JP2018517110A - 流体力学式自動変速機及びこの流体力学式自動変速機を用いる車両 - Google Patents

Abstract

本発明は、流体力学式自動変速機に関し、また、そのような変速機を用いる車両に関する。特許請求される車両は、変速機と、作動流体供給ポンプに接続される自動ギアシフトユニットとを備える。変速機は、エンジンからの入力シャフトと、各ギア段に対する歯車セットと、トルクコンバーターとを備える。トルクコンバーターは、トルクコンバーターの入力シャフト及び出力シャフトにそれぞれ配置され、作動流体循環システムを形成するポンプ及びタービンと、また、循環システム内に位置する回転リアクターベーンとを備える。さらに、変速機において、歯車セットは、エンジンからの入力シャフトに取り付けられ、また、異なる直径を有するとともに、1つのトルクコンバーターの入力シャフトに取り付けられている異なるギア段のギアと噛み合う中央ギアの形態で構成されている。各コンバーターは、車両の自動ギアシフトユニットに電気的及び油圧的に接続される。変速機の出力シャフトは、車輪又はプロペラ又は無限軌道の形態である推進部のうちの1つに接続される。【選択図】図2

Description

本発明は、種々の用途（陸上用及び水上用の双方）の車両において用いられるように構成されている油圧機械式自動変速機（AGB）に関し、また、このような油圧機械式AGBを用いる車両に関する。

現在、多数のギア（トップクラスの自動車では5個〜8個、トラック、バス等では12個〜14個）を備える油圧機械式AGBが、現行の車両において用いられている。このようなAGBは、車両の広範な速度域において、快適な運転及び低燃費をもたらす（非特許文献1を参照）。

ギア機構と、ギア減速機と、ポンプ及びタービンの遠心ホイール、並びに圧力流体供給ポンプを介して圧力流体容器に接続されるリアクターを備える流体式トルクコンバーターとを備える、車両用の油圧機械式AGBがよく知られている。そのようなタイプの変速機と、電気油圧式ギアシフトユニットと、圧力流体容器に接続される圧力流体供給ポンプとを備える車両も知られている。エンジンシャフトから車両の動作部（この場合は車輪）へのトルク伝達は、流体式トルクコンバーターによって、始動、低速での前進及び後進の場合に異なる駆動モードで行われる。高速で運転する場合、ユニットは流体式トルクコンバーターを無効にし、エンジンシャフトから車両の動作部へのトルク伝達は、摩擦クラッチ及び摩擦ブレーキバンドによって所与のシーケンスで自動的に作動及び停止される多くの遊星ギア及びギア駆動装置を用いて行われる（非特許文献2を参照）。

既知のAGBは、多くの高精密部品及びユニットが存在するために、比較的複雑で労働集約的である。また、これらのAGBは、動作寿命が限られており、ひいては、信頼性及び車両の安全性が低減される。自動車内のAGBは、4つの車輪を同じ速度で駆動する。既知のAGBは、かなりの寸法を有し、車輪との相互作用の任意の他の変形を可能にせず、車両の操縦性及び車両の路面安定性が低減する結果となる。

Osepchugov V.V., Frumkin A.K., "Car.Analysis of structures, elements of calculation". Moscow, MashinostroeniePubl., 1989, 89 p. Osepchugov V.V., Frumkin A.K., "Car.Analysis of structures, elements of calculation". Moscow, MashinostroeniePubl., 1989, 87 p., fig. 63.

特許請求される本発明が解決しようとする課題は、流体力学的回転速度と、車両の動作モードの全範囲にわたるトルク伝達とを提供し、さらに、車両の信頼性、路面安定性及び操縦性を提供することによって、構造を簡略化し、動作信頼性を向上し、車両の油圧機械式AGBの動作寿命を延ばすことを目指している。

技術的成果は、エンジンから延びる入力シャフトと、入力シャフトから各ギア段に延びるギア機構とを備える油圧機械式自動多元速度変速機において、ギア機構は、入力シャフトに配置され、異なる直径を有する異なる段のギアホイールと係合する中央ギアホイールの形態で作製されることによって達成される。ここでは、各ギアホイールは、少なくとも1つの流体式トルクコンバーターの入力シャフトに設置され、流体式トルクコンバーターは、入力シャフト及び出力シャフトに対応して配置される、圧力流体の循環をもたらすポンプ及びタービンの遠心ホイールと、流路に配置される可変リアクターブレードとを備える。各流体式トルクコンバーターは、車両のギアシフトユニットに電気的及び油圧的に連結される。中央ギアとトップギアとの間の伝達比は、以下の比：
に対応し、ここで、
は、ギア段において動作する流体式トルクコンバーターの入力シャフトの最大回転速度であり、
は、エンジンシャフトの最大回転速度であり、
は、最大エンジン出力（engine capacity）（キロワット単位）である。

