JP6077870B2 - ハイブリッド変速機 - Google Patents

Description

本発明は、宇宙、航空機用機器および自動車を始めとする交通機器などで使用されるハイブリッド変速機に関する。

従来、モータなど回転駆動源で駆動された回転を減速または増速伝達するため、例えば、特許文献１に示されたマイクロトラクションドライブが提案されている。このマイクロトラクションドライブでは、入力軸に回転力が付与されると、入力軸と共に回転する内輪と、前記内輪と係合するボールとを介して保持器が回転し、保持器と一体化された出力軸に回転力が伝達されている。

特開２００３−２７８８６６号公報

しかし、上記マイクロトラクションドライブでは、入力軸に大きなトルクの回転力が入力されると、ボールが内輪と外輪との間で滑り、出力軸に回転力が伝達できないため、伝達できる回転力が小さいという問題があった。
また、前記マイクロトラクションドライブでは、伝達可能なトルクが固定され、変えることができなかった。更に、軸心が同一直線上にあり、使い勝手が悪いため、汎用性に乏しいという問題があった。

本発明は、前記従来の問題点に鑑みてなされたもので、大きな回転力（トルク）を伝達し、伝達可能なトルクを変えることができると共に、異なる軸心方向に動力を伝達できる汎用性の高いハイブリッド変速機を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明に係るハイブリッド変速機は、
駆動源に接続された入力軸と、
前記入力軸に入力された回転駆動力を出力する出力軸と、
前記入力軸の回転駆動力を所定の変速比で変換し、伝達する第１伝達手段と、
前記第１伝達手段から伝達された回転駆動力を所定の変速比で変換し、前記出力軸に伝達する第２伝達手段と、
前記第２伝達手段を押圧する予圧手段と、
を備え、
前記第２伝達手段は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に配設された複数の転動体とからなり、前記第２伝達手段に、前記第１伝達手段による押圧力と、前記予圧手段による押圧力との合力が作用することにより、前記内輪と前記外輪との間で前記転動体が自転しながら公転し、前記入力軸に入力された回転駆動力が前記第１伝達手段および前記第２伝達手段を介して前記出力軸に伝達される。

予圧手段による押圧力を調整することで、第２伝達手段に作用する押圧力の合力が変わり、多様な速度調整が可能となり、伝達可能なトルクを変えることができる。また、第１伝達手段を介して回転駆動力を伝達するため、異なる軸心に沿った動力を伝達できる。更に、第１伝達手段と第２伝達手段とを介して動力を伝達するので、大きな変速比を得ることができる。

前記第１伝達手段の入力側に位置する入力側歯車が、前記入力軸を介して前記入力側歯車の両側に配置された第１支持部に両持ち支持され、
前記第１伝達手段の出力側に位置する出力側歯車が、前記出力側歯車の両側に配置された第２支持部と第３支持部とに両持ち支持され、
前記第３支持部内に前記第２伝達手段が配設され、
前記第２支持部または前記第２伝達手段に前記予圧手段が配設され、
前記第２伝達手段から出力側に延びる前記出力軸が、前記第３支持部より出力側に配置された第４支持部に支持されていることが好ましい。

上記構成により、入力軸から出力軸まで安定して駆動力を伝達できるだけでなく、歯車の交換により変速比の選択範囲が広がる。

前記第１伝達手段は一対の歯車からなり、前記第１伝達手段による押圧力が前記歯車の噛合により生じる反力であることが好ましい。

第１伝達手段の押圧力として歯車反力を適用することで、他の部材を追加することなく第２伝達手段に押圧力を付与することができる。

前記入力軸と前記出力軸との間に配設された中間軸を備え、
前記入力軸が前記第１伝達手段の一方の歯車の軸心であり、前記中間軸が前記第１伝達手段の他方の歯車の軸心であり、前記入力軸と前記中間軸とが平行であることが好ましい。

上記構成により、歯車を介して入力軸と出力軸とを連結することで、入力軸と出力軸との軸心をずらすことができ、異なる軸心方向に動力を伝えることができる。

前記予圧手段は、前記第２伝達手段を前記出力軸の軸方向に押圧することが好ましい。また、前記予圧手段は前記内輪であり、前記内輪が前記第１伝達手段の出力側の軸に焼き嵌めされ、かつ、前記転動体を前記外輪に押圧することが好ましい。これにより、設計の自由度を高めることができるだけでなく、多様な速度調整ができ、汎用性のある変速機が得られる。

