JP2007292139A - 無段変速装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変速機構部（プーリ幅調整機構）の強度アップまたはアクチュエータ容量アップのための大型化、変速レスポンスの低下、といった不具合を除去する。
【解決手段】無段変速装置は、入力軸12に固定された固定プーリ部材14aと入力軸12に軸方向変位可能に支持された可動プーリ部材14bとで構成したＶプーリと、入力軸12に軸方向変位およびトルク伝達可能に支持されたカム部材54と可動プーリ部材14bとの間に介在させたトルクカム機構と、カム部材54を軸方向に移動させるための送りねじ機構58,60と、送りねじ機構58,60を駆動するための第一のアクチュエータ64と、Ｖプーリにクランプされ外周を複数のガイドローラ22a,22b,22c,22dで支持された歯付きリング18と、歯付きリング18と噛み合い出力軸28に軸方向移動可能に支持された小歯車26と、複数のガイドローラ22a,22b,22cを回転自在かつ軸方向変位可能に支持し出力軸28の軸芯周りに旋回可能なアーム24と、アーム24を旋回駆動するための第二のアクチュエータ48とを有する無段変速装置。
【選択図】図２

Description

この発明は無段変速機に関するもので、自動車や各種産業機械において利用することができる。

自動車用無段変速機には、主に金属ベルト式ＣＶＴおよびハーフトロイダル式ＣＶＴ（トラクションドライブ式）が実用化されている。本出願人は、従来の無段変速機の諸課題（小型軽量化、効率向上）を解決する新機構の無段変速機として、一対のプーリ間に歯付きリングがクランプされ、プーリと歯付きリングとの間で動力伝達および無段変速を可能とした無段変速装置を提案している（特許文献１、２）。そこでは、プーリ幅をカムもしくは送りねじ等を用いて変化させることで、変速比を連続的に変化させるようにしている。

特許文献１、２に記載されている無段変速装置の主要構造は、図５および図６に示すように、軸方向に可動の一対のプーリ部材１４からなるＶプーリの溝に歯付きリング１８を挟んだ構造である。ケーシング１０内に、互いに平行な回転軸１２，２８がそれぞれ軸受を介して回転自在に支持されている。これらの回転軸１２，２８間でトルク伝達を行い、一方の回転軸（１２または２８）を入力軸とすると、他方の回転軸（２８または１２）が出力軸となる関係にある。

回転軸１２は一対のプーリ部材１４で構成されたＶプーリを支持している。各プーリ部材１４はボールスプライン１６またはスプラインによって回転軸１２の軸方向に移動可能であり、かつ、回転方向にはロックされてトルク伝達可能である。各プーリ部材１４はプーリ幅調節機構３４を備えている。このプーリ幅調節機構３４はボールねじタイプで、ナット３６の内周に形成したらせん溝とねじ軸３８の外周に形成したらせん溝とで循環通路を形成し、複数のボールを循環走行させるようになっている。ナット３６はケーシング１０等の静止部材に固定してある。したがって、ねじ軸３８が自身の回転に伴って軸方向に変位する。ねじ軸３８は、プーリ部材１４のボス部に嵌合させた軸受３２の外輪に先端を当ててある。

ねじ軸３８には歯車４０が固定してある。この歯車４０は、ケーシング１０に回転自在に支持された変速軸４２に固定した歯車４４と噛み合っている。変速軸４２が回転すると、ねじ軸３８が回転すると同時に、その回転方向によって図の右向きまたは左向きに、軸方向に移動する。図６の左右のプーリ幅調節機構３４におけるボールねじが互いに逆ねじになっているため、変速軸４２の、したがってまた歯車４４の回転に伴い、ねじ軸３８が互いに逆方向に移動することになる。このようにして、一対のプーリ部材１４が接近または離反する方向に移動し、Ｖプーリの溝幅が変化する。