さらに、流体式トルクコンバーターは、以下の特徴を有することができる。
−ポンプ遠心ホイールは、形状加工ブレード（profile blades）を備え、その中心線は、ポンプの遠心ホイールの外径D_2Pと形状加工ブレードの入口径D_1Pとの比が、D_2P/D_1P=1.4〜1.9である場合、122°〜135°で湾曲する。
−タービン遠心ホイールは、形状加工ブレードを備え、その中心線は、ポンプの遠心ホイールの外径D_2Tと形状加工ブレードの入口径D_1Tとの比が、D_2T/D_1T=1.1〜1.3である場合、110°〜120°で湾曲する。
−タービン遠心ホイールは、形状加工ブレードの正面においてタービンの遠心ホイールディスクによって形成され、D_1T/D_2P=1.15〜1.4の比に等しい拡径を有するブレードのない導管を有して作製され、ここで、D_1Tは、タービン遠心ホイールの形状加工ブレードの入口径であり、D_2Pは、ポンプ遠心ホイールの外径である。
−リアクターブレードは、完全開放位置、部分開放位置又は完全閉鎖位置に固定することができる。
−流体式トルクコンバーターにおける圧力流体の流路は、排気ポンプと接続される。

また、技術的成果は、車両が、流体容器から圧力流体を供給する供給ポンプに接続される自動ギアシフトユニットと、少なくとも1つの自動変速機と、動作部とを備え、自動変速機は、上記に示されているように設計され、出力シャフト及び少なくとも1つの動作部に接続され、動作部は、車輪、プロペラ又は無限軌道とすることができることによって達成される。

さらに、車両は、圧力流体容器内の気室に接続される排気ポンプを備え、また、気室は、自動変速機の各流体式トルクコンバーターの圧力流体流路に接続される。

提案される技術的解決策は、AGBの設計マップ、及び車両のエンジンから動作部（車輪、プロペラ、無限軌道等）へのトルク伝達をもたらす全く新しい技術を創出することを可能にし、それにより、より高い信頼性、操縦性及び路面安定性を有する新世代の車両の設計を可能にする。

提案されるAGBは、全てのエンジンモードにおいて、エンジンシャフトから出力シャフトへの流体力学的なトルク伝達及びエンジン回転速度を提供し、この場合、各ギア段において、対応する流体式トルクコンバーターが作動される。このようなAGBは、遊星ギア、摩擦クラッチ又は摩擦ブレーキバンドを備えない。

AGBにおける流体式トルクコンバーターは、エンジンシャフトに接続される変速機の入力シャフトに設置された中央ギアホイールの周りの周囲帯に配置され、まとめてドラムタイプの変速機を画定する。中央ギアホイールは、各流体式トルクコンバーターの入力シャフトに固定される、より小さい直径及び異なる減速比を有するギアホイールに係合され、これにより、各流体式トルクコンバーターの回転速度が増大する。流体式トルクコンバーターの入力シャフトのトップギアにおいて動作する最大速度
と最大エンジン速度
との比は、
に等しいか又はそれを上回る。ここで、
は、最大エンジン出力（キロワット単位）である。これにより、流体式トルクコンバーターの入力シャフトの回転速度を増大させることが可能になり、これにより、また、循環円の内腔の容積が最適に小さくなり、したがって、流体式トルクコンバーターを作動させる際の流体の充填時間が低減する（約0.3秒〜0.4秒）。このような態様は、小さい直径寸法を有するAGBを製造することを可能にする。

ポンプホイール及びタービンホイールの上述の態様は、タービン速度n_Tとポンプ速度n_Pとの伝達比がn_T/n_P=0.95〜1.0に等しい場合において、約92%〜93%に達する、より効率の高い流体式トルクコンバーターをもたらす。

車両に、圧力流体によって気室に接続され、更にAGBの流体式トルクコンバーターの循環円に接続される排気ポンプを設けることにより、流体式トルクコンバーターのポンプホイール及びタービンの回転をもたらす。流体式トルクコンバーターのギア段は、低減された圧力では作動せず、低い油圧機械損失を有する。

AGBの寸法がより小さいことにより、車両において複数の同一の変速機を用いることが可能になり、動作部が異なる伝達速度で動作することが可能になる。各動作部は、固有のAGBに接続することができる。車両の一方の側にある動作部を1つのAGBに、また反対側にある動作部を別のAGBに接続することも可能である。