本発明の第１実施形態に係るハイブリッド変速機の斜視図。 図１と異なる方向から視た本発明の第１実施形態に係るハイブリッド変速機の斜視図。 図１のハイブリッド変速機の分解斜視図。 図３と異なる方向から視たハイブリッド変速機の分解斜視図。 第２伝達部の分解斜視図。 中間軸および出力軸周りの断面図。 第２伝達部の部分拡大断面図。 第１伝達部の正面図。 軸方向の予圧を負荷した場合に第２伝達部に使用する軸受に負荷する最大接触圧および伝達可能なトルクを示すグラフ。 ６００Ｎの軸方向の予圧を負荷し入力軸に所定の回転力を加えた場合の出力軸の回転速度を示すグラフ。 １２００Ｎの軸方向の予圧を負荷し入力軸に所定の回転力を加えた場合の出力軸の回転速度を示すグラフ。 種々の軸方向の予圧を負荷した場合の伝達トルクおよび総転動体荷重を示す表。 種々の軸方向の予圧を負荷した場合の伝達トルクおよび総転動体荷重を示すグラフ。 本発明の第２実施形態に係るハイブリッド変速機の斜視図。 図１４と異なる方向から視た本発明の第１実施形態に係るハイブリッド変速機の斜視図。 図１４のハイブリッド変速機の分解斜視図。 図１６と異なる方向から視たハイブリッド変速機の分解斜視図。 中間軸および出力軸周りの断面図。 焼き嵌めした場合に第２伝達部に使用する軸受に負荷する最大接触圧および伝達可能なトルクを示すグラフ。 入力軸に所定の回転力を加えた場合の出力軸の回転速度を示すグラフ。 所定の直径すきまを設けた場合における総転動体荷重および伝達できるトルクを示す表。 所定の直径すきまを設けた場合における総転動体荷重および伝達できるトルクを示すグラフ。

本発明に係る第１実施形態を図１ないし図１３の添付図面に従って説明する。

第１実施形態に係るハイブリッド変速機１は、図１および図２に示すように、入力軸１０と、第１伝達手段（第１伝達部）１１と、第２伝達手段３１（第２伝達部，図３参照）と、予圧機構５４と、出力軸４３と、を備えている。

入力軸１０の一端は、例えば、エンジン、モータまたはタービンなどの駆動源に接続される。

第１伝達部１１は、図３に示すように、入力軸１０に外挿され、入力軸１０と共に回転する入力側の歯車１２と、前記入力側の歯車１２と噛合する出力側の歯車１３とからなる。本実施形態では、入力側の歯車１２の歯数と出力側の歯車１３の歯数とは同じである。しかし、これに限定されず、出力側の歯車１３は、入力側の歯車１２よりも大径で歯数が多く、入力軸１０の回転数を減速してもよい。また、入力側の歯車１２は、出力側の歯車１３よりも大径で歯数が多く、入力軸１０の回転数を増速してもよい。第１伝達部１１を介して回転駆動力を伝達するため、異なる軸心に沿った動力を伝達できる。

入力側の歯車１２の両側には、一対の第１支持部１５，１５が設けられている。入力軸１０が第１支持部１５，１５に回転可能に軸受されることにより、入力側の歯車１２は一対の第１支持部１５，１５の間で両持ち支持されている。

図３および図４に示すように、第１支持部１５は、円形孔１６を有する第１ハウジング１７と、円形孔１６内に嵌入される第１軸受１８と、前記第１軸受１８を抜け止めするＣ−リング１９とを有している。ここでは、第１軸受１８として深溝玉軸受を採用している。

出力側の歯車１３の予圧機構５４側には第２支持部２１が設けられ、出力側には第３支持部２６が設けられている。出力側の歯車１３は、その軸芯となる中間軸１４が第２支持部２１と第３支持部２６とに回転可能に軸受されることで、第２支持部２１と第３支持部２６とで両持ち支持されている。歯車１２，１３を介して入力軸１０と出力軸４３とを連結するため、入力軸１０と出力軸４３との軸心をずらすことができる。

