JP4807150B2 - 不思議遊星ローラ式減速機 - Google Patents

Description

本発明は、小径部が形成された複数の遊星ローラの小径部に外接された差動輪から動力を出力又は入力可能にされた不思議遊星ローラ式減速機の改良に関する。

従来、図５に示すように、太陽ローラ３ａと太陽ローラと同心に固定された短円筒状の固定輪５の間に遊星ローラ４を圧接状態で回転自在にされ、遊星ローラは図示しないキャリアによって円周等間隔に配置されている。遊星ローラ４は溝状の小径部４ｃと、小径部を挟んで長さの長い一方の側の大径部４ａと、長さの短い他方の側の大径部４ｂとから形成され、両大径部を太陽ローラ３ａの外周３ｃに接触させ、長さの長い一方の側の大径部４ａを固定輪５の内周５ａとの間で圧接する。一方、小径部４ｃに差動輪６′を外接させた不思議遊星ローラ式減速機が特許文献１に記載されている。これによれば、太陽ローラ３ａからの回転に対し、差動輪６′の回転が減速出力され、逆に差動輪を入力軸とすれば太陽ロータの回転が増速される。例えば変速比Ｒは、太陽ローラ３ａの直径Ｄｓ，遊星ローラ４の大径部４ａの直径Ｄｒ１，小径部４ｃの直径Ｄｒ２，固定輪５の内径Ｄｏ１，差動輪６′の内径Ｄｏ２とすると
Ｒ＝（１＋Ｄｏ１／Ｄｓ）／（１−Ｄｒ２・Ｄｏ１／（Ｄｒ１・Ｄｏ２））
となり、大きな減速比又は増速比を得られる。

しかし、図５のような構成においては、動作時において差動輪６′側に圧接される小径部４ｃと固定輪５側に圧接される長さの長い一方の側の大径部４ａにそれぞれ互いに逆方向の力が作用するので、遊星ローラ４をスキューさせようとする力が働き、損失トルクが増大する。そこで、特許文献１においては、遊星ローラの中央を小径部として、両側を大径部として、この両大径部にそれぞれ固定輪を外接させる。さらに、小径部に差動輪を外接させて、かつ差動輪を各固定輪に転がり軸受を介して回転可能に支持するようにしている。これにより、遊星ローラの長手方向の荷重のバランスが対称となりスキューの発生を減じている。なお、遊星ローラは軸受を介してキャリアに支持され、キャリアの両側端が軸受を介して太陽ローラに回転可能に支持されている。また、太陽ローラは固定輪が取り付けられる本体に軸受を介して片持ち支持されている。

一方、特許文献２においては、中央を大径部として固定輪の内周に圧接させ、遊星ローラの両側を小径部として、２個の差動輪にそれぞれ圧接させたものが開示され、特許文献１とは大径部及び固定輪、小径部及び差動輪の関係が逆になっている。この場合も、遊星ローラの長手方向の荷重のバランスが対称となりスキューの発生を減じている。さらに、遊星ローラの保持器（キャリア）は薄肉円筒状の保持器であって、キャリアの両側端が内径が軸受外輪外周に接触するようにして、軸受を介して太陽ローラに回転可能に支持されていると思われる図が記載されている。また、太陽ローラはキャリアが接している軸受の外輪を本体に固定して、両持ち支持されている。さらに、遊星ローラが接触する太陽ローラ面に遊星ローラ長さの幅にされた鍔状のガイドが図示され、それぞれ遊星ローラの端面と接触して図示されている。また、固定輪及び差動輪はそれぞれ本体に軸受を介して別々に支持された軸にギヤ等を介して伝達するようにされている。なお、特許文献２においては、特許文献１の固定輪、差動輪に相当する各輪のどちらか一方を固定して種々の変速機とした変形例が開示されている。
特許第２６４６０９９号公報 特開昭５９−２９８６４号公報

しかし、特許文献１，２のものは、遊星ローラを対称にして、固定輪又は差動輪のいずれか一方を二個とするので、部品が倍増し、構造が複雑になるという問題があった。また、長手方向に長くなるという問題があった。従って、電動機等を接続する場合にも大きくなり、コンパクトにまとめることが困難であった。また、特許文献１の場合は、固定輪の外側に軸受を介して差動輪を配置するので外径が大きくなってしまう。また、遊星ローラはキャリアに軸受で支持され、さらにキャリアが太陽ローラを介して軸受でガイドさせているので、構造が複雑で部品点数も多いという問題があった。また、太陽ローラは片持ち支持であるので剛性が小さいという問題があった。

