(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力軸要素と、出力軸要素と、これらにそれぞれ接触し、接触部分の摩擦により前記入力軸要素から前記出力軸要素へと動力伝達を行う伝達要素と、を有する摩擦伝動装置において、
前記入力軸要素の回転速度を検出する手段と、
前記出力軸要素の回転速度を検出する手段と、
前記入力軸要素および前記出力軸要素のそれぞれと前記伝達要素との接触点の半径を求める手段と、
前記検出された入力軸要素および出力軸要素の回転速度と、前記求められた伝達要素の接触点の半径とに基づき、その時点の動作点まわりの駆動力の伝達特性を求める特性算出手段と、
前記駆動力の伝達特性に基づき、当該摩擦伝動装置の駆動力伝達系の安定性を判定し、この判定に基づき、前記入力軸および出力軸要素と伝達要素間に過大なすべりが発生していることを判定する、すべり判定手段と、
を有し、
前記特性算出手段は、互いに接している前記要素同士のすべり速度に対する伝達駆動力の勾配を求めるものであり、
前記すべり判定手段は、前記伝達駆動力の勾配に基づき判定を行うものである、
摩擦伝動装置のすべり検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の摩擦伝動装置のすべり検出装置において、前記摩擦伝動装置は、その伝達要素がベルトであり、これと入出力要素の接触半径を連続的に変更することにより変速を行う連続可変比変速機である、摩擦伝動装置のすべり検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載の摩擦伝動装置のすべり検出装置において、前記摩擦伝動装置は、その伝達要素がローラである、これと入出力要素の接触点の半径を連続的に変更することにより変速を行う連続可変比変速機である、摩擦伝動装置のすべり検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力軸要素と出力軸要素と、これらのそれぞれに接触する伝達要素とを含み、接触部分の摩擦により入力軸から出力軸へと動力伝達を行う摩擦伝動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
互いに接触する部材間の摩擦により動力を伝達する伝動装置が知られている。このような、部材間の摩擦力により動力伝達を行う場合、部材間のすべりが適正に制御される必要がある。すべりが大きいと、摩擦による発熱、摩耗などの問題が発生し、装置の耐久性などに悪影響を及ぼす場合がある。部材間のすべりを検出する技術として、入出力の回転速度比およびトルク比に基づくものが特開平３−１２９１５８号公報に記載されている。また、すべりが生じる際に発生する特有の音に基づきすべり検出を行う技術が特開平９−２６９０５３号公報に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の技術においては、入出力軸のトルクまたは異音を検出するために、トルクセンサや、音波センサなどの新たな装置を設ける必要があり、コストが上昇するという問題があった。また、外気温度などの環境の変化や、経年変化などにより部材間の摩擦係数が変化し、正確なすべり発生の判定を行うことができない場合があるという問題があった。
【０００４】
本発明は、前述の問題点を解決するためになされたものであり、低コストで、かつ正確な、すべり検出を行うことを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明にかかる摩擦伝動装置のすべり検出装置は、接する部材間のすべり速度に対する伝達駆動力の特性に基づき、すべりの判定を行う。前記伝達駆動力の特性は、すべり速度が小さい範囲では、これに比例し、すべり速度がある程度大きくなるとすべり速度の増加に対する伝達駆動力の増加は小さくなり、さらには飽和するというものである。したがって、摩擦伝動装置は、伝達駆動力がすべり速度にほぼ比例する範囲で運転されることが望ましい。すなわち、すべり速度の増加に対して伝達駆動力が増加しない、または増加が少ない範囲では、すべりによる摩擦のみ大きくなり、耐久性を落とす結果となる。
【０００６】
