JP4696770B2 - 無段変速装置 - Google Patents

Description

この発明は、自動車用自動変速装置として、或はポンプ等の各種産業機械の運転速度を調節する為の変速装置として利用する無段変速装置の改良に関する。具体的には、無段変速装置に組み込む遊星歯車式変速ユニットを構成する遊星歯車の回転速度を低く抑え、伝達効率の向上と耐久性の確保とを図るものである。

自動車用自動変速装置としてトロイダル型無段変速機が研究され、一部で実施されている。又、トロイダル型無段変速ユニットと遊星歯車式変速ユニットとを組み合わせて、変速比の幅を広くする無段変速装置も、例えば特許文献１〜３に記載されている様に、従来から知られている。図３は、このうちの特許文献１に記載された、図４は、同じく特許文献２に記載された、図５は、同じく特許文献３に記載された、それぞれ無段変速装置を示している。何れの無段変速装置の場合も、１組のトロイダル型無段変速ユニット１Ａ、１Ｂ、１Ｃと、第一組の遊星歯車式変速ユニット２Ａ、２Ｂ、２Ｃと、第二組の遊星歯車式変速ユニット３Ａ、３Ｂ、３Ｃと、第三組の遊星歯車式変速ユニット４Ａ、４Ｂ、４Ｃとを組み合わせて成る。又、動力での伝達状態を高速モードと低速モードとに切り換える、高速用クラッチ５Ａ、５Ｂ、５Ｃと低速用クラッチ６Ａ、６Ｂ、６Ｃとを備える。

そして、このうちの高速用クラッチ５Ａ、５Ｂ、５Ｃの接続を断って低速用クラッチ６Ａ、６Ｂ、６Ｃを接続した低速モード状態では、上記トロイダル型無段変速ユニット１Ａ、１Ｂ、１Ｃの変速比の調節に基づいて、入力軸７Ａ、７Ｂ、７Ｃを一方向に回転させた状態のまま出力軸８Ａ、８Ｂ、８Ｃを、停止状態（ギヤードニュートラル状態）を挟んで両方向に回転駆動自在とする。これに対して、上記高速用クラッチ５Ａ、５Ｂ、５Ｃを接続して上記低速用クラッチ６Ａ、６Ｂ、６Ｃの接続を断った高速モード状態では、上記入力軸７Ａ、７Ｂ、７Ｃに加えられた動力を、上記トロイダル型無段変速ユニット１Ａ、１Ｂ、１Ｃをバイパスして上記第一組の遊星歯車式変速ユニット２Ａ、２Ｂ、２Ｃに送る、所謂パワースプリット状態を実現する。そして、このトロイダル型無段変速ユニット１Ａ、１Ｂ、１Ｃの変速比の調節に基づいて、上記第一組の遊星歯車式変速ユニット２Ａ、２Ｂ、２Ｃの変速比を変更する。

上述の様な機能を持たせる為に、前記特許文献１に記載された無段変速装置（図３）では、第一組の遊星歯車式変速ユニット２Ａと第二組の遊星歯車式変速ユニット３Ａとに掛け渡す状態で、ステップピニオンと呼ばれる、両端部にそれぞれ遊星歯車を設けた、組み合わせ遊星歯車９ａを設けている。そして、高速モード状態では、この組み合わせ遊星歯車９ａを通じて取り出した動力を、第三組の遊星歯車式変速ユニット４Ａを通じて、出力軸８Ａに送り出す様にしている。又、前記特許文献２に記載された無段変速装置（図４）では、第一組の遊星歯車式変速ユニット２Ｂと第二組の遊星歯車式変速ユニット３Ｂとに掛け渡す状態で、幅広のリング歯車１０を設けている。そして、高速モード状態では、このリング歯車１０を通じて取り出した動力を、第三組の遊星歯車式変速ユニット４Ｂを通じて、出力軸８Ｂに送り出す様にしている。尚、上記両特許文献１、２に記載された無段変速装置では、第一組〜第三組の遊星歯車式変速ユニット２Ａ、２Ｂ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ（特許文献１の第二組の遊星歯車式変速ユニット３Ａを除く）として、各遊星歯車が、互いに噛合した１対ずつの遊星歯車素子である、所謂ダブルピニオン型のものを使用している。

更に、前記特許文献３に記載された無段変速装置（図５）の場合には、高速モード状態で、ステップピニオンと呼ばれる組み合わせ遊星歯車９ｂ、並びに、第二組の遊星歯車式変速ユニット３Ｃの太陽歯車１１を通じて取り出した動力を、第三組の遊星歯車式変速ユニット４Ｃに組み込んだ、組み合わせ遊星歯車９ｃを通じて、出力軸８Ｃに送り出す様にしている。この組み合わせ遊星歯車９ｃは、無段変速装置を構成するハウジング等の固定の部分に支持固定されたキャリア１３Ｃに、回転自在に支持されている。

上述の様な、特許文献１〜３に記載された無段変速装置の場合には、低速モード状態では、前述の様に、入力軸７Ａ、７Ｂ、７Ｃを一方向に回転させた状態のまま出力軸８Ａ、８Ｂ、８Ｃを、停止状態を挟んで両方向に回転駆動自在である。従って、トルクコンバータ等の発進装置や、前後進切り換え機構を省略して、小型且つ軽量に構成できる。そして、車体の床下等の限られた空間部分への組み付け性が向上する他、発進装置部分での（トルクコンバータがロックアップする以前の状態での空転に基づく）回転力の低下を防止して、運転性能の向上を図れる。又、高速モード状態では、入力軸７Ａ、７Ｂ、７Ｃに加えられた動力を、トロイダル型無段変速ユニット１Ａ、１Ｂ、１Ｃをバイパスさせる、パワースプリット状態を実現して、このトロイダル型無段変速ユニット１Ａ、１Ｂ、１Ｃを通過するトルクを低減できる。この為、このトロイダル型無段変速ユニット１Ａ、１Ｂ、１Ｃを大型化せずに、このトロイダル型無段変速ユニット１Ａ、１Ｂ、１Ｃの耐久性を確保できる。
ところが、上述の様な特許文献１〜３に記載された無段変速装置の場合、次の様な点を改良する事が望まれている。

