JP5645313B2 - 無段変速機 - Google Patents

Description

本発明は差動装置と同期式トルク伝達機構と備え、トルク不可による負帰還型の無段変速機に関する。

特許文献第４０３９３６６号公報の無段変速機は強靱な特殊鋼を数枚を重ね合わせて形成したスチールベルトに、金属製のコマをびっしりと填め込んだもので、プーリからの駆動力は隣り合ったコマからコマへの圧力として伝達され、スチールベルトは従属的なガイドとして動作する。

特許文献第４８７５７３２号公報の無段変速機は出力側であるセカンダリープーリに遊星歯車式の副変速機を設置している。この副変速機は前進２段の変速機能と前後進切替機能を持ち、従来のスチールベルト式無段変速機では入力側であるプライマリープーリと動力断続用のクラッチ機構との間に設置されていた前後進切替用遊星歯車の役割も有している。

特許文献第４１４５７０７号公報の無段変速機はスチールベルト式よりも、低速側・高速側の変速比における伝達効率が良く、またプーリ巻きかけ半径を小さく出来るため、プーリ径を小型化し、同じ体格で変速比を拡大できる。ただし、ピンとプーリが点接触して動力を伝達するため、面で接触するスチールベルト式よりも更に騒音が大きくなりがちである。

特許文献第４０３５３１７号公報のトロイダル無段変速機はフリクションドライブを高度に発展させた形態である。入力側と出力側の２枚のディスクが平行に配置され、その間に複数のコマ型のパワーローラが強い力で挟まれている。パワーローラの傾斜角を変化させるとそれに応じて２枚のディスクの回転数の比も変化し、可変変速比が得られる。

特許文献第４６８６８９９号公報の無段階変速機はエンジンの動力増幅を、一般的な機械式減速機構と発電機とモータの電気制御によって行い、変速は１組の遊星歯車のみによって実現される。発電機、エンジン、モータの回転数は共線図上では直線で表され、エンジンのクランクシャフトはプラネタリーキャリアに発電機はサンギヤにそれぞれ接続されており、モータと車輪は機械的に直結されアウトプットギアに接続されている。このため、車輪が回転している時は常にモータも回転し、車輪と直結であることから発進時の駆動力を確保するために必然的に高トルク仕様のモータを必要とする。

特許文献第４７６２５８８号公報の無段変速機はエンジンで油圧ポンプを駆動して発生させた油圧を油圧モータで再び回転力に変換する方式で、油圧ポンプのピストンの作動ストロークをそのピストンに接する斜板の角度を変化させることによって、作動油の流量を連続的に増減させて速度の調節を行う。

特許文献第４０１２４０１号公報の無段変速機は駆動する動力の全てを一旦油圧に変換する静油圧式無段変速機とは異なり、遊星歯車と静油圧式無段変速機を組み合わせて構成されている。例えばサンギヤを入力軸、プラネタリギヤを出力軸とし、リングギヤの回転を静油圧式無段変速機で無段階にコントロールすることによって自在に減速比を制御することができ、静油圧式無段変速機の無段変速のメリットを生かしつつも変速機全体での伝達効率を高めている。

特許文献第３６５８６６３号公報の無段変速機は、摺動可能なクラッチとプラネタリギヤとで構成さ無段階な自動変速機である。トルクコンバータ及びカップリングを備えクラッチ機能に加えトルクが蓄力機能も兼ねている。油圧機構やブレーキバンド等は一切不要であるため、部品数が極端に少なくて済み、車速とエンジン回転数に応じ変速比が変る。又、トルクコンバータ、ポンプとタービンの回転比が高い状態でのみ使用されるのでストール状態とならず燃費が良い。

特許文献第３６８９０２０号公報の無段変速機は遊星歯車機構を組込んで、その旋回運動を干渉しあう台座側で制御して、変速比を変える変速機である。

特許第４０３９３６６号公報 特許第４８７５７３２号公報 特許第４１４５７０７号公報 特許第４０３５３１７号公報 特許第４６８６８９９号公報 特許第４７６２５８８号公報 特許第４０１２４０１号公報 特許第３６５８６６３号公報 特許第３６８９０２０号公報 特許第４０１２９４０号公報

