JP2010519481A - 無段変速機 - Google Patents

Abstract

本発明は変速機入力（６０）及び変速機出力（１１４）を有する無段変速機に関する。変速機は変動器（５６）を有する。この変動器は無段可変比で駆動力を伝達する装置である。変速機は更にクラッチ構成（１５２）を組み込んだ遊星歯車構成（５８）を有する。遊星歯車構成は３つの回転部材を有する。回転部材の１つは少なくとも１つの遊星歯車（９４）を有する遊星キャリヤ（８６）に結合される。別の回転部材は遊星歯車と噛み合う種歯車（９０）に結合される。クラッチ構成は残りの回転部材を第１及び第２の代替の歯車（９６、９８）のいずれかに結合するのに役立ち、代替の歯車の双方は、遊星歯車と噛み合い、異なる速度で回転する。上述の回転部材の１つは固定の駆動比で変速機入力に結合される。回転部材の１つは変動器出力に結合される。最後の回転部材は変速機出力に結合される。クラッチ構成により、変速機は、第１及び第２の比レンジ間で変わることができる。

Description

本発明は、無段変速機（ＣＶＴ；continuously variable transmissions）に関し、特に遊星シャント伝動装置（epicyclic shunt gearing）を利用するＣＶＴに関する。

当業者で周知の１つのこのようなＣＶＴが図１に極めて概略に示される。エンジン１０は、変速機の入力シャフト１２を駆動する。変速機の出力シャフト１４は自動車の車輪１６に結合される。変速機比の無段変化は変動器１８により提供される。ここでは、「変動器（variator）」という用語は、無段可変速度比で（変動器入力シャフト２０のような）第１の回転部材と（出力シャフト２２のような）第２の回転部材との間で駆動力を伝達する装置を言うものとする。

変速機は、また３つのシャフトを備えた遊星シャント歯車列２４（その構造はこの図には示さない）を有する。シャントの第１のシャフト２６はたとえば固定比の伝動装置を介してエンジン１０に作動的に結合される。シャントのシャフト２８は変動器１８の出力シャフト２２に結合される。第３のシャフト３０は第１及び第２のシャフトの速度の関数である速度で回転し、変速機の出力シャフト１４に結合される。

この形式の変速機は、当業界で「ギヤ中立（geared neutral）」と呼ぶ無限速度減少を提供することができる。ある変動器比で、シャント２４の第１及び第２の回転シャフト２６、２８の速度は互に相殺し合い、出力が運動するエンジンから物理的に結合解除されないという事実にも拘わらず、第３のシャフト３０（及び変速機の出力）を静止状態にする。典型的には、変速機内の歯車比は、変動器比を単に変更することにより、全体として変速機により提供される速度比を、ギヤ中立を含む後進及び前進歯車の範囲を介して変更できるように、選択される。

エンジンから車輪へ（又はエンジン制動中はその逆）の動力の流れに対抗する方向において、動力はシャント２４により変動器１８を通して循環される。この動力循環は変動器を通る全体の動力流れを減少させ、従って、これは変速機により伝達される全体の動力の一部のみを伝達するために必要となる。変動器は、典型的には変速機の最小エネルギ効率部分である。それ故、そこを通る動力の流れを最小にすることが望ましい。

ここで、従来の有段比の主歯車箱を有するある自動車においては、主歯車箱と車輪との間に補助の歯車箱が設けられる。トラクタはしばしばこの形式の構成を有する。耕作のような低速作動に対しては、補助の歯車箱は低い比に設定される。高速が必要な場合、例えば、路面上で駆動する場合、補助の歯車箱は高い比に設定される。補助の歯車箱はＣＶＴと一緒に同様に使用できる。図１において、このような歯車箱は点線のボックス３２で示し、低レンジと高レンジとの間で切換えできる。

このようなＣＶＴの最適効率はある問題を生じさせる。低レンジが１５ｋｐｈ（キロメートル／時速）の後進から１５ｋｐｈの前進への車両速度を提供することを意図するものと仮定し、高レンジが４０ｋｐｈまでの前進速度を提供することを意図するものと仮定する。明らかに、これは、図１に示す形式の構成において、補助の歯車箱３２のための適当な比を選択することにより達成できる。高レンジにおいては、次いで、変速機は４０ｋｐｈの前進から４０ｋｐｈの後進への車両速度を提供できる。

