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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-05-24
(45)【発行日】2023-06-01
(54)【発明の名称】変速装置
(51)【国際特許分類】
F16H 3/72 20060101AFI20230525BHJP
F16H 3/74 20060101ALI20230525BHJP
F16H 3/093 20060101ALI20230525BHJP
F16H 3/02 20060101ALI20230525BHJP
F16H 47/04 20060101ALI20230525BHJP
F16H 61/44 20060101ALI20230525BHJP
【ＦＩ】
F16H3/72 A
F16H3/74 Z
F16H3/093
F16H3/02 B
F16H47/04 A
F16H61/44
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2022553264
(86)(22)【出願日】2020-09-29
(86)【国際出願番号】 JP2020036938
(87)【国際公開番号】W WO2022070261
(87)【国際公開日】2022-04-07
【審査請求日】2022-05-20
(73)【特許権者】
【識別番号】000005522
【氏名又は名称】日立建機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002457
【氏名又は名称】弁理士法人広和特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】鯉沼 琢麻
【審査官】前田 浩
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２００６／０２７９８３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００１－３１７６１１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ１６Ｈ ３／７２
Ｆ１６Ｈ ３／７４
Ｆ１６Ｈ ３／０９３
Ｆ１６Ｈ ３／０２
Ｆ１６Ｈ ４７／０４
Ｆ１６Ｈ ６１／４４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
動力源に繋がる入力軸と、負荷に繋がる出力軸と、前記入力軸と前記出力軸との間に設けられた遊星機構と、前記遊星機構に接続された第１バリエータと、前記第１バリエータとは別に設けられた第２バリエータと、前記第１バリエータの回転速度を変更するコントローラとを備え、前記遊星機構は、キャリアと、前記キャリアの回転中心軸を中心として自転する第１サン部材と、前記キャリアの回転中心軸を中心として自転する第２サン部材との３つの部材を含んで構成されており、
前記遊星機構の前記３つの部材のうちの１つである第１部材は、前記入力軸に直接または他の部材を介して接続されており、
前記遊星機構の前記３つの部材のうちの前記第１部材とは別の第２部材は、前記第１バリエータに直接または他の部材を介して接続されており、
前記遊星機構の前記３つの部材のうちの前記第１部材および前記第２部材とは別の第３部材は、前記出力軸に直接または他の部材を介して接続されており、
前記遊星機構の前記キャリアには、前記キャリアの回転中心軸を中心に公転しつつ前記第１サン部材と前記第２サン部材と回転しながら動力伝達を行うプラネット部材およびバランス部材が支持されており、
前記遊星機構は、前記動力源から前記遊星機構に伝達されたトルクを前記第２部材と前記第３部材とに分配し、
前記遊星機構は、前記第１部材と前記第２部材と前記第３部材との間で２自由度の回転運動をし、
前記第２バリエータは、前記第１バリエータから伝達された動力を前記負荷または前記動力源に伝達し、または、前記負荷または前記動力源から伝達された動力を前記第１バリエータに伝達し、
前記コントローラは、前記第１バリエータの回転速度を変更することにより、前記入力軸の回転速度に対する前記出力軸の回転速度を変更することを特徴とする変速装置。
【請求項2】
請求項１に記載の変速装置において、前記コントローラは、前記遊星機構の前記第２部材の回転を停止し、前記第１部材と前記第２部材と前記第３部材との間で２自由度の回転運動をする状態から１自由度の回転運動をする状態に変化させ、前記１自由度の状態で前記動力源から前記遊星機構に伝達された動力を前記負荷に伝達することを特徴とする変速装置。
【請求項3】
請求項１に記載の変速装置において、前記遊星機構を通じて前記動力源から前記負荷に動力を伝達する動力伝達経路を第１動力伝達経路とした場合に、前記第１動力伝達経路と並行して設けられ前記遊星機構を介さずに歯車同士の噛み合いにより前記負荷に動力を伝達する第２動力伝達経路を備えており、
前記第２動力伝達経路は、締結と解放とを切換える第１クラッチを備えており、
前記コントローラは、前記第１クラッチを締結し、前記第２動力伝達経路を通じて動力伝達を行うことを特徴とする変速装置。
【請求項4】
請求項１に記載の変速装置において、前記第２部材と前記第１バリエータとの間には、前記第２部材と前記第１バリエータとの間の動力の伝達と解放とを切換える第２クラッチが設けられており、
前記コントローラは、車両が停止しているときに、前記第２クラッチを解放することにより前記第２部材と前記第１バリエータとの間の動力伝達を切り離すことを特徴とする変速装置。
【請求項5】
請求項１に記載の変速装置において、前記第３部材と前記出力軸との間には、これらの間で歯車の噛み合い回数が奇数回である第１出力伝達経路と、０回または偶数回である第２出力伝達経路とが設けられており、
前記第１出力伝達経路は、前記第１出力伝達経路の動力の伝達と解放とを切換える第１出力クラッチを備えており、
前記第２出力伝達経路は、前記第２出力伝達経路の動力の伝達と解放とを切換える第２出力クラッチを備えており、
前記コントローラは、前記第１出力クラッチが締結されると共に前記第２出力クラッチが解放された正転モードと、前記第１出力クラッチが解放されると共に前記第２出力クラッチが締結された逆転モードとを切換えることにより、車両の進行方向を反転することを特徴とする変速装置。
【請求項6】
動力源に繋がる入力軸と、負荷に繋がる出力軸と、前記入力軸と前記出力軸との間に設けられた遊星機構と、前記遊星機構に接続された第１バリエータと、前記第１バリエータとは別に設けられた第２バリエータと、前記第１バリエータの回転速度を変更するコントローラとを備え、前記遊星機構は、キャリアと、前記キャリアの回転中心軸を中心として自転するサン部材と、前記サン部材よりも径方向外側に位置して前記キャリアの回転中心軸を中心として自転するリング部材との３つの部材を含んで構成されており、
前記遊星機構の前記３つの部材のうちの１つである第１部材は、前記入力軸に直接または他の部材を介して接続されており、
前記遊星機構の前記３つの部材のうちの前記第１部材とは別の第２部材は、前記第１バリエータに直接または他の部材を介して接続されており、
前記遊星機構の前記３つの部材のうちの前記第１部材および前記第２部材とは別の第３部材は、前記出力軸に直接または他の部材を介して接続されており、
前記遊星機構の前記キャリアには、前記キャリアの回転中心軸を中心に公転しつつ前記サン部材と前記リング部材と回転しながら動力伝達を行うプラネット部材が支持されており、
前記遊星機構は、前記動力源から前記遊星機構に伝達されたトルクを前記第２部材と前記第３部材とに分配し、
前記遊星機構は、前記第１部材と前記第２部材と前記第３部材との間で２自由度の回転運動をし、
前記第２バリエータは、前記第１バリエータから伝達された動力を前記負荷または前記動力源に伝達し、または、前記負荷または前記動力源から伝達された動力を前記第１バリエータに伝達し、
前記コントローラは、前記第１バリエータの回転速度を変更することにより、前記入力軸の回転速度に対する前記出力軸の回転速度を変更し、
さらに、
前記遊星機構を通じて前記動力源から前記負荷に動力を伝達する動力伝達経路を第１動力伝達経路とした場合に、前記第１動力伝達経路と並行して設けられ前記遊星機構を介さずに歯車同士の噛み合いにより前記負荷に動力を伝達する第２動力伝達経路を備えており、
前記第２動力伝達経路は、締結と解放とを切換える第１クラッチを備えており、
前記コントローラは、前記第１クラッチを締結し、前記第２動力伝達経路を通じて動力伝達を行うことを特徴とする変速装置。
【請求項7】
請求項６に記載の変速装置において、前記コントローラは、前記遊星機構の前記第２部材の回転を停止し、前記第１部材と前記第２部材と前記第３部材との間で２自由度の回転運動をする状態から１自由度の回転運動をする状態に変化させ、前記１自由度の状態で前記動力源から前記遊星機構に伝達された動力を前記負荷に伝達することを特徴とする変速装置。
【請求項8】
請求項６に記載の変速装置において、前記第２部材と前記第１バリエータとの間には、前記第２部材と前記第１バリエータとの間の動力の伝達と解放とを切換える第２クラッチが設けられており、
前記コントローラは、車両が停止しているときに、前記第２クラッチを解放することを特徴とする変速装置。
【請求項9】
請求項６に記載の変速装置において、前記第３部材と前記出力軸との間には、これらの間で歯車の噛み合い回数が奇数回である第１出力伝達経路と、０回または偶数回である第２出力伝達経路とが設けられており、
前記第１出力伝達経路は、前記第１出力伝達経路の動力の伝達と解放とを切換える第１出力クラッチを備えており、
前記第２出力伝達経路は、前記第２出力伝達経路の動力の伝達と解放とを切換える第２出力クラッチを備えており、
前記コントローラは、前記第１出力クラッチが締結されると共に前記第２出力クラッチが解放された正転モードと、前記第１出力クラッチが解放されると共に前記第２出力クラッチが締結された逆転モードとを切換えることにより、車両の進行方向を反転することを特徴とする変速装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ホイールローダ、油圧ショベル等の車両に搭載される変速装置に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、特許文献１には、遊星歯車機構と電動モータとを組み合わせた遊星式無段変速機構により動力の伝達を行う建設機械が記載されている。特許文献１の建設機械によれば、遊星式無段変速機構を用いることにより、エンジンの回転速度の急変を低減し、荷役作業機の動作速度が急変することを抑制することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００８－２４７２６９号公報（特許第5095252号）
【発明の概要】
【0004】
しかし、特許文献１に記載された技術は、遊星式無段変速機構の増速の変速範囲を有効に使うことができない可能性がある。
【0005】
本発明の一実施形態の目的は、遊星式無段変速機構の増速の変速範囲を有効に使うことができる変速装置を提供することにある。
【0006】
本発明の一実施形態による無段変速装置は、動力源に繋がる入力軸と、負荷に繋がる出力軸と、前記入力軸と前記出力軸との間に設けられた遊星機構と、前記遊星機構に接続された第１バリエータと、前記第１バリエータとは別に設けられた第２バリエータと、前記第１バリエータの回転速度を変更するコントローラとを備え、前記遊星機構は、キャリアと、前記キャリアの回転中心軸を中心として自転する第１サン部材と、前記キャリアの回転中心軸を中心として自転する第２サン部材との３つの部材を含んで構成されており、前記遊星機構の前記３つの部材のうちの１つである第１部材は、前記入力軸に直接または他の部材を介して接続されており、前記遊星機構の前記３つの部材のうちの前記第１部材とは別の第２部材は、前記第１バリエータに直接または他の部材を介して接続されており、前記遊星機構の前記３つの部材のうちの前記第１部材および前記第２部材とは別の第３部材は、前記出力軸に直接または他の部材を介して接続されており、前記遊星機構の前記キャリアには、前記キャリアの回転中心軸を中心に公転しつつ前記第１サン部材と前記第２サン部材と回転しながら動力伝達を行うプラネット部材およびバランス部材が支持されており、前記遊星機構は、前記動力源から前記遊星機構に伝達されたトルクを前記第２部材と前記第３部材とに分配し、前記遊星機構は、前記第１部材と前記第２部材と前記第３部材との間で２自由度の回転運動をし、前記第２バリエータは、前記第１バリエータから伝達された動力を前記負荷または前記動力源に伝達し、または、前記負荷または前記動力源から伝達された動力を前記第１バリエータに伝達し、前記コントローラは、前記第１バリエータの回転速度を変更することにより、前記入力軸の回転速度に対する前記出力軸の回転速度を変更する。
【0007】
また、本発明の一実施形態による無段変速装置は、動力源に繋がる入力軸と、負荷に繋がる出力軸と、前記入力軸と前記出力軸との間に設けられた遊星機構と、前記遊星機構に接続された第１バリエータと、前記第１バリエータとは別に設けられた第２バリエータと、前記第１バリエータの回転速度を変更するコントローラとを備え、前記遊星機構は、キャリアと、前記キャリアの回転中心軸を中心として自転するサン部材と、前記サン部材よりも径方向外側に位置して前記キャリアの回転中心軸を中心として自転するリング部材との３つの部材を含んで構成されており、前記遊星機構の前記３つの部材のうちの１つである第１部材は、前記入力軸に直接または他の部材を介して接続されており、前記遊星機構の前記３つの部材のうちの前記第１部材とは別の第２部材は、前記第１バリエータに直接または他の部材を介して接続されており、前記遊星機構の前記３つの部材のうちの前記第１部材および前記第２部材とは別の第３部材は、前記出力軸に直接または他の部材を介して接続されており、前記遊星機構の前記キャリアには、前記キャリアの回転中心軸を中心に公転しつつ前記サン部材と前記リング部材と回転しながら動力伝達を行うプラネット部材が支持されており、前記遊星機構は、前記動力源から前記遊星機構に伝達されたトルクを前記第２部材と前記第３部材とに分配し、前記遊星機構は、前記第１部材と前記第２部材と前記第３部材との間で２自由度の回転運動をし、前記第２バリエータは、前記第１バリエータから伝達された動力を前記負荷または前記動力源に伝達し、または、前記負荷または前記動力源から伝達された動力を前記第１バリエータに伝達し、前記コントローラは、前記第１バリエータの回転速度を変更することにより、前記入力軸の回転速度に対する前記出力軸の回転速度を変更し、さらに、前記遊星機構を通じて前記動力源から前記負荷に動力を伝達する動力伝達経路を第１動力伝達経路とした場合に、前記第１動力伝達経路と並行して設けられ前記遊星機構を介さずに歯車同士の噛み合いにより前記負荷に動力を伝達する第２動力伝達経路を備えており、前記第２動力伝達経路は、締結と解放とを切換える第１クラッチを備えており、前記コントローラは、前記第１クラッチを締結し、前記第２動力伝達経路を通じて動力伝達を行う。
【0008】
本発明の一実施形態によれば、遊星機構と第１バリエータと第２バリエータとを含んで構成される遊星式無段変速機構の増速の変速範囲を有効に使うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】第１の実施の形態による変速装置を搭載したホイールローダを示す左側面図である。
【図3】第１の実施の形態による変速装置を示す構成図である。
【図8】後述の表４の「No1-C」の遊星機構の各部材の回転速度の関係を示す特性線図である。
【図9】後述の表４の「No1-B」の遊星機構の各部材の回転速度の関係を示す特性線図である。
【図11】ホイールローダの車速とけん引力との理想的な関係を示す駆動力線図である。
【図12】第１の実施の形態によるホイールローダの車速とけん引力との関係を示す駆動力線図である。
【図16】外部ロックアップなしの変速装置が搭載されたホイールローダの車速とけん引力との関係を示す駆動力線図である。
【図17】内部ロックアップなしの変速装置が搭載されたホイールローダの車速とけん引力との関係を示す駆動力線図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、実施の形態による変速装置（トランスミッション）を、ホイールローダに適用した場合を例に挙げ、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【0011】
図１ないし図１２は、第１の実施の形態を示している。図１において、ホイールローダ１は、車両（作業車両）の代表例である。ホイールローダ１は、左，右の前車輪２が設けられた前部車体３と左，右の後車輪４が設けられた後部車体５とが左，右方向に屈曲可能に連結されたアーティキュレート式の作業車両として構成されている。即ち、前部車体３および後部車体５は、ホイールローダ１の車体を構成している。前部車体３と後部車体５との間には、センタヒンジ６、ステアリングシリンダ（図示せず）が設けられている。前部車体３と後部車体５は、ステアリングシリンダを伸長・縮小させることにより、センタヒンジ６を中心に左，右方向に屈曲する。これにより、ホイールローダ１は、走行時の操舵を行うことができる。
