(57)【要約】【課題】効率に優れたベルト式無段変速方法及び変速装置を提供する。【解決手段】１対のプーリと、この１対のプーリの間に形成された溝に配置され、プーリ表面と接している動力伝達ベルトを含むベルト式無段変速機の変速方法において、動力伝達ベルトと接触するプーリ表面に、位相が異なりかつこのプーリの回転軸心を中心とする同心円状の振動を発生させ、この振動によってプーリに対する動力伝達ベルトの当接位置を変える。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１対のプーリと、この１対のプーリの間に形成された溝に配置され、プーリ表面と接している動力伝達ベルトを含むベルト式無段変速機の変速方法であって、動力伝達ベルトと接触するプーリ表面に、位相が異なりかつこのプーリの回転軸心を中心とする同心円状の振動を発生させ、この振動によってプーリに対する動力伝達ベルトの当接位置を変えることを特徴とする、ベルト式無段変速機の変速方法。
【請求項２】
１対のプーリと、この１対のプーリの間に形成された溝に配置され、プーリ表面と接している動力伝達ベルトを含むベルト式無段変速機であって、前記プーリの、前記動力伝達ベルトと接する面に対して裏面に、少なくとも３個で１組をなす圧電素子をこのプーリの回転軸心を中心とする同心円上に２組以上配置していることを特徴とする、ベルト式無段変速機。
【請求項３】
１対のプーリと、この１対のプーリの間に形成された溝に配置され、プーリ表面と接している動力伝達ベルトを含むベルト式無段変速機であって、前記プーリの、前記動力伝達ベルトと接する面に対して裏面に、環状の圧電素子をこのプーリの回転軸心を中心とする同心円上に２以上配置していることを特徴とする、ベルト式無段変速機。
【請求項４】
１対のプーリと、この１対のプーリの間に形成された溝に配置され、プーリ表面と接している動力伝達ベルトを含むベルト式無段変速機であって、前記プーリの、前記動力伝達ベルトと接する面に対して裏面に、環状の磁歪素子をこのプーリの回転軸心を中心とする同心円上に２以上配置していることを特徴とする、ベルト式無段変速機。
【請求項５】
動力伝達ベルトと接触するプーリ表面に、低ヤング率材をコートしてなる、請求項２〜４のいずれか１項に記載のベルト式無段変速機。
【請求項６】
前記低ヤング率材のコート層中に硬質材を分散してなる、請求項５記載のベルト式無段変速機。
【請求項７】
前記プーリのヤング率を、裏面から動力伝達ベルトと接する面に向かって低くすることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか１項に記載のベルト式無段変速機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ベルト式無段変速機の変速方法、及びベルト式無段変速機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
変速比を無段階に制御することができる無段変速機として、ベルト式無段変速機が従来より知られている。このベルト式無段変速機は、図１に示すように、１対のプーリ１及び１’と、この１対のプーリの間に形成された溝に巻き付けて配置され、プーリ表面と接している動力伝達ベルト２から構成されている。プーリはその回転軸３方向に油圧によって移動可能となっているため、前記の溝の幅は自由に変化することができる。従って、プーリに油圧によって推力を加えることにより、プーリ間の溝の幅を変化させ、その挟圧力よってプーリ表面と接している動力伝達ベルトをプーリの回転軸に対して放射状にプーリ表面上で摺動させ、連続的に変速比を変更することができる。
【０００３】
このように、従来のベルト式無段変速機においては、油圧によってプーリ幅を変化させていたため、プーリの推力をいかに制御するかについて検討が行われていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２９１９９２号公報（第２−５頁）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来のベルト式無段変速機では、油圧による推力を利用しているため、油圧ポンプによる油圧の損失が大きく、トルク伝達効率は９０％程度と低いという問題がある。また、ベルトのスリップを防止し、曲げ応力を低減させるため、ベルト巻きつけ半径はある程度以上の大きさにする必要があり、そのためシステム体格を小さくすることができないという問題もある。さらに、トルク伝達効率を向上させるためには、プーリとベルトの間の摩擦を高める必要があるが、一方、変速速度を向上させるためにはプーリとベルトの間の摩擦を低下させる必要があるという矛盾があり、またベルトはプーリ表面を摺動するため、耐磨耗性は高いことが望まれるが、十分な耐磨耗性の材料が見出されていない、という問題もある。
