JP4707661B2 - 無段変速機 - Google Patents
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Description
必要な最小二次挟圧力Ksは、二次トルクTsと二次走行半径Rsとから1つの該当する方法で計算される。しかし、トルクと走行半径Tp/RpおよびTs/Rsとの比率は、それぞれ、可能な損失を無視すると、2つのプーリについて必然的に等しく、必要な最小の二次挟圧力は前記必要な最小一次挟圧力に等しい。
したがって、変速機の平衡状態では、一次および二次挟圧力のうち小さい方は、トルク伝達に必要な最小レベルに少なくとも等しくなければならないが、大きい方の挟圧力は、平衡挟圧力比、すなわち、KpKs比から求められる。したがって、KpKs比が1からずれると、平衡状態を実現するために、少なくとも一方の挟圧力は前記最小の必要レベルより高い1つのレベルを採用する。
挟圧力は、1つの油圧式ピストン/シリンダ装置または1つの電気駆動式ネジ付き心棒などの、1つのプーリの軸方向の可動円盤に通常作用する適切な、一般的に周知である作動手段の助けによって印加されることに留意されたい。各プーリの挟圧力は、それぞれのプーリ円盤間に締め付けられる駆動ベルトの一部の区間において駆動ベルトに作用する。本発明の定義によれば、前記区間の長さは、プーリごとに駆動ベルトのそれぞれの締め付けられる部分を囲む角度として定量化され、それぞれ「一次ベルト角」および「二次ベルト角」と呼ばれる。この場合、一次ベルト角と二次ベルト角との総計は、当然、2πに等しい。すなわち、各プーリに対して駆動ベルトが描く1つの円の弧を合わせると常に1つの完全な円を形成する。
実際、周知の変速機は、特に、旅客輸送用の自動車のエンジンと駆動輪との間の1つの確実で有効な自動変速機であることが分かっている。この種の用途では、駆動機構全体の効率、特に変速機の効率は、自動車の決定的とはいわずとも必須の1つの性能であると一般に考えられる。
したがって、本発明の1つの目的は、効率を大幅に向上させることができる変速機の1つの代替設計を提供することである。
本発明によれば、この種の改良は、請求項1に記載の変速機によって実現される。本発明の変速機は、接触角、特に、一次プーリ上の接触角の正接と二次プーリ上の接触角の正接との比率は、少なくとも数字が最も小さい変速比、すなわち、オーバードライブおよび/または少なくとも数字が最も大きい変速比、すなわち、ローにおいて、一次プーリおよび二次プーリ上のベルト角の比の逆数に対応する1つの関係に互いにあることを特徴とする。
本発明の変速機では、変速機の効率および頑丈さが、上記周知の変速機と比べて大幅に向上していることを出願人は発見した。本発明によれば、請求対象の変速機は、そのいくつかの機能要素に関して1つの最適の設計を提示することもできる。この顕著な発見のために仮定された1つの可能な説明は、接触角とベルト角との上記関係が平衡挟圧力比の好ましい変化に貢献し、より詳細には、少なくともほぼ1に等しい1つの数値を有する平衡挟圧力比に貢献することである。
本発明のこの特定の平衡挟圧力比、すなわち、KpKs比は、変速機の効率および頑丈さに1つの肯定的な効果をもたらす。これは、特定の変速比の挟圧力の最大レベルが低減すると、それだけこれら2つの要素が向上するためである。例えば、挟圧力レベルの低下と共に、駆動ベルトとプーリ間の摩擦損失が減少するのは、これらの構成要素の磨耗が減少するのと同様である。また、例えば、油圧的または電気的に挟圧力を生成するのに必要な電力は、一般に、生成する力のレベルと共に減少する。したがって、変速機の効率は、挟圧力の最大レベルに対して逆の関係になる。1に等しいKpKs比は、挟圧力間の最適な比を表し、2つのプーリの挟圧力のレベルは、もっぱら被供給トルクによって決定され、そのため挟圧力の最大レベルは最小限にされる。
この場合、一方では、オーバードライブのKpKs比の値は、変速機の最も重要な用途である、自動車の燃料消費の決定的な要因である。それは、そのような用途では、変速機は、大半の時間で無ければ比較的長い時間にわたってオーバードライブであるかそれに近いのが一般的であるからである。他方、ローのKpKs比の値は、また、変速機の効率に関して重要である。これは、自動車に変速機を用いた上記の場合と同様に、この変速比では、一次走行半径が最小で、したがって、式(1)による必要な一次挟圧力は、少なくとも他のすべての変速比での最大被供給トルクがそれ以下である場合には、最大であるという理由に基づく。