本発明のすべり検出装置は、当該摩擦伝動装置の、そのときの動作点まわりの駆動力伝達系の特性を求め、この特性に基づき安定性を判定している。系が不安定と考えられる場合、伝達駆動力が限界に達してすべりが大きくなったと判断することができる。
【０００７】
前記駆動力伝達系の特性は、互いに接している要素同士のすべり速度に対する伝達駆動力の勾配として求められる。この勾配に基づき、系の安定性、そして過渡なすべりの検出を行うことができる。
【０００８】
また、本発明のすべり検出装置は、入力軸要素と、出力軸要素と、これらにそれぞれ接触し、接触部分の摩擦により前記入力軸要素から前記出力軸要素へと動力伝達を行う伝達要素と、を有する摩擦伝動装置のすべり検出に適用することができる。入力軸要素と出力軸要素の回転速度を検出し、これから伝達要素が入出力軸要素のそれぞれと接している接触半径を算出する。入出力軸要素の回転速度と接触半径とを逐次算出し、現時点の動作点における、伝達摩擦力の勾配を算出することができる。
【０００９】
このすべり検出装置は、入出力軸に回転速度のセンサを設け、このセンサ出力に基づき演算ですべりを検出することができる。すなわち、トルクセンサなどを用いる必要がなく、コストを低減することができる。また、従前より入出力軸の回転速度センサが設けられている装置に適用する場合は、センサによるコスト上昇がない。
【００１０】
また、この装置においては、その時点で検出された入出力軸の回転速度に基づき、伝達駆動力の勾配の算出を行っているので、経年変化などにより条件が変化した場合であっても、まさにその時点の勾配に基づきすべりを検出することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。摩擦力によって駆動力を伝達する装置として、例えば、ベルトとプーリを組み合わせた連続可変比変速機（以下、ＣＶＴと記す）、ローラとディスクを組み合わせたＣＶＴなどが知られてる。
【００１２】
図１は、ベルト式ＣＶＴの一例を示す概略構成図である。ＣＶＴ１０の入力軸１２および出力軸１４には、軸と共に回転する入力プーリ１６および出力プーリ１８が設けられている。入力プーリ１６は、入力固定シーブ２０と入力可動シーブ２２を含み、これらシーブ２０，２２は、向かい合う面が入力軸１２の中心軸線を軸とする円錐面の一部である略円錐台形状を有している。固定シーブ２０は、入力軸１２に対し、回転方向のみならず軸方向にも固定されている。可動シーブ２２は、入力軸１２に対して回転方向には規制され、軸方向に移動を許容されている。可動シーブ２２の背後、すなわち軸方向において固定シーブ２０と反対側に、流体圧シリンダ２４が配置されている。そして、可動シーブ２２自体がピストンとして機能し、流体圧シリンダ２４と共にアクチュエータを形成する。流体圧シリンダ２４およびピストンとしての可動シーブ２２により形成される流体圧室２６に、作動流体が流体圧ライン（不図示）より供給され、また流体圧室２６より排出されることにより、可動シーブ２２は、入力軸１２に沿って移動する。
【００１３】
出力プーリ１８に関しても、入力プーリ１６とほぼ同様の構成を採る。すなわち、出力プーリ１８は、回転方向、軸方向に動きを規制された出力固定シーブ２８、その動きが回転方向には規制され、軸方向には許容される出力可動シーブ３０を含んでいる。可動シーブ３０の背後には、流体圧シリンダ３２が配置され、これとピストンとしての可動シーブ３０により流体圧室３４を含むアクチュエータが構成される。このアクチュエータにより可動シーブ３０の移動が制御される。
【００１４】
入力プーリの二つのシーブ２０，２２、出力プーリの二つのシーブ２８，３０はそれぞれ、二つのシーブの向き合う面によりベルト３６を挟持し、プーリ１６，１８はベルト３６と係合する。
【００１５】
