JP4669110B2 - 平行二軸駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動補助駆動自転車、福祉車両などのような各種の軽車両について、タイヤや円盤状の出力ディスクの外周付近をその軸方向の両側から挟んで、摩擦力により駆動する駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動補助駆動装置を具備する自転車などに用いられる駆動装置においては、高速で回転するモータの回転数を、歯車や摩擦駆動遊星ローラ減速機により減速して、車輪の車軸を直接駆動するか、またはチェーンやベルトを介して駆動する構造が多く用いられている。
【０００３】
これらの駆動装置は、毎分数千回転するモータの回転を、最高でも毎分２００回転程度に、数十分の一以下に減速して大きなトルクとした上で車軸を駆動するので、大きな減速比を得るために減速機の寸法が大きくなるほか、減速に伴い各部に加わる大きな力に耐えるために、駆動装置を強固に作る必要があり、駆動装置の重量が重くなるのみならず、車体についても大きな力を支えるように補強が必要となる場合が多い。
そして、モータ、減速装置、電池および車体の補強による重量増加に見合った駆動力が必要なために更に重量が増加し、通常用いられている電動補助駆動自転車の質量は、電動補助のない普通の自転車に比べて２倍近くになるとともに、コストも大幅に増加する。
【０００４】
このような質量、コストの著しい増大を防ぐには、タイヤやリムまたはその付近のスポークなど、大きな直径の部分で駆動するようにすれば、大きな減速比の減速機構は不要で、駆動のための減速は小幅なものとなり、各部に加わる力も小さくてすむので車体の補強も不要になり、駆動機構を含む駆動装置を小型軽量に作ることができ、既存の通常の自転車に後付けできる低コストの駆動装置を得ることができる。
【０００５】
このような目的で、タイヤの側面に駆動ローラを押し当て、この駆動ローラを回転することにより、駆動ローラとタイヤ側面との間の摩擦力により車輪を駆動するものが一部に用いられている。
【０００６】
タイヤの側面に接する駆動ローラの摩擦力により駆動する駆動装置においては、いかなる天候状態すなわち雨水による湿潤、土砂や泥の付着、車体や車輪の変形、車輪の横振れ、タイヤ側面の摩耗などの機械的要因によっても、駆動ローラの駆動面とタイヤ側面との間で滑りを生じないように、予め余裕をもった大きな押圧力を付与しておく必要があり、タイヤの空気圧が減少した場合でも駆動ローラとタイヤとの接触力を保持するための大きな接触面積を確保し、かつ駆動ローラのタイヤへの食い込みを小さくしなければならないので、駆動ローラの直径は比較的大きなものでなければならない。
【０００７】
以上述べたような機械的要因に基づく過大な押圧力を避け、かつ押圧力の調整を容易にするために、駆動ローラと同じ軸箱に駆動ローラと平行に軸受で支承されたバックアップローラを設けてタイヤの巾方向の反対の側面に当接し、駆動ローラおよびバックアップローラのタイヤ側面に当接する面をタイヤの回転軸に向かって直径が小さくなる円錐形状とし、タイヤの半径方向に多少の範囲でその位置を調節可能に支持し、駆動ローラおよびバックアップローラの軸方向にその位置を調節して、押圧力を容易に加減できるようにしたものもある。
【０００８】
このような構造においては、タイヤは１つの駆動ローラのみで摩擦駆動されるため、駆動ローラとタイヤとが当接する接触面にすべての駆動力が加わり、タイヤ側面の摩耗や疲労によりタイヤの寿命を縮めることになるので、これを軽減するためにバックアップローラを駆動ローラとは逆向きに回転駆動して、二つのローラで駆動するものも試みられている。
【０００９】
二つの駆動ローラの間にタイヤを挟み、摩擦力により駆動するには、二つの駆動ローラを互いに反対向きに同一周速で回転駆動する機構が必要である。
【００１０】
この駆動機構は通常、二つの駆動ローラと同軸に設けた同一歯数の平歯車を噛み合わせ、一方の歯車をモータで駆動する方法が用いられる。従って、これらの平歯車は二つの駆動ローラの軸心間距離と同じピッチ円をもったものを用いることになり、駆動ローラの径よりも大きな径となって、これらの歯車を収容する外箱が大型になってしまう。
【００１１】
更に、この機構によるときは寸法上の制約からモータが駆動ローラを直接駆動する構造にするのが普通なので、この場合にはモータの最高回転数は毎分２０００〜３０００回転止まりになる。
【００１２】
一般にモータは同一出力であれば高速回転であるほど小型化が可能である。従って、低速回転のモータを使用するのはモータの寸法、質量、コストが増大するので不利である。
【００１３】
歯車を収容する外箱や駆動するモータが大きければ車両への搭載が難しく、特に装着場所が制約される電動補助駆動自転車などでは装着場所に苦労しているのが現状である。
【００１４】
二つの歯車をより小径のもにして、これらの間に二つのアイドラーギアを挿入すれば、外箱の寸法は小型にできる可能性もあるが、アイドラーギアを支持する二つの軸の軸受機構が加わるためにコストが上昇する。また、歯車を小径化すれば歯に加わる荷重が増加するが、電動補助駆動自転車の駆動装置のような安価な機構に用いる歯車は一般にプラスチック歯車であり、小径化により歯車の強度に不安が生ずるので、小型の歯車を使用するのは難しく、外箱の小型化を妨げて車両への搭載に不都合が生じるばかりでなく、歯面荷重の増加ともに歯車の噛み合い点の数が一つから三つに増したことにより動力損失が増大する。
【００１５】
その上、これらの特にプラスチック歯車を用いた駆動機構では、歯車の精度が十分ではなく、その上、歯の弾性変形が大きいことなどにより、歯車のかみ合いによる騒音が大きくなることは避けられない。
【００１６】
高速回転の小型モータの回転数を歯車を用いて低減することも考えられるが、電動補助駆動自転車のように１００ワットを超える動力を伝達するには余り小径の歯車を使用することはできず、低速側の歯車は更に大きくなるので、外箱の小型化を妨げることになる。
