JP4721040B2

JP4721040B2 - トロイダル型無段変速機

Info

Publication number: JP4721040B2
Application number: JP2005078662A
Authority: JP
Inventors: 寛加藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2025-03-18
Also published as: JP2006258228A

Description

本発明は、自動車や各種産業機械の変速機として利用可能なトロイダル型無段変速機に関する。

自動車用変速機として、図６および図７に略示するようなトロイダル型無段変速機を使用することが一部で実施されている。このトロイダル型無段変速機は、入力軸１と同心に入力側ディスク２を支持し、入力軸1と同心に配置された出力軸３の端部に、出力側ディスク４を固定している。トロイダル型無段変速機を納めたケーシングの内側には、入力軸１並びに出力軸３に対し捻れの位置にある枢軸５，５を中心として揺動するトラニオン６，６が設けられている。

また、各枢軸５，５を中心として各トラニオン６，６を揺動させることにより、これら各トラニオン６，６の中央部に支持された変位軸９の傾斜角度を調節できるようになっている。また、各トラニオン６，６の内側面から突出する変位軸９の先端部の周囲には、パワーローラ１１が回転自在に支持されており、各パワーローラ１１，１１は、入力側および出力側の両ディスク２，４の間に挟持されている。なお、各変位軸９，９の基端部と先端部は、互いに偏心している。

入力側および出力側の両ディスク２，４の互いに対向する内側面２ａ，４ａの断面はそれぞれ、枢軸５を中心とする円弧或いはこのような円弧に近い曲線を回転させて得られる凹面を成している。そして、球状の凸面に形成された各パワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａが各内側面２ａ，４ａに当接されている。

入力軸1と入力側ディスク２との間には、ローディングカム式の押圧装置１２が設けられている。この押圧装置１２は、入力側ディスク２を出力側ディスク４に向けて弾性的に押圧している。また、押圧装置１２は、入力軸１と共に回転するカム板（ローディングカム）１３と、保持器１４により保持された複数個(例えば４個)のローラ１５，１５とから構成されている。また、カム板１３の片側面(図６および図７の左側面)には、周方向に亙って凹凸面であるカム面１６が形成され、入力側ディスク２の外側面(図６および図７の右側面)にも同様のカム面１７が形成されている。そして、複数個のローラ１５，１５は、入力軸1に対して放射方向に延びる軸を中心に回転できるように、支持されている。

このような構成のトロイダル型無段変速機においては、入力軸１を回転させると、その回転に伴ってカム板１３が回転し、カム面１６によって複数個のローラ１５，１５が、入力側ディスク２の外側面に設けられたカム面１７に押圧される。この結果、入力側ディスク２が複数のパワーローラ１１，１１に押圧されると同時に、1対のカム面１６，１７と複数個のローラ１５，１５の転動面との押し付け合いに基づいて、入力側ディスク２が回転する。そして、この入力側ディスク２の回転が、各パワーローラ１１，１１を介して、出力側ディスク４に伝達され、この出力側ディスク４に固定された出力軸３が回転する。

入力軸１と出力軸３との回転速度を変える場合であって、入力軸１と出力軸３との間で減速を行なう場合には、枢軸５，５を中心として各トラニオン６，６を揺動させ、各パワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａが、図６に示すように、入力側ディスク２の内側面２ａの中心寄り部分と出力側ディスク４の内側面４ａの外周寄り部分とにそれぞれ当接するように、各変位軸９，９を傾斜させる。

反対に、増速を行なう場合には、各トラニオン６，６を揺動させ、各パワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａが、図７に示すように、入力側ディスク２の内側面２ａの外周寄り部分と出力側ディスク４の内側面４ａの中心寄り部分とにそれぞれ当接するように、各変位軸９，９を傾斜させる。各変位軸９，９の傾斜角度を図６と図７との中間にすれば、入力軸1と出力軸３との間で、中間の変速比が得られる。

さらに、図８および図９は、より具体化されたトロイダル型無段変速機を示している。入力側ディスク２および出力側ディスク４はそれぞれ、円管状の入力軸１８の周囲に、ニードル軸受１９，１９を介して、回転自在および軸方向に変位自在に支持されている。また、ローディングカム式の押圧装置１２を構成するためのカム板１３は、入力軸１８の端部(図８の左端部)の外周面にスプライン係合され、鍔部２０によって入力側ディスク２から離れる方向への移動が阻止されている。また、出力側ディスク４には出力歯車２１がキー２２，２２により結合されており、これら出力側ディスク４と出力歯車２１とが同期して回転するようになっている。

