JP6583347B2 - 歯車伝動装置 - Google Patents

Description

この発明は、遊星歯車機構を用いて動力を伝達する歯車伝動装置に関するものである。

この種の装置の一例が特許文献１に記載されている。その装置は、２つのステップドピニオンギヤと、それらのステップドピニオンギヤを自転および公転可能に支持するキャリヤとを備えている。そのキャリヤにモータが連結されている。各ステップドピニオンギヤは、キャリヤにおける同一円周上に等間隔に配置されており、固定側遊星歯車と当該固定側遊星歯車より小径の出力側遊星歯車とを有している。また、キャリヤの回転中心軸線と同軸上に、所定の固定部に固定された固定歯車と、出力軸に連結された出力歯車とが配置されている。固定歯車は固定側遊星歯車より大径のギヤであって、その固定歯車に固定側遊星歯車が噛み合っている。出力歯車は出力側遊星歯車より大径のギヤであって、その出力歯車に出力側遊星歯車が噛み合っている。そして、モータのトルクによってキャリヤが回転すると、固定側遊星歯車は固定歯車に噛み合いながら自転および公転する。その自転回転数は、固定側遊星歯車と固定歯車との歯数の比に応じて決まる回転数となり、その回転数で出力側遊星歯車が自転する。この出力側遊星歯車に噛み合っている出力歯車すなわち出力軸は、出力側遊星歯車と出力歯車との歯数の比および出力側遊星歯車の自転回転数ならびに公転回転数に応じた回転数で回転する。すなわち、出力軸の回転数に対するモータの回転数である変速比は、各固定側遊星歯車と固定歯車との歯数比および出力側遊星歯車と出力歯車との歯数比によって決まり、モータトルクはその変速比に応じて増減されて出力軸から出力される。

特開２０１０−６００９５号公報

特許文献１に記載された装置では、出力歯車あるいはこれと一体の出力軸を回転させる出力側遊星歯車を公転させるとともに、その出力側遊星歯車の自転回転数を固定歯車およびこれに噛み合っている固定側遊星歯車によって減速するから、減速機構として構成した場合には、減速比を大きくすることができる。しかしながら、特許文献１に記載された構成では、キャリヤに連結されている入力軸と固定歯車が設けられている出力軸とが、上記の歯車機構を挟んだ両側で同一軸線上に配置されている。そのため、入力のための機構と出力のための機構との配置に制約があり、例えば車両に搭載する場合には、車載性の点で改良する余地がある。また、特許文献１に記載された構成では、変速比を決める各歯車がキャリヤの内周側に配置されているので、組み付け性や歯車の加工性などの点で、各歯車の径や歯数が制約され、その結果、装置の全体としての変速比が制約され、例えば減速比を大きくできないなどの課題がある。

この発明は上記のような技術的課題に着目してなされたものであり、装置を大型化することなく、大きな入出力比を設定することができるとともに、入出力比の選択あるいは設定の自由度を向上することのできる歯車伝動装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、この発明は、トルクが入力されまたは出力する第１軸と、トルクを出力しまたは入力される第２軸との間で、トルクを増幅しもしくは減少させて伝達する歯車伝動装置において、前記第１軸に連結されたキャリヤと、前記キャリヤに自転可能に保持された第１ピニオンギヤと、所定の固定部に連結されかつ前記第１ピニオンギヤに噛み合う第１リングギヤと、前記第１ピニオンギヤに噛み合う第１サンギヤと、前記第１サンギヤと一体に回転する第２サンギヤと、前記キャリヤに自転可能に保持されるとともに前記第２サンギヤに噛み合う第２ピニオンギヤと、前記第２ピニオンギヤと一体に回転する第３ピニオンギヤと、前記第３ピニオンギヤに噛み合うとともに前記第２軸に連結された第２リングギヤとを備えていることを特徴とするものである。

