JP5257213B2

JP5257213B2 - ベルト式無段変速機

Info

Publication number: JP5257213B2
Application number: JP2009098464A
Authority: JP
Inventors: 一昭石浦; 勇仁服部; 朋亮柳田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2029-04-14
Also published as: JP2010249210A

Description

この発明は、プーリに巻き掛けたベルトを介して動力の伝達を行うベルト式無段変速機に関するものである。

ベルト式無段変速機は、互いに平行に配列された動力側に伝動可能に接続された入力軸と、駆動輪側に伝動可能に接続された出力軸と、入力軸と出力軸とにそれぞれ設けられたプーリとを備えている。このプーリに多数のエレメントと複数のリングとにより構成されたベルトを巻き掛けて、その接触面の摩擦力により動力を伝達する。また、プーリは固定シーブと可動シーブとが設けられており、可動シーブ背面側に設けられたポンプ機構の前後動により、プーリに形成されるＶ字状のプーリ溝間の距離が変更される。このため、プーリ溝間に巻き掛けられたベルトの巻き掛け半径が変わり、入力回転数と出力回転数との比、つまり変速比を変更することができる。その変速比を変更するために、可動シーブの軸線方向の移動を、可動シーブの背面側に設けられた油圧室の圧油の給排を制御することにより行う。なお、他方のプーリにおける可動シーブの背面側にも油圧室が設けられており、無段変速機に入力されるトルクに応じた油圧をその油圧室に供給することにより、入力トルクに応じた挟圧力、すなわち伝達トルク容量を設定する構成とされている。

このようなベルト式無段変速機の一例が特許文献１から４に記載されている。この特許文献１に記載されたベルト式無段変速機は、上記の構成・効果に加えて固定シーブと一体化されたシーブシャフトに軸方向の孔が設けられている。この孔にスリーブを介在させて、シーブシャフトの一方端からベルトの巻き掛け半径を変えるための作動油を供給する。また他方端からベアリングなどの潤滑のための潤滑油を供給する。そしてこの両端からの作動油による押圧力と潤滑油による押圧力とがスリーブに対してシーブシャフト軸線上で反対向きに作用する。その押圧力の作用の仕方によってスリーブが所定の位置に保持されるように構成されている。

また特許文献２に記載されたベルト式無段変速機は、ベルトを挟むプーリのＶ溝内でのベルトのすべりを防止するために、固定シーブと油圧により駆動する可動シーブとの挟圧力を上げる構造が設けられている。その構造とは駆動損失が増大する制御油圧を上げる手法ではなく、プライマリプーリとセカンダリプーリとの有効受圧面積を調整することにより、両プーリが協調して制御される構成が用いられている。

また特許文献３に記載されたベルト式無段変速機は、従動プーリ側に設けられた動力伝達機構によって、車両の牽引走行時、つまり動力源からトルクによって駆動プーリと従動プーリとが駆動するのではなく、車輪からの駆動プーリと従動プーリとに伝えられるトルクによって両プーリが駆動する際にその車輪側からの動力を遮断するように構成されている。その動力伝達機構は従動プーリにおいて従動プーリの可動フランジが従動プーリの固定フランジから強制的に引き離すための機構である。この機構により、従動プーリから駆動プーリに対しての動力の伝達を遮断して、その結果トランスミッションで回転が生じず、各部品の損傷を抑制する。

さらに特許文献４に記載されたベルト式無段変速機は、プーリ軸と可動シーブとが動力伝達可能かつ軸方向に摺動可能とするためのボールスプラインおよびボールスプラインが収容される半球形状の溝による点接触結合に代わる構成となっている。その構成とは、プーリ軸側と可動シーブ側とに略円柱形状のローラが収容される断面矩形状もしくは断面Ｖ形状の溝を設けて、そのローラが複数収容されるものである。これによりスプライン結合において点接触結合から面接触結合もしくは線接触結合となり、点接触結合で発生する応力集中を低減できる。

