JP4939040B2

JP4939040B2 - ベルト式無段変速装置

Info

Publication number: JP4939040B2
Application number: JP2005335408A
Authority: JP
Inventors: 剛史大内田
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2005-11-21
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2025-11-21
Also published as: JP2007139111A

Description

本発明は、ベルト式無段変速装置の技術に係るものであり、特に、駆動軸上に支持されかつ軸方向に相対移動し得る左右一対のシーブからなる駆動側プーリと、従動軸上に支持されかつ軸方向に相対移動し得る左右一対のシーブからなる出力側プーリを備え、両プーリの間にベルトを巻回したベルト式無段変速装置の技術に関する。

従来、駆動側プーリと出力側プーリはそれぞれ可動シーブ及び固定シーブを備え、これら駆動側プーリと出力側プーリの両プーリ間にベルトを巻回し、前記一側の可動シーブをカムやモータ等のアクチュエータにより軸方向に移動させることで、左右のプーリ幅が変更されて、ベルトが接触する半径位置が変更されて変速する、所謂、ベルト式無段変速装置は公知となっている。ベルト式無段変速装置は、ゴムベルトであると、大きなトルクを伝達することができないので、大きなトルクを伝達する場合には金属製のベルト式の無段変速装置が使用される。該金属製ベルト式無段変速装置を変速する場合には、大きな力で金属製ベルトを押圧する必要があるため、油圧シリンダを伸縮させて可動シーブを軸方向に移動されるようにしている。しかし、油圧シリンダで変速する場合には、油圧を用いるため、油圧ポンプやバルブや配管等が必要になり、大変複雑かつ大型の装置になっているとともに、必要以上のベルト挟圧力が作用し、伝達効率及びベルト耐久性の面でも不利になっており、さらに、油圧が何らかの原因で低下した場合、ベルト挟圧力が不足して伝達不能になってしまう。そこで、特許文献１や特許文献２のように、駆動用及び出力用の両プーリの可動シーブに、負荷に応じた軸力を作用する調圧カム機構を設け、更にこれら調圧カム機構により発生する軸力が両プーリに作用するようにリンク機構により連結し、そして駆動用プーリの可動シーブに、比セレクタ機構により、所定変速比を選択するベルト式無段変速装置が案出されている。
特開昭６０−００８５５８号公報特開昭６２−０１３８５３号公報

このように、ベルトを挟持する圧力を様々な方法によって発生させているが、これらは全て正駆動時に必要な挟持力を基準に圧力を設定している。しかし、駆動側プーリから出力側プーリへと回転を伝える正駆動時と、出力側プーリから駆動側プーリへと回転を伝える逆駆動時では、必要とする挟持力は違い、逆駆動時のほうがより大きな挟持力を必要とする。そのため、一定の挟持力を発生しつづける従来の機構では、必要な圧力よりも小さな圧力となってしまい、空回りや、ベルトの摩耗の原因となり、結果的に動力伝達のロスとなっていた。そこで、本発明では、正駆動時と逆駆動時で挟持力を異なるように構成した調圧装置を備えたベルト式無段変速装置を提供する。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

請求項１においては、ベルト式無段変速装置（１）を、入力軸（２）、入力側プーリ（３）、出力軸（４）、出力側プーリ（５）、ベルト（６）により構成し、該ベルト式無段変速装置（１）の後段に、入力軸（２）より入力された動力及び、前記出力軸（４）から出力する動力を合成するための複数の遊星歯車機構（２０・２１）と、該遊星歯車機構（２０）または遊星歯車機構（２１）より出力された合成動力を、更に変速する副変速装置（３１）を具備し、前記入力軸（２）に嵌設され、軸方向に相対移動可能な可動シーブ（１２）と軸に固定された固定シーブ（１１）からなる入力側プーリ（３）と、出力軸（４）に嵌設され、軸方向に相対移動し得る可動シーブ（１４）と軸方向に固定された固定シーブ（１３）からなる出力側プーリ（５）を備え、両プーリ（３・５）の間に金属のベルト（６）を巻回し、それぞれの軸に嵌設された可動シーブ（１２・１４）を軸方向に摺動することによって、プーリ幅を変更して無段階に変速可能なベルト式無段変速装置（１）を構成し、前記入力軸（２）または出力軸（４）の一方の軸に嵌設された可動シーブ（１２・１４）を付勢する付勢手段を設け、該付勢手段の付勢力を、入力側プーリ（３）から出力側プーリ（５）へと回転を伝える正駆動方向と、出力側プーリ（５）から入力側プーリ（３）へと回転を伝える逆駆動方向とで、異なるように構成したものである。

