JP6507489B2

JP6507489B2 - トロイダル型無段変速機

Info

Publication number: JP6507489B2
Application number: JP2014101253A
Authority: JP
Inventors: 晃大福田; 西井　大樹; 大樹西井
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2019-05-08
Anticipated expiration: 2034-05-15
Also published as: JP2015218778A

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トロイダル型無段変速機に関する。

例えば自動車用変速機として用いるダブルキャビティ式トロイダル型無段変速機は、図４および図５に示すように構成されている。図４に示すように、ケーシング５０の内側には入力軸１(軸）が回転自在に支持されており、この入力軸１(軸）の外周には、２つの入力側ディスク２，２（第１のディスク）と２つの出力側ディスク３，３（第２のディスク）とが取り付けられている。また、入力軸１(軸）の中間部の外周には出力歯車４が回転自在に支持されている。この出力歯車４の中心部に設けられた円筒状のフランジ部４ａ，４ａには、出力側ディスク３，３がスプライン結合によって連結されている。

入力軸１(軸）は、図中左側に位置する入力側ディスク２とカム板７との間に設けられたローディングカム式の押圧装置１２を介して、駆動軸２２により回転駆動されるようになっている。また、出力歯車４は、２つの部材の結合によって構成された仕切壁１３を介してケーシング５０内に支持されており、これにより、入力軸１(軸）の軸線Ｏを中心に回転できる一方で、軸線Ｏ方向の変位が阻止されている。

出力側ディスク３，３は、入力軸１(軸）との間に介在されたニードル軸受５，５によって、入力軸１(軸）の軸線Ｏを中心に回転自在に支持されている。また、図中左側の入力側ディスク２は、入力軸１(軸）にボールスプライン６を介して支持され、図中右側の入力側ディスク２は、入力軸１(軸）にスプライン結合されており、これら入力側ディスク２は入力軸１(軸）と共に回転するようになっている。また、入力側ディスク２，２の内側面（凹面）２ａ，２ａと出力側ディスク３，３の内側面（凹面）３ａ，３ａとの間には、パワーローラ１１（図５参照）が回転自在に挟持されている。

図４中右側に位置する入力側ディスク２の内周面２ｃには、段差部２ｂが設けられ、この段差部２ｂに、入力軸１(軸）の外周面１ａに設けられた段差部１ｂが突き当てられるとともに、入力側ディスク２の背面（図４の右面）がローディングナット９に突き当てられている。これによって、入力側ディスク２の入力軸１(軸）に対する軸線Ｏ方向の変位が実質的に阻止されている。また、カム板７と入力軸１(軸）の鍔部１ｄとの間には、皿ばね８が設けられており、この皿ばね８は、各ディスク２，２，３，３の凹面２ａ，２ａ，３ａ，３ａとパワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａとの当接部に押圧力を付与する。

図５は、図４のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図５に示すように、ケーシング５０の内側には、入力軸１(軸）に対し捻れの位置にある一対の枢軸１４，１４を中心として揺動する一対のトラニオン１５，１５が設けられている。なお、図５においては、入力軸１(軸）の図示は省略している。各トラニオン１５，１５は、支持板部１６の長手方向(図５の上下方向)の両端部に、この支持板部１６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２０，２０を有している。そして、この折れ曲がり壁部２０，２０によって、各トラニオン１５，１５には、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２０，２０の外側面には、各枢軸１４，１４が互いに同心的に設けられている。

支持板部１６の中央部には円孔２１が形成され、この円孔２１には変位軸２３の基端部（第１の軸部）２３ａが支持されている。そして、各枢軸１４，１４を中心として各トラニオン１５，１５を揺動させることにより、これら各トラニオン１５，１５の中央部に支持された変位軸２３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１５，１５の内側面から突出する変位軸２３の先端部２３ｂの周囲には、各パワーローラ１１が回転自在に支持されており、各パワーローラ１１，１１は、各入力側ディスク２，２および各出力側ディスク３，３の間に挟持されている。なお、各変位軸２３，２３の基端部２３ａと先端部２３ｂとは、互いに偏心している。

