JP4682146B2 - 改良型連続可変伝達装置 - Google Patents

Description

本発明は、改良型連続可変伝達装置に関する。
特に、本発明は、複数の遊星部材が、半径方向で内側のレースと外側のレースとに転がり接触している型の連続可変伝達装置であり、各レースは、軸方向に間隔を保つ２つの部品からなり、片方のレースのこれら２つの部品の軸方向の離隔距離を選択的に変化させ、それによりそれらと転がり接触している遊星部材の半径方向の位置を選択的に変化させる制御手段を有する連続可変伝達装置に関する。

本伝達装置は、該伝達装置の２つの駆動伝達部材(すなわち入力軸と出力軸)の一つに加わるトルクを検出することにより、他方のレースの２つの部品の離隔距離の補償変動幅を、従って装置の伝達比を決定し、更にまた遊星とレースとの間で交わされる、両者間のインターフェースに垂直な力を変更する手段を有してもよい。遊星部材とレースとの間の転がり接触は、潤滑剤の非常に薄い膜で潤滑されている。部材間の相対運動で早期磨耗に到る乾燥摩擦接触が生じないようにこの潤滑剤の薄膜が存在すること、また、相対すべりを生じないように、本膜が非常に薄いことが肝要である。

従来技術の伝達装置において、遊星とレースウェイとの間の転がり接触は、転がり接触面に円弧を不可避的に必要とし、これが、相互に転がり接触している曲面の母線である。これは、環状空洞型の転がり接触伝達装置に特に当てはまり、また半環状空洞型の装置にも当てはまる。これは、遊星とレースウェイとの間に働くけん引力と両者の間の接触力との比である、けん引係数が、別々の力発生装置（それぞれ液圧のような）を使用して始めて制御できることを意味し、それぞれ相違する比で最大の効率を可能にする設計は現在無い。これは、遊星とレースウェイとの間の接触力が全ての比で最適になるとは限らないという欠点を有する。

上に定義した型の連続可変転がり接触伝達装置において、装置への入力は、半径方向で内側のレースを介して加えることができ、装置からの出力は、外側レースを固定部品として、遊星従動体或いは遊星担体を介して遊星から取り出すことができる。高い歯車比は、半径方向外側のレースの２つの部品がそれぞれ最大間隔位置にあり、内側レースの２つの部品が最も接近しあった位置にあることにより、遊星が有効的にそれぞれの最大半径位置に締め付けられる」ようにすることで達成される。このような伝達装置は、準環状転がり接触伝達装置と呼ぶことができる。このような伝達装置において、入力軸と出力軸の役割を反対にしたり、また、特定の設計において、三種類の構成品、すなわち、半径方向に内側のレース、遊星(別の実施態様では遊星従動体及び遊星担体を含む)、及び半径方向で外側のレースの役割が、全て互換性があり、これらのいずれか一つを固定して、他の２つを入力部材或いは出力部材とすることができることは、理解されよう。外側レースを固定する構成を以下により詳細に説明するが、本発明はこのような構成に限定されるものでなく、他の構成にも適用できることは理解されよう。

本発明は、片方のレースの２つの部品間の軸方向離隔距離を選択的に変更する制御手段によって発生する、遊星とレースとの間の接触力を全ての比において最適化できる、上記の型の転がり接触連続可変伝達装置を意図するものである。

これは、本発明によれば、一つ以上の接触曲面(遊星或いはレースウェイの、又は両者の)の形状を、概して球面形状から、複数の遊星と、一つか両方のレースウェイのどちらか、或いは両者の母線が非円形で、それにより、位置の変更があった場合に、実質的により好都合な接触角を維持するようにする形状に変更することにより達成される。

したがって本発明の一実施態様は、複数の遊星部材が、半径方向で内側のレースと外側のレースとに転がり接触している型の伝達装置であって、各レースは、軸方向に間隔を保ち軸方向に相対的に可動な部品からなり、これら２つのレースの片方の部品間の軸方向離隔距離を決定する制御手段を有し、遊星は駆動伝達のため伝達装置の入力部材或いは出力部材に接続手段により接続され、該接続手段は遊星の半径方向の位置を、２つのレースの該片方のレースの部品間の軸方向離隔距離の変更に応じて変更できるようにするものであり、また、少なくとも片方のレース及び／又は遊星の曲面の母線が非円形である連続可変伝達装置である。

