(57)【要約】【課題】プーリ斜面の摩擦係数を確保し、耐摩耗性や疲労強度を向上できる無段変速機を実現する。【解決手段】入力側の軸部材１１上に設けられたドライブプーリ１２と、出力側の軸部材２０上に設けられたドリブンプーリ２２と、前記ドライブプーリのプーリ斜面Ｄと前記ドリブンプーリのプーリ斜面Ｄとの間に巻き掛けられた無端伝動帯３０とを有し、前記ドライブプーリの溝幅及び前記ドリブンプーリの溝幅をそれぞれ変えることにより変速比を無段階に変化させることができる無段変速機ＣＶＴにおいて、前記ドライブプーリ及び前記ドリブンプーリの少なくとも一方における前記無端伝動帯に接触可能なプーリ斜面における表面から所定の深さまでの領域Ｒに超音波ラッピング処理により形成された表面改質層を設け、前記表面改質層は、前記所定の値（１２００ＭＰａ）以上の残留応力が付与されている。【選択図】図３
2018004036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力側の軸部材上に設けられたドライブプーリと、
出力側の軸部材上に設けられたドリブンプーリと、
前記ドライブプーリのプーリ斜面と前記ドリブンプーリのプーリ斜面との間に巻き掛けられた無端伝動帯とを有し、
前記ドライブプーリの溝幅及び前記ドリブンプーリの溝幅をそれぞれ変えることにより変速比を無段階に変化させることができる無段変速機において、
前記ドライブプーリ及び前記ドリブンプーリの少なくとも一方における前記無端伝動帯に接触可能なプーリ斜面における表面から所定の深さまでの領域に超音波ラッピング処理により形成された表面改質層を設け、
前記表面改質層は、前記所定の値以上の残留応力が付与されていることを特徴とする無段変速機。
【請求項２】
前記所定の深さまでの領域は前記プーリ斜面の表面からの深さが２０μｍ以下の領域であり、前記所定の値は１２００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載の無段変速機。
【請求項３】
前記超音波ラッピング処理が行われるプーリ斜面は、研削加工が施された被処理面であることを特徴とする請求項１または２に記載の無段変速機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベルト式無段変速機に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１〜３には、ベルト式無段変速機に用いられるプーリにおける金属ベルトとの摩擦接触面であるプーリ斜面の表面改質処理が記載されている。
【０００３】
特許文献１には、プーリのＬＯＷ側変速比の領域に表面処理を施し、無段変速機におけるプーリ斜面のみならず、エレメント側の摩耗の発生をも効果的に抑制することが記載されている。また、表面処理は、ショットピーニング、ＷＰＣ処理、ウォータージェットピーニング、メッキ、コーティング、研磨加工および熱処理のうちの少なくとも１つであることが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、無段変速機のプーリの表面処理として、ハードターニング処理及びショットブラスト処理を行い、金属ベルトとの間の摩擦係数を確保し、プーリ斜面の耐摩耗性を向上することが記載されている。
【０００５】
特許文献３には、無段変速機のプーリ表面の摩擦係数と耐摩耗性を確保するために、表面硬さを増すマイクロショット加工を行い、その後、表面粗さのバラツキを平準化する処理を行うことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−０６５６５１号公報
【特許文献２】特許第４５９２３８０号公報
【特許文献３】特開２０１３−０８７９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記いずれの特許文献も、プーリ表面の面性状に着目し、摩擦係数と耐摩耗性を確保することを目的としている。ただし、プーリは高い負荷を受けると、図４に示すように表面を起点とする割れ４１や内部を起点とする亀裂４２が発生しプーリ斜面の面性状を変化させ、摩擦係数と耐摩耗性が確保できなくなる。このような課題を解決する手段として、微粒子を投射材として用いるショットピーニングがあるが、微粒子のサイズが５０μｍよりも小さくなるため、投射材ごとの処理面積が減少することでワークの加工効率が低下する。また、大量の投射材が必要になるため、コストの上昇や生産性の低下を招くとともに、投射材を供給するホッパーの詰まりなどが発生するなどの副次的な課題がある。