【００１７】
また、電動補助駆動自転車では、モータで駆動していない惰走時にモータが車輪により駆動される状態になるとモータがブレーキになって車両の惰走を妨げ、また、車両を手で押して進む場合には車輪がモータを駆動することになるので車両が重く感じられる。これらの不具合を防ぐためにモータと駆動装置との間などに一方向クラッチを挿入することも試みられているが、構造が複雑になり、寸法、重量、コストの増加を招く。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、二つの駆動ローラでタイヤなどの出力ディスクの側面を挟み、摩擦力によってタイヤを駆動する駆動装置の従来技術において、二つの駆動ローラが駆動ローラと同軸に設けた二つの平歯車の噛み合いによって互いに反対方向に回転する構造とした場合には、歯車による騒音が避けられず、また歯車の径が大きくなり、歯車を収容する外箱の寸法、質量、コストの増大を招く上、車両への搭載性が悪い。
【００１９】
また、二つの平歯車をより小径のものにして、その間に二つのアイドラーギアを挿入した場合には、これら二つのアイドラーギアの軸を支持する軸受が必要になり、軸受の外径同士の干渉により歯車の心間距離を小さくできず、また歯車の強度上もあまり小型の歯車を用いることができないため、このようにしても外箱の小型化が制約されて質量、コストを上昇させ、車両への搭載性は殆ど改善されない。
【００２０】
このような問題点を解決して外箱を小型、軽量化して車両への搭載を容易にし、コストを低減することができる駆動装置を得ることが本発明の第一の目的である。
【００２１】
また、歯車の噛み合いによって二つの駆動ローラを反対向きに回転駆動する従来技術では、歯車の噛み合いに伴う滑り摩擦損失により動力伝達効率の低下を生じ、特に安価なプラスチック歯車を用いる場合にこの傾向が著しい。動力伝達に伴う摩擦損失を低減し、高い動力伝達効率をもった駆動装置を得ることが本発明の第二の目的である。
【００２２】
また、歯車の噛み合いに伴う歯面の滑り率は、１０〜２０％の大きな値であり、この滑りにより潤滑剤は繰り返しせん断を受けて劣化するので、摩擦を低減し、かつ歯面の摩耗を防ぐためには歯車に十分な潤滑油を供給し、潤滑油の劣化の影響を少なくするために外箱に十分な量の潤滑剤を封入しておく必要がある。
【００２３】
多量の潤滑剤を封入すれば、外箱内の空気の体積が減少するので、歯車の発熱、気温の上昇や日射により外箱の温度が上昇したときには、潤滑剤と空気の熱膨張により外箱内の圧力が上昇し、油漏れなどの不具合を生じ易い。使用する潤滑剤の量を少なくし、油漏れなどの不具合を除くことが本発明の第三の目的である。
【００２４】
また歯車を用いた従来技術では、歯車の噛み合いに伴う騒音が発生する。特に安価なプラスチック歯車では高精度が望めず、プラスチックの振動減衰効果を考慮してもなお騒音の問題から逃れることはできない。動力伝達に伴う騒音を低減することが本発明の第四の目的である。
【００２５】
更に、歯車を用いた従来技術では、歯車の強度とこれを支持する軸受の寸法の制約により小型の歯車を使用することが困難であるために、高速回転が可能な小型のモータを使用することを妨げられ、モータの寸法、質量、コストの低減が難しい。歯車の寸法による制約をなくして小型、軽量の高速回転のモータの使用を可能にし、軽量、安価で信頼性の高い長寿命の駆動装置を得ることが本発明の第五の目的である。
【００２６】
また、車両の惰走や手押し時に車輪がモータを駆動して、惰走距離を短くしたり、手押し時に重くなるのを防ぐための一方向クラッチの必要を除き、駆動装置自体に一方向クラッチの機能を付与することが本発明の第六の目的である。
【００２７】
これとは逆に、電動車いすなどの福祉車両の場合には一方向クラッチの機能は不要で、前進、後進共に電動で駆動できることが要求される。この要求に対応しながら、他の機能を損なうことなしに両方向のトルクの伝達を可能にすることが本発明の第七の目的である。
【００２８】
本発明はこのような背景のもとになされたもので、その目的とするところは、高速回転が可能な小型高出力のモータを用いて、騒音が少なく、動力伝達効率が高く、一方向クラッチの機能をもち、必要ならば一方向クラッチの機能をなくして両方向のトルクの伝達を可能にし、かつ、信頼性が高く、小型、軽量で作りやすく、車両への搭載と保守が容易で、低騒音でかつ安価な、電動補助駆動自転車などのタイヤの側面を摩擦力により駆動する装置に使用が可能な平行二軸駆動装置を提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、軽車両に備えられ、該軽車両の車輪をその軸方向の両側から二つの出力ローラで挟んで、該二つの出力ローラにより前記車輪の側面を摩擦駆動する平行二軸駆動装置であって、一つの外箱に軸受で支承され、軸心Ｘをもった一つの入力軸と、軸心Ｙ１、Ｙ２をもった二つの出力軸とがほぼ同一平面上にあり、入力軸には入力ローラが、二つの出力軸にはそれぞれ出力ローラがあり、入力ローラと第二の出力ローラとは隣接し、入力ローラと第一の出力ローラとの間には中間ローラがあり、中間ローラの中心軸Ｚは、二つの出力軸を含む平面に対して僅かに離れた位置に、入力軸Ｘおよび出力軸Ｙ１，Ｙ２と平行にあり、入力ローラ、二つの出力ローラおよび中間ローラの外周面はほぼ円筒形状をした転動面であり、中間ローラはその転動面が入力ローラの転動面および第一の出力ローラの転動面とに転動接触し、第二の出力ローラの転動面と入力ローラの転動面とが互いに転動接触し、中間ローラは入力ローラの転動面および第一の出力ローラの転動面との間に割り込むように加圧ばねにより付勢されて、支持手段により外箱に対して支承されており、第一の出力ローラの転動面の直径が、第二の出力ローラの転動面の直径より僅かに小さいことを特徴としている。
