(57)【要約】【課題】表面起点剥離を抑制するとともに、組織変化に起因する剥離をも抑制した長寿命なトロイダル型無段変速機を提供する。【解決手段】本発明のトロイダル型無段変速機は、側面に凹湾曲状の軌道面を有する入力ディスク５および出力ディスク６ｂと、両軌道面５ｂ、６ｃ間のトロイド状隙間に配置され潤滑液存在下で接触するローラ７とを備えている。そして、入出力ディスク５，６ｂを耐熱軸受用鋼で形成するようにした。また、入出力ディスク５，６ｂの軌道面５ｂ、６ｃに機械加工による表面硬化処理を施すようにした。さらに、その軌道面５ｂ、６ｃの最表面における残留圧縮応力を大きすぎないよう６００〜１０００ＭＰａの範囲に設定するようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
側面に凹湾曲状の軌道面を有する入力ディスクと、
前記入力ディスクの軌道面に対向する凹湾曲状の軌道面を有する出力ディスクと、
前記入力ディスクおよび出力ディスクのそれぞれの軌道面間で構成されるトロイド状隙間に配置され、潤滑液存在下で両軌道面と接触して回転し、トラクションにより両ディスク間のトルク伝達を行う複数のローラとを備え、
前記各ディスクは耐熱軸受用鋼からなり、前記各ディスクの軌道面に機械加工による表面硬化処理が施されており、その最表面における残留圧縮応力が６００〜１０００ＭＰａの範囲に設定されている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、例えば自動車の変速装置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】
トロイダル型無段変速機は、側面にローラ軌道面となる凹湾曲状の軌道面を有する入力ディスクおよび出力ディスクと、両ディスクの互いに対向する軌道面間に潤滑、高面圧下で転がり接触するローラとを備えたものである。そして、各ディスクとローラとの間のトラクションによって各ディスク間のトルク伝達を行うことができ、各ディスクに対するローラの接触位置を調節することにより、従来のギア式とは異なるスムーズな動きで、入力ディスクに対する出力ディスクの回転数（変速比）を増減させることができる。
【０００３】
このようなトロイダル型無段変速機において、入出力ディスクとローラの転がり接触部は高温（百℃以上）かつ高面圧（数千ＭＰａ以上）にさらされ、また入出力ディスクの軌道面は、例えば３個のローラが配置されているときは３点から大きな垂直応力が繰り返し作用するとともに、動力伝達の際に前記トラクションによる大きなせん断応力が繰り返し作用する。よって、入出力ディスクの軌道面は、表面に垂直応力のみが主に作用する通常の転がり軸受の転動面などと比較すると、特有の過酷な接触条件といえる。このため、各ディスクの軌道面には、このような特有の過酷な接触条件下で使用されても、金属接触などに起因する表面起点剥離や組織変化に起因する剥離などが生じない高い疲労強度が必要とされる。
【０００４】
このような要求を満たすべく、トロイダル型無段変速機のローラや各ディスクの表面の残留圧縮応力を１０００ＭＰａ以上、微小硬度をＨｖ７５０以上、残留オーステナイト量を１０％以下とする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１８８７０２号公報（請求項１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した技術では、各ディスクやローラの表面に大きな残留圧縮応力が付与されているため、表面起点剥離を抑制する効果がある。しかし、残留圧縮応力が大きすぎるために、金属内部の格子欠陥である転位の密度が増加し、これを起点とした組織変化を助長する傾向がある。組織変化が起こると、高温下において大きな垂直応力に加えて大きなせん断応力が繰り返し作用するというトロイダル型無段変速機に特有の過酷な接触条件に耐えることが難しくなり、短期間で、その部分を起点として亀裂が生じ、表面まで進展すると剥離（白層剥離）に至るという問題があった。