また、特許文献２の場合は、全て軸を本体で両持ち支持しているが、２個ある差動輪を結合するための伝達軸を別に必要とするため半径方向の大きさが、さらに大きく、複雑になってしまうという問題があった。また、遊星ローラは中央を大径部としているので鍔状のガイドは小径部端に達する必要があるので、大きくなるという一方で、キャリアは薄くする必要があり、スキューに対しては全く効果を生じないものである。

本発明の課題は、前述した問題点に鑑みて、図５に示すような簡単な構造のまま、外径を小さく、太陽ローラを両持持ち支持とし剛性を上げることである。さらには、遊星ローラのスキューの発生を減じた、不思議遊星ローラ式減速機を提供することである。また、モータとの一体化を容易に図れる不思議遊星ローラ式減速機を提供することである。

本発明においては、小径部が形成された複数の遊星ローラの一方の側の大径部を固定輪と主軸に設けられた太陽ローラに圧接させ、他方の側の大径部を前記太陽ローラに圧接するとともに、前記小径部に回転自在な差動輪を外接させ、この差動輪からの動力を出力又は入力させるようにされた不思議遊星ローラ式減速機において、
前記差動輪は、前記遊星ローラの他方の側の大径部を覆うようにして前記軸側に延びる軸受支持部を有し、前記軸受支持部と前記主軸との間に中間軸受を介して、前記差動輪が前記主軸に対して回転自在に支持され、前記主軸は前記差動輪を貫通して、かつ、前記太陽ローラの反前記中間軸受側に配置された第一の主軸受と、前記中間軸受の前記反太陽ローラ側に配置された第二の主軸受と、により前記主軸の両側を回転自在に両持ち支持され、前記差動輪は前記第一、第二の主軸受が取付けられた本体フレームに直接回転自在に支持されることなく、かつ、前記第一及び第二の主軸受の内側に配設された前記中間軸受と前記遊星ローラを介して前記主軸に対して両持ち支持されている不思議遊星ローラ式減速機を提供することにより前述した課題を解決した。

即ち、主軸を貫通させ、主軸の両側を第一及び第二の主軸受で両持ち支持し、さらに、第一及び第二の主軸受間の主軸に設けられた中間軸受で差動輪を回転支持できるようにしたので、主軸と差動輪の同心度は非常に精度が高くなる。また、差動輪は遊星ローラの小径部とも圧接しているので主軸に対して両持ち支持されたと同様になる。

さらに、遊星ローラの軸方向移動やスキューの防止のため、請求項２に記載の発明においては、前記太陽ローラの両端には前記遊星ローラの軸方向移動を焼き付きなく阻止する微少隙間を有するガイドが設けるようにした。これによりスラスト受け等の構造も簡単である。

また、スキュー防止のため請求項３に記載の発明においては、前記遊星ローラを円周等間隔に保持するキャリアは、前記遊星ローラの周面の少なくとも片側４％以上がそれぞれ摺接し、前記遊星ローラ軸が描く軌跡の公転面に対して略垂直方向に沿って互いに対向して形成され、前記遊星ローラの周面とは焼き付きなく保持する微少隙間を有するようにされた対向面を有するポケットと、前記遊星ローラの両端面とはそれぞれ隙間を形成可能に配置された両側板と、を有する不思議遊星ローラ式減速機とした。

遊星ローラのキャリアにポケットを設け、ポケットに遊星ローラの周面を焼き付きなく保持する微少隙間とされた対向面を設け、遊星ローラをポケットで確実に保持するようにしたので、スキューが発生しても複数の遊星ローラが互いに干渉しあって、スキューを減じる。対向面の大きさは遊星ローラ周面の少なくとも片側４％以上、開き角度にして１５°以上の摺接面を確保し、遊星ローラのスキューを防止する。摺面が４％未満では、スキューによる荷重を支持できず変形又は摩耗するからである。

なお、遊星ローラは太陽ローラ及び固定輪、差動輪と接触するので、対向面の上限はこれら及び付属部品との干渉が無いような大きさにされることはいうまでもない。キャリアやローラ材質、潤滑方法、潤滑溝形状、潤滑油等の条件に応じて焼き付けが発生しないように、スキューを減じるためには微少隙間はできるだけ小さくする。また、両側板により確実にポケットを形成し、キャリアの剛性を高める。さらに、請求項２に記載のガイドと併用することにより、軸方向への規制を高め、よりスキューの発生を押さえる。なお、キャリア内径をガイド外周に摺接させたり、また、特許文献１，２のように、本体側の外輪等に摺接させる等して、キャリアの倒れを防止するようにすればより効果的である。