【００３０】
入力軸が回転すれば、入力ローラに接する第二の出力ローラおよび中間ローラは入力ローラとは反対向きに回転し、中間ローラに接する第一の出力ローラは入力ローラと同じ向き、すなわち第二の出力ローラとは反対向きに回転する。このときに第一の出力ローラに回転を妨げるような負荷トルクが加われば、第一の出力ローラの転動面と中間ローラの転動面との間には、そのトルクに見合った接線力が働き、この接線力が入力ローラの転動面と中間ローラの転動面との間にも同じ接線力をもたらす。そして、入力ローラが中間ローラを駆動しようとして中間ローラに働く摩擦力と、中間ローラが第一の出力ローラを駆動しようとして中間ローラに働く摩擦力とは、中間ローラが入力ローラと第一の出力ローラとの間に引き込まれる方向に作用する。
【００３１】
二つの転動面の間に摩擦力が作用して回転を伝達するためには、その摩擦力によって互いに滑らないだけの垂直力が必要である。この駆動装置では、入力ローラの転動面と中間ローラの転動面との接触点と、中間ローラの転動面と第一の出力ローラの転動面との接触点が、中間ローラの転動面の直径上から少し外れた位置にあるので、入力ローラの転動面と中間ローラの転動面との間、および中間ローラの転動面と第一の出力ローラの転動面との間に働く摩擦力が、中間ローラを入力ローラと第一の出力ローラとの間に引き込む方向に作用すると、楔作用により摩擦力が拡大されて、これらの接触点で滑らないだけの大きな垂直力が発生する。
【００３２】
この楔作用により拡大された垂直力により、それぞれのローラの転動面同士の接触点では転動面の垂直方向に僅かな弾性変形を生じ、中間ローラは入力ローラと第一の出力ローラとの間に食い込むように、その中心軸Ｚは第一および第二の出力ローラの中心軸の軸心Ｙ１，Ｙ２を含む平面に近付く方向に少し移動する。
【００３３】
入力ローラの転動面と中間ローラの転動面との間に作用する大きな垂直力は、入力ローラを介して入力ローラの転動面と第二の出力ローラの転動面との間にも加わり、入力ローラの転動面と第二の出力ローラの転動面との間でも滑らずに摩擦力で回転を伝えることが可能になるので、第一の出力軸および第二の出力軸に設けた駆動ローラによりタイヤを同時に摩擦駆動することができることになる。
【００３４】
この状態で入力ローラが停止し、第一の出力ローラがそれまでと同じ向きに回転を続けるならば、第一の出力ローラの転動面と中間ローラの転動面との間に作用する摩擦力は向きが反転し、中間ローラを入力ローラと第一の出力ローラとの間から押し出す方向に作用することになって、楔作用は発生せず、従って大きな垂直力も生じないので、第一の出力ローラの転動面と中間ローラの転動面との間で滑ることになる。そして、楔作用による大きな垂直力が失われたことによって入力ローラの転動面と第二の出力ローラの転動面との間に働いていた垂直力もなくなり、ここでも滑ることになる。
【００３５】
すなわち、入力軸側からある向きに回転を伝えるときには、中間ローラの楔作用により転動面同士の間に大きな垂直力を発生して摩擦力を加えることが可能になるので、第一および第二の出力ローラに回転を伝達することができる。しかし、逆に出力軸側からそれまでと同じ向きの回転を与えようとするときには摩擦力の向きが反転して、摩擦力は入力ローラと第一の出力ローラとの間から中間ローラを押し出す方向になり、楔作用が失われて、第一および第二の出力ローラから入力軸に回転を伝えることはできなくなる一方向クラッチの作用が得られる。
【００３６】
この駆動装置では摩擦により動力の伝達を行うために、入力ローラ、第一、第二の出力ローラおよび中間ローラのそれぞれの転動面の間では、楔作用によって大きな垂直力が加わる。従って、これらの転動面はともに焼入れを施された硬い金属などで形成されるのが普通であり、硬い金属同士の転動接触を可能にするためには、摩擦面に潤滑剤が必要である。
【００３７】
転動しながら大きな摩擦力を伝達するには、通常の潤滑油に比べれば数倍の摩擦係数、すなわちトラクション係数をもったトラクション油の使用が不可欠である。そしてトラクション油がその高いトラクション係数を示すのは１ＧＰａ以上くらいの高い接触面圧での使用状態においてであり、プラスチック歯車のプラスチックの許容応力とは二桁位異なった大きな値である。また、最も高いトランクション係数を示す接触面圧は１．５ないし２ＧＰａであり、この値は一般的な使用条件における玉軸受の玉と軌道面との接触面圧とほぼ同じレベルである。この値は焼入れされた軸受鋼については十分に実績のある常識的な値で、軸受鋼はこのような条件下で用いて実用上十分な転がり疲労寿命を示すと共に、寿命をある程度予測することも可能になっている。
【００３８】
この駆動装置を電動補助駆動自転車などに用いる場合に上記の高い面圧の条件を満たすには、入力ローラ、出力ローラ、中間ローラともかなり小型のものにすることになるので、この駆動装置は従来のプラスチック歯車を用いたものより遥かに小型で長寿命にすることができ、寸法、質量、コストの低減と高い信頼性の確保が可能になる。
【００３９】
そして、この駆動装置のような円筒面同士の転がり伝動の場合に大きな滑りを生ずることなく、トラクション油のせん断抵抗による高いトラクション係数の特性を有効に活用するには、二つの転動面の間での周速の差と周速との比、すなわち滑り率が０．５％以下、通常０．３〜０．４％程度の滑りを伴いながら使用するのが最も効果的な使い方であり、転動面における伝達損失はこの滑り以外には殆どない。すなわち円筒面同士の転がり伝動における伝達損失は０．５％以下であり、歯車伝動における伝達損失に比べて十分に小さな損失に止まり、高い動力伝達効率が得られる。
【００４０】
この駆動装置では、入力ローラを支える軸受には殆ど荷重が加わらず、転動面に加わる大きな荷重を支える出力ローラの軸受に加わる荷重は、駆動ローラの駆動面の円錐角による小さな軸方向への分力によるアキシャル荷重以外は、大半がラジアル荷重であり、この場合のラジアル玉軸受の摩擦トルクは、アキシャル荷重が掛かる場合に比べて極めて小さい。従って軸受による摩擦損失が小さく、この理由によっても高い動力伝達効率が得られる。
