(57)【要約】【課題】歯車機構における摩擦損失を低減させる制御装置を提供する。【解決手段】一対の歯車の歯同士を噛み合わせてトルクを伝達するとともに、歯面同士の接触箇所もしくはトルク伝達箇所および歯面同士の相対滑り速度が、前記歯同士の噛み合い開始から噛み合い終了に至る過程で次第に変化する歯車機構の制御装置において、前記歯同士の噛み合いの開始から終了までの間で、前記相対滑り速度と歯面にかかる荷重との積が極大となる時点における前記歯車の回転速度を一時的に低下させる減速手段を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の歯車の歯同士を噛み合わせてトルクを伝達するとともに、歯面同士の接触箇所もしくはトルク伝達箇所および歯面同士の相対滑り速度が、前記歯同士の噛み合い開始から噛み合い終了に至る過程で次第に変化する歯車機構の制御装置において、
前記歯同士の噛み合いの開始から終了までの間で、前記相対滑り速度と歯面にかかる荷重との積が極大となる時点における前記歯車の回転速度を一時的に低下させる減速手段を備えていることを特徴とする歯車機構の制御装置。
【請求項２】
前記歯同士の噛み合い開始時および前記歯同士がピッチ円上で噛み合う時ならびに前記歯同士の噛み合いが終了する時のいずれかでは、前記歯車の回転速度を一時的に増大させる増速手段を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の歯車機構の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、駆動側歯車から従動側歯車に動力を伝達する歯車機構に関し、特にその動力の伝達における摩擦損失を低減させる制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
歯車機構に入力されたトルクの回転方向や回転速度あるいは出力されるトルクを変化させる種々の歯車機構が多く開発されている。これらの歯車機構のうち、駆動側歯車から従動側歯車へ継続的もしくは連続的に動力を伝達する歯車機構、例えばインボリュート歯車は、従動側歯車へ動力を伝達する際に歯面で不可避的に滑りが生じる。したがって、その滑りに伴う摩擦損失により動力の伝達効率が低減する。そして、摩擦損失を低減させるために、種々の開発が行われている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載の発明は、内歯車と外歯車とで構成された歯車機構の寸法関係について着目したものであり、内歯車の噛み合いピッチ円直径と外歯車の噛み合いピッチ円直径との比率を２分の１以上にすることにより滑り摩擦抵抗を減少させることができる歯車機構である。また、特許文献２には、歯車機構の噛み合わせまたは解放を実行する自動車用原動機装置が記載されており、その自動車用原動機装置は、駆動側歯車の回転速度を原動機の回転速度で調節し、その駆動側歯車と従動側歯車との回転速度が同期速度で回転した時に歯車を噛み合わせまたは解放するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２９５６０４号公報
【特許文献２】特開２０００−１６８４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の発明は、歯車間の寸法を一定値に定めることにより、滑り摩擦抵抗を低減することができる。つまり、歯車の回転動作に関係なく、構造的に滑り摩擦抵抗を下げることができる。しかしながら、歯車の動力伝達の場合は、歯面同士の接触点もしくは接触位置が連続的に変化し、その変化に応じて摩擦損失も連続的に変化する。そのため、歯車の動作に応じて摩擦損失を低減させる点において、未だ改善の余地がある。
【０００６】
この発明は上述の技術的課題に着目してなされたものであり、歯の噛み合い開始から噛み合い終了までにおける歯面同士の接触点もしくは接触位置で生じる相対滑り速度を抑制して、摩擦損失を低減させることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、一対の歯車の歯同士を噛み合わせてトルクを伝達するとともに、歯面同士の接触箇所もしくはトルク伝達箇所および歯面同士の相対滑り速度が、前記歯同士の噛み合い開始から噛み合い終了に到る過程で次第に変化する歯車機構の制御装置において、前記歯同士の噛み合いの開始から終了までの間で、前記相対滑り速度と歯面にかかる荷重との積が極大となる時点における前記歯車の回転速度を一時的に低下させる減速手段を備えていることを特徴とする歯車機構の制御装置である。