また、かかる不思議遊星ローラ式減速機においては、貫通する主軸を外部より回転させてもよいが、小型化にあっては、モータのロータと一体するのが好ましい。そこで、前記主軸の前記太陽ローラと前記第一の主軸受との間に設けられたロータと、前記ロータの外周であって前記第一の主軸受を支持する本体に固定されステータと、を有し、前記ステータにより前記ロータを回転可能にしたモータ付き不思議遊星ローラ式減速機とした。即ち、主軸を支持する軸受間にモータ部を形成した。

さらに、前記本体は前記第二の主軸受側方向に延びる略円筒状の筒部を有し、前記筒部の内側に前記固定輪と前記ステータとが同心に配設され、前記差動輪は前記筒部を覆うように形成された円筒カバーに同心に固定された不思議遊星ローラ式減速機とした。即ち、差動輪は両持ちであり剛性が高いので、径方向に大きく、また、長手方向にも大きくできる。そこで、モータ、遊星ローラ部等を差動輪の内方に配置した。

以上述べたように、本発明においては、太陽ローラを有する主軸を第一及び第二の主軸受で両持ち支持し、さらに、中間軸受で差動輪を回転支持させ、主軸と差動輪の同心度の精度を高くし、差動輪を中間軸受と遊星ローラの小径部とで両持ち支持するようにしたので、剛性が高く、確実な安定した減速、回転が行え、部品点数も少なく、コンパクトな不思議遊星ローラ式減速機となった。

さらに、太陽ローラの両側に遊星ローラを規制するガイドを設けスラスト受け等の構造も簡単にしたので、スキューや軸方向移動のずれが少なく、滑りの少ない、より小型で安定したものとなった（請求項２）。また、遊星ローラの端部は大径部であるので、遊星ローラの小径部が両側にある特許文献２の場合と違って、ガイドの径方向高さを小さくできる。

また、請求項３に記載の発明においては、遊星ローラの周面を焼き付きなく保持する微少隙間とされた摺接面が片側４％で遊星ローラの周面の４％（角度で１４．４°）以上である対向面を有するポケットで確実に保持するとともに、遊星ローラの姿勢を矯正し、スキューを減じるようにしたので、トルク伝達効率の高いものとなった。また、構造も簡単で、小型化し易いものとなった。さらに、請求項２に記載のガイドと併用して、スキューの発生を押さえるのに加え、ガイドの径方向高さを低くできるので、キャリアの内径を小さくできポケットの摺接面を大きくとることができ遊星ローラのスキューをさらに減らせる。

また、太陽ローラと第一の主軸受との間にロータと、ステータと配置し、主軸を支持する軸受間にモータ部を形成したモータ付き不思議遊星ローラ式減速機としたので、モータ付き駆動機構としてもコンパクトに構成でき、剛性も有するものとなった。

さらに、内側に固定輪とステータとが配設された筒部を覆うように、形成された円筒カバーを差動輪と一体にし、モータ、遊星ローラ部等を差動輪と一体にされた円筒カバー内方に配置できるので、長手方向に飛び出しが少なく、径方向の増加も少ないモータ付不思議遊星ローラ式減速機とすることができる。

本発明の第一の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第一の実施の形態を示す不思議遊星ローラ式減速機の断面図、図２は図１のＡ−Ａ線部分断面図である。なお、図１，２の他、各図の尺比は同じではない。このものは本発明の不思議遊星ローラ式減速機を例えば電動自転車に適用した場合を示すものである。図１に示すように、第一の本体フレーム１０にモータケース９が装着されている。もう一方の第二の本体フレーム１１には、主軸ケース１７が装着されている。太陽ローラ３ａを有する主軸３はモータケース９、主軸ケース１７にそれぞれ装着された第一の主軸受１３，及び第二の主軸受１５により、第一、第二の本体フレームに対して回転自在に支持されている。モータケース９にはステータ２が装着され、第一の本体フレーム１０に固定されている。またロータ１は主軸３の右側に装着され、その左側には主軸３と兼用の不思議遊星ローラ式減速機の太陽ローラ３ａが配置されており、モータ、減速機が同じ回転軸である主軸で支持され回転する。

主軸３に設けられた太陽ローラ３ａの外周３ｃには、キャリア７によって等分に分割配置された複数個（通常は３個以上）の遊星ローラ４が圧接回転可能に設けられている。太陽ローラ３ａの両側には鍔状にガイド３ｂが設けられており、遊星ローラ４の軸方向移動を規制する。遊星ローラ４の端面とガイド３ｂの内側面との間に微少隙間が設けられ、この微少隙間は遊星ローラの軸方向移動を焼き付きなく阻止するような値に設定される。

