JP2018521285A - ねじりばねを有するトランスミッション、及びトランスミッションを操作するための方法 - Google Patents

ねじりばねを有するトランスミッション、及びトランスミッションを操作するための方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、シャフト(A)に軸方向に支持され得る駆動シャフト(2)から出力シャフト(3)にトルク又はパワーを伝達するためのメカトロニックなトランスミッション(1)であって、それらの回転数は任意の可変比率(無段トランスミッション)を有し得るトランスミッション(1)であって、トランスミッション(1)は結合ホイール(4)とねじりばね(5)とを備え、結合ホイール(4)は、同一のシャフト(A)に回転可能に装着されて出力シャフト(3)にねじりばね(5)によって連結可能であり、トランスミッション(1)は、回転に関して固定された平面状の圧力嵌め第1結合を、駆動シャフト(2)と結合ホイール(4)との間に生成し及び解消するための第1結合手段(7)をも備える。本発明によれば、トランスミッションは、1:Xの固定ギアリングにおいて出力シャフトに連結されてこれとともに回転可能な支持装置(6)であってXは−10乃至1のうちのいずれかの実数であり得る支持装置(6)と、回転に関して固定された平面状の圧力嵌め第2結合を、支持装置(6)と結合ホイール(4)との間に生成し及び解消するための第2結合手段(8)とを備える。

Description

本発明は、シャフトに軸方向に支持され得る駆動シャフトから出力シャフトに連続可変伝達率を考慮してトルク又はパワーを伝達するための、結合ホイールとねじりばねとを備えたトランスミッションであって、結合ホイールは回転可能に同一のシャフトに装着されるとともにねじりばねによって出力シャフトに連結可能であり、駆動シャフトと結合ホイールとの間に回転に関して固定された平面状の圧力嵌め第1結合を生成し及び解消するための第1結合手段をも備える、トランスミッションに関する。また、本発明は、トランスミッションを操作するための方法に関する。
エンジンに関する大部分の応用において、速度及びトルクに関するエンジンの有益な操作範囲は、ギアリングやトランスミッションを必要とする応用の範囲にない。
固定伝動装置や変速機は、多くの場合、広範囲の変形例におけるラックピニオン構成か、又はギア・チェーントランスミッションを基礎としている。このような伝動装置は、1段のみ、又は少数のギア段を有している。したがって、所与の操作ポイントについて消費又は効率性(又は他の基準)の点から理想的であるギア比を常に選択できるわけではない。また、変速機は限定された速度切替操作を有し、これらは牽引力遮断や損失デュアルクラッチ回路のいずれかにより特徴付けられる。
連続可変トランスミッション(無段変速機)は、このようなデメリットを有している。
このようなトランスミッションは、「連続可変トランスミッション(無段変速機)」と呼ばれる。なぜならば、入力回転数(回転速度)と出力回転数(回転速度)との比が、特性操作範囲において自由に選択され得るからである。ここで、「連続可変(無段)」(英語:continuously variable)は「時間的連続」(英語:time continuous)と混同できないことを述べておきたい。連続可変トランスミッションのギア比を経時的に変化させる可能性又は限界を以下で更に考察する。
このような連続可変トランスミッションが無損失的に動作するとおおよそ仮定すると、入力パワーは出力パワーに等しい。パワーはトルクと回転数との積であるから、入力及び出力トルク間の比率は、入力及び出力回転数間の比率と正反対となる。したがって、一般に、ギア比は、出力及び入力回転数同士の比率として理解される。換言すれば、これは、出力及び入力トルク同士の比率に相当する。
このような連続可変トランスミッションがどのように機能するかをより良く理解するように、3つの動作シナリオを以下で検討する。ここで例として道路車両を選択する。これ(後者)において、駆動部(ドライブ)は、典型的には、トルクをそのクランクシャフトに生成する内燃機関から構成される。ここで、このクランクシャフトはトランスミッションの駆動シャフトに堅固に連結されるものであるため、これらの部品は1つのものとしてみなすものとする。このトルク又は対応するパワーは、連続可変トランスミッションにより、ホイールにドライブトレーン(連続可変トランスミッションの出力シャフト)を介して伝達され、車両を駆動する。ここで、ホイールは道路にしっかりと接触しているものとする(摺動や滑動はない)。このため、連続可変トランスミッションの出力シャフトの回転数は、車速に比例する。比例定数は、ホイール半径と連続可変トランスミッションとドライブトレーンに設けられた駆動ホイール(例えば差動)との間の固定伝動装置に対するギア比とから構成される。車両を加速するには、その慣性を克服する必要がある。この慣性は、上述の比例定数とともにトランスミッション出力部にコンピュータにより伝達され得る。
したがって、連続可変トランスミッションは、比較的低い慣性モーメントを有するエンジンのクランクシャフトと、ドライブトレーンとの間に配置され、ドライブトレーンの比較的大きい慣性モーメントは比例定数で変換された車両の質量を含む。多くの連続可変トランスミッションは、駆動シャフト(クランクシャフト)又は出力シャフト(ドライブトレーン)に必ずしも連結されない小さい移動質量だけを含む。簡潔性を期して、このようなフリー質量は以下の例において無視する。上述のように、連続可変トランスミッションは無損失的に動作するものとする。
動作シナリオ1:一定駆動
車両を一定的に駆動したい場合、エンジンにより生成されるパワーを、連続可変トランスミッションが完全に受けて伝達しなくてはならない。また、このパワーは全ての駆動抵抗の抵抗パワーに対して平衡でなくてはならない。車両の抵抗パワーは、全ての抵抗力の合計を乗じた車速である。これらは、空気抵抗力、勾配を原因とする抵抗力、及び非被動ホイールの摩擦及びドライブトレーンにおける摩擦を原因とする抵抗力である。同様に、抵抗パワーは、出力トルクを乗じた駆動回転数に等しい。連続可変トランスミッションにおいて、一定駆動の定常状態における回転数比は、(動作範囲内において)所望のいかなる値をも有しうる。すなわち、この定常状態は、エンジンパワー及びギアリングを前以て制御することで、所望のギア比であるが現在一定であるものに設定された。これは、また、エンジントルクと出力トルクとの比率はこのギア比に厳密に一致するということを意味する。
