JP4407281B2 - 摩擦伝動装置 - Google Patents

Description

本発明は、減速や増速のための変速装置として適用される摩擦伝動装置の技術分野に属する。

回転自在に支持された駆動ローラと従動ローラとを押圧接触させ、その接触部に生じる摩擦力によって、一方のローラから他方のローラに動力を伝達させる摩擦伝動装置では、ローラの軸支持部をネジ等によって相対的に締め上げ、軸間距離を近づけることでローラに押し付け力を与えている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１７３７４３号公報

しかしながら、従来の摩擦伝動装置にあっては、伝達するトルクによらず押し付け力は一定となる。ところが、動力伝達部における摩擦係数は、運転条件によって大きく変化するものではないので、最大伝達トルクに合わせて押し付け力を設定すれば、低トルク域では過剰な押し付け力を与えることになり、ローラおよび支持軸受の寿命低下や、動力伝達効率の悪化を招く、という問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、くさびローラやアクチュエータを用いることのない簡単な構成としながら、伝達トルクに比例した押し付け力を与えることにより、寿命と動力伝達効率の向上を達成することができる摩擦伝動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、回転自在に支持された駆動ローラと従動ローラとを押圧接触させ、その接触部に生じる摩擦力によって、上記２個のローラのうち、一方のローラから他方のローラに動力を伝達させる摩擦伝動装置において、
前記駆動ローラおよび前記従動ローラのうち、少なくとも一方の回転支持部を、ローラの接触点における接線に対し、伝達トルクに比例した押し付け力を与える角度を持ったカム斜面に当接させた。

よって、本発明の摩擦伝動装置にあっては、駆動ローラおよび従動ローラのうち、少なくとも一方の回転支持部を、ローラの接触点における接線に対し角度を持ったカム斜面に当接させたため、くさびローラやアクチュエータを用いることのない簡単な構成としながら、伝達トルクに比例した押し付け力を与えることにより、寿命と動力伝達効率の向上を達成することができる。

以下、本発明の摩擦伝動装置を実施するための最良の形態を、図面に示す実施例１〜実施例７に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は実施例１の摩擦伝動装置を示す全体図である。実施例１の摩擦伝動装置は、回転自在に支持された駆動ローラ１と従動ローラ２とを押圧接触させ、その接触部に生じる摩擦力によって、上記２個のローラ１，２のうち、一方のローラ１または２から他方のローラ２または１に動力を伝達させる。

前記駆動ローラ１の軸部１ａおよび従動ローラ２の軸部２ａのそれぞれに、転がり軸受３，４が設けられていて、前記軸部１ａ，２ａを転がり軸受３，４の内輪とし、転がり軸受３，４の外輪３ａ，４ａは、フレーム５に支持される。

前記フレーム５の従動ローラ２側軸受支持部は、転がり軸受４の外輪４ａと同径の穴であり、転がり軸受４の外輪４ａを固定支持する。

前記フレーム５の駆動ローラ１側軸受支持部は、台形穴となっており、転がり軸受３の外輪３ａの当接する面は、駆動ローラ１と従動ローラ２の中心点を結んだ線Ｌに対し角度θを持っている。この斜面をカム斜面５ａとする。

次に、作用を説明する。

［動力伝達作用］
例えば、特開２００１−１７３７４３号公報等に記載される摩擦伝動装置は、ローラの軸支持部をネジ等によって相対的に締め上げ、軸間距離を近づけることでローラに押し付け力を与えている（図２）。

しかしながら、前記摩擦伝動装置では、伝達するトルクによらず押し付け力は一定となる。ところが、動力伝達部における摩擦係数は運転条件によって大きく変化するものではないので、最大伝達トルクに合わせて押し付け力を設定すれば、低トルク域では過剰な押し付け力を与えることになり、ローラおよび支持軸受の寿命低下や、動力伝達効率の悪化を招く。

以上の点を鑑み、特開平８-２７７８９６号公報では、伝達トルクに合わせた最小限の押し付け力に制御できるよう、エアシリンダによって押し付け力を与えた（図３）。この従来例ではエアシリンダの圧力はオン／オフ制御としているが、運転条件に合わせて任意の圧力に制御すれば、伝達トルクに対して最小限の押し付け力を与えることができる。

