(57)【要約】【課題】特有のモーメント荷重に基づく特有の応力集中を緩和してディスク割れを長期にわたって防止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、スプライン軸部３ａ，６ｋを有する入出力軸３，６ｊと、側面に動力伝達ローラ７が転動接触する凹湾曲状の軌道面５ｂ，６ｃを有するとともに回転中心部に前記入出力軸３，６ｊのスプライン軸部３ａ，６ｋと嵌合するスプライン孔５ａ，６ｍを有する入出力ディスクとを備えている。そして、前記スプライン孔５ａ，６ｍの内壁面における表面硬度が、前記スプライン軸部３ａ，６ｋの外壁面における表面硬度より実質的に高く（ＨＲＣ５〜１０程度）なるようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スプライン軸部を有する動力伝達軸と、側面に動力伝達ローラが転動接触する軌道面を有するとともに回転中心部に前記動力伝達軸のスプライン軸部と嵌合するスプライン孔を有する動力伝達ディスクとを備えたトロイダル型無段変速機であって、
前記スプライン孔の内壁面における表面硬度と前記スプライン軸部の外壁面における表面硬度との間に実質的な表面硬度差を設けたことを特徴とするトロイダル型無段変速機。
【請求項２】
前記表面硬度差が、ＨＲＣ５〜１０に設定されている請求項１記載のトロイダル型無段変速機。
【請求項３】
前記動力伝達ディスクは、準高温用軸受用鋼を普通焼入れにより硬化してなるものである請求項１または２記載のトロイダル型無段変速機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のトロイダル型無段変速機がフルトロイダル型無段変速機であり、かつ、前記動力伝達ディスクが１枚につき３個の動力伝達ローラと転動接触するよう構成されたことを特徴とするフル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】
昨今、環境問題が大きく取り上げられる中で、高燃費・低公害自動車の実現に寄与すべく、ＣＶＴ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）に注目が集まっており、このＣＶＴの一種としてトロイダル型無段変速機がある。
【０００３】
このトロイダル型無段変速機としては、フルトロイダル型、ハーフトロイダル型などが知られているが、例えば、フルトロイダル型無段変速機は、凹湾曲状の軌道面を有する入力側の動力伝達ディスク（以下「入力ディスク」ともいう）と、この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側の動力伝達ディスク（以下「出力ディスク」ともいう）と、入力ディスクと出力ディスクのそれぞれの軌道面に転動接触するように同軌道面間で構成されるトロイド状隙間に配置された複数のローラと、入力ディスクの回転中心部に形成されたスプライン孔に嵌合するスプライン軸部を有する入力側の動力伝達軸（以下「入力軸」ともいう）と、この入力軸に対して相対回転自在に外嵌されかつ出力ディスクの回転中心部に形成されたスプライン孔に嵌合するスプライン軸部を有する出力側の動力伝達軸（以下「出力軸」ともいう）と、前記入力ディスクまたは出力ディスクの一方を他方側に押圧する押圧手段と、を備えている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−９８２０８号公報（第２頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のフルトロイダル型無段変速機において、押圧手段で入力ディスクまたは出力ディスクの一方を他方側に押圧すると、トロイド状隙間内の複数のローラの転動面が入力ディスクの軌道面および出力ディスクの軌道面と大きな力で接触し、かかる複数のローラを介してトラクションにより両ディスクが連動連結されることで、入力軸から出力軸へのトルク伝達が行われるようになっている。
【０００６】
このようなトルク伝達を行っている最中の複数（例えば３個）のローラは、ディスクの回転中心部より径方向の所定距離の位置に設けられる凹湾曲状の軌道面に対して直交した状態で入力ディスクと出力ディスクに複数の点（例えば３点）から強く接触しているので、それらのディスクの周方向だけでなく、同ディスクの回転軸方向にも大きな荷重を作用させている。このため、入出力ディスクのスプライン孔の歯元部分には、他の機器のスプライン嵌合では見られない、これらの荷重に基づく特有のモーメント荷重によって特有の応力集中が発生し、この部分から亀裂が生じてディスク割れを引き起こす可能性がある。特に、動力伝達軸と動力伝達ディスクとの直角度などの精度が多少悪い場合、スプライン孔とスプライン軸部との嵌合状態に偏りが生じるために、それぞれの歯元部分により大きな応力集中が発生し、ディスク割れをより引き起こしやすい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、応力集中を緩和してディスク割れを長期にわたって防止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】
