JP4562529B2 - 無段変速機の操作方法 - Google Patents

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Description

本発明は、請求項1の前文記載の無段変速機の操作方法に関する。
このタイプの変速機は、例えば、本出願人の特許文献1により周知である。摩擦および挟圧力をベースとするこのタイプの変速機の場合、駆動ベルトが、一方のプーリから他方のプーリに回転を伝達できるようにするために、ディスクが駆動ベルトを締め付けるための最小の力が必要である。この点において、最小の軸方向の挟圧力Fax−minが必要であるが、この力は、一方のプーリにより駆動ベルトに供給され、供給されるトルクを少なくとも実質的にベルトとプーリとの間でスリップを起こさないで転送するために必要なものであり、実際には多くの場合、供給トルクTにテーパ状のプーリ・ディスク間に形成される角度φの半分のコサインを掛け、それをプーリのディスク間の駆動ベルトの走行半径Rの2倍の積と、経験により定義したトルク伝達係数τで割ったものから計算される。
Fax−min=(T・cos(1/2 φ))/(2・R・τ) (1)
式中、実際には、駆動ベルトとプーリとの間の接触部位の摩擦係数μが、多くの場合トルク伝達係数τの代わりに使用される。式(1)は優れた近似であると見なすことができる。
この方法で決定した必要な最小挟圧力Fax−minの値は、原則として両方のプーリに適応されるが、一定の変速比を維持するためには、2つのプーリのうちの一方にかかる挟圧力をもっと大きくなるように選択する必要がある場合がある。また、変速機が変速することができるようにするために、異なる挟圧力が必要になる場合もあるし、または少なくとも各プーリの挟圧力間に異なる比率が必要になる。しかし、上記の必要な最小挟圧力Fax−minは、いつでも2つのプーリの少なくとも一方に加わり、その場合、所望の変速比または所望の変速比の速度を得るために、より高い挟圧力が他方のプーリの駆動ベルト上に適応される。
供給される挟圧力Faxは、一般的に、必要な最小軸方向挟圧力Fax−minに安全率Sfを掛けたものとして定義される。
Fax=Sf・Fax−min (2)
安全率Sfは、例えば、必要な最小挟圧力Fax−min計算の際のすべての不正確性を考慮に入れる。
このタイプの操作方法は、一般に使用され、周知のものであり、例えば、本出願人の特許文献2に記載されている。この点におけるその一般的な目的は、駆動ベルトにかかる挟圧力を供給トルクに対してできるだけ小さくすることである。すなわちできるだけ小さな安全率を使用することである。その理由は、挟圧力が小さければ小さいほど、変速機の効率がよくなるからである。例えば、摩擦損失が少なくなり、挟圧力を発生するために必要なパワーが小さくてすむ。また、挟圧力が小さくなると、ベルトの寿命も延びる。しかし、必要な最小の力より挟圧力が僅かに大きい場合には、すなわちプーリとドライブとの間でスリップが起こるかもしれない挟圧力よりも挟圧力が僅かに大きい場合には、例えば、負荷によるトルクの予想しない変化、または必要な最小挟圧力Fax−minの計算の際の上記誤差により、駆動ベルトがスリップする危険が比較的高い。しかし、従来技術によれば、変速機を確実に丈夫にし、効率を最適にするためには、駆動ベルトのスリップは原則として避けなければならない。何故なら、定義上の駆動ベルトのスリップは、動力の損失と、更に過度の磨耗をもたらすからである。
それ故、周知の変速機の場合、1.3以上の値が、通常、安全率として使用される。別の方法としては、比較的低い安全率で、駆動ベルトのスリップの発生を防止するために、もう1つの周知の手段を使用することができる。例えば、特許文献3に、駆動ベルトよりも低いトルク水準でスリップするように、変速機を内蔵している駆動ラインでクラッチを作動する方法が記載されている。その理由は、クラッチがスリップすると、供給トルクは増大できず、またはほとんど増大できず、すべての余分な動力はクラッチにより消費されるからである。上記最初の従来技術の文献は、挟圧力が選択的に低減される、すなわち状況の関数として安全率が選択的に低減される別のもう1つの解決方法を記載している。この場合のこのような低減は、伝達されるトルクの変化は、このような変化が内部燃焼エンジンまたは負荷側での状況のどちらから始まった場合でも、相対的に言えばトルク水準が増大するにつれて低減する、という理論を元に起こる。
