(57)【要約】【課題】  振動の抑制とトルク応答性の確保とを両立できる摩擦伝動装置を提供する。【解決手段】  駆動ローラ1および従動ローラ2は、下記の条件式(1)を満たす。【数６】2018059579.tif 000008  なお、Kaは両ローラの接触点に初期与圧を付与する初期与圧付与部材のばね定数、Kbは両ローラ間径方向押し付け反力に対するフレームのばね定数、αはくさび角、mは従動ローラ2の質量、r1は駆動ローラ1の半径、r2は従動ローラ2の半径、I1は駆動ローラ1のイナーシャ、I2は従動ローラ2のイナーシャ、μ^は平行点での摩擦係数である。【選択図】  図４
2018059579.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームに回転可能に支持された第１ローラおよび第２ローラと、両ローラの接触点における接線に対し所定のくさび角を持ったカム斜面を有するカム部材とを有し、前記カム斜面を前記第１ローラの回転支持部に当接することでローラ同士を押圧接触させ、前記ローラ間で動力を伝達させる摩擦伝動装置であって、
前記第１ローラおよび前記第２ローラは、下記の条件式、
【数５】
2018059579.tif 000007
Ka：両ローラの接触点に初期与圧を付与する初期与圧付与部材のばね定数
Kb：両ローラ間径方向押し付け反力に対するフレームのばね定数
α：くさび角
m：第１ローラの質量
r1：第１ローラの半径
r2：第２ローラの半径
I1：第１ローラのイナーシャ
I2：第２ローラのイナーシャ
μ^：平行点での摩擦係数
を満たす摩擦伝動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の摩擦伝動装置において、
前記第２ローラは、肉抜き構造を有する摩擦伝動装置。
【請求項３】
請求項２に記載の摩擦伝動装置において、
前記第２ローラは、両側面が均等に肉抜きされている摩擦伝動装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の摩擦伝動装置において、
前記初期与圧は、両ローラ間で駆動力を伝達するために必要な最低の与圧である必要初期与圧よりも大きい摩擦伝動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦伝動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、２つのローラを押圧接触させ摩擦伝達力により動力を伝達する摩擦伝動装置において、ローラ回転軸に垂直な並進方向に変位するローラに、並進方向の変位に対して作用するダンパを設け、当該ローラの振動を減衰させる技術を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第2009/107543号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術にあっては、減衰によりローラの並進移動の応答性が悪化し、トルク応答の遅れが大きくなるという問題があった。
本発明の目的の一つは、振動の抑制とトルク応答性の確保とを両立できる摩擦伝動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施形態にかかる摩擦伝動装置は、第１ローラおよび第２ローラが下記の条件式を満たす。
【数１】
2018059579.tif 000003
ここで、Kaは両ローラの接触点に初期与圧を付与する初期与圧付与部材のばね定数、Kbは両ローラ間径方向押し付け反力に対するフレームのばね定数、αはくさび角、mは第１ローラの質量、r1は第１ローラの半径、r2は第２ローラの半径、I1は第１ローラのイナーシャ、I2は第２ローラのイナーシャ、μ^は平行点での摩擦係数である。
【発明の効果】
【０００６】
よって、振動の抑制とトルク応答性の確保とを両立できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態１の摩擦伝動変速装置の概略図である。
【図２】実施形態１の摩擦伝動変速装置の側面図である。
【図３】従動ローラ2の軸方向断面図である。
【図４】摩擦伝動装置のモデルである。