しかしながら、前記摩擦伝動装置では、エア圧力を発生するために動力損失が発生し、また、シリンダ本体やポンプ、制御装置が必要になるためコストが増加する。

以上の点を鑑み、特開２００２-３４９６５４号公報では、駆動ローラと従動ローラの間にくさびローラを設け、それぞれの接触点における接線の方向に角度を持たせることで、伝達トルクに比例した押し付け力を自動的に発生する構造とした（図４）。

しかしながら、前記摩擦伝動装置では、動力伝達部が２ヶ所あるため動力損失が２倍になる。さらに、くさびローラとその支持部が追加されるため部品点数が多くコストが増加する、という問題があった。伝達トルクの方向が変わる場合は、さらに、くさびローラの反対側に第２くさびローラを設ける必要がある。

また、複数のローラ対を用いて変速装置を構成したものとして、特開昭６１-２８６６５２号公報がある。この例では、一方のローラを軸受を介してケースに固定し、他方を偏心軸で支持し、偏心軸自体は軸受を会してケースで支持し、偏心軸を回転させることで各ローラ対の軸間距離を変化させ、最も軸間距離の小さいローラ対が動力を伝達する構成としている。押し付け力を与える装置はもっておらず、ローラの径よりも軸間距離を小さく設定し、弾性変形によって押し付け力を発生させる。一般に変速装置は、変速を行う際、クラッチ等で動力を切断した状態で経路の切り替えを行うため、変速ショックを生じるが、この例であればクラッチを用いることなく変速できる。

しかしながら、前記変速装置では、偏心軸の位相角に誤差が生じた場合、軸間距離が広がってしまうが、これに追従する機構をもたないため、押し付け力が低下して伝達トルクが下がる、という問題があった。

これに対し、実施例１の摩擦伝動装置では、図５に示すように、駆動ローラ１から従動ローラ２にトルクが伝達されると、駆動ローラ１には伝達力の反力が働く。この伝達力の反力は、転がり軸受３の外輪３ａとカム斜面５ａの当接部で支持されるが、当接部においては接触面に垂直な力しか発生できないので、図５に示すように、大きな法線力を生じ、水平方向成分が伝達力の反力と釣り合う。この法線力の垂直方向成分が押し付け力となり両ローラ１，２の接触部に働くことになる。

このとき水平方向成分と垂直方向成分、すなわち、伝達力と押し付け力の比は、当接部におけるカム斜面５ａの角度θに等しい。このカム斜面５ａの角度θは一定であるので、したがって伝達力に比例した押し付け力を動力伝達部に加えることができる。

なお、図６に示すように、外輪３ａとフレーム５の当接部における摩擦力が大きいと、法線力が小さくても伝達力と釣り合うため（摩擦力およびカム斜面５ａからの力の合計が伝達力と釣り合っていれば良い）、十分な押し付け力が得られないが、実施例１では当部位を、転がり軸受３により転がり接触させているため、摩擦力はきわめて小さい。

次に、効果を説明する。
実施例１の摩擦伝動装置にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。

(1) 回転自在に支持された駆動ローラ１と従動ローラ２とを押圧接触させ、その接触部に生じる摩擦力によって、上記２個のローラ１，２のうち、一方のローラから他方のローラに動力を伝達させる摩擦伝動装置において、前記駆動ローラ１および前記従動ローラ２のうち、少なくとも一方の回転支持部を、ローラの接触点における接線に対し、伝達トルクに比例した押し付け力を与える角度を持ったカム斜面５ａに当接させたため、くさびローラやアクチュエータを用いることのない簡単な構成としながら、伝達トルクに比例した押し付け力を与えることにより、寿命と動力伝達効率の向上を達成することができる。

(2) 前記駆動ローラ１の回転支持部は、転がり軸受３によりカム斜面５ａに対し転動可能であるため、回転支持部とカム斜面５ａとの摩擦による押し付け力の低下を防止することができる。

