JP6575159B2 - 無段変速機 - Google Patents

Description

本発明は、自動車や各種産業機械の変速機などに利用可能な無段変速機に関する。

トロイダル型のバリエータ、電動モータ（ハイブリッド用モータ）、遊星歯車機構、エンジン始動用のスタータモータ等を備えた無段変速機が知られている。

このような、無段変速機においては、例えば、ダイレクトモードでは、バリエータの出力軸と無段変速装置の出力軸とがダイレクトモードクラッチにより一体に回転可能に接続され、バリエータの出力軸およびハイブリッド用モータ（電動モータ）の回転力が無段変速機の出力とされる。すなわち、バリエータの出力軸が無段変速機の出力軸に直結されて、バリエータおよびハイブリッド用モータ（電動モータ）の出力がそのまま無段変速機の出力とされることになり、バリエータの変速比のみで出力が行われる。

一方、ローモード（ギアードニュートラルモード：動力循環モード（低速モード））では、遊星歯車機構のキャリアにバリエータの入力軸の回転力が伝達され、太陽ギヤにバリエータの出力軸の回転力およびハイブリッド用モータ（電動モータ）の出力（回転力）が伝達される。そして、これらの回転に基づいて、自転するとともに公転する遊星ギヤの回転に対応してリングギヤが回転し、当該リングギヤがローモードクラッチにより無段変速機の出力軸に接続され、遊星歯車機構からの出力が無段変速機の出力となる。
このギアードニュートラルモードの場合には、無段変速機の変速比を負の値から０を挟んで正の値まで無限大でほぼ連続的に制御を行うことができる。

また、特許文献１には、トロイダル型のバリエータと、電動モータ（ハイブリッド用モータ）とを備えた無段変速機が記載されている。
また、特許文献２には、トロイダル型無段変速機において、低温時にエンジン出力を制限することで、バリエータの破損を防ぐものが記載されている。
また、特許文献３には、トロイダル型無段変速機において、油圧が立ち上がるまでの間は、始動クラッチを締結しないものが記載されている。
また、特許文献４には、トロイダル型無段変速機において、トルクコンバータと前後進切替の遊星歯車機構との間にクラッチを配置し、エンジン始動時の無潤滑もしくは不十分な潤滑状態でトロイダル型無段変速機が駆動されることを防止するものが記載されている。

特開２００２−１９９５０６号公報 特許第３５７２３９３号公報 特開２０００−５５１７７号公報 特開平５−２８０６２７号公報

ところで、上述したトロイダル型のバリエータ、遊星歯車機構、スタータモータおよびハイブリッド用モータ（電動モータ）備えた無段変速機では、エンジン始動時等の極低温ではトラクションオイル（潤滑油）の粘度が高い。このトラクションオイルは湿式のクラッチの潤滑油としても使用されるため、エンジン始動時等の極低温では、湿式のクラッチ（ダイレクトモードクラッチやローモードクラッチ）を締結していないにもかかわらずクラッチが連れ回ることで、バリエータにイナーシャによるトルクが入力される問題がある。
すなわち、エンジンの始動に伴い、バリエータおよび遊星歯車機構が作動すると、クラッチが回転し、潤滑油の粘性によってクラッチ板が連れ回ろうとするが、このクラッチ板の回転は、その後段のギヤ等（差動装置に繋がるギヤ等）によって阻止されているため、その抵抗が過度なトルクとして、クラッチから出力側ディスクおよび（遊星歯車機構を介して）入力側ディスクにこれらの回転に抵抗するように入力される。つまり、バリエータに、前記後段のギヤ等によるイナーシャによって過度なトルクが入力される。

また、極低温ではトラクションオイルのトラクション係数が大きく低下する問題があるため、従来では、バリエータの入出力側ディスクを、パワーローラを挟み付けるように押圧する押圧装置に設けられる皿ばねの与圧を高く設定することで、トラクション伝達部で発生するグロススリップの防止を行っているが、皿ばねの与圧を高く設定することによる高速巡航時の燃費悪化が問題となっていた。