遊星ローラ４の外径は両端の大径部４ａ，４ｂが同径とされ、やや左寄り（第二の本体フレーム側）に溝状に小径部４ｃが設けられている。遊星ローラ４の一方の側、即ち右側外周（第一の本体フレーム側））４ａに固定輪５の内周５ａが圧接回転可能に嵌合されている。遊星ローラ４の小径部４ｃの外周には差動輪６の鍔部６ａの内周６ｂが圧接回転可能に嵌合されている。さらに第一の本体フレーム１０には、不思議遊星ローラ式減速機の固定輪５が装着され、該固定輪５は回転できないように、ピン８により本体フレーム１０に固着されている。

図２に示すように、キャリア７は遊星ローラ４を円周等間隔に保持するポケット２７が設けられている。ポケット２７は遊星ローラ４の大径部外周４ａより微少に大きくされた径の対向面２８を有している。この対向面２８は遊星ローラ軸２９が描く軌跡の公転面３０に対して略垂直方向に沿って互いに対向して形成され、それぞれ約９０°の開角度θの摺接面が設けられており、遊星ローラの大径部外周４ａ、４ｂと摺接するようにされている。さらに、キャリア７は両側に円盤状の側板７ｂ、７ｂが設けられ、遊星ローラ４の両端面４１，４１とは隙間４２が形成されている。

差動輪６は、遊星ローラ４の他方の側の大径部４ｂを覆うようにして、第二の主軸受方へ延び（図１で左方向へ延び）、さらに、主軸３側に延びる軸受支持部６ｃが設けられている。第二の主軸受に隣接して、中間軸受１４が主軸３に設けられている。軸受支持部６ｃの差動輪６の反小径部側端面と軸受ケース１６間に中間軸受１４の外輪がボルト１８により挟持固定されている。これにより、中間軸受１４、軸受支持部６ｃを介して差動輪６が主軸に対して回転自在に支持されている。従って、差動輪６は主軸３に装着された中間軸受１４と差動輪６の鍔部内周６ｂ（遊星ローラ４を介して）とにより、主軸３に対して回転自在に両持ち支持されている。軸受ケース１６，差動輪６によりハブ２１が形成され、ハブ２１にスポーク２０が取り付けられ図示しないリム及びタイヤチューブ等からなる車輪を形成されている。

かかる本発明の第一の実施の形態を示す不思議遊星ローラ式減速機の作用について説明する。外部から電力を供給されたステータからの電磁力によりロータ１を回転させる。ロータ１の回転は主軸３に伝わり、また同時に不思議遊星ローラ式減速機の太陽ローラ３ａにも伝達される。図１に示すように、不思議遊星ローラ式減速機の固定輪５を固着した場合、差動輪６は、遊星ローラ４の外周４ａと小径部４ｃとの直径差に応じて減速され、駆動軸（太陽ローラ３ａ）３とは逆の方向に回転することとなり、結局ロータ１の回転は、逆の方向に減速されて差動輪６であるハブ２１に伝達される。

電動自転車等の場合、ロータ１の回転数を毎分２０００回転程度とすると、不思議遊星ローラ式減速機の減速比を３０程度に設定するとよい。なお不思議遊星ローラ減速機で、遊星ローラの直径差（ローラ外周４ａと小径部４ｃの外周）に応じて、数十から数百の減速比が得られることは前述したように周知の事実である。

かかる構成においては、小型で減速機が遊星ローラ式のため、回転が滑らかで感性が良く、減速比が大きく設定できるので、電動自転車や電動アシスト自転車等に利用できる。特に各部品が両持ち支持となるので、確実で安定した回転となる。また、スキュー等も少なく安定したものとなる。さらに、モータ及び減速機が同軸となるので、駆動部をコンパクトにすることができる。

次に本発明の第二の実施の形態について説明する。図３は本発明の第二の実施の形態を示す不思議遊星ローラ式減速機の断面図である。第二の実施の形態においては、軸方向長さを縮めたものである。なお、図１と同様な部分については、図１と同符号を付し、説明の一部を省略する。図３に示すように、主軸３は、右側の第一の本体フレーム１０，左側第二の本体フレーム１１にそれぞれ装着された第一の主軸受１３，第二の主軸受１５により、本体フレーム１０，１１に対して回転自在に支持されている。第一の本体フレーム１０は第二の本体フレーム１１方向に延びる略円筒状の筒部１０ａを有し、筒部の内側に固定輪５とステータ２とが同心に配設固定されている。固定輪５は回転できないように、ピン８により筒部１０ａに固着されている。また主軸３の固定輪５及びステータ２にそれぞれ相対する位置に遊星ローラ４，太陽ローラ３ａ、ロータ１が装着されている。