特開２００８−２２３９０３号公報特開２００５−２７３７３０号公報特開２００１−１０８０３３号公報特開２００１−１６５２５４号公報

しかしながら特許文献１から４に記載されているベルト式無段変速機の油圧アクチュエータもしくは油圧サーボ機構では、プーリの可動シーブ裏面の外周部のみではなく内周部も油圧により付勢される。これにより、例えば外周部のみもしくは外周部が集中的に付勢される場合に比較して、ベルトがプーリの外径側に巻き付きついている際などに、ベルトの反力による可動シーブのいわゆる倒れが大きくなってしまい、いわゆるエレメントの沈み込みおよびエレメントとプーリとの下当り接触が生じてしまう虞がある。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、可動シーブの倒れを抑制することができるプーリを備えたベルト式無段変速機を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、外周面に第１段差部を介して外径が相対的に大径の大径部分と小径の小径部分とが形成された回転軸と、前記回転軸と一体化された固定シーブと軸線方向で該固定シーブに対して前後動するように前記回転軸の前記大径部分および前記小径部分に嵌合し摺接し、かつ前記大径部分と嵌合する第１内径部と前記小径部分と嵌合しかつ内径が前記第１内径部の内径より小さい第２内径部とによって形成された第２段差部を有する可動シーブとからなるプーリと、前記プーリに巻き掛けられかつ前記固定シーブと前記可動シーブとによって挟み付けられたベルトと、前記可動シーブの背面側に設けられかつ該可動シーブを前記固定シーブに向けて押圧する油圧アクチュエータとを備え、前記プーリに巻き掛けられた前記ベルトの巻掛け半径を変化させることにより変速を行うベルト式無段変速機において、前記可動シーブは、該可動シーブにおける軸線方向の端部を形成しかつ前記回転軸の前記小径部分に嵌合する円筒状のボス部と、該可動シーブの背面における外周側の部分に形成されかつ軸線方向に突出する張り出し部とを含み、前記油圧アクチュエータは、前記回転軸の前記小径部分と、前記可動シーブの端部を含む前記ボス部と、前記回転軸に嵌合しかつ前記可動シーブ側に開口した有底円筒状のシリンダ部材と、該シリンダ部材の内周面および該ボス部の外周面に前後動可能に接触するピストン部材とにより区画された第１油圧室を備え、前記可動シーブの背面のうち前記張り出し部より内周側の部分に前記固定シーブに向けた押圧力を受けない非押圧領域が設けられ、前記第１段差部を含む前記回転軸の外周面と前記可動シーブにおける第２段差部を含む該可動シーブの内周面とにより形成された第２油圧室には、前記第１油圧室に圧油を供給する油路を介して該圧油が供給され、前記可動シーブが嵌合する前記大径部分の前記回転軸の外径は、前記ボス部の最大外径よりも大きく形成され、前記第１油圧室からの圧力により軸線方向に移動する前記ピストン部材における推力は、該ピストン部材と当接する前記張り出し部に付与されるように構成されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、油圧アクチュエータにより可動シーブへ伝えられる押圧力が、可動シーブの背面における外周側の部分に設けられた張り出し部を介し、その張り出し部より内周側の部分にその押圧力を受けない非押圧領域が設けられていることにより、相対的に可動シーブの背面における外周側の部分に押圧力が加えられる。この押圧力により固定シーブに一体化された回転軸を摺動してその軸線方向に可動シーブが移動する。そのため、ベルトを構成するエレメントとの接触位置を支点にしたシーブ下側部分の変形や、それに伴う可動シーブにいわゆる倒れが生じない。

また、可動シーブにおける段差部が第２油圧室の圧油により受ける軸線方向の押圧力が、可動シーブの端部を含むボス部が第１油圧室の圧油により受ける軸線方向の押圧力より大きいため、シーブの倒れと反対方向の力が作用し、シーブの倒れを回避もしくは抑制することができる。それに伴い、エレメントの沈み込みやエレメントの傾きが要因となる、いわゆる下当り接触などの現象が回避もしくは抑制されてトルク容量の低下や燃費の悪化を防ぐことができる。このような効果を奏するとともに、その製品化においてプーリの大型化や高剛性化をせずにシーブ倒れを抑制でき、そのため、コスト・重量の増加なくトルク容量や燃費を向上できる。