ベルト３６は、図示される形状を有する薄板のプレート３８を多数配列し、これらを無端で可撓性のある２本のフープ４０で、たがをかけたようにして形成されている。このベルト３６が、入出力プーリ１６，１８に掛け渡され、プレート３８の側面がシーブと係合している。ベルト３６の幅、すなわちプレート３８の側面の幅は一定であるので、対をなすシーブの間隔が決定すれば、ベルト３６のプーリ１６，１８に対する巻き掛かり位置、すなわち巻き掛かり半径Ｒin，Ｒoutが定まる。入出力の巻き掛かり半径比によって、変速比が決定される。さらに可動シーブ２２，３０を移動させることにより巻き掛かり半径を変更することができ、これによって変速比の変更が可能となる。具体的には、入力プーリ１６に対する巻き掛かり半径Ｒinを大きくしようとする場合には、流体圧室２６内に作動流体を供給し、可動シーブ２２を進出させる方向にアクチュエータを作用させる。この押圧力により、プーリ１６およびベルト３６の回転に伴って、ベルト３６は押し出されるようにして巻き掛かり半径Ｒinが増加する。巻き掛かり半径Ｒinを小さくする場合は、可動シーブ２２が逆に動き、ベルト３６は、シーブ間の谷間に落ち込むように移動して巻き掛かり半径Ｒinが縮小する。出力プーリ１８側もほぼ同様にして巻き掛かり半径Ｒoutの変更が行われるが、入出力プーリ１６，１８において、シーブの動きは反対向きである。すなわち、一方の軸において、シーブの間隔を狭め、巻き掛かり半径を増加させようとしているときは、他方の軸においては、シーブの間隔を拡げ、巻き掛かり半径を増加するように同期して制御される。
【００１６】
図２は、ローラとディスクを組み合わせたＣＶＴの一例であるトロイダル式ＣＶＴ５０の要部構成を示す図である。入力ディスク５２と出力ディスク５４が、その回転軸線が同一となるように配置されている。これらのディスク５２，５４の間には、それぞれのディスクに接するようにローラ５６が配置されている。ローラ５６の回転軸は、前記ディスクの回転軸線を含む平面内で傾動可能となっている。また、入力および出力ディスク５２，５４のそれぞれは、ローラ５６が接するトロイダル面５８，６０を有している。これらのトロイダル面５８，６０は、ローラ５６の回転軸が前述のように傾いた場合でもローラ５６との接触が保たれるように、ディスク回転軸線を含む断面の形状が円弧となっている。
【００１７】
入力ディスク５２の回転がローラ５６を回転させ、されにこれが出力ディスク５４を回転させる。このようにして入力ディスク５２から出力ディスク５４への動力伝達が行われる。また、ローラ５６が傾動することによって、入力および出力ディスク５２，５４とローラ５６の接触点のディスク回転軸線からの距離、すなわち接触点半径が変化する。この変化によって入力ディスク５２と出力ディスク５４の回転速度比、つまり変速比を変化することができる。特に、ローラ５６の傾動角度は連続的に変化することができるので、変速比も連続的な値をとることが可能となる。
【００１８】
図３は、出力軸要素と伝達要素の間のすべりと伝達される駆動力の関係、伝達駆動力特性を示す図である。示するように、すべりが小さいときには、すべりが増加するにつれて伝達駆動力も増加するが、ある点からすべりの増加に対する伝達駆動力の増加が小さくなり、更には飽和するという特性がある。この特性を図４のように簡略化し、ある時点での動作点まわりで直線近似し、動作点での接線を得ることができる。図において、曲線Ｃにて伝達駆動力特性が示されている。出力軸要素は、前述の例では、出力プーリ１８や出力ディスク５４に相当し、伝達要素はベルト３８やローラ５６に相当する。入力プーリ１６や入力ディスク５２に相当する入力軸要素と、伝達要素の間のすべりと伝達駆動力の関係も図４の特性とほぼ同様となる。すべり速度Δωjのまわりで直線近似された伝達駆動力Ｆjの特性は、図中直線Ｌおよび次式にて表される。
【００１９】
【数１】
Ｆj＝ｋj・Δωj＋Ｙj  ・・・（１）
【００２０】
ここで、ｋj、Ｙjは、直線近似された伝達駆動力の傾きおよび切片を表す。添え字ｊは、入力軸側と出力軸側との区別をするものであって、j=1 が入力軸側を示す添え字、j=2 が出力軸側を示すものである。
【００２１】
式（１）を用いて、入力軸要素、出力軸要素および伝達要素のそれぞれの運動方程式をたてると次のようになる。まず、ベルト式ＣＶＴの場合、より一般的にいえば、伝達要素が直線運動を行うものの場合を式（２）〜（４）に示す。ただし、この式において、伝達要素（ベルト）がプーリに巻き付いている範囲において回転運動となるが、ここではそのときの慣性項は、省略する。また、トロイダル式ＣＶＴ、より一般的にいえば、伝達要素が回転運動を行うものの場合を式（５）〜（７）に記す。
