JP5919773B2

JP5919773B2 - トロイダル型無段変速機

Info

Publication number: JP5919773B2
Application number: JP2011263636A
Authority: JP
Inventors: 大石　保徳; 保徳大石
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2031-12-01
Also published as: JP2013117237A

Description

本発明は、自動車や各種産業機械の変速機などに利用可能なトロイダル型無段変速機に関する。

例えば自動車用変速機として用いるダブルキャビティ型のトロイダル型無段変速機は、図３および図４に示すように構成されている。図３に示すように、ケーシング５０の内側には入力軸（中心軸）１が回転自在に支持されており、この入力軸１の外周には、２つの入力側ディスク２，２と２つの出力側ディスク３，３とが取り付けられている。また、入力軸１の中間部の外周には出力歯車群４を構成する第１の出力歯車４Ａが回転自在に支持されている。この第１の出力歯車４Ａの中心部に設けられた円筒状のフランジ部４ａ，４ａには、出力側ディスク３，３がスプライン結合によって連結されている。

入力軸１は、図中左側に位置する入力側ディスク２とカム板７との間に設けられたローディングカム式の押圧装置１２を介して、駆動軸２２により回転駆動されるようになっている。また、出力歯車群４は、２つの部材の結合によって構成された仕切壁１３を介してケーシング５０内に支持されており、これにより、入力軸１の軸線Ｏを中心に回転できる一方で、軸線Ｏ方向の変位が阻止されている。

出力側ディスク３，３は、入力軸１との間に介在されたニードル軸受５，５によって、入力軸１の軸線Ｏを中心に回転自在に支持されている。また、図中左側の入力側ディスク２は、入力軸１にボールスプライン６を介して支持され、図中右側の入力側ディスク２は、入力軸１にスプライン結合されており、これら入力側ディスク２は入力軸１と共に回転するようになっている。また、入力側ディスク２，２の内側面（凹面）２ａ，２ａと出力側ディスク３，３の内側面（凹面）３ａ，３ａとの間には、パワーローラ１１（図４参照）が回転自在に挟持されている。

図３中右側に位置する入力側ディスク２の内周面２ｃには、段差部２ｂが設けられ、この段差部２ｂに、入力軸１の外周面１ａに設けられた段差部１ｂが突き当てられるとともに、入力側ディスク２の背面（図３の右面）がローディングナット９に突き当てられている。これによって、入力側ディスク２の入力軸１に対する軸線Ｏ方向の変位が実質的に阻止されている。また、カム板７と入力軸１の鍔部１ｄとの間には、皿ばね８が設けられており、この皿ばね８は、各ディスク２，２，３，３の凹面２ａ，２ａ，３ａ，３ａとパワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａとの当接部に押圧力を付与する。

図４は、図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図４に示すように、ケーシング５０の内側には、入力軸１に対し捻れの位置にある一対の枢軸１４，１４を中心として揺動する一対のトラニオン１５，１５が設けられている。なお、図４においては、入力軸１の図示は省略している。各トラニオン１５，１５は、パワーローラ１１を支持する支持板部１６の長手方向(図４の上下方向)の両端部に、この支持板部１６の内側面側に折れ曲がる状態で形成された一対の折れ曲がり壁部２０，２０を有している。そして、この折れ曲がり壁部２０，２０によって、各トラニオン１５，１５には、パワーローラ１１を収容するための凹状のポケット部Ｐが形成される。また、各折れ曲がり壁部２０，２０の外側面には、各枢軸１４，１４が互いに同心的に設けられている。

支持板部１６の中央部には円孔２１が形成され、この円孔２１には変位軸（支持軸）２３の基端部２３ａが支持されている。そして、各枢軸１４，１４を中心として各トラニオン１５，１５を揺動させることにより、これら各トラニオン１５，１５の中央部に支持された変位軸２３の傾斜角度を調節できるようになっている。また、各トラニオン１５，１５の内側面から突出する変位軸２３の先端部２３ｂの周囲には、ラジアルニードル軸受９９を介して各パワーローラ１１が回転自在に支持されており、各パワーローラ１１，１１は、各入力側ディスク２，２および各出力側ディスク３，３の間に挟持されている。なお、各変位軸２３，２３の基端部２３ａと先端部２３ｂとは、互いに偏心している。

