(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輌用マルチレンジ流体機械変速機であって、
オペレータ速度コマンドを受け取る変速制御器と、主駆動機へ駆動接続するための第１の機械的入力と等方向の静流体出力とを有する静流体動力ユニットであり、前記変速制御器により制御するように駆動接続されて第１機械的入力の速度と静流体出力の速度との間の少なくとも１：０乃至１：１の連続的レンジに亘る無段可変変速比を与える静流体動力ユニットと、
前記主駆動機へ駆動接続するための第２の機械的入力と車輌の駆動ホイールへ接続するための変速機出力とを有する機械的動力ユニットであって、第１と第２の相互接続された遊星ギアセットからなる組合せギア機構であり、その第１と第２の相互接続された遊星ギアセットが、静流体出力へ接続された第１のギア要素と、第１のギア比で第２の機械的入力へ接続可能な第２のギア要素と、第２のギア比で第２の機械的入力へ接続可能な第３のギア要素と、変速機出力として接続された第４のギア要素とを有する組合せギア機構と、第１と第２と第３と第４との前進レンジの各々の範囲内の変速機出力における無段可変出力速度を導くように、第１と第２の遊星ギアセットの選択されたギア要素を停止又はクラッチさせるか、或いは停止且つクラッチさせるためのオペレータ入力速度コマンドに応答して変速制御器により起動されたレンジシフト手段とを含む機械的動力ユニットとを備える変速機。
【請求項２】
請求項１に記載の変速機において、前記レンジシフト手段が、第１のブレーキを含み、このブレーキは、前記変速機により起動されて前記組合せギア機構の第２のギア要素を係留させることにより、変速制御器により設定される静流体動力ユニットの変速比を１：０にしながら変速ニュートラル状態を確立して、変速機出力に１：０以外の変速比における静流体出力の無段可変速度に直接関係する第１の前進レンジの無段可変出力速度を導く変速機。
【請求項３】
請求項２に記載の変速機において、前記レンジシフト手段が、第１のクラッチを更に含み、このクラッチは、前記制御器により起動されて前記組合せギア機構の第３のギア要素を第２のギア比で第２の機械的入力へ接続させることにより、前記静流体出力の無段可変速度に対して逆転関係で第２の前進レンジにおける変速機出力で無段可変出力速度を導く変速機。
【請求項４】
請求項３に記載の変速機において、前記レンジシフト手段が、第２のブレーキを含み、このブレーキは、前記制御器により起動されて前記組合せギア機構の第３のギア要素を係留させることにより、１：０以外の変速比にて静流体出力の無段可変速度に直接関係する後進レンジにおける変速機出力で無段可変出力速度を導く変速機。
【請求項５】
請求項４に記載の変速機において、前記レンジシフト手段が、第２のクラッチを更に含み、このクラッチは、前記制御器により起動されて前記組合せギア機構の第２のギア要素を第１のギア比で第２の機械的入力へ接続させることにより、前記静流体出力の無段可変速度に直接に関係して第３の前進レンジにおける変速機出力において無段可変出力速度を導く変速機。
【請求項６】
請求項５に記載の変速機において、第１と第２のギア比と第１乃至第４のギア要素のギア比とが、調整された値を有し、この調整値は、前記制御器に前記主駆動機の入力速度および前記静流体動力ユニットの変速比に対して時間を合わせた関係で前記制御器が第１のブレーキと第１および第２のクラッチを係合および係合解除させることを可能にすることにより、第１と第２の前進レンジの間と第２と第３の前進レンジの間の同期シフトを達成させる変速機。
【請求項７】
請求項５に記載の変速機において、第１のギア要素が第１の太陽ギアであり、第２のギア要素が第２の太陽ギアであり、第３のギア要素がリングギアであり、第４のギア要素が第１と第２の相互接続遊星ギアセットのためのキャリアであり、第１と第２の遊星ギアセットはRavigneau配置に接続されている変速機。
【請求項８】
請求項５に記載の変速機において、前記レンジシフト手段が、第３のクラッチを更に含み、このクラッチは、前記制御器により起動されて第３のギア要素を第１のギア比で第２の機械的入力へ接続させることにより、前記静流体入力の無段可変速度に対して逆転関係で第４の前進変速レンジにおける変速機出力において無段可変出力速度を導く変速機。
【請求項９】
請求項５に記載の変速機において、第１のギア要素が、相互接続された太陽ギアを含み、第２のギア要素がリングギアであり、第３のギア要素がキャリアであり、第４のギア要素が相互接続されたリングギアとキャリアとを含み、第１と第２の遊星ギアセットはSimpson配置に接続されている変速機。
【請求項１０】
請求項５に記載の変速機において、前記静流体動力速度が、第１の機械的入力へ駆動接続される入力シャフトと、軸を有し、この軸上に静流体出力が、導かれる出力シャフトと、前記入力シャフトにより駆動される液圧ポンプと、静液圧モータユニットと、楔形状斜板であり、この斜板のポートを通じて前記液圧ポンプとモータユニットとの間の圧力流体の圧送交換に適合するように操作可能に配置され、前記出力シャフトにトルク結合関係で接続され、斜板角度の連続的な範囲に亘って、直交関係で前記出力シャフトに交差する回動軸の周りで可能な楔形状斜板と、前記変速制御器により操作可能であり、前記斜板角度の範囲に亘って前記斜板を回動させることにより、前記静流体動力ユニットを１：０乃至１：１の変速比レンジに亘ってストロークさせる比制御器とを備える変速機。
【請求項１１】
車輌マルチレンジ流体機械変速機であり、
オペレータ速度コマンドを受け取る変速制御器と、主駆動機へ駆動接続される第１の機械的入力と等方向の静流体出力とを有する静流体動力ユニットであり、少なくとも１：０乃至１：１の連続的レンジに亘り第１機械的入力の速度と静流体出力の速度との間の無段可変変速比を与えるように前記変速制御器による制御のために操作自在に接続された静流体動力ユニットと、