入力軸１８に対し捻れの位置にある枢軸５，５を中心として揺動する各トラニオン６，６は、支持板部７の長手方向(図９の左右方向)の両端部に、この支持板部７の内側面側に折れ曲がる状態で形成された一対の折れ曲がり壁部８，８を有している。そして、この折れ曲がり壁部８，８によって、トラニオン６には、後述するパワーローラ１１を収容するための凹状のポケット部Ｐが形成される。また、各折れ曲がり壁部８，８の外側面(支持板部７と反対側の面)には、各枢軸５，５が互いに同心的に設けられている。

トラニオン６，６の両端部はそれぞれ、一対の支持板２３，２３に対して揺動自在および軸方向(図８の表裏方向、図９の左右方向)に変位自在に支持されている。そして、各トラニオン６，６を構成する支持板部７の中央部に形成された円孔１０には、基端部９ａと先端部９ｂとが互いに平行で且つ偏心した変位軸９の基端部９ａが、回転自在に支持されている。また、各支持板部７の内側面から突出する各変位軸９の先端部９ｂの周囲には、パワーローラ１１が回転自在に支持されている。

なお、一対のトラニオン６，６毎に設けられた一対の変位軸９，９は、入力軸１８に対し、互いに１８０度反対側の位置に設けられている。また、これらの各変位軸９，９の先端部９ｂが基端部９ａに対して偏心している方向は、入力側および出力側の両ディスク２，４の回転方向に対して同方向(図９で左右逆方向)となっている。また、偏心方向は、入力軸１８の配設方向に対して略直交する方向となっている。したがって、各パワーローラ１１，１１は、入力軸１８の長手方向に若干変位できるように支持される。その結果、押圧装置１２が発生するスラスト荷重に基づく各構成部材の弾性変形等に起因して、各パワーローラ１１，１１が入力軸１８の軸方向に変位する傾向となった場合でも、各構成部材に無理な力が加わらず、この変位が吸収される。

また、各パワーローラ１１，１１の外側面と各トラニオン６，６を構成する支持板部７の内側面との間には、パワーローラ１１の外側面の側から順に、スラスト転がり軸受であるスラスト玉軸受２４と、スラストニードル軸受２５とが設けられている。このうち、スラスト玉軸受２４は、各パワーローラ１１に加わるスラスト方向の荷重を支承しつつ、これら各パワーローラ１１の回転を許容するものである。このようなスラスト玉軸受２４はそれぞれ、複数個ずつの玉２６，２６と、これら各玉２６，２６を転動自在に保持する円環状の保持器２７と、円環状の外輪２８とから構成されている。また、各スラスト玉軸受２４の内輪軌道は各パワーローラ１１の外側面に、外輪軌道は各外輪２８の内側面にそれぞれ形成されている。

さらに、各トラニオン６，６の一端部(図９の左端部)にはそれぞれ駆動ロッド２９が結合されており、各駆動ロッド２９の中間部外周面に駆動ピストン３０が固設されている。そして、これら各駆動ピストン３０はそれぞれ、駆動シリンダ３１内に油密に嵌装されている。

このように構成されたトロイダル型無段変速機の場合、入力軸１８の回転は、押圧装置１２を介して、入力側ディスク２に伝えられる。そして、この入力側ディスク２の回転が、一対のパワーローラ１１，１１を介して出力側ディスク４に伝えられ、さらにこの出力側ディスク４の回転が、出力歯車２１より取り出される。

入力軸１８と出力歯車２１との間の回転速度比を変える場合には、一対の駆動ピストン３０，３０を互いに逆方向に変位させる。これら各駆動ピストン３０，３０の変位に伴って、一対のトラニオン６，６が互いに逆方向に変位する。例えば、図９の下側のパワーローラ１１が同図の右側に、同図の上側のパワーローラ１１が同図の左側にそれぞれ変位する。その結果、これら各パワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａと入力側ディスク２及び出力側ディスク４の内側面２ａ，４ａとの当接部に作用する接線方向の力の向きが変化する。そして、この力の向きの変化に伴って、各トラニオン６，６が、支持板２３，２３に枢支された枢軸５，５を中心として、互いに逆方向に揺動する。