回転軸２８には小歯車２６が固定してある。小歯車２６は歯付きリング１８と噛み合っている。歯付きリング１８は、小歯車２６の歯と噛み合う歯と、平滑な円筒状ガイド面２０を有し（図７参照）、このガイド面２０にてガイドローラと接する。図５に示してある３つのガイドローラ２２ａ，２２ｂ，２２ｃのうちの２つ、つまり、ガイドローラ２２ａとガイドローラ２２ｃだけが図６に現れている。ガイドローラ２２ａ，２２ｂはそれぞれピンと軸受を介して回転自在にアーム２４に取り付けてある。ガイドローラ２２ｃは、小歯車２６の両側に配置した一対の円板で構成されている。

アーム２４は図５に示すように輪状で、所定の間隔でガイドローラ２２ａ，２２ｂ，２２ｃが配置してある。したがって、これらのガイドローラ相互の位置関係は固定的である。アーム２４は、図６に示すように２枚の板材で構成され、回転軸２８と同軸にケーシング１０のスリーブ３０に旋回自在に支持されている。歯付きリング１８は３つのガイドローラ２２ａ，２２ｂ，２２ｃで外周から拘束されているため、中心軸がなくても回転が可能である（芯なしローラ）。ガイドローラ２２ａ，２２ｂを担持したアーム２４を旋回させることによって、回転軸２８の軸芯周りに歯付きリング１８の回転中心を移動させることができる。歯付きリング１８の外周の歯は小歯車２６と常に噛みあった状態にある。歯付きリング１８とプーリ部材１４との間にすきまが生じないようにプーリ部材１４とアーム２４を制御すれば、歯付きリング１８が回転軸２８の軸芯周りに移動するのに伴ってプーリ部材１４との接触点が変化し、一定の小歯車２６の回転数に対しプーリ部材１４の速度を連続的に変えることができる。このようにして、いわゆるＣＶＴが構成される。
特開２００４−２６３８５７号公報 特開２００５−２２６８４０号公報

摩擦伝動に必要な法線力は、歯付きリングに作用する歯車からの反力およびプーリにより形成されるくさび効果によって得られ、プーリ傾斜角θ（図７参照）が小さいほど大きな法線力が得られる。一方、変速比を増加させる変速を行う場合、言い換えれば歯付きリングを半径方向外側に変位させる場合、この法線力に打ち勝つだけの軸方向荷重をプーリに作用させることが必要となる。このため、変速機構部（プーリ幅調整機構）の強度アップまたはアクチュエータ容量アップのための大型化、変速レスポンスの低下、といった不具合を招く。

また、従来構造の変速比はプーリ幅によって設定される。この場合、各部に生じる弾性変形のため、プーリ幅が一定であっても負荷に応じて変速比は変化する。この変速比の変化は、例えばプーリ傾斜角が小さいほど大きくなるが、トルク伝達容量の点からプーリ傾斜角の増加は制約を受ける。負荷変化による過度の変速比変化は好ましくなく、変速比の補正が必要となるが、上記問題点に起因する変速性能低下により十分な変速比補正が行えなくなる。

この発明の目的は、上述の問題点すなわち、変速機構部（プーリ幅調整機構）の強度アップまたはアクチュエータ容量アップのための大型化、変速レスポンスの低下、といった不具合を除去した無段変速装置を提供することにある。

この発明の無段変速装置は、ケーシングに回転自在に支持された第一の回転軸と、ケーシングに回転自在に支持された第二の回転軸と、第一の回転軸に固定された固定プーリ部材と第一の回転軸に軸方向変位可能に支持された可動プーリ部材とで構成したＶプーリと、第一の回転軸に軸方向変位およびトルク伝達可能に支持されたカム部材と可動プーリ部材との間に介在させたトルクカム機構と、カム部材を軸方向に移動させるための送りねじ機構と、送りねじ機構を駆動するための第一のアクチュエータと、Ｖプーリにクランプされ外周を複数のガイドローラで支持された歯付きリングと、歯付きリングと噛み合い第二の回転軸に軸方向移動可能に支持された小歯車と、複数のガイドローラを回転自在かつ軸方向変位可能に支持し第二の回転軸の軸芯周りに旋回可能なアームと、アームを旋回駆動するための第二のアクチュエータとを有することを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の無段変速装置において、前記アクチュエータを、モータと、前記モータでモータ駆動される小歯車と、前記小歯車に嵌合すると共にピッチ円中心が出力軸の軸芯と一致するようにしてアームに取り付けられ、前記小歯車を介して前記モータからの動力が伝達される大歯車とで構成したことを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項２の無段変速装置において、小歯車がウォームで、大歯車がウォームホイールであることを特徴とするものである。このような構成を採用することにより、アームの出力軸周りの回転を制御し、かつ、目標の角度位置に保持可能である。