前記主駆動機への駆動接続のための第２の機械的入力と、車輌の駆動ホイールへの接続のための変速機出力とを有する機械的動力ユニットとを備え、
その機械的動力ユニットが、前記静流体出力に接続された第１のギア要素と、第１のギア比で第２の機械的入力に接続可能な第２のギア要素と、第２のギア比で第２の機械的入力に接続可能な第３のギア要素と、前記変速機出力として接続された第４のギア要素とを有する第１と第２の相互接続遊星ギアセットから基本的に構成される組合せギア機構と、少なくとも第１と第２の前進レンジの各々の範囲内の前記変速機出力における無段可変出力速度を導くように、第１と第２の遊星ギアセットの選択されたギア要素を停止又はクラッチさせるか、或いは停止且つクラッチさせるためのオペレータ入力速度コマンドに応答して変速制御器により起動されるレンジシフト手段であり、このレンジシフト手段は、第１のブレーキを含み、このブレーキは、前記変速機により起動されて前記組合せギア機構の第２のギア要素を係留させることにより、変速制御器により設定される静流体動力ユニットの変速比を１：０にしながら変速ニュートラル状態を確立して、変速機出力に１：０以外の変速比における静流体出力の無段可変速度に直接関係する第１の前進レンジの無段可変出力速度を導き、前記レンジシフト手段は、第１のクラッチを更に含み、このクラッチは、前記制御器により起動されて前記組合せギア機構の第３のギア要素を第２のギア比で第２の機械的入力へ接続させることにより、前記静流体出力の無段可変速度に対して逆転関係で第２の前進レンジにおける変速機出力で無段可変出力速度を導き、第１と第２のギア比と第１乃至第４のギア要素のギア比とは、調整された値を有し、この調整値は、前記制御器に前記主駆動機の入力速度および前記静流体動力ユニットの変速比に対して時間を合わせた関係で前記制御器が第１のブレーキと第１および第２のクラッチを係合および係合解除させることを可能にすることにより、第１と第２の前進レンジの間の同期シフトを達成させるレンジシフト手段とを含む変速機。
【発明の詳細な説明】
関連出願の参照
本願は、本願と共に譲渡された係属中の米国出願第０８／８５７,５０１号（出願日１９９７年５月１６日）および第０８／６０８,３８９号（出願日１９９６年２月２８日）に関連している。これらの関連出願の開示事項は本明細書に引用により組み込まれている。
発明の分野
本発明は、流体機械変速機に関し、更に詳しくは、車輌用動力伝達経路への包含に適用できるマルチレンジ流体機械変速機に関する。
発明の背景
乗用車や市販の軽車輌のための変速機の幾多の設計が長年に亘って提案されてきており、これは、車輌を停止状態から加速してのち出力速度能力を復帰または好ましくは増大させるマルチエンジントルクのための液圧変速機を利用している。しかしながら、このような設計の試みは、トルク能力は容認できるにも拘わらず、不所望に大きくて重い液圧変速機をもたらしてしまうのが通例である。更にこのような変速機は不充分な最適効率を示し、ひいては燃料経済性および／または性能の欠点を有する。
上述した純粋な液圧変速機の代替機として、流体機械変速機が大型オフロード走行用構造や軍用車輌のための動力伝達経路に利用されている。このような変速機は典型的には二分割動力入力型であり、ここでは静流体動力ユニットおよび機械的動力ユニットが車輌エンジンにより並行に駆動される。静流体動力ユニットは、エンジンからのその分割入力動力を、特定の静流体ストローク範囲に亘って速度およびトルクを無限大に可変にできる静流体出力動力へ変換する。この静流体出力動力は、機械的動力ユニット内でエンジンからのその分割機械的入力動力と組み合わされてマルチ動力範囲の流体機械的出力動力を生成する。各々の動力範囲における速度とトルクとは、機械的動力ユニットのギア比により初期設定され、静流体動力ユニットのストロークを変化させることにより無限大に可変にできる。
適切に設計された流体機械変速機は、車輌が停止状態から最大速度へ加速するに従って、エンジンから一つまた複数の駆動ホイールへの円滑で連続した動力流を与える同期レンジシフトを効果的に与えることができる。更なる利点は、変速機出力速度とは無関係に、エンジンをそのピーク効率出力速度またはその近傍において操作し得ることである。しかしながら、加速、速度及び燃料経済性に関して自動車に要求される能力を達成するためには、機械的動力ユニットは伝統的な、スプールギアおよびピニオンギアセットと遊星ギアセットのようなあまりにも多くのギア伝達経路を要求する。このような機械的変速機は、それに対応する液圧変速機と同じく重量、効率、コスト等の点で幾つかの欠点を与える。
発明の概要
本発明の目的は、従来技術の輸送手段の変速機の少なくとも一つの制約や欠点を実質的に除去することである。そのために、また本発明の目的によれば、具現化されて広く説明したように、本発明はマルチレンジ流体機械変速機を与え、この変速機は、オペレータの速度指令を受け取る変速制御器と、主駆動機に駆動接続される第１機械的入力および同一方向の静流体出力を有する静流体動力ユニットとの組合せを備え、その静流体動力ユニットは、第１の機械的入力の速度と静流体出力の速度との間で少なくとも１：０乃至１：１の連続レンジに亘る無限可変変速比を与えるように変速制御器による制御のために操作自在に接続される。