さらに、本発明によれば、より一般的に言えば、多少一定のKpKs比の値が即ち、この比の数値に関わらず有利である、。これは、変速機が、一次および/または二次挟圧力の変化にどの変速比でも実質的に同じように反応するからである。例えば、1つの一定の数値を有する1つの平衡挟圧力比では、変速比が変化する方向および速度など、1つの非平衡状態での変速機の動的な性能が、加えられる上記変化の1つの関数として、有利なことに多少とも一定であり、または少なくともこの変速比に伴って小さい程度に変化する。このことは、変速機の制御が比較的簡単な方法で調整され、変速機の動的な性能が瞬間的な変速比からほぼ独立しているという利点を有する。これらの要素は、挟圧力の印加を行う変速機制御の簡単さと頑丈さにとって有益である。
本発明は、前記平衡挟圧力比が有利に実現される変速機のいくつかの例示としての実施形態を提供する。これらの例について、添付の例示としての図面を参照しながら以下に説明する。
図1は、従来技術の2つのプーリと1つの駆動ベルトを備える無段変速機の略断面図である。
図2は、図1に示す変速機の略側面図である。
図3は、本発明の無段変速機の駆動ベルトとして好ましくは用いられるプッシュ・ベルトの断面図である。
図4は、図3に示すプッシュ・ベルトの1つの横断要素の側面図である。
図5は、本発明の無段変速機の図3に示すプッシュ・ベルトと併用可能な1つのプーリ円盤の詳細、特にその接触面を示す図である。
図6は、変速比の1つの結果としての一次プーリと二次プーリの挟圧力の差を示す図である。
図7は、1つの湾曲した駆動ベルトの1つの小部分を用いて、その内部の1つの引張力と半径方向内側に働く1つの力成分との関係を示す図である。
図8は、両方のプーリについて11度の1つの一定の接触角を有する上記周知の変速機の変速比と対比して理論的に近似された平衡挟圧力比を示す図である。
図9は、いわゆる、一次および二次プーリの接触角輪郭を変速比と対比させて描いた図であり、理論的に近似された平衡挟圧力比はこの変速比に関わらず1に等しい。
図10は、駆動ベルトとプーリとの接線方向の断面図において、駆動ベルトとプーリの接触点における、軸方向の挟圧力の影響下での、力の作用を示す図である。
変速機1の変速比Rs/Rpは、駆動ベルト10の二次走行半径Rsと一次走行半径Rpとの比、すなわち、それぞれのプーリ2および3のプーリ円盤21、22、31、および32間の有効半径方向位置によって決定される。本発明に従って定義される変速機1の前記走行半径RpおよびRs、したがって、変速比Rs/Rpは、それぞれのプーリ軸20、30に沿って互いに逆の軸方向に移動可能な円盤22、32によって変位可能である。図1には、小さい変速比Rs/Rp、すなわち、比較的大きい一次走行半径Rpと比較的小さい二次走行半径Rsとを有する変速機1が示されている。
変速比Rs/Rp、一次走行半径Rp、二次走行半径Rsは、互いに関して明確に定義され、幾何学的に決定された1つの関係にあり、この関係は、とりわけ、駆動ベルト10の長さと、それぞれのプーリ2、3の回転軸間距離と、最大および最小走行半径RpおよびRsによって決定され、そのため、これらの変数は適宜他の変数から計算できることに留意されたい。
このプッシュ・ベルト10を、図3および4に詳細に示す。図3は、プッシュ・ベルト10の断面図であり、図4は、その横断要素11の側面図である。この断面図は、いずれの側にも凹部があり、その各々に一組のリング12がある横断要素11の正面図を示す。一組のリング12と横断要素11とは互いを半径方向または高さ方向に保持するが、横断要素11は、その円周方向に複数組のリング12に沿って動くことができる。さらに、横断要素11は、プッシュ・ベルト10の円周方向に突起部13とも呼ばれる突出部と、横断要素11の反対側の主要側面に配置された凹部14を有し、突起部13と凹部14はプッシュ・ベルト10内の一連の横断要素11を互いに安定させる働きをする。
プーリ2、3の湾曲した接触面40と最適に相互動作することができるようにするために、図3に示すプッシュ・ベルト10の断面図から分かるように、横断要素11の走行面16は1つの湾曲部を備える。この場合、プーリ2、3の接触面40により画定される接触角輪郭λp(Rs/Rp)およびλs(Rs/Rp)に少なくとも対応する、接触角λの1つの範囲が走行面16の輪郭に対して画定される。
