(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力軸に設けられた入力ディスクと、出力軸に設けられた出力ディスクと、内輪、外輪および複数の転動体を含み、かつ、前記入力ディスクおよび出力ディスクに前記内輪が係合して前記入力軸の動力を前記出力軸に伝達するパワーローラ軸受とを含んで構成したトロイダル形無段変速機において、
前記パワーローラ軸受の内輪、外輪、入力ディスク、並びに出力ディスクの組成が重量比でＣ；０．１５〜０．５％、Ｓｉ；０．１５〜１．５％、Ｍｏ；０．１〜１．５％、酸素９ｐｐｍ以下およびその他の不可避的不純物元素を含む素材からなり、この素材を浸炭窒化、焼入れ、焼戻し処理、研磨仕上げ後の表面Ｃ量が重量比で０．８〜１．２％、表面Ｎ量が重量比で０．０５〜０．２０％の範囲を満たし、その表面硬さがビッカース硬さＨｖ７２０以上を満足し、かつ、焼入れ、焼戻し後の表面からの深さ位置Ｄｘでの硬さがＨｖ６５０以上を満たすような浸炭窒化熱処理を施し、ここで前記Ｄｘは、動的剪断応力分布と曲げ応力分布を合わせた動的合成応力分布における応力発生位置とし、動的最大剪断応力発生位置をＺｏとした場合に、Ｄｘ＝３．０Ｚｏ〜５．０Ｚｏを満たす関係にあり、かつ、０．５Ｄｘ〜Ｄｘ位置での残留応力値が−１３０乃至−６０ｋｇｆ／ｍｍ2 の範囲を満たすような物理的な表面硬化処理を施したことを特徴とするトロイダル形無段変速機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トロイダル形無段変速機に係り、特に、自動車などの車両に用いられるトロイダル形無段変速機の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、車両の変速機としてはギアタイプが主流であり、ギアを成形するためのギア用鋼としてはＪＩＳ規格Ｇ４０５１〜４２０２にて定められた機械構造用炭素鋼や合金鋼のうち、ＳＣｒ４２０やＳＣＭ４２０などの低合金鋼が用いられている。このような機械構造用鋼を素材としてギア形状に成形したのち、浸炭あるいは窒化などの表面硬化処理を施して使われてきた。しかしながら、従来のギア式有段変速機（オートマチック方式）は、段階継続的な変速機構であるため、動力伝達にロスが生じたり変速ショックが発生したりするという欠点を抱えていた。
【０００３】
一方、無段変速機とは、変速時における断続的なショックがなく、動力伝達性にギア式有段変速式より優れており、耐燃料消費効率が良いという観点から、近年実車化が種々検討され、一部の乗用車にはベルト式無段変速機などが実用化されている。
【０００４】
この無段変速機の一種として、入力・出力ディスクとパワーローラ軸受を兼ね備えたトロイダル形無段変速機があり、これは、ベルト式無段変速機と比較して、高いトルクを伝達することが可能であり、中型・大型車向けの無段変速機として有効と考えられている。従って、高いトルクを伝達し、かつ高温状態においても、破損しないような耐久性の高い材料の開発が進められている。
【０００５】
このトロイダル形無段変速機用の高耐久性材料として従来は、特開平７−２０８５６８号公報に開示されているように、トロイダル形無段変速機構成要素であるパワーローラ軸受の転動体が、中炭素鋼または高炭素鋼からなると共に、浸炭窒化処理、焼入れおよび焼戻し処理が施されてなるものや、特開平９−７９３３６号公報に開示されているように、トロイダル形無段変速機における転動体の素材としてＣｒを含有する機械構造用鋼を用い、浸炭窒化処理により、転動体におけるＮ量が重量比で０．２％以上、０．６％以下、面接触により転動体内部に発生する最大せん断応力の発生深さをＺｓｔとした時に、深さｄ≦０．２Ｚｓｔの位置においてＣ＋Ｎ量が０．９〜１．３％、残留オーステナイト量が体積％で２０％〜４５％、硬さがＨＶ５００以上であり、且つ深さが０．５Ｚｓｔ≦ｄ≦１．４Ｚｓｔの位置においてＣおよびＮ量が重量比で０．