【０００６】
本発明は、上記の従来のベルト式無段変速機の問題を解消し、従来の油圧による推力によってプーリ幅を変化させてベルトを移動させるのではなく、新規な手段によってプーリ上でベルトを移動させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために１番目の発明によれば、１対のプーリと、この１対のプーリの間に形成された溝に配置され、プーリ表面と接している動力伝達ベルトを含むベルト式無段変速機の変速方法において、動力伝達ベルトと接触するプーリ表面に、位相が異なりかつこのプーリの回転軸心を中心とする同心円状の振動を発生させ、この振動によってプーリに対する動力伝達ベルトの当接位置を変えている。
【０００８】
上記問題点を解決するために２番目の発明によれば、１対のプーリと、この１対のプーリの間に形成された溝に配置され、プーリ表面と接している動力伝達ベルトを含むベルト式無段変速機において、前記プーリの、前記動力伝達ベルトと接する面に対して裏面に、少なくとも３個で１組をなす圧電素子をこのプーリの回転軸心を中心とする同心円上に２組以上配置する。
【０００９】
上記問題点を解決するために３番目の発明によれば、１対のプーリと、この１対のプーリの間に形成された溝に配置され、プーリ表面と接している動力伝達ベルトを含むベルト式無段変速機において、前記プーリの、前記動力伝達ベルトと接する面に対して裏面に、環状の圧電素子をこのプーリの回転軸心を中心とする同心円上に２以上配置する。
【００１０】
上記問題点を解決するために４番目の発明によれば、１対のプーリと、この１対のプーリの間に形成された溝に配置され、プーリ表面と接している動力伝達ベルトを含むベルト式無段変速機であって、前記プーリの、前記動力伝達ベルトと接する面に対して裏面に、環状の磁歪素子をこのプーリの回転軸心を中心とする同心円上に２以上配置する。
【００１１】
上記問題点を解決するために５番目の発明によれば、２〜４番目の発明において、動力伝達ベルトと接触するプーリ表面に、低ヤング率材をコートする。
【００１２】
上記問題点を解決するために６番目の発明によれば、５番目の発明において、前記低ヤング率材のコート層中に硬質材を分散させる。
【００１３】
上記問題点を解決するために７番目の発明によれば、２〜４番目の発明において、前記プーリのヤング率を、裏面から動力伝達ベルトと接する面に向かって低くする。
【００１４】
本発明のベルト式無段変速機の変速方法及び変速機においては、油圧による推力によってプーリを移動させてベルトの位置を変えるのではなく、プーリへの推力はプーリとベルトが接触させるためだけに留めておき、ベルトと接しているプーリ表面に、回転軸に対して放射状にたわみ進行波を発生させ、それによってプーリ上でベルトを移動させている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図２及び図３は、本発明のベルト式無段変速機の変速方法の原理を示す。このベルト式無段変速機３は１対のプーリ４、４’と、この１対のプーリの間に形成された溝に配置され、プーリ表面と接している動力伝達ベルト５を含んでいる。そして、プーリには振動発生源６が配置されている。
【００１６】
この振動発生源６によって、動力伝達ベルトと接するプーリ表面に、位相が異なりかつプーリの回転軸心を中心とする同心円状の振動を発生させる。このような位相が異なる振動を発生させると、プーリ表面においてプーリの中心から外側に向かって、又は外側から中心に向かってたわみ進行波が発生する。すると、図３に示すように、プーリ表面と接している動力伝達ベルトはたわみ進行波の進行方向とは逆の方向に移動することになる。この際のプーリへの推力はプーリとベルトが接触するに足るだけで充分である。その結果、プーリに対する動力伝達ベルトの当接位置が変化し、トルク比を変化させることによって変速することができる。振動発生源６としては、特に制限はないが、例えば圧電素子、磁歪素子等を用いることができる。