なお、前記特許文献１には、トロイダル型のバリエータ（変速機）、この変速機の入力軸に連結されたトラクションモータ、変速機の入力軸に連結されたエンジン等を備えたハイブリッド駆動装置が記載されているが、エンジン始動時における上述したような問題点の記載はない。
また、特許文献２には、上述したように、低温時にエンジン出力を制限することで、バリエータの破損を防ぐ旨が記載されているが、エンジン始動時の完爆においては、著しい回転数上昇が発生するため、バリエータ部に過度なトルク入力の虞がある。
また、特許文献３には、上述したように、油圧が立ち上がるまでの間は、始動クラッチを締結しない旨が記載されているが、極低温化ではトラクションオイルの粘度が高いため、クラッチを締結していないにもかかわらずクラッチが連れ回ることで、バリエータに過度なトルクが入力される虞がある。
また、特許文献４には、クラッチが連れ回ることで、バリエータにイナーシャによる過度なトルクが入力される旨の記載はない。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、エンジン始動用のスタータモータ、トロイダル型のバリエータ、エンジンの出力および／またはバリエータの出力が伝達されるギヤ機構、このギヤ機構と出力軸とを断接するクラッチ、前記ギヤ機構に連結された電動モータ等を備えた無段変速機において、バリエータにイナーシャによる過度なトルクが入力されるのを防止できるとともに、トラクション伝達部でのグロススリップの発生を防止できる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、本発明の無段変速機は、エンジン始動用のスタータモータと、エンジン出力を所定の変速比で変換するトロイダル型のバリエータと、前記エンジンの出力および／またはバリエータの出力が伝達されるギヤ機構と、このギヤ機構と出力軸とを断接するクラッチと、前記ギヤ機構に連結された電動モータとを備えた無段変速機において、
前記電動モータは前記スタータモータによるエンジン始動時に、エンジン回転数に同期して、前記バリエータを作動させるように、駆動することを特徴とする。

本発明においては、スタータモータによるエンジン始動時に、エンジン回転数に同期して、電動モータによってバリエータを作動させることによって、バリエータにイナーシャによる過度なトルクが入力されるのを防止できる。つまり、電動モータを駆動すると、その駆動力がギヤ機構を介してバリエータに入力され、この駆動力によって、イナーシャによってバリエータに入力される過度なトルクを相殺できるので、当該過度なトルクの入力を防止できる。
また、バリエータにイナーシャによる過度なトルクが入力されるのを防止できるので、バリエータのトラクション伝達部のグロススリップを防止することができる。このため、皿ばね与圧を低く設定することができるため、高速巡航時の燃費悪化を防止できる。

本発明によれば、クラッチを断にした状態でスタータモータによるエンジン始動時に、エンジン回転数に同期して、電動モータによってバリエータを作動させることによって、バリエータにイナーシャによる過度なトルクが入力されるのを防止できるとともに、トラクション伝達部でのグロススリップの発生を防止できる。

本発明の第１の実施形態に係る無段変速機を説明するもので、そのスケルトン図である。 同、トラニオンを支持する駆動装置の概略構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る無段変速機を説明するスケルトン図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態の無段変速機を示すスケルトン図である。同図に示すように、無段変速機は、トロイダル型のバリエータ３１と、遊星歯車機構３２と、エンジン３３の始動用のスタータモータ３４と、ハイブリッド用モータ（電動モータ）３５と備えている。
バリエータ３１の入力軸３１ａには、エンジン３３の出力軸が連結され、このエンジン３３の動力が入力軸３１ａに入力され、この入力軸３１ａによって入力側ディスク４０が回転するようになっている。

また、入力軸３１ａには、当該入力軸３１ａと一体に回転可能にギヤ３６が設けられ、このギヤ３６にギヤ３７が噛合し、このギヤ３７に、遊星歯車機構３２のキャリア３８と一体に回転可能に設けられたギヤ３９が噛合している。したがって、エンジン３３の動力は、入力軸３１ａ、ギヤ３７，３９を介して遊星歯車機構３２のキャリア３８にも入力されるようになっている。

また、バリエータ３１は、入力軸３１ａと一体に回転可能な入力側ディスク４０，４０と、図示しないパワーローラを介して入力側ディスク４０，４０から回転力が伝達される出力側ディスク４１とを有する。
この例においては、２枚の入力側ディスク４０，４０は、パワーローラと油膜を介して接触する凹面（トラクション面）４０ａ，４０ａどうしが対向するようにして同軸に配置され、その間に出力側ディスク４１が同軸に配置されている。出力側ディスク４１は２つのディスクが背面どうしを接合して一体となった形状を有し、左右の入力側ディスク４０，４０の凹面４０ａ，４０ａにそれぞれ対向し、かつ、パワーローラと油膜を介して接触する一対の凹面（トラクション面）４１ａ，４１ａを有している。

そして、バリエータ３１においては、互いに凹面４０ａ，４１ａを対向して配置されている入力側ディスク４０，４０と、出力側ディスク４１との間にパワーローラが例えば一対ずつ配置されるとともに傾転可能とされている。そして、パワーローラの傾転角に応じて、パワーローラがその周面を入力側ディスク４０の凹面４０ａの外周側に接触させられるとともに、出力側ディスク４１の凹面４１ａの内周側に接触させられた減速の状態から中立状態を経て入力側ディスク４０の凹面４０ａの内周側に接触させられるとともに、出力側ディスク４１の凹面４１ａの外周側に接触させられた増速の状態まで変速比を無段で連続的に変えられるようになっている。