【００４１】
また、この駆動装置では動力を伝達する転動面やその他の部分が単純な円筒面またはそれに近い形で形成されているので、転がり軸受と同様に高精度に安価に加工することができる。
【００４２】
潤滑剤を必要とする転動面での滑り率が小さいために発熱が小さく、潤滑剤の劣化が少ないので、転動面に供給する潤滑剤はごく少量ですみ、潤滑剤を浸み込ませたパッドを転動面に当てておくだけで十分な潤滑剤が供給され、潤滑剤の寿命も確保される。
【００４３】
その上、歯車の噛み合いのような断続的な接触は起らないので、このような円筒面同士の転がり運動により生ずる騒音は、歯車の場合とは比較にならない静かなものになる。
【００４４】
更に、トラクション油は秒速１０ｍを超える高速の転がりに対しても高いトラクション係数を示すことが確認されており、入力ローラを毎分１万回転以上の高速で回転しても何ら問題はない。この駆動装置においては、入力ローラの転動面の直径を出力ローラの転動面の直径よりも小さくすることにより、出力ローラをモータで直接駆動する場合よりも入力ローラの回転数を高くすることができる。従って、小型、軽量の高速回転のモータの使用が可能になり、小型、軽量で車両への搭載性に優れ、動力伝達効率が高く、安価な駆動装置が得られることになる。
加えて、請求項１の発明は、第一の出力ローラの転動面の直径が、第二の出力ローラの転動面の直径より僅かに小さいことを特徴としている。
二つの転がり接触する面の間にある油のせん断抵抗により動力を伝達するトラクションドライブにおいては、転がりに際し二つの面の間に僅かながら滑りが存在し、安定な動力伝達を行うには、トラクション油の特性が、滑り率の増加と共にトラクション力がほぼ比例して増加する、いわゆる比例領域で用いることが必要である。この比例領域における滑り率は前述のようにほぼ０．５％以下である。
しかし小さいとは云え、滑りが存在するならば、第一の出力ローラと第二の出力ローラとに同じトルクが加わった場合には、一つの接触点を経て動力を伝える第二の出力ローラよりも、二つの接触点を順次経て動力を伝える第一の出力ローラの方が合計された滑り率が大きく、それだけ第一の出力ローラの回転が遅くなる。すなわち、滑りのないときに第一の出力ローラと第二の出力ローラとの回転数を同じとした場合には、滑りの小さい第二の出力ローラに加わるトルクは、滑りの大きい第一の出力ローラに加わるトルクよりも大きいことになる。
実際に第一および第二の出力ローラに設けた二つの駆動ローラによりタイヤの側面を摩擦駆動する場合には、二つの出力ローラに加わるトルクの違いは、駆動ローラと接触するゴムタイヤの接触面における弾性変形などによって、滑り率の違いよりは緩和されるが、トルクの差がトルクの増加とともに増加することは避けられない。
動力を伝達する接触点の数の違いによる二つの出力ローラの伝達トルクの差を軽減するには、予め最も効率よく動力を伝達すべきトルクの大きさを定め、そのトルクにおいて二つの駆動ローラに等しいトルクが加わるように、無負荷時における第一の出力ローラの回転数を、第二の出力ローラの回転数よりも、滑り率の違いに相当する分だけ僅かに高めに設定しておけばよい。
第一の出力ローラの転動面の直径を第二の出力ローラの転動面の直径よりも滑り率に見合うだけ、僅かに小さくすることにより、二つの出力ローラに加わるトルクの差を軽減することができる。
【００４９】
請求項２の発明は、第一の出力ローラ、中間ローラ、入力ローラおよび第二の出力ローラのそれぞれの転動面が、交互に円筒面およびクラウニングを施された面であることを特徴としている。
【００５０】
互いに平行な軸をもつ二つの円筒面が接触する線接触においては、接触面の長さ方向の両端付近に著しく大きな接触面圧が作用するエッジロードを生ずる。このエッジロードは転動面の転がり疲労を促進して寿命を著しく短くしてしまう。エッジロードを防ぐには、転がり軸受で行われているように、円筒面を軸方向に僅かな曲率半径を持った回転円弧面にして、線接触から点接触に換える円弧クラウニングとか、接触面内の面圧を均等に近づける形状になるように円筒面の両端をだらすなどのクラウニングを施すことが必要である。
【００５１】
転動面にこのようなクラウニングを施すことにより、駆動装置の寿命が予期したよりも著しく短縮されるのを防ぐことができる。
【００５２】
クラウニングによりエッジロードを回避するには、互いに接触する二つの円筒面の一方にクラウニングを施せばその効果が得られるので、四つの転動面のうち、互いに隣り合わない二つの転動面のみにクラウニングを施せばよく、４個の転動面をクラウニング加工するよりもコストを低く抑えられる。
【００５９】
請求項５の発明は、入力ローラと第一の出力ローラとの間の中間ローラを二個とし、二つの中間ローラが互いに並列に、かつ、これらの中間ローラの中心軸線が、第一の出力軸の軸心Ｙ１および第二の出力軸の軸心Ｙ２を含む平面に対し、互いに反対側に位置するように配置したことを特徴としている。
【００６０】
電動車いすのような福祉車両では、前進、後退共に動力で駆動する必要があり、一方向クラッチの機能は不要である。従って、入力ローラや出力ローラと中間ローラとの間に適当な垂直力を加えながら、前進、後退両方向の回転に対してトルクを伝達するには、正転方向および逆転方向のトルクのそれぞれに対して作用する二個の中間ローラが必要である。
【００６１】
二個の中間ローラの夫々が互いに反対向きのトルクにより楔作用を発生するよう、二つの出力軸の軸心Ｙ１およびＹ２を含む平面に対して反対側に偏移して配置することにより、この機能を実現することができる。
【００６２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面を参照して説明する。
【００６３】