先ず、特許文献１〜２に記載された構造（図３、図４）の場合、出力軸８Ａ、８Ｂの直前に設けている第三組の遊星歯車式変速ユニット４Ａ、４Ｂがダブルピニオン型である為、構造が複雑になる他、この第三組の遊星歯車式変速ユニット４Ａ、４Ｂの軽量化と耐久性の確保とを両立させる事が難しい。即ち、高速モード状態では、高速用クラッチ５Ａ、５Ｂを接続してリング歯車１０Ａ、１０Ｂを固定し、第一組、第二組の遊星歯車式変速ユニット２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂを介して太陽歯車１２Ａ、１２Ｂを回転させる。すると、上記第三組の遊星歯車式変速ユニット４Ａ、４Ｂを構成する、ダブルピニオン型の遊星歯車素子が高速で回転しつつ、これら各遊星歯車素子を支持したキャリア１３Ａ、１３Ｂを、上記太陽歯車１２Ａ、１２Ｂと逆方向に回転させる。

この様な構造の場合、上記第三組の遊星歯車式変速ユニット４Ａ、４Ｂを構成する歯車の噛合部が多くなり、噛合部での摩擦損失の合計が多くなる為、無段変速装置全体としての伝達効率を確保する面からは不利になる。又、上記キャリア１３Ａ、１３Ｂが上記出力軸８Ａ、８Ｂと共に高速で回転しつつ、上記各遊星歯車素子が非常に高速で回転する。この為、これら各遊星歯車素子を支持している遊星軸及びラジアルニードル軸受に大きな負荷が加わり、これら遊星軸及びラジアルニードル軸受の耐久性確保が難しくなる。

一方、特許文献３に記載された構造（図５）の場合、上述した特許文献１、２に記載された構造とは異なり、第三組の遊星歯車式変速ユニット４Ｃを構成するキャリア１３Ｃが回転しない（固定の部分に支持固定されている）。又、この第三組の遊星歯車式変速ユニット４Ｃが、同一の遊星歯車１４をリング歯車１５及び太陽歯車１６に噛合させる、所謂シングルピニオン型である。この為、上記特許文献１、２に記載された構造に比べて、無段変速装置全体としての伝達効率の確保と上記第三組の遊星歯車式変速ユニット４Ｃに組み込んだ遊星軸及びラジアルニードル軸受の耐久性確保の面からは有利になる。

但し、上記特許文献３に記載された構造の場合には、動力伝達経路の取り回しが複雑で、実際の構造として実現する事が難しいものと考えられる。例えば、高速用クラッチ５Ｃが、低速モード状態で、第一組の遊星歯車式変速ユニット２Ｃから第三組の遊星歯車式変速ユニット４Ｃに動力を伝達する為の、筒状の伝達軸１７の内径側に存在する。従って、上記高速用クラッチ５Ｃの油圧室への圧油の給排を行なう構造を実現する事は難しいものと考えられる。

特開２０００−２２０７１９号公報 特開２００３−３０７２６６号公報 特開２００２−１３９１２４号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、遊星歯車式変速ユニットを構成する歯車同士の噛合部の数を抑えると共に、この遊星歯車式変速ユニットを構成する遊星歯車の回転速度を低く抑え、伝達効率の向上と耐久性の確保とを図れる、実現可能な構造を提供すべく発明したものである。

本発明の無段変速装置は、１組のトロイダル型無段変速ユニットと、第一組〜第三組の３組の遊星歯車式変速ユニットと、これら各組の遊星歯車式変速ユニットを通過する動力の伝達経路を切り換える為のクラッチ装置とを組み合わせて成る。
このうちのトロイダル型無段変速ユニットは、１対の入力側ディスクと、出力側ディスクと、複数のパワーローラとを備える。そして、これら両入力側ディスクは、入力軸を介して互いに同心に、且つ、同期した回転を自在として結合されている。又、上記出力側ディスクは、上記両入力側ディスク同士の間に、これら両入力側ディスクと同心に、且つ、これら両入力側ディスクとは独立した回転を自在として支持されている。又、上記各パワーローラは、上記出力側ディスクの両側面と上記両入力側ディスクの側面との間にそれぞれ複数個ずつ挟持されて、これら出力側ディスクと入力側ディスクとの間で動力を伝達する。

又、上記各組の遊星歯車式変速ユニットのうち、最も上記トロイダル型無段変速ユニット寄りに設けた第一組の遊星歯車式変速ユニットは、少なくとも、第一太陽歯車と、複数の第一遊星歯車と、第一キャリアとを備える。このうちの第一太陽歯車は、上記出力側ディスクに対しこの出力側ディスクと同心に結合されて、この出力側ディスクと共に回転する。又、上記各第一遊星歯車は、それぞれが上記第一太陽歯車と噛合している。又、上記第一キャリアは、上記各第一遊星歯車を回転自在に支持する。

又、上記第一組の遊星歯車式変速ユニットの隣、即ち、この第一組の遊星歯車式変速ユニットを挟んで上記トロイダル型無段変速ユニットと逆側に設けた第二組の遊星歯車式変速ユニットは、第二太陽歯車と、複数の第二遊星歯車と、第二キャリアとを備える。このうちの第二太陽歯車は、上記第一組の遊星歯車式変速ユニットを構成する上記第一太陽歯車と同心に、この第一太陽歯車に対する相対回転を自在に支持されている。又、上記各第二遊星歯車は、それぞれが上記第二太陽歯車と噛合している。又、上記第二キャリアは、上記各第二遊星歯車を回転自在に支持する。尚、この第二キャリアは、上記第一組の遊星歯車式変速ユニットを構成する上記第一キャリアと一体であっても良い。

又、最も上記トロイダル型無段変速ユニットから遠い側に設けた第三組の遊星歯車式変速ユニットは、第三キャリアと、複数組の第三遊星歯車組と、複数個の第三太陽歯車と、第三リング歯車とを備える。このうちの第三キャリアは、無段変速装置を収納したケーシング等の固定の部分に支持されて、回転しない。又、上記各第三遊星歯車組は、上記第三キャリアに回転自在に設けられている。又、上記各第三太陽歯車は、上記第一組、第二組の遊星歯車式変速ユニットを構成する上記第一、第二両太陽歯車と同心に、これら第一、第二両太陽歯車に対する相対回転を自在に支持されている。又、上記第三リング歯車は、上記各第三太陽歯車のうちの一部の第三太陽歯車の周囲に、当該第三太陽歯車と同心に、且つ、相対回転を可能に支持している。そして、このうちの何れかの第三太陽歯車の回転を、上記入力軸と同心にこの入力軸に対する相対回転を自在に設けた、出力軸に伝達自在としている。

