(57)【要約】【課題】  コンパクトで大きなトルクを効率よく伝達することのできるトラクションドライブ装置を提供する。【解決手段】  ケーシング10に回転自在に支持された第一の入出力軸７と、ケーシング10に回転自在に支持された第二の入出力軸６と、前記第一の入出力軸７に支持され、溝幅が可変のＶ型溝を形成した一対のプーリ部材４と、前記Ｖ型溝と係合し、外周を支えられたリング３と、前記第二の入出力軸６回りに前記リング３を移動させるための機構とから構成され、前記プーリ部材４を軸方向に移動させて溝幅を変化させるための手段９として、回転運動を直線運動に変換するボールねじ（12，18，22）を利用する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングに回転自在に支持された第一の入出力軸と、ケーシングに回転自在に支持された第二の入出力軸と、前記第一の入出力軸に支持され、溝幅が可変のＶ型溝を形成した一対のプーリ部材と、前記Ｖ型溝と係合し、外周を支えられたリングと、前記第二の入出力軸回りに前記リングを移動させるための機構とから構成され、前記プーリ部材を軸方向に移動させて溝幅を変化させるための手段として、回転運動を直線運動に変換するボールねじを利用したことを特徴とするトラクションドライブ式無段変速機。
【請求項２】
前記ボールねじが、外周面にねじ溝を形成したねじ軸と、内周面にねじ溝を形成したナットと、ねじ軸のねじ溝とナットのねじ溝との間に介在する複数のボールとを有し、
前記ねじ軸のねじ溝が、約１ターン分のボール転動溝と、前記ボール転動溝の始点と終点とを連結する循環部とからなる閉ループを構成し、
前記循環部が、ボール転動溝から漸次深くなる入り口部分と、ボールがナットの内径をくぐりぬけることのできる深さの部分と、ボール転動溝に向かって漸次浅くなる出口部分とからなり、
前記循環部の入り口部分と出口部分に、ボールを溝底に引き寄せるためのガイド手段を設けたことを特徴とする請求項１のトラクションドライブ式無断変速機。
【請求項３】
前記ガイド手段が、連続した前後のボールによって作用する、ボールを溝底から離れる方向へ押す力よりも大きい力でボールを引き寄せることを特徴とする請求項２のトラクションドライブ式無断変速機。
【請求項４】
前記ガイド手段をねじ軸に埋設した永久磁石によって構成したことを特徴とする請求項２または３のトラクションドライブ式無断変速機。
【請求項５】
前記ガイド手段をねじ軸の循環部を部分的に着磁することによって構成したことを特徴とする請求項２または３のトラクションドライブ式無断変速機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明のトラクションドライブ式無段変速機は自動車や各種産業機械において利用される。
【背景技術】
【０００２】
無段変速機（ＣＶＴ：Continuously Variable Transmission）は昔から多くの考案がなされている。最近ではハーフトロイダル方式（図７）が注目を集めているが、実用化の方向は金属ベルト方式（図８）である。
【非特許文献１】町田，今西，「トラクションドライブ式無段変速機パワートロスユニットの開発  第２報−ハーフトロイダルＣＶＴとフルトロイダルＣＶＴの比較−」，NSK Technical Journal No. 670 (2000)，日本精工株式会社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
トラクションドライブ装置の課題は、コンパクトで大きなトルクを効率よく伝達することである。コンパクトで大きな伝達トルクを得るには、大きな接触力を与えればよいが、接触応力が大きすぎると寿命が短くなる。接触応力を下げるために、接触面積が大きくなるように設計すると、接触部のスピン成分が増え、伝達効率が低下する。
【０００４】
これらの課題をある程度解決しているのが、上述のハーフトロイダル式と金属ベルト方式である。しかし、完全ではなく、それぞれが欠点を持っている。ハーフトロイダル式は、パワーローラが入出力ディスク面に押し付けられた状態で揺動し変速する。ここには大きな接触圧力が作用し、油膜が形成されない場合、焼付きが生じる。これを避けるためには表面粗さを上げなければならないが、大きな球面を高精度に加工するには高コストとならざるを得ない。また、回転方向には凸同士の接触となるため、接触位置によっては大きなスピン成分が生じ、伝達効率が低下する。さらに、構造上軸方向に長く、ＦＦ車に搭載するには無理がある。一方、金属ベルト方式は、多くのエレメントを積み重ねて曲がりやすくし、Ｖプーリに押し付けてトルクを伝達する。基本的にはプーリとベルトは金属接触するため摩耗が避けられない。