また、各トラニオン１５，１５の枢軸１４，１４はそれぞれ、一対のヨーク２３Ａ，２３Ｂに対して揺動自在および軸方向(図４の上下方向)に変位自在に支持されており、各ヨーク２３Ａ，２３Ｂにより、トラニオン１５，１５はその水平方向の移動を規制されている。各ヨーク２３Ａ，２３Ｂは鋼等の金属のプレス加工あるいは鍛造加工により矩形状に形成されている。各ヨーク２３Ａ，２３Ｂの四隅には円形の支持孔１８が４つ設けられており、これら支持孔１８にはそれぞれ、トラニオン１５の両端部に設けた枢軸１４がラジアルニードル軸受３０を介して揺動自在に支持されている。また、ヨーク２３Ａ，２３Ｂの幅方向（図３の左右方向）の中央部には、円形の係止孔１９が設けられており、この係止孔１９の内周面は円筒面として、球面ポスト６４，６８を内嵌している。すなわち、上側のヨーク２３Ａは、ケーシング５０に固定部材５２を介して支持されている球面ポスト６４によって揺動自在に支持されており、下側のヨーク２３Ｂは、球面ポスト６８およびこれを支持する駆動シリンダ３１の上側シリンダボディ６１によって揺動自在に支持されている。

なお、各トラニオン１５，１５に設けられた各変位軸２３，２３は、入力軸１に対し、互いに１８０度反対側の位置に設けられている。また、これらの各変位軸２３，２３の先端部２３ｂが基端部２３ａに対して偏心している方向は、両ディスク２，２，３，３の回転方向に対して同方向(図４で上下逆方向)となっている。また、偏心方向は、入力軸１の配設方向に対して略直交する方向となっている。したがって、各パワーローラ１１，１１は、入力軸１の長手方向に若干変位できるように支持される。その結果、押圧装置１２が発生するスラスト荷重に基づく各構成部材の弾性変形等に起因して、各パワーローラ１１，１１が入力軸１の軸方向に変位する傾向となった場合でも、各構成部材に無理な力が加わらず、この変位が吸収される。

また、パワーローラ１１の外側面とトラニオン１５の支持板部１６の内側面との間には、パワーローラ１１の外側面の側から順に、スラスト転がり軸受であるスラスト玉軸受２４と、スラストニードル軸受２５とが設けられている。このうち、スラスト玉軸受２４は、各パワーローラ１１に加わるスラスト方向の荷重を支承しつつ、これら各パワーローラ１１の回転を許容するものである。このようなスラスト玉軸受２４はそれぞれ、複数個ずつの玉（以下、転動体という）２６，２６と、これら各転動体２６，２６を転動自在に保持する円環状の保持器２７と、円環状の外輪２８とから構成されている。また、各スラスト玉軸受２４の内輪軌道は各パワーローラ１１の外側面（大端面）に、外輪軌道は各外輪２８の内側面にそれぞれ形成されている。

また、スラストニードル軸受２５は、トラニオン１５の支持板部１６の内側面と外輪２８の外側面との間に挟持されている。このようなスラストニードル軸受２５は、パワーローラ１１から各外輪２８に加わるスラスト荷重を支承しつつ、これらパワーローラ１１および外輪２８が各変位軸２３の基端部２３ａを中心として揺動することを許容する。

さらに、各トラニオン１５，１５の一端部(図４の下端部)にはそれぞれ駆動ロッド（トラニオン軸）２９，２９が設けられており、各駆動ロッド２９，２９の中間部外周面に駆動ピストン（油圧ピストン）３３，３３が固設されている。そして、これら各駆動ピストン３３，３３はそれぞれ、上側シリンダボディ６１と下側シリンダボディ６２とによって構成された駆動シリンダ３１内に油密に嵌装されている。これら各駆動ピストン３３，３３と駆動シリンダ３１とで、各トラニオン１５，１５を、これらトラニオン１５，１５の枢軸１４，１４の軸方向に変位させる駆動装置３２を構成している。

このように構成されたトロイダル型無段変速機の場合、入力軸１の回転は、押圧装置１２を介して、各入力側ディスク２，２に伝えられる。そして、これら入力側ディスク２，２の回転が、一対のパワーローラ１１，１１を介して各出力側ディスク３，３に伝えられ、更にこれら各出力側ディスク３，３の回転が、出力歯車群４より取り出される。