更に、前記クラッチ装置は、上記第一組〜第三組の遊星歯車式変速ユニット同士の間、並びに、上記各第三太陽歯車と上記出力軸との間の動力の伝達状態を切り換える事により、低速モードと高速モードとの２通りのモードを選択するものである。
このうちの低速モードを選択した状態では、上記第三組の遊星歯車式変速ユニットを構成する複数個の第三太陽歯車のうちの一部の太陽歯車の回転を、上記複数組の第三遊星歯車組のうちの一部の第三遊星歯車組を介して上記出力軸に伝達する。これと共に、前記トロイダル型無段変速ユニットの変速比の調節に基づいて、上記入力軸を一方向に回転させた状態のまま上記出力軸を、停止状態を挟んで両方向に回転駆動自在とする。
又、高速モードを選択した状態では、上記入力軸に加えられた動力を、上記トロイダル型無段変速ユニットをバイパスして上記第一組の遊星歯車式変速ユニットに送る。そして、上記第三組の遊星歯車式変速ユニットを構成する複数個の第三太陽歯車のうちの残部の太陽歯車の回転を、上記複数組の第三遊星歯車組のうちの残部の第三遊星歯車組及び上記第三のリング歯車を介して、上記出力軸に伝達する。

上述の様に構成する本発明の無段変速装置によれば、高速モードと低速モードとで、第三組の遊星歯車式変速ユニット部分での動力の伝達経路を互いに異ならせている（各モード毎に独立した伝達経路を設定している）ので、これら各経路の設計の自由度が向上する。この為、低速モード状態に比べて使用頻度が高い高速モード状態で、上記第三組の遊星歯車式変速ユニットを構成する歯車同士の噛合部の数を抑えられる。従って、使用頻度が高い、上記高速モード状態での伝達効率を向上させて、自動車の走行性能及び燃費性能の向上を図れる。

又、上記第三組の遊星歯車式変速ユニットを構成する第三キャリアが回転せず、従って、高速、低速、何れのモードでも、第三太陽歯車の回転方向と各第三遊星歯車組の公転方向とが逆になる事はなく（各第三遊星歯車組は公転運動をする事がなく）、これら各第三遊星歯車組の自転速度が抑えられる。この為、これら各第三遊星歯車組を支持している軸受に加わる遠心力を、転動体の公転運動に基づくだけの小さな値に抑えられる他、この軸受の運転速度を抑えられて、この軸受の耐久性確保を図れる。

本発明を実施する場合に好ましくは、請求項２に記載した様に、第一組の遊星歯車式変速ユニットを、第一太陽歯車の周囲にこの第一太陽歯車と同心に、この第一太陽歯車に対する相対回転を自在に支持された第一リング歯車を備えたものとする。又、各第一遊星歯車はそれぞれ、互いに噛合した１対ずつの遊星歯車素子から成るダブルピニオン型とする。そして、一方の遊星歯車素子を上記第一太陽歯車に、他方の遊星歯車素子を上記第一リング歯車に、それぞれ噛合させる。

又、第二組の遊星歯車式変速ユニットを構成する各第二遊星歯車は、シングルピニオン型とする。そして、これら各第二遊星歯車を、それぞれが上記第一太陽歯車と噛合した上記一方の遊星歯車素子に、この一方の遊星歯車素子と共に回転自在に結合する。即ち、これら一方の遊星歯車素子と上記各第二遊星歯車とを、互いに同期した回転を自在に結合して、所謂ステップピニオンとする。又、上記各第二遊星歯車の周囲にはリング歯車を設けず、これら各第二遊星歯車はそれぞれ、第二太陽歯車とだけ噛合させる。

又、第三組の遊星歯車式変速ユニットは、前段側、中段、後段側の３個の第三太陽歯車及び第三リング歯車を備えたものとする。このうち、最も上記第二組の遊星歯車式変速ユニット寄りに設けた前段側第三太陽歯車は、低速モード時に上記第一リング歯車の回転に伴って回転するものとする。又、軸方向中間に存在する中段第三太陽歯車は、上記第二組の遊星歯車式変速ユニットを構成する第二太陽歯車と結合し、この第二太陽歯車と共に回転するものとする。更に、最も上記第二組の遊星歯車式変速ユニットから遠い側に設けた後段側第三太陽歯車は、出力軸の基端部に支持して、この出力軸と共に回転するものとする。そして、上記第三リング歯車は、上記中段第三太陽歯車の周囲に、この中段第三太陽歯車と同心に、この中段第三太陽歯車に対する相対回転を可能に設ける。

又、上記第三組の遊星歯車式変速ユニットを構成する各第三遊星歯車組は、前段側、中段、後段側との３組を設ける。このうちの前段側第三遊星歯車組を構成する複数個の前段側遊星歯車は、それぞれ上記前段側第三太陽歯車と噛合させる。又、中段第三遊星歯車組を構成する複数個の中段遊星歯車は、それぞれ上記中段第三太陽歯車及び上記第三リング歯車と噛合させる。又、後段側第三遊星歯車組を構成する複数個の後段側遊星歯車は、それぞれ上記後段側太陽歯車と噛合すると共に、上記各前段側遊星歯車に対し、これら各前段側遊星歯車と共に回転自在に結合して、所謂ステップピニオンを構成する。
更に、上記第三リング歯車は上記出力軸に対し、高速モード時に、この出力軸と共に回転する様に組み合わせる。
上述の様な請求項２に記載した構成を採用すれば、構成各部材を効率良く配置して、前述した様な、本願発明による作用・効果を高次元で得られる。