【００２２】
【数２】
0004677689.tif 000002
【００２３】
式（２）（３）および式（５）（６）を次の用に変形する。
【００２４】
【数３】
0004677689.tif 000003
【００２５】
式（８）〜（１１）において、右辺第１項の係数ｋ1・Ｒ1／Ｊ1，ｋ2・Ｒ2／Ｊ2が入力軸要素、出力軸要素の安定性を決定する。係数が正であれば系は安定であり、係数が負であれば系は不安定、すなわち過大なすべり状態となる。Ｒ1／Ｊ1，Ｒ2／Ｊ2は必ず正であるので、伝達駆動力の勾配ｋ1，ｋ2の符号が系の安定性を決定する。したがって、下記により系の安定性を調べることができる。
【００２６】
【数４】
系が安定    ：  ｋ1≧０  かつ    ｋ2≧０    ・・・（１２）
系が不安定  ：  ｋ1＜０  または  ｋ2＜０    ・・・（１３）
【００２７】
以上から、伝達駆動力の勾配ｋ1，ｋ2を検出すれば、伝達要素の過大なすべりを検出することができる。そして、摩擦伝動装置を過大なすべりが発生しないように運転することにより、摩擦による発熱、摩耗などを防止することができる。
【００２８】
図５は、前記したすべり判定を行うすべり検出装置の構成ブロック図である。入力軸要素と出力軸要素のそれぞれの回転速度を検出回路１００，１０２にて検出する。検出された入出力軸要素の回転速度に基づき、入出力軸要素のそれぞれと伝達要素の接触点の、入出力軸軸線からの半径（以下、接触半径と記す）を算出回路１０４にて算出する。接触半径は、前述のベルト式ＣＶＴにおいては、巻き掛かり半径に相当する。また、前述のトロイダル式ＣＶＴの場合は、ディスク５２，５４とローラ５６の接点の、入出力軸軸線からの距離に相当する。検出された入出力軸の回転速度と、算出された伝達要素の接触半径とから、その時点における動作点まわりの伝達駆動力特性を算出回路１０６により算出する。この算出された特性に基づき、系の安定性を判定し、これにより過大なすべりが生じしているかを判定回路１０８で判定する。
【００２９】
伝達特性の算出回路１０６は、現時点の動作点まわりにおいて線形化された特性を算出し、その勾配を算出する回路として構成することができる。そして、判定回路１０８この勾配に基づき系の安定性の判断、すなわち過大なすべりが生じているかの判断を行うことができる。
【００３０】
次に、伝達特性算出回路１０６における特性の算出、すなわち動作点まわりにおいて線形化された特性の勾配の算出について説明する。伝達要素が直線運動を行うもの（例えば前述のベルト式ＣＶＴ）の場合について説明し、伝達要素が回転運動を行うものについては、結果のみを後述する。
【００３１】
入出力軸の回転速度はコンピュータなどにより一定周期τでサンプリングされるものとし、この周期τを用いて、式（２）〜（４）を次式のように書き換える。
【００３２】
【数５】
0004677689.tif 000004
【００３３】
ｉは、現時点のサンプリング刻みを表す。式（１４）を変形し、次の式を得る。
【００３４】
【数６】
0004677689.tif 000005
【００３５】
さらに、式（１７）に基づき、現時点の伝達要素の速度ω0[i]を次式のように表す。
【００３６】
【数７】
0004677689.tif 000006
【００３７】
サンプリング周期τは、十分に短くＴｂ1[i-1]≒Ｔｂ1[i]＝Ｔｂ1が成り立ち、また上述したように、線形性が成り立つ範囲では、ｋ1[i-1]≒ｋ1[i]＝ｋ1，Ｙ1[i-1]≒Ｙ1[i]＝Ｙ1となる。また、速度比の変化が小さい場合、Ｒ1[i-1]≒Ｒ1[i]＝Ｒ1が成り立つ。その結果、式（１６）左辺のω0[i]−ω0[i-1]は、次式のように表される。
【００３８】
【数８】
0004677689.tif 000007
【００３９】
同様に、式（１２）に基づき次式が得られる。
【００４０】
【数９】
0004677689.tif 000008
【００４１】
一方、式（１），（２）を次式のように変形する。
【００４２】
【数１０】
0004677689.tif 000009
【００４３】
式（１９），（２１），（２２）を式（１６）に代入し、変形すると次式が得られる。
【００４４】