【0012】
ホイールローダ１の前部車体３には、作業装置とも呼ばれる荷役作業機７が俯仰の動作を可能に設けられている。荷役作業機７は、ローダバケット７Ａを備えている。一方、ホイールローダ１の後部車体５には、内部が運転室となったキャブ８、エンジン９、油圧ポンプ１０、トランスミッション（動力伝達装置）である変速装置２１等が設けられている。エンジン９は、ホイールローダ１の動力源（原動機）である。動力源は、内燃機関となるエンジン９単体で構成できる他、例えば、エンジンと電動モータ、または、電動モータ単体により構成してもよい。油圧ポンプ１０は、エンジン９と接続されている。油圧ポンプ１０は、荷役作業機７を動作させるための油圧源である。後述の図３等に示すように、油圧ポンプ１０は、エンジン９と歯車１０Ａ，１０Ｂを介して接続されている。
【0013】
前部車体３の下側には、左，右方向に延びるフロントアクスル１２が設けられている。フロントアクスル１２の両端側には、左，右の前車輪２が取付けられている。一方、後部車体５の下側には、左，右方向に延びるリヤアクスル１３が設けられている。リヤアクスル１３の両端側には、左，右の後車輪４が取付けられている。
【0014】
フロントアクスル１２は、前プロペラシャフト１４を介して変速装置２１に接続されている。リヤアクスル１３は、後プロペラシャフト１５を介して変速装置２１に接続されている。変速装置２１は、エンジン９の回転を増速および減速して前プロペラシャフト１４および後プロペラシャフト１５に伝達する。即ち、エンジン９からの動力は、エンジン９に結合された変速装置２１に伝達される。
【0015】
エンジン９からの動力は、変速装置２１で回転数と回転方向を調整された後、変速装置２１の前，後の出力軸２３Ａ，２３Ｂから前プロペラシャフト１４および後プロペラシャフト１５を介してフロントアクスル１２およびリヤアクスル１３に伝達される。即ち、図２に示すように、変速装置２１は、エンジン９と接続される入力軸２２と、前プロペラシャフト１４に接続される前側の出力軸２３Ａと、後プロペラシャフト１５に接続される後側の出力軸２３Ｂとを備えている。変速装置２１は、変速装置２１内の動力伝達経路を切換えることにより、入力軸２２と出力軸２３Ａ，２３Ｂとの間で変速および正転・逆転の切換えを行う。
【0016】
次に、ホイールローダ１の動作について説明する。ホイールローダ１は、ダンプ積み作業を主体としたＶサイクルやホッパ等への直接投入するロード＆キャリーといった動作パターンを繰り返す。Ｖサイクルは、発進した後に土砂等を掘削し、ダンプに積込する動作パターンである。ロード＆キャリーは、発進した後に土砂等を掘削し、運搬（高負荷走行）し、ダンプへ排土し、回送（低負荷走行）する動作パターンである。ホイールローダ１は、発進、掘削、運搬、積込、回送等の種々の作業状態に最適な走行速度と駆動力を得るために、変速装置２１を頻繁に切換える必要がある。
【0017】
掘削および発進時において、変速装置２１は、高い牽引力が要求される。このため、変速装置２１は、減速比を上昇させて出力軸２３Ａ，２３Ｂの出力トルクを上昇させる必要がある。さらに、ホイールローダ１の車速が０km/h（出力軸２３Ａ，２３Ｂの回転速度が０）であっても、動力源であるエンジン９が停止しないように、入力軸２２の回転速度を所定以上に保つ必要があり、変速装置２１の変速比は無限大となる構造である必要がある。なお、ホイールローダ１の掘削時の車速は、例えば０～４km/hである。
【0018】
運搬時において、変速装置２１は、省燃費のために高い伝達効率で、入力軸２２から出力軸２３Ａ，２３Ｂに動力伝達を行う必要がある。運搬時の車速は、例えば０～１３km/hである。一方、ダンプへ排土する場合、ホイールローダ１は、運搬しながら荷役作業機７を上昇させる。このため、荷役作業機７の上昇速度が急に遅くなると、ダンプへ荷役作業機７を衝突させてしまう可能性がある。このため、ダンプに接近する際は、油圧ポンプ１０の吐出流量の急激な変化を抑制できることが望ましい。そして、このためには、エンジン９の回転速度が急変しないように変速装置２１を制御する必要がある。ダンプへ排土するときに、ダンプへ接近するための車速は、例えば０～７km/hである。この車速では、エンジン９の急激な回転速度の変動を抑制できることが望ましい。
【0019】
一般道または作業現場内を積荷がない状態で走行する回送時において、変速装置２１は、省燃費のために、高い伝達効率で入力軸２２から出力軸２３Ａ，２３Ｂに動力伝達を行う必要がある。回送時の車速は、例えば０～４０km/hである。回送時には、荷役作業機７の高い操作性が要求されない。このため、エンジン９の回転速度の急変は許容できる。ただし、省燃費のために、運搬時よりも高い伝達効率で入力軸２２から出力軸２３Ａ，２３Ｂに動力伝達を行う必要がある。
【0020】
図１１は、ホイールローダ１の理想的な駆動力線図を示している。図１１中には、前進方向の理想的な駆動力線Ｌｆと、後進方向（後退方向）の理想的な駆動力線Ｌｒとを示している。前進のときは、掘削時に高い牽引力が求められ、回送時に高い車速（０～４０km/h）での走行が求められる。また、ホイールローダ１は、採石場等に設けられた多様な勾配の上り坂を安定して登坂する必要がある。このため、例えば、時速３ｋｍ/h以上では、車速によらず等馬力の牽引力であることが望ましい。
【0021】
図１１中の範囲Ａは、掘削をするために高い牽引力が求められる範囲、即ち、掘削時の駆動力線の範囲Ａを示している。図１１中の範囲Ｂは、車速によらず等馬力の牽引力が求められる範囲、即ち、前進方向の等馬力の駆動力線の範囲Ｂを示している。図１１中、範囲Ｃは、車速によらず等馬力の牽引力が求められる範囲、即ち、後進方向の等馬力の駆動力線の範囲Ｃを示している。前進方向の等馬力の駆動力線の範囲Ｂおよび後進方向の等馬力の駆動力線の範囲Ｃは、下記の数１式が成立する。
【0022】
【数1】
【0023】
なお、ホイールローダ１は、後進方向に掘削しない。このため、後進方向の理想的な駆動力線Ｌｒの最大牽引力は、前進時と比べて低くなっている。
【0024】
ところで、ホイールローダ１等の作業車両に用いる変速装置２１は、無段変速機構による動力伝達とロックアップ機構による動力伝達との切換えが可能であることが好ましい。この場合、変速装置２１は、無段変速機構の増速の変速範囲を有効に使うことができることが好ましい。これに加えて、無段変速機構による動力伝達からロックアップ機構による動力伝達に切換えるときに、車両の加減速度の変化を少なくできることが好ましい。また、バリエータの回転速度の上限値と発生（吸収）可能トルクの上限値とが限られている場合に、遊星機構（遊星歯車機構）の変速比（ギヤ比）が最適な値となる配列（歯車配列）を提供ができ、無段変速機構の伝達効率を向上できることが好ましい。
【0025】
そこで、図３および図４に示すように、第１の実施の形態による変速装置２１は、遊星式無段変速機構２４を無段階変速させながら動力を伝達するモードと、遊星式無段変速機構２４を内部ロックアップさせて動力を伝達するモードと、遊星歯車機構２９を経由しない外部ロックアップ機構（直結機構２７）により動力を伝達するモードとを備えている。内部ロックアップによる動力伝達は、遊星歯車機構２９の３つの回転部材（例えば、キャリア、第１サンギヤ、第２サンギヤ）のうちの第１バリエータ３３に繋がる回転部材（例えば、第１サンギヤ）の回転を停止させることにより行う。これにより、遊星式無段変速機構２４の増速の変速範囲を有効に使うことができる。
【0026】
一方、外部ロックアップによる動力伝達は、遊星式無段変速機構２４の外部に取付けられた外部ロックアップ機構（直結機構２７）を経由して行う。この場合、外部ロックアップによる動力伝達は、遊星式無段変速機構２４による動力伝達を停止した状態で行う。この停止は、遊星歯車機構２９の３つの回転部材（例えば、キャリア、第１サンギヤ、第２サンギヤ）のうちの第１バリエータ３３に繋がる回転部材（例えば、第１サンギヤ）を解放させる（またはトルクを低減させる）ことにより行う。これにより、内部ロックアップより高い伝達効率で動力を伝達することができると共に、遊星式無段変速機構２４の増速の変速範囲をさらに増速して動力伝達を行うことができる。
【0027】
さらに、第１の実施の形態によれば、図４ないし図６に示すように、遊星歯車機構２９は、２つのサンギヤ２９Ｂ，２９Ｃと、これら２つのサンギヤ２９Ｂ，２９Ｃの中心軸Ｓ（図６）を中心として公転しながら自転するプラネットギヤ２９Ｄおよびバランスギヤ２９Ｅと、プラネットギヤ２９Ｄおよびバランスギヤ２９Ｅを回転可能に支持すると共に２つのサンギヤ２９Ｂ，２９Ｃの中心軸Ｓを中心として自転する１つのキャリア２９Ａとを備えている。これにより、遊星歯車機構２９は、ギヤ比が最適な値となる歯車配列とすることができる。即ち、この配列の遊星歯車機構２９を用いることにより、回転速度の上限値と発生（吸収）可能トルクの上限値とが限られた廉価で小型の第１バリエータ３３を用いた場合でも、遊星式無段変速機構２４の伝達効率を向上できる。
【0028】
以下、第１の実施の形態による変速装置２１について詳細に説明する。なお、図３では、変速装置２１の遊星歯車機構２９をボックスで示しているのに対して、図４では、遊星歯車機構２９の内部、即ち、遊星歯車機構２９の具体的な歯車配列についても示している。また、図３および図４では、図面が複雑になることを避けるために、変速装置２１の出力軸２３を、フロントアクスル１２およびリヤアクスル１３との両方に動力を伝達する共通の出力軸２３（＝出力軸２３Ａ，２３Ｂ）として簡略的に表している。即ち、図３および図４では、例えばセンタディファレンシャル機構等を介して前側の出力軸２３Ａと後側の出力軸２３Ｂとに動力を分割する構成に関しては省略している。
【0029】
図３および図４は、第１の実施の形態による変速装置２１、より具体的には、内部ロックアップと外部ロックアップの両方を備えた変速装置２１の機構図である。変速装置２１は、入力部材としての入力軸２２と、出力部材としての出力軸２３と、無段変速機構（主変速機構）としての遊星式無段変速機構２４と、コントローラ２５とを備えている。また、より好ましくは、変速装置２１は、有段変速機構（副変速機構）としての多段変速機構２６と、外部ロックアップ機構としての直結機構２７とを備えている。直結機構２７は、直結機構２７を通じて動力の伝達を行うときに接続される第１クラッチ２７Ｃを備えている。また、変速装置２１は、遊星式無段変速機構２４と多段変速機構２６と直結機構２７とを機械的に結合するアイドラ要素２８（アイドラ軸２８Ａ、アイドラギヤ２８Ｂ）を備えている。遊星式無段変速機構２４は、第１動力伝達経路を構成している。直結機構２７は、第２動力伝達経路を構成している。
【0030】
変速装置２１の入力軸２２には、エンジン９が接続されている。入力軸２２には、油圧ポンプ１０に動力を伝達するための歯車１０Ｂが設けられている。また、入力軸２２には、直結機構２７のインプットギヤ２７Ａが設けられている。入力軸２２は、後述の第２連結部材３１を介して遊星式無段変速機構２４（より具体的には、遊星歯車機構２９）と接続されている。一方、変速装置２１の出力軸２３からは、動力が出力される。変速装置２１の出力軸２３は、後述の多段変速機構２６の出力軸５３を兼ねている。入力軸２２から入力された動力は、遊星式無段変速機構２４または直結機構２７を経由して、アイドラ要素２８に伝達される。アイドラ要素２８に伝達された動力は多段変速機構２６を通じて出力軸２３から出力される。
【0031】
なお、遊星式無段変速機構２４は、遊星歯車機構２９（例えば、第１サンギヤ２９Ｂ）と第１バリエータ３３とを接続する第１連結部材３０を停止させることにより、内部ロックアップの状態を形成される。この内部ロックアップの状態は、例えば、第１バリエータ３３をブレーキ操作させて第１連結部材３０を停止させることにより形成される。遊星式無段変速機構２４が内部ロックアップしている状態では、入力軸２２から入力された動力は、「遊星歯車機構２９（例えば、キャリア２９Ａ）と入力軸２２とを接続する第２連結部材３１」、「遊星歯車機構２９」、「遊星歯車機構２９（例えば、第２サンギヤ２９Ｃ）とアイドラ要素２８とを接続する第３連結部材３２」を通じて、アイドラ要素２８に伝達される。このような内部ロックアップについては、後述する。
【0032】
第１の実施の形態では、エンジン９から入力軸２２に入力された動力を多段変速機構２６に伝達する動力伝達経路を、次の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の３つの経路のうちから任意に選択することができる。
（Ａ）エンジン９から入力軸２２に入力された動力を、遊星式無段変速機構２４を無段階変速させた状態で多段変速機構２６に伝達する無段階変速経路（遊星式無段変速機構２４を経由する第１動力伝達経路）。このとき、第１クラッチ２７Ｃは解放され、第２クラッチ３６および第３クラッチ３７は接続（締結）される。
（Ｂ）エンジン９から入力軸２２に入力された動力を、遊星式無段変速機構２４を内部ロックアップさせた状態で多段変速機構２６に伝達する内部ロックアップ経路（遊星式無段変速機構２４を経由する第１動力伝達経路）。このとき、第１クラッチ２７Ｃは解放され、第２クラッチ３６は接続（締結）される。第３クラッチ３７は必要に応じて接続（締結）される。
（Ｃ）エンジン９から入力軸２２に入力された動力を、直結機構２７を経由して多段変速機構２６に伝達する外部ロックアップ経路（遊星式無段変速機構２４を経由せずに直結機構２７を経由する第２動力伝達経路）。このとき、第１クラッチ２７Ｃは接続（締結）され、第２クラッチ３６と第３クラッチ３７は必要に応じて解放される。
（Ａ）エンジン９から入力軸２２に入力された動力を、遊星式無段変速機構２４を無段階変速させた状態で多段変速機構２６に伝達する無段階変速経路（遊星式無段変速機構２４を経由する第１動力伝達経路）。このとき、第１クラッチ２７Ｃは解放され、第２クラッチ３６および第３クラッチ３７は接続（締結）される。
（Ｂ）エンジン９から入力軸２２に入力された動力を、遊星式無段変速機構２４を内部ロックアップさせた状態で多段変速機構２６に伝達する内部ロックアップ経路（遊星式無段変速機構２４を経由する第１動力伝達経路）。このとき、第１クラッチ２７Ｃは解放され、第２クラッチ３６は接続（締結）される。第３クラッチ３７は必要に応じて接続（締結）される。
（Ｃ）エンジン９から入力軸２２に入力された動力を、直結機構２７を経由して多段変速機構２６に伝達する外部ロックアップ経路（遊星式無段変速機構２４を経由せずに直結機構２７を経由する第２動力伝達経路）。このとき、第１クラッチ２７Ｃは接続（締結）され、第２クラッチ３６と第３クラッチ３７は必要に応じて解放される。
【0033】
これにより、遊星式無段変速機構２４を無段階変速させることが適しているときは、遊星式無段変速機構２４を無段階変速させて動力伝達を行うことができる。遊星式無段変速機構２４を内部ロックアップさせることが適しているときは、遊星式無段変速機構２４を内部ロックアップさせて動力伝達を行うことができる。直結機構２７を経由して動力伝達を行うことが適しているときは、直結機構２７を経由して動力伝達を行うことができる。
【0034】
遊星式無段変速機構２４を無段階変速させて動力の伝達を行うことが適しているときは、掘削中および運搬中で、かつ、車速が０～７km/hの範囲である。この理由は、次の（ａ）～（ｃ）の通りである。
（ａ）車両の発進時および掘削時の伝達効率が高い。
（ｂ）変速比を無限大にすることが可能である。即ち、エンジン９が回転している場合であっても、出力軸２３の回転を停止しなから出力軸２３にトルクを伝達することが可能である。このため、掘削作業に適している。
（ｃ）エンジン９が発生した動力のうち変速装置２１を通じて出力軸２３に伝達するトルクを制御可能である。即ち、荷役作業機７を動かす油圧ポンプ１０と変速装置２１との間で、動力の分配が可能である。
（ａ）車両の発進時および掘削時の伝達効率が高い。
（ｂ）変速比を無限大にすることが可能である。即ち、エンジン９が回転している場合であっても、出力軸２３の回転を停止しなから出力軸２３にトルクを伝達することが可能である。このため、掘削作業に適している。
（ｃ）エンジン９が発生した動力のうち変速装置２１を通じて出力軸２３に伝達するトルクを制御可能である。即ち、荷役作業機７を動かす油圧ポンプ１０と変速装置２１との間で、動力の分配が可能である。
【0035】
遊星式無段変速機構２４を内部ロックアップさせて動力の伝達を行うことが適しているときは、運搬中および回送中で、かつ、車速が７～９km/hの範囲である。この理由は、次の（ｄ）～（ｅ）の通りである。
（ｄ）車速が高くなると、遊星式無段変速機構２４を無段階変速させるよりも、遊星式無段変速機構２４を内部ロックアップさせて動力伝達を行った方が、伝達効率が高い。
（ｅ）無段階変速から内部ロックアップへは、機構的に切換えが可能である。このため、無段階変速から内部ロックアップへの切換え時に、エンジン９の急激な回転変動を抑制できる。これにより、油圧ポンプ１０の吐出流量の急激な変動を抑制でき、荷役作業機７の操作性を向上できる。これと共に、切換え時の出力軸２３のトルクの変動を小さくでき、ホイールローダ１の乗り心地を向上できる。