自動車などの駆動力として内燃機関が一般的であるが電気モータを使った自動車も今後普及が予想される。いずれの駆動力においても燃費の向上や消費電力の省エネ化の傾向にあり、そのために一つは駆動力の回転数をなるべく一定に保つ方法が挙げられる。例えば内燃機関はアクセルの開閉の頻度が増せば燃費が悪くなり、電気モータは開始時の消費電力は通常走行時消費電力に比べて大きい事があげられ、電気自動車であっても小型車以外の中・大型車には変速機が必要になってくる。
一般的に停止状態から通常走行に入るまでの始動時は車両の重量による慣性力が働き、駆動軸に掛かるトルク負荷は大きくなる。その為、駆動力の回転数をなるべく一定に保つ変速機が望まれるが、駆動軸に掛かるトルク負荷に応じて減速していけば上記課題は解決できると考えられる。そこで出力トルクの負荷に応じてギヤ比を自動で無段変速する事が可能な変速機を備えることにより入力側の回転数を一定に保ち、且つギヤ比を定常走行時まで理想的な比率で変速させる事を提供する。

入力側になる同期式トルク伝達機構を備えた一次差動装置と出力側になる二次差動装置の間にギヤ、スプロケット、ローラーチェーン、プーリ、ベルトなどを自由に組み合わせた変速部を設け、前記同期式トルク伝達機構と前記変速部が負帰還機構として働き、出力トルク負荷がフィードバックされ入力トルクを常に一定に保とうとする負帰還型の無段変速機。

同期式トルク伝達機構は本願独自の機構であり、軸を有する駆動カムと従動カムの間にカムボールを配置し、駆動カムに形成されたボール保持部の一定範囲内でカムボールが動く事を許容し、また従動カムに円周線上に正弦波を合成した溝を形成し、駆動カムが回転すると従動カムのトルク負荷に応じて従動カムの溝をカムボールが移動し、従動カムのトルク負荷が小さくなっていくと、従動カムが回転し始める。
従動軸のトルク負荷に応じて駆動軸がトルクを伝達していく機能はトルクコンバータと同じ関係にあり、その意味でポンプインペラは駆動カム、タービンランナは従動カム、流体はカムボールと変換でき、従動カムの溝においてボールの移動が止まると、駆動カムと従動カムは同期し回転数が同じになる。

差動装置は公知の技術であり、デフケース内に自在に軸支されたピニオンギヤと前記ピニオンギヤを介して、同一軸上にある一対のサイドギヤが噛み合い、前記デフケースにリングギヤを形成もしくは取り付け、リングギヤへトルクを入力する事によって、前記両サイドギヤへトルクを配分する。

遊星歯車機構の場合には前記差動装置のピニオンギヤをプラネタリギヤ（遊星歯車）、デフケースをキャリア（遊星キャリア）、サイドギヤの一つをサンギヤ（太陽歯車）、もう一つをサンギヤと同一軸上に対置された第二のサンギヤ或いは径の異なるアウタギヤ（内歯車）と置き換える事により、さまざまなタイプの差動装置が可能であり、本件の差動装置は自動車の左右車輪へトルクを配分するのが目的ではない為、前記サンギヤと前記アウタギヤの径比を利用して小型化が可能である。

遊星歯車機構は公知の技術であり、特に特許文献第４０１２９４０号公報では遊星歯車機構に関する体系的な分類と解説がなされている。

二つの差動装置の間にギヤ、スプロケット、ローラーチェーン、プーリ、ベルトなどを自由に組み合わせた変速部を設けることにより、トルクの大小や、回転速度の高低、変速比の大小と自由に無段変速機を設計でき、且つ同期式トルク伝達機構は少ない部品で構成され小型であっても大きなトルクを伝達できる。

実施例１〜４の同期式トルク伝達機構の概略図 実施例１の無段変速機のスケルトン図 実施例４の無段変速機のスケルトン図

実施例１の無段変速機は一次差動装置１０と二次差動装置２０と第一変速部３０と第二変速部４０と同期式トルク伝達機構１で構成され、前記一次差動装置のリングギヤ１２へトルクを入力させ、前記差動装置の第一サイドギヤ１４ａ、第二サイドギヤ１４ｂでトルクを配分し、前記第一変速部と前記第二変速部によりそれぞれが回転比を変え、前記二次差動装置の第一サイドギヤ２４ａ、第二サイドギヤ２４ｂへトルクを伝え、前記差動装置が合成したトルクをリングギヤ２２から出力する。

