(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれの内側面同士を互いに対向させた状態で互いに同心的に且つ回転自在に支持された入力側ディスクおよび出力側ディスクと、前記入力側ディスクと前記出力側ディスクとの間に挟持されたパワーローラと、前記入力側ディスクおよび前記出力側ディスクの中心軸に対して捻れの位置にある枢軸を中心に傾転し、かつ、前記パワーローラを回転自在に支持するトラニオンと、前記パワーローラと前記トラニオンとの間に介在され、かつ、前記パワーローラに加わるスラスト方向の荷重を受けつつ前記パワーローラを回転自在に支持するスラスト玉軸受とを備え、
前記スラスト玉軸受は、前記パワーローラである内輪と、外輪と、これら内輪と外輪との間で転動する玉とを有し、前記内輪に前記玉が転動する内輪軌道溝が設けられ、前記外輪に前記玉が転動する外輪軌道溝が設けられているトロイダル型無段変速機であって、
前記外輪は、前記トラニオンに対して軸を介して支持されることなく、前記トラニオンの前記外輪側を向く内側面に沿って変位可能とされ、
前記外輪が耐熱性を有する高炭素鋼から形成され、
前記内輪が前記高炭素鋼より炭素含有量が少ない低炭素鋼から形成されるとともに前記内輪の表面側に浸炭窒化処理が施され、
前記外輪軌道溝の半径が、前記内輪軌道溝の半径より大きくされていることを特徴とするトロイダル型無段変速機。
【請求項２】
前記トラニオンの内側面と、前記外輪の外側面とが面接触していることを特徴とする。
請求項１に記載のトロイダル型無段変速機。
【請求項３】
前記内輪は、Ｃ：０．１〜０．４重量％と、Ｃｒ：１．０〜３．０重量％と、不可避不純物と、残部Ｆｅとを含む低炭素鋼から形成され、かつ、硬化熱処理として浸炭窒化処理後に焼入れおよび焼戻しが施され、
前記外輪は、Ｃ：０．５〜１．３重量％と、Ｃｒ：１．０〜３．０重量％と、Ｓｉ、ＭｏおよびＭｎを合計で１．０〜３．０重量％と、不可避不純物と、残部Ｆｅとを含む高炭素鋼から形成され、かつ、硬化熱処理として焼入れおよび２００℃以上での焼戻しが施されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトロイダル型無段変速機。
【請求項４】
前記外輪の硬化熱処理として、浸炭窒化処理後に焼入れおよび２００℃以上での焼戻しを行うことを特徴とする請求項３に記載のトロイダル型無段変速機。
【請求項５】
前記内輪は、Ｃ：０．１〜０．４重量％と、Ｃｒ：１．０〜３．０重量％と、Ｓｉ、ＭｏおよびＭｎを合計で１．０〜３．０重量％と、不可避不純物と、残部Ｆｅとを含む低炭素鋼から形成され、かつ、硬化熱処理として浸炭窒化処理後に焼入れおよび２００℃以上での焼戻しが施されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のトロイダル型無段変速機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車や各種産業機械の変速機などに利用可能なトロイダル型無段変速機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車用変速機として用いるダブルキャビティ式トロイダル型無段変速機は、図３および図４に示すように構成されている。図３に示すように、ケーシング５０の内側には入力軸（中心軸）１が回転自在に支持されており、この入力軸１の外周には、２つの入力側ディスク２，２と２つの出力側ディスク３，３とが取り付けられている。また、入力軸１の中間部の外周には出力歯車４が回転自在に支持されている。この出力歯車４の中心部に設けられた円筒状のフランジ部４ａ，４ａには、出力側ディスク３，３がスプライン結合によって連結されている。
【０００３】
入力軸１は、図中左側に位置する入力側ディスク２とカム板７との間に設けられたローディングカム式の押圧装置１２を介して、駆動軸２２により回転駆動されるようになっている。また、出力歯車４は、２つの部材の結合によって構成された仕切壁１３を介してケーシング５０内に支持されており、これにより、入力軸１の軸線Ｏを中心に回転できる一方で、軸線Ｏ方向の変位が阻止されている。
【０００４】
出力側ディスク３，３は、入力軸１との間に介在されたニードル軸受５，５によって、入力軸１の軸線Ｏを中心に回転自在に支持されている。また、図中左側の入力側ディスク２は、入力軸１にボールスプライン６を介して支持され、図中右側の入力側ディスク２は、入力軸１にスプライン結合されており、これら入力側ディスク２は入力軸１と共に回転するようになっている。また、入力側ディスク２，２の内側面（凹面）２ａ，２ａと出力側ディスク３，３の内側面（凹面）３ａ，３ａとの間には、パワーローラ１１（図４参照）が回転自在に挟持されている。
【０００５】
図３中右側に位置する入力側ディスク２の内周面２ｃには、段差部２ｂが設けられ、この段差部２ｂに、入力軸１の外周面１ａに設けられた段差部１ｂが突き当てられるとともに、入力側ディスク２の背面（図３の右面）がローディングナット９に突き当てられている。これによって、入力側ディスク２の入力軸１に対する軸線Ｏ方向の変位が実質的に阻止されている。また、カム板７と入力軸１の鍔部１ｄとの間には、皿ばね８が設けられており、この皿ばね８は、各ディスク２，２，３，３の凹面２ａ，２ａ，３ａ，３ａとパワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａとの当接部に押圧力を付与する。
【０００６】