６％≦Ｃ＋Ｎ≦１．２％、硬さがＨｖ７００以上であることなどがあげられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のトロイダル形無段変速機は、駆動した際に、入力・出力ディスクとパワーローラ軸受との間（すなわち、パワーローラのトラクション面）に、高い接触圧力が生じ、当該パワーローラ軸受には、高いスラスト荷重がかかり、転がり軸受と同様な転がり接触荷重が作用することになる。そして、これらの接触圧力やスラスト荷重による負荷は、通常の転がり軸受においては生じないような高負荷となる。特に、パワーローラのトラクション面やパワーローラの軸受面に、剥離・破損が生じやすいという欠点がある。このため、パワーローラ軸受面の転がり寿命を向上することができないという問題がある。例えば、トロイダルＣＶＴでは、最大トルクで最大減速時にトラクション動力伝達部の接触面圧はＰｍａｘ＝３．９ＧＰａ（接触楕円長軸半径ａ＝５ｍｍ、接触楕円短軸半径ｂ＝１．３ｍｍの場合、最大動的剪断応力発生位置；Ｚｏ＝０．４８ｂ、最大静的剪断応力発生位置；Ｚｓｔ＝０．７２ｂ）となる。
【０００７】
また、更に通常の転がり軸受と比較してトロイダル形無段変速機に特有かつ重要な問題として、軸受と異なりバックアップ剛性が低いため、パワーローラ、入力ディスク及び出力ディスクに繰り返し曲げ応力が加わり、高い引張応力が発生するため（最大負荷・最大減速時にＦＥＭ計算及び歪みゲージによる測定結果からトラクション面に約９０ｋｇｆ／ｍｍ2 の引張応力が発生する）これらの部分を起点として割れが生じやすいという問題がある。このため、耐疲労割れ特性を向上することができないという問題もある。（図３，４参照）。これらの一連の研究として、曲げ応力下における転がり寿命（日本トライボロジー会議予稿集、盛岡１９９２−１０、Ｐ７９３〜７９６）が報告されており、転がり接触応力に曲げ応力が複合すると寿命が著しく低下することが述べられている。
【０００８】
従って図３及び図４に示すように、このトロイダル形無段変速機のパワーローラ軸受には大きな繰返し剪断応力と大きな繰返し曲げ応力とが複合的に重なりあって作用するため、汎用の転がり軸受とは異なった厳しい応力負荷状態となる。例えば、図５に示すように、最大応力発生位置は従来のピーク値Ｐ１からＰ２へと深くなり、汎用の転がり軸受の耐はくり性に有効とされている浸炭処理を単純に施すだけでは軸受の寿命延長を図る上では不十分である。
【０００９】
さらに、トロイダル形無段変速機において、汎用の転がり軸受とは異なり、入力・出力ディスクとパワーローラのトランクション面において大きなトランクション力を伝達する際に、発熱し、その接触点での温度は２００℃を越えるものと予想され、通常の軸受材料ではその使用に耐えることができない。そのため、高温時においても硬度を維持する合金元素Ｍｏや、発生しやすくなる組織変化を遅延させる合金元素Ｓｉの量を規定したものである。
【００１０】
また、上述の特開平９−７９３３６号公報では、浸炭窒化処理により、転動体におけるＮ量が重量比で０．２〜０．６％、面接触により転動体内部に発生する静的最大剪断応力の発生深さをＺｓｔとした時に、深さｄ≦０．２Ｚｓｔの位置においてＣ＋Ｎ量が０．９〜１．３％、残留オーステナイト量が体積％で２０％〜４５％、硬さがＨＶ５００以上であり、且つ深さが０．５Ｚｓｔ≦ｄ≦１．４Ｚｓｔの位置においてＣおよびＮ量が重量比で０．６％≦Ｃ＋Ｎ≦１．２％、硬さがＨｖ７００以上としている。これは、図６の比較例１および２として示すように、耐接触応力のみに関しては有効に作用すると考えられるが、表面近傍の硬さがＨｖ５００以上と低いため、曲げ応力がさらに加重されるディスクに関しては十分な硬さ分布の規定とは言えない。また、Ｈｖ７００の硬さ規定位置の０．５Ｚｓｔ〜１．４Ｚｓｔに関しても、転がり接触応力の作用のみを考慮しているため、曲げ応力が複合した場合では、適当な硬さ規定とは言い難い。さらに、表面Ｎ量を０．２〜０．６％とした場合は、耐摩耗性は向上するが、表面Ｎ量が高くなりすぎて加工性が著しく低下するという短所もある。