第２支持部２１は、円形孔２２を有する第２ハウジング２３と、円形孔２２内に嵌入される第２軸受２４とを有している。ここでは、第２軸受２４としてアンギュラ玉軸受を採用している。
第３支持部２６は、円形孔２７内に第２伝達部３１を嵌入する第３ハウジング２８と、第２伝達部３１を抜け止めする環状のリング２９とを有している。

第２伝達部３１は、図５に示すように、内輪３４と、転動体３５と、動力伝達部３８と、外輪４５と、を備えている。

内輪３４は環状であり、中間軸１４の出力側の端部に嵌合する。前記内輪３４は、外周にアングル溝からなる軌道面３３を有している。転動体３５は複数の鋼鉄のボール３６からなり、前記軌道面３３に転動可能に接している。

動力伝達部３８は第１伝達部１１側の保持器３９と、出力軸４３とからなる。保持器３９は、周方向に沿って複数の保持用切欠き４１が所定のピッチで形成されている。これら保持用切欠き４１は、ボール３６よりもわずかに大径に形成され、その内部に前記ボール３６が転動可能に配設される。なお、本実施形態では、保持器３９に保持用切欠き４１が切り欠かれている。しかし、ボール３６を転動可能に配設する限りこれに限定されず、例えば、丸孔を形成してもよい。

出力軸４３は、保持器３９と同心軸上に一体に設けられた円柱形状である。出力軸４３の略中央は、第４支持部４７に回転可能に軸受されている（図１参照）。前記第４支持部４７は、図３および図４に示すように、円形孔４８を有する第４ハウジング４９と、円形孔４８内に嵌入される一対の第４軸受５０と、第４軸受５０を抜け止めするＣ−リング５１とを有している。ここでは、第４軸受５０として深溝玉軸受を採用している。

外輪４５は、図５に示すように、環状であり、ボール３６の外周側に配設される。前記外輪４５は、入力側が開いたアングル溝からなる軌道面４６を有しており、この軌道面４６に、ボール３６が転動可能に接している。

予圧手段である予圧機構５４は、図３に示すように、予圧伝達具５５とボルト６１と圧縮バネ６３とを備えている。予圧伝達具５５は、中心に挿通孔５６を有する円板状のフランジ部５７と、このフランジ部５７の内縁から出力側に突出する円筒状の円筒付勢部５８とからなる。フランジ部５７には、表裏に貫通する複数の貫通孔５９が周方向に沿って所定のピッチで形成されている。ボルト６１は貫通孔５９に外方から挿入され、第２ハウジング２３に形成されたねじ孔２３ａ（図４参照）にねじ込まれている。また、ボルト６１には、圧縮バネ６３が装着され、この圧縮バネ６３がフランジ部５７とボルト６１のヘッド６２との間に圧縮した状態で配置されている。

図６に示すように、予圧伝達具５５が圧縮バネ６３により出力側に軸方向の力Ｆ１で押圧されると、円筒付勢部５８は第２軸受２４を介して中間軸１４を出力側に力Ｆ１で押圧する。出力側に押圧された中間軸１４は、第２伝達部３１の内輪３４の軌道面３３を介してボール３６を出力側に力Ｆ１で押圧する。これにより、ボール３６には予圧として力Ｆ１が付与される。

