JP2017517427A - 遊星歯車組を備える車両の動力伝達装置（ｐｔｕ） - Google Patents

Abstract

自動車用など、車両の動力伝達装置（ＰＴＵ）アセンブリの一実施態様は、入力シャフトと、遊星歯車組と、中間シャフトと、リング歯車と、出力歯車とを含む。遊星歯車組は、太陽歯車と、複数の遊星歯車と、環状歯車とを含む。太陽歯車は、車両のＰＴＵのハウジングに取り付けられており、使用中に回転しない。遊星歯車は、入力シャフトに相互接続されており、入力シャフトによって駆動される。次に、環状歯車が、遊星歯車によって駆動される。中間シャフトは、環状歯車に相互接続されており、環状歯車によって駆動される。リング歯車は中間シャフトに相互接続されており、出力歯車はリング歯車によって駆動される。【選択図】図１

Description

本開示は、全体として、車両の動力伝達装置（ＰＴＵ）に関し、より具体的には、車両のＰＴＵで用いられるシャフトと歯車アセンブリに関する。

一般に、車両の動力伝達系統は、車両のエンジンのトルクを、その車輪に伝える。自動車の動力伝達系統は、動力伝達系統のシャフト間でトルクを選択的に分配するための動力伝達装置（ＰＴＵ、別名として動力取出装置）を含むことがある。ＰＴＵは、四輪駆動および全輪駆動自動車の動力伝達系統の構成に装備されることが多い。通常、動力伝達装置は、歯車、シャフト、ベアリングを封入し、支持するハウジングから成る。自動車の動力伝達系統でのパッケージングは、自動車の他の場所と同様に、柔軟性のないサイズ制限が要求されることが多い。またサイズ制限は、所望のトルク出力を生成しながらも、自動車メーカが課す耐久性要件を満たすようＰＴＵを設計する際に課題となる。

一実施態様では、車両の動力伝達装置（ＰＴＵ）アセンブリは、入力シャフトと、遊星歯車組と、中間シャフトと、リング歯車と、出力歯車とを含む。入力シャフトは、第１の軸を中心に回転する。遊星歯車組は、入力シャフトによって駆動され、太陽歯車と、複数の遊星歯車と、環状歯車とを含む。太陽歯車は、回転しないよう固定されている。遊星歯車は、入力シャフトに相互接続されており、入力シャフトによって駆動される。遊星歯車は太陽歯車の周囲を回る。環状歯車は遊星歯車によって駆動される。中間シャフトは、第１の軸を中心に回転し、環状歯車に相互接続されており、環状歯車によって駆動される。リング歯車は、中間シャフトに相互接続されており、中間シャフトと一緒に回転する。出力歯車は第２の軸を中心に回転する。第２の軸は、第１の軸に対して角度をなすように配置されている。出力歯車はリング歯車によって駆動される。

別の実施態様では、車両の動力伝達装置（ＰＴＵ）アセンブリは、入力シャフトと、遊星歯車組と、スリーブシャフトと、リング歯車と、ピニオン歯車とを含む。遊星歯車組は、入力シャフトと同軸であり、太陽歯車と、複数の遊星歯車と、環状歯車とを含む。太陽歯車は、車両のＰＴＵを使用しているときに、遊星歯車に対して固定されたままである。遊星歯車は、遊星歯車と入力シャフトの間に中間歯車を配置することなく、入力シャフトに直接相互接続されている。遊星歯車は、入力シャフトによって駆動され、太陽歯車の周囲を回る。環状歯車は、歯車から歯車への駆動とかみ合いにより、遊星歯車によって直接駆動される。スリーブシャフトは、入力シャフトと同軸であり、スリーブシャフトと環状歯車の間に中間歯車を配置することなく、環状歯車に直接相互接続されている。スリーブシャフトは環状歯車によって駆動される。リング歯車は、入力シャフトと同軸であり、スリーブシャフトによって支持されている。ピニオン歯車は入力シャフトと非同軸である。ピニオン歯車は、歯車から歯車への駆動とかみ合いにより、リング歯車によって直接駆動される。

車両の動力伝達装置（ＰＴＵ）アセンブリの斜視図である。 図１の矢印２―２で切った断面図である。 ｙ軸にトルク（ニュートンメートル［Ｎｍ］）をプロットし、ｘ軸に歯車回転数をプロットしたグラフである。

