JP2017534818A - まがり歯形遷移部を有するギアによる変速機 - Google Patents

Abstract

本発明は、連続して中断せずに回転速度を変換する変速機またはギアに関する。第１のシャフトは、ギア、およびそれらの間に反対向きのまがり歯形遷移部を有する切頭円錐の形を取る。第２のシャフトは、その錐体の外面に平行に置かれており、シャフトに沿って自在に移動することができるが該シャフトと係合されたままとすることができるギアを含む。ギアは錐体の始端および終端に位置し、上記のギアの直径はそれらの対応する場所における錐体の直径に等しく、歯の数は変速機の最初の伝達比および最終伝達比に比例している。ギアおよびまがり歯形遷移部の全ての歯のピッチは同一である。錐体のギアは２つの反対向きのまがり歯形トラックによって互いに接続される。歯形トラックが円錐形シャフトで交差する箇所に追加のギアが位置してよく、上記のギアの歯の数は、交点における錐体の直径に比例している。第２のシャフトのギアの歯の位置、および、第１のシャフトのまがり歯形遷移部およびギア上の歯の位置を同期させるために、電子または機械自動制御システムが使用されなければならず、これによって、歯が一定の係合状態にあるように、第２のシャフトのギアを円錐形シャフトの表面に沿って移動させる。【選択図】図１

Description

本発明は、入力および出力の間の無段可変伝達比による、すなわち、隣接したギアまたはステップ間の伝達比が連続して変更される、ギア変速機に属するものである。

回転速度、（ルール、モータのような）回転移動元の回転トルク、および回転消費部の回転トルクを適合させることを対象とした装置といった、変速機のような装置などの現在の技術が知られている。機械式、自動式、およびバリエータといった３つのタイプの変速機が広く使用されている。それに対し、機械式ギア変速機および自動ギア変速機は小型化され、大きなトルクを伝達できるが、伝達比変更の離散化、効率が悪くなる自動変速機に対するトルクコンバータの必要性、トルク伝達の中断、複雑化、および、伝達比を変更するためのクラッチの必要性は、これら変速機の欠点と考えられる。回転式連続ベルトによってかなりのトルクおよびかなりの動力を伝える複雑性は、伝達比を無段かつ連続的に変更できるバリエータの欠点と考えられる。

特許文献１、特許文献２、および特許文献３に記載される技術的解決策は、最も類似している解決策である「Ｇｅａｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｗｉｔｈ ａ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ Ｃｈａｎｇｅａｂｌｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｒａｔｉｏ」（ＲＦ特許（特許文献４））と並んで知られている。該発明は、まがり歯車付きコイルの列が位置している切頭円錐形シャフトを有し、該コイルはシャフトに沿って互いに離れて位置する。第２のシャフトは、第１のシャフトの包囲面に平行に設置される。第２のシャフト上に位置しているギア部材は共に回転し、ギア部材は、まがり歯形コイルのものとかみ合う歯を有し、ギア遷移部に沿った任意の箇所に位置付けるために第２のシャフトに沿って滑動でき、２つの接続された歯車を含む。歯車は互いに対してある特定の角度で弾性的に回動することができる。一般的な特徴は、（固定歯車がなく、かつ切頭円錐に対して逆巻の２つのまがり歯形遷移部がない）第１の切頭円錐形シャフト、および、切頭円錐形シャフトに沿って移動できる単一の歯車を有する第２のシャフトである。このようなギア変速機には、以下の欠点、つまり、第２のシャフトの歯車はシャフトに沿った任意の箇所に位置するが回転時にギア遷移部のさまざまなコイルとかみ合うという欠点がある。それによって、歯係合面積、および対応する最大伝達トルクは変数値になる。すなわち、ある特定のシャフト位置において、第１のシャフトおよび第２のシャフトのギアの歯の縁部に作用する荷重は故障を引き起こす可能性がある。その上、互いに対して弾性的に回転することができる２つの第２のシャフトの歯車は、１つのギア遷移コイルから別のギア遷移コイルへの変化時の明確で確実な係合を徹底することはない。これによって、これら歯車の摩耗の増加、歯の故障、または伝達の妨害が生じる場合がある。