少なくとも片方のレース及び／又は遊星の曲面の母線は連続でも非連続でもよい。ここにおいて、「非連続」とは、曲線が一部なくなっているという意味ではない。曲線が特異点を有する、すなわち、該曲線を定義する一般的な関数と一致しない部分或いは領域を有することを意味する。例えば、曲面がより急な曲線で分けられた直線部分を有したり、連続する曲線区間でも、より急な曲線をそれらの間に挿入したりすることができる。

こればかりではなく、複数の遊星に赤道経路を設けてもよく、使用している力を伝達するためのリンク機構をそこに延長し、２つの個々のローラ要素からなる複合衛星部材において、これら２つのローラ要素が中間要素によって連結され、この中間要素に前記リンク機構を接続する。

放射状成分と周方向成分を有する力が加わるように、スロットを通過する放射状線に対して傾斜したスロットを有する板を使って力の伝達を達成することもできる。

また、各遊星体と遊星担体とのリンク機構は、各遊星に対して従動アームの形をとってもよい。「従動」という用語は、勿論、相対運動で一方向のみに関連するものである。相対運動の他方向において、「従動」アームは、「先行」アームとなる。それぞれのアームの端部にある遊星、並びに遊星担体へのリンク機構とはすべて円運動を行うように強いられているので、力は、このような構成を介して遊星に対し、また遊星から十分伝達される。

上に定義したように、各遊星体の回転面は、曲線母線によって定義される。これは、円形の一部ではないということにおいて、従来技術と相違する。同様に、レースも非円形母線によって定義され得る。本発明の一実施態様において、各ローラ要素表面の曲線母線は、螺旋である。これはいずれの公知の螺旋曲線でもよい。例えば、アルキメデスの螺旋（これの極方程式はｒ＝Ａθである）、フェルマーの螺旋（この極方程式はｒ ² ＝Ａ ^Ｌ θである）、双曲螺旋或いは対数螺旋（それぞれｒ＝Ａ／θ 及びｒ＝Ａｅ ^Ｂθ によって定義される）のいずれかでよい。その他にも好適な公知螺旋がある。しかしながら、母線は螺旋である必要は無く、その他の非円形曲線を選択できる。例えば、放物線、双曲線、楕円のような単純円錐曲線を使用してもよく、また、多項式曲線或いは、単純または古典的記述なしのデジタル定義された曲線でもよい。母線が、このような曲線の全体からなることは無く、むしろ一部のみであり、適当な寸法を有することは、自明である。

本発明の好ましい態様において、遊星担体は、装置の一方の軸端から延び、実質的に装置の回転軸に平行な複数のアームを有し、これらアームの全ての自由端を一緒に連結する補強リングによって該アームの自由端を補強している。この補強リングは、遊星担体のアーム端と装置のエンドカバーとの間の空間を占有し、内側レースの半径方向外方向にあって、内側レースの運動を干渉しないようになっている。

前記半径方向内側のレース及び外側のレースは、固定ハウジング内に位置し、それらのいずれか片方は、伝達装置の入力部材又は出力部材によってハウジングを基準に回転可能となっている。本発明の好ましい実施態様において、半径方向内側のレースは、伝達装置の入力部材と共に、ハウジングを基準にして回転可能となっている。同様に、遊星担体が、伝達装置の出力部材と共に、ハウジングを基準にして回転可能であることは好ましい。

