(57)【要約】      （修正有）【課題】負荷の変化に応じてギヤをチェンジすることなく自然に変化する速度比率で動作する歯車式自動変速機であって、速度比率が入力トルクに対する出力トルクの比率に維持される歯車式自動変速機。【解決手段】自動変速機は、入力軸１と、入力歯車２と、キー遊星歯車３と、出力歯車４と、出力軸５と、軸受遊星歯車６と、回転フレーム７と、ロータ８の組合せを備えた遊星歯車ユニットからなっている。遊星軸は、特定の慣性モーメントを有するロータ８であり、その回転は、外力によるジャイロスコープの歳差運動と等価であり、歳差運動によって生成される外力は、出力軸５に作用する負荷である。ロータ８の回転速度は、出力負荷の変化に応じて変化し、出力軸５の回転速度も出力負荷の変化に応じて変化するため、速度比率は、出力負荷の変化に応じて自然に変化する。一切の制御操作を必要とすることなく、負荷の変化に応じて自然に変化する速度比率で動作する。【選択図】図１
2010054003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遊星歯車ユニットからなるジャイロ歳差運動自動変速機であって、特定の慣性モーメントを付与することによって遊星軸がジャイロスコープとして機能し、それにより動力が伝達され、出力負荷によって前記遊星軸の回転が前記遊星軸自体の歳差運動になり、それにより前記出力負荷の変化に応じて速度が自然に変化することを特徴とするジャイロ歳差運動自動変速機。
【請求項２】
前記遊星歯車ユニットが１つの遊星軸を備えたかさ歯車アセンブリであり、動作中、前記遊星軸の歳差運動の中心が前記遊星軸の軸に沿った中心に位置することを特徴とする、請求項１に記載のジャイロ歳差運動自動変速機。
【請求項３】
前記遊星歯車ユニットが複数の遊星軸を備えたかさ歯車アセンブリであり、動作中、前記遊星軸の歳差運動の中心が、入力軸と出力軸の間を展開している軸に沿った単一のポイントに集中することを特徴とする、請求項１に記載のジャイロ歳差運動自動変速機。
【請求項４】
前記遊星軸が、スラスト軸受およびラジアル軸受によって遠心力およびジャイロモーメントに対してスライド可能に支持されたことを特徴とする、請求項３に記載のジャイロ歳差運動自動変速機。
【請求項５】
前記遊星軸が、支持グローブおよび支持ローラによって遠心力およびジャイロモーメントに対してころがり可能(回転可能)に支持されたことを特徴とする、請求項３に記載のジャイロ歳差運動自動変速機。
【請求項６】
複数の遊星軸と、所定の慣性モーメントを有し、それぞれ回転フレーム上に取り付けられた複数のロータとを備えた遊星歯車ユニットからなるジャイロ歳差運動自動変速機であって、前記ロータが前記回転フレームに対して回転可能であり、したがって回転すると前記回転フレームが回転を維持してジャイロスコープとして機能し、それにより動力が伝達され、出力負荷によって前記回転フレームが回転すると、前記ロータが歳差運動に入り、それにより前記出力負荷の変化に応じて速度が自然に変化することを特徴とするジャイロ歳差運動自動変速機。
【請求項７】
前記遊星歯車ユニットがかさ歯車アセンブリであることを特徴とする請求項６に記載のジャイロ歳差運動自動変速機。
【請求項８】
前記遊星歯車ユニットが環状−円筒形歯車アセンブリであることを特徴とする、請求項６に記載のジャイロ歳差運動自動変速機。
【請求項９】
前記遊星歯車ユニットが２つの円筒形歯車アセンブリを備えたことを特徴とする、請求項６に記載のジャイロ歳差運動自動変速機。
【請求項１０】
自動臨界トルククラッチを有し、前記出力負荷が規定の限界未満である場合、前記変速機の前軸および後軸が接続され、したがって前記変速機全体が１つの軸になって直結駆動が構築され、前記出力負荷が規定の限界を超えると、接続されている軸が解放され、したがって前記ロータが歳差運動に入り、前記出力負荷の変化に応じて速度比率が自然に変化することを特徴とする、請求項３から９のいずれか一項に記載のジャイロ歳差運動自動変速機。
【請求項１１】