米国特許第５６０８３９０号明細書 米国特許第５６５３１４３号明細書 米国特許第６３２１６１３号明細書 露国特許第２３４０８１５号明細書

伝達ステップである、切頭円錐形シャフトの固定歯車間の切り換えの過程での無段連続伝達比および回転トルク変動の技術がもたらされる。

本発明によって解決される問題は、回転トルクが中断されずに（隣接したものを含む）ギア変速機の間の伝達比を連続して変更することである。伝達比の変更は、多数の伝達段階でわずかに増加させるものであってよい。同時に解決され得る別の課題として、全体的に変速機のような第１の切頭円錐形シャフトは、エンジンフライホイールの機能を果たすことができるが、これは、回転トルクが連続して伝達され、変速機は大きな慣性モーメントを有することができるからである。その上、伝達段階間の切り換え時に使用されるクラッチは冗長的になる。

まがり歯形遷移部を有する歯車による変速機は、始端および終端に位置する歯車を有する第１の切頭円錐形シャフトを含む。歯車の歯の数は、それらの場所の該当箇所での切頭円錐直径に比例しており、隣接した歯車は２つの逆巻のまがり歯形遷移部によって接続される。歯車もまた、それら遷移部の交点に位置してよく、それら歯車の直径およびそれら歯車の歯の数は、それらの場所の切頭円錐直径に比例している。２つの逆巻のまがり歯形遷移部は、第１のシャフトの回転方向を変更せずに伝達比を増加および減少させるために必要とされる。それによって、当該切頭円錐形シャフトでは、いくつかのギアがそれらの間でまがり歯形遷移部と接続されている。該切頭円錐形シャフト上における歯車を有する第２のシャフトは、切頭円錐の表面に平行に設置される。歯車は、シャフトに沿って移動できるがこのシャフトに留められることで、この歯車は該シャフトと共に回転する。歯車は、第２のシャフトに沿って、および対応して、切頭円錐形シャフトに沿って、第２のシャフト上で歯車の線形位置を監視しかつ位置決めする機械または電子制御システムによって移動させられ、第１のシャフトの角度位置および回転速度は、まがり歯形遷移部の始点および終点を考慮に入れ、かつ、伝達比の増加または減少、場合によっては、シャフト荷重値および他の必要なパラメータの必要性を考慮する。それによって、伝達比の変更は、第１のシャフト上の１つの歯車から別の歯車までのまがり歯形遷移部に沿って第２のシャフト上で歯車を転回させることによって達成される。このような転回は、第２のシャフト上の歯車がまがり歯形遷移部の始端の反対側に位置する計算された時点で制御システムによって行われる。制御システムは、第２のシャフトに沿って歯車を移動させるための縦作動機構を有する。このようなタイプの変速機は可逆的であり、第１のシャフトおよび第２のシャフトは両方とも、入力シャフトおよび出力シャフトであってよい。その結果、らせん状の遷移ピッチは、それぞれの回動について同じであっても可変であってもよい。第１のシャフトの切頭円錐面は、形状が切頭円錐と異なってよいが、それにもかかわらず、動作に必要とされる歯付き要素全てを含む。歯車およびまがり歯形遷移部の歯は切頭円錐面にはまり込んでよく、第２のシャフトをガイド上のようにそれらの上で転回させることを可能にする。この場合、制御システムは簡略化され、機械式とすることもできる。切頭円錐形シャフトの歯がはまり込んでいる場合、第２のシャフトの歯車をまがり歯形遷移部上へ案内するのに十分であり、この後に、伝達比は自動的に変更されることになる。