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、表面起点剥離を抑制するとともに、組織変化に起因する剥離をも抑制した長寿命なトロイダル型無段変速機の提供をその目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、特にトロイダル型無段変速機の入出力ディスクの剥離を抑制すべく鋭意研究を重ねる過程で、表面起点剥離を抑制するために残留圧縮応力を付与しすぎると、入出力ディスクは高温下において大きな垂直応力に加えて大きなせん断応力が繰り返し作用する特有の過酷な接触条件であるため、金属内部の格子欠陥である転位の密度が増加して組織変化が起こり、この組織変化に起因する剥離（白層剥離）が発生するとの知見を得た。そこで、種々検討を重ねた結果、入出力ディスクを耐熱軸受用鋼で形成し、さらに入出力ディスクの軌道面にショットピーニングなどの機械加工による表面硬化処理を施し、その最表面における残留圧縮応力を大きすぎないよう６００〜１０００ＭＰａの範囲に設定すれば、所期の目的を達成できることを見いだし、本発明を完成した。
【０００９】
すなわち、本発明のトロイダル型無段変速機は、側面に凹湾曲状の軌道面を有する入力ディスクと、前記入力ディスクの軌道面に対向する凹湾曲状の軌道面を有する出力ディスクと、前記入力ディスクおよび出力ディスクのそれぞれの軌道面間で構成されるトロイド状隙間に配置され、潤滑液存在下で両軌道面と接触して回転し、トラクションにより両ディスク間のトルク伝達を行う複数のローラとを備え、前記各ディスクは耐熱軸受用鋼からなり、前記各ディスクの軌道面に機械加工による表面硬化処理が施されており、その最表面における残留圧縮応力が６００〜１０００ＭＰａの範囲に設定されていることを特徴としている。
【００１０】
上記の構成によれば、各ディスクの軌道面の最表面における残留圧縮応力が大きすぎないよう６００〜１０００ＭＰａの範囲に設定しているので、トロイダル型無段変速機に特有の過酷な接触条件で使用しても、各ディスクの軌道面に剥離が生じることが抑制される。すなわち、６００ＭＰａ未満であると残留圧縮応力が小さすぎて表面起点剥離が生じてしまい、１０００ＭＰａを超えると金属内部の転位密度が増加して組織変化が起こりこの組織変化に起因する剥離（白層剥離）が生じてしまうが、上記した範囲内であるので、各ディスクの軌道面に表面起点剥離や組織変化に伴う剥離の発生が抑制される。また、各ディスクに耐熱軸受用鋼を用いているので、浸炭や浸炭窒化などの処理を施さずともいわゆる普通焼入れ処理にて優れた高温強度および硬さを確保できる。よって、特有の過酷な接触条件で使用しても剥離の発生が抑制された長寿命なトロイダル型無段変速機を提供できる。また、大きな残留圧縮応力を付与しなくてもよいので、製造コストを抑制でき、その結果として安価な製品提供が可能になるという利点がある。
なお、耐熱軸受用鋼とは、通常の軸受用鋼より使用可能温度を高めた軸受用鋼をいい、１５０℃程度を上回る温度でも、優れた機械的強度を備えるものをいう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。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一種であるフルトロイダル型無段変速機のバリエータ１部分を示す概略図である。このバリエータ１には、エンジンの出力軸２により回転駆動される入力軸３が設けられており、その両端近傍にはそれぞれ入力ディスク５が支持されている。
【００１２】
各入力ディスク５の一側面には、凹湾曲状の軌道面５ｂが形成されており、その内周には複数条の溝を切ったスプライン穴５ａが形成されている。入力ディスク５は、そのスプライン穴５ａを入力軸３に設けられたスプライン軸３ａに結合させることによって、入力軸３に一体回転可能に組み付けられている。さらに、各入力ディスク５は、入力軸３に固定された係止リング５１によって互いに離反する方向への移動が規制されている。
【００１３】