提供されるプライムモータの仕様および必要な伝達機構に基づいて設計された遊星歯車ユニットを使用し、かつ、前記遊星歯車ユニットに基づいて計算された所与の慣性モーメントを有するジャイロスコープの歳差運動を使用して、負荷の変化に応じた動力伝達および自然速度変化を達成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷の変化に応じて速度を変える必要のある自動変速機に関し、より詳細には、ジャイロスコープを備えた遊星歯車ユニットからなる自動変速機に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動変速機は、とりわけ自動車両の製造においてよく知られている。
油圧自動変速機は、自動車両の走行を円滑にし、運転を容易にし、かつ、良好な動力特性を維持し、さらには自動車両の安全性を保障するための自動車両の主要な種類の自動変速機を構成している。しかしながら、油圧駆動の使用は、自動変速機の伝達効率を悪くし、また、コストを高くしている。
【０００３】
電気機械式自動変速機には、単純に歯車駆動が使用されており、したがって効率が高く、その割には低コストである。しかしながら、電気機械式自動変速機は、ギヤチェンジと動力伝達の組合せに関連する問題を抱えており、電気機械式自動変速機の可撓エレメントには若干の誤差がある。したがって、電気機械式自動変速機は、良好な走行を得るために適しているとは言えない。
【０００４】
無段自動変速機または連続可変変速機は、当初から良好であると見なされてきたが、現在は完成期に入っている。無段自動変速機または連続可変変速機は、電子制御システムを使用して、トルク容量、雑音および信頼性などの問題を解決しているが、コストの問題は依然として未解決のままである。
【０００５】
例えば米国特許第６，４１６，４３７号明細書、米国特許公開公報第２００３／０１７６９５５号および国際公開ＷＯ２４２６５８号に開示されている例やＴｏｙｏｔａハイブリッドシステム（ＴＨＳ）などの、２つの経路すなわち遊星駆動経路および発電機−電動機駆動経路からなる二重経路ハイブリッド自動変速機の場合、二重経路ハイブリッド自動変速機内の歯車によって動力が直接伝達されるため、遊星駆動は高い効率を有しているが、発電機−電動機駆動は、いくつかのエネルギー変換を経て動力が伝達されるため、その効率が悪く、さらには、駆動プロセスが複雑であるため、前記変速機の構築がますます複雑になっており、延いては総合コストが高くなっている。
【０００６】
６段または７段の自動変速機では、各段の速度比率範囲が狭く、かつ、最高段と最低段の間の速度比率範囲が広いため、電子制御を使用してより敏速な変速を達成することができる。したがって燃料消費が少なく、また、応答性が高いため、自動車両の可動性および加速性が改善される。しかしながらこの変速機は、その構築がますます複雑になっており、また、精巧な制御システムが必要であるため、コストが高くなっている。また、動力伝達の損失が決して小さいとは言えず、また、制御動作が一定であるとは決して言えない油圧変換機を使用することにより、変速機の特性曲線に多くの屈曲点が形成される。したがってこれらの変速機は、機械的に完全な変速機とは言えない。
【０００７】
したがって、従来技術による自動変速機が抱えている問題には、変速プロセス、信頼性、コスト、制御、応答性および効率等が含まれている。
【特許文献１】米国特許第６，４１６，４３７号明細書
【特許文献２】米国特許公開公報第２００３／０１７６９５５号
【特許文献３】国際公開ＷＯ２４２６５８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、固有の用途のために機械的に必要でかつ十分な条件を完全に満足させ、負荷の変化に応じてギヤをチェンジすることなく（ギヤをチェンジすることも、ギヤメッシュコンビネーションをチェンジすることもなく）自然に変化する速度比率で動作する歯車式自動変速機であって、速度比率が入力トルクに対する出力トルクの比率に維持される歯車式自動変速機を大衆に提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