添付図面を参照しつつ、本発明の各実施態様を、実施例により、より具体的に説明する。

図面、特に図１と図２において、図示する伝達装置は、ハウジング（１１）を有し、このハウジング内に、軸方向に相対的に変位可能な２つの部品（１３）及び（１４）からなる半径方向外側のレース（１２）が位置する。部品（１３）及び（１４）は、いわゆる「ボールねじ」で相互係合され、「ボールねじ」は、２つの部品（１３）及び（１４）にあるそれぞれの螺旋溝に係合する何本かの螺旋列のボールからなり、これにより、両部品が装置の中心長手方向軸Ｘ−Ｘの周囲を相互に回転できるように構成する。ボールねじには、いくつかの始点がある（この場合４つ）。これは、使用可能な空間をボールで満たす（最大の耐荷重を得るため）が、ただし、大きなボール（これは、ネジきりが一本のときに必要）の使用を避ける必要性と、軸荷重と周荷重とのバランスをとるのに比較的長いリードをとる必要があるためである。２つの部品（１３）と（１４）との間の相対的な軸方向変位は、複数の固定ピン（１６）に部品（１４）を取り付けて行う。これらの固定ピン（１６）は、ハウジング内で一対のピンと共にオルダム継ぎ手を形成し、レース部品（１４）が回転運動はしないように制止し、一方、軸方向変位はできるようにするものである。このオルダム継ぎ手は、半径方向運動は可能にするが回転は可能にしない「余裕便宜」装置として使用するものである。この２対のピンは、図示するように、実際、同平面にはなく、相互に９０度で配置され、×印で示す小さな平材が、オルダムリング内のスロットに入っている。回転変位可能なレース部品（１３）は、全体的に円筒形のホルダー（１７）に保持され、このホルダーは、調整作動器（１０）によって回転される調整アーム（１８）によってＸ−Ｘ軸の周りに回転させることができる。

図１で先端をこちらに向けている作動器（１０）は、電動機（図示せず）によって駆動されるボールネジを有するネジ作動器であるのが好ましい。回転変位可能なレース部品（１３）をＸ−Ｘ軸の周囲に回転すると、これ自体が、ボールネジ（１５）の作用により、軸方向変位可能な外側レース部品（１４）に対して、有効に「ネジ回転」され、レース部品（１４）を、回転せずにスライドピン（１６）にそって軸方向に移動させる。このように、この２つのレース部品（１３）と（１４）は、回転変位可能な外側レース部品（１３）を一方向又は他方向に回転させることにより、離れたり一緒になったりする動きをさせられる。２つのレース部品は、レース曲面（１９）と（２０）とを有し、これら曲面には、２つのほぼ半球面シェル（２２）及び（２３）からなる遊星部材（２１）の曲面が係合し、これらのシェルは、中央ピン（２４）によって一体化され、該ピンは、転動体としてのベアリング又はブッシュ（２５）を担持し、このベアリング又はブッシュが遊星部材（２１）を担持している。

図２から分かるように、各ブッシュ（２５）は、遊星担体（２８）の五つの遊星担体アーム（２７）に担持された板（６１）にあるスロットに係合し、遊星担体（２８）は、出力軸（２９）に固定接続され、出力軸（２９）は、入力軸（３０）を同軸的に囲み、ベアリング（３１）によって入力軸（３０）に支持されている。以下にこの構成をより詳細に述べる。

別のベアリング（３２）が、入力軸（３０）と遊星担体（２８）とを相互接続し、シール（３３）及び（３４）が、装置の内部を、ほこり、よごれ、その他の微粒子、湿気及び水分の混入から保護している。

遊星部材（２１）も、概して（３５）と示されている内側レース上に転がり、この内側レース（３５）は、軸方向固定レース部品（３６）と、半径方向外側のレースの２つの部品が相互接続されているのと同様のボールネジ（３８）によってレース部品（３６）に担持される軸方向変位可能レース部品（３７）とからなる。軽い予荷重を与えるトーションばね（４０）が、軸方向変位可能な内側レース部品（３７）を遊星部材（２１）の方向に付勢して、接触を維持している。

伝達比の変更方法と、入力軸と出力軸との間のトルクを、ボールネジ（３８）によって軸方向固定レース部品（３６）に担持する軸方向変位可能な半径方向内側のレース部品（３７）によって検知する方法は、同じ出願人の先願である国際特許出願の特許文献１に十分説明されており、この出願の開示を、該出願を引用することにより、本明細書の一部とし、これ以上の説明を省略する。
ＷＯ９９／３５４１７公報