図１および図２は第１の実施形態を示してあり、この実施形態において、入力軸２の軸心Ｘ、第一の出力軸３の軸心Ｙ１および第二の出力軸４の軸心Ｙ２は同一平面上にあり、それぞれの軸は外箱１に対して軸受２３，２４，３３，３４，４３および４４により支承されている。入力軸２と第一の出力軸３との間には中間ローラ軸５があり、中間ローラ軸５の中心軸線Ｚは、軸心Ｙ１および軸心Ｙ２を含む平面とは僅かに離れた位置に、これらの軸心と平行にある。
【００６４】
入力軸２、第一の出力軸３、第二の出力軸４および中間ローラ軸５にはそれぞれ入力ローラ２１、第一の出力ローラ３１、第二の出力ローラ４１および中間ローラ５１が形成され、これらのローラの外周面は、それぞれほぼ円筒形の転動面２２，３２，４２および５２をなし、隣接する二つの転動面がそれぞれが互いに接触するように、中間ローラ５１は図３に例示した加圧ばね５３により軸心Ｙ１および軸心Ｙ２を含む平面に向かって弱く付勢されている。ここでは、加圧ばね５３が中間ローラ５１の支持手段を兼ねている。
【００６５】
ここでは更に中間ローラの軸の一部に溝を設け、かつ加圧ばねの先端部５４が中間ローラの軸の溝に嵌まって、みぞの回りを１８０度以上にわたって包み込むように曲げられ、加圧ばねの先端部から軸が抜け出ないようにして、中間ローラと加圧ばねとを一体のものとして扱えるようにし、駆動装置の組み立てを容易にしてある。
【００６６】
第一および第二の出力ローラの転動面３２および４２と外箱１との間には、これらの転動面に当接して潤滑剤を供給するオイルパッド３５および４５が配置されている。
【００６７】
また、中間ローラの加圧ばねとは反対側の、中間ローラと外箱との間に中間ローラストッパ５９が設けられている。
【００６８】
第一および第二の出力軸３および４の軸端には、タイヤ９０を摩擦駆動する駆動ローラ９１および９２がある。
【００６９】
このような構成では、図２において入力軸２が反時計方向に回転すれば、入力ローラ２１に接する中間ローラ５１は、入力ローラの転動面２２と中間ローラの転動面５２との間に生ずる摩擦力により時計方向に回転し、中間ローラ５１に接する第一の出力ローラ３１は中間ローラの転動面５２と第一の出力ローラの転動面３２との間に生ずる摩擦力により、中間ローラ５１とは反対向きの反時計方向に回転する。また入力ローラ２１に接する第二の出力ローラ４１は、入力ローラの転動面２２と第二の出力ローラの転動面４２との間に生ずる摩擦力により、入力ローラとは反対の時計方向に、すなわち第一の出力ローラ３１とは反対向きに回転する。
【００７０】
この時、第一の出力軸３にその回転を妨げるような負荷トルクが加われば、図４に示すように、第一の出力ローラの転動面３２と中間ローラの転動面５２との間には、そのトルクに見合った摩擦力６２が働き、この摩擦力６２が入力ローラの転動面２２と中間ローラの転動面５２との間にも同じ大きさの摩擦力６１をもたらす。そして、入力ローラが中間ローラを駆動しようとする摩擦力６１と、第一の出力ローラが回転に抵抗することによって中間ローラに生ずる摩擦力６２との合力６３は、中間ローラを入力ローラと第一の出力ローラとの間に引き込む方向に作用する。
【００７１】
入力ローラの転動面２２と中間ローラの転動面５２との接触点７５と、中間ローラの転動面５２と第一の出力ローラの転動面４２との接触点７６とが、中間ローラの転動面の直径に近い位置にあるので、接触点７５に引いた接線と接触点７６に引いた接線とのなす角を２αとし、接触点に作用する垂直力６４および６５をＦｎ、摩擦力６１、６２をＦｔとすれば、Ｆｎは楔作用により
Ｆｎ＝Ｆｔ／ｔａｎα
に拡大されて、接触点７５および７６に作用する
【００７２】
ここで
Ｆｔ／Ｆｎ≦μ
μ：使用するトラクション油のトラクション係数の最大値
を満足する、すなわち、
μ≧ ｔａｎα
であれば、それぞれの接触点では大きな滑りを生ずることがなく、僅かな滑りを伴いながら駆動力を伝達することができる。
【００７３】
接触点７５に加わる垂直力６４は、入力ローラを経て入力ローラの転動面２２と第二の出力ローラの転動面４２との接触点７７にも垂直力６７として加わり、駆動ローラに加わるトルクによる摩擦力６６が働いて、接触点７７でも僅かな滑りを伴いながら駆動力を伝達することができる。なお、この図４では作図の都合上、垂直力６７の向きを接触点７７に対して１８０°反転して描いてある。
【００７４】
これまでと同じ回転方向の状態において、入力ローラの転動面２２の周速よりも、出力ローラの転動面３２の周速の方が速い場合には、図５に示すように、接触点７５，７６には、加圧ばね５３による弱い付勢力６３’が楔作用により拡大された小さな垂直力６４，６５が加わり、中間ローラには向きが反転した摩擦力６１’、６２’が生ずる。この摩擦力６１’と６２’とは中間ローラ５１を入力ローラ２１と第一の出力ローラ３１との間から押し出す方向に働き、加圧ばね５３の付勢力６３’、すなわち入力ローラ２１と第一の出力ローラ３１との間に割り込もうとする力を打ち消すので、接触点７５，７６に加わる垂直荷重は極めて小さく、第一の出力ローラ３１は入力ローラの転動面２２を駆動できない。接触点７５および７６に加わる垂直力がなくなれば、入力ローラの転動面２２と第二の出力ローラの転動面４２との接触点７７に作用する垂直力６７もなくなるので、入力ローラの転動面２２も摩擦駆動できない。
【００７５】
このように、入力ローラ２１が反時計方向に回転して第一の出力ローラ３１を反時計方向に、第二の出力ローラ４１を時計方向に駆動することはできるが、同じ方向に回転していても、出力ローラ３１および４１から入力ローラ２１を駆動することはできない、一方向クラッチの機能の一つであるオーバーランニングクラッチの機能を示す。
【００７６】
また、入力ローラ２１が外部から駆動されず、第一の出力ローラ３１を反時計方向に、第二の出力ローラ４１を時計方向に回転する場合にも、入力ローラ２１は回転せず、第一の出力ローラ３１を時計方向に、第二の出力ローラ４１を反時計方向に回転すると、入力ローラ２１が時計方向に回転する一方向クラッチの効果が得られる。
