JP2018136028A - 歯車式無段変速機 - Google Patents

Abstract

【課題】歯車式の無段変速機を提供する
【解決手段】遊星歯車機構を持つ２組の差動装置５、６について、一方に入力軸７を持ち、もう一方に出力軸１２を持ち、双方の差動装置の残りの基本軸からそれぞれ２軸９、１０で連結させるとき、少なくとも一方の基本軸を遊星歯車機構としての役割を変えて連結することにより、入力軸７に伝えた回転エネルギは変速可能な状態で出力軸１２へ伝わる。このときの連結軸９、１０の一方又は両方について、個々に減速又は加速の制御を行うことで変速の調整を行う。
この減速の制御には回生制動を用いることで、変速の制御により損失するエネルギを回収することが可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は変速機に関するものであり、産業機械や推進力を必要とする機械全般に関するが、主に車両での使用を想定している。

変速機として理想といえる無段階変速は、摩擦式が広く実用化されているが、摩擦式であるがために滑りの問題が大きく、大きな動力の伝達には向いていない。本来それを可能にする歯車式は、遊星歯車機構を持つ差動装置を用いたものが提案されているが、差動軸の片方を調整軸、片方を出力軸とする構造を持つことから、これが原因で制御には主原動機に匹敵するトルクを必要とすると思われ、その解決方法について提案されてないため、実用に至っていないと思われる。
なお、差動装置を用いたこのような仕組みは差動装置を複数組み込んだ現在主流のオートマチックトランスミッション（自動多段変速機）にも見られるが、こちらは調整軸を完全停止させることでエネルギ損失を防ぐと共に、差動装置と調整軸を多段化させることで、多段変速を実現しているものが多い。
結局、エネルギ損失の少ない歯車式の無段変速機は実現していない。

特許第３２４８６９０号 特許第３６８９０２０号

変速に伴うエネルギ損失が少なく、大きな動力伝達をも可能とする歯車式の無段変速機を実現することである。

遊星歯車機構を持つ差動装置の基本軸の１つを入力軸とし、エンジン等の主原動機の回転エネルギを与えると、その力は差動装置の他の基本軸に振り分けられるが、振り分けられたうちの２軸を別の遊星歯車機構を持つ差動装置の任意の基本軸２つにそれぞれ連結させ、残りの基本軸の１つを出力軸として取り出した回転エネルギは、主原動機から入力された回転エネルギを変速したものと言える。

この２つの差動装置間で回転エネルギを受け渡す２軸について、そのうち少なくとも１軸を、遊星歯車機構としての基本軸の役割を変えた場合、つまり、太陽歯車、遊星キャリア、遊星歯車、内歯車同士とならないように連結したとき、出力軸の回転速度及びトルクが可変可能な状態、つまりは無段階に変速可能な状態となる。

この変速は差動装置の各基本軸の回転速度が出力軸の回転速度に比例することを利用したもので、入力軸と出力軸を除いた何れかの基本軸に対して減速または加速の制御を加えることで出力軸は変速される。

このとき出力軸に対する回転速度の比例係数がマイナスの軸に対しては減速の制御、プラスの軸に対しては加速の制御を行うことで出力軸は正方向に加速し、減速や加速の制御を反対にすることで出力軸は逆転方向に加速する。

なお、減速の制御ではその抵抗の力だけ出力軸のトルクを減少させるが、加速の制御では、出力軸のトルクを幾分増加させる。

また、この基本軸に対して減速の制御を加える際に回生制動を利用した場合、そこで得られた電力は任意な目的で利用可能であるため、例えばこの基本軸に対する加速の制御や、出力軸もしくはそれ以降に対して電動機を取り付け、そこで回転エネルギ付与に利用する等、幅広い活用が可能であり、すなわち、減速の制御によって発生したエネルギ損失を抑えることができる。

なお、回生制動を用いなくても、多くの自動車等に使われるような半クラッチに相当する機能を用いて、基本軸の２つ以上を半クラッチ状態で回転エネルギを干渉させることで、この変速機の基本軸全体の回転速度が変化するため、変速が可能である。この干渉によって加速される軸と減速される軸の両方の回転エネルギが、出力軸の加速に貢献するため、加速される軸の回転エネルギしか出力軸の加速に影響しない一般的な半クラッチとは違い、回転エネルギの損失が非常に小さい。

大きな動力伝達を可能とする歯車式の無段変速機を実現することできた。
変速で発生するエネルギ損失を抑えることが可能であり、また既存の変速機にみられる逆転装置と、変速時の外部クラッチ機構を不要とするか、もしくは内蔵した。