請求項２においては、請求項１に記載のベルト式無段変速装置において、前記付勢手段の付勢力を調整するカム機構（４１）を、一つの可動シーブの側面に配置したカムプレート（４３）のコロ受け溝（４３ａ）とコロ（４２）により構成し、該コロ受け溝（４３ａ）の谷部にコロ（４２）が位置し、該コロ受け溝（４３ａ）の二つの斜面（４３ｂ・４３ｃ）の傾斜角が異なる構成とし、正駆動方向の斜面（４３ｂ）の傾斜角（θ２）は、逆駆動方向の斜面（４３ｃ）の傾斜角（θ１）よりも大きく（θ２＞θ１）構成したものである。

請求項３においては、請求項１に記載のベルト式無段変速装置において、前記付勢手段の付勢力を調整するカム機構（４１）を、一つの可動シーブの側面に配置したカム溝（６２）と鋼球（６１）とにより構成し、該球（６１）が転動するカム溝（６２）の深さまたは幅を、正駆動方向と逆駆動方向で異なる構成としたものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、ベルト式無段変速装置（１）を、入力軸（２）、入力側プーリ（３）、出力軸（４）、出力側プーリ（５）、ベルト（６）により構成し、該ベルト式無段変速装置（１）の後段に、入力軸（２）より入力された動力及び、前記出力軸（４）から出力する動力を合成するための複数の遊星歯車機構（２０・２１）と、該遊星歯車機構（２０）または遊星歯車機構（２１）より出力された合成動力を、更に変速する副変速装置（３１）を具備し、前記入力軸（２）に嵌設され、軸方向に相対移動可能な可動シーブ（１２）と軸に固定された固定シーブ（１１）からなる入力側プーリ（３）と、出力軸（４）に嵌設され、軸方向に相対移動し得る可動シーブ（１４）と軸方向に固定された固定シーブ（１３）からなる出力側プーリ（５）を備え、両プーリ（３・５）の間に金属のベルト（６）を巻回し、それぞれの軸に嵌設された可動シーブ（１２・１４）を軸方向に摺動することによって、プーリ幅を変更して無段階に変速可能なベルト式無段変速装置（１）を構成し、前記入力軸（２）または出力軸（４）の一方の軸に嵌設された可動シーブ（１２・１４）を付勢する付勢手段を設け、該付勢手段の付勢力を、入力側プーリ（３）から出力側プーリ（５）へと回転を伝える正駆動方向と、出力側プーリ（５）から入力側プーリ（３）へと回転を伝える逆駆動方向とで、異なるように構成したので、正駆動時及び逆駆動時に必要なベルトを挟持する力（クランプ力）に適した付勢力を与えることが可能となる。
これにより、過剰なクランプ力をベルトにかけることでベルトが破損することも無くなり、また、クランプ力が不足することにより、プーリが空回りすることも防ぐことが可能となる。
また、エンジンコントローラ等の計測手段により計測された伝達トルクに基づいて演算される油圧付勢力と比し、機械的にクランプ力を発生させるため、高い応答性を得ることが可能となる。