【００１１】
特開平７−２０８５６８号公報に関しては、トロイダル形無段変速機の構成要素であるパワーローラ軸受の転動体が、中炭素鋼または高炭素鋼からなると共に、浸炭窒化処理焼入れおよび焼戻し処理が施されてなるものもあるが、今発明は、最近の厳しい高トルク条件下においても十分耐久性のある材料を、更に改良したものである。
【００１２】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、パワーローラ（内輪）、外輪、入力ディスクおよび出力ディスクに転がり疲労剥離・破損・摩擦摩耗が発生するなどトロイダル形無段変速機における特有の問題を解決すると共に、疲労割れを防止し、高寿命で信頼性の高い入力・出力ディスクとパワーローラ軸受を備えた長寿命のトロイダル形無段変速機を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るトロイダル形無段変速機は、入力軸に設けられた入力ディスクと、出力軸に設けられた出力ディスクと、内輪、外輪および複数の転動体を含み、かつ、前記入力ディスクおよび出力ディスクに前記内輪が係合して前記入力軸の動力を前記出力軸に伝達するパワーローラ軸受とを含んで構成したトロイダル形無段変速機において、前記パワーローラ軸受の内輪、外輪、入力ディスク、並びに出力ディスクの組成が重量比でＣ；０．１５〜０．５％、Ｓｉ；０．１５〜１．５％、Ｍｏ；０．１〜１．５％、酸素９ｐｐｍ以下およびその他の不可避的不純物元素を含む素材からなり、この素材を浸炭窒化、焼入れ、焼戻し処理、研磨仕上げ後の表面Ｃ量が重量比で０．８〜１．２％、表面Ｎ量が重量比で０．０５〜０．２０％の範囲を満たし、その表面硬さがビッカース硬さＨｖ７２０以上を満足し、かつ、焼入れ、焼戻し後の表面からの深さ位置Ｄｘでの硬さがＨｖ６５０以上を満たすような浸炭窒化熱処理を施し、ここで前記Ｄｘは、動的剪断応力分布と曲げ応力分布を合わせた動的合成応力分布における応力発生位置とし、動的最大剪断応力発生位置をＺｏとした場合に、Ｄｘ＝３．０Ｚｏ〜５．０Ｚｏを満たす関係にあり、かつ、０．５Ｄｘ〜Ｄｘ位置での残留応力値が−１３０乃至−６０ｋｇｆ／ｍｍ2 の範囲を満たすような物理的な表面硬化処理を施したことを特徴とする。
【００１４】
【作用】
本発明に係るトロイダル形無段変速機においては、その構成部材であるパワーローラ軸受の内輪、外輪、入力ディスクおよび出力ディスクの材料としてＣ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｏを規定した素材を、浸炭窒化、焼入れ、焼戻し処理、研磨仕上げ後の表面Ｃ量を０．８〜１．２％とし、表面Ｎ量を０．０５〜０．２０％とし、動的合成応力分布における応力発生位置Ｄｘにて、硬さがＨｖ６５０以上を満足するような浸炭窒化熱処理を施し、０．５Ｄｘ〜Ｄｘ位置での残留応力値が−１３０から−６０ｋｇｆ／ｍｍ2 を満足するようなショットピーニング処理などの加工により、これらの処理が施された各部材に剥離・破損が発生することが防止されると共に、疲労割れの発生が防止される。
【００１５】
この理由を以下に述べる。
１）表面Ｃ量；０．８〜１．２重量％パワーローラ（内輪）、外輪、入力ディスクおよび出力ディスクに、浸炭窒化、焼入れ、焼戻し処理を施し、研磨仕上げ後、表面Ｃ量を０．８〜１．２重量％と規定するのは、耐転がり疲れに必要な硬さと曲げ応力負荷に対する十分な強度を得るために０．８％以上が必要であり、一方、１．２％を越えると巨大炭化物を生成しやすくなり、割れ起点になりやすいからである。