図４は、図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図４に示すように、ケーシング５０の内側には、入力軸１に対し捻れの位置にある一対の枢軸１４，１４を中心として揺動する一対のトラニオン１５，１５が設けられている。なお、図４においては、入力軸１の図示は省略している。各トラニオン１５，１５は、支持板部１６の長手方向(図４の上下方向)の両端部に、この支持板部１６の内側面側に折れ曲がる状態で形成された一対の折れ曲がり壁部２０，２０を有している。そして、この折れ曲がり壁部２０，２０によって、各トラニオン１５，１５には、パワーローラ１１を収容するための凹状のポケット部Ｐが形成される。また、各折れ曲がり壁部２０，２０の外側面には、各枢軸１４，１４が互いに同心的に設けられている。
【０００７】
支持板部１６の中央部には円孔２１が形成され、この円孔２１には変位軸２３の基端部２３ａが支持されている。そして、各枢軸１４，１４を中心として各トラニオン１５，１５を揺動させることにより、これら各トラニオン１５，１５の中央部に支持された変位軸２３の傾斜角度を調節できるようになっている。また、各トラニオン１５，１５の内側面から突出する変位軸２３の先端部２３ｂの周囲には、各パワーローラ１１が回転自在に支持されており、各パワーローラ１１，１１は、各入力側ディスク２，２および各出力側ディスク３，３の間に挟持されている。なお、各変位軸２３，２３の基端部２３ａと先端部２３ｂとは、互いに偏心している。
【０００８】
また、各トラニオン１５，１５の枢軸１４，１４はそれぞれ、一対のヨーク２３Ａ，２３Ｂに対して揺動自在および軸方向(図４の上下方向)に変位自在に支持されており、各ヨーク２３Ａ，２３Ｂにより、トラニオン１５，１５はその水平方向の移動を規制されている。各ヨーク２３Ａ，２３Ｂは鋼等の金属のプレス加工あるいは鍛造加工により矩形状に形成されている。各ヨーク２３Ａ，２３Ｂの四隅には円形の支持孔１８が４つ設けられており、これら支持孔１８にはそれぞれ、トラニオン１５の両端部に設けた枢軸１４がラジアルニードル軸受３０を介して揺動自在に支持されている。また、ヨーク２３Ａ，２３Ｂの幅方向（図３の左右方向）の中央部には、円形の係止孔１９が設けられており、この係止孔１９の内周面は球状凹面として、球面ポスト６４，６８を内嵌している。すなわち、上側のヨーク２３Ａは、ケーシング５０に固定部材５２を介して支持されている球面ポスト６４によって揺動自在に支持されており、下側のヨーク２３Ｂは、球面ポスト６８およびこれを支持する駆動シリンダ３１の上側シリンダボディ６１によって揺動自在に支持されている。
【０００９】
なお、各トラニオン１５，１５に設けられた各変位軸２３，２３は、入力軸１に対し、互いに１８０度反対側の位置に設けられている。また、これらの各変位軸２３，２３の先端部２３ｂが基端部２３ａに対して偏心している方向は、両ディスク２，２，３，３の回転方向に対して同方向(図４で上下逆方向)となっている。また、偏心方向は、入力軸１の配設方向に対して略直交する方向となっている。したがって、各パワーローラ１１，１１は、入力軸１の長手方向に若干変位できるように支持される。その結果、押圧装置１２が発生するスラスト荷重に基づく各構成部材の弾性変形等に起因して、各パワーローラ１１，１１が入力軸１の軸方向に変位する傾向となった場合でも、各構成部材に無理な力が加わらず、この変位が吸収される。
【００１０】
また、パワーローラ１１の外側面とトラニオン１５の支持板部１６の内側面との間には、パワーローラ１１の外側面の側から順に、スラスト転がり軸受であるスラスト玉軸受２４と、スラストニードル軸受２５とが設けられている。このうち、スラスト玉軸受２４は、各パワーローラ１１に加わるスラスト方向の荷重を支承しつつ、これら各パワーローラ１１の回転を許容するものである。このようなスラスト玉軸受２４はそれぞれ、複数個ずつの玉（以下、転動体という）２６，２６と、これら各転動体２６，２６を転動自在に保持する円環状の保持器２７と、円環状の外輪２８とから構成されている。また、各スラスト玉軸受２４の内輪軌道は各パワーローラ１１の外側面（大端面）に、外輪軌道は各外輪２８の内側面にそれぞれ形成されている。
【００１１】
また、スラストニードル軸受２５は、トラニオン１５の支持板部１６の内側面と外輪２８の外側面との間に挟持されている。このようなスラストニードル軸受２５は、パワーローラ１１から各外輪２８に加わるスラスト荷重を支承しつつ、これらパワーローラ１１および外輪２８が各変位軸２３の基端部２３ａを中心として揺動することを許容する。
【００１２】
さらに、各トラニオン１５，１５の一端部(図４の下端部)にはそれぞれ駆動ロッド（トラニオン軸）２９，２９が設けられており、各駆動ロッド２９，２９の中間部外周面に駆動ピストン（油圧ピストン）３３，３３が固設されている。そして、これら各駆動ピストン３３，３３はそれぞれ、上側シリンダボディ６１と下側シリンダボディ６２とによって構成された駆動シリンダ３１内に油密に嵌装されている。これら各駆動ピストン３３，３３と駆動シリンダ３１とで、各トラニオン１５，１５を、これらトラニオン１５，１５の枢軸１４，１４の軸方向に変位させる駆動装置３２を構成している。
【００１３】
このように構成されたトロイダル型無段変速機の場合、入力軸１の回転は、押圧装置１２を介して、各入力側ディスク２，２に伝えられる。そして、これら入力側ディスク２，２の回転が、一対のパワーローラ１１，１１を介して各出力側ディスク３，３に伝えられ、更にこれら各出力側ディスク３，３の回転が、出力歯車４より取り出される。
【００１４】
入力軸１と出力歯車４との間の回転速度比を変える場合には、一対の駆動ピストン３３，３３を互いに逆方向に変位させる。これら各駆動ピストン３３，３３の変位に伴って、一対のトラニオン１５，１５が互いに逆方向に変位する。例えば、図４の左側のパワーローラ１１が同図の下側に、同図の右側のパワーローラ１１が同図の上側にそれぞれ変位する。その結果、これら各パワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａと各入力側ディスク２，２および各出力側ディスク３，３の内側面２ａ，２ａ，３ａ，３ａとの当接部に作用する接線方向の力の向きが変化する。そして、この力の向きの変化に伴って、各トラニオン１５，１５が、ヨーク２３Ａ，２３Ｂに枢支された枢軸１４，１４を中心として、互いに逆方向に揺動（傾転）する。
