(57)【要約】【課題】入出力側回転ディスクやパワーローラの動力伝達面に剥離現象や割れ等が発生することを抑制して寿命の長いトロイダル型無段変速機を提供する。【解決手段】入力側回転ディスク２、出力側回転ディスク４およびパワーローラ９のうち少なくとも１つを、０．８〜１．４重量％の炭素と、０．４〜１．８重量％のケイ素と、０．３〜１．８重量％のマンガンと、０．８〜２．０重量％のクロムと、１．０重量％以下のモリブデンとを含み、且つ浸炭窒化処理後にオーステンパ処理が施された鉄鋼材料で形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に沿って円弧状に湾曲した円環状の入力側動力伝達面を有する入力側回転ディスクと、この入力側回転ディスクと対向する側に軸方向に沿って円弧状に湾曲した円環状の出力側動力伝達面を有する出力側回転ディスクと、前記入力側動力伝達面および前記出力側動力伝達面に摺接する動力伝達面を外周部に有する複数のパワーローラとを備えたトロイダル型無段変速機において、
前記入力側回転ディスク、前記出力側回転ディスクおよび前記パワーローラのうち少なくとも１つを、０．８〜１．４重量％の炭素と、０．４〜１．８重量％のケイ素と、０．３〜１．８重量％のマンガンと、０．８〜２．０重量％のクロムと、１．０重量％以下のモリブデンとを含み、且つ浸炭窒化処理後にオーステンパ処理が施された鉄鋼材料で形成したことを特徴とするトロイダル型無段変速機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば自動車の自動変速機として用いられるトロイダル型無段変速機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の自動変速機として、図４に示すようなトロイダル型無段変速機を使用することが研究され、一部で実施されている。このトロイダル型無段変速機は、軸方向に沿って円弧状に湾曲した円環状の入力側動力伝達面２ａを有する入力側回転ディスク２と、この入力側回転ディスク２と対向する側に軸方向に沿って円弧状に湾曲した円環状の出力側動力伝達面４ａを有する出力側回転ディスク４と、これら両ディスク２，４の動力伝達面２ａ，４ａに摺接する動力伝達面９ａを外周部に有する一対のパワーローラ９，９とを備えており、入力側回転軸１の回転がローディングカム１０、入力側回転ディスク２、パワーローラ９および出力側回転ディスク４を介して出力側回転軸３に伝わるようになっている。
【０００３】
また、この種のトロイダル型無段変速機は、変位軸８，８を介してパワーローラ９，９を介して支持する一対のトラニオン７，７と、これらのトラニオン７，７を入力側回転ディスク２及び出力側回転ディスク４の軸方向に揺動可能に支持する一対の枢軸６，６とを備えており、枢軸６，６を中心にトラニオン７，７を揺動させ、パワーローラ９，９の動力伝達面９ａ，９ａを図４（ａ）のように入力側回転ディスク２の中心寄り部分と出力側回転ディスク４の外周寄り部分とに変位させると入力側回転軸１の回転が出力側回転軸３に減速されて伝わり、逆にパワーローラ９，９の動力伝達面９ａ，９ａを図４（ｂ）のように入力側回転ディスク２の外周寄り部分と出力側回転ディスク４の中心寄り部分とに変位させると入力側回転軸１の回転が出力側回転軸３に増速されて伝わるようになっている。
【０００４】
このようなトロイダル型無段変速機の入力側回転ディスク２及び出力側回転ディスク４の動力伝達面２ａ，４ａはパワーローラ９の動力伝達面９ａとトラクションオイルを介して接触しているが、動力伝達面２ａ，４ａと動力伝達面９ａとの接触部には運転時に高い圧力が加わる。このため、トラクションオイルがガラス状に遷移（液体から固体に変化）することがあり、このような状態になると動力伝達面２ａ，４ａ，９ａに接線方向の引張応力が発生すると共に動力伝達面２ａ，４ａと動力伝達面９ａとの接触部に摩擦熱が発生することによって、動力伝達面２ａ，４ａ，９ａに剥離や転がり疲労割れ等が発生し易くなる。