AGBにおけるギア段の一般的な構成の図である。 本発明に係るAGBの一般的な構成の図である。 本発明に係る、更なるギア段を備えるAGBの一般的な構成の図である。 図2の範囲Aの拡大図である。 流体式トルクコンバーターのポンプの遠心ホイールにおける形状加工ブレードの湾曲の模式図である。 流体式トルクコンバーターのタービンの遠心ホイールにおける形状加工ブレードの湾曲の模式図である。 複数のAGB（2つのAGBが車両の一方の側の動作部に接続されている）を備える車両の動作部の制御模式図である。 複数のAGB（4つのAGBのそれぞれが1つの動作部に接続されている）を備える車両の動作部の制御模式図である。

AGBは、エンジンシャフト1に配置される中央ギア2と、中央ギアの周りに取り付けられ、中央ギアと噛み合う、回転速度の増大に必要な値に応じて異なる直径を有するシフトギアホイール3とを備える。ギアホイール3のそれぞれは、少なくとも1つのギア段へのシフトをもたらす。ギアホイール3は、流体式トルクコンバーター5の入力シャフト4に配置される。各流体式トルクコンバーター5（図2を参照）は、シャフト4に取り付けられたポンプ遠心ホイール6と、出力シャフト7に取り付けられたタービン遠心ホイール8とを備える。ポンプ遠心ホイール6及びタービン遠心ホイール8は、圧力流体流路9を形成し、圧力流体流路9には、可変リアクターブレード10と、可変リアクターブレード10を所定位置において回転させるユニット11が取り付けられている。電気油圧式ギアシフトユニット12は、チャネル13を介して流路9内に供給する圧力流体を制御する。圧力流体は、圧力流体容器14から圧力流体供給ポンプ15によって供給される。流路9から容器14への圧力流体の排液は、チャネル16を介して行われる。また、車両は、エンジンシャフト1に接続されるとともに、吸気管の補助を伴ってチャネル18を介して容器14の気室に接続される排気ポンプ17を備える。圧力流体供給ポンプ15は、エンジンシャフト1又は付加的な電気モーター19によって作動される。空気−水（air-to-water）熱交換器21を介して圧力流体の圧送を行うエジェクターポンプ20が、圧力流体を冷却するのに用いられる。空気−水熱交換器において、圧力流体の冷却は、電気ブロワー22からの空気流及び車両の動作中に生じる流れによってもたらされる。

タービンホイール8は、回転速度を低減するギア機構23を介してギア減速機24に接続され、ギア減速機24は、AGBの出力シャフトに配置されるとともに、主に3つ又は4つの流れを有する全ての流体式トルクコンバーター5に統合されている。

単一のシャフト4におけるギアの数が増加したAGBを提供するために、2つの流体式トルクコンバーターのポンプホイール7が取り付けられる（図3を参照）。これらの2つの流体式トルクコンバーターは、4つの伝動段のモードの実施を可能にする。

本発明の好ましい実施形態
可変リアクターブレード10を所定の固定位置において回転させるユニット11は、チャネルを介して圧力流体供給ポンプ15に接続される作動室を有するばね付勢ピストンとすることができる。可変リアクターブレード10は、少なくとも3つの固定位置に配置することができる。すなわち、流路9の流れ領域が完全に開いている場合（エンジン動力伝達及び効率が最大の流体式トルクコンバーター5の動作モード）、流路9の流れ領域が完全に閉鎖している場合（エンジンの動力伝達がゼロで、流路の内腔が乾いており、ホイールの回転中の機械損失が低減される流体式トルクコンバーター5の動作モード）、流路9の流れ領域が部分的に（20%）閉鎖している場合（エンジンの動力伝達が最大値よりも20%〜25%少なく、効率が85%〜86%である流体式トルクコンバーター5の動作モード）である。可変ブレードの上記3つの固定位置は、単一の流体式トルクコンバーター5の動作中のAGBにおける異なる速度伝達比を有する、エンジンの2つの伝動段のモードの実施を可能にする。

D_1T/D_2P=1.15〜1.4の拡径を有するブレードのない導管25（ここで、D_1Tは、タービンホイール8の形状加工ブレード26の入口径であり、D_2Pは、ポンプホイール6の形状加工ブレード27の入口径である）が、流体式トルクコンバーター5において、ポンプホイール6のブレードとタービンホイール8のブレードとの間に形成される。導管25は、流体式トルクコンバーターの動作中に回転する、タービンホイールディスクの一部である制限側壁28を有する、ブレードのないスロットディフューザーである（図4）。一定循環の法則（law of circulation constancy）によれば、このようなブレードのないスロットディフューザーにおいて、流量の周方向成分の効果的な減少が生じ、タービンブレード26の正面における圧力の増加及びタービンブレード26の後縁部における衝突損失の減少が引き起こされる。