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記歯同士の噛み合い開始時および前記歯同士がピッチ円上で噛み合う時ならびに前記歯同士の噛み合いが終了する時のいずれかでは、前記歯車の回転速度を一時的に増大させる増速手段を更に備えていることを特徴とする歯車機構の制御装置である。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明によれば、歯の噛み合い開始から噛み合い終了までの間で、相対滑り速度と歯面にかかる荷重との積が極大となる噛み合い位置においては、歯車の回転速度を一時的に減速するので、歯車の回転速度が減速された噛み合い位置での相対滑り速度が減速される。したがって、相対滑り速度と歯面にかかる荷重との積の積分値に比例する摩擦損失を低減することができる。
【００１０】
また、請求項２の発明によれば、請求項１の効果に加え、歯の噛み合い位置が噛み合い開始位置およびピッチ点ならびに噛み合い終了位置のいずれかでは、歯車の回転速度を一時的に増速するので、要求される歯車の平均回転速度すなわち歯車の噛み合い開始から噛み合い終了までの平均回転速度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の一例である制御を行った場合の歯の噛み合い位置に対する「歯面にかかる荷重と相対滑り速度との積」の変化を示す図である。
【図２】この発明に係わる歯車の歯の噛み合い位置の変化を示す図である。
【図３】歯の噛み合い位置に対する歯面にかかる荷重の変化を示す図である。
【図４】歯の噛み合い位置に対する相対滑り速度の変化を示す図である。
【図５】歯の噛み合い位置に対する「歯面にかかる荷重と相対滑り速度との積」の変化を示す図である。
【図６】この発明の構成の一例を説明するための自動車の動力伝達機構を概略的に示した図である。
【図７】この発明の一例である制御を行った場合の歯の噛み合い位置に対する歯車の入力回転速度の変化を示す図である。
【図８】この発明の一例である制御を行った場合の歯の噛み合い位置に対する相対滑り速度の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下にこの発明の実施の一例を説明する。まず、この発明で対象とする歯車機構では、駆動側歯車と従動側歯車との歯面上の互いに接触する点もしくは実質上のトルクを伝達する点が連続的に変化する歯車である。以下、互いに接触する点もしくは実質上のトルクを伝達する点を接触点と記載する。つまり、歯の噛み合い開始から噛み合い終了まで、歯面上の接触点が連続的に変化しながら動力を伝達する歯車である。例えば、歯車の母線（歯の外形線）がインボリュート曲線の歯車である。なお、図２はインボリュート歯車１，２の噛み合いの変化を示したものである。すなわち、この図２における（ａ）は、歯車１，２の噛み合い開始の状態、（ｃ）は噛み合い位置がピッチ点Ｐの状態、（ｆ）は噛み合い終了の状態を示す。なお、図２における（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）は、それぞれの中間の状態を示したものであり、Ａ点およびＢ点は、噛み合い開始および噛み合い終了の時の接触点である。また、図２における上側の歯車が駆動側歯車１、下側が従動側歯車２である。このような歯車１，２は、歯１ａ，２ａの噛み合い開始から噛み合い終了まで歯面１ｂ，２ｂ上の接触点が連続的に変化するので、その歯面１ｂ，２ｂ上の接触点の位置に応じて歯面１ｂ，２ｂにかかる荷重も連続的に変化する。つまり、歯１ａ，２ａの噛み合い位置が噛み合い開始からピッチ点Ｐとなるまで、歯面１ｂ，２ｂにかかる荷重は増加し、さらに歯車１，２が回転すると歯面１ｂ，２ｂにかかる荷重は減少する。すなわち、その歯面１ｂ，２ｂにかかる荷重の変化は図３に示すように、歯１ａ，２ａの噛み合い開始と噛み合い終了では０（ゼロ）であり、噛み合いがピッチ点Ｐの場合に最大となる曲線で表される。
【００１３】
また、このような歯車では、動力を伝達する際に、歯面上の接触点で相対的な滑りが生じる。そして、その相対的な滑りの速度（以下、相対滑り速度と示す）は、図４に示すように、歯の噛み合い位置が噛み合い開始からピッチ点となるまで比例的に減少し、さらに歯車が回転すると比例的に増加する。この相対滑り速度は、
ｅＶ（１／ｒ１＋１／ｒ２）
で表すことができる。ここで、ｅはピッチ点と接触点との距離、Ｖは歯車の回転速度、ｒ１は駆動側歯車のピッチ円半径、ｒ２は従動側のピッチ円半径である。