そこで、入力側回転ディスク２、出力側回転ディスク４及びパワーローラ９の各素材に浸炭窒化処理を施すことによって、剥離や転がり疲労割れの発生を抑制するようにしたものが下記の特許文献１に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−７１５５５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術では、入力側回転ディスク２、出力側回転ディスク４及びパワーローラ９の各素材がＳＣｒ４２０などの浸炭鋼である場合には、浸炭窒化処理に長時間を要し、熱処理コストを上昇させるという問題がある。一方、入力側回転ディスク２、出力側回転ディスク４及びパワーローラ９の各素材が高炭素クロム鋼である場合には、浸炭窒化処理に長時間を要することはないが、靭性が劣り、割れ強度に問題が生じる。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、入出力側回転ディスクやパワーローラの動力伝達面に剥離現象や割れ等が発生することを抑制して寿命の長いトロイダル型無段変速機を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、軸方向に沿って円弧状に湾曲した円環状の入力側動力伝達面を有する入力側回転ディスクと、この入力側回転ディスクと対向する側に軸方向に沿って円弧状に湾曲した円環状の出力側動力伝達面を有する出力側回転ディスクと、前記入力側動力伝達面および前記出力側動力伝達面に摺接する動力伝達面を外周部に有する複数のパワーローラとを備えたトロイダル型無段変速機において、前記入力側回転ディスク、前記出力側回転ディスクおよび前記パワーローラのうち少なくとも１つを、０．８〜１．４重量％の炭素と、０．４〜１．８重量％のケイ素と、０．３〜１．８重量％のマンガンと、０．８〜２．０重量％のクロムと、１．０重量％以下のモリブデンとを含み、且つ浸炭窒化処理後にオーステンパ処理が施された鉄鋼材料で形成したことを特徴とする。
【０００９】
前述したように、高炭素クロム鋼のマルテンサイト組織では靭性が劣ることから、割れ強度に問題がある。しかしながら、高炭素クロム鋼にオーステンパ処理を施すことにより、マルテンサイト組織よりも靭性の高いベイナイト組織が得られる。この場合、オーステンパ処理により得られたベイナイト組織は、硬さがマルテンサイト組織よりも低いため、剥離寿命、特に高温での剥離寿命が大きく低下してしまう。この問題を解決するため、本発明では、オーステンパ処理前に浸炭窒化処理を施す。これにより、炭素や窒素がマトリックスであるベイナイト組織中に固溶し、焼戻し軟化抵抗性を向上させ、硬さ低下を防ぐのである。このことにより、表面は転がり疲労に必要な硬さを得ることができ、芯部は割れ強度に必要な靭性を得ることができる。
【００１０】
本発明において、炭素（Ｃ）を０．８〜１．４重量％、ケイ素（Ｓｉ）を０．４〜１．８重量％、マンガン（Ｍｏ）を０．３〜１．８重量％、クロム（Ｃｒ）を０．８〜２．０重量％、モリブデン（Ｍｏ）を１．０重量％以下とした理由は、以下の理由によるものである。
Ｃ：０．８〜１．４重量％
炭素は、前述した入出力側回転ディスクやパワーローラの表層部および芯部の硬さを確保するのに寄与する元素であって、短時間の浸炭窒化処理時間で必要な強度が得られるため、その含有量を０．８重量％以上とした。しかし、含有量が多すぎると被削性が低下すると共に靭性の劣化を招くので、上限を１．４重量％以下とした。
【００１１】
Ｓｉ：０．４〜１．８重量％
Ｓｉは焼戻し軟化抵抗性を著しく向上させることのできる合金元素であり、その含有量を０．４重量％以上とすることで、焼戻し軟化抵抗性が著しく向上する。しかし、含有量が１．８重量％を超えると、浸炭窒化処理時に炭素や窒素の拡散が阻害されやすくなり、所定の浸炭深さを得ることが困難になる。従って、０．４〜１．８重量％の範囲でＳｉを添加することが望ましい。