実施例２は、ローラの接触点における接線に対し向きが反対である複数のカム斜面を設けた例である。

すなわち、図７に示すように、前記フレーム５の駆動ローラ１側の回転支持部に形成したカム斜面を、両ローラ１，２の接触点における接線に対し向きが反対である左右対称な山型による第１カム斜面５ａと第２カム斜面５ｂとしている。なお、図８に示すように、前記フレーム５の駆動ローラ１側の回転支持部のみではなく、従動ローラ２側の回転支持部に形成したカム斜面も、両ローラ１，２の接触点における接線に対し向きが反対である左右対称な山型による第１カム斜面５ｃと第２カム斜面５ｄで支持しても良い。

作用を説明すると、カム斜面を、両ローラ１，２の接触点における接線に対し向きが反対である左右対称な山型による第１カム斜面５ａと第２カム斜面５ｂとしたため、回転方向及び伝達トルクの方向が変わっても、第１カム斜面５ａと第２カム斜面５ｂのうち、何れか一方のカム斜面により押し付け力を発生することができる。

次に、効果を説明する。
実施例２の摩擦伝動装置にあっては、上記(1),(2)の効果に加え、下記の効果を得ることができる。

(3) 両ローラ１，２の接触点における接線に対し向きが反対である左右対称な山型による第１カム斜面５ａと第２カム斜面５ｂを設けたため、回転方向および伝達トルクの方向によらず動力を伝達することができる。

実施例３は、ローラの接触部に予圧を与えるようにした例である。

すなわち、両ローラ１，２の軸間距離を縮めるようフレーム５でローラ１，２同士を押圧する。つまり、フレーム５の弾性力でローラ１，２に与圧を与える。なお、与圧の大きさは、最大トルク時に発生する押し付け力に対しては十分に小さい圧力とされる。予圧を与える以外の外観構成は、実施例１，２と同様であるため、図面を省略する。

作用を説明すると、伝達トルクが低い条件では駆動力に対する潤滑油の粘性抵抗や、転がり軸受３，４の摩擦が大きく、十分な押し付け力が発生しないため、動力を伝達できない。本実施例３では伝達トルクの大きさによらず、一定の押し付け力を与えているので、極めて小さなトルクでも伝達することができる。なお、本実施例３における伝達トルクと押し付け力の関係を図９に示す。

次に、効果を説明する。
実施例３の摩擦伝動装置にあっては、上記(1),(2),(3)の効果に加え、下記の効果を得ることができる。

(4) 両ローラ１，２の接触部に予圧を与えたため、極めて低いトルク域から動力伝達が可能となり、また、バックラッシュをなくすことができる。

実施例４は、駆動ローラ１および従動ローラ２を、径の異なる複数のローラ対で構成し、各ローラ対の軸間距離を変えることで、選択的にいずれかのローラ対で動力を伝達するようにした例である。

すなわち、図１０及び図１１に示すように、駆動ローラ１は、同軸上に一体形成された第１駆動ローラ１Ａと第２駆動ローラ１Ｂと第３駆動ローラ１Ｃと駆動軸部１ａ，１ｂとを有して構成されている。従動ローラ２は、偏心軸６上に回転自在に配置された第１従動ローラ２Ａと第２従動ローラ２Ｂと第３従動ローラ２Ｃとを有して構成されている。そして、実施例１と同様に、駆動ローラ１の駆動軸部１ａ，１ｂを、転がり軸受３を介してフレーム５に形成したカム斜面５ａで支持し、偏心軸６の両端部を、転がり軸受４を介してフレーム５に回転可能に支持している。偏心軸６は、サーボモータ７等のアクチュエータによって位相を制御される。偏心軸６の偏心位相は、図１０に示すように、各従動ローラ２Ａ，２Ｂ，２Ｃ毎に異なっている。第１従動ローラ２Ａが支持回転軸から駆動ローラ１へ近づく方向に偏心させた従動ローラ中心L1であり、第２従動ローラ２Ｂが支持回転軸と一致する従動ローラ中心L2（＝偏心軸中心）であり、第３従動ローラ２Ｃが支持回転軸から駆動ローラ１から遠ざけた方向に偏心させた従動ローラ中心L3である。