【００１５】
その結果、各パワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａと各内側面２ａ，３ａとの当接位置が変化し、入力軸１と出力歯車４との間の変速比が変化する。また、これら入力軸１と出力歯車４との間で伝達するトルクが変動し、各構成部材の弾性変形量が変化すると、各パワーローラ１１，１１およびこれら各パワーローラ１１，１１に付属の外輪２８，２８が、各変位軸２３，２３の基端部２３ａ、２３ａを中心として僅かに回動する。これら各外輪２８，２８の外側面と各トラニオン１５，１５を構成する支持板部１６の内側面との間には、それぞれスラストニードル軸受２５，２５が存在するため、前記回動は円滑に行われる。したがって、前述のように各変位軸２３，２３の傾斜角度を変化させるための力が小さくて済む。
【００１６】
ところで、上述の例では、枢軸１４により入力軸１方向の移動が規制されたトラニオン１５に対して、パワーローラ１１を入力軸方向に少しだけ変位可能とするために、パワーローラ１１および外輪２８を含むスラスト玉軸受２４を、トラニオン１５の円孔２１に回転自在に支持された変位軸２３の基端部２３ａを中心に揺動自在に支持している。それに対して、変位軸２３に基端部２３ａを設けずに、トラニオン１５の外輪２８に対向する内側面に沿って外輪２８をパワーローラ１１とともにスライド移動させることにより、パワーローラ１１を入力軸の長手方向に若干変位可能とするトロイダル型無段変速機も知られている。
【００１７】
また、上述のように変位軸２３に基端部２３ａを設けない構成とし、トラニオン１５の外輪２８に対向する内側面側に、断面円弧状の凸面を設け、この凸面に対向する外輪２８の外側面に凸面に対応する断面円弧状の凹面を設け、凸面に凹面を当接させることにより、凸面を有するトラニオン１５に対して外輪２８をパワーローラ１１と一体に回転可能とするトロイダル型無段変速機も知られている。このトロイダル型無段変速機においては、パワーローラ１１が枢軸に対して偏心している軸回りに回転可能となることによって、パワーローラ１１を入力軸の長手方向に若干変位させることができる。これらのトロイダル型無段変速機においては、パワーローラ１１および外輪がトラニオン１５に軸を介して支持された状態となっておらず、トラニオン１５の内側面に沿った外輪２８のスライド移動や回転移動によりパワーローラ１１を入力軸の長手方向に若干移動することが可能となっている。
【００１８】
以上のようなトロイダル型無段変速機においては、高いトルク伝達容量が必要とされる場合、例えば、大排気量の自動車に搭載される場合に、ディスクとパワーローラの接触点における発熱やパワーローラベアリング部（スラスト玉軸受２４）における発熱により、パワーローラ１１が焼戻しの進行に伴う残留オーステナイトの分解や軟化が発生し、耐久性が低下する虞や、トラクション面の温度上昇に伴うμ（運転トラクション係数）の設定値の低下（入出力側ディスク２，３とパワーローラ１１との押し付け力の増加）および動力伝達効率の低下等の様々な問題が生じる。
【００１９】
そこで、スラスト玉軸受２４の内輪であるパワーローラ１１の転動体２６が転動する内輪軌道溝の半径（内輪軌道溝内周面の曲率半径）に対して、外輪の転動体２６が転動する外輪軌道溝の半径（外力動溝内周面の曲率半径）を大きくすることにより、内輪−転動体間が純転がりをし、外輪−転動体間がスピン滑りをする内輪スピンコントロール状態とすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。内輪スピンコントロールとすることによって、スラスト玉軸受２４では外輪側の発熱が大きくなり、内輪であるパワーローラ１１側の発熱を抑制することができる。このパワーローラ１１の発熱の抑制により、トラクション係数を向上させ、動力伝達効率の向上を図ることができる。
【００２０】
また、パワーローラ１１に対して、外輪２８は厚みが薄いため、変形し易い。さらに、浸炭、浸炭窒化、高周波焼入れ等の表面硬化処理において、表面硬化層深さを深くできない。そこで、外輪の損傷を防止するために、上述の例とは逆に、外輪軌道溝の半径に対して、内輪軌道溝の半径を大きくすることにより外輪スピンコントロール状態として外輪の温度低下を図って、外輪の損傷を防止することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００２１】
一方、フルトロイダル型無段変速機のローラに使用される材料の組成に基づいて、ローラの耐熱性を高めることにより、ローラの耐久性を確保することが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
また、トロイダル型無段変速機のパワーローラ１１に使用される材料の組成と、表面硬化処理とにより、パワーローラ１１の転動疲労特性を向上することが提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２００１−１２２２００号公報
【特許文献２】特許３７３３９９２号公報
【特許文献３】特許４１０００７２号公報
【特許文献４】特開平８−３２６８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
ところで、特許文献１のように、パワーローラ１１のスラスト玉軸受２４において、内輪スピンコントロールとして、内輪であるパワーローラ１１の発熱を抑制した場合に、特許文献２に記載されるように、外輪側の損傷が問題となる。また、スラスト玉軸受２４において、外輪２８側の方が発熱が大きくなることから、外輪２８の耐熱性や耐久性が問題となる。