請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの無段変速装置において、カム部材と可動プーリ部材との間に介在させた転動体と、可動プーリ部材を固定プーリ部材側に押すばねと、カム部材を軸受を介して支持する回り止めをしたナットと、第一の回転軸またはケーシングに対して軸受支持される雄ねじ部材とでトルクカム機構および送りねじ機構を構成したことを特徴とするものである。この場合、カム部材と可動プーリ部材との間のトルク伝達はトルクカムで行われる。プーリクランプ力はトルクカムとばねにより生じる。

請求項５の発明は、請求項４の無段変速装置において、第一のアクチュエータを、雄ねじ部材に設けた大歯車と、前記大歯車と噛み合う小歯車と、前記小歯車を回転駆動するモータとで構成したことを特徴とするものである。

請求項６の発明は、請求項５の無段変速装置において、小歯車がウォームで、大歯車がウォームホイールであることを特徴とするものである。

この発明によれば、アームの出力軸周りの回転角度、すなわちプーリ・歯付きリング接触部の位置のダイレクトな設定により変速比を制御することで、負荷変化による変速比をなくすことが可能となる。なお、接触部に生じるすべりに起因する変化は生じ得る。また、歯付きリングを半径方向に移動させるのに必要な荷重は接触部法線力に比べてかなり小さいため、制御アクチュエータの小型化および変速装置全体の小型化が図れる。

以下、図面に従ってこの発明の実施の形態を説明する。

まず、無段変速装置の基本構造は、図２に示すように、一対のプーリ部材１４ａ，１４ｂからなるＶプーリの溝にリング１８を挟んだ構造である。リング１８は外周に歯車の歯をもっているため、以下では歯付きリングと呼ぶこととする。ケーシング１０内に、互いに平行な回転軸１２，２８がそれぞれ軸受を介して回転自在に支持されている。これらの回転軸１２，２８間でトルク伝達を行い、一方の回転軸（１２または２８）を入力軸とすると、他方の回転軸（２８または１２）が出力軸となる関係にある。

Ｖプーリを構成する一対のプーリ部材１４ａ，１４ｂのうち、一方のプーリ部材１４ａは回転軸１２と一体的に形成してあり、もう一方のプーリ部材１４ｂは回転軸１２とは別体で回転軸１２に対して軸方向変位および相対回転可能である。回転軸１２には符号１６で示すようにスプライン嵌合したカム部材５４が設けてある。カム部材５４とプーリ部材１４ｂとの間には圧縮コイルばね５６が介在させてある。可動プーリ部材１４ｂとカム部材５４との間に円周方向に深さが変化した溝を形成して、その溝に鋼球５２を組み込んでトルクカム機構が構成してある。カム部材５４と可動プーリ部材１４ｂとの間のトルク伝達はこのトルクカム機構によって行われる。また、トルクカム機構とばね５６とによってプーリクランプ力が生じる。トルクカム機構は伝達トルクに応じたプーリクランプ力を発生させるため、トルク増大によるプーリと歯付きリングとの接触部における過大すべり（グロススリップ）の防止に効果的である。トルクカム機構としては、ここに例示したものに限らず、たとえば転動体としてころを使用してもよく、さらに、転動体を使用しないタイプも可能である。