上記に引用する先行の国際出願において、（複数の）遊星は球体の中実ボールであり、それらの運動が、半径方向で内側のレースと外側のレースとの間で及ぼす力は、隣接する遊星の間に位置する遊星従動体を介して伝達された。２つの外側レース部品を移動により一緒にさせ、遊星を半径方向内方に付勢すると、半径方向内側のレース部品は強制的に離され、接触力は、同文献で説明するようにトルク検知構成によって維持される。２つの半径方向外側のレース部品が両者の最も接近する位置に近づくと、遊星とレースとの間の接触部分は、半径方向内方に移動し、球体遊星の形状によって、接触面に対する法線は、遊星の中心を通過する線であるが、転がり軸に対してより浅く傾斜し、その結果、力の半径方向分解成分は小さくなり、軸方向分解成分は大きくなる。従って、遊星に対して非常により大きい絶対接触力を働かせて、より低い比に達するようにしなくてはならず、そして勿論、力をさらに増加することによる、更なる半径方向変位が相対的に小さくなり、力は、許容できないほど高くなる点が来る。更に、最大比及び最低比において、遊星の転がり軸に最も近い接触部分は、実質的な「スピン」をし、摩擦接触の加熱効果を高め、それにより更に発熱し、装置を許容限度内に保つためには、この熱を消滅させる必要がある。

図３及び図４により以下に説明するように、特定の伝達比に対する接触力の変化を、以下に説明する発明原理を利用して、伝達装置の設計に組み入れることができる。

図２から分かるように、図示する実施態様の構成では、円周空間を最大に活用して、任意のサイズの装置に最大可能数の遊星を取り付けることができる。図２において、図１の実施態様のように、同じ又は相当する部品を示すために、同じ番号を使用している。この実施態様では、図１の実施態様では遊星は４つであるのに対し、これと同じ寸法の伝達装置において、五つの遊星（６０）を備えている。これらの遊星（６０）は、遊星（６０）が形成する輪の中間平面において、遊星担体のアーム（２７）に固定されたディスク（６１）によって、遊星担体のアーム（２７）に連結されている。ディスク（６１）には、広い、全体的には放射状のスロットがあり、この中に、転動体であるベアリング（２５）が収容されるブッシュ（６３）を収容しており、遊星はこれらベアリング（２５）上を転がる。ブッシュ（６３）自体は、比を変更する際には、前記スロット（６２）内を転がる。スロットは、示される厳密な放射方向から傾斜してよく、これにより、外側レースにおける接触力を増減することができる。これは有益な設計ツールとなり得る。

本実施態様は、外周が非常にコンパクトであり、負荷支持力が高い。ディスク（６１）は局部的に厚い部分があり、ブッシュ（６３）が構成するローラーを広く支持できる構成となっている。

図３と図４は、内側レースウェイと遊星に、曲線非円形曲率を利用する本発明の２つの実施態様を示す。図３及び図４には、レースウェイ（３７）の一部のみを図示し、また同様に、遊星（２３）の一部のみを図示する。

図３において、概して７０で示される、内側レースウェイ（３７）の遊星接触曲面は、その長軸を伝達装置のＸ軸に平行にした楕円曲線として形成されている。この実施態様において、遊星（２３）も、転がり接触面（７１）を有し、これは、使用の際、レースウェイ面（７０）の上を転がり、また、その長軸が伝達装置のＸ軸に垂直な楕円曲線の形をした母線を有する。

遊星（２３）の曲面（７１）とレースウェイ（３７）の転がりレースウェイ面（７０）との接触点をＡで示す。図示の位置において、伝達装置は、高比位置にある。接触点Ｂを持つ点線（２３ｂｉｓ）で示す別の位置も示す。遊星（２３）の位置Ａにおける曲線（７０）への接線ＡＴと、点線で示す低範囲位置の面（７０）に対する接線ＢＴとは、角度αをなす。高比の場合の遊星（２３）の位置と低比の場合のその位置との間の半径方向の差は、半径寸法ｄｒで表される。本実施態様において、接線ＡＴとＢＴとの間には、５２度という比較的大きな角度があり、遊星の２つの位置の間の半径方向差は、５ｍｍのオーダーであることは理解されよう。これらの寸法は、図面と同じ縮尺で与えているものであり、本発明の限定を意図したものではない。