一次差動装置１０は同期式トルク伝達機構１と第一サイドギヤ１４ａ、第二サイドギヤ１４ｂとピニオンギヤ１３を内設した保持体１１と前記保持体の外周に形成されたリングギヤ１２で構成され、且つ、前記リングギヤの回転と同時に前記保持体が回転する。
保持体軸と同一軸を持つ前記第一サイドギヤ１４ａと前記第二サイドギヤ１４ｂとの間に、前記保持体の回転軸と直角をなす軸の前記ピニオンギヤは前記保持体に回転自在に軸支され、前記ピニオンギヤが前記第一サイドギヤ１４ａと前記第二サイドギヤ１４ｂの間に介在し噛み合う。
前記リングギヤの回転に伴い前記第一及び第二サイドギヤ１４ａ、１４ｂのトルク負荷が同じであれば、前記ピニオンギヤは差動装置の原理により回転せず、前記第一及び第二サイドギヤ１４ａ、１４ｂは同じ回転数でトルクを伝える。
前記第一及び第二サイドギヤ１４ａ、１４ｂのトルク負荷が同じでなければ、前記ピニオンギヤは差動装置の原理によりトルク負荷の小さいサイドギヤを高回転比でトルクを伝える。

同期式トルク伝達機構１は駆動カム２、従動カム５、カムボール８で構成され、前記駆動カムには放射上に６つの長穴の保持部４が形成され、前記保持部に前記カムボールが保持され、前記駆動カムが回転すると前記保持部の中を前記カムボールは自由に各放射線上を移動できる。
前記従動カムには円周線上に正弦波を合成した前記カムボールの案内溝７が形成され、前記カムボールは必要に応じて自由に前記溝内を周期的に移動できる。
前記駆動カムが回転すると前記カムボールは回転軸を中心に軌道角運動するが、必要に応じて前記保持部を直線運動できるので、前記カムボールは二つの運動の合成となり円周上で正弦波運動するが、前記合成運動の許容範囲内に前記案内溝があることが条件となる。
角運動量保存の法則により前記カムボールは正円運動（等角運動）をしようとし前記法則の作用により、前記カムボールは前記溝内を移動するより前記従動カムを回転させようとする。前記法則の作用より前記従動カムのトルク負荷が小さくなると、前記カムボールは前記案内溝内の運動距離を次第に短くし、前記従動カムは回転し始める。
回転し始めた前記従動カムは前記案内溝内の運動を停止した時、前記駆動カムと前記従動カムは角運動が同期し、同じ回転数になる。

二次差動装置は第一サイドギヤ２４ａ、第二サイドギヤ２４ｂとピニオンギヤ２３とを内設した保持体２１と前記保持体の外周に形成されたリングギヤ２２で構成され、出力ギヤである前記差動装置の前記リングギヤ２２のトルク負荷により、前記負荷を前記サイドギヤ２４ａ，２４ｂへ前記トルク負荷を配分し、負帰還機構の作用で前記リングギヤは再び合成された回転数で出力する。

第一変速部３０はピニオンギヤ３１とスパギヤ３２とで構成され、一次差動装置１０の第一サイドギヤ１４ａの軸に前記ピニオンギヤは固定され、二次差動装置の第一サイドギヤ２４ａの軸に前記スパギヤは固定され、前記ピニオンギヤと前記スパギヤの径の組み合わせにより前記変速部の回転比ｍが決まる。

第二変速部４０はピニオンギヤ４２とスパギヤ４１とで構成され、一次差動装置１０の第二サイドギヤ１４ｂの軸に前記ピニオンギヤは固定され、二次差動装置の第二サイドギヤ２４ｂの軸に前記スパギヤは固定され、前記ピニオンギヤと前記スパギヤの径の組み合わせにより前記変速部の回転比ｎが決まる。

第一内部トルク負荷は負帰還機構の一要因で、一次差動装置１０のリングギヤ１２で入力されたトルクが第一変速部３０を経て、二次差動装置のリングギヤ２２へ回転を伝達する際の負荷であり、第一変速部３０のギヤ比と第二変速部４０のギヤ比と一次差動装置への入力トルクと二次差動装置からの出力トルク負荷とを同期式トルク伝達機構１が調整する事によって第一内部トルク負荷の値は変動する。

第二内部トルク負荷は負帰還機構の一要因で、一次差動装置１０のリングギヤ１２で入力されたトルクが第二変速部４０を経て、二次差動装置のリングギヤ２２へ回転を伝達する際の負荷であり、第一変速部３０のギヤ比と第二変速部４０のギヤ比と一次差動装置への入力トルクと二次差動装置からの出力トルク負荷とを同期式トルク伝達機構１が調整する事によって第一内部トルク負荷の値は変動する。

次に、本願無段変速機にトルクを入力した時の出力までの装置内の回転数の関係を示すと、一次差動装置のリングギヤ１２への回転数の入力をｘとした時、二次差動装置のリングギヤ２２からの回転数の出力をｙとし、第一変速部３０の回転数をｍ、第二変速部４０の回転数をｎとすれば、ｙ＝ｆ（ｘ）となり以下の関係になる。

