JP4868861B2 - 遊星歯車式無段変速装置 - Google Patents

Description

本発明は、はすば歯車を利用して動力を確実に伝達することができる遊星歯車式無段変速装置に関する。

従来の無段変速機は、たとえば互いに平行な軸に、対称に配置された円錐ローラをそれぞれ設け、これら円錐ローラ間に伝動ベルトを巻張したベルト式や、入力軸に略円錐湾曲型の入力デスクを設けるとともに、出力軸に入力デスクに対向して略円錐湾曲型の出力ディスクを設け、入力デスクと出力ディスク間に、接線周りに傾動可能な伝動ローラを回転自在に配置したトロイダル式（特許文献１）であり、両方とも滑り摩擦を利用したものである。
特開２０００−１９３０７７

従来の無段変速機は、滑り摩擦式であるため、滑りなどによる損失があり、伝達トルクが大きくなると、滑りが生じやすくなる傾向がある。
本発明は、変速比の変更時であっても、歯車を連続的に噛み合わせることで、回転トルクの大きさに関係なく動力を確実に伝達することができ、滑りのない遊星歯車式無段変速装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、回転軸心上に設けられた太陽歯車と、当該太陽歯車の外周部に一定間隔をあけて固定された内歯車と、回転軸心に周りに回転自在に支持されたキャリア部材に設けられて太陽歯車および内歯車にそれぞれ噛み合う遊星歯車とを具備した遊星歯車式無段変速装置であって、太陽歯車、遊星歯車および内歯車をそれぞれ所定のねじれ角を有するはすば歯車により構成し、キャリア部材に、複数の旋回軸を軸心方向にスライド自在に設けるとともに、前記各旋回軸に、太陽歯車に噛み合う入力遊星歯車、および内歯車に噛み合う出力遊星歯車とからなる遊星歯車を、それぞれ軸心方向の移動を規制して設け、内歯車を回転軸心周りに１８０°の範囲にのみ設け、前記旋回軸は、前記出力遊星歯車の少なくとも１個が内歯車に噛み合う位置に配置され、回転軸心に直交しかつ内歯車の二等分線に平行な傾動軸周りに傾動自在なカム板と、当該カム板を傾動可能な直線駆動機構とを有し、前記カム板の傾斜姿勢で回転軸心を中心とする遊星歯車の１回の旋回に対して前記旋回軸を介して遊星歯車をそれぞれ軸心方向に１往復移動させる変速調整手段を設けたものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、変速調整手段は、旋回軸の両端部に当接部がそれぞれ形成され、前記当接部がそれぞれ当接するカム板が、旋回軸の両側に配置され、前記両カム板を平行リンク機構を介して連結連動し傾動するように構成されたものである。

請求項１記載の発明によれば、カム板が回転軸心に対して傾斜した状態で、太陽歯車に対する遊星歯車の噛み合い位置を回転軸心方向に往復移動させる。これにより、カム板が回転軸心に垂直な中立姿勢における遊星歯車の回転数に対して、はすば歯車のねじれ角による噛み合い位置のずれ分だけ回転速度を変化させることができる。そして１８０°の範囲にのみ設けられた内歯車により、遊星歯車の回転力を１８０°ごとに交互にキャリア部材に伝達することで、遊星歯車の旋回を連続してキャリア部材に伝達し回転することができる。したがって、変速調整装置で直線駆動機構によりカム板を傾動させることにより、遊星歯車と太陽歯車、内歯車とが噛み合った状態で、遊星歯車を軸心方向にスライドさせて、軸心方向の移動量を変化させ、これにより変速比を変更することができる。したがって、歯車を連続的に噛み合わせた状態で無段変速操作が可能となり、入力軸からの十分に大きい回転トルクを出力軸に確実に伝達することができて滑りが生じることがない。また、変速比を変更するときであっても、回転トルクの大きさに関係なく動力を確実に伝達することができ、滑りのない遊星歯車式無段変速装置を提供することができる。さらに、遊星歯車を入力遊星歯車と出力遊星歯車とで構成したので、出力遊星歯車や内歯車のピッチ円の直径や設置位置を、太陽歯車に拘束されることなく設定することができ、設計の自由度を向上させることができる。

