JP2011202734A

JP2011202734A - 無段変速機

Info

Publication number: JP2011202734A
Application number: JP2010070299A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ogawa; 裕之小川; Arata Murakami; 新村上; Takahiro Shiina; 貴弘椎名; Daisuke Tomomatsu; 大輔友松
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2011-10-13

Abstract

【課題】ボールと支持部材との間の圧力を低下させ、動力の伝達効率を向上させることが可能な無段変速機を提供する。
【解決手段】第１軸線Ａｘ１の回りに相対回転可能に設けられたドライブリング１１及びドリブンリング１２と、これらのリング１１、１２の径方向内側に同軸に設けられたサンローラ１９と、リング１１、１２及びサンローラ１９の間に挟み込まれた複数のボール２０と、複数のボール２０を環状に並ぶように保持するとともに各ボール２０をサンローラ１９の外周面上を転動可能なように支持するステータリング２１とを備え、ボール２０が転動するときの回転軸Ａｘ２の傾きを変化させて変速比を変更する無段変速機１０において、ステータリング２１は、各ボール２０の中心を通る仮想円Ｃの直径が組み込まれる前よりも組み込まれた後の方が小さくなるように弾性変形された状態で無段変速機１０に組み込まれている。
【選択図】図６

Description

本発明は、円筒状の支持部材の外周面上を転動するボールの回転軸の傾きを変化させることにより変速比を無段階に変化させることが可能な無段変速機に関する。

入力回転数に対する出力回転数を無段階に変化させることが可能な無段変速機が知られている。例えば、円筒状の支持部材の外周面上を転動可能な複数のボールと、支持部材の径方向外側に配置されて各ボールとそれぞれ摩擦接触する円筒状の駆動部材及び被駆動部材とを備え、外周面上を転動しているボールの回転軸の傾きを変化させることによって駆動部材と被駆動部材との間の変速比を無段階に変化させる無段変速機が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開２００８−０７５８７８号公報特開２００６−２６６２９７号公報

特許文献１の無段変速機では、各ボールが支持部材に高い圧力で押し付けられているとボールが支持部材の外周面上を転動する際に消費されるエネルギが大きくなるので、動力の伝達効率が悪化するおそれがある。

そこで、本発明は、ボールと支持部材との間の圧力を低下させ、動力の伝達効率を向上させることが可能な無段変速機を提供することを目的とする。

本発明の無段変速機は、共通の軸線の回りに相対回転可能かつ前記軸線方向に並ぶように設けられ、一方が駆動部材となり他方が被駆動部材となる一対のリング部材と、前記一対のリング部材の径方向内側に前記一対のリング部材と同軸に設けられた円筒状の支持部材と、前記一対のリング部材と前記支持部材との間に挟み込まれて前記一対のリング部材及び前記支持部材のそれぞれと接する複数のボール部材と、前記複数のボール部材を環状に並ぶように保持するとともに各ボール部材を前記支持部材の外周面上を転動可能なように支持する保持部材と、を備え、前記複数のボール部材が前記支持部材の外周面上を転動するときの各ボール部材の回転軸の前記軸線に対する傾きを変化させることにより前記駆動部材の回転数に対する前記被駆動部材の回転数を変化させる無段変速機において、前記保持部材は、前記複数のボール部材の中心をそれぞれ通るように定義される仮想円の直径が前記無段変速機に組み込まれる前よりも組み込まれた後の方が小さくなるように弾性変形させた状態で前記無段変速機に組み込まれている（請求項１）。

本発明の無段変速機によれば、各ボール部材の中心を通る仮想円の直径が組み込まれる前よりも組み込まれた後の方が小さくなるように保持部材を弾性変形させて無段変速機に組み込んだので、各ボール部材は保持部材によって径方向外側に付勢される。これにより各ボール部材と支持部材との間の圧力を低下させることができるので、ボール部材が支持部材の外周面上を転動する際に消費されるエネルギを低減できる。また、このように各ボール部材が径方向外側に付勢されることにより、一対のリング部材と各ボール部材とをそれぞれ十分に摩擦接触させることができる。そのため、これらの間で滑りが発生することを抑制できる。従って、動力の伝達効率を向上させることができる。

