JP4186196B1

JP4186196B1 - 歯数可変歯車式無段変速装置

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Publication number: JP4186196B1
Application number: JP2007237241A
Authority: JP
Inventors: 明久松園
Original assignee: 明久松園
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2027-08-17
Also published as: JP2009092080A

Abstract

【課題】動力可変伝達装置においては、動力伝達ロスが少なく入出力比を無段階に加減速制御でき、しかも構造が簡単で製造コストがかからない装置が望まれていた。その為には、円錐型の可変速動力伝達装置を摩擦伝動方式から、確実な動力伝達手段である歯車伝動方式に変革することが必要だが、整数とならない場合の歯数余り相当分を吸収する方法と、噛み合う相手の歯車との変速時の連続移動をスムースに行うことが課題である。
【解決手段】このための対策として、円錐形表面にＶ字型の連続歯溝を持つ円錐型歯数可変歯車の歯形パターン構造と、歯数余りを丸め込むラウンド歯溝構造により解決する方法を発明。更にその活用事例として本発明の歯車を組み合わせ、動力伝達ロスが少なく構造が簡単で製造容易な無段変速歯車装置への応用を実現した。
【選択図】図２

Description

本発明は、従来の円錐型の可変速動力伝達装置を摩擦伝動方式から、動力伝達が確実な歯車伝動方式への変革を実現するための機構に関するものである。

円錐型無段変速装置に関する従来技術では円錐ローラによる無段変速機構があり、このような摩擦伝動方式による動力伝達ロスを解決するため、歯数を変化させて確実に動力伝達を目指す手段として、歯車式無段階（連続）動力伝達構造に関するものがある（特許文献１参照）。

特許公開２０００−２４０７３８可変歯数歯車変速機

前記特許文献１上で述べられている通り、‘ＳＵＲＩＢＡＣＨＩパターン’（図９右上）では「一つ歯抜けが生じたり、各セクター内では、歯並びと進行方向が直角からずれる歯があるため、速度変化が生じる」問題の他に、円盤の表面に対し歯形が連続的に切られていないため噛み合う相手の歯車がスム−スに移動できず引っかかり最悪、歯車が破損する可能性がある。また整数とならない中間径での歯数余りを解消するため一部で歯の山を削除して遊びを確保するとしているが、これが余りを更に大きくして回転ムラ増加の可能性も新たに生じる。更に円盤の表面に切られている噛み合わせを近似した歯形の方向が一方向であるため速度のズレが補正されない等、問題が多い。

歯車の歯数は整数値でなければならないため、このように連続的な無段階変速装置を実現することが困難であった。しかし円錐の径サイズ変化は連続的であるので、この特性を活かし、整数とならない歯数余り相当分を吸収し且つ、噛み合う相手の歯車の移動をスムースにして変速を容易に制御することができれば、簡単で確実な歯車伝動式無段階変速装置の実現が可能であり、これが本発明の課題である

先ず歯車の円ピッチ幅（歯溝の幅＋歯厚）を一定にして円錐を全円周（３６０度）で均等に４分割（９０度）し、その各４分割範囲内の中間位置を折り返し線としてその各４分割範囲内で両側の分割開始線から同じピッチ幅間隔で中間折り返し線まで歯溝を切れば、その中間折り返し線上で交わる点（歯溝位置）は連続歯溝の折り返し曲がり点として円錐の径の大きくなる方向に広がるＶ字型連続歯溝パターン（図６−６０４の太い実線上の歯溝を基本形とする図６−６１１〜６１７の歯溝列）となり連続的に歯数が変わる歯車構造を形成する。

次に前記Ｖ字型歯溝と逆方向に数段の整数歯数位置迄広がる、複数の逆Ｖ字型連続歯溝パターン（図６−６０５の太い点線を基本形とする歯溝列）とで囲まれた図４−４０１上にある三角形状の緩衝歯溝で余りが０．５ピッチ以下（図４−４１１〜４１９の絞った線で表す）にして（０．５を越える径では余りを２分割：図４４２１−ａ及びｂ〜４２９−ａ及びｂの三角形状の緩衝歯溝で）丸め込み吸収を容易にし、相手歯車との噛み合わせを整えるラウンド歯溝構造の発明により解決する円錐型歯数可変歯車を実現。

