JP3455170B2 - 連続無段階変速装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、機械式の連続無段
階変速装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の無段階に連続的に変速する方法と
しては、見掛けの車径が変えられる特殊なベルト車を使
用するベルト伝動や,入力側の摩擦車を出力側の摩擦車
に押し付ける位置の離れを変化させ変速させる方法など
が実用化されているが機械的に噛合った状態で連続無段
階に変速する技術の発表例も市販されている機械も見当
たらず，殆どは押付け力により摩擦力を発生させて動力
を伝動している。

【０００３】ベルト伝動式の連続無段階変速装置ではベ
ルト車とベルトの摩擦力を期待しており，大きな動力を
伝達する場合や負荷が変動する場合は安定した摩擦力を
確保するのが難しくなる。

【０００４】また摩擦車の押し付けによる変速方法で
は、大きな動力を伝達する場合、摩擦力を確保するのに
大きな押し付け力が必要になり、耐久性が大きな問題に
なる。弾性範囲内の小さい変形量で接触させる必要があ
るので特殊な材料や剛性，加工精度が要求される。

【０００５】この方法でもベルト伝動式と同様、大きな
動力を伝達する場合や負荷が変動する場合に負荷が大き
いと摩擦力を確保するのが難しく、また製作費も高価に
なる。摩擦力を利用した方法では機械的な噛合い部分が
無いため、摩擦係数が変化した場合安定した動力伝達が
難しいので使用環境上も制約がでてくる。

【０００６】変速装置は速度制御、効率の改善等で広く
産業機械や一般家電製品に大量に使われている。特に自
動車に見られるように運搬機械に多く使用されている。
年々機械の制御は精密且つ複雑化しており人間の注意力
の多くを外的情報の判断に使われることが求められ機械
の操作に振り分けられる部分がより小さくなる傾向にあ
り，より高度な速度制御が簡単にできる信頼性の高い廉
価な変速装置が求められている。

【０００７】また省エネという大きな意味で運搬機械自
体は常に小型軽量化を，商業的には低価格の機械を求め
られている。運搬機械の中の変速装置は重量的，寸法
的，価格的にも占めている割合は決して小さくない。一
般的な自動車には変速機が使用されているが歯車とクラ
ッチを組合せた手動式の変速機から，より簡単な操作方
法の変速機が望まれた結果，伝達効率は多少落ちるが，
オートマチックと呼ばれる段付きの自動変速機が多くな
っている。

【０００８】また電動機に取付ける操作の簡単な変速装
置としてはインバータやサイリスター制御等があるが，
高価なこと、低速時の特性等の不得意部分やノイズなど
の問題もあり，手軽に使える装置とは言えないのが現状
である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の摩擦力を利用し
た連続無段階の変速方法では伝達動力が大きい場合，信
頼性の高い装置を製作すると寸法や重量，価格の面で採
用が困難になることが多いという問題点を摩擦力を利用
しない方法で解決しようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の変速装置は，自
転車の変速機等に見られる従来のチェーン伝動での変速
方法を入力側，出力側の両方に数種類のスプロケットを
用意しチェーン輪を架け替え断続的で段階的な変速方法
から，入力側，出力側の各スプロケットを任意に見掛け
のピッチ円周長（結果的に歯数）が変えられる特殊なス
ライド機構を持つ特殊スプロケットにすることで，摩擦
力を利用した連続無段階の変速方法の問題点を解決し
た。

【００１１】本発明の変速装置は，機械的な噛合い状態
を保ったまま変速するため摩擦伝動式に比べ大きな負荷
や負荷の変動に対して信頼性が高く，また押付け力が不
要な本発明は伝達動力の規模が大きくなると必要な摩擦
面積やフレームの剛性を増加させる必要のある摩擦伝動
式の変速方法に比べ寸法、剛性，重量面で有利で，動力
源全体として小型軽量化が可能となる。製作する場合も
規格品が多く使え，製作精度や材質を選ぶ従来の摩擦伝
動式の変速装置よりも製作費が低く押さえられることを
期待できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】従来のチェーン伝動で用いられる
不連続な階段状の変速方法を，入力側，出力側の各スプ
ロケットに特殊な機能を持たせたスプロケットを採用す
ることで機械的に噛合った小型で軽量、低価格の連続無
段階の変速装置を可能とした。