【００２４】
また、特許文献２のように、パワーローラ１１のスラスト玉軸受２４において、外輪スピンコントロールとして、外輪２８の損傷を防止した場合に、スラスト玉軸受２４において外輪２８より内輪であるパワーローラ１１で発熱が大きくなる。したがって、パワーローラ１１の温度上昇に基づく上述の動力伝達効率の低下などの多くの問題が発生する虞がある。
【００２５】
また、特許文献３は、ハーフトロイダル型ではなくフルトロイダル型の無段変速機のローラに好適となるように提案された材料の組成である。フルトロイダル型のローラに対して、ハーフトロイダル型のパワーローラ１１に作用する曲げ応力が大きいことから、特許文献３に示される組成で、パワーローラ１１を製造した場合に、割れの発生が懸念される。
【００２６】
また、特許文献４によれば、パワーローラ１１の材料の組成を高周波焼入れに適したものとしているが、スラスト玉軸受２４における発熱や、その他の構成と材料特性との関係について考慮されていない。したがって、スラスト玉軸受２４の構成や、外輪２８の構成によっては、最適な材料組成となっていない虞がある。
【００２７】
本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、パワーローラのスラスト玉軸受において、内輪スピンコントロールとすることによって、パワーローラの温度低下に基づく動力伝達効率の向上を図ることが可能で、かつ、内輪スピンコントロールとすることによる外輪の発熱の増大に対して耐久性を確保可能なトロイダル型無段変速機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
前記目的を達成するために、請求項１に記載のトロイダル型無段変速機は、それぞれの内側面同士を互いに対向させた状態で互いに同心的に且つ回転自在に支持された入力側ディスクおよび出力側ディスクと、前記入力側ディスクと前記出力側ディスクとの間に挟持されたパワーローラと、前記入力側ディスクおよび前記出力側ディスクの中心軸に対して捻れの位置にある枢軸を中心に傾転し、かつ、前記パワーローラを回転自在に支持するトラニオンと、前記パワーローラと前記トラニオンとの間に介在され、かつ、前記パワーローラに加わるスラスト方向の荷重を受けつつ前記パワーローラを回転自在に支持するスラスト玉軸受とを備え、
前記スラスト玉軸受は、前記パワーローラである内輪と、外輪と、これら内輪と外輪との間で転動する玉とを有し、前記内輪に前記玉が転動する内輪軌道溝が設けられ、前記外輪に前記玉が転動する外輪軌道溝が設けられているトロイダル型無段変速機であって、
前記外輪は、前記トラニオンに対して軸を介して支持されることなく、前記トラニオンの前記外輪側を向く内側面に沿って変位可能とされ、
前記外輪が耐熱性を有する高炭素鋼から形成され、
前記内輪が前記高炭素鋼より炭素含有量が少ない低炭素鋼から形成されるとともに前記内輪の表面側浸炭窒化処理が施され、
前記外輪軌道溝の半径が、前記内輪軌道溝の半径より大きくされていることを特徴とする。
【００２９】
請求項１に記載の発明においては、外輪軌道溝の半径を、内輪軌道溝の半径より大きくすることによって、上述のように転動体としての玉を内輪スピンコントロール状態とする。この場合、スラスト玉軸受においては、内輪であるパワーローラより外輪側が発熱することになる。これにより、パワーローラの温度上昇を抑制することによって、トロイダル型無段変速機の動力伝達効率を向上し、燃費の向上を図ることができる。また、外輪側を耐熱性の高炭素鋼とすることによって、スラスト玉軸受２４において内輪側より外輪側がより発熱する構成となっていても外輪の耐久性を向上することができる。
【００３０】
また、外輪を高炭素鋼とした場合に、曲げ応力に対して割れの発生が懸念されるが、外輪をトラニオンに軸を介して支持させずに、トラニオンの内側面に沿って変位させることによって、外輪における曲げ応力を低減することができるので、外輪を高炭素鋼から構成しても外輪の割れを防止することができる。
また、内輪には、大きな曲げ応力が作用するが、内輪を低炭素鋼から構成することにより芯部硬度を低く抑え、かつ、表面側に浸炭窒化処理を施すことによって、内輪に十分な表面高度を持たせながら、内輪の割れを防止することができる。なお、ここで、炭素含有量が０．５％以上の炭素鋼を高炭素鋼とし、それより炭素含有量の少ない炭素項を低炭素鋼とする。
【００３１】
請求項２に記載のトロイダル型無段変速機は、請求項１に記載の発明において、前記トラニオンの内側面と、前記外輪の外側面とが面接触していることを特徴とする。
【００３２】
請求項２に記載の発明においては、トラニオンと外輪とが面接触することにより、外輪の熱がトラニオンに熱伝導されやすくなり、外輪の温度低下を図ることができる。これにより、さらに外輪の耐久性の向上を図ることができる。
【００３３】
請求項３に記載のトロイダル型無段変速機は、請求項１または請求項２に記載の発明において、
前記内輪は、Ｃ：０．１〜０．４重量％と、Ｃｒ：１．０〜３．０重量％と、不可避不純物と、残部Ｆｅとを含む低炭素鋼から形成され、かつ、硬化熱処理として浸炭窒化処理後に焼入れおよび焼戻しが施され、
前記外輪は、Ｃ：０．５〜１．３重量％と、Ｃｒ：１．０〜３．０重量％と、Ｓｉ、ＭｏおよびＭｎを合計で１．０〜３．０重量％と、不可避不純物と、残部Ｆｅとを含む高炭素鋼から形成され、かつ、硬化熱処理として焼入れおよび２００℃以上での焼戻しが施されていることを特徴とする。
【００３４】
請求項３に記載の発明においては、外輪より大きな曲げ応力が作用するパワーローラに、炭素の濃度が低く、靱性が相対的に高い鋼を用い、かつ、浸炭窒化処理により表面硬度を高めることによって、パワーローラの耐久性を向上することができる。また、上述のように内輪スピンコントロールとすることにより高い硬度と耐熱性が要求される外輪には、炭素濃度の高い鋼を用いることにより耐久性を向上することができる。また、外輪に浸炭窒化処理を行わずに、焼入れ焼戻し処理を施す構成とすれば、コストの低減を図ることができる。