作用を説明すると、図１２の状態では第３駆動ローラ１Ｃと第３従動ローラ２Ｃとのローラ対が接触し動力を伝達しているが、サーボモータ７によって偏心軸６が回転すると、軸間距離が大きくなり接触しなくなるため、動力を伝達しなくなる（図１３）。しかしながら、同時に第１駆動ローラ１Ａと第１従動ローラ２Ａとのローラ対の軸間距離が小さくなり接触するため、第１駆動ローラ１Ａと第１従動ローラ２Ａとのローラ対で動力を伝達する。すなわち、偏心軸６の回転によって変速が行われる。そして、ローラ対１Ｃ，２Ｃとローラ対１Ａ，２Ａの位相差を最適に設計すれば、動力が途切れず、スムーズに変速を行うことができる。また、歯車と異なりローラ接触面はすべりを許容するので、シンクロナイザが不要となる。

さらに、図１４に示すように、偏心軸６の位相角に誤差が生じた場合は、カム斜面５ａを外輪３ａ（＝カムフォロワ）が転動し、ローラ（この場合は駆動ローラ１）が偏心軸６で支持された従動ローラ２に近づくことで両ローラ１２の軸間距離を縮めるため、押し付け力を付与することができる。

次に、効果を説明する。
実施例４の摩擦伝動装置にあっては、上記(1),(2),(3),(4)の効果に加え、下記の効果を得ることができる。

(5) 駆動ローラ１および従動ローラ２を、径の異なる複数のローラ対で構成し、各ローラ対の軸間距離を変えることで、選択的にいずれかのローラ対で動力を伝達する構造としたため、動力を途切れさせることなく変速を行うことができる。

(6) 駆動ローラ１および従動ローラ２のうち少なくとも一方を偏心軸６で回転自在に支持し、偏心軸６を回転させることで、各ローラ対の軸間距離を変える構造としたため、クラッチや回転同期機構（シンクロナイザ）が不要であり、簡単な構成により変速動作を達成することができる。

実施例５は、駆動ローラおよび従動ローラのうち一方を環状円筒形状とし、内周面で他方と接触させた例である。

すなわち、図１５に示すように、駆動ローラ１は実施例１と同様の円柱形状であるが、従動ローラは環状従動ローラ２’であり、該環状従動ローラ２’の内周面が駆動ローラ１の外周面と接触する。なお、実施例１と同様に、駆動ローラ１はカム斜面５ａで支持されており、環状従動ローラ２’はフレーム５に支持される。

次に、作用を説明すると、押し付け力の発生と動力の伝達は実施例１と同様に行われるが、環状従動ローラ２’が凹面であるため、駆動ローラ１と環状従動ローラ２’の接触幅が図１５に示すように大きくなり、接触部における面圧が低下する。そのため材料の許容面圧が同じであっても、より大きな押し付け力を与えることができる。言い換えると、ローラ材を変えることなく、より大きなトルクを伝達できる。

次に、効果を説明する。
実施例５の摩擦伝動装置にあっては、上記(1),(2),(3),(4)の効果に加え、下記の効果を得ることができる。

(7) 駆動ローラ１および従動ローラ２のうち一方を環状従動ローラ２’とし、内周面で他方の駆動ローラ１と接触させた構成としたため、両ローラ１，２’の接触部における面圧を下げることが可能となり、大きなトルクを伝達することができる。

実施例６は、駆動ローラおよび従動ローラのどちらか一方を１個配置して太陽ローラとし、他方をその周りに遊星状に複数個配置して遊星ローラとする例である。

すなわち、図１６に示すように、駆動ローラ１を１個、中央に配置し、その周囲に従動ローラ２，２，２を３個、等間隔に配置し、駆動ローラ１に外接状態にて接触させる。３個の従動ローラ２，２，２のうち、１個の従動ローラ２は、カム斜面５ａ，５ｂに対して支持され、残りの従動ローラ２，２は、転がり軸受４，４の外輪４ａ，４ａに対して支持されている。そして、カム斜面５ａと２個の転がり軸受４，４は、キャリア５’で一体結合されている。なお、駆動ローラ１は、半径方向に自由に動けるよう支持されている。