上記入力軸３の軸方向中央部には、出力部材６ａと、この出力部材６ａにそれぞれ一体回転可能に支持された出力ディスク６ｂとを備える出力部６が、当該入力軸３に対して相対回転自在に設けられている。入力ディスク５の軌道面５ｂに対向する出力ディスク６ｂの一側面には、凹湾曲状の軌道面６ｃが形成されている。また、上記出力部材６ａの外周にはチェーン６ｄと噛み合うスプロケットギヤ６ｅが形成されており、チェーン６ｄを介して外部へ動力が取り出されるようになっている。
【００１４】
上記出力ディスク６ｂは、出力部材６ａに対して軸方向への微動が許容された状態で組み込まれており、その背面には隙間６ｇを設けてバックアップ板６ｈが配置されている。上記隙間６ｇはケーシング６ｆおよび図示しないシールによって密封されており、この隙間６ｇに油圧動力源９から油圧を供給することにより、出力ディスク６ｂを、対向する入力ディスク５方向へ付勢して、所定の端末負荷が加えられている。
【００１５】
互いに対向する入力ディスク５の軌道面５ｂと出力ディスク６ｂの軌道面６ｃとの間は、トロイド状隙間として構成されており、このトロイド状隙間には、潤滑液（トラクションオイル）が供給され、油膜を介して各軌道面５ｂ，６ｃと接触して回転する３個の円盤状のローラ７が円周等配に配置されている。なお、軌道面５ｂ，６ｃとの接触部は、ローラ７の外周面７ｂである。各ローラ７は、キャリッジ８によって回転自在に、かつ、その回転軸７ａが傾動可能に支持されている。キャリッジ８には、図１の紙面と交差する方向に、油圧による駆動力が付与される。
【００１６】
上記バリエータ１において、一対の入力ディスク５が回転すると、油膜のせん断力により、左右各３個のローラ７を介して入力ディスク５から出力ディスク６ｂへトルクが伝達される。キャリッジ８に支持されたローラ７は、トルクを伝達することによりキャリッジ８に生じるリアクション力と、出力ディスク６ｂを駆動するのに必要なトルクとのアンバランスを解消すべく、回転軸７ａを傾斜させる。これにより、ローラ７の位置が図の二点鎖線に示すように変化し、両ディスク５，６ｂ間での変速比が連続的に変化する。
【００１７】
このような構成のフルトロイダル型無段変速機において、各ディスク５，６ｂは、耐熱軸受用鋼で形成されている。この耐熱軸受用鋼は、Ｃ：０．８重量％以上１．５重量％以下、Ｓｉ：０．５重量％以上２．０重量％以下（さらに好ましくは１．０重量％以下）、Ｍｎ：０．３重量％以上２．０重量％以下、Ｃｒ：１．３重量％以上１．９８重量％以下、およびＭｏ：０．３重量％以上１．０重量％以下であって、ＳｉとＭｏとの合計で１．０重量％以上を満足する範囲で含有し、残部は鉄および不可避不純物の組成である。このような耐熱軸受用鋼で形成することにより、通常の高炭素軸受鋼（ＳＵＪ２）で作製したものと比べて、高温強度と硬さとを確保できる。また、普通焼入れ処理により高温強度と硬さを確保でき、浸炭や浸炭窒化を行わなくてもよいので、製造コストを抑制できる。
【００１８】
そして、前記各ディスク５，６ｂの軌道面５ｂ，６ｃは、普通焼入れ、焼戻しの後、ショットピーニング等の機械加工による表面硬化処理を施して、所定の残留圧縮応力と硬度を付与する。具体的には、各ディスク５，６ｂの軌道面５ｂ，６ｃの最表面における残留圧縮応力が６００〜１０００ＭＰａの範囲となるよう付与する。６００ＭＰａ未満では、特有の過酷な接触条件で使用するために表面起点剥離が生じるからであり、１０００ＭＰａを超えると金属内部の格子欠陥である転位の密度が増加して組織変化に起因する剥離が生じるからである。また、各ディスク５，６ｂの軌道面５ｂ，６ｃの表面硬度がＨＲＣ６３〜６６の範囲となるよう付与するのが好ましい。ＨＲＣ硬さ６３未満であると、耐久性が不足するおそれがあり、ＨＲＣ硬さ６６を超えると、耐久性向上効果に比べ加工コストが高くつく傾向がある。
【００１９】
