JP3696242B2 - 負荷の下で切換可能な多段変速機 - Google Patents

Description

本発明は、入力軸とカウンタシャフトおよび駆動歯車組を形成する歯車、カウンタシャフト上に配置され速度段切換および方向切換のために選択的にカウンタシャフトに固く結合されるルーズ歯車を備えた切換クラッチ、および少なくとも一つの固定歯車を備えた従動歯車組とを有し、負荷の下で切換可能な多段変速機に関する。
今日採用されている建設機械の場合、主に二つのグループに分けられる変速機が利用されている。その一方のグループは、負荷切換変速機に液圧式駆動ユニットが前置接続されているという特色がある。この変速機の場合、その前置ユニットの回転数とトルクとの整合は液圧式ないし電気・液圧式制御装置を介して実現される。
採用されている大多数の変速機は他方のグループに属する。即ち、負荷切換変速機に流体トルクコンバータが前置接続されている。この駆動ユニットによれば自動車、特に建設機械の運転抵抗が増大した際にトルクを自動的に無段階に上昇させることができる。この場合、エンジントルクの約３倍に相当する変速機駆動トルクを発生できる。そのため、このことは変速機ないしコンバータで作動される乗用車の場合と異なっているので価値がある。ホィールローダーの場合、例えばショベルは堀り起こす地面の中に押し入れられる。充填物（土）がもぎ取られては持ち上げられる。荷積みするために走行車は後退し、ショベルが更に持ち上げられて荷空けされる。トルク変換は低速で駆動部と従動部との回転数差が大きい場合に正に大きな効果がある。
コンバータはコンバータ接続クラッチを有している。このクラッチによって、速度段内における大きな回転数の範囲においてかなりの燃料節約が達成される。
個々の速度段における力束は、液圧式に切り換えられるクラッチの組合せによって形成される。これらのクラッチは、特に逆転するために負荷のもとで切り換えできねばならず、従って多量のエネルギを受けねばならない。変速機のハウジングの構造ないし軸の配列は、用途に特別に適合させねばならない。変速機の代表的な適用は、ダンプカー、ホィールローダー、ショベルカーおよびフォークリフトへの採用であり、また路上で作動される走行車、例えばクレーン車における採用である。走行車の形式に応じて、変速機の入力軸と出力軸との間に所定の軸間距離が必要である。例えば推進軸の屈曲角を小さくしなければならないとき、長い軸間距離にしなければならない。この場合、変速機は動力分割機（Verteilergetriebe）としての補助機能を負っている。
フォークリフトの場合、変速機は唯一の出力軸しか有していない。空間的な関係のために小さな軸間距離が必要である。
たいていの場合、例えば作業機械の液圧装置に対して、エンジン回転数に関係して駆動される少なくとも一つの補助従動装置が必要である。補助従動装置に対する動力系に更に潤滑油・切換ポンプが設けられており、このポンプもエンジン回転数に関係して駆動される。
走行車の構造様式に条件づけられて、変速機が満足すべき課題は非常に異なっている。
ドイツ特許第Ａ−１１２９８３８号明細書には、短い軸方向構造長さによって特色づけられる変速機が記載されている。駆動軸上に固定歯車が存在し、これは逆転軸上およびカウンタシャフト上の固定歯車と連続的にかみ合っている。すべてのルーズ歯車は変速機の片側に位置し、互いに常にかみ合っている。ルーズ歯車と固定歯車との間にそれぞれ摩擦クラッチが配置されている。この公知の変速機の場合、摩擦クラッチの構造的な構成特に多板ディスクの配置、カウンタシャフト上のルーズ歯車の支持およびカウンタシャフト自体のルーズ歯車の側における間接的な支持も非常に経費がかかっている。
ドイツ特許第Ａ−２５３５７００号明細書には、摩擦クラッチが二重クラッチとして形成されている変速機が記載されている。この変速機の場合、非常に多数の速度段数を実現することができるが、カウンタシャフト上に四つまでの歯車および一つの二重クラッチを収容しなければならないので、軸方向において大きな構造空間を必要としている。