この発明では、前記キャリヤに形成された外歯ギヤと、前記外歯ギヤに噛み合っているドライブギヤとを更に備え、前記ドライブギヤに前記第１軸が連結されていてよい。

この発明では、前記第１軸に前記トルクが入力され、前記第２軸から前記トルクを出力するように構成されていてよい。

この発明によれば、例えば第１軸にトルクが入力されると、そのトルクを受けてキャリヤが回転する。それに伴って第１リングギヤの内側を第１ピニオンギヤが回転し、第１ピニオンギヤからトルクを受けて第１サンギヤが回転する。また、第１サンギヤと一体に第２サンギヤが回転する。第２サンギヤからトルクを受けて第２ピニオンギヤが回転する。また、第２ピニオンギヤと一体に第３ピニオンギヤが回転し、第２軸からトルクが出力される。すなわち、この発明に係る歯車伝動装置では、第１リングギヤと第１サンギヤとのギヤ比、および第２サンギヤと第２ピニオンギヤとのギヤ比、ならびに第３ピニオンギヤと第２リングギヤとのギヤ比に応じて、第１軸と第２軸との変速比（減速比）が設定される。そのため、ギヤ対を形成しているギヤ同士の歯数の差が小さいとしても、入力回転数と出力回転数との比を大きくすることができる。言い換えると、いずれかのギヤを大型化することなく、高減速比を得ることができる。また、入出力比の設定に使用するギヤの数つまりパラメータの数が従来に比較して多くすることができるので、入出力比を設定する自由度を向上することができるとともに、入出力比の設定幅を拡大することができる。そして、歯車伝動装置を従来になく小型化することができる。

この発明の実施形態における歯車伝動装置の一例を模式的に示すスケルトン図である。 この発明の実施形態における歯車伝動装置の他の例を模式的に示すスケルトン図である。

図１は、この発明の実施形態における歯車伝動装置の一例を模式的に示すスケルトン図である。ここに示す歯車伝動装置１は、減速装置として構成されている。歯車伝動装置１は、トルクが入力される入力軸２を備え、その入力軸２にアクチュエータ３が連結されている。アクチュエータ３は、例えば、永久磁石式の同期モータや誘導モータなどの駆動力源として機能するものであってもよく、摩擦ブレーキなどの制動力を生じるものであってもよい。アクチュエータ３で発生させたトルクが入力軸２に伝達されるように構成されている。複数のピニオンギヤＰ１，Ｐ２，Ｐ３を回転（自転）可能に支持するキャリヤ４が、入力軸２にトルク伝達可能に連結されている。このキャリヤ４は、入力軸２と同一軸線上に配置されている。なお、入力軸２が、この発明の実施形態における「第１軸」に相当する。

キャリヤ４は、回転中心軸線方向にそれぞれ所定の間隔を空けて配置された三つのキャリヤプレート５，６，７を備えている。これらのキャリヤプレート５，６，７は同一軸線上に配置されている。具体的には、入力軸２に連結された第１キャリヤプレート５と、第１キャリヤプレート５に対向して配置された第２キャリヤプレート６と、第２キャリヤプレート６に対向するとともに第２キャリヤプレート６を挟んで第１キャリヤプレート５とは反対側に配置された第３キャリヤプレート７とを備えている。

第１キャリヤプレート５と第２キャリヤプレート６とを連結する第１ピニオンシャフト８が、第１キャリヤプレート５および第２キャリヤプレート６の外周側に設けられ、第２キャリヤプレート６と第３キャリヤプレート７とを連結する第２ピニオンシャフト９が、第２キャリヤプレート６および第３キャリヤプレート７の外周側に設けられている。これらの第１ピニオンシャフト８および第２ピニオンシャフト９は、キャリヤ４の回転方向に所定の間隔を空けて複数設けられている。なお、第１ピニオンシャフト８と第２ピニオンシャフト９とは、第２キャリヤプレート６の円周方向で同一の位置（位相）に設けられていてもよく、また第２ピニオンシャフト９を設けることなく、第１ピニオンシャフト８が第２キャリヤプレート６を貫通して第３キャリヤプレート７まで形成されていてもよい。

