JP5465715B2 - 車両のドライブトレインの無段変速機 - Google Patents

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Description

本発明は、請求項1の前提部分に詳しく定義した種類に係る、速度可変器と変速歯車装置を備えた、車両のドライブトレインの無段変速機に関する。
特許文献1から、出力分岐式無段変速機が知られている。この出力分岐は変速機入力側に配置された遊星歯車装置を介して行われる。変速機の第1出力経路には遊星歯車装置の太陽歯車からトルクが供給され、第2出力経路には遊星歯車装置の内歯歯車からトルクが供給される。遊星歯車装置の太陽歯車は平歯車装置を介して速度可変器の第1軸に作用連結されている。速度可変器の第2軸は本例では補助変速機として形成された変速歯車装置に連結されている。この変速歯車装置の範囲において、変速機の両出力経路を経て案内されるトルクが合流し、変速機出力部を経て変速機から外に案内される。
この変速機は大きな構造的スペースを必要とするという欠点がある。なぜなら、変速歯車装置が遊星歯車装置と速度可変器との間に配置されているからである。さらに、遊星歯車装置の太陽歯車と速度可変器の第1軸との間の作用連結を、不所望な長い連結軸で行わなければならない。この連結軸は構造的に複雑で製作コストが高い軸受によってのみ変速機で使用可能である。
米国特許出願公開第2006/0183590A1号明細書
そこで、本発明の根底をなす課題は、構造が簡単で、必要な構造的スペースが少なくてすみ、そして低コストで製作可能である無段変速機を提供することである。
この課題は本発明に従い、請求項1の特徴を有する無段変速機によって解決される。
複数の変速範囲の変速を無段階に実施することができる速度可変器および変速歯車装置と、第1軸の範囲において変速機入力部に作用連結され、第2軸の範囲において変速歯車装置に作用連結されそして第3軸の範囲において速度可変器に作用連結されている遊星歯車装置とを備え、伝達すべきトルクが少なくとも2つの出力経路を経て変速機入力部と変速機出力部との間で案内可能であり、速度可変器が両出力経路の一方に配置されている、車両ドライブトレインの本発明に係る無段変速機において、変速歯車装置は速度可変器と変速機出力部との間に配置されている。
本発明に従って変速歯車装置を速度可変器と変速機出力部との間に配置したことにより、遊星歯車装置と速度可変器との間の作用連結部を、従来技術によって知られている変速機と比較して、短い連結軸によって形成可能であり、この連結軸の軸受は構造的に簡単にかつ低コストで形成可能である。
本発明に係る無段変速機はさらに、変速歯車装置の提案した配置により、公知の変速機と比べて構造がコンパクトであり、従って必要な構造的スペースが少なくてすむ。
本発明に係る無段変速機の有利な発展形態では、遊星歯車装置の第1軸が内歯歯車として形成されている。それによって、本発明による変速機は特許文献1によって知られている変速機と比較して、変速適合性が改善されるという利点がある。
本発明による無段変速機の速度可変器は、他の実施形態において、巻掛け式速度可変器または摩擦車式速度可変器または他の構造の速度可変器、例えばハイドロスタットとして形成されている。それによって、いろいろな種類の速度可変器の特別な利点がその都度の用途に依存して使用され、その都度用途に合わせて利用可能である。例えば、要求に従って本発明の変速機によって広い回転数範囲がカバーされるときには、速度可変器が、例えば、摩擦車式速度可変器として形成される。
低コストで製作可能で、構造が簡単でそして必要な構造的スペースが少なくてすむ本発明に係る無段変速機の実施形態は、速度可変器の軸の1本が変速機主軸上に配置されていることを特徴とする。というのは、変速機を経て案内すべきトルクが、付加的な歯車段なしに、遊星歯車装置から速度可変器に伝達可能であるからである。
本発明に係る無段変速機の他の低コストの実施形態では、変速歯車装置が領域的に巻回式ギヤユニットとして形成されている。この巻回式ギヤユニットにより、従来の変速歯車装置と比較して、少数の歯車で少なくとも同じ数の変速段を形成することができる。