ここで、本発明者らが行った、ディスク軌道面の最表面における残留圧縮応力の影響を実験的に調べた結果を後記の表１に示す。表１において、実施例品は、耐熱軸受用鋼（Ｃ：０．９８重量％、Ｓｉ：０．９７重量％、Ｍｎ：０．４５重量％、Ｐ：０．０１１重量％、Ｓ：０．００２重量％、Ｃｕ：０．０２重量％、Ｎｉ：０．０３重量％、Ｃｒ：１．９８重量％、Ｍｏ：０．４２重量％、残部は鉄、不可避不純物）製で、所定形状に加工したのちに熱処理（例えば８６０℃の温度で６０〜９０分間の条件で焼入し、さらに２５０℃以上の温度で１２０〜１５０分間の条件で焼き戻しをする処理）を行い、その後にショットピーニング処理を行うことにより最表面における残留圧縮応力を７６５ＭＰａとし、実験条件は、ヘルツ面圧３．３ＧＰａ、摩耗防止剤を含まないトラクションオイル、メインシャフト回転数２４２０ｒｐｍとした。比較例１品は、上記と同じ耐熱軸受用鋼製で、最表面における残留圧縮応力を５６６ＭＰａとし、実験条件は、ヘルツ面圧３．２ＧＰａ、摩耗防止剤を含まないトラクションオイル、メインシャフト回転数２４２０ｒｐｍとした。比較例２品は、上記と同じ耐熱軸受用鋼製で、最表面における残留圧縮応力を５８２ＭＰａとし、実験条件は、ヘルツ面圧３．３ＧＰａ、摩耗防止剤を含まないトラクションオイル、メインシャフト回転数２４２０ｒｐｍとした。比較例３品は、上記と同じ耐熱軸受用鋼製で、最表面における残留圧縮応力を１０２１ＭＰａとし、実験条件は、ヘルツ面圧３．２ＧＰａ、摩耗防止剤であるジアルキルジチオリン酸亜鉛（ＺＤＴＰ）を含むトラクションオイル、メインシャフト回転数２４５０ｒｐｍとした。比較例４品は、上記と同じ耐熱軸受用鋼製で、最表面における残留圧縮応力１０１５ＭＰａとし、実験条件は、ヘルツ面圧３．２ＧＰａ、ＺＤＴＰを含むトラクションオイル、メインシャフト回転数２４５０ｒｐｍとした。なお、上記した各実施例および比較例では、ショットピーニング処理により表面残留圧縮応力を９１０ＭＰａとした外周面を有するローラを用いた。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
表１より、ディスク軌道面の最表面における残留圧縮応力が７６５ＭＰａで６００〜１０００ＭＰａの範囲内にある実施例品は、９９０時間という長時間にわたって軌道面に剥離が生じていないことを確認して試験を打ち切った。これに対して、残留圧縮応力が５６６ＭＰａである比較例１品、５８２ＭＰａである比較例２品は、残留圧縮応力が小さいので、それぞれ１５０時間、１６０時間という短い時間で、表面起点剥離が生じていることが確認できた（試験機に取り付けた振動ピックアップにより振動増大を感知して試験を中止し、ディスクとローラの転動面を観察して剥離を確認）。また、残留圧縮応力が１０２１ＭＰａである比較例３品、１０１５ＭＰａである比較例４品は、残留圧縮応力が大きいので、それぞれ２６０時間、１３０時間という短い時間で、組織変化に起因する剥離（白層剥離）が生じていることが確認できた（試験機に取り付けた振動ピックアップにより振動増大を感知して試験を中止し、ディスクとローラの転動面を観察して剥離を確認）。
【００２２】
なお、上記の実施形態では、上記した組成の耐熱軸受用鋼を用いた場合を説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、特開平３−２５３５４２号公報などに開示された他の組成の耐熱軸受用鋼を用いてもよい。また、機械加工による表面硬化処理は、ショットピーニングの他に、ローラバニシング等の他の処理も適用可能である。また、入出力ディスクに限らず、ローラにも適用してもよい。さらに、上記では、フルトロイダル型無段変速機について示したが、これに限らず、他のトロイダル型無段変速機についても勿論適用可能である。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、本発明のトロイダル型無段変速機によれば、特有の過酷な接触条件下で使用される入出力ディスクを耐熱軸受用鋼で形成し、さらに入出力ディスクの軌道面にショットピーニングなどの機械加工による表面硬化処理を施し、その最表面における残留圧縮応力を大きすぎないよう６００〜１０００ＭＰａの範囲に設定しているので、表面起点剥離や組織変化に起因する剥離を抑制した長寿命なものを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るフルトロイダル型無段変速機のバリエータ部分を示す概略図である。
【符号の説明】
５    入力ディスク
５ｂ  軌道面
６ｂ  出力ディスク
６ｃ  軌道面
７    ローラ
７ｂ  外周面
【図１】
2004218715.tif 000004