又、本発明を実施する場合に好ましくは、請求項３に記載した様に、クラッチ装置を、低速モードを実現する際に接続されて高速モードを実現する際に接続を断たれる低速用クラッチと、高速モードを実現する際に接続されて低速モードを実現する際に接続を断たれる高速用クラッチとから構成する。
そして、この様なクラッチ装置を、上述した請求項２に記載した発明に適用する場合に、例えば請求項４に記載した様に、上記低速用クラッチを第一リング歯車と前段側第三太陽歯車との間部分に、上記高速用クラッチを第三リング歯車と出力軸との間部分に、それぞれ動力の伝達方向に関して直列に設ける。
或いは、請求項５に記載した様に、上記低速用クラッチを後段側第三太陽歯車と出力軸との間部分に、上記高速用クラッチを第三リング歯車とこの出力軸との間部分に、それぞれ動力の伝達方向に関して直列に設ける。
この様なクラッチ装置を使用すれば、低速用、高速用、両クラッチの油圧室内への油圧の給排の為の流路の設計を容易に行なえる構造を実現できる。

図１〜２は、本発明の実施例を示している。本発明の無段変速装置は、１組のトロイダル型無段変速ユニット１８と、第一組〜第三組の３組の遊星歯車式変速ユニット１９〜２１と、これら各組の遊星歯車式変速ユニット１９〜２１を通過する動力の伝達経路を切り換える為のクラッチ装置を構成する、高速用クラッチ２２及び低速用クラッチ２３とを組み合わせて成る。

このうちのトロイダル型無段変速ユニット１８は、前述の特許文献１〜３に記載される等により従来から知られている、ダブルキャビティ型のもので、１対の入力側ディスク２４Ａ、２４Ｂと、１個の出力側ディスク２５と、複数のパワーローラ２６、２６とを備える。そして、上記両入力側ディスク２４Ａ、２４Ｂは、入力軸２７を介して互いに同心に、且つ、同期した回転を自在としている。この為に本実施例の場合には、前段側（エンジンのクランクシャフトと接続される入力側で、図１〜２の左側）の入力側ディスク２４Ａを上記入力軸２７の中間部前寄り部分に、ボールスプラインを介して、この入力軸２７と同期した回転及びこの入力軸２７に対する軸方向の変位を可能に支持している。又、この入力軸２７と上記前段側の入力側ディスク２４Ａとの間に、油圧式の押圧装置２８を設けている。無段変速装置の運転時には、この押圧装置２８に圧油を供給する事により、上記前段側の入力側ディスク２４Ａを後段側（上記エンジンから遠い側で、図１〜２の右側）の入力側ディスク２４Ｂに押圧しつつ、回転駆動する。又、この後段側の入力側ディスク２４Ｂは上記入力軸２７に対し、上記第一組、第二組の遊星歯車式変速ユニット１９、２０を構成する第一キャリア２９により、結合固定している。従って、上記両入力側ディスク２４Ａ、２４Ｂは、上記ボールスプラインと、上記入力軸２７と、上記第一キャリア２９とを介して結合されており、互いに同期して回転する。この様な両入力側ディスク２４Ａ、２４Ｂの互いに対向する内側面は、それぞれトロイド曲面としている。

又、上記出力側ディスク２５は、軸方向両側面をトロイド曲面とした一体型のもので、上記入力軸２７の中間部で上記両入力側ディスク２４Ａ、２４Ｂ同士の間部分の周囲に、これら両入力側ディスク２４Ａ、２４Ｂと同心に、且つ、これら両入力側ディスク２４Ａ、２４Ｂとは独立した回転を自在として支持されている。又、上記出力側ディスク２５の中心部には、上記入力軸２７の後半部（図１〜２の右半部）周囲にこの入力軸２７に対する相対回転を自在に支持した中空回転軸３０の基端部を、回転力の伝達を自在に、且つ、上記出力側ディスク２５と同心に結合している。又、上記中空回転軸３０は、上記後段側の入力側ディスク２４Ｂの内周面と上記入力軸２７の外周面との間の円筒状隙間を挿通してこの入力側ディスク２４Ｂの外側面側に突出させ、上記出力側ディスク２５の回転力を取り出し自在としている。

又、前記各パワーローラ２６、２６は、それぞれの周面を部分球面状の凸面としたもので、図示しないトラニオンの内側面に、それぞれ支持軸及び複数の転がり軸受により、回転自在に支持されている。この状態で上記各パワーローラ２６、２６は、上記出力側ディスク２５の両側面と上記両入力側ディスク２４Ａ、２４Ｂの内側面との間に、それぞれ複数個ずつ挟持されている。言い換えれば、上記各パワーローラ２６、２６の周面と上記各ディスク２４Ａ、２４Ｂ、２５の側面とを転がり接触させている。無段変速装置の運転時には、上記各パワーローラ２６、２６が上記トラニオンに対し、上記支持軸を中心として回転しつつ、上記両入力側ディスク２４Ａ、２４Ｂと上記出力側ディスク２５との間で動力を伝達する。又、上記各トラニオンの傾斜角度を変える事により、前記トロイダル型無段変速ユニット１８の変速比を調節する。

又、前記各組の遊星歯車式変速ユニット１９〜２１のうち、最も上記トロイダル型無段変速ユニット１８寄りである、前段側に設けた第一組の遊星歯車式変速ユニット１９は、前記第一キャリア２９に加えて、第一太陽歯車３１と、複数の第一遊星歯車３２、３２と、第一リング歯車３３とを備える。このうちの第一太陽歯車３１は、上記中空回転軸３０の先端部に、この中空回転軸３０と同心に結合している。従って、上記第一太陽歯車３１は、上記出力側ディスク２５に対し同心に結合されて、この出力側ディスク２５と共に回転する。又、上記各第一遊星歯車３２、３２は、それぞれ１対ずつの遊星歯車素子３４ａ、３４ｂから成るダブルピニオン型である。これら各第一遊星歯車３２、３２を構成する１対ずつの遊星歯車素子３４ａ、３４ｂは、互いに噛合すると共に、上記第一キャリア２９の内径側の遊星歯車素子３４ａ、３４ａを上記第一太陽歯車３１に、同じく外径側の遊星歯車素子３４ｂ、３４ｂを上記第一リング歯車３３に、それぞれ噛合させている。

又、上記第一組の遊星歯車式変速ユニット１９の隣、即ち、この第一組の遊星歯車式変速ユニット１９を挟んで上記トロイダル型無段変速ユニット１８と逆側である、中段に設けた、前記第二組の遊星歯車式変速ユニット２０は、第二太陽歯車３５と、複数の第二遊星歯車３６、３６とを備える。本実施例の場合には、上記第一組の遊星歯車式変速ユニット１９を構成する上記第一キャリア２９に、上記第二組の遊星歯車式変速ユニット２０を構成して上記各第二遊星歯車３６、３６を回転自在に支持する為の、第二キャリアとしての機能を持たせている。