【００７７】
従って、これを電動補助駆動自転車などに用いるときには、入力軸２をモータで反時計方向に回転すれば、二つの出力ローラに設けられた駆動ローラ９１および９２によりタイヤを前進方向に駆動することができるが、モータが止まっていて、車輪を前進方向に回転する惰走や手押しの場合には、入力ローラすなわちモータは回転しないことになる。ただし、車両を後退させるときには、モータは出力ローラにより駆動される。
【００７８】
中間ローラを加圧ばね５３の付勢力に抗して入力ローラや出力ローラから引き離す機構を付加して、車両を後退させるときにモータが駆動されないようにすることもできる。
【００７９】
第一の出力ローラの転動面３２と中間ローラの転動面５２との接触点７６には、垂直力６５と、垂直力６５に比べれば小さい摩擦力６２とが加わり、これらの合力は軸受３３および３４により支承さる。第二の出力ローラの転動面４２と入力ローラの転動面２２との接触点７７にも同様に、垂直力６７と、垂直力６７に比べれば小さい摩擦力６６とが加わり、これらの合力は軸受４３および４４により支承さる。
【００８０】
図６に示すように、入力ローラの転動面２２には、中間ローラの転動面５２との接触点７５に垂直力６４と摩擦力６１との合力６８が、また、第二の出力ローラの転動面４２との接触点７７には垂直力６７と摩擦力６６との合力６９とが作用するが、接触点７５と接触点７７とは、入力ローラの直径に近い位置にあるので、垂直力と摩擦力との合力６８および６９は大半が打ち消し合い、これらの合力の方向の違いによって残る小さな合力７０が入力軸を支持する軸受２３および２４にラジアル方向の荷重となって加わる。なお、この図では作図の都合上、接触点７５，７７に加わる垂直力６４、６７、摩擦力６１、６６および合力６８，６９の向きを、接触点７５，７７に対して１８０°反転して描いてある。
【００８１】
図７に示すように中間ローラの転動面５２にはその直径に近い接触点７５および７６に、垂直力６４による摩擦力６１と垂直力６５による摩擦力６２とが作用し、また垂直力６４，６５により中間ローラを入力ローラの転動面と第一の出力ローラの転動面との間から押し出そうとする力７１，７２も作用する。摩擦力６１、６２は垂直力のμ倍であり、中間ローラを入力ローラの転動面と第一の出力ローラの転動面との間から押し出そうとする力７１，７２は垂直力のｔａｎα倍である。ここではμ≧ｔａｎαなので、合力６３は合力７３より大きく、合力６３と合力７３との差の力は、中間ローラを入力ローラの転道面と第一の出力ローラの転動面との間に押し込むように作用するので、中間ローラはこれらの転動面の間で支えられ、中間ローラは軸受などで正確に支持する必要がなく、加圧ばね５３によってその位置を軽く保持するだけで、特別の支持手段を設けなくてよい。
【００８２】
また、中間ローラの加圧ばねとは反対側の、中間ローラと外箱との間に中間ローラストッパ５９が設けられている。この駆動装置にトルクが加わると、入力ローラ、中間ローラおよび出力ローラの互いの接触点７５，７６および７７にはトルクに応じた垂直力が生じ、この垂直力によりそれぞれの接触面の間に弾性変位が生ずる。そして、これらの垂直力を支える軸受３３，３４，４３および４４にも弾性変位を、また出力軸３および４にもたわみを生ずる。これらの弾性変位やたわみのために、中間ローラは入力ローラと第一の出力ローラの間に侵入して２αが小さくなり、トルクがある限界を超えると、トルクによる中間ローラを入力ローラと第一の出力ローラとの間に押し込もうとする力６１および６２よりも、中間ローラを入力ローラと第一の出力ローラとの間から押し出そうとする垂直力の分力７１および７２の方が急激に小さくなり、中間ローラの中心が二つの出力軸の軸心Ｙ１およびＹ２を含む平面を超えて、反対側に飛び出し、以後トルクの伝達が不能になる。中間ローラと外箱との間に中間ローラストッパ５９を設けて、中間ローラがＹ１、Ｙ２平面を超えないようにすることにより、縁石乗り上げなど、車両の走行中に起きる可能性がある瞬間的な過大トルクによってトルク伝達を不能にするこの現象を防ぐことができる。
【００８３】
第一および第二の出力ローラの転動面３２および４２に接して潤滑剤を含浸したフェルトのオイルパッド３５および４５が配置されている。円筒面同士の転がりによる動力伝達では、転動面に形成される潤滑油膜が極めて薄く、滑り率が小さいために、温度上昇が小さく、従って潤滑剤の劣化が少ないので、オイルパッドに含浸されたごく少量の潤滑剤だけで、必要な寿命を確保することができる。潤滑剤が少量ですむために外箱内の容積に空気の占める割合が大きく、伝動装置の動力伝達損失が小さいために外箱の温度上昇が少ないことと相俟って、外気温や日射による外箱内圧の上昇が小さくなり、油漏れなどの不具合を防止できる。
【００８４】
また、外箱１、加圧ばね５３を除く総ての部品が円筒形状であり、製作が極めて容易なものばかりであるだけでなく、焼き入れ硬さと高精度の加工が必要な入力ローラ、出力ローラ、中間ローラは軸部分と別体のリング状にして、軸部分と嵌め合いにより組み立てるようにすれば、転がり軸受の大量生産において確立している加工技術を用いることにより、容易かつ安価に製作でき、外箱１はアルミダイキャストなどによるものに僅かに切削加工を加えるだけで済み、加圧ばね５３はピアノ線を曲げただけで十分なので、製造コストを著しく低く抑えることができる。
【００８５】
図８は第二の実施形態を示しており、この実施形態において入力軸の軸心Ｘは第二の出力軸の軸心Ｙ２と、中間ローラ軸の中心軸線Ｚとを含む平面とほぼ同一の平面上にある。
【００８６】