２）表面Ｎ量；０．０５〜０．２０重量％表面Ｎ量が０．０５重量％以上あると、焼戻し抵抗性が向上し、微細な炭窒化物が分散析出する効果により強度が向上するためである。一方、表面Ｎ量が０．２０重量％を越えると、耐摩耗性が向上し、研磨加工が困難になりやすく、また脆性割れ強度も低下するからである。
３）表面硬さ；Ｈｖ７２０以上位置Ｄｘでの硬さ；Ｈｖ６５０以上表面硬さがビッカース硬さＨｖ７２０以上を満足し、かつ、焼入れ、焼戻し後の表面からの深さ位置Ｄｘでの硬さがＨｖ６５０以上を満たすような浸炭窒化熱処理を施すことが望ましい。ここで、深さ位置Ｄｘは、動的剪断応力分布と曲げ応力分布とを合わせた動的合成応力分布における応力発生位置とする。なお、動的最大剪断応力発生位置をＺｏとすると、Ｄｘ＝３．０Ｚｏ〜５．０Ｚｏを満たす関係にある。
【００１６】
図３及び図４に示すように、トロイダル形無段変速機のパワーローラ軸受８の構成部材には大きな繰返し剪断応力と大きな繰返し曲げ応力とが複合的に重なりあって作用するため、一般の転がり軸受とは異なった厳しい応力負荷状態となる。このため、図５に示すように、最大応力発生位置は従来のピーク値Ｐ１からＰ２へと深くなり、単純に転がり軸受の耐はくりに有効と考えられている浸炭処理を施すのではなく、合成応力負荷を考慮した浸炭窒化処理による硬さ分布を規定したものである。
【００１７】
さらに、トロイダル形無段変速機においては、通常の転がり軸受とは異なり、入力・出力ディスクとパワーローラのトランクション面において大きなトランクション力を伝達する際に、発熱し、その接触点での温度は２００℃を越えるものと予想され、通常の軸受材料ではその使用に耐えることができない。そのため、高温時においても硬度を維持する合金元素Ｍｏや、発生しやすくなる組織変化を遅延させる合金元素Ｓｉの量を規定したものである。
【００１８】
また、上述の特開平９−７９３３６号公報では、浸炭窒化処理により、転動体耐におけるＮ量が重量比で０．２〜０．６％、面接触により転動体内部に発生する静的最大剪断応力の発生深さをＺｓｔとした時に、深さｄ≦０．２Ｚｓｔの位置においてＣ＋Ｎ量が０．９〜１．３％、残留オーステナイト量が体積％で２０％〜４５％、硬さがＨｖ５００以上であり、かつ、深さが０．５Ｚｓｔ≦ｄ≦１．４Ｚｓｔの位置においてＣおよびＮ量が重量比で０．６％≦Ｃ＋Ｎ≦１．２％、硬さがＨｖ７００以上としている。これは、図６のなかに比較例１および比較例２としてそれぞれ示すように、耐接触応力のみに関しては有効に作用すると考えられるが、表面近傍の硬さがＨｖ５００以上と低いため曲げ応力も複合するディスクに関しては十分な硬さ分布の規定とは言えない。また、Ｈｖ７００の硬さ規定位置の０．５Ｚｓｔ〜１．４Ｚｓｔに関しても、転がり接触応力の作用のみを考慮しているため、曲げ応力が複合した場合では、適当な硬さ規定とは言い難い。さらに、表面Ｎ量を０．２〜０．６％とした場合は、表面Ｎ量が高くなり、耐摩耗性が上がり、加工性が著しく低下する。
【００１９】
そこで、本発明では、動的最大剪断応力が作用する深さ位置Ｚｏを各構成部材の転がり寿命の計算に用いている。
次に、動的最大剪断応力が作用する位置Ｚｏの求めかたについて説明する。
【００２０】
鋼と鋼との点接触は次式（１），（２），（３），（４）で与えられる。
ａ＝（５０．５×１０-3）μ・（Ｐ／Σρ）1/3         …（１）
ｂ＝（５０．５×１０-3）ν・（Ｐ／Σρ）1/3         …（２）
ｂ／ａ＝｛（ｔ2 −１）（２ｔ−１）｝1/2 ＝ｋ1       …（３）
ｃｏｓτ＝｜ρ11−ρ12＋ρ21−ρ22｜／Σρ          …（４）
ただし、ａは接触楕円長軸半径を、ｂは接触楕円短軸半径を、τは補助角を、μ，νはｃｏｓτに関する定数を、Ｐは荷重を、そしてΣρ（＝ρ11＋ρ12＋ρ21＋ρ22）は２つの弾性体の接触点で互いに直角をなす主曲率の総和をそれぞれ表わす。
【００２１】
なお、上記のμ，ν，ｋ1 は次の関係にある。
μ＝｛２Ｅ（ｋ2 ）／πｋ12｝1/3
ν＝｛２Ｅ（ｋ2 ）ｋ1 ／π｝1/3