【００１２】
Ｍｎ：０．３〜ｌ．８重量％
Ｍｎは、鋼材の溶製時に脱酸剤として添加されると共に鋼の焼入性を向上させる作用を有する。焼入性を向上させるためには、Ｍｎを０．３重量％以上添加する必要があるが、多すぎると被削性を著しく劣化させるので、１．８重量％を上限とすることが望ましい。
【００１３】
Ｃｒ：０．８〜２．０重量％
Ｃｒは浸炭窒化処理時に炭化物や炭窒化物の析出量を増加させる元素であり、０．８重量％以上添加することで、炭化物や炭窒化物の析出量が増加し、表層部の硬さを高め、転動疲労寿命を向上させる。ただし、２．０重量％を超えてＭｎを添加すると被削性を著しく低下させてしまうので、Ｃｒの含有量を０．８〜２．０重量％とした。
【００１４】
Ｍｏ：１．０重量％以下
Ｍｏは、Ｓｉと同様に焼戻し軟化抵抗性を向上させることのできる合金元素である。微量の添加で上記の効果を得られるが、温度上昇時の焼戻し軟化をより確実に防ぐためには、望ましくは０．３重量％以上とするのがよい。しかし、１．０重量％を超えてＭｏを添加しても、その効果は大きく変わらない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るトロイダル型無段変速機の要部を示す断面図である。同図に示されるように、本発明の一実施形態に係るトロイダル型無段変速機は、軸方向に沿って円弧状に湾曲した円環状の入力側動力伝達面２ａを有する入力側回転ディスク２と、この入力側回転ディスク２と対向する側に軸方向に沿って円弧状に湾曲した円環状の出力側動力伝達面４ａを有する出力側回転ディスク４と、これら両ディスク２，４の動力伝達面２ａ，４ａに摺接する動力伝達面９ａを外周部に有する一対のパワーローラ９，９とを備えており、入力側回転軸１の回転がローディングカム１０、入力側回転ディスク２、パワーローラ９、出力側回転ディスク４および出力側回転軸３を介して出力歯車１２に伝わるようになっている。
【００１６】
また、本実施形態に係るトロイダル型無段変速機は、パワーローラ９，９を回転自在に支持する一対の変位軸８，８と、これらの変位軸８，８を入力側回転ディスク２及び出力側回転ディスク４の軸方向に揺動可能に支持する一対のトラニオン７，７と、これらのトラニオン７，７とパワーローラ９，９との間に設けられパワーローラ９，９に加わるスラスト方向の荷重を支承するスラスト玉軸受１４，１４とを備えており、枢軸６，６を中心にトラニオン７，７を揺動させ、パワーローラ９，９の動力伝達面９ａ，９ａを入力側回転ディスク２の中心寄り部分と出力側回転ディスク４の外周寄り部分とに変位させると入力側回転軸１の回転が出力側回転軸３に減速されて伝わり、逆にパワーローラ９，９の動力伝達面９ａ，９ａを入力側回転ディスク２の外周寄り部分と出力側回転ディスク４の中心寄り部分とに変位させると入力側回転軸１の回転が出力側回転軸３に増速されて伝わるようになっている。
【００１７】
前記入力側回転ディスク２、出力側回転ディスク４、パワーローラ９およびスラスト玉軸受１４の外輪１６は、０．８〜１．４重量％の炭素と、０．４〜１．８重量％のケイ素と、０．３〜１．８重量％のマンガンと、０．８〜２．０重量％のクロムと、１．０重量％以下のモリブデンとを少なくとも含み、且つ浸炭窒化処理後にオーステンパ処理が施された鋼で形成されている。
【００１８】
このような構成において、本発明者らは、表１に示す材料のいずれか１種を使用して、入力側回転ディスク２、出力側回転ディスク４およびパワーローラ９を作製した。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
そして、表１の材料Ａ〜Ｈのいずれかで作製された入力側回転ディスク２、出力側回転ディスク４およびパワーローラ９に対して図２に示す熱処理すなわち８２０〜８８０℃のＲｘガス、エンリッチガスおよびアンモニア（ＮＨ３）ガス雰囲気で２〜５時間熱処理（浸炭窒化処理）を行った後、２１０〜２５０℃の温度で４〜８ｈｒ保持した（オーステンパ処理）。その後、研磨などの仕上げ加工を行い、トロイダル型無段変速機を組み立て、組み立てられたトロイダル型無段変速機を使用して、以下の条件でトロイダル型無段変速機の寿命試験を行った。