その結果、前述の図６および図７に示したように、各パワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａと各内側面２ａ，４ａとの当接位置が変化し、入力軸１８と出力歯車２１との間の回転速度比が変化する。また、これら入力軸１８と出力歯車２１との間で伝達するトルクが変動し、各構成部材の弾性変形量が変化すると、各パワーローラ１１，１１及びこれら各パワーローラ１１に付属の外輪２８が、各変位軸９の基端部９ａを中心として僅かに回動する。これら各外輪２８の外側面と各トラニオン６を構成する支持板部７の内側面との間には、各スラストニードル軸受２５が存在するため、前記回動は円滑に行なれる。したがって、前述のように各変位軸９，９の傾斜角度を変化させるための力が小さくて済む。

以上のように、トロイダル型無段変速機では、入力軸１８の回転が押圧装置１２を介して入力側ディスク２に伝えられるため、ローディングカム式の押圧装置１２におけるローラ１５の転動が潤滑油を介して円滑に行なわれることが必要である。この場合、ローディングカム式の押圧装置１２の各部には、大きな接触面圧や引っ張り荷重が加わるため、適正な対策を施さないと、十分な耐久性を得ることができない。そのため、従来にあっては、例えば、カム板１３のカム面１６等の硬度を所定の値以上に確保して、その耐久性を向上させるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２０１２５１号公報

しかしながら、耐久性やトルク伝達効率等の向上を図るためにカム板１３のカム面１６において考慮しなければならないパラメータは、硬度だけではない。例えばカム板１３のカム面１６の表面粗さが大きいと、カム面１６とローラ１５との間の接触部に油膜を形成できなくなり、耐久性やトルク伝達効率等の悪化を招く。

すなわち、ローディングカム式の押圧装置１２における前記ローラ１５は、カム面１６，１７を乗り上げる際には、スラストコロ軸受と同様の運動を行ない、ローラ１５とカム面１６，１７との接触部でスピンが発生するが、カム板１３のカム面１６の表面粗さが大きいために、カム面１６とローラ１５との間の接触部に油膜が形成されなくなると、境界潤滑状態となって摩擦係数が大きくなり、ローラ１５とカム面１６との間でスピンによる損失が大きくなる。そのため、カムのヒステリシスが大きくなってしまう。

したがって、設計時においては、摩擦係数を小さく設定しなければならなくなるが、その場合には、ローラ１５がカム面１６，１７に対して過押し付けとなり、押圧装置１２のみならず、トロイダル型無段変速機全体の効率が低下するとともに、疲労寿命の低下をも招いてしまう。

本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、スピン損失を低減でき、カム面に対するローラの過押し付けを無くすことができるトルク伝達効率が高いローディングカム押圧装置を備えたトロイダル型無段変速機を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載のトロイダル型無段変速機は、回転トルクが入力される入力軸と、それぞれの内側面同士を互いに対向させた状態で互いに同心的に且つ回転自在に前記入力軸に支持された入力側ディスクおよび出力側ディスクと、前記入力ディスクと前記出力側ディスクとの間に挟持されたパワーローラと、前記入力軸と前記入力側ディスクとの間に設けられ且つ前記入力側ディスクを前記出力側ディスクに向けて押圧するローディングカム式の押圧装置とを備え、前記押圧装置は、カム板と、このカム板のカム面と前記入力側ディスクの外側面に形成されたカム面との間で保持される複数個のローラとを有し、前記ローラが前記カム板の回転によって入力側ディスクの前記カム面に押圧されることにより、回転トルクが入力側ディスクに伝達されるとともに、前記パワーローラを介して所定の変速比で前記出力側ディスクに伝達されるトロイダル型無段変速機において、前記カム板の前記カム面および前記入力側ディスクの前記カム面のうち、前記ローラと接触する部位は、その表面粗さが０．４ａ以上１．６ａ以下に設定されていることを特徴とする。

この請求項１に記載された発明においては、カム板および入力側ディスクのカム面のローラと接触する部位の表面粗さが０．４ａ以上１．６ａ以下に設定されているため、カム面とローラとの間の接触部に油膜が良好に形成されるようになる。そのため、いわゆる弾性流体潤滑領域に遷移し、カムのヒステリシスを小さくすることができる。その結果、設計時においては、摩擦係数を大きく設定することができるようになり、ローラがカム面に対して過押し付けとなる事態が防止され、ローディングカム式の押圧装置のみならず、トロイダル型無段変速機全体の効率を向上させて、疲労寿命を延ばすことができるようになる。