ｋ1 ＝ｂ／ａ
ｋ2 ＝（１−ｋ12）1/2
したがって、μ，νは第２種完全だ円積分により求まる定数である。
【００２２】
上式（１）からａを、上式（２）からｂをそれぞれ求め、これらを上式（３）に代入してパラメータｔについて解くと、動的最大剪断応力発生位置Ｚｏは下式（５）で与えられることが「軸受潤滑便覧（日刊工業新聞社；軸受潤滑便覧編集委員会編；昭和３６年発行）」の第230 〜240 頁に記載されている。
【００２３】
Ｚｏ＝ｂ｛（ｔ＋１）（２ｔ−１）1/2 ｝-1      …（５）
なお、上記のＺｏは下式（６）の関係から最大接触圧力Ｐｍａｘを用いても求めることができる。
【００２４】
Ｐｍａｘ＝［１８８×｛Ｐ（Σρ）2 ｝1/3 ］／μν   …（６）
以上求めたＺｏ値に基づき動的剪断応力分布と曲げ応力分布とを合成した動的合成応力分布における応力発生領域を本発明ではＤｘ＝３．０〜５．０Ｚｏと定める。本発明ではこの領域がトロイダル形無段変速機の使用においてその構成部材であるパワーローラ軸受の内輪、外輪、入力ディスク及び出力ディスクの転がり疲労剥離、破損、及び疲労割れを防止する上で重要な領域になりうるととらえている。
【００２５】
これらの剥離や破損防止の観点から、Ｄｘの範囲のうち少なくとも３Ｚｏ位置でＨｖ６５０以上となっていることが必要であり、荷重が高くなればより深い位置でこの硬さを有することが必要となるので、５Ｚｏ位置でＨｖ６５０以上とすることがさらに好ましい。このため、Ｄｘ位置での硬さをＨｖ６５０以上と定めた。
４）０．５Ｄｘ〜Ｄｘ位置での残留応力値；−１３０〜−６０ｋｇｆ／ｍｍ2
ショットピーニング（ＳＰ）を行うと、メディア（鋼球など）が材料表面に衝突し、ＳＰ処理が施された各部位を構成する材料表面近傍（この部分を表層部とも記す）が塑性変形した結果、残留圧縮応力が生成される。従って、各部位に加わる転がり接触応力と高い引張応力の複合に対して−６０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上の残留圧縮応力を発生させるＳＰ処理を施すと耐疲労寿命が向上する。しかしながら、−１３０ｋｇｆ／ｍｍ2 を越えると、その効果は飽和してしまい、また加工コストが上昇するため有効ではない。ここで、本発明では、マイナス符号の残留応力を「残留圧縮応力」としているため、その絶対値が大きくなるほど残留圧縮応力が大きくなり、その絶対値が小さくなるほど残留圧縮応力が小さくなることを意味する。
【００２６】
本発明のトロイダル形無段変速機の構成部材の剥離や破損防止のため、応力発生領域Ｄｘにおいて少なくとも１．５Ｚｏの位置において残留圧縮応力が−６０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上、−１３０ｋｇｆ／ｍｍ2 以下の値とする必要がある。荷重が高くなるにつれてより深い位置でこの残留圧縮は応力を付与しておく必要があり、その深さは好ましくは２．０Ｚｏの位置、さらに好ましくは３．０Ｚｏの位置でこの値を満たすことが必要である。
【００２７】
次に本発明のトロイダル形無段変速機用素材の組成割合の限定の理由について述べる。
５）Ｃ；０．１５〜０．５０重量％
Ｃは耐破損・はくりなどによる寿命低下に有害と考えられる介在物に関して、量産材として介在物の少ない安定した清浄度が得るため、また耐転がり疲労に必要な硬さを得るために行う浸炭窒化の処理時間短縮のためには、０．１５％が必要となる。一方、Ｃは０．５０％を越えて含有させると、中心部での割れ強度の低下や、高温時の寸法安定性を損なうなどの問題があるため、Ｃ＝０．１５〜０．５０％と定めた。
６）Ｓｉ；０．１５〜１．５０重量％
Ｓｉは、転がり疲労下にて見られる白色組織変化の遅延効果、及び焼入れ性を向上させる元素であるが、０．１５％未満では焼戻し軟化抵抗性が十分ではなく、１．５％を越えると加工性が著しく低下するため、Ｓｉ＝０．１５〜１．５％とした。
