JPH02195053A - 摩擦無段変速装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、摩擦無段変速装置、例えば遠心送風機や遠
心圧！１機、ラジアルタービン等の羽根車のような高速
回転体を駆動する軸を無段変速する装置に関するもので
ある。

〔従来の技術と発明が解決しようとする！！ｌ！題〕従
来の摩擦無段変速装置としては例えば特公昭４８−１８
４１４号（第１１図）や特公昭５７−１３２２１号（第
１２図参照）が提案されている。

前者のＰｊ擦無段変速装置は、第１１図の如く、円雄部
１と円錐台形部２を有する転動体３に対し、円錐台形部
２を出力軸４のコーン５と押圧リング６で挾持し、円錐
部２に入力軸７の入力リング８を接触させた構造になっ
ており、押圧リング６が転動体３に加える法線力Ｆとト
ラクション係数μと回転半径ｒとの積μｒＦでトルクが
伝達される。

トラクシタン係数μは通常０．１以下であるため、大き
なトルクを伝達するためには法線力Ｆを大きくするか法
線力Ｆの作用する回転半径ｒを大きくするしかない。

しかし、回転半径ｒを大きくすると装置が大型化すると
いう問題が生じるため、実際には法線力Ｆを大きくする
しかない。

法線力Ｆが作用する転動体３の面が入出力軸４．７の軸
線に対して４５１以上の角度を持つため、法線力Ｆの角
度αは４５１以下になって法線力Ｆの軸方向成分Ｆａは
０．７１Ｆ−Ｆの範囲となる。

この軸方向成分Ｆａは軸受で支持しなければならないか
ら大きなトルクを伝達するためには大きなスラスト力を
受けることのできる軸受が必要となる。逆に言えば、押
圧リング６を支持する軸受のスラスト負荷容量によって
伝達トルクが制限されてしまうことになる。

次に、後者の摩擦無段変速装置は第１２図に示すように
１、転動体１１の円錐部１１ａ下面に入力リング１２を
接触させ、円軸部１１ｂに出力リング１３を接触させ、
更に円錐部１１ａの表面に変速リング１４を接触させ、
転動体１１に作用する入力リング１２、出力リング１３
、変速リング１４の要素からの外力が釣り合う構造にな
っている。

上記のような変速装置は、転動体１１が入力リング１２
によって受ける荷重ベクトル及び転動体１１が出力リン
グ１３によって受ける荷重ベクトルが何れも入出力軸線
に対して大きな角度（９０゜に近い角度）を持っている
ため、法線力の軸方向成分は比較的小さく、入出力軸受
に作用するスラスト力もさほど大きくない。

しかし、変速リング１４の移動によって出力リング１３
と転動体１１の接触点の位置が移動するため、接触面積
を小さくする必要がある。

この部分の接触面積を大きくすると、接触応力が小さく
なって疲労寿命は増すが、スピンが増大して伝達効率を
悪化させる。

特に出力リング１３は高速回転側であり、寿命時間の増
大を図るために接触面積を増す必要があるにも拘らず、
機構上の問題から接触面積が制限され、従って寿命延長
が図れないという欠点がある。

また、第１１図と第１２図で示した従来の変速装置が共
通して持っている欠点は、転動体の公転及び自転速度が
増大すると遠心力、ジャイロモーメントが生じ、これが
力のバランスをくずすか、あるいは接触応力を増大させ
ることにより、遠心圧縮機等の羽根車を駆動させるよう
な高速に用いる用途には不向きであった。

この発明の課題は、上記のような欠点を解消するために
なされたものであり、遠心送風機、遠心圧縮機、ラジア
ルタービン等の羽根車を高速に回転させることができ、
遊星コーン接触部において伝達効率の低下がな（、疲労
寿命の延長が図れ、かつ入出力軸軸受の寿命延長と全体
の小型化を同時に満足させることができる摩擦無段変速
装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記のような課題を解決するため、この発明は、入力軸
及び出力軸を同軸線上に配置し、入力軸から出力軸に至
る摩擦伝動系上に、自転すると同時に入出力軸線まわり
に公転自在となる遊星コーンを複数個設け、前記複数の
遊星コーンを囲むように変速リング及び入力リングを設
け、変速リングを入出力軸線方向に移動させることによ
り変速が行なわれるように配置し、変速リングと遊星コ
ーンの接触点における遊星コーン母線に対する法線と、
入力リングと遊星コーンの接触点における遊星コーン母
線に対する法線とが遊星コーンの重心をはさむように形
成され、前記遊星コーンと出力軸との接触部が線接触と
なり、しかも遊星コーン自転軸と入出力軸線の二つの軸
線及び遊星コーンと出力軸との線接触部の延長線が一点
近傍に集まるように形成し、遊星コーンと出力軸との線
接触部に作用する法線力が遊星コーンの重心に対し、入
力リングと遊星コーンの接触点に生じる法線力と同じ側
に存在するような構成としたものである。