しかし、このような高い後進速度は大半の応用にとって必要ではなく、このようなシステムでの変速効率（transmission efficiency）は最適以下となろう。変動器により取り扱われる全体の動力の比率は、変速比レンジ（transmission ratio range）の増大と共に増大する。それ故、図１の変速機において及び高レンジにおいて、動力の不必要に大きな比率は変動器により取り扱われ、変速効率を損なわせる。

本発明によれば、無段変速機が提供される。この変速機は、変速機入力と、変速機出力と、連続可変変動器比で変動器入力と変動器出力との間において駆動力を伝達するようにされた変動器と、クラッチ構成を組み込み、３つの回転部材を備えた遊星歯車構成と、を有する。回転部材の１つは、少なくとも１つの遊星歯車を担持する遊星キャリヤに結合され、回転部材の１つは、遊星歯車と噛み合う主歯車に結合される。クラッチ構成は、残りの回転部材を第１及び第２の代替の歯車のうちのいずれかに結合するように構成され、これら代替の歯車の双方は、遊星歯車と噛み合い、異なる速度で回転する。回転部材の１つは、固定の（一定の）駆動比で変速機入力に結合され、回転部材の１つは、変動器出力に結合される。回転部材の１つは、変速機がクラッチ構成により第１及び第２の比レンジ間で変更できるように、変速機出力に結合される。

回転部材は、たとえばシャフトの形をとることができるが、その機能は遊星歯車の関連する部分に対して（この部分へ又はこの部分から）回転駆動力を伝達することであり、これを行うことのできる任意の素子を使用することができる。たとえば、後述する変速機においては、変動器の出力ディスクはロッド又は軸を介して遊星キャリヤに直接接続され、これらは対応する回転部材を形成する。「カップリング」が引用される場合、特定の部材間で駆動力を伝達するための経路が存在することを意味し、これは、一方から他方への直接の物理的な接続を介することができ、又は伝動装置又はチェーン駆動子のようなある他の適当な機構を介することができる。

動力循環形式のＣＶＴの概略図である。 本発明を具体化した変速機の簡略図である。 図２に示す変速機の斜視図である。 本発明を具体化した第２の変速機の簡略図である。

ここで、単なる例として、添付図面を参照しながら本発明の特定の実施の形態を説明する。図２、３に示す変速機においては、エンジン５０は変動器５６及び遊星シャント５８を有するＣＶＴ５４を介して車両の車輪５２に結合される。

エンジン５０は、内燃エンジンとすることができる。図示の変速機は、たとえばトラクタのような農業車両及び建設産業で使用される車両において普通に見られる速度制御ディーゼルエンジンと一緒に使用するのに特に適する。エンジン及び変速機のこの組合せを有する車両においては、運転手は選択されたエンジン速度を設定することができ、次いで、変動器比の調整により車両速度について制御を行使することができる。少なくとも低体系においては、運転手は前進及び後進速度の連続的な範囲からこのような方法で選択することができ、ギヤ中立の選択により車両を停止させることができる。

しかし、本発明に係るＣＶＴは、速度制御エンジンと一緒に使用するのに単独では適さず、電気モータ、外燃エンジン等のような任意の適当な回転ドライバと一緒に使用することができることに留意されたい。シャフト６０は、エンジンを変動器入力に結合し、変速機の入力シャフトを形成する。勿論、実際には、エンジンと変動器との間に伝動装置を介在させることができる。

図示の例では、変動器５６はトロイダルレース転がりトラクション形式のものである。特に、変動器は「フルトロイダル」として当業界で知られる形式のものである。このような変動器は周知であり、ここではほんの簡単に説明する。本発明は（これに限定されないが）ベルト及びシーブ変動器及び静圧変動器を含む他の形式の変動器を使用して履行することができる。

図示の変動器５６は、第１及び第２の入力レース６２、６４を有し、これらのレース間に単一の出力レース７４が存在する。入力レース６２、６４は出力レース７４の両側に形成された同様に形状づけられたレース路７０、７２の方に対面するそれぞれの半トロイダル状にくぼんだレース路６６、６８を有する。入力及び出力レース６２、６４、７４はシャフト７５により画定される共通軸線のまわりで回転するように装着され、この例では、このシャフトは変速機の入力シャフト６０の単なる延長部である。

