JP2019007603A - 遊星歯車機構を用いた変速装置、伝動装置、電動作業車両 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で静粛な遊星歯車機構を用いた変速装置を提供する。【解決手段】遊星歯車機構を用いた変速装置１は、リングギア２６、サンギア、およびキャリアに保持されたプラネタリギア２５を有する遊星歯車機構２０と、リングギア２６をフロート状態で保持する保持部１１と、リングギア２６を保持部１１に保持する複数の軸状部材４０とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、遊星歯車機構を用いた変速装置、この変速装置を用いた伝動装置、および伝動装置を利用した電動作業車両に関する。

特許文献１には遊星歯車機構付き変速装置が開示されている。この遊星歯車機構付き変速装置は、リングギア、サンギア、およびプラネタリギアを有する遊星歯車機構と、リングギアを固定保持するケースとを有する。特許文献１には、リングギアを起振源とするギア音や振動がケースに伝達されるのを抑制する必要がある点が記載されている。

特許文献１に記載の遊星歯車機構を用いた変速装置においては、特許文献１の図４に示されるように、リングギア２４は環状の中間部材４０を挟んでケース１１に固定保持されている。リングギア２４と中間部材４０との間には隙間４２が設けられ、両者は第１接触部５０のみで接触し、第１接触部５１においてリングギア２４から中間部材４０に振動が伝達される。一方、中間部材４０とケース１１との間には隙間４４が設けられ、両者は第２接触部６０でのみ当接し、第２接触部６０において中間部材４０からケース１１に振動が伝達される。

特開２００９−１６８１４２号公報

上述したように、特許文献１に記載の遊星歯車機構を用いた変速装置は、リングケース２４の外周側に環状の中間部材４０を設けてケース１１に固定保持されている。したがって、遊星歯車機構の外径寸法が大型化するという問題がある。

（１）第１の態様による遊星歯車機構を用いた変速装置は、リングギア、サンギア、およびキャリアに保持されたプラネタリギアを有する遊星歯車機構と、前記リングギアをフロート状態で保持する保持部と、前記リングギアを前記保持部に保持する複数の軸状部材とを備える。
（２）第２の態様による遊星歯車機構を用いた変速装置は、第１の態様による遊星歯車機構を用いた変速装置において、前記リングギアの外周面と前記保持部の内周面との間に間隙が設けられている。
（３）第３の態様による遊星歯車機構を用いた変速装置は、第１および２の態様による遊星歯車機構を用いた変速装置において、前記リングギアの径方向の変位で前記軸状部材が前記保持部の内周面に押圧されたとき、全周において、前記リングギアの外周面と前記保持部の内周面との間に間隙が存在する。
（４）第４の態様による遊星歯車機構を用いた変速装置は、第１の態様から第３の態様のいずれかの態様の遊星歯車機構を用いた変速装置において、前記リングギアの外周面において軸方向に延在し、かつ径方向外側に開放されて窪む第１溝と、前記保持部の内周面において軸方向に延在し、かつ径方向内側に開放されて窪む第２溝とを有し、前記第１溝と第２溝とが対向して形成される挿入孔に前記軸状部材が挿入されている。
（５）第５の態様による遊星歯車機構を用いた変速装置は、第２の態様による遊星歯車機構における前記間隙の大きさをＧ、前記軸状部材の径方向寸法をＰＤ、前記リングギアに設けた第１溝の深さをＲＤ、前記保持部に設けた第２溝の径方向の深さをＣＤとしたとき、ＣＤ＋ＲＤ−ＰＤ＜Ｇである。
（６）第６の態様による遊星歯車機構を用いた変速装置は、第１の態様から第５の態様のいずれかの態様の遊星歯車機構を用いた変速装置において、前記軸状部材は断面円形のピンであり、前記挿入孔は周方向に１２０度ピッチで３箇所に設けられ、前記３箇所の挿入孔に前記ピンがそれぞれすきま嵌めで嵌め合わされている。
（７）第７の態様による伝動装置は、第１の態様から第６の態様のいずれかの変速装置と、前記変速装置に駆動力を入力する電動機とを備える。
（８）第８の態様による電動作業車両は、第７の態様による一対の伝動装置と、前記一対の伝動装置のそれぞれのキャリアに設けられたハブに装着された左右のタイヤと、前記一対の伝動装置のそれぞれの電動機を駆動制御するコントローラとを備える。