本発明の無段変速機の一形態において、前記保持部材は、各ボール部材にそれぞれ設けられてボール部材を自転可能に支持し、環状になるように配置される複数の支持リングと、隣り合う前記支持リング同士を連結する複数のジョイント部材と、を備え、前記ジョイント部材は、弾性体製であってもよい（請求項２）。このように複数の支持リングを弾性体製のジョイント部材で連結して保持部材を構成することにより、保持部材を容易に弾性変形させることができる。また、この形態では、一方のリング部材と他方のリング部材との間に回転数差が生じて各ボール部材にスピンモーメントが発生した場合に、隣り合うボール部材のスピンモーメント同士はジョイント部材で互いに打ち消しあう。この場合、各ボール部材のスピンモーメントによってボール部材及び保持部材が無駄に動くことを抑制できるので、無段変速機で無駄に動力が消費されることを抑制できる。そのため、さらに動力の伝達効率を向上させることができる。

以上に説明したように、本発明の無段変速機によれば、各ボール部材と支持部材との間の圧力を低下させることができ、また一対のリング部材と各ボール部材との間の滑りを抑制できるので、動力の伝達効率を向上させることができる。

本発明の一形態に係る無段変速機の断面を示す図。ステータリングを第１軸線方向から見た図。ステータリングの一部を周方向に展開して示す図。ボールキャリアを分解して示す図。図３のV−V線におけるステータリングの断面を示す図。無段変速機に組み込まれる前のステータリング及びボールを示す図。第２軸線が第１軸線と平行のときの無段変速機を示す図。第１ガイドを回転させてボールキャリアを矢印Ｒ方向に所定角度回転させた場合の無段変速機を示す図。第１ガイドを回転させてボールキャリアを矢印Ｌ方向に所定角度回転させた場合の無段変速機を示す図。

図１は、本発明の一形態に係る無段変速機（以下、変速機と略称することがある。）の断面を示している。この変速機１０は、車両に搭載され、その車両の走行用動力源と駆動輪との間の動力伝達経路中に設けられる。変速機１０には、変速機１０に動力を入力するための入力軸１と、変速機１０から動力が出力される出力軸２とが接続されている。この図に示したように入力軸１及び出力軸２とは中空円筒状であり、共通の第１軸線Ａｘ１の回りを相対回転可能なように設けられている。なお、この第１軸線Ａｘ１が本発明の軸線に対応する。

変速機１０は、駆動部材としてのドライブリング１１と、被駆動部材としてのドリブンリング１２とを備えている。ドライブリング１１及びドリブンリング１２は、第１軸線Ａｘ１の回りに相対回転可能なように設けられている。また、これらのリング１１、１２は、第１軸線Ａｘ１方向に並ぶように配置されている。そのため、これらのリング１１、１２が本発明の一対のリング部材に相当する。ドライブリング１１は、入力側連結部材１３及びトルクカム１４を介して入力軸１と一体回転するように連結されている。トルクカム１４は、入力されたトルクに応じて第１軸線Ａｘ１方向の推力を発生する周知のものである。ドリブンリング１２は、出力側連結部材１５を介して出力軸２と一体回転するように連結されている。入力側連結部材１３と出力側連結部材１５との間にはこれらの連結部材１３、１５が相対回転可能なようにスラストベアリング１６が設けられている。

変速機１０は、第１軸線Ａｘ１上に回転不能に設けられた円筒状のキャリア１７を備えている。キャリア１７は、ドライブリング１１及びドリブンリング１２の径方向内側にこれらのリング１１、１２と同軸に配置されている。キャリア１７には、ベアリング１８、１８を介して支持部材としてのサンローラ１９が第１軸線Ａｘ１回りに回転可能に設けられている。また、キャリア１７には、キャリア１７とサンローラ１９との間にオイルを供給するためのオイル供給孔１７ａが設けられている。サンローラ１９は円筒状をしている。また、サンローラ１９は、ドライブリング１１及びドリブンリング１２の径方向内側であり、かつ第１軸線Ａｘ１方向に関してそれらのリング１１、１２の中間に位置するように設けられている。