【００１３】

【実施例】スライド装置（３）はギアボックスの中にす
べての小型歯車（４）が回転できるように複数の小型歯
車を環状に噛合わせて組込み，小型歯車の回転軸にネジ
ピッチの同じオネジ棒（８）を取付け，ギアボックスの
外に小型歯車と同じ回転をするオネジ棒が放射状に出て
いる形状とする。

【００１４】また特殊スプロケット（１６）のスライド
装置の小型歯車環をジグザグに噛合わせオネジ棒の取付
ける列を複数列化し，スライドフレーム，小型スプロケ
ット（２），チェーン輪（１３）の列を複数列化するこ
とで特殊スプロケットの多角形をより円形に近づけより
円滑な伝動も可能になる。

【００１５】ギアボックスの中に環状に組込む小型歯車
の数が奇数の場合は全歯車を噛合わせると回転しないの
で環状の一部分を噛合わせないようにする。

【００１６】オネジ棒にはオネジ棒と噛合うメネジ孔が
加工された，小型スプロケットを取付ける軸が取付けら
れたスライドフレーム（９）を噛合わせて取付ける。ス
ライド装置のオネジ棒をボールネジ，スライドフレーム
のメネジ孔に当る部分をボールナットに換えると特殊ス
プロケットの変形速度を速くすることができる。またボ
ールネジとボールナットを使用した形式で，入力軸側に
取付ける特殊スプロケットの多角形が常に大きくなる方
向にスライド装置の駆動用歯車にバネ等で常に駆動用の
動力を架けることにより，出力側に架かる負荷の大きさ
に反比例して入力軸側に取付けた特殊スプロケットの多
角形が小さくなり，自動的に変速比が変わるような構造
の変速装置とすることも可能である。

【００１７】オネジ棒の回転によりスライドフレームが
オネジ棒上を移動するが，移動しながらオネジ棒と一緒
に友回りしてチェーン輪が円滑に回転しない場合には友
回りを防止するため，スライドフレームにスライド装置
本体等から回り止め（１１）をする。オネジ棒のネジ方
向はオネジ棒の回転方向にかかわらずスライドフレーム
の移動方向を一致させるために右ネジと左ネジを使分け
る。環状に噛合わされた複数の小型歯車を回転させるた
めの駆動用歯車（５）を小型歯車環の一部の歯車に噛合
わせ，駆動用歯車の回転軸に電動機や油圧モーター等の
駆動用動力（６）を取付ける。

【００１８】この実施例では駆動用動力を一般的な電動
機として説明する。本発明の変速機の中ではスライド装
置は特殊スプロケットの中に組込まれて回転するので，
電動機の電源や制御信号等は外部から回転式のジョイン
ト等の動力源供給装置（７）で供給する。

【００１９】駆動用動力で駆動用歯車を回転させると環
状に噛合わされた複数の小型歯車が回転し，小型歯車に
取付けられたオネジ棒が回転する。これによりオネジ棒
に取付けられたスライドフレームがオネジ棒上を同じ速
度で同じ方向に放射状に移動し，スライドフレームに取
付けられた小型スプロケットが放射状に同心円状に移動
する。

【００２０】特殊スプロケットはこのスライド装置を回
転させて使用するので，ギアボックスから放射状に出て
いるオネジ棒が半径方向になるようにギヤボックスの歯
車環の中心軸に合わせて回転させるための軸を取付け
る。

【００２１】またスライド装置のオネジ棒に噛合わされ
て取付けられた複数のスライドフレームにはスライドフ
レームに固定された小型スプロケットを取付ける軸を取
付ける。スライドフレームは小型スプロケットの取付け
用軸の位置がスライド装置の回転中心から同心円状にな
るように配置する。

【００２２】スライド装置の固定軸にはつめ車式やワン
ウェイクラッチ等で回転方向を制限する装置（１２）を
取付けた小型スプロケットを取付ける。取付けられた小
型スプロケットは回転方向を制限されるので一方向は自
由に回転し，反対方向には回転しない。