この発明のプーリの第１の構成例において、プーリシャフト中心軸線の上方側の部分の縦断面図である。この発明のプーリにおけるシーブ倒れの一例を表す概略図である。従来のプーリの構成例において、プーリシャフト中心軸線の上方側の部分の縦断面図である。従来のプーリにおけるシーブ倒れの一例を表す概略図である。

つぎに、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１はこの発明の無段変速機における入力側のプーリ（プライマリプーリ）１を示しており、ここに示すプーリ１は、回転軸（プーリシャフト）２と一体化されている固定シーブ３とこれに対向するように前記プーリシャフト２に嵌合させられた可動シーブ４とによって構成されている。これらのシーブ３，４の対向面は、テーパ状に形成され、これらのテーパ面によって、ベルト５を巻き掛ける（挟み込む）巻き掛け溝６が形成されている。なお、ベルト５は、従来のものと同様の構成であって、姿勢を揃えて環状に配列した多数のエレメントにリング（フープ）を巻き掛けて結束して構成されている。

上記の可動シーブ４の背面側（図１の左側）には、可動シーブ４側に開口したシリンダ部材７が配置されており、前記プーリシャフト２に嵌合している前記可動シーブ４のボス部８がそのシリンダ部材７の内部に挿入されている。そして、このボス部８の外周面と前記シリンダ部材７の内周面に前後動自在に接触したピストン部材９が設けられている。そのピストン部材９の内周部と外周部とにはシールリング１０が配置され、したがってシリンダ部材７の内部に油圧室１１が形成されている。

そして、前記可動シーブ４の背面における外周側の部分に前記ピストン部材９に向けた軸線方向に突出した張り出し部１２が形成されており、その張り出し部１２の先端部が前記ピストン部材９に当接させられている。したがって、ピストン部材９による推力が、張り出し部１２を介して、可動シーブ４の背面のうちその外周側の部分に作用するように構成されている。また、可動シーブ４の背面側で、その張り出し部１２と前記ボス部８との間の部分は解放空間となっており、可動シーブ４の背面における解放空間に相当する部分が、ピストン部材９から推力を受けない非押圧領域１３となっている。

前記プーリシャフト２にはその中心軸線に沿って油路１４が形成され、この油路１４から半径方向に向けて分岐した分岐油路１５，１６が形成されている。一方の分岐油路１５は、プーリシャフト２の外周面のうち前記ボス部８が嵌合している部分に開口しており、そのボス部８には半径方向に貫通した貫通孔が形成され、したがってこれら分岐油路１５および貫通孔を介して前記油圧室１１に圧油が供給されるようになっている。また、プーリシャフト２の外径は、可動シーブ４が嵌合している部分で大径であり、前記ボス部８が嵌合している部分で相対的に小径になっており、このように外径が変化する部分に段差部が形成されている。

そして、可動シーブ４およびそのボス部８の内径も、プーリシャフト２の外径に合わせて大小に変化しており、その結果、前記の段差部に密閉空間１７が形成されている。その密閉空間１７に他方の分岐油路１６が開口している。この密閉空間１７の構造は、図１に示すように可動シーブ４が嵌合して密閉空間１７を形成するプーリシャフト２の受け面Ａの外径Ｄが可動シーブ４のボス部８の最大外径ｄよりも相対的に大きい構造となっている。つまり可動シーブ４のボス部８の最大外径ｄとプーリシャフト２の受け面Ａの外径ＤとがＤ＞ｄの関係式を満たす構成となっている。またこのプーリシャフト２に設けられた受け面Ａと対面する可動シーブ４側に受け面Ｂが設けられている。