流体式トルクコンバーター5のポンプ遠心ホイール6には、φ°_P＝180°＋Δ°_P−（β°_1P＋β°_2P）＝122°〜135°の角度で湾曲する中心線を有する形状加工ブレード27が設けられている。ここで、Δ°_Pは、ポンプホイールのブレードの前縁部と後縁部との間の径方向角度であり、β°_1Pは、ポンプホイールの入口径における形状の中心線の位置決め角度であり、β°_2Pは、ポンプホイールの出口径における形状の中心線の位置決め角度である。一方、ホイールの外径とブレードの入口径との比は、D_2P/D_1P=1.4〜1.9に等しい（図5）。

また、タービン遠心ホイール8には、φ°_T＝180°＋Δ°_T−（β°_1T＋β°_2T）＝110°〜120°の角度で湾曲する中心線を有する形状加工ブレードが設けられている。ここで、Δ°_Tは、ブレードの前縁部と後縁部との間の径方向角度であり、β°_1Tは、タービンホイールの入口径における形状の中心線の位置決め角度であり、β°_2Tは、タービンホイールの出口径における形状の中心線の位置決め角度である。一方、ホイール8の外径とブレード26の入口径との比は、D_2T/D_1T=1.1〜1.3に等しい（図6）。

ポンプホイール及びタービンホイールの上述の実施態様は、タービン回転速度n_Tとポンプ回転速度n_Pとの伝達比がn_T/n_P=0.95〜1.0に等しい場合において、92%〜93%に達する非常に高い効率の流体式トルクコンバーターをもたらす。

単一のAGBの電気油圧式ギアシフトユニット12は、ギアシフトと、チャネルを介して圧力流体供給ポンプ15に接続されるとともに、チャネル13を介して各ギア段の流体式トルクコンバーター5の流路9の内腔に接続される、可変リアクターブレード10を回転させるユニット11の制御とを提供する。車両の運転速度及びエンジンの動作モードに応じて、ユニット12は、ポンプ15を、流路9と、動作中の1つの流体式トルクコンバーター5において可変リアクターブレードを回転させるユニット11とに接続し、同時に、リアクターブレードを閉鎖位置に固定している他の流体式トルクコンバーター5（他のギア段）の流路9からは供給ポンプ15を遮断する。

AGBにおいて用いられる全ての流体式トルクコンバーターの流路9の内腔は、外径に沿ってチャネル16を介して圧力流体容器14の気室に接続される。また、チャネル16は、エンジンシャフト1又は自律電気モーター19によって駆動される、容器14の気室から大気環境に排気を行う排気ポンプ17の吸気管に接続される。それにより、電気油圧式ギアシフトユニット12によって遮断された流体式トルクコンバーター5において、ポンプ17による排気による、流路9におけるポンプホイール6及びタービンホイール8の回転は、より低い圧力及びより少ない油圧機械損失で行われる。このような損失は、必要であれば、タービンシャフト7から延びるギア減速機において、トルクモーメントの一方向伝達のみを行うフリーホイールクラッチを用いることにより、更に減少させることができる。

車両のエンジンからの回転速度及びトルクモーメントを伝達する上述のタイプの自動ドラム変速機の実施方式及び構造は、軽量で、直径寸法及び軸方向寸法が低減されている。1つの車両29に、車輪、スクリュー又は無限軌道の形態の全ての動作部31を同時に速度変更する1つのAGB30を配置することも、複数の同一のAGBを配置することも可能である。例えば、図7に示されているように、2つのAGB30を1つの車両に取り付けることができ、AGB30のそれぞれは、車両の長手方向軸の一方の側に位置する動作部31に接続される。これにより、特定の車両では従来は不可能であった、例えば急旋回（sharp turn on a dime）等の操縦を行うことが可能になる。図8に示されているように、車両は、車両が備える動作部31と同数のAGB30を備えることができる。この場合、各ABGは、1つの動作部のギアをシフトする。全てのAGBが、車両の1つのギアシフトユニットによって制御される。

そのような方式は、異なる速度比を有する動作部を用いることを可能にし、著しく向上した操縦性と、車両全体の高い安定性をもたらす。さらに、このような方式は、ホイールの逆転を高速で作動させることを可能にし、それにより油圧ブレーキをもたらす。