第１のシャフトおよび第２のシャフトの係合された歯の間の広い接触面積を徹底するために、歯は任意の形状を有することができる。切頭円錐形シャフトの歯の形状は、空間の位置を変更する第２のシャフトの歯の痕跡を繰り返すことができる。このような形状を有する円錐形シャフトの歯は、切頭円錐形シャフト上の歯を切断する過程で、係合させた第２のシャフトの歯車および切頭円錐形シャフトの歯の回転を模倣するような適切なプロファイルを有する歯切盤によって切断可能である。歯切盤によってもたらされた痕跡の形状は、切頭円錐形シャフトの歯および第２のシャフトの歯車の歯の任意の相対的な角度位置において広い歯接触面積を徹底することを可能にすることになる。その結果、切頭円錐形シャフトの始端および終端の歯の異なるコニシティは、歯によって伝達される回転トルクの最大値に影響を与えることはない。歯付きギアは別として、このようなタイプの変速機、例えば、偏心型サイクロイド変速機に対して、より効率的な回転伝達タイプが使用可能である。かかるタイプの変速機を使用する特有の特徴は、第２のシャフトの軸が第１のシャフトの軸に平行でなければならず、円錐面ではない、すなわち、第１のシャフトおよび第２のシャフトは同軸でなければならないことである。可動式カルダン懸架装置はその目的のために使用可能である。すなわち、第２のシャフトを含む滑動部は、錐体の表面に平行なガイドレールに沿って移動するが、第２のシャフトの軸は切頭円錐形シャフトの軸に平行であり、回転トルクは歯車に対して進むカルダン駆動装置を通して第２のシャフトに伝達され、この歯車へと回転トルクは伝達される、またはこの歯車から回転トルクが得られる。第１のシャフトから第２のシャフトまでのこのようなタイプの回転トルク伝達もまた、歯付きギアに対して使用可能である。

変速機は、互いから独立して第１の切頭円錐形シャフトで動作する、パワーテークオフのための１つまたはいくつかの第２のシャフトのみならず、それらのそれぞれの自動制御システム、作動機構、および第２のシャフトの歯車を含むこともできる。該歯車のそれぞれは独立して動作し、かつ、自身の制御システムによって判断される速度で回転する。歯の数の選択に依存する既知のサミング機構を用いて１つまたはいくつかの第２のシャフトの異なる回転速度および切頭円錐形シャフトの逆回転速度を合計することによって、ゼロベクトル和の回転速度を含む、値および方向が異なるベクトル和の回転速度の組み合わせセットを徹底することができる。

切頭円錐形シャフトはゼロ長を含む任意の長さを有することができる。その結果、切頭円錐形シャフトは、歯車の歯、およびまがり歯形遷移部の歯が位置しているフラットホイールに変えられ、第２のシャフト回転軸はホイール面に平行となり、ホイール回転軸に垂直になる。

まがり歯形遷移部を有する歯車変速機の縦断面図である。

図１は、まがり歯形遷移部を有する歯車変速機がベアリングシート２〜８と共に縦断面で描写されたケーシング１を含むことを示す。ベアリング２および３は切頭円錐形シャフト９上においてケーシング１に設置される。切頭円錐形シャフト１は、当該シャフトの始端１０および終端１３において固定歯車を含み、必要な伝達比の変動範囲から生じるそれらの歯の数が選ばれる。切頭円錐形シャフト９上の固定歯車は、２つの逆巻のまがり歯形遷移部１１および１２の規格通りの交点において設置されてもよい。一般に、交点、および対応する中間歯車の数は随意であってよく、伝達比の離散化間隔を低減可能とするが、切頭円錐形シャフト９の歯のサイズおよび長さによって加えられる上からの限度がある。それらの歯車の歯の直径および数は、切頭円錐形シャフト９の狭い端部から広い端部へ大きくなる。その結果、まがり歯形遷移部のピッチは、固定歯車間で同じか変化してよい。すなわち、まがり歯形遷移部の交点に位置する切頭円錐形シャフト上の固定歯車の直径は、まがり歯形遷移部と等しいピッチごとに判断されないが、設計段階で変化させてよく、中間歯車の必要な直径および歯の数を設定できるようにする。シャフト９の形状は、切頭円錐形と異なってよいが、シャフト９は、その動作のために必要とされる歯付き要素を含まなければならない。それによって、切頭円錐形シャフトは、ある特定の数Ｎの固定歯車を含み、図１においてそれらの４つ、つまり、歯車１０、１３、１４、および１５があり、これらの歯の数は、これらの場所における切頭円錐直径に比例している。連続させる必要のない２つ以上の逆巻のまがり歯形遷移部１１および１２は、切頭円錐形シャフトの回転の方向を変更せずに、変速機の伝達比を上方または下方に変化させるために必要とされる。まがり歯形遷移部および全ての歯車の歯モジュールは同じである。まがり歯形遷移部の歯は、切頭円錐形シャフトから離れる方に向かい、一般に第２のシャフトの軸に平行である。切頭円錐形シャフト９上にはセンサ１６、つまり、まがり歯形遷移部の歯の角度位置を監視するために必要とされるシャフト角度位置センサ、切頭円錐形シャフト回転速度センサ、および、場合によっては、シャフト荷重センサが設置されている。