このＶ字型連続歯溝により円錐の径変化に対応して整数歯数（後述例では基準歯数１０段相当）間の変速機構が無段階となり連続変速動作がスムースとなる。また変速途中の歯数余りもラウンド歯溝で吸収され且つ、円周のサイズも比例して変化するため歯車機構による大きな伝達力の可変速制御装置が可能となる。

更に構造が簡単で部品点数も格段に少なく（図１、図２の例では従来の３７段３７枚の歯車相当が１ケに）製造コストや長期運転時の維持コスト等も減り、総合的な製品生涯エネルギーコストで見ても省エネ型で環境にも配慮した動力可変伝達歯車である。

図１、２は本発明の請求項１の実施例に係る円錐型歯車のＶ字型連続歯溝の完成図であり、図３〜図６はその原理構造説明図である。このため構成要素等の出現順は逆に図６、５、４、３となる。なおこれら図中では同じ構成要素に対しては同じ参照番号を用いる場合がある。

請求項１のＶ字型連続歯溝の完成図は図１、図２であるが図２−２０３を拡大した図６から説明する。先ず円ピッチ幅を固定にして最大：最小の歯数比を４：１、歯数を１２〜４８（この間で無段歯車となるがシミュレーション上、３７段モデルの歯型位置想定：図６−６０１、６０２）の範囲で４分割して９０度毎でも整数となる基準歯数（１０段相当：１２、１６、２０、２４、２８、３２、３６、４０、４４、４８）と位置（図６−６０１）を設定する。また中間の４５度毎の分割折り返し線上（図６−６０３）でも整数となる歯数値１６、２４、３２、４０、４８は先に述べたＶ字型連続歯溝構造の基点でもあり、図６−６０４太線上の歯溝を基本形とする図６−６１１〜６１７の歯溝列。

更に中間２７段の歯車の位相も上記と同じく９０度毎を開始点として、左右４５度に歯数余りを加えた歯形位置をコンピュータシミュレーションした右下（１／４）の噛み合わせ図と、Ｖ字型連続歯溝（基本形の図６−６０４を展開した図６−６１１〜６１７）を重ね図示したものである。全体はこの４倍（図２）となるが原理は全て同じである。

図３は、図２の円錐型歯数可変歯車の波形パターンの同じく右下破線（図２−２０３）で示す部分を切り出したＶ字型連続歯形図と基準１０種の歯車の歯先位置を重ね合わせマッピングした図であり、図４、６の通り、鉛直に近いＶ字型連続歯形構造により歯数可変切り替え動作を無段階にして移動をスムースにしている。

請求項１の逆Ｖ字型の連続歯溝と可変ラウンド歯溝構造について図５、図４で例を説明すると、４分割折り返し線（図５−５０１）上で整数とならない歯数例（図５５−ｒ３７、ｒ３８、ｒ３９：右回り時の歯先位置は小さいひし形、左周り時の歯先位置は小さい四角形位置）が、同、４分割折り返し線を越えると歯数余りとなり、連続して捉えた逆Ｖ字連続歯形位置パターン（図６−６０５の太い点線上の歯溝が基本形で前説Ｖ字型連続歯溝と同じ基点）となる。これらの歯数余り値を算出すれば、（図６−６０３の分割折り返し線上で整数となっている直近の歯数値−被余り算定歯数値）÷分割数より、（４０−３９）÷４＝０．２５（図５−ｒ３９）から（４０−３８）÷４＝０．５（図５−ｒ３８）ピッチ以下と小さいため丸め込みによる歯数余り吸収も容易なので折り返し線（図５−５０１）近傍に設けた余り径ピッチ間隔に対応した三角形の調整用ラウンド歯溝構造（図５−４１７の絞った線で表現：全体は図４−４１１〜４１９）により歯数余りが吸収され位相が整う。