提供される技術的解決策の態様は、新世代の車両を創出する新たな地平を開くものである。

１：エンジンシャフト
２：中央ギア
３：シフトギアホイール
４：入力シャフト
５：流体式トルクコンバーター
６：ポンプ遠心ホイール
７：出力シャフト
８：タービン遠心ホイール
９：流路
１０：可変リアクターブレード
１１：ユニット
１２：電気油圧式ギアシフトユニット
１３：チャネル
１４：圧力流体容器
１５：圧力流体供給ポンプ
１６：チャネル
１７：排気ポンプ
１８：チャネル
１９：電気モーター
２０：エジェクターポンプ
２１：熱交換器
２２：電気ブロワー
２３：ギア機構
２４：ギア減速機
２５：ブレードのない導管
２６：形状加工ブレード
２７：形状加工ブレード
２８：制限側壁
２９：車両
３０：AGB
３１：動作部

Claims (10)

1. エンジンから延びる入力シャフトと、該入力シャフトから各ギア段に延びるギア機構とを備える油圧機械式自動変速機であって、ギア機構は、異なる直径を有する異なるギア段のギアホイールと噛み合う、前記入力シャフトに配置されている中央ギアとして形成され、前記ギアホイールのそれぞれは、少なくとも1つの流体式トルクコンバーターの前記入力シャフトに取り付けられ、入力シャフト及び出力シャフトに対応して配置されているポンプ及びタービンの遠心ホイールが、圧力流体の流路を形成し、可変リアクターブレードが前記流路に配置され、前記流体式トルクコンバーターのそれぞれは、車両のギアシフトユニットに電気的及び油圧的に連結される、油圧機械式自動変速機。
2. 前記中央ギアとトップギアとの伝達比は、以下の比：
   に対応し、ここで、
   は、前記ギア段において動作する、前記流体式トルクコンバーターの入力シャフトの最大回転速度であり、
   は、エンジンシャフトの最大回転速度であり、
   は、最大エンジン出力（キロワット単位）である、請求項1に記載の自動変速機。
3. 前記変速機の出力シャフトに取り付けられたギア減速機（全ての流体式トルクコンバーターに共通）に接続されるステップダウンギアは、前記流体式トルクコンバーターの前記出力シャフトに配置される、請求項1又は2に記載の自動変速機。
4. 流体式トルクコンバーターにおける前記ポンプ遠心ホイールは、形状加工ブレードを備え、前記ブレードの形状の中心線は、122°〜135°で湾曲し、前記ポンプ遠心ホイールの外径の値D_2Pと前記形状加工ブレードの入口径の値D_1Pとの比は、D_2P/D_1P=1.4〜1.9である、請求項3に記載の自動変速機。
5. 流体式トルクコンバーターにおける前記タービン遠心ホイールは、形状加工ブレードを備え、前記ブレードの形状の中心線は、110°〜120°で湾曲し、前記タービンの外径の値D_2Tと前記形状加工ブレードの入口径の値D_1Tとの比は、D_2T/D_1T=1.1〜1.3である、請求項4に記載の自動変速機。
6. 流体式トルクコンバーターにおける前記タービン遠心ホイールは、形状加工ブレードの正面において前記タービンの遠心ホイールディスクによって形成され、D_1T/D_2P=1.15〜1.4の比に等しい拡径を有するブレードのない導管によって作製され、D_1Tは、前記タービン遠心ホイールの形状加工ブレードの入口径の値であり、D_2Pは、前記ポンプ遠心ホイールの外径の値である、請求項3に記載の自動変速機。
7. 流体式トルクコンバーターにおけるリアクターブレードは、完全開放位置、部分開放位置又は完全閉鎖位置に固定されるように構成されている、請求項3に記載の自動変速機。
8. 流体式トルクコンバーターにおける圧力流体の前記流路は、前記車両の排気ポンプに接続される、請求項3に記載の自動変速機。
9. 圧力流体容器から圧力流体を供給する供給ポンプに接続される自動ギアシフトユニットと、少なくとも1つの自動変速機と、動作部とを備える車両であって、請求項1〜3のいずれか1項に記載の前記自動変速機は、出力シャフトによって前記動作部のうちの少なくとも1つに接続され、動作部は、車輪、プロペラ又は無限軌道とすることができる、車両。
10. 前記車両は、前記圧力流体容器内の気室に接続される排気ポンプを備え、また、前記気室は、前記自動変速機の各流体式トルクコンバーターの圧力流体の流路に接続される、請求項9に記載の車両。