また、出力側ディスク４１の外周部には、バリエータ３１の出力ギヤ４５が出力側ディスク４１と一体に回転可能に設けられている。
そして、出力ギヤ４５は、出力軸４６に一体に回転可能に設けられたギヤ４７と噛み合っており、バリエータ３１の出力となる回転力がギヤ４７を介して出力軸４６に入力されるようになっている。
また、この出力軸４６にハイブリッド用モータ３５の出力軸が同軸に連結されている。

また、出力軸４６は、湿式のダイレクトモードクラッチ（高速用クラッチ）４９を介して無段変速装置の出力軸５１が接続可能となっている。
また、遊星歯車機構３２は、太陽ギヤ５４と、当該太陽ギヤ５４と噛み合って当該太陽ギヤ５４の周囲を自転しながら公転する遊星ギヤ５３と、遊星ギヤ５３を上述のように自転自在かつ公転自在に支持するキャリア３８と、遊星ギヤ５３の外側に太陽ギヤ５４と同軸上に配置されて、当該遊星ギヤ５３と内周側に形成された歯が噛み合って回転するリングギヤ５５とを備えている。

そして、上述のようにエンジン３３からの回転力が入力軸３１ａ、ギヤ３６，３７，３９を介して、キャリア３８に入力されるようになっている。
また、バリエータ３１の出力軸４６に太陽ギヤ５４が設けられ、出力軸４６と太陽ギヤ５４とは、一体に回転可能となっている。さらに、リングギヤ５５は、湿式のローモードクラッチ（低速用クラッチ）５６を介して無段変速機の出力軸５１に接続されるようになっている。
また、無段変速装置の出力軸５１には、当該出力軸５１と一体に回転可能に出力ギヤ５２が設けられ、当該出力ギヤ５２から、ギヤ６０、軸６１、ギヤ６２を介して、駆動力が差動装置６３へ伝達され、該差動装置６３を介して左右の駆動車軸６５，６５が駆動されるようになっている。

また、ハイブリッド用モータ（電動モータ）３５の出力軸は、上述したように、出力軸４６と連結されており、ハイブリッド用モータ（電動モータ）３５の出力（駆動力）は、出力軸４６、遊星歯車機構３２の太陽ギヤ５４、遊星ギヤ５３、キャリア３８、ギヤ３９，３７，３６を介して入力軸３１ａに入力されるようになっている。
そして、ハイブリッド用モータ（電動モータ）３５は、ダイレクトモードクラッチ４９およびローモードクラッチ５６を断にした状態で、スタータモータ３４によるエンジン始動時に、エンジン回転数に同期して、バリエータ３１を作動させるように、駆動するようになっている。
上述したように、ハイブリッド用モータ（電動モータ）３５の出力（駆動力）は、出力軸４６、ギヤ４７、出力ギヤ４５を介して出力側ディスク４１に入力されるとともに、出力軸４６、遊星歯車機構３２の太陽ギヤ５４、遊星ギヤ５３、キャリア３８、ギヤ３９，３７，３６、入力軸３１ａを介して入力側ディスク４０に入力されるので、これらによる回転数の変化を考慮して、クラッチ４９，５６を断にした状態でスタータモータ３４によるエンジン始動時にハイブリッド用モータ（電動モータ）３５を駆動させて、エンジン回転数に同期して、バリエータ３１を作動させるようになっている。

このような、無段変速装置においては、ダイレクトモードクラッチ（高速用クラッチ）４９を接続するとともに、ローモードクラッチ（低速用クラッチ）５６を切断すると、ダイレクトモードとなり、バリエータ３１の出力軸４６と無段変速装置の出力軸５１とがダイレクトモードクラッチ４９により一体に回転可能に接続され、バリエータ３１の出力軸４６およびハイブリッド用モータ（電動モータ）３５の回転力が無段変速機の出力とされる。すなわち、バリエータ３１の出力軸４６が無段変速機の出力軸５１に直結されて、バリエータ３１およびハイブリッド用モータ（電動モータ）３５の出力がそのまま無段変速機の出力とされることになり、バリエータ３１の変速比のみで出力が行われることになる。