本発明の目的は、原理的に同じ構造において可能な速度段数および必要な軸間距離について、種々に変更できるような短い軸方向構造長さの負荷切換可能な変速機を作ることにある。
この目的の考え得る解決方式は、各カウンタシャフト上に唯一の切換クラッチが配置され、固定歯車およびこれと連続的にかみ合っているルーズ歯車が駆動歯車組を形成し、カウンタシャフト上に配置された固定歯車が二つのルーズ歯車と連続的にかみ合い従動歯車組を形成し、カウンタシャフトが動力分割歯車組を形成する固定歯車およびルーズ歯車によって互いに結合されていることにある。各カウンタシャフトに対して唯一の切換クラッチしか設けられていないので、６速の変速機の場合でも軸方向に短い構造が生ずる。カウンタシャフトはその短い構造長さのためにたわみが小さい。カウンタシャフトは両側が変速機ハウジング内において転がり軸受で支持できる。採用されたルーズ歯車はそれぞれ唯一のかみ合わせしか有しておらず、即ち中間歯車として利用されていない。本発明に基づくカウンタシャフトの形成によって、長い軸間距離および短い軸間距離が同じようにして実現できる。
カウンタシャフト上に配置された従動歯車組の固定歯車に、動力分割歯車組のルーズ歯車が対向して位置していることが有利である。変速機の出力軸も兼ねるカウンタシャフト上における歯車は、非常に大きな直径を有している。特にこれははす歯にされている。軸受用に大きな軸受ベース（Lagerbasis）が利用される。負荷状態および回転数状態に基づいて、動力分割歯車組のルーズ歯車に、３速段の切換クラッチが付属されていることが有利である。
変速機の短い軸方向構造長さについての要求を考慮しつつ動力分割歯車組の歯車を結合するために、カウンタシャフト上に、駆動歯車組のルーズ歯車並びに動力分割歯車組の二つの固定歯車を備えた、方向クラッチおよび又は速度段切換クラッチとして採用される切換クラッチが配置されていることが有利である。コンバータハウジングを無視した変速機の軸方向構造長さは、従って唯一の切換クラッチおよび一つのルーズ歯車並びに二つの固定歯車によって決定される。
本発明の目的を達成する別の解決方式において、従動歯車組はルーズ歯車から形成されている。このため、各カウンタシャフト上に唯一の切換クラッチが配置され、固定歯車およびこれと連続的にかみ合っているルーズ歯車が駆動歯車組を形成し、カウンタシャフト上に配置されたルーズ歯車が二つのルーズ歯車と連続的にかみ合い、カウンタシャフトが動力分割歯車組を形成する固定歯車によって互いに結合されている。ルーズ歯車を利用することによって、変速機のカウンタシャフトの立体的な配置について専門家は非常に自由に設計できる。
変速機の有利な実施態様は、同心的に位置する入力軸を有している。中空軸として形成された入力軸は、駆動歯車組の固定歯車を支持している。
負荷状態、回転数状態および立体的状態に基づいて、固定歯車に連続的にかみ合っているルーズ歯車に、１速段と２速段を切り換えるための切換クラッチが付属していることが有利である。
本発明にとって重要な他の特徴並びにそれにより生ずる利点は以下の負荷切換可能な変速機の複数の実施例の説明から理解できる。
第１図は６速前進・３速後進の軸間距離が長い変速機の歯車列の概略図、
第２図はカウンタシャフト、固定歯車およびルーズ歯車の立体的な位置を明瞭にするための第１図における変速機の概略正面図、
第３図は６速前進・３速後進の軸間距離が短い変速機の歯車列の概略図、
第４図は第３図における変速機の概略正面図、
第５図は軸間距離が長い４速前進の変速機の実施例の歯車列の概略図、および
第６図は第５図における変速機の概略正面図である。