【００１７】
このような本発明の変速方法によれば、油圧によりプーリを移動させる必要がないため、油圧ポンプによる損失がなく出力ロスを少なくし、またプーリ上の振動によってベルトを移動させているため、効率がよく、変速速度が向上する。さらに、プーリ間の挟圧力でベルトを強く挟み付けてベルトを回転させる必要がないため、ベルトの磨耗の問題も少ない。
【００１８】
図４は、本発明のベルト式無段変速機のプーリ４の裏面を示す図である。このプーリ４には、回転軸９を中心とする同心円上に、少なくとも３個（図４中では４個）で１組をなす圧電素子７を少なくとも２組以上（図４では７と８の２組）配置している。１組の圧電素子を少なくとも３個から形成するのは、１個又は２個の圧電素子では、振動を発生させても回転軸を中心とする同心円状の振動を発生させることができず、３個以上の圧電素子を配置することにより、回転軸を中心とする同心円状の振動を発生させることができるからである。さらにこの圧電素子を２組以上配置し、１組の圧電素子と他方の組の圧電素子に異なるタイミングで電圧を印加することによって歪発生のタイミングをずらし、その結果、位相の異なる振動を発生させることができ、放射状に中心から外側に向かって、又は外側から中心に向かってたわみ進行波を発生させることができる。
【００１９】
圧電素子は、圧電性、すなわち電界を加えると歪を生じる性質、を有する材料から形成されたものであり、本発明では、このような圧電性を有する材料、例えば単結晶圧電材料（例えば、ＬｉＴａＯ３、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７等）、セラミック圧電材料（例えば、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３、いわゆるＰＺＴ等）より形成されたものであれば制限はなく、またその形状についても制限はなく、圧電性材料をプーリ表面に、例えばスパッタコーティング等の通常の方法によってコーティングしてもよい。
【００２０】
図５は、本発明の他の態様のベルト式無段変速機のプーリ４の裏面を示す図である。このプーリ４には、回転軸９を中心とする同心円上に、環状の圧電素子を２組（１０及び１１）以上配置している。回転軸９を中心とする同心円上に環状の圧電素子を配置することにより、回転軸を中心とする同心円状の振動をより確実に発生させることができ、さらにこの環状の圧電素子を２以上配置することにより、１つの環状の圧電素子と他方の環状の圧電素子の歪発生のタイミングをずらすことによって位相の異なる振動を容易に発生させることができ、放射状に中心から外側に向かって、又は外側から中心に向かってたわみ進行波を発生させることができる。この環状の圧電素子は、図４において用いる圧電素子と同様に、圧電性を示す材料から形成すればよく、またその形状についても制限はなく、圧電性材料をプーリ表面にコーティングしてもよい。
【００２１】
プーリへの圧電素子の配置方法としては、例えば、図６に示すように、プーリ４の裏面上に、まずポリマー等の絶縁性材料の層１２を形成する。この層１２を形成するのは、絶縁しないと隣接する圧電素子と歪の発生が同調してしまうからである。次いで、この層１２の上に、金属等の導電性材料の層１３、圧電性材料の層１４、導電性材料の層１５を順に形成する。圧電素子に電圧を加えるために電極は、プーリが回転し、圧電素子が環状に配置されているため、導電性材料の層に接触ブラシ等で配線することができる。
【００２２】
本発明の他の態様のベルト式無段変速機では、図５に示すベルト式無段変速機の環状の圧電素子に代えて、環状の磁歪素子を配置する。磁歪素子とは、磁界の変化によって伸縮し、寸法変化を起こす性質を有する磁歪材料から構成されたものである。この磁歪材料としては、フェライトや強磁性材料のアモルファス、Ｆｅ−Ａｌ系合金等、現在実用化されている各種の磁歪材料を用いることができる。この磁歪材料をプーリの回転軸を中心とする同心円上に配置し、環状の磁歪素子を形成する。そして、この環状の磁歪素子を２以上配置し、外部から磁界を加えると、圧電素子を用いた場合と同様に、磁歪素子が寸法変化を起こし、ベルトと接しているプーリ表面に振動を与える。この際、２つの環状の磁歪素子の各々に異なるタイミングで磁界を加えることにより、位相の異なる振動を発生させることができ、放射状に中心から外側に向かって、又は外側から中心に向かってプーリ表面にたわみ進行波を発生させることができる。