（ｄ）車速が高くなると、遊星式無段変速機構２４を無段階変速させるよりも、遊星式無段変速機構２４を内部ロックアップさせて動力伝達を行った方が、伝達効率が高い。
（ｅ）無段階変速から内部ロックアップへは、機構的に切換えが可能である。このため、無段階変速から内部ロックアップへの切換え時に、エンジン９の急激な回転変動を抑制できる。これにより、油圧ポンプ１０の吐出流量の急激な変動を抑制でき、荷役作業機７の操作性を向上できる。これと共に、切換え時の出力軸２３のトルクの変動を小さくでき、ホイールローダ１の乗り心地を向上できる。
【0036】
直結機構２７を経由して動力の伝達を行うことが適しているときは、運搬中で、かつ、車速が９～１３km/hの範囲である。また、回送中で、かつ、車速が９～４０km/hの範囲である。この理由は、次の通りである。即ち、直結機構２７を経由して動力の伝達を行う外部ロックアップは、動力の伝達効率が最も高い。即ち、外部ロックアップは、一対の歯車２７Ａ，２７Ｂ同士の噛み合いで動力を伝達するため、遊星歯車機構２９を介して動力伝達を行う内部ロックアップと比較して伝達効率が高い。なお、車速が９km/h以下は、回送の途中または運搬の途中で急に掘削が開始される可能性がある。一方、直結機構２７（外部ロックアップ）から遊星式無段変速機構２４に動力伝達経路を切換える場合、この切換えに時間を要する可能性がある。このため、車速が９km/h以下では、直結機構２７を使用しないことが望ましい。
【0037】
下記の表１は、内部ロックアップと外部ロックアップとの両方を備えた変速装置２１の動力伝達経路の組み合わせを示している。この場合、多段変速機構２６は、前進４段と後進１段の変速段を備えている。このため、直結機構２７（外部ロックアップ機構）を経由して動力伝達を行う場合、多段変速機構２６は、前進１速、前進２速、前進３速、前進４速、後進１速の変速段を選択できる。
【0038】
【表1】
【0039】
なお、多段変速機構２６の速度段が、前進２速、前進３速、前進４速のいずれかの場合であっても、直結機構２７を経由せずに遊星式無段変速機構２４を経由して動力伝達を行ってもよい。このときの遊星式無段変速機構２４の動作は、無段階変速動作であってもよいし、内部ロックアップさせた状態であってもよい。しかし、遊星式無段変速機構２４を無段階変速動作させると、内部ロックアップおよび外部ロックアップと比較して遊星式無段変速機構２４の伝達効率が低くなる。これにより、変速装置２１の伝達効率が低下するため、好適には上記表１に示す動力伝達経路の組み合わせを選択することが好ましい。
【0040】
図１２は、内部ロックアップと外部ロックアップとの両方が存在する変速装置２１の駆動力線図を示している。図１２に示すように、前進は、前進１速無段階変速Ｌｆ１、前進１速内部ロックアップＬｆ２、前進１速外部ロックアップＬｆ３、前進２速外部ロックアップＬｆ４、前進３速外部ロックアップＬｆ５、前進４速外部ロックアップＬｆ６の６段階に変速が可能となっている。これにより、前進方向の理想的な駆動力線Ｌｆに限りなく近付けることができる。
【0041】
一方、後進は、後進１速無段階変速Ｌｒ１、後進１速内部ロックアップＬｒ２、後進１速外部ロックアップＬｒ３の３段階に変速が可能となっている。これにより、後進方向の理想的な駆動力線Ｌｒに限りなく近付けることができる。これらにより、掘削時に高い牽引力を得ることができ、回送時に高い車速（０～４０km/h）を得ることができ、かつ、多様な勾配の上り坂を安定して登坂することができる。
【0042】
なお、広い変速比幅を実現するためには、「遊星式無段変速機構２４の内部ロックアップ」と「直結機構２７による外部ロックアップ」との両方を備えた構成が好ましい。しかし、「遊星式無段変速機構２４の増速の変速範囲を有効に使いつつ、無段階変速からロックアップ状態への動力伝達の切換え時に車両の加減速度の変化を抑制すること」を達成するためには、内部ロックアップと外部ロックアップとのうちのいずれか一方のみを備えた構成でもよい。
【0043】
図１３は、ロックアップを実現する手段として、遊星式無段変速機構２４の内部ロックアップのみを備えた第１の変形例による変速装置２１Ａを示している。この第１の変形例による変速装置２１Ａは、遊星式無段変速機構２４の内部ロックアップ動作が可能であるが、外部ロックアップ機構（直結機構２７）を備えていない。下記の表２は、内部ロックアップのみを備えた変速装置２１Ａの動力伝達経路の組み合わせを示している。
【0044】
【表2】
【0045】
第１の変形例では、直結機構２７（外部ロックアップ）による変速段が１つ少なくなる。このため、内部ロックアップと外部ロックアップとの両方が存在する変速装置２１と同等の変速比を得るために、第１の変形例では、多段変速機構２６Ａは、前進５段と後進２段の変速段を備えている。また、第１の変形例では、後述するように内部ロックアップを実現するためのブロック機構４０を備えている。なお、図１４は、第２の変形例による変速装置２１Ｂを示している。第２の変形例による変速装置２１Ｂも、第１の変形例のように外部ロックアップ機構を省略している。また、第２の変形例では、後述するように内部ロックアップを実現するためのブレーキ機構４１を備えている。さらに、図１５は、第３の変形例による変速装置２１Ｃを示している。第３の変形例による変速装置２１Ｃは、外部ロックアップ機構を省略し、かつ、ブレーキ機構４１を備えていることに加えて、アイドラ要素２８を省略している。即ち、直結機構２７（外部ロックアップ）を省略する構成の場合は、アイドラ要素２８も省略できる。
【0046】
図１６は、遊星式無段変速機構２４（内部ロックアップ）を備えているが直結機構２７（外部ロックアップ）を備えていない変速装置２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ（図１３，図１４，図１５）の駆動力線図を示している。図１６に示すように、前進は、前進１速無段階変速Ｌｆ１、前進１速内部ロックアップＬｆ２、前進２速内部ロックアップＬｆ３、前進３速内部ロックアップＬｆ４、前進４速内部ロックアップＬｆ５、前進５速内部ロックアップＬｆ６の６段階に変速が可能となっている。一方、後進は、後進１速無段階変速Ｌｒ１、後進１速内部ロックアップＬｒ２、後進２速内部ロックアップＬｒ３の３段階に変速が可能となっている。
【0047】
これに対して、外部ロックアップのみを備えた構成は、例えば、第１の実施の形態の変速装置２１（図３、図４）で内部ロックアップ動作を行わないことにより実現できる。下記の表３は、外部ロックアップ（直結機構２７）を備えているが内部ロックアップ動作を行わない変速装置２１の動力伝達経路の組み合わせを示している。
【0048】
【表3】
【0049】
図１７は、内部ロックアップ動作を行わない変速装置２１の駆動力線図を示している。図１７に示すように、前進は、前進１速無段階変速Ｌｆ１、前進１速外部ロックアップＬｆ２、前進２速外部ロックアップＬｆ３、前進３速外部ロックアップＬｆ４、前進４速外部ロックアップＬｆ５の５段階に変速が可能となっている。一方、後進は、後進１速無段階変速Ｌｒ１、後進１速外部ロックアップＬｒ２の２段階に変速が可能となっている。
【0050】
次に、遊星式無段変速機構２４について、図３を参照しつつ説明する。遊星式無段変速機構２４は、遊星歯車機構２９と、第１バリエータ３３と、第２バリエータ３４と、伝達要素３５と、第２クラッチ３６と、第３クラッチ３７とを備えている。遊星歯車機構２９は、第１連結部材３０を介して第１出力側（第１バリエータ３３側）に接続されている。遊星歯車機構２９は、第２連結部材３１を介して入力側（エンジン９側）に接続されている。遊星歯車機構２９は、第３連結部材３２を介して第２出力側（アイドラ要素２８側）に接続されている。
【0051】
第１バリエータ３３および第２バリエータ３４は、電動モータ・ジェネレータ（電動モータ、電動ジェネレータ）または油圧ポンプ・モータ（油圧ポンプ、油圧モータ）等により構成されている。第１バリエータ３３および第２バリエータ３４は、第１バリエータ３３の回転速度と第２バリエータ３４の回転速度とが異なる場合に、無段階に変速を行いつつ両者間で動力伝達を行うことが可能に構成されている。このために、第１バリエータ３３と第２バリエータ３４との間には、両者間で動力を伝達するための伝達要素３５が設けられている。伝達要素３５は、例えば、電気配線または油圧配管により構成されている。伝達要素３５の途中には、動力貯蔵源３８が取り付けられていてもよい。動力貯蔵源３８は、例えば、油圧アキュームレーターまたは蓄電池により構成することができる。また、第１バリエータ３３と第２バリエータ３４と伝達要素３５の機能は、変速比無限大変速機（ＩＶＴ）により構成してもよい。
【0052】
遊星歯車機構２９と第１バリエータ３３との間、即ち、第１連結部材３０と第１バリエータ３３との間には、第２クラッチ３６が設けられている。第２クラッチ３６は、例えば、摩擦接合によるクラッチ（摩擦板）、ドグクラッチまたはシンクロメッシュ付ドグクラッチにより構成されている。第２クラッチ３６は、第１連結部材３０と第１バリエータ３３との間で両者の機械的な結合（接続）と解放とを行う。即ち、第２クラッチ３６は、遊星歯車機構２９と第１バリエータ３３との間で、これら遊星歯車機構２９と第１バリエータ３３との間の動力の伝達と解放とを切換える。
【0053】
コントローラ２５は、例えば、演算回路（ＣＰＵ）、メモリ等を備えたマイクロコンピュータを含んで構成されている。コントローラ２５は、第１クラッチ２７Ｃの締結と解放、第２クラッチ３６の締結と解放、第３クラッチ３７の締結と解放とを制御する。コントローラ２５は、第１バリエータ３３の回転速度を制御する。コントローラ２５は、必要に応じて第２バリエータ３４の回転速度を制御する。コントローラ２５は、必要に応じて伝達要素３５、動力貯蔵源３８を制御する。コントローラ２５は、必要に応じて、後述するブロック機構４０（図１３）、ブレーキ機構４１（図１４，図１５）を制御する。さらに、コントローラ２５は、後述する多段変速機構２６のクラッチ５８，５９，６０，６６，６７，６８，６９の締結と解放とを制御する。
【0054】
ここで、コントローラ２５は、第２クラッチ３６の締結と解放とを制御する。例えば、遊星式無段変速機構２４による動力伝達が不要なときは、コントローラ２５は、第２クラッチ３６を解放する信号を出力し、第２クラッチ３６を解放する。これにより、第１バリエータ３３の回転を停止（または低下させる）ことができ、第１バリエータ３３の回転による動力損失を低減できる。
【0055】
第２バリエータ３４は、第３クラッチ３７を介してアイドラ要素２８と接続されている。第３クラッチ３７は、第２バリエータ３４とアイドラ要素２８との間で、これら第２バリエータ３４とアイドラ要素２８との間の動力の伝達と解放とを切換える。即ち、第３クラッチ３７は、第２バリエータ３４とアイドラ要素２８との間に設けられている。アイドラ要素２８は、アイドラ軸２８Ａと、アイドラ軸２８Ａに設けられたアイドラギヤ２８Ｂとを備えている。アイドラ軸２８Ａは、第１クラッチ２７Ｃを介して直結機構２７のロックアップギヤ２７Ｂ（より具体的には、ロックアップギヤ２７Ｂの回転軸２７Ｂ１）に接続される。
【0056】
また、アイドラ軸２８Ａは、変速機３９および第３クラッチ３７を介して第２バリエータ３４に接続される。アイドラギヤ２８Ｂは、第３連結部材３２と噛合しており、第３連結部材３２を介して遊星歯車機構２９と接続されている。第２バリエータ３４とアイドラ要素２８との間には、第２バリエータ３４とアイドラ要素２８との間で変速を行う変速機３９が設けられている。この変速機３９は、省略してもよい。この場合には、アイドラ要素２８のアイドラ軸２８Ａと第２バリエータ３４の回転軸との間に第３クラッチ３７を設け、第３クラッチ３７によりアイドラ軸２８Ａと第２バリエータ３４の回転軸との接続（締結）と解放とを行うことができる。
【0057】
第３クラッチ３７は、例えば、摩擦接合によるクラッチ（摩擦板）、ドグクラッチまたはシンクロメッシュ付ドグクラッチにより構成されている。第３クラッチ３７は、第２バリエータ３４とアイドラ要素２８との間で両者の機械的な結合（接続）と解放とを行う。コントローラ２５は、第３クラッチ３７の締結と解放とを制御する。例えば、第２バリエータ３４による動力伝達が不要なときは、コントローラ２５は、第３クラッチ３７を解放する信号を出力し、第３クラッチ３７を解放する。これにより、第２バリエータ３４の回転を停止（または低下させる）ことができ、第２バリエータ３４の回転による動力損失を低減できる。ただし、これらの条件の下で、必ずしも第３クラッチ３７を解放しなくてもよい。
【0058】
なお、第２バリエータ３４による動力伝達が不要なとき、および、遊星式無段変速機構２４による動力伝達が不要なときは、例えば、次の（ｆ）～（ｉ）通りである。ただし、これら（ｆ）～（ｉ）の条件の下で必ずしも第２クラッチ３６または第３クラッチ３７を解放しなくてもよい。
（ｆ）入力軸２２から入力された動力が、直結機構２７を介してアイドラ要素２８へ伝達されるとき。
（ｇ）第１連結部材３０の回転が第１バリエータ３３以外の別の手段（例えばブレーキ機構４１）によって固定されることにより、遊星式無段変速機構２４が内部ロックアップ状態になっているとき。
（ｈ）車両が停止しているとき。
（ｉ）車両が滑走（慣性走行）しているとき。
（ｆ）入力軸２２から入力された動力が、直結機構２７を介してアイドラ要素２８へ伝達されるとき。
（ｇ）第１連結部材３０の回転が第１バリエータ３３以外の別の手段（例えばブレーキ機構４１）によって固定されることにより、遊星式無段変速機構２４が内部ロックアップ状態になっているとき。
（ｈ）車両が停止しているとき。
（ｉ）車両が滑走（慣性走行）しているとき。
【0059】
エンジン９から第２連結部材３１に伝達された動力は、遊星歯車機構２９により、第１バリエータ３３に繋がる第１連結部材３０とアイドラ要素２８に繋がる第３連結部材３２とに分配される。第１連結部材３０に分配された動力は、第２クラッチ３６、第１バリエータ３３、伝達要素３５、第２バリエータ３４、第３クラッチ３７、変速機３９を通じ、アイドラ要素２８に伝達される。第３連結部材３２に分配された動力は、アイドラ要素２８に伝達される。第１連結部材３０と第３連結部材３２とのトルクの分配比率は、常に一定であり、遊星歯車機構２９の形式と歯車の噛み合い半径に依存する。
【0060】
ただし、第１連結部材３０と第３連結部材３２とのトルクの分配比率は、一定となる。このため、常に第１バリエータ３３から第２バリエータ３４に動力が伝達されるわけではなく、第２バリエータ３４から第１バリエータ３３へ動力伝達される場合がある。第３連結部材３２からアイドラ要素２８に伝達される動力は、第１連結部材３０から第１バリエータ３３および第２バリエータ３４を経由する動力より損失が小さい。このため、バリエータ３３，３４と遊星歯車機構２９とを組み合わせた遊星式無段変速機構２４は、バリエータのみで動力伝達を行う無段階変速装置に比べて動力伝達効率が高い。
【0061】
次に、遊星歯車機構２９について説明する。図３では、遊星歯車機構２９を四角（ブロック）で示している。ここで、遊星歯車機構２９は、動力源であるエンジン９に繋がる第１部材と、第１バリエータ３３に繋がる第２部材と、出力軸２３側となるアイドラ要素２８に繋がる第３部材との３つの部材（回転部材）を有している。ここで、第１の実施形態では、遊星歯車機構２９は、キャリアと２つのサンギヤ（第１サンギヤ、第２サンギヤ）とにより構成されている。下記の表４は、遊星歯車機構２９の構成要素（キャリア、第１サンギヤ、第２サンギヤ）の組み合わせを示している。表４中の「No1-A」は、遊星式無段変速機構２４の伝達効率を向上させつつ遊星歯車機構２９を小型で軽量に構成する面から最も好適である。
【0062】
【表4】
【0063】
図４ないし図６に示すように、第１の実施形態（即ち、表４のNo1-A）では、遊星歯車機構２９は、第１部材に対応するキャリア２９Ａと、第２部材に対応する第１サンギヤ２９Ｂと、第３部材に対応する第２サンギヤ２９Ｃと、プラネットギヤ２９Ｄと、バランスギヤ２９Ｅとを備えている。なお、第１サンギヤ２９Ｂ、第２サンギヤ２９Ｃ、プラネットギヤ２９Ｄおよびバランスギヤ２９Ｅは、ギヤ（歯車）の噛み合いによる動力伝達でなくてもよく、例えば、ローラ（外周面）の摩擦による動力伝達であってもよい。
【0064】
エンジン９は、第２連結部材３１を介してキャリア２９Ａに結合されている。第１サンギヤ２９Ｂは、第１連結部材３０を介して第１バリエータ３３に接続されている。第２サンギヤ２９Ｃは、第３連結部材３２を介してアイドラ要素２８（アイドラギヤ２８Ｂ）に接続されている。第１サンギヤ２９Ｂは、プラネットギヤ２９Ｄと噛み合っている。第２サンギヤ２９Ｃは、バランスギヤ２９Ｅと噛み合っている。バランスギヤ２９Ｅは、プラネットギヤ２９Ｄと噛み合っている。
【0065】
