JP4765453B2 - 摩擦伝動装置 - Google Patents

Description

本発明は、減速や増速のための変速装置として適用される摩擦伝動装置の技術分野に属する。

駆動ローラと従動ローラとの間にくさびローラを設け、それぞれの接触点における接線の方向に角度を持たせることで、伝達力に比例した押付け力を自動的に発生させる構造としている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３４９６５４号公報

しかしながら、従来の摩擦伝動装置にあっては、伝達力が大きくなり、それに応じて押付け力が大きくなると、ローラの接触部が弾性変形し、くさびローラとの角度が小さくなる。すなわち、伝達力が大きくなると過剰な押付け力をローラに与えることになり、ローラおよび支持軸受の寿命低下や動力伝達効率の悪化を招く、という問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、くさびローラやアクチュエータを用いることのない簡単な構成としながら、伝達力が大きい場合においても過剰な押付け力の発生を防止することにより、寿命と動力伝達効率の向上を達成することができる摩擦伝動装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明では、
回転自在に支持された駆動ローラおよび従動ローラと、両ローラの接触点における接線に対し角度を有するカム面とを有し、カム面を駆動ローラと従動ローラの一方の回転支持部に当接することでローラ同士を押圧接触させ、その接触部に生じる摩擦力によって、一方のローラから他方のローラへ動力を伝達させる摩擦伝動装置において、
前記カム面に支持される側のローラの無負荷時における中心をO₁、もう一方の固定されている側のローラの中心をO₂とし、O₁を原点にxy座標を設定し、y軸はO₂を通るものとし、O₁とO₂との距離をr₀としたとき、
前記カム面を、前記座標上の第一象限に設け、そのローラ軸直角断面形状を単一半径の凹円弧形状とし、前記円弧の中心を前記座標上の第三象限、かつ、O₁を中心とする半径r₀の円周上またはその近傍に設定したことを特徴とする。

よって、本発明の摩擦伝動装置にあっては、ローラ同士を押圧接触させるカム面を凹円弧形状とし、円弧の中心を、カム面に支持される側のローラの無負荷時における中心O₁とし、円弧の半径を、両ローラの中心間距離r₀とした円周上またはその近傍に設定したため、伝達力と押付け力の比を、伝達力の大きさによらずほぼ一定にできる。結果、くさびローラやアクチュエータを用いることのない簡単な構成としながら、伝達力が大きい場合においても過剰な押付け力の発生を防止することにより、寿命と動力伝達効率の向上を達成することができる。また、カムプロファイルをxとyのみの関数から簡単に算出できるため、カム面の加工や完成品の形状検査が容易であり、実用性に優れる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１，２に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は、実施例１の摩擦伝動装置を示す全体図である。実施例１の摩擦伝動装置は、回転自在に支持された駆動ローラ１と従動ローラ２とを押圧接触させ、その接触部に生じる摩擦力によって、上記２個のローラ１，２のうち、一方のローラ１または２から他方のローラ２または１に動力を伝達させる。

駆動ローラ１のローラ軸３には、転がり軸受４が設けられていて、ローラ軸３を転がり軸受４の内輪とし、転がり軸受４の外輪４ａを駆動ローラ１側の回転支持部としてフレーム５に対し支持している。なお、図示していないが、従動ローラ２のローラ軸にも、同様に転がり軸受が設けられていて、この転がり軸受の外輪を従動ローラ２側の回転支持部としてフレーム５に対し位置規定状態で支持している。

フレーム５の駆動ローラ１側の回転支持部には、駆動ローラ１と従動ローラ２との接触点Ｐにおける接線Ｃに対し、角度が滑らかに変化する凹曲面形状のカム面５１を有している。

ここで、駆動ローラ１の無負荷時における中心をO₁、従動ローラ２のローラの中心をO₂とし、O₁を原点にxy座標を設定し、y軸はO₂を通るものとし、O₁とO₂との距離をr₀としたとき、カム面５１は、座標上の第一象限に設けられ、そのローラ軸直角断面形状は単一半径の凹円弧形状であり、円弧の中心は座標上の第三象限、かつ、O₁を中心とする半径r₀の円周上に設定されている。

次に、作用を説明する。
本発明者が先に提案した、摩擦伝動装置（特願２００３−４３３９１０号）では、図２に示すように、ローラの接触点における接線に対し角度を持ったカム面にて一方のローラを支持することで、伝達トルクに比例した押付け力を与えている。一般的に、伝達力や回転数などの運転条件によらず、伝達力と押付け力の比、すなわち摩擦係数（またはトラクション係数）はほぼ一定であるので、伝達力と押付け力が比例すれば、過不足のない最適な押付け力を与えることになる。