接触点（ＡかＢ）の、機械の中心線からの任意の半径に対して、接触ゾーンＡかＢにおけるけん引力はこの意味において定義され、けん引力は、トルクを、力が作用すると考えられる半径によって割ったものである。これとは対照的に、接触力はトルクにも半径にも左右されず、軸方向力と接触角（接触力 = 軸方向力／ｓｉｎ（接触角））に左右される。ここで、軸方向力は、実質的にトルクに比例し、比例定数は内側ボールネジのリード（又は、螺旋角）によって決まる。

通常、設計者にとって関心のあるパラメータは、遊星と内側レースウェイとの間の接触点におけるけん引力／接触力比であるところの、けん引係数である。これは、効率に重要な影響がある。けん引係数はｓｉｎ（接触角）半径に比例する。かくして、特定の比に相当する半径に対して、設計者は、けん引係数を管理する必要がある場合、接触角を管理する必要がある。ある半径における接触角と隣接する半径における接触角との関係が、曲率を定義する。従って、装置の全比範囲におけるけん引係数を管理するには、内側レースウェイの全面（そしてこの面のみ）にわたる曲率の管理が必要となる。円弧は、曲率管理を前提とはせず、けん引係数と比の間の任意の関係に帰着する。よくあることであるが、多かれ少なかれ一定のけん引係数が比の範囲にわたって望まれる場合、本発明の原理に従って、非円形弧によってこれを達成することができる。

図４の別の実施態様において、ここでも、楕円母線を有する構造を示す。この場合、内側レースウェイ（３７）の母線は、機械のＸ軸に垂直な長軸を有し、遊星（２３）の楕円母線の長軸は機械のＸ軸に平行である。ここでも、使用可能な最高比及び最低比におおよそ相当する２つの位置を、図３の実施態様と同じように示す。この実施態様において、低比の場合の接触点Ｂの傾斜角は、接線ＡＴと同様、図３の実施態様よりは非常に大きいのが分かる。しかしながら両接線間の角度αは、むしろ小さく３５度であり、高比位置の場合の遊星（２３）と低比位置の場合の２３ｂｉｓとの間の半径方向差ｄＲは非常に大きく１８ｍｍ（ここでも、図の縮尺を基準にしているのであって、本発明の限定を意図したものではない）である。

従って、遊星の曲率とレースウェイの曲率を変更することにより、内側レースウェイと遊星との間の、両者の接触ゾーンにおける曲率の差をいずれの比に対しても選択できることは分かるであろう。このため以下のようになる。内側レースウェイが、多分上記手順で決まる任意の曲率を有すると仮定すると、遊星の曲率が、各比における重要なパラメータ、すなわち、２つの接触面間の曲率の差を決定する。任意の接触力に対して、このパラメータは、接触部分のサイズと形状を決定する。曲率の差が小さい場合、接触部分はかなり楕円状（図３と図４の平面における長軸をもって）となり、最大接触圧が低い大きな面積を有するであろう。これらの条件は、耐荷重が高いが効率は低い場合となり、後者は、接触部分の面積と偏心率とともにスピンロスが増加するからである。他方、曲率の差が大きい場合、接触部分は、楕円状が減少し、面積が小さくなるが、最大接触圧が高くなる。この場合、効率は増すが、耐荷重は減少する。これが分かれば、設計者は、必要に応じて、いろいろな比において耐荷重と効率の両方を最適化する遊星断面を設計することができる。この場合、遊星の曲率の変化率を選択して、遊星と内側レースとの間の曲率の差の所望の変更率を作成する。