請求項２においては、請求項１に記載のベルト式無段変速装置において、前記付勢手段の付勢力を調整するカム機構（４１）を、一つの可動シーブの側面に配置したカムプレート（４３）のコロ受け溝（４３ａ）とコロ（４２）により構成し、該コロ受け溝（４３ａ）の谷部にコロ（４２）が位置し、該コロ受け溝（４３ａ）の二つの斜面（４３ｂ・４３ｃ）の傾斜角が異なる構成とし、正駆動方向の斜面（４３ｂ）の傾斜角（θ２）は、逆駆動方向の斜面（４３ｃ）の傾斜角（θ１）よりも大きく（θ２＞θ１）構成したので、請求項１の効果を簡単な機構によって達成できる。
すなわち、油圧機構などの外力を使用することなく、付勢力を調整することが可能となる。

請求項３においては、請求項１に記載のベルト式無段変速装置において、前記付勢手段の付勢力を調整するカム機構（４１）を、一つの可動シーブの側面に配置したカム溝（６２）と鋼球（６１）とにより構成し、該球（６１）が転動するカム溝（６２）の深さまたは幅を、正駆動方向と逆駆動方向で異なる構成としたので、請求項１の効果を簡単な機構によって達成できる。すなわち、油圧機構などの外力を使用することなく、付勢力を調整することが可能となる。

次に、発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の一実施例に係るベルト式無段変速装置及び動力系の動力伝達概略図、図２は出力プーリの正面図、図３はカム機構の右側面図、図４はカム機構の正面断面図、図５はカム機構の一部斜視図、図６は鋼球を用いたカム溝幅の異なるカム機構の右側面図、図７は鋼球を用いたカム溝幅の異なるカム機構の正面図、図８は鋼球を用いたカム溝幅の異なるカム機構の一部斜視図、図９は鋼球を用いたカム溝深さの異なるカム機構の右側面図、図１０は鋼球を用いたカム溝深さの異なるカム機構の正面断面図、図１１は鋼球を用いたカム溝深さの異なるカム機構の一部斜視図、図１２は副変速段におけるＣＶＴ変速比と総変速比の関係を表した図である。

本実施例に係る、ベルト式無段変速装置１について図１を用いて説明する。ベルト式無段変速装置１は、入力軸２、入力プーリ３、出力軸４、出力プーリ５、ベルト６などで構成されている。入力軸２は、図示せぬエンジン等の駆動源からの動力を入力プーリ３及び、後述する遊星歯車２０に伝達するためのものである。該入力軸２には固定シーブ１１及び可動シーブ１２等から構成される入力プーリ３が嵌設されている。また出力軸４は、後述する遊星歯車２０に動力を伝達するためのものであり、該出力軸４には固定シーブ１３及び可動シーブ１４等から構成される出力プーリ５が嵌設されている。また、前記入力プーリ３と出力プーリ５の間にはベルト６が巻回されており、入力プーリ３及び出力プーリ５の可動シーブ１２・１４を移動させることにより、プーリ幅を変化させ、入力速度と出力速度を無段階で変化させることが可能となっている。

次に、本実施例の動力伝達系を説明する。本実施例では、入力軸２より入力された動力及び、出力軸４から出力する動力を合成するための複数の遊星歯車２０・２１と、遊星歯車２０または遊星歯車２１より出力された合成動力を後進するための動力または、前進するための動力に切り替えるため、また、ベルト式無段変速装置のみでは実現できなかった変速比を実現するための複数の副変速装置３１が備えられている。副変速装置３１は本実施例においては、３つのドッグ式のクラッチ３２ａ・３２ｂ・３２ｃ及び２つの摩擦式のクラッチ３３ａ・３３ｂを使用することにより５つの副変速段（ステージ）を設けている。但し、クラッチの構成は限定するものではなく、電磁式や歯車噛合式やパウダー式等であってもかまわない。そこで、それぞれのステージにおける、ベルト式無段変速装置（ＣＶＴ）変速比と総変速比を図１２のようなグラフを用いて説明する。なお、グラフの横軸がＣＶＴ変速比、縦軸が総変速比である。