この摩擦伝動装置では、伝達力が大きくなり、それに応じて押付け力が大きくなると、ローラの接触点が弾性変形する。これを吸収するため、ローラ支持部がカム面上を転動すると、ローラの接触点は図３のように移動し、伝達力の方向が変化する。ところが、カム面の角度は一定であるため、両者の角度αが小さくなり、伝達力に対する押付け力の比が大きくなる（図４）。よって、過剰な押付け力をローラに与えることになり、効率や寿命が低下する、という問題があった。

この対策として、本発明者は、カム面を曲面とすることで伝達力とローラ支持部における接線の角度を任意に調整し、前記不具合の対策を図る摩擦伝動装置（特願２００４−５７６３９号）を提案した。特に、下記の式(1)，(2)で表されるカムプロファイル（カムの断面形状）とすることで、伝達力と押付け力の比率を常に一定にすることができる。ここで(x_c,y_c)はカム面の座標、αは伝達力の働かない初期位置での伝達力とカム面の角度、θはO₂に対するローラの移動角度である。

しかしながら、上式はパラメータθを使った複雑なものであり、xとyだけの関数にはできない。したがって製作にあたってカムプロファイルを示すには、離散化されたθ,x,yの値となってしまい、それらの間は補間せざるを得ないため、図５のように本来の曲線から外れてしまう。また、完成品の形状検査も困難である、という問題があった。

これに対し、実施例１の摩擦伝動装置では、カム面５１を、座標上の第一象限に設け、そのローラ軸直角断面形状を単一半径の凹円弧形状とし、円弧の中心を座標上の第三象限、かつ、O₁を中心とする半径r₀の円周上に設定した。

図１において、駆動ローラ１の中心座標を(x,y)とすると、従動ローラ２との中心間距離rは、下記の式(3)で表される。

カム面５１を半径R_cの円弧とし、初期位置でのカムフォロワとの接触角をα、カムフォロワの半径をr_cとしたとき、カム面５１の中心座標(x₀,y₀)は、下記の式(4)，(5)のようになる。

駆動ローラ１がカム面中心に対し角度φだけ移動したとき、駆動ローラ１の中心座標は、下記の式(6)，(7)のようになる（図６）。

このときのカム面５１の角度、すなわち押付け力と伝達力の角度、さらにいえばカム面中心とカムフォロワ中心を通る直線と、従動ローラ２と駆動ローラ１の中心を通る直線が成す角度βは、下記の式(8)で表される。

ここで、伝達力の増加に対して押付け力の比を一定にする、すなわちβとαを等しくするには、下記の式(9)の関係を満足する必要がある。

そこで、式(3)，(6)，(7)，(9)を連立して解くと、下記の式(10)が導出される。

ここで、αはローラのトラクション係数（摩擦係数）μに対しμ＝tanαの関係にあるが、μは通常0.1以下であり、αは数度である。またローラ接触点の変形はミクロンオーダの小さなものであり、φも数度の小さな値である。したがってαとφおよびそれらの（オーダの変わらない）関数に対する正弦は０、余弦は１と近似できる。これを式（10）に代入すると、下記の式(11)が得られる。
R_c−r_c≒r₀ …(11)

式(11)の左辺（R_c−r_c）は、O₁からカム面中心までの距離に等しい。したがってカム面５１を半径R_cの円弧とし、円弧の中心をO₁から角度αの直線上で、O₁に中心を持つ半径r₀の円周上におくことで、伝達力と押付け力の比をほぼ一定にできる。

ここで、図７において、カム面円弧の中心を、半径r₀円のやや内側や外側に置く、すなわちR_c−r_cをr₀に対して若干小さく、または若干大きくしたとき、図８のように伝達力に対する押付け力の特性も変化するが、その変化幅は小さい。したがって、カム面円弧の中心は、O₁に中心を持つ半径r₀の円周上およびその近傍にあればよい。

次に、効果を説明する。
実施例１の摩擦伝動装置にあっては、以下の効果が得られる。

(1) 回転自在に支持された駆動ローラ１および従動ローラ２と、両ローラ１，２の接触点における接線に対し角度を有するカム面５１とを有し、カム面５１を駆動ローラ１の回転支持部に当接することでローラ同士を押圧接触させ、その接触部に生じる摩擦力によって、一方のローラから他方のローラへ動力を伝達させる摩擦伝動装置において、駆動ローラ１の無負荷時における中心をO₁、従動ローラ２の中心をO₂とし、O₁を原点にxy座標を設定し、y軸はO₂を通るものとし、O₁とO₂との距離をr₀としたとき、カム面５１を、座標上の第一象限に設け、そのローラ軸直角断面形状を単一半径の凹円弧形状とし、円弧の中心を座標上の第三象限、かつ、O₁を中心とする半径r₀の円周上またはその近傍に設定した。よって、伝達力と押付け力の比を、伝達力の大きさによらずほぼ一定にできる。結果、くさびローラやアクチュエータを用いることのない簡単な構成としながら、伝達力が大きい場合においても過剰な押付け力の発生を防止することにより、寿命と動力伝達効率の向上を達成することができる。