開示される本発明の一態様は、好ましくは１つの遊星軸を有するかさ歯車アセンブリである遊星歯車ユニットからなる自動変速機である。遊星軸は、所与の慣性モーメントを有するロータであり、遊星軸の回転軸は、遊星軸の回転軸に対して直角である。代替態様では、遊星歯車ユニットは、所与の慣性モーメントを有するロータである複数の遊星軸を有している。
【００１０】
遊星軸は、所与の慣性モーメントを有するロータであるため、ジャイロスコープとして機能し、その回転は、ジャイロスコープの歳差運動と等価である。歳差運動をもたらす外力は、出力軸に印加される負荷である。したがって、遊星軸の回転速度は出力負荷の変化に応じて変化し、また、出力軸の回転速度も同じく出力負荷の変化に応じて変化する。そのため、速度を変えるための制御操作を一切必要とすることなく、出力負荷の変化に応じて自然に変化する速度比率で変速機を動作させることができる。
【００１１】
本発明のもう１つの好ましい実施形態は、かさ歯車アセンブリであることが好ましい遊星歯車ユニットからなる自動変速機である。遊星歯車ユニットは、入力歯車と出力歯車の間に配置された回転フレーム上に内側に向かって取り付けられた、好ましくは３つの遊星軸を備えている。これらの遊星軸は、入力軸と出力軸の間を展開している軸に対して遊星軸が直角になるように取り付けられている。遊星歯車ユニットは、さらに、回転フレーム上の遊星軸と遊星軸の間に外側に向かって配置された、所与の慣性モーメントを有する、好ましくは３つのロータを備えている。代替実施形態では、遊星歯車ユニットは、環状−円筒形歯車アセンブリまたは２つの円筒形歯車アセンブリである。
【００１２】
ロータの各々は、入力軸に取り付けられた補助歯車を介してロータを回転フレームに対して回転させるように適合されたロータ歯車を有している。入力軸が特定の速度で回転すると、補助歯車の使用によってロータが回転し、したがってジャイロモーメントによって回転フレームが回転し続ける。したがって、入力歯車および遊星歯車を介して出力歯車に動力が引き渡される。出力歯車に負わせることができる負荷が、遊星軸を介して回転フレームに作用すると、回転フレームが回転し、それによりロータは歳差運動に入る。したがって、出力負荷の変化に応じて回転フレームの回転速度が変化し、変速機は、出力負荷の変化に応じて自然に変化する速度比率で動作する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態を示したものである。
変速機は、好ましくは４つのかさ歯車と、所与の慣性モーメントを有するロータである１つの遊星軸とを有する遊星歯車ユニットからなっている。代替変速機では、遊星歯車ユニットは、所与の慣性モーメントを有するロータである複数の遊星軸を有している（図３および４）。
【００１４】
図１を参照すると、入力軸１に取り付けられた入力歯車２は、同じ軸に沿って、出力軸５に取り付けられた出力歯車４の反対側に配置されており、入力歯車２と出力歯車４の間に、遊星軸として機能するロータ８が同じ軸に対して直角に配置されている。ロータ８は、キー遊星歯車３および軸受遊星歯車６を有しており、その両端は、好ましくは、万能継手軸に取り付けられたジャイロスコープのような軸受によって回転フレーム７内に支持されている。キー遊星歯車３は、キーによってロータ８に移動不可能に固定されており、入力歯車２から出力歯車４へ動力を伝達する機能と、ロータ８を回転させる機能の２つの機能を実行している。また、軸受遊星歯車６は、軸受によってロータ８に移動可能に固定されており、ただ単に入力歯車２から出力歯車４へ動力を伝達する機能を実行している。
【００１５】