【００３５】
請求項４に記載のトロイダル型無段変速機は、請求項３に記載の発明において、前記外輪の硬化熱処理として、浸炭窒化処理後に焼入れおよび２００℃以上での焼戻しを行うことを特徴とする。
【００３６】
請求項４に記載の発明においては、外輪の表面硬度を浸炭窒化処理によりさらに高めることができる。
【００３７】
請求項５に記載のトロイダル型無段変速機は、請求項３または請求項４記載の発明において、
前記内輪は、Ｃ：０．１〜０．４重量％と、Ｃｒ：１．０〜３．０重量％と、Ｓｉ、ＭｏおよびＭｎを合計で１．０〜３．０重量％と、不可避不純物と、残部Ｆｅとを含む低炭素鋼から形成され、かつ、硬化熱処理として浸炭窒化処理後に焼入れおよび２００℃以上での焼戻しが施されていることを特徴とする。
【００３８】
請求項５に記載の発明においては、内輪に耐熱性を必要とする場合、Ｓｉ、ＭｏおよびＭｎの合計が１．０〜３．０重量％とすることにより、高温で焼戻しを行った後の大きな硬度低下を防止することができる。これにより高温での焼戻しを行うことによって、高温での使用の耐久性を向上することができる。また、内輪であるパワーローラ表面の残留オーステナイトの量を多くすることができる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明のトロイダル型無段変速機によれば、外輪に高い曲げ応力が作用しない構造とするとともに、スラスト玉軸受の発熱量が内輪側より外輪側が多くなるようにし、かつ、大きな曲げ応力が作用するパワーローラを靱性が高い鋼で形成するとともに浸炭窒化処理により表面硬度を高め、外輪を耐熱性の高い炭素含有量の多い鋼で形成することによりパワーローラを含むスラスト玉軸受の耐久性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態に係るトロイダル型無段変速機のパワーローラを含むスラスト玉軸受およびトラニオンを示す断面図である。
【図２】変形例としてのトロイダル型無段変速機のパワーローラを備えたトラニオンを示す斜視図である。
【図３】従来から知られているハーフトロイダル型無段変速機の具体的構造の一例を示す断面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
なお、本発明の特徴は、スラスト玉軸受２４の内輪であるパワーローラ１１の構造および材質と、外輪２８の構造および材質にあり、その他の構成および作用は前述した従来の構成および作用と同様であるため、以下においては、本発明の特徴部分についてのみ言及し、それ以外の部分については、図３および図４と同一の符号を付して簡潔に説明するに留める。
【００４２】
図１に示すように、この実施の形態のトラニオン１５およびパワーローラ１１は、トラニオン１５の支持板部１６のスラスト玉軸受２４の外輪２８に対向する内側面に対して、パワーローラ１１を含むスラスト玉軸受２４が枢軸１４の軸方向に直交する方向にスライド移動することにより、パワーローラ１１を入力軸方向に変位可能としたものである。
【００４３】
したがって、トラニオン１５の支持板部１６には、従来の変位軸の基端部が挿入される円孔が形成されておらず、スラスト玉軸受２４のパワーローラ１１および外輪２８には、支持板部１６の円孔に挿入される変位軸の基端部が設けられていない。
この実施の形態の外輪２８は、スラスト玉軸受２４の外輪を形成する概略円板状の外輪本体部２８ａと、この外輪本体部２８ａの内側面の中心から垂直に延び、パワーローラ１１を回転可能に支持する軸部２８ｂとから成っている（前述した従来構造の外輪２８と変位軸２３の先端部２３ｂとが一体となって、変位軸２３の基端部２３ａを取り除いた構造を成している）。外輪本体部２８ａは、パワーローラ１１の回転中心軸すなわち軸部２８ｂの回転中心軸と同心の外周面１１０を有している。
【００４４】
外輪２８は、トラニオン１５の内側の凹状のポケット部Ｐ内に収容されており、トラニオン１５には、この外輪本体部２８ａの外周面１１０に対向する位置に、互いに対向しかつパワーローラ１１の回転中心軸（回転軸）と直交捩れ方向に沿って延びる一対の案内面部１２０，１２０が形成されている。
【００４５】
また、トラニオン１５と外輪本体部２８ａとの間には、パワーローラ１１に加わるスラスト方向（パワーローラ１１の小端面側から大端面側に向かう方向）の荷重を支承するスラスト転がり軸受１３０が介挿されている。
また、軸部２８ｂとパワーローラ１１との間には、ラジアル転がり軸受１４０が介挿されている。
【００４６】
また、パワーローラ１１には、外輪本体部２８ａを向く面に、内輪として転動体（玉）２６が転動する内輪軌道溝１４１が形成されている。内輪軌道溝１４１は、断面円弧状であり、かつ、パワーローラ１１の回転中心を中心とする円環状に形成されている。
また、外輪本体部２８ａには、パワーローラ１１を向く面に、転動体２６が転動する外輪軌道溝１４２が形成されている。外輪軌道溝１４２は、断面円弧状であり、前記内輪軌道溝１４１と対向するように円環状に形成されている。
【００４７】
この実施の形態において、内輪軌道溝１４１の半径、すなわち、内輪軌道溝１４１の断面円弧状の内周面の曲率半径が、外輪軌道溝１４２の半径、すなわち、外輪軌道溝１４２の断面円弧状の内周面の曲率半径より少し小さくなっている。
【００４８】
外輪２８は、Ｃ：０．５〜１．３重量％と、Ｃｒ：１．０〜３．０重量％と、Ｓｉ、ＭｏおよびＭｎを合計で１．０〜３．０重量％と、不可避不純物と、残部Ｆｅとを含む鋼からなっている。上述のように炭素の含有量を０．５％以上を高炭素鋼とした場合に、外輪２８は、高炭素鋼からなる。