ここで、このような定常状態に対して選択されたエンジン操作ポイントは、種々の基準に依存し得る。例:冷えた状態でのエンジン始動における理想的なウォーミングアップ回転数、最適な燃費効率運転、又は最適な低公害運転。
動作シナリオ2:一定エンジンパワーを介した車両の加速
ここで、エンジンが一定操作ポイント(例えば、最大出力、又は最適な燃費効率運転ポイント)にあるものとする。すなわち、エンジン速度、エンジントルクが一定であり、ひいてはエンジンパワーが一定である。クランクシャフトがエンジンにより加速又は減速することがないように、連続可変トランスミッションは、エンジンにより生成される正確なトルクと、そして対応するパワーを吸収する必要がある。一方で、トランスミッションの出力トルク、そして出力パワーは、車両の抵抗トルク、そして抵抗パワーより大きくなくてはならず、こうして後者(車両)は加速する。他方で、連続可変トランスミッションの出力パワーは、無損失の場合において駆動パワーと正確に同一である。車速及びトランスミッションの出力回転数は連続的に変化するため、トランスミッションの出力トルクを連続的に調整する必要がある(なぜならば、出力トルク=出力パワー/出力回転数であるから)。
この加速プロセスにおいて、車両に対する抵抗パワーは、例えば増大する空気抵抗や変化する勾配によって連続的に変化し得る。したがって、変化していく車速、そして出力回転数を、先験的に知ることはできない。このため、トランスミッション制御ユニットが、出力回転数を連続的に計測し、出力トルクを制御しなくてはならない。したがって、トランスミッション制御ユニットは、回転数同士の比(これは外的影響に基づいて変化していく)を直接的に制御するのではなく、トルク比を制御する。
本例は、車両の減速にも同様に適用される。当然ながら、抵抗パワーは駆動パワーより大きいことが必要である。
動作シナリオ3:駆動速度を変化させる一定走行
ここでは、車両は一定速度で駆動されるが、エンジンの状態は第1から第2操作ポイントにシフトされる。ここで、車両に対する抵抗力、そして抵抗パワーは一定であり続けるものとする。したがって、駆動パワー(エンジンパワー)は、本操作の最初と最後において同一でなければならない。例えば、回転数が操作の最後において低い場合、エンジントルクをこれに応じて高くしなければならない(逆も同様)。
この操作において、トランスミッションの出力部は、一定のパワー、つまり一定のトルクを一定の回転数で放たなくてはならない。対応するパワーは、駆動シャフト(クランクシャフト)からトランスミッションにより吸収されなくてはならない。したがって、トランスミッション制御ユニットは、連続的に上昇するトルクが駆動シャフトによって吸収されて、連続的に降下する駆動シャフト(drive)の回転数に調整されるような態様で、連続可変トランスミッションをガイドする必要がある。
エンジン制御ユニットの方では、例えば回転数の低減中に、エンジンが、変速機によって吸収されるパワーよりもいくらか低いパワー(すなわち現行のいくらか低いトルク)を生成することを確保しなければならない。このような方法によってのみ、エンジンのクランクシャフト(慣性)はその回転数(角運動量)を低減することができる。
このような動作シナリオにおいても同様に、トランスミッション制御ユニットは、物理的観点からトルク(駆動シャフトにおけるもの)を制御(変更)しなければならない。エンジン回転数は、エンジンにより生成されるトルクとトランスミッションにより送られる(tapped)トルクとの間の差を理由とするクランクシャフトの減速(又は加速)から生じる。
入力回転数(エンジン速度、駆動回転数)及び出力回転数(車速、出力回転数)両方が変化する一般的な非定常動作シナリオは、上述の動作シナリオ2及び3の組合せとして説明され得るものであり、両方のサインを有する加速が2つのシャフトに対して可能である。
要するに、駆動部(エンジン)及び出力部(車両)に対する慣性モーメントは両者とも無視できないため、連続可変トランスミッション又はその制御ユニットは直接的に回転数比を設定することができない。ギア比を変更する際、対応する慣性質量が加速又は減速されるように、連続可変トランスミッションはエンジン又はエンジン制御ユニットと連動してトルク不均衡を提供しなくてはならない。この物理的事実にもかかわらず、不正確にも通説ではトランスミッションはそのギア比を制御するとなっている。
この全体的なアプローチは、一般的に適用可能な連続可変トランスミッションの効果的なレイアウトと無関係である。
これらの考察は、連続可変トランスミッションが、動作シナリオ1において経時的に一定である、且つ動作シナリオ2及び3において連続的に変化しているトルクを吸収する又は放つものであると前以て仮定していることに留意されたい。しかしながら、詳しく見れば、変速機や連続可変トランスミッションの特定の変形例は、それらの構造を理由として、頻繁に周期的な経時的変化をするトルクを生成する。例えば、このような不規則性は、ギアホイールでは歯の弾性やそれらの摩耗(形状エラー)によって、又はチェーンギア(オートバイ)ではリンクの膨張によって生じる。各新しい歯の噛み合いは、動作中に若干のトルク変動を引き起こす。連続可変チェーン変動体においてさえ、べベルギアに入るリンクが、このようなトルク変動を招き得る。
このような変動は頻繁であるため、つまり、時間とともに素早く繰り返す(典型的には数ミリ秒又はこれより速い範囲)ため、対応する余剰又は不足のトルクは、限りなく小さく不活性質量を加速又は減速することができる、或いは、このような高頻度の変動は駆動及び出力シャフトの弾性により平滑化される。換言すれば、時間とともに十分素早く変化する周期的なトルクは、ある期間に亘って見た一定のトルクであって、周期的なトルクの平均値に相当するトルクと同じ効果を有する。
以下に記載の本発明は、トルクが何らデメリットなく頻繁で周期的な変化を受け得るという事実をそのまま利用する。
連続可変トランスミッションの公知の実施形態には、例えばプレートのレイアウトにおける摩擦トランスミッションや円錐リング・トランスミッションやトロイダル・トランスミッションが含まれる。これら全てのトランスミッションにおいて、力はある回転部品から別のものへ静止摩擦を介して伝達される。径方向における接触ポイントの他の位置が、他のギア比を生じさせる。