【０００８】
また、プーリ斜面はＣＢＮ（Ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ（立方晶窒化ホウ素））砥粒からなる砥石で研削加工すると表面に変質層５１が形成される（図５）。ここで、図６に例示するように変質層５１がＶ字状に形成されていたとすると、これを起点として表面に亀裂６１が発生し耐摩耗性が得られなくなる。そこで、プーリ斜面の耐摩耗性を確保するため、研削加工後に研磨材を用いたラッピング（Ｌａｐｐｉｎｇ）処理を行うことにより変質層の除去が行われている。このため、ショットピーニング等の追加工程によるコストの上昇や生産性の低下を招くことなく、表面起点の割れと内部起点の亀裂を防止してプーリ斜面の面性状の変化を抑制し、摩擦係数や耐摩耗性が確保できる技術が望まれている。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、コストの上昇や生産性の低下を招くことなく、無段変速機のプーリ斜面の摩擦係数を確保しつつ耐摩耗性や耐疲労特性を向上できる無段変速機を低コストかつ実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明の無段変速機は、入力側の軸部材上に設けられたドライブプーリと、出力側の軸部材上に設けられたドリブンプーリと、前記ドライブプーリのプーリ斜面と前記ドリブンプーリのプーリ斜面との間に巻き掛けられた無端伝動帯とを有し、前記ドライブプーリの溝幅及び前記ドリブンプーリの溝幅をそれぞれ変えることにより変速比を無段階に変化させることができる無段変速機において、前記ドライブプーリ及び前記ドリブンプーリの少なくとも一方における前記無端伝動帯に接触可能なプーリ斜面における表面から所定の深さまでの領域に超音波ラッピング処理により形成された表面改質層を設け、前記表面改質層は、前記所定の値以上の残留応力が付与されている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、コストの上昇や生産性の低下を招くことなく、無段変速機のプーリ斜面の摩擦係数を確保しつつ耐摩耗性や耐疲労特性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の無段変速機の概略構成を示す図。
【図２】本実施形態の超音波ラッピング処理を行う装置の概略構成を示す図。
【図３】従来の研削加工、ラッピング処理およびショットピーニングと本実施形態の超音波ラッピング処理による圧縮残留応力と被処理面からの深さの分布を比較して示す図。
【図４】プーリ斜面における表面起点の割れと内部起点の亀裂の状態を示す断面図。
【図５】プーリ斜面の研削加工により表面に発生する変質層を示す断面図。
【図６】プーリ斜面の表面に発生する変質層に起因して亀裂が発生する様子を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
＜無段変速機の構成＞まず、図１を参照して、本実施形態の無段変速機について説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態の無段変速機の概略構成を示している。
【００１６】
図１に示すように、無段変速機ＣＶＴは、入力側の軸部材としての入力軸１０及び中空軸１１、出力側の軸部材としての出力軸２０、中空軸１１に設けられたドライブプーリ１２、出力軸２０に設けられドリブンプーリ２２及びドライブプーリ１２とドリブンプーリ２２との間に掛け渡された無端伝動帯としての金属ベルト３０を有している。入力軸１０は不図示のエンジンのクランクシャフトに連結されており、中空軸１１はこの入力軸１０の外周側に入力軸１０に対して相対回転自在に保持されている。
【００１７】