また、複雑な計算式（式(1),(2)）を用い、離散化されたx,y,θの値を補完してカムプロファイルを求める先行技術（特願２００４−５７６３９号）に対し、xとyのみの関数でカムプロファイルを簡単に算出できるため、カム面の加工や完成品の形状検査が容易であり、実用性に優れる。

実施例２は、ローラ同士の接触点における伝達力と、カム面とローラ支持部との接触点における接線との成す角度を、6°以下に設定した例である。

すなわち、図１において、y座標と直線R_cとの成す角度、言い換えると、ローラ同士の接触点Ｐにおける伝達力と、カム面５１とローラ支持部（転がり軸受４の外輪４ａ）との接触点における接線との成す角度αは、6°以下となるように設定されている。

作用を説明すると、トラクション係数は油種や運転条件に異なるが、ある範囲に収まる。畑らの研究（出光トライボレビューNo.12，p.36（1986））によれば、その値は最大でも0.1である。したがって、伝達力と押付け力の比が0.1以下となるようにすれば、押付け力の不足による動力伝達不能は生じない。ここで、αを6°以下の値に設定した場合、β≒αとなるため、伝達力と押付け力の比はtanαとなり、伝達力と押付け力の比を0.1以下にできる。

次に、効果を説明する。
実施例２の摩擦伝動装置にあっては、実施例１の効果(1)に加え、以下の効果が得られる。

(2) 駆動ローラ１および従動ローラ２は、油膜のせん断抵抗によって動力を伝達し、ローラ同士の接触点における伝達力と、カム面４１とローラ支持部との接触点における接線との成す角度αを、6°以下に設定したため、押付け力の不足によるすべりを防ぎ、動力伝達効率の低下を防止できる。

（他の実施例）
以上、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は、実施例１、２に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。

例えば、カム面において、単一半径の部分は、ローラと押圧接触する主要部だけでよく、それ以外の部分を加工性の都合等により直線など他の形状としてもよい。

本発明の摩擦伝動装置は、車両に適用される加減速機や変速機への適用に限らず、加速機能、減速機能や変速機のが要求される産業機器等に対し広汎な用途として適用することができる。さらに、実施例１，２では、駆動ローラと従動ローラとにより増速機能を持つ摩擦伝動装置の例を示したが、複数の駆動ローラが入力軸に配置され、また、複数の従動ローラや複数組みの遊星ローラによる遊星ローラ式変速機の摩擦伝動装置としても適用することができる。

実施例１の摩擦伝動装置を示す全体図である。 従来例の直線カム面を有する摩擦伝動装置を示す図である。 従来例の直線カム面を有する摩擦伝動装置における低トルク時と高トルク時のローラの接触点変化を示す図である。 従来例における伝達力に対する押付け力の関係特性図である。 先行技術の加工および検査の困難性を示す図である。 実施例１における駆動ローラの移動と駆動ローラの中心座標変化を示す図である。 実施例１の摩擦伝動装置において、カム面円弧の中心を、半径r₀の円周上のやや内側または外側に設定した例である。 実施例２の摩擦伝動装置の円弧中心と半径の変化に対する発生押付け力特性図である。

符号の説明

１ 駆動ローラ
２ 従動ローラ
３ ローラ軸
４ 転がり軸受
４ａ 外輪（回転支持部）
５ フレーム
５１ カム面

Claims (2)

1. 回転自在に支持された駆動ローラおよび従動ローラと、両ローラの接触点における接線に対し角度を有するカム面とを有し、カム面を駆動ローラと従動ローラの一方の回転支持部に当接することでローラ同士を押圧接触させ、その接触部に生じる摩擦力によって、一方のローラから他方のローラへ動力を伝達させる摩擦伝動装置において、
   前記カム面に支持される側のローラの無負荷時における中心をO₁、もう一方の固定されている側のローラの中心をO₂とし、O₁を原点にxy座標を設定し、y軸はO₂を通るものとし、O₁とO₂との距離をr₀としたとき、
   前記カム面を、前記座標上の第一象限に設け、そのローラ軸直角断面形状を単一半径の凹円弧形状とし、前記円弧の中心を前記座標上の第三象限、かつ、O₁を中心とする半径r₀の円周上またはその近傍に設定したことを特徴とする摩擦伝動装置。
2. 請求項１に記載の摩擦伝動装置において、
   ローラ同士の接触点における伝達力と、前記カム面とローラ支持部との接触点における接線との成す角度を、6°以下に設定したことを特徴とする摩擦伝動装置。

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