上記のようにプーリシャフト２に設けられた油路１４、分岐油路１５，１６、前記の段差部に形成された密閉空間１７、シリンダ部材７に形成された油圧室１１、シールリング１０、ピストン部材９などにより油圧アクチュエータ（押圧機構）１８が構成されている。なお、プーリシャフト２と可動シーブ４とは図示しないボールスプラインを介して前記可動シーブ４を滑らかに軸線方向に前後動させるように構成されている。また、符号１９，２０は軸受を示し、プーリシャフト２はこれらの軸受１９，２０によって回転自在に支持されている。さらにまた、プーリ１をプライマリプーリとしたが、プーリ１の形状などを調整することでセカンダリプーリにも本発明の構造を適用可能である。

つぎに、プーリ１の動作を図１に基づいて説明する。プーリ１には、上記に記載したように油圧アクチュエータ１８が形成されており、図示しない油圧ポンプと油圧制御装置とにより油圧が制御・供給される。供給された油圧はプーリシャフト２に設けられた油路１４から分岐油路１５を介し、さらにボス部８の半径方向に貫通した貫通孔からシリンダ部材７の内部に形成された油圧室１１にオイルが供給されるようになっている。そして供給されたオイルの油圧ポンプによる圧力と油圧室１１が回転運動することによるオイルの遠心力によって生じる圧力とが、可動シーブ４の背面の張り出し部１２に当接し、ボス部８に隔てられて設けられたピストン部材９に付与される。

ピストン部材９の圧力の受け面Ｃに付与された圧力は張り出し部１２とピストン部材９とが当接している面を介して伝達される。そしてピストン部材９と張り出し部１２とが当接し、可動シーブ４と一体化した状態で、油圧による可動シーブ４の前後動が行われる。また、プーリシャフト２に設けられた分岐油路１６にもオイルの油圧が供給され、分岐油路１６を介してプーリシャフト２と可動シーブ４の嵌合する段差部の密閉空間１７にオイルが供給される。この密閉空間１７に供給されるオイルの油圧が可動シーブ４の動作やシーブ倒れなどの挙動に影響を与える。

そして、可動シーブ４の前後動が行われると固定シーブ３と可動シーブ４との間に形成されるテーパ状の巻き掛け溝６の幅が変化する。巻き掛け溝６の幅が変化すると挟まれているベルト５の巻き掛け半径がプーリの狭圧力とベルト５の張力とによって変更される。このとき、プーリ１が摩擦伝動している状態でベルト５の巻き掛け半径が変更できるので連続的に変速比が変更される。そして、油圧による可動シーブ４の前後動が行われ、ベルト５に狭圧力を与える際に、可動シーブ４とベルト５のエレメントと固定シーブ３との接触面に互いに力が作用する。この可動シーブ４とベルト５のエレメントと固定シーブ３との接触面に力が作用することにより、いわゆるシーブ倒れが発生してしまう場合がある。

このシーブ３，４の倒れは固定シーブ３と可動シーブ４とに油圧による押圧力が作用することにより固定シーブ３と可動シーブ４とに変形が引き起こされることで発生する。これにより、ベルト５のエレメントが巻き掛け溝６の内周方向に沈み込んでしまう現象（エレメントの沈み込み）や、板片状のエレメントが油圧による押圧力によって作用するモーメントに起因して、その板面で回転もしくは傾いてしまう現象などが発生してしまう場合がある。またさらに、倒れ現象が発生することにより、図４に示すようなエレメントが固定シーブ３と可動シーブ４とで形成される巻き掛け溝６の内周側で接触する現象（下当たり接触）も発生してしまう場合がある。

通常、可動シーブ４の背面内周側にも油圧によるシーブを押す力が作用するような構成が一般的である。このような構成の場合、ベルト５がプーリ１の外周側に巻き掛けられている際に、ベルト５の巻き掛け溝６の外周側では固定シーブ３と可動シーブ４とベルト５のエレメントとに作用する力は互いの反力とベルト５の巻き掛け溝６の外周側で油圧アクチュエータ１８により作用する押圧力とにより均衡状態であるが、可動シーブ４の内周側で油圧アクチュエータ１８により作用する押圧力が付与されることにより、ベルト５のエレメントから両シーブ３，４が反力を受けて変形を起こしてしまう可能性が増大する。