７）Ｍｏ；０．１〜１．５重量％
Ｍｏは、焼戻し軟化抵抗性や微細な炭化物の分散効果により軸受硬さを向上させる元素であるため、０．１％以上必要であるが、１．５％を越えてもその効果は飽和し、また逆に加工性が劣化する可能性もあることから、Ｍｏ＝０．１〜１．５％とした。
８）酸素；９ｐｐｍ以下
酸素は鋼中において酸化物系の介在物を生成し、曲げ応力疲労時における起点（フィッシュアイ）となったり、また転がり寿命を低下させる非金属介在物となりうる元素であるので、その上限を９ｐｐｍとした。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態について説明する。
図１にトロイダル型無段変速機の縦断面構造を示す。符合１が出力軸に、符合２が入力軸にあたる。入力ディスク５は入力軸２に対してブッシュ１０を介して互いに回転可能に遊嵌し、入力軸２にはカムディスク３がスプライン２ａにより固定され、カムディスク３と入力ディスク５との対向面にはローラ４を挟んでそれぞれカム面３ａ，５ｂが形成されている。出力ディスク６は出力軸１にスプライン１ａにより一体に回転するように固定されている。入力軸２及び出力軸１はそれぞれ軸受１２，１３により外箱に回転可能に支持されている。
【００２９】
入力ディスク５と出力ディスク６のそれぞれのトロイダル面、すなわち転がり伝動面５ａ，６ａは共通の円弧をなしトロイダルキャビティを形成している。転がり伝動面５ａ，６ａと接触して転がりながら動力を伝達するパワーローラ９は軸受８とともにパワーローラ９の支持軸受を形成している。また、軸受８の固定輪１４は摺動座金１５を介して、軸受８は揺動軸７ａを介してそれぞれトラニオン７に取り付けられている。トラニオン７はパワーローラ９がトロイダルキャビティ内で転がり伝動面５ａ，６ａとの接触位置を変えて変速できるように傾動可能に支持されている。なお、軸受８を潤滑するとともに、パワーローラ９と入出力ディスク５，６のトロイダル面との接触面を潤滑するために供給されるトラクション油などの潤滑油の供給機構については図示を省略している。
【００３０】
次に、表１に本発明にかかる実施例及び比較例の化学成分および表面Ｃ、Ｎ％、ショットピーニング処理（ＳＰ）の有無を示す。
表１に示す実施例および比較例は、以下に示す図２の条件の熱処理（Ｉ）（従来例１の場合）または熱処理（II）（III ）（実施例及び比較例の場合）を行った後、ショットピーニング加工を行って製造した。
［熱処理（Ｉ）］
図２（Ｉ）に示すように、温度が８４０〜８６０℃の吸熱型ガス雰囲気で、０．５〜１時間熱処理（ずぶ焼き）した後、オイルクエンチ（焼入れ）を行う。次いで、これを温度が１６０〜１８０℃の大気中で、２時間加熱した後、冷却する。（焼戻し）。
［熱処理（II）］
図２（II）に示すように、温度が９３０〜９６０℃の吸熱型ガス及びエンリッチガスの雰囲気で、１０〜１５時間熱処理（浸炭処理）した後、放冷し、次に吸熱型ガスの雰囲気で８４０〜８６０℃まで０．５〜１時間加熱（ずぶ焼き）してからオイルクエンチ（焼入れ）を行う。次いで、これを温度が１６０〜１８０℃の大気中で２時間加熱した後、冷却する（焼戻し）。
［熱処理（III ）］
図２（III ）に示すように、温度が９３０〜９６０℃の吸熱型ガス及びエンリッチガスとアンモニアガスの雰囲気で、５〜１０時間熱処理（浸炭窒化処理）した後、放冷し、次に吸熱型ガスの雰囲気中で８４０〜８６０℃まで０．５〜１時間加熱（ずぶ焼き）してからオイルクエンチ（焼入れ）を行う。次いで、これを温度が１６０〜１８０℃の大気中で、２時間加熱した後、冷却する。（焼戻し）。
【００３１】
次に、このようにして得られたパワーローラの０．５Ｄｘ位置での最大残留応力（ｋｇｆ／ｍｍ2 ）を測定する。ここでは、部材の転動表面から深さ方向に残留応力のプロファイルをとり、その０．５Ｄｘ位置での最大値を測定値として、その結果を表１に示す。なお、本発明でいう残留応力（ｋｇｆ／ｍｍ2 ）は、マイナス（−）が圧縮を示し、プラス（＋）が引張りを示している。