EP−A 1 167 839号 EP−A 1 218 654号 EP−A 1 069 331号 EP−A 0 626 526号
それ故、本発明の1つの目的は、変速機の効率または丈夫さを改善することができる無段変速機の操作方法を提供することである。特に、比較的低い安全率を使用することにより、周知の他の手段から独立して本発明の方法を有利に使用することができる。
本発明がベースとしている新規なアイデアによると、駆動ベルトは、致命的な損傷を被らないで、すなわち変速機の正常な動作が悪影響を受けないで、かなりの程度のスリップに反復して耐えることができ、ある状況下では連続してこのようなスリップに耐えることができる。このことは、プーリに対するベルトの完全なスリップは原則としてできるだけ避けるべきであり、または完全に避けるべきであるとする従来の技術的アイデアとは対照的である。
本発明によれば、この場合スリップ特性を有利に使用することができる。スリップ特性においては、変速機の変速比に対して、軸方向の挟圧力およびプーリと駆動ベルトとの間のそれぞれの接線方向スリップ率の関数として、これらの状態間の遷移または境界を示す損傷ラインと呼ばれるものにより、これらの定義した条件下でベルトまたはプーリに損傷が起きたかどうか、それが致命的なものか否かの判断が行われる。このタイプのスリップ特性は、変速機が、すべての状況下で上記駆動ベルトのスリップにある程度抵抗すること、特に比較的小さな挟圧力または比較的大きな変速比(変速機の出力回転速度と入力回転速度間の比として定義される)で、かなりのスリップ率を許容することができることを示している。
スリップ特性およびそこからの新しいアイデアに基づいて、本発明は、駆動ベルトとプーリとの間の上記スリップを有利に利用する挟圧力を制御するためのもう1つの手段を提案する。本発明によるこの方法は、請求項1に記載されていて、変速機が、プーリのプーリ・ディスクと駆動ベルトとの間の動きの大きさ、この場合は駆動ベルトのスリップSと呼ばれるものを、スリップ検出手段の助けにより、検出する電子操作ユニットを備えていることと、上記操作ユニットが、検出した駆動ベルトのスリップSをこのスリップの所望の値Swに能動的に制御するため、1つの操作手段を使用することとを特徴とする。
一例を挙げて説明すると、本発明によれば、駆動ベルトのスリップSの大きさは、幾何学的に定義された変速比GRと測定された変速比ωOUT/ωINとの間の違いとして、すなわち、2つのプーリの回転速度ωOUT,ωINの商として定量化することができ、例えば、下式のように定義することができる。
S=(1−((ωOUT/ωIN)/GR))・100% (3)
要するに、駆動ベルトとプーリとの間の摩擦接触部位には、いつでもある程度のスリップが発生している。すなわち、プーリにより駆動ベルトに適応されるべき軸方向の挟圧力Faxが、例えば式(1)と(2)の組合せにより、トルクTの関数としておよびトルクTに基づいて、操作ユニットにより定義される、変速機の周知の操作方法の場合でも、ある程度のスリップはいつでも発生している。しかし、周知の方法の場合には、駆動ベルトのスリップSは、十分に高い安全率を選択することによりできる限り回避されている。
本発明によれば、例えば、軸方向の挟圧力の適当な規制のような操作手段は、対照的に、実際の駆動ベルトのスリップSとこのスリップの所望の値Swとの間の違いの関数として、およびこの違いに基づいて、操作ユニットにより決定される。駆動ベルトのスリップSによる駆動ベルトとプーリ間の摩擦熱の形で、ある程度の動力は失われるが、本発明による操作方法の場合には安全率Sfを使用しない。そのため変速機の最終効率はもっと高くなる。明らかに、この場合には、上記動力の損失を最小限度に低減するために、駆動ベルトのスリップに対する所望の値Swをできるだけ低く選択することが好ましい。同時に、この所望の値Swは、実際の駆動ベルトのスリップSが検出され、この値に基づいて制御されることができるように、十分大きな値で選択されなければならない。