一方、ダイレクトモードクラッチ（高速用クラッチ）４９を切断するとともに、ローモードクラッチ（低速用クラッチ）５６を接続すると、ローモード（ギアードニュートラルモード：動力循環モード（低速モード））となる。この例では、遊星歯車機構３２のキャリア３８にバリエータ３１の入力軸３１ａの回転力が伝達され、太陽ギヤ５４にバリエータ３１の出力軸４６の回転力およびハイブリッド用モータ（電動モータ）３５の出力（回転力）が伝達される。そして、これらの回転に基づいて、自転するとともに公転する遊星ギヤ５３の回転に対応してリングギヤ５５が回転し、当該リングギヤ５５がローモードクラッチ５６により無段変速機の出力軸５１に接続され、遊星歯車機構３２からの出力が無段変速機の出力となる。
このギアードニュートラルモードの場合には、無段変速機の変速比を負の値から０を挟んで正の値まで無限大（低速モード時に、入力側ディスク４０と出力側ディスク４１との間の変速度比の調節に基づいて、入力軸３１ａを回転させた状態のまま出力軸４６を停止させる変速比無限大の状態）を含んでほぼ連続的に制御を行うことができる。

また、上述したダイレクトモードおよびローモードのいずれの場合においても、ハイブリッド用モータ（電動モータ）３５の回転数は、入出力側ディスク４０，４１から計算される変速比が規定変速範囲内になるように制御を行う。
すなわち、入力側ディスク４０，４０と出力側ディスク４１との間の変速比（バリエータ３１の変速比）を、変速比検出手段により検出する。この変速比検出手段は、入力側ディスク４０および出力側ディスク４１の回転速度を検出するための、図示しない入力側、出力側両回転センサと、これら各ディスク４０，４１の回転速度から変速比を算出する機能を備えた制御器とにより構成されている。

また、スタータモータ３４によるエンジン始動時には、ダイレクトモードクラッチ（高速用クラッチ）４９およびローモードクラッチ（低速用クラッチ）５６を切断したうえで、ハイブリッド用モータ（電動モータ）３５は、エンジン回転数に同期して、バリエータ３１を作動させるように、駆動する。
つまり、ハイブリッド用モータ（電動モータ）３５の出力（駆動力）は、出力軸４６、ギヤ４７、出力ギヤ４５を介して出力側ディスク４１に入力されるとともに、出力軸４６、遊星歯車機構３２の太陽ギヤ５４、遊星ギヤ５３、キャリア３８、ギヤ３９，３７，３６、入力軸３１ａを介して入力側ディスク４０に入力されるので、これらによる回転数の変化を考慮して、ハイブリッド用モータ（電動モータ）３５を駆動させて、エンジン回転数に同期して、バリエータ３１を作動させる。

このように、本実施の形態によれば、クラッチ４９，５６を断にした状態でスタータモータ３４によるエンジン始動時に、エンジン回転数に同期して、電動モータ３５によってバリエータ３１を作動させることによって、バリエータ３１にイナーシャによる過度なトルクが入力されるのを防止できる。つまり、電動モータ３５を駆動すると、その駆動力がギヤ機構（出力軸４６、ギヤ４７、出力ギヤ４５および出力軸４６、遊星歯車機構３２、ギヤ３７，３６）を介してバリエータ３１に入力されるので、この駆動力によって、イナーシャによってバリエータに入力される過度なトルクを相殺できる。したがって、当該過度なトルクの入力を防止できる。
また、バリエータ３１にイナーシャによる過度なトルクが入力されるのを防止できるので、バリエータ３１のトラクション伝達部のグロススリップを防止することができる。このため、皿ばね与圧を低く設定することができるため、高速巡航時の燃費悪化を防止できる。

また、ハイブリッド用モータ（電動モータ）３５を以下のように制御することによっても、バリエータ３１にイナーシャによる過度なトルクが入力されるのを防止できる。
すなわち、図２に示すように、入力側ディスクと出力側ディスクとによって挟持されているパワーローラ１１は、トラニオン１５によって支持されているが、このトラニオン１５の下端部には、駆動ロッド（トラニオン軸）１６が設けられている。この駆動ロッド１６には、油圧ピストン１７が固定されている。そして、油圧ピストン１７は駆動シリンダ１８内に油密に設けられている。これら油圧ピストン１７と駆動シリンダ１８とで、トラニオン１５を、その軸方向に変位させる駆動装置２０を構成している。

そして、変速制御する場合には、駆動装置２０によってトラニオン１５を軸方向に変位させることで、パワーローラの周面と入力側ディスクおよび出力側ディスクの内側面との当接部に作用する接線方向の力の向きが変化し、これによって、トラニオン１５が、軸を中心として、互いに逆方向に揺動（傾転）する。その結果、パワーローラ１１の周面と入出力側ディスクの内側面との当接位置が変化し、これによって、入力軸と出力ギヤとの間の回転速度比が変化する、つまり変速制御される。