請求項２記載の発明によれば、旋回軸の両端側にそれぞれカム板を配置して平行リンク機構により連結連動したので、旋回軸をカム板に付勢する拘束部材が不要となり、カム板を容易に傾動できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（基本原理）
この無段変速装置の基本原理を図１に基づいて説明する。ピッチ円直径Ｄ、ねじれ角θで同一歯数のはすば歯車Ａ，Ｂとを噛み合わせ、はすば歯車Ｂを回転させると同時に、はすば歯車Ｂをａ→ｂまで回転軸心方向に距離：Ｌをスライドさせると、はすば歯車Ｂの回転量に対してはすば歯車Ａの回転が、±δ（ずれ量）となり、このずれ量：δは、Ｌ・tanθで表される。この無段変速装置は、このように、互いに噛み合う一方のはすば歯車を回転軸心方向にスライドさせた時のはすば歯車の回転量の変化を利用したものである。

（基本構造）
この無段変速装置の基本構造は、図２に示すように、はすば歯車の回転軸心Ｏ方向の往復移動を連続的に行うために遊星歯車式としている。すなわち、回転軸心Ｏ上の入力軸１に歯幅の広い太陽歯車２が固定され、前記入力軸１の端部に軸受を介して出力軸３が同一の回転軸心Ｏ上に回転自在に配置されている。またこの出力軸３にはキャリア部材４が固定されており、このキャリア部材４に、回転軸心Ｏを中心として１８０°隔てて２本の旋回軸５，５が回転軸心Ｏに平行に配置され、これら旋回軸５，５はそれぞれ回転軸心Ｏ方向にスライド自在に支持されている。これら旋回軸５，５には、太陽歯車２に噛み合いその周囲を旋回する遊星歯車６，６が回転軸心Ｏ方向の移動を規制されて取り付けられている。そしてこれら遊星歯車６，６に外嵌されるリング体７には、遊星歯車６，６が噛み合う内歯車８が、回転軸心Ｏを中心とする１８０°の範囲に形成されている。

また旋回軸５，５の一端側に配置されたカム板９は、回転軸心Ｏに直交しかつ内歯車８の２等分線と平行な傾動軸心Ｏｈ周りに傾動自在に支持されている。このカム板９のカム面９ａには、ばねなどのカム面９ａ側に付勢する拘束部材（図示せず）により旋回軸５，５の端部がそれぞれ当接されている。前記各歯車２，６，８は、それぞれ同一ピッチで同一のねじり角θのはすば歯車により構成されている。

上記構成において、図２（ａ）に一点鎖線で示すように、カム板９が回転軸心Ｏに対して９０°となる中立姿勢とし、入力軸１を介して太陽歯車２を、図３に示す反時計方向に回転させると、両遊星歯車６，６がそれぞれ時計方向に回転され、内歯車８に噛み合う一方の遊星歯車６，６により旋回軸５，５およびキャリア部材４を介して出力軸３が反時計方向に回転される。そして、入力側の太陽歯車２の歯数：ｃ、出力側の内歯車８の歯数（１周分）：ｄとすると、変速比が（ｃ＋ｄ）／ｃとなり、入力軸１に対して出力軸３が減速される。

次に、図２（ａ）に実線で示すように、カム板９をα°傾斜させると、旋回軸５が１８０°旋回される間に、遊星歯車６が内歯車８のＰ１からＰ２まで回転軸心Ｏ方向に距離Ｌだけ移動される。これにより、太陽歯車２の回転量は、カム板９の中立姿勢の時に対して、周方向にずれ量：δ＝Ｌ・tanθだけずれることになる。そして遊星歯車６の１回の旋回ではその２倍だけずれる。したがって、先の変速比に対してずれ量：δ分により出力軸３が増速または減速される。そして、旋回軸５，５が１８０°旋回される毎に、Ｐ１からＰ２まで同一の回転軸心Ｏ方向に移動される遊星歯車６が内歯車８に順次噛み合い、増速状態または減速状態が継続される。

ここで、カム板９の傾斜角αを変化させることにより、距離Ｌが変化して歯車２，６，８が噛み合った状態で変速比を連続的に変化させることができる。
［実施の形態１］
本発明に係る減速装置の実施の形態１を図３〜図７に基づいて説明する。なお、先の説明の同一部材には同一符号を付して説明する。

