NEDO 若手研究グラント平成21年度採択テーマから産学連携のための研究紹介

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低燃費・高加速・減速感抑制・高精度を実現できる変速システムを開発

〜 非円形歯車を用いて変速時の"駆動力抜け"をゼロに 〜

研究機関・所属 京都大学 大学院工学研究科 機械理工学専攻
氏名・職名 小森雅晴 准教授
研究テーマ名 トラック・バスの変速時の駆動力抜けによるエネルギー損失をゼロにし、変速中も加速可能な低燃費高加速型変速機の開発
応用想定分野 走行車両、高齢者向け移動装置、位置決め装置、ロボット、建設機械、自動車、産業機器
技術概要

 地球温暖化対策として二酸化炭素排出量の削減が急務であり、トラック・バスでは加速時の燃費の向上が強く求められています。加速時には速度に応じて変速機内の歯車対を切り替える変速作業が必要となりますが、変速作業中はエンジンからタイヤに駆動力が伝わらないため、その間に無駄にエネルギーが消費されることとなります。また、変速作業中はタイヤが駆動力を失い、加速をしたい状況にもかかわらず速度が低下するため、運転者は変速後に余分にアクセルペダルを踏み込む必要があります。このことが加速時の燃費を悪化させています。
 一方、変速時の速度低下は運転者や乗客に不快感を与えるとともに、車両の加速を阻害するため、トラック・バスが車の流れにスムーズにのることを難しくしており、運転者にストレスや疲労を与える恐れがあります。しかしながら、一般に「燃費を向上させるためにはゆっくり加速をする」ということが常識的な考えであり、燃費向上と加速性能向上を両立することは困難でした。

 今回開発した技術は、図1に示すように非円形歯車が変速前後の歯車の両方の形状を兼ね備えることにより、滑らかに減速比を変化させることができることを特徴とします。これにより、変速の際に生じる"駆動力抜け"をゼロにできるため、加速時の燃費を向上させることが可能となります。また、常に駆動力を伝えられるので、変速時でも速度低下することなく加速できることから、運転者や乗客の疲労軽減、そして安全性や快適な運転の実現も期待できます。
 さらに、変速の際に回転角度を正確に伝達できるという特徴を活かして、産業機器やロボットの駆動装置への応用や、高齢者向け移動装置など、新たなモビリティを実現するための駆動装置としての利用も期待されます。

  • 図1 非円形歯車を用いた変速システム
技術の特徴

 今回、開発した技術は、減速比を滑らかに変化させることができる非円形歯車により、切り替えを行う2組の歯車対の中間的な状況を作り出し、変速中も駆動力を伝えることができるメカニズムを提案し、これに基づく変速システムの開発に成功しました。トラックやバスなどで使用されている現在の歯車式変速機では、変速の際に約1〜数秒の間、タイヤは駆動力を失ってしまう状態となりますが、この変速システムでは駆動力が抜ける時間をゼロにすることができます。さらに、変速の際にも非円形歯車が回転を伝達するので、正確な回転角度の伝達が可能です。

(1)加速性能を良くしつつ燃費も良くする: 相反する両性能の向上
現在の歯車式変速機では変速時にタイヤに駆動力が伝わらないため、その間に無駄にエネルギーが消費されるとともに、速度低下を引き起こします。そのため、運転者は変速後に余分にアクセルペダルを踏み込むこととなり、これが加速時の燃費を悪化させていました。しかし、この変速システムでは、変速時にも非円形歯車が駆動力を伝達しながら減速比を滑らかに変化させるため、エネルギーを有効に利用でき、かつ、高い加速性能も実現することができます。さらに変速時の"駆動力抜け"が無いことは、減速感を抑制できるため、運転者や乗客の疲労軽減、そして安全性や快適な運転の実現も期待できます。
(2)正確な回転の伝達が可能
現在の変速機では変速時に入力軸と出力軸が遮断された空転状態となるため、回転を正確に伝達することは不可能です。しかしこの変速システムでは変速の際にも非円形歯車が回転を伝えるため、回転角度を正確に制御することが可能となります。このため、精密位置決め装置やロボットなど機械に正確な動作が要求される分野などで、この変速システムの応用が可能です。例えば、ロボットに応用すれば、駆動力を制御しつつ、ロボットの手先先端位置を狙い通りの位置に移動させることが可能となります。
(3)変速システム適用範囲の拡大
変速時に回転が遮断されない本変速システムであれば、これまで変速機を利用できなかった分野でも利用可能であり、これにより、駆動源の小型化や共通化、高い速度と大きな駆動力を実現することができます。例えば、高齢者向け移動装置などに応用すれば、坂道や段差を乗り越える際に、本変速システムによって駆動力を増加させることでスムーズに走行することが可能となるなどのメリットが考えられます。このように、新たなモビリティを実現するための駆動装置としての活用も期待されます。
従来技術との比較

特許出願状況
国際公開番号:WO2008/062718、公開日:平成20年5月29日、発明の名称:変速機及び変速方法
研究者からのメッセージ

 本変速システムは、トラック・バスや自動車だけでなく、各種走行車両、高齢者向け移動装置、位置決め装置、ロボット、建設機械に適用することができます。これにより、駆動源の小型化や共通化、高い速度と大きな駆動力、正確な制御を実現することができます。共同研究などの産学連携を希望します。

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