プラネットギヤ２９Ｄの自転軸Ｓｐ（図６）およびバランスギヤ２９Ｅの自転軸Ｓｂ（図６）は、キャリア２９Ａに支持されている。このため、プラネットギヤ２９Ｄおよびバランスギヤ２９Ｅは、遊星歯車機構２９の中心軸Ｓ（図６）を中心に公転しながら自転する。プラネットギヤ２９Ｄは、第１サンギヤ２９Ｂと噛み合うギヤ部２９Ｄ１と、バランスギヤ２９Ｅと噛み合うギヤ部２９Ｄ２とを備えている。遊星歯車機構２９の成立の制約条件は、第１サンギヤ２９Ｂの中心軸Ｓとプラネットギヤ２９Ｄの自転軸Ｓｐとの間の距離と、第２サンギヤ２９Ｃの中心軸Ｓとプラネットギヤ２９Ｄの自転軸Ｓｐとの間の距離とが一致することである。このため、第１サンギヤ２９Ｂ、プラネットギヤ２９Ｄ、第１サンギヤ２９Ｂと噛み合うギヤ部２９Ｄ１、第２サンギヤ２９Ｃ、バランスギヤ２９Ｅ、および、バランスギヤ２９Ｅと噛み合うギヤ部２９Ｄ２のそれぞれの歯数、歯車のモジュール、歯車の転位、バランスギヤ２９Ｅの自転中心位置を調整し、前記距離を一致させることが必要である。即ち、前記距離を一致させることができればよく、例えば、第１サンギヤ２９Ｂと第２サンギヤ２９Ｃの歯数の差を小さくすること、または、同じ歯数にすることが可能である。このため、遊星歯車機構２９の減速比を自由に設定できる。
【0066】
なお、第１の実施の形態によれば、バランスギヤ２９Ｅは、第２サンギヤ２９Ｃとプラネットギヤ２９Ｄとの間に設けられているが、第１サンギヤ２９Ｂとプラネットギヤ２９Ｄとの間に設けてもよい。ただし、「第２サンギヤ２９Ｃとプラネットギヤ２９Ｄとの間」と「第１サンギヤ２９Ｂとプラネットギヤ２９Ｄとの間」との両方にバランスギヤ２９Ｅを設ける場合、または、両方にバランスギヤ２９Ｅを設けない場合でも、動力伝達を行うことが可能である。ただし、好適には、いずれか一方にバランスギヤを設ける。
【0067】
次に、キャリア２９Ａと２つのサンギヤ２９Ｂ，２９Ｃとにより構成される遊星歯車機構２９の動作を説明する。以下は、表４の「No1-A」、「No1-B」、「No1-C」の全ての条件で成立する。
【0068】
まず、遊星歯車機構２９の３つの部材（キャリア２９Ａと２つのサンギヤ２９Ｂ，２９Ｃ）のトルクの分配について説明する。図６は、遊星歯車機構２９を動力源側からみた断面図である。キャリア２９Ａ、第１サンギヤ２９Ｂおよび第２サンギヤ２９Ｃは、同心に配置されている。即ち、キャリア２９Ａ、第１サンギヤ２９Ｂおよび第２サンギヤ２９Ｃの中心軸Ｓ（回転中心軸）は一致している。第１サンギヤ２９Ｂは、プラネットギヤ２９Ｄのギヤ部２９Ｄ１と噛み合う。第２サンギヤ２９Ｃは、バランスギヤ２９Ｅと噛み合う。バランスギヤ２９Ｅは、プラネットギヤ２９Ｄのギヤ部２９Ｄ２と噛み合う。バランスギヤ２９Ｅとプラネットギヤ２９Ｄは、それぞれの歯車の噛み合いが成立するように、キャリア２９Ａによって自転方向に自由に回転し、かつ、中心軸Ｓに対して公転方向に拘束されている。このため、プラネットギヤ２９Ｄは、プラネットギヤ２９Ｄの中心軸である自転軸Ｓｐを中心に自転し、かつ、キャリア２９Ａの中心軸Ｓを中心に公転する。このため、プラネットギヤ２９Ｄの中心軸（自転軸Ｓｐ）の軌跡Ｃｐは、キャリア２９Ａの中心軸Ｓを中心とした円となる。バランスギヤ２９Ｅは、バランスギヤ２９Ｅの中心軸である自転軸Ｓｂを中心に自転し、かつ、キャリア２９Ａの中心軸Ｓを中心に公転する。このため、バランスギヤ２９Ｅの中心軸（自転軸Ｓｂ）の軌跡Ｃｂは、キャリア２９Ａの中心軸Ｓを中心とした円となる。
【0069】
第１サンギヤ２９Ｂの噛み合い半径ｒｓ１は、第１サンギヤ２９Ｂとプラネットギヤ２９Ｄとが噛み合うときの第１サンギヤ２９Ｂ側の噛み合い半径である。プラネットギヤ２９Ｄのギヤ部２９Ｄ１の噛み合い半径ｒｐ１は、第１サンギヤ２９Ｂとプラネットギヤ２９Ｄとが噛み合うときのギヤ部２９Ｄ１側の噛み合い半径である。第２サンギヤ２９Ｃの噛み合い半径ｒｓ２は、第２サンギヤ２９Ｃとバランスギヤ２９Ｅとが噛み合うときの第２サンギヤ２９Ｃ側の噛み合い半径である。プラネットギヤ２９Ｄのギヤ部２９Ｄ２の噛み合い半径ｒｐ２は、バランスギヤ２９Ｅとプラネットギヤ２９Ｄとが噛み合うときプラネットギヤ２９Ｄ側の噛み合い半径である。
【0070】
第１の実施の形態（表４のNo1-A）では、キャリア２９Ａは、エンジン９に繋がる部材、即ち、第２連結部材３１に接続されているため、キャリア２９ＡのトルクＴｃは、エンジン９が発生することができるトルクである。第１サンギヤ２９Ｂは、第１バリエータ３３に繋がる部材、即ち、第１連結部材３０に接続されているため、第１サンギヤ２９ＢのトルクＴｓ１は、第１バリエータ３３が発生することができるトルクである。第２サンギヤ２９Ｃは、アイドラ要素２８に繋がる部材、即ち、第３連結部材３２に接続されているため、第２サンギヤ２９ＣのトルクＴｓ２は、アイドラギヤ２８Ｂから受けるトルク反力である。
【0071】
図１８に示す第４の変形例（即ち、表４のNo1-B）の変速装置２１Ｄでは、第１サンギヤ２９Ｂは、エンジン９に繋がる部材、即ち、第２連結部材３１に接続されているため、第１サンギヤ２９ＢのトルクＴｓ１は、エンジン９が発生することができるトルクである。キャリア２９Ａは、第１バリエータ３３に繋がる部材、即ち、第１連結部材３０に接続されているため、キャリア２９ＡのトルクＴｃは、第１バリエータ３３が発生することができるトルクである。第２サンギヤ２９Ｃは、アイドラ要素２８に繋がる部材、即ち、第３連結部材３２に接続されているため、第２サンギヤ２９ＣのトルクＴｓ２は、アイドラギヤ２８Ｂから受けるトルク反力である。
【0072】
図１９に示す第５の変形例（即ち、表４のNo1-C）の変速装置２１Ｅでは、第１サンギヤ２９Ｂは、エンジン９に繋がる部材、即ち、第２連結部材３１に接続されているため、第１サンギヤ２９ＢのトルクＴｓ１は、エンジン９が発生することができるトルクである。第２サンギヤ２９Ｃは、第１バリエータ３３に繋がる部材、即ち、第１連結部材３０に接続されているため、第２サンギヤ２９ＣのトルクＴｓ２は、第１バリエータ３３が発生することができるトルクである。キャリア２９Ａは、アイドラ要素２８に繋がる部材、即ち、第３連結部材３２に接続されているため、キャリア２９ＡのトルクＴｃは、アイドラギヤ２８Ｂから受けるトルク反力である。
【0073】
次に、第１サンギヤ２９ＢのトルクＴｓ１、第２サンギヤ２９ＣのトルクＴｓ２およびキャリア２９ＡのトルクＴｃの関係性を説明する。まず、第１サンギヤ２９Ｂと第２サンギヤ２９Ｃは、プラネットギヤ２９Ｄとバランスギヤ２９Ｅとを介して噛み合っている。また、バランスギヤ２９Ｅとプラネットギヤ２９Ｄは、キャリア２９Ａによって自転方向に自由に回転し、かつ、キャリア２９Ａの中心軸Ｓに対して公転方向に拘束されている。これらから、作用反作用の関係を求めると、下記の数２式、数３式、数４式が成立する。
【0074】
【数2】
【0075】
【数3】
【0076】
【数4】
【0077】
これらの式より、第１サンギヤ２９ＢのトルクＴｓ１、第２サンギヤ２９ＣのトルクＴｓ２およびキャリア２９ＡのトルクＴｃは、ギヤ部２９Ｄ２の噛み合い半径ｒｐ２、第２サンギヤ２９Ｃの噛み合い半径ｒｓ２、ギヤ部２９Ｄ１の噛み合い半径ｒｐ１および第１サンギヤ２９Ｂの噛み合い半径ｒｓ１から計算することができる。ギヤ部２９Ｄ２の噛み合い半径ｒｐ２、第２サンギヤ２９Ｃの噛み合い半径ｒｓ２、ギヤ部２９Ｄ１の噛み合い半径ｒｐ１、第１サンギヤ２９Ｂの噛み合い半径ｒｓ１は、それぞれの歯車の噛み合い半径で決まるため、遊星式無段変速機構２４が動力伝達している間に変更できない。このため、第１サンギヤ２９ＢのトルクＴｓ１、第２サンギヤ２９ＣのトルクＴｓ２およびキャリア２９ＡのトルクＴｃの比率は、遊星式無段変速機構２４が動力伝達している間は不変である。
【0078】
コントローラ２５は、この法則に基づいて、第１バリエータ３３を制御する信号を出力し、第１バリエータ３３に繋がる第１連結部材３０（例えば、第１サンギヤ２９Ｂ）のトルクを制御する。即ち、コントローラ２５は、第１バリエータ３３を制御することにより第１連結部材３０（例えば、第１サンギヤ２９Ｂ）のトルクを制御する。これにより、コントローラ２５は、エンジン９に繋がる第２連結部材３１（例えば、キャリア２９Ａ）のトルクとアイドラ要素２８に繋がる第３連結部材３２（例えば、第２サンギヤ２９Ｃ）のトルクとを間接的に制御する。この結果、エンジン９に繋がる第２連結部材３１（例えば、キャリア２９Ａ）とアイドラ要素２８に繋がる第３連結部材３２（例えば、第２サンギヤ２９Ｃ）との間で、伝達トルクを制御することができる。
【0079】
次に、第１サンギヤ２９Ｂの自転速度、第２サンギヤ２９Ｃの自転速度およびキャリア２９Ａの自転速度の関係性を説明する。まず、第１サンギヤ２９Ｂと第２サンギヤ２９Ｃは、プラネットギヤ２９Ｄとバランスギヤ２９Ｅとを介して噛み合っている。また、バランスギヤ２９Ｅとプラネットギヤ２９Ｄは、キャリア２９Ａによって自転方向に自由に回転し、かつ、キャリア２９Ａの中心軸Ｓに対して公転方向に拘束されている。これらから、回転速度の関係を求めると、下記の数５式が成立する。なお、数５式中の「Ｋａ」は、数６式の通りである。なお、キャリア２９Ａの自転速度を「Ｖｃ」とし、第１サンギヤ２９Ｂの自転速度を「Ｖｓ１」とし、第２サンギヤ２９Ｃの自転速度を「Ｖｓ２」とする。
【0080】
【数5】
【0081】
【数6】
【0082】
図７は、遊星歯車機構２９の回転速度の関係を示している。図７中の速度関係線Ｙ１は、数５式を線図で表している。キャリア２９Ａの自転速度が一定と仮定する。この場合、第２サンギヤ２９Ｃの自転速度を高くすると、第１サンギヤ２９Ｂの自転速度が低くなる。反対に、第２サンギヤ２９Ｃの自転速度を低くすると、第１サンギヤ２９Ｂの自転速度が高くなる。コントローラ２５は、この法則に基づいて、第１バリエータ３３を制御する信号を出力し、第１バリエータ３３に繋がる第１連結部材３０（例えば、第１サンギヤ２９Ｂ）の回転速度を制御する。即ち、コントローラ２５は、第１バリエータ３３を制御することにより第１連結部材３０（例えば、第１サンギヤ２９Ｂ）の回転速度を制御する。これにより、コントローラ２５は、エンジン９に繋がる第２連結部材３１（例えば、キャリア２９Ａ）の回転速度とアイドラ要素２８に繋がる第３連結部材３２（例えば、第２サンギヤ２９Ｃ）の回転速度とを間接的に制御する。この結果、エンジン９に繋がる第２連結部材３１（例えば、キャリア２９Ａ）とアイドラ要素２８に繋がる第３連結部材３２（例えば、第２サンギヤ２９Ｃ）との間で、変速比を制御することができる。
【0083】
前述したように、遊星歯車機構２９は、第１サンギヤ２９Ｂの中心軸Ｓとプラネットギヤ２９Ｄの自転軸Ｓｐとの間の距離と、第２サンギヤ２９Ｃの中心軸Ｓとプラネットギヤ２９Ｄの自転軸Ｓｐとの間の距離とを一致させる必要がある。即ち、これらの距離を一致させることができればよく、例えば、第１サンギヤ２９Ｂの噛み合い半径ｒｓ１とギヤ部２９Ｄ１の噛み合い半径ｒｐ１と第２サンギヤ２９Ｃの噛み合い半径ｒｓ２とギヤ部２９Ｄ２の噛み合い半径ｒｐ２を自由に設定することができる。従って、遊星歯車機構２９は、トルクＴｃ，Ｔｓ１，Ｔｓ２の関係式（数２式、数３式、数４式）および自転速度Ｖｓ１，Ｖｓ２，Ｖｃの関係式（数５式、数６式）から、第１バリエータ３３が吸収できるトルクと許容可能な最高回転速度とに応じて、第１サンギヤ２９Ｂの噛み合い半径ｒｓ１とギヤ部２９Ｄ１の噛み合い半径ｒｐ１と第２サンギヤ２９Ｃの噛み合い半径ｒｓ２とギヤ部２９Ｄ２の噛み合い半径ｒｐ２とを調整する。これにより、数６式のＫａの値を理想的な値に設定し、図７に示す速度関係線Ｙ１の傾きを理想的な値とすることにより、第１バリエータ３３が吸収できるトルクと許容可能な最高回転速度との両方に、遊星歯車機構２９のトルクと回転速度を合せることが可能となる。この結果、小型で廉価な第１バリエータ３３を用いることができ、かつ、遊星式無段変速機構２４の伝達効率を向上できる。
【0084】
なお、第１バリエータ３３の大きさおよび価格は、第１バリエータ３３が吸収できるトルクの大きさと比例する。このため、第１バリエータ３３の吸収トルクは、小さい方が望ましい。第１の実施の形態（即ち、表４のNo1-A）で具体例を挙げて説明する。まず、数６式のＫａの値は、小さくすることが望ましい。さらに、遊星歯車機構２９とアイドラ要素２８との間の動力の伝達効率を検討する。この場合、第１連結部材３０、第１バリエータ３３、伝達要素３５、第２バリエータ３４、変速機３９および第３クラッチ３７を経由する動力伝達経路の伝達効率は、７０～８０％程度である。一方、第３連結部材３２を経由する動力伝達経路の伝達効率は、９９％程度である。このため、第１バリエータ３３に分配されるトルクは小さい方が、遊星式無段変速機構２４の伝達効率を向上できる。このため、数６式のＫａの値を小さくすることは遊星式無段変速機構２４にとって好都合である。
【0085】
一方で、図７に示す速度関係線Ｙ１から、Ｋａの値を小さくすると、「第２サンギヤの回転速度／キャリア回転速度（縦軸）」が小さいときの「第１サンギヤの回転速度／キャリアの回転速度（横軸）」が大きくなる。第２サンギヤ２９Ｃは、アイドラ要素２８、多段変速機構２６を介して出力軸２３に繋がっているので、「第２サンギヤの回転速度／キャリア回転速度」が小さいときは、動力源（エンジン９）が回転しており車速が低速である状態である。即ち、キャリア２９Ａの回転速度（動力源の回転速度）が一定のもとで、Ｋａを小さくすると、車両が低速のときの第１バリエータ３３の回転速度が上昇してしまう。一例として、具体的な例を挙げると、「第２サンギヤの回転速度／キャリア回転速度」が０の時、第２サンギヤ２９Ｃは０回転である。第２サンギヤ２９Ｃは、アイドラ要素２８、多段変速機構２６を介して出力軸２３に繋がっているため、第２サンギヤ２９Ｃが０min-1の場合、車速は０km/hである。つまり、遊星式無段変速機構２４の変速比は無限大である。第１サンギヤ２９Ｂの回転速度の制限は、６０００min-1程度であり、動力源（エンジン９）をディーゼルエンジンとすると、キャリア２９Ａの回転速度の制限は、２０００min-1程度であるため、「第１サンギヤの回転速度／キャリアの回転速度」は、３．０となる。数５式に、「第２サンギヤの回転速度／キャリア回転速度＝０」、「第１サンギヤの回転速度／キャリアの回転速度＝３」を代入すると、Ｋａ＝０．５となる。つまり、Ｋａ＝０．５前後が下限値となる。以上のように、Ｋａの値は、第１バリエータ３３の許容可能な最高回転速度を越えない範囲で小さくすることが望ましい。そして、キャリアと２つのサンギヤとから構成される遊星歯車機構２９は、第１サンギヤ２９Ｂの噛み合い半径ｒｓ１とギヤ部２９Ｄ１の噛み合い半径ｒｐ１と第２サンギヤ２９Ｃの噛み合い半径ｒｓ２とギヤ部２９Ｄ２の噛み合い半径ｒｐ２とを自由に設定できることから、Ｋａの値を自由に決めることができる。このため、第１バリエータ３３の許容可能な最高回転速度まで運転することができる。これにより、小型で廉価な第１バリエータ３３を用いることができ、かつ、遊星式無段変速機構２４の伝達効率を８０～９３％まで向上できる。
【0086】
これに対して、図１９に示す第５の変形例（即ち、表４のNo1-C）について説明をする。第５の変形例では、第１バリエータ３３は第２サンギヤ２９Ｃに接続されているため、第１バリエータ３３側に分配されるトルクはＴｓ２となる。数３式より、Ｔｓ２は、ｒｓ２およびｒｐ１が小さい方が、ｒｓ１およびｒｐ２が大きい方が、小さくなる。前述のように、第１バリエータ３３側に分配されるトルクは、伝達効率とバリエータの価格の面から小さい方が好ましいので、ｒｓ２およびｒｐ１は小さく、ｒｓ１およびｒｐ２は大きくすれば良い。この場合、Ｋａは、数６式により大きくなる。つまり、Ｋａが大きいほど、第１バリエータ３３の必要なトルクは小さくなると言える。数５式を変形し、下記の数７式が導き出せる。数７式の線図を図８に示す。
【0087】
【数7】
【0088】
一例として具体例をあげると、キャリア２９Ａはアイドラ要素２８、多段変速機構２６を介して出力軸２３とつながっているので、Ｖｃが０min-1の場合に、車速は０km/hになる。この場合、「Ｖｃ／Ｖｓ１」は、０となる。ここで、動力源となるエンジン９がディーゼルエンジンの場合、エンジン９の最高回転速度は、２０００min-1程度であるため、Ｖｓ１は、２０００min-1となる。また、第１バリエータ３３に繋がる第１連結部材３０の許容回転速度（Ｖｓ２）は、－６０００min-1から６０００min-1程度である。これにより、「Ｖｓ２／Ｖｓ１」は、－３～３の範囲を取ることができる。数７式に、「Ｖｃ／Ｖｓ１＝０」、「Ｖｓ２／Ｖｓ１＝－３」を代入し、Ｋａを求めると、Ｋａ＝３となる。つまり、この場合のＫａの上限値は３前後となる。このためＫａの値は、第１バリエータ３３の許容可能な最高回転速度を越えない範囲で大きくすることが望ましい。そして、上述のようにＫａの値を自由に決めることができるため、第１バリエータ３３の許容可能な最高回転速度まで運転することができる。これにより、小型で廉価な第１バリエータ３３を用いることができ、かつ、遊星式無段変速機構２４の伝達効率を８０～９３％まで向上できる。
【0089】