また、外輪２８は、硬化熱処理として焼入れおよび２００℃以上での焼き戻しが施されている。なお、焼入れは、一般熱処理としてのずぶ焼熱処理を行う。
【００４９】
パワーローラ１１である内輪は、Ｃ：０．１〜０．４重量％と、Ｃｒ：１．０〜３．０重量％と、不可避不純物と、残部Ｆｅとを含む鋼から形成されている。また、内輪には、硬化熱処理として浸炭窒化処理後に焼入れおよび焼戻しが施されている。
【００５０】
このようなトロイダル型無段変速機においては、パワーローラ１１を含むスラスト玉軸受２４が、トラニオン１５に変位軸を介して支持されていないので、外輪２８で生じる曲げ応力を変位軸を用いた場合より小さくすることができる。
【００５１】
ここで、パワーローラ１１の周面と入出力側ディスク２，３の内側面との摩擦に伴って、パワーローラ１１に枢軸１４の軸方向の力（パワーローラ１１の入出力側ディスク２，３との接触部における接線方向の力）が加わる。この力は、所謂２Ｆｔと呼ばれるもので、その大きさは、入力側ディスク２から出力側ディスク３に伝達する力（トルク）に比例する。このような２Ｆｔにより、変位軸を用いてトラニオン１５に対してスラスト玉軸受２４を支持した場合に、外輪２８の変位軸の基端部に接触する部分に大きな曲げ応力が作用する状態となる。
【００５２】
それに対して、変位軸がなく、支持板部１６の内側面に沿って移動可能なこの実施の形態の外輪本体部２８ａでは、２Ｆｔが作用した場合に、この２Ｆｔを外輪本体部２８ａの外周面１１０や、外輪本体部２８ａのトラニオンを向く側面の外周部分で受けるため、変位軸を有する場合よりも、外輪本体部２８ａで発生する曲げ応力を小さくすることができる。このように発生する曲げ応力が小さくなった外輪２８に対してパワーローラ１１には、大きな曲げ応力が作用するものとなっている。
【００５３】
また、内輪軌道溝１４１の半径に対して、外輪軌道溝１４２の半径を大きくすることにより、内輪（パワーローラ１１）−転動体２６間が純転がりをし、外輪２８−転動体２６間がスピン滑りをする内輪スピンコントロール状態としている。これによりスラスト玉軸受２４においては、外輪２８側で転動体２６がスピン滑りをするので、パワーローラ１１より外輪２８側での発熱量が多くなり、外輪２８の温度が高くなる。
【００５４】
これらのことから、この実施の形態の外輪２８においては、曲げ応力が小さくなり、温度が高くなる傾向となる。それに対して、外輪２９の材質を上述のように炭素含有量が高いものとすることによって、耐熱性と硬度を高めて対応している。また、炭素含有量が高いことにより、硬度が高くなり、浸炭、浸炭窒化等の表面硬化処理をしなくとも、焼入れ、焼戻しで耐久性を確保することができる。なお、炭素含有量を高くして硬度を高めた場合に靱性が不足し、大きな曲げ応力が作用すると割れが生じる虞があるので、上述のように外輪２８で生じる曲げ応力を小さくしている。
【００５５】
外輪２８の素材となる高炭素鋼においては、炭素（Ｃ）の含有量が０．５重量％を下回ると、完成品の耐久性を確保するのに十分な硬さが得られない。耐久性を確保できる十分な硬さとは表面においてＨＶ７００（ビッカース硬さ）以上である。また、炭素含有量が１．３重量％を上回ると素材の段階で粗大な炭化物が形成される虞がある。
【００５６】
また、外輪２８の素材においては、クロム（Ｃｒ）の含有量は、焼入れ焼戻し語の十分な硬度や耐摩耗性を確保するために１．０重量％以上含有されていることが好ましい。また、クロムを必要以上に添加すると、コスト増につながるため、クロムの含有量は、３．０重量％以下とすることが好ましい。
【００５７】
また、外輪２８の素材においては、ケイ素（Ｓｉ）、モリブデン（Ｍｏ）およびマンガン（Ｍｎ）の合計の含有量を上述のように１．０重量％以上３．０重量％以下とするとともに焼戻し温度を２００℃以上としている。これらの合計の含有量が１．０重量％を下回ると、高温の焼戻しを行った後の硬度低下が大きく十分な耐久性が得られない。また、焼戻し後の完成品表面の残留オーステナイトが２０％以上とならない場合がある。また、これらの合計含有量が３．０％以上を上回る場合、加工性の低下や、素材のコスト増や、熱伝導率の低下に伴う外輪軌道溝１４２直下となる部分の温度上昇等の不具合が懸念される。また、焼戻し温度は、上述の素材からなる部材、すなわち、外輪２８の使用される温度と時間を考慮して決定され、焼戻し温度が高いほど高温での使用が可能となる。すなわち、耐熱性が高くなるが、この実施形態において外輪２８の焼戻し温度は、上述のように２００℃以上とすることが好ましい。
【００５８】
スラスト玉軸受２４の内輪であるパワーローラ１１は、上述のように内輪スピンコントロールとするので、スラスト玉軸受２４で発生する熱においては外輪２８より発熱量が少なくなる。したがって、スラスト玉軸受２４において内輪スピンコントロールとしてスラスト玉軸受２４におけるパワーローラ１１の発熱量を減らすことにより、パワーローラ１１の温度低下を図ることができる。これにより、パワーローラ１１におけるトラクション面（周面１１ａ）の入出力側ディスク２，３との接触部における温度の低下を図ることができ、結果的にトラクション面の接触部の動力伝達係数μを高く設定することができる。なお、トロイダル無段変速機に使用されるトラクションオイルは温度が高くなるとスリップμが低下する）。
【００５９】
また、パワーローラ１１の上述の接触部における動力伝達係数μを高く設定できるので、同じトルクを伝達するために必要な入力軸方向の押し付け力を低くすることができる。このことにより、回転に関わる部位でのフリクションロス等を低下させることができる。フリクションロスを低下させることができれば、動力伝達効率が向上するため、トロイダル型無段変速機を車両に適用した場合に、燃費向上をもたらすことができる。
【００６０】