【００３２】
次に、表１に示す各組成の材料を用いて熱処理後に完成されたパワーローラ、外輪、入力ディスクおよび出力ディスクを用いてトロイダル形無段変速機を組み立て、各構成部材に０．５Ｄｘ〜Ｄｘの範囲の一例として３Ｚｏ位置での残留圧縮応力値を表１に示す。また、Ｄｘの一例として５Ｚｏでの各構成部品の硬さにつき調べた結果を表２に示す。なお、転動体（玉）２０にはＳＵＪ２をずぶ焼入れ、焼戻しした後、研磨仕上げしたものを用いた。
【００３３】
次に、このようにして得られた各実施例および比較例の軸受を下記の条件下でそれぞれ試験した。
［試験条件］
入力軸の回転数；  ４０００ｒ．ｐ．ｍ．
入力トルク；      ３７０Ｎ・ｍ
使用オイル；      合成潤滑油
オイル温度；      １００℃
なお、上記の試験条件から最大面圧が３．９ＧＰａで、ＺｏおよびＤｘはそれぞれ下記の値となる。
【００３４】
0003702618.tif 000002
なお、寿命の評価は、それぞれの試験片（実施例、比較例）を構成しているパワーローラ、外輪、入力ディスクおよび出力ディスクのいずれかに剥離が発生するまでの時間、あるいは、パワーローラ、外輪、入力ディスクおよび出力ディスクのいずれかに疲労割れが発生するまでの時間をもって決定した。また、試験中、転動体に剥離が生じた場合には、その転動体を新品と交換して試験を続行した。また、試験は１００時間で打ち切りとした。この結果を前述の表２に合わせて示す（時間はｈｒで示す）。
【００３５】
表２は、Ｄｘ＝５．０Ｚｏを一例として選択したＤｘ位置での硬さと寿命試験の関係を示している。これから明らかなように、実施例１〜１０では比較例１〜１０に比べて寿命が大幅に向上している。これよりパワーローラ（内輪）、外輪、入力ディスクおよび出力ディスクが、Ｃ＝０．１５〜０．５％、Ｓｉ＝０．１５〜１．５％、Ｍｏ＝０．１〜１．５％、Ｏ≦９ｐｐｍの肌焼鋼からなると共に、浸炭窒化、焼入れ、焼戻しなどの所定の熱処理後、ショットピーニング加工が施されている実施例（発明品）は、寿命が向上したことが立証された。
【００３６】
とくに、実施例３〜１０では、パワーローラ（内輪）、外輪、入力ディスクおよび出力ディスクのいずれにも、１００時間以上ものあいだ剥離や破損が発生せず、また、１００時間以上ものあいだ疲労割れも発生せず、寿命が著しく向上していたことが確認された。これは、実施例３〜１０においては、パワーローラ、外輪、入力ディスクおよび出力ディスクの４つの構成部材がともに、一例としてＤｘ位置を３Ｚｏに選びその時の残留応力を−８０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上とし、かつ、表面硬さをＨｖ７４０以上としたためである。なお、実施例１と２では、８５時間と７２時間でそれぞれディスクに僅かに剥離を生じたが、これは表面硬さとＤｘ位置での硬さとをともに少し低めに設定したことに起因するものと推察される。しかし、実施例１と２の寿命は比較例１〜５のそれに比べると十分に長いといえる。
【００３７】
これに対して比較例１〜１０では、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｏ，Ｏ量が上記の組成範囲から外れているので、実施例１〜１０のいずれに比べても短時間で疲労割れが発生した。また、比較例６〜９では、表面のＣ量とＮ量のいずれか一方が上記の組成範囲から外れているため、所定の硬さが得られておらず、耐転がり疲労と耐疲労割れの複合応力に対して不十分となり、短時間で構成部材に割れや剥離を生じた。さらに、比較例１０では、３．０Ｚｏ＝Ｄｘ位置の最大残留圧縮応力が−６０ｋｇｆ／ｍｍ2 以下であったため、疲労割れ起点により短寿命となった。
【００３８】