式(4)、(5)および(6)に対する、KpKs比の変速比Rs/Rpに対する解は、1つの一定かつ同一の値の接触角λpおよびλs(この例では、11度)において、反復的または数値的に決定され、図8に示される。
図9は、式(7)の1つの可能な解を示す。図9には、一次プーリ2と二次プーリ3のそれぞれの接触角λp、λsが、変速比Rs/Rpに対して、いわゆる接触角輪郭λp(Rs/Rp)、λs(Rs/Rp)として描かれている。したがって、理論的に近似されたKpKs比は、この場合、すべての可能な変速比Rs/Rpで「1」に等しい。図9に示す図は、等しい最小可能半径寸法を有するプーリ2および3と組み合わせた、1つの最小一次走行半径RpMINが約30mmで1つの最大一次走行半径RpMAXが約75mmの1つの通常の変速機1に適用される。
また、前記オーバードライブまたは前記ローで、前記接触角(λp,λs)の正接の比が1.4〜1.5または1.4 −1 〜1.5 −1 の範囲内にある。
これで、式(4)、(5)、(6)および(7)を用いて完全な接触角輪郭λp(Rs/Rp)およびλs(Rs/Rp)を繰り返し近似することができる。
さらに別の適した境界条件は、プーリの円盤21、22、31および32が同じ形状であり、これは特に生産および組み立て技術を考慮する際に有利である。
11 横断要素 12 リング 16 走行面 20 プーリ軸
21 プーリ円盤 22 プーリ円盤 24 圧力室 30 プーリ軸
31 プーリ円盤 32 プーリ円盤 34 圧力室 40 接触面
Claims (8)
- 1つの一次プーリ(2)と1つの二次プーリ(3)とを備え、前記プーリの周囲に、1つの駆動ベルト(10)が配置され、前記駆動ベルトは、前記各プーリ(2;3)の2つの円錐形のプーリ円盤(21,22;31,32)のうちの1つのプーリ円盤の軸方向に向いた1つの接触面(40)と接触する軸方向に向いた1つの走行面(16)をいずれの側にも備え、
前記駆動ベルト(10)が前記一次プーリ(2)の前記プーリ円盤(21,22)の間に挟まれる部分は軸方向に1つの円弧部分をなし、前記円弧部分の前記一次プーリ(2)の軸に対してなす角度を1つの一次ベルト角(αp)とし、
前記駆動ベルト(10)が前記二次プーリ(3)の前記プーリ円盤(31,32)の間に挟まれる部分は軸方向に1つの円弧部分をなし、前記円弧部分の前記二次プーリ(3)の軸に対してなす角度を1つの二次ベルト角(αs)とし、
前記一次ベルト角(αp)の角度の間、前記一次プーリ(2)の前記プーリ円盤(21,22)の間に軸方向に働く1つの挟圧力を一次挟圧力(Kp)とし、
前記二次ベルト角(αs)の角度の間、前記二次プーリ(3)の前記プーリ円盤(31,32)の間に軸方向に働く1つの挟圧力を二次挟圧力(Ks)とするとき、
前記駆動ベルトは、前記一次ベルト角(αp)の角度の間、前記一次プーリ(2)の前記プーリ円盤(21,22)の間に前記一次挟圧力(Kp)で締め付けられ、また、前記二次ベルト角(αs)の角度の間、前記二次プーリ(3)の前記プーリ円盤(31,32)の間に前記二次挟圧力(Ks)で締め付けられ、
前記一次プーリ(2)の前記プーリ円盤(21,22)間の前記駆動ベルト(10)の1つの有効半径方向位置(Rp)と、前記二次プーリ(3)の前記プーリ円盤(31,32)間の1つの有効半径方向位置(Rs)とが逆方向に変化可能であり、その結果、1つの変速機(1)の変速比(Rs/Rp)がローと呼ばれる1つの最大値とオーバードライブと呼ばれる1つの最小値との間で変化可能であり、
前記駆動ベルト(10)の少なくとも1つの走行面(16)が、前記一次プーリ(2)の1つの接触面(40)および前記二次プーリ(3)の1つの接触面(40)と半径方向に関してそれぞれ1つの一次接触角(λp)と1つの二次接触角(λs)をなして接触する、
複数の力(Tp)を伝達するための、1つの可変変速比を有する無段変速機(1)であって、
少なくとも前記オーバードライブまたは前記ローで、前記一次接触角(λp)、前記二次接触角(λs)、前記一次ベルト角(αp)および前記二次ベルト角(αs)が下式を少なくとも満足することを特徴とする変速機(1)。