これに対して、図１８に示す第４の変形例（即ち、表４のNo1-B）について説明をする。第４の変形例では、第１バリエータ３３はキャリア２９Ａに接続されているため、第１バリエータ３３側に分配されるトルクはＴｃとなる。数４式より、Ｔｓ１（動力源となるエンジン９からのトルク）が一定値のもとで、Ｔｃを小さくするためには、Ｔｓ２を小さくすれば良い。数３式より、Ｔｓ２は、ｒｓ２およびｒｐ１が小さい方が、ｒｓ１およびｒｐ２が大きい方が、小さくなる。前述のように、第１バリエータ３３側に分配されるトルクは、伝達効率とバリエータの価格の面から小さい方が好ましいので、ｒｓ２およびｒｐ１は小さく、ｒｓ１およびｒｐ２は大きくすれば良い。この場合、Ｋａは、数６式により大きくなる。つまり、Ｋａが大きいほど、第１バリエータ３３の必要なトルクは小さくなると言える。数５式を変形し、下記の数８式が導き出せる。数８式の線図を図９に示す。
【0090】
【数8】
【0091】
一例として具体例をあげると、第２サンギヤ２９Ｃはアイドラ要素２８、多段変速機構２６を介して出力軸２３とつながっているので、Ｖｓ２が高回転で回転する場合に車速はより高い車速で走行する。遊星式無段変速機構２４の変速の範囲は、広い方が良いので、「Ｖｓ２／Ｖｓ１」の最大値は大きい方が望ましい。しかし、アイドラ要素２８に繋がる第３連結部材３２の許容回転速度（Ｖｓ２）は、８０００min-1程度である。また、動力源となるエンジン９がディーゼルエンジンの場合、エンジン９の最高回転速度は、２０００min-1程度であるため、Ｖｓ１は、２０００min-1となる。このため、「Ｖｓ２／Ｖｓ１」の上限値は、４．０程度となる。さらに、第１バリエータ３３に繋がる第１連結部材３０の許容回転速度（Ｖｓ２）は、－６０００min-1から６０００min-1程度である。これにより、「Ｖｃ／Ｖｓ１」は、－３～３の範囲を取ることができる。数８式に、「Ｖｓ／Ｖｓ１＝４．０」、「Ｖｓ２／Ｖｓ１＝３」を代入し、Ｋａを求めると、Ｋａ＝０．５となる。つまり、Ｋａは、０．５程度が上限値となる。そして、上述のようにＫａの値を自由に決めることができるため、第１バリエータ３３に繋がる第１連結部材３０の許容可能な最高回転速度まで運転することができる。これにより、第１バリエータ３３の伝達トルクが小さくなり、小型で廉価な第１バリエータ３３を用いることができる。
【0092】
次に、遊星式無段変速機構２４の内部ロックアップ動作について説明する。遊星式無段変速機構２４は、動力伝達効率が８０～９３％であり、無段階変速機としては伝達効率が高い。これに対して、例えば、一対の歯車同士の噛み合いによる歯車変速機の動力伝達効率は、９９％程度である。このため、遊星式無段変速機構２４は、一対の歯車同士の噛み合いによる変速機よりも動力伝達効率が低い。この理由を、図３を参照しつつ説明する。
【0093】
即ち、遊星歯車機構２９とアイドラ要素２８（アイドラギヤ２８Ｂ）との間の動力の伝達効率を考える。ここで、第１連結部材３０、第１バリエータ３３、伝達要素３５、第２バリエータ３４、変速機３９および第３クラッチ３７を経由する動力伝達経路の伝達効率は、７０～８０％程度である。これに対して、第３連結部材３２を経由する動力伝達経路の伝達効率は、９９％程度である。このため、伝達効率を高めるためには、第１バリエータ３３に繋がる第１連結部材３０の回転を停止させ、第１バリエータ３３と第２バリエータ３４との間で動力伝達を行なわないようにすればよい。これにより、エンジン９から第２連結部材３１を通じて遊星歯車機構２９に供給された動力は、第１バリエータ３３に繋がる第１連結部材３０に分配されずに、アイドラ要素２８（アイドラギヤ２８Ｂ）に繋がる第３連結部材３２に全て伝達される。
【0094】
第３連結部材３２とアイドラギヤ２８Ｂは、歯車同士の噛み合いで動力が伝達されるため、エンジン９から第２連結部材３１を通じて遊星歯車機構２９に供給された動力は、高い効率でアイドラギヤ２８Ｂに伝達できる。これにより、遊星式無段変速機構２４の動力伝達効率が９７％程度まで向上し、変速装置２１の伝達効率を向上できる。この結果、ホイールローダ１を省燃費にできる。
【0095】
遊星式無段変速機構２４が内部ロックアップ動作している場合、遊星式無段変速機構２４は固定変速比となる。ここで内部ロックアップ変速比をＩｎとすると、内部ロックアップ変速比Ｉｎは、次の数９式で表すことができる。なお、第３連結部材３２の回転速度を「Ｖ３２」とし、第２連結部材３１の回転速度を「Ｖ３１」とし、第１連結部材３０の回転速度を「Ｖ３０」とする。
【0096】
【数9】
【0097】
内部ロックアップ動作時においても、前述の数５式は成立する。このため、数５式に第１バリエータ３３に繋がる第１連結部材３０の回転速度を０として代入することにより、内部ロックアップ変速比Ｉｎを計算できる。例えば、第１の実施の形態（表４のNo1-A）では、数５式に、第１連結部材３０に接続された第１サンギヤ２９Ｂの自転速度Ｖｓ１を０として代入する。即ち、内部ロックアップ変速比Ｉｎは、次の数１０式となる。
【0098】
【数10】
【0099】
図１８に示す第４の変形例（表４のNo1-B）では、数８式に、第１連結部材３０に接続されたキャリア２９Ａの自転速度Ｖｃを０として代入する。即ち、内部ロックアップ変速比Ｉｎは、次の数１１式となる。
【0100】
【数11】
【0101】
図１９に示す第５の変形例（表４のNo1-C）では、数７式に、第１連結部材３０に接続された第２サンギヤ２９Ｃの自転速度Ｖｓ２を０として代入する。即ち、内部ロックアップ変速比Ｉｎは、次の数１２式となる。
【0102】
【数12】
【0103】
このように、内部ロックアップ変速比Ｉｎは、遊星歯車機構２９の歯車の組み合わせと、Ｋａに依存する。遊星式無段変速機構２４を内部ロックアップの状態とするためには、遊星歯車機構２９に繋がる３つの連結部材３０，３１，３２のうちの第１バリエータ３３に繋がる第１連結部材３０の回転を停止させればよい。第１バリエータ３３および第２バリエータ３４が油圧ポンプ・モータである場合、コントローラ２５は、第１バリエータ３３の油圧ポンプ・モータの容積を所定以上（好適には最大容積の１０％以上）に保持し、第２バリエータ３４の油圧ポンプ・モータの容積を０に制御する。
【0104】
また、第１連結部材３０の回転を停止させるために、例えば、図１３に示す第１の変形例のように、第１バリエータ３３と第２バリエータ３４との間で動力伝達を行う伝達要素３５にブロック機構４０を設ける構成を採用してもよい。ブロック機構４０は、コントローラ２５によって制御されることにより、第１バリエータ３３と第２バリエータ３４との間の動力伝達を遮断する。
【0105】
例えば、伝達要素３５の動力伝達が油圧によって行われる場合、ブロック機構４０は、油圧バルブにより構成できる。コントローラ２５は、ブロック機構４０に信号を送り、第１バリエータ３３と第２バリエータ３４と間の油の流れを遮断する。また、第１バリエータ３３と第２バリエータ３４間の動力伝達が電力で行われる場合、ブロック機構４０は、インバータ・コンバータにより構成できる。この場合、インバータ・コンバータは、電力線間に擬似的な抵抗を与え、電力線間の電圧を上昇させる。また、ブロック機構４０としては、マグネットコンタクタにより電力の流れを遮断る構成、抵抗器で電力線間に抵抗を与える構成を採用してもよい。いずれの場合も、コントローラ２５は、ブロック機構４０に動力の伝達と遮断の信号を送り、ブロック機構４０を制御する。
【0106】
また、内部ロックアップ状態は、第１バリエータ３３の回転軸を非回転部に固定し、第１バリエータ３３の回転を止めることにより実現してもよい。例えば、図１４に示す第２の変形例および図１５に示す第３の変形例のように、第１連結部材３０を非回転部（例えば、変速装置２１のケース）にブレーキ機構４１で固定することにより、内部ロックアップ状態を実現してもよい。ブレーキ機構４１は、摩擦結合または機械的な噛み合い結合により、第１バリエータ３３に繋がる第１連結部材３０を非回転部に固定する構成を採用できる。特に、第１バリエータ３３が発電機である場合には、内部ロックアップの動作時であっても第１バリエータ３３（発電機）に電流を流す必要がある。このため、動力損出の観点からは、第１連結部材３０を非回転部にブレーキ機構４１で固定することが望ましい。即ち、第１バリエータ３３が発電機である場合には、動力損出の観点から、第１連結部材３０を非回転部にブレーキ機構４１で固定することが望ましい。これにより、内部ロックアップ時の遊星式無段変速機構２４の動力伝達を向上でき、ホイールローダ１を省燃費にできる。
【0107】
なお、図１３ないし図１５に示す第１ないし第３の変形例の変速装置２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは、遊星式無段変速機構２４の内部ロックアップ動作を行うことができるが、外部ロックアップ機構（直結機構２７）を備えていない。このような変速装置２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの場合、発進時および掘削時は、遊星式無段変速機構２４を無段階変速させて動力伝達を行い、運搬時および回送時は、遊星式無段変速機構２４を内部ロックアップさせて動力伝達を行う。これにより、無段階変速が必要な発進時および掘削時(車速０～７km/h)は、遊星式無段変速機構２４による無段階変動で動力伝達効率を高めることができる。一方、無段階変速が必要ない運搬時および回送時(車速７km/h以上)は、遊星式無段変速機構２４を内部ロックアップ動作させ、無段階変速よりもさらに伝達効率を高めることができる。これにより、ホイールローダ１を省燃費にできる。
【0108】
次に、外部ロックアップ機構である直結機構２７について、図３を参照しつつ説明する。直結機構２７は、エンジン９から供給された動力を、遊星式無段変速機構２４を介さずに歯車同士の噛み合いによりアイドラギヤ２８Ｂに伝達する。直結機構２７の動力伝達効率は、９９％程度であるため、変速装置２１の伝達効率が向上し、ホイールローダ１を省燃費にできる。直結機構２７は、入力軸２２に設けられたインプットギヤ２７Ａと、インプットギヤ２７Ａと噛合するロックアップギヤ２７Ｂと、第１クラッチ２７Ｃとを備えている。ロックアップギヤ２７Ｂが設けられた回転軸２７Ｂ１は、第１クラッチ２７Ｃを介してアイドラ要素２８のアイドラ軸２８Ａと接続される。第１クラッチ２７Ｃは、例えば、摩擦接合によるクラッチ（摩擦板）、ドグクラッチまたはシンクロメッシュ付ドグクラッチにより構成されている。第１クラッチ２７Ｃは、ロックアップギヤ２７Ｂとアイドラギヤ２８Ｂとの間の機械的な結合（接続）と解放とを行うものである。第２クラッチ３６を解放し、第１クラッチ２７Ｃを結合することより、入力軸２２から入力された動力は、インプットギヤ２７Ａ、ロックアップギヤ２７Ｂ、第１クラッチ２７Ｃを経由し、アイドラギヤ２８Ｂに伝達される。これにより、エンジン９から供給された動力は、遊星式無段変速機構２４を経由せずに、外部ロックアップ機構である直結機構２７を経由してアイドラギヤ２８Ｂに伝達できる。
【0109】
遊星式無段変速機構２４は、図７に示す速度関係線Ｙ１の遊星歯車機構２９の特性により、動力源（エンジン９）に繋がる第２連結部材３１に対してアイドラギヤ２８Ｂに繋がる第３連結部材３２を増速できる。遊星式無段変速機構２４の増速の範囲を有効に使うために、直結機構２７を経由する動力伝達は、増速した方が好ましい。ここで、遊星歯車機構２９に繋がる３つの連結部材３０，３１，３２のうち、第１バリエータ３３に繋がる第１連結部材３０とアイドラギヤ２８Ｂに繋がる第３連結部材３２との回転速度が同じとき、エンジン９に繋がる第２連結部材３１とアイドラギヤ２８Ｂに繋がる第３連結部材３２との回転速度が同じになる。
【0110】
このときのアイドラギヤ２８Ｂの回転速度は、次の数１３式となる。なお、アイドラギヤ２８Ｂの回転速度を「Ｖ２８Ｂ」とし、エンジン９に繋がる第２連結部材３１の回転速度を「Ｖ３１」とし、アイドラギヤ２８Ｂに繋がる第３連結部材３２の歯数を「Ｎ３２」とし、アイドラギヤ２８Ｂの歯数を「Ｎ２８Ｂ」とする。
【0111】
【数13】
【0112】
ここで、同期回転速度比Ｉｄを次の数１４式のように定義する。なお、第３連結部材３２の歯数を「Ｎ３２」とし、アイドラギヤ２８Ｂの歯数を「Ｎ２８Ｂ」とする。
【0113】
【数14】
【0114】
また、外部ロックアップ回転速度比Ｉｒを次の数１５式のように定義する。なお、インプットギヤ２７Ａの歯数を「Ｎ２７Ａ」とし、ロックアップギヤ２７Ｂの歯数を「Ｎ２７Ｂ」とする。
【0115】
【数15】
【0116】
この場合、外部ロックアップ回転速度比Ｉｒを、同期回転速度比Ｉｄより大きくすることにより、遊星式無段変速機構２４の増速範囲を有効に使うことができる。例えば、外部ロックアップを備えるが内部ロックアップ動作を行わない変速装置２１の場合は、次のように動力伝達を行う。即ち、無段階変速が必要な発進時および掘削時(車速０～７km/h)は、遊星式無段変速機構２４を経由して動力伝達を行う。無段階変速が必要ない運搬時および回送時(車速７km/h以上)は、外部ロックアップ機構（直結機構２７）を経由して動力伝達を行う。
【0117】
一方、外部ロックアップ機構（直結機構２７）を備え、かつ、内部ロックアップ動作を行う変速装置２１の場合は、外部ロックアップ回転速度比Ｉｒを内部ロックアップ変速比Ｉｎ以上とすることが望ましい。この場合、例えば、次のように動力伝達を行う。無段階変速が必要な発進時および掘削時(車速０～７km/h)は、遊星式無段変速機構２４を経由して無段変速をさせながら動力伝達を行う。無段階変速が必要ない運搬時および回送時(車速７km/h以上)は、遊星式無段変速機構２４を経由して内部ロックアップを動作させながら動力伝達を行う。無段階変速が必要ない運搬時および回送時(車速１０km/h以上)は、外部ロックアップ機構（直結機構２７）を経由して動力伝達を行う。これにより、変速装置２１は、掘削、発進、運搬、回送の全ての動作時に、最も動力伝達効率の高い動力伝達経路を選択することができる。この結果、ホイールローダ１を省燃費にできる。
【0118】
次に、多段変速機構２６について説明する。多段変速機構２６は、歯車の噛み合い、クラッチの切換え、および、ブレーキの切換えにより変速する変速機構である。多段変速機構２６は、例えば、遊星変速機、カウンターシャフト型変速機、マニュアルトランスミッション、オートメーティッドマニュアルトランスミッション、デュアルクラッチトランスミッション等に相当する。第１の実施形態では、多段変速機構２６は、前進４段変速、後進１段変速のデュアルクラッチトランスミッションにより構成されている。これに対して、図１３に示す第１の変形例、図１４に示す第２の変形例、図１５に示す第３変形例では、多段変速機構２６Ａは、前進５段変速、後進２段変速のデュアルクラッチトランスミッションにより構成されている。なお、多段変速機構２６，２６Ａは、これらの構成に限定されず、例えば、前進は１段変速から１６段変速まで想定でき、後進は１段変速から８段変速まで想定できる。
【0119】
デュアルクラッチトランスミッションである多段変速機構２６について、図１０を参照しつつ説明する。多段変速機構２６は、奇数軸５１と、偶数軸５２と、出力軸５３と、カウンタギヤ５４とを備えている。多段変速機構２６の出力軸５３は、変速装置２１の出力軸２３にも対応する。奇数軸５１は、奇数段ギヤ５５と、前進１速ギヤ５６と、前進３速ギヤ５７と、第１出力クラッチとしての第４クラッチ５８と、第６クラッチ５９と、第８クラッチ６０と、奇数段シャフト６１とを含んで構成されている。偶数軸５２は、偶数段ギヤ６２と、前進２速ギヤ６３と、前進４速ギヤ６４と、後進１速ギヤ６５と、第２出力クラッチとしての第５クラッチ６６と、第７クラッチ６７と、第１０クラッチ６８と、第９クラッチ６９と、偶数段シャフト７０とを含んで構成されている。
【0120】
カウンタギヤ５４は、出力軸５３の回転方向を逆転させるためのギヤである。出力軸５３は、前進１速出力ギヤ７１と、前進２速出力ギヤ７２と、前進３速出力ギヤ７３と、前進４速出力ギヤ７４と、後進１速出力ギヤ７５とを含んで構成されている。偶数段ギヤ６２および奇数段ギヤ５５は、アイドラギヤ２８Ｂと常時噛合しており、アイドラギヤ２８Ｂと共に回転する。また、前進１速ギヤ５６と前進１速出力ギヤ７１、前進２速ギヤ６３と前進２速出力ギヤ７２、前進３速ギヤ５７と前進３速出力ギヤ７３、前進４速ギヤ６４と前進４速出力ギヤ７４は、それぞれ常時噛合している。また、後進１速ギヤ６５とカウンタギヤ５４と後進１速出力ギヤ７５も、常時噛合している。第４クラッチ５８は、奇数段ギヤ５５と奇数段シャフト６１との結合（締結）と解放とを行う。第４クラッチ５８により、奇数段ギヤ５５と奇数段シャフト６１とが結合されることで、アイドラギヤ２８Ｂと奇数段シャフト６１との間で動力伝達が可能となる。第５クラッチ６６は、偶数段ギヤ６２と偶数段シャフト７０との結合（締結）と解放とを行う。第５クラッチ６６により、偶数段ギヤ６２と偶数段シャフト７０とが結合されることで、アイドラギヤ２８Ｂと偶数段シャフト７０との間で動力伝達が可能となる。
【0121】
第６クラッチ５９は、前進１速ギヤ５６と奇数段シャフト６１との結合（締結）と解放とを行う。第６クラッチ５９により、前進１速ギヤ５６と奇数段シャフト６１とが結合されることで、出力軸５３と奇数段シャフト６１との間で動力伝達が可能となる。第８クラッチ６０により、前進３速ギヤ５７と奇数段シャフト６１とが結合されることで、出力軸５３と奇数段シャフト６１との間で動力伝達が可能となる。第７クラッチ６７により、前進２速ギヤ６３と偶数段シャフト７０とが結合されることで、出力軸５３と偶数段シャフト７０との間で動力伝達が可能となる。第１０クラッチ６８により、前進４速ギヤ６４と偶数段シャフト７０とが結合されることで、出力軸５３と偶数段シャフト７０との間で動力伝達が可能となる。第９クラッチ６９により、後進１速ギヤ６５と偶数段シャフト７０とが結合されることで、出力軸５３と偶数段シャフト７０との間で動力伝達が可能となる。なお、第６クラッチ５９、第７クラッチ６７、第８クラッチ６０、第９クラッチ６９、第１０クラッチ６８は、ドグクラッチまたはシンクロメッシュ付ドグクラッチにより構成されている。