ドライブリング１１及びドリブンリング１２とサンローラ１９との間には、ボール部材としての複数（図１では１つのみを示す。）のボール２０が設けられている。複数のボール２０は、ドライブリング１１及びドリブンリング１２とサンローラ１９との間に挟み込まれており、ドライブリング１１、ドリブンリング１２、及びサンローラ１９のそれぞれと摩擦接触している。この図に示すようにドライブリング１１とドリブンリング１２とは、ボール２０との接触位置と第１軸線Ａｘ１との間の径方向に関する距離が互いに同じになるようにボール２０と接触する。複数のボール２０は、保持部材としてのステータリング２１に環状に並ぶように保持されている。図２は、ステータリング２１及びサンローラ１９を第１軸線Ａｘ１方向から見た図を示している。また、図３はステータリング２１の一部を周方向に展開した図を示している。なお、図３では、ドライブリング１１、ドリブンリング１２、及びサンローラ１９も周方向に展開して想像線で示す。図２に示すようにステータリング２１は、ボール２０と同数設けられてボール２０を回転可能に支持するボールキャリア２２と、ボールキャリア２２同士を連結するジョイント部材としてのリングジョイント２３とを備え、ボールキャリア２２が環状に連結されることによって構成されている。リングジョイント２３は、球状に形成されている。

図４はボールキャリア２２を分解して示している。この図に示すようにボールキャリア２２は、支持リングとしてのサターンリング２４と、円筒状のボールアクシス２５と、２個のガイドボール２６（図１参照）とを備えている。サターンリング２４は、その内径がボール２０の直径よりも大きくなるように形成されている。図４に示すようにサターンリング２４には、その中心を挟んで対向するように配置された一対の支持孔２４ａが設けられている。ボール２０には、直径方向に貫通する貫通孔２０ａが設けられている。ボール２０とサターンリング２４とは、貫通孔２０ａと一対の支持孔２４ａとが第２軸線Ａｘ２上に並ぶように組み合わされている。ボールアクシス２５は、それら貫通孔２０ａ及び一対の支持孔２４ａを貫くように設けられている。図１に示すようにボールアクシス２５の長さは、サターンリング２４の内径より大きく、かつサターンリング２４の外径より小さい値が設定される。ガイドボール２６は、支持孔２３ａと略同じ直径に形成されており、各支持孔２３ａ内に回転可能な状態で嵌め込まれている。各ガイドボール２６はボールアクシス２５の端部と接しており、ボールアクシス２５はこれらガイドボール２６によって回転可能に支持されている。これらによりボール２０は第２軸線Ａｘ２回りに回転可能なようにサターンリング２４に支持される。

図２に示すようにサターンリング２４の外周面には、球状に凹む一対の凹部２４ｂが設けられている。各凹部２４ｂは、リングジョイント２３と同じ径で窪んでいる。これら一対の凹部２４ｂは、一方に対して他方が中心を挟んで反対側に位置するように、言い換えると一方に対して他方が周方向に１８０度ずれた位置に配置されるようにサターンリング２４に設けられている。また、これら一対の凹部２４ｂは、支持孔２４ａに対して周方向に９０度ずれた位置に設けられている。すなわち、サターンリング２４には、支持孔２４ａと凹部２４ｂとが９０度の間隔を空けて交互に設けられている。これらの図に示すように各ボールキャリア２２は、凹部２４ｂが隣りのボールキャリア２２の凹部２４ｂと向かい合うように配置されている。図５は、図３のV−V線におけるステータリング２１の断面を示している。この図に示すように向かい合っている凹部２４ｂの間にはリングジョイント２３が設けられ、これにより隣り合うボールキャリア２２が連結されている。リングジョイント２３は弾性体製であり、互いに向かい合う凹部２４ｂの間に回転自在に設けられている。

図６は、変速機１０に組み込まれる前のステータリング２１及びボール２０を示している。なお、この図には比較例として変速機１０に組み込まれた後の各ボール２０の位置を想像線で示す。また、サンローラ１９も想像線で示す。この図に二点鎖線で示した円Ｃ１、Ｃ２は、ステータリング２１に保持されている各ボール２０の中心をそれぞれ通るように定義される仮想円Ｃである。なお、仮想円Ｃ１が変速機１０に組み込まれる前の仮想円を示し、仮想円Ｃ２が変速機１０に組み込まれた後の仮想円を示している。この図に示したようにステータリング２１は、仮想円Ｃの直径が組み込まれる前よりも組み込まれた後の方が小さくなるように変速機１０に組み込まれている。すなわち、ステータリング２１は、各ボール２０が径方向内側に移動して仮想円Ｃの直径が小さくなるように弾性変形された状態で変速機１０に組み込まれている。そのため、各ボール２０は、径方向外側に付勢された状態で変速機１０に組み込まれている。