上述のアプローチに基づけば、トルク不均衡は、ギア比を変えつつ、トランスミッションの少なくとも一側(駆動又は出力)において生じるはずである。このようなシステムの全てに対するデメリットは、平坦部分を無視する場合、力が点状ゾーンにおいて摩擦係合を介して伝達されることである。スリップを防止するように大きな接触力が拡がらなくてはならず、これにより部品に大きな負荷がかかる。
ギア比がゆっくりと、そして停止せずにしか変更できないことは更に不利である。なぜならば、或る摩擦体は、別のものに対して、定常状態におけるように完全に接線方向ではなく、わずかに径方向に回動するため、接触点は他の半径に移動するからである。
1つの選択肢は、ベルト又はチェーン概念による連続可変トランスミッションに関する。後者において、ベルト又はチェーンが、駆動及び出力シャフトに固定された2対のディスク間に延在する。ディスクの対向する側面は、ベルト又はチェーンのためのV又は楔形ギャップを提供するように形成される。ベルトの周方向半径及びギア比は、各ディスク対の一方のディスクを軸方向にシフトすることにより設定され得る。このプロセスにおいて、制約トルクが、合流するディスクとチェーン(又はベルト)との間に生じ、これが上述のトルク不均衡に寄与する。同時に、チェーン(又はベルト)はその径方向位置をディスク対の間で変更しなければならないが、これはディスクの回転を介してしか実施できない。なぜならば、チェーン(又はベルト)が出入りする時に、摩擦ポイント間における最大半径差に構造上のタイトな制限が課せられるからである。
力がディスクからベルト又はチェーンに伝達されるエリアは理論的には直線状であるが、膨張現象によって周囲の小さい領域に制限される。したがって、このようなトランスミッションは、摩擦ギア、特に、高い接触圧を生成して限定された程度までしか迅速な変速を許容しない点状摩擦係合とおおよそ同じデメリットを有する。
上述のように、ステップ・トランスミッションは、所望のギア比を呈することができない。公知の全ての機械的な連続可変トランスミッションは、力が点状又は直線状ゾーンにおける摩擦を介して伝達され、このことが部品に対する高い接触力を招き、ひいては高い面荷重を招くというデメリットを有している。後者を考慮すると、ギア比は運転中のみにおいて制限された速度でしか変更できない。
特に、道路車両のドライブトレーンは、実際に、頻繁で非常に素早く変化する負荷を受ける。連続的に可変であり且つ素早く変化するトランスミッションだけが、駆動エンジンがこれらの負荷プロファイルに関して常に最適な動作状態において動作することを可能にする。ここで、この最適性により、例えば、消費、汚染や摩耗、又は他の基準が最小化され得る。
文献WO2012008245 A1号及びWO2013008624 A1号が、四バーアークを有する連続可変トランスミッションについて記載している。対応するスイベル体を有するいくつかの四バーアークが駆動部に配設される。これらのスイベル体の全てが、駆動シャフトにフリーホイールを介して連結可能であり、その時点で最速のものが常に係合されてエネルギーを伝達する。連続的に可変の伝達は、四バーアークの偏心度を変えることで生じる。したがって、駆動シャフトの運動は厳密に連続的ではなく、むしろ波状である。なぜならば、これは、振動体の振動運動に対する最大範囲から構成されているからである。出力シャフトの運動(回転数)は必然的に波状であるため、この解決策は、上述のようにトルクが頻繁に変動する場合と全く異なる特性を示す。具体的には、ここでは、非常に強い振動が予期される。
GB 2400422 A号には、ばねが駆動シャフトからエネルギーを断続的に吸収しこれを当該ばねに対して同心状に配設された出力シャフトに放つとともに、プロセスにおいて振動する他の連続可変トランスミッションが記載されている。パワー伝達は、断続的にビームに当接するばねのレッジが担当する。ここに記載のトランスミッションは、複雑な構造的設計を有し、出力シャフトがいかにして制御された態様において信頼性高く駆動され得るかが不明である。
文書US 2,864,259号は、均一な回転運動がカム(四バーアーク)によって振り子運動に変換される連続可変トランスミッションについて記載している。振り子運動が、中間シャフトをフリーホイール・クラッチ(オーバーラン・クラッチ)を介して前方に駆動する。前方方向において最速で生じる振り子運動は、いずれか1つの時間ポイントにおいて係合する。したがって、この中間シャフトは波状の前方移動をなす。これは、駆動部にトーションバー(ねじりばね)を介して連結される。中間シャフトは、トーションバーを使用して駆動部を駆動する。テキストに記載のように、負荷すなわち負荷トルクに依存する出力部の回転数は、駆動部の一定の回転数における出力部において生じるが、これは不利である。所望の駆動部は、(動作範囲における)あらゆる負荷に所望とされるいずれのギア比も可能とするものである。US 2,864,259号は、受動フリーホイール・クラッチの使用を特徴とするものであるが、これは自由に選択可能な時間ポイントにおける連結を許容するものではない。
本発明の目的は、単純で信頼性の高い構造的設計を有する、冒頭に記載のタイプの連続的に可変であるメカトロニックなトランスミッションであって、研磨結合部或いはチェーン又はベルトを介した点状トランスミッションにより摩擦ロスや摩耗が生じない変速機を示すことである。本発明は、駆動部(例えば内燃機関のクランクシャフト)や出力部(ドライブトレーン及び車両)の不活性質量体に作用する頻繁に変化するトルクが、頻繁に変化するトルクの経時的平均値に相当する一定のトルクと本質的に同じ効果を有するという上述の事実を利用する。
本発明の他の目的は、パワーがこのようなメカトロニックなトランスミッションにより伝達される方法を記載することである。
この目的は、独立請求項の特徴により達成される。好適な装置は、従属請求項に示される。
以下に記載の本発明の思想は、どのようにトランスミッションが短い時間(サイクル)において機能するかを説明するものである。本明細書のトランスミッションが一定のギア比で動作するか(動作シナリオ1)、出力部の回転数が変化するか(動作シナリオ2)、駆動部の回転数が変化するか(動作シナリオ3)、又は両者の回転数が変化するか(動作シナリオ2及び3の組合せ)は、この種の単数又は複数の全部の周期(サイクル)に亘る駆動及び出力シャフトのトルク均衡に由来する。
本発明によれば、トランスミッションは、支持装置(例えば、リング、ディスク又は中空シャフト)を備える。支持装置は、1:Xの固定ギアリングにおいて出力シャフトに連結されてこれとともに回転可能であり、Xは−10乃至1のうちのいずれかの実数であり得る。また、本発明によるトランスミッションは、回転的に固定された平面状の圧力嵌め第2結合を、支持装置と結合ホイールとの間に生成し及び解消するための第2結合手段を備える。