【００２３】
圧電素子を用いる場合は、振動を発生させるために電圧を加える必要があり、図６に示すように、導電性のコート層に電極を接触させる必要がある。この電極と導電性層との間には摩擦が発生し、結果として伝達効率が低下してしまう問題がある。ところが、圧電素子に代えて磁歪素子を用いると、磁界を加える際にプーリと接触する必要がないため、圧電素子におけるような問題がなく、伝達効率の低下を防ぐことができる。
【００２４】
本発明のベルト式無段変速機では、プーリ表面を振動させ、たわみ進行波を発生させることによってベルトを移動させ、変速を行っている。従って、プーリはたわみ進行波をより伝達しやすい材質であることが望ましい。ところが、従来のプーリは一般に鋼鉄から形成されており、この鋼鉄はヤング率が１００〜２００ＧＰａと高く、たわみ進行波は伝達しにくいものであった。従って、上記の圧電素子又は磁歪素子を裏面に設けたプーリにおいて、動力伝達ベルトと接する表面にヤング率に低い材料をコートすることが望ましい。このヤング率の低い材料としては、Ｔｉ、ＶＡ族、ＩＶ族の少なくとも２種を含む合金等を用いることができ、またそのコート厚さは１０μｍ以下とすることが好ましい。このヤング率の低い材料をプーリ表面にコートする方法としては、一般的な方法、例えば電解めっき、蒸着等を用いることができる。
【００２５】
一方、プーリ表面にヤング率の低い材料をコートすると、耐磨耗性が低下するという問題が生ずる。そこで、ヤング率をたわみ進行波が伝達しやすい程度に保ち、かつ耐磨耗性を十分なものとするため、上記のヤング率の低い材料のコート層中に硬質材料の粒子を分散させておくことが好ましい。この硬質材料としては、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＢＮ、ＢＣ等を用いることができ、またこの粒子の粒径は１μｍ以下であることが好ましい。さらに、この粒子の添加量は１０〜５０ｗｔ％であることが好ましい。
【００２６】
ベルト式無段変速機では、高面圧で動力伝達ベルトがプーリ表面と接触するため、プーリ表面にヤング率の低い材料をコートした場合、コート層が剥がれやすいという問題がある。従って、プーリ表面にヤング率の低い材料をコートするのではなく、プーリ表面中に、ヤング率の低い材料をイオン注入し、プーリ自体のヤング率をその裏面から表面に向かって低くすることが好ましい。すなわち、プーリ中におけるヤング率の低い材料の存在割合を、裏面から表面に向かって高くする。注入するイオン種としては、例えばＴｉとＶａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、ＩＶ族元素（Ｚｒ、Ｈｆ等）、酸素及び窒素中のＴｉを含む２種以上を用いることができる。
【００２７】
【実施例】
φ１６５ｍｍ、テーパ角１１°の鋼鉄（ＳＣＭ２０）製のプライマリプーリ２種（シャフト無し、シャフト有り）と、φ１６５ｍｍ、テーパ角１１°の鋼鉄（ＳＣＭ２０）製のセカンダリプーリ２種（シャフト無し、シャフト有り）、の計４個のベルト式無段変速機用プーリ（市販品）に対して、以下のＡ〜Ｆの処理を施した。
【００２８】
Ａ．図４に示すように、プーリの裏面に周方向９０°刻みで、プーリ周囲から３ｃｍと４ｃｍの計８ヶ所に、振動数１２００ｋＨｚ、出力１０００Ｗの圧電素子（５ｍｍ×５ｍｍ）を配置した。
【００２９】
Ｂ．上記Ａの処理を施したプーリの表面にＴｉ−９Ｎｂ−１２Ｔａ−６Ｚｒ−３Ｖ−１．５Ｏの合金（数字は原子％である、ヤング率４０ＧＰａ）を厚さ１０μｍでコートした。
【００３０】
Ｃ．上記Ｂにおいて、粒径１μｍのＳｉＣ粉末を１０ｇ混合させてコート層を形成した。コート層中に凝集がないことをＳＥＭにより確認した。
【００３１】