試験条件
回転速度      ３０００ｍｉｎ−１
入力トルク    ３５ＯＮｍ
潤滑油        トラクション油
油温          １２０℃
なお、試験は入力側回転ディスク２の動力伝達面２ａまたは出力側回転ディスク４の動力伝達面４ａまたはパワーローラ９の動力伝達面９ａに剥離が生じるまで試験を行った。表２に、上記の試験結果を示す。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
表２において、実施例１は表１の材料Ａ（Ｃ：１．０１重量％、Ｓｉ：０．９９重量％、Ｍｎ：０．４１重量％、Ｃｒ：１．５０重量％、Ｍｏ：０．３０重量％を含む鉄鋼材料）を使用して作製されたものであり、この実施例１では試験を開始してから３４１時間で入出力側回転ディスクの動力伝達面に剥離が発生した。実施例２は実施例１と同様に表１の材料Ａを使用して作製されたものであり、この実施例２では試験を開始してから３０３時間でパワーローラの動力伝達面に剥離が発生した。
【００２３】
実施例３は表１の材料Ｂ（Ｃ：０．９５重量％、Ｓｉ：１．６１重量％、Ｍｎ：１．５２重量％、Ｃｒ：０．８０重量％、Ｍｏ：０．９１重量％を含む鉄鋼材料）を使用して作製されたものであり、この実施例３では試験を開始してから３３２時間で入出力側回転ディスクの動力伝達面に剥離が発生した。実施例４は実施例３と同様に表１の材料Ｂを使用して作製されたものであり、この実施例４では試験を開始してから３１１時間で入出力側回転ディスクの動力伝達面に剥離が発生した。
【００２４】
一方、比較例１は表１の材料Ｃ（Ｃ：０．７５重量％、Ｓｉ：１．２１重量％、Ｍｎ：１．４３重量％、Ｃｒ：１．５１重量％、Ｍｏ：０．４２重量％を含む鉄鋼材料）を使用して作製されたものであり、この比較例１では試験を開始してから８３時間でパワーローラの動力伝達面に剥離が発生した。比較例２は表１の材料Ｄ（Ｃ：０．９８重量％、Ｓｉ：０．３８重量％、Ｍｎ：１．４２重量％、Ｃｒ：１．５０重量％、Ｍｏ：０．４１重量％を含む鉄鋼材料）を使用して作製されたものであり、この比較例２では試験を開始してから７６時間で入出力側回転ディスクの動力伝達面に剥離が発生した。比較例３は表１の材料Ｅ（Ｃ：０．９９重量％、Ｓｉ：１．８２重量％、Ｍｎ：１．３８重量％、Ｃｒ：１．４９重量％、Ｍｏ：０．４３重量％を含む鉄鋼材料）を使用して作製されたものであり、この比較例３では試験を開始してから８９時間で入出力側回転ディスクの動力伝達面に剥離が発生した。
【００２５】
比較例４は表１の材料Ｆ（Ｃ：１．００重量％、Ｓｉ：１．０１重量％、Ｍｎ：０．２８重量％、Ｃｒ：１．５２重量％、Ｍｏ：０．３１重量％を含む鉄鋼材料）を使用して作製されたものであり、この比較例４では試験を開始してから６４時間でパワーローラの動力伝達面に剥離が発生した。比較例５は表１の材料Ｇ（Ｃ：０．９８重量％、Ｓｉ：０．９９重量％、Ｍｎ：０．４０重量％、Ｃｒ：０．７８重量％、Ｍｏ：０．３２重量％を含む鉄鋼材料）を使用して作製されたものであり、この比較例５では試験を開始してから９８時間でパワーローラの動力伝達面に剥離が発生した。比較例６は表１の材料Ｈ（Ｃ：１．００重量％、Ｓｉ：１．００重量％、Ｍｎ：０．４２重量％、Ｃｒ：１．４８重量％を含む鉄鋼材料）を使用して作製されたものであり、この比較例６では試験を開始してから７８時間でパワーローラの動力伝達面に剥離が発生した。
【００２６】
比較例７は、実施例３及び４と同様に表１の材料Ｂを使用して作製されたものであるが、図３に示す熱処理を行って作製されたものである。この比較例７では、試験を開始してから５３時間で入出力側回転ディスクの動力伝達面に剥離が発生した。