しかし歯数３７になると余りが（４０−３７）÷４＝０．７５ピッチ（図５５−ｒ３７）以上と遊びが大きい（図５−５０３の長い太線相互矢印間）ため、そのままでは位相が逆転して噛み合う相手歯先との衝突の可能性が生じる。そこで折り返し線上のひし形状を三角形の調整用ラウンド歯溝構造（図５−４１７）で切り取った六角形の島状歯形（図５−５０５：同、図４−４０２〜４０６の破線斜線部）を分割調整のためのセパレータ用歯たけ（歯圧：歯の山となる部分）として残し、遊びを前後２ケ所（図５４２７−ａ及びｂ、折り返しコーナ全体でこれを９列：図４４２１−ａ／ｂ〜４２９−ａ／ｂ）に分けて０．５ピッチ以下に抑え、歯数余りを丸め込み吸収容易にして噛み合わせを整える。この結果ラウンド歯溝を全体で４箇所の分割折り返しコーナ（図２−２０４、２０５，２０６、２０７）に配置して分散吸収処理することにより全歯車の噛み合わせが整い、歯数可変歯車が実現される。

厳密に言えば歯数余りとなる時、各４箇所で最大±０．５ピッチ以下の丸め込み時の速度変化にゆらぎが出るが、各径での円周の長さに過不足は無く通常の変速操作状況では問題とならない。しかし、変速中の変速比と回転角度変化に高い精度を要求する場合や、超高速回転での利用に際しては余り歯数状態での噛み合わせを短くするのが望ましい。

また上記の歯数余り条件下でもこの円錐型歯数可変歯車の連続歯形パターン（図３）の通り、噛み合う相手の歯の角度θ（図３−３０１）が、円中心からの鉛直線上にある４分割折り返しコーナ（図３−３０６）でＶ字型連続歯形が反転している。このため歯数余りでの回転ムラも１／４周（９０度）内で相殺され速度変化が生じない構造となっている。

連続歯溝の幅（図３−３０２）について詳述すると、歯溝の位置（図３−３０３）が中心軸の鉛直に対し（θ度：図３−３０１）傾いているため歯溝幅（図３−３０２）＝噛み合う相手歯車の円ピッチ（図３−３０５）× ｃｏｓθ＋相手歯車の歯幅（図３−３０４）× ｓｉｎθ。と各開始点（図２２０１−ａ、ｂ、ｃ、ｄ）から遠ざかるほど歯溝幅が広く必要となる。

そこで噛み合う相手歯車の歯先４辺の角を取って丸めることによりＶ字連続歯溝幅の増加を押さえ、噛み合い面積が増え動力伝達力も増加し相手歯車の移動もよりスムースにさせることが可能である。更に動力伝達力を増すためには、Ｖ字連続歯溝の整数歯数位置で凹曲面のポケットを作ることにより噛み合い面積増加が図れ且つ、噛み合い状態保持機能も備わる。また逆に伝達力の削減が許される範囲で、この円錐歯車と噛み合う相手伝達歯車の歯幅（図３−３０４：軸方向に測った歯の長さ）を薄くすることにより連続歯溝の幅を押さえることも可能である。

次に図７は請求項２の円錐歯車式並行軸無段変速型動力伝達装置の実施例である。
これを実現するために、請求項１の円錐歯車を回転軸（図７−７０１、７０３）に沿って２ケ、互いに径の大きさが反対になるように並べ（図７−７０２、７０４）、その間に径の変化する歯先に対し互いに常に噛み合い移動可能な変速兼伝達用の歯車（図７−７０５）を配す。

そしてこの変速兼伝達用歯車の位置を外部より自動又は、手動で変化（図７矢印：７０８）させることにより２ケの円錐歯車（入力軸対出力軸）の回転比を連続的に可変制御する機能を有する円錐歯車式無段変速型並行軸動力伝達装置を構成することができる。

なお前記請求項１の円錐歯車の歯数比１〜４：４〜１の間で３７段相当以上の可変速が可能であり、従来、この規模の変速装置では７４枚（３７枚×２ケ）と複雑な噛み合い機構を必要としていたが図７の通り、基本的に３ケで実現している。