遊星歯車機構を持つ差動装置の一例を示す断面図である 本発明の変速機の形態の例を示す断面図である。 形態の例における変速機内の軸のうち、入力軸、出力軸、及び２つの差動装置を連結する２軸の回転速度比を示すグラフである。 図２を元にした、回生制動を用いない場合の形態の例を示す断面図である。分かりやすく項目を抽出するために各軸を支える筐体の描画を省き、また、遊星歯車機構は概略図としている。

当発明では、車両用のオートマチッィクトランスミッションやディファレンシャル等に幅広く使用されているような、遊星歯車機構を持つ差動装置を利用する。
扱う差動装置の基本形状は、遊星歯車機構のもつ基本的な特徴を備えるものであればよく、つまり差動装置には、かさ車形状のもの、２段歯車形状のものなど多様であり、遊星歯車の数も様々であるが、これらの形状は限定されない。
図１の断面図は、内歯車１、遊星歯車２、遊星キャリア３、太陽歯車４から構成される差動装置の一般的な形状の１例を示しており、以降の説明における差動装置については便宜上この形を用いる。
差動装置内の歯数比を限定しないが、以降の説明においては、便宜上、各差動装置の太陽歯車、遊星歯車、内歯車の歯数比を１：１：３とし、特徴を抜き出して説明するため、各歯車や必要に応じて各箇所に備えられる軸受けの摩擦抵抗、潤滑油抵抗等、作りによって異なる抵抗を無視する。
なお、遊星キャリアがどのように遊星歯車を支えるかについては限定しないが、以降の説明においては、分かり易くするため、遊星歯車を遊星キャリア一体型の軸が支えるものとする。

２つの差動装置５、６を用意する。
差動装置５の基本軸のうち任意の１つをエンジン等の主原動機の出力軸に接続された入力軸７とし、差動装置６の基本軸のうち任意の１つを出力軸１２とし、双方の差動装置の残りの基本軸のうち、双方共に任意の２つを、差動装置５、６の共有する基本軸として連結させ、その際に連結する軸のうち少なくとも１つの軸は、例えば太陽歯車と遊星キャリアを連結させるなど、基本軸の役割を変えたものを考える。
このような条件を満たす連結時の軸の組み合わせ方は幾つかあり、その組み合わせ方は限定されないが、以降は便宜上、図２の変速機の断面図が示す差動装置５、６の連結形状を例にして説明する。

この例では、差動装置５は、主原動機に繋がる入力軸７を遊星キャリアとし、遊星歯車８、内歯車１０、そして太陽歯車９ａで構成され、差動装置６は、内歯車１０、遊星キャリア９、遊星歯車１１、そして出力軸１２の一部である太陽歯車１２ａで構成され、差動装置５、６は、内歯車１０で連結され、さらに太陽歯車９ａと遊星キャリア９でも連結される。
また、内歯車１０には調整機１３、遊星キャリア９には調整機１４が接続されており、これら調整機は、電動機と発電機とが可逆で動作を電子制御される電動発電機とする。
入力軸７と出力軸１２の回転速度を別々のセンサーで読み取る。差動装置内の各基本軸は、出力軸の回転速度に比例するため回転速度は計算でき、これらは調整機の電子制御において利用される。

調整機１３、１４は筐体１５とそれぞれが対応する軸で支えられている。
調整機は対応する軸に対して回転力を増減させるものであり、電動発電機とした理由は、発電によって抵抗を発生させるだけでなく、既存の技術において、発電量、すなわち抵抗力の調整が容易であり、かつ、電力の取り出しや、電力を使って回転エネルギを生み出すことにも利用可能であるなど、幅広い用途が生まれることから、選択するものである。
しかし、本発明のうち効率を無視して単に変速を可能とする要素だけに限定すれば、調整機が電動発電機のようなエネルギを取り出す仕組みを兼ねるものであることに拘らない。
ここでの例では、調整機１３が発生させた電力は調整機１４の駆動力に用い、調整機１４が発生させた電力は調整機１３の駆動力に用いる。

主原動機より入力軸７に一定の回転エネルギが与えられ、入力軸７が一定のトルクと回転速度の状態では、差動装置５、６内のそれぞれの基本軸は図３の回転速度比を示す。
この比率は差動装置５、６の連結方法や選択した歯車比による固有のものであり、装置の作りを変更した場合は比率も傾きも変化するが、どの場合も入力軸を除く各軸の回転速度は出力軸の回転速度に比例していることが特徴となる。
入力軸７と出力軸１２の間は差動装置５、６を介しており、回転エネルギ及び抵抗を持つ軸が基準となって全体の回転速度比が決まる。
例えばエンジンが回っていながらもブレーキがかかり停止している車両のように、出力軸１２側が回転しておらず、高い制動下にあり、さらに調整機１３、１４が無負荷状態であった場合、入力軸７にかかる回転エネルギの大小及びその変化に関わらず出力軸１２の回転速度は０から変わらない。