【図５】摩擦伝動装置における自励振動の発生を示すタイムチャートである。
【図６】実施形態１の自励振動抑制作用を示すタイムチャートである。
【図７】実施形態１のカム応答を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
〔実施形態１〕
図１は実施形態１の摩擦伝動変速装置の概略図、図２は実施形態１の摩擦伝動変速装置の側面図である。
実施形態１の摩擦伝動変速装置は、エンジンにより駆動する車両の駆動系に設けた前進３速後進１速の変速装置である。この変速装置は、回転自在に支持された駆動ローラ（第２ローラ）1と従動ローラ（第１ローラ）2とを押圧接触させ、その接触部に生じる摩擦力によって、上記２個のローラ1,2のうち、一方のローラ1または2から他方のローラ2または1に動力を伝達する。両ローラ1,2は、トラクションオイルを介して互いに接触する。
駆動ローラ1は、１速用駆動ローラ11、２速用駆動ローラ12、３速用駆動ローラ13および偏心駆動ローラ軸14を有する。各駆動ローラ11,12,13のローラ径は、１速用駆動ローラ11が最小、３速用駆動ローラ13が最大である。各駆動ローラ11,12,13は、偏心駆動ローラ軸14上に、図１の左から１速用駆動ローラ11、２速用駆動ローラ12、３速用駆動ローラ13の順に並ぶ。
従動ローラ2は、１速用従動ローラ21、２速用従動ローラ22、３速用従動ローラ23および従動ローラ支持軸部17,18を有する。各従動ローラ21,22,23のローラ径は、１速用従動ローラ21が最大、３速用従動ローラ23が最小である。各従動ローラ21,22,23は、両従動ローラ支持軸部17,18間に、図１の左から１速用従動ローラ21、２速用従動ローラ22、３速用従動ローラ23の順に並ぶ。
【０００９】
３個の駆動ローラ11,12,13は、両端に第１支持軸受け3と第２支持軸受け4を配置した偏心駆動ローラ軸14上に設定すると共に、変速比を異ならせて設定した３つの摩擦伝動装置を切り替え可能である。
３つの摩擦伝動装置は、従動ローラ支持軸部17,18に従動ローラ支持軸受け（回転支持部）5,6を設定し、これら従動ローラ支持軸受け5,6に、フレーム7に設定したカム（カム部材）8を当接させることで、両ローラ1,2間に押し付け力を付与している。
カム8は、駆動ローラ1と従動ローラ2との接触点における接線に対し角度（くさび角）αを持った２つのカム斜面8a,8b（図２参照）を有し、回転方向に応じて、カム斜面8aまたは8bを従動ローラ支持軸受け5,6のカムフォロア5a,6aに当接させることで両ローラ1,2を押圧接触させている。カム斜面8aは、正転トルク（車両前進時に伝達されるトルク）のときカムフォロア5a,6aに当接してローラ対を押圧接触させる正転カム斜面であり、カム斜面8bは、逆転トルク（車両後退時に伝達されるトルク）のときカムフォロア5a,6aに当接させて両ローラ1,2を押圧接触させる逆転カム斜面である。なお、従動ローラ支持軸受け5,6は、外輪としてのカムフォロア5a,6aと、転動体としてのニードル5b,6bとを有する。従動ローラ支持軸受け5とフレーム7との間には、圧縮ばね10を配置する。圧縮ばね10は、両ローラ1,2の接触点に初期与圧を付与する初期与圧付与部材であって、従動ローラ支持軸受け5を図２の右側から左側（逆転カム斜面8b側から正転カム斜面8a側）へ向かって付勢する。圧縮ばね10が従動ローラ2に与える荷重の方向は、押し付け力の方向に対して約90°の角度とする。ここで、初期与圧は、必要初期与圧よりも高くしている。必要初期与圧は、両ローラ間1,2で駆動力を伝達するために必要な最低の与圧であって、具体的には、カム8で設定した設計トラクション係数以上のトラクション力を、ローラ1,2間で得るためのローラ1,2間の物性値に定められた与圧である。
【００１０】
３個の駆動ローラ11,12,13は、両端に第１支持軸受け3と第２支持軸受け4とを配置した偏心駆動ローラ軸14上にボール等を介して回転可能に設定すると共に、偏心駆動ローラ軸14を回動させるサーボモータ9を偏心駆動ローラ軸14の一端部に設けている。変速指令時には、サーボモータ9による偏心駆動ローラ軸14の回動により、変速前の変速位置に対応する駆動ローラ回転軸11a,12a,13aのうち１つの軸を従動ローラ回転軸2aから離し、変速後の変速位置に対応する駆動ローラ回転軸11a,12a,13aのうち１つの軸を従動ローラ回転軸2aに近づけることにより、変速比を異ならせて設定した３つの摩擦伝動装置を切り替える。
