JP4384114B2 - 変速装置 - Google Patents

Description

この発明は、風力発電装置や搬送機械、自転車、扇風機、工作機械等の各種変速機構に応用できる遊星歯車装置及びそれを用いた変速装置に係り、特にリング歯車を設けることなく安定した変速が可能な新規な遊星歯車装置に関する。

遊星歯車装置は、各種動力伝達機構や変速機構に利用されている。特に変速機構として利用される遊星歯車装置としては、円周内面にギアを設けたリング歯車と、リング歯車の内面と噛合う遊星歯車と、外面で遊星歯車と噛合う太陽歯車とからなるものが一般的であり、リング歯車又は遊星歯車の一方を固定し他方を駆動源により回転させることにより、その回転より増速した回転を太陽歯車から取り出すものである（特開平7-279815号、特開平10-246173号など）。

しかしこれら従来の遊星歯車装置は、リング歯車、遊星歯車及び太陽歯車の３つの歯車を必須の構成としているため、構造が複雑であり、製造及び組み立てに高精度が要求される。

また遊星歯車装置を複数段で構成することにより、大きな変速比を得ることができるようにした変速装置が知られているが、これら従来の変速装置では入力軸の回転数に対し出力軸で得られる回転数（変速比）は一段の変速比と段数で決まり、任意に調整することはできない。

そこで本発明は、リング歯車を不要とし、しかも増速が可能な遊星歯車装置を提供することを目的とする。また本発明は、複数の遊星歯車装置を連設してなる変速装置であって、複数の異なる変速比の回転を取り出すことが可能な変速装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の変速装置は、主軸を中心に回転可能に支持された太陽歯車と、前記太陽歯車に噛合する少なくとも１の遊星歯車と、前記遊星歯車を支持し、一体回転する案内部材と、前記太陽歯車、遊星歯車及び案内部材を支持する支持部材とを備え、前記遊星歯車はその両側面にそれぞれ一対のピンが植設されており、前記支持部材は前記一対のピンが係合し、前記遊星歯車の自転を規制する規制溝が形成されていることを特徴とする遊星歯車装置をユニットとして、複数のユニットを連結したものであり、各ユニットは、主軸がそれと隣接するユニットの案内部材と連結しているものである。
この変速装置によれば、任意の数のユニットを連結することにより、所望の変速比の回転を取り出すことができる。

本発明の変速装置によれば、リング歯車を用いることなく、回転運動を変速して伝達できる簡易な構造の変速機構が提供される。

本発明の変速装置の好適な態様では、上記遊星歯車ユニットにおいて、遊星歯車の両側面にそれぞれ設けられた一対のピンは、一方の側面の一対のピンと他方の側面の一対のピンが互いに直交する方向に植設されている。本発明の変速装置の他の好適な態様では、上記遊星歯車ユニットにおいて、遊星歯車の両側面にそれぞれ設けられた一対のピンは、互いに径及び長さが異なる。

この変速装置によれば、任意の数のユニットを連結することにより、所望の変速比の回転を取り出すことができる。

この変速装置によれば、共通の主軸が係合する太陽歯車を変更することにより、各ユニットの回転体から、主軸の係合ユニットに対する相対位置によって決まる変速比の回転を取り出すことができる。

以下、本発明の変速装置に用いる遊星歯車ユニットである遊星歯車装置の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１〜図６は本発明の変速装置に用いる遊星歯車装置の第一の実施形態を示す図である。この遊星歯車装置は、図１の側断面図に示すように、主軸１に固定された太陽歯車２と、太陽歯車２の外周と噛合っている遊星歯車３と、太陽歯車２及び遊星歯車３を回転自在に支持する丸形案内部材４と、丸形案内部材４の両側に設けられ、主軸１を回転自在に支持する支持部材５と、支持部材５が固定される台盤１０とを備えている。

丸形案内部材４は、その外周面にＶ字状の溝４１が形成されており、図２に示すように、風力発電機のプロペラやモーター等駆動機構の回転プーリー２０と丸形案内部材４の溝４１との間に駆動ベルト２１が巻回されている。これにより回転プーリー２０の回転により丸形案内部材４が回転するようになっている。尚、図２では駆動ベルト２１により丸形案内部材４を回転させる機構としたが、丸形案内部材４の外周面をギアとし、これに駆動ギアを噛合わせて回転させるようにしてもよいし、丸形案内部材４に直接プロペラ等を取り付けてもよい。

