JP6553175B2 - 複合遊星摩擦駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、第一サンホイールを有する複合遊星摩擦駆動装置であって、第一サンホイールは遊星ホイールと係合しており、遊星ホイールには、第一の半径を有する第一部分及び第二の半径を有する第二部分が設けられており、第二の半径は第一の半径と異なり、第一部分と第二部分との間に移行領域が設けられており、遊星ホイールによって駆動される少なくとも一つのリングアニュラス（ring annulus）が設けられており、サンホイールは遊星ホイールの第一部分と摩擦係合（frictional engagement）しており、遊星ホイールの第一部分は第一リングアニュラスと摩擦係合しており、第二リングアニュラスは遊星ホイールの第二部分と摩擦係合している、複合遊星摩擦駆動装置に関する。

特開昭５８‐６５３６１号公報は、半径が異なり互いに同軸に接続された遊星ローラを備えた、遊星摩擦駆動装置を開示する。

序文による複合遊星摩擦駆動装置は、米国特許第３，２１６，２８５号明細書から知られる。複合遊星摩擦駆動装置は、十分に、別個のギア歯を備える従来の複合遊星駆動装置から区別されるべきである。本発明は、そのような別個のギア歯を有しない複合遊星摩擦駆動装置に明確に制限される。

既存の複合遊星摩擦駆動装置の設計又は実施には、難点がある。一般的に言って摩擦駆動装置は、特にその駆動装置が非常に堅い材料、例えば鋼で作られる場合に、効率的に機能するために非常に高い程度の正確性を要求する。鋼が高い応力／歪み関係を有するため、ただ１ミリメートルの千分の一（１／１０００^ｔｈ）だけ許容誤差の外であっても、圧縮力が、材料の破損限界を超える数百又は数千ニュートンの力に達することを結果としてもたらし得る。

摩擦駆動装置はまた最小の実用的なサイズを有し、それは、使用される材料によってだけでなく、一方では、伝達される必要があるトルクの総量によって制約される。これは、二つの円筒が接触して置かれたときに、それらが互いに接する線が変形させられるからである。接触している二つの円筒によって経験される最大応力は最も小さな円筒の直径に反比例し、他の全ての事が等しければ、これは、摩擦駆動装置の設計者を、より大きな直径の円筒を適用するように駆り立てる。

共に考慮した場合、両方の課題は、小型で強力な摩擦駆動装置が製造可能でないことを意味する。円筒形状のサンホイールと遊星ホイールとの間の高い（ただし高すぎない）接触力を保証することが、不可能である。小さな摩擦駆動装置のための接触力がある水準より低く留まることを保証する難易度が高すぎるため、効率的で高比率な駆動装置はその駆動装置の出力段階における接触力の水準の非常に正確な制御を要求するので、複合駆動装置を作ることは、更に魅力的ではないか又はより難易度が高い。結果として、最近は、摩擦エピサイクリック（epicyclic）駆動装置は通常、高速、低力の減速において、例えば多段階エピサイクリック駆動装置の第一段階において使用される。

特開昭５８‐６５３６１号公報 米国特許第３，２１６，２８５号明細書.