第１図には負荷切換可能な変速機１の歯車列が示されている。これは最大で６速前進および３速後進の変速機である。概略的に示されているエンジン２は、変速機の入力軸３を駆動する。入力軸３は流体トルクコンバータ５のポンプインペラ４に固く結合されている。流体トルクコンバータのタービンランナ６は、入力軸３に対して同心的に位置する中空軸７に駆動力を伝達する。
流体トルクコンバータ５は、一方向クラッチを介して支持されたステータ８を有している。流体トルクコンバータの作動範囲は、コンバータ接続クラッチ９によって境界づけられている。コンバータ接続クラッチ９は普通のように駆動通過点（Durchtriebspunkt）において係合されて、ポンプインペラ４が機械的にタービンランナ６に結合される。
図面において右側に位置するポンプ１０は潤滑油ポンプであり、例えば入力軸３で駆動される歯車ポンプである。
中空軸７上には、駆動歯車組１２の入力歯車を形成している固定歯車１１が固く配置されている。この駆動歯車組１２はルーズ歯車１３、１４、１５を備えている。固定歯車１１は、これらのルーズ歯車１３、１４、１５に連続的にかみ合っている。ルーズ歯車１３、１４、１５はそれぞれカウンタシャフト１６、１７、１８上に支持されている。
ルーズ歯車１３には切換クラッチ１９が、ルーズ歯車１４には切換クラッチ２０が、およびルーズ歯車１５には切換クラッチ２１がそれぞれ付属している。
切換クラッチ１９が係合すると、ルーズ歯車１３がカウンタシャフト１６に結合される。切換クラッチ２０が係合すると、ルーズ歯車１４がカウンタシャフト１７に結合される。切換クラッチ２１が係すると、ルーズ歯車１５がカウンタシャフト１８に結合される。切換クラッチ１９、２０、２１は変速機１の出力軸２２の回転方向の逆転を許す。この理由から切換クラッチ１９、２０、２１は方向クラッチとも呼ばれる。
変速機１は、カウンタシャフト１６、１７、１８並びに出力軸２２の他に、別のカウンタシャフト２３、２４、２５を備えている。
カウンタシャフト１６上には、ルーズ歯車１３の他に固定歯車２６が配置されている。この固定歯車２６は、カウンタシャフト２４の固定歯車２７に連続的にかみ合っている。固定歯車２７は中間歯車の機能を負っている。カウンタシャフト２５上には、カウンタシャフト２４の固定歯車２７とかみ合うルーズ歯車２８が支持されている。ルーズ歯車２８は、これをカウンタシャフト２５に固く結合する切換クラッチ２９が付属している。
カウンタシャフト２４上には、ルーズ歯車３０が回転可能に支持されている。ルーズ歯車３０は別の切換クラッチ３１によって固定歯車２７に固く結合される。切換クラッチ３１が係合すると、駆動力がルーズ歯車３０を介してカウンタシャフト２５の固定歯車３２に伝達される。
変速機の出力軸２２上には、カウンタシャフト２５の固定歯車３２と連続的にかみ合っている固定歯車３３が配置されている。
ルーズ歯車３０および固定歯車３２、３３は従動歯車組３４を形成している。
固定歯車２６、２７および中空歯車２８は、カウンタシャフト１７の他の固定歯車３６、カウンタシャフト１８の二つの固定歯車３７、３８およびカウンタシャフト２３の固定歯車３９を備えた動力分割歯車組３５に含まれている。
カウンタシャフト２３上には、切換クラッチ４１を介してカウンタシャフト２３に固く結合されるルーズ歯車４０が存在している。ルーズ歯車４０は固定歯車３２に連続的にかみ合っており、このことは破線４２で示されている。従ってルーズ歯車４０は従動歯車組３４に含まれる。
固定歯車２７は動力分割歯車組３５の固定歯車３７にかみ合っており、このことは破線４３で示されている。カウンタシャフト１８のルーズ歯車１５は固定歯車１１にかみ合っており、このことは破線４４で示されている。
切換クラッチ４１、３１、２９は上述の方向クラッチとしての他に、速度段切換に使用されるので速度段クラッチとも呼ばれる。各速度段において、それぞれ一つの方向クラッチおよび一つの速度段クラッチが係合される。