本発明に存在する思想において、回転部品間の結合は、これらが同一の回転数を有するときのみ生じる。この場合、摩擦やエネルギーロスが結合プロセスにおいて生じない。これを達成するために、結合ホイールは、出力シャフトにねじりばねによって連結される。これにより、結合ホイールは、ねじりばねに蓄えられたエネルギーを吸収することで、出力シャフトよりも速い回転数、特に駆動シャフトの回転数より顕著に高い回転数に到達することができる。
各動作回路について、ねじりばねは、片側に固定された結合ホイールを加速したり制動したり変化しながら、その端位置に一度スイベルする。例えば、一静止時点において、結合ホイールとアイドリング中の支持装置との間に結合がスムースに成立され得る。
トルク又はパワーを急速に回転する駆動シャフトからより緩慢に回転する出力シャフトに伝達するための本発明の方法において、結合ホイールと駆動シャフトとが正確に同一の回転数を有した直後に、結合ホイールを駆動シャフトに第1結合手段によって結合する。ここで、結合ホイールを駆動シャフトの(より高い)回転数まで加速させたエネルギーがばねに前以て蓄えられていたものとする。したがって、このエネルギーは、先行する動作回路の最後に単純に存在したものであることになる。始動プロセスは以下に説明される。したがって、ねじりばねは張力を受け、同時にエネルギーは駆動シャフトから出力シャフトにねじりばねを介して伝達される。ねじりばねの高い張力において、結合ホイールが自由回転でき、且つ回転数が下降する間も回転を継続できるように、結合ホイールを駆動シャフトから分離する。エネルギーをねじりばねから出力シャフトに伝達するように、結合ホイールと支持装置とが正確に同一の回転数を有した直後に、結合ホイールを支持装置に第2結合手段によって結合する。最後に、ねじりばねの低い張力において、結合ホイールが自由回転しつつ再度上昇するように、結合ホイールを支持装置から分離する。プロセスは、最初からもう一度開始される。
本発明を、図面を参照しつつ以下により詳細に説明する。
本発明によるトランスミッションを概略的に示す斜視図。 時間に応じた2つのサイクルの進行状態を示す図。特に、図2aは駆動及び出力シャフトの回転数を示す図。図2bは、時間に応じた2つのサイクルの進行状態であって、特に、ねじりばねのねじれの角度を示す図。図2cは、時間に応じた2つのサイクルの進行状態であって、特に、結合ホイールの回転数を示す図。図2dは、時間に応じた2つのサイクルの進行状態であって、特に、出力シャフトに作用するトルクを示す図。図2eは、時間に応じた2つのサイクルの進行状態であって、特に、伝達エネルギーを示す図。
図1は、シャフトAに軸方向に装着され得る駆動シャフト2から出力シャフト3にトルク又はパワーを連続的に可変の態様で伝達するための本発明によるメカトロニックなトランスミッション1の概略斜視図である。トランスミッション1は、結合ホイール4とねじりばね5とを備え、結合ホイール4は同一のシャフトAに回転可能に装着されるとともに、ねじりばね5によって出力シャフト3に連結されている。また、トランスミッション1は、回転に関して固定された平面状の圧力嵌め第1結合を、駆動シャフト2と結合ホイール4との間に生成し及び撤廃するための第1結合手段7を備える。本発明によれば、トランスミッション1は、支持装置6も備える。支持装置6は、1:Xの固定ギアリングで出力シャフト3にギアドライブ9により連結されるとともに、シャフトAの周囲に回転可能に装着されており、Xはおよそ−10乃至1のいずれかの実数であり得る。具体的には、支持装置6が、例えばトランスミッションのハウジングに固定的に連結されるように、Xはゼロであり得る。ギアドライブ9は、この特定例において省略される。他の例において、支持装置6は、シャフトAの周囲に回転可能に装着されるとともに、上述のように出力シャフト3に1未満の固定ギアリングで(例えばギアにより)連結されたリング、ディスク又は中空シャフトとして構成され得る。
また、トランスミッション1は、回転に関して固定された圧力嵌め第2結合を、支持装置6と結合ホイール4との間に生成し撤廃するための第2結合手段8を備える。
結合ホイール4は、有利には、出力シャフト3に対して同軸的に配設され、これにより、駆動シャフト2、結合ホイール4、及び出力シャフト3の全てが同一のシャフトAに装着される。
第1及び第2結合手段7及び8は、好適には、それぞれ押圧機構を有する磁性又は機械的結合部、又は駆動シャフト2又は支持装置6と結合ホイール4との間の他の結合部からなる。
本発明によれば、結合部の両側の部品が同一の回転数を有したときに、結合部をそれぞれ締結するだけである。これにより、摩耗の発生が防止されるとともにロスが最小とされる。
第1結合手段7を作動させた場合、結合ホイール4と駆動シャフト2は必然的に同一の回転数で運動する。この第1結合手段7を再び分離すると、結合ホイール4と駆動シャフト2は、直ちにシャフトAの周囲を再び異なる回転数で運動し得る。
第2結合手段8を作動させた場合、結合ホイール4と支持装置6は必然的に同一の回転数で運動するか、又は両者とも停止する。この回転数は、反対方向にも回転し得る出力シャフト3の回転数より遅い。出力シャフト3に対するそのギア比は常に一定であり、1以下である。したがって、ねじりばね5は、結合手段8が締結されているこれらのステップにおいて緩み、そしてエネルギーを出力部3に放つ。この第2結合手段8を再び分離すると、結合ホイール4と支持装置6は、直ちにシャフトAの周囲を再び異なる回転数で運動し得る。結合手段7、8は、駆動シャフト2と結合ホイール4との間、又は支持装置6と結合ホイール4との間に配置され、図1において矢印で表示されるのみである。
特に、本発明によるトランスミッションは、センサ12を有し得る。これら(後者)は、結合ホイール4、並びに駆動シャフト2、出力シャフト3、及び/又は可能であれば支持装置6の絶対及び/又は相対回転数を測定するように使用される。
具体的には、このようなセンサ12は、結合ホイール4と駆動シャフト2又は支持装置6のそれぞれが同一の現行回転数を有しているとき、測定を可能にすることが意図されている。この場合、駆動シャフト2又は支持装置6は、結合ホイール4に対応する結合手段7又は8により摩擦ロスを生じることなく結合され得る。例えば、このようなセンサ12は、結合ホイール4、駆動シャフト2、出力シャフト3、及び/又は支持装置6に固定された精密グリッドを光学的に獲得する光学センサであり得る。