ドライブプーリ１２は、中空軸１１上に固定された固定側ドライブプーリ１２ａと、中空軸１１に対して相対回転不能かつ中空軸１１の軸方向に移動自在に設けられた可動側ドライブプーリ１２ｂとからなり、可動側ドライブプーリ１２ｂの側方に設けられたシリンダ室（油圧室）１３内にプーリ側圧（作動油の圧力）を作用させてプーリ推力を発生させることにより、可動側ドライブプーリ１２ｂを中空軸１１に固定されたシリンダ壁１３ａに対して移動させることができる。
【００１８】
ドリブンプーリ２２は、出力軸２０に固定された固定側ドリブンプーリ２２ａと、出力軸２０に対して相対回転不能かつ出力軸２０の軸方向に移動自在に設けられた可動側ドリブンプーリ２２ｂとからなり、可動側ドリブンプーリ２２ｂの側方に設けられたシリンダ室（油圧室）２３内にプーリ側圧を作用させてプーリ推力を発生させることにより、可動側ドリブンプーリ２２ｂを出力軸２０に固定されたシリンダ壁２３ａに対して移動させることができる。
【００１９】
上記構成において、エンジンの回転動力は、入力軸１０→ドライブプーリ１２→金属ベルト３０→ドリブンプーリ２２→出力軸２０と伝達される。そして、ドライブプーリ１２及びドリブンプーリ２２それぞれのプーリ推力を増減させることによって両プーリ１２，２２それぞれの溝幅を変えることができ、金属ベルト３０の両プーリ１２、２２に対する巻き掛け半径比（プーリ比）を変化させて滑らかな無段階変速ができる。
【００２０】
上述した無段変速機ＣＶＴにおいて、ドライブプーリ１２及びドリブンプーリ２２それぞれの金属ベルト３０との摩擦接触面である各プーリ斜面Ｄは後述する超音波ラッピング処理が施されている。
【００２１】
ドライブプーリ１２及びドリブンプーリ２２は、ＪＩＳ規格の材料記号がＳＣＭ４２０〜ＳＣＭ４３５の浸炭材又は浸炭窒化材からなり、金属ベルト３０と接触する各プーリ斜面Ｄは研削加工が施される。
【００２２】
そして、研削加工後のプーリ斜面Ｄに超音波ラッピング処理を施すことによって、プーリ表面の変質層５１（図５）を除去しながら内部に残留応力を付与することで、プーリ斜面Ｄの摩擦係数を確保しつつ耐摩耗性を向上し、プーリ斜面Ｄの表面起点の割れと内部起点の亀裂を抑制することができる。
【００２３】
＜超音波ラッピング処理の説明＞次に、図２を参照して、本実施形態の超音波ラッピング処理について説明する。
【００２４】
図２は、本実施形態の超音波ラッピング処理を行う装置の概略構成を示している。
【００２５】
図２に示すように、超音波ラッピング処理を行う装置（以下、超音波ラッピング装置）１００は、ラッピングシート１０１が巻き掛けられるローラ部１０２と、ローラ部１０２を超音波振動させる振動発生部１０３と有する。ラッピングシート１０１は、シート表面に目の細かい砥粒を付着させた帯状の研磨材である。ローラ部１０２は、ラッピングシート１０１を巻き掛ける軸部１０２ａを有し、ラッピングシート１０１を超音波振動させながらプーリ斜面Ｄに所定の力で押し付ける。振動発生部１０３は、圧電素子１０４を第１のホーン１０５と第２のホーン１０６で挟み込んで強固に固定させた発振部材１０７を有し、発振部材１０７の一端部はローラ部１０２の軸部１０２ａに接続され、他端部はエアシリンダ１０８のピストン軸１０８ａに接続される。ホーン１０５、１０６は金属製で、圧電素子１０４の振幅を増幅させる機能を有している。
【００２６】
そして、圧電素子１０４とホーン１０５、１０６の間に端子を設け、この端子に交流電圧Ｖを印加することで第１のホーン１０５の先端部分が２０〜３０ｋＨｚ以上の発振周波数で軸方向に高速振動し、第１のホーン１０５の先端部分に接続されたローラ部１０２の軸部１０２ａに超音波振動を発生させる。また、エアシリンダ１０８は、発振部材１０７を介してローラ部１０２の軸部１０２ａを押圧し、超音波ラッピングシート１０１をプーリ斜面Ｄに押し付ける圧力を調整する。
【００２７】
また、超音波ラッピング装置１００は、不図示のロボットアーム等に取り付けられ、被処理部品Ｗを回転可能な基台等に固定する。そして、被処理部品Ｗをその回転軸を中心として所定の速度（例えば、９０ｍ／分）で回転させた状態で、ラッピングシート１０１をプーリ斜面Ｄに垂直な方向ｄ１に沿って所定の圧力（例えば、３０〜６０ｋｇｆ）で押し付けつつプーリ斜面Ｄと平行な方向ｄ２に沿って所定の速度（表面の変質層５１（図５）が除去可能な時間）で移動させることにより、被処理面Ｄの全面をムラなく処理する。
【００２８】