図１における変速機は、切頭円錐形シャフト９の表面に平行に、変速機からある程度離れた所に位置する第２のシャフト１７を含む。第２のシャフト１７は、ベアリング４および５によってケーシング１に取り付けられる。第２のシャフト１７は、第２のシャフトに沿って伸張し、かつこれと共に回転するキー溝またはスプライン１８を備える。歯車１９は、第２のシャフト１７上に設置され、スプライン、キー溝、または歯１８によってこのシャフト１７と共に回転するが、第２のシャフトと共に移動することもでき、それによって、歯車１９の歯は、切頭円錐形シャフトの歯車１０、１３、１４、１５、またはまがり歯形遷移部１１および１２の歯が位置合わせされる時、これらと恒久的に係合される。シャフト１９および１７は、入力シャフトおよび出力シャフト両方として作用することができる。第２のシャフトの歯車１９は、ベアリング８を用いて歯車に接続される滑動部材２０を用いてシャフト１７に沿って移動する。滑動部材２０の縦方向移動は、作動機構を用いて引き起こされ、これは、図１において、ベアリング５および６上のケーシング１に取り付けられる作動用駆動装置２２のねじシャフト２１として示される。滑動部材はねじ２３を含む。シャフト２１がねじ２３において時計回りにまたは反時計回りに回転することで、滑動部材２０を前方または後方に移動させ、対応して、歯車１９を切頭円錐形シャフト９に沿って移動させる。滑動部材２０の線形位置は、線形運動センサ２４によって監視される。シャフト９の１つの固定歯車から別の固定歯車へ転回させるために必要とされる特有の時点でのシャフト２１に対する歯車１９の線形位置は、デジタルコンピュータ（ＤＣ）２４によって計算可能である。任意の他の既知の機構はまた、切頭円錐形シャフトに沿って縦方向に歯車１９を移動させるために使用されてよい。例えば、歯車およびまがり歯形遷移部の歯は切頭円錐形シャフト９にはまり込んでよい。その結果、歯車１９を切頭円錐形シャフト上の１つの固定歯車から他の固定歯車へ転回させるために、事前に、まがり歯形遷移溝に配置されなければならない、または、必要な時間間隔に必要な時点で切頭円錐形シャフトによって回転させる２つの逆巻ねじによってシャフトに接続されなければならない。他の既知の方法も同様に使用されてよい。

ＤＣ２４は動作のために選択されたギアセンサ２５を使用する。このギアセンサ２５は、切頭円錐形シャフト９上の固定歯車が第２のシャフトの歯車１９と係合されなければならないことを指定し、このセンサはＤＣに組み込まれてよい。ＤＣ２４は、線形進行センサ２６のみならず、シャフト９の回転速度センサ、およびシャフト角度位置センサを用いて監視される、第２のシャフトに沿った歯車２９の現在の位置を基に現在の固定歯車からシャフト９上の所望の固定歯車へと切り替えるある特定の時点で歯車１９の必要とされる線形位置を計算する。これらのパラメータ、および場合によっては、センサ１６から受信された切頭円錐形シャフトの荷重レベルデータを使用して、ＤＣ２４は、アクチュエータ２２にとって必要な制御信号を生成し、かつ、歯車１９の歯がまがり歯形遷移部の始端と位置合わせされる時のギアシフト開始時間を計算する。アクチュエータ２２はねじシャフト２１を回転させ、滑動部材２０、またシャフト１７に沿って第２のシャフトの歯車１９を移動させることで、ギアシフト中に、歯車１９は、ギアセンサ２５によって設定されるシャフト９上の固定歯車の位置に達するまで、シャフト９上のまがり歯形遷移部の歯と恒久的に係合される。

ＤＣ２４は、以下の簡略化された式を用いて、切頭円錐形シャフトを半回転回動させる必要がある時間の間にギアがシフトされなければならないことに関して１秒当たりのラジアンでのアクチュエータシャフト２２の角速度ω_１、およびその作動の初期モーメントｔ_０を判断する。