本発明によれば、遊星歯車機構の外径寸法を大型化することなく、リングギアをケースに回転不能に保持しつつ低騒音化を図ることができる。

遊星歯車機構を用いた変速装置のスケルトン表示による全体構成図 遊星歯車機構を用いた変速装置の要部の斜視図。 入力軸近傍の断面図。 リングギアをケースに嵌合した状態を説明する正面図 （ａ）はケースを模式的に示す要部斜視図、（ｂ）はリングギアを模式的に示す要部斜視図 ピンの直径と、リングギアのギア溝の半径と、ケースのケース溝の半径を説明する図 リングギアからケースに伝達される力の経路を説明する図 実施形態の変速装置を組み込んだ電動フォークリフトの構成を説明するブロック図

図１から図７を参照して、遊星歯車機構を用いた変速装置の一実施の形態を説明する。図１に示すように、遊星歯車機構を用いた変速装置１は、ケース１０と、ケース１０の内部に収容された遊星歯車機構２０とを含んで構成される。変速装置１は、たとえば図示するように、電動機２からの入力を変速して取り出す伝動装置として用いられる。

電動機２の出力は入力軸２１から入力ギア２２と２３に伝達されて減速され、遊星歯車機構２０に入力される。遊星歯車機構２０は、電動機２の出力を減速するギア２３と連結されたサンギア２４と、サンギア２４と噛み合う３つのプラネタリギア２５と、プラネタリギア２５と噛み合う内接歯車を有するリングギア２６と、３つのプラネタリギア２５を保持するキャリア２７とを備えている。キャリア２７は図示しないタイヤが装着されるハブ２７ａを先端に設けている。

入力軸２１と入力ギア２２は軸受３１でケース１０に回転可能に保持される。入力ギア２２と噛み合う減速ギア２３はサンギア２４と一体に形成され、軸受３２でケース１０に回転可能に保持される。キャリア２７は軸受３３ａ，３３ｂでケース１０に回転可能に保持される。プラネタリギア２５は軸受３４でキャリア２７に回転可能に保持される。

図２および図４を参照して説明する。
リングギア２６は、環状のギア本体２６ａと、ギア本体２６ａの内周側の内接歯車２６ｂとを有する。ギア本体２６ａの外周面には断面形状が略半円形状のリング溝２６ｃが径方向に所定深さ、軸方向に所定長さに形成されている。リング溝２６ｃは、遊星歯車機構の径方向外側に開放された窪みである。実施の形態の変速装置１では、リング溝２６ｃは、周方向に等間隔で、すなわち１２０度ピッチで３箇所に設けられている。
ケース１０は、リングギア２６が嵌め込まれ、リングギア２６を回転不能に保持するリングギア保持部１１を有する。リングギア保持部１１はリングギア２６の厚みに相当する深さを有する環状凹部として形成されている。リングギア保持部１１の開口縁から環状凹部に向けて後述するケース溝１１ａが１２０度ピッチで形成されている。すなわち、リング保持部１１の内周面には断面形状が略半円形状のケース溝１１ａが径方向に所定深さ、軸方向に所定長さに形成されている。ケース溝１１ａは、遊星歯車機構の径方向内側に開放された窪みである。実施の形態の変速装置では、ケース溝１１ａは、周方向に等間隔で、すなわち１２０度ピッチで３箇所に設けられている。