基部フレーム１１には前後一対の前端板１２および後端板１３が垂設され、前端板１２に入力軸１が回転軸心Ｏ上に軸受を介して回転自在に支持され、後端板１３に出力軸３が回転軸心Ｏ上に軸受を介して回転自在に支持されている。前端板１２と後端板１３の間の基部フレーム１１には、一対の板材からなり回転軸心Ｏに垂直なリング支持体１４が立設固定され、このリング支持体１４には、内歯車８が形成されたリング体７が固定され、前記内歯車８は回転軸心Ｏを中心に１８０度の範囲に形成されるとともに、上部と下部が出入口となるように配置されている。

前記入力軸１には、リング体７と前端板１２の間に太陽歯車２が固定されている。また出力軸３には、リング体７の両側にそれぞれキャリア部材４Ａ，４Ｂが固定されている。そしてキャリア部材４Ａ，４Ｂに回転軸心Ｏ周りに１８０°隔てて形成されたスライド穴４ａ，４ｂに、回転軸心Ｏに平行な２本の旋回軸５，５がそれぞれ回転軸心Ｏ方向にスライド自在に支持されている。これら旋回軸５，５には太陽歯車２に噛み合う入力遊星歯車６Ａ，６Ａと、内歯車８に噛み合う出力遊星歯車６Ｂ，６Ｂとがそれぞれ固定され互いに連結連動されている。

旋回軸５，５の前後側には、各旋回軸５，５の両端の受動部５ａ，５ａが摺接する前後一対のカム板９Ａ，９Ｂと、カム板９Ａ，９Ｂを傾動させるためのアクチュエータまたはシリンダなどの直線駆動機構（図示せず）とを具備した変速調整装置（変速調整手段）１０が配置されている。これらカム板９Ａ，９Ｂは入力軸１および出力軸３がそれぞれ遊嵌する開口部９ａ，９ｂが形成され、前後端板１２，１３を連結する左右の側部フレーム１５，１５に、回転軸心Ｏに直交しかつ内歯車８の二等分線に平行な傾動軸心Ｏｈ上の傾動ピン１６Ａ，１６Ｂを介して前後に傾動自在に支持されている。ここで、カム板９Ａ，９Ｂのカム面９Ｃ，９Ｃは傾動軸心Ｏｈ上にある。

そしてカム板９Ａ，９Ｂから上方に突出されたアーム１８Ａ，１８Ｂの先端部間に平行リンクアーム１８Ｃが連結ピン１８ａ，１８ｂを介して回動自在に連結され、前記傾動ピン１６Ａ，１６Ｂと連結ピン１８ａ，１８ｂとが連結点となる平行リンク機構が構成されている。そして平行リンクアーム１８Ｃの前端部には、カム板９Ａ，９Ｂを傾動させるためのアクチュエータまたはシリンダなどの直線駆動機構（図示せず）からなる変速調整装置（変速調整手段）１０の出力ロッド１０ａが連結されている。

上記構成において、図１に示すように、変速調整装置１０により、カム板９Ａ，９Ｂが回転軸心Ｏに垂直な中立姿勢では、入力軸１により遊星歯車２が、図４，図５に矢印で示す反時計方向に回転されると、２つの入力遊星歯車６Ａ，６Ａは時計方向に回転される。そして入力遊星歯車６Ａ，６Ａにより旋回軸５，５を介して回転される２つの出力遊星歯車６Ｂ，６Ｂのうち、内歯車８に噛み合う一方の出力遊星歯車６Ｂによりキャリア部材４が反時計方向に旋回移動され、これにより出力軸３が回転される。この時の変速比は、入力側の太陽歯車２の歯数：ｃ、出力側の内歯車８の歯数（１周分）：ｄとすると、変速比は（ｃ＋ｄ）／ｃとなり、入力軸１に対して出力軸３が減速される。

ついで、図７に実線で示すように、変速調整装置１０によりカム板９Ａ，９Ｂがα°で傾斜される変速姿勢とすると、カム板９Ａ，９Ｂのカム面９Ｃ，９Ｃの傾斜に従って旋回軸６Ａ，６Ｂが回転軸心Ｏ方向に相対して出退され、入力遊星歯車６Ａ，６Ａは太陽歯車２の外周面を楕円方向に沿って転動する。またそれに連動して出力遊星歯車６Ｂ，６Ｂもそれぞれ回転軸心Ｏ方向に相対移動され、半円状の内歯車８に噛み合う一方の出力遊星歯車６Ｂも楕円方向に沿って順次転動し、出力遊星歯車６Ｂ，６Ｂはそれぞれ往復移動する半分、たとえば往路側だけキャリア部材４を旋回駆動して旋回力を順次出力軸３に伝達し回転駆動する。この時、中立位置と比較して、遊星歯車６Ａ，６Ｂの１回の旋回におけるずれ量δがＬ・tanθ×２となる。またカム板９Ａ，９Ｂを、図３の仮想線で示すように、逆に方向に傾斜角−α°とした場合には、−δとなる。そしてカム板９Ａ，９Ｂの傾斜角α°を変化させることにより、１回転における移動量：Ｌが変化してずれ量：δが連続的に変化するが、この時に太陽歯車２、遊星歯車６および内歯車８は互いに噛み合った状態で、無段階に変速させることができる。