駆動ベルトのスリップを決定するためのスリップ検出手段は、例えば、上記幾何学的変速比および回転速度を検出することにより、従来技術により周知である。特に、本発明によるスリップ検出手段は、幾何学的に定義された変速比GRを測定するための手段を備える。この目的に適している種々の検出手段は従来技術から周知である。例えば、駆動ベルトの周方向速度を決定するための駆動ベルト速度測定デバイスがあり、駆動ベルトの走行半径を計算可能である。また、プーリのディスク間の距離を測定するためのプーリ・ディスク位置センサがあり、これも再度駆動ベルトの走行半径を計算することができる。あるいは駆動ベルトの走行半径を直接測定するための駆動ベルト位置センサがある。
本発明の有利で簡単な実施形態では、スリップ検出手段は、変速機の変速比がその最大値、すなわちオーバードライブ比である場合か、および/または最小値、すなわち低速比である場合にだけ効果を発揮する。その理由は、通常これら変速比では、プーリの軸方向可動ディスクのうちの少なくとも一方が、停止点に配置されるからであり、そのため、変速機の幾何学的に定義された変速比GR、およびそれ故、式(3)による走行半径Rは既知の一定の値を有する。これらの変速比以外では、操作ユニットは、駆動ベルトのスリップに基づかない周知の方法による第2の動作モードで変速機を制御することができる。この本来制限された実施形態が実際望ましい場合がある。何故なら、変速機を自動車で使用する場合、車両は実際には多くの場合オーバードライブ・モードで操作され、そのため特にオーバードライブ・モードでの変速効率が決定的な要因となるからである。
本発明によれば、操作手段の少なくとも一部は、検出された駆動ベルトのスリップSが所望の値Swを超える場合挟圧力Faxを増大させるステップと、検出された駆動ベルトのスリップSがこのスリップの所望の値Swより低い場合この挟圧力Faxを低減するステップを含むことができる。本発明によれば、操作手段の少なくとも一部は、また検出された駆動ベルトのスリップSがこのスリップの所望の値Swより低い場合スリップを増大させるステップと、検出した駆動ベルトのスリップSが所望の値Swを超える場合スリップを減少させるステップを含むことができる。最後に、本発明によれば、操作手段の少なくとも一部を、検出した駆動ベルトのスリップSが所望の値Swを超えた場合走行半径Rを増大するステップと逆の場合にはその逆のことを行うステップを含むことができる。
本発明が基礎とする新しいアイデアは、効率を最適化しおよび/または変速機の丈夫さを改善するばかりでなく、例えば、供給されるトルクTと軸方向の挟圧力Faxとの間の関係において上記安全率Sfを使用しないことにより、この関係に必要とされる最大水準が十分低く設定されうるという事実によって、コスト価格を節約することも目的としていることに留意されたい。
図面を参照しながら本発明について以下にさらに詳細に説明するが、これは単に例示に過ぎない。
(図面の簡単な説明)
図1は、駆動ベルトおよびプーリを備える無段変速機の一部の略図である。
図2は、本発明に基づくアイデアを、現在の変速機に対し決定されたスリップ特性と呼ばれる形で示す図である。
図3は、現在の変速機に対する摩擦曲線と呼ばれるものの一例である。
図1は、例えば、乗用車の駆動装置で使用する無段変速機の中央部分である。変速機それ自身は周知のものであり、第1および第2のプーリ1、2を備え、それぞれが2つのプーリ・ディスク4、5からなり、その間に駆動ベルト3が位置する。プーリ・ディスク4、5は、円錐形をしていて、プーリ1、2の少なくとも1つのディスク4は、ディスク4、5が装着されている各車軸6、7に沿って軸方向に移動することができる。変速機は、また、図示していない起動手段を含んでいて、通常、電子的に制御することができ、油圧により動作することができ、そのため、これら起動手段は、駆動ベルト3が各ディスク4、5間に締付けられ、車軸6、7の駆動力、すなわち供給トルクTが、ディスク4、5および駆動ベルト3との間の円錐形の接触面内の摩擦によりプーリ1、2の間で伝達されるように、上記一方のディスク4に軸方向の力Faxを供給することができる。式(1)によれば、この目的のために必要な軸方向の挟圧力Fax−minは、供給トルクT、半径方向に対する上記接触面の接触角度、すなわちテーパ状のプーリ・ディスク間に形成される角度φの半分、駆動ベルト3の走行半径R、およびトルク伝達係数τにより決定される。