図４によく示されているように、リングギア２６の外周面とケース１０の内周面との間には間隙１５が設けられている。リング溝２６ｃとケース溝１１ａは互いに対向してピン挿入孔４１を形成する。この挿入孔４１には軸状部材である断面円形のピン４０が挿入されている。このピン４０によりリングギア２６がケース１０に回転不能に保持される。図７に示すように、リングギア２６からケース１０には、ピン４０を介して径方向の入力と周方向の入力が伝達される。したがって、ピン４０によりリングギア２６の振動や音がケース１０に伝達される。

図６を参照して説明する。
実施の形態の変速装置１では、リングギア２６の外径と、ケース１０の内径とを適切に設定して所定寸法Ｇの間隙１５を形成する。また、ピン４０の直径ＰＤと、リング溝２６ｃの溝深さＲＤと、ケース溝１１ａの溝深さＣＤとの寸法を適切に設定してリングギア２６からケース１０に伝わる振動と音が所定レベル以下となるようにする。

ピン４０の直径ＰＤ、ケース溝１１ａの径方向の深さ（半径）ＣＤ、リングギア溝２６ｃの径方向の深さ（半径）ＲＤは、以下の（１）式で示される。
ＣＤ＋ＲＤ＞ＰＤ （１）
（１）式は、ピン４０が挿入孔４１にすきま嵌めで挿入されることを示す。
リングギア２６とケース１１との間に設けられている間隙１５の寸法Ｇは、以下の（２）式で示される。
Ｇ＞ＣＤ＋ＲＤ−ＰＤ （２）
（２）式は、リングギア２６からケース１０へどのような力が作用しても、すなわちリングギア２６からケース１０に対して径方向の入力と捩り方向の入力が作用しても、間隙１５が存在することを示す。

上記（１），（２）式で示すように、間隙１５の寸法Ｇ、ピン４０の直径ＰＤ、ケース溝１１ａの径方向深さＣＤ、リングギア溝２６ｃの径方向深さＲＤを設定すると、リングギア２６の外周面はケース１０に設けたリングギア保持部１１の内周面と接触することがない。リングギア２６からケース１０への径方向の入力と周方向の入力は、３つのピン４０を介して行われる。そのため、上記２つの入力については、リングギア２６の振動や音が直接ケース１０へ伝達される経路が存在せず、振動と音の伝達経路が３箇所のみであり、低騒音化が実現できる。また、３箇所のピン４０でリングギア２６を保持部１１に保持するようにしたので、リングギア２６と保持部１１の調心も自動的に行われる。

なお、リングギア２６はケース１０の環状凹部である保持部１１に軸方向に挿入され、リングギア２６の一方の端面は外周縁でケース１０の凹部底面に接するが、凹部底面に押し付けるような構造ではない。したがって、リングギア２６からケース１０に伝達される軸方向の入力は、図７で説明した外径方向の入力や捩り方向の入力に比べると小さい。すなわち、遊星歯車機構２０で発生してケース１０に軸方向の入力として伝達される振動や音のレベルは、図７で説明した経路により発生するレベルに比べて小さい。よって、外径方向の入力と捩り方向の入力に伴って発生する騒音を低減すれば十分に騒音レベルを低減する効果がある。

以上の構造を実現する上では、リングギア２６の最大反力トルクによりピン４０が変形したり、折損しないような設計が不可欠である。また、リングギア２６と保持部１１はともに周面に溝２６ｃと１１ａの窪みが形成されているので、ピン４０を介して保持部１１に作用する荷重により、リングギア２６と保持部１１，ケース１０が変形しないように設計することも必要である。もちろん、各部寸法の許容誤差や許容範囲にも配慮した設計が必要である。