主原動機より入力軸７に一定の回転エネルギが与えられ、また出力軸１２が一定の抵抗力を持って停止している状態のとき、調整機１３が発電を行って、内歯車１０に対して抵抗力を発生して減速方向に力をかけることで、出力軸１２の回転速度は図３で示した回転速度比に応じて正方向に上昇していき、これが変速となる。
また、同時に調整機１４が回転力を発生させ、遊星キャリア９が加速されても同様の傾向で変速が補佐される。

調整機１３が発生させた抵抗の大きさだけ、最終的に出力軸１２に与えられる回転エネルギは減少するが、調整機１３が発生させた電力は出力軸１２に与えられる回転エネルギを増加させるために使うことも可能であり、この例のように調整機１４の駆動力として用いることができる他、出力軸１２以降に対し、図示していない別の電動機を取り付けて直接的に回転力を付与する仕組みも考えられる。

調整機１３がかける抵抗が大きくなるに従って変速の速度も早くなるが、出力軸１２から減少する回転エネルギも大きくなり、また、加速抵抗が存在することと、一般的に回転速度の増加に応じて出力軸１２の抵抗も大きくなることから、やがて変速の速度は遅くなり、変速しなくなり、減速に至る。
そのため、早い変速を求める場合、調整機１３がかける抵抗を徐々に上げていきつつ、回転速度を読み取りながら、変動する最適なポイントを計算して維持することが望ましく、つまりは電子制御に頼ることが望ましい。

内歯車１０と、遊星キャリア９は、図３が示す通り、回転速度比の比例係数の正負の符号が逆であることから、調整機１４が遊星キャリア９に対して調整機１３が発生させた電力を用いて正方向の回転力を加えることで変速の速度を早めることができる。
またこれは、同時に出力軸１２に対して回転エネルギを付与することにもなる。
このとき必要な電力は外部から供給することも考えられるが、何れにしても、可能な限り調整機１３、１４の両方を用いて変速を制御することが調整精度を高める意味で望ましい。

調整機１３、１４が発生させる減速力及び回転力の向きを逆にすることで、出力軸１２の逆転が可能となる。
つまり、調整機１４が遊星キャリア９に対して抵抗を発生させ、または調整機１３が内歯車１０に対して正方向に回転エネルギを加え、あるいはその両方による連携された制御により、出力軸１２は逆転に至り、加速される。

また、出力軸の減速時には調整機を用いて発電を行って回生エネルギを取り出すことも考えられ、バッテリ等が接続されれば蓄電することも可能である。

なお、差動装置５、６の連結方法により、各歯車の回転速度比の比例係数と正負の符号は決定されるが、図２の例以外のパターンにおいては、連結軸の基本軸２本について、必ずしも回転速度比の比例係数の正負の符号が逆になるわけではないことに注意する。
差動装置５、６の形状及び連結方法については、任意ではあるが目的にかなう形を選ぶ必要がある。

別の例として、上記したような調整機、つまり回転エネルギの電力変換を用いなくとも、本変速機は動作させることができる。
調整機は、任意の軸の回転速度を変化させるものであるが、同様の目的として、現在の車両等にもみられるベルト、クラッチ板、トルクコンバータ等の様々な既存の半クラッチ技術を用いて、任意の基本軸に回転速度の異なる別の基本軸の回転エネルギを干渉させることで、双方の回転速度に変化を生じさせ、その結果、調整機を用いたと同じように変速を行うことが可能であり、その簡単な例を示す。
なお、既存の半クラッチ技術ではあるが、現在の車等にみられる半クラッチは、回転エネルギを伝搬させた分だけが出力軸の回転エネルギに影響し、滑り伝えられなかった回転エネルギは無駄となるが、本発明に使用する場合は、滑り伝えられなかったエネルギも出力軸の回転エネルギとなるところが異なる。

図４の断面図は、図２で示した断面図から、調整機を外し、各軸の支えの描画を省略したものに、新たにベルト摩擦式の半クラッチ機構を取り付けたものである。ベルト摩擦は作り方によって大きな消耗が発生し、ベルトが摩耗するため長時間の使用に不向きであることから、本来は摩耗の影響が小さい流体継手や磁力式等が望ましいが、この説明では概略を分かりやすく伝えるためにあえてこの方法を書く。既存技術であるため半クラッチ状態ができるならどの方法でもよいことを断っておく。

図４では、入力軸７の回転エネルギをギア１８及び２０〜２３を介して別の中間軸２５に伝えている。この中間軸２５に備えられたギア２２、２３は、スリーブ２４が作用しない限りはアイドル状態であり、出力軸１２を正回転させる場合は前進用ギア２３側、逆回転させる場合はスリーブ２４を後退用ギア２２側に接続させる。この中間軸２５にはベルト２６が備えられており、これは内歯車１０と干渉するべく接続されている。中間軸２５と内歯車１０との間のベルトを支持するためのアイドラ２８、及びテンショナ２７が備えられている。