歳差運動では、ロータ８の歳差運動の中心は、一対の回転軸力（歳差運動によって生成される遠心力）が互いに平衡するよう、ロータ８の回転軸に沿った中心に位置している（図１のポイント０）。出力軸５が無負荷の状態で入力軸１が特定の速度で回転すると、ロータ８は、ロータ８の軸に沿った中心の周りを回ることなく回転する。入力軸１が回転し続けている間に出力軸５に負荷が印加されると、ロータ８が回転し、負荷が徐々に増加すると、それに応じて回転速度が速くなる。これは、外力によってロータ８が特定の速度で回転し、歳差運動に入ることを意味している。言うなれば、ロータ８の回転は、外力、つまり特定の速度で回転しているロータ８に加えられる出力負荷によって生成される、ジャイロスコープとしてのロータ８自体の歳差運動である。
【００１６】
歳差運動速度（回転角速度）は、式
【００１７】
【数１】
2010054003.tif 000003
【００１８】
で表すことができる。上式で、
ωre    −  ロータの回転角速度
ωpre   −  ロータの歳差運動角速度
ωro    −  ロータの固有角速度（回転角速度）
Ｊ      −  ロータの慣性モーメント
Ｆout    −  出力負荷によってロータに課せられる力
Ｒ      −  負荷トルクの作用点から歳差運動の中心までの垂直方向の距離
Ｍout    −  出力軸に作用する負荷トルク
式（１）から、変速機では、ロータ８の回転が、出力負荷に依存するロータ８自体の歳差運動である、と言える。図２は、入力歯車、出力歯車および遊星歯車を略図で示したもので、便宜上、単一の平面上に示されている。図２のポイント０’では、
ωre・ｂ＝ωpla,ro・(ｒ−ｂ)
であり、０’は、遊星歯車の瞬時回転中心である。
【００１９】
この関係を書き直すと、
【００２０】
【数２】
2010054003.tif 000004
【００２１】
が得られる。
式（２）を参照すると、遊星歯車の瞬時回転中心は、遊星軸の回転速度の変化に応じて位置が変化する。変速機では、図２に示すように、入力トルクによる遊星歯車の瞬時回転中心に対するモーメントと、出力トルクによる遊星歯車の瞬時回転中心に対するモーメントは、常に平衡している。
【００２２】
Ｆin・ａ＝Ｆout・ｂ            ・・・（３）
式（３）の両辺にωpla,ab（遊星歯車の絶対角速度）を掛けると、
Ｆin・ａ・ωpla,ab＝Ｆout・ｂ・ωpla,ab
が得られる。
【００２３】
歯車のかみあい点ＡおよびＢでは、互いに対するすべりは存在していないため、
ａ・ωpla,ab＝υin、  ｂ・ωpla,ab＝υout
である。
【００２４】
したがって、式
Ｆin・υin＝Ｆout・υout
が得られる。上式で、υin＝Ｒ・ωin、  ｍυout＝Ｒ・ωoutである。
【００２５】
したがって、式（３）は、
Ｍin・ωin＝Ｍout・ωout      ・・・（４）
になる。
【００２６】
式（４）から、式
【００２７】
【数３】
2010054003.tif 000005
【００２８】
が得られる。
したがって、速度比率は、
【００２９】
【数４】
2010054003.tif 000006
【００３０】
である。
上で説明したように、変速機は、運転中、出力負荷の変化に応じて速度比率が連続的に変化する特性を有しており、速度比率は、常に、入力トルクに対する出力トルクの比率に等しい。ロータ８の歳差運動軸は、ロータ８の固有回転軸に対して直角であるため、ロータ８の歳差運動によって、歳差運動の中心を原点とする一対の遠心力が生成される。
【００３１】
図１に示すように、ロータ８の歳差運動の中心は、ロータ８の回転軸に沿った中心に位置しているため、ロータ８の歳差運動によって、大きさが等しく、かつ、逆方向の一対の遠心力が単一の直線状に生成され、したがって互いに平衡し、さらに、ロータ８の固有回転軸をロータ８の歳差運動軸に向かって傾斜させるジャイロモーメントが生成される。したがって、歳差運動のためにはロータ８をジャイロモーメントに対して支持する必要があり、したがって図１に示すように、ロータ８は回転フレーム７によって支持されている。代替実施形態では、ロータは、好ましくは軸受によってスライド可能に支持されており（図４参照）、かつ、好ましくは案内ローラ９、支持グローブ１０および支持ローラ１１（図３参照）によって、歳差運動によって生成される遠心力およびジャイロモーメントに対してころがり可能に支持されている。