本実施形態においては、被処理部品Ｗが無段変速機ＣＶＴのプーリ部品の場合、研削加工が施されたプーリ斜面Ｄに超音波ラッピング処理を施すことによって、プーリ表面の研削加工により発生する変質層５１（図５）を除去しながら、表層部分（表面からの深さが２０μｍまでの領域）に圧縮残留応力を付与し、プーリ斜面Ｄの摩擦係数を確保しつつ耐摩耗性を向上し、プーリ斜面Ｄの表面起点の割れと内部起点の亀裂を抑制することができる。
【００２９】
＜超音波ラッピング処理による機械的特性＞次に、図３を参照して、本実施形態の超音波ラッピング処理により付与されるプーリ斜面Ｄの機械的特性について説明する。
【００３０】
本実施形態の無段変速機に用いられるプーリのように金属ベルトと摺接するプーリ斜面に繰り返しの引張応力がかかる部品は、表面に微小な亀裂が入りやすく、また亀裂が成長しやすい。この対策として、プーリ斜面Ｄの表層部分に圧縮残留応力を付与すると、外部から加えられる引張応力を打ち消して小さくすることができ、疲労亀裂の発生や進展に対する疲労強度を高めることができる。
【００３１】
また、プーリ斜面Ｄの内部（深さ１５μｍ程度の領域）に発生する亀裂を抑制するためには、プーリ斜面Ｄの表層部分に６００〜８００ＭＰａ程度の圧縮残留応力を付与することが望ましい。
【００３２】
さらに、プーリ斜面Ｄの表層部分において、プーリ表面と内部の圧縮残留応力の差が２７０ＭＰａ以上となるような圧縮残留応力を付与することができれば、プーリ斜面Ｄの表面起点の割れと内部起点の亀裂を抑制でき、摩擦係数を確保しつつ耐摩耗性を向上することができる。この表面と内部の圧縮残留応力差である２７０ＭＰａの値は、ＬＯＷレシオ耐久試験による浸炭材の超高サイクルフレッティング疲労強度から、浸炭材では表面と内部の残留応力差が３００ＭＰａ程度あれば金属疲労による亀裂の発生や進展の防止に優れているという特性から導かれる。
【００３３】
そして、本実施形態においては、研削加工後のプーリ斜面Ｄに超音波ラッピング処理を施すことで、プーリ斜面Ｄの表層部分にショットピーニングを施した場合と同等の−１２００ＭＰａ（以下、残留応力値は絶対値）以上の圧縮残留応力を付与することができ、かつプーリ表面と内部の圧縮残留応力の差が２７０ＭＰａ以上となるような圧縮残留応力を付与することができるようになり、プーリ斜面Ｄの表面起点の割れと内部起点の亀裂を抑制でき、摩擦係数を確保しつつ耐摩耗性を向上することができる。なお、以下では、圧縮残留応力の値は絶対値を表すものとし、圧縮残留応力が増加又は減少することは、その絶対値が増加又は減少することを意味するものとする。
【００３４】
図３は、従来の研削加工、ラッピング処理（超音波振動なし）およびショットピーニング（投射材５０μｍ）と本実施形態の超音波ラッピング処理による圧縮残留応力と被処理面からの深さの分布を比較して示している。
【００３５】
被処理部品であるプーリ部品を浸炭処理した後は、プーリ斜面Ｄの表層部分に１００〜３００ＭＰａ程度の圧縮残留応力が付与され、研削加工後はさらに２００ＭＰａ程度の圧縮残留応力が付与される。そして、研削加工後のラッピング処理（超音波振動なし）によりさらに３００ＭＰａ程度の圧縮残留応力がプーリ表面に付与され、最大で−８００ＭＰａ程度の圧縮残留応力がプーリ表面からの深さが２０μｍ以下までの領域Ｒに付与することができる。これらの圧縮残留応力は、研削加工時の砥粒やラッピング処理時のラッピングシートの砥粒がプーリ斜面Ｄに衝突することによって発生する。
【００３６】
一方で、研削加工後のショットピーニングにおいて投射圧を０．５ＭＰａ、投射材のサイズが５０μｍ以下の微粒子を用いた場合、−１２００ＭＰａ以上の圧縮残留応力をプーリ表面から２０μｍ以下の深さの領域Ｒに付与することができる。しかしながら、ショットピーニングでは、投射材のサイズを小さくするほど投射材ごとのプーリ表面への衝突面積が減少するため、プーリの加工効率が低下し、また、大量の投射材が必要になるため、コストの上昇や生産性の低下を招くとともに、投射材を供給するホッパーの詰まりなどが発生する可能性が高まる。
【００３７】