一方、入力側ディスクから出力側ディスクに動力を伝達する際に、トラニオン１５には、それぞれの内側面に支持されたパワーローラ１１の周面と各ディスクの内側面との摩擦に伴って軸方向の力が加わる。この力は、所謂２Ｆｔと呼ばれるもので、その大きさは、入力側ディスクから出力側ディスクに伝達する力（トルク）に比例する。そして、このような力２Ｆｔは、駆動装置２０により支持される。したがって、トロイダル型無段変速機の運転時に、駆動装置２０を構成する油圧ピストン１７の両側に存在する一対の２０ａ，２０ｂの圧力差（差圧）は、前記力２Ｆｔの大きさに比例する。

このように変速制御ピストン（油圧ピストン）１７の差圧は、変速制御以外に、パワーローラ１１にかかる荷重（トルク由来：トラクション力）を支持するためにも使用される。
トラクション力（２Ｆｔ）は、下記の式で表すことができる。
２Ｆｔ＝ピストン（油圧ピストン１７）面積×差圧

このため、差圧を制御することによって、バリエータに３１に入るトルクを制御することができる。
そして、イナーシャによってバリエータ３１に過度なトルクが入力されないように、つまり、変速制御ピストン（油圧ピストン）１７の差圧が閾値以下になるように、ハイブリッド用モータ（電動モータ）３５を制御することによって、バリエータ３１に入るトルクを低減できグロススリップを防止できる。

（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態の無段変速機を示すスケルトン図である。この図に示す無段変速機が、図１に示す第１の実施の形態の無段変速機と異なる点は、エンジン３３とバリエータ３１との間にクラッチ７０を設けた点であるので、以下ではこの点について説明し、第１の実施の形態と同一の構成には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。

図３に示すように、クラッチ７０はエンジン３３の出力を入力軸３１ａに断接可能とする湿式のクラッチである。
本実施の形態では、スタータモータ３４によるエンジン始動時にクラッチ７０を締結しない状態（断にした状態）にしておき、エンジン回転数に同期してハイブリッド用モータ（電動モータ）３５を駆動する。もしくは、変速制御ピストン（油圧ピストン１７）の差圧が閾値以下になるようにハイブリッド用モータ（電動モータ）３５を制御する。
ハイブリッド用モータ（電動モータ）３５の回転数は、入出力ディスクから計算される変速比が規定変速範囲内になるように制御を行う。エンジン３３が完爆後でイナーシャによるトルクが十分に低くなり、油温が十分に温まった後にクラッチ７０を締結する。

このように、エンジン３３が完爆後でイナーシャによるトルクが十分に低くなり、油温が十分に温まった後にクラッチ７０を締結するので、バリエータ３１のトラクション伝達部のグロススリップを確実に防止することができる。

なお、本実施の形態の無段変速機では、トロイダル型無段変速機（バリエータ３１）として図１および図３に示すようなダブルキャビティ式ハーフトロイダル型無段変速機を使用したが、これに限らず、シングルキャビティ式ハーフトロイダル型無段変速機やフルトロイダル型無段変速機を使用したものにも適用できる。
また、本実施の形態では、ギヤ機構を、出力軸４６、ギヤ４７、出力ギヤ４５および出力軸４６、遊星歯車機構３２、ギヤ３７，３６等によって構成したが、他のギヤ機構によって構成してもよいし、遊星歯車機構も図１および図３に示すようなものに限らず、他の遊星歯車機構を使用してもよい。

３１ バリエータ（トロイダル型無段変速機）
３２ 遊星歯車機構（ギヤ機構）
１２ 入力側ディスク
３３ エンジン
３４ スタータモータ
３５ ハイブリッド用モータ（電動モータ）
４９ ダイレクトモードクラッチ（クラッチ）
５１ 出力軸
５６ ローモードクラッチ（クラッチ）

Claims (1)

1. エンジン始動用のスタータモータと、エンジン出力を所定の変速比で変換するトロイダル型のバリエータと、前記エンジンの出力および／またはバリエータの出力が伝達されるギヤ機構と、このギヤ機構と出力軸とを断接するクラッチと、前記ギヤ機構に連結された電動モータとを備えた無段変速機において、
   前記電動モータは前記スタータモータによるエンジン始動時に、前記電動モータの出力を前記ギヤ機構を介して前記バリエータの出力側ディスクおよび入力側ディスクに入力することによって、前記バリエータをエンジン回転数に同期して作動させることを特徴とする無段変速機。
   

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