変速機１の上述した構造から、カウンタシャフト１６、１７が、駆動歯車組１２のそれぞれ一つのルーズ歯車１３、１４、および動力分割歯車組３５のそれぞれ一つの固定歯車２６、３６を有していることが明らかである。
切換クラッチ２１は方向・速度段切換クラッチである。カウンタシャフト１８上には、駆動歯車組１２のルーズ歯車１５の他に、動力分割歯車組の固定歯車３７、３８が支持されている。方向クラッチ１９、２０、２１の一つを作動させることによって、動力分割歯車組の全歯車の回転数および回転方向が規定される。
切換クラッチ（速度段クラッチ）４１、３１、２９が配置されているカウンタシャフト２３、２４、２５は、動力分割歯車組３５のそれぞれ一つの固定歯車３９、２７、およびルーズ歯車２８並びに従動歯車組３４のそれぞれ一つのルーズ歯車４０、３０および固定歯車３２を受けている。変速機１が４速様式で運転されるとき、次の関係が通用する。
速度段 投入されたクラッチ
１ １９と４１
２ １９と３１
３ １９と２９
４ ２１と２９
１Ｒ ２０と４１
２Ｒ ２０と３１
３Ｒ ２０と２９
切換クラッチ１９、２１がいわゆるスプリット・クラッチとして採用される６速様式に対して、次の関係が通用する。
速度段 投入されたクラッチ
１ １９と４１
２ ２１と４１
３ １９と３１
４ ２１と３１
５ １９と２９
６ ２１と２０
１Ｒ ２０と４１
２Ｒ ２０と３１
３Ｒ ２０と２９
第２図には第１図における変速機１の概略正面図が示されている。この変速機は長い軸間距離で構成されている。動力分割歯車組３５のカウンタシャフト１６、２４、２５、１７、１８、２３は太線によって互いに結ばれている（動力分割系）。この動力分割系は、１速段に対する切換クラッチ４１（カウンタシャフト２３）と３速段に対する切換クラッチ２９（カウンタシャフト２５）との間が分離されている。
第３図には４速前進・３速後進の変速機の歯車列が示されている。これはクレーン車、フォークリフトおよび（特に）ショベルカーに採用するための、短い軸間距離に対する変速機である。この変速機は６速様式にもできる。図示された変速機は、第１図における変速機と機能的に共通しているので、同一部品に同一符号が付されている。相違点については次の説明から理解できる。
エンジン２は流体トルクコンバータ５を介して変速機１の中空軸７を駆動する。この変速機の場合も、固定歯車１１は中空軸７に結合されている。駆動歯車組１２は、カウンタシャフト１６、１７、１８上に支持されたルーズ歯車１３、１４、１５から形成されている。切換クラッチ１９は前進走行方向用の方向クラッチとして使用する。これと類似して切換クラッチ２０によって後進走行方向が選択される。
カウンタシャフト１７の固定歯車３６は、カウンタシャフト１６上の第１の固定歯車５０にかみ合い、このカウンタシャフト１６上の他の固定歯車５１は、カウンタシャフト２３の固定歯車５２とかみ合い結合されている。
固定歯車３６、５０、５１、５２は、動力分割歯車組３５の構成部品である。この配置構造の場合、固定歯車５０、５１は機能的に第１図における変速機のカウンタシャフト１８の固定歯車３７、３８に匹敵している。動力分割歯車組３５は、カウンタシャフト１８上の固定歯車５３、カウンタシャフト２４上の固定歯車２７、および出力軸２２を兼ねているカウンタシャフト２５上のルーズ歯車２８を備えている。
従動歯車組３４は、カウンタシャフトないし出力軸２２の大きな直径の固定歯車３２、カウンタシャフト２４のルーズ歯車３０、およびカウンタシャフト２３のルーズ歯車４０を備えている。
カウンタシャフト２４の固定歯車２７は、動力分割歯車組３５の構造部品である固定歯車５３に連続的にかみ合っている。この固定歯車５３はカウンタシャフト１８に固く結合されている。固定歯車３６と５３は連続的にかみ合っている。
方向クラッチ１９、２０の他に速度段を切り換えるために切換クラッチ４１、３１、２９、２１が設けられている。