同様に構造的スペース的およびコスト的に有利で構造的に簡単である本発明の無段変速機の実施形態は、伝達すべきトルクが一つのギヤレンジにおいて一方の出力経路だけを経て案内されることを特徴とする。変速機のこの実施形態は、実際に知られている変速機と比べて、同様に歯車の数が少ないという利点がある。
本発明の無段変速機を経て案内すべきまたは伝達すべきトルクは、本発明の無段変速機の有利な発展形態では、遊星歯車装置の範囲において両出力経路に分割可能であり、かつ変速歯車装置の範囲において合流可能である。
低コストで製作可能でかつ良好な効率で運転可能である本発明の無段変速機の実施形態は、ギヤレンジを切換えるために設けられたかみ合い式のシフトエレメントを備えている。
特に発進過程のために設けられた第1ギヤレンジにおいて大きな発進トルクを提供できるようにするために、変速機の有利な発展形態では、歯車装置の第3軸と速度可変器との間の作用連結部が少なくとも1個の平歯車段によって形成されている。
本発明の他の効果および有利な発展形態は、特許請求の範囲と、図を参照して原理的に説明する実施形態とから明らかになる。実施形態の説明において、わかりやすくするために、構造的および機能的に同じ部品には、同じ参照符号が用いられている。
本発明に係る無段変速機の第1の実施形態の伝動機構を示す。 速度可変器の軸が変速機主軸上に配置されている、本発明に係る変速機の第2の実施形態を示す。 摩擦車式速度可変器を備えた本発明に係る変速機の第3の実施形態の伝動機構を示す。 摩擦車式速度可変器として形成された速度可変器の軸が変速機主軸上に配置されている、変速機の第4の実施形態の、図1と同様な図である。 プラス遊星歯車列を備えた変速機の第5の実施形態の伝動機構を示す。 速度可変器の軸が変速機主軸上に配置されている、変速機の第6の実施形態を示す。 遊星歯車装置の内歯歯車と遊星キャリアが相対回転しないように互いに連結可能である第7の実施形態の伝動機構を示す。 遊星歯車装置の遊星キャリアが相対回転しないように形成可能である、本発明に係る変速機の第8の実施形態の伝動機構を示す。 摩擦車式速度可変器を備えた、本発明に係る変速機の第9の実施形態を示す。
図1には、車両ドライブトレイン1がきわめて簡略化して示してある。この車両ドライブトレインは駆動機械2、発進要素3、変速機4および被駆動装置5を備えている。駆動機械2と、本例では摩擦クラッチとして形成された発進要素3との間には、いわゆる振動減衰器6が配置されている。この振動減衰器によって、本例では内燃機関として形成された駆動機械2の回転むらを減衰させることができる。
変速機4は出力分岐式無段変速機として形成されている。この出力分岐式無段変速機は、変速機入力側に、マイナス遊星歯車列として形成された遊星歯車装置7を備え、出力側に変速歯車装置9を備えている。この変速歯車装置9は、本例では巻掛け式速度可変器として形成された速度可変器8と、変速機出力部10または車両ドライブトレイン1の被駆動装置5との間に配置されている。
内歯歯車として形成された、遊星歯車装置7の第1軸11は、変速機入力軸12、発進要素3および振動減衰器6を介して、駆動機械2に連結されている。それによって、駆動機械2の駆動トルクが変速機入力軸12と内歯歯車11を経て変速機4に伝達される。
駆動機械2の駆動トルクの一部は、内歯歯車11にかみ合う遊星歯車13と、本例では遊星キャリアとして形成された遊星歯車装置7の第2軸14とを経て、遊星歯車装置7の第2軸14に相対回転しないように連結された変速機主軸15に、変速歯車装置9に向けて伝達される。
同時に、遊星歯車装置7は、本例では太陽歯車として形成された第3軸16と、互いにかみ合う3個の歯車17、18および19を有する平歯車装置20とを介して、速度可変器8の第1軸21に作用連結されている。この速度可変器は本例では変速機主軸15に対して平行に離隔されて配置されている。
速度可変器8の第2軸22は変速歯車装置9のカウンタシャフト23に連結されている。このカウンタシャフトには、シフトエレメント24、25を介してカウンタシャフト23に相対回転しないように連結可能な多数の遊び歯車26〜29が回転可能に軸承されている。シフトエレメント24、25は本例では、その都度の用途に依存して好ましくは爪、シンクロ機構あるいはそれぞれ1個のドッグクラッチおよび付加的なシンクロ機構からなる組み合わせ体であるかみ合い式シフトエレメントとして形成されている。