この変速機は、主駆動記に駆動接続される第２の機械的入力と車輌の駆動輪へ接続される変速機出力とを有する機械的動力ユニットを更に備える。この機械的動力ユニットは、第１と第２の相互接続された遊星ギアセットを含む組合せギア機構を含み、そのギアセットは、静流体出力へ接続された第１のギア要素と、第１のギア比における第２の機械的入力へ接続可能な第２のギア要素と、第２のギア比における第２の機械的入力へ接続可能な第３のギア要素と、変速機出力として接続された第４のギア要素とを有する。機械的動力ユニットは、レンジシフト手段を更に含み、このレンジシフト手段は、オペレーター速度指令に応答して変速制御器により起動されて、第１と第２の遊星ギアセットの選択されたギア要素をブレーキングおよび／またはクラッチングさせて、少なくとも一つの後進レンジと、少なくとも第１、第２および第３前進レンジとの各々の範囲内の変速機出力における無限可変出力速度を生成させる。
本発明の付加的な目的と利点とは、部分的には以下の説明に記載されており、且つ部分的にはその説明から明らかであるか、または発明の実施を通じて学び得る。本発明の目的と利点とは、添付の請求の範囲に詳細に指摘した要素およびその組合せにより実現されて達成される。
上述の一般的な説明と以下の詳細な説明とは、単に例示的および説明的なものであって、請求された発明を限定するものではないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
添付図面は本明細書に組み込まれてその一部を構成しており、本発明の好適な実施例を説明と共に図示し、本発明の原理を説明するのに役立てられる。
図１Ａは本発明の第１実施例により構成された流体機械変速機の模式図である。
図１Ｂは、レバー類推法（Lever Analogy）ダイアグラム形式で示された組合せギア機構の二つの遊星ギアを有する図１Ａの流体機械変速機の模式図である。
図２Ａ−２Ｅは、マルチ変速機レンジの各々における図１Ａの変速機実施例における組合せギア機構の操作のグラフ解析を与えるレバー類推法ダイアグラムである。
図３は、各々の変速機レンジにおいて係合した図１Ａの変速実施例におけるマルチブレーキとクラッチを各々の変速機レンジについての例示的な操作パラメータと共に示す表である。
図４Ａは第２実施例により構成された流体機械変速機の模式図である。
図４Ｂは、レバー類推法ダイアグラム形式で示された組合せギア機構の二つの遊星ギアを有する図４Ａの流体機械変速機の模式図である。
図５は、各々の変速機レンジにおいて係合した図４Ａの変速実施例におけるマルチブレーキとクラッチを各々の変速機レンジについての例示的な操作パラメータと共に示す表である。
図６は図１Ａおよび図４Ａの変速機実施例をそれらのマルチ変速機レンジに亘って操作するように利用し得る変速制御器のブロック図である。
図７は図１Ａおよび図４Ａの変速機実施例に利用し得る静流体動力ユニットの外観的な側面図である。
同様な参照符号は複数の添付図面に亘って同様な部分を示す。
好適実施例の詳細な説明
本発明によるマルチレンジ流体機械変速機は主駆動機の駆動出力を静流体動力ユニットと機械的動力ユニットとの間で分割する分割入力を含む。この静流体動力ユニットは、１：０から少なくとも１：１の連続可変速度比レンジに亘って分割入力動力を静流体出力動力へ変換するように操作できる。機械的動力ユニットは、分割入力動力を静流体動力ユニットからの静流体出力動力に組合せて、輸送手段の少なくとも一つの駆動輪のような被駆動体へ適用する流体機械出力動力を与える。
更に、本発明の機械的動力ユニットは、様々なトルク比および速度比における対応する複数の機械的動力出力についての特有の機械的ギア組合せを含むマルチ動力流経路の間で分割入力動力をシフトさせる能力を有する。この機械的動力ユニットは、機械的出力の各々を静流体動力ユニットの出力へ個々に組合せて、速度およびトルクのマルチレンジにおける流体機械出力動力を生成する。各々のレンジ内では、無限可変動力比が、静液圧動力ユニット比１：０と少なくとも１：１との間で変化させることにより達成される。
図１Ａの模式図を参照すると、本発明の第１実施例が示されており、全体的に符号２で示されるマルチレンジ流体機械変速機は、内部燃焼エンジン６のような主駆動機からの入力動力を受け取る入力シャフト２２を含む。この入力動力は、静流体動力ユニット（hydrostatic power unit;HSU）４と全体的に符号８で示される機械的動力ユニットに含まれた中間シャフト２６との間で分割される。図１Ａにおける例示によって示されるように、静流体動力ユニット４はエンジン６からのその分割入力を入力シャフト２２から直接に受け取り、一方、機械的動力ユニット８はその分割入力を入力シャフト２２により駆動されるスプールギア２４を介して受け取り、そのスプールギア２４は中間シャフト２６の左端に固定されたスプールギア２５に噛合する。この中間シャフト２６を駆動するのは２つのスプールギア２８および３０である。スプールギア２８は、クラッチＣＬ２により結合されたスリーブシャフト３６によって支持されたスプールギア２９に係合するように設けられ、係合したときは、遊星ギアセット１４のリングギアＲへ接続されたスリーブシャフト３４を駆動する。スプールギア２９も、遊星ギアセット１４の太陽ギアＳ２へ接続されたスリーブシャフト４０へクラッチＣＬ３により選択的に接続されている。ブレーキＢ２は、スリーブシャフト４０を符号４１で示される変速機ハウジングへ接続させるので、このスリーブシャフトと太陽ギアＳ２とは回転運動に抗して停止される。この場合、太陽ギアＳ２は「係留された」と称する。
更に図１Ａを参照すると、中間シャフトスプールギア３０は、スリーブシャフト４２上に支持されたスプールギア３３に噛合し、そのスリーブシャフト４２は、クラッチＣＬ１およびスリーブシャフト３４を介して遊星ギアセット１４のリングギアＲへ接続されている。スリーブシャフト３４もブレーキＢ１により変速機ハウジング４１へ選択的に係留されている。