【００３２】
ロータ８は、歳差運動中、ジャイロモーメントにさらされ、それによりロータ８の固有回転軸がロータ８の歳差運動軸に向かって傾斜し、いずれも歳差運動軸に対して直角の方向の一対の遠心力が、固有回転軸に沿ってセットアップされる。したがって歳差運動中は仕事は実行されず、したがってエネルギーの損失もなく、歳差運動のプロセスは、せいぜい動力を伝達するための力の場のポテンシャル変化の歳差運動のプロセスにすぎない。その意味では、本明細書における動力伝達は、効率の観点からすると、従来の歯車駆動における動力伝達と同じである。また、歳差運動は非慣性運動であり、したがって負荷の変化と正確に同期しているため、変速機の応答性が改善され、最良の可動性および加速性が自動車両に提供される。
【００３３】
図５は、本発明のもう１つの好ましい実施形態を示したものである。
変速機は、入力歯車２、出力歯車５、いずれもかさ歯車であることが好ましい、好ましくは３つの遊星歯車３を備え、さらに、所与の慣性モーメントを有する、好ましくは３つのロータ１２を備えた遊星歯車ユニットからなっている。代替変速機では、遊星歯車ユニットは、環状−円筒形歯車アセンブリまたは２つの円筒形歯車アセンブリである（図６および図７参照）。
【００３４】
入力歯車２は、出力歯車５と同軸で対向している。３つの遊星軸は、入力歯車２と出力歯車５の間に配置された回転フレーム９上に、好ましくは同じ円周間隔で取り付けられている。これらの遊星軸は、入力軸１と出力軸６の間を展開している軸に対して遊星軸が直角になるように取り付けられている。回転フレーム９の上には、好ましくは３つのロータ１２が遊星軸と遊星軸の間に同じ円周間隔で外側に向かって配置されている。ロータ１２の各々は、入力軸１に取り付けられた補助歯車７を介してロータ１２を回転フレーム９に対して回転させるように適合されたロータ歯車８を有している。入力軸１が所与の速度で回転すると、補助歯車７によってロータ１２が回転し、したがってジャイロモーメントによって回転フレーム９が回転し続ける。したがって、入力歯車２および遊星歯車３を介して出力歯車５に動力が引き渡される。出力歯車５に負わせることができる負荷が、遊星軸を介して回転フレーム９に加えられると、回転フレーム９が回転し、それによりロータ１２は歳差運動に入る。したがって、負荷の変化に応じて回転フレーム９の回転速度が変化し、この実施形態も、負荷の変化に応じて自然に変化する速度比率で動作する。また、ロータ１２の歳差運動の中心Ｏは、図５に示すように配置されているため、歳差運動中、ロータ１２は遠心力にさらされ、ロータ１２は、好ましくはロータスラスト軸受１１によってこれらの遠心力に対して支持されている。また、ロータ１２は、歳差運動中、ジャイロモーメントにさらされ、ロータ１２は、好ましくは回転フレームスラスト軸受１０によってこれらのジャイロモーメントに対して支持されている。
【００３５】
図８は、本発明による変速機の特性を示したものである。曲線Ａは、トルクと負荷を比較したグラフである。曲線Ｂは、機関のトルクを示すグラフであり、曲線Ｃは、機関の所与の速度における変速機のトルクを示すグラフである。曲線Ｄは、所与の速度の機関に印加される負荷トルクを示すグラフである。座標はトルク軸であり、横座標は、機関の回転数の軸である。
【００３６】
図９は、自動車両用ジャイロ歳差運動自動変速機を示したものである。
部分Ｉは、動力軸１、直結スプライン軸２、環状歯車３、入力ラチェットクラッチ４、方向変換遊星歯車５、遊星歯車回転フレーム６、方向変換機７、方向変換太陽歯車８および入力軸９の組合せを備えた前進／後退／ニュートラル変換部分である。
【００３７】
部分ＩＩは、入力歯車１０、遊星歯車１１、ロータ１２、回転フレーム１３、内部回転フレーム１４、出力歯車１５および出力軸１６の組合せを備えた変速部分である。