本実施の形態の遊星歯車機構を用いた変速装置１では、次の作用効果を奏する。
（１）実施形態の遊星歯車機構を用いた変速装置１は、リングギア２６、サンギア２４、およびキャリア２７に保持されたプラネタリギア２５を有する遊星歯車機構２０と、リングギア２６をフロート状態で保持する保持部１１と、リングギア２６を保持部１１に保持する複数の軸状部材、例えばピン４０とを備える。具体的には、リングギア２６の外周面と保持部１１の内周面との間に間隙１５を設け、リングギア２６をフロート状態で保持部１１に保持している。実施形態では、次のような構成を採用してフロート状態、すなわちフローティング構造を実現している。
すなわち、リングギア２６の径方向の変位で軸状部材であるピン４０が保持部１１の内周面に押圧されたとき、全周において、リングギア２６の外周面と保持部１１の内周面との間に間隙が存在するように構成されている。
これにより、遊星歯車機構付き変速装置１を大型化することなく、すなわち、従来例のように中間部材をリングギア２６と保持部１１との間に介在させることなく、リングギア２６を保持部１１に保持することができる。また、遊星歯車機構２０で発生してケース１０に伝達される振動や音が抑制され、変速装置１の騒音レベルを低減することができる。

フローティング構造の採用により次のような作用効果も得られる。
プラネタリギア２５とリングギア２６との噛み合い構造にあっては、プラネタリギア２５とリングギア２６の加工精度、ならびにキャリア２７の加工精度、およびリングギア２６の熱処理歪み等のバラツキによる噛み合い不良に起因する起振力も考慮する必要がある。そのため、起振力を抑制するためには、高い加工精度が要求され、熱処理歪みも考慮した設計や製造技術の検討も不可欠である。このため、高コスト化の要因となる。この点、上述したフローティング構造を採用することにより、それほど高い加工精度が必要でなく、また、熱処理歪みもそれほど考慮する必要がない。その結果、コストアップすることなく低騒音レベルの遊星歯車機構を実現できる。

（２）実施形態の遊星歯車機構を用いた変速装置１においては、リングギア２６の外周面には、軸方向に延在し、かつ径方向外側に開放されて窪む第１溝であるリングギア溝２６ｃが設けられ、保持部１１の内周面には、軸方向に延在し、かつ径方向内側に開放されて窪む第２溝であるケース溝１１ａが設けられている。軸状部材であるピン４０は、リングギア溝２６ｃとケース溝１１ａとが対向して形成される挿入孔４１に挿入され、リングギア２６が保持部１１に保持される。さらに、間隙の大きさをＧ、軸状部材４０の径方向寸法をＰＤ、リングギア２６に設けたリングギア溝２６ｃの深さをＲＤ、保持部１１に設けたケース溝１１ａの径方向の深さをＣＤとしたとき、ＣＤ＋ＲＤ−ＰＤ＜Ｇとなるように、各部の寸法が設定されている。
これにより、遊星歯車機構２０で発生してケース１０に伝達される振動や音を抑制するようにした遊星歯車機構２０の設計、製作が容易であり、かつ、変速装置１に組み込む際の組立性も向上する。よって、コストが嵩むこともない。

（３）実施形態の遊星歯車機構を用いた変速装置１においては、軸状部材は断面円形のピン４０であり、挿入孔４１は周方向に１２０度ピッチで３箇所に設けられ、３箇所の挿入孔４１にピン４０がそれぞれすきま嵌めで嵌め合わされている。周方向に等間隔に３箇所でリングギア２６が保持部１１に保持されるので、自動調心性もよく、組立も簡単である。

以上説明した伝動装置は、たとえば、図８に示すように、電動フォークリフトの左右の前輪に組み込まれる走行駆動装置として用いて好適である。
図８は、電動フォークリフトの構成を示す図である。電動フォークリフト６０は、本体６１と、フォーク６２と、左右の前後輪６３ＦＲ、６３ＦＬ、６３ＲＲ，６３ＲＬと、左右の前輪を駆動する左右の走行駆動装置６４Ｒ、６４Ｌと、コントローラ６５と、バッテリ６６と、左右の電動機用インバータ６７Ｒ、６７Ｌとを有する。図示しない前後進レバーを前進に切換えてアクセルペダルを踏み込むと、ペダル踏み込み量に応じたトルクで走行駆動装置６４Ｒ，６４Ｌが回転してタイヤに走行駆動力を与え、フォークリフトが前進する。