比較例８は、実施例１及び２と同様に表１の材料Ａを使用して作製されたものであるが、浸炭窒化処理後、焼入れ焼戻しを行って作製されたものである。この比較例８では、試験を開始してから１８３時間で出力側回転ディスクに割れが発生した。
【００２７】
表２に示されるように、実施例１〜４においては、良好な寿命を示している。これに対し、化学成分が本発明を満足しない比較例１〜６は、実施例１〜４と比較して耐久性に劣っている。
マルテンサイト組織である比較例８では、ディスク割れが発生した。ベイナイト組織に比べ靭性に劣っているため、表面近傍で発生したき裂が成長し、最終的に割れに至ったものである。
【００２８】
表２に示した試験結果から明らかなように、入力側回転ディスク２、出力側回転ディスク４およびパワーローラ９を０．８〜１．４重量％の炭素と、０．４〜１．８重量％のケイ素と、０．３〜１．８重量％のマンガンと、０．８〜２．０重量％のクロムと、１．０重量％以下のモリブデンとを少なくとも含み、且つ浸炭窒化処理後にオーステンパ処理が施された鋼で形成することによって、マルテンサイト組織よりも靭性の高いベイナイト組織中に炭素や窒素が浸炭窒化により固溶するため、焼戻し軟化抵抗性が向上し、転がり疲労に必要な硬さを得ることができる。従って、入出力側回転ディスクやパワーローラの動力伝達面に剥離現象や割れ等が発生することを防止することができる。
【００２９】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。たとえば、上述した実施の形態では入力側回転ディスク２、出力側回転ディスク４、パワーローラ９およびスラスト玉軸受１４の外輪１６を、０．８〜１．４重量％の炭素と、０．４〜１．８重量％のケイ素と、０．３〜１．８重量％のマンガンと、０．８〜２．０重量％のクロムと、１．０重量％以下のモリブデンとを少なくとも含み、且つ浸炭窒化処理後にオーステンパ処理が施された鋼で形成したが、入力側回転ディスク２、出力側回転ディスク４、パワーローラ９および外輪１６のうち少なくとも１つを上記のような鋼で形成してもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るトロイダル型無段変速機は、入力側回転ディスク、出力側回転ディスクおよびパワーローラのうち少なくとも１つを、０．８〜１．４重量％の炭素と、０．４〜１．８重量％のケイ素と、０．３〜１．８重量％のマンガンと、０．８〜２．０重量％のクロムと、１．０重量％以下のモリブデンとを含み、且つ浸炭窒化処理後にオーステンパ処理が施された鉄鋼材料で形成したことにより、マルテンサイト組織よりも靭性の高いベイナイト組織中に炭素や窒素が浸炭窒化により固溶するため、焼戻し軟化抵抗性が向上し、転がり疲労に必要な硬さを得ることができる。従って、入出力側回転ディスクやパワーローラの動力伝達面に剥離現象や割れ等が発生することを防止でき、高靭性を持った安価で長寿命なトロイダル型無段変速機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るトロイダル型無段変速機の軸方向断面図である。
【図２】表１に示す実施例１〜６の熱処理工程を示す図である。
【図３】表２に示す比較例７の熱処理工程を示す図である。
【図４】従来のトロイダル型無段変速機を示す図である。
【符号の説明】
１      入力側回転軸
２      入力側回転ディスク
２ａ    入力側動力伝達面
３      出力側回転軸
４      出力側回転ディスク
４ａ    出力側動力伝達面
６      枢軸
７      トラニオン
８      変位軸
９      パワーローラ
９ａ    動力伝達面
１０    ローディングカム
１４    スラスト玉軸受
１６    外輪
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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