遊星の形状がこのように決まると、外側レースウェイの形状を、特定の各比において効率及び／又は耐荷重を最適化する局部曲率差を使用して同様に決定できる。球体遊星を使用する場合、この手順を外側レースウェイにも適用できる。しかしながら、内側レースウェイにおいて、遊星弧が前もって決定され円形であるので、各比においてけん引係数、効率及び耐荷重の間にもっと複雑な調整が必要となる。

特定の比においてトルク容量を増加する必要がある場合、この曲率の差を小さくして、接触面積を大きくとって、負荷支持力を最大にするようにする。他方、効率の増加を優先する場合、この差を大きくして、接触面積を小さくし、面上の運動のスピン要素による流体摩擦損失を最小にするようにする。

内側レースウェイが接する条件にしたがって遊星の曲率を決定したら、同様の考え方にしたがって、外側レースウェイの曲率を最適化することは、勿論可能である。

従来技術の転がり接触連続可変伝達装置の、図２のＩ−Ｉ線における軸方向断面図であり、低伝達比の場合の本発明の一実施態様として示す。 図１と同様の別の従来技術装置の端面図であり、より多い数の遊星を有するものを示す。 本発明の第一実施態様の一部の部分軸方向断面図であり、２つの伝達比の場合の部品を示している。 図３と同様の軸方向断面図であり、遊星部材の曲線生成を図３と逆にした本発明の第二実施態様を示す。

Claims (9)

1. 複数の遊星部材が、半径方向で内側のレースと外側のレースとに転がり接触している型の伝達装置であって、各レースは、軸方向に間隔を保ち軸方向に相対的に可動な部品からなり、これら２つのレースの片方の部品間の軸方向離隔距離を決定する制御手段を有し、遊星部材は駆動伝達のため伝達装置の入力部材或いは出力部材に接続手段により接続され、該接続手段は遊星部材の半径方向の位置を、２つのレースの該片方のレースの部品間の軸方向離隔距離の変更に応じて変更できるようにするものであり、また、レース及び遊星部材の転がり接触曲面の母線が非円形であって、そしてレース及び遊星部材の転がり接触曲面の母線が渦巻状曲線、伸開線又は縮閉線である連続可変伝達装置。
2. 少なくとも片方のレース及び／又は遊星部材の曲面の母線の少なくとも一部が非連続であることを特徴とする請求項１に記載された連続可変伝達装置。
3. 少なくとも片方のレース及び／又は遊星部材の転がり接触曲面の母線の少なくとも一部が、少なくとも他の一部より傾斜が急な曲線をしていることを特徴とする請求項１又は２に記載の連続可変伝達装置。
4. 前記制御手段が、螺旋相互係合手段によって相互係合される２つの調整部材を含み、両調整部材の片方が相対回転運動をすると、両調整部材間で軸方向に相対変位することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の連続可変伝達装置。
5. 複数の遊星部材と遊星担体との間の接続手段が、少なくとも放射状成分を有する複数のスロットを有し、それぞれのスロット内に各遊星部材の一部が係合していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の連続可変伝達装置。
6. 前記スロットが、スロットを通過する放射状線に対して傾斜し、使用の際、半径方向成分と円周方向成分の両者を有する力がスロットに加わる或いはすでに加わっているようにしたことを特徴とする請求項５に記載の連続可変伝達装置。
7. 前記半径方向で内側のレース及び外側のレースが、固定ハウジング内に位置し、これらレースの片方が、伝達装置の入力軸又は出力軸によって、ハウジングを基準にして回転可能であることを特徴とする請求項１〜６までのいずれか１項に記載の連続可変伝達装置。
8. 出力駆動部材への及び／又は入力駆動部材からの駆動歯車列に固定比の遊星歯車を有することを特徴とする請求項１〜７までのいずれか１項に記載の転がり接触連続可変伝達装置。
9. 半径方向外側のレース及び／又は半径方向内側のレースの２つの部品が、螺旋継ぎ手によって相互接続され、前記２つの部品の間に転動体を備えて摩擦を減少することを特徴とする請求項１〜８までのいずれか１項に記載の連続可変伝達装置。

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