例えば、ステージ１では、ＣＶＴ変速比を増加させている時に、総変速比は負の値で絶対値が減少している。これは、ベルト式無段変速装置１の入力に対する出力の割合が増加するにつれて、遊星歯車２０・２１と副変速装置３１による変速により総変速比は負の値、すなわち、後進状態にあり、入力に対する出力の割合（出力回転数）が減少していることを表している。そして、ステージ２と３において、総変速比０を実現している。すなわち、ベルト式無段変速装置１のプーリ径と遊星歯車２０・２１の歯数と副変速装置３１の歯数を適宜選択することで、エンジンにより動力を供給し、該エンジンの回転数を変化しても、入力軸２から遊星歯車機構へ入力する動力（回転数）と、入力軸２からベルト式無段変速装置により変速した後の動力（回転数）を合成させると、完全に回転数をゼロにすることが可能となる。これにより、中立位置を確保することが可能となり、停止状態から発進することが可能となる。従来では、ベルト式無段変速装置自体は変速比０を出すことができなかったので、クラッチ、もしくはトルクコンバータ等によりベルト式無段変速装置１への入力側の動力を断つようにしていた。

また、各ステージから次のステージに移行する場合は、ＣＶＴ変速比が極大（極小）となるポイント、すなわち、ステージが切り替わるポイントの時点で、次のステージのクラッチと現在のステージのクラッチとが同時に入るようにする。このように構成することで、副変速段の間でトルク切れやショックがなく有段の変速が可能となる。

以上のような構成では、従来のベルト式無段変速装置では、ブレーキ時等特殊な場合でしか必要のなかった、入力プーリ３から出力プーリ５へのトルク伝達のための駆動（正駆動）だけでなく、出力プーリ５から入力プーリ３へのトルク伝達のための駆動（逆駆動）が頻繁に発生する。例えば、ステージ２と４の加速時では動力循環が発生して出力プーリ５から入力プーリ３に動力が伝達される。また、ステージ１と３と５の状態でエンジンブレーキをかけたときにも出力プーリ５から入力プーリ３に動力が伝達される。ここで、金属製のベルト６を用いて無段変速装置を構成した場合には、トルク伝達のために必要なベルトを挟持する力（クランプ力）を発生させなければならないが、このクランプ力は、正駆動時と逆駆動時では適正な値が異なる事が知られている。すなわち、前述のような、入力プーリ３側から出力プーリ５へ動力を伝達する時と、逆の動力伝達が発生する時に、一側のプーリにおいては、正方向と逆方向の回転力が発生する。このとき正駆動時のクランプ力よりも逆駆動時のクランプ力は大きくなければならない。しかし、従来の機構では、正駆動時及び逆駆動時でのクランプ力は一定であることが多く、またクランプ力を変化させるためには、油圧などを用いることになるので、複雑な構成と制御が必要であった。そこで、本発明では、簡単な構成でクランプ力を変化させることが可能なカム機構４１を提供する。

本発明に係るカム機構４１について図２、図３乃至図５を用いて説明する。本実施例では、入力側（駆動側）にカム機構４１を設けた構成について説明する。入力プーリ３は固定シーブ１１と可動シーブ１２より構成されて、固定シーブ１１は入力軸２上に固設される。該固定シーブ１１のボス部１１ａ上に可動シーブ１２が軸方向に摺動自在に外嵌され、該固定シーブ１１と可動シーブ１２の間に金属ベルト６が巻回される。該可動シーブ１２の背面（図２では左側面）にはバネなどで構成した弾性体５０とカム機構４１が設けられており、該弾性体５０の一端は可動シーブ１２のボス部分１２ａに、他側端は固定シーブ１１のボス部１１ａ上に設けられたリング１１ｂによって支持されている。これにより可動シーブ１２は固定シーブ１１側に付勢され、クランプ力の一部となっている。