作用を説明すると、駆動ローラ１から従動ローラ２，２，２へのトルク伝達によりカム斜面４ａが押し付け力Fc１を発生する。このとき駆動ローラ１に働く力を考えると、従動ローラ２，２，２からの力が釣り合う。すなわち、
Fc1＝Fc2・sin60°＋Fc3・sin60°
Fc2・cos30°＝Fc3・cos30°
したがって、
Fc1＝Fc2＝Fc3
となる。つまり、カム斜面５ａ，５ｂは、１個の従動ローラ２について設定されているのみであるが、他の従動ローラ２，２にも均等な荷重を与えられる。いうまでもなくキャリア５’へはこれらの反作用が働き、これらも釣り合う。

実施例１と比較すると、駆動ローラ１の径を同じとすれば、同じトルクに対して伝達力は３分の１になる。すなわち押し付け力も３分の１になるため、キャリア５’（フレーム５に相当）を小型軽量化することができる。なお、従動ローラ２が４個のときはカム斜面５ａ，５ｂを２個設けるなど、ローラ数と配置角度に応じてカム斜面の数を変えることで対応する。

次に、効果を説明する。
実施例６の摩擦伝動装置にあっては、上記(1),(2),(3),(4)の効果に加え、下記の効果を得ることができる。

(8) 駆動ローラ１および従動ローラ２のどちらか一方を１個配置して太陽ローラとし、他方をその周りに遊星状に複数個配置して遊星ローラとし、遊星ローラの少なくとも１個をカム斜面５ａ，５ｂで支持し、かつ、すべての遊星ローラをキャリア５’で支持した構成としたため、カム斜面５ａ，５ｂおよび従動ローラ２を支持する転がり軸受４に働く荷重を低減することができる。

実施例７は、駆動ローラおよび従動ローラのどちらか一方を環状ローラとし、他方をその内周に遊星状に複数個配置して遊星ローラとする例である。

すなわち、図１７に示すように、駆動ローラを環状駆動ローラ１’とし、３個の従動ローラ２，２，２を内接させる。３個の従動ローラ２，２，２のうち、１個の従動ローラ２はカム斜面５ａ，５ｂで支持され、残りの従動ローラ２，２は、転がり軸受４，４の外輪４ａ，４ａに対して支持されている。そして、カム斜面５ａと２個の転がり軸受４，４は、キャリア５’で一体結合されている。なお、カム斜面５ａ，５ｂの向きは実施例６とは反対である。

作用を説明すると、基本作用は実施例６と同じであるが、実施例５と同様に、環状駆動ローラ１’と従動ローラ２，２，２の接触幅が図１７に示すように大きくなり、接触部における面圧が低下し、大きなトルクを伝達できる。

次に、効果を説明する。
実施例７の摩擦伝動装置にあっては、上記(1),(2),(3),(4)の効果に加え、下記の効果を得ることができる。

(9) 駆動ローラ１および従動ローラ２のどちらか一方を環状ローラとし、他方をその内周に遊星状に複数個配置して遊星ローラとし、遊星ローラの少なくとも１個をカム斜面５ａ，５ｂで支持し、かつすべての遊星ローラをキャリア５’で支持した構成としたため、カム斜面５ａ，５ｂおよび従動ローラ２を支持する転がり軸受４に働く荷重が低減し、かつ両ローラ１’，２の接触部における面圧を下げることが可能となり、大きなトルクを伝達することができる。

以上、本発明の摩擦伝動装置を実施例１〜実施例７に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

例えば、実施例６と実施例７とを結合し、太陽ローラと遊星ローラと環状ローラとキャリアとを備えた遊星ローラユニットを構成することもできる。

本発明の摩擦伝動装置は、車両に適用される加減速機や変速機への適用に限らず、加速機能や減速機能や変速機能が要求される産業機器等に対し広汎な用途として適用することができる。