ｍ＜ｎの時、二次差動装置の出力トルク負荷によりｍ≦ｙ≦（ｍ＋ｎ）／２の間の値となる。ここで一次差動装置への入力トルクは、始動時に慣性モーメントの作用とｍ＜ｎのギヤ比の関係により、内部トルク負荷の小さい第一変速部３０をｍで回転させようとする。この時ｎは回転しない。ｍの回転によりｙが回転するが、その値はｙ＝ｍである。次にｙの回転に伴い出力トルク負荷は次第に小さくなっていく。出力トルク負荷の減少に従い第一変速部３０及び第二変速部４０の内部トルク負荷も小さくなっていく。ここで初期設定としてｍ＜ｎの関係から、第一内部トルク負荷をｔ１、第二内部トルク負荷をｔ２とすれば、ｔ１＜ｔ２の関係になっている。
また、出力負荷が零になると一次差動装置に組み込まれている同期式トルク伝達機構の調整の作用により、前記差動装置のサイドギヤ１４ａ，１４ｂを同じ回転数で動き始める。この時、出力トルクはｙ＝（ｍ＋ｎ）／２になる。

ギヤ比の設定については、入力回転数を１とし出力回転を１から１／５の範囲で変速するには、ｙの値をｍの時にｘ／５とし（ｍ＋ｎ）／２の時にｘとなるようにギヤ比を設定すればよい。従ってｍ＝ｘ／５、ｘ＝（ｍ＋ｎ）／２となり、これよりｍ＝ｘ／５、ｎ＝９ｘ／５となるようにギヤ比を設定すればよい。

実施例２の無段変速機は変速部をスプロケットとローラーチェーンで構成し、その他は実施例１に同じ構造の無段変速機であり、スプロケットとローラーチェーンの機能と構造は公知の技術であり、説明を省略する。

実施例３の無段変速機は変速部をプーリとベルトで構成し、その他は実施例１に同じ構造の無段変速機であり、プーリとベルトの機能と構造は公知の技術であり、説明を省略する。

実施例４の無段変速機は一次遊星歯車機構５０と二次遊星歯車機構６０と変速部７０と同期式トルク伝達機構１で構成され、一次遊星歯車機構のキャリア５２へトルクを入力させ、前記遊星歯車機構のプラネタリギヤ５３がサンギヤ５１とアウターギヤ５４へトルクを配分する。
アウターギヤ５４と二次遊星歯車機構のアウターギヤ６４は直結し、サンギヤ５１と二次遊星歯車機構のサンギヤ６１の間に同期式トルク伝達機構１を接続させ、サンギヤ５１は変速部７０の変速ギヤ７４に回転を伝え、前記変速ギヤの同軸上に固定したプラネタリギヤ７３はキャリア７２に回転自在に軸支され、出力のトルク負荷に応じて変速する。

一次遊星歯車機構は同期式トルク伝達機構１とサンギヤ５１とアウタギヤ５４と第一キャリア５２とプラネタリギヤ５３で構成され、且つ、前記キャリアに前記プラネタリギヤは回転自在に軸支され、前記プラネタリギヤが前記サンギヤ及び前記アウタギヤの間に介在し噛み合う。
前記キャリア軸のトルクは前記サンギヤと前記アウタギヤのトルク負荷の差と前記プラネタリギヤとの関係で二次遊星歯車機構の第二キャリアの出力トルク負荷に応じて、前記サンギヤ及び前記アウタギヤにトルクを配分する。

二次遊星歯車機構はサンギヤ６１とアウタギヤ６４とキャリア６２とプラネタリギヤ６３で構成され、出力ギヤである前記キャリアのトルク負荷に応じて、前記負荷を前記サンギヤ及び前記アウタギヤへ配分し、負帰還機構の作用で前記リングギヤは回転数を合成し出力する。

自動車の無段変速機。

産業用工作機械、特にドリルを使用する機械などで摩擦によりドリル折れや熱による加工品の変形が生じそうな時、変速機固有の性能の範囲で出力トルク負荷に応じて出力回転数を少なくなるように作用する。

縫製機械に内設若しくは電動機の間に設置する事により、始動時のスピードを小さくし、また通常回転時において、縫製生地の厚さや硬さの変動に対して、自動で針の抵抗に応じてスピードを小さくする事で針折れが減少できる。