個々の速度段は次のように切り換えられる。
速度段 作動されたクラッチ
１ １９と４１
２ １９と３１
３ １９と２９
４ ２１と２９
１Ｒ ２０と４１
２Ｒ ２０と３１
３Ｒ ２０と２９
ルーズ歯車が中間歯車として採用されないようにするため、および特にカウンタシャフトないし出力軸２５、２２上に緩く支持された中間歯車を避けるために、カウンタシャフト２３、１６、１７、１８、２４、２５ないし２２は、入力軸３ないし中空軸７に関して、それらが駆動装置の周りに言わば巻きつけられているように位置している。
このことは変速機の概略正面図である第４図から明らかに理解できる。動力分割歯車組の位置は、動力分割歯車組の太線５４で明らかにされている。カウンタシャフトは駆動部に対して、この動力分割歯車組における力束が駆動部の周りを導かれ、ただカウンタシャフト２３とカウンタシャフト２５ないし２２間で中断されるように位置している。
その図面から、変速機が短い軸間距離の場合にコンパクトな構造を有することが明らかに分かる。
第５図における歯車列を基礎とする変速機１は、第１図の変速機並びに第３図の変速機の変形例であり、この変速機で長い軸間距離を実現しようとしている点で第１図における変速機と一致している。
第１図および第３図における変速機との相違点は、カウンタシャフト２５上に配置された比較的大きな直径の歯車が、固定歯車である必要がないことにある。基本的にはこの歯車を、切換クラッチ５６を介してカウンタシャフト２５に固く結合されるルーズ歯車５５として形成することができる。このルーズ歯車５５は、変速機１の出力軸２２上の固定歯車３３に連続的にかみ合い結合されている。この歯車のルーズ歯車５５としての形成は、それ自体不利である。製造者にとっては、この欠点にもかかわらず、カウンタシャフトを空間的に非常に自由に配置できるという利点が存在する。互いに同心的に位置する入力軸３と中空軸７および他のカウンタシャフトの立体的な配置方式は、第６図における変速機の概略正面図に示されている。動力分割歯車組３５を互いに結ぶ線即ち動力分割歯車系は更に太線で明らかにされている。
符号の説明
１ 変速機
２ エンジン
３ 入力軸
４ ポンプインペラ
５ トルクコンバータ
６ タービンランナ
７ 中空軸
８ ステータ
９ コンバータ接続クラッチ
１０ ポンプ
１１ 固定歯車
１２ 駆動歯車組
１３ ルーズ歯車
１４ ルーズ歯車
１５ ルーズ歯車
１６ カウンタシャフト
１７ カウンタシャフト
１８ カウンタシャフト
１９ 切換クラッチ
２０ 切換クラッチ
２１ 切換クラッチ
２２ 出力軸
２３ カウンタシャフト
２４ カウンタシャフト
２５ カウンタシャフト
２６ 固定歯車
２７ 固定歯車
２８ ルーズ歯車
２９ 切換クラッチ
３０ ルーズ歯車
３１ 切換クラッチ
３２ 固定歯車
３３ 固定歯車
３４ 従動歯車組
３５ 動力分割歯車組
３６ 固定歯車
３７ 固定歯車
３８ 固定歯車
３９ 固定歯車
４０ ルーズ歯車
４１ 切換クラッチ
４２ 線
４３ 線
４４ 線
４５ −
４６ −
４７ −
４８ −
４９ −
５０ 固定歯車
５１ 固定歯車
５２ 固定歯車
５３ 固定歯車
５４ 線（動力分割系）
５５ ルーズ歯車
５６ 切換クラッチ

Claims (6)

1. 負荷の下で切換可能な多段変速機（１）であって、
   エンジン（２）に接続されている第１の入力軸（３）と；
   中空に形成されて前記第１の入力軸（３）の周りに同軸に配設されるとともに、前記エンジン（２）にトルクコンバータ（５）を介して接続された、入力側の固定歯車（１１）を有した第２の入力軸（７）と；
   前記第１および第２の入力軸（３，７）の間に介装されたコンバータ接続クラッチ（９）と；
   出力側の固定歯車（３３）を有した出力軸（２２）と；
   複数のカウンタシャフト（１６、１７、１８、２３、２４、２５）と；