【００１４】
つまり、相対滑り速度は、ピッチ点と接触点との距離に比例し、また、歯車の回転速度に比例する。したがって、歯の噛み合い位置がピッチ点の場合は、相対滑り速度が０（ゼロ）となり、噛み合い開始と噛み合い終了の場合に相対滑り速度は最大となる。
【００１５】
そして、歯車の摩擦損失は、上述した「歯面にかかる荷重と相対滑り速度との積」の積分値に比例する。すなわち、歯の噛み合い開始から噛み合い終了までの「歯面にかかる荷重と相対滑り速度との積」を累積した値に比例する。したがって、歯の噛み合い位置に対する「歯面にかかる荷重と相対滑り速度との積」は、図５に示すように噛み合い位置が噛み合い開始とピッチ点と噛み合い終了とで０（ゼロ）となり、噛み合い位置が噛み合い開始とピッチ点との中央付近、ピッチ点と噛み合い終了の中央付近で最大となる二つの曲線で表すことができる。そして、摩擦損失は、この二つの曲線の面積に比例することとなる。そのため、歯面にかかる荷重もしくは相対滑り速度を低下させることにより、摩擦損失を低減することができる。
【００１６】
ここで、自動車の動力伝達機構を例に挙げて、この発明を具体的に説明する。図６は、自動車の動力伝達機構を概略的に示したものである。まず、内燃機関や電動機などの図示しない動力源の出力軸に無段変速機３が連結されている。この無段変速機３は、トロイダル式やベルト式の無段変速機があるが、ここでは、ベルト式の無段変速機を例にあげて説明する。ベルト式の無段変速機３は、入力側プーリ４と出力側プーリ５とその二つのプーリ４，５に巻き掛けられ動力を伝達するベルト６とで構成されている。さらに、入力側プーリ４と出力側プーリ５とのいずれも、固定プーリ片と油圧ポンプの圧力もしくは流量により回転軸方向にスライドする可動プーリ片とで構成されている。また、いずれか一方のプーリにおける可動プーリ片をコンピュータ制御により油圧ポンプの圧力もしくは流量を変化させて、可動プーリ片をスライドさせる。その結果、固定プーリ片と可動プーリ片との幅を変化して、ベルト６の巻き掛け半径が変化する。したがって、各プーリ４，５のいずれか一方もしくは両方の巻き掛け半径を変化させて、無段変速機３としての変速比を制御している。そして、この無段変速機３の出力軸には、リダクションギア７が連結され、そのリダクションギア７の出力軸には、ファイナルギア８が連結されている。このリダクションギア７やファイナルギア８は、いずれもインボリュート歯車であり、この発明の歯車機構に相当し、動力伝達の際に摩擦損失が生じ、伝達効率が低下する。さらに、ファイナルギア８には、デファレンシャルギア（差動歯車装置）９を介して、各車軸１０に連結されている。
【００１７】
つぎに、上述した歯車機構の摩擦損失を低減させる制御方法の一例を説明する。この歯車機構は、上述したように、動力伝達の際の歯面の相対滑りにより摩擦損失が生じる。歯面で発生する相対滑りは歯車の回転速度に起因するので、歯車の回転速度を低下させることにより、相対滑りを低下させて、延いては摩擦損失を低減することができる。したがって、この動力伝達機構は、歯車機構の入力側に無段変速機３が搭載されているので、この無段変速機３の出力回転速度を減速することで摩擦損失の低減が実現できる。しかしながら、単に歯車の回転速度を減速すると、要求される出力回転速度を維持できないので、この発明にかかる制御装置は、歯の噛み合い位置に応じて無段変速機３の出力回転速度を変化させるものである。例えば、摩擦損失を低減させる対象となる歯車に角度センサーを設け、その角度センサーの出力に基づいて、無段変速機３の入力側プーリ４もしくは出力側プーリ５のいずれか一方の可動プーリ片をスライドさせる油圧ポンプの圧力もしくは流量を制御して、無段変速機３の出力回転速度を変速させる。なお、以下に述べる制御は、リダクションギア７およびファイナルギア８のいずれに対しても同様の制御が適応できるので、以下では、リダクションギア７およびファイナルギア８の区別を付けずに「歯車」と記載する。
【００１８】