遊び歯車26は他のカウンタシャフト30に相対回転しないように連結された歯車31にかみ合っている。一方、遊び歯車27は中間歯車にかみ合っている。この中間歯車は同様に他のカウンタシャフト30に相対回転しないように連結された歯車33にかみ合っている。遊び歯車28、29は変速機主軸15に相対回転しないように連結された歯車34、35にかみ合っている。他のカウンタシャフト30には付加的な歯車36が相対回転しないように連結されている。この歯車は変速機主軸15に相対回転しないように連結された他の歯車37にかみ合っている。
変速機4によって、前進走行のための3つのギヤレンジと、後退走行のための1つのギヤレンジを実施することができる。この場合、本実施形態では巻掛け式速度可変器として形成された速度可変器8を介して、ギヤレンジの変速範囲にわたって無段変速される。変速機4のギヤレンジ間の切換えは両シフトエレメント24、25を介して行われる。その際、遊び歯車27がシフトエレメント24を介してカウンタシャフト23に相対回転しないように連結されるときに、前進走行のための第1ギヤレンジが変速機4内で入れられる。第2ギヤレンジはシフトエレメント25を介してカウンタシャフト23に相対回転しないように連結することによって変速機4内で入れられる。一方、第3ギヤレンジは、遊び歯車28がシフトエレメント25を介してカウンタシャフト23に相対回転しないように連結される際に使用に供される。後退走行のためのギヤレンジは、遊び歯車26がシフトエレメント24を介してカウンタシャフト23に相対回転しないように連結されるときに、変速機4内で入れられる。
前進走行のための3つのギヤレンジ間の切換えの際にも、変速機4の変速比を無段階に変更できるようにするために、速度可変器はシフト過程中に必ずしもリセットされるというわけではない。それによって、ギヤレンジ間の切換えは同期して行われない。
変速機4のギアケース内における、遊星歯車装置7、平歯車装置20および速度可変器8の上述の空間的な配置は、基本的には自由に選定可能である。この場合、遊星歯車装置7の第3軸16または太陽歯車の領域における、遊星歯車装置7と平歯車装置20との間の連結または遊星歯車装置7と速度可変器8との間の連結は、ほぼ同じようなやり方で行われる。
図2〜図9には、変速機4の他の実施形態が示してある。この変速機はそれぞれその一部範囲が図1に示した変速機4の第1の実施形態と異なっている。従って、図2〜図9に関する次の説明において、変速機4の個々の実施形態間の違いについて述べる。変速機4の基本的な作用については、図1に関する説明が参照される。
図2に示した変速機4の実施形態の場合には、速度可変器8の第1軸21が変速機主軸15上に直接配置され、遊星歯車装置7の第3軸16または太陽歯車に連結されている。それによって、図1の変速機の平歯車装置20が不要であり、そして図2の変速機4は半径方向の必要な構造的スペースが少なくてすみ、全体重量が軽く、低コストで製作可能である。
図3に示した変速機4の第3の実施形態は、図1と図2に示した両実施形態と異なり、摩擦車式速度可変器として形成された速度可変器8を備えている。この速度可変器の第1軸21と第2軸22はカウンタシャフト23に対して同軸に配置されている。遊星歯車装置7の第3軸16を速度可変器8の第1軸21に連結する平歯車装置20は歯車または中間歯車18を備えていない。従って、図3の変速機4は同様に、図1の実施形態よりも、半径方向の必要な構造的スペースが少なくてすむ。
図4に示した変速機4の実施形態は同様に、変速機主軸15上に配置された摩擦車式速度可変器を備えている。この場合、速度可変器8の第2軸22は、第1平歯車39と第2平歯車40を有する他の平歯車装置38を介して、変速歯車装置9のカウンタシャフト23に作用連結されている。変速機4の第4の実施形態は図1に示した変速機4の第1の実施形態と比較して、半径方向の必要な構造的スペースが少なくてすむ。