３つの摩擦伝動装置は、１速用摩擦伝動装置11,21、２速用摩擦伝動装置12,22および３速用摩擦伝動装置13,23であり、駆動ローラ1の両端の支持軸受けを、第１支持軸受け3と第２支持軸受け4としたとき、第１支持軸受け3と第２支持軸受け4との間に、第１支持軸受け3から順に、１速用駆動ローラ11と２速用駆動ローラ12と３速用駆動ローラ13とを並べて配置し、１速用駆動ローラ11と２速用駆動ローラ12と３速用駆動ローラ13とは、第１連結部31と第２連結部32により、径方向は互いに移動可能で、かつ、回転方向は一体に連結している。なお、摩擦伝動変速装置への駆動入力は、２速用駆動ローラ12から径方向あるいは軸方向になされ、摩擦伝動変速装置からの出力は、従動ローラ支持軸部17,18の一方からなされる。
図３は、従動ローラ2の軸方向断面図である。従動ローラ2は、外周部40、軸固定部41および接続部42を有する。外周部40は軸方向に沿って延びる円筒形状を有する。軸固定部41は外周部40の内周側に位置し、外周部40よりも小径の円筒形状を有する。軸固定部41の内周側には、両端が従動ローラ支持軸部17,18となる図外の従動ローラ支持軸が貫通する。従動ローラ2は従動ローラ支持軸と一体に回転する。接続部42は、径方向に延び、外周部40と軸固定部41とを接続する。接続部42の両側面（軸方向両側面）には、軸方向から見て環状の肉抜き部42a,42bを形成する。両肉抜き部42a,42bは同一形状である。つまり、従動ローラ2は、両側面が均等に肉抜きされた（切り欠かれた）肉抜き構造を有する。
【００１１】
実施形態１の摩擦伝動装置では、駆動ローラ1から従動ローラ2へトルクが伝達されると、駆動ローラ1には伝達力の反力が働く。この伝達力の反力は、従動ローラ支持軸受け5,6のカムフォロア5a,6aとカム斜面8aの当接部で支持されるが、当接部においては接触面に垂直な力しか発生できないので、大きな法線力を生じ、水平方向成分が伝達力の反力と釣り合う。この法線力の垂直方向成分が押し付け力となり両ローラ1,2の接触部に働くことになる。このとき水平方向成分と垂直方向成分、すなわち、伝達力と押し付け力の比は、当接部におけるカム斜面8aの角度（くさび角）αの正接tanαに等しい。くさび角αは一定であるので、伝達力に比例した押し付け力を動力伝達部に加えることができる。これにより、くさびローラやアクチュエータを用いることのない簡単な構成としながら、伝達トルクに比例した押し付け力を与えることにより、寿命と動力伝達効率の向上を達成することができる。
【００１２】
図４は、摩擦伝動装置のモデルである。図４において、αはくさび角、mは従動ローラ2の質量、r1は駆動ローラ1の半径、r2は従動ローラ2の半径、Kaは圧縮ばね10のばね定数、Kbは両ローラ1,2間径方向押し付け反力に対するフレーム7のばね定数である。
本願発明者らは、２つのローラを押圧接触させ摩擦伝達力により動力を伝達する摩擦伝動装置において、特定の条件下で図５に示すような自励振動が発生することを発見した。そして、本願発明者らは、下記の条件式(1)を満たすように２つのローラを設計することにより、振動の抑制とトルク応答性の確保との両立を実現できることを見出した。
【数２】
2018059579.tif 000004
I1は駆動ローラ1のイナーシャ、I2は従動ローラのイナーシャ、μ^は平行点での摩擦係数である。
【００１３】
以下、条件式(1)の算出方法を説明する。
(i) 運動方程式の導出
図４に示したモデルの運動方程式は、下記の式(2)のように表せる。なお、以降の計算を簡単に行うために、固定フリクション、荷重比例フリクション等の計算式を省くこととする。なお、「'」は１階微分、「"」は2階微分を表す。
mx"+fspx'+Kbxsin2α-Ka(x0-x) = Kbμxsinαcosα
I1・θ1" = M1-Ft・r1
I2・θ2" = ηt・Ft・r2-M2
Ft = μ[ΔV]Kbxsinα