入力及び出力レースは、２つのほぼトロイダル状の空洞７６、７８を一緒に画定し、各空洞はそれぞれのセットのローラ８０、８２を収容する。ローラはレース路上で運動し、そのようにして、（一緒に回転するように結合された）外側レース６２、６４と内側レース７４との間で駆動力を伝達する。各ローラはそれ自身の軸線のまわりで回転するように装着され、このような軸線の１つは符号８４で示し、図では、シャフト７５に対して傾斜した状態で示される。ローラの傾斜角度は可変であり、変動器の駆動比（variator drive ratio）に対応する。ローラの傾斜が変化すると、ローラにより辿られるレース上の経路の円周が変化し、従って、外側レースの速度に対する内側レースの速度の比が変化し、即ち、変動器の駆動比を変化させる。

変動器５６の入力側は、一定の比でエンジン５０から駆動される（変速機及び車輪がエンジンにより駆動される場合を参照するのが便利であるが、勿論、「オーバーラン」又は「エンジン制動」状態においては、動力の流れは他の方向とすることができることに留意すべきである）。図示の実施の形態においては、エンジンはシャフト６０、７５を駆動し、第１の入力レース６２は一緒に回転するようにシャフト７５上に装着される。シャフト７５はすべてのレースを通って延び、第２の入力レース６４の外方へ突出し、そこに遊星キャリヤ８６を担持する。遊星キャリヤは軸８８を介して第２の入力レースの外表面に結合され、そのため、第２の入力レース６４はシャフト７５と一緒に回転しなければならない。

変動器の出力側は、主歯車９０に結合される。図示の実施の形態においては、この結合はスリーブ９２を介して行われ、このスリーブはシャフト７５のまわりでこれと同軸的に位置し、出力レース７４から第２の入力レース６４を通って第２の入力レースの外側の区域へ延びる。第２の入力レース６４とスリーブ９２との間の軸受は一方に対する他方の相対回転を許容する。遊星キャリヤ８６の軸８８は主歯車９０と噛み合う遊星歯車９４を担持する。遊星歯車９４はそれ自身の軸線のまわりで旋回することができ、遊星伝動装置の軸線のまわりの円形軌道内で運動することができる。

遊星歯車は、更に第１及び第２の代替の出力歯車９６、９８と噛み合う。図２の実施の形態においては、遊星歯車歯は主歯車９０並びに第１及び第２の出力歯車９６、９８とそれぞれ噛み合う３つの別個の歯付き歯車ヘッド１００、１０２、１０４を有するものとして示す。この構造は、それを介して遊星歯車９４を他の歯車と係合させる歯の数が必要な比を提供するように個々に選択されるのを許容するが、他の実施の形態においては、遊星歯車は各々関連する歯車９０、９６、９８の３つすべてと噛み合う単一のセットの歯車歯を有することができる。また、遊星歯車９４は実際には、たとえば製造又は組立ての便宜上、複数の結合された素子として形成することができる。

２つの出力歯車９６、９８は、遊星歯車９４により異なる速度で駆動される。図示の実施の形態においては、その理由は、第１の出力歯車９６が第２の出力歯車９８よりも小さく、それと噛み合う歯車ヘッド１０２がその相方である歯車ヘッド１０４よりも対応的に大きいからである。両方の出力歯車は遊星歯車９４により一度に駆動され、一方又は他方はクラッチ構成１０６により変速機の出力それ故車両の車輪５２に通常結合される。

図２、３において、クラッチ構成それ自体は、構成がシャフト７５と同軸的になることができるように、出力遊星歯車構成１０８を使用する。第１の出力歯車９６はシャフト１１２を介してクラッチ１１０の一部に結合される。クラッチ１１０の別の部分は変速機の出力シャフト１１４に結合される。その状態の１つにおいて、クラッチはかくして第１の出力歯車９６を変速機の出力１１４に結合する。シャフト１１２のまわりに位置するスリーブ１１１は第２の出力シャフト９８を遊星体１０８のサンギヤ１１６に結合するのに役立ち、遊星体の遊星キャリヤ１１８はクラッチ１１０の別の部分に結合される。出力遊星体はまた固定の環状歯車１２０を有する。その状態のうちの別の状態において、クラッチはかくして出力遊星体１０８を介して変速機の出力１１４を第２の出力歯車９８に結合するのに役立つ。従って、クラッチ状態の切換えは高レンジと低レンジとの間で変わる。