また、各トラニオン１５，１５の枢軸１４，１４はそれぞれ、一対のヨーク２３Ａ，２３Ｂに対して揺動自在および軸方向(図５の上下方向)に変位自在に支持されており、各ヨーク２３Ａ，２３Ｂにより、トラニオン１５，１５はその水平方向の移動を規制されている。各ヨーク２３Ａ，２３Ｂは鋼等の金属のプレス加工あるいは鍛造加工により矩形状に形成されている。各ヨーク２３Ａ，２３Ｂの四隅には円形の支持孔１８が４つ設けられており、これら支持孔１８にはそれぞれ、トラニオン１５の両端部に設けた枢軸１４がラジアルニードル軸受３０を介して揺動自在に支持されている。また、ヨーク２３Ａ，２３Ｂの幅方向（図４の左右方向）の中央部には、円形の係止孔１９が設けられており、この係止孔１９の内周面は円筒面として、球面ポスト６４，６８を内嵌している。すなわち、上側のヨーク２３Ａは、ケーシング５０に固定部材５２を介して支持されている球面ポスト６４によって揺動自在に支持されており、下側のヨーク２３Ｂは、球面ポスト６８およびこれを支持する駆動シリンダ３１の上側シリンダボディ６１によって揺動自在に支持されている。

なお、各トラニオン１５，１５に設けられた各変位軸２３，２３は、入力軸１(軸）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２３，２３の先端部２３ｂが基端部２３ａに対して偏心している方向は、両ディスク２，２，３，３の回転方向に対して同方向(図５で上下逆方向)となっている。また、偏心方向は、入力軸１(軸）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１(軸）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１(軸）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、パワーローラ１１の外側面とトラニオン１５の支持板部１６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（スラスト軸受）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（以下、転動体という）２６，２６と、これら各転動体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（大端面）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。

また、スラストニードル軸受２５は、トラニオン１５の支持板部１６の内側面と外輪２８の外側面との間に挟持されている。このようなスラストニードル軸受２５は、パワーローラ１１から各外輪２８に加わるスラスト荷重を支承しつつ、これらパワーローラ１１および外輪２８が各変位軸２３の基端部２３ａを中心として揺動することを許容する。

さらに、各トラニオン１５，１５の一端部(図５の下端部)にはそれぞれ駆動ロッド（トラニオン軸）２９，２９が設けられており、各駆動ロッド２９，２９の中間部外周面に駆動ピストン（油圧ピストン）３３，３３が固設されている。そして、これら各駆動ピストン３３，３３はそれぞれ、上側シリンダボディ６１と下側シリンダボディ６２とによって構成された駆動シリンダ３１内に油密に嵌装されている。これら各駆動ピストン３３，３３と駆動シリンダ３１とで、各トラニオン１５，１５を、これらトラニオン１５，１５の枢軸１４，１４の軸方向に変位させる駆動装置３２を構成している。

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１(軸）の回転は、押圧装置１２を介して、各入力側ディスク２，２に伝えられる。そして、これら入力側ディスク２，２の回転が、一対のパワーローラ１１，１１を介して各出力側ディスク３，３に伝えられ、更にこれら各出力側ディスク３，３の回転が、出力歯車４より取り出される。

入力軸１(軸）と出力歯車４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３３，３３を互いに逆方向に変位させる。これら各駆動ピストン３３，３３の変位に伴って、一対のトラニオン１５，１５が互いに逆方向に変位する。例えば、図５の左側のパワーローラ１１が同図の下側に、同図の右側のパワーローラ１１が同図の上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と各入力側ディスク２，２および各出力側ディスク３，３の内側面２ａ，２ａ，３ａ，３ａ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１５，１５が、ヨーク２３Ａ，２３Ｂに枢支された枢軸１４，１４を中心として、互いに逆方向に揺動する。

その結果、各パワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａと各内側面２ａ，３ａとの当接位置が変化し、入力軸１(軸）と出力歯車４との間の回転速度比が変化する。また、これら入力軸１(軸）と出力歯車４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およびこれら各パワーローラ１１，１１に付属の外輪２８，２８が、各変位軸２３，２３の基端部２３ａ、２３ａを中心として僅かに回動する。これら各外輪２８，２８の外側面と各トラニオン１５，１５を構成する支持板部１６の内側面との間には、それぞれスラストニードル軸受２５，２５が存在するため、前記回動は円滑に行われる。したがって、前述のように各変位軸２３，２３の傾斜角度を変化させるための力が小さくて済む。

トロイダル型無段変速機に用いるパワーローラ１１については従来から種々の提案がなされており、例えば、特開２００１−１０８０４４号公報（下記特許文献１）には、トロイダル型無段変速機の使用時にパワーローラの周面は、接触角を表す鎖線上の接触楕円部分、並びにこの部分よりも外端面に寄った範囲部分のみに最終仕上加工を施し、相手面と転がり接触しない範囲部分には、この最終仕上加工を施さないことにより、パワーローラの耐力を確保しつつ、このパワーローラの製造コストを低減する方法が記載されている。