パワーローラ１１では、大きな曲げ応力が生じるので、上述のように曲げ応力を小さくした外輪２８のように炭素含有量が０．５％以上の高炭素鋼を用いると割れが生じる虞があり、パワーローラ１１の素材では、炭素含有量が０．５％より小さく、大きな曲げ応力に対して十分な靱性を有する低炭層鋼を用いている。
【００６１】
内輪であるパワーローラ１１の素材である低炭素鋼においては、炭素含有量が０．１重量％を下回ると、硬化熱処理後の硬度が低くなるため、十分な強度が得られない虞がある。また、炭素含有量が０．４重量％を上回ると、硬化熱処理後の硬度が高くなり過ぎるため、靱性が低下し、大きな曲げ応力が生じた場合の割れが懸念される。
【００６２】
上述のように、耐熱性を確保する上では、クロム含有量は、焼入れ焼戻し後の十分な硬度や、耐摩耗性を確保するために１．０重量％以上含有されていることが好ましい。しかしながら、必要以上にクロムを添加すると、コスト増につながるため、３．０重量％以下とすることが好ましい。
【００６３】
また、パワーローラ１１の素材においては、上述のように炭素含有量が低いため、そのまま焼入れ焼戻しを行ってもパワーローラ１１の完成品表面に必要とされるＨＶ７００以上の硬度（ビッカース硬度）を得られない。そこで、パワーローラ１１に対しては熱硬化表面処理として浸炭窒化処理を行った後に焼入れ焼戻しを行う。浸炭窒化処理を行う理由としては、浸炭よりも、高い硬度を得易い点と、同じ硬度でも残留オーステナイト量が高い点と、耐摩耗性が高い点等の利点があることである。
【００６４】
このトロイダル型無段変速機にあっては、内輪軌道溝１４１の半径を、外輪軌道溝１４２の半径より小さくして内輪スピンコントロール状態とすることにより、スラスト玉軸受２４において内輪側の発熱量を減少させるとともに外輪側の発熱量を高くすることによって、内輪であるパワーローラ１１の温度低下を図り、パワーローラ１１の温度低下により、上述のように動力伝達効率の向上を図ることができ、燃費の向上を図ることができる。
【００６５】
この際に、外輪２８をトラニオン１５に軸で支持せずに、トラニオン１５の支持板部１６の内側面に沿ってスライド移動する構成としているので、外輪２８で生じる曲げ応力を減少させることができる。また、外輪２８の耐熱性と硬度とを高めるために、外輪２８の素材として炭素含有量が０．５％以上の高炭素鋼を用いることにより、外輪２８に必要な耐熱性を持たせることができるとともに、外輪２８の表面硬度を焼入れ焼戻しにより、浸炭や浸炭窒化等の熱硬化表面処理をしなくとも必要十分な硬度とすることができる。これにより、スラスト玉軸受２４で内輪スピンコントロール状態として、外輪２８の温度を高くするものとしても、外輪２８の温度上昇に対して低コストで対応して、外輪２８の耐久性を確保できる。
【００６６】
また、パワーローラ１１では、上述のような外輪２８より大きな曲げ応力が生じるので、炭素含有量が０．５％より低い０．４％以下の低炭素鋼とすることにより、大きな曲げ応力が生じても割れの発生を抑制できる高い靱性を有するものにできる。また、低炭素鋼とすることによって、不足する虞のある表面硬度を、浸炭窒化処理を行うことにより必要十分なレベルにすることができ、パワーローラ１１に十分な耐久性を持たせることができる。
以上のことから、スラスト玉軸受２４において、パワーローラ１１や外輪２８の耐久性を向上しつつ、コストの低減を図ることができる。
【００６７】
なお、前記実施の形態では、外輪２８に浸炭窒化処理等の熱硬化表面処理を施さないことにより、コストの低減を図っているが、外輪２８の耐久性をさらに高めるために、外輪２８に浸炭窒化処理を施すものとしてもよい。外輪２８に浸炭窒化処理を施すことにより、表面硬度をさらに高くできる点、耐摩耗性を向上できる点、残留オーステナイトの量が多くなり易くなる点等の利点があり、コストが許す限り硬化表面熱処理として浸炭窒化処理を施すことが好ましい。
【００６８】
また、この実施の形態では、スラスト玉軸受２４で内輪スピンコントロール状態とすることによって、パワーローラ１１側の発熱量が低下し、パワーローラ１１の温度低下を図っている。しかし、外輪２８と比較した場合に、パワーローラ１１は、スラスト玉軸受２４での発熱に加えて、入出力側ディスク２，３とのトラクション面においても発熱を生じており、外輪２８より高温となる虞がある。
【００６９】
そこで、上述のように焼戻し温度を高めることにより、高温での使用を可能とすることが考えられるが、この際に、高温での焼戻しにより硬度低下を招かないようするために、シリコン、モリブデンおよびマンガンを合計で１．０重量％以上添加することが好ましい。これにより、高温で焼戻しを行った後の硬度低下を抑制することができる。また、パワーローラ１１の完成品表面の残留オーステナイトを２０％以上とすることが可能となる。
また、シリコン、モリブデンおよびマンガンの含有量は合計で３．０重量％以下とすることが好ましく、３．０重量％を上回る場合、加工性の低下、素材のコスト増、熱伝導率の低下に伴う内輪軌道溝１４１直下となる部分の温度上昇等の不具合が懸念される。
【００７０】
上述の範囲で、シリコン、モリブデンおよびマンガンを添加した際に、パワーローラ１１の浸炭窒化処理後の焼入れ焼戻しの処理において、焼戻し温度がパワーローラ１１が使用される温度と時間を考慮して決定され、上述のように焼戻し温度が高いほど高温での使用が可能となる。ここでは、焼戻し温度を２００℃以上とすることが好ましい。
【００７１】
また、上述のようにパワーローラ１１および外輪２８の完成品表面の残留オーステナイト量を２０％以上とすることが好ましいものとしたが、トロイダル型無段変速機が使用されるトランスミッション内では、様々な部位から発生する磨耗粉等の異物が存在する。これらの異物を内輪軌道溝１４１や外輪軌道溝１４２の軌道面（内周面）に噛み込んだ場合に、軌道面に圧痕が形成される虞がある。圧痕が形成されてしまうと、圧痕の淵に応力集中が生じ、軌道面で早期に剥離が生じてしまう虞がある。このような圧痕の発生を防止するためには、パワーローラ１１および外輪の完成品表面の残留オーステナイト量を２０％以上とすることが好ましい。また、残留オーステナイトは、表面の硬度低下を招くため、完成品表面において十分な硬度を確保する上では、完成品表面の残留オーステナイト量を４０％以下とすることが好ましい。