μ[ΔV] =β(r1θ1'-x'cosα-r2θ2')  …(2)
ここで、xは従動ローラ2の位置、x0は従動ローラ2の変位量、fspは従動ロ−ラ2の粘性係数、βは駆動ローラ1と従動ローラ2の間のμ?V摩擦特性の傾き（β>0）、ΔVは駆動ローラ1と従動ローラ2の速度差、αはくさび角、M1は駆動ローラ1への入力トルク、M2は従動ローラ3の負荷トルク、r1は駆動ローラ1の半径、r2は従動ローラ2の半径、I1は駆動ローラ1のイナーシャ、I2は従動ローラ2のイナーシャ、ηtは駆動ローラ1から従動ローラ2へのトルク伝達効率、θ1"は駆動ローラ1の角加速度、θ2"は従動ローラ2の角加速度、θ1'は駆動ローラ1の角速度、θ2'は従動ローラの角速度、μは駆動ローラ1および従動ローラ2間の摩擦係数、Ftは駆動ローラ1および従動ローラ2間の摩擦力である。
【００１４】
(ii) 状態行列の算出
式(2)から状態行列式を算出すると下記の式(3)のような状態変数同士の掛け算が存在する。そこで、代表点周りで１次のテイラー展開を用いて近似を行う。
Ft = μ[ΔV]Kbxsinα =β(r1θ1'-x'cosα-r2θ2')Kbxsinα
=βr1θ1'Kbxsinα-βKbxx'cosαsinα-βr2θ2'Kbxsinα  …(3)
１次のテイラー展開より、
f(x,y) = f(a,b)+fx(a,b)(x-a)+fy(a,b)(y-b)
代表点x=a, x'=b, θ2'=c, θ1'=dとすると
βr1θ1'Kbxsinα =βr1Kbsinα[ac+c(x-a)+a(θ1'-c)]
βKbxx'cosαsinα = βKbsinαcosα[ab+b(x-a)+a(x'-b)]
βr2θ2'Kbxsinα = βr2Kbsinα[ad+d(x-a)+a(θ2'-d)]
となる。したがって、状態行列は、状態変数を[θ1;θ1';θ2;θ2';x;x']とおき、式(2),(3)より下記の式(4)のようになる。
【数３】
2018059579.tif 000005
【００１５】
(iii) 安定化条件式の算出
式(4)より固有値を算出する。
det(SI-P) = I1I2ms6+βKbxsinα(I2mr12+I1mr22+I1I2cos2α)s5+(I1I2Ka-DI1I2cosα+I1I2Kbsin2α)s4+βKbxsinα(I2Kar12+I1Kar22+I2Kbr12sin2α+I1Kbr22sin2α)s3  …(5)
ここで振動要素を持っている状態変数は、x,x'であるため、これらに関わる固有値を安定化できれば自励振動を抑制できることになる。したがって、少なくとも式(5)のs=0の項は全てx,x'とは無関係の項であるため、下記の式(6)のように考えられる。
I1I2ms3+βKbxsinα(I2mr12+I1mr22+I1I2cos2α)s2+(I1I2Ka-DI1I2cosα+I1I2Kbsin2α)s+βKbxsinα(I2Kar12+I1Kar22+I2Kbr12sin2α+I1Kbr22sin2α)  …(6)
本来ならば式(6)の解実部にて安定化を判別し虚部にて周波数を算出するのであるが、解が複雑すぎるためラウス・フルビッツの安定化判別法を用いることとする。
多項式、
p(s) = a0sn+a1sn-1+a2sn-2+a3sn-3…+an  …(7)
に当てはめると、式(6)のそれぞれは以下のようになる。
a0 = I1I2m
a1 = βKbxsinα(I2mr12+I1mr22+I1I2cos2α)
a2 = (I1I2Ka-DI1I2cosα+I1I2Kbsin2α)
a3 = βKbxsinα(I2Kar12+I1Kar22+I2Kbr12sin2α+I1Kbr22sin2α)
【００１６】
これより、条件はそれぞれ以下となる。
第１条件
Δ1(p) = a0 = I1I2m > 0
これは常に満たすため無視できる。
第２条件
Δ2(p) = a2a1-a0a3 = (I1I2Ka-DI1I2cosα+I1I2Kbsin2α)βKbxsinα(I2mr12+I1mr22+I1I2cos2α)-I1I2mβKbxsinα(I2Kar12+I1Kar22+I2Kbr12sin2α+I1Kbr22sin2α) > 0
したがって、