【0122】
次に、多段変速機構２６の動作を説明する。アイドラギヤ２８Ｂに入力された動力を前進１速で出力軸５３に伝達するためには、第４クラッチ５８を結合し、第５クラッチ６６を解放し、第６クラッチ５９を結合し、第８クラッチ６０を解放する。この状態で、第７クラッチ６７と第１０クラッチ６８と第９クラッチ６９とのうちのいずれか２つ以上のクラッチを解放する。前進１速は、後述の表５のNo１からNo4に相当する。
【0123】
前進２速で出力軸５３に動力伝達するためには、第５クラッチ６６および第７クラッチ６７を結合し、第４クラッチ５８、第１０クラッチ６８および第９クラッチ６９を解放する。この状態で、第６クラッチ５９と第８クラッチ６０とのうちのいずれか一方または両方を解放する。前進２速は、後述の表５のNo9からNo11に相当する。
【0124】
前進３速で出力軸５３に動力伝達するためには、第４クラッチ５８および第８クラッチ６０を結合し、第５クラッチ６６および第６クラッチ５９を解放する。この状態で、第７クラッチ６７と第１０クラッチ６８と第９クラッチ６９とのうちのいずれか２つ以上を解放する。前進３速は、後述の表５のNo5からNo8に相当する。
【0125】
前進４速で出力軸５３に動力伝達するためには、第５クラッチ６６および第１０クラッチ６８を結合し、第４クラッチ５８、第７クラッチ６７および第９クラッチ６９を解放する。この状態で、第６クラッチ５９と第８クラッチ６０とのうちのいずれか一方または両方を解放する。前進４速は、後述の表５のNo12からNo14に相当する。
【0126】
後進１速で出力軸５３に動力伝達するためには、第５クラッチ６６および第９クラッチ６９を結合し、第４クラッチ５８、第７クラッチ６７および第１０クラッチ６８を解放する。この状態で、第６クラッチ５９と第８クラッチ６０とのうちのいずれか一方または両方を解放する。後進１速は、後述の表５のNo15からNo17に相当する。
【0127】
アイドラギヤ２８Ｂから奇数軸５１を通じて出力軸５３に動力を伝達しているときは、第７クラッチ６７、第１０クラッチ６８および第９クラッチ６９の結合と解放との切換えを行うことができる。これにより、前進２速ギヤ６３、前進４速ギヤ６４または後進１速ギヤ６５のいずれかを、偶数段シャフト７０に予め結合しておくことができる。同様に、アイドラギヤ２８Ｂから偶数軸５２を通じて出力軸５３に動力を伝達しているときは、第６クラッチ５９および第８クラッチ６０の結合と解放との切換えを行うことができる。これにより、前進１速ギヤ５６または前進３速ギヤ５７のいずれかを、奇数段シャフト６１と予め結合しておくことができる。
【0128】
アイドラギヤ２８Ｂから出力軸５３への動力伝達は、第４クラッチ５８を結合して第５クラッチ６６を解放している状態から第４クラッチ５８を解放して第５クラッチ６６を結合することにより、奇数段シャフト６１経由から偶数段シャフト７０経由に切換えることができる。同様に、アイドラギヤ２８Ｂから出力軸５３への動力伝達は、第４クラッチ５８を解放して第５クラッチ６６を結合している状態から第４クラッチ５８を結合して第５クラッチ６６を解放することにより、偶数段シャフト７０経由から奇数段シャフト６１経由に切換えることができる。
【0129】
ただし、第４クラッチ５８と第５クラッチ６６との結合の切換えは、必ずしも交互に行う必要はない。例えば、下記の表５中に示す、No1～4からNo5～8への切換え、No5～8からNo1～4への切換えがある。この場合、第４クラッチ５８を解放した後に、第６クラッチ５９と第８クラッチ６０とを結合または解放する。その後、解放している第４クラッチ５８を結合させる。また、No9～11からNo12～14への切換え、No12～14からNo9～11への切換え、No9～11からNo15～17への切換え、No15～17からNo9～11への切換え、No12～14からNo15～17への切換え、No15～17からNo12～14への切換えがある。この場合、第５クラッチ６６を解放した後に、第７クラッチ６７と第１０クラッチ６８と第９クラッチ６９とを結合または解放する。その後、解放している第５クラッチ６６を結合させる。
【0130】
【表5】
【0131】
なお、ホイールローダ１が砂利等のダンプ積み作業を主体としたＶサイクルを行う場合、車両を前進させて砂利等の掘削を行い、その後、車両を後退させてダンプに向けて移動する。このとき、第１の実施の形態（即ち、表４のNo1-A）での具体例を挙げて説明する。遊星式無段変速機構２４は、図７に示す遊星歯車機構２９の速度関係線Ｙ１の関係より、第１バリエータ３３に繋がる第１連結部材３０の回転速度を制御することで、アイドラギヤ２８Ｂに繋がる第３連結部材３２の回転方向を反転することができる。しかし、第１サンギヤ２９Ｂの回転方向に対して第２サンギヤ２９Ｃの回転方向を逆転させようとした場合（即ち、図７の右下の方向に制御する場合）、第１サンギヤ２９Ｂの回転速度が高くなる。同様に、第２サンギヤ２９Ｃの回転方向に対して第１サンギヤ２９Ｂの回転方向を逆転させようとした場合（図７の左上の方向に制御する場合）、第２サンギヤ２９Ｃの回転速度が高くなる。
【0132】
このような場合、第１連結部材３０に接続される第１バリエータ３３は、最高回転速度の制限がより高いものを採用しなければならなくなる。このため、第１バリエータ３３に繋がる第１連結部材３０を高速に回転させ、アイドラギヤ２８Ｂに繋がる第３連結部材３２の回転方向を正転から逆転することは、最高回転速度の高い高価な第１バリエータ３３を採用することになる。これにより、遊星式無段変速機構２４の原価が増大する可能性がある。このため、ホイールローダ１が後進するときは、多段変速機構２６を用い、出力軸５３（出力軸２３）の回転方向を前進方向から後進方向に逆転をさせることが望ましい。これにより、逆転時に接続される第１バリエータ３３の回転速度を低下させることが可能となり、廉価な第１バリエータ３３を用いることができる。なお、第１の実施の形態（即ち、表４のNo1-A）を例に挙げたが、第４の変形例（即ち、表４のNo1-B）、第５の変形例（即ち、表４のNo1-C）の場合は、同様に、多段変速機構２６を用い、出力軸５３の回転方向を切換えることで、前進方向と後進方向を切換えた方が、逆転時に接続される第１バリエータ３３の回転速度を低下させることが可能となり、廉価な第１バリエータ３３を用いることができる。
【0133】
以上のように、第１の実施の形態によれば、変速装置２１は、動力源（エンジン９）に繋がる入力軸２２（入力部材）と、負荷（フロントアクスル１２、リヤアクスル１３）に繋がる出力軸２３（出力部材）と、入力軸２２と出力軸２３との間に設けられた遊星歯車機構２９（遊星機構）と、遊星歯車機構２９に接続された第１バリエータ３３と、第１バリエータ３３とは別に設けられた第２バリエータ３４と、第１バリエータ３３の回転速度を変更するコントローラ２５とを備えている。そして、遊星歯車機構２９は、キャリア２９Ａと、キャリア２９Ａの回転中心軸を中心として自転する第１サンギヤ２９Ｂ（第１サン部材）と、キャリア２９Ａの回転中心軸を中心として自転する第２サンギヤ２９Ｃ（第２サン部材）との３つの部材（回転部材）を含んで構成されている。
【0134】
この場合、例えば、図４および図５に示すように、３つの部材のうちの１つである第１部材となるキャリア２９Ａは、入力軸２２に第２連結部材３１（他の部材）を介して接続されている。キャリア２９Ａとは別の第２部材となる第１サンギヤ２９Ｂは、第１バリエータ３３に第１連結部材３０、第２クラッチ３６（いずれも他の部材）を介して接続されている。キャリア２９Ａおよび第１サンギヤ２９Ｂとは別の第３部材となる第２サンギヤ２９Ｃは、出力軸２３に第３連結部材３２、アイドラ要素２８、多段変速機構２６（いずれも他の部材）を介して接続されている。なお、キャリア２９Ａ（第１部材）は、入力軸２２に直接接続してもよい。第１サンギヤ２９Ｂ（第２部材）は、第１バリエータ３３に直接接続してもよい。第２サンギヤ２９Ｃ（第３部材）は、出力軸２３に直接接続してもよい。
【0135】
ここで、キャリア２９Ａには、キャリア２９Ａの回転中心軸Ｓを中心に公転しつつ第１サンギヤ２９Ｂと第２サンギヤ２９Ｃと回転しながら動力伝達を行うプラネットギヤ２９Ｄ（プラネット部材）およびカウンタギヤとなるバランスギヤ２９Ｅ（バランス部材）が支持されている。そして、遊星歯車機構２９は、エンジン９から遊星歯車機構２９のキャリア２９Ａ（第１部材）に伝達されたトルクを第１サンギヤ２９Ｂ（第２部材）と第２サンギヤ２９Ｃ（第３部材）とに分配する。遊星歯車機構２９は、キャリア２９Ａと第１サンギヤ２９Ｂと第２サンギヤ２９Ｃとの間で２自由度の回転運動をする。第２バリエータ３４は、第１バリエータ３３から伝達された動力を負荷（出力軸２３）または動力源（入力軸２２）に伝達し、または、負荷（出力軸２３）または動力源（入力軸２２）から伝達された動力を第１バリエータ３３に伝達する。そして、コントローラ２５は、第１バリエータ３３の回転速度を変更することにより、入力軸２２の回転速度に対する出力軸２３の回転速度を変更する。
【0136】
即ち、第１の実施形態の変速装置２１は、遊星歯車機構２９により無段階に変速を行い、動力源（入力軸２２）からの動力を負荷（出力軸２３）に、または、負荷（出力軸２３）からの動力を動力源（入力軸２２）に伝達する。この場合、変速装置２１は、入力軸２２と出力軸２３との間に設けられた遊星歯車機構２９と、遊星歯車機構２９に接続された第１バリエータ３３と、第１バリエータ３３から伝達された動力を負荷または動力源に伝達する第２バリエータ３４とを備えている。そして、遊星歯車機構２９は、入力軸２２に接続されると共にプラネットギヤ２９Ｄおよびバランスギヤ２９Ｅが支持されたキャリア２９Ａと、第１バリエータ３３に接続された第１サンギヤ２９Ｂと、アイドラ要素２８および多段変速機構２６を介して出力軸２３に接続された第２サンギヤ２９Ｃとを備えている。さらに、変速装置２１は、内部ロックアップと外部ロックアップ（直結機構２７）とのうちの少なくとも一方のロックアップを備えている。そして、変速装置２１は、遊星式無段変速機構２４による動力伝達とロックアップによる動力伝達との切換えを行うことができる。
【0137】
このため、伝達効率の高い変速装置２１を提供することができ、作業車両であるホイールローダ１の動力損失を低減できる。この場合、遊星歯車機構２９と第１バリエータ３３と第２バリエータ３４とを含んで構成される遊星式無段変速機構２４の増速の変速範囲を有効に使うことができる。これに加えて、遊星式無段変速機構２４による動力伝達からロックアップによる動力伝達に切換えるときに、車両の加減速度の変化を少なくできる。さらに、第１バリエータ３３の回転速度の上限値と発生（吸収）可能トルクの上限値とが限られている場合に、遊星歯車機構２９のギヤ比が最適な値になる歯車配列を提供でき、遊星式無段変速機構２４の伝達効率を向上できる。即ち、回転速度の上限値と発生（吸収）可能トルクの上限値とが限られている廉価で小型の第１バリエータ３３を用いる場合でも、遊星式無段変速機構２４の伝達効率を向上できる。
【0138】
例えば、第１の実施形態では、荷役作業機７を動作させない、または、荷役作業機７の高い操作性が要求されていない条件では、ロックアップ機構による動力伝達を行う。このため、この場合には、伝達効率の高い歯車同士の噛み合いにより動力伝達（内部ロックアップ、外部ロックアップ）を行うことができる。一方、荷役作業機７を動作させている、または、荷役作業機７の高い操作性が要求されている条件では、遊星式無段変速機構２４による動力伝達を行う。このため、遊星式無段変速機構２４を動作させ、無段階変速を行うことができる。なお、遊星式無段変速機構２４による動力伝達は、歯車同士の噛み合いのみによって行われる動力伝達（内部ロックアップ、外部ロックアップ）よりも伝達効率が低くなる可能性がある。しかし、遊星式無段変速機構２４による無段階変速は、トルクコンバータによる無段階変速よりも伝達効率を高くできる。これにより、１つのエンジン９の動力を「車両を走行させるための変速装置２１」と「荷役作業機７を動かすための油圧ポンプ１０」とに分配するときに、変速装置２１の変速によるエンジン９の回転速度の変化を穏やかにすることができる。このため、荷役作業機７の動作速度が急変することを抑制でき、荷役作業機７の操作性を向上できる。これに加えて、１つのエンジン９の動力を変速装置２１と油圧ポンプ１０とに分配したときに、分配による動力損失を低減できる。
【0139】
第１の実施形態によれば、コントローラ２５は、遊星歯車機構２９の第１サンギヤ２９Ｂ（第２部材）の回転を停止し、内部ロックアップの状態を実現する。即ち、コントローラ２５は、第１サンギヤ２９Ｂの回転を停止し、キャリア２９Ａと第１サンギヤ２９Ｂと第２サンギヤ２９Ｃとの間で２自由度の回転運動をする状態から、１自由度の回転運動をする状態に変化させる。これにより、変速装置２１は、遊星歯車機構２９が１自由度の状態で、動力源から遊星歯車機構２９に伝達された動力を負荷に伝達する。このとき、コントローラ２５は、第１バリエータ３３に回転速度を０とする指令を出力する。または、コントローラ２５は、第１バリエータ３３に接続される部材の回転を機械的な結合により停止させる指令を出力する。または、コントローラ２５は、第１バリエータ３３から第２バリエータ３４に送る動力を遮断する指令を出力する。これにより、コントローラ２５は、第１サンギヤ２９Ｂの回転を停止する。いずれの場合も、遊星歯車機構２９の第１サンギヤ２９Ｂの回転を停止することにより、内部ロックアップを実現することができ、伝達効率を向上できる。
【0140】
第１の実施形態によれば、変速装置２１は、第１動力伝達経路（遊星式無段変速機構２４）と第２動力伝達経路（直結機構２７）との２つの動力伝達経路を備えている。即ち、遊星歯車機構２９を通じて動力源から負荷（出力軸２３）に動力を伝達する動力伝達経路を第１動力伝達経路とする。この場合に、変速装置２１には、第１動力伝達経路と並行して第２動力伝達経路が設けられている。第２動力伝達経路は、遊星歯車機構２９を介さずに歯車同士の噛み合いにより負荷（出力軸２３）に動力を伝達する直結機構２７（外部ロックアップ機構）である。第２動力伝達経路（直結機構２７）は、締結と解放とを切換える第１クラッチ２７Ｃを備えている。コントローラ２５は、第１クラッチ２７Ｃを締結し、第２動力伝達経路（直結機構２７）を通じて動力伝達を行う。これにより、例えば、内部ロックアップのみを行う構成と比較して、伝達効率を向上できる。
【0141】
第１の実施形態によれば、キャリア２９Ａ（第１部材）の回転速度と第２サンギヤ２９Ｃ（第３部材）の回転速度とが同じときの速度比を同期回転速度比としている。また、第１クラッチ２７Ｃを締結することにより第２動力伝達経路（直結機構２７）を経由して動力伝達が行われるときの第２サンギヤ２９Ｃ（第３部材）の回転速度を動力源の回転速度で割った値をロックアップ回転速度比としている。この場合に、ロックアップ回転速度比は、同期回転速度比よりも大きい。このため、外部ロックアップ機構である第２動力伝達経路を通じて動力を伝達するときに、増速できる。
【0142】
第１の実施形態によれば、第１サンギヤ２９Ｂ（第２部材）と第１バリエータ３３との間には、第１サンギヤ２９Ｂ（第２部材）と第１バリエータ３３との間の動力の伝達と解放とを切換える第２クラッチ３６が設けられている。そして、コントローラ２５は、作業車両（ホイールローダ１）が停止しているときに、第２クラッチ３６を解放することにより、第１サンギヤ２９Ｂ（第２部材）と第１バリエータ３３との間の動力伝達を切り離す。これにより、ホイールローダ１の車速が０のときに、第１バリエータ３３への動力伝達を阻止できる。
【0143】
第１の実施形態によれば、コントローラ２５は、第１サンギヤ２９Ｂ（第２部材）を停止させるために、第２クラッチ３６を締結する。このため、内部ロックアップのときに、第１サンギヤ２９Ｂ（第２部材）の回転を停止できる。また、第１の実施形態では、第２バリエータ３４と負荷または動力源との間には、第２バリエータ３４と負荷または動力源との間の動力の伝達と解放とを切換える第３クラッチ３７が設けられている。そして、コントローラ２５は、第１サンギヤ２９Ｂ（第２部材）が停止しているときに、第３クラッチ３７を解放する。このため、内部ロックアップのときに、第２バリエータ３４への動力伝達を阻止できる。なお、内部ロックアップのときは、第２クラッチ３６は締結しなければならないが、第３クラッチ３７は解放、締結のどちらでもよい。
【0144】
第１の実施形態によれば、コントローラ２５は、第１クラッチ２７Ｃが締結されているときに、第２クラッチ３６を解放する。このため、外部ロックアップのときに、第１バリエータ３３への動力伝達を阻止できる。また、コントローラ２５は、第１クラッチ２７Ｃが締結されているときに、第３クラッチ３７を解放する。このため、外部ロックアップのときに、第２バリエータ３４への動力伝達を阻止できる。なお、外部ロックアップのときは、第２クラッチ３６と第３クラッチ３７は解放、締結のどちらでもよい。