出力シャフト２１上の静流体動力ユニット４の無限可変速度静流体出力は遊星ギアセット１６の太陽ギアＳ１へ加えられ、その遊星ギアセット１６は遊星ギアセット１４と共に組合せギア機構、即ち遊星ギアセット１６の太陽ギアＳ１上の静流体入力を、遊星ギアセット１４へ適用された様々な機械的入力と組合せ、シャフト１０上に変速機出力を導くような組合せギア機構として働く。変速機２の説明を終えるに当たって付言すると、遊星ギアセット１４および１６の遊星ギアＰ２およびＰ１は複合キャリアＣにより相互に噛合する関係で取り付けられ、その複合キャリアＣはスリーブシャフト４８により出力シャフト１０へ接続されている。当業者には遊星ギアセット１４および１６がRavignau形態で配置されていることが認識されるであろう。相互に噛合する遊星ギアＰ２およびＰ１の存在により、２つの遊星ギアセットは単独のリングギアＲを利用する。
以下の説明から明らかなように、スプールギア２４，２５により比を形成されたエンジン６の分割動力入力は、噛合するスプールギアセット２８，２９および３０，３３の比により定めれた速度およびトルクの様々な大きさにおいて中間軸２６から分岐されて、様々なブレーキおよびクラッチの選択的係合に応じて、変速機２の操作の４つの前進レンジおよび１つの後進レンジを確立する。第２乃至第４のレンジは流体機械範囲であり、第１の前進レンジは純粋に静流体レンジであるので、変速機出力動力は、無限可変トルクおよび速度でＨＳＵ４によってのみ供給される。３つの高前進速度レンジの各々において、静流体動力ユニット４により供給された無限可変静流体出力動力が中間シャフト２６から分岐した機械的入力動力に組み合わされて、第２乃至第４レンジの各々において無限可変出力動力（速度およびトルク）を達成する。後に明らかになるように、変速機２も第１前進レンジへの動力に入力動力に比較できる無限可変速度後進レンジの操作の能力を有し、その入力動力はＨＳＵ４によってのみ供給される。
変速機２の操作の説明を容易にするために、以下の説明は、論文「”Lever Analogy-A New Tool In Transmission Analysis”by Benford et al.,Society of Automotive Engineers, Pub. No.810102（1981）」に説明された解析技術を利用する。この技術によれば、遊星ギアセットは、静止状態において垂直線（レバー）として類推され、その太陽ギア、リングギア、および遊星ギアキャリアは、垂直線上の点として示される。これらの点は太陽ギアとリングギア歯との数、即ちギア比に応じて相対位置にある。太陽ギア、リングギア、惑星ギアキャリアの速度は、垂直線上のそれらを示す点を起点とする水平線（ベクトル）として表せる。
図１Ｂは、レバー類推法（Lever Analogy）で示される遊星ギアセット１４および１６を除いては、図１Ａと同一な変速機２の模式図である。遊星ギアセット１４および１６のRavignau配置の存在によれば、レバー類推法解析技術では、これら二つの遊星ギアセットのグラフ表示を単独のレバー２０として示すことができる。
図３に見られる表から、様々なブレーキおよびクラッチのうち、ブレーキＢ２は、トランスミッション２を第１前進範囲へシフトさせるように係合する唯一のものである。図１ＡからブレーキＢ２の起動は遊星ギアセット１４の太陽ギアＳ２を係留することが明らかである。クラッチＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３のうち第１のレンジに係合するものは一つもないので、中間シャフト２６上の機械的入力は遊星ギアセット１４および１６から外れている。従って機械的動力ユニット８に対する入力はシャフト２１を介して太陽ギアＳ１へ加えられたＨＳＵ４からの静流体出力のみである。
図２Ａは第１レンジ（ブレーキＢ２係合）における変速機２のレバー類推法によるグラフ表示である。静流体動力ユニット４は零（０％）ストローク、即ち１：０比（ニュートラル）であり、太陽ギアＳ１に加えられたその静流体出力は零である。係合したブレーキＢ２が太陽ギアＳ２を示すレバー点Ｓ２を固定するので、レバー２０は、ＨＳＵ４が零ストロークである限りは、垂直向きに固定されていると見なすことができる。遊星ギア要素を示すレバー点が図２Ａ−図２Ｅに示す垂直軸上にあるとき、それらの速度は零であることが認められるであろう。
変速機中立状態（エンジン入力動力に拘わらず変速機出力がない）は、ＨＳＵ４が０％ストローク（１：０比）であり、従ってシャフト２１に出力動力が生成されない状態で達成できる。しかしながら、係合したブレーキＢ２によれば、自動車における意味の「真のニュートラル」は、変速機出力シャフト１０が自由回転しないので達成できない。むしろ、図２Ａに点線垂直線２０′により示されたニュートラル状態が、ドライブ位置におけるシフトセレクタと、車輌のブレーキが適用されたアイドル速度におけるエンジンとを有する通常の自動車自動変速機に対応する。
本発明の変速機２における「真のニュートラル」を与えるために、ブレーキＢ２は係合解除されている。これに代えて、係属中の米国特許出願第０８／５４３,５４５号に開示されたように、静流体変速機ユニットを減圧することにより、その出力シャフト２１が自由に回転するように、またはエンジン６と変速機入力シャフト２２との間に組み込み得るクラッチを接続解除してブレーキＢ２に沿って係合解除して、変速機出力シャフトを自由に回転させるようにしてもよい。
図２Ａに示された第１レンジ操作の間にブレーキＢ２が係合されているので、太陽ギアを示す点Ｓ２′の位置は固定されている。従って遊星ギアセット１４および１６を示すレバー２０は、ＨＳＵユニット４を０％ストロークから上向きに（１：０から１：１へ向かって）ストロークさせることにより、太陽ギアＳ１へ加えられたシャフト２１における静流体入力に応答して、上記点Ｓ２′の周りで回動することになる。このＳ２′点周りのレバー回動動作は、その仮想線位置２０′（図１Ｂにおけるその垂直（零速度）実線位置に対応）から図２Ａにおける実線位置へ向かう。