電動フォークリフトは、内燃機関を搭載していないのでエンジン騒音、振動が発生しない。そのため、電動フォークリフトでは電動機６４Ｒ、６４Ｌの出力トルクをタイヤ６３ＦＲ、６３ＦＬに伝達する変速装置１から発生する騒音、振動がフォークリフトの騒音の主たる要因となるため、変速装置１の低騒音化が必要である。

実施の形態による遊星歯車機構を用いた伝動装置は、ピン４０によりリングギア２６の振動や音がケース１０に伝達されるようにし、かつ、ピン４０の直径、リングギア２６の外径、ケース１０の内径、ケース溝１１ａの径方向深さ、リング溝２６ｃの径方向深さを適切に設定したので、低騒音化が実現できた。

（４）実施形態の伝動装置は、上述したような遊星歯車機構２０を用いた変速装置１と、変速装置１に駆動力を入力する電動機２とを備える。
これにより、小型で、低騒音の伝動装置を提供できる。

（５）実施形態の電動フォークリフトは、上記遊星歯車機構２０を用いた一対の伝動装置と、一対の伝動装置のそれぞれのキャリア２７に装着される左右のタイヤ６３ＦＲ，ＦＬと、一対の伝動装置のそれぞれの電動機２を駆動制御するコントローラ６５とを備える。エンジンを搭載するフォークリフトのような作業車両は、エンジンが起振源となるので、走行系を電動化する場合、エンジンに起因する騒音対策はさほど重要ではない。しかし、エンジンのような内燃機関を搭載しない電動フォークリフトでは、走行電動駆動装置を構成する伝動装置から発生する騒音のレベルを下げる必要がある。
実施形態のように、低騒音化を図った伝動装置を用いることにより、静粛な電動フォークリフトが提供できる。

次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
（変形例１）
実施形態の遊星歯車機構を有する変速装置１は、リングギア２６と保持部１１との間に間隙１５を設け、さらに、リングギア２６と保持部１１との間にピン４０を介在させてフロート状態を実現したが、その他の構造でフロート状態を実現することもできる。

（変形例２）
実施形態の遊星歯車機構２０では、サンギア２４に入力された駆動力をキャリア２７から出力するためリングギア２６をケース１０に固定したが、入力と出力は適宜のギアを設定することができる。また、リングギア２６は、静止物体であるケース１０に固定保持されて回転反力をケース１０で受けるようにした。しかし、本発明では、リングギア２６により回転駆動力を伝達される可動部材を有する構成でもよい。すなわち、サンギア２４を固定し、キャリア２７から動力を入力してリングギア２６を回転して可動部材から駆動力を出力する構成でもよい。

（変形例３）
実施形態では、ピン４０は１２０度ピッチで３箇所に使用したが、２箇所以上であれば３箇所に限定されない。また、リングギア２６とケース１１との間には間隙１５が設けられ、間隙１５の大きさＧ、ピン４０の直径ＰＤ、ケース溝１１ａの径方向深さＣＤ、リングギア溝２６ｃの径方向深さＲＤの寸法の間には上記式（１）（２）とは異なる以下（３）、（４）式のようにしてもよい。
ＣＤ＋ＲＤ＝ＰＤ （３）
Ｇ＝ＣＤ＋ＲＤ−ＰＤ （４）

（変形例４）
リングギア２６の反力をケース１０に伝達する軸状部材は、実施形態では断面円形のピン４０としたが、断面形状は円形に限定されない。リングギア２６の径方向の入力と周方向の入力を効率よくケース１０に伝達し、かつ、リングギア２６が径方向に最大変位したときでも、リングギア２６とケース１０の間に間隙１５が残るような形状や寸法に設定されていれば円形に限定されず、楕円形状や多角形であってもよい。