【００２３】スライドフレームに小型スプロケットを取
付ける軸（１）は，オネジ棒を挟んで片側のみの場合と
両側に取付ける方法が選択ができ，それぞれの方法で取
付け軸１ヶ所に対して単体で複列歯式のものも含めて，
小型スプロケットを１個取付ける方法と２個取付ける方
法が選択でき，機械的なバランスや負荷の大きさによっ
て取付け形式やチェーン輪の本数を変えることができ
る。

【００２４】１つの特殊スプロケットではスライドフレ
ームに取付ける全ての小型スプロケットの回転可能な方
向を統一する。本発明ではスライド装置に取付けられた
回転方向を制限した複数の小型スプロケットで構成され
るこの特殊スプロケットを変径可能な１個の特殊な多角
形スプロケットと見なす。

【００２５】本発明の変速装置は入力軸（１４）側と出
力軸（１５）側にこの特殊スプロケットを使い，特殊ス
プロケットの回転軸をそれぞれ変速装置の入力軸と出力
軸とする。特殊スプロケットのそれぞれの回転軸が平行
になるように配置し，特殊スプロケット間にチェーン輪
を掛け円滑に伝動するように必要に応じて緊張装置（１
８）等を取付ける。

【００２６】入力軸側に使用する特殊スプロケットで
は，取付けられる小型スプロケットの回転可能な方向は
チェーン輪の進行方向と同方向とし，チェーン輪の進行
方向と逆方向には回転しないように回転方向を制限する
装置を取付ける。

【００２７】出力側に使用する特殊スプロケットでは，
取付けられる小型スプロケットの回転可能な方向は入力
側とは逆に、チェーン輪の進行方向と同方向には回転せ
ず，チェーン輪の進行方向と逆方向が回転可能となるよ
うに回転方向を制限する装置を取付ける。

【００２８】本発明の変速装置での変速は以下のような
仕組みで入力軸側の回転数と出力軸側の回転数を変えて
変速をする。増速させる場合，入力軸側に取付けた特殊
スプロケットのスライド装置の電動機を回転させ小型歯
車環を回転し，オネジ棒を回転させてスライド装置に取
付けられた小型スプロケットが特殊スプロケットの回転
中心から遠ざかる方向に移動させる。これにより特殊ス
プロケットの取付けられた小型スプロケットで形成され
る多角形が相似的に拡大することにより見掛けのピッチ
円周長（１０）が大きくなる。

【００２９】一方，出力軸側に取付けた特殊スプロケッ
トは取付けられた小型スプロケットが特殊スプロケット
の回転中心方向に移動するようにスライド装置のオネジ
棒を回転させ，出力軸側の特殊スプロケットの見掛けの
ピッチ円周長が入力軸側の特殊スプロケットの見掛けの
ピッチ円周長より小さくなるようにする。これにより出
力軸の回転数は入力軸側と出力軸側の特殊スプロケット
の見掛けのピッチ円周長との比で増速される。

【００３０】入力軸側の特殊スプロケットのスライド装
置により小型スプロケットを見掛けのピッチ円周長が大
きくなる方向に移動させると，各小型スプロケット間の
距離が均等に且つ同時に拡大し，入力軸側の特殊スプロ
ケットに巻付く必要なチェーン長さが大きくなるので，
小型スプロケット間のチェーン長さは当然不足すること
になる。

【００３１】各小型スプロケットに取付けられた回転方
向を制限する装置の働きでチェーン輪が回転できる方
向，チェーンが移動できる方向が決まっているため，各
小型スプロケット間で不足するチェーンの長さを補える
のは，小型スプロケットと噛合っているチェーンの片側
方向からのみである。

【００３２】従って入力軸側の特殊スプロケットに取付
けられた複数の小型スプロケットのうち，チェーンと噛
合っている複数の小型スプロケットのなかで特殊スプロ
ケットの回転方向で先頭の小型スプロケットだけが負荷
を受けてチェーンを引き込み，以後のチェーンと噛合っ
ている小型スプロケットはチェーン輪の逆転を防止しな
がら，先頭の小型スプロケットが引張り込むチェーンに
より回転されながら互いに離れていく。従って入力軸側
の特殊スプロケットで不足するチェーン長さは出力軸側
の特殊スプロケットから来るチェーンから，所謂張り側
（行き側）から引き込まれる。