主軸３に設けられた太陽ローラ３ａの外周の第二の本体フレーム側、遊星ローラ４の小径部４ｃに差動輪６の鍔部６ａの内周６ｂが圧接回転可能に嵌着されている。差動輪６は円筒カバー１２にボルト１８で同心に固定一体とされ、主軸３の中間軸受１４に回転可能に支持されている。さらに、円筒カバー１２は筒部１０ａを覆うように形成され、円筒カバーの両端よりスポーク２０が張り出すように形成されハブ２１とされている。

ロータ１の回転は主軸３に伝わり、また同時に太陽ローラ３ａにも伝達され、最終的にロータの回転が差動輪６と一体になったハブ２１に逆の方向に減速されて伝達されることは前述と同様である。かかる構成においては、モータと減速機がハブの内側に位置しているので、更にコンパクト化できる。

本発明の第三の実施の形態について説明する。図４は本発明の第三の実施の形態を示す不思議遊星ローラ式減速機の断面図である。図３と同様な部分は同符号を付し説明を省略する。第三の実施の形態は電動アシスト自転車の後輪に不思議遊星ローラ式減速機を適用した例である。ハブ２１の側面にスプロケット２２が装着されている点が図３と異なり、ペダルによる駆動力がスプロケット２２を介してハブ２１に伝わりロータ１、ステータ２からなるモータの駆動をアシストする。

本発明の第一の実施の形態を示す不思議遊星ローラ式減速機の断面図である。 図１、図３、図４の太陽ローラ、遊星ローラ、キャリア、差動輪のＡ−Ａ線部分断面図である。 本発明の第二の実施の形態を示す不思議遊星ローラ式減速機の断面図である。 本発明の第三の実施の形態を示す不思議遊星ローラ式減速機の断面図である。 従来の不思議遊星ローラ式減速機の断面図である。

符号の説明

３ 主軸
３ａ 太陽ローラ
３ｂ ガイド
３ｃ 太陽ローラ外周
４ 遊星ローラ
４ａ 遊星ローラの一方の側の大径部（周面）
４ｂ 遊星ローラの他方の側の大径部（周面）
４ｃ 遊星ローラ小径部
５ 固定輪
６ 差動輪
６ｃ 軸受支持部
７ キャリア
７ｂ 側板
９、１０、１１ 本体（第一、第二の本体フレーム）
１０ａ 筒部
１３ 第一の主軸受
１４ 中間軸受
１５ 第二の主軸受
２７ ポケット
２８ 対向面
２９ 遊星ローラ軸
３０ 公転面
４１ 遊星ローラの端面
４２ 隙間

Claims (3)

1. 小径部が形成された複数の遊星ローラの一方の側の大径部を固定輪と主軸に設けられた太陽ローラに圧接させ、他方の側の大径部を前記太陽ローラに圧接するとともに、前記小径部に回転自在な差動輪を外接させ、この差動輪からの動力を出力又は入力させるようにされた不思議遊星ローラ式減速機において、
   前記差動輪は、前記遊星ローラの他方の側の大径部を覆うようにして前記軸側に延びる軸受支持部を有し、前記軸受支持部と前記主軸との間に中間軸受を介して、前記差動輪が前記主軸に対して回転自在に支持され、前記主軸は前記差動輪を貫通して、かつ、前記太陽ローラの反前記中間軸受側に配置された第一の主軸受と、前記中間軸受の前記反太陽ローラ側に配置された第二の主軸受と、により前記主軸の両側を回転自在に両持ち支持され、前記差動輪は前記第一、第二の主軸受が取付けられた本体フレームに直接回転自在に支持されることなく、かつ、前記第一及び第二の主軸受の内側に配設された前記中間軸受と前記遊星ローラを介して前記主軸に対して両持ち支持されていることを特徴とする不思議遊星ローラ式減速機。
2. 前記太陽ローラの両端には前記遊星ローラの軸方向移動を焼き付きなく阻止する微少隙間を有するガイドが設けられていることを特徴とする請求項１記載の不思議遊星ローラ式減速機。
3. 前記遊星ローラを円周等間隔に保持するキャリアは、前記遊星ローラの周面の少なくとも片側４％以上がそれぞれ摺接し、前記遊星ローラ軸が描く軌跡の公転面に対して略垂直方向に沿って互いに対向して形成され、前記遊星ローラの周面とは焼き付きなく保持する微少隙間を有するようにされた対向面を有するポケットと、前記遊星ローラの両端面とはそれぞれ隙間を形成可能に配置された両側板と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の不思議遊星ローラ式減速機。

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