図１に示すように変速機１０には、各ボールキャリア２２を第３軸線Ａｘ３回りにそれぞれ回転駆動するための駆動機構２７が設けられている。なお、第３軸線Ａｘ３は、ボールキャリア２２に設けられている２つの凹部２４ｂの中心をそれぞれ通る軸線である。駆動機構２７は、第１ガイド２８と、第２ガイド２９と、第１ガイド２８を駆動する不図示のアクチュエータとを備えている。第１ガイド２８及び第２ガイド２９は、第１軸線Ａｘ１方向に並ぶように配置されている。また、これらのガイド２８、２９は、ボールキャリア２２を挟んで互いに対向するように設けられている。この図に示すように第１ガイド２８には、ガイドボール２６と略同じ径で球状に凹む凹部２８ａが設けられている。この凹部２８ａには、ボールキャリア２２の一方のガイドボール２６が回転可能に嵌め込まれている。第１ガイド２８は、第３軸線Ａｘ３回りに回転可能に設けられている。不図示のアクチュエータは、第１ガイド２８を図中の矢印Ｒ方向及び矢印Ｌ方向に回転駆動する。この図に示したように第２ガイド２９は、キャリア１７に移動不能に固定されている。第２ガイド２９には、ボールキャリア２２が第３軸線Ａｘ３回りに回転した場合に他方のガイドボール２６が第３軸線Ａｘ３回りに移動するように案内するガイド溝２９ａが設けられている。

次に変速機１０の動作について説明する。この変速機１０では、入力軸１の回転に伴ってドライブリング１１が第１軸線Ａｘ１回りに回転すると、ドライブリング１１と接触している各ボール２０にその回転が伝達される。各ボール２０は、第２軸線Ａｘ２回りに回転可能なようにステータリング２１に保持されているので、ドライブリング１１から回転が伝達されると第２軸線Ａｘ２回りに自転しつつサンローラ１９の外周面上を転動する。そして、これら各ボール２０の回転によってドリブンリング１２が第１軸線Ａｘ１回りに回転駆動され、出力軸２が回転する。この際、変速機１０では、駆動機構２７で各ボールキャリア２２を第３軸線Ａｘ３回りに回転駆動させ、ボール２０の回転軸である第２軸線Ａｘ２の第１軸線Ａｘ１に対する傾きを変化させることによって変速比を変化させる。

図７は、第２軸線Ａｘ２が第１軸線Ａｘ１と平行のときの変速機１０を示している。この場合、この図に示したようにドライブリング１１と第２軸線Ａｘ２との間の距離Ｒ１と、ドリブンリング１２と第２軸線Ａｘ２との間の距離Ｒ２とは同じになる。なお、これらの距離Ｒ１、Ｒ２は、第２軸線Ａｘ２と直交する方向の距離である。各ボール２０は、第２軸線Ａｘ２回りに自転するので、このように距離Ｒ１と距離Ｒ２とが同じ場合は、ドライブリング１１とドリブンリング１２とが同じ回転数で回転する。すなわち、入力回転数と出力回転数とが同じになる。

図８は、第１ガイド２８を回転させてボールキャリア２２を矢印Ｒ方向に所定角度回転させた場合の変速機１０を示している。この場合、ドライブリング１１と第２軸線Ａｘ２との間の距離Ｒ１は、ドリブンリング１２と第２軸線Ａｘ２との間の距離Ｒ２よりも大きくなる。この場合においても各ボール２０は第２軸線Ａｘ２回りに自転する。そのため、この状態では、ドライブリング１１の回転数に対してドリブンリング１２の回転数は大きくなる。すなわち、入力回転数よりも出力回転数の方が大きくなる。

図９は、第１ガイド２８を回転させてボールキャリア２２を矢印Ｌ方向に所定角度回転させた場合の変速機１０を示している。この場合、ドライブリング１１と第２軸線Ａｘ２との間の距離Ｒ１は、ドリブンリング１２と第２軸線Ａｘ２との間の距離Ｒ２よりも小さくなる。そのため、この状態では、ドライブリング１１の回転数に対してドリブンリング１２の回転数は小さくなる。すなわち、入力回転数よりも出力回転数の方が小さくなる。