図5は、変速機4の第5の実施形態を示す。この実施形態の場合、プラス遊星歯車列として形成された遊星歯車装置7の第3軸16は 平歯車装置20を介して、巻掛け式速度可変器として形成された速度可変器の第1軸21に連結されている。この平歯車装置20は図1の平歯車装置20と比較して、同様に中間歯車18を備えていない。遊星歯車装置7は、本例では、中間歯車18によって達成される回転方向逆転を、この遊星歯車装置7の範囲において既に達成するために、二重遊星歯車13A、13Bを備えている。
さらに、図5の変速歯車装置9は、図1〜図4の変速機4の実施形態の変速歯車装置9と異なり、巻回式ギヤユニットと3個のシフトエレメント41、42、43を備えている。カウンタシャフト23上に配置された遊び歯車44、45、46、47はシフトエレメント41を介してカウンタシャフト23に相対回転しないように連結可能であり、一方、変速機主軸15上に配置された遊び歯車48、49、50はシフトエレメント42を介してこの変速機主軸に相対回転しないように連結可能である。シフトエレメント43は変速機主軸15上に配置された遊び歯車51と変速機主軸15とを相対回転しないように連結するために設けられている。遊び歯車45、46、47と遊び歯車48、49はそれぞれ、中空軸52、53を介して相対回転しないように互いに連結され一方、遊び歯車44〜50、51は別個の歯車として形成されている。カウンタシャフト23上に配置された遊び歯車44は中空軸53を介して遊び歯車49に相対回転しないように連結された遊び歯車48にかみ合い、一方、遊び歯車45は遊び歯車49にかみ合っている。遊び歯車46は遊び歯車50にかみ合い、遊び歯車47は中間歯車54を介して遊び歯車51に作用連結されている。
遊び歯車44がシフトエレメント41を介してカウンタシャフト23に相対回転しないように連結され、同時に遊び歯車50がシフトエレメント42を介して変速機主軸15に相対回転しないように連結されると、変速機4において前進走行用の第1ギヤレンジが入れられる。変速機4において前進走行用の第2ギヤレンジを入れるためには、遊び歯車45がシフトエレメント41を介してカウンタシャフト23に相対回転しないように連結され、遊び歯車50がシフトエレメント42を介して変速機主軸15に相対回転しないように連結される。前進走行用の第3ギヤレンジは、遊び歯車49がシフトエレメント42を介して変速機主軸15に、そして遊び歯車45がシフトエレメント41を介してカウンタシャフト23に相対回転しないように連結されるときに入れられる。後退走行用のギヤレンジを入れる要求があると、遊び歯車44がシフトエレメント41を介してカウンタシャフト23に相対回転しないように連結され、遊び歯車51がシフトエレメント43を介して変速機主軸15に相対回転しないように連結される。
図6に示した変速機4の第6の実施形態は、速度可変器8の第1軸21が変速機主軸15上に直接配置され、遊星歯車装置7と速度可変器8との間でのトルクの伝達が平歯車装置20なしに行われる点が、図5に示した変速機4の第5の実施形態と異なっている。それによって、図6に示した変速機4の実施形態は、半径方向における必要な構造的スペースが図5の変速機4よりも少なくてすむ。
図7には、図5に示した変速機4の第5の実施形態の発展形態が示してある。図7の変速機の場合には、遊星歯車装置7の第1軸11または内歯歯車がシフトエレメント55を介して遊星歯車装置7の第2軸14または遊星キャリアに相対回転しないように連結可能である。ロックされた遊星歯車装置7またはロックされた入力差動装置によって、変速機4の付加的なダイレクトドライブ(Direktgang)が簡単かつ低コストで達成可能である。
図8に示した変速機4の第8の実施形態は、変速歯車装置9の他の実施形態を備えている。遊星歯車装置7の遊星キャリア14は付加的に、シフトエレメント56を介してハウジング固定部品57に作用連結可能であるので、運転状態に依存してハウジング側に支持可能である。それによって、変速機4における前進走行用の第1ギヤレンジと後退走行用のギヤレンジがそれぞれ、出力分岐せずにダイレクトドライブとして形成可能である。遊星歯車装置7は一定の変速比として使用される。そのために、遊星キャリア14は変速機4のハウジング57に相対回転しないように連結される。
前進走行用と後退走行用のギヤレンジを入れるために、変速歯車装置9はカウンタシャフト23上に配置された多数の遊び歯車58、59、60と、変速機主軸15上に相対回転しないように配置された3個の歯車61、62、63を備えている。この場合、歯車61は遊び歯車58にかみ合い、遊び歯車59は歯車62にかみ合っている。遊び歯車60は中間歯車64を介して歯車63に作用連結されている。