上記各構成部材のうちの第二太陽歯車３５は、上記第一組の遊星歯車式変速ユニット１９を構成する上記第一太陽歯車３１と同心に、この第一太陽歯車３１に対する相対回転を自在に支持されている。又、上記各第二遊星歯車３６、３６は、シングルピニオン型で、それぞれが（第二キャリアとしての機能を兼ね備えた）上記第一キャリア２９に回転自在に支持された状態で、上記第二太陽歯車３５と噛合している。又、上記各第二遊星歯車３６、３６は、それぞれが上記第一キャリア２９の内径側の遊星歯車素子３４ａ、３４ａに結合して、これら各遊星歯車素子３４ａ、３４ａと同期して回転する様にしている。即ち、これら各遊星歯車素子３４ａ、３４ａと上記各第二遊星歯車３６、３６とを、互いに同期した回転を自在に結合して、所謂ステップピニオンとしている。又、上記各第二遊星歯車３６、３６の周囲にはリング歯車を設けず、これら各第二遊星歯車３６、３６はそれぞれ、上記第二太陽歯車３５とだけ噛合させている。

又、最も前記トロイダル型無段変速ユニット１８から遠い側である後段側に設けた、前記第三組の遊星歯車式変速ユニット２１は、第三キャリア３７と、前段側、中段、後段側の、３組の第三遊星歯車組３８〜４０｛公転中心に対し直角方向に存在する同一仮想平面上に配置された複数個（一般的には３〜４個）の遊星歯車を遊星歯車組とする｝と、前段側、中段、後段側の、３個の第三太陽歯車４１〜４３と、第三リング歯車４４とを備える。このうちの第三キャリア３７は、無段変速装置を収納したケーシング等の固定の部分に支持されて、回転しない。又、上記前段側、中段、後段側、各組の第三遊星歯車組３８〜４０は、上記第三キャリア３７に回転自在に設けられている。

これら各組の第三遊星歯車組３８〜４０の公転方向に関する位相は、次の様に規制している。先ず、前段側、後段側、両組の第三遊星歯車組３８、４０を構成する各遊星歯車は、上記公転方向に関する位相を互いに一致させている。これら両組の第三遊星歯車組３８、４０を構成する各遊星歯車同士は互いに同心に位置させて互いに結合し、同期して回転する様にしている。即ち、上記両組の第三遊星歯車組３８、４０を構成する各遊星歯車を、所謂ステップピニオンとしている。

又、上記前段側、中段、後段側の、３個の第三太陽歯車４１〜４３は、前記第一組、第二組の遊星歯車式変速ユニット１９、２０を構成する前記第一、第二両太陽歯車３１、３５と同心に支持している。又、上記各第三太陽歯車４１〜４３のうち、中段第三太陽歯車４２は、上記第二太陽歯車３５と結合して、この第二太陽歯車３５と共に回転する様にしている。これに対して、前段側、後段側両太陽歯車４１、４３は、上記第一、第二両太陽歯車３１、３５に対する相対回転を自在としている。又、上記第三リング歯車４４は、上記各第三太陽歯車４１〜４３のうちの中段第三太陽歯車４２の周囲に、この中段第三太陽歯車４２と同心に、且つ、相対回転を可能に支持している。そして、高速モード状態で、この中段第三太陽歯車４２の回転を、前記入力軸２７と同心に、この入力軸２７に対する相対回転を自在に設けた、出力軸４５に伝達自在としている。

更に、前記高速用クラッチ２２及び低速用クラッチ２３とのうち、低速用クラッチ２３を、前記第一リング歯車３３と前記前段側第三太陽歯車４１との間部分に、動力を伝達する為の前段側伝達筒４６及び中段伝達筒４７に対し、直列に設けている。これに対して、上記高速用クラッチ２２を、上記第三リング歯車４４と上記出力軸４５との間部分に、動力を伝達する為の後段側伝達筒４８に対し直列に設けている。上記高速用、低速用、両クラッチ２２、２３は、一方が接続された場合には他方の接続が断たれる。そして、このうちの高速用クラッチ２２の接続を断ち、低速用クラッチ２３を接続した低速モードを選択した状態では、図２に太い実線で示す様に、前記トロイダル型無段変速ユニット１８の出力側ディスク２５の回転を、前記第一組の遊星歯車式変速ユニット１９と前記第三組の遊星歯車式変速ユニット２１とを通じて、上記出力軸４５に取り出す。

即ち、上記出力側ディスク２５の回転を、
出力側ディスク２５→中空回転軸３０→第一太陽歯車３１→第一遊星歯車３２、３２（遊星歯車素子３４ａ、３４ｂ）→第一リング歯車３３→前段側伝達筒４６→低速用クラッチ２３→中段伝達筒４７→前段側第三太陽歯車４１→前段側第三遊星歯車組３８→後段側遊星歯車組４０→後段側第三太陽歯車４３→出力軸４５
の順番で、この出力軸４５に伝達する。

この様な経路で動力を伝達する低速モード状態の場合に、上記第一リング歯車３３から上記前段側伝達筒４６に伝達される動力の速度は、上記第一組の遊星歯車式変速ユニット１９を構成する、上記第一太陽歯車３１の回転速度と前記第一キャリア２９の回転速度との関係で決まる。即ち、上記前段側伝達筒４６には、上記第一太陽歯車３１の回転速度と上記第一キャリア２９の回転速度との差動分が取り出される。上記入力軸２７の回転速度を一定とした場合、上記第一キャリア２９の回転速度はこの入力軸２７と同じ一定のままである。これに対して、第一太陽歯車３１の回転速度は、上記トロイダル型無段変速ユニット１８の変速比ｅ_V を変える事により調節できる。従って、上記第一組の遊星歯車式変速ユニット１９を構成する各歯車３１、３２（３４ａ、３４ｂ）、３３の歯数を、上記トロイダル型無段変速ユニット１８で実現可能な変速比ｅ_V との関係で適切に規制すれば、このトロイダル型無段変速ユニット１８の変速比の調節に基づいて、上記入力軸２７を一方向に回転させた状態のまま上記出力軸４５を、停止状態を挟んで両方向に回転駆動自在とする。