第１キャリヤプレート５と第３キャリヤプレート７とを連結する中心軸１０が設けられている。具体的には、中心軸１０の一方の端部が、第１キャリヤプレート５の回転中心に連結され、中心軸１０の他方の端部が、第３キャリヤプレート７の回転中心に連結されている。すなわち、第１キャリヤプレート５と第２キャリヤプレート６と第３キャリヤプレート７とが一体に回転する。なお、第２キャリヤプレート６には、中心軸１０および後述するサンギヤ軸１１が挿入される貫通孔１２が形成されている。

第１ピニオンシャフト８には、第１ピニオンギヤＰ１が自転可能に保持されている。上記の歯車伝動装置１は、ケースＣに収容されており、そのケースＣの内面のうちの第１ピニオンギヤＰ１の外側の部分に第１リングギヤＲ１が形成されている。その第１リングギヤＲ１と第１ピニオンギヤＰ１とが噛み合っている。第１ピニオンギヤＰ１は、第１ピニオンギヤＰ１が公転する回転中心側に設けられた環状の第１サンギヤＳ１に更に噛み合っている。なお、ケースＣが、この発明の実施形態における「固定部」に相当する。

第１サンギヤＳ１には、第２キャリヤプレート６側に向けて配置された円筒状のサンギヤ軸１１の一方の端部が連結されており、サンギヤ軸１１の他方の端部には、第２キャリヤプレート６を挟んで第１サンギヤＳ１とは反対側に設けられた環状の第２サンギヤＳ２が連結されている。すなわち、第１サンギヤＳ１と第２サンギヤＳ２とが一体に回転する。

第２サンギヤＳ２には、同心円状に配置された第２ピニオンギヤＰ２が噛み合っている。この第２ピニオンギヤＰ２は環状に形成された外歯歯車であり、第２ピニオンシャフト９に自転可能に保持されている。第２ピニオンギヤＰ２には、円筒状の連結軸１３の一方の端部が連結されており、その連結軸１３の他方の端部には、第３ピニオンギヤＰ３が連結されている。すなわち、第２ピニオンギヤＰ２と第３ピニオンギヤＰ３とが一体に回転する。

そして、上記の第３ピニオンギヤＰ３に第２リングギヤＲ２が噛み合っている。この第２リングギヤＲ２は、出力軸１４にトルクを伝達できるように構成されており、第３キャリヤプレート７の外側を囲う円筒部１５を備えており、その円筒部１５の内面のうちの第３ピニオンギヤＰ３の外側の部分に内歯が形成されている。円筒部１５の一方の開口端には、開口端を閉じるとともに第３キャリヤプレート７と対向した円盤部１６が連結されており、その円盤部１６の回転中心に出力軸１４が連結されている。

つぎに、上記構成の歯車伝動装置１の作用について説明する。アクチュエータ３のトルクによってキャリヤ４が回転すると、各サンギヤＳ１，Ｓ２の周囲を各ピニオンギヤＰ１，Ｐ２，Ｐ３が公転する。上記のように第１リングギヤＲ１はケースＣに固定されているため、第１ピニオンギヤＰ１は第１リングギヤＲ１に噛み合いながら、自転しつつ第１サンギヤＳ１の周囲を公転する。この場合の第１ピニオンギヤＰ１の回転数は、キャリヤ４の回転数をNin、第１ピニオンギヤＰ１の歯数をZP1、第１リングギヤＲ１の歯数をZR1とすると、Nin(1-ZR1/ZP1）となる。つまり、キャリヤ４とは反対方向に回転する。