図８は本発明の請求項３の実施例に係る円錐遊星歯車式同軸型無段変速動力伝達装置の実施例である。この請求項３を実現するために、先ず原軸（図８−８０１）となる第１の回転軸に第１の太陽歯車（図８−８０２）を連結し、周りに前記１項説明の円錐型歯車の一方の端を噛み合うように複数（図８−８０３，８０４）配置して遊星歯車構造を構成する。次にこの円錐型遊星歯車の径の変化するもう一方の歯先に対し常に噛み合い、移動可能なように第２の太陽歯車（図８−８０６）を配し、これを回転力伝達可能で移動できるように連結した従軸（図８−８０７）となる第２の回転軸を回転させる遊星歯車式同軸無段変速型動力伝達装置を構成する。なお原軸（第１の回転軸）と従軸（第２の回転軸）は同軸独立回転軸受（図８−８０８）により回転動作は独立している。

ここで仮に、前出の第１の太陽歯車（図８−８０２）を回転動力の入力軸とすれば、第２の太陽歯車（図８−８０６）と円錐歯車の噛み合う位置（図８−８０５〜８０６）を外部より自動又は、手動で変化させることにより円錐歯車の片方と噛み合う第２の太陽歯車側で回転数を連続的に変化させて取出す機能を有する遊星歯車式無段変速型動力伝達装置を構成することができる。なお本説明図では円錐型遊星歯車は２ケだが、動力伝達力を増すために４ケ以上も可能である。

産業上の利用の可能性

本発明の無段変速装置の利用分野として、揚力型風力発電装置の回転する風車部と発電機との動力伝達部において利用することにより、発電機の回転負荷を軽減して弱風域での不安定な風に対する自然揚力加速を促進させるとともに、トルク不足を補い発電機をより長時間廻し発電効率を向上させることが可能となる。また速度変速制御機能を持たないモータの無段変速機や、原動機の回転出力を無段階に可変速制御する内燃機関用変速機として用いれば初期駆動時のトルク増強や、負荷の変動に対して高効率で運転することができる。

円錐歯車を側面から見た図円錐歯車を上面から見た円錐型歯数可変歯車の歯形パターン図図２の円錐型歯車右下破線相当部分に重ね合わせた噛み合い歯車角度説明図歯数余り調整用ラウンド歯溝構造の右下（１／４）全景図歯数余り調整用ラウンド歯溝構造部分拡大説明図（図６に図４のラウンド歯溝構造を重ねて拡大表示）Ｖ字型連続歯溝構造図（同じ円ピッチ幅で歯数１２から４８の想定歯形位置をコンピュータシュミレーションで算出した右下１／４を図示）円錐歯車式並行軸無段変速型動力伝達装置構成図円錐遊星歯車式同軸型無段変速動力伝達装置構成図特許文献１の可変歯数歯車変速機図

符号の説明

１０１円錐型歯車の回転軸
１０２円錐型歯車の連続歯溝の底
１０３円錐型歯車の連続歯先の山
２０１−ａ、ｂ、ｃ、ｄ円錐型歯車の４分割内連続歯溝の開始位置
２０３図３と対応した切り出し範囲部分
２０４〜２０７４分割折り返し線（歯数余りを丸め込むラウンド歯溝位置）
２−Ｅ００１〜Ｅ０４８外径歯数番号１〜４８に対応
２−Ｉ００１〜Ｉ０１２内径歯数番号１〜１２に対応
３０１円錐型歯車の連続歯溝と噛み合う相手歯車の傾き角度θ
３０２連続歯溝の幅
３０３連続歯溝の切り込み線
３０４連続歯溝と噛み合う相手歯車の歯幅（軸方向に測った歯の長さ）
３０５連続歯溝と噛み合う相手歯車の円ピッチ幅（歯溝の幅＋歯厚）
３０６円錐型歯車の４分割折り返し線
４０１４分割折り返し線
４０２〜４０６歯数余り吸収処理時の位相調整用セパレータ歯たけ
４１１〜４１９歯数余り補正用可変ラウンド歯溝（０．１〜０．５ピッチ対応）
４２１−ａ／ｂ〜４２９−ａ／ｂ歯数余り分割補正用可変ラウンド歯溝（０．５〜０．９ピッチ対応）
５０１４分割折り返し線
５０２歯数余り想定歯形軌跡円弧（５−ｒ３７、５−ｒ３８、５−ｒ３９）
５０３歯数余り０．５ピッチを越えた場合を想定
５０４歯数余り０．５ピッチ以下想定
５０５位相調整用セパレータ歯たけ（０．５〜０．９ピッチ対応）
６０１基準歯数１０種の歯車噛み合い位置（○表示：歯数１２、１６、２０、２４、２８、３２、３６、４０、４４、４８と１０段相当）
６０２歯数余り２７種の噛み合い位置（◇：右回転時表示、□：左回転時表示、歯数１３、１４、１５、１７、１８、１９、２１、２２、２３、２５、２６、２７、２９、３０、３１、３３、３４、３５、３７、３８、３９、４１、４２、４３、４５、４６、４７と２７段相当）
６０３連続歯溝連結折り返し線
６０４Ｖ字連結歯溝基本パターン構造（標準１０種の歯形位置の基本形）
６０５逆Ｖ字遊び歯溝基本パターン構造（歯数余り歯車の想定歯形位置の基本形）
６１１〜６１７Ｖ字型連続歯溝
７０１円錐歯車式並行軸無段変速型動力伝達装置の入力回転軸
７０２本発明の入力側円錐歯車
７０３出力回転軸
７０４本発明の出力側円錐歯車
７０５可動式速度制御兼伝達歯車（入出力等速位置）
７０６速度制御兼伝達歯車の出力軸減速化位置（想定位置）
７０７速度制御兼伝達歯車の出力軸加速化位置（想定位置）
８０１円錐遊星歯車式同軸型無段変速動力伝達装置の原軸（第１の回転軸）
８０２第１の太陽歯車（位置固定）
８０３本発明の円錐型遊星歯車１
８０４本発明の円錐型遊星歯車２
８０５位置可動式第２の太陽歯車（従軸減速位置：想定位置）
８０６位置可動式第２の太陽歯車（従軸最大減速位置）
８０７円錐遊星歯車式同軸型無段変速動力伝達装置の従軸（第２の回転軸）
８０８同軸独立（原軸／従軸）回転軸受け
８０９回転軸受け