本発明では、この両シーブ３，４が変形することによるシーブ倒れを回避もしくは抑制するために、可動シーブ４の背面側で、その張り出し部１２と前記ボス部８との間の部分に、ピストン部材９からの推力を受けない非押圧領域１３が設けられた構成となっている。また張り出し部１２は可動シーブ４の最外径側に設けられて、エレメントが可動シーブ４の外径側に当接した場合でも張り出し部１２の方が相対的に可動シーブ４の外径側に位置する構成が望ましい。これにより、ピストン部材９から推力を張り出し部１２が受けると、可動シーブ４はエレメントとの接触位置より下に力を受けなくなり、張り出し部１２に作用する押圧力とエレメントからの反力とよる偶力でシーブ倒れを抑制できる。また、シーブ倒れを抑制するために、シーブの構造を補強するためのプーリの重量やコストの増加がなくシーブ倒れを抑制できる。さらにシーブ倒れが抑制できるためトルクをロスなく伝達でき、燃費を上げることができる。

また、本発明の構成によると、プーリシャフト２の軸線上の可動シーブ４側から固定シーブ３側の方向を正，油圧をＰ，可動シーブ４のボス部８の最大外径はｄ，可動シーブ４が嵌合するプーリシャフト２の受け面Ａの外径もしくは可動シーブ側の受け面Ｂの外径をＤとすると、受け面Ｂに作用する押圧力は、
（Ｐ×π（（Ｄの２乗）−（受け面Ｂの内径の２乗））／４）・・・Ｉ式
となり（図１の矢印Ｉ）、ボス部８に作用する押圧力は、
（Ｐ×π（（ｄの２乗）−（ボス部８の内径の２乗））／４）・・・II式
となる（図１の矢印II）。Ｄ＞ｄであるから、つまり負の向きに絶対値
｜（Ｐ×π（（ｄの２乗）−（Ｄの２乗））／４）｜
の大きさの押圧力が作用する。さらに、シール部材１０の最大外径をＤｏｕｔとすると、可動シーブ４の張り出し部１２に作用する押圧力は、
（Ｐ×π（（Ｄｏｕｔの２乗）−（ｄの２乗））／４）・・・III式
である（図１の矢印III）。つまり正の向きに絶対値
｜（Ｐ×π（（Ｄｏｕｔの２乗）−（ｄの２乗））／４）｜
の大きさの押圧力が作用する。

上記のようにＤ＞ｄの関係が成り立つように構成されていることから、シーブ倒れを抑制できる。しかし図３に示すようにＤ＜ｄの関係が成り立つような構成（従来構成）とした場合、すなわち可動シーブ４のボス部８の最大外径ｄが可動シーブ４の受け面Ｂの外径Ｄよりも相対的に大きい場合であってもＩ式からIII式は同様に成り立つ。この場合、Ｉ式からIII式により可動シーブ４のボス部８に作用する押圧力と可動シーブの受け面Ｂに作用する押圧力とによる合力は一部互いに打ち消しあう。しかしボス部８の外径ｄが受け面Ｂの外径Ｄよりも相対的に大きいためにシーブ倒れを起こす方向に押圧力が作用する。つまり可動シーブ４の内周側で正の方向に力が可動シーブ４に対して作用する。さらに可動シーブ４のボス部８に作用する押圧力と可動シーブの受け面Ｂに作用する押圧力とによる力は作用線がずれていることにより発生する偶力が、シーブ倒れを起こす方向に作用してしまう。これにより、張り出し部１２とボス部８との間の部分にピストン部材９からの推力を受けない非押圧領域１３が設けられ、可動シーブ４が倒れを抑制するような偶力を受けることによるシーブ倒れ抑制効果が減少し、図４に示すような、シーブ倒れによるエレメントの下当たり接触が発生し易くなってしまう。なお図３は、図１とはボス部８の最大外径ｄと可動シーブ４の受け面Ｂの外径Ｄとの大きさの違いを除けばほぼ同一のため、同様の符号を付して説明した。