上記構造のハイブリッド変速機１では、入力軸１０に駆動力が伝達されて図１中、矢印方向に回転すると、入力側の歯車１２を介して、出力側の歯車１３が回転する。このとき、入力側の歯車１２と出力側の歯車１３との噛み合いによって、図８に示すように、出力側の歯車１３には入力側の歯車１２から歯車反力Ｆ２が下方側に作用する。出力側の歯車１３が回転すると、中間軸１４を介して第２伝達部３１の内輪３４が回転する。この回転によって、ボール３６が内輪３４と外輪４５との間で自転しながら、保持器３９の軸心を中心に公転する。このとき、入力側の歯車１２から中間軸１４を介して内輪３４に負荷する力Ｆ２が、ボール３６を下方に向かって押圧する（図７参照）。これと同時に、ボール３６には予圧Ｆ１が作用しているので、力Ｆ１と力Ｆ２との合力Ｆ３が作用する。このため、ボール３６が公転すると、この公転の回転力が保持用切欠き４１を介して保持器３９に伝達され、出力軸４３が回転し、回転力が出力される。このように、歯車反力Ｆ２がボール３６（第２伝達部３１）に予圧を負荷するため、他の部材を追加することなくボール３６に予圧を付与することができる。また、第１伝達部１１と第２伝達部３１とを介して動力を伝達するので、大きな変速比を得ることができる。４つの支持部１５，２１，２６，４７を設けることで、入力軸１０から出力軸４３まで安定して駆動力を伝達できるだけでなく、歯車の交換により変速比の選択範囲が広がる。予圧機構５４による押圧力を調整することで、第２伝達部３１に作用する押圧力の合力が変わり、伝達トルクを変えることができる。

次に、第２実施形態に係るハイブリッド変速機２の実施形態を図１４から図２２の添付図面に従って説明する。

図１４から図１７に示すように、第２実施形態に係るハイブリッド変速機２は、第１実施形態に係るハイブリッド変速機１と異なり、予圧機構５４を有しない。予圧機構５４に代えて、第２伝達部３１の内輪３４を中間軸１４の出力側端部に焼き嵌めることによって、第２伝達部３１に予圧を付与している。これにより、第２伝達部３１の転動体３５に径方向外方に向かう予圧Ｆ４を付与している。従って、図１８に示すように、転動体３５のボール３６には、歯車反力Ｆ２に加えて、前記予圧Ｆ４が作用する。他は、第１実施形態と同様の構成であるので、同一の符号を付して説明を省略する。

（実施例）
第１実施形態に係るハイブリッド変速機１の第２伝達部３１に使用する軸受の予備実験を行った。予備実験では、軸受に任意の軸方向の予圧を負荷した場合に、軸受の転動体３５に作用する最大接触圧力と、軸受が伝達可能なトルクとを計算した。その結果を図９に示す。
図９に示すように、軸受に負荷する軸方向の予圧が増加すると、最大接触圧と共に、伝達可能なトルクも増えることが分かった。

また、ハイブリッド変速機１が第２伝達部３１によって伝達できるトルクを測定した。

具体的な実験方法は、まず、予圧機構５４により第２伝達部３１に軸方向の予圧を加える。次に、入力軸１０を５０ｒｐｍの回転速度で駆動する一方、出力軸４３にブレーキをかけ、回転方向と反対方向に逆トルクを加える。これによって、出力軸４３の回転が止まる逆トルクを測定した。実験結果を図１０および図１１に示す。

図１０に、６００Ｎの軸方向の予圧Ｆ１を負荷した場合の測定結果を示す。これによれば、ブレーキのトルクが１０Ｎ・ｍよりも大きくなると、出力軸４３の回転数が０ｒｐｍとなり、回転が止まった。これにより、軸方向の予圧Ｆ１が６００Ｎでは、第２伝達部３１は１０Ｎ・ｍまでのトルクしか伝達できないことが分かった。

図１１に、１８００Ｎの軸方向の予圧Ｆ１を負荷した場合の測定結果を示す。これによれば、ブレーキのトルクを段階的に大きくし、２０Ｎ・ｍに達しても、出力軸４３の回転数が減少するだけであった。これにより、軸方向の予圧Ｆ１が１８００Ｎでは、第２伝達部３１は、少なくとも２０Ｎ・ｍのトルクを伝達できることが分かった。

更に、ハイブリッド変速機１に種々の軸方向の予圧を負荷した場合の伝達トルクを測定し、この伝達トルクから転動体３５に負荷される総転動体荷重を計算した。計算結果を図１２および図１３に示す。