しかし、式(1)により決定した軸方向の必要最小挟圧力Fax−minの値は、挟圧力の決定のために記録された供給トルクTの値および走行半径Rの値と、これらパラメータの実際の値との間に起こり得るズレにより、ある程度の不正確性がある。さらに、実際には、多くの場合、起動手段により適用されるべき軸方向の挟圧力Faxの所望の値と、実在する挟圧力との間に未知の差異が存在する。上記不正確性および不確実性は、軸方向の挟圧力Faxの所望の値は、特に式(2)に基づいて後者に安全率Sfを乗じることにより、必要最小挟圧力Fax−minよりも若干大きく選択すべきであることを意味する。
図1の駆動ベルト3は、2−3個の無端金属支持体素子31を備え、そのそれぞれが、一組の入れ子状の薄い金属リングを備え、その金属リングは、一連の金属横断素子32のためのキャリアを形成し、横断素子32は、プーリ1、2のディスク4、5間に加えられた挟圧力を吸収し、相互に押し合いながら、キャリア要素31上を、駆動プーリ1の回転の結果として被駆動プーリ2の方向に、移動させられる。このタイプの駆動ベルトは、ファン ドールネズ(Van Doorne)プッシュベルトとも呼ばれるが、これについては、例えば、特許文献4により詳細に記述されている。
本発明が基礎とするアイデアによれば、このタイプの駆動ベルト3は、プーリ1、2とベルト3の間のスリップ、すなわち、駆動ベルトのスリップSに少なくともある程度耐えることができる。この点で、スリップ特性と呼ばれるものを、本発明が基礎とする無段変速機の丈夫さおよび効率を最適化するための努力の出発点として使用することができる。図2は、このタイプのスリップ特性の一例を示す。このスリップ特性の場合、変速機の幾何学的変速比に対して、軸方向の挟圧力Faxおよび駆動ベルトのスリップSの絶対程度の関数として、定義された条件の下で、駆動ベルト3またはプーリ1、2に対して致命的な損傷が発生したか否か、が定義される。図2の曲線または損傷ラインA、BおよびCは、この場合、定義した1つの幾何学的変速比に対する駆動ベルトのスリップSの最大許容値を示し、その下には、矢印Iがこの致命的損傷が起こらないことを示し、矢印IIがこの致命的損傷が起こることを示す。本発明が基礎とするアイデアによれば、凝着磨耗は、プーリ・ディスクにより駆動ベルトに適応される力Faxと、これら2つの構成要素間のスリップ速度すなわち駆動ベルトのスリップSの程度との定義された1つの組合せに対し、その最大値が超えられた場合のスリップの結果発生する。
しかし、このスリップ特性から、変速機が駆動ベルトのスリップSに少なくともある程度耐えることができることが分かる。図2は、また、駆動ベルトのスリップSの低速比における最大程度Aは、オーバードライブ比におけるこの最大値Cと比較してより速く到達することも示す。すなわち、駆動ベルトまたはプーリの損傷は、駆動ベルトのスリップS1が同じ程度のとき、低速比では、例えばオーバードライブ比の場合の臨界水準挟圧力Fax−bと比較してより低い軸方向挟圧力Fax−aで発生する。または、換言すれば、軸方向の挟圧力Faxの一定の水準に対して、低速比の場合は、オーバードライブ比の場合と比較して、駆動ベルトのスリップSのより低い水準を許容できる。損傷ラインBは、低速比とオーバードライブ比の中間変速比に関する。