遊び歯車58、59はシフトエレメント65を介して、そして遊び歯車60は他のシフトエレメント66を介してカウンタシャフト23に相対回転しないように連結可能である。前進走行用の下側ギヤレンジまたは第1ギヤレンジを入れるためには、遊星歯車装置7の遊星キャリア14とハウジング固定部品57との相対回転しない連結のほかにさらに、シフトエレメント65を介して遊び歯車59をカウンタシャフト23に相対回転しないように連結すべきである。
すべての実施形態において中間のギヤレンジである前進走行用第2ギヤレンジを入れるためのシフト要求があると、変速機主軸15の遊星歯車装置側の第1部分15Aを、シフトエレメント56の領域において、変速機主軸15の変速機出力側の第2部分15Bに相対回転しないように相互連結すべきである。同時に、遊び歯車59はシフトエレメント65を介してカウンタシャフト23に連結すべきである。シフトエレメント56のこのシフト位置において、遊星歯車装置7の遊星キャリア14はハウジング固定部品57から連結解除されている。
図8の変速機4において第2ギヤレンジの次の前進走行用第3ギヤレンジを入れるためには、シフトエレメント56の領域において互いに分離された変速機主軸15の両部分15A、15Bを相対回転しないように互いに連結し、さらにシフトエレメント65を介して遊び歯車58をカウンタシャフト23に相対回転しないように連結すべきである。後退走行用ギヤレンジを入れるために、シフトエレメント56を介して遊星キャリア14をハウジング固定部品57に連結し、同時にシフトエレメント66を介して遊び歯車60をカウンタシャフト23に連結すべきである。
シフトエレメント56のこのシフト位置において、変速機主軸15はシフトエレメント56の領域において分離されている。それによって、変速機入力軸12を経て伝達されて来る駆動機械2の駆動トルクの全部が速度可変器8を経て変速歯車装置9に伝達され、被駆動装置5の方向に、すなわち、出力を分岐しないで、さらに伝達される。
図9に示した変速機4の第9の実施形態は速度可変器8の領域が図8に示した変速機4の実施形態と異なっている。この速度可変器は摩擦車式速度可変器として形成され、変速機主軸15から離隔され、そしてカウンタシャフト23に対して同軸に配置されている。
図に示した本発明に係る変速機のすべての実施形態は、高トルクのトラックエンジンと組み合わせ可能である多数のギヤレンジを備えた無段変速機の原理的な実施可能性を示している。通常はトラックエンジンによって発生するトルクよりも小さなトルクを伝達可能である巻掛け式速度可変器の使用は、遊星歯車装置の範囲における上記の出力分割によって可能である。
出力分割と、変速機のギヤレンジ間の切換えを同期して行わずに、2つのギヤレンジ間の切換え中速度可変器を完全にリセットするという方策とにより、速度可変器の範囲の負荷が、出力を分割しない公知の無段変速機と比べて大幅に低減される。
さらに、本発明に係る変速機は高い効率で運転可能である。というのは、いろいろなギヤレンジが少数の歯かみ合いによって実施可能であるからである。この場合、変速機を備えた車両ドライブトレインの駆動機械の燃料消費は、実際に知られている車両ドライブトレインと比べて減少する。
駆動機械の駆動部と速度可変器との間に遊星歯車装置を配置したことに基づいて、速度可変器を経て伝達されるトルクは、遊星歯車装置の変速比を適切に設計すると、公知の変速機と比較して低減され、そして回転数が増大する。それによって、速度可変器の範囲の負荷が低減される。変速歯車装置の範囲内の変速段は好ましくは、頻繁に使用されるオーバードライブ変速において、変速機4を経て案内される出力の大部分が速度可変器8を経て伝達されないように設計されている。
巻掛け式速度可変器または摩擦車式速度可変器としての速度可変器の図示実施形態のほかに、その都度の用途に依存して、速度可変器の前述の機能を実施するための速度可変器の他の適切な構造形式を使用することができる。
1 車両ドライブトレイン
2 駆動機械
3 発進要素
4 変速機
5 被駆動装置
6 振動減衰器
7 遊星歯車装置
8 速度可変器