【００７２】
上述の実施形態では、トラニオン１５の支持板部１６の外輪２８に対向する内側面と、外輪２８の支持板部１６に対向する外側面との間にスラスト転がり軸受（スラストニードル軸受）１３０が介在しており、支持板部１６の内側面と外輪２８の外側面とが面接触しない構成となっているが、外輪２８の外側面と支持板部１６の内側面との間にスラスト転がり軸受１３０を設けずに、支持板部１６の内側面と、外輪２８の外側面とが接触した状態で支持板部１６に対して外輪２８が滑って移動するものとしてもよい。
【００７３】
これにより、外輪２８とトラニオン１５の支持板部１６との間の熱伝導が容易となり、スラスト玉軸受２４における発熱により高温になる外輪２８から外輪２８より温度が低いトラニオン１５に熱が伝導され、外輪２８が冷却される。そのため、外輪２８の熱影響を少なくして、外輪２８の耐久性を高めることができる。
【００７４】
また、トロイダル型変速機においては、スラスト玉軸受２４の部分が、トラニオン１５に軸で固定されず、トラニオン１５の外輪２８に対抗する側面に沿って外輪２８が変位可能となっていればよい。図２は、前記実施の形態の変形例として、支持板部１６の内側面と、外輪２８の外側面とをそれぞれ平面とした上述のトロイダル型無段変速機に代えて、トラニオン１５ａの外輪２８ｃに対向する内側面を断面円弧状の凸面１５２とし、外輪２８ｃのトラニオン１５ａに対向する外側面を断面円弧状の凹面１５３としたトロイダル型無段変速機を用いたものである。
【００７５】
変形例のトロイダル型無段変速機では、トラニオン１５ａが内側面が略平面となった支持板部１６に代えて支持梁部１５１とされている。支持梁部１５１においては、外輪２８ａを向く内側面が断面円弧状の凸面１５２となっている。凸面１５２は、円筒（円柱）を軸方向に沿って切断した形状を有するものであり、円筒の外周面の一部となる形状を有している。
また、一部がこの凸面５１となる円筒体の中心軸は、枢軸１４（図２においてラジアルニードル軸受３０に覆われた状態となって図示されていない。）の中心軸に対して平行でかつ偏心した状態となっている。
【００７６】
また、パワーローラ１１とトラニオン１５との間に介在してパワーローラ１１を回転自在に支持するスラスト玉軸受２４ａの外輪２８ｃは、トラニオン１５の支持梁部１５１に対向する外側面に、支持梁部１５１の断面円弧状の凸面１５２に対応する断面円弧状の凹面１５３が形成されている。これら凸面１５２と凹面１５３の曲率半径は、略同じとなっており、トラニオン１５ａの凸面１５２に沿って、外輪２８ｃの凹面１５３が移動可能となっている。これにより外輪２８ｃおよびパワーローラ１１を有するスラスト玉軸受２４ａが、上述の凸面１５２の中心軸を回転中心として、回転移動（揺動変位）可能となっている。
【００７７】
これにより、上述のように押圧装置１２が発生するスラスト荷重に基づく各構成部材の弾性変形等に起因して、各パワーローラ１１，１１が入力軸１の軸方向に変位する傾向となった場合に、外輪２８ｃおよびパワーローラ１１を含むスラスト玉軸受２４ａが、支持梁部１５１の凸面１５２の周囲に沿って揺動変位することにより、各構成部材に無理な力が加わらず、この変位が吸収される。
この場合も、外輪２８ｃがトラニオン１５ａに軸を介して支持された構造とならず、トラニオン１５の支持梁部１５１の凸面１５２に沿って外輪２８ｃが移動する構造なので、外輪２８ｃで大きな曲げ応力が生じるのを防止することができる。
【００７８】
なお、外輪２８ｃの外周面１１０ａは、折れ曲がり壁部２０ａ、２０ａの互いに対向する面の支持梁部１５１の凸面１５２の周囲となる部分に形勢された案内面１５４に当接するようになっている。また、外輪２８ｃは、上述の実施の形態と同様に軸部２８ｄが一体に形成され、軸部２８ｄの周囲にラジアル転がり軸受を介してパワーローラ１１が回転自在となっている。変形例では、軸部２８ｄがパワーローラ１１を貫通した状態となっている。
【００７９】
この変形例においては、外輪２８ｃの外側面と、トラニオン１５ａの外輪２８ａに対向する内側面とがそれそれ平面ではなく、円弧状の凸面１５２と凹面１５３となったことを除いて基本的な構成は上述の実施の形態と同様である。
したがって、この変形例となるトロイダル型無段変速機にあっても、上述の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
また、変形例においては、トラニオン１５ａの凸面１５２と、外輪２８ａの凹面１５３とが面接触するようになっており、外輪２８ａからトラニオン１５ａへの熱伝導効率が高くなっており、外輪２８ａの温度低下を図ることにより、さらなる外輪２８ａの耐久性の向上が可能となっている。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、シングルキャビティ型やダブルキャビティ型などの様々なハーフトロイダル型無段変速機に適用することができる。
【符号の説明】
【００８１】
２        入力側ディスク
３        出力側ディスク
１１      パワーローラ（内輪）
１４      枢軸
１５，１５ａ      トラニオン
２４      スラスト玉軸受
２６      転動体（玉）
２８，２８ａ      外輪
１４１      内輪軌道溝
１４２      外輪軌道溝
【図１】
0005621338.tif 000002
【図２】
0005621338.tif 000003
【図３】
0005621338.tif 000004
【図４】
0005621338.tif 000005