入力軸１と出力歯車群４との間の回転速度比を変える場合には、一対の駆動ピストン３３，３３を互いに逆方向に変位させる。これら各駆動ピストン３３，３３の変位に伴って、一対のトラニオン１５，１５が互いに逆方向に変位する。例えば、図４の左側のパワーローラ１１が同図の下側に、同図の右側のパワーローラ１１が同図の上側にそれぞれ変位する。その結果、これら各パワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａと各入力側ディスク２，２および各出力側ディスク３，３の内側面２ａ，２ａ，３ａ，３ａとの当接部に作用する接線方向の力の向きが変化する。そして、この力の向きの変化に伴って、各トラニオン１５，１５が、ヨーク２３Ａ，２３Ｂに枢支された枢軸１４，１４を中心として、互いに逆方向に揺動（傾転）する。

その結果、各パワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａと各内側面２ａ，３ａとの当接位置が変化し、入力軸１と出力歯車群４との間の変速比が変化する。また、これら入力軸１と出力歯車群４との間で伝達するトルクが変動し、各構成部材の弾性変形量が変化すると、各パワーローラ１１，１１およびこれら各パワーローラ１１，１１に付属の外輪２８，２８が、各変位軸２３，２３の基端部２３ａ、２３ａを中心として僅かに回動する。これら各外輪２８，２８の外側面と各トラニオン１５，１５を構成する支持板部１６の内側面との間には、それぞれスラストニードル軸受２５，２５が存在するため、前記回動は円滑に行われる。したがって、前述のように各変位軸２３，２３の傾斜角度を変化させるための力が小さくて済む。

ところで、上記構成のトロイダル型無段変速機において、出力歯車群４を構成する各出力歯車４Ａ，４Ｂは、一般に、出力側ディスク３と一体的に回転するはすば歯車となっている。この理由は、トロイダル型無段変速機の運転時に、出力歯車４Ａ，４Ｂの噛合部で発生する騒音（噛み合い音）を低減させるためである。このように出力歯車４Ａ，４Ｂをはすば歯車としたことに伴って、トロイダル型無段変速機の運転時に、出力歯車４Ａ，４Ｂの噛合部にスラスト力が発生する。そして、これらの第１および第２の出力歯車４Ａ，４Ｂ（図３参照）同士の噛合部で発生したスラスト力（ギア反力）は、第１の出力歯車４Ａのフランジ４ａと第２の出力歯車４Ｂを固設した伝達軸９８とを軸方向反対側に押圧する。この場合、第１の出力歯車４Ａのみしか設けていないフランジ４ａに関しては、前記スラスト力を相殺することができない。

このため、従来は、ケーシング５０に対してフランジ４ａを回転自在に支持するための転がり軸受１０７として、ラジアル荷重の他スラスト荷重も支承できるものを使用していた。より具体的には、転がり軸受１０７としてアンギュラ型の玉軸受など（例えば、組み合わせアンギュラ軸受の構造や、スラスト・ラジアル軸受を組み合わせた構造）を使用し、第１の出力歯車４Ａからフランジ４ａに加わるスラスト力（このスラスト力は、出力側ディスク３を傾けようとするモーメントを発生させる）を支承自在としていた。

ところが、フランジ４ａに発生するスラスト力をそのままにして、転がり軸受１０７により、このスラスト力を支承する構造の場合には、トロイダル型無段変速機の運転時に転がり軸受１０７部分で発生する動トルク損失が大きくなる。このため、トロイダル型無段変速機の伝達効率が低下し、このトロイダル型無段変速機を組み込んだ自動車の動力性能がその分悪化する。また、転がり軸受１０７に余分なスラスト力が加わることは、この転がり軸受１０７の耐久性確保の面からも好ましくない。

また、こうした問題に関連して、例えば特許文献１では、出力側ディスク３と一体回転する出力歯車４Ａ，４Ｂをやまば歯車もしくは互いに傾斜方向が逆である一対のはすば歯車とすることにより、第１および第２の両出力歯車４Ａ，４Ｂの噛合部分で発生するスラスト力を打ち消すようにしている。

特開平９−８９０６３号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、別体のはすば歯車を一体化して使用する場合、部品点数が増加し、あるいは、組立工数が増加するという問題が生じる。また、前記一体化により、平歯車等に対して加工コストが大幅に増加するだけでなく、ねじれ方向の切替部近傍で正確な歯が切れないため有効歯幅が小さいことによる総歯幅の増加が懸念される。