したがって、本発明の一つの目的は、高いギア比と高いトルクを伝達する能力とを同時に提供することを可能にする複合遊星摩擦駆動装置を提供することである。

したがって、本発明の複合遊星摩擦駆動装置は、添付の特許請求の範囲の一つ又はそれ以上の特徴によって具体化される。

何よりも第一に、本発明によれば、遊星ホイールは、第一部分、移行領域及び第二部分にわたるそれらの全長に沿って、中空であり、且つ、不断に（uninterruptedly）圧縮可能（compressible）である。これに関連して、‘長さ’という単語は、それらの長手方向における、又は他の言い方をすればそれらの体軸（body axis）に沿うか若しくは体軸に対して平行な方向における、遊星ホイールの寸法を意味する。複合エピサイクリック摩擦駆動装置の遊星ホイールをそれらの全長に沿って中空である構成とすることによって、フープスプリングのように、遊星ホイールがそれらの全長に沿って圧縮できることが可能である。これは、普通は頑健且つ効率的な摩擦エピサイクリック装置を作るために課題である、許容誤差問題を解決する。中身の詰まった（solid）遊星ホイールを用いて辛うじて機能的な小さな摩擦駆動装置を作るために必要な許容誤差は、０．００１ｍｍ又は更に良好な範囲である。中空で圧縮可能な遊星ホイールを用いて具体化される本発明の複合遊星摩擦駆動装置では、遊星ホイールが０．０１ｍｍの許容誤差で圧縮可能であれば十分であり、それは１０倍の容易さである。更に大きな許容誤差も設計者がそれらを望むならば可能であり、１０：１の許容誤差の緩和の例は、単に本発明が達成することができる実用的な改善の例示として提供されている。

本発明の他の態様において、遊星ホイールの第二部分は、アイドリング第二サンホイールと協働する。これは、出力部を結びつける場所がない‐遊星ホイールの負荷（load）を伝達するために結びつけるためのハブ、シャフトが一切ない‐という、典型的なエピサイクリック駆動装置において中空な遊星ホイールの適用に関連する課題を解決する。本発明の複合駆動装置であれば、遊星ホイールの第二部分の中空な壁は、アイドリング第二サンホイールの中空の壁及び第二リングアニュラスによって限界を定められる‐それらのホイールを適切な位置に保つために、各遊星ホイールの中心に何かを結びつける必要がないことを意味する。典型的な遊星キャリアから第二リングアニュラスへの、この出力部の移動はまた、駆動装置を通る動力の流れが、互いと転がり摩擦接触している円筒形状の部分を完全に通過するという利点を示唆する。したがって、駆動装置の効率が高められる。

本発明による複合遊星摩擦駆動装置の他の好ましい第二の実施形態において、遊星ホイールの第一部分と第一リングアニュラスとの間に、第一アイドリングホイールが組み付けられており（imposed）、遊星ホイールの第二部分と第二リングアニュラスとの間に、第二アイドリングホイールが組み付けられている。それらアイドリングホイールは、第一サンホイール及び第二サンホイールと共に、中空の遊星ホイールの三角の懸架装置（triangular suspension）を作り出す。この構成は、中空の遊星ホイールが他のホイールに比べて前進すること又は後退することを防ぐ。それらの機能を維持するために、第一アイドリングホイール及び第二アイドリングホイールが軸方向に整列させられている（axially aligned）ことが好ましい。この目的のために、有利には、第一アイドリングホイール及び第二アイドリングホイールは、キャリア構造に取り付けられており、そのキャリア構造は、第一アイドリングホイール及び第二アイドリングホイールが、自由に回転するが、軸方向に整列したままでいることを可能にする。

本発明は、本発明による複合遊星摩擦駆動装置の例示的な実施形態の図面を参照して以下で更に説明されるであろう。それらは、添付の特許請求の範囲に関して限定を加えるものではない。

図１は、本発明による装置の第一の実施形態を断面側面図で示す。 図２は、図１による装置の上面図を示す。 図３は、動作しているときの、図１による装置の部分の動きを図解する。 図４は、本発明による装置の第二の実施形態を断面側面図で示す。 図５は、図４による装置の上面図を示す。 図６は、動作しているときの、図４による装置の部分の動きを図解する。 図面において同じ参照番号が適用される場合はいつでも、これらの番号は同じ部分を指す。