まず、摩擦損失は上述したように「歯面にかかる荷重と相対滑り速度の積」の積分値により表される。つまり、歯面にかかる荷重が０（ゼロ）となる噛み合い位置すなわち噛み合い開始位置と噛み合い終了位置においては、相対滑り速度が増速すなわち歯車の回転速度が増速しても摩擦損失には何ら影響を及ぼさない。さらに、噛み合い位置がピッチ点の場合は、上述したように相対滑りが生じないので、歯車の回転速度を増速しても摩擦損失には影響を及ぼさない。したがって、摩擦損失が増加する噛み合い位置に対して、特に「歯面にかかる荷重と相対滑り速度の積」が最大となる噛み合い位置に対しては、歯車の回転速度が減速するように無段変速機３で歯車の回転速度を制御し、摩擦損失に影響を及ぼさない噛み合い位置すなわち噛み合い位置が噛み合い開始、ピッチ点、噛み合い終了の場合は、歯車の回転速度を増速するように無段変速機３で制御する。つまり、歯の噛み合い位置に応じて無段変速機３の出力回転速度を変速制御する。なお、歯の噛み合い位置に対する無段変速機３の変速制御を図７に示す。また、図８に歯の噛み合い位置に対する相対滑り速度を示す。なお、図における破線が、制御を行った場合を示し、実線は制御を行っていない場合を示している。
【００１９】
そして、この無段変速機３の変速制御は、歯の噛み合い位置を基準とし、ごく短時間で無段変速機３の出力回転速度を変化させているので、車両の速度、エンジン回転数はほとんど変化をしない。つまり、無段変速機３の出力回転速度の変速制御は、例えば上述したベルト式の無段変速機３であれば、入力側プーリ４もしくは出力側プーリ５のいずれか一方の可動プーリ片における油圧ポンプの圧力もしくは流量をごく短時間に変化をさせるので、無段変速機３ないし歯車機構の部品のガタやねじれなどが変化をする程度の変速となる。そのため、車両の速度、エンジン回転数はほとんど変化をせず、歯車の回転速度だけが変化する。
【００２０】
したがって、歯車機構に入力される回転速度の変速に応じて、「歯面にかかる荷重と相対滑り速度の積」が変化する。そのため、「歯面にかかる荷重と相対滑り速度の積」が最大となる噛み合い位置では、「歯面にかかる荷重と相対滑り速度の積」が低下し、噛み合い位置がピッチ点付近の場合は、微少に「歯面にかかる荷重と相対滑り速度の積」が増加する。この無段変速機３の変速制御を行った場合の噛み合い位置に対する「歯面にかかる荷重と相対滑り速度の積」を図１に示す。なお、図１における破線が制御を行った場合、実線が制御を行っていない場合を示したものである。また、歯の噛み合い開始から噛み合い終了までにおける、「歯面にかかる荷重と相対滑り速度の積」が増加する割合は、「歯面にかかる荷重と相対滑り速度の積」が低下する割合に対して少ないので、「歯面にかかる荷重と相対滑り速度の積」の積分値は、この無段変速機３の変速制御をすることにより減少する。したがって、摩擦損失は低減され、歯車機構としての動力伝達効率が向上する。つまり、自動車の場合は、燃費の向上を図ることができる。
【００２１】
なお、上述した無段変速機３の変速制御は、動力の伝達荷重や歯車の回転速度あるいは歯車の潤滑油の温度などの条件により、リダクションギア７およびファイナルギア８のいずれかを選択的に対象とすることができる。また、これらの条件により効果が少ないと判断される場合は、リダクションギア７およびファイナルギア８のいずれに対しても制御を休止することができる。そして、これらの条件は、ＥＣＵ（電子制御装置）に予め定め、その条件に基づいて制御を行うことができる。また、上述した構成は、コンピュータの制御により無段変速機３の出力回転速度を変化させるものであるが、例えば摩擦損失が大きくなる歯の噛み合い位置に合わせて、無段変速機３のプーリの幅が変化するようにプーリの可動部にカムなどの機構を設けて実施してもよい。
【００２２】
さらに、この発明は、要するに歯車機構の摩擦損失を低減させるために、歯車の回転速度を制御するものであるから、上述した構成例に限定されるものではない。上述した構成例は、無段変速機３の変速により歯車の回転速度を制御するものであったが、例えば、動力源をモータとした場合に、そのモータの出力回転速度を制御して行うこともできる。
【００２３】
ここで上述した一例とこの発明との関係を簡単に説明すると、「歯面にかかる荷重と相対滑り速度の積」が最大となる歯の噛み合い位置に対して歯車の回転速度を減速させる機能的手段が、この発明における減速手段に相当し、また歯の噛み合い位置が噛み合い開始、ピッチ点、噛み合い終了の場合に歯車の回転速度を増加させる機能的手段が、この発明における増速手段に相当する。
【符号の説明】
【００２４】
１…駆動側歯車、  ２…従動側歯車、  １ａ，２ａ…歯、  １ｂ，２ｂ…歯面、  ３…無段変速機、  ４…入力側プーリ、  ５…出力側プーリ、  ６…ベルト、  ７…リダクションギア、  ８…ファイナルギア、  ９…デファレンシャルギア、  １０…車軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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