ω_１＝８π^２ｌ／ｄω。式中、ｌは、第２のシャフトの歯車２６の線形位置センサによって監視されるシャフト９上の固定歯車の幅に加えたまがり歯形遷移部の糸尺であり、ｄは、シャフト２１のねじピッチ２３であり、ωは、１秒当たりのラジアンでの切頭円錐形シャフト９の角回転速度である。

ｔ_０＝（α_０−α）／ω。式中、α_０は、２πに等しくなるような値が採用されてよいラジアンでのまがり歯形遷移部の始端の角度であり、αは、ラジアンでの切頭円錐形シャフト９の現在の角度位置である。

その上、この制御システムは自動制御システムである。ギアがＤＣ２４によって計算される値を基にシフトされると、シャフト１９の現在の線形位置はまた、センサ２６によって監視される。シャフト１７に沿った歯車１９の計算された線形位置および現在の線形位置は、ギアシフトの過程で常に比較され、あらかじめ設定された許容値を超える位置合わせ不良が検出される時、追加の補正信号がアクチュエータ２２に対して生成され、検出された位置合わせ不良を補償することができる。この自動制御システムは、変速機の伝達比が変更される時のモーメントにおけるシャフト９のまがり歯形遷移部１１および１２から歯車１９が外れないように変速機を保護する測定器のうちの１つであり、より広いまがり歯形遷移部も外れないようにするために使用可能である。これらの測定器はまた、シャフト９に対する荷重の揺動の可能性がある場合にギアシフト中にシャフト９から歯車１９が外れないようにすることを可能にするであろう。伝達比変更中のシャフトの荷重の揺動の阻止は、別の予防対策として使用可能である。変速機の自動制御システムは、歯車が外れないようにするために「学習する」ことができる。この「学習すること」は、そのうちにいくつかの伝達パラメータを変更すること、例えば、歯車１９の線形位置を変更するために必要とされる力にあり、制御システムは、計算された値からの恒久的なずれを監視し、かつ、それ自体を調節すること、すなわち、その動作を、パラメータの変更を引き起こす摩耗および亀裂を考慮して補正する。切頭円錐形シャフト９上にはかなりの数の固定歯車がある可能性があるため、変速機の伝達比ギャップは小さい場合がある。

装置が目の前の課題を解決することが本発明の実施形態からわかる。本発明の実施形態の過程で、範囲または保護を越えないさまざまな変更および修正が可能であるため、図１に示されるこの説明および解決策は非制限的に説明される例である。

Claims (14)