【０００５】
本発明の目的は、上述の問題点を解消した、コンパクトで大きなトルクを効率よく伝達することのできるトラクションドライブ式無段変速機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、心なし伝達リングとＶプーリの組合せによる変速装置であり、心なし伝達リングは外周からガイドローラにより保持される、従来にない構造のトラクションドライブ式無段変速機を提供する。
【０００７】
すなわち、本発明のトラクションドライブ式無段変速機は、ケーシングに回転自在に支持された第一の入出力軸と、ケーシングに回転自在に支持された第二の入出力軸と、前記第一の入出力軸に支持され、溝幅が可変のＶ型溝を形成した一対のプーリ部材と、前記Ｖ型溝と係合し、外周を支えられたリングと、前記第二の入出力軸回りに前記リングを移動させるための機構とから構成され、前記プーリ部材を軸方向に移動させて溝幅を変化させるための手段として、回転運動を直線運動に変換するボールねじを利用したことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明のトラクションドライブ式無段変速機はハーフトロイダル型に比べて次のような利点がある。接触面積を大きくしてもスピン成分が少なく、効率がよい。ハーフトロイダル型のような球面加工が不要である。ハーフトロイダル型より軸方向長さが短く、ＦＦ車への適用が容易である。また、金属ベルト式に比べて構造が簡単であり、プーリとの間に油膜ができて金属ベルト式に比べて摩耗がなく、したがって長寿命である。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１のトラクションドライブ式無断変速機において、前記ボールねじが、外周面にねじ溝を形成したねじ軸と、内周面にねじ溝を形成したナットと、ねじ軸のねじ溝とナットのねじ溝との間に介在する複数のボールとを有し、前記ねじ軸のねじ溝が、約１ターン分のボール転動溝と、前記ボール転動溝の始点と終点とを連結する循環部とからなる閉ループを構成し、前記循環部が、ボール転動溝から漸次深くなる入り口部分と、ボールがナットの内径をくぐりぬけることのできる深さの部分と、ボール転動溝に向かって漸次浅くなる出口部分とからなり、前記循環部の入り口部分と出口部分に、ボールを溝底に引き寄せるためのガイド手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項２のトラクションドライブ式無断変速機において、前記ガイド手段が、連続した前後のボールによって作用する、ボールを溝底から離れる方向へ押す力よりも大きい力でボールを引き寄せることを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項２または３のトラクションドライブ式無断変速機において、前記ガイド手段を、ねじ軸に埋設した永久磁石によって構成したことを特徴とする。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項２または３のトラクションドライブ式無断変速機において、前記ガイド手段を、ねじ軸の循環部を部分的に着磁することによって構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、従来の技術と比較して次のような利点がある。ハーフトロイダル型に比べて接触面積を大きくしてもスピン成分が少なく、効率がよい。ハーフトロイダル型のような球面加工が不要であるため低コストである。ハーフトロイダル型より軸方向長さが短く、ＦＦ車への適用が容易である。また、金属ベルト式に比べて構造が簡単であり、低コストである。プーリとの間に油膜ができて金属ベルト式に比べて摩耗がない、したがって長寿命である。
【００１４】
また、プーリ部材を軸方向に移動させて溝幅を変化させるための手段として、回転運動を直線運動に変換するボールねじを利用するとともに、請求項２に記載したように、循環部の入り口部分と出口部分に、ボールを溝底に引き寄せるためのガイド手段を設けることにより、ボール転動溝と循環部とが連続して段差がないためスムーズなボールの循環動作が得られる。また、こまが廃止できるためナットの薄肉化、軽量化が図れ、コストも低減する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。ここで、図１はトラクションドライブ式無段変速機の構想図であり、図２はトラクションドライブ式無段変速機の縦断面図である。