図面では、自動車両用の車両の動力伝達装置（ＰＴＵ）アセンブリ１０は、多くの場合、自動車メーカが課すトルクと耐久性要件を満たす。したがって、ＰＴＵアセンブリ１０のトルクデューティサイクル能力が向上する。ＰＴＵアセンブリ１０は、柔軟に設置できないことの多いサイズ制限を満たすために、遊星歯車組１２を備え、設計と構造が比較的コンパクトになっている。図では一実施態様で説明しているが、ＰＴＵアセンブリ１０は、別の実施態様で、異なる設計および構造を有することができ、そのうちの一部を以下に記述する。実際のところ、その正確な設計および構造は、一般に、ＰＴＵアセンブリ１０を設置する特定の適用に依存する。適用では、さまざまなステアリング、エンジン、トランスミッション部品の他、付随するパッケージング要求が関係する可能性があり、こうしたものすべてによって、ＰＴＵアセンブリ１０の設計および構造が決まる。なお、本説明で用いられる、軸方向に、半径方向に、円周方向に、という用語、およびそれに関連する形態の用語は、他に指定のない限り、ＰＴＵアセンブリ１０の、概して円形および筒状部品に関する。

図１および２の実施形態では、ＰＴＵアセンブリ１０は、所望のトルク出力を生成するために、協働する部品を備えるマルチピース機構である。この実施形態では、ＰＴＵアセンブリ１０は、入力シャフト１４と、遊星歯車組１２と、中間シャフト１６と、リング歯車１８と、出力歯車２０とを含む。その他の部品は、ベアリング２２と、シールと、さらに追加のシャフトと、歯車とを含むことができる。また、図には示していないが、ＰＴＵハウジング、カバー、および／または金属材料もしくは非金属材料から成る中間構造が、ＰＴＵアセンブリ１０の部品を封入し、支持する。

入力シャフト１４は、差動装置など上流の動力伝達系統部品に相互接続させることができ、したがって、これによって駆動することができる。カップリング２４は、入力シャフト１４の一方の端部に、この相互接続を行うために示されているが、他の方法および部品でこれを行うことも可能である。入力シャフト１４は、この実施形態では中空の金属管である。ＰＴＵアセンブリ１０が、大型自動車の動力伝達系統に用いられる場合、入力シャフト１４は第１の軸Ｘ１を中心に回転する。入力シャフト１４は、カップリング２４と反対側の端部に、入力シャフトの主要管状体から半径方向外側に突出するフランジ２６を有する。フランジ２６は、入力シャフト１４と一体になった延長部分であり、入力シャフトと遊星歯車組１２とを共に相互接続するのに用いる。具体的には、遊星歯車組１２の複数の遊星歯車２８に、フランジ２６を直接相互接続する。直接相互接続は、ボルト締め、溶接、圧入、リベット締結、またはその他の機械的連結技術によって実施できる。相互接続は、フランジ２６と遊星歯車２８の間に、追加の歯車やシャフトやそれに似たような中間部品を配置しないという意味において直接的である。

遊星歯車組１２は、速度を増大させ、入力される回転運動から出力される回転運動へのトルクを低下させる。遊星歯車組１２は、入力シャフト１４に相互接続されており、したがって、入力シャフト１４によって駆動される。また、入力シャフト１４のように、遊星歯車組１２は第１の軸Ｘ１を中心に回転する。すなわち、遊星歯車組と入力シャフトは同軸である。図１および２に示すように、遊星歯車組１２は、入力シャフト１４の一方の端部のフランジ２６に配置されるが、入力シャフトの両末端部のおおよそ中間など、入力シャフトに沿った他の場所に配置してもよい。入力される回転運動は、入力シャフト１４から受け取られ、出力される回転運動は、中間シャフト１６に伝達される。遊星歯車組１２は、入力シャフト１４から中間シャフト１６に、トルク低下機能をもたらす。１つの具体的な実施例では、遊星歯車組１２は、約１．５：１のトルク低下をもたらす。当然のことながら、他の実施例では、他のトルク低下値もあり得る。正確なトルク低下は、他に考えられる要因の中でも特に、付属する部品の直径に依存することがある。トルクの低下により、それに伴う速度の増大と連動して、ＰＴＵアセンブリ１０の耐久性能全体とそのデューティサイクル能力が向上する。これについては以下に詳しく述べる。さらに、遊星歯車組１２の歯車の配置は、比較的コンパクトな設計と構造でこれらの改善を実現するため、他の歯車配置と比べて容易にパッケージングとサイズ制限を満たすことができる。