この様な低速モード状態での、上記入力軸２７の回転速度Ｎ_INと上記出力軸４５の回転速度Ｎ_OUT 間の関係は、次の（１）式で求められる。
Ｎ_OUT ＝［｛（ｉ₁ −１）−ｅ_V ｝／（ｉ₁ ・ｉ₃ ）］・Ｎ_IN −−− （１）
この（１）式中、ｉ₁ は、上記第一組の遊星歯車式変速ユニット１９の減速比で、前記第一リング歯車３３の歯数Ｚ_R1と上記第一太陽歯車３１の歯数Ｚ_S1との比（Ｚ_R1／Ｚ_S1）で表される。又、ｉ₃ は、低速モード状態での前記第三組の遊星歯車式変速ユニット２１の減速比で、前記前段側第三太陽歯車４１の歯数をＺ_S3L1とし、前記後段側第三太陽歯車４３の歯数をＺ_S3L2とし、前記前段側第三遊星歯車組３８を構成する各遊星歯車の歯数をＺ_P3A とし、前記後段側第三遊星歯車組４０を構成する各遊星歯車の歯数をＺ_P3B とした場合に、ｉ₃ ＝（Ｚ_P3A ／Ｚ_S3L1）・（Ｚ_S3L2／Ｚ_P3B ）で表される。更に、ｅ_V は、上述の様に、上記トロイダル型無段変速ユニット１８の変速比であり、前記出力側ディスク２５の回転速度Ｎ_ODと前記両入力側ディスク２４Ａ、２４Ｂの回転速度Ｎ_INとの比の絶対値（ｅ_V ＝｜Ｎ_OD／Ｎ_IN｜）として表される。

上述の様な（１）式から明らかな通り、上記トロイダル型無段変速ユニット１８の変速比ｅ_V を「ｉ₁ −１」なる値（ｅ_V ＝ｉ₁ −１）にすれば、上記入力軸２７を回転させたまま上記出力軸４５を停止させる、所謂変速比無限大の状態（ギヤードニュートラル状態）を実現できる。
尚、上述の様な低速モード状態で、エンジン等の駆動源から上記入力軸２７に入力される入力トルクＴ_INと、上記トロイダル型無段変速ユニット１８を通過する通過トルクＴ_VIN との関係は、次の（２）式で表される。
Ｔ_VIN ＝｛−ｅ_V ／（ｉ₁ −１−ｅ_V ）｝・Ｔ_IN −−− （２）

上述の様な低速モード状態に対して、高速用クラッチ２２を接続し、低速用クラッチ２３の接続を断った高速モードを選択した状態では、図２に太い破線でその伝達経路の一部を示す様に、上記入力軸２７と共に回転する前記第一キャリア２９の回転を、前記第二組の遊星歯車式変速ユニット２０を構成する第二遊星歯車３６、３６から取り出し、この第二組の遊星歯車式変速ユニット２０と前記第三組の遊星歯車式変速ユニット２１とを通じて、上記出力軸４５に取り出す。

即ち、上記第一キャリア２９の公転運動を、
第一キャリア２９→第二遊星歯車３６、３６→第二太陽歯車３５→中段第三太陽歯車４２→中段第三遊星歯車組３９→第三リング歯車４４→後段側伝達筒４８→高速用クラッチ２２→出力軸４５
の順番で、この出力軸４５に伝達する。
高速モード状態では、同時に、上述の様な経路中に含まれる、上記第二遊星歯車３６、３６を、次の経路で回転（自転）させる。
出力側ディスク２５→中空回転軸３０→第一太陽歯車３１→第一遊星歯車３２、３２（遊星歯車素子３４ａ、３４ａ）→第二遊星歯車３６、３６
上記第二太陽歯車３５は上記第二遊星歯車３６、３６との噛合により、これら各第二遊星歯車３６、３６の公転運動と自転運動とを合成した回転速度で回転駆動される。上記入力軸２７の回転速度が一定とした場合、このうちの公転運動の回転速度は一定であるが、自転運動の回転速度は、前記トロイダル型無段変速ユニット１８の出力側ディスク２５の回転速度に応じて変化する。従って、このトロイダル型無段変速ユニット１８の変速比ｅ_V を調節すれば、上記入力軸２７と上記出力軸４５との間の変速比を調節できる。

上述の様に、高速モードを選択した状態では、上記入力軸２７に加えられた動力を、上記トロイダル型無段変速ユニット１８をバイパスして、前記第一組の遊星歯車式変速ユニット１９を構成する、上記第一キャリア２９に送る。そして、前記第二組の遊星歯車式変速ユニット２０により取り出した動力を、前記第三組の遊星歯車式変速ユニット２１中を前述した低速モード状態とは別の経路で、上記出力軸４５に伝達する。これと共に、上記トロイダル型無段変速ユニット１８の変速比ｅ_V の調節に基づいて、上記第一組の遊星歯車式変速ユニット１９部分の変速比を変更する。

この様な高速モード状態での、上記入力軸２７の回転速度Ｎ_INと上記出力軸４５の回転速度Ｎ_OUT 間の関係は、次の（３）式で求められる。
Ｎ_OUT ＝｛ｅ_V −（ｉ₁₂−１）｝／（ｉ₁₂・ｉ₃ ）］・Ｎ_IN −−− （３）
この（３）式中、ｅ_V は、前述した（１）式の場合と同様、上記トロイダル型無段変速ユニットの変速比である。又、ｉ₁₂は、上記第一組の遊星歯車式変速ユニット１９を構成する第一太陽歯車３１と、上記第二組の遊星歯車式変速ユニット２０を構成する第二太陽歯車３５との間の減速比で、上記第一太陽歯車３１の歯数をＺ_S1とし、この第二太陽歯車３５の歯数をＺ_S2とし、前記内径側の遊星歯車素子３４ａ、３４ａの歯数をＺ_P1とし、前記第二遊星歯車３６、３６の歯数をＺ_P2とした場合に、ｉ₁₂＝（Ｚ_P1／Ｚ_S1）・（Ｚ_S2／Ｚ_P2）で表される。又、ｉ₃ は、高速モード状態での前記第三組の遊星歯車式変速ユニット２１の減速比で、前記中段第三太陽歯車４２の歯数をＺ_S3L3とし、第三リング歯車４４の歯数をＺ_R3とした場合に、ｉ₃ ＝Ｚ_R3／Ｚ_S3L3で表される。