変速機１０では、このようにボールキャリア２２を回転させて変速比を変化させる。この際、ドライブリング１１の回転数とドリブンリング１２の回転数とが異なると図３に示すように各ボール２０にスピンモーメントＳＭが発生する。この場合、リングジョイント２３には、このリングジョイント２３によって連結される２つのボールキャリア２２のうちの一方からは矢印Ａ方向の力が作用し、他方からは矢印Ａとは逆の矢印Ｂ方向の力が作用する。そのため、一方のボールキャリア２２からの力は他方のボールキャリア２２からの力で打ち消される。従って、各ボール２０にスピンモーメントＳＭが発生してもそれによってボールキャリア２２が回転することが抑制される。これによりボール２０の回転軸、すなわち第２軸線Ａｘ２がこの図に矢印Ｍで示した方向にずれることを抑制できる。

以上に説明したように、この変速機１０では、各ボール２０の中心を通る仮想円の直径が組み込まれる前よりも組み込まれた後の方が小さくなるように弾性変形させた状態でステータリング２１が変速機１０に組み込まれている。この場合、各ボール２０は、ステータリング２１によって径方向外側に付勢されるので、各ボール２０とサンローラ１９との間の圧力を低減できる。これによりボール２０が転動する際に消費されるエネルギを低減できる。また、このように各ボール２０が径方向外側に付勢されることにより、ドライブリング１１及びドリブンリング１２と各ボール２０とをそれぞれ十分に摩擦接触させることができる。そのため、これらの間で滑りが発生することを抑制できる。従って、変速機１０における動力の伝達効率を向上させることができる。なお、ステータリング２１は、弾性体製の複数のリングジョイント２３を備えているので、容易に径方向に弾性変形させることができる。

また、この変速機１０では、各ボール２０でスピンモーメントＳＭが発生してもこれによってボール２０の回転軸が図３の矢印Ｍ方向にずれることを抑制できる。この場合、ステータリング２１が第１軸線Ａｘ１方向に移動することを抑制できるので、ボール２０とサンローラ１９との間にスラスト力が発生することを抑制できる。そして、これにより変速機１０で無駄に動力が消費されることを抑制できる。そのため、動力の伝達効率をさらに向上させることができる。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、ステータリングは上述した形態で示したものに限定されない。例えば、ステータリングは、直径を変化させることが可能な１つのリング部材で構成されていてもよい。本発明の無段変速機が設けられる動力伝達系は、車両の動力伝達系に限定されない。入力回転数に対して出力回転数を変化させる必要がある機械、例えば工作機械の動力伝達系に本発明の無段変速機を設けてもよい。

１０無段変速機
１１ドライブリング（駆動部材、一方のリング部材）
１２ドリブンリング（被駆動部材、他方のリング部材）
１９サンローラ（支持部材）
２０ボール（ボール部材）
２１ステータリング（保持部材）
２３リングジョイント（ジョイント部材）
２４サターンリング（支持リング）
Ａｘ１第１軸線（軸線）
Ｃ１無段変速機に組み込まれる前の仮想円
Ｃ２無段変速機に組み込まれた後の仮想円

Claims

共通の軸線の回りに相対回転可能かつ前記軸線方向に並ぶように設けられ、一方が駆動部材となり他方が被駆動部材となる一対のリング部材と、前記一対のリング部材の径方向内側に前記一対のリング部材と同軸に設けられた円筒状の支持部材と、前記一対のリング部材と前記支持部材との間に挟み込まれて前記一対のリング部材及び前記支持部材のそれぞれと接する複数のボール部材と、前記複数のボール部材を環状に並ぶように保持するとともに各ボール部材を前記支持部材の外周面上を転動可能なように支持する保持部材と、を備え、前記複数のボール部材が前記支持部材の外周面上を転動するときの各ボール部材の回転軸の前記軸線に対する傾きを変化させることにより前記駆動部材の回転数に対する前記被駆動部材の回転数を変化させる無段変速機において、
前記保持部材は、前記複数のボール部材の中心をそれぞれ通るように定義される仮想円の直径が前記無段変速機に組み込まれる前よりも組み込まれた後の方が小さくなるように弾性変形させた状態で前記無段変速機に組み込まれている無段変速機。
前記保持部材は、各ボール部材にそれぞれ設けられてボール部材を自転可能に支持し、環状になるように配置される複数の支持リングと、隣り合う前記支持リング同士を連結する複数のジョイント部材と、を備え、
前記ジョイント部材は、弾性体製である請求項１に記載の無段変速機。