１ 同期式トルク伝達機構
２ 駆動カム
３ 駆動カム軸
４ カムボール保持部
５ 従動カム
６ 従動カム軸
７ 案内溝
８ カムボール
１０ 一次差動装置
１１ 保持体
１２ リングギヤ
１３ ピニオンギヤ
１４ａ 第一サイドギヤ
１４ｂ 第二サイドギヤ
２０ 二次差動装置
２１ 保持体
２２ リングギヤ
２３ ピニオンギヤ
２４ａ 第一サイドギヤ
２４ｂ 第二サイドギヤ
３０ 第一変速部
３１ ピニオンギヤ
３２ スパギヤ
４０ 第二変速部
４１ スパギヤ
４２ ピニオンギヤ
５０ 一次遊星歯車機構
５１ サンギヤ
５２ キャリア
５３ プラネタリギヤ
５４ アウタギヤ
６０ ニ次遊星歯車機構
６１ サンギヤ
６２ キャリア
６３ プラネタリギヤ
６４ アウタギヤ
７０ 変速部
７１ サンギヤ
７２ キャリア
７３ プラネタリギヤ
７４ 変速ギヤ

Claims (3)

1. 無段変速機であって、トルクが入力される一次差動機構と、トルクを出力する二次差動機構と、前記一次差動機構及び前記二次差動機構を連結する第一変速部及び第二変速部を備え、
   前記一次差動機構はトルクが入力される一次リングギヤと、外周に前記一次リングギヤが形成された一次保持体と、前記一次保持体に回転自在に保持される一次ピニオンギヤと、前記一次ピニオンギヤと噛合う一次第一サイドギヤ及び一次第二サイドギヤと、前記一次第一サイドギヤ及び前記一次第二サイドギヤと連結する同期式トルク伝達機構とを備え、
   前記同期式トルク伝達機構は駆動カムと、前記駆動カムと軸方向に対向して配置される従動カムと、前記駆動カムと前記従動カムの間に配置されるカムボールとから構成され、
   前記駆動カムは前記カムボールを径方向に移動自在に保持する保持部を備え、
   前記従動カムは前記カムボールを案内する環状の案内溝であって、中心までの距離が周期的に変化する形状を備え、前記駆動カムに前記一次第一サイドギヤが同軸的に固定され、前記従動カムに前記一次第二サイドギヤが同軸的に固定され、
   前記二次差動機構はトルクを出力する二次リングギヤと外周に前記二次リングギヤが形成された二次保持体と、前記二次保持体に回転自在に保持される二次ピニオンギヤと、前記二次ピニオンギヤと噛合う二次第一サイドギヤ及び二次第二サイドギヤとを備え、
   前記第一変速部は前記一次第一サイドギヤと前記二次第一サイドギヤとを連結し、前記第二変速部は前記一次第二サイドギヤと前記二次第二サイドギヤとを連結し、前記第一変速部及び前記第二変速部は互いに異なる変速比を有することを特徴とする無段変速機。
2. 第一変速部及び第二変速部において、ギヤ、ローラーチェーンとスプロケット、ベルトとプーリの何れか一つ、または複数を組み合わせることを特徴とする請求項１に記載の無段変速機。
   
3. 無段変速機であって、
   そのキャリアにトルクが入力される一次遊星歯車機構と、前記一次遊星歯車機構のサンギヤと連結する同期式トルク伝達機構と、前記同期式トルク伝達機構に連結し独自に遊星歯車機構を構成する変速部と、前記変速部のサンギヤと連結し、そのキャリアからトルクを出力する二次遊星歯車機構を備え、
   前記トルク伝達機構は駆動カムと、前記駆動カムと軸方向に対向して配置される従動カムと、前記駆動カムと前記従動カムの間に配置されるカムボールとから構成され、
   前記駆動カムは前記カムボールを径方向に移動自在に保持する保持部を備え、
   前記従動カムは前記カムボールを案内する環状の案内溝であって、中心までの距離が周期的に変化する形状を備え、
   前記駆動カムに前記一次遊星歯車機構の前記サンギヤが同軸的に固定され、
   前記従動カムに前記変速部の前記サンギヤと前記一次遊星歯車機構の前記サンギヤが同軸的に固定され、
   前記変速部のプラネタリアギアと変速ギヤが同軸的に固定され、
   前記一次遊星歯車機構の前記サンギヤが同軸的に固定されたギヤと前記変速部の前記変速ギヤが連結され、
   前記一次遊星歯車機構のアウターギヤと前記二次遊星歯車機構のアウターギヤが連結されることを特徴とする無段変速機。
   

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