さらに図１および２では、遊星歯車組１２は、太陽歯車３０と、遊星歯車２８と、環状歯車３２とを含む。太陽歯車３０は、フランジ２６に隣接する入力歯車１４の最末端部に配置される。太陽歯車３０は入力シャフト１４と同軸である。トルクを低下させて、速度を増大させるために、太陽歯車３０はＰＴＵハウジングに取り付けられ、ゆえに固定されており、ＰＴＵアセンブリ１０の使用時に回転しない。取り付けは、ボルト締め、溶接、圧入、リベット締結、またはその他の機械的連結技術によって実施してよい。言い換えれば、太陽歯車３０はＰＴＵハウジングに留め置かれ、動作中に回転しないように固定されている。遊星歯車２８は、ＰＴＵアセンブリ１０の使用時に、太陽歯車３０の周囲、かつ第１の軸Ｘ１の周囲を回る。各遊星歯車２８は、第１の軸Ｘ１の周囲を回りながら、それ自身の軸を中心に回転もする。個々別々の遊星歯車２８の数は、例えば２個、３個、４個、またはそれ以上と、さまざまであり得る。各遊星歯車２８は、太陽歯車３０の歯と直接かみ合い、かつ環状歯車３２の歯と直接かみ合う歯を有する。遊星歯車２８は、前述したように、片側がフランジ２６に直接相互接続されており、そのため、入力シャフト１４によって直接駆動される。遊星歯車２８の反対側は、キャリア３４に直接相互接続されている。キャリア３４は、遊星歯車２８を、互いに対して適切な位置に保持し、動作中に遊星歯車とともに回転する。最後に、環状歯車３２は、太陽歯車３０を中心に回転し、入力シャフト１４と同軸である。環状歯車３２の半径方向内側の歯は、遊星歯車２８の歯と直接かみ合い、そのため、環状歯車は遊星歯車によって直接駆動される。環状歯車３２の片側では、フランジ３６が、側壁３８の外側に軸方向に突出している。フランジ３６は、環状歯車３２と一体になった延長部分であってよく（すなわち、構造全体が１つの材料で形成されている）、環状歯車と中間シャフト１６とを共に直接相互接続するのに用いられる。直接相互接続は、図２に示すようなスプライン結合４０、ボルト締め、溶接、圧入、リベット締結、ねじ留めによって、またはその他の機械的連結技術によって実施できる。図示した実施形態では、取り付けで、環状歯車３２と中間シャフト１６の間に中間部品を用いていない。相互接続時に、またおそらく図２にもっともよく描写されているように、フランジ３６は、第１の軸Ｘ１に沿って、中間シャフト１６と入力シャフト１４の両方に重なっている。

中間シャフト１６は、遊星歯車組１２に相互接続されており、したがって、遊星歯車組１２によって駆動される。具体的には、前述したように、中間シャフト１６は、環状歯車３２との直接相互接続により、環状歯車３２によって直接駆動される。中間シャフト１６は、この実施形態では中空の金属管であり、第１の軸Ｘ１を中心に回転する。他の部品と同じように、中間シャフト１６と入力シャフト１４は同軸である。互いに対して、中間シャフト１６は、入力シャフト１４に重なり、かつ入力シャフトの半径方向外側の位置で、入力シャフト１４を円周方向に取り囲む。これはおそらく図２にもっともよく描写されており、中間シャフト１６は、入力シャフト１４を覆って、その周囲にぴったり合っているので、その意味で、中間シャフト１６はスリーブシャフトといえる。言い換えると、この実施形態では、入力シャフト１４は、スリーブシャフト１６の半径方向内側に設置され、動作中にシャフトが回転する際に干渉しないよう、対向面間にわずかなクリアランスがある。スリーブシャフト１６の軸方向長さは、入力シャフト１４の軸方向長さより短く、ゆえに、入力シャフトの端から端まで完全に重なることはない。この実施形態における重なりは、パッケージング要求によって決まり、別の実施形態では、中間シャフト１６はスリーブシャフトである必要がなく、中間シャフト１６は、図示したように入力シャフト１４を覆ってぴったり合っていなくてもよい。スリーブシャフト１６の回転は、ベアリング２２によって促進される。スリーブシャフト１６は、リング歯車１８との間に中間部品を用いることなく、リング歯車１８に直接相互接続されている。スリーブシャフト１６は、その外面４２でリング歯車１８を支持するため、スリーブシャフトとリング歯車は、動作時に一緒に回転する。直接相互接続は、ボルト締め、溶接、圧入、リベット締結、またはその他の機械的連結技術によって実施できる。