また丸形案内部材４は、図２及び図３に示すように、太陽歯車２及び遊星歯車３が嵌合する穴４２が形成されており、丸形案内部材４が上述の駆動機構によって回転することにより、遊星歯車３を主軸１の周りに回転（公転）させる。図３では、太陽歯車の周りを回転する遊星歯車３を一つしか示していないが、複数設けることができる。この場合には、穴４２の形状を太陽歯車２及び複数の遊星歯車３が嵌合する形状とする。

遊星歯車３は、その両面にそれぞれ一対のピン７、８が植設されている。図１及び図３に示す例では、２本のピン７、８が遊星歯車３を貫通して設けられているが、各面それぞれ別個に設けても良い。好適には、各面で別個に設けるとともに２本のピンの配列方向が２つの面で直交するように設けることが好ましい(図４（a）、（b）)。両面におけるピンの配列方向を異ならせることにより、ピンが後述する支持体５の溝と係合した状態での遊星歯車３の回転運動を円滑にすることができる。

支持体５は、丸形案内部材４の両側に設けられ、丸形案内部材４に当接する面に図４に示すような２条の円形凹溝５７、５８が形成されている。この円形凹溝５７、５８に、それぞれ遊星歯車３のピン７、８が係合し、遊星歯車３の自転を規制する。図４（a）は、ピン７、８の配列方向が水平方向の場合の溝の形状を、同図（b）はピン７、８の配列方向が垂直方向の場合の溝の形状をそれぞれ示している。このように遊星歯車３の両面で、ピン７、８の配列方向を異ならせた場合には、円形凹溝５７、５８とピンとの係合に遊びがあることによる回転のガタツキを防止し、安定で円滑な回転を取り出すことができる。

このような構成の遊星歯車装置は、図５に示すように、遊星歯車３にピン７、８を植設するとともに太陽歯車２に主軸１を貫通した後、遊星歯車３と太陽歯車２を丸形案内部材４の穴に嵌合し、その両側から支持部材５で固定する。この際、遊星歯車３の位置を調整し、支持部材５に形成した円形凹溝５７、５８に遊星歯車３のピン７、８がそれぞれ係合するようにする。しかる後に、支持部材５を台盤１０にボルト１１等で固定する。このように本実施形態の遊星歯車装置は容易に組み立てることが可能である。

次に上記構成の遊星歯車装置の動作を図６を参照して説明する。まず図示しない駆動機構によって丸形案内部材４が回転すると、丸形案内部材４の穴４２に嵌合する遊星歯車３が一体として回転し、この遊星歯車３と噛合う太陽歯車２を回転させる。ここで遊星歯車３が自由回転可能であるとすると、丸形案内部材４の１回転によって太陽歯車２は１回転するのみであり増速されることはないが、本実施形態では、ピン７、８が支持部材５の円形凹溝５７、５８に係合することによって遊星歯車３の自転が規制されているため、遊星歯車３の回転に伴い、噛合による回転と公転の合計である回転が太陽歯車に与えられる。その結果、丸形案内部材４の１回転によって太陽歯車２の主軸から２回転を取り出すことができる。図中、７Ａ、８Ａはそれぞれピン７、８の軌跡である。

以上説明したように本実施形態の遊星歯車装置によれば、機構を複雑化するリング歯車を不要とし、簡単な機構で増速できる機構を提供することができる。

図７に、本実施形態の遊星歯車装置を多段化した応用例の増速装置を示す。この増速装置は、遊星歯車ユニット７０、８０、９０を直列に連結したものからなり、各遊星歯車装置は、それぞれ図１と同様の構成からなる。但し、ここでは図１と異なり、遊星歯車の一方の面に設けられたピン７、８の配列方向と他方の面に設けられたピンの配列方向が直交する場合を示している。遊星歯車ユニット７０の主軸７１は、遊星歯車ユニット８０の丸形案内部材８４に連結され、遊星歯車ユニット８０の主軸８１は、遊星歯車ユニット９０の丸形案内部材９４に連結されている。

このような構成において、図示しない駆動機構によって遊星歯車ユニット７０の丸形案内部材７４を回転させると、その回転は３つの遊星歯車ユニット７０、８０、９０によって８倍の回転として遊星歯車ユニット９０の主軸９１から取り出すことができる。従って駆動機構の回転数に応じて、ユニットの段数を適宜設計することにより、必要とされる回転数を取り出すことが可能である。

尚、以上の説明では、丸形案内部材４を駆動機構に連結し、主軸１から増速した回転を取り出す場合を説明したが、主軸１を駆動機構に連結することにより、減速機構として利用することも可能であり、その場合の減速比も増速の場合と同様に設計することができる。