【００１６】
まず図２を参照すると、このトラクションドライブ式無段変速機は、軸方向に可動の一対のプーリ部材４からなるＶ型プーリの溝にリング３を挟んだ構造である。この実施の形態ではリング３は外周に歯車の歯をもっているため、以下では歯付きリングと呼ぶこととする。ケーシング１０内に、互いに平行な入出力軸６と入出力軸７がそれぞれ軸受を介して回転自在に支持されている。この実施の形態では、これらの両軸６，７間でトルク伝達を行い、一方の軸（６または７）を入力軸とすると、他方の軸（７または６）が出力軸となる関係にある。
【００１７】
第一の入出力軸６には入出力歯車２が固定してある。入出力歯車２は歯付きリング３とかみ合っている。歯付きリング３の側面の断面形状はＶ型プーリの溝の断面形状と実質的に一致している。歯付きリング３は、入出力歯車２の歯とかみ合う歯と、平滑な円筒状ガイド面８を有し、前記ガイド面８にてガイドローラ１と接する。歯付きリング３のガイドには、図示するように歯付きリング３の外周面と接して転動するガイドローラ１を採用するほか、歯付きリング３との接触荷重は小さいため、歯付きリング３と滑り接触する滑り軸受（シュー）を採用してもよい。
【００１８】
第二の入出力軸７に一対のプーリ部材４が取り付けてある。そして、入出力軸７に形成した軸方向溝とプーリ部材４に形成した軸方向溝の双方に係合するようにして鋼球を挿入することにより、軸方向の滑らかな相対移動を可能にし、かつ、回転方向には回り止めをしてある。なお、プーリ部材４と軸７の、このような軸方向移動可能で回転不能の関係は、スライドスプラインやすべりキーなどを使用して実現することも可能である。
【００１９】
プーリ部材４にはラジアル荷重が作用するため、軸７に大きな曲げモーメントが作用する。これを避けるためには、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、円すいころ軸受その他ラジアル荷重およびスラスト荷重のいずれも受けられる軸受を採用するのが望ましい。玉軸受１５の内輪はプーリ部材４の斜面近傍に取り付け、外輪は送りねじ軸２８に取り付けてある。この送りねじ軸２８は、ケーシング１０に固定したナット２６との間で複数のボールを循環走行させて送りねじ軸２８の回転運動を直線運動に変換するボールねじの形態をした幅調節機構９を構成している。幅調節機構９については後に詳述する。送りねじ軸２８の径方向ガタは極めて小さく製作してあるので、プーリ部材４のラジアル荷重を高剛性で支えることが可能である。送りねじ軸２８としてボールねじを使うことは、回転抵抗も小さいことから本用途に適している。図２では、ケーシング１０に別体のナット２６を固定してあるように描いてあるが、両者が一体であっても機能は同じである。ケーシング１０がアルミニウム合金製の場合、ナット２６を別体にして高硬度材料を採用するのが好ましい。
【００２０】
送りねじ軸２８の一端に歯車３０が取り付けてあり、図示しない駆動手段により、歯車３０を介して送りねじ軸２８を回転駆動するようになっている。左右の送りねじ軸２８が対称に作動して一対のプーリ部材４の離間距離（溝幅）を変え、その結果変速比が変えられる。つまり、送りねじ軸２８の回転により、プーリ部材４の中心位置は変化せず、溝幅のみが変わる。このように、送りねじ軸２８は、軸方向に移動して一対のプーリ部材４の溝幅を変化させる役割を果たす（幅調節機構９）。
【００２１】
ここで図１を参照すると、この実施の形態では四つのガイドローラ１を設けてあり、図２にはそのうちの二つ、つまり、入出力歯車２の両側に配置した一対の円板１ａで構成されるガイドローラ１と図１の最上部のガイドローラ１の断面を示してある。入出力歯車２の両側に配置した一対の円板１ａで構成されるガイドローラは入出力歯車２に回転自在に嵌合させてある。それ以外のすべてのガイドローラ１はそれぞれピンを介して回転自在にアーム１３に支持されている。アーム１３は入出力軸６と同軸に、ケーシング１０のスリーブ１７に旋回自在に支持されている。したがって、ガイドローラ相互の位置関係は固定的である。図１の左端に現れているガイドローラは歯付きリング３の軸方向の振れ防止の役割も持たせる。
【００２２】