Claims

歯車の基準である円ピッチ幅（歯溝の幅＋歯厚）を一定にして、円錐の径の大きさに比例して連続的に歯数が変わる円錐型歯車において、当該円錐歯車の径位置で全円周（３６０度）を９０度で交わる分割開始線により４分割し、その各４分割範囲内の中間位置を折り返し線とし、該各４分割範囲の両側の分割開始線から同一円ピッチ幅（歯溝の幅＋歯厚）で前記中間位置の折り返し線まで連続歯溝を切ることによりその中間の折り返し線上で交わる点が連続歯溝の前記折り返し点を構成するように円錐の径の大きくなる方向に広がるＶ字型の連続歯溝を形成し前記Ｖ字型連続歯溝の交わる点から逆方向の円錐の径の小さくなる方向に逆Ｖ字型の連続歯溝を形成し、この時、前記Ｖ字型と逆Ｖ字型の連続歯溝によって前記中間位置の折り返し線上にひし形形状で残る部分を更に連続歯溝の折り返し線上の角を３角形状で切り取ることにより６角形状部分の位相調整用セパレータ歯たけを残し、前記３角形状部とで整数とならない各径での歯数余りを分割して丸め込み吸収する構造にしたことを特徴とする円錐型歯数可変歯車。
前記請求項１で構成される２ケの円錐型歯数可変歯車を回転軸が並行に互いの径の大きさが反対になるように並べ、この２ケの円錐型歯数可変歯車の歯数が変化する歯先に対し互いに噛み合い移動可能な伝達歯車を２ケの円錐型歯数可変歯車の間に配置し、この伝達歯車の位置を変化させることにより２ケの円錐型歯数可変歯車の回転比を連続的に可変制御する機能を有する円錐型歯数可変歯車式無段変速動力伝達構造。
第１の回転中心軸に連結して第１の太陽歯車を配置し、周りに前記請求項１で構成される円錐型歯数可変歯車の一方の端の歯先に噛み合うように配置した円錐型遊星歯車機構と、この円錐型遊星歯車の歯数が変化する歯先に対し噛み合うように第２の中心軸に沿って移動可能で独立回転できる第２の太陽歯車を配して、第２の太陽歯車の位置を前記第２の中心軸に沿って変化させることにより第１の太陽歯車と第２の太陽歯車の回転比を連続的に可変制御する機能を有する円錐型歯数可変遊星歯車式無段変速動力伝達構造。