最後に、制御ユニットが、結合部7及び8を、好適な時間ポイントにおいて、取得した回転数に基づいて締結及び解除し得る。制御ユニット13と結合手段7、8に連結する対応するラインは図1で示されていない。データは、センサ12から制御ユニット13に、そして後者から結合手段7及び8に遠隔測定法により伝達され得る。制御ユニット13は、ユーザ、及び典型的には所望の加速度、パワー又はトルクをそれぞれ規定する駆動制御ユニットにも連結されなければならない。これらの連結部も図示しない。制御ユニットは、ユーザ又は駆動制御ユニットにより特定される情報に基づいて結合手段7及び8を結合及び解除する好適なそれぞれの時間ポイントを計算し、これにより図2に示すように動作ステップ(a)乃至(d)を定める。例えば、ユーザ情報が、車両のアクセルペダルを作動させることにより伝達され得る。
特例において、本発明のトランスミッション1は、第1支持装置6のものとは異なる固定ギアリングX’において出力シャフト3に連結されるとともにこれに回転可能に配設された少なくとも1つの第2支持装置6’を有し得る。状況に応じて、第1又は第2支持装置6、6’がそれぞれ使用され得る。他の場合、第2支持装置6’は、第1支持装置6と同一であるように構成することもできるが、図示されない。異なる固定ギアリングX‘を有する少なくとも1つの第2支持装置6’の使用により、トランスミッションの範囲及びパワー域が拡大する。
本発明によれば、ねじりばね5は漸進特性を有し得る。次いで、これは伝達特性に対するメリットをもたらし得る。
以下のステップは、本発明によるメカトロニックなトランスミッション1を使用してトルク又はパワーを駆動シャフト2から出力シャフト3に伝達するための本発明による周期方法において実施され、図2に例示的に記載される。作業サイクルの個々の経時的連続ステップ(a)乃至(d)も図2eの下部に示される。
図2aは、駆動部2及び出力部3の回転数20及び21を示す。結合ホイールの回転数22は図2cに示される。或る時間帯において、これは、支持装置6の回転数23に、特にこれら(後者)が互いに結合されている場合に一致する。図2bは、ねじりばね5のねじれの角度24を示す。図2a乃至2eの全ては、クレームされた方法の2つの全部のサイクルを示し、各サイクルは0.05秒持続する。
図2dは、出力シャフト3に作用するトルク25を示す。図2eは、作業サイクルにおいて個々の部品により放たれる又は吸収されるエネルギーを示す。ここで、駆動シャフトにより放たれたエネルギー26(負方向に示されるエネルギー放出)は、エネルギー27及び28の和に一致する。エネルギー27は、ねじりばね5及び結合ホイール4が共同して吸収する。エネルギー28は、出力シャフト3により吸収される。駆動シャフトにより放たれるエネルギー26がゼロであるエリアでは、特にステップ(c)において、出力シャフト3は、ねじりばね5及び結合ホイール4により放たれたエネルギー27に対応するエネルギー28を受けるため、テーパしている。
サイクルのステップ(a)乃至(d)を、図2の例に基づいて順に説明する。
本明細書において、トランスミッションは既に動作中であるものとする。換言すれば、駆動シャフト2が、最初は、およそ310rad/s(=およそ3000RPM)の回転数(角速度)で回転するものとする。出力シャフト3は、最初は、これより遅いおよそ120rad/s(=およそ1150RPM)の回転数で回転する。ねじりばね5は、システム全体の始動時に前以て負荷を加えられた。2つの結合手段7及び8が分離している場合、このねじりばね5に対する前負荷により、結合ホイール4がシャフトAの周囲を、ばね質量系の固有振動数において回転的にスイベルする。この状態は、自由回転(フリー・ホイーリング)とも称される。出力シャフト3から見ると、結合ホイール4は前後に回転的にスイベルする。慣性系から見ると、結合ホイールは、出力シャフト3より繰り返しゆっくりと、そして繰り返し素早く回転する。この振動中に(図2cのステップ23)、結合ホイール4は、駆動シャフト2の回転数を超える速い回転数に達する。これは、また負の回転数にも達する。すなわち、それは短時間後方に回転する。結合ホイール4の平均回転数は、出力シャフト3の回転数に等しい。
こうして、トルク及びパワーを伝達するように4つのステップが実施される。結合ホイール4と駆動シャフト2とが厳密に同一の回転数22、20を有し、且つねじりばねが前方に負荷を受けている時間ポイントにおいて、結合ホイールを駆動シャフト2に第1結合手段を介して結合することにより、ステップ(a)が開始される。ステップ(a)全体において、結合ホイール4は、駆動シャフト2と同一である回転数22又は20において回転する。結果として、ねじりばね5はねじれの最大角度24まで負荷を受け、エネルギー26は駆動シャフト2から出力シャフト3にねじりばね5を介してエネルギー28と同時に伝達される。このエネルギー26の一部がエネルギー27としてねじりばね5及び結合ホイール4により吸収される。このようなエネルギー伝達により、駆動シャフト2は少し減速する。本例において、駆動シャフトの回転数は、1%未満だけ減少する。同時に、出力シャフトは、わずかに(1000分の1未満だけ)加速する。
ねじりばね5に対する高い張力、及びねじれの大きい角度24を前提として、結合ホイール4を駆動シャフト2から分離することによりステップ(b)が導入される。結果として、自由回転している結合ホイール4が、低下する回転数において回転を続ける。このステップ(b)において、駆動シャフト2はエネルギーを伝達しない。結合ホイール4は、その自由振動においてゆっくりになり、そのエネルギーの一部を更に張力を受けているねじりばね5に放つ。それは、別の一部を出力シャフト3に放つ。このエネルギー合計は比較的小さい。こうして、出力シャフト3だけが、本ステップにおいてわずかに加速する。
結合ホイール4と支持装置6が厳密に同一の回転数22、23を有した直後に、結合ホイール4を支持装置6に第2結合手段8を介して結合することによりステップ(c)が導入される。本例において、支持装置6は、結合装置8に対する結合ホイール4の対をなすものとして機能するハウジングの典型的には円形部分のみから構成される。換言すれば、結合ホイール4は、その絶対回転数がゼロになった時点において、ハウジングに圧力嵌めされた態様において連結される。