図１及び図２を参照して、取り付け部（mounting）又は入力第一リングアニュラス１を備えた、第一の基本的な実施形態による例示的な複合遊星摩擦駆動装置が示される。第一リングアニュラス１は、例えば、本発明による駆動装置の‘下方’部分の外側ハウジングであってもよい。この取り付け台又は第一リングアニュラス１は、固定された世界（the fixed world）に堅く付けられてもよく、又はエンジンハウジング若しくは動力構造の供給源に付けられてもよい。さらに、複合遊星摩擦駆動装置は、例えば何らかの種類のモータに由来する、駆動部（drive）又は入力部サンホイール２を有する。本発明の遊星摩擦駆動装置の中空の複合遊星ホイールは、参照符号３を用いて示されている。各遊星ホイール３は、例えば、中空の管であって、管の‘下方’部分と‘上方’部分との間でサイズにわずかな差を持っている。移行領域は、管の‘下方’と‘上方部分’との間に設けられている；以下で論じられる図４において、この移行領域は、参照符号Ａを用いて示されている。本発明によれば、遊星ホイール３は、管の‘下方’部分及び‘上方’部分、並びにそれらの部分の間にありそれらの部分を接続する移行領域にわたる、それらの全長に沿って、中空であり、且つ、不断に圧縮可能である。複数の遊星ホイール３の上方部分の間に、アイドリング第二サンホイール４が設けられている。このアイドリング第二サンホイール４は、主に遊星ホイール３に対して作用する力を均衡のとれた状態（balanced）に保つために働く。参照符号５は、第二リングアニュラスを示す。これは、駆動装置の‘上方’部分の外側ハウジングであり、典型的な出力部である。

図４及び図５は、図１及び図２を参照して記述された第一の実施形態のそれと類似の機能を備えた、本発明による装置の第二の有利な実施形態を示す。第一の実施形態に加えて、図４及び図５に示される第二の実施形態は、３つの更なる構成要素を表す：特に、中空の遊星ホイール３の第一部分と第一リングアニュラス１との間に組み付けられている、第一アイドリングホイール６；中空の遊星ホイール３の第二部分と第二リングアニュラス５との間に組み付けられている、第二アイドリングホイール７；並びに、これらのアイドリングホイール６，７のためのキャリア構造８。

アイドリングホイール６，７は、キャリア構造８を介して軸方向に整列させられており、キャリア構造８は、アイドリングホイール６，７が、自由に回転するが、軸方向に整列したままでいることを可能にする。アイドリングホイール６，７は、第一及び第二サンホイール１，４と共に、中空の遊星ホイール３の三角の懸架装置を作り出す。この構成は、中空の遊星ホイール３が駆動装置の他のホイールに比べて前進すること又は後退することを防ぐ。

伝動装置（transmission）のための、本発明の最も一般的な実施において、入力部又は第一（取付部）リングアニュラス１は、地面、又は他の（より大きな）装置の台に固定される。回転動力は、入力部（駆動部）又は第一サンホイール２によって供給される。中空の複合遊星ホイール３は、入力部又は第一サンホイール２の回りに対称的に配置され、装置の下方部分において、入力部サンホイール２と取り付け部又は第一リングアニュラス１との間で圧縮される。

第一の実施形態に関する図３は、第一サンホイール２が回されたときに、複合遊星ホイール３は第一リングアニュラス１の内壁に沿って転がることを示す。これは、まさに標準的なエピサイクリック伝動装置における場合と同様である。遊星ホイール３が第一リングアニュラス１の内壁に沿って‘転がっている’と同時に、それらはまた、それらの個別の軸の回りを回転している。遊星ホイール３の半径に存在する小さなステップ（段差）（図１は、遊星ホイールの上半分が、下方の半分の直径よりもわずかに大きい直径を有することを明確に示す）に起因して、複合遊星ホイール３の‘出力部’又は上方部分の接線方向の速度は、その遊星ホイール３の‘入力部’又は下方部分の接線方向の速度よりもわずかに大きい。この関係はまた、遊星ホイールの上半分の直径を下半分の直径よりもわずかに小さくすることによって、入力部の接線方向の速度が‘出力部’の接線方向の速度よりもわずかに大きくなるように、逆にされてもよい。