二次接触角(λs)の正接値/一次接触角(λp)の正接値=二次ベルト角(αs)の角度/一次ベルト角(αp)の角度 - 1つの一次プーリ(2)と1つの二次プーリ(3)とを備え、前記プーリの周囲に、1つの駆動ベルト(10)が配置され、前記駆動ベルトは、前記各プーリ(2;3)の2つの円錐形のプーリ円盤(21,22;31,32)のうちの1つのプーリ円盤の軸方向に向いた1つの接触面(40)と接触する軸方向に向いた1つの走行面(16)をいずれの側にも備え、
前記駆動ベルト(10)が前記一次プーリ(2)の前記プーリ円盤(21,22)の間に挟まれる部分は軸方向に1つの円弧部分をなし、前記円弧部分の前記一次プーリ(2)の軸に対してなす角度を1つの一次ベルト角(αp)とし、
前記駆動ベルト(10)が前記二次プーリ(3)の前記プーリ円盤(31,32)の間に挟まれる部分は軸方向に1つの円弧部分をなし、前記円弧部分の前記二次プーリ(3)の軸に対してなす角度を1つの二次ベルト角(αs)とし、
前記一次ベルト角(αp)の角度の間、前記一次プーリ(2)の前記プーリ円盤(21,22)の間に軸方向に働く1つの挟圧力を一次挟圧力(Kp)とし、
前記二次ベルト角(αs)の角度の間、前記二次プーリ(3)の前記プーリ円盤(31,32)の間に軸方向に働く1つの挟圧力を二次挟圧力(Ks)とするとき、
前記駆動ベルトは、前記一次ベルト角(αp)の角度の間、前記一次プーリ(2)の前記プーリ円盤(21,22)の間に前記一次挟圧力(Kp)で締め付けられ、また、前記二次ベルト角(αs)の角度の間、前記二次プーリ(3)の前記プーリ円盤(31,32)の間に前記二次挟圧力(Ks)で締め付けられ、
前記一次プーリ(2)の前記プーリ円盤(21,22)間の前記駆動ベルト(10)の1つの有効半径方向位置(Rp)と、前記二次プーリ(3)の前記プーリ円盤(31,32)間の1つの有効半径方向位置(Rs)とが逆方向に変化可能であり、その結果、1つの変速機(1)の変速比(Rs/Rp)がローと呼ばれる1つの最大値とオーバードライブと呼ばれる1つの最小値との間で変化可能であり、
前記駆動ベルト(10)の少なくとも1つの走行面(16)が、前記一次プーリ(2)の1つの接触面(40)および前記二次プーリ(3)の1つの接触面(40)と半径方向に関してそれぞれ1つの一次接触角(λp)と1つの二次接触角(λs)をなして接触する、
複数の力(Tp)を伝達するための、1つの可変変速比を有する無段変速機(1)であって、
少なくとも前記オーバードライブまたは前記ローで、前記一次接触角(λp)と前記二次接触角(λs)が異なる値を有し、それぞれの前記変速比(Rs/Rp)に必要な前記一次挟圧力(Kp)および前記二次挟圧力(Ks)が少なくとも等しい値であることを特徴とする変速機(1)。 - 前記オーバードライブまたは前記ローで、前記接触角(λp,λs)の正接の比が1.4〜1.5または1.4−1〜1.5−1の範囲内にあることを特徴とする請求項1または2に記載の変速機(1)。
- すべての前記変速比(Rs/Rp)で、前記接触角(λp,λs)および前記ベルト角(αp,αs)が少なくとも下式を満足することを特徴とする請求項1、2または3に記載の変速機(1)。
二次接触角(λs)の正接値/一次接触角(λp)の正接値=二次ベルト角(αs)の角度/一次ベルト角(αp)の角度 - すべての変速比(Rs/Rp)で、前記一次挟圧力(Kp)と前記二次挟圧力(Ks)とが少なくとも等しい値であることを特徴とする請求項1−4のいずれか1項に記載の変速機(1)。
- 前記接触角(λp,λs)が、前記駆動ベルト(10)と前記それぞれのプーリ(2,3)の前記プーリ円盤(21,22;31,32)との間の半径方向の1つの摩擦係数の逆正接に等しいかまたはそれより大きい値であることを特徴とする請求項1−5のいずれか1項に記載の変速機(1)。
- 前記接触角(λp,λs)が7〜11度の範囲の1つの値を有することを特徴とする請求項1−6のいずれか1項に記載の変速機(1)。
- 前記駆動ベルト(10)が、いわゆる1つのプッシュ・ベルト(10)であり、前記プッシュ・ベルト(10)が、連続する一連の横断要素(11)と少なくとも1つの連続するリング(12)とからなり、前記横断要素(11)が、前記リング(12)の周方向に移動できるように前記リング(12)上に配置されていることを特徴とする請求項1−7のいずれか1項に記載の変速機(1)。
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