この場合には、伝達するトルクの増加とともに、中間ローラ５１が入力ローラ２１と第一の出力ローラ３１との間に食い込む方向に少し移動するので、接触点７５の位置が多少変動するが、図９に示すように、接触点７５と７７とは、ほぼ入力ローラの転動面の直径上にあり、垂直力６４と６７とは大きさが同じで方向が反対なので互いに打ち消し合い、接触点７５と７７とに働く摩擦力６１と６６とは偶力なので、入力ローラを支える軸受２３，２４には殆ど荷重が掛からない。従って図１０に示すように、入力ローラの支持軸受２３および２４を省略して、入力軸を駆動するモータ２５の出力軸２６をそのまま入力軸とする片持ちの支持構造にして構造を簡単にすることも可能になる。なお、図９でも図７と同じく作図の都合上、垂直力６４、６７、摩擦力６１、６６および合力６８，６９の向きを、接触点７５，７７に対して１８０°反転して描いてある。
【００８７】
図１１は第三の実施形態を示しており、第二の出力ローラおよび中間ローラの転動面４２および５２をクラウニングを施された円筒面にしてある。この図ではクラウニングを誇張して描いてある。
【００８８】
図１２に示すように、平行に支持された二つの円筒面５５および５６が互いに接触して荷重を受けている場合、接触は線接触になり、接触面圧分布８２には接触面８１の両端で面圧が大きいエッジロードが現れ、これらの面が転動したときには面圧の大きい両端から疲労破壊が起る。
【００８９】
図１３に示すように、一方の転動面５７を軸方向に大きな曲率半径をもった回転円弧面とした場合には、接触は点接触に、接触面８３は楕円形状になり、接触面圧分布８４は半楕円形になってエッジロードを生じないので、転がり疲労寿命の著しい短縮を防ぐことができる。そして、回転円弧面の曲率半径を適宜選定することによって、接触面の面圧を疲労寿命と潤滑油のトラクション特性にとって望ましい値に設定することが可能になる。
【００９０】
また、図１４に示すように、一方の転動面５８を接触面圧が円筒面の軸方向にほぼ均一になるような理想的なクラウニング形状とした場合には、接触面の形状８５、接触面圧分布８６ともほぼ矩形になって、最も寿命が長くなる。
【００９１】
なお、クラウニングは互いに接触する二つの円筒面の一方のみに施せばよいので、第二の出力ローラ、入力ローラ、中間ローラ、第一の出力ローラの転動面のうちから、一つ置きに二つの転動面のみに施せばよい。
【００９２】
図１５は第四の実施形態を示してあり、第一の出力ローラの転動面３２の直径が、第二の出力ローラの転動面４２の直径よりも僅かに小さくなっている。図では直径の違いを誇張して描いてある。
【００９３】
第二の出力ローラの転動面４２は、入力ローラの転動面２２との接触点７７を経て直接駆動され、第一の出力ローラの転動面３２は、入力ローラの転動面２２と中間ローラの転動面５２との接触点７５、および中間ローラの転動面５２と第一の出力ローラの転動面３２との接触点７６の二つの接触点を経て駆動される。
【００９４】
従って、二つの出力ローラの転動面３２および４２の直径が等しく、滑りのない無負荷時に第一および第二の出力ローラ３１および４１の回転数が同じであるならば、トルクの増加とともに増大する僅かな滑りにより、二つの接触点を経て駆動される第一の出力ローラの回転は、一つの接触点を経て駆動される第二の出力ローラの回転よりもトルクの増加とともに遅くなる。
【００９５】
第一の出力ローラの転動面３２の直径を、第二の出力ローラの転動面４２の直径よりも僅かに小さくして、第一の出力ローラの回転速度を高めにすることにより、トルクが加わったときに生ずる僅かな滑りによる二つの駆動ローラへの伝達トルクの差を軽減する効果が得られる。
【００９６】
図１６および図１７は第五の実施形態を示してあり、入力ローラ２１と第一の出力ローラ３１との間に二個の中間ローラ５１および５１’を配置し、二つの出力軸の軸心Ｙ１およびＹ２を含む平面に対し、互いに反対向きに偏移した位置に軸方向に重なるように入力軸、出力軸と平行に支持され、それぞれが入力ローラの転動面２２と第一の出力ローラの転動面３２との間に割り込むように、二個の加圧ばね５３，５３’により付勢されている。
【００９７】
入力軸２１が反時計方向に回転して回転を伝達するときには、第一の中間ローラ５１が摩擦力により入力ローラと第一の出力ローラとの間に割り込むように作用してトルクを伝達し、第二の中間ローラ５１’は入力ローラと第一の出力ローラとの間から押し出される方向に僅かに移動してトルク伝達には寄与しない。
【００９８】
入力軸２１が時計方向に回転して回転を伝達するときには、逆に第二の中間ローラ５１’が摩擦力により入力ローラと第一の出力ローラとの間に割り込んでトルクを伝達し、第一の中間ローラ５１は伝達には寄与しない。
【００９９】
このように、それぞれの転道面にはトルクに応じた垂直力が発生して、常に高い動力伝達効率を維持しながら入力軸の両方向の回転を伝達することができる。
【０１００】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、動力伝達効率が高く、歯車を用いたときのような騒音のない、一方向クラッチの機能を持った、小型、軽量の駆動装置を提供することができる。
【０１０１】
その上、油漏れなどの不具合の発生の恐れが少なく、保守を容易にし、入力ローラ、出力ローラを支える転がり軸受は勿論のこと、動力を伝達する転動面の疲労寿命を転がり軸受の技術を利用して予測して設計することも可能であるため信頼性が高い。
【０１０２】
また、殆どの主要部品が円筒形状の組み合わせであり、かつ転がり伝動部分に要求される強度や仕上げ面の精度は転がり軸受とほぼ同じなので、これも転がり軸受と同様の材料、熱処理、加工の技術を用いて容易に、かつ安価に製造することができ、駆動装置のコストが低減される。
【０１０３】
更に、従来技術におけるよりも高速回転が可能な小型、軽量、安価なモータの使用を可能にするので、質量、コストを著しく低減することができる上、モータを含む駆動装置が小型、軽量になる結果、車両への搭載性が向上する。
【０１０４】
また、入力軸に加わるラジアル荷重が小さく、入力軸を片持ち構造とすることもできるので、入力軸を駆動するモータの軸をそのまま入力軸とすることによって、構造を簡単化し、寸法、質量、コストを低減することが可能である。