〔作用〕

入力リングを入力回転させると、遊星コーンは自転する
と同時に公転を行ない、出力軸に回転が取出される。

遊星コーンには、重心に遠心力とジャイロモーメントが
作用すると共に、入力リング、変速リング、出力軸から
もその接触部において法線力、接線力が作用するが、こ
れらが遊星コーンに対する入力リング、変速リングの位
置関係及び、遊星コーンと出力軸の線接触とにより釣合
い、遊星コーンと出力軸の接触面積を大きくして接触応
力を低下させ、疲労寿命の延長を図っても接触部にスピ
ンを生じることがなく、伝達効率を低下させることがな
い。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を添付図面の第１図乃至第１０
図に基づいて説明する。

第１図乃至第５図に示す第１の例において、第１図は変
速装置の全体構造を示し、第２図はそのＩ２擦伝動部を
示している。

第１図において、変速装置を増速機として用いる場合、
２１が入力軸、２２が出力軸となる。また、変速装置を
減速機として用いる場合は２１が出力軸、２２が入力軸
となる。

以下、変速装置を増速機として説明する。従って、２１
は入力軸、２２は出力軸とする。

入力軸２１と出力軸２２は、同軸線上にあるようケース
２３で回動自在に支持され、入力軸２１の内端に入力リ
ング２４が設けられ、入力リング２４と出力軸２２の間
に複数個の遊星コーン２５が配置されている。

入力軸２１と入力リング２４の間に、カム２６とカムデ
ィスク２７の間にリテーナ２８で保持されたポール２９
を介在させ、補助ばね３０を縮設して構成した調圧カム
機構３１を設けたが、入力軸２１と入力リング２４は一
体化してもよく、何れにしても入力軸２１と入力リング
２４は同軸心状で回転数は同じである。

遊星コーン２５は保持器３２で等間隔に保持され、円錐
台形部２５ａが出力軸２２のコーン２２ａと接触し、中
間円錐台形部２５ｂが入力リング２４と接触し、入力軸
２１から出力軸２２に動力を伝達する際は、′ｔ！星コ
ーン２５の自転軸まわりに自転すると共に、入出力軸２
１．２２のまわりに公転するようになっている。

変速リング３３は、遊星コーン２５の円錐形部分２５Ｃ
に接触する状態で、入出力軸２１．２２の軸方向に移動
自在となるよう配置され、ケース２３との間に設けたラ
ック３４とビニオン３５から成る送り機構３６を掻作し
て遊星コーン２５上をスライドさせることにより、第２
図に示すように、遊星コーン２５との接触部Ｃ点の遊星
コーン自転軸に対する半径ｒｅを変えて無段変速を行な
う。

上記変速リング３３は回転しない構造が最も筒車である
が、入出力軸２１．２２のまわりに回転させても問題は
ない。

また、保持器３２は、ころがり軸受の保持器と同様に遊
星コーン２５を等間隔に保持するのが主たる役目であり
、遊星コーン２５に作用する外力を支える機能を優先的
に与えていない。

第２図に示すように、入力リング２４と遊星コーン２５
との接触点ａを入出力軸２１．２２の軸線から離れた遊
星コーン２５の外周部に配置し、接触点ａにおいて、遊
星コーン２５の母線に対する法線の延長線が遊星コーン
２５の重心Ｇの入力軸２１側を通るようにする（第３図
参照）。

変速リング３３と遊星コーン２５との接触点Ｃにおいて
、遊星コーン２５の母線に対する法線は、入出力軸２１
．２２の軸線に対して、垂直でかつ遊星コーン２５の重
心Ｇの出力軸２２側、即ち入力リング２４の接続点ａの
法線が通る反対側を通るように配置する。

なお、変速リング３３はその変速域内で入出力軸２１．
２２の軸線に平行に移動するが、どの位置においても上
記の条件は満足するようにする。

前記出力軸２２のコーン２２ａと遊星コーン２５の円錐
台形部２５ａとの接触部すは線接触であり、接触部すを
延長した線、入出力軸２１．２２の軸線、遊星コーン２
５の自転軸を延長した綿の三本の軸線及び接線はでき得
るかぎり、第２図のように一点Ｐで交わるような構成を
とる。

この変速機を高速で回転させると、遊星コーン２５は自
転すると同時に公転を行うので遊星コーン２５の重心Ｇ
には遠心力とジャイロモーメントが作用する。遊星コー
ン２５にはこの抽入力リング２４、変速リング３３、出
力軸２２からもその接触部において、法線力、接線力（
トラクシゴンカ）が作用する。遊星コーン２５が飛び出
したりしないためには、これらの力が釣り合っていなけ
ればならない。遊星コーン２５に作用する遠心力、ジャ
イロモーメント、接触部における法線力の力のベクトル
及びモーメントを第３図に示す。同図においてＦ、は接
触部すにおける法線力である。

実際は接触部すは線接触であるため、単一の力のベクト
ルとはならず第４図に示すような接触応力分布を形成す
るが簡単にするため応力Ｐ、を積分してＦ、で表しであ
る。

入力リング２５との接触点ａ、法線ベクトルＦ２とその
傾き角β、出力軸２２との接触部ｂ、法線ベクトルＦ、
とその傾き角α、変速リング３３との接触点Ｃ，Ｍ星コ
ーン２５の質量、重心位置、慣性モーメントの各パラメ
ータによって多少の違いはあるが、荷重ベクトルＦ＋　
、Ｆｚ　、Ｆｉの各々の方向と遊星コーン２５重心位置
の相対的配置を上記した如く、変速リング３３と遊星コ
ーン２５の接触点Ｃにおける遊星コーン母線に対する法
線と入力リング２４と遊星コーン２５の接触点ａにおけ
る遊星コーン母線に対する法線とが遊星コーン２５の重
心Ｇをはさみ、遊星コーン２Ｓの自転軸、入出力軸２１
．２２の軸線の二つの軸線及び遊星コーン２５と出力軸
２２との線接触部すの延長線が一点近傍に集まり、かつ
遊星コーン２５と出力軸２２との接触部すが線接触をし
、かつ、遊星コーン２５と出力軸２２との接触部すに作
用する法線力が遊星コーン２５の重心Ｇに対し、入力リ
ング２４と遊星コーン２５の接触点ａに生じる法線力と
同じ側に存在するように設計すれば、これらの力Ｆ５、
Ｆｔ、Ｆｔ、Ｆｃ及びモーメントＭ９を釣り合わせるこ
とが可能である。

第５図は変速リング３３が遊星コーン２５の先端側に移
動し、変速比を変えた場合であるが、この場合も各接触
部の力及び遠心力、ジャイロモーメントの大きさが変わ
るだけで、各々の力を釣り合わせることが可能である。

遊星コーン２５に作用する接線力の釣り合いに関しては
、トラクション係数等の影響によりスキニーがない状態
で釣り合いがとれるとは限らず、スキニーを生じさせる
ことになるが、遊星コーン２５は入力リング２４及び変
速リング３３内周で運動するため、接線力が釣り合うと
ころで遊星コーン２５自転軸が傾斜して運動することが
考えられる。この場合、設計によっては保持環３２に力
が作用する場合もあり得る。

また、入力リング２４と遊星コーン２５との間に作用す
る法線力Ｆ、の軸方向成分Ｆ、□が入力軸２１の軸受に
スラスト荷重として作用する。遊星コーン２５の自転軸
に対する遊星コーンの中間円錐台形部２５ｂの母線の勾
配は、機構上の制約がないので任意に設定でき、従って
法線力Ｆ２の角度βは適度に小さくできるので軸方向成
分ＦＥＺも小さくでき、入力軸２１の軸受の寿命の延長
を図ることができる。

前記出力軸２２と遊星コーン２５との間に作用する法線
力Ｆ、の軸方向成分Ｆ０が出力軸２２の軸受にスラスト
荷重として作用する。入力リング２４の場合と同様に法
線ベクトルＦ、の傾きαは機構上の制約がなく任意に設
定できるので軸方向成分Ｆ□も小さくでき出力軸２２の
軸受の寿命延長あるいは軸受の小型化を図ることができ
る。

また出力軸２２と遊星コーン２５の接触部すは線接触で
、かつ入出力軸２１．２２の軸線及び遊星コーン２５の
自転軸の延長線とほぼ同じ点で交わるため、接触面積を
大きくして接触部すの接触応力を低下させ疲労寿命の延
長を図っても、接触部６にスピンを生じることなく伝達
効率を低下させることがない。

以上のように、各接触部ａ、、ｂ、ｃの設計上、従来技
術のように、伝達効率、接触部の寿命、入出力軸軸受の
寿命の間に相矛盾するような構成がないため遊星コーン
２５の接触部において伝達効率の低下なく疲労寿命の延
長が図れ、かつ入出力軸２１．２２の軸受の寿命延長あ
るいは小型化を同時に満足させることができる。