なお、この変速範囲を、出力軸３の出力側に増速用歯車装置を介在させることにより、大きい変速範囲を得ることもできる。
上記実施の形態１によれば、変速調整装置１０によりカム板９Ａ，９Ｂを傾斜させることで、遊星歯車６Ａ，６Ｂと太陽歯車２、内歯車８とが噛み合った状態で遊星歯車６Ａ，６Ｂを回転軸心Ｏ方向にスライドさせて変速比を変更することができる。これにより無段変速操作が可能となり、変速比の変更時でも入力軸１から出力軸３に十分に大きい回転トルクを伝達することができる。したがって、伝達トルクの大きさに関係なく動力を確実に伝達することができ、滑りのない遊星歯車式無段変速装置を提供することができる。

なお、変速調整装置１０を手動レバーなどにより駆動する形式であってもよい。
［実施の形態２］
図８は、カム面を傾斜させた場合の太陽歯車２の歯面の展開面上における遊星歯車６Ａの転動軌跡を示すグラフで、遊星歯車６Ａが内歯８に噛み合う１８０°の範囲を示している。実施の形態１では、太陽歯車２が等速回転した場合、図８に一点鎖線で示すように、遊星歯車６Ａ（受動部５ａ）が一定速度で回転軸心Ｏ方向に移動される直線の基準線Ｓに沿うことが望ましい。しかし、カム面９Ｃが平坦であるため、図８に実線で示すように、回転軸Ｏの回転に従って所定の変動距離：γで増減を繰り返す曲線上の変動軌跡Ｔとなり、これにより出力軸３の回転速度が変動する。

ところで、図９に示すように、受動部５ａは先尖り形に形成されてカム板９Ａ，９Ｂのカム面９Ｃにそれぞれ摺接されるが、回転軸心Ｏに対してカム板９Ａ，９Ｂの傾斜角が０°の姿勢では、受動部５ａの摺接点は一点鎖線で示すように真円軌跡ＳＬに沿って移動し、またカム板９Ａ，９Ｂが傾動軸心Ｏｈを中心に傾動されると、受動部５ａの摺接点が実線で示すように上下に長い楕円軌跡ＥＬとなる。したがって、カム板９Ａ，９Ｂを傾動させると、旋回軸５，５の受動部５ａがカム面９Ｃ上で、真円軌跡ＳＬと楕円形軌跡ＥＬの範囲で移動することになる。

この実施の形態２では、上記回転速度の変動を解決するために、カム板９Ａ，９Ｂ上で旋回軸５，５の受動部５ａ，５ａが当接する部位を、内歯車８の回転角度位置に対応して、旋回軸５，５が一定速度で回転軸心Ｏ方向に移動するように形成したものである。すなわち、カム面９Ｃの真円軌跡ＳＬと楕円形軌跡ＥＬの範囲で回転軸心Ｏ方向の変動距離：γを補正して補正距離が−γとなるようにカム面９Ｃの起伏を形成している。これにより、受動部５ａを基準線Ｓに沿って移動させることにより、出力軸３の回転がほぼ一定になるように回転速度を伝達することができる。

上記構成によれば、旋回移動に従って旋回軸９Ａ，９Ｂを回転軸心Ｏ方向に移動させるカム板９Ａ，９Ｂのカム面９Ｃを、旋回軸９Ａ，９Ｂが一定速度で回転軸心Ｏ方向に移動するように形成したので、出力軸３の回転速度の変動をほとんど無くすことができる。

なお、本発明に係る遊星歯車式無段変速機を、図１０に示すように、上記基本構造に基づいて製造することもできる。上記基本構造および実施の形態１と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。これによれば、遊星歯車の個数を減らすことができ、全体をコンパクトに構成できるほか、先の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。