歯付きリング３は既述のとおり三つ以上のガイドローラ１で外周から拘束されているため、中心軸がなくても回転が可能である（心なしローラ）。ガイドローラ１はアーム１３で連結されており、アーム１３を旋回させることによって中心Ｏ1回りに歯付きリング３の回転中心を移動させることができる。したがって、歯付きリング３の外周に切られた歯は入出力歯車２と常にかみあった状態にある。歯付きリング３とプーリ部材４との間にすきまが生じないようにプーリ部材４とアーム１３を制御すれば、歯付きリング３が中心Ｏ1回りに移動することにより、プーリ部材４との接触点が変化し、一定の入出力歯車２の回転数に対し、プーリ部材４の速度を連続的に変えることができる。このようにして、いわゆるＣＶＴが構成される。
【００２３】
プーリ部材４を支持する入出力軸７を入力側とすると、歯付きリング３を押し込んだ状態が減速状態となる。伝達トルクが同じであれば、歯付きリング３を押し込んだときのプーリ部材４による挟みつけ力は大きくすべきで、逆に歯付きリング３とプーリ部材４との接触点大径側にあるときは小さくてもよい。挟み込み力によるプーリ部材４の曲げ応力を考えた場合、大径接触時の挟み込み力を軽減できる、プーリ部材４を入力とするこの方法が、出力とするよりもベターである。
【００２４】
図１に矢印ｂで示す方向にプーリ部材４から回転力が入力されると、プーリ部材４から歯付きリング３に力Ｆが作用し、ほぼ同じ大きさの力が入出力歯車２から作用する。入出力歯車２からの反力が歯付きリング３をプーリ部材４間に押し込む方向に働くため、伝達トルクの増大に伴い自動的に接触力が大きくなる。
【００２５】
次に、プーリ部材４を軸方向に移動させてＶ型プーリの幅を調節する幅調節機構９の具体的構成について説明する。既述のとおり、この幅調節機構９は回転運動を直線運動に、あるいは逆に直線運動を回転運動に変換するボールねじの形態をしている。ボールねじを簡略化して示す図３を参照すると、ボールねじは、ねじ軸１２とナット１８と複数の転動体としてのボール２２とで構成される。なお、ねじ軸１２およびナット１８は、それぞれ、図２における送りねじ軸２８およびナット２６に相当する。ねじ軸１２は中空で、軸７の外周に同心的に配置され、一端部にて軸受２４の外輪に嵌合させてある。ナット１８はねじ軸１２の外周に同心的に配置してあり、ストッパ１１により軸方向移動を阻止される。ねじ軸１２の外周面にはらせん状のボール転動溝１４が形成してある。ナット１８の内周面にはらせん状のボール転動溝２０が形成してある。これらのボール転動溝１４，２０間に複数のボール２２が転動自在に介在させてある。ボール２２は鋼その他の磁性材料製である。そして、ねじ軸１２の回転に応じてボール２２がボール転動溝１４，２０に沿って転動するとともにねじ軸１２が軸方向に移動する。
【００２６】
図３に示すボールねじはねじ軸循環型すなわち、ねじ軸側にボールの循環部を設けたものである。ナット１８のボール転動溝２０は複数ピッチ分のらせん長さに形成してある。これに対し、ねじ軸１２のボール転動溝１４は約１ピッチ分、つまり約１ターン分のらせん長さに形成してある。そして、図４に示すように、ねじ軸１２の外周面の一部に、ねじ軸１２のボール転動溝１４に沿って転動するボール２２をボール転動溝１４の一方の端部（回転方向によって始点または終点）から他方の端部（同じく終点または始点）に戻して無限循環させるための循環部１６が形成してある。
【００２７】
図４（Ａ）に示すように、ここでは、ねじ軸１２にねじ溝約１ターン分のボール転動溝１４を設けた場合が例示してある。ねじ軸１２の溝加工をボールエンドミルで行い、同じエンドミルにて滑らかに方向と深さを変えながら、ボール転動溝１４を渡る循環部１６を加工する。循環部１６は、ボール２２がナット１８の内径をくぐりぬけるだけの深さに加工されている。このとき、深くなった循環部１６の入り口で積極的にボール２２を循環部１６の溝底に沿わせることが、滑らかな循環のために必要な作用である。この役割を永久磁石２４に担わせる。永久磁石２４は、図４（Ｂ）に示すように、循環部１６の入り口で溝が深くなり始めるところに埋め込んである。なお、図４（Ｂ）に一対の永久磁石２４を示してあり、いずれか一方を入り口と呼ぶと他方は出口と呼ぶべきであるが、回転方向を逆にすると入り口と出口も逆になる。したがって、ここでは「入り口」についてのみ述べることとする。
【００２８】