次に、第６図乃至第１０図に示す第２の例について説明
する。なお、第２の例において、第１図乃至第５図で示
した第１の例と同一部分については、同一符号を付すこ
とによって説明に代える。

この第２の例は、出力軸２２と遊星コーン２５との線接
触部を複数個所に分割した点が第１の例と相違し、その
他は同様の構造になっている。

線接触部の分割は、出力軸２２のコーン２２ａ側か遊星
コーン２５の円錐台形部２５ａ側の何れか一方あるいは
両方の中央部近傍に溝を設けることにより、接触部ｂ１
とｂｚに分割している。

図示の場合、出力軸２２のコーン２２ａに溝を設け、接
触部を三箇所としているが、分割数は自由に選択できる
。

この第２の例において遊星コーン２５に作用する遠心力
、ジャイロモーメント、接触部における法線力の力のベ
クトル及びモーメントを第８図に示す。ＦＩｓＦＺ　は
それぞれ接触部ｊｌ＋　、ｂｔにおいて生じる法線力で
あるが実際はｂ＋、ｂｔは線接触であるため、単一の力
のベクトルとはならず第９図に示すような接触応力分布
を形成する。

ここでは説明上簡単にするため応力ＰｌｓＰｚを積分し
てＦｔ、Ｆ’＋で表しである。

遊星コーン２５と出力軸２２の接触部ｂ＋、ｂｚを複数
か所に分割する理由を以下に述べる。尚説明では図示の
ように分割数は２箇所としている。

遊星コーン２５には入力リング２４がらの法線力Ｆｚ、
変速リング３３からの法線力Ｆｆｆ、遊星コーン２５の
重心Ｇに作用する遠心力Ｆｃ及びジャイロモーメントＭ
、が作用するが、遊星コーン２５を釣り合わせるために
は、これらの合力を支えるように遊星コーン２５と出力
軸２２の接触部す、、ｂｚで法線力が生じなければなら
ない。ところがこの接触部す、　、ｂ、は接触応力を緩
和するため線接触としてあり、接触部の幾何学的形状、
例えばクラウニングの曲率、表面粗さ、形状誤差等によ
って接触応力分布が影響を受ける。すなわち接触部の形
状によって線接触部の合力の作用点が異なり、法線力Ｆ
、、Ｆ、　、Ｆｅ、ジャイロモーメント、Ｍ、に釣り合
わせることができなくなる可能性がある。この接触部ｂ
＋　、ｂｚのように２箇所に分割すると接触応力は大き
くなるが荷重の作用点が２箇所できることになる。

法線力の作用点が２箇所であるため法線力Ｆｚ、Ｆｓ、
Ｆｃ、ジャイロモーメント、Ｍ、と釣り合うような反力
を形成する自由度が増え、形状誤差による接触応力の合
力の作用点の少々の移動があっても遊星コーン２５を釣
り合わせることが可能である。もちろん遊星コーン２５
と出力軸２２の接触部の分割は２箇所に限定する必要は
なく、３箇所、あるいは４箇所でも可能である。

すなわち遊星コーン２５と出力軸２２の接触部ｂ＋　、
ｂｔを分割するのは、その接触部の製作精度を緩めコス
ト低減をもたらすことになる。

法線力ベクトルＦ＋、Ｆ’＋　と遊星コーン２５の重心
Ｇとの関係は、法線力Ｆ　／１　は遊星コーン２５の重
心Ｇの法線力Ｆ、側、Ｆ、側のいずれを通ってもよいが
、法線力Ｆ１は必ず法線力Ｆ２側を通るようにする。

入力リング２４との接触点ａ、法線ベクトルＦ２とその
傾き角β、出力軸２２との接触部ｂ１、ｂ２、法線ベク
トルＦ＋　、Ｆ’　、とその傾き角α、変速リング３３
との接触点Ｃ，遊星コーン２５のｆｆｆｆ１、重心位置
、慣性モーメントの各パラメータによって多少の違いは
あるが、荷重ベクトルＦ＋　、Ｆ’　＋、Ｆｔ、Ｆ、の
各々の方向と遊星コーン２５の重心位置の相対的配置を
上記の位置関係に設計すれば、これらの力Ｆ＋、Ｆ’＋
、Ｆｚ、Ｆｓ、ＦＣ及びモーメントＭ、を釣り合わせる
ことが可能である。