1. まがり歯形遷移部を有する歯車による変速機であって、
   回転する第１の切頭円錐形シャフト（９）と、前記切頭円錐形シャフトの表面に平行にかつ該表面からある距離を置いて設置される第２の回転シャフト（１７）とを有するケーシング（１）を含み、
   該ケーシング（１）は、歯車（１９）であって、前記第１のシャフトの歯と係合され、かつ縦方向スプライン、キー溝、または歯（１８）といった係合機能によって前記第１のシャフト（１７）と共に回転するが、線形作動機構（２０）を用いて該第２のシャフト（１７）に沿って移動できることで、前記第１のシャフト（９）の始端および終端において前記歯車（１０、１３）において異なる、前記第２のシャフトに沿った任意の箇所で前記歯車（１９）を位置付けることが可能になる、歯車（１９）を含み、それらの歯車の歯の直径および数はそれらの場所の該当箇所における前記第１のシャフトの直径に比例しており、該歯車は、不連続である場合、２つ以上の逆巻のまがり歯形遷移部（１１、１２）によって接続され、歯車（１４、１５）はまたそれらの遷移部の交点に位置することができ、その結果、伝達係数は、前記第１のシャフト（９）の回転方向を変更せずに、１つの歯車から別の歯車（１０、１３、１４、１５）へそれらのラック上で前記第２のシャフトの歯車（１９）を転回させることによって変更される、変速機。
2. 前記伝達係数および回転トルクは前記伝達係数の範囲全体を通して無段にかつ連続して変更される、請求項１に記載の変速機。
3. 前記２つの逆巻のまがり歯形遷移部（１１、１２）、前記第１のシャフト（９）の歯車（１０、１３、１４、１５）、および前記第２のシャフトの歯車（１９）のギアモジュールは同じである、請求項１に記載の変速機。
4. 前記第１のシャフト（９）上の前記歯は円錐体にはまり込んでいてよく、前記歯に沿ったクリンプは、前記まがり歯形遷移部（１１、１２）に沿って前記第２のシャフトの歯車（１９）を移動させるためのガイドとしての役割を果たすことができる、請求項１に記載の変速機。
5. 前記第１のシャフトの形状は切頭円錐と異なってよいが、動作に必要とされる歯付き要素を含んでよい、請求項１に記載の変速機。
6. 前記まがり歯形遷移部（１１、１２）のピッチは、１つの固定歯車から別の固定歯車（１０、１３、１４、１５）まで同じか可変であってよく、前記第１のシャフト（９）上の固定歯車を、歯の直径および数が、随意であるが該歯の場所の該当箇所における前記第１のシャフト（９）の前記直径によって決まるようにすることを可能にする、請求項１に記載の変速機。
7. 前記第２のシャフト（１９）上の前記歯車、および前記第２のシャフト（１９）の位置付け用の前記歯車と効果的に接続されることで、該歯車の歯は、前記伝達係数が変更される時、前記第１のシャフト（９）の固定歯車（１０、１３、１４、１５）、または前記まがり歯形遷移部（１１、１２）の前記歯のいずれかと恒久的に係合されることになる、作動機構（２０）を有するセンサベースの自動制御システム（２４）を含む、請求項１に記載の変速機。
8. 前記第１のシャフト（９）上にある歯車（１０、１３、１４、１５）を任意の数とすることができるが、前記第１のシャフトの長さおよび前記歯の前記直径によって上から限定される、請求項１に記載の変速機。
9. 既知のギア変速機は別として、広い接触面積、大きな回転トルクの伝達、円滑な力伝達、小さなノイズなど、および他の種類の回転トルク伝達といった必要な性質を徹底する回転伝達機能が使用可能であり、その結果、前記切頭円錐形シャフト（９）上の歯の形状は、前記第２のシャフト（１７）の前記歯車（１９）の歯の形状の痕跡または他の係合機能であり、すなわち、任意の効率的な回転伝達機能が使用可能である、請求項１に記載の変速機。
10. 前記第１のシャフト（９）および前記第２のシャフト（１７）の歯車の軸は平行であってよく、その結果、前記切頭円錐形シャフト（９）の表面に平行に移動する滑動部が使用され、前記滑動部は自在継手駆動によって前記第２のシャフトと接続される、前記第２のシャフトの前記歯車を包含する、請求項１に記載の変速機。
11. 前記第１のシャフト（９）および前記第２のシャフト（１７）は両方とも前記変速機の入力シャフトとして使用可能であり、対応して、前記第２のシャフト（１７）および前記第１のシャフト（９）は両方とも出力シャフトとして使用可能である、請求項１に記載の変速機。
12. 前記第１のシャフト（９）の近くにある第２のシャフト（１７）を１つ、２つ、またはそれ以上とすることができ、さらには、自動制御システム（２４）、作動機構（２０）、および第２のシャフトの歯車（１９）を１つ、２つ、またはそれ以上とすることができ、これらのそれぞれは独立して動作し、かつ、前記シャフト（１７）のそれぞれの固有の前記自動制御システム（２４）によって判断される速度で回転する、請求項１に記載の変速機。
13. 既知のサミング機構を用いて１つまたはいくつかの第２のシャフト（１７）と異なる回転速度、および前記第１のシャフト（９）の逆回転速度を合計することによって、ゼロベクトル和の回転速度を含む、レートおよび方向が異なるベクトル和の回転速度の組み合わせセットを徹底することができる、請求項１に記載の変速機。
14. 前記切頭円錐形シャフト（９）はゼロ長を含む任意の長さを有することができ、それにより、前記切頭円錐形シャフト（９）は、前記歯車（１０、１３、１４、１５）の歯、および前記まがり歯形遷移部（１１、１２）の歯が位置しているフラットホイールに変えられ、前記第２のシャフト（１７）回転軸はホイール面に平行となる、請求項１に記載の変速機。