また以上の実施形態では、遊星歯車３の両面に設ける一対のピン７、８が同じ大きさである場合を説明したが、大きさを異ならせてもよい。例えば、図８に示すように、一方のピンの径を他方の径よりも大きいものとするとともに小径のピン８の長さを大径のピン７よりも長くする。これに合わせて支持部材５の円形凹溝５７、５８の幅及び深さを異ならせる。このようにすることにより、二つの凹溝の交差点におけるピンの通過動作を円滑にするとともに、小径のピンが大径のピンの凹溝に入ってしまうのを防止することができる。

また以上の実施形態では、太陽歯車２の周囲に遊星歯車３を直接配置した例を示したが、図９に示すように、太陽歯車２と遊星歯車３との間にピニオン３’を配置してもよい。この場合、遊星歯車３の歯数が太陽歯車２の歯数の２倍であるとすると、案内部材４の一回転（遊星歯車３の公転）に対し、太陽歯車２は、案内部材４の回転方向と逆方向に一回転する。また太陽歯車の一回転に対し、案内部材４が逆方向に一回転する。

次に本発明の変速装置の一実施形態を説明する。図１０は本発明の変速装置の一実施形態を示す図で、この変速装置は、変速部１１０と逆転部１２０とを備えている。

変速部１１０は、複数段の遊星歯車ユニット１１０Ａ〜１１０Ｄからなり、各遊星歯車ユニット１１０Ａ〜１１０Ｄは、それぞれ太陽歯車部１１２と、太陽歯車部１１２の周囲に配置された１ないし複数の遊星歯車１１３と、丸形案内部１１４と、各ユニット共通の支持部材１１５とを備えている。遊星歯車１１３の少なくとも一方の側面には、図１〜図５に示す実施形態と同様に一対のピンが設けられるとともに、丸形案内部１１４にはこれらピンが係合する凹溝が設けられている。そして、図中、左端のユニット１１０Ａの丸形案内部１１４とそれに隣接するユニット１１０Ｂの太陽歯車部１１２とは一体に形成されており、同様にユニット１１０Ｂ、１１０Ｃの丸形案内部１１４は、それぞれ隣接するユニット１１０Ｃ、１１０Ｄの太陽歯車部１１２と一体に形成されている。

これら遊星歯車ユニット１１０Ａ〜１１０Ｄの太陽歯車部１１２と丸形案内部１１４との間は連続する円筒部になっており、この円筒部に共通の主軸１１１が貫通している。主軸１１１には、軸方向の所定の位置に、軸の径方向に移動可能なピン１１９Ａ〜Ｄが複数設けられており、これらピンはスプリング(図示せず)により主軸外周面から径方向外側に突出する方向に付勢されている。このピンに対応して、円筒部の所定位置（左端ユニットの太陽歯車部及び各ユニットの丸形案内部）に凹部ｈが形成されており、複数のピンの一つが対応する太陽歯車部又は丸形案内部に係合することにより、主軸１１１をその太陽歯車部又は丸形案内部が属するユニットに連結する。

主軸１１１の端部にはレバー１３０が設けられており、このレバー１３０を作動することにより、主軸１１の各ユニットへの連結位置を変更することができる。図示する例では、円筒部に５つの凹部ｈ１〜ｈ５が形成されており、１）ピン１１９Ａ〜Ｄのいずれも凹部と係合しない位置(図１０の位置)、２）ピン１１９Ａが凹部ｈ１と係合する位置、３）ピン１１９Ａが凹部ｈ２と係合する位置、４）ピン１１９Ｂが凹部ｈ３と係合する位置、５）ピン１１９Ｃが凹部ｈ４と係合する位置、６）ピン１１９Ｄが凹部ｈ５と係合する位置、の６つの位置をとることができ、これにより６つの異なる変速比をもたらすことができる。例えば一つのユニットの変速比が1/2或いは２倍である場合（これは主軸を入力軸とするか出力軸とするかにより異なる）、装置としての変速比を係合位置によって0、1/16、1/8、1/4、1/2、1或いは0、1、2、4、8、16に変更することができる。