いずれにしても、フランジ４ａに発生するスラスト力をそのままにして、転がり軸受１０７により、このスラスト力を支承することは、前述したように、トロイダル型無段変速機の運転時に転がり軸受１０７部分で発生する動トルク損失が大きくなり、それにより、トロイダル型無段変速機の伝達効率が低下し、このトロイダル型無段変速機を組み込んだ自動車の動力性能がその分悪化する。また、転がり軸受１０７に余分なスラスト力が加わることは、この転がり軸受１０７の耐久性確保の面からも好ましくない。更に、近年、軽量化やスペースの制限により、支持軸受の小型化が求められており、また、静粛性の観点から、はすば歯車のねじれ角を大きくとる傾向により、スラスト方向のギア反力が大きくなる懸念がある。そのため、現状では、軸受１０７に作用するスラスト力を軽減できる画期的な他の構造が求められる。

本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、出力歯車の噛合部分で発生するスラスト力（ギア反力）が軸受に作用する度合いを減らして（軸受の負担を軽減して）、軸受の小型化を図ることができるトロイダル型無段変速機を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、回転力を受ける入力軸に結合され且つ入力軸と一体で回転する入力側ディスクと、入力側ディスクとの間に設けられたパワーローラを介して入力側ディスクの回転力を所定の変速比で受ける出力側ディスクと、前記出力側ディスクと一体で回転する第１の出力歯車と、前記第１の出力歯車と噛合し、回転力を伝達する伝達軸と一体回転する第２の出力歯車とを備えるトロイダル型無段変速機において、前記入力軸の軸方向から見て、前記入力側ディスクおよび前記出力側ディスクの両方と前記パワーローラとの接触点と、前記第１の出力歯車と前記第２の出力歯車との噛合部と、前記入力軸の中心軸とが１つの平面内に位置して配置されることを特徴とする。

上記構成によれば、入力軸の軸方向から見て、入力側ディスクおよび出力側ディスクの両方とパワーローラとの接触点と、第１の出力歯車と第２の出力歯車との噛合部と、入力軸の中心軸とが１つの平面内に位置して配置されるので、第１の出力歯車と第２の出力歯車との噛合部分で発生するスラスト力（ギア反力）の一部（スラスト力によるモーメントの一部）をディスクとパワーローラとの接触点で受けることができ、したがって出力側ディスクおよび出力歯車を回転可能に支持する軸受に作用するスラスト力を軽減できる。すなわち、前記軸受の負担を軽減でき、その結果、前記軸受の小型化を図ることができる。また、このような構成では、スラスト力がディスクとパワーローラとの接触点に対して垂直に作用するので、パワーローラが現状の位置から押し出されることなく、パワーローラの姿勢を安定的に保つことができる。

本発明のトロイダル型無段変速機によれば、入力軸の軸方向から見て、入力側ディスクおよび出力側ディスクの両方とパワーローラとの接触点と、第１の出力歯車と第２の出力歯車との噛合部と、入力軸の中心軸とを１つの平面内に配置して、前記接触点の位置と前記噛合部の位置とを規定したため、出力歯車の噛合部分で発生するスラスト力（ギア反力）が軸受に作用する度合いを減らして（軸受の負担を軽減して）、軸受の小型化を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係るトロイダル型無段変速機の入力軸の軸方向から見た要部概略図であって、入力軸の軸方向に対して垂直な面内での各ポイント（出力歯車同士の噛合部、パワーローラとディスクとの接触点、および入力軸の中心軸線）の平面的な配置関係を示す図である。出力歯車と出力側ディスクとが一体を成す構造における図１の構成の適用を示す本発明の第２の実施形態に係るトロイダル型無段変速機の要部断面図である。従来から知られているハーフトロイダル型無段変速機の具体的構造の一例を示す断面図である。図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。出力歯車同士の噛合部、パワーローラとディスクとの接触点、および入力軸の中心軸線の従来の配置関係を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
なお、本発明の特徴は、出力歯車の噛合部分で発生するスラスト力（ギア反力）が軸受に作用する度合いを減らす（軸受の負担を軽減する）ための構成にあり、その他の構成および作用は前述した従来の構成および作用と同様であるため、以下においては、本発明の特徴部分についてのみ言及し、それ以外の部分については、図３および図４と同一の符号を付して簡潔に説明するに留める。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るトロイダル型無段変速機の入力軸１の中心軸Ｏ方向から見た要部概略図であって、入力軸１の中心軸Ｏ方向に対して垂直な面２００内での各要素の平面的な配置関係を示す図である。図示のように、本実施形態に係るトロイダル型無段変速機では、入力軸１の中心軸Ｏ方向から見て、ディスク２，３とパワーローラ１１との接触点Ｐ１と、第１の出力歯車４Ａ（出力側ディスク３と一体回転：図１では、出力側ディスク３の外周に第１の出力歯車４Ａが形成されるように示されている）と第２の出力歯車４Ｂとの噛合部Ｐ２と、入力軸１の中心軸Ｏとがそれぞれ、入力軸１と垂直な１つの平面２００内に位置して配置されている。