又、上述の様な高速モード状態で、エンジン等の駆動源から上記入力軸２７に入力される入力トルクＴ_INと、上記トロイダル型無段変速ユニット１８を通過する通過トルクＴ_VIN との関係は、次の（４）式で表される。
Ｔ_VIN ＝［ｅ_V ／｛ｅ_V ＋（１−ｉ₁₂）｝］・Ｔ_IN −−− （４）
この（４）式からも明らかな通り、ｉ₁₂＜１となる様に、上記各歯車３１、３４ａ、３６、３５の歯数を設定すれば、高速モードの状態で、上記トロイダル型無段変速ユニット１８を通過するトルクＴ_VIN が、上記入力軸２７に入力される入力トルクＴ_INよりも小さく（Ｔ_VIN ＜Ｔ_IN）なる。即ち、高速モード状態では、上記入力軸２７に入力された動力のうちの一部を、上記トロイダル型無段変速ユニット１８をバイパスさせて前記第一キャリア２９に送る。この為、このトロイダル型無段変速ユニット１８を通過するトルクを低く抑えて、このトロイダル型無段変速ユニット１８の耐久性確保、又は、小型・軽量化或いは高出力エンジンへの対応が可能になる。

尚、本発明を実施する場合に、高速用クラッチ２２及び低速用クラッチ２３の設置位置は、図示の位置に限定されない。例えば、低速用クラッチを後段側第三太陽歯車４３と出力軸４５との間部分に、高速用クラッチを第三リング歯車４４と出力軸４５との間部分に、それぞれ動力の伝達方向に関して直列に設ける事もできる。
又、図示の例では、前段側第三遊星歯車組３８を構成する各遊星歯車と、後段側第三遊星歯車組４０を構成する各遊星歯車とを、歯数が互いに異なるものを同期した回転を自在に結合してステップピニオンとしているが、軸方向寸法が長い、所謂ロングピニオンを使用する事もできる。この場合には、前段側第三遊星歯車組３８を構成する各遊星歯車の歯数と、後段側第三遊星歯車組４０を構成する各遊星歯車の歯数とが等しくなる。この様なロングピニオンを使用すれば、はすば歯車を使用した場合に生じるスラスト力をキャンセルする為の設計が容易になる。因に、歯数が互いに異なるステップピニオンを使用した場合には、歯数の差に応じた直径の違いに対応して、はすばの捩れ角を互いに異ならせる等の対応が必要になり、上記設計が難しくなる。

本発明を実施する場合に利用するトロイダル型無段変速ユニットは、図１〜２に示す様なハーフトロイダル型のものに限らず、前述の図５に示す様なフルトロイダル型のものも利用できる。

本発明の実施例を示す略断面図。 低速モード状態での動力の伝達経路と高速モード状態での動力伝達経路とを説明する為の、図１と同様の図。 従来構造の第１例を示す略断面図。 同第２例を示す半部略断面図。 同第３例を示す略断面図。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ トロイダル型無段変速ユニット
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ 第一組の遊星歯車式変速ユニット
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 第二組の遊星歯車式変速ユニット
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ 第三組の遊星歯車式変速ユニット
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ 高速用クラッチ
６Ａ、６Ｂ、６Ｃ 低速用クラッチ
７Ａ、７Ｂ、７Ｃ 入力軸
８Ａ、８Ｂ、８Ｃ 出力軸
９ａ、９ｂ、９ｃ 組み合わせ遊星歯車
１０、１０Ａ、１０Ｂ リング歯車
１１ 太陽歯車
１２Ａ、１２Ｂ 太陽歯車
１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ キャリア
１４ 遊星歯車
１５ リング歯車
１６ 太陽歯車
１７ 伝達軸
１８ トロイダル型無段変速ユニット
１９ 第一組の遊星歯車式変速ユニット
２０ 第二組の遊星歯車式変速ユニット
２１ 第三組の遊星歯車式変速ユニット
２２ 高速用クラッチ
２３ 低速用クラッチ
２４Ａ、２４Ｂ 入力側ディスク
２５ 出力側ディスク
２６ パワーローラ
２７ 入力軸
２８ 押圧装置
２９ 第一キャリア
３０ 中空回転軸
３１ 第一太陽歯車
３２ 第一遊星歯車
３３ 第一リング歯車
３４ａ、３４ｂ 遊星歯車素子
３５ 第二太陽歯車
３６ 第二遊星歯車
３７ 第三キャリア
３８ 前段側第三遊星歯車組
３９ 中段第三遊星歯車組
４０ 後段側第三遊星歯車組
４１ 前段側第三太陽歯車
４２ 中段第三太陽歯車
４３ 後段側第三太陽歯車
４４ 第三リング歯車
４５ 出力軸
４６ 前段側伝達筒
４７ 中段伝達筒
４８ 後段伝達筒

Claims (5)