これらのうち入ロ軸７を除いて操作が可能なのはスリーブ２４とテンショナ２７である。テンショナ２７は、変速を強く起こす場合に強く利かせ、緩やかな変速を起こす場合は緩やかに利かせ、必要ない場合は緩める。

図４では、前進用ギア２１、２３と、後退用ギア２０、２２の２つの組み合わせが選択できるものとしているが、前進側を選択したときに、ベルト２６が内歯車１０に対して入力軸７の０．８倍の回転速度で接触するものとなるようギア比を設定する。この０．８倍という設定値は一例である。これにより、内歯車１０は入力軸７の０．８倍までの回転速度に近づくことになり、出力軸１２の抵抗を無視すると、出力軸１２は停止状態から入力軸７の回転速度の最大で４倍（図３を参照。出力軸１２の比が４の時、内歯車１０の比は０．８）まで加速させることができる。これは、内歯車１０の回転エネルギを中間軸２５即ち入力軸７に渡そうとしたものの、元々内歯車１０の回転エネルギは入力軸７によって生まれていることから、結果的に内歯車１０は減速するためである。

同様に後退側を選択したときに、ベルト２６が内歯車１０に対して入力軸７の１．２倍の回転速度で接触するものとなるようギア比を設定する。この１．２倍という設定値は一例である。これにより、内歯車１０は入力軸７の１．２倍までの回転速度に近づくことになり、出力軸１２の抵抗を無視すると、出力軸１２は停止状態から入力軸７の回転速度の最大で−２倍（図３を参照。出力軸１２の比が−２の時、内歯車１０の比は１．２）まで加速させることができる。これは、中間軸２５即ち入力軸７の回転エネルギを内歯車１０に優先的に分配したことから結果的に内歯車１０は加速するためである。

スリーブ２４の操作は、既存のマニュアルトランスミッションの車を見ても分かる通り、操作レバーに連結させることで人間が操作することが容易であるが、テンショナ２７の操作は、単にアクセルに連動させるだけでもいいが、効率を十分に引き出すためには、コンピュータが計算して動作させることが望ましい。
これはこの変速機の作り方やそれを搭載した筐体及びその使用環境によって様々な部分に及ぶ抵抗が異なることが影響するからである。

１ 内歯車
２ 遊星歯車
３ 遊星キャリア
４ 太陽歯車
５ 第１差動装置
６ 第２差動装置
７ 第１差動装置の遊星キャリア及び入力軸
８ 第１差動装置の遊星歯車
９ａ 第１差動装置の太陽歯車（第１連結軸）
９ 第２差動装置の遊星キャリア（第１連結軸）
１０ 第１及び第２差動装置で共有する内歯車（第２連結軸）
１１ 第２差動装置の遊星歯車
１２ 出力軸
１２ａ 第２差動装置の太陽歯車及び出力軸
１３ 第１調整機
１４ 第２調整機
１５ 変速機筐体
１６ 入力軸の回転速度検出センサ
１７ 出力軸の回転速度検出センサ
１８ ギア１
１９ 中間軸１
２０ 後退用ギア１
２１ 前進用ギア１
２２ 後退用ギア２
２３ 前進用ギア２
２４ スリーブ
２５ 中間軸２
２６ ベルト
２７ テンショナ
２８ アイドラ

Claims (3)

1. 遊星歯車機構を持つ差動装置２組について、基本軸の１つを入力軸としたものと、基本軸の１つを出力軸としたものを、それぞれ入力軸又は出力軸を除いた２つの基本軸で、このうち少なくとも１つは、太陽歯車、遊星キャリア、遊星歯車、内歯車同士とならないように連結し、入力軸と出力軸以外の基本軸のうち、任意の軸に減速又は加速の制御を加えることで、出力軸に対して変速を行うことを特徴とする歯車式無段変速機。
2. 請求項１の歯車式無段変速機において、入力軸と出力軸以外の基本軸のうち、任意の軸に減速による変速制御を加える際に、回生制動を用い、発生させた電力を任意の目的に利用可能とすることで、変速制御によって発生したエネルギ損失を抑える歯車式無段変速機。
3. 請求項１の歯車式無段変速機において、入力軸と出力軸以外の基本軸のうち、任意の軸に減速又は加速の制御を加える際に、入力軸と出力軸を含めた全ての基本軸のうち２つ以上を物理的に干渉させて半クラッチ状態を作り、それぞれの回転力に変化を発生させることで、出力軸に対して変速を行うことを特徴とする歯車式無段変速機。

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