本発明のトロイダル型無段変速機は、スプライン軸部を有する動力伝達軸と、側面に動力伝達ローラが転動接触する軌道面を有するとともに回転中心部に前記動力伝達軸のスプライン軸部と嵌合するスプライン孔を有する動力伝達ディスクとを備えたトロイダル型無段変速機であって、前記スプライン孔の内壁面における表面硬度と前記スプライン軸部の外壁面における表面硬度との間に実質的な表面硬度差を設けたことを特徴としている。
上記の構成によれば、動力伝達ディスクのスプライン孔内壁面の表面硬度と動力伝達軸のスプライン軸部外壁面の表面硬度との間に実質的な表面硬度差を設けたので、表面硬度が小さい方が負荷に対して撓むことができる。そのため、負荷分布を均等にして応力集中を緩和することが可能となり、その結果としてディスク割れを長期にわたって防止することができる。また、寸法精度が多少悪くてスプライン嵌合に偏りが生じるような場合であっても、表面硬度が小さい方が負荷に対して撓むことができるので、応力集中を緩和してディスク割れを防止することができる。
ここで、実質的な表面硬度差とは、誤差の範囲を超えて、負荷に対して動力伝達軸のスプライン軸部または動力伝達ディスクの一方が撓むことができる程度まで一方の表面硬度と他方の表面硬度との間に表面硬度差があることをいう。
【０００９】
上記のトロイダル型無段変速機において、前記表面硬度差が、ＨＲＣ５〜１０に設定されていることが好ましい。これにより、確実にディスク割れを長期にわたって防止することができる。ここで、表面硬度差がＨＲＣ５未満であると、負荷に対して充分に撓むことができず、応力集中を緩和できないおそれがあるからである。一方、表面硬度差がＨＲＣ１０を超えると、表面硬度が小さい方の絶対的強度を確保できないおそれがあるからである。
【００１０】
また、上記のトロイダル型無段変速機において、前記動力伝達ディスクは、準高温用軸受用鋼を普通焼入れにより硬化してなるものであることが好ましい。この場合、浸炭や浸炭窒化などの処理を行わないので、動力伝達ディスクの製造コストを抑制でき、安価な製品提供が可能となる。
また、上記のトロイダル型無段変速機がフルトロイダル型無段変速機であり、かつ、前記動力伝達ディスクが１枚につき３個の動力伝達ローラと転動接触するよう構成されていることが好ましい。このような構成のフルトロイダル型無段変速機の動力伝達ディスクのスプライン孔と動力伝達軸のスプライン軸部に発生する特有のモーメント荷重による特有の応力集中は、特に効果的に緩和できる。
【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、車両の動力源２により回転駆動される入力側の動力伝達軸（入力軸）３が設けられており、その軸方向両端近傍にはそれぞれ入力側の動力伝達ディスク（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、その回転中心部には複数条の溝を切ったスプライン孔５ａが形成されている。各入力ディスク５は、前記スプライン孔５ａに入力軸３のスプライン軸部３ａを嵌合させることによって、当該入力軸３に一体回転可能に組み付けられている。また、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】
前記入力軸３の軸方向中央部には、出力部６が入力軸３に対して相対回転自在に設けられている。この出力部６は、入力軸３の中央部に相対回転自在に外嵌された出力部材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側の動力伝達ディスク（出力ディスク）６ｂとを備えている。出力ディスク６ｂの前記入力ディスク５の軌道面５ｂに対向する一側面には、凹湾曲状の軌道面６ｃが形成されている。
【００１４】
また、前記出力部材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、前記チェーン６ｄを介して図示しない出力軸に動力が伝達されるようになっている。前記出力部材６ａの両側部には、出力側の動力伝達軸（出力軸）としての筒状のスリーブ６ｊが形成されている。このスリーブ６ｊは、入力軸３の中央部に相対回転自在となるように外嵌されており、その外周にはスプライン軸部６ｋが形成されている。
【００１５】
各出力ディスク６ｂの中心部にはスプライン孔６ｍが形成されており、出力ディスク６ｂはそのスプライン孔６ｍを出力側の動力伝達軸としての前記スリーブ６ｊのスプライン軸部６ｋに嵌合させることにより、軸方向への微動が許容された状態で出力部材６ａに一体回転可能に組み付けられている。