1. １組のトロイダル型無段変速ユニットと、第一組〜第三組の３組の遊星歯車式変速ユニットと、これら各組の遊星歯車式変速ユニットを通過する動力の伝達経路を切り換える為のクラッチ装置とを組み合わせて成り、
   このうちのトロイダル型無段変速ユニットは、入力軸を介して互いに同心に且つ同期した回転を自在として結合された１対の入力側ディスクと、これら両入力側ディスク同士の間にこれら両入力側ディスクと同心に且つこれら両入力側ディスクとは独立した回転を自在として支持された出力側ディスクと、この出力側ディスクの両側面と上記両入力側ディスクの側面との間にそれぞれ複数個ずつ挟持されてこれら出力側ディスクと入力側ディスクとの間で動力を伝達する複数のパワーローラとを備えたものであり、
   上記各組の遊星歯車式変速ユニットのうち、最も上記トロイダル型無段変速ユニット寄りに設けた第一組の遊星歯車式変速ユニットは、少なくとも、上記出力側ディスクに対しこの出力側ディスクと同心に結合されて、この出力側ディスクと共に回転する第一太陽歯車と、それぞれがこの第一太陽歯車と噛合した、複数の第一遊星歯車と、これら各第一遊星歯車を回転自在に支持する為の第一キャリアとを備えたものであり、
   同じく、上記第一組の遊星歯車式変速ユニットの隣に設けた第二組の遊星歯車式変速ユニットは、上記第一太陽歯車と同心に、この第一太陽歯車に対する相対回転を自在に支持された第二太陽歯車と、それぞれがこの第二太陽歯車と噛合した、複数の第二遊星歯車と、これら各第二遊星歯車を回転自在に支持する為の第二キャリアとを備えたものであり、
   同じく、最も上記トロイダル型無段変速ユニットから遠い側に設けた第三組の遊星歯車式変速ユニットは、固定の部分に支持されて回転しない第三キャリアと、この第三キャリアに回転自在に設けられた複数組の第三遊星歯車組と、上記第一、第二両太陽歯車と同心に、これら第一、第二両太陽歯車に対する相対回転を自在に支持された複数個の第三太陽歯車と、このうちの一部の第三太陽歯車の周囲に当該第三太陽歯車と同心に且つ相対回転を可能に支持した第三リング歯車とを備え、このうちの何れかの第三太陽歯車の回転を、上記入力軸と同心にこの入力軸に対する相対回転を自在に設けた、出力軸に伝達自在としたものであり、
   上記クラッチ装置は、上記第一組〜第三組の遊星歯車式変速ユニット同士の間、並びに、上記各第三太陽歯車と上記出力軸との間の動力の伝達状態を切り換える事により、低速モードと高速モードとの２通りのモードを選択するものであり、
   このうちの低速モードを選択した状態では、上記第三組の遊星歯車式変速ユニットを構成する複数個の第三太陽歯車のうちの一部の太陽歯車の回転を、上記複数組の第三遊星歯車組のうちの一部の第三遊星歯車組を介して上記出力軸に伝達すると共に、前記トロイダル型無段変速ユニットの変速比の調節に基づいて、上記入力軸を一方向に回転させた状態のまま上記出力軸を、停止状態を挟んで両方向に回転駆動自在とし、
   同じく高速モードを選択した状態では、上記入力軸に加えられた動力を、上記トロイダル型無段変速ユニットをバイパスして上記第一組の遊星歯車式変速ユニットに送り、上記第三組の遊星歯車式変速ユニットを構成する複数個の第三太陽歯車のうちの残部の太陽歯車の回転を、上記複数組の第三遊星歯車組のうちの残部の第三遊星歯車組及び上記第三のリング歯車を介して上記出力軸に伝達する
   無段変速装置。
2. 第一組の遊星歯車式変速ユニットが、第一太陽歯車の周囲にこの第一太陽歯車と同心に、この第一太陽歯車に対する相対回転を自在に支持された第一リング歯車を備えたものであり、各第一遊星歯車はそれぞれ、互いに噛合した１対ずつの遊星歯車素子から成るダブルピニオン型であって、一方の遊星歯車素子を上記第一太陽歯車に、他方の遊星歯車素子を上記第一リング歯車に、それぞれ噛合させており、
   第二組の遊星歯車式変速ユニットを構成する各第二遊星歯車はシングルピニオン型であって、それぞれ、上記第一太陽歯車と噛合した上記一方の遊星歯車素子に、この一方の遊星歯車素子と共に回転自在に結合されており、
   第三組の遊星歯車式変速ユニットは、前段側、中段、後段側との３個の第三太陽歯車及び第三リング歯車を備えており、このうち、最も上記第二組の遊星歯車式変速ユニット寄りに設けた前段側第三太陽歯車は、低速モード時に上記第一リング歯車の回転に伴って回転するものであり、中段第三太陽歯車は、上記第二組の遊星歯車式変速ユニットを構成する第二太陽歯車と共に回転するものであり、最も上記第二組の遊星歯車式変速ユニットから遠い側に設けた後段側第三太陽歯車は、出力軸の基端部に支持してこの出力軸と共に回転するものであり、上記第三リング歯車は、上記中段第三太陽歯車の周囲に、この中段第三太陽歯車と同心に、この中段第三太陽歯車に対する相対回転を可能に設けられており、
   上記第三組の遊星歯車式変速ユニットを構成する各第三遊星歯車組は、前段側、中段、後段側の３組が設けられており、このうちの前段側第三遊星歯車組を構成する複数個の前段側遊星歯車は、それぞれ上記前段側第三太陽歯車と噛合しており、中段第三遊星歯車組を構成する複数個の中段遊星歯車は、それぞれ上記中段第三太陽歯車及び上記第三リング歯車と噛合しており、後段側第三遊星歯車組を構成する複数個の後段側遊星歯車は、それぞれ上記後段側太陽歯車と噛合すると共に、上記各前段側遊星歯車に対し、これら各前段側遊星歯車と共に回転自在に結合されており、
   上記第三リング歯車は、高速モード時に、上記出力軸と共に回転するものである
   請求項１に記載した無段変速装置。
3. クラッチ装置が、低速モードを実現する際に接続されて高速モードを実現する際に接続を断たれる低速用クラッチと、高速モードを実現する際に接続されて低速モードを実現する際に接続を断たれる高速用クラッチとから成るものである、請求項１〜２のうちの何れか１項に記載した無段変速装置。
4. クラッチ装置が、低速モードを実現する際に接続されて高速モードを実現する際に接続を断たれる低速用クラッチと、高速モードを実現する際に接続されて低速モードを実現する際に接続を断たれる高速用クラッチとから成るものであり、上記低速用クラッチが第一リング歯車と前段側第三太陽歯車との間部分に、上記高速用クラッチが第三リング歯車と出力軸との間部分に、それぞれ動力の伝達方向に関して直列に設けられている、請求項２に記載した無段変速装置。
5. クラッチ装置が、低速モードを実現する際に接続されて高速モードを実現する際に接続を断たれる低速用クラッチと、高速モードを実現する際に接続されて低速モードを実現する際に接続を断たれる高速用クラッチとから成るものであり、上記低速用クラッチが後段側第三太陽歯車と出力軸との間部分に、上記高速用クラッチが第三リング歯車とこの出力軸との間部分に、それぞれ動力の伝達方向に関して直列に設けられている、請求項２に記載した無段変速装置。
   

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