上記微粒子ピーニングの投射材の材質は鉄系であるが、本実施形態のラッピングシートの砥粒はそれより硬く、また、砥粒のサイズも仕上げ加工で９μｍ、荒加工で８０μｍ程度である。このため、ラッピングシートを適切に加振させることで、９μｍから８０μｍ程度の微粒子を加振させることと同等の効果、すなわち、上述した研削加工後のショットピーニングと同等の効果が得られることになり、表面起点の割れや内部起点の亀裂などを抑制するような適切な圧縮残留応力をプーリ斜面Ｄの表層部分に付与することができる。
本実施形態の超音波ラッピング装置１００は、上述したようにローラ部１０２に圧電素子１０４とホーン１０５、１０６を備える発振部材１０７を接続するだけでよいので、大幅な改造は必要ない。また、研削加工によってプーリ表面に発生する変質層５１（図５）は、超音波ラッピング処理によって除去できるので、圧縮残留応力をプーリ斜面Ｄの表層部分に付与しつつ、前工程でプーリ斜面Ｄに発生した変質層５１（図５）を除去でき、面性状の変化も抑制することができる。
【００３８】
したがって、本実施形態によれば、コストの上昇や生産性の低下を招くことなく、無段変速機ＣＶＴのプーリ斜面Ｄの表面起点の割れや内部起点の亀裂を抑制することで、面性状の変化を防止し、摩擦係数を確保しつつ耐摩耗性や疲労強度を向上することができる。
【００３９】
なお、上述した実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。
【００４０】
本実施形態では、本発明を自動車の無段変速機を構成するプーリに適用した例について説明したが、自動車や変速機以外の他の用途にも適用できることは言うまでもない。
【００４１】
また、本実施形態においては、被処理部品として自動車に搭載される無段変速機のプーリに適用した例を説明したが、これに限定されず、例えば、金属疲労に対する強度を増加させ、亀裂の発生を抑制する必要がある他の動力機械の動力伝達部品一般に適用することが可能である。
【００４２】
＜実施形態のまとめ＞
（構成１）
入力側の軸部材１１上に設けられたドライブプーリ１２と、
出力側の軸部材２０上に設けられたドリブンプーリ２２と、
前記ドライブプーリのプーリ斜面Ｄと前記ドリブンプーリのプーリ斜面Ｄとの間に巻き掛けられた無端伝動帯３０とを有し、
前記ドライブプーリの溝幅及び前記ドリブンプーリの溝幅をそれぞれ変えることにより変速比を無段階に変化させることができる無段変速機ＣＶＴにおいて、
前記ドライブプーリ及び前記ドリブンプーリの少なくとも一方における前記無端伝動帯に接触可能なプーリ斜面における表面から所定の深さまでの領域Ｒに超音波ラッピング処理により形成された表面改質層を設け、
前記表面改質層は、前記所定の値（１２００ＭＰａ）以上の残留応力が付与されている。
【００４３】
この構成１によれば、コストの上昇や生産性の低下を招くことなく、無段変速機のプーリ斜面の摩擦係数を確保しつつ耐摩耗性や耐疲労特性を向上することができる。
【００４４】
（構成２）
上記構成１において、前記所定の深さまでの領域Ｒは前記プーリ斜面の表面からの深さが２０μｍ以下の領域であり、前記所定の値は１２００ＭＰａ以上である。
【００４５】
この構成２によれば、プーリ斜面の表面起点の割れと内部起点の亀裂を抑制でき、プーリ斜面の面性状の変化を抑制することができる。
【００４６】
（構成３）
上記構成１又は２において、前記超音波ラッピング処理が行われるプーリ斜面は、研削加工が施された被処理面である。
【００４７】
この構成３によれば、研削加工によってプーリ表面に発生する変質層を超音波ラッピング処理によって除去できるので、残留応力をプーリの表層部分に付与しつつ、前工程でプーリ表面に発生した変質層による面性状の変化も抑制することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１２…ドライブプーリ
２０…ドリブンプーリ
３０…金属ベルト
１００…超音波ラッピング装置
１０１…ラッピングシート
１０２…ローラ部
１０３…振動発生部
１０４…圧電素子
１０５、１０６…ホーン
１０７…発振部材
ＣＶＴ…無段変速機
Ｄ…プーリ斜面
【図１】
2018004036.tif 000003
【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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