またキャリア部材４Ａ，４Ｂに２本の旋回軸５，５を１８０°隔てて配置したが、内歯車８と出力側遊星歯車６Ｂの係合、離脱をスムーズに行うために、たとえば図１１（ａ）に示すように、互いに接近された２本の旋回軸５，５を二組１８０°隔てた対称位置に配置してもよく、また図１１（ｂ）に示すように、１２０°ごとに３本の旋回軸５をそれぞれ配置することもできる。もちろん、図示しないが、９０°ごとに３本の旋回軸を配置してもよい。

さらに上記構成において、入力軸１を出力用として、出力軸３を入力用として使用することもできる。

本発明に係る遊星歯車式無段減速装置の基本原理を示す説明図で、（ａ）ははすば歯車の噛み合い状態を示す側面図、（ｂ）ははすば歯車Ａの歯面の展開図である。 同遊星歯車式無段減速装置の基本構造を示す説明図で、（ａ）は遊星歯車の噛み合いを示す側面図、（ｂ）は（ａ）に示すＨ−Ｈ断面図である。 本発明に係る遊星歯車式無段減速装置の実施の形態１を示す縦断面図である。 図３に示すＥ−Ｅ断面図である。 図３に示すＦ−Ｆ断面図である。 図３に示すＧ−Ｇ断面図である。 同遊星歯車式無段変速機の変速動作を示す縦断面図である。 本発明に係る遊星歯車式無段減速装置の実施の形態２を示し、太陽歯車の歯面展開図における遊星歯車の移動軌跡を示すグラフである。 同遊星歯車式無段変速機における旋回軸のカム板上の移動軌跡を示す説明図である。 同遊星歯車式無段変速機の基本構造による他の実施の形態を示す縦断面図である。 同遊星歯車式無段変速機の旋回軸および遊星歯車の配置を示す説明図で、（ａ）は４本の旋回軸の配置、（ｂ）は３本の旋回軸の配置を示す。

符号の説明

Ｏ 回転軸心
Ｏｈ 傾動軸心
１ 入力軸
２ 太陽歯車
３ 出力軸
４Ａ，４Ｂ キャリア部材
５ 旋回軸
５ａ 受動部
６Ａ 入力遊星歯車
６Ｂ 出力遊星歯車
７ リング体
８ 内歯車
９Ａ，９Ｂ カム板
９Ｃ カム面
１０ 変速調整装置
１１ 基板フレーム
１２ 前端板
１３ 後端板
１４ リング支持体
１５ 側部フレーム
１６Ａ，１６Ｂ 傾動ピン
１８Ｃ 平行リンクアーム

Claims (2)

1. 回転軸心上に設けられた太陽歯車と、当該太陽歯車の外周部に一定間隔をあけて固定された内歯車と、回転軸心に周りに回転自在に支持されたキャリア部材に設けられて太陽歯車および内歯車にそれぞれ噛み合う遊星歯車とを具備した遊星歯車式無段変速装置であって、
   太陽歯車、遊星歯車および内歯車をそれぞれ所定のねじれ角を有するはすば歯車により構成し、
   キャリア部材に、複数の旋回軸を軸心方向にスライド自在に設けるとともに、前記各旋回軸に、太陽歯車に噛み合う入力遊星歯車、および内歯車に噛み合う出力遊星歯車とからなる遊星歯車を、それぞれ軸心方向の移動を規制して設け、
   内歯車を回転軸心周りに１８０°の範囲にのみ設け、
   前記旋回軸は、前記出力遊星歯車の少なくとも１個が内歯車に噛み合う位置に配置さ れ、
   回転軸心に直交しかつ内歯車の二等分線に平行な傾動軸周りに傾動自在なカム板と、当該カム板を傾動可能な直線駆動機構とを有し、前記カム板の傾斜姿勢で回転軸心を中心とする遊星歯車の１回の旋回に対して前記旋回軸を介して遊星歯車をそれぞれ軸心方向に１往復移動させる変速調整手段を設けた
   遊星歯車式無段変速装置。
2. 変速調整手段は、
   旋回軸の両端部に当接部がそれぞれ形成され、
   前記当接部がそれぞれ当接するカム板が、旋回軸の両側に配置され、
   前記両カム板を平行リンク機構を介して連結連動し傾動するように構成された
   請求項１記載の遊星歯車式無段変速装置。

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