（変形例５）
実施の形態の遊星歯車機構を用いた変速装置１は、電動機２の駆動力を減速して走行駆動力とする伝動装置に組み込まれるものとして説明したが、本発明による遊星歯車機構を用いる変速装置はこれに限定されない。たとえば、巻上装置の伝動装置として使用することもできる。

（変形例６）
図８では、遊星歯車機構を有する変速装置を用いた伝動装置をフォークリフトの走行駆動装置に適用した構成を示したが、本発明による電動作業車両は、電動フォークリフトに限らず、ホイールローダなど他の産業車両にも適用することができる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１：変速装置、２：電動機、１０：ケース、１１：保持部、１１ａ：ケース溝、１５：間隙、２０：遊星歯車機構、２１：入力軸、２２：入力ギア、２３：減速ギア、２４：サンギア、２５：プラネタリギア、２６：リングギア、２６ｃ：リング溝、２７:キャリア、２７ａ：ハブ、３１，３２，３３：軸受、４０：ピン、４１：挿入孔、６１：フォークリフト本体、６３Ｆ、６３ＦＬ、６３ＲＲ、６３ＲＬ：タイヤ、６４Ｒ、６４Ｌ：走行駆動装置、６５:コントローラ

Claims (8)

1. リングギア、サンギア、およびキャリアに保持されたプラネタリギアを有する遊星歯車機構と、
   前記リングギアをフロート状態で保持する保持部と、
   前記リングギアを前記保持部に保持する複数の軸状部材とを備える、遊星歯車機構を用いた変速装置。
2. 請求項１に記載の遊星歯車機構を用いた変速装置において、
   前記リングギアの外周面と前記保持部の内周面との間に間隙が設けられている、遊星歯車機構を用いた変速装置。
3. 請求項１または２に記載の遊星歯車機構を用いた変速装置において、
   前記リングギアの径方向の変位で前記軸状部材が前記保持部の内周面に押圧されたとき、全周において、前記リングギアの外周面と前記保持部の内周面との間に間隙が存在する、遊星歯車機構を用いた変速装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の遊星歯車機構を用いた変速装置において、
   前記リングギアの外周面において軸方向に延在し、かつ径方向外側に開放されて窪む第１溝と、前記保持部の内周面において軸方向に延在し、かつ径方向内側に開放されて窪む第２溝とを有し、前記第１溝と第２溝とが対向して形成される挿入孔に前記軸状部材が挿入されている、遊星歯車機構を用いた変速装置。
5. 請求項２を引用する請求項３、請求項２を引用する請求項４、および請求項２を引用する請求項３を引用する請求項４のいずれか１項に記載の遊星歯車機構を用いた変速装置において、
   前記間隙の大きさをＧ、前記軸状部材の径方向寸法をＰＤ、前記リングギアに設けた第１溝の深さをＲＤ、前記保持部に設けた第２溝の径方向の深さをＣＤとしたとき、
   ＣＤ＋ＲＤ−ＰＤ＜Ｇである、遊星歯車機構を用いた変速装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の遊星歯車機構を用いた変速装置において、
   前記軸状部材は断面円形のピンであり、
   前記ピンの挿入孔は周方向に１２０度ピッチで３箇所に設けられ、
   前記３箇所の挿入孔に前記ピンがそれぞれすきま嵌めで嵌め合わされている、遊星歯車機構を用いた変速装置。
7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載の遊星歯車機構を用いた変速装置と、
   前記変速装置に駆動力を入力する電動機とを備えた、遊星歯車機構を用いた伝動装置。
8. 請求項７に記載の一対の伝動装置と、
   前記一対の伝動装置のそれぞれのキャリアに設けられたハブに装着された左右のタイヤと、
   前記一対の伝動装置のそれぞれの電動機を駆動制御するコントローラとを備える、電動作業車両。
   

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