第１前進レンジは、純粋な静流体駆動レンジであり、ＨＳＵ４のストロークによれば無限可変速度比であることが明らかである。図２Ａはレバー２０の向きを実線でグラフ的に示し、ベクトルＶ１，Ｖ２およびＶ３は、第１前進レンジの上端の達成における静流体動力ユニットの最大ストローク（１００％）における太陽ギアＳ１，リングギアＲ，およびキャリアＣの向きと速度とを示す。ＨＳＵ４の１００％ストローク（１：１速度比）において、太陽ギアＳ１（ベクトルＶ１）の前進速度はエンジン６の速度（Ｎｅ）に等しい（１.０Ｎｅ）。例として、遊星ギアセットにおけるギア要素の比は第１レンジの上端において、リングギアＲ上に０.５Ｎｅの前進速度（ベクトルＶ２）を、キャリアＣおよび出力シャフト１０上に０.３３３Ｎｅ（ベクトルＶ３）の前進速度を導くように選択し得る。
第１の前進レンジから第２の前進レンジへシフトさせるために、図３に明らかように、ブレーキＢ２は、クラッチＣＬ１が係合するのに応じて係合解除する。図２Ｂは第２レンジ静流体および機械的入力駆動に応答する遊星ギアセット要素の動作をレバー類推法によりグラフ的に示す。クラッチＣＬを係合させることにより、リングギアＲは、ステップアップギア２４，２５およびステップダウンギア３０，３３を介してエンジン６からリングギアＲへ与えられたギア比入力動力により定められた前進速度で駆動される。これらギア比は、クラッチＣＬ１を通じてリングギアへ加えられた機械的入力が好ましくは第１レンジ、例えば０.５Ｎｅの上端におけるリングギアの前進速度に等しくなるように選択されている。このような場合、第１レンジから第２レンジへの同期シフトが達成できる。
図２Ａと図２Ｂとを比較すると、図２Ｂにおけるレバー２０′の向きは、図２Ａに実線で示すように第１の前進レンジの上端におけるその向き２０と同一である。ここで静流体動力ユニット４は、第２レンジの上端における第１レンジ−第２レンジシフト点における静流体動力ユニット４の最大ストローク（１００％）から第２レンジの上端における最小ストローク（０％）へ速度がダウンストロークするにつれて、レバー２０がリングギア点Ｒ′（クラッチＣＬ１を介して加えられた機械的入力（ベクトルＶ５）により実線回動点）として確立されている）の周りで第２のレンジの上端における実線レバー位置へ向かって時計方向へ回動する（図２Ｂ）。その結果、点Ｃ′の前進速度（ベクトルＶ６）が第２レンジ、例えば０.３３３Ｎｅ→０.６６６Ｎｅ内で無限可変形式で増大することが明らかである。太陽ギアＳ２の前進速度が１.０Ｎｅ（ベクトルＶ７）へ増大することも明らかである。
次いで第２レンジから第３レンジへのシフトのために、クラッチＣＬ１は、クラッチＣＬ３が係合するにつれて係合解除される（図３の表参照）。図２Ｃから、クラッチＣＬ３の係合はギアセット２４，２５および２８，２９による機械的エンジン入力比を太陽ギアＳ２へ結合させることが明らかである。図２Ｃは第３レンジにおける遊星ギア要素の動作を表す。図２Ｃにおけるレバー２０′の仮想線位置は、その第２レンジの上端におけるレバー類推法を示す（図２Ｂ参照）。ギア２４，２５および２８，２９の比が、リングギアが第２レンジの上端におけるリングギアの前進速度、例えば１.０Ｎｅに等しい前進速度におけるクラッチＣＬ３を介して接続された機械的入力により駆動されるように設定されているならば、第２から第３への同期シフトが達成できる。ここで回動点Ｓ２′として確立された太陽ギアＳ２により、レバー２０は、太陽ギアＳ１上の静流体入力速度（ベクトルＶ８）がＨＳＵ４のアップストロークにより０％から１００％へ、即ち０Ｎｅから１.０Ｎｅへ増大するにつれて、その仮想線位置からその実線位置へ反時計方向へ回動する。
図２Ｃから明らかなように、第３レンジの上端において、太陽ギアＳ１およびＳ２の前進速度（ベクトルＶ７およびＶ８）がエンジン速度１.０Ｎｅに等しいので、レバー２０は垂直向きと見なせる。リングギアＲの前進速度（ベクトルＶ１０）およびキャリアＣの前進速度（ベクトルＶ１１）もエンジン速度（１.０Ｎｅ）に等しい。第３レンジの上端における変速機出力シャフト１０の前進速度がエンジン速度に等しいので、全体的に１：１変速比が達成される。
図３に明らかなように、第３から第４レンジへのシフトはクラッチＣＬ３を係合解除させることと、クラッチＣＬ２を係合させることとを含む。図２Ｄは、いまやリングギアＲがスプールギアセット２４−２５および２８−２９（ベクトルＶ１２）によるエンジン速度比における中間シャフト２６の機械的入力により駆動されることを示し、これは図２Ｃを参照して説明したようにエンジン速度（１.０Ｎｅ）に等しい。第３レンジの上端におけるリングギアＲの前進速度（ベクトルＶ１０）がエンジン速度（１.０Ｎｅ）に等しく、第３レンジから第４レンジへの同期シフトが達成される。
図２から明らかなように、静流体入力速度（ベクトルＶ１３）が静流体動力ユニット４のダウンストロークにより減少するにつれて、レバー２０は、リングギア回動点Ｒ′の周りでその仮想線位置から実線位置へ向かって回動して、オーバードライブ第４レンジ（１.０Ｎｅ−１.３３３Ｎｅ）に亘る加速の間に出力シャフトの前進速度がなされるようにキャリアＣの前進速度が増大する。ベクトルＶ１５により示されるように太陽ギアＳ２の前進速度は２.０Ｎｅへ増大する。