第１０図は変速リング３３が遊星コーン２５の先端側に
移動し、変速比を変えた場合であるが、この場合も各接
触部の力及び遠心力、ジャイロモーメントの大きさが変
わるだけで、各々の力を釣り合わせることが可能である
。

なお、入力軸軸受の寿命延長、出力軸軸受の寿命延長、
軸受の小型化等については、第１の例と同様の効果が得
られる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によると、同軸線上に配置した
入力軸から出力軸に至る摩擦伝動系上に遊星コーンを自
転と公転が自在となるよう設け、遊星コーンを囲むよう
に変速リング及び入力リングを設け、変速リングと遊星
コーンの接触点における遊星コーン母線に対する法線と
、入力リングと遊星コーンの接触点における遊星コーン
母線に対する法線とが遊星コーンの重心をはさむように
し、遊星コーンの自転軸、入出力軸軸線の二つのｌｌ１
Ｉ線及び遊星コーンと出力軸との線接触部の延長線が一
点近傍に集まり、遊星コーンと出力軸の接触部に作用す
る法線力が遊星コーンの重心に対して入力リングと遊星
コーンの接触点に生じる法線力と同じ側に存在するよう
にしたので、遊星コーンに作用する力を釣り合わせるこ
とができ、遊星コーンの公転による遠心力、ジャイロモ
ーメントを予め設計で考慮すれば、高速回転においても
動作可能となり、送風機、遠心圧縮機、ラジアルタービ
ン等の羽根車を無段変速によって高速に回転させること
ができる。

また、入力軸軸受と出力軸軸受の寿命延長と小型化を図
ることができる。

更に、遊星コーンと出力軸の接触部を線接触とし、入出
力軸軸線及び遊星コーン自転軸の延長線と略同じ点で交
わるようにしたので、接触面積を大きくして接触部の接
触応力を低下させ疲労寿命の延長を図っても接触部にス
ピンを生じることがなく、伝達効率を低下させることが
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る摩擦無段変速装置の第１の例を
示す全体の縦断面図、第２図は同上におけるｇ擦伝動部
の拡大断面図、第３図は遊星コーンに作用するベクトル
及びモーメントの説明図、第４図は遊星コーンに対する
出力軸の接触応力分布を示す説明図、第５図は第３図に
おける変速時のベクトル及びモーメントの説明図、第６
図は変速装置の第２の例を示す全体の縦断面図、第７図
は同上における摩擦伝動部の拡大断面図、第８図は同上
の遊星コーンに作用するベクトル及びモーメントの説明
図、第９図は同上の遊星コーンに対する出力軸の接触応
力分布を示す説明図、第１０図は第８図の変速時のベク
トル及びモーメントの説明図、第１１図は従来の摩擦無
段変速装置を示す第１の例の縦断面図、第１２図は同第
２の例を示す縦断面図である。 ２１・・・・・・入力軸、　　２２・・・・・・出力軸
、２３・・・・・・ケース、　　　２４・・・・・・入
力リング、２５・・・・・・遊星コーン、３３・・・・
・・変速リング。 第１１図 第１２図 １ム 特許出廓大　　エヌ・チー・エヌ 東洋ベアリング株式会社 同　代理人　　鎌　　１）　文　　ニ 第１図 第５図 ？ａｉ ご５１０図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力軸及び出力軸を同軸線上に配置し、入力軸か
   ら出力軸に至る摩擦伝動系上に、自転すると同時に入出
   力軸線まわりに公転自在となる遊星コーンを複数個設け
   、前記複数の遊星コーンを囲むように変速リング及び入
   力リングを設け、変速リングを入出力軸線方向に移動さ
   せることにより変速が行なわれるように配置し、変速リ
   ングと遊星コーンの接触点における遊星コーン母線に対
   する法線と、入力リングと遊星コーンの接触点における
   遊星コーン母線に対する法線とが遊星コーンの重心をは
   さむように形成され、前記遊星コーンと出力軸との接触
   部が線接触となり、しかも遊星コーン自転軸と入出力軸
   線の二つの軸線及び遊星コーンと出力軸との線接触部の
   延長線が一点近傍に集まるように形成し、遊星コーンと
   出力軸との線接触部に作用する法線力が遊星コーンの重
   心に対し、入力リングと遊星コーンの接触点に生じる法
   線力と同じ側に存在するようにした摩擦無段変速装置。
2. （２）遊星コーンと出力軸の線接触部は複数個所に分割
   され、一つの線接触部の法線力は遊星コーンの重心に対
   して何れの側を通ってもよいがこれら線接触部の法線力
   の合力は入力リングと遊星コーンの接触点において生じ
   る法線力と同じ側に存在している請求項１に記載の摩擦
   無段変速装置。