【0145】
第１の実施形態によれば、変速装置２１は、第２サンギヤ２９Ｃ（第３部材）と出力軸２３（出力部材）との間に多段変速機構２６が設けられている。多段変速機構２６は、第１出力伝達経路（奇数軸５１）と第２出力伝達経路（偶数軸５２）とを備えている。この場合、第１出力伝達経路（奇数軸５１）は、第２サンギヤ２９Ｃ（第３部材）と出力軸２３（出力部材）との間で、歯車噛合回数が奇数回である。第２出力伝達経路（偶数軸５２）は、第２サンギヤ２９Ｃ（第３部材）と出力軸２３（出力部材）との間で、歯車噛合回数が奇数回と偶数回の両方がある。具体的には、第２出力伝達経路（偶数軸５２）のうち、アイドラギヤ２８Ｂから偶数段ギヤ６２、第５クラッチ６６、第９クラッチ６９、カウンタギヤ５４、後進１速ギヤ７５を経由して出力軸５３に伝達する経路が、偶数回の歯車噛合回数である。他の経路による第２サンギヤ２９Ｃ（第３部材）と出力軸２３（出力部材）との歯車噛合回数は奇数回となる。そして、第１出力伝達経路（奇数軸５１）は、第１出力伝達経路の動力の伝達と解放とを切換える第１出力クラッチ（第４クラッチ５８、第６クラッチ５９、第８クラッチ６０）を備えている。第２出力伝達経路（偶数軸５２）は、第２出力伝達経路の動力の伝達と解放とを切換える第２出力クラッチ（第５クラッチ６６、第７クラッチ６７、第１０クラッチ６８、第９クラッチ６９）を備えている。コントローラ２５は、第１出力クラッチ（例えば、第４クラッチ５８、第６クラッチ５９）が締結されると共に第２出力クラッチ（例えば、第５クラッチ６６）が解放された正転モード（例えば、１速モード）と、第１出力クラッチ（例えば、第４クラッチ５８）が解放されると共に第２出力クラッチ（例えば、第５クラッチ６６、第９クラッチ６９）が締結された逆転モード（後進モード）とを切換えることにより、ホイールローダ１（車両）の進行方向を反転する。このため、変速装置２１は、負荷（出力軸２３）の回転方向を反転できる。
【0146】
第１の実施形態によれば、変速装置２１には、副変速機構である多段変速機構２６が設けられている。そして、第２バリエータ３４は、遊星歯車機構２９と多段変速機構２６との間に設けられたアイドラ要素（具体的には、回転要素となるアイドラギヤ２８Ｂ）に接続されている。なお、図２０に示す第６の変形例のように、第２バリエータ３４は、出力軸２３（出力部材）に接続してもよい。即ち、後述する図３０ないし図３９に示すように、第２バリエータ３４は、入力軸２２（入力部材）と駆動源（エンジン９）との間に設けられた回転要素、多段変速機構２６を構成する回転要素、多段変速機構２６と出力軸２３（出力部材）との間に設けられた回転要素、出力軸２３（出力部材）、または、出力軸２３と負荷との間に設けられた回転要素に接続する構成としてもよい。
【0147】
次に、図２１ないし図２４は、第２の実施の形態を示している。第２の実施の形態の特徴は、遊星歯車機構をキャリアとサンギヤとリングギヤとにより構成したことにある。なお、第２の実施形態では、第１の実施形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略する。
【0148】
第１の実施の形態では、遊星式無段変速機構２４の遊星歯車機構２９をキャリアと２つのサンギヤとにより構成した場合を例に挙げて説明した。これに対して、第２の実施の形態では、遊星式無段変速機構２４の遊星歯車機構８１を、キャリア８１Ａと、サンギヤ８１Ｂと、リングギヤ８１Ｃとにより構成している。下記の表６は、遊星歯車機構８１の構成要素（キャリア、サンギヤ、リングギヤ）の組み合わせを示している。いずれの場合も、動力伝達が可能である。表６中の「No2-A」は、遊星式無段変速機構２４の伝達効率を向上でき、第１バリエータ３３の最大吸収トルクを小さくでき、かつ、遊星式無段変速機構２４全体を小型で軽量に構成できる面から最も好適である。
【0149】
【表6】
【0150】
図２１および図２２に示すように、第２の実施形態では、遊星歯車機構８１は、第１部材に対応するキャリア８１Ａと、第２部材に対応するサンギヤ８１Ｂと、第３部材に対応するリングギヤ８１Ｃと、プラネットギヤ８１Ｄとを備えている。なお、サンギヤ８１Ｂ、リングギヤ８１Ｃ、プラネットギヤ８１Ｄは、ギヤ（歯車）の噛み合いによる動力伝達でなくてもよく、例えば、ローラ（外周面）の摩擦による動力伝達であってもよい。
【0151】
エンジン９は、第２連結部材３１を介してキャリア８１Ａに結合されている。サンギヤ８１Ｂは、第１連結部材３０を介して第１バリエータ３３に接続されている。リングギヤ８１Ｃは、第３連結部材３２を介してアイドラ要素２８（アイドラギヤ２８Ｂ）に接続されている。サンギヤ８１Ｂは、プラネットギヤ８１Ｄと噛み合っている。また、プラネットギヤ８１Ｄは、リングギヤ８１Ｃと噛み合っている。プラネットギヤ８１Ｄの自転軸Ｓｐ（図２３）は、キャリア８１Ａに支持されている。このため、プラネットギヤ８１Ｄは、遊星歯車機構８１の中心軸Ｓ（図２３）を中心に公転しながら自転する。
【0152】
次に、キャリア８１Ａとサンギヤ８１Ｂとリングギヤ８１Ｃとにより構成される遊星歯車機構８１の動作を説明する。以下は、表６の「No2-A」、「No2-B」、「No2-C」、「No2-D」、「No2-F」の全ての条件で成立する。
【0153】
まず、遊星歯車機構８１の３つの部材（キャリア８１Ａ、サンギヤ８１Ｂ、リングギヤ８１Ｃ）のトルクの分配について説明する。図２３は、遊星歯車機構８１を動力源側からみた断面図である。キャリア８１Ａ、サンギヤ８１Ｂおよびリングギヤ８１Ｃは、同心に配置されている。即ち、キャリア８１Ａ、サンギヤ８１Ｂおよびリングギヤ８１Ｃの中心軸Ｓ（回転中心軸）は一致している。プラネットギヤ８１Ｄは、サンギヤ８１Ｂの外周とリングギヤ８１Ｃの内周に接するように配置されている。プラネットギヤ８１Ｄは、サンギヤ８１Ｂおよびリングギヤ８１Ｃと噛み合う。キャリア８１Ａ、サンギヤ８１Ｂおよびリングギヤ８１Ｃは、それぞれの歯車の噛み合いが成立するように、中心軸Ｓを中心に自転可能に、かつ、他方向に動けないように、遊星式無段変速機構２４のケーシングによって支持されている。プラネットギヤ８１Ｄは、プラネットギヤ８１Ｄの中心軸である自転軸Ｓｐを中心に自転可能に、かつ、他方向に動けないように、キャリア８１Ａによって支持されている。プラネットギヤ８１Ｄは、キャリア８１Ａの中心軸Ｓを中心に公転しながらプラネットギヤ８１Ｄの中心軸Ｓｐを中心に自転する。
【0154】
遊星歯車機構８１の制約条件は、図２３に示すように、サンギヤ８１Ｂとリングギヤ８１Ｃとプラネットギヤ８１Ｄとが噛み合う必要があることである。また、歯車の強度を確保するためには、プラネットギヤ８１Ｄの直径を大きくする必要がある。即ち、遊星歯車機構８１の制約条件は、サンギヤ８１Ｂの噛み合い半径ｒｓは、リングギヤ８１Ｃの噛み合い半径ｒｒより大幅に小さくなることである。
【0155】
表６の「No2-A」の構成は、キャリア８１Ａがエンジン９（動力源）に繋がる第２連結部材３１に接続されている。このため、キャリア８１ＡのトルクＴｃは、エンジン９が発生できるトルクである。サンギヤ８１Ｂは、第１バリエータ３３に繋がる第１連結部材３０に接続されている。このため、サンギヤ８１ＢのトルクＴｓは、第１バリエータ３３が発生できるトルクである。リングギヤ８１Ｃは、アイドラ要素２８に繋がる第３連結部材３２に接続されている。このため、リングギヤ８１ＣのトルクＴｒは、アイドラギヤ２８Ｂから受けるトルク反力である。
【0156】
表６の「No2-B」の構成は、リングギヤ８１Ｃが第２連結部材３１に接続されている。このため、リングギヤ８１ＣのトルクＴｒは、エンジン９が発生できるトルクである。キャリア８１Ａは、第１連結部材３０に接続されている。このため、キャリア８１ＡのトルクＴｃは、第１バリエータ３３が発生できるトルクである。サンギヤ８１Ｂは、第３連結部材３２に接続されている。このため、サンギヤ８１ＢのトルクＴｓは、アイドラギヤ２８Ｂから受けるトルク反力である。
【0157】
表６の「No2-C」の構成は、キャリア８１Ａが第２連結部材３１に接続されており、リングギヤ８１Ｃが第１連結部材３０に接続されており、サンギヤ８１Ｂが第３連結部材３２に接続されている。表６の「No2-D」の構成は、リングギヤ８１Ｃが第２連結部材３１に接続されており、サンギヤ８１Ｂが第１連結部材３０に接続されており、キャリア８１Ａが第３連結部材３２に接続されている。表６の「No2-E」の構成は、サンギヤ８１Ｂが第２連結部材３１に接続されており、リングギヤ８１Ｃが第１連結部材３０に接続されており、キャリア８１Ａが第３連結部材３２に接続されている。表６の「No2-F」の構成は、サンギヤ８１Ｂが第２連結部材３１に接続されており、キャリア８１Ａが第１連結部材３０に接続されており、リングギヤ８１Ｃが第３連結部材３２に接続されている。
【0158】
次に、サンギヤ８１ＢのトルクＴｓ、リングギヤ８１ＣのトルクＴｒおよびキャリア８１ＡのトルクＴｃの関係性を説明する。サンギヤ８１Ｂとリングギヤ８１Ｃは、プラネットギヤ８１Ｄを介して噛み合っている。このため、サンギヤ８１Ｂとプラネットギヤ８１Ｄの噛み合い接線力と、プラネットギヤ８１Ｄとリングギヤ８１Ｃの噛み合い接線力は等しい。即ち、下記の数１６式および数１７式が得られる。
【0159】
【数16】
【0160】
【数17】
【0161】
作用反作用の関係により、下記の数１８式が得られる。
【0162】
【数18】
【0163】
これら数１６式、数１７式、数１８式より、サンギヤ８１ＢのトルクＴｓ、リングギヤ８１ＣのトルクＴｒおよびキャリア８１ＡのトルクＴｃは、リングギヤ８１Ｃの噛み合い半径ｒｒおよびサンギヤ８１Ｂの噛み合い半径ｒｓより計算できる。リングギヤ８１Ｃの噛み合い半径ｒｒおよびサンギヤ８１Ｂの噛み合い半径ｒｓは、それぞれの歯車の噛み合い半径で決まるため、遊星式無段変速機構２４が動力伝達している間に変更できない。このため、サンギヤ８１ＢのトルクＴｓ、リングギヤ８１ＣのトルクＴｒおよびキャリア８１ＡのトルクＴｃの比率は、遊星式無段変速機構２４が動力伝達している間は不変である。
【0164】
コントローラ２５は、この法則に基づいて、第１バリエータ３３を制御する信号を出力し、第１バリエータ３３に繋がる第１連結部材３０（例えば、サンギヤ８１Ｂ）のトルクを制御する。即ち、コントローラ２５は、第１バリエータ３３を制御することにより第１連結部材３０（例えば、サンギヤ８１Ｂ）のトルクを制御する。これにより、コントローラ２５は、エンジン９に繋がる第２連結部材３１（例えば、キャリア８１Ａ）のトルクとアイドラ要素２８に繋がる第３連結部材３２（例えば、リングギヤ８１Ｃ）のトルクとを間接的に制御する。この結果、エンジン９に繋がる第２連結部材３１（例えば、キャリア８１Ａ）とアイドラ要素２８に繋がる第３連結部材３２（例えば、リングギヤ８１Ｃ）との間で、伝達トルクを制御することができる。
【0165】
次に、サンギヤ８１Ｂの自転速度、リングギヤ８１Ｃの自転速度およびキャリア８１Ａの自転速度の関係性を説明する。まず、サンギヤ８１Ｂとリングギヤ８１Ｃは、プラネットギヤ８１Ｄを介して噛み合っている。サンギヤ８１Ｂとリングギヤ８１Ｃは、中心軸Ｓを中心に自転する。プラネットギヤ８１Ｄは、キャリア８１Ａによって自転方向に自由に回転し、かつ、キャリア２９Ａの中心軸Ｓに対して公転方向に拘束されている。これらから、回転速度の関係を求めると、下記の数１９式が成立する。なお、数１９式中の「Ｋｂ」は、数２０式の通りである。なお、キャリア８１Ａの自転速度を「Ｖｃ」とし、サンギヤ８１Ｂの自転速度を「Ｖｓ」とし、リングギヤ８１Ｃの自転速度を「Ｖｒ」とする。
【0166】
【数19】
【0167】
【数20】
【0168】
図２４は、遊星歯車機構８１の回転速度の関係を示している。図２４中の速度関係線Ｙ２は、数１９式を線図で表している。キャリア８１Ａの自転速度が一定と仮定する。この場合、リングギヤ８１Ｃの自転速度を高くすると、サンギヤ８１Ｂの自転速度が低くなる。反対に、リングギヤ８１Ｃの自転速度を低くすると、サンギヤ８１Ｂの自転速度が高くなる。コントローラ２５は、この法則に基づいて、第１バリエータ３３を制御する信号を出力し、第１バリエータ３３に繋がる第１連結部材３０（例えば、サンギヤ８１Ｂ）の回転速度を制御する。即ち、コントローラ２５は、第１バリエータ３３を制御することにより第１連結部材３０（例えば、サンギヤ８１Ｂ）の回転速度を制御する。これにより、コントローラ２５は、エンジン９に繋がる第２連結部材３１（例えば、キャリア８１Ａ）の回転速度とアイドラ要素２８に繋がる第３連結部材３２（例えば、リングギヤ８１Ｃ）の回転速度とを間接的に制御する。この結果、エンジン９に繋がる第２連結部材３１（例えば、キャリア８１Ａ）とアイドラ要素２８に繋がる第３連結部材３２（例えば、リングギヤ８１Ｃ）との間で、変速比を制御することができる。
【0169】
前述したように、遊星歯車機構８１は、サンギヤ８１Ｂとリングギヤ８１Ｃとプラネットギヤ８１Ｄとが噛み合う必要がある。また、歯車の強度を確保するために、プラネットギヤ８１Ｄの直径を大きくする必要がある。しかし、プラネットギヤ８１Ｄの直径を大きくすると、遊星歯車機構８１が大型化する。即ち、遊星歯車機構８１の構造的制約は、遊星歯車機構８１を小型に設計しようとすると、サンギヤ８１Ｂの噛み合い半径ｒｓはリングギヤ８１Ｃの噛み合い半径ｒｒより大幅に小さくなることである。このため、遊星歯車機構８１は、Ｋｂの値を０．３よりも大きくすることが難しく、理想的なＫｂの値よりも小さくなり過ぎる可能性がある。
【0170】
この構造的制約より、遊星歯車機構８１は、トルクＴｃ，Ｔｓ，Ｔｒの関係式（数１６式、数１７式、数１８式）および自転速度Ｖｓ，Ｖｒ，Ｖｃの関係式（数１９式、数２０式）から、第１バリエータ３３が吸収できるトルクと許容可能な最高回転速度とに応じて、サンギヤ８１Ｂの噛み合い半径ｒｓとリングギヤ８１Ｃの噛み合い半径ｒｒとを調整する。これにより、数２０式のＫｂの値を理想的な値に設定し、図２４に示す速度関係線Ｙ２の傾きを理想的な値とすることにより、第１バリエータ３３が吸収できるトルクと許容可能な最高回転速度との両方を低減できるようにする。しかし、このようにすると、Ｋｂの値が小さくなり過ぎ、両立することが難しい。即ち、第２の実施の形態は、第１の実施の形態と比較して、第１バリエータ３３の吸収できるトルクと許容可能な最高回転速度との両方が最適化された遊星歯車機構８１の配列を提供する点で不利になる可能性がある。即ち、第２の実施の形態は、第１の実施の形態と比較して、第１バリエータ３３が高価になる傾向があり、かつ、遊星式無段変速機構２４の伝達効率が低下する可能性がある。
【0171】
なお、第１バリエータ３３の大きさおよび価格は、吸収できるトルクの大きさに比例する。このため、第１バリエータ３３の吸収トルクは、小さい方が望ましい。第２の実施の形態（即ち、表６のNo2-A）で具体例を挙げて説明する。まず、数２０式のＫｂの値は、小さくすることが望ましい。また、第１バリエータ３３に分配されるトルクは小さい方が、遊星式無段変速機構２４の伝達効率を向上できる。このため、数２０式のＫｂの値を小さくすることは遊星式無段変速機構２４にとって好都合である。
【0172】
一方で、図２４に示す速度関係線Ｙ２から、Ｋｂの値を小さくすると、第１バリエータ３３の回転速度が上昇してしまう。このため、Ｋｂの値は、第１バリエータ３３の許容可能な最高回転速度を越えない範囲で小さくすることが望ましい。サンギヤとリングギヤとキャリアとから構成される遊星歯車機構８１は、遊星歯車機構８１を小型に設計しようとすると、サンギヤ８１Ｂの噛み合い半径ｒｓは、リングギヤ８１Ｃの噛み合い半径ｒｒより大幅に小さくなる構造的制約を持っている。このため、遊星歯車機構８１を小型に設計しようとすると、Ｋｂの値が小さくなり過ぎる。この結果、第１バリエータ３３の回転速度が高くなり、第１バリエータ３３の許容可能な最高回転速度を超える可能性がある。このため、高回転で運転可能な遊星歯車機構８１が必要になる。即ち、第１バリエータ３３は、高回転に対応できる高価なものになり、遊星歯車機構８１は大型のものとなり、かつ、遊星式無段変速機構２４の伝達効率が低下する可能性がある。
【0173】
次に、第１の実施の形態の遊星歯車機構２９と第２の実施の形態の遊星歯車機構８１とを比較する。即ち、これらの２つの遊星歯車機構２９，８１は、それぞれ特徴があり、一概にどちらが優れているとは断言できない。即ち、第１バリエータ３３が吸収できるトルクと第１バリエータ３３の許容可能な最高回転速度とを自由に設定できる場合は、構造的に簡易な遊星歯車機構８１を採用することが好ましい。これにより、遊星歯車機構８１のサンギヤ８１Ｂの噛み合い半径ｒｓとリングギヤ８１Ｃの噛み合い半径ｒｒの構造的制約(Ｋｂの値)に合わせて、第１バリエータ３３を設計することにより、小型で廉価な第１バリエータ３３を用いることができる。この結果、遊星歯車機構８１を簡易にでき、かつ、遊星式無段変速機構２４の伝達効率を向上させることが出来る。
【0174】