本発明のトロイダル型無段変速機は、カム板および入力側ディスクのカム面の前記ローラと接触する部位の表面粗さが０．４ａ以上１．６ａ以下に設定されているため、ローラとカム面との間のスピン損失を低減でき、カム面に対するローラの過押し付けを無くすことができる。そのため、トルク伝達効率を高めることができ、疲労寿命を延ばすことができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。なお、本発明の特徴は、ローディングカム式の押圧装置におけるカム面の性状を改良した点にあり、その他の構成および作用は前述した従来の構成および作用と同様であるため、以下においては、本発明の特徴部分についてのみ言及し、それ以外の部分については、図６〜図９と同一の符号を付してその詳細な説明を省略することにする。

図１には、本発明者が実験によって得たローディングカムにおけるヒステリシス曲線のデータ結果が示されている。図中、横軸は入力トルクであり、縦軸はＦａ（軸力）であり、カム面１６，１７の表面粗さを変えて実験を行なった。図１は、４つの異なる表面粗さ（３．２ａ，１．６ａ，０，８ａ，０．４ａ）のデータを重ね合わせて示している。また、図２〜図５には、各表面粗さのヒステリシス曲線が別々に分けて示されている。

これらの図から分かるように、カム面１６，１７の表面粗さが１．６ａ以下になると、ヒステリシスが小さくなる。これは、カム面１６，１７とローラ１５との間の接触部に油膜が良好に形成され、弾性流体潤滑領域に遷移したためであると考えられる。

したがって、カム面１６，１７の表面粗さを１．６ａ以下に設定することにより、ヒステリシスを小さくすれば、設計時において、摩擦係数を大きく設定することができるようになり、ローラ１５がカム面１６，１７に対して過押し付けとなる事態を防止することができる。その結果、ローディングカム式の押圧装置１２のみならず、トロイダル型無段変速機全体の効率を向上させて、疲労寿命を延ばすことができる。

本発明は、シングルキャビティ型、ダブルキャビティ型、ハーフトロイダル型、フルトロイダル型など、様々なタイプのトロイダル型無段変速機に適用することができる。

ローディングカムにおけるヒステリシス曲線のデータ結果を示すグラフ図であり、４つの異なる表面粗さのデータを重ね合わせて示した図である。カム面の表面粗さが３．２ａに設定された際のヒステリシス曲線のデータ結果を示すグラフ図である。カム面の表面粗さが１．６ａに設定された際のヒステリシス曲線のデータ結果を示すグラフ図である。カム面の表面粗さが０．８ａに設定された際のヒステリシス曲線のデータ結果を示すグラフ図である。カム面の表面粗さが０．４ａに設定された際のヒステリシス曲線のデータ結果を示すグラフ図である。従来から知られている基本的構成を最大減速時の状態で示す側面図である従来から知られているトロイダル型無段変速機の基本的構成を最大増速時の状態で示す側面図である。従来の具体的構造の一例を示す断面図である。図８のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。

符号の説明

１，１８入力軸
２入力側ディスク
４出力側ディスク
１１パワーローラ
１２押圧装置
１３カム板
１５ローラ
１６，１７カム面

Claims

回転トルクが入力される入力軸と、それぞれの内側面同士を互いに対向させた状態で互いに同心的に且つ回転自在に前記入力軸に支持された入力側ディスクおよび出力側ディスクと、前記入力ディスクと前記出力側ディスクとの間に挟持されたパワーローラと、前記入力軸と前記入力側ディスクとの間に設けられ且つ前記入力側ディスクを前記出力側ディスクに向けて押圧するローディングカム式の押圧装置とを備え、前記押圧装置は、カム板と、このカム板のカム面と前記入力側ディスクの外側面に形成されたカム面との間で保持される複数個のローラとを有し、前記ローラが前記カム板の回転によって入力側ディスクの前記カム面に押圧されることにより、回転トルクが入力側ディスクに伝達されるとともに、前記パワーローラを介して所定の変速比で前記出力側ディスクに伝達されるトロイダル型無段変速機において、
前記カム板の前記カム面および前記入力側ディスクの前記カム面のうち、前記ローラと接触する部位は、その表面粗さが０．４ａ以上１．６ａ以下に設定されていることを特徴とするトロイダル型無段変速機。