   前記カウンタシャフトにそれぞれ一つずつ設けられた切換クラッチ（１９、２０、２１、２９、３１、４１）と；
   前記切換クラッチにより前記カウンタシャフトに接続されて一体に回転する状態と前記カウンタシャフトに対して空転する状態とを選択的に切換可能な、前記カウンタシャフトにそれぞれ一つずつ設けられたルーズ歯車（１３、１４、１５、４０、３０、２８）と；
   前記カウンタシャフトと一体に回転する固定歯車（２６、２７、３６、３７、３８、３９）と；を備え、
   前記第１の入力軸（３）は、前記コンバータ接続クラッチ（９）を介して前記第２の入力軸（７）に接続されて前記トルクコンバータ（５）をロックアップできるとともに、ポンプ（１０）も駆動できるように構成されており、
   前記ルーズ歯車のうち前記入力側の固定歯車（１１）と常に噛み合っているルーズ歯車（１３，１４，１５）と、前記入力側の固定歯車（１１）とが、駆動歯車組（１２）を構成し、
   前記固定歯車のうち前記出力側の固定歯車（３３）と常に噛み合っている固定歯車（３２）と、前記ルーズ歯車のうちこの固定歯車（３２）と常に噛み合っているルーズ歯車（３０，４０）とが、従動歯車組（３４）を構成し、
   前記固定歯車のうち前記従動歯車組（３４）の固定歯車（３２）を除く固定歯車（３６，３７，３８，３９，２６，２７）と、前記ルーズ歯車のうち前記駆動歯車組（１２）のルーズ歯車（１３，１４，１５）および前記従動歯車組（３４）のルーズ歯車（３０，４０）を除くルーズ歯車（２８）とが、動力分割歯車組（３５）を構成し、前記駆動歯車組（１２）から前記従動歯車組（３４）へと駆動力を伝達するようになっており、
   前記駆動歯車組（１２）の前記ルーズ歯車（１３，１４，１５）に関連している前記切換クラッチ（１９、２０、２１）のうちの少なくとも一つが、方向および変速段切換のための切換クラッチとして用いられるようになっていることを特徴とする負荷の下で切換可能な多段変速機（１）。
2. 前記動力分割歯車組（３５）のルーズ歯車（２８）が、前記複数のカウンタシャフトのうち前記従動歯車組（３４）の固定歯車（３２）が設けられているカウンタシャフト（２５）上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載した負荷の下で切換可能な多段変速機（１）。
3. 前記多段変速機における第３変速段を形成する際に、前記切換クラッチのうち、前記動力分割歯車組（３５）のルーズ歯車（２８）のために設けられている切換クラッチ（２９）を作動させることを特徴とする請求項１に記載した負荷の下で切換可能な多段変速機（１）。
4. 前記動力分割歯車組（３５）の前記固定歯車（３７、３８）が、前記複数のカウンタシャフト（１６、１７、１８、２３、２４、２５）のうち、前記駆動歯車組（１２）の少なくとも一つの方向および変速段切換クラッチ（１９、２０、２１）に対応するカウンタシャフト（１８）上に支持されていることを特徴とする請求項１に記載した負荷の下で切換可能な多段変速機（１）。
5. 前記複数のカウンタシャフト（１６、１７、１８、２３、２４、２５）のうちの一つ（１８）が、前記切換クラッチの一つ（２１）と共に２つの前記固定歯車（３７，３８）を支持していることを特徴とする請求項１に記載した負荷の下で切換可能な多段変速機（１）。
6. 前記少なくとも一つの固定歯車（３２）が、対応する第１および第２の切換クラッチ（３１，４１）を有した第１および第２のルーズ歯車（３０，４０）と常に噛み合っており、
   前記多段変速機における第１変速段および第２変速段を形成する際に、前記第１および第２の切換クラッチ（３１，４１）のうちの一つを作動させることを特徴とする請求項１に記載した負荷の下で切換可能な多段変速機（１）。

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