図２、３に示す実施の形態は、図１に示す変速機と機能的に等価ではないことを認識することは重要である。両者は高比レンジ及び低比レンジを提供できる。しかし、図１の補助の歯車箱３２はその遊星歯車列２４からの速度出力をあるファクター（勿論、このファクターは２つのレンジにおいて異なる）だけ単に倍増させることができる。従って、上述したように、低レンジは１５ｋｐｈの後進から１５ｋｐｈの前進までの車両速度を提供でき、高レンジは４０ｋｐｈの後進から４０ｋｐｈの前進までの速度を提供できる。ギヤ中立のいずれかの側での全体のレンジの比率は低レンジ及び高レンジ間で変更することができる。

同じ制限は図２、３の変速機に適用されない。従って、たとえば、歯車比は低レンジにおいて−１５ｋｐｈから＋１５ｋｐｈまでの及び高レンジにおいて−１５ｋｐｈから＋４０ｋｐｈまでの速度を提供するように選択することができる。高レンジにおいて分布する全体の比が一層小さいので、必要な最大前進速度を提供している間、変動器を通って辿る全体の伝達される動力の比率は一層小さくなることができ、その結果、変速機は一層効率的になることができる。

図４に示す変速機は、多くの点で図２、３に示すものと同様であり、対応する部分は同じ符号で示す（但し、基本的な部分のみをこのようにした）が、出力遊星体１０８の代わりに、図４のバージョンはシャフト７５から片寄ったレイシャフト(layshaft) １５０を使用する構成を有する。レイシャフト歯車１５２、１５４はそれぞれ２つの出力歯車９６、９８の歯車ヘッドと噛み合い、レイシャフトと同軸的であるが、そのまわりで回転することができる。クラッチ１５２はレイシャフト歯車１５２、１５４の一方又は他方をレイシャフトに選択的に結合するのに役立ち、そのため、歯車の回転を車輪５２に伝達するのに役立つ。
本発明の要旨を逸脱することなく、図示の実施の形態に対する多数の進展及び修正が可能である。たとえば、遊星伝動装置は普通遊星歯車の外側の内歯付きの環状歯車を有し、このような構成は、たとえば、出力歯車９６、９８の代わりに、遊星歯車上のそれぞれの歯付き歯車ヘッドと係合する２つの別個の環状歯車を使用することにより、本発明を具体化した変速機に採用することができる。

Claims (6)

1. 無段変速機であって、
   変速機入力と、変速機出力と、連続可変変動器比で変動器入力と変動器出力との間において駆動力を伝達するようにされた変動器と、クラッチ構成を組み込み、３つの回転部材を備えた遊星歯車構成と、を有し、
   回転部材の１つが少なくとも１つの遊星歯車を担持する遊星キャリヤに結合され、回転部材の１つが遊星歯車と噛み合う主歯車に結合され、クラッチ構成が残りの回転部材を第１及び第２の代替の歯車のうちのいずれかに結合するように構成され、これら代替の歯車の双方が遊星歯車と噛み合い異なる速度で回転し、回転部材の１つが固定の駆動比で変速機入力に結合され、回転部材の１つが変動器出力に結合され、回転部材の１つが変速機がクラッチ構成により第１及び第２の比レンジ間で変更できるように変速機出力に結合されることを特徴とする無段変速機。
2. 前記無段変速機の伝動装置は、変速機が第１のレンジにある間に変速機の出力を静止状態にさせる変動器比（「第１レンジのギヤ中立比」）が存在するものであることを特徴とする請求項１の無段変速機。
3. 前記変速機が第２のレンジにある間に変速機の出力を静止状態にさせる別の変動器比（「第２レンジのギヤ中立比」）が存在し、第１レンジのギヤ中立比が第２レンジのギヤ中立比とは異なることを特徴とする請求項２の無段変速機。
4. 前記変動器出力が主歯車に結合されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの無段変速機。
5. 前記変動器入力が変速機入力に結合されることを特徴とする請求項４の無段変速機。
6. 図面を参照して実質的に明細書で説明され、添付の図面に示される無段変速機。

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