トルクカムにより発生する加圧力はカム曲線の角度に依存し、一般にトルクカム単体では加圧力増加と軸方向移動量の増加を両立させることは困難である。この両立にはトルクカム機構全体を移動させる機構の付加が有効であり、図２の実施の形態は、そのための機構として送りねじとアクチュエータの組合せを採用した例である。送りねじは、カム部材５４の外周に軸受を介して回転自在に設置したナット５８と、回転軸１２に軸受を介して回転自在に設置した雄ねじ部材６０とで構成される。雄ねじ部材６０とケーシング１０との間にはスラスト軸受６６が介在させてある。ナット５８はケーシング１０に固定したガイド６２と係合して回り止めがしてあるため、雄ねじ部材６０が回転するとナット５８が軸方向に移動する。

雄ねじ部材６０を回転駆動する手段の例としては、モータと歯車伝動機構を利用したアクチュエータが挙げられる。図２の場合、モータ（図示せず）で回転駆動されるウォーム６４が、雄ねじ部材６０に形成したウォームホイール（符号なし）と噛み合っており、ウォーム６４の回転によって雄ねじ部材６０が回転する。あるいは、図３に示すように、雄ねじ部材６０に平歯車を形成し、モータ７０によって回転駆動されるピニオン６８と噛み合わせてもよい。

回転軸２８には小歯車２６が固定してある。小歯車２６は歯付きリング１８と噛み合っている。歯付きリング１８は、小歯車２６の歯と噛み合う歯と、平滑な円筒状ガイド面２０を有し（図７参照）、このガイド面２０にてガイドローラと接する。図１に示すように、４つのガイドローラ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが設けてあり、図２にはそのうちの２つ、つまり、ガイドローラ２２ａとガイドローラ２２ｄだけが現れている。このように、ガイドローラを３個以上設け、主にプーリ１４ａ，１４ｂと歯付きリング１８との接触部にて作用する接線力を受けるもの（ガイドローラ２２ａ）、主に変速比を大から小に切り換える場合に歯付きリング１８を変位させるもの（ガイドローラ２２ｂ）、主に変速比を小から大に切り換える場合に歯付きリング１８を変位させるもの（ガイドローラ２２ｃ）、といった役割分担をさせるのが望ましい。

各ガイドローラは回転および軸方向移動可能である。ガイドローラ２２ａ，２２ｂ，２２ｃはピンと軸受を介してアーム２４に取り付けてあり、図２は、軸受として針状ころ軸受を採用した例を示している。ガイドローラ２２ｄは小歯車２６の両側に配置した一対の円板で構成され、小歯車２６とともに回転軸２８に対して軸方向移動可能である。小歯車２６は軸方向スライド可能で、かつ、相対回転不能の、トルク伝達手段によって回転軸２８に連結される。図２は、そのようなトルク伝達手段としてボールスプライン７２を採用した例を示している。

アーム２４は、図１に示すように輪状で、ほぼ９０°間隔でガイドローラ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが配置してある。これらのガイドローラ相互の位置関係は固定的である。アーム２４は、図２に示すように２枚の板材で構成され、回転軸２８と同軸にケーシング１０のスリーブ３０に旋回自在に支持されている。歯付きリング１８は４つのガイドローラ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄで外周から拘束されているため、中心軸がなくても回転が可能である（芯なしローラ）。ガイドローラ２２ａ，２２ｂ，２２ｃを担持したアーム２４を旋回させることによって、回転軸２８の軸芯周りに歯付きリング１８の回転中心Ｏを移動させることができる。歯付きリング１８の外周の歯は小歯車２６と常に噛み合った状態にある。

歯付きリング１８とプーリ部材１４ａ，１４ｂとの間にすきまが生じないようにプーリ部材１４ａ，１４ｂとアーム２４を制御すれば、歯付きリング１８が回転軸２８の軸芯周りに移動するのに伴ってプーリ部材１４との接触点Ｐが変化し、一定の小歯車２６の回転数に対しプーリ部材１４ａ，１４ｂの速度を連続的に変えることができる。このようにして、いわゆるＣＶＴが構成される。

たとえば回転軸１２を入力側とすると、図３に示すように、歯付きリング１８をプーリ部材１４ａ，１４ｂの半径方向内側に押し込んだ状態が減速状態となる。そして、プーリ部材１４ａ，１４ｂから回転力が入力されると、プーリ部材１４ａ，１４ｂから歯付きリング１８に力が作用し、さらにほぼ同じ大きさの力が小歯車２６へ作用し、回転軸２８に回転が伝達される。