【数４】
2018059579.tif 000006
両辺にmを乗ずると、条件式(1)が得られる。
【００１７】
図６は、実施形態１の自励振動抑制作用を示すタイムチャートである。実施形態１の摩擦伝動装置では、条件式(1)を満足するように駆動ローラ1および従動ローラ2を設計した。条件式(1)は自励振動を発生させない安定化条件式であって、これを満足するように駆動ローラ1および従動ローラ2を設計することにより、図６に示すように自励振動の発生を抑制できる。
また、条件式(1)は減衰項を持たないため、実施形態１の摩擦伝動装置では、自励振動の発生を抑えつつ、素早いトルク応答を実現できる。さらに、ダンパが不要であるから、燃費の悪化やコスト上昇も抑制できる。図７は実施形態１のカム応答を示すタイムチャートである。従来の摩擦伝動装置では、減衰により車両の目標駆動力に応じた目標応答に対し実際のカム応答に大きな遅れが生じているが、実施形態１の摩擦伝動装置では、従来装置よりもカム応答が向上しているのがわかる。
【００１８】
実施形態１の摩擦伝動装置では、従動ローラ2を肉抜き構造とした。条件式(1)を成立させるためには、条件式(1)の左辺第二項を小さくすればよい。従動ローラ2を肉抜き構造とすることで、半径r2を短くすることなく質量mを小さくできる。ここで、イナーシャI2は質量mに比例すると共に、半径r2の２乗に比例する。つまり、イナーシャI2は質量mよりも半径r2に大きく依存するため、半径r2が長いほどイナーシャI2の低下を抑制できる。よって、従動ローラ2を肉抜き構造とすることにより、質量mを小さく、かつ、イナーシャI2を大きくできる。条件式(1)の左辺第二項は、質量mが小さいほど、またはイナーシャI2が大きいほど小さくなる。よって、従動ローラ2を肉抜き構造とすることにより、軽量かつ安価に条件式(1)を満足する従動ローラ2が得られる。
【００１９】
また、実施形態１の摩擦伝動装置では、従動ローラ2の両側面を均等に肉抜きした。これにより、外周部40は軸方向中央部分を接続部42により支持されるため、駆動ローラ1に対して片当たりによる磨耗等を生じさせることなく条件式(1)を満足できる。
【００２０】
さらに、実施形態１の摩擦伝動装置では、圧縮ばね10の初期与圧を、両ローラ1,2間で駆動力を伝達するために必要な最低の与圧である必要初期与圧よりも大きくしてある。条件式(1)を成立させるためには、条件式(1)の左辺第一項を大きくすればよい。圧縮ばね10の初期与圧は、ばね定数Kaに比例する。条件式(1)の左辺第一項は、ばね定数Kaが大きいほど大きくなる。よって、圧縮ばね10の初期与圧を必要初期与圧よりも大きくすることにより、条件式(1)を満足する従動ローラ2が得られる。
【００２１】
〔他の実施形態〕
以上、本発明を実施するための形態を、実施形態に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は、実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
例えば、実施形態では、従動ローラ2をカム8と当接させる例を示したが、駆動ローラ1をカム8と当接させてもよい。
圧縮ばね10に代えて、初期与圧調整用のねじを設けてもよい。
本発明は、摩擦伝動変速装置以外にも適用可能であり、実施形態と同様の作用効果を奏する。
【符号の説明】
【００２２】
1  駆動ローラ（第２ローラ）
1a  駆動ローラ回転軸
2  従動ローラ（第１ローラ）
5,6  従動ローラ支持軸受け（回転支持部）
7  フレーム
8  カム（カム部材）
8a  正転カム斜面
8b  逆転カム斜面
10  圧縮ばね（初期与圧付与部材）
11,21  １速用摩擦伝動装置
12,22  ２速用摩擦伝動装置
13,23  ３速用摩擦伝動装置
【図１】
2018059579.tif 000009
【図２】
2018059579.tif 000010
【図３】
2018059579.tif 000011
【図４】
2018059579.tif 000012
【図５】
2018059579.tif 000013
【図６】
2018059579.tif 000014
【図７】
2018059579.tif 000015