図１２および図１３に示すように、６００Ｎの軸方向の予圧と歯車１２，１３の反力を負荷した場合の出力側トルクは６．９５Ｎ・ｍであった。これにより、歯車１２，１３の反力がないとした場合の６．２４Ｎ・ｍよりも伝達できるトルクが約１１．２％増えることが分かった。
１２００Ｎの軸方向の予圧と歯車１２，１３の反力を負荷した場合の出力側トルクは１４．１３Ｎ・ｍであった。これにより、歯車１２，１３の反力がないとした場合の１２．４９Ｎ・ｍよりも伝達できるトルクが約１３．１％増えることが分かった。
１８００Ｎの軸方向の予圧と歯車１２，１３の反力を負荷した場合の出力側トルクは２０．００Ｎ・ｍであった。これにより、歯車１２，１３の反力がないとした場合の１８．７３Ｎ・ｍよりも伝達できるトルクが約６．８％増えることが分かった。なお、トラクション係数μを０．１として、上記トルクから総転動体荷重を計算した。

以上から、軸方向の予圧に加えて歯車反力をハイブリッド変速機１に負荷すると、伝達できるトルクが増大することが分かった。

次に、第２実施形態に係るハイブリッド変速機２の第２伝達部３１に使用する軸受の予備実験を行った。予備実験では、軸受の内輪３４と、内輪３４に挿入する中間軸１４との焼き嵌めにより生じる直径すきまを変化させた場合に、軸受の転動体３５に作用する最大接触圧力と、軸受が伝達可能なトルクとを計算した。この結果、図１９に示すように、内輪３４と中間軸１４との直径すきまが小さくなると、最大接触圧と共に、伝達可能なトルクも増えることが分かった。

また、ハイブリッド変速機２が第２伝達部３１において、伝達できるトルクを測定した。なお、本実施例では、２０Ｎ・ｍのトルクを伝達することを目標に、転動体３５の表面粗さなどを考慮して、直径すきまを−６７μｍに設定した。

具体的な実験方法は、入力軸１０を約２００ｒｐｍの回転速度で駆動する一方、出力軸４３にブレーキをかけ、回転方向と反対方向に逆トルクを加える。これによって、出力軸４３の回転が止まる逆トルクを測定した。測定結果を図２０に示す。

図２０によれば、ブレーキのトルクを段階的に大きくし、２０Ｎ・ｍに達しても、出力軸４３の回転数は変わらなかった。つまり、直径すきまが−６７μｍでは、第２伝達部３１は、少なくとも２０Ｎ・ｍのトルクを伝達できることが分かった。なお、直径すきまは−６７μｍに限定されず、中間軸１４の軸径によって好適な値は変化する。例えば、中間軸１４の軸径が２５ｍｍから３５ｍｍのとき、直径すきまは−６０μｍから−８０μｍであることが好ましく、特に−６５μｍから−７０μｍであることが好ましい。直径すきまが−６０μｍよりも小さいと、転動体３５が滑り、伝達効率が低下するからである。また、直径すきまが−８０μｍよりも大きいと、内輪３４、転動体３５および外輪４５に負荷する面圧が増え、耐久性が低下するからである。

更に、ハイブリッド変速機２の第２伝達部３１の直径すきまを任意に決定し、歯車反力を考慮した場合と考慮しない場合とにおける転動体３５に負荷する総転動体荷重を計算した。また、この計算した総転動体荷重から、伝達できるトルクを算出した。計算結果を図２１および図２２に示す。

図２１および図２２に示すように、直径すきまを−０．００６７ｍｍとすると、歯車反力を考慮する場合の総転動体荷重は５８５．１６Ｎ、歯車反力を考慮しない場合の総転動体荷重は５２９．８６Ｎであることが分かった。これらから更に伝達できるトルクを計算すると、歯車反力を考慮する場合には３．０４Ｎ・ｍであり、歯車反力を考慮しない場合には２．７６Ｎ・ｍであった。すなわち、歯車反力を考慮した場合は、歯車反力を考慮しない場合に比べ、伝達できるトルクが約１０．４４％増えることが分かった。

直径すきまを−０．０１５０ｍｍとすると、歯車反力を考慮する場合の総転動体荷重は１９６０．１７Ｎ、歯車反力を考慮しない場合の総転動体荷重は１７７５．７６Ｎであることが分かった。これらから更に伝達できるトルクを計算すると、歯車反力を考慮する場合には１０．１９Ｎ・ｍであり、歯車反力を考慮しない場合には９．２３Ｎ・ｍであった。すなわち、歯車反力を考慮した場合は、歯車反力を考慮しない場合に比べ、伝達できるトルクが約１０．３８％増えることが分かった。