ここで、永久磁石２４の作用を詳細に説明する。図５（Ａ）〜（Ｄ）はねじ軸１２の循環部１６に沿った断面をモデル的に表している。図６（Ａ）〜（Ｄ）は、対比のため、循環部に磁気的なガイドがない場合のボールの挙動を模式的に示したものである。まず、図６に従って、永久磁石２４がない場合、つまり、ボールを溝底へ引き寄せる手段がない場合のボールの動きに注目する。循環部１６に入ったボールが前後のボールより力を受けた場合、図６（Ａ）に示すように、凸部と凹部共に曲率を持つ部分でボールには外に押し出す力、つまり、凸部では溝底から離れる方向に押す力が働く。よって、図６（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように、符号aで示したボールは循環部１６を通り抜ける前にナット１８のボール転動溝２０に押し付けられ、ロックしてしまう。
【００２９】
これに対して、図５に示すように循環部１６の溝が深くなり始めるところに永久磁石２４が埋め込まれている場合には、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、ボールａが前後のボールから受ける力Ｆよりも永久磁石２４がボールａを溝底に引き込む力が勝る。言い換えれば、循環部１６でボールを溝底から離れる方向へ押す力に勝る磁力の永久磁石を使用する。したがって、ボールａは溝底に沿って移動し、ロックすることなく循環部１６を通過することができる。このように、ボールは永久磁石２４を通過する間は循環部１６の溝底から離れることがなく、この間にボールは凸部を通過し、その後永久磁石２４からの吸引力がなくなる位置に至ると、もはやボールを溝底から離れる方向に押す力は発生しない。
【００３０】
本発明のトラクションドライブ式無断変速機は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００３１】
たとえば、図４では永久磁石２４を循環部１６の入り口と出口に各１個埋め込んだ場合を例示してあるが、循環部１６に複数すなわち、循環部１６の入り口と出口に加えてその間にも配置してもよい。また、永久磁石２４を埋設する代わりに、ねじ軸１２の材質に永久磁石材を用いて循環部１６に局部的に着磁を行っても効果は同じである。永久磁石となる材質の例としては、ボールねじや軸受に一般的に使われる高炭素鋼や軸受鋼が挙げられる。
【００３２】
また、図４（Ｃ）に示すように、永久磁石２４の上面が循環部１６の溝底より沈んでいる場合には、前後のボールから作用する力も溝底を向き、永久磁石２４による吸引力も加わり、安定度が増す。
【００３３】
さらに、ボール転動溝が１列では負荷容量が不足する場合には、複数のボール転動溝（循環部１６を含む）を設けることになる。このときの循環部１６の周方向位置は、従来のこま式と同様にバランスを考慮して設計される。たとえば、２列溝の場合は１８０度、３列溝の場合は１２０度間隔に配置するのが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】トラクションドライブ式無段変速機の構想図である。
【図２】トラクションドライブ式無段変速機の縦断面図である。
【図３】図２におけるボールねじ部分の縦断面図である。
【図４】Ａは図３のIII矢視図に相当するねじ軸の平面図、ＢおよびＣは図４（Ａ）のねじ軸のボール転動溝および循環部に沿った断面図である。
【図５】ボールねじの循環部の入り口におけるボールの挙動を示す模式的断面図である。
【図６】Ａはボールに作用する力のベクトル図、Ｂ〜Ｄは循環部に磁気ガイドがない場合のボールの挙動を示す模式的断面図である。
【図７】従来の技術であるトロイダル型ＣＶＴを示す断面図である。
【図８】Ａは従来の技術である金属ベルト式ＣＶＴを示す断面図、Ｂは金属ベルト部の斜視図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  ガイドローラ
２  入出力歯車
３  歯付きリング
４  プーリ部材
５  接触部
６  入出力軸
７  入出力軸
９  プーリ幅調節機構
１０  ケーシング
１１  ストッパ
１３  アーム
１５  スラスト軸受
１７  スリーブ
２６  ナット
２４  永久磁石（ガイド手段）
２８  送りねじ軸
３０  歯車
【図１】
2006105213.tif 000003
【図２】
2006105213.tif 000004
【図３】
2006105213.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006105213.tif 000007
【図６】
2006105213.tif 000008
【図７】
2006105213.tif 000009
【図８】
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