Ｄ．上記Ａの処理を施したプーリの表面に、プラズマイオン装置によってＴｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｏ、Ｖを打ち込み（ビームエネルギー：８ＭｅＶ、常温）、Ａｒ中５００℃にて３００時間加熱した。その結果、図７に示すように、プーリの裏面から表面に向かってＴｉ−９Ｎｂ−１２Ｔａ−６Ｚｒ−３Ｖ−１．５Ｏの存在割合が高くなった。
【００３２】
Ｅ．プーリの裏面上に、図６に示すように、ＳｉＯ２（幅２０ｍｍ、間隔２０ｍｍ）、Ｃｕ（幅２０ｍｍ、間隔２０ｍｍ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ、幅１５ｍｍ、間隔２５ｍｍ）、Ｃｕ（幅１５ｍｍ、間隔２５ｍｍ）の順に各厚さ約１μｍで、同心円状に６本コートした。なお、Ｃｕに電圧を加えることができるように図６に示すように配線した。
【００３３】
プーリの裏面上に、６本の磁歪素子（幅１０ｍｍ、間隔２０ｍｍ）を同心円状に膠着剤で付着させた。なお、磁歪素子は、アルフェロ合金の薄板を打ち抜き、熱処理を加え、絶縁処理して重ね合わせ、各層間を膠着剤で固着し、高周波磁場による過電流の影響の少ない構造にした成層磁歪素子を用いた。そして、この磁歪素子を設けた表面上を、磁歪素子と接触させないで、電流の流れた導線（径２ｍｍ、間隔５ｍｍ）をプーリの径方向に振幅１００ｍｍで往復させた。この際、この導線には交互に逆の方向に電流を流し、また往路から復路に変わる際に電流方向を逆にした。
【００３４】
以上のように処理を施したプライマリ及びセカンダリプーリ計４個を、図８に示すようにテストケースに組み付け、以下のようにして評価した。
【００３５】
１．伝達効率
以下の表１に示すＳＴＥＰ  １→ＳＴＥＰ  ２を３０回繰り返した。なお、プライマリプーリに加える力学的エネルギーのみならず油圧又は振動により変速するときに消費する力学的もしくは電気的エネルギーも入力エネルギーとしてカウントした。出力エネルギーを計測し、入力エネルギーに対する割合（％）を伝達効率とした。
【００３６】
【表１】
2004286154.tif 000003
【００３７】
２．変速速度
変速のための使用エネルギーを時間あたり一定として、動力伝達ベルトがプーリの端から中心まで移動する際のベルト移動速度を変速速度とした。
【００３８】
３．プーリ磨耗量
表１に示すＳＴＥＰ  １→ＳＴＥＰ  ２を５００回繰り返した前後のプーリの表面プロファイルを比較し、プーリの磨耗量を決定した。
【００３９】
以上の評価結果を図９に示す。この結果から明らかなように、油圧によりプーリ幅を変動させ変速を行う従来品と比較して、本発明のベルト式無段変速機では。伝達効率、変速速度、及びプーリ磨耗量のいずれにおいても著しく向上した。
【００４０】
【発明の効果】
本発明のベルト式無段変速機及び変速方法によれば、油圧によってプーリを移動させることなく、プーリにたわみ進行波を発生させて動力伝達ベルトを移動させており、変速速度、電圧効率、及びプーリ磨耗量において大きく向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のベルト式無段変速機の構成を示す図である。
【図２】本発明のベルト式無段変速機及び変速方法の原理を示す図である。
【図３】本発明のベルト式無段変速機及び変速方法における変速原理を示す図である。
【図４】本発明のベルト式無段変速機におけるプーリの一態様を示す図である。
【図５】本発明のベルト式無段変速機におけるプーリの一態様を示す図である。
【図６】プーリ上に設けた圧電素子の構成を示す図である。
【図７】プーリ中に注入した各イオンの存在割合を示すグラフである。
【図８】本発明のベルト式無段変速機の評価に用いた構成を示す図である。
【図９】評価結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１、１’、４、４’…プーリ
２、５…動力伝達ベルト
３、９…回転軸
６…振動発生源
７、８、１０、１１…圧電素子
１２…絶縁性材料
１３、１５…導電性材料
１４…圧電材料
【図１】
2004286154.tif 000004
【図２】
2004286154.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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