直径すきまを−０．０２４０ｍｍとすると、歯車反力を考慮する場合の総転動体荷重は３９６７．０２Ｎ、歯車反力を考慮しない場合の総転動体荷重は３５９７．８９Ｎであることが分かった。これらから更に伝達できるトルクを計算すると、歯車反力を考慮する場合には２０．６３Ｎ・ｍであり、歯車反力を考慮しない場合には１８．７１Ｎ・ｍであった。すなわち、歯車反力を考慮する場合は、歯車反力を考慮しない場合と比べて伝達できるトルクが約１０．２６％増えることが分かった。

以上から、焼き嵌め（直径すきま）による予圧に加えて歯車反力をハイブリッド変速機２に負荷すると、伝達できるトルクが増えることが分かった。

なお、前記実施形態では、第１伝達部１１として一対の歯車１２，１３を用いたが、これに限定されない。一対の歯車として、例えば、はすば歯車、傘歯車もしくはウォームギヤを用いてもよく、または、ベルトとプーリとからなる伝達機構を用いてもよい。また、支持部の軸受として、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受を用いたが、用途に応じて、他の軸受を用いてもよい。更に、第２伝達部３１として、環状の外輪４５を用いたが、おむすび形の外輪を採用してもよい。これにより、ボールと外輪との間に生じる過度の摩擦熱を抑えることができる。

１０ 入力軸
１１ 第１伝達部（第１伝達手段）
１２ 入力側の歯車
１３ 出力側の歯車
１４ 中間軸
１５ 第１支持部
２１ 第２支持部
２６ 第３支持部
３１ 第２伝達部（第２伝達手段）
３８ 動力伝達部
４３ 出力軸
４７ 第４支持部
５４ 予圧機構（予圧手段）

Claims (6)

1. 駆動源に接続された入力軸と、
   前記入力軸に入力された回転駆動力を出力する出力軸と、
   前記入力軸の回転駆動力を所定の変速比で変換し、伝達する第１伝達手段と、
   前記第１伝達手段から伝達された回転駆動力を所定の変速比で変換し、前記出力軸に伝達する第２伝達手段と、
   前記第２伝達手段を押圧する予圧手段と、
   を備え、
   前記第２伝達手段は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に配設された複数の転動体とからなり、前記第２伝達手段に、前記第１伝達手段による押圧力と、前記予圧手段による押圧力との合力が作用することにより、前記内輪と前記外輪との間で前記転動体が自転しながら公転し、前記入力軸に入力された回転駆動力が前記第１伝達手段および前記第２伝達手段を介して前記出力軸に伝達されることを特徴とするハイブリッド変速機。
2. 前記第１伝達手段の入力側に位置する入力側歯車が、前記入力軸を介して前記入力側歯車の両側に配置された第１支持部に両持ち支持され、
   前記第１伝達手段の出力側に位置する出力側歯車が、前記出力側歯車の両側に配置された第２支持部と第３支持部とに両持ち支持され、
   前記第３支持部内に前記第２伝達手段が配設され、
   前記第２支持部または前記第２伝達手段に前記予圧手段が配設され、
   前記第２伝達手段から出力側に延びる前記出力軸が、前記第３支持部より出力側に配置された第４支持部に支持されていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド変速機。
3. 前記第１伝達手段は一対の歯車からなり、前記第１伝達手段による押圧力が前記歯車の噛合により生じる反力であることを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド変速機。
4. 前記入力軸と前記出力軸との間に配設された中間軸を備え、
   前記入力軸が前記第１伝達手段の一方の歯車の軸心であり、前記中間軸が前記第１伝達手段の他方の歯車の軸心であり、前記入力軸と前記中間軸とが平行であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のハイブリッド変速機。
5. 前記予圧手段は、前記第２伝達手段を前記出力軸の軸方向に押圧することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のハイブリッド変速機。
6. 前記予圧手段は前記内輪であり、前記内輪が前記第１伝達手段の出力側の軸に焼き嵌めされ、かつ、前記転動体を前記外輪に押圧することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド変速機。

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