図２Ｅは後進レンジにおける変速機の操作をグラフ的に示す。図３に図示するように、静流体動力ユニット４の０％ストローク設定により設定された第１レンジニュートラル状態から後進レンジへのシフトは、ブレーキＢ２の係合解除とブレーキＢ１の係合とにより達成される。図１Ａに明らかなように、ブレーキＢ１はリングギアＲを係留する。次いで図２Ｅおよび図２Ａに明らかなように、図２Ｅにおけるレバー２０の仮想線の向きは、その第１レンジニュートラルにおける図２Ａにおける向きに対応する。リングギアＲがブレーキＢ１により係留されているので、リングギアは回動点Ｒ′を与え、ＨＳＵ４が後進レンジに亘ってアップストロークするにつれて（第１前進レンジにおける太陽ギア回動点Ｒ２′よりもむしろ）この回動点Ｒ′の周りでレバー２０がその仮想線から実線位置へ回動する。このレバー動作が反時計方向であるので、キャリアＣの速度ベクトルＶ１６は今や左（後進）方向であり、これは前進レンジ操作について図２Ｂ−図２Ｄに示される前進ベクトル方向に逆向きである。従って出力シャフト１０は、ＨＳＵ４のストローク設定により決定された無限可変速度比において後進方向へ駆動される。
上述の説明はニュートラルから最大変速機出力速度へのマルチ前進速度レンジへの漸進的増大について詳述したが、最大からニュートラルへの出力速度増大は逆転方式に適合する。即ち、静流体変速機ユニットを奇数番号前進レンジに亘り加速させるようにアップストロークさせ、且つニュートラルから最大速度へ加速させる偶数番号の前進レンジの間にダウンストロークさせるよりもむしろ、静流体変速機は奇数番号レンジの間にダウンストロークし、最大速度からニュートラルへ減速する奇数番号レンジの間にアップストロークする。減速の間のレンジからレンジへの同期シフトは、複数のレンジに亘る加速について上述した方式において達成される。
上述の説明は、全レンジにおける無限可変出力速度と第１レンジニュートラルから第４レンジの上端における最大速度への前進速度に亘る加速との達成に関する変速機２の速度比の観点を主眼としている。変速機２の同様に重要な他の観点はトルク比である。当業者にはよく理解されるように、何れの所定の変速機操作点についても、エンジンの入力動力は、変速機に変速機の損失を加えて負荷された出力負荷に等しくなる。エンジン出力動力はエンジン速度と変速機入力シャフトに負荷されたエンジントルクとの積の関数である。出力負荷は変速機出力速度と変速機出力シャフトに負荷された負荷トルクとの積の関数である。この関数により、変速機は、そのマルチレンジに亘る速度とトルクとの値を変える。依然として、動力（速度とトルクとの積）は常に平衡する。先に引用したBenford他の文献に説明されたように、レバー類推法技術は図１の変速機２における遊星ギアセットの各々において動力平衡を決定するように利用することもできる。当業者は、Benford他の論文の検討によって、本発明により構成されたマルチレンジ流体機械変速機に関して動力平衡のためにレバー類推法解析を如何にして導くかを理解できるであろうから、このような解析は本明細書では簡潔化のために説明しない。
図４Ａに図示された実施例を参照すると、全体的に符号５０で示されるマルチレンジ流体機械変速機は、エンジン６から動力を受け取る入力シャフト２２を含む。この入力動力は、入力シャフト２２に直接接続された静流体動力ユニット（ＨＳＵ）４と、全体的に符号５２で示される機械的動力ユニットに組み込まれた中間シャフト５１との間で分割される。中間シャフト５１上の分割動力入力は、入力シャフト２２により駆動されるスプールギア５３から採られ、そのスプールギア５３は中間シャフト５１の左端上に固定されたスプールギア５４に噛合する。この中間シャフトは順次に二つのスプールギア５５および５７を駆動する。スプールギア５５はスリーブシャフト６０上に支持されたスプールギア５６に噛合し、これはクラッチＣＬ１によりスリーブシャフト６１へ選択的に接続される。このスリーブシャフト６１は、全体的に符号６２で示される遊星ギアセットのキャリアＣ３を駆動するように直接に接続されている。スプールギア５７はスリーブシャフト６３上に支持されたスプールギア５８に噛合し、これはクラッチＣＬ３によりスリーブシャフト６１へ選択的に接続される。スリーブシャフト６１はまたブレーキＢ２により変速機ハウジングへ選択的に係留される。スリーブシャフト６３はクラッチＣＬ２によりスリーブシャフト６４へ選択的に接続され、全体的に符号６６で示される第２の遊星ギアセットのリングギアＲ４を直接に駆動するように接続されている。ブレーキＢ１はスリーブシャフト６４を変速機ハウジングへ選択的に係留させるように設けられている。シャフト２１上の（ＨＳＵ）４の静流体出力は遊星ギアセット６２の太陽ギアＳ３および遊星ギアセット６６の太陽ギアＳ４を直接に駆動する。遊星ギアセット６２のリングギアＲ３はスリーブシャフト６７により遊星ギアセット６６のキャリアＣ４へ直接に接続されており、スリーブシャフト６８は遊星ギアセット６６のキャリアＣ４を変速機出力シャフト１０へ自動車のホイールを駆動するために直接に接続されている。
図１Ａの変速機２におけるのと同様な方式において、スプールギア５３，５４により比を決められたエンジン６の分割動力入力は、様々なブレーキとクラッチとの選択的係合に応じて変速機５０についての操作の４つの前進レンジと１つの後進レンジを確立するように噛合スプールギアセット５５，５６および５７，５８の比により決定された様々な大きさの速度およびトルクにて中間シャフト５１から分岐される。変速機２の場合のように、変速機５０の第２乃至第４のレンジは無限可変速度およびトルクの流体機械レンジであり、第１の前進レンジは、（ＨＳＵ）４の出力において導かれた無限可変速度およびトルクの純粋な静流体レンジである。変速機２のように、変速機５０も、（ＨＳＵ）４によってのみ供給された入力動力により、第１前進レンジに対する動力に匹敵する無限可変速度後進レンジにおける操作の能力を有する。
図４Ｂは変速機５０の模式図であり、これは、遊星ギアセット５２および６２がレバー類推法において示されていることを除いては図４Ａと同様である。これらの遊星ギアセット５２および６２は「Simpson配置」で接続されているので、レバー類推法解析技術は、これら２つの遊星ギアセットを符号６９で示す単独のレバーに削減するグラフ表示を可能とする。
図５における表は、そのブレーキＢ１およびＢ２とクラッチＣＬ１−ＣＬ３とが、変速機５０を４つの前進レンジと一つの後進レンジとの各々におくように係合する。簡潔化のために、変速機２について図２Ａ−２Ｅにおいて与えられたようなレバー類推法図は、ここでは変速機５０については繰り返さず、当業者には以下の説明から変速機５０の操作を容易に理解できるであろう。
図５の表において示されたように、ブレーキＢ１は遊星ギアセット６６のリングギアＲ４を係留するように係合する。これはレバー６９上に回動点としての点Ｒ４′を確立し、（ＨＳＵ）４が１：０比（ニュートラル）から第１前進静流体レンジの上端における１：１比へ向かって上向きにストロークするにつれて、図２Ａに示された方式でレバーが点Ｒ４′の周りで反時計方向に回動する。従って点Ｒ３′，Ｃ４′は出力シャフト１０上の出力速度増大を示すように前方へ進む。
ブレーキＢ１が解除されて、クラッチＣＬ１が第２レンジへシフトさせるように係合したとき、キャリアＣ３は、ギアセット５３，５４および５５，５６によるエンジン速度比で駆動されて、回動点としてレバー６９上に点Ｃ３′を確立する。次いで（ＨＳＵ）４が１：１比から１：０比へ下方向へストロークすると、レバー６９が回動点Ｃ３′の周りで時計方向へ回動し、点Ｒ３′，Ｃ４′を更に右方向に進めるので、出力シャフト１０上の速度を増大させる。この操作は図２Ｂに示された変速機２の第２レンジ操作に直接に類似する。
第２レンジから第３レンジへシフトさせるために、図５の表に示すようにクラッチＣＬ１が解除されて、クラッチＣＬ２が係合すると、ギアセット５３，５４および５７，５８によるエンジン速度比をリングギアＲ４を加える。これはレバー６９上に回動点としての点Ｒ４′を再び確立し、（ＨＳＵ）４が１：０比から第３レンジの上端における１：１比へ第３レンジへ亘って上方へストロークするにつれて、回動点Ｒ４′の点の周りでレバー６９が時計方向に回動する。回動点Ｒ３′，Ｃ４′は従って出力シャフト１０上に速度増大を現すように更に右方向へ移動する。
第３レンジから第４レンジへシフトさせるために、図５の表はクラッチＣＬ２が解除されて、クラッチＣＬ３が係合することを示す。その結果、キャリアＣ３がギアセット５３，５４および５７，５８によるエンジン速度比で駆動されて、回動点を確立して、（ＨＳＵ）４が第３レンジの上端における１：１比から第４前進レンジの上端における１：０比へ下方へストロークするにつれて、この回動点の周りでレバー６９が時計方向に回動する。その結果、レバー６９上の点Ｒ３′，Ｃ４′は第４前進レンジにおける速度増大を現すように更に右方向へ前進する。
零ストローク設定（（ＨＳＵ）４における１：０比）により加えられた第１レンジニュートラルから後進レンジへのシフトは、ブレーキＢ２が係合すると、ブレーキＢ１の係合解除により達成される。図４Ａおよび図４Ｂから明らかなように、ブレーキＢ２は遊星ギアセット６２のキャリアＣ３を係留し、レバー６９上に回動点としての点Ｃ３′を確立し、（ＨＳＵ）４が１：０比から１：１比へ向かって上方へストロークするにつれて、この回動点の周りでレバー６９が時計方向に回動する。その結果、レバー６９上の点Ｒ３′，Ｃ４′は左（後進）方向に移動し、この方向は前進レンジ操作中のＲ３′，Ｃ４′点移動と逆向きである。従って出力シャフト１０は、（ＨＳＵ）４のストローク設定により決定された無限可変速度比で後進方向に駆動される。
上述の説明から、図４Ｂのレバー６９の回動動作は、４つの前進レンジおよび１つの後進レンジの各々において図２Ａ−２Ｅのレバー類推法ダイアグラムに示されたレバーの回動動作に対応する。変速機５０における比ギアセット５３，５４および５５，５６と遊星ギアセット５２および６２の比との適切な選択により、変速機２について図３の表に示された同一出力速度パラメータは、図５の表に示されたように変速機５０について達成できる。
図１Ａおよび図４Ａの流体機械変速機２および５０のそれらの様々なレンジと、複数のレンジの間の同期シフトとの操作は、図６に示された変速制御器７０により自動的に制御し得る。変速制御器７０は、アクセレータペダル位置信号によるオペレータ速度入力コマンドと、ドライブ（Ｄ）、ニュートラル（Ｎ）または後進（Ｒ）位置の何れかになるシフト選択レバーの位置によるレンジ選択信号とを受け取る。この変速制御器７０は、変速機入力シャフト２２のＲＰＭを示すエンジン速度センサ信号と、変速機出力シャフト１０のＲＰＭを示す出力速度センサ信号とを受け取る。これらの入力信号に応答して、変速制御器７０は、ブレーキＢ１，Ｂ２およびクラッチＣＬ１−ＣＬ３の選択された一つを起動させる信号を出力する。変速制御器は、図７に符号ＲＣで模式的に示されてＨＳＵ４のストロークを制御する比制御器へ比制御信号を出力する。このような比制御信号は、係属中の米国特許出願第０８／３８０，２６９号および第０８／４２３，０６９号に開示されたようなパルス幅変調（PWM）信号の形態とし得る。図６に示したように、変速制御器７０は、流体機械変速機２において「真のニュートラル」状態を確立する信号を出力する。「真のニュートラル」状態は、ブレーキＢ１およびＢ２とクラッチＣＬ１−ＣＬ２の係合解除により達成される。これに代えて、この信号は、図７における比制御器ＲＣと静流体動力ユニット４とが先に引用した米国特許出願第０８／５４３／５４５号に開示された減圧特徴を備えているならば、図７における比制御器ＲＣにより使用してもよい。これに代えて、このニュートラル信号は、エンジン６と変速機入力シャフト２２との間の駆動輪列に組込まれた入力クラッチ（図示せず）を係合解除するように加え得る。
変速制御器７０はアナログまたは流体回路系に組み込んでもよいが、ディジタル機器が好ましい。従って変速制御器７０に対する全ての入力信号はアナログ−ディジタル変換器によりディジタル化され、次いでマイクロプロセッサにより処理される。