図を見やすくするために、図3は、摩擦曲線と呼ばれるものを基礎として再度本発明を示す。この図は、所与の変速比において、この場合はオーバードライブ比であるが、駆動ベルトのスリップSを供給されるトルクTおよび所与の軸方向挟圧力Faxの関数として描いている。図3を見れば、基本的にある程度の駆動ベルトのスリップSがいつでも存在することが分かる。この場合、トルク水準Tは、最大トルク水準Tmaxに増大することができ、このトルク水準Tに対応する駆動ベルトのスリップSは、本発明に基づきマイクロスリップとして定義される。駆動ベルトのスリップSは最大トルク水準Tmaxを超えてさらに増大するが、伝達されるトルクTは、事実上一定のままであり若干減少する場合さえある。このタイプの駆動ベルトのスリップSは、本発明に基づきマクロスリップとして定義される。駆動ベルトのスリップのある臨界値がトルク水準との組合せにおいて、この図の摩擦曲線上の点A、を超えられると、駆動ベルト1が損傷する。本発明によれば、所望の値Swは、もちろん、少なくとも対応するトルク水準との組み合せにおいて、上記臨界値より小さくなければならない。上記トルク損失を最小限度に低減するために、好適には、所望の値Swをマイクロスリップの範囲内に位置するように選択することが好ましい。
図2を見れば分かるように、駆動ベルトのスリップSに耐える変速機の能力は、更にいくつかの条件に依存する。それ故、この方法のより詳細な実施形態によれば、上記所望の値Swを、変速機の瞬間的な変速比における駆動ベルトのスリップSの最大許容程度および軸方向挟圧力Faxの関数として決定されることが提案される。このことは、変速機が駆動ベルトのスリップSに耐えることが出来ない状況では、低い所望値Swを選択し、逆の場合には逆の選択を行うことを意味する。
変速機が駆動ベルトのスリップSに耐える能力が非常に低い状況下では、例えば、低速比において挟圧力および/またはトルク水準Tが高い場合には、操作手段が上記第1の操作モードにより変速機をもはや制御しないで、供給されるトルクTの直接関数として軸方向挟圧力Faxを制御する第2の操作モードを選択するほうが有利であり、必要でさえある。この場合、ある操作パラメータの値および/または水準の関数として、これら操作モード間で切替えを行うことができる。ここにおいて適当な操作パラメータとしては、特定の状況下での駆動ベルトのスリップSの最大許容程度、供給されるトルクTまたは変速機の変速比の水準、を含み、操作モード間の切替え用のこれら操作パラメータの限界値は、例えば、スリップ特性から得られうる。
さらに、本発明によれば、トルク伝達係数τは下式により決定される。
τ=(T・cos(1/2 φ))/(2・R・Fax) (4)
この場合、過度に高い値または過度に低い値は、変速機が多数の潜在的な問題を有することを示していることがある。さらに、上記動力損失を示す駆動ベルト(3)の温度も、適当な操作パラメータとすることができる。この場合、温度が過度に高い場合には、ある操作手法において、許容不能な水準の駆動ベルトスリップSを示す。
本発明は、上記説明の他にまた、少なくとも当業者であれば直接およびはっきりと理解することができる、図面のすべての詳細な点および添付の特許請求の範囲に記載する特徴に関連する。
駆動ベルトおよびプーリを備える無段変速機の一部の略図である。 本発明に基づくアイデアを、現在の変速機に対し決定されたスリップ特性と呼ばれる形で示す図である。 現在の変速機に対する摩擦曲線と呼ばれるものの一例である。
1,2 プーリ
3 駆動ベルト
4,5 プーリ・ディスク

Claims (9)

  1. 2つのプーリ(1,2)を備える無段変速機の操作方法であって、各プーリが2つのプーリ・ディスク(4,5)を備え、これらプーリ・ディスクは、一緒にテーパ状の溝を形成し、これらプーリ・ディスク間には、前記変速機の通常の動作中、前記プーリ(1,2)間の1つの無段変速比で前記変速機に供給されるトルクTを一方のプーリ(1)から他方のプーリ(2)に前記ディスク(4,5)と前記駆動ベルト(3)との間の摩擦により伝達するための軸方向の挟圧力Faxの助けにより、半径方向の位置、すなわち走行半径Rのところに駆動ベルト(3)が締め付けられ、前記変速比が、最小またはオーバードライブ比と最大または低速比との間で変化することができ、前記変速機が電子操作ユニットにより操作され、前記変速機が前記操作ユニットの第1の操作モードで稼動している場合、前記操作ユニットが、スリップ検出手段により前記プーリ・ディスク(4,5)と前記駆動ベルト(3)との間の動き、すなわち駆動ベルトのスリップSの程度を検出し、前記操作ユニットが、前記検出した駆動ベルトのスリップSをこのスリップに対する所望の値Swに能動的に制御するために、1つの操作手段を使用し、前記所望の値Swが、前記電子操作ユニットにより、前記変速機の瞬間変速比での前記駆動ベルトのスリップSの最大許容水準および軸方向の挟圧力Faxの関数として決定され、前記最大許容水準が、前記変速比がオーバードライブ比から低速比に増大した場合、または前記挟圧力Faxが増大した場合に減少し、逆の場合にはその逆となることを特徴とする方法。
  2. 前記軸方向の挟圧力Faxが、前記電子操作ユニットにより制御され、前記操作手段の少なくとも一部が、前記検出された駆動ベルトのスリップSが、所望の値Swを超える場合に前記挟圧力を増加させるステップと、前記検出された駆動ベルトのスリップSが前記所望の値Swを下回る場合に前記挟圧力を低下させるステップとを含む、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記操作ユニットは予め1つの特性図によりプログラムされ、前記特性図において、前記変速機の少なくとも幾つかの変速比に対して、前記軸方向の挟圧力Faxが前記駆動ベルトのスリップSの最大許容水準に関連し、これらの関係が損傷ライン(A,B,C)と呼ばれることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記変速機の動作中、前記操作ユニットは、第2の操作モードにおいて、前記軸方向の挟圧力Faxを、前記供給されるトルクTの直接関数として制御し、また前記操作ユニットは、1つの操作パラメータの値および/または水準の関数としての前記2つの操作モード間で切替えを行うことができることを特徴とする請求項1−3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 前記操作パラメータは、前記駆動ベルトのスリップSの最大許容水準を表すことと、
    前記操作ユニットは、前記操作パラメータが既定の限界値より下がった場合に、前記第1の操作モードから前記第2の操作モードに切り替えることと、を特徴とする請求項4に記載の方法。
  6. 前記操作パラメータは、下式:
    τ=(T・cos(1/2 φ))/(2・R・Fax)
    により決定されるトルク伝達係数τを表すことと、
    ここで、φはテーパ状の前記プーリ・ディスク(4,5)間に形成される角度であり、
    前記操作パラメータが既定の限界値より下がった場合または超えた場合、前記操作ユニットは、前記第1の操作モードから前記第2の操作モードに切り替えられることと、を特徴とする請求項4に記載の方法。
  7. 前記操作パラメータは、前記供給されるトルクT、前記駆動ベルト(3)の温度、および前記変速機の前記変速比のうちの少なくとも1つを表すことと、
    前記操作パラメータが既定の限界値より下がった場合または超えた場合、前記操作ユニットは前記第1の操作モードから前記第2の操作モードに切り替えられることと、を特徴とする請求項4に記載の方法。
  8. 前記スリップ検出手段が、前記駆動ベルトのスリップSの程度を、前記変速機の幾何学的に定義された変速比GRと前記各プーリ(1,2)の回転速度間の比ωOUT/ωINとの間の差分または比率として決定することと、
    前記スリップ検出手段が、前記変速機の最も極端な幾何学的に定義された変速比GRの一方または両方により予めプログラムされ、少なくとも前記変速機が2つの極端な変速比GRのうちの1つを使用した場合に、駆動ベルトのスリップSの程度が前記スリップ検出手段により決定されうることと、を特徴とする請求項1−7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 請求項1−8のいずれかに記載の方法により動作する無段変速機。
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