一般に、支持装置6は、シャフトAの周囲を回転可能であるように装着され、出力シャフト3に、1未満の固定ギアリングを有するトランスミッション1を介して、例えばギアドライブ9によって連結されるリング、ディスク又は中空シャフトとして設計されると考えられる。換言すれば、出力シャフト3が回転した直後に、支持装置6も回転するがよりゆっくりと又は後方に回転する。この一般的な例においても、支持装置6は、結合装置8がこれを圧力嵌めの態様において結合ホイール4に結合可能であるように構成される。
ステップ(c)全体において、結合ホイール4は、支持装置6と同一の回転数23で回転する(本例において両者は静止している)。支持装置6は出力シャフト3よりゆっくりと回転する(又は静止している)ので、ねじりばね5は緩み、ステップ(a)でねじりばね5により吸収されたエネルギー27は再び放たれ、同時にエネルギー28として出力シャフト3に吸収される。これにより、出力シャフトはいくらか加速する。本例において、わずか1%未満だけである。
ねじりばね5の低い張力、そして、最初のステップ(a)におけるねじれの角度24におおよそ対応するねじりばね5のねじれの小さい角度24を前提として、最後のステップ(d)が、結合ホイール4を支持装置6から再び分離することにより導入される。結合ホイール4は、ステップ(d)全体に亘って自由回転し、出力シャフト3に対して前後に回転的に振動し続ける。本ステップにおいて、結合ホイール4とねじりばね5とは、運動エネルギー及びポテンシャル(ばね)エネルギーを振り子のように交換する(図示せず)。出力部3に対しても少量のエネルギーが交換される。ここで、エネルギー27及び28は反対方向に振動する。
回転数が減少するにつれて結合ホイール4が駆動シャフト2の正確に同じ速さで再び回転する時間ポイントは、ステップ(d)の終了を意味し、これとともにステップ(a)乃至(d)から構成される作業サイクル全体が終了する。このとき、ステップ(a)を開始することにより新しいサイクルが始まる。
図2に示すケースは、動作シナリオ1に対応する。駆動部(エンジン)が一定のパワー(単位時間毎のエネルギー)を駆動シャフト2に伝達する一方、出力シャフト3に対する抵抗が厳密に同一の一定パワーを吸収する。駆動シャフト2は、ステップ(a)におけるエネルギーの抽出によりいくらか減速する。ステップ(b)乃至(d)においては、これから追加のエネルギーが抽出されることはないが、駆動部(エンジン)は全てのステップを通してこれに一定のエネルギーを供給する。ここで、供給される合計エネルギーは、ステップ(a)において除去されるエネルギーに等しい。したがって、平均してパワー均衡が存在し、このため、駆動シャフト2の回転数はシーケンス全体の初点と終点において厳密に同一であり続けるのである。
同様の説明が出力シャフト3に対しても当てはまる。ステップ(a)乃至(c)において、これは駆動シャフト2及びねじりばね5からエネルギーを吸収するが、これはステップ(d)においてねじりばね5にいくらかのエネルギーを返還する。交換されたエネルギー量の和は、摩耗抵抗を理由として、時間全体に亘り除去されたエネルギーに正確に等しい。したがって、出力シャフト3は、シーケンス全体の始点と終点において厳密に同一の回転数を有する。こうして、シーケンス全体は、長い期間に亘って厳密に自らを反復し、これは静止動作に相当する。
このシーケンスは、(技術範囲内で)あらゆるギア比において実施可能であり、このため、本発明は連続可変トランスミッション(無段変速機)のように動作するのである。
異なる平均トルク(異なるパワー)を駆動シャフト2と出力シャフト3に対して同一の回転数で伝達しなければならない場合、ステップ(a)及び(c)の継続時間を対応して調整すればよい。例えば、ステップ(a)及び(c)を、伝達される低いパワーにおいて短くして、ねじりばね5がエネルギーを少なく吸収し、かつ放つようにする。
この伝達が動作シナリオ2であった場合、上記と同じことが駆動シャフト2に生じるであろう。しかしながら、出力部の抵抗(抵抗パワー)は、トランスミッションにより伝達されるパワーよりも小さい。結果として、出力シャフト3の回転数は、各サイクル後において前よりもいくらか高く、これにより、制御ユニットによってサイクル毎に結合手段7を開放したり締結したりしなければならないタイミングをわずかに調整する必要がある。
動作シナリオ3において、駆動シャフト2に駆動部(エンジン)により導入されるパワーは、トランスミッションにより吸収される平均パワー(単位時間当たりのエネルギー)よりもいくらか小さいであろう。これにより、駆動シャフト2の回転数は全体サイクル後に当初より低いであろう、すなわち、全体として下降するであろう。動作シナリオ1と同様に、出力シャフト3において状態は一定であり続ける。また、結合手段7及び8を開放したり締結したりするタイミングは、ここでもサイクル毎に連続的に調整しなくてはならない。
したがって、ギア比の変更は、他の連続可変トランスミッションのように機械的力を部品(レバー)に作用させるのではなく、結合部の、及びこれにより伝達される平均パワーの切替時間を変更することにより開始する。したがって、これらは制御装置により事前に計算され管理される。このため、本トランスミッションは「メカトロニック」とも称されるのである。
好適な方法において、支持装置6の回転数23は、常にゼロである。したがって、これは固定装着することが可能であり、シャフトに回転可能に装着する必要はない。
特に、ドライブトレーンに過度に低い頻度の振動が生じないように、(a)から次の(a)までの全部のサイクルは、典型的には、自動車について長くても50ms(ミリ秒)間しか持続しないであろう。この結果、ユーザは本トランスミッションをがたつきがないものと感じる。システムによる変更制御コマンドに対する応答は、多くてもこのような2つのサイクル、すなわち長くても100msかかるだけである。このような応答時間は、ユーザには即時と感じられる。結合がもう片方の結合手段と同一の回転数で生じるという上述の条件を満たすように、結合手段7、8を結合及び分離する各時間は、長くてもサイクル時間のおよそ100分の1秒、つまり例えばおよそ0.5msである。具体的には、制御ユニット13が、ステップ(a)乃至(d)の導入を開始することができる。制御ユニット13は、また、ユーザコマンドを受信して、パワー伝達をドライブ制御ユニットに連携させる。