図１に示す実施の形態は、アーム２４の出力軸２８周りの旋回を制御する機構としてウォーム４８とウォームホイール５０の組み合わせを採用した例である。ウォーム４８はモータ４６で回転駆動する。ウォームホイール５０は歯車の一部分に相当し、ピッチ円中心が出力軸２８の軸芯と一致するようにしてアーム２４に取り付けてある。ウォームの進み角などを適正に設定することにより、モータ非通電でもアーム２４の旋回角度を保持することができ、変速比を保持することが可能となる。

アーム２４の旋回駆動手段として、ウォームとウォームホイール以外の歯車伝動方式を採用することもできる。たとえば、ピッチ円中心が出力軸２８の軸芯と一致するようにしてアーム２４に取り付けた大歯車（またはその一部分）と、その大歯車と噛み合う小歯車をモータで駆動するようにしてもよい。

この発明の実施の形態を示す無段変速装置の側面略図 図１の無段変速装置の縦断面図 別の実施形態の無段変速装置の縦断面図 変速比小の状態を示す図１と類似の側面略図 従来の技術を示す無段変速装置の側面略図 図５の無段変速装置の縦断面図 図６におけるプーリと歯付きリングの接触部の拡大図

符号の説明

１０ ケーシング
１２ 回転軸
１４ａ 固定プーリ部材
１４ｂ 可動プーリ部材
１６ ボールスプライン
１８ 歯付きリング
２０ ガイド面
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ ガイドローラ
２４ アーム
２６ 小歯車
２８ 回転軸
３０ スリーブ
４６ モータ
４８ ウォーム
５０ ウォームホイール
５２ 鋼球
５４ カム部材
５６ 圧縮コイルばね
５８ ナット
６０ 雄ねじ部材
６２ ガイド
６４ ウォーム
６６ スラスト軸受
６８ ピニオン
７０ モータ
７２ ボールスプライン

Claims (6)

1. ケーシングに回転自在に支持された第一の回転軸と、
   ケーシングに回転自在に支持された第二の回転軸と、
   第一の回転軸に固定された固定プーリ部材と第一の回転軸に軸方向変位可能に支持された可動プーリ部材とで構成したＶプーリと、
   第一の回転軸に軸方向変位およびトルク伝達可能に支持されたカム部材と、該カム部材と可動プーリ部材との間に介在させたトルクカム機構と、
   カム部材を軸方向に移動させるための送りねじ機構と、
   送りねじ機構を駆動するための第一のアクチュエータと、
   Ｖプーリにクランプされ外周を複数のガイドローラで支持された歯付きリングと、
   歯付きリングと噛み合い第二の回転軸に軸方向移動可能に支持された小歯車と、
   複数のガイドローラを回転自在かつ軸方向変位可能に支持し第二の回転軸の軸芯周りに旋回可能なアームと、
   アームを旋回駆動するための第二のアクチュエータとを有する無段変速装置。
2. 前記アクチュエータを、モータと、前記モータでモータ駆動される小歯車と、前記小歯車に嵌合すると共にピッチ円中心が出力軸の軸芯と一致するようにしてアームに取り付けられ、前記小歯車を介して前記モータからの動力が伝達される大歯車とで構成した請求項１の無段変速装置。
3. 小歯車がウォームで、大歯車がウォームホイールである請求項２の無段変速装置。
4. カム部材と可動プーリ部材との間に介在させた転動体と、カム部材を軸受を介して支持する回り止めをしたナットと、第一の回転軸またはケーシングに対して軸受支持される雄ねじ部材とでトルクカム機構および送りねじ機構を構成した請求項１ないし３のいずれかの無段変速装置。
5. 第一のアクチュエータを、雄ねじ部材に設けた大歯車と、前記大歯車と噛み合う小歯車と、前記小歯車を回転駆動するモータとで構成した請求項４の無段変速装置。
6. 小歯車がウォームで、大歯車がウォームホイールである請求項５の無段変速装置。

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