部分ＩＩＩは、出力ラチェットクラッチ１７、連結スプリング１８、臨界トルク自動クラッチ１９、スクリューコンバイナ２０および駆動軸２１の組合せを備えた直結部分である。
【００３８】
部分Ｉで、動力軸１からの動力が直結スプライン軸２および入力ラチェットクラッチ４を介して入力軸９へ伝達される。方向変換機７は、方向を前進／後退／ニュートラルに変換することができる。部分Ｉにおける回転数は、部分ＩＩにおける回転数より大きい。
【００３９】
部分ＩＩで、動力が入力歯車１０を介して出力歯車１５へ伝達され、負荷の変化に応じて速度が変化する。
部分ＩＩＩで、出力軸１６の回転速度が機関の回転速度より遅くなると、出力ラチェットクラッチ１７を介して動力が駆動軸２１へ伝達され、出力軸１６の回転速度が機関の回転速度より速くなると、スクリューコンバイナ２０によって入力ラチェットクラッチ４および出力ラチェットクラッチ１７の係合が解除され、直結スプライン軸２を介して駆動軸２１へ直接動力が伝達される。負荷トルクが規定の限界を超えると、臨界トルク自動クラッチ１９が作用して入力ラチェットクラッチ４および出力ラチェットクラッチ１７が係合し、したがって動力は部分ＩＩを通過する。
【００４０】
ジャイロ歳差運動自動変速機を備えた自動車両の場合、ガスペダルおよびブレーキペダルのみで運転者の意図を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】遊星歯車ユニットがかさ歯車アセンブリであり、該かさ歯車アセンブリが、ロータである１つの遊星軸を有する、本発明による自動変速機の動作および構造を示す略図である。
【図２】入力トルクによる瞬時回転中心に対するモーメントと、出力トルクによる瞬時回転中心に対するモーメントの間の遊星歯車の平衡を示す略図である。
【図３】遊星歯車ユニットがかさ歯車アセンブリであり、該かさ歯車アセンブリが、スライド可能に支持されたロータである複数の遊星軸を有する、本発明による自動変速機の動作および構造を示す略図である。
【図４】遊星歯車ユニットがかさ歯車アセンブリであり、該かさ歯車アセンブリが、ころがり可能に支持されたロータである複数の遊星軸を有する、本発明による自動変速機の動作および構造を示す略図である。
【図５】遊星歯車ユニットがかさ歯車アセンブリであり、該かさ歯車アセンブリが、それぞれ回転フレームに固定された複数の遊星軸および複数のロータを有する、本発明による自動変速機の動作および構造を示す略図である。
【図６】遊星歯車ユニットが環状−円筒形歯車アセンブリであり、該環状−円筒形歯車アセンブリが、それぞれ回転フレームに固定された複数の遊星軸および複数のロータを有する、本発明による自動変速機の動作および構造を示す略図である。
【図７】遊星歯車ユニットが２つの円筒形歯車アセンブリであり、該２つの円筒形歯車アセンブリが、それぞれ回転フレームに固定された複数の遊星軸および複数のロータを有する、本発明による自動変速機の動作および構造を示す略図である。
【図８】本発明の特性を示すグラフである。
【図９】本発明による自動車両用自動変速機のアセンブル状態の構造を示す略図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  入力軸
２  入力歯車
３  キー遊星歯車
４  出力歯車
５  出力軸
６  軸受遊星歯車
７  回転フレーム
８  ローター
【図１】
2010054003.tif 000007
【図２】
2010054003.tif 000008
【図３】
2010054003.tif 000009
【図４】
2010054003.tif 000010
【図５】
2010054003.tif 000011
【図６】
2010054003.tif 000012
【図７】
2010054003.tif 000013
【図８】
2010054003.tif 000014
【図９】
2010054003.tif 000015