【００３３】一方，出力軸側の特殊スプロケットでは見
掛けのピッチ円周長を小さくすると小型スプロケット間
の距離が縮まり，出力軸側の特殊スプロケットに巻付い
ていたチェーンの長さが余る。しかし出力軸側の特殊ス
プロケットの小型スプロケットには，チェーン輪の回転
方向と逆方向には回転するがチェーン輪の回転方向には
回転しない回転方向を制限する装置が取付けられてい
る。

【００３４】このためチェーンと噛合っている複数の小
型スプロケットの中で特殊スプロケットの回転方向で最
後尾の小型スプロケットだけが負荷を受け，これより前
の噛合っている小型スプロケットはチェーン輪の逆転を
防止しながら順送りされてくる余ったチェーン長さに回
転されながら互いに接近する。従って出力軸側の特殊ス
プロケットで余ったチェーン長さは入力軸側の特殊スプ
ロケットから来るチェーンの方に，所謂弛み側（帰り
側）に送り出される。

【００３５】全体の動きとしては入力軸側の特殊スプロ
ケットでのチェーン長さの不足をチェーン輪の張り側
（行き側）から引き込み，出力軸側の特殊スプロケット
の余剰のチェーン長さは弛み側（帰り側）に送り出され
るので，出力軸側の特殊スプロケットの回転を助勢する
ような形になるがこれらの動きは連続的で且つ短時間に
行われるので，連続的で滑らかな増速効果が得られる。

【００３６】減速させる場合，入力軸側に取付けた特殊
スプロケットのスライド装置の電動機を回転させ小型歯
車環を回転し，オネジ棒を回転させてスライド装置に取
付けられた小型スプロケットが特殊スプロケットの回転
中心に向かう方向に移動させる。これにより特殊スプロ
ケットの取付けられた小型スプロケットで形成される多
角形が相似的に縮小し見掛けのピッチ円周長が縮小す
る。

【００３７】入力軸側の特殊スプロケットの見掛けのピ
ッチ円周長を小さくすると，各小型スプロケット間の距
離は均等に且つ同時に縮小し，入力軸側の特殊スプロケ
ットに巻付くために必要なチェーン長さは小さくなるの
で，小型スプロケット間のチェーン長さは当然余ること
になる。

【００３８】一方，出力軸側に取付けた特殊スプロケッ
トは取付けられた小型スプロケットが特殊スプロケット
の回転中心から遠ざかる方向に移動するようにスライド
装置のオネジ棒を回転させ，出力軸側の特殊スプロケッ
トの見掛けのピッチ円周長が入力軸側の特殊スプロケッ
トの見掛けのピッチ円周長より大きくなるようにする。
これにより出力軸の回転数は入力軸側と出力軸側の特殊
スプロケットの見掛けのピッチ円周長との比で減速され
る。

【００３９】入力軸側の特殊スプロケットでは見掛けの
ピッチ円周長を小さくすると入力軸側の特殊スプロケッ
トに巻付いていたチェーンの長さが余るが小型スプロケ
ットにはチェーン輪の回転方向には回転するがチェーン
輪の回転方向と逆方向には回転しないように回転方向を
制限する装置が取付けられている。

【００４０】このため各小型スプロケット間の距離が縮
小していくと，チェーンと噛合っている複数の小型スプ
ロケットの中で特殊スプロケットの回転方向で見て最後
尾の小型スプロケットに負荷が集中し，これより前の噛
合っている小型スプロケットはチェーン輪の逆回転を防
止しながら順送りされてくる余ったチェーン長さに回転
されながら互いに接近する。従って入力軸側の特殊スプ
ロケットで見掛けのピッチ円周長を小さくしたために余
ったチェーン長さは出力軸側の特殊スプロケットに行く
チェーンの方に，所謂弛み側（帰り側）に送り出され
る。