【数１１】
0004677689.tif 000010
【００４５】
式（２３）では、現時点から１サンプリング後の入出力軸回転速度が必要となるため、次式のように書き換える。
【００４６】
【数１２】
0004677689.tif 000011
【００４７】
同様に、式（２０）〜（２２）を式（１６）に代入して変形し、現時点のサンプリングを考慮して次式を得る。
【００４８】
【数１３】
0004677689.tif 000012
【００４９】
式（２５），（２８）を次のように表す。
【００５０】
【数１４】
0004677689.tif 000013
【００５１】
式（３１），（３５）の演算では、接触半径Ｒ1，Ｒ2が必要である。これらは入出力軸の速度比ｅとの関係をあらかじめ求めておき、この関係に基づき、そのときの速度比から求めるようにする。図６に、ベルト式ＣＶＴの速度比と接触半径Ｒ1，Ｒ2（プーリ掛かり径）の関係を示す。このような関係をあらかじめ求めておき、検出された入出力軸の速度を用いて、接触半径Ｒ1，Ｒ2を求めることができる。
【００５２】
式（２８）〜（３１）に基づき、その時点における駆動力の伝達特性を求める。具体的には、最小二乗法などによりθ1を推定して求める。例えば、固定トレース法を用いた場合、次式を用いて推定される。
【００５３】
【数１５】
0004677689.tif 000014
【００５４】
θ2は式（３６）〜（３８）と同様に推定される。以上の結果、伝達駆動力の勾配ｋ1，ｋ2を算出できる。
【００５５】
伝達要素が回転運動を行うものである場合、前述の場合と同様に伝達特性を求めることができ、式（２８）〜（３５）に対応する次式を得る。
【００５６】
【数１６】
0004677689.tif 000015
【００５７】
系が不安定となる場合、すなわち前述のようにｋ1・ｋ2＜０となる場合に、伝達される駆動力が飽和し、過大なすべり状態になると判定できる。ここでは、実質的に０を判定するために必要なしきい値ｔｈｒを設け、過大なすべりの判定を行う。すなわち、次式を満たしたときに伝達力が飽和し、過大なすべり状態にあると判定する。
【００５８】
【数１７】
ｋ1・ｋ2≦ｔｈｒ  ・・・（４７）
【００５９】
図７は、ベルト式ＣＶＴの出力プーリ油圧を徐々に下げていき、過大なベルトのすべりを検出した結果である。本図は、入力トルクをプーリ掛かり径およびプーリ推力で割った平均摩擦係数μを同時に表している。平均摩擦係数がピーク付近でｋ1・ｋ2に変化が現れ、さらに、これがしきい値以下となった時点で、ベルトの過大なすべりが検出できている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ベルト式ＣＶＴの概略構成図である。
【図２】  トロイダルＣＶＴの概略構成図である。
【図３】  現実の装置における、すべりと伝達される駆動力の関係を示す図である。
【図４】  すべり速度と伝達される駆動力の関係を理想化した図である。
【図５】  本実施形態の構成ブロック図である。
【図６】  速度比と接触半径の関係を示す図である。
【図７】  ベルト式ＣＶＴのすべり検出の結果を示す図である。
【符号の説明】
１０  ベルト式ＣＶＴ、１６  入力プーリ（入力軸要素）、１８  出力プーリ（出力軸要素）、３６  ベルト（伝達要素）、５０  トロイダル式ＣＶＴ、５２入力ディスク（入力軸要素）、５４  出力ディスク（出力軸要素）、５６  ローラ（伝達要素）、１００  入力軸回転速度検出回路、１０２  出力軸回転速度検出回路、１０４  伝達要素接触半径算出回路、１０６  伝達特性算出回路、１０８  すべり状態判定回路。
【図１】
0004677689.tif 000016
【図２】
0004677689.tif 000017
【図３】
0004677689.tif 000018
【図４】
0004677689.tif 000019
【図５】
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【図６】
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【図７】
0004677689.tif 000022