変速制御器７０の二つの主要な機能はクラッチとブレーキとを適切な時刻に同期レンジシフトを達成するように係合させて、ＨＳＵ４のストローク制御によりエンジン動力を出力負荷へ有効に整合させることである。エンジン動力の出力動力への整合は、様々なエンジン速度におけるエンジン出力動力の事前決定を要求する。これをなすことにより、最適エンジン動力／燃料経済的操作点を何れのペダル位置（速度指令）においても決定することが可能である。「スケジュールカーブ」と称されるこの関係は、変速機制御マイクロプロセッサに関連したメモリ内にアルゴリズムとして記憶させてもよい。
車輌の操作中に、マイクロプロセッサはエンジン速度に対するオペレータ速度コマンドを連続的に比較し、変速比（静流体動力ユニットストローク）をスケジュールカーブに整合するように調節する。車輌を斜面に遭わせるには、出力負荷を増大させて、エンジン速度を低減させる。しかしながら、オペレータがペダル位置（定速度コマンド）を保持するならば、変速制御器７０は、スケジュールカーブが再び整合するまで変速比を減少させるように静流体動力ユニットをストロークさせる。この点において、エンジン速度および動力が回復し、しかし、車輌の速度は低減された。オペレータが斜面上で車輌速度を保持するようにアクセレータペダルの位置を変えるなら、エンジン速度を高出力負荷へ整合させるために増大させる。あらゆるエンジンは、変速機２を任意の特定の車輌エンジンに適合させるように変速制御器マイクロプロセッサへ容易にプログラムできる独特の最適なスケジュールカーブを有する。
様々な静流体動力ユニットを本発明の流体機械変速機へ組み込むことができるが、Folsomの米国特許第５，４２３，１８３号に開示された形式の静流体動力ユニットの独特の性能は、このユニットを本発明における適用に特に適するものにする。この特許の全ての開示事項は引用により本明細書に特に組み込まれており、その開示事項を一般化したものが図７に示されている。この図から明らかなように、静流体動力ユニット４は全体的に７２で示される流体ポンプユニットを含んでおり、このユニットは、図１Ａおよび図４Ａにおける変速機入力シャフト２２に対応し得る入力シャフト７４により駆動される。図１Ａおよび図４Ａにおける出力シャフト２１に対応し得る出力シャフト７６は、全体的に符号７８で示される流体モータユニットにおける中央開口を通じて延伸し、そのモータユニットは符号７９で示されるようにユニットハウジングへ取り付けられている。駆動ポンプユニット７２のシリンダブロック８０および取り付けられたモータユニット７８のシリンダブロック８２はそれぞれ枢軸に取り付けられて、符号８６で示されるように回動接続により出力シャフト７６へトルク接続された楔形状斜板（swashplate）８４と共に界面接触とみなせるようにされている。入力シャフト７４が図１Ａおよび図４Ａにおけるエンジン６により駆動されるに従って、流体ポンプユニット７２とモータユニット７８との間で斜板ポート８４ａを通じた圧力流体の圧送交換は、斜板８４上に合成トルクを導き、これは出力静流体トルクとしてカップリング８６により出力シャフト７６へ結合されている。シャフト７６上の出力速度に対するシャフト７４上の入力速度の比を変えるために、符号８７で示されるように比制御器ＲＣが接続されており、出力シャフト７６の軸７６ａに交差するカップリング８６の軸の周りに斜板８４を回動させる。この斜板の向き（角度）の角度調節は、静流体動力ユニット４をストロークさせて、シャフト７６上に１：０（０％ストローク）またはニュートラルから少なくとも１：１（１００％ストローク）の範囲の比で一方向の無限可変速度静流体出力を導く。
米国特許第５，４２３，１８３号に開示された形式の静流体動力ユニットは低速度比（低ストローク設定）におけるトルクマルチ能力を有し、これは車輌を変速機２の静流体第１前進および後進レンジにおける停止状態からの走行開始から加速する充分なトルクよりも大きい。本発明の流体機械変速機の適用へ与えられるこの種の静流体動力ユニットに他の独特で有益な特性は、引用したFolsomの米国特許に記載されている。
上記の説明から明らかなように、本発明は、出力負荷に対してエンジン動力を正確に整合させるように変速比を変化させることによる最も効率的な方式で自動車を推進させる連続的可変マルチレンジ同期シフト変速機能力を与える。実際、エンジン動力は、車輌が停止から最大速度へ加速するにつれてピーク操作効率のエンジン点を保持し得る。更に、本発明の変速機実施例は、車輌駆動システムに対する循環的な衝撃負荷を伴わずに全操作レンジに亘って円滑で連続的な動力流を与える。従って本発明は、加速と車輌の全能力のみならず最適燃料経済性を達成すべく出力負荷を変動させるようにエンジン動力を正確に整合させる能力を与える。
当業者には、本発明の目的または要旨から逸脱することなく、本発明のマルチレンジ流体機械変速機と上述したような本発明の実施例の構造とに大幅な変更や変形をなし得ることが明白であろう。
本発明の他の実施例は、当業者には本明細書の検討とここに開示された本発明の実施を通じて明白となろう。本明細書の記載と実施例とは例示としてのみ考慮されるように意図されており、本発明の実際の目的と要旨とは以下の請求の範囲により示されている。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３】
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【図５】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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