したがって、このような構成によれば、第１の出力歯車４Ａと第２の出力歯車４Ｂとの噛合部Ｐ２で発生するスラスト力（ギア反力）Ｆの一部をディスク３（２）とパワーローラ１１との接触点Ｐ１で受けることができ、したがって、出力側ディスク３および出力歯車４Ａを回転可能に支持する軸受（例えば、前述した軸受１０７・・・図３参照）に作用するスラスト力を軽減でき、すなわち、軸受の負担を軽減でき、その結果、前記軸受の小型化を図ることができる。これに対し、図５に示される従来のように、ディスク２，３とパワーローラ１１との接触点Ｐ１と、第１の出力歯車４Ａと第２の出力歯車４Ｂとの噛合部Ｐ２と、入力軸１の中心軸Ｏとがそれぞれ入力軸１と垂直な１つの平面内に位置していないと、軸受１０７に大きなスラスト力Ｆが作用し、軸受１０７を強化して大型化しなければならなくなる。

また、図１に示される本実施形態の構成では、スラスト力Ｆがディスク３とパワーローラ１１との接触点Ｐ１に対して垂直に作用するため、パワーローラ１１が現状の位置から押し出されることなく、パワーローラ１１の姿勢を安定的に保つことができる。

なお、図１に示される本発明の配置構成は、シングルキャビティ型に限らず、ダブルキャビティ型にも適用でき、その場合、図３に示されるように第１の出力歯車４Ａと出力側ディスク３とが別体であってもよいが、図２に示されるように出力歯車４Ａと出力側ディスク３とが一体であっても構わない。なお、図２においては、２つの出力側ディスク３，３も一体に形成されている。図２に示されるように、出力歯車４Ａと出力側ディスク３とが一体の構造において、ディスク２，３とパワーローラ１１との接触点Ｐ１と、第１の出力歯車４Ａと第２の出力歯車４Ｂとの噛合部Ｐ２と、入力軸１の中心軸Ｏとをそれぞれ、入力軸１と垂直な１つの平面２００内に位置させれば、前述した作用効果を得ることができる。

なお、図２に示すトロイダル型無段変速機では、支持板部１６がパワーローラ側に向かって凸になる円筒状凸面を有する支持梁部として形成されるとともに、この円筒状凸面に係合する円筒面状の凹部が外輪２８の外側面に形成されており、これにより外輪２８はパワーローラ１１とともにトラニオン１５に対して入力軸１の中心軸Ｏ方向に関する揺動変位が可能となっている。この外輪２８は支持軸２３と一体に形成されており、支持軸２３はパワーローラ１１の回転中心部を貫通してパワーローラ１１を回転可能に支持している。この支持軸２３は変位軸ではなく直線状の軸として形成されている。

本発明は、シングルキャビティ型やダブルキャビティ型などの様々なハーフトロイダル型無段変速機の他、トラニオンが無いフルトロイダル型無段変速機にも適用することができる。

１入力軸
２入力側ディスク
３出力側ディスク
４Ａ第１の出力歯車
４Ｂ第２の出力歯車
１１パワーローラ
９８伝達軸
Ｏ入力軸の中心軸
Ｐ１接触点
Ｐ２噛合部

Claims

回転力を受ける入力軸に結合され且つ入力軸と一体で回転する入力側ディスクと、入力側ディスクとの間に設けられたパワーローラを介して入力側ディスクの回転力を所定の変速比で受ける出力側ディスクと、前記出力側ディスクと一体で回転する第１の出力歯車と、前記第１の出力歯車と噛合し、回転力を伝達する伝達軸と一体回転する第２の出力歯車とを備えるトロイダル型無段変速機において、
前記入力軸の軸方向から見て、前記入力側ディスクおよび前記出力側ディスクの両方と前記パワーローラとの接触点と、前記第１の出力歯車と前記第２の出力歯車との噛合部と、前記入力軸の中心軸とが１つの平面内に位置して配置されることを特徴とするトロイダル型無段変速機。
ダブルキャビティ型であることを特徴とする請求項１に記載のトロイダル型無段変速機。
前記出力歯車と前記出力側ディスクとが別体であることを特徴とする請求項２に記載のトロイダル型無段変速機。
前記出力歯車と前記出力側ディスクとが一体であることを特徴とする請求項２に記載のトロイダル型無段変速機。