【００４１】一方，出力軸側の特殊スプロケットに取付
けられた複数の小型スプロケットのうち，チェーンと噛
合っている複数の小型スプロケットのなかで特殊スプロ
ケットの回転方向で見て最後尾の小型スプロケットに負
荷が集中しこれより前方のチェーンを引き戻すようにし
て引き込み，この小型スプロケットより回転方向で見て
前にあるチェーンと噛合っている小型スプロケットはチ
ェーン輪の逆転を防止しながら，最後尾の小型スプロケ
ットが引戻すチェーンにより回転されながら互いに離れ
ていく。従って出力軸側の特殊スプロケットで不足する
チェーン長さは入力軸側の特殊スプロケットに行くほう
のチェーンから，所謂張り側（行き側）から引き込まれ
る。

【００４２】全体の動きとしては入力軸側の特殊スプロ
ケットでのチェーン長さの余りはチェーン輪の弛み側
（帰り側）に送り出し，出力軸側の特殊スプロケットの
不足のチェーン長さは張り側（行き側）から引き込まれ
るので，出力軸側の特殊スプロケットの回転を助勢する
ような形になるがこれらの動きは連続的で且つ短時間に
行われるので，連続的で滑らかな減速効果が得られる。

【００４３】以上のように増減速の変速動作を微小ずつ
連続的に繰り返しながら入力軸側，出力軸側それぞれの
特殊スプロケットの見掛けのピッチ円周長を変化させる
ことで変速が可能となる。本発明の装置で変速しない時
は，当然両方の見掛けのピッチ円周長を同じにする。な
ほ必要に応じてチェーンによる円滑な動力伝達と変速動
作を確保するために緊張装置等を適所に配備する。

【００４４】また入力側と出力側の両方に取付けられて
いる特殊スプロケットのうち，入力軸側の特殊スプロケ
ットを形状が変化しないスプロケット（１７）にした形
式や出力軸側の特殊スプロケットを形状が変化しないス
プロケットとする形式の変速装置とすることもできる。

【００４５】変速比を大きくする場合などには上記のよ
うな多種多様なの形式がとれる本発明の変速装置の出力
軸側用特殊スプロケット（１９）の軸に，別の多種多様
な形式の本発明の変速装置の入力軸側用特殊スプロケッ
ト（２０）の軸を連結軸（２１）で連結，若しくは連結
を繰り返し，複数台を組合せて使用することで変速比は
自由に選択可能である。

【００４６】本発明の変速装置では上記の特殊スプロケ
ットに取付ける小型スプロケットに対応する車を適切に
選ぶことにより伝動方法はローラーチェーンやサイレン
トチェーン等のチェーン類以外にＶベルトやタイミング
ベルト等のベルト類やロープ類が使用できる。

【発明の効果】変速機は動力を効率良く使用する目的で
採用されることが多く，制御方法はコンピュータの発達
に伴い今までの単純なＯＮ・ＯＦＦ制御からより細かな
制御への期待が今後も続いていくと思われるが，現在で
も変速装置は歯車を組合せた基本的な形式が多く変速操
作を複雑に高度化している傾向があり，変速装置そのも
のの機構はあまり変化していない。本発明の連続無段階
の変速装置は現状の変速装置の機構に対し機械的に噛合
ったまま連続的に無段階で変速する新しい機構を提案
し，製作費の低減，軽量化，ロスのない動力伝達，円滑
な変速等がより改善されることを期待するものである。
実用化された場合，基本的に適用する動力の規模や種類
に制限は無く，機械的に噛合った伝達なので作業環境に
も制約されず適用範囲は広い。また実用化され始めた摩
擦伝動式の連続無段階変速装置と比較してもコスト面，
伝達ロス，適用範囲の広さ等優位な面が多く，自動車か
ら自転車，建設機械，農業機械，船舶等にいたる幅広い
産業分野に需要が見込める。またインバーターに見られ
る電気的な変速方法の欠点を埋める方法としても家電製
品等での電動機の変速装置としても期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の連続無段階変速装置の１例（上部の図
は上方から見た図で下部の図は正面から見た図。）