また、トロイダル型無段変速機に用いる入力側ディスク２、および出力側ディスク３については、例えば、特開平１１−０８２６５９号公報（下記特許文献２）に、トラクションドライブ機構は、回転軸の方向が一致するように対向配置され、対向する接触面がトロイダル状の曲面に形成された入力ディスクおよび出力ディスクと、回転軸を含む平面に沿って、接触面の曲率中心の回りに傾転自在に支持されたトラニオンと、各接触面に接触し、トラニオンに回転自在に支持された伝動ローラなどで構成され、各接触面の曲率が連続的に変化していることにより、伝動ローラと入力ディスクおよび出力ディスクとの接触領域における滑り発生を解消して、最大許容伝達力の向上を図り、長寿命かつ高信頼性のトラクションドライブ機構を提供する方法が記載されている。

特開２００１−１０８０４４号公報特開平１１−０８２６５９号公報

上述のトロイダル型無段変速機においては、高効率化が求められているが、損失の主要因は、パワーローラと前記第１および第２のディスクとが接触するトラクション面と、パワーローラベアリングであり、そのうちトラクション面の損失の多くは、パワーローラと第１および第２のディスクとの接触楕円内でのスピン損失である。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、パワーローラと第１および第２のディスクとの接触楕円内でのスピン損失を低減し、高効率の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、本発明のトロイダル型無段変速機は、軸と、この軸に支持された第１のディスクと、前記軸に相対回転可能に支持された第２のディスクと、前記第１のディスクと前記第２のディスクとの間に挟持されたパワーローラとを備え、前記パワーローラと前記第１および第２のディスクとが接触するトラクション面におけるパワーローラの曲率半径が、該パワーローラの軸線と接触点における法線とのなす半頂角に応じて変化している。

本発明においては、パワーローラと前記第１および第２のディスクとが接触するトラクション面におけるパワーローラの曲率半径が、該パワーローラの軸線から接触点までのなす半頂角に応じて変化していることにより、パワーローラと第１および第２のディスクとの接触楕円の大きさをコントロールできるので、パワーローラと第１および第２のディスクとの接触楕円内でのスピン損失を低減することができる。

この場合に、前記半頂角が小さい部位の曲率半径は、前記半頂角が大きい部位の曲率半径より小さい。パワーローラのトラクション面における曲率半径は、半頂角の大きい高負荷時に発生する面圧を基準に設定されているため、半頂角の小さい低負荷時には、パワーローラと第１および第２のディスクとの接触楕円が大きくなりスピン損失が大きくなる。そこで、半頂角が小さい部位の曲率半径を、半頂角が大きい部位の曲率半径より小さくすることによって、言い換えると、トラクション面におけるパワーローラの曲率半径を高負荷時の接触点から低負荷時の接触点へ移動するに応じて小さくすることによって、パワーローラと第１および第２のディスクとの接触楕円を小さくすることにより、パワーローラと第１および第２のディスクとの接触楕円内でのスピン損失を低減することができる。

また、前記パワーローラのトラクション面における曲率半径は、前記半頂角の減少に応じて連続的に小さくなっている。パワーローラのトラクション面における曲率半径を、前記半頂角の減少に応じて連続的に小さくすることにより、パワーローラと第１および第２のディスクとの接触楕円内でのスピン損失を連続的に低減することができる。

本発明によれば、パワーローラと第１および第２のディスクとの接触楕円内でのスピン損失を低減し、高効率のトロイダル型無段変速機を提供することができる。

本発明の実施形態のトロイダル型無段変速機を示す要部断面図である。パワーローラの軸線から接触点までのなす半頂角を示す部分拡大図である。本発明に用いるパワーローラの実施形態を例示する図である。従来から知られているハーフトロイダル型無段変速機の具体的構造の一例を示す断面図である。図４のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

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。なお、本実施形態のトロイダル型無段変速機の特徴は、パワーローラの接触点における曲率半径にあり、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、この実施の形態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４および図５と同一の符号を付して簡潔に説明するに留める。

なお、図１に示すこの実施形態のトロイダル型無段変速機では、出力側ディスク３は、一体型のディスクとなっており、その外周部分が出力歯車４となっている。
この出力歯車４は、出力歯車４に噛み合う歯車（図示略）からギヤ反力を受けるようになっている。また、この一体型の出力側ディスク３は、入力軸（バリエータシャフト(軸））１に対してラジアルニードル軸受を介して回転自在に支持されており、入力軸１(軸）にギヤ反力に基づく曲げ荷重が作用するようになっている。