その第１ピニオンギヤＰ１の回転に伴って第１サンギヤＳ１が回転する。この場合の第１サンギヤＳ１の回転数Ns1は、第１サンギヤＳ１の歯数をZS1とすると、
Ns1=Nin(1+ZR1/ZS1)
となる。つまり、キャリヤ４と同一方向に回転するとともに、キャリヤ４よりも高回転数で回転する。上述したように第１サンギヤＳ１と第２サンギヤＳ２とはサンギヤ軸１１で連結されているため、第２サンギヤＳ２の回転数は、第１サンギヤＳ１と同一であり、かつキャリヤ４と同一方向に回転する。

第２ピニオンギヤＰ２は、第２サンギヤＳ２からトルクが伝達されることにより回転するとともに、キャリヤ４の回転に伴って回転する。その場合の回転数Np2は、第２サンギヤＳ２の歯数をZS2、第２ピニオンギヤＰ２の歯数をZP2とすると、
Np2=Nin(1−（ZR1/ZS1)×(ZS2/ZP2)）
となる。すなわち、第１リングギヤＲ１と第１サンギヤＳ１とのギヤ比、および第２サンギヤＳ２と第２ピニオンギヤＰ２とのギヤ比に応じて、第２ピニオンギヤＰ２の回転数と回転方向が定まる。上述したように第２ピニオンギヤＰ２と第３ピニオンギヤＰ３とは、連結軸１３で連結されているため、一体に回転する。したがって、第３ピニオンギヤＰ３の回転数と回転方向とは、第２ピニオンギヤＰ２と同一になる。

そして、第３ピニオンギヤＰ３が回転することに伴って第２リングギヤＲ２が回転する。その場合の回転数Nr2は、第２リングギヤＲ２の歯数をZR2、第３ピニオンギヤＰ３の歯数をZP3とすると、
Nr2=Nin(1-（ZR1/ZS1)×(ZS2/ZP2)×(ZP3/ZR2)）
となる。すなわち、第１リングギヤＲ１と第１サンギヤＳ１とのギヤ比、第２サンギヤＳ２と第２ピニオンギヤＰ２とのギヤ比、第３ピニオンギヤＰ３と第２リングギヤＲ２とのギヤ比に応じて、第２リングギヤＲ２の回転数と回転方向とが定まる。

上記の式に、Nin=1、ZR1=30、ZS1=29、ZS2=30、ZP2=31、ZP3=30、ZR2=30をそれぞれ代入して出力軸１４の回転数（第２リングギヤＲ２の回転数）Noutを計算すると、
Nout＝-0.001112
となる。すなわち、アクチュエータ３を駆動して入力軸２およびキャリヤ４を１回転させると、出力軸１４は入力軸２とは反対方向に「0.001112」回転する。つまり、入力トルクは増幅されて出力される。なお、減速比γはＮoutの逆数であって、「-899」となる。

したがって、この発明の実施形態における歯車伝動装置１によれば、上記の式に示すように、三つのギヤ対のギヤ比に応じて、入力軸２と出力軸１４との変速比（減速比）が設定される。そのため、ギヤ対を形成しているギヤ同士の歯数の差が小さいとしても、入力回転数Ninと出力回転数Noutとの比を大きくすることができる。言い換えると、いずれかのギヤを大型化することなく、高減速比を得ることができる。その結果、各ギヤＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｓ１，Ｓ２を小型化することができる。更に、この発明の実施形態における歯車伝動装置１では、３つのギヤ対つまり合計６つのギヤに基づいて入出力比が設定される。前述した特許文献１に記載された装置と比較すると、特許文献１に記載された装置では、４つのギヤに基づいて入出力比が設定される。したがって、特許文献１に記載された装置と比較して入出力比を設定するためのパラメータが増える分、入出力比の設定の自由度が高くなるとともに、その設定幅を拡大することができる。