【図２】形状が変化しないスプロケットと特殊スプロケ
ットを組合せた連続無段階変速装置の１例。

【図３】複数台を組合せた例の模式図。

【図４】スライド装置の１例。（上部の図は上方から見
た図で下部の図は正面から見た図。）

【図５】スライド装置の歯車環の歯車をジグザグに噛合
わせた１例の部分的に展開した模式図

【図６】オネジ棒を複列にして多角形をより円形に近づ
けた１例

【符号の説明】

１ 小型スプロケット取付軸 ２ 小型スプロケット ３ スライド装置 ４ 小型歯車 ５ 駆動用歯車 ６ 駆動用動力 ７ 動力源供給装置 ８ オネジ棒 ９ スライドフレーム １０ 見掛けのピッチ円周（多角形） １１ スライドフレーム友回り防止兼用ガイド(扇型) １２ 回転方向を制限する装置 １３ チェーン輪 １４ 入力軸 １５ 出力軸 １６ 特殊スプロケット １７ 形状が変化しないスプロケット １８ 緊張装置 １９ 入力軸側用特殊スプロケット ２０ 出力軸側用特殊スプロケット ２１ 連結軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−147167（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−219156（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−19094（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−311397（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−66352（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−76754（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−234162（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−296306（ＪＰ，Ａ) 特表 平５−506292（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16H 9/00 - 9/26

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 本発明の連続無段階変速装置は，複数の
   小型スプロケットを取付けたスライド装置で構成される
   任意に変形が可能な多角形スプロケット（以後特殊スプ
   ロケットと称する）とチェーン輪から構成される。 スライド装置は，複数の小型歯車をギヤボックスの中で
   全数が回転するように環状に噛合わせ，環状の歯車環の
   一部の小型歯車に駆動用歯車を噛合わせる。環状に噛合
   わされた小型歯車の回転軸にはオネジ棒を取付け，ギヤ
   ボックスの外に放射状にオネジ棒が突出した形状にす
   る。突出したオネジ棒には小型スプロケットを取付ける
   軸を取付けオネジ棒と噛合うメネジ孔が加工されたスラ
   イドフレームを取付け，スライドフレームがオネジ棒の
   回転で共回りしないようにする。 スライド装置の駆動用歯車を回転させると，スライドフ
   レームの移動方向が一致するようにネジの種類を選択し
   て取付けられたオネジ棒が回転し，取付けられたスライ
   ドフレームが同じ方向に，同じ距離だけ移動する。これ
   により，スライドフレームに取付けたものを同心円状に
   放射状に移動させることが可能となる。 スライドフレームに回転方向を制限した小型スプロケッ
   トを回転方向を統一して取付け，装置全体を回転させて
   小型スプロケットを角とする１枚の変形可能な特殊多角
   形スプロケット（以後特殊スプロケットと称する）とす
   るためにスライド装置のギヤボックスに回転用の軸を取
   付ける。 特殊スプロケットに取付けられた小型スプロケットを放
   射状に移動させることにより，小型スプロケットを角と
   する多角形は連続的に相似形で変形し，特殊スプロケッ
   トの見掛けのピッチ円周長が連続的で無段階に変化させ
   ることができる。 この特殊スプロケットを２個を１組としてチェーン輪を
   架けて連動させる。それぞれの特殊スプロケットの回転
   軸を変速機の入力軸と出力軸とし，それぞれの特殊スプ
   ロケットの見掛けのピッチ円周長を互いに増減させるこ
   とにより変速する連続無段階変速装置で，小型スプロケ
   ットを取付ける軸を，オネジ棒を挟んで同じスライドフ
   レームの両側に１ヶ所づつ計２ヶ所取付け，２個の小型
   スプロケット，２本のチェーン輪を使用することを特徴
   とする変速装置。
2. 【請求項２】 特殊スプロケットのスライド装置の小型
   歯車環をジグザグに噛合わせオネジ棒の取付ける列を複
   数列化し，スライドフレーム，小型スプロケット，チェ
   ーン輪の列を複数列化した特殊スプロケットを使用する
   ことを特徴とする請求項１に記載された変速装置。