また、各出力ディスク６ｂの背面側には、隙間６ｇを介してバックアップ板６ｈが配置されている。この背面側の隙間６ｇはケーシング６ｆ及び図示しないシール手段によって密封され、当該隙間６ｇに対して油圧動力源１２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側へ付勢し、これによって所定の端末負荷が加えられるようになっている。
【００１６】
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、それぞれ各軌道面５ｂ，６ｃと転動接触する、合計３個の円盤状のローラ７が周方向に等間隔おきに配置されている。この各ローラ７はキャリッジ８によって回転自在に支持されているとともに、当該キャリッジ８によって各軌道面５ｂ，６ｃに対する接触位置を調整できるようになっている。
【００１７】
上記バリエータ１においては、油圧動力源１２で出力ディスク６ｂを入力ディスク５側に押圧すると、トロイド状隙間内の各々３個ずつのローラ７が入力ディスク５の軌道面５ｂと出力ディスク６ｂの軌道面６ｃに対して大きな荷重で接触し、これらのローラ７を介して両ディスク５，６ｂが連動連結されることで、入力軸３から出力軸６ｊへのトルク伝達が行われる。なお、この際、上記３個のローラ７の位置をキャリッジ８によって調整すれば（図１の二点鎖線参照）、出力ディスク６ｂの回転数（変速比）を増減することができる。
【００１８】
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、前記入力ディスク５のスプライン孔５ａ内壁面の表面硬度が、前記入力軸３のスプライン軸部３ａ外壁面の表面硬度より実質的に高く、好ましくはＨＲＣ５〜１０高く設定されている。また、前記出力ディスク６ｂのスプライン孔６ｍ内壁面の表面硬度が、前記スリーブ（出力軸）６ｊのスプライン軸部６ｋ外壁面の表面硬度より実質的に高く、好ましくはＨＲＣ５〜１０高く設定されている。これにより、表面硬度が小さいスプライン軸部３ａ，６ｋが負荷に対して撓むようになるので、負荷分布が均等となり、フルトロイダル型無段変速機に特有の応力集中が緩和される。そのため、スプライン孔５ａ，６ｍの内壁面に亀裂が発生してディスク割れを引き起こすのを長期にわたって防止することができる。
【００１９】
上記入出力ディスク５，６ｂは、例えば、準高温用軸受用鋼からなる素材に対し、鍛造、旋削、切削等の公知の処理を施して所定形状の中間素材を作製した後、普通焼入れ（ズブ焼入れ）により熱処理硬化し、さらに研磨処理、ショットピーニング処理などの仕上げ処理を適宜行うことで製造することができる。ここで、普通焼入れは、表面硬度をＨＲＣ５８〜６２程度にすべく、８６０℃の温度で６０〜９０分間の条件で焼入した後、２５０℃以上の温度で１２０〜１５０分間の条件で焼き戻すことにより行うことが好ましい。このように焼き戻し温度を従来の焼き戻し温度（２００〜２２０℃）よりも若干高くすると、安定した金属組織を有するものが得られる。
ここで、準高温用軸受用鋼は、Ｃ：０．８〜１．５重量％、Ｓｉ：０．５〜２．５重量％、Ｍｎ：０．３〜２．０重量％、Ｃｒ：１．９〜２．５重量％、及びＭｏ：０．３〜１．０重量％、より好ましくはＣ：０．９〜１．０５重量％、Ｓｉ：０．９〜１．１重量％、Ｍｎ：０．４〜０．５重量％、Ｃｒ：１．９〜２．５重量％、及びＭｏ：０．４〜０．５重量％であって、ＳｉとＭｏの合計が１．０重量％以上を満足する範囲で含有し、残部は鉄及び不可避不純物の組成である。この軸受用鋼を用いると、通常の軸受鋼（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、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。なお、準高温用軸受用鋼とは、通常の軸受用鋼よりも高温強度を高めた耐熱軸受用鋼であり、１５０℃程度以上の温度でも優れた高温強度を有するものをいう。
【００２０】
また、上記入力軸３、出力軸としてのスリーブ６ｊが一体的に形成された出力部材６ａは、例えば、軸受鋼（ＳＵＪ２等）からなる素材に対し、鍛造、旋削、切削等の公知の処理を施して所定形状の中間素材を作製した後、浸炭焼入れにより熱処理硬化し、さらに研磨処理、ショットピーニング処理などの仕上げ処理を適宜行うことで製造することができる。ここで、浸炭焼入れは、表面硬度が前記入出力ディスク５，６ｂのスプライン孔５ａ，６ｍの表面硬度に比べ実質的に低く、好ましくはＨＲＣ５〜１０低くなる条件で行われる。なお、上記した準高温用軸受用鋼を用いて製造してもよい。
【００２１】
つぎに、本発明者が行った検証試験について説明する。この検証試験では、フルトロイダル型無段変速機の動力伝達ディスクのスプライン孔および動力伝達軸のスプライン軸部に作用する特有の荷重を再現した加速試験を行うことにより、破損の発生の有無を調べた。具体的には、準