一方で、第１バリエータ３３が吸収できるトルクと許容可能な最高回転速度を自由に設定できない場合には、第１の実施の形態の遊星歯車機構２９を採用することが好ましい。この場合、Ｋａの値を理想的な値に設定し、図７に示す速度関係線Ｙ１の傾きを理想的な値とすることにより、第１バリエータ３３が吸収できるトルクと許容可能な最高回転速度とを全て使用できるようにすることが望ましい。これにより、小型で廉価な第１バリエータ３３を用いることができ、かつ、遊星式無段変速機構２４の伝達効率を向上できる。
【0175】
次に、第２の実施の形態による遊星式無段変速機構２４の内部ロックアップ変速比Ｉｎについて説明する。内部ロックアップ動作時は、前述の数１９式に第１バリエータ３３に繋がる第１連結部材３０の回転速度を０として代入することにより、内部ロックアップ変速比Ｉｎを計算できる。例えば、第２の実施の形態（表６のNo2-A）では、数１９式に、第１連結部材３０と接続されたサンギヤ８１Ｂの自転速度Ｖｓを０として代入する。即ち、内部ロックアップ変速比Ｉｎは、次の数２１式となる。
【0176】
【数21】
【0177】
図２５に示す第７の変形例（表６のNo2-B）では、数１９式を変形すると共に、第１連結部材３０に接続されたキャリア８１Ａの自転速度Ｖｃを０として代入する。即ち、内部ロックアップ変速比Ｉｎは、次の数２２式となる。
【0178】
【数22】
【0179】
図２６に示す第８の変形例（表６のNo2-C）では、数１９式に、第１連結部材３０に接続されたリングギヤ８１Ｃの自転速度Ｖｒを０として代入する。即ち、内部ロックアップ変速比Ｉｎは、次の数２３式となる。
【0180】
【数23】
【0181】
図２７に示す第９の変形例（表６のNo2-D）では、数１９式に、第１連結部材３０に接続されたサンギヤ８１Ｂの自転速度Ｖｓを０として代入する。即ち、内部ロックアップ変速比Ｉｎは、次の数２４式となる。
【0182】
【数24】
【0183】
図２８に示す第１０の変形例（表６のNo2-E）では、数１９式に、第１連結部材３０に接続されたリングギヤ８１Ｃの自転速度Ｖｒを０として代入する。即ち、内部ロックアップ変速比Ｉｎは、次の数２５式となる。
【0184】
【数25】
【0185】
図２９に示す第１１の変形例（表６のNo2-F）では、数１９式を変形し、第１連結部材３０に接続されたキャリア８１Ａの自転速度Ｖｃを０として代入する。即ち、内部ロックアップ変速比Ｉｎは、次の数２６式となる。
【0186】
【数26】
【0187】
このように、第２の実施の形態による遊星式無段変速機構２４の内部ロックアップ変速比Ｉｎは、遊星歯車機構８１の歯車の組み合わせと、Ｋｂに依存する。
【0188】
以上のように、第２の実施の形態によれば、変速装置２１は、入力軸２２（入力部材）と、出力軸２３（出力部材）と、遊星歯車機構８１（遊星機構）と、第１バリエータ３３と、第２バリエータ３４と、コントローラ２５とを備えている。そして、遊星歯車機構８１は、キャリア８１Ａと、キャリア８１Ａの回転中心軸を中心として自転するサンギヤ８１Ｂ（サン部材）と、サンギヤ８１Ｂよりも径方向外側に位置してキャリア８１Ａの回転中心軸を中心として自転するリングギヤ８１Ｃ（リング部材）との３つの部材（回転部材）を含んで構成されている。
【0189】
この場合、例えば、図２１および図２２に示すように、３つの部材のうちの１つである第１部材となるキャリア８１Ａは、入力軸２２に第２連結部材３１（他の部材）を介して接続されている。キャリア８１Ａとは別の第２部材となるサンギヤ８１Ｂは、第１バリエータ３３に第１連結部材３０、第２クラッチ３６（いずれも他の部材）を介して接続されている。キャリア８１Ａおよびサンギヤ８１Ｂとは別の第３部材となるリングギヤ８１Ｃは、出力軸２３に第３連結部材３２、アイドラ要素２８、多段変速機構２６（いずれも他の部材）を介して接続されている。なお、キャリア８１Ａ（第１部材）は、入力軸２２に直接接続してもよい。サンギヤ８１Ｂ（第２部材）は、第１バリエータ３３に直接接続してもよい。リングギヤ８１Ｃ（第３部材）は、出力軸２３に直接接続してもよい。
【0190】
ここで、キャリア８１Ａには、キャリア８１Ａの回転中心軸Ｓを中心に公転しつつサンギヤ８１Ｂとリングギヤ８１Ｃと回転しながら動力伝達を行うプラネットギヤ８１Ｄ（プラネット部材）が支持されている。そして、遊星歯車機構８１は、エンジン９から遊星歯車機構８１のキャリア８１Ａ（第１部材）に伝達されたトルクをサンギヤ８１Ｂ（第２部材）とリングギヤ８１Ｃ（第３部材）とに分配する。遊星歯車機構８１は、キャリア８１Ａとサンギヤ８１Ｂとリングギヤ８１Ｃとの間で２自由度の回転運動をする。第２バリエータ３４は、第１バリエータ３３から伝達された動力を負荷（出力軸２３）または動力源（入力軸２２）に伝達し、または、負荷（出力軸２３）または動力源（入力軸２２）から伝達された動力を第１バリエータ３３に伝達する。そして、コントローラ２５は、第１バリエータ３３の回転速度を変更することにより、入力軸２２の回転速度に対する出力軸２３の回転速度を変更する。
【0191】
即ち、第２の実施形態の変速装置２１は、遊星歯車機構８１により無段階に変速を行い、動力源（入力軸２２）からの動力を負荷（出力軸２３）に、または、負荷（出力軸２３）からの動力を動力源（入力軸２２）に伝達する。この場合、変速装置２１は、入力軸２２と出力軸２３との間に設けられた遊星歯車機構８１と、遊星歯車機構８１に接続された第１バリエータ３３と、第１バリエータ３３から伝達された動力を負荷または動力源に伝達する第２バリエータ３４とを備えている。そして、遊星歯車機構８１は、入力軸２２に接続されると共にプラネットギヤ８１Ｄが支持されたキャリア２９Ａと、第１バリエータ３３に接続されたサンギヤ８１Ｂと、アイドラ要素２８および多段変速機構２６を介して出力軸２３に接続されたリングギヤ８１Ｃとを備えている。さらに、変速装置２１は、内部ロックアップと外部ロックアップ（直結機構２７）とのうちの少なくとも一方のロックアップを備えている。そして、変速装置２１は、遊星式無段変速機構２４による動力伝達とロックアップによる動力伝達との切換えを行うことができる。このため、第２の実施の形態も第１の実施の形態と同様の作用・効果を奏することができる。
【0192】
第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、変速装置２１は、第１動力伝達経路（遊星式無段変速機構２４）と第２動力伝達経路（直結機構２７）との２つの動力伝達経路を備えている。これにより、例えば、内部ロックアップのみを行う構成と比較して、伝達効率を向上できる。
【0193】
第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、コントローラ２５は、遊星歯車機構８１のサンギヤ８１Ｂ（第２部材）の回転を停止し、内部ロックアップの状態を実現する。この場合、コントローラ２５は、第１バリエータ３３に回転速度を０とする指令を出力する。または、コントローラ２５は、第１バリエータ３３に接続される部材の回転を機械的な結合により停止させる指令を出力する。または、コントローラ２５は、第１バリエータ３３から第２バリエータ３４に送る動力を遮断する指令を出力する。これにより、コントローラ２５は、サンギヤ８１Ｂの回転を停止する。いずれの場合も、遊星歯車機構８１のサンギヤ８１Ｂの回転を停止することにより、内部ロックアップを実現することができ、伝達効率を向上できる。
【0194】
第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、ロックアップ回転速度比は、同期回転速度比よりも大きい。このため、外部ロックアップ機構である第２動力伝達経路（直結機構２７）を通じて動力を伝達するときに、増速できる。
【0195】
第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、コントローラ２５は、車両が停止しているときに、第２クラッチ３６を解放する。このため、車速が０のときに、第１バリエータへの動力伝達を阻止できる。
【0196】
第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、コントローラ２５は、サンギヤ８１Ｂ（第２部材）を停止させるために、第２クラッチ３６を締結する。そして、第３クラッチ３７を解放する。このため、内部ロックアップのときに、第２バリエータ３４への動力伝達を阻止できる。
【0197】
第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、コントローラ２５は、第１クラッチ２７Ｃが締結されているときに、第２クラッチ３６と第３クラッチ３７とのうちの少なくとも一方のクラッチを解放する。このため、外部ロックアップのときに、第１バリエータ３３と第２バリエータ３４とのうちの少なくとも一方のバリエータへの動力伝達を阻止できる。
【0198】
第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、変速装置２１は、リングギヤ８１Ｃ（第３部材）と出力軸２３（出力部材）との間に、副変速機構となる多段変速機構２６が設けられている。このため、変速装置２１は、負荷（出力軸２３）の回転方向を反転できる。
【0199】
第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、第２バリエータ３４は、遊星歯車機構８１と多段変速機構２６との間に設けられたアイドラ要素２８（具体的には、回転要素となるアイドラギヤ２８Ｂ）に接続されている。なお、図３０ないし図３９に示すように、第２バリエータ３４は、入力軸２２（入力部材）と駆動源（エンジン９）との間に設けられた回転要素、多段変速機構２６を構成する回転要素、多段変速機構２６と出力軸２３（出力部材）との間に設けられた回転要素、出力軸２３（出力部材）、または、出力軸２３と負荷との間に設けられた回転要素に接続する構成としてもよい。
【0200】
即ち、第１の実施形態および第２の実施形態では、第２バリエータ３４を遊星歯車機構２９よりも出力軸２３（出力部材）側に接続する構成、即ち、第２バリエータ３４を遊星歯車機構２９と出力軸２３との間に接続する構成としている。これに対して、図３０は、第１２の変形例を示している。第１２の変形例では、第２バリエータ３４は、入力軸２２に設けられた直結機構２７のインプットギヤ２７Ａに接続されている。即ち、第２バリエータ３４は、遊星歯車機構２９と入力軸２２（入力部材）との間に接続されている。このように、第２バリエータ３４は、遊星歯車機構２９よりもエンジン９側（駆動源側）に接続する構成としてもよい。なお、図示は省略するが、第２バリエータ３４を直結機構２７のロックアップギヤ２７Ｂに接続してもよい。
【0201】
図３１は、第１３の変形例を示している。第１３の変形例では、第２バリエータ３４は、アイドラ要素２８に繋がる第３連結部材３２に接続されている。図３２は、第１４の変形例を示している。第１４の変形例では、第２バリエータ３４は、多段変速機構２６の奇数段ギヤ５５に接続されている。なお、図示は省略するが、第２バリエータ３４を多段変速機構２６の偶数段ギヤ６２に接続してもよい。図３３は、第１５の変形例を示している。第１５の変形例では、第２バリエータ３４は、多段変速機構２６の前進１速ギヤ５６に接続されている。図３４は、第１６の変形例を示しており、第２バリエータ３４は、多段変速機構２６の前進３速ギヤ５７に接続されている。図３５は、第１７の変形例を示しており、第２バリエータ３４は、多段変速機構２６の前進２速ギヤ６３に接続されている。図３６は、第１８の変形例を示しており、第２バリエータ３４は、多段変速機構２６の前進４速ギヤ６４に接続されている。図３７は、第１９の変形例を示しており、第２バリエータ３４は、多段変速機構２６の後進１速ギヤ６５に接続されている。なお、図示は省略するが、第２バリエータ３４を多段変速機構２６のカウンタギヤ５４に接続してもよい。
【0202】
図３８は、第２０の変形例を示しており、第２バリエータ３４は、多段変速機構２６の出力軸５３（変速装置２１の出力軸２３）に接続されている。なお、図示は省略するが、第２バリエータ３４を多段変速機構２６の１速出力ギヤ７１、２速出力ギヤ７２、３速出力ギヤ７３、４速出力ギヤ７４または後進１速出力ギヤ７５に接続してもよい。図３９は、第２１の変形例を示しており、第２バリエータ３４は、変速装置２１の出力軸２３よりも負荷側（フロントアクスル１２側、リヤアクスル１３側）に接続されている。なお、図示は省略するが、第２バリエータ３４をフロントアクスル１２、リヤアクスル１３、前プロペラシャフト１４または後プロペラシャフト１５に接続してもよい。これらの変形例、例えば、図３３ないし図３９に示す第１５ないし第２１の変形例によれば、第２バリエータ３４をアイドラギヤ２８Ｂよりも出力軸５３側に接続することにより、アイドラ要素２８（アイドラギヤ２８Ｂ）および多段変速機構２６を小型にできる。これにより、変速装置２１を廉価に製造できる。
【0203】
なお、第１の実施の形態では、多段変速機構２６を備えた変速装置２１を例に挙げて説明した。しかし、これに限らず、変速装置２１は、多段変速機構２６を省略してもよい。この場合、例えば、第３連結部材３２に出力軸２３の出力ギヤを螺合することにより、遊星式無段変速機構２４の遊星歯車機構２９と出力軸２３（出力部材）とを接続することができる。また、この場合に、第２バリエータ３４は、遊星歯車機構２９よりも出力軸２３側（出力部材側）に接続してもよいし、遊星歯車機構２９よりも入力軸２２側（入力部材側）に接続してもよい。さらに、第１の実施の形態では、外部ロックアップ機構としての直結機構２７を備えた変速装置２１を例に挙げて説明したが、直結機構２７を省略してもよい。これらのことは、第２の実施の形態および各変形例についても同様である。
【0204】
第１の実施の形態では、変速装置２１をホイールローダ１に搭載した場合を例に挙げて説明した。しかし、これに限らず、変速装置２１は、例えば、油圧ショベル、油圧クレーン、ダンプトラック、フォークリフト等のホイールローダ以外の作業車両（建設機械）に搭載してもよい。また、作業車両に限らず、自動車、鉄道車両等の各種の車両、または、各種の産業機械、一般機械に組み込まれる変速装置として、広く適用することができる。このことは、第２の実施の形態および各変形例についても同様である。
【0205】
また、上述した各実施の形態および各変形例は例示であり、異なる実施の形態および変形例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【0206】
１ ホイールローダ（作業車両）
２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ，２１Ｅ 変速装置
２２ 入力軸（入力部材）
２３，２３Ａ，２３Ｂ 出力軸（出力部材）
２４ 遊星式無段変速機構（第１動力伝達経路）
２５ コントローラ
２６ 多段変速機構（副変速機構、第１出力伝達経路、第２出力伝達経路）
２７ 直結機構（外部ロックアップ機構、第２動力伝達経路）
２７Ｃ 第１クラッチ
２８ アイドラ要素
２９ 遊星歯車機構（遊星機構）
２９Ａ キャリア（第１部材、第２部材、第３部材）
２９Ｂ 第１サンギヤ（第１サン部材、第１部材、第２部材、第３部材）
２９Ｃ 第２サンギヤ（第２サン部材、第１部材、第２部材、第３部材）
３３ 第１バリエータ
３４ 第２バリエータ
３６ 第２クラッチ
５１ 奇数軸（第１出力伝達経路）
５２ 偶数軸（第２出力伝達経路）
５８ 第４クラッチ（第１出力クラッチ）
６６ 第５クラッチ（第２出力クラッチ）
６９ 第９クラッチ（第２出力クラッチ）
８１ 遊星歯車機構（遊星機構）
８１Ａ キャリア（第１部材、第２部材、第３部材）
８１Ｂ サンギヤ（サン部材、第１部材、第２部材、第３部材）
８１Ｃ リングギヤ（リング部材、第１部材、第２部材、第３部材）
２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ，２１Ｅ 変速装置
２２ 入力軸（入力部材）
２３，２３Ａ，２３Ｂ 出力軸（出力部材）
２４ 遊星式無段変速機構（第１動力伝達経路）
２５ コントローラ
２６ 多段変速機構（副変速機構、第１出力伝達経路、第２出力伝達経路）
２７ 直結機構（外部ロックアップ機構、第２動力伝達経路）
２７Ｃ 第１クラッチ
２８ アイドラ要素
２９ 遊星歯車機構（遊星機構）
２９Ａ キャリア（第１部材、第２部材、第３部材）
２９Ｂ 第１サンギヤ（第１サン部材、第１部材、第２部材、第３部材）
２９Ｃ 第２サンギヤ（第２サン部材、第１部材、第２部材、第３部材）
３３ 第１バリエータ
３４ 第２バリエータ
３６ 第２クラッチ
５１ 奇数軸（第１出力伝達経路）
５２ 偶数軸（第２出力伝達経路）
５８ 第４クラッチ（第１出力クラッチ）
６６ 第５クラッチ（第２出力クラッチ）
６９ 第９クラッチ（第２出力クラッチ）
８１ 遊星歯車機構（遊星機構）
８１Ａ キャリア（第１部材、第２部材、第３部材）
８１Ｂ サンギヤ（サン部材、第１部材、第２部材、第３部材）
８１Ｃ リングギヤ（リング部材、第１部材、第２部材、第３部材）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】