さらに図１および２では、リング歯車１８は中間シャフト１６に相互接続されており、したがって、中間シャフト１６によって駆動される。具体的には、前述したように、リング歯車１８は、中間シャフト１６との直接相互接続により、中間シャフト１６によって直接駆動される。リング歯車１８は、ハイポイド歯車組またはハスバ歯車組の一部を構成していてよく、出力歯車２０を含んでもいる。リング歯車１８は、第１の軸Ｘ１を中心に回転し、したがって、入力シャフト１４と同軸である。互いに対して、リング歯車１８は、中間シャフト１６の半径方向外側に位置付けられている。また、リング歯車１８は、中間シャフト１６の両末端部の間に配置されるが、末端部の近くまたは末端部に配置してもよい。

ここで図１に言及すると、出力歯車２０は、リング歯車１８によって直接駆動される。出力歯車２０は、リング歯車１８と反対側の端部で、カルダンシャフトなど下流の動力伝達系統部品と相互接続が可能であり、および／またはこれを駆動できる。出力歯車２０は、リング歯車１８の歯と直接かみ合う歯を有する。使用時には、出力歯車２０は、第１の軸Ｘ１に対して角度をなすよう設けられている第２の軸Ｘ２を中心に回転する。一実施例では、第１の軸Ｘ１と第２の軸Ｘ２は、互いに対して垂直である。出力歯車２０は、ハイポイド歯車組またはハスバ歯車組の別の一部を構成するピニオン歯車であり得る。

使用時には、車両のＰＴＵアセンブリ１０は、多くの場合、自動車メーカが課すトルクと耐久性要件を満たすと同時に、同じく課されるサイズ制限を満たす。図３では、一実施例で、トルクデューティサイクルの線Ａが課されている。例えば点Ａ１で、特定のＰＴＵアセンブリは、約１，０００回転で運転するときに、約１，０００ニュートンメートル（Ｎｍ）のトルクに耐えることが求められ、点Ａ２で、特定のＰＴＵアセンブリは、約１，０００，０００回転で運転するときに、約５０Ｎｍのトルクに耐えることが求められる。こうした耐久性要件は、通常、ＰＴＵアセンブリのハイポイド歯車組またはハスバ歯車組（この実施形態では、リング歯車１８と出力歯車２０）に課される。前述したように、遊星歯車組１２は、これを通じて伝達される回転運動のトルクを低下させ、ゆえに、ＰＴＵアセンブリ１０のトルクデューティサイクル能力が増大する。図３では、ＰＴＵアセンブリ１０のトルクと耐久能力を線Ｂで示す。線Ｂはトルクデューティサイクルの線Ａのかなり上にプロットされていることから、ＰＴＵアセンブリ１０は容易に要件を満たしている。例えば点Ｂ１で、ＰＴＵアセンブリ１０は、約１，０００，０００回転で運転するときに、約１，０００Ｎｍのトルクに耐えることができ、これは点Ａ２の要件を難なく満たしている。線Ｂで表されるトルクと耐久能力は、ＰＴＵアセンブリ１０の耐用年数を向上させる。当然のことながら、図３に示すデータはシミュレーションの結果であり、すべてのシミュレーションで必ずしもこれとそのまま同じ結果が得られるとは限らない。シミュレーションは、図１および２のＰＴＵアセンブリと似たＰＴＵアセンブリで実施した。

最後に、ＰＴＵアセンブリ１０の別の実施形態は、図１に説明したものとは設計および構成が異なる可能性がある。例えば、図のＰＴＵアセンブリは単軸構造であるが、ＰＴＵアセンブリは２軸構造であってもよい。また、ＰＴＵアセンブリ１０は、その部品間にクラッチ機構を備えていないが、ＰＴＵアセンブリの別の実施形態はクラッチ機構を含んでいてもよい。さらに、図では、すべての歯車で個々の歯を描写していないが、太陽歯車、遊星歯車、環状歯車、リング歯車、および出力歯車などの歯車部品に、実際には歯が存在することは、当業者には明らかであろう。

当然のことながら、前述の説明は例示を目的としており、限定の意図はない。前述の説明を読めば、当業者には、提示した実施例の他に多くの実施形態や適用が明らかとなろう。本発明の範囲は、前述の説明ではなく、添付の特許請求の範囲に従って、請求項が権利を有する均等物の全範囲とともに決定されるものとする。本明細書で論じた技術において、将来進展がみられること、ならびに、開示されたアセンブリおよび方法が、そのような将来の実施形態に援用されることが予想され、意図される。すなわち、本発明は修正および変形が可能であり、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されることを理解されたい。