また、前記可動シーブ１２の背面側にはカム機構４１とプーリ幅調節機構５１が設けられ、ボス部１１ａ上のプーリ幅調節機構５１と入力プーリ３の間にカム機構４１が配置される。カム機構４１はカムプレート４３とコロ４２と押圧プレート４４からなり、カムプレート４３が可動シーブ１２に固設され、押圧プレート４４が支持体４５に固設されている。該支持体はベアリング４６を介してネジ体４７と連結されている。該ネジ体４７はナット体４８に螺装されるとともに、該ネジ体４７を図示しないモータ等のアクチュエータにより回動することにより、軸方向に摺動される。該ネジ体４７の摺動により可動シーブ１２が軸方向に摺動してプーリ幅を変更できるように構成している。つまり、無段変速装置を変速できる。一方、出力プーリ５の可動シーブ１４もバネ等の弾性部材により付勢され、プーリ幅調節機構５１により入力側可動シーブ１２を摺動させると、摺動側の可動シーブ１４は反対方向に摺動するようにしている。前記カム機構４１のカムプレート４３は、図３に示すように、側面視略ドーナツ状に構成されており、該カムプレート４３の可動シーブ１４と反対側の面には、複数のコロ４２を収納するためのコロ受け溝４３ａを穿設している。本実施例では４つのコロ４２・４２・４２・４２とコロ受け溝４３ａ・４３ａ・４３ａ・４３ａを設けている。コロ４２は円柱形または円錐台形に構成されており、該コロ４２の軸心はカムプレート４３の半径方向を向くように配置され、該コロ４２は円周方向に移動が可能となっている。

ここで、一つのコロ受け溝４３ａを例にとって説明する。コロ受け溝４３ａは側面視四角形または扇形に構成され、断面視Ｖ字状に構成される。コロ受け溝４３ａの谷部にコロ４２が位置し、該コロ受け溝４３ａの二つの斜面４３ｂ・４３ｃの傾斜角が異なる構成としている。すなわち、図４において左方向が正転とすると、正転側の斜面４３ｂの角度（傾斜角）θ２は、逆転側の斜面４３ｃの傾斜角θ１よりも大きく（θ２＞θ１）構成している。このような構成において、入力プーリ３が正転方向に回転したときに、コロ４２は逆方向に移動しようとして斜面４３ｃに乗り上げられるように移動する。一方、回転により金属ベルト６が引っ張られることにより中心側へ移動しようとし、その結果可動シーブ１２は押し広げられる側に移動しようとする。しかし、前記コロ４２は斜面４３ｃに乗り上げられるので、可動シーブ１２は狭める側に力がかかる。この両方の力が釣り合う位置で可動シーブ１２は停止する。逆転時の場合は、コロ４２は斜面４３ｂに乗り上げられるようになる。

従って、逆転時に乗り上げる斜面４３ｂの傾斜角が、正転時に乗り上げる斜面４３ｃの傾斜角よりも大きいため、押しつけトルクもそれに比例して大きくなる。つまり、正駆動時の入力プーリ３のクランプ力は逆転時のクランプ力より小さくすることが可能となり、回転方向と負荷に合わせたクランプ力を斜面角で設定することが可能となるのである。

また、カム機構４１の構成を、図６乃至図８に示すような、鋼球６１と該鋼球６１が転動するためのカム溝６２による構成とすることも可能である。該カム溝６２は側面視略菱形に構成されており、対角線の一方は半径方向に、他方の対角線は接線と平行に配置され、半径方向の対角線の長さは接線方向の対角線の長さよりも短く構成している。なお，カム溝の外形は直線であっても曲線であってもかまわない。そして、接線方向の対角線で切断した断面図において、前記同様に接線方向の対角線の傾斜角が正転側が逆転側よりも大きく構成している。また、カム溝６２の回転方向の幅が狭くなる割合は、正転側が逆転側よりも大きく構成している。つまり、正転側の対角線の長さは逆転側の対角線よりも短く構成している。

このように構成することにより、入力プーリ３の正駆動時に鋼球６１がカム溝６２より競りあがってくる割合が逆転時よりも小さくなり、逆転時のクランプ力は正転時のクランプ力よりも大きくすることができる。

また、図９乃至図１１に示すようにカム溝６３を鋼球の直径と同じ幅で、円弧（三日月）状に構成することも可能であり、この場合カム溝６３の底面に傾斜を設けて、深さを変化させることによっても可能である。この場合も前記と同様に、断面視において、カム溝６３の長手方向の中央から正転側の傾斜角は逆転側の傾斜角よりも大きく構成している。このように構成することにより、前記同様に、逆駆動時には正駆動時よりもクランプ力を大きくすることが可能となる。なお、コロによるカム機構、鋼球によるカム機構はともに、軸の回転方向によって、カム溝の配置を逆にすることも可能である。また、本実施例では入力側プーリにカム機構を設けているが、出力側プーリに設けることも可能である。また、入力側、出力側ともに設けることも可能である。