以上の結果から、トロイダル形無段変速機の寿命を向上させるためには、パワーローラ（内輪）、外輪、入力ディスクおよび出力ディスクが、重量比に対して、Ｃ＝０．１５〜０．５％、Ｓｉ＝０．１５〜１．５％、Ｍｏ＝０．１〜１．５％、Ｏ≦９ｐｐｍの素材からなり、浸炭窒化、焼入れ、焼戻し処理、研磨仕上げ後の表面Ｃ％が重量比に対し、Ｃ＝０．８〜１．２％、表面Ｎ＝０．０５〜０．２０％の規定値を満足し、かつ焼入れ、焼戻し後の表面からの深さの位置Ｄｘ（ここでＤｘは、動的剪断応力発生分布と動的曲げ応力分布を合わせた合成応力分布における応力発生位置；Ｄｘ＝３．０Ｚｏ〜５．０Ｚｏ、ただしＺｏは動的最大剪断応力発生位置のこと）において、Ｄｘ＝５．０Ｚｏに選んだときの例が示すようにＤｘの位置でＨｖ６５０以上を満足するような浸炭窒化熱処理を施し、３．０Ｚｏ＝Ｄｘでの残留応力値が−１３０から−６０ｋｇｆ／ｍｍ2 の例が示すように、０．５Ｄｘ〜Ｄｘ位置での残留圧縮応力値が−６０ｋｇｆ／ｍｍ2〜−１３０ｋｇｆ／ｍｍ2 になるようなショットピーニング処理などの加工を施す必要がある。また、玉はくりが多発しないように、ＳＵＪ２に浸炭窒化処理を施したものを使用することが好ましい。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
【表２】
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【００４１】
【発明の効果】
本発明のトロイダル形無段変速機によれば、極めて高負荷にさらされるパワーローラ軸受の構成要素である内輪（パワーローラ）、外輪、入力ディスクおよび出力ディスクが、その重量比に対して、Ｃ＝０．１５〜０．５％、Ｓｉ＝０．１５〜１．５％、Ｍｏ＝０．１〜１．５％、Ｏ≦９ｐｐｍの素材からなり、浸炭窒化、焼入れ、焼戻し処理、研磨仕上げ後の表面Ｃ％が重量比に対し、Ｃ＝０．８〜１．２％、表面Ｎ＝０．０５〜０．２０％の規定値を満足し、かつ焼入れ、焼戻し後の表面からの深さの位置Ｄｘ（ここでＤｘは、動的剪断応力分布と曲げ応力分布を合わせた動的合成応力分布における応力発生位置；Ｄｘ＝３．０〜５．０Ｚｏ（Ｚｏは動的最大剪断応力発生位置のこと）において、Ｄｘにおいて硬さをＨｖ６５０以上を満足するような浸炭窒化熱処理を施し、０．５〜１．０Ｄｘでの残留応力値が−１３０から−６０ｋｇｆ／ｍｍ2 を満足するようなショットピーニング処理などの表面加工を施したため、これらの処理が施されたパワーローラ（内輪）、外輪、入力ディスク及び出力ディスクに剥離や破損が発生することを十分に防止することができる。とくに、トロイダル形無段変速機において問題となっていた軸受内径面やトラクション面等から発生する割れも十分に防止することができる。この結果、トロイダル形無段変速機の寿命が従来に比べて大幅に延長された。
【図面の簡単な説明】
【図１】トロイダル型無段変速機の縦断面図。
【図２】（Ｉ）はトロイダル型無段変速機の構成要素に行うずぶ焼き処理の熱履歴図、
（II）は同構成要素に行う浸炭処理の熱履歴図、
（III ）は同構成要素に行う浸炭窒化処理の熱履歴図である。
【図３】ディスクに作用する曲げ応力および接線力を説明するための模式図。
【図４】パワーローラに作用する曲げ応力および接線力を説明するための模式図。
【図５】ディスクに作用する合成応力の分布図。
【図６】実施例と比較例とを比較して示す硬さ分布図。
【符号の説明】
１…出力軸、２…入力軸、３…カムディスク、４…ローラ、
５…入力ディスク、５ａ…転がり伝動面、
６…出力ディスク、６ａ…転がり伝動面、
７…トラニオン、７ａ…揺動軸、
８…パワーローラ軸受、９…内輪（パワーローラ）、１０…ブッシュ、１４…外輪（固定輪）、１５…摺動座金、２０…転動体、３０…シール部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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