特許請求の範囲で使用するすべての用語は、本明細書で明示的に反対の表明がない限り、合理的にもっとも広範な解釈および当業者が理解する通常の意味を有することを意図する。具体的には、「１つの（ａ）」、「その（ｔｈｅ）」、「前記（ｓａｉｄ）」などの単数の冠詞の使用は、請求項で明示的に反対の限定を述べない限り、指示した１つまたは複数の要素を述べていると理解されるものとする。さらに、「軸」または「軸方向に」および「半径」または「半径方向に」という用語は、特定される１つまたは複数の軸に関する説明を簡単にするために用いている。これらの用語は、限定を意図するものではなく、横方向、縦方向、内側、外側といった他の用語は、排除することではなく含むことを意図する。

Claims (11)

1. 第１の軸を中心に回転する入力シャフトと；
   前記入力シャフトによって駆動される遊星歯車組であって、前記遊星歯車組は、太陽歯車と複数の遊星歯車と環状歯車とを含み、前記太陽歯車は、回転しないよう固定されており、前記複数の遊星歯車は、前記入力シャフトに相互接続され、かつ前記入力シャフトによって駆動され、かつ前記太陽歯車の周囲を回り、前記環状歯車は、前記複数の遊星歯車によって駆動される遊星歯車組と；
   第１の軸を中心に回転し、かつ前記環状歯車に相互接続され、かつ前記環状歯車によって駆動される中間シャフトと；
   前記中間シャフトに相互接続され、かつ前記中間シャフトと一緒に回転するリング歯車と；
   第１の軸に対して角度をなすよう配置される第２の軸を中心に回転し、かつ前記リング歯車によって駆動される出力歯車と
   を備える、車両の動力伝達装置（ＰＴＵ）アセンブリ。
2. 前記入力シャフトと前記遊星歯車組は、前記第１の軸について互いに同軸であり、前記第１の軸の周囲を回る前記複数の遊星歯車を備える、請求項１に記載の車両の動力伝達装置（ＰＴＵ）アセンブリ。
3. 前記入力歯車と前記複数の遊星歯車の間の相互接続は、それらの間に中間歯車を持たない直接相互接続である、請求項１に記載の車両の動力伝達装置（ＰＴＵ）アセンブリ。
4. 前記環状歯車と前記中間シャフトの間の相互接続は、それらの間に中間歯車を持たない直接相互接続である、請求項１に記載の車両の動力伝達装置（ＰＴＵ）アセンブリ。
5. 前記中間シャフトは、前記入力シャフトの半径方向外側の位置で前記入力シャフトに重なっているスリーブシャフトである、請求項１に記載の車両の動力伝達装置（ＰＴＵ）アセンブリ。
6. 前記リング歯車は、前記スリーブシャフトと一緒に、第１の軸を中心に回転する、請求項５に記載の車両の動力伝達装置（ＰＴＵ）アセンブリ。
7. 前記リング歯車は、歯車から歯車への直接駆動によって、前記出力歯車を直接駆動する、請求項１に記載の車両の動力伝達装置（ＰＴＵ）アセンブリ。
8. 前記出力歯車はピニオン歯車である、請求項７に記載の車両の動力伝達装置（ＰＴＵ）アセンブリ。
9. 前記第２の軸は、前記第１の軸に対して垂直に配置されている、請求項１に記載の車両の動力伝達装置（ＰＴＵ）アセンブリ。
10. 前記車両のＰＴＵアセンブリは、前記入力シャフト、前記遊星歯車組、前記中間シャフト、前記リング歯車、および前記出力歯車の間にクラッチ機構を備えていない、請求項１に記載の車両の動力伝達装置（ＰＴＵ）アセンブリ。
11. 入力シャフトと；
    前記入力シャフトと同軸であり、かつ太陽歯車と複数の遊星歯車と環状歯車とを含む遊星歯車組であって、前記太陽歯車は、車両のＰＴＵを使用しているときに、前記複数の遊星歯車に対して固定されたままであり、前記複数の遊星歯車は、前記入力シャフトとの間に中間歯車を用いることなく、前記入力シャフトに直接相互接続され、かつ前記入力シャフトによって駆動され、かつ前記太陽歯車の周囲を回り、前記環状歯車は、歯車から歯車への駆動により、前記複数の遊星歯車によって直接駆動される遊星歯車組と；
    前記入力シャフトと同軸であり、かつ前記環状歯車との間に中間歯車を用いることなく、前記環状歯車に直接相互接続され、かつ前記環状歯車によって駆動されるスリーブシャフトと；
    前記入力シャフトと同軸であり、かつ前記スリーブシャフトによって支持されるリング歯車と；
    前記入力シャフトと非同軸であり、かつ歯車から歯車への駆動により、前記リング歯車によって直接駆動されるピニオン歯車と
    を備える、車両の動力伝達装置（ＰＴＵ）アセンブリ。

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