがよくなる。しかし、αの増大はスキューの増加となり、スキューが接触面損失の原因になることは公知技術で明らかである。従って、十分なレスポンスを得ながら損失を少なくするために角度α＝０．０２〜６°とするのが好ましい。

また、接圧力付与手段２３として、一定の接圧力Ｐを与えるばね等の弾性体を採用してもよい。この場合、上記（２）式の左辺をＦ’とし、スピン中心軸のずれによって生じる接線力Ｑの分力をＦ３とすると、変速力Ｆは、「Ｆ＝Ｆ’＋Ｆ３」となる。ここで、（２）式のａが一定であることから、Ｆ’一定となるので、変速比Ｆは、Ｆ３の変化によってのみ増減するが、接線力Ｑの分力Ｆ３は微小なので、Ｆの変化量は小さく、レスポンスはそれほど大きくならない。

次に、図６に基づいて、付勢手段６がバネ手段である場合について説明する。
上記（３）式より、入力軸１が一定の動力で駆動されるときは、図６（Ａ１）の出力特性Ｌ１となるが、このときは図６（Ａ２）の等ピッチコイルスプリングが最も変速装置の出力特性に適合する。駆動源や出力特性を変化させたい場合は、適宜、バネの組み合わせを変えることによって、図６（Ｂ１）、（Ｃ１）が可能となる。

出力特性線Ｌ２がＬ１と異なる急勾配の曲線の場合、付勢手段６は円錐形コイルスプリング（図６（Ｂ２））とする。図６（Ｃ１）の通り、出力特性線Ｌ３が二段折れ直線の場合、付勢手段６は二重コイルスプリング（図６（Ｃ２））とする。なお、付勢手段６は、出力特性線に応じて不等ピッチコイルスプリング、つづみ形コイルスプリング、たる形コイルスプリング等とすることができる。

次に、図７に基づいて、自動変速装置の第二実施形態について説明する。なお、上記した実施形態と異なる部分のみ詳細に説明する。
自動変速装置は、コーン３の回転軸３ｅに揺動手段３０を備える。揺動手段３０は、コーン３を支持円板１５に対して揺動自在にする。図７（Ａ）の通り、揺動手段３０は、回転軸３ｅの周囲を円弧状（半球状）に形成し、この円弧部分を支持円板１５で揺動自在に支持することにより、コーン３を所定角度の範囲で揺動するようになっている。
揺動の角度αは、変速リング４と伝達円板１４との隙間に、コーン３の変速面３ｃと軌道面３ｂとで構成された楔が挟み込まれるように配置されていることと、接圧力Ｐが接線力Ｑの数十倍（約２０倍）になるため、これらの要素に規制されて角度αは所定の値で安定する。

そして、図７（Ｂ）の通り、出力軸２が図反時計方向に回転するとき、コーン３は、回転軸心３ｄが線４ｂに対して図時計方向に角度α傾斜する。また、図７（Ｃ）の通り、回転軸２が図時計方向に回転するとき、コーン３は、回転軸心３ｄが線４ｂに対して図反時計方向に角度α傾斜する。これにより、自動変速装置は、入力軸１の回転方向が正回転及び逆回転の双方に対して、自動変速を可能とするようになっている。
ここで、接圧力付勢手段２３が調圧カムの場合、上記（３）式から、出力軸２が時計回り又は反時計回りの何れの回転方向に設定されても、出力トルクＴと接触面中心の移動量ｗとがともに正負の符号を変えることになり、変速力Ｆの符号（ベクトルの方向）が変わることがない。また、接圧力付勢手段２３がばね等の弾性体の場合も同様に出力トルクＴの正負によって変速力Ｆの符号が変わることがない。

１ 入力軸
２ 出力軸
１ａ 入出力軸の回転軸心
３ コーン
３ｄ コーンの回転軸心
４ 変速リング
５ リング移動部材
６ 付勢手段
７ 変速操作部材
Ｆ 変速力
Ｓ 付勢力
Ｌ 出力特性
３０ 揺動手段

Claims (4)

1. 入力軸と、
   前記入力軸と同心の出力軸と、
   前記入出力軸に対して公転しながら自転する円錐状のコーンと、
   前記コーンに摩擦係合する変速リングと、
   前記コーンと前記変速リングとの間に接圧力を与える接圧力付与手段と、
   前記変速リングを前記入出力軸の軸方向に進退移動する移動手段と、
   前記変速リングの進退移動を付勢する付勢手段とを備え、
   前記コーンは、前記コーンの回転軸心が前記入出力軸の回転軸心と交わらないように設けられ、前記出力軸に負荷トルクが生じると、前記変速リングに対して前記入出力軸の軸方向に変速力が作用し、
   前記付勢手段は、前記変速力に対して反対方向の付勢力が予め設定した出力特性で動作するように設定されていることを特徴とする自動変速装置。
2. 前記コーンは、前記入出力軸における回転方向の変化に応じて、前記コーンの回転軸心を所定範囲の角度で揺動可能とする揺動手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の自動変速装置。
3. 前記付勢手段は、長さ方向の変位に対してバネ定数が変化する非線形特性バネであることを特徴とする請求項１又は２に記載の自動変速装置。
4. 前記移動手段を介して前記出力特性を変化させるための変速操作手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の自動変速装置。

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