9 変速歯車装置
10 変速機出力部
11 遊星歯車装置の第1軸、内歯歯車
12 変速機入力軸
13 遊星歯車
14 遊星歯車装置の第2軸、遊星キャリア
15 変速機主軸
15A 変速機主軸の第1部分
15B 変速機主軸の第2部分
16 遊星歯車装置の第3軸、太陽歯車
17〜19 歯車
20 平歯車装置
21 速度可変器の第1軸
22 速度可変器の第2軸
23 カウンタシャフト
24、25 シフトエレメント
26〜29 遊び歯車
30 他のカウンタシャフト
31 歯車
32 中間歯車
33〜35 歯車
36 付加的な歯車
37 他の歯車
38 他の平歯車装置
39 第1平歯車
40 第2平歯車
41〜43 シフトエレメント
44〜51 遊び歯車
52、53 中空軸
54 中間歯車
55、56 シフトエレメント
57 ハウジング固定部品
58〜60 遊び歯車
61〜63 歯車
64 中間歯車
65、66 シフトエレメント

Claims (10)

  1. 複数の変速範囲の変速を無段階に実施することができる速度可変器(8)および変速歯車装置(9)と、第1軸(11)の範囲において変速機入力部(12)に作用連結され、第2軸(14)の範囲において前記変速歯車装置(9)に作用連結されそして第3軸(16)の範囲において前記速度可変器(8)に作用連結されている遊星歯車装置(7)とを備え、伝達すべきトルクが少なくとも2つの出力経路を経て前記変速機入力部(12)と変速機出力部(10)との間で案内可能であり、前記速度可変器(8)が前記両出力経路の一方に配置されている、車両ドライブトレイン(1)の無段変速機(4)において、
    前記変速歯車装置(9)が前記速度可変器(8)と前記変速機出力部(10)との間に配置されており、その際、前記遊星歯車装置(7)の第2軸(14)が遊星キャリアとして形成されており、および変速機主軸(15)と相対回転しないように形成可能であることを特徴とする無段変速機(4)。
  2. 前記遊星歯車装置(7)の前記第1軸(11)が内歯歯車として形成されていることを特徴とする請求項1に記載の無段変速機。
  3. 前記速度可変器(8)が巻掛け式速度可変器または摩擦車式速度可変器として形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の無段変速機。
  4. 前記速度可変器の軸(21)の少なくとも1本が変速機主軸(15)上に配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の無段変速機。
  5. 変速歯車装置(9)が少なくとも1個のコイルタイプギヤユニットを備えていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の無段変速機。
  6. 達すべきトルクが1つのギヤレンジにおいて一方の出力経路だけを経て案内されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の無段変速機。
  7. 伝達すべきトルクが前記遊星歯車装置(7)の範囲において両出力経路に分割可能であり、かつ前記変速歯車装置(9)の範囲において合流可能であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の無段変速機。
  8. ギヤレンジを切換えるために、かみ合い式のシフトエレメント(24、25;41、42、43;56、65、66)が設けられていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の無段変速機。
  9. 前記遊星歯車装置(7)の第3軸(16)と前記速度可変器(8)との間の作用連結部が少なくとも1個の平歯車段(20)によって形成されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の無段変速機。
  10. 前記遊星歯車装置(7)の第3軸(16)が太陽歯車として形成されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の無段変速機。
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