低いパワーを伝達するように、(a)から次の(a)までの全部のサイクルを、待機フェーズにより延長することが有利であろう。このような待機フェーズは、出力シャフト3と結合ホイール4との間に追加の結合手段(図示せず)を導入することにより導入され得る。また、この結合手段は、結合ホイール4と出力シャフト3とが同一の回転数22、21を有しているときのみ結合されるので、ロスが生じない。一定時間後、結合手段を再度分離させる。この結合が有効である限り、ねじりばねはその前負荷を維持し続け、エネルギーを放ったり吸収したりしない。この結合は、典型的には、ステップ(d)で有効とされる。結果として、(a)から次の(a)までの全部のサイクルの持続時間が延長され得る。特に、これにより、全ての動作シナリオに対する全部のサイクルの一定の持続時間を選択することが可能となり、ドライブトレーン全体における共鳴を回避する上で有利であり得る。
本明細書に記載の全部のサイクルの部分的なステップは、駆動部の回転数と出力部の回転数との比がいずれのものであっても実施され得る。したがって、パワー伝達はあらゆるギア比において実施され得る。本トランスミッションは、連続可変トランスミッション(無段変速機)のように振る舞う。
ギア比がある部品(レバー)に作用する力の結果として変更され、これによりトルクの不均衡が引き起こされる連続可変トランスミッションの他のバージョンとは対照的に、本発明の制御ユニットがステップ(a)及び(c)の長さを変更することで(全体サイクルの平均において)変更されたトルクが伝達され、これが最終的に駆動部及び/又は出力部の加速又は減速を生じさせ、これによりギアリング変更が生じる。
この伝達が冒頭に記載の動作シナリオ1における場合、トランスミッション制御ユニットは、(サイクルに亘って)駆動シャフトに吸収される平均パワーを、駆動部(エンジン)による駆動シャフトへの平均パワー出力と厳密に同一であるように維持しなければならない。したがって、駆動シャフトの平均回転数はサイクル毎に変化しない。同様に、このサイクルに亘る出力シャフトへの(ロスを無視した場合同一である)平均パワー出力は、抵抗パワーに等しいままであるように維持されなければならず、これにより出力シャフトの平均回転数は変化しない。上記に関わらず、駆動部制御ユニット(エンジン制御ユニット)は、駆動部(エンジン)によるパワー出力が抵抗パワーと平衡であることを確保しなければならない。
動作シナリオ2において、トランスミッション制御ユニットは、トランスミッションにより吸収される平均パワーを、駆動部(エンジン)によって駆動シャフトに出力されるパワーと同一に維持しなくてはならない。無損失の場合、同一のパワーが出力部に放たれる。このパワーは車両に対する抵抗パワーより大きいため、出力部は加速する。出力回転数はこうしてサイクル毎に変化するため、トランスミッション制御ユニットは、現行の出力回転数とともに放たれた平均トルクが(一定の)駆動パワーを生じさせることを確保しなければならない。
動作シナリオ3において、トランスミッション制御ユニットは、出力回転数が一定であり続けるように、トランスミッションにより出力される平均パワーを抵抗パワーと同一であるように維持しなければならない。無損失の場合、同一のパワーが駆動部により吸収されなければならない。この平均パワーは、駆動部(エンジン)により生成されるパワーより大きいため、駆動シャフトは減速する。駆動回転数はサイクル毎に変化するので、トランスミッション制御ユニットは、この駆動回転数とともに吸収平均トルクが放たれるパワーを生じさせることを確保しなければならない。同時に、駆動部制御ユニット(エンジン制御ユニット)は、駆動部により生成されるパワーが放たれるパワーより小さいことを確保しなければならない。
サイクルにおけるプロセスを検証する目的で、駆動部と出力部の回転数を大きい慣性に基づいておおよそ一定とみなすことができる。回転数における大幅な変化は、パワー不均衡(トルク不均衡)を考慮すると、全体又はいくつかのサイクルに亘るシャフトのうちの一方にのみ起こる。
上記に関わらず、本トランスミッションは、非常に迅速に(1つのサイクルにおいて)このような不均衡を生成できるので、シャフトの一方(典型的には駆動シャフト)を迅速に加速又は減速できる、すなわち、素早くギア比を変更できる。なぜならば、伝達されたパワーがサイクル毎に変更され得るからである。連続可変摩擦及びチェーンギアとは対照的に、このような移行プロセスにおいて、高いトランスミッションロスが生じない。
また、全てのトランスミッションと全く同様に、本連続可変トランスミッションは、各ギア比で、トルクを最大値からゼロの値まで、更には負の最大値まで伝達可能である。この目的のために、多くのトランスミッションにおいて影響を及ぼしてはならない一方、ステップ(a)及び(c)の長さは正しい態様で同期して変更しなくてはならない。例えば、起伏のある道路を一定の速度で走行する場合、パワーを上り斜面で伝達してもよく、且つパワーを下り斜面でゼロ又は負の値に戻してもよい。ここで、駆動部(エンジン)がその回転数を一定に保持するか、又は変更するかによる違いはない。
また、本連続可変トランスミッションは、始動を目的として、すなわち、出力シャフトを定常状態から加速するために使用され得る。エンジンを回転させる際、結合ホイール4がねじりばね5に対して自由に振動しつつエンジンの少なくともアイドリング速度に到達することを許容するようなエネルギー量を、ねじりばね5が蓄えるまで、結合手段7はこの目的のために締結されなければならない。結合手段7はその後開放され、結合ホイールは自由に振動することができる。このプロセスにおいて、出力シャフトは減速されなければならない。長いアイドリングを考慮すると、結合ホイール4を駆動部2に結合手段7で再度連結して摩擦で失われるエネルギーを回復することが必要であろう。始動時において、出力シャフト3上のブレーキが解除され、上述のように直接伝達が実施可能とされる。
1 トランスミッション
2 駆動シャフト
3 出力シャフト
4 結合ホイール
5 ねじりばね
6,6´ 支持装置
7 第1結合手段
8 第2結合手段
9 ギアドライブ、出力シャフト3と支持装置6との間の低減ギア
12 センサ
13 制御ユニット/トランスミッション制御ユニット
20 駆動部2の回転数
21 出力部3の回転数
22 結合ホイール4の回転数
23 支持装置6の回転数
24 ねじりばね5の角度
25 出力シャフトに作用するトルク
26 駆動シャフト2から放たれるエネルギー(放出=負の値)
27 ねじりばね5により吸収されるエネルギー
28 出力シャフト3により吸収されるエネルギー
A 駆動シャフトの軸