一方、本発明の構成によると図１に示すようにＤ＞ｄの関係が成り立っている。この本発明の構成によると、上述したようにＩ式からIII式により可動シーブ４のボス部８に作用する押圧力と可動シーブの受け面Ｂに作用する押圧力とによる合力は一部互いに打ち消しあう。そして可動シーブ４の受け面Ｂの外径Ｄが可動シーブ４のボス部８の最大外径ｄよりも相対的に大きいためにシーブ倒れを抑制する方向に押圧力が作用する。つまり可動シーブ４の内周側で負の方向に力が可動シーブ４に対して作用する。また、可動シーブ４のボス部８に作用する押圧力と可動シーブ４の受け面Ｂに作用する押圧力とによる力が作用線がずれていることにより発生する偶力は、シーブ倒れを抑制する方向に作用する。これにより図２に示すようにシーブ倒れを発生させる力と反対に力が作用するため、エレメント倒れを抑制できる状態、すなわちエレメントの上当たりの状態となる。

本発明では、上記のように可動シーブ４には張り出し部１２に作用する押圧力とボス部８に作用する押圧力と可動シーブ４の受け面Ｂに作用する押圧力とによる力とモーメントとが作用することになる。そのためシーブ倒れを抑制でき、さらにシーブの構造を補強するためのプーリの重量やコストの増加がなくシーブ倒れを抑制できる。さらにシーブ倒れが抑制できるためトルクをロスなく伝達でき、燃費を向上できる。

２…回転軸、３…固定シーブ、４…可動シーブ、８…ボス部、１２…張り出し部、１３…非押圧領域、１８…油圧アクチュエータ（押圧機構）。

Claims

外周面に第１段差部を介して外径が相対的に大径の大径部分と小径の小径部分とが形成された回転軸と、前記回転軸と一体化された固定シーブと軸線方向で該固定シーブに対して前後動するように前記回転軸の前記大径部分および前記小径部分に嵌合し摺接し、かつ前記大径部分と嵌合する第１内径部と前記小径部分と嵌合しかつ内径が前記第１内径部の内径より小さい第２内径部とによって形成された第２段差部を有する可動シーブとからなるプーリと、前記プーリに巻き掛けられかつ前記固定シーブと前記可動シーブとによって挟み付けられたベルトと、前記可動シーブの背面側に設けられかつ該可動シーブを前記固定シーブに向けて押圧する油圧アクチュエータとを備え、前記プーリに巻き掛けられた前記ベルトの巻掛け半径を変化させることにより変速を行うベルト式無段変速機において、
前記可動シーブは、該可動シーブにおける軸線方向の端部を形成しかつ前記回転軸の前記小径部分に嵌合する円筒状のボス部と、該可動シーブの背面における外周側の部分に形成されかつ軸線方向に突出する張り出し部とを含み、
前記油圧アクチュエータは、前記回転軸の前記小径部分と、前記可動シーブの端部を含む前記ボス部と、前記回転軸に嵌合しかつ前記可動シーブ側に開口した有底円筒状のシリンダ部材と、該シリンダ部材の内周面および該ボス部の外周面に前後動可能に接触するピストン部材とにより区画された第１油圧室を備え、
前記可動シーブの背面のうち前記張り出し部より内周側の部分に前記固定シーブに向けた押圧力を受けない非押圧領域が設けられ、
前記第１段差部を含む前記回転軸の外周面と前記可動シーブにおける第２段差部を含む該可動シーブの内周面とにより形成された第２油圧室には、前記第１油圧室に圧油を供給する油路を介して該圧油が供給され、
前記可動シーブが嵌合する前記大径部分の前記回転軸の外径は、前記ボス部の最大外径よりも大きく形成され、
前記第１油圧室からの圧力により軸線方向に移動する前記ピストン部材における推力は、該ピストン部材と当接する前記張り出し部に付与されるように構成されていることを特徴とするベルト式無段変速機。