実施例１の摩擦伝動装置を示す図である。 押し付け力一定の従来例を示す図である。 アクチュエータを用いた従来例を示す図である。 くさびローラ（第３ローラ）を用いた従来例を示す図である。 実施例１の摩擦伝動装置において駆動ローラにおける力の釣り合いを説明する図である。 実施例１の摩擦伝動装置において摩擦力の影響を説明する図である。 実施例２の摩擦伝動装置を示す図である。 実施例２の摩擦伝動装置（別形態）を示す図である。 実施例３の摩擦伝動装置における押し付け力の特性図である。 実施例４の摩擦伝動装置を示す図である。 実施例４の摩擦伝動装置における駆動ローラ支持部を示す図である。 実施例４の摩擦伝動装置におけるローラ対１Ｃ，２Ｃでのトルク伝達状態を示す図である。 実施例４の摩擦伝動装置におけるローラ対１Ａ，２Ａでのトルク伝達状態を示す図である。 実施例４の摩擦伝動装置において位相誤差を生じた時の軸間距離修正作用の説明図である。 実施例５の摩擦伝動装置を示す図である。 実施例６の摩擦伝動装置を示す図である。 実施例７の摩擦伝動装置を示す図である。

符号の説明

１ 駆動ローラ
１’ 環状駆動ローラ
１ａ 軸部
１Ａ 第１駆動ローラ
１Ｂ 第２駆動ローラ
１Ｃ 第３駆動ローラ
２ 従動ローラ
２’ 環状従動ローラ
２ａ 軸部
２Ａ 第１従動ローラ
２Ｂ 第２従動ローラ
２Ｃ 第３従動ローラ
３，４ 転がり軸受
３ａ，４ａ 外輪
５ フレーム
５’ キャリア
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ カム斜面
６ 偏心軸
７ サーボモータ

Claims (9)

1. 回転自在に支持された駆動ローラと従動ローラとを押圧接触させ、その接触部に生じる摩擦力によって、上記２個のローラのうち、一方のローラから他方のローラに動力を伝達させる摩擦伝動装置において、
   前記駆動ローラおよび前記従動ローラのうち、少なくとも一方の回転支持部を、ローラの接触点における接線に対し、伝達トルクに比例した押し付け力を与える角度を持ったカム斜面に当接させたことを特徴とする摩擦伝動装置。
2. 請求項１に記載された摩擦伝動装置において、
   前記カム斜面は、ローラの接触点における接線に対し向きが反対である第１カム斜面と第２カム斜面であることを特徴とする摩擦伝動装置。
3. 請求項１または請求項２に記載された摩擦伝動装置において、
   前記ローラの回転支持部は、前記カム斜面に対し転動可能であることを特徴とする摩擦伝動装置。
4. 請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載された摩擦伝動装置において、
   前記ローラの接触部に与圧を与えたことを特徴とする摩擦伝動装置。
5. 請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載された摩擦伝動装置において、
   前記駆動ローラおよび前記従動ローラを、径の異なる複数のローラ対で構成し、各ローラ対の軸間距離を変えることで、選択的にいずれかのローラ対で動力を伝達することを特徴とする摩擦伝動装置。
6. 請求項５に記載された摩擦伝動装置において、
   前記駆動ローラおよび前記従動ローラのうち、少なくとも一方を偏心軸で回転自在に支持し、偏心軸を回転させることで、各ローラ対の軸間距離を変えることを特徴とする摩擦伝動装置。
7. 請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載された摩擦伝動装置において、
   前記駆動ローラおよび前記従動ローラのうち、一方を環状円筒形状とし、内周面で他方と接触させたことを特徴とする摩擦伝動装置。
8. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載された摩擦伝動装置において、
   前記駆動ローラおよび従動ローラのどちらか一方を１個配置して太陽ローラとし、他方をその周りに遊星状に複数個配置して遊星ローラとし、遊星ローラの少なくとも１個をカム斜面で支持し、かつ、すべての遊星ローラをキャリアで支持したことを特徴とする摩擦伝動装置。
9. 請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載された摩擦伝動装置において、
   前記駆動ローラおよび前記従動ローラのどちらか一方を環状円筒形状とし、他方をその内周に遊星状に複数個配置して遊星ローラとし、遊星ローラの少なくとも１個をカム斜面で支持し、かつ、すべての遊星ローラをキャリアで支持したことを特徴とする摩擦伝動装置。

Images