図１に示すように、このトロイダル型無段変速機においては、フロント側入力側ディスク２と一体型の出力側ディスク３との間にパワーローラ１１が挟持されている。また、一体型の出力側ディスク３とリア側の入力側ディスク２との間にパワーローラ１１が挟持されている。これら入力側ディスク２と、パワーローラ１１と、出力側ディスク３には、押圧装置１２から押圧力が付与され、この押圧力に基づくスラスト荷重をリア側の入力側ディスク２を位置決めしているコッタ３６が受ける構造となっている。

図２は、図１のパワーローラ１１の部分拡大図である。図２に示すように、半頂角は、パワーローラ１１の軸線と接触点における法線とのなす角であり、図２の場合は、パワーローラ１１の接触点における曲率半径ＲＢと軸方向とのなす角をいい、接触点が高負荷時Ａから、低負荷時Ｃに移動するに応じて、小さくなる。

図３は、本発明に用いるパワーローラ１１の実施形態を例示する図であり、図３（a）は従来のパワーローラ１１を示し、図３（b）の点線が従来のパワーローラ、実線が本発明のパワーローラ１１を示す。本発明のトロイダル型無段変速機においては、図３（a）に示すように、負荷が加わると。主にトラニオン１５とヨーク２３Ａ，２３Ｂが変形して、パワーローラ１１の位置が外側（トラニオン１５側）に移動し、パワーローラ１１と第１および第２のディスク２，３との接触点が、低負荷時に比べて、高負荷時は軸方向に移動して、半頂角は徐々に大きくなる。

パワーローラ１１のトラクション面における曲率半径は、半頂角の大きい高負荷時に発生する面圧を基準に設定されているため、半頂角の小さい低負荷時には、パワーローラ１１と第１および第２のディスク２，３との接触楕円が大きくなりスピン損失が大きくなる。そこで、図３（ｂ）に示すように、半頂角が小さい部位の曲率半径を、半頂角が大きい部位の曲率半径より小さくすることによって、パワーローラと第１および第２のディスクとの接触楕円を小さくすることにより、パワーローラと第１および第２のディスク２，３との接触楕円内でのスピン損失を低減することができる。このことで、負荷容量をキープしたまま、燃費向上に効果の大きい低負荷時の効率を上げることができるので、無段変速機の高効率化が実現できる。

また、パワーローラ１１のトラクション面における曲率半径を、前記半頂角の減少に応じて連続的に小さくすることにより、パワーローラ１１と第１および第２のディスク２，３との接触楕円内でのスピン損失を連続的に低減することができる。以上により、半頂角が小さい低負荷領域での接触楕円が小さくなり、スピン損失が低減される。このため、高負荷側でのトラクション面における曲率半径は大きいので、面圧を許容値以下にでき、負荷容量をキープしたまま、低トルクでの効率向上を実現することができる。

なお、バリエータシャフト(軸）は、入力側ディスク２および出力側ディスク３を支持する構造になっていれば入力軸１(軸）ではなく、上述の入力軸１(軸）の位置に入力軸１(軸）に代えて配置される出力軸であってもよい。また、上述の実施形態では、一対の入力側ディスク２を外側に配置し、これら入力側ディスク２の間に一対の出力側ディスク３を配置したが、一対の出力側ディスク３を外側に配置し、こられ出力側ディスク３の間に一体化された入力側ディスク２を設け、この入力側ディスク２に回転トルクを入力するための歯車を一体に設けてもよい。

本発明は、シングルキャビティ型やダブルキャビティ型などの様々な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に適用することができる。

１入力軸（軸）
２入力側ディスク（第１のディスク）
３出力側ディスク（第２のディスク）
４出力歯車
１１パワーローラ
１２押圧装置

Claims

軸と、この軸に支持された第１のディスクと、前記軸に相対回転可能に支持された第２のディスクと、前記第１のディスクと前記第２のディスクとの間に挟持されたパワーローラとを備えたトロイダル型無段変速機において、
前記パワーローラと前記第１および第２のディスクとが接触するトラクション面におけるパワーローラの曲率半径は、該パワーローラの軸線と接触点における法線とのなす半頂角の減少に応じて連続的に小さくなっていることを特徴とするトロイダル型無段変速機。