X,X´ 支持装置と駆動シャフト3との間の固定ギア比
(a) 駆動シャフトを結合ホイールに結合する、エネルギー伝達
(b) 結合ホイールを分離する、自由回転
(c) 結合ホイールを支持装置に結合する、エネルギー伝達
(d) 結合ホイールを分離する、自由回転

Claims (13)

  1. シャフト(A)に軸方向に支持され得る駆動シャフト(2)から出力シャフト(3)に、連続可変伝達率を考慮してトルク又はパワーを伝達するためのトランスミッション(1)であって、
    結合ホイール(4)とねじりばね(5)とを備え、
    前記結合ホイール(4)は、同一の前記シャフト(A)に回転可能に装着されており、且つ、前記出力シャフト(3)に前記ねじりばね(5)によって連結可能であり、
    前記トランスミッション(1)は、回転に関して固定された平面状の圧力嵌め第1結合を、前記駆動シャフト(2)と結合ホイール(4)との間に生成し及び解消するための第1結合手段(7)をも備え、
    前記トランスミッション(1)は、1:Xの固定ギアリングにおいて前記出力シャフトに連結されてこれとともに回転可能な支持装置(6)であってXは−10乃至1のうちのいずれかの実数であり得る支持装置(6)を備えるとともに、回転に関して固定された平面状の圧力嵌め第2結合を、前記支持装置(6)と前記結合ホイール(4)との間に生成し及び解消するための第2結合手段(8)を備え、
    前記トランスミッション(1)は、制御ユニット(13)及び複数のセンサ(12)に連結されており、
    前記センサ(12)は、前記結合ホイール(4)、前記駆動シャフト(2)、前記出力シャフト(3)及び/又は前記支持装置(6)の絶対及び/又は相対回転数を測定するように使用され、これにより、前記制御ユニット(13)は、好適なタイミングにおいて前記測定回転数に基づいて前記結合手段(7、8)により前記結合の生成及び解消を開始可能であり、これにより、前記結合手段(7、8)は、自由に選択可能なタイミングにおいて結合又は分離され得る、
    ことを特徴とするトランスミッション(1)。
  2. 前記結合ホイール(4)は、前記出力シャフト(3)に対して同軸的に配設され得る、
    ことを特徴とする請求項1に記載のトランスミッション。
  3. 前記支持装置(6)は、前記トランスミッションのハウジングに固定的に連結されている、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載のトランスミッション。
  4. 結合手段(7、8)のうちの一方又は両方は、前記駆動シャフト(2)又は前記支持装置(6)と前記結合ホイール(4)との間の磁性又は機械的結合部から構成されている、
    ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のトランスミッション。
  5. 前記出力シャフト(3)に対して、前記第1支持装置(6)とは異なる固定ギアリング1:X’において回転可能に配設された少なくとも1つの第2支持装置(6’)、
    を特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のトランスミッション。
  6. 前記ねじりばね(5)は漸進特性を有する、
    ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のトランスミッション。
  7. 前記出力シャフト(3)と前記結合ホイール(4)との間の追加の結合手段を備える、
    ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載のトランスミッション。
  8. トランスミッション(1)を使用して、駆動シャフト(2)から出力シャフト(3)へ連続可変伝達率を考慮してトルク又はパワーを伝達するための方法であって、
    (a)ねじりばね(5)に張力を与えると同時にエネルギー(28)を前記駆動シャフト(2)から前記出力シャフト(3)に前記ねじりばね(5)を介して伝達するように、結合ホイール(4)と駆動シャフト(2)とが正確に同一の回転数(22、20)を有した直後に、前記結合ホイール(4)を前記駆動シャフト(2)に第1結合手段(7)によって結合し、
    (b)前記結合ホイール(4)が自由回転でき、且つ前記回転数(22)が下降する間も回転を継続できるように、前記結合ホイール(4)を前記駆動シャフト(2)から前記ねじりばね(5)の大きいねじれ角度(24)において分離し、
    (c)前記ねじりばね(5)のエネルギー(28)を前記出力シャフト(3)に伝達するように、前記結合ホイール(4)と支持装置(6)とが正確に同一の回転数(22、23)を有した直後に、前記結合ホイール(4)を前記支持装置(6)に第2結合手段(8)によって結合し、
    (d)前記結合ホイール(4)が、前記回転数(22)の下降につれて前記駆動シャフト(2)と正確に同一の速度で再度回転するようになる時まで、前記結合ホイール(4)が自由回転しつつ再度上昇できるように、前記結合ホイール(4)を前記支持装置(6)から前記ねじりばね(5)の小さいねじれ角度(24)において分離し、当該プロセスは再びステップ(a)に継続される、
    方法。
  9. 前記支持装置(6)の回転数は、常にゼロである、
    ことを特徴とする請求項8に記載の方法。
  10. (a)から次の(a)までの全部のサイクルは、長くても50msしか持続しない、
    ことを特徴とする請求項8又は9に記載の方法。
  11. 結合及び分離のための各時間は、長くても0.5msしか持続しない、
    請求項8乃至10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 制御ユニット(13)が、ステップ(a)乃至(d)の導入を開始する、
    ことを特徴とする請求項8乃至11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 好適にはステップ(d)において、前記出力シャフト(3)と前記結合ホイール(4)が同一の回転数(21、22)を有し、一定の時間後に再度分離される時間ポイントにおいて、追加の結合手段が前記出力シャフト(3)と結合ホイール(4)との間で結合される、
    ことを特徴とする請求項8乃至12のいずれか一項に記載の方法。
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