本発明の一実施例に係るベルト式無段変速装置及び動力系の動力伝達概略図。出力プーリの正面図。カム機構の右側面図。カム機構の正面断面図。カム機構の一部斜視図。鋼球を用いたカム溝幅の異なるカム機構の右側面図。鋼球を用いたカム溝幅の異なるカム機構の正面図。鋼球を用いたカム溝幅の異なるカム機構の一部斜視図。鋼球を用いたカム溝深さの異なるカム機構の右側面図。鋼球を用いたカム溝深さの異なるカム機構の正面断面図。鋼球を用いたカム溝深さの異なるカム機構の一部斜視図。副変速段におけるＣＶＴ変速比と総変速比の関係を表した図。

１ベルト式無段変速装置
２入力軸
３入力プーリ
４出力軸
５出力プーリ
６ベルト
１１固定シーブ
１２可動シーブ
１３固定シーブ
１４可動シーブ
４１カム機構
４２コロ
４３カムプレート
５０弾性体
６１鋼球
６２カム溝

Claims

ベルト式無段変速装置（１）を、入力軸（２）、入力側プーリ（３）、出力軸（４）、出力側プーリ（５）、ベルト（６）により構成し、該ベルト式無段変速装置（１）の後段に、入力軸（２）より入力された動力及び、前記出力軸（４）から出力する動力を合成するための複数の遊星歯車機構（２０・２１）と、該遊星歯車機構（２０）または遊星歯車機構（２１）より出力された合成動力を、更に変速する副変速装置（３１）を具備し、前記入力軸（２）に嵌設され、軸方向に相対移動可能な可動シーブ（１２）と軸に固定された固定シーブ（１１）からなる入力側プーリ（３）と、出力軸（４）に嵌設され、軸方向に相対移動し得る可動シーブ（１４）と軸方向に固定された固定シーブ（１３）からなる出力側プーリ（５）を備え、両プーリ（３・５）の間に金属のベルト（６）を巻回し、それぞれの軸に嵌設された可動シーブ（１２・１４）を軸方向に摺動することによって、プーリ幅を変更して無段階に変速可能なベルト式無段変速装置（１）を構成し、前記入力軸（２）または出力軸（４）の一方の軸に嵌設された可動シーブ（１２・１４）を付勢する付勢手段を設け、該付勢手段の付勢力を、入力側プーリ（３）から出力側プーリ（５）へと回転を伝える正駆動方向と、出力側プーリ（５）から入力側プーリ（３）へと回転を伝える逆駆動方向とで、異なるように構成したことを特徴とするベルト式無段変速装置。
請求項１に記載のベルト式無段変速装置において、前記付勢手段の付勢力を調整するカム機構（４１）を、一つの可動シーブの側面に配置したカムプレート（４３）のコロ受け溝（４３ａ）とコロ（４２）により構成し、該コロ受け溝（４３ａ）の谷部にコロ（４２）が位置し、該コロ受け溝（４３ａ）の二つの斜面（４３ｂ・４３ｃ）の傾斜角が異なる構成とし、正駆動方向の斜面（４３ｂ）の傾斜角（θ２）は、逆駆動方向の斜面（４３ｃ）の傾斜角（θ１）よりも大きく（θ２＞θ１）構成したことを特徴とするベルト式無段変速装置。
請求項１に記載のベルト式無段変速装置において、前記付勢手段の付勢力を調整するカム機構（４１）を、一つの可動シーブの側面に配置したカム溝（６２）と鋼球（６１）とにより構成し、該球（６１）が転動するカム溝（６２）の深さまたは幅を、正駆動方向と逆駆動方向で異なる構成としたことを特徴とするベルト式無段変速装置。