図２は、この発明の実施形態における歯車伝動装置の他の例を模式的に示すスケルトン図である。ここに示す例は、２つの入力軸１７，１８を、キャリヤ４の軸線方向で出力軸１４と同じ側に設けた例である。具体的には、第２キャリヤプレート６の外周面に、第３キャリヤプレート７側に向けて配置された円筒部１９が形成されており、その円筒部１９の外周面に外歯ギヤ２０が形成されている。この外歯ギヤ２０には、外歯ギヤ２０より小径のギヤである少なくとも２つのドライブギヤ２１，２２が噛み合っている。各ドライブギヤ２１，２２にアクチュエータ２３，２４がそれぞれ連結されている。したがって、図２に示す構成の歯車伝動装置１によれば、２つのアクチュエータ２３，２４によってトルクを発生させるとともに、それらのアクチュエータ２３，２４で発生させたトルクをドライブギヤ２１，２２と外歯ギヤ２０とのギヤ比に応じて増幅してキャリヤ４に伝達する。そのため、それぞれのアクチュエータ２３，２４で発生させるトルクを小さくすることができる。それに伴って、アクチュエータ２３，２４を小型化することができるので、ひいては歯車伝動装置１を更に小型化することができる。また、入出力比を更に大きくすることができる。

なお、この発明は上述した各実施形態に限定されないのであって、この発明における歯車伝動装置１を増速機構として用いることも可能である。すなわち、上述した歯車伝動装置１において、キャリヤ４に出力軸１４を連結し、第２リングギヤＲ２に入力軸２を連結する。こうすることにより、入力軸２の回転数に対して出力軸１４の回転数が増速される増速機構を構成することができる。また、図２で示した歯車伝動装置１において、２つのアクチュエータ２３，２４のうち、いずれか一方のアクチュエータ２３（２４）は、例えば、ブレーキ機構や発電機、あるいは、発電機能のあるモータなどであってよく、いわゆるブレーキ力を発生するように構成されていてよい。こうすることにより、駆動用のアクチュエータと制動用のアクチュエータとを備えた歯車伝動装置とすることができる。さらに、図２に示した歯車伝動装置１において、各ドライブギヤ２１，２２の大きさが異なっていてもよい。

１…歯車伝動装置、 ２，１７，１８…入力軸、 ３，２３，２４…アクチュエータ、 ４…キャリヤ、 １４…出力軸、 ２０…外歯ギヤ、 ２１，２２…ドライブギヤ、 Ｓ１…第１サンギヤ、 Ｓ２…第２サンギヤ、 Ｐ１…第１ピニオンギヤ、 Ｐ２…第２ピニオンギヤ、 Ｐ３…第３ピニオンギヤ、 Ｒ１…第１リングギヤ、 Ｒ２…第２リングギヤ、 Ｃ…ケース。

Claims (3)

1. トルクが入力されまたは出力する第１軸と、トルクを出力しまたは入力される第２軸との間で、トルクを増幅しもしくは減少させて伝達する歯車伝動装置において、
   前記第１軸に連結されたキャリヤと、
   前記キャリヤに自転可能に保持された第１ピニオンギヤと、
   所定の固定部に連結されかつ前記第１ピニオンギヤに噛み合う第１リングギヤと、
   前記第１ピニオンギヤに噛み合う第１サンギヤと、
   前記第１サンギヤと一体に回転する第２サンギヤと、
   前記キャリヤに自転可能に保持されるとともに前記第２サンギヤに噛み合う第２ピニオンギヤと、
   前記第２ピニオンギヤと一体に回転する第３ピニオンギヤと、
   前記第３ピニオンギヤに噛み合うとともに前記第２軸に連結された第２リングギヤと
   を備えていることを特徴とする歯車伝動装置。
   
2. 請求項１に記載の歯車伝動装置において、
   前記キャリヤに形成された外歯ギヤと、
   前記外歯ギヤに噛み合っているドライブギヤとを更に備え、
   前記ドライブギヤに前記第１軸が連結されている
   ことを特徴とする歯車伝動装置。
   
3. 請求項１または２に記載の歯車伝動装置において、
   前記第１軸に前記トルクが入力され、
   前記第２軸から前記トルクを出力するように構成されている
   ことを特徴とする歯車伝動装置。

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