【０１０５】
中間ローラおよび加圧ばねを正転用と逆転用の二組を設けることにより、一方向クラッチの機能をなくして、両方向の回転とトルクの伝達を可能にすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第一の実施形態に係る平行二軸駆動装置の、二つの出力軸を含む平面方向の断面図
【図２】その平行二軸駆動装置の、軸に直角方向の断面図
【図３】その平行二軸駆動装置の、加圧ばねの形状を例示する図
【図４】その平行二軸駆動装置が動力を伝達するときの力の関係を示す図
【図５】その平行二軸駆動装置が動力を伝達しないときの力の関係を示す図
【図６】その平行二軸駆動装置が動力を伝達するときに、入力ローラに加わる力の関係を示す図
【図７】その平行二軸駆動装置が動力を伝達するときに、中間ローラに加わる力の関係を示す図
【図８】この発明の第二の実施形態に係る平行二軸駆動装置の、軸に直角方向の断面図
【図９】その平行二軸駆動装置が動力を伝達するときに、入力ローラに加わる力の関係を示す図
【図１０】その平行二軸駆動装置で、モータの出力軸を入力軸とした場合の、二つの出力軸を含む平面方向の断面図
【図１１】この発明の第三の実施形態に係る平行二軸駆動装置の、二つの出力軸を含む平面方向の断面図
【図１２】二つの円筒形のローラが接触しているときの、接触面の形状および面圧分布を示す図
【図１３】円弧クラウニングを施されたローラと円筒形のローラとが接触しているときの、接触面の形状および面圧分布を示す図
【図１４】理想的なクラウニングを施されたローラと円筒形のローラとが接触しているときの、接触面の形状および面圧分布を示す図
【図１５】この発明の第四の実施形態に係る平行二軸駆動装置の、軸に直角方向の断面図
【図１６】この発明の第五の実施形態に係る平行二軸駆動装置の、二つの出力軸を含む平面方向の断面図
【図１７】この発明の第五の実施形態に係る平行二軸駆動装置の、軸に直角方向の断面図
【符号の説明】
１ 外箱
２ 入力軸
３ 第一の出力軸
４ 第二の出力軸
５ 中間ローラ軸
２１ 入力ローラ
３１、４１ 出力ローラ
５１、５１’ 中間ローラ
２２、３２、４２、５２ 転動面
２３、２４，３３，３４，４３，４４ 軸受
２５ モータ
３５、４５ オイルパッド
５３、５３’ 加圧ばね
５５、５６ 円筒形状の転動面
５７、５８ クラウニングを施した転動面
５９ 中間ローラストッパ
６１、６２、６６ 摩擦力
６１’、６２’、６６’ 摩擦力の反力
６４、６５、６７ 垂直力
７１、７２、７３ 中間ローラを押し出そうとする力
７５、７６，７７ 接触点
８１、８３、８５ 接触面形状
８２、８４、８６ 接触面圧分布
９０ タイヤ
９１、９２ 駆動ローラ

Claims (4)

1. 軽車両に備えられ、該軽車両の車輪をその軸方向の両側から二つの出力ローラで挟んで、該二つの出力ローラにより前記車輪の側面を摩擦駆動する平行二軸駆動装置であって、
   一つの入力軸と、入力軸に平行に二つの出力軸とがあり、これらの軸はそれぞれ外箱に対して軸受で支承され、入力軸は二つの出力軸の間に、二つの出力軸を含む平面とほぼ同一平面上に配置され、入力軸には入力ローラが、二つの出力軸にはそれぞれ出力ローラがあり、入力ローラと第一の出力ローラとの間には中間ローラがあり、中間ローラの中心軸は、二つの出力軸を含む平面に対して僅かに離れた位置に、入力軸および出力軸と平行にあり、入力ローラ、二つの出力ローラおよび中間ローラの外周面はそれぞれほぼ円筒形状の転動面であり、入力ローラの転動面と第二の出力ローラの転動面とは隣接し、中間ローラは、その転動面が入力ローラの転動面および第一の出力ローラの転動面とに転動接触し、中間ローラは、その転動面が入力ローラの転動面および第一の出力ローラの転動面との間に接触する力を与える加圧ばねにより外箱との間で付勢され、外箱に対して支承されており、第一の出力ローラの転動面の直径が、第二の出力ローラの転動面の直径より僅かに小さいことを特徴とする平行二軸駆動装置
2. 第一の出力ローラ、中間ローラ、入力ローラおよび第二の出力ローラのそれぞれの転動面が、交互に円筒面およびクラウニングを施された円筒面であることを特徴とする請求項１に記載の平行二軸駆動装置
3. 入力軸と第一の出力軸との間に二つの中間ローラが並列に配置され、二つの中間ローラの中心軸が二つの出力軸を含む平面に対して互いに反対方向に離れた位置に、入力軸および出力軸と平行にあることを特徴とする請求項１または２に記載の平行二軸駆動装置
4. 軽車両に備えられ、該軽車両の車輪をその軸方向の両側から二つの出力ローラで挟んで、該二つの出力ローラにより前記車輪の側面を摩擦駆動する平行二軸駆動装置であって、
   一つの入力軸と、入力軸に平行に二つの出力軸とがあり、これらの軸はそれぞれ外箱に対して軸受で支承され、入力軸には入力ローラが、二つの出力軸にはそれぞれ出力ローラがあり、入力ローラと第一の出力ローラとの間には中間ローラがあり、中間ローラの中心軸は、入力軸および出力軸と平行にあり、入力軸は、第二の出力ローラの出力軸と中間ローラの中心軸とを含む平面とほぼ同一平面上にあり、入力ローラ、二つの出力ローラおよび中間ローラの外周面はそれぞれほぼ円筒形状の転動面であり、入力ローラの転動面と第二の出力ローラの転動面とは隣接し、中間ローラは、その転動面が入力ローラの転動面および第一の出力ローラの転動面とに転動接触し、中間ローラは、その転動面が入力ローラの転動面および第一の出力ローラの転動面との間に接触する力を与える加圧ばねにより外箱との間で付勢され、外箱に対して支承されており、第一の出力ローラの転動面の直径が、第二の出力ローラの転動面の直径より僅かに小さいことを特徴とする平行二軸駆動装置

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