逆転部１２０は、一つの遊星歯車ユニットからなり、変速部１１０の主軸１１１と逆転部１２０（の主軸１２１）とを同回転、逆回転、或いは０回転(即ち、非連続状態)に連結する。即ち、逆転部１２０の遊星歯車ユニットは、太陽歯車１２２と遊星歯車１２３との間にピニオン歯車が配置されるとともに、太陽歯車１２２と丸形案内部１２４で形成される円筒部に主軸１２１が嵌合している。太陽歯車１２２はその一端側(図中、左側)に主軸１２１の軸方向に延長した円筒部を有し、この円筒部が変速部１１０の主軸１１１とスプラインシャフトによって軸方向にスライド可能に連結されている。

また円筒部を形成する太陽歯車１２２と丸形案内部１２４の円筒内面には、それぞれに主軸１２１に突設されたピン１２９が係合する凹部が形成されている。主軸１２１には２本のピン１２９が設けられ、レバー１３１で主軸１２１を軸方向にスライドさせることにより(或いは周方向に回転させることにより)、１）２本のピンのうち１本のみが太陽歯車１２２の凹部に係合する位置、２）１本のピンのみが丸形案内部１２４の凹部に係合する位置、３）２本のピンのいずれもが凹部に係合しない位置、の３つの位置を取ることができる。これにより、主軸１２１と主軸１１１を同回転、逆回転或いは０回転に設定することができる。

このような構成の変速装置によれば、例えば逆転部の主軸１２１を動力源に接続するとともにレバー１３０を操作して変速部１１０の主軸１１１を所望の位置に設定することにより、変速部１１０側の端部(図中左端側)において、０〜１６までの６段階の異なる変速比の回転を取り出すことができる。この際、逆転部１２０のレバー１３１を作動することにより、正回転、逆回転のいずれにも変更することが可能である。

なお、以上の実施形態では、変速装置を構成する遊星歯車ユニットとして、太陽歯車、ピン付きの遊星歯車及び凹溝付きの支持部材を備えたものを示したが、この変速装置は、太陽歯車の回転により所定の変速比で回転する回転体(例えば、リング歯車)を備えた公知の遊星歯車装置を用いることも可能であり、同様の効果を得ることができる。

本発明によれば、歯車の使用を最小限度に止めて、簡易な構造の変速機構が提供できる。また本発明によれば、円滑な回転を可能にする変速機構が提供できる。さらに本発明によれは変速比の調整が可能な変速機構が提供できる。本発明の遊星歯車装置によって提供される変速機構は、自然風力を利用した風力発電装置のほか、搬送機械、自転車、扇風機、工作機械などに応用することが可能である。

本発明の変速装置を構成する遊星歯車装置（ユニット）の第一の実施形態を示す側断面図 図１の遊星歯車装置の駆動機構を示す図 図１の遊星歯車装置の太陽歯車と遊星歯車との関係を示す図 図１の遊星歯車装置の遊星歯車のピンと支持部材の溝との関係を示す図 図１の遊星歯車装置の組み立てを示す図 図１の遊星歯車装置の動きを説明する図 図１の遊星歯車装置を応用した変速装置の一例を示す図 本発明の変速装置を構成する遊星歯車装置の他の実施形態を示す図 本発明の変速装置を構成する遊星歯車装置の他の実施形態を示す図 本発明の変速装置の一実施形態を示す図

符号の説明

１・・・主軸、２・・・太陽歯車、３・・・遊星歯車、４・・・案内部材、５・・・支持部材、７，８・・・ピン、５７、５８・・・円形凹溝、７０、８０、９０・・・遊星歯車ユニット

Claims (1)

1. 主軸と、主軸と一体に回転する太陽歯車と、太陽歯車と噛合し太陽歯車の周りを回転する少なくとも１の遊星歯車と、遊星歯車の回転によって太陽歯車の回転に対し所定の変速比で回転する回転体とを備えた遊星歯車ユニットを複数連結した変速装置であって、
   前記回転体は、前記遊星歯車を支持し、前記主軸を中心に回転する案内部材であり、
   前記遊星歯車ユニットは、前記太陽歯車、遊星歯車および案内部材を支持する支持部材とを備え、前記遊星歯車は少なくともその片側側面に一対のピンが植設されており、前記支持部材は前記一対のピンが係合し、前記遊星歯車の自転を規制する規制溝が形成されている遊星歯車ユニットであり、
   両端に位置するユニット以外のユニットは、その太陽歯車を一方の隣接するユニットの回転体と一体に構成し、その回転体を他方の隣接するユニットの太陽歯車と一体に構成するとともに、主軸は、複数のユニットの太陽歯車を貫通する共通の主軸であって、各太陽歯車のひとつと選択的に係合する手段を備えたことを特徴とする変速装置。

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