複合遊星ホイール３の出力部又は上方部分は、順に、出力部又は第二リングアニュラス５の内壁と接触しており、第二アイドリンサンホイール４は、常に全構成の上方部分の中心にある。第二アイドリンサンホイール４は非常に重要な役割を果たす‐それは、圧縮力の均等化（equalizing）を提供して複合遊星ホイール３を駆動装置の上方部分において正しく‘圧迫された（squeezed）’状態に保ち、トルク力が伝動装置の相対的位置（orientation）において望まれない不均衡を引き起こすことを避ける。

図６において、中空の遊星ホイール３の第一部分と第一リングアニュラス１との間に組み付けられている追加的な第一アイドリングホイール６、並びに中空の遊星ホイール３の第二部分と第二リングアニュラス５との間に組み付けられている第二アイドリングホイール７は、第一サンホイール２が第一の実施形態の場合と同じ方向を有する場合には、第二又は出力部リングアニュラス５の回転方向が逆になることをもたらす。しかしながら、最も重要なのは、アイドリングホイール６，７は、第一及び第二サンホイール１，４と共に、中空の遊星ホイール３の三角の懸架装置を作り出すことである。

複合遊星ホイール３におけるステップ変化のサインは、第二リングアニュラス５の回転方向を制御する；もしステップサイズが‘正’であれば‐すなわち、もし複合遊星ホイール３の出力部又は上方側の半径が、下方又は入力部の半径よりも大きければ、伝動装置は、逆転タイプになるであろう。第一サンホイール２が一方向に回る場合、出力部又は第二リングアニュラス５は、他方の方向に回るであろう。反対に、もしステップサイズが負であれば（すなわち、出力部又は上方側の半径が、遊星ホイール３の入力部又は下方側の半径よりも小さい場合には）、出力部又は第二アニュラス５は、前術のケースに対して反回転方向に回るであろう。これの利点は、装置の全体のサイズ及びそれを設計するための基礎的な計算が、動力の流れから独立していることである。

駆動装置のギア比は、複合遊星ホイール３におけるステップのサイズによって決定される。ギア比を決定する方程式の主要部分は、（数１）である。

これは、ギア比に対する最も大きな効果は、ステップサイズを非常に小さくすることによって得られることを意味する。この関係の単純さは、そのような駆動装置の主要な利点を示すために提供されている。

本発明によれば、複合遊星ホイール３は、上方部分、下方部分及びこれらの部分を接続する移行領域にわたるそれらの長手方向の全長に沿って、中空であり、且つ、圧縮可能である。遊星ホイール３をそれらの長手方向の全長に沿って中空且つ圧縮可能にすることによって、伝動装置が組み立てられるときにホイールをわずかに変形させることが可能である。それに応じて、単純に遊星ホイール３の全体の直径及びそれらの壁の厚さを変えることによって、第一サンホイール２の隣り合う壁、アイドリング第二サンホイール４、並びに出力部又は第二アニュラス５との、遊星ホイール３の壁接触によってどれだけ大きな力が与えられるかを制御することが可能である。

遊星ホイール３の継続的な過剰変形は伝動装置の寿命に負の影響を有し得るが、伝動装置は、遊星ホイール３が決して、それらの理論的な無限負荷シナリオを超えて変形又は荷重されないように設計されてもよい。遊星ホイール３のわずかな変形は、非変形材料（例えば、その降伏閾値以下で使用される鋼）が使用されるならば、エネルギー効率の点で、非常にわずかなコストを持つか又は全くコストを有しないであろう。

本発明の複合遊星摩擦駆動装置は、格別に効率的である。エピサイクリック摩擦伝動装置は概して９９．９９％を超える理論効率を有するとはいえ、前述の効果のために、これはおおよそ達成されることがない。本発明の複合遊星摩擦駆動装置は同様の理論効率を有するが、この効率は、広範囲の負化及びギア比について、実際に現実化されることができる。

考えられるギア比は、伝動装置の全体のサイズの組み合わせによって限定され、より大きな直径の駆動装置はより大きな比を有することができ、ポジティブには、より高い程度の精度はより高いギア比を可能にするという点で、達成可能な製造精度によって限定され、ネガティブには、比率のより小さな許容変動は、結果としてより小さな全体の比をもたらすという点で、出力比の最大許容変動によって限定される。したがって、十分な設計の検討がなされれば、実質的に任意の比率が、単一段階で達成されることができる。

本発明の更なる利点は、複合遊星摩擦駆動装置は、一連のベストプラクティスを使用して、設計することが容易なことである。それは、特別な機械加工ハードウェア又は専門知識を要求せず、任意の能力を持った機械工場において、非常に良好な品質に作られることができる。基本的な設計は、直接的に拡大縮小可能である‐負荷伝達能力は、他の全ての事が等しくして、駆動装置の直径を増大させるか又はその長さを増大させるかのいずれかによって、増大させられ得る。

以上、本発明は、本発明の複合遊星摩擦駆動装置の例示的な実施形態を参照して論じられたが、本発明は、この特定の実施形態に制限されない。本発明の実施形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、多くの方法で変更することが可能である。したがって、論じられた例示的な実施形態は、厳密にそれに従って添付の特許請求の範囲を解釈するために使用されないものとする。反対に、実施形態は、この例示的な実施形態に特許請求の範囲を限定することを意図せず、単に添付の特許請求の範囲の語句を説明するように意図されている。したがって、本発明の保護の範囲は、添付の特許請求の範囲のみに従って解釈されるものとし、特許請求の範囲の語句において可能性がある曖昧さは、この例示的な形態を使用して解決されるものとする。

Claims (5)

1. 第一サンホイールを有する複合遊星摩擦駆動装置であって、
   前記第一サンホイールは遊星ホイールと係合しており、前記遊星ホイールは、第一の半径を有する第一部分及び第二の半径を有する第二部分を備えており、
   前記第二の半径は前記第一の半径と異なり、前記第一部分と前記第二部分との間に移行領域が設けられており、
   前記遊星ホイールによって駆動される少なくとも一つのリングアニュラスが設けられており、
   前記サンホイールは前記遊星ホイールの前記第一部分と摩擦係合しており、前記遊星ホイールの前記第一部分は第一リングアニュラスと摩擦係合しており、第二リングアニュラスは前記遊星ホイールの前記第二部分と摩擦係合しており、
   前記遊星ホイールは、前記第一部分、前記移行領域及び前記第二部分にわたるそれらの全長に沿って、中空であり、且つ、不断に圧縮可能である、
   複合遊星摩擦駆動装置。
2. 前記遊星ホイールの前記第二部分は、アイドリング第二サンホイールと協働する、請求項１に記載の複合遊星摩擦駆動装置。
3. 前記遊星ホイールの前記第一部分と前記第一リングアニュラスとの間に、第一アイドリングホイールが組み付けられており、
   前記遊星ホイールの前記第二部分と前記第二リングアニュラスとの間に、第二アイドリングホイールが組み付けられている、
   請求項１又は請求項２に記載の複合遊星摩擦駆動装置。
4. 前記第一アイドリングホイール及び前記第二アイドリングホイールは、軸方向に整列させられている、請求項３に記載の複合遊星摩擦駆動装置。
5. 前記第一アイドリングホイール及び前記第二アイドリングホイールは、キャリア構造に取り付けられており、前記キャリア構造は、前記第一アイドリングホイール及び前記第二アイドリングホイールが、自由に回転するが、軸方向に整列したままでいることを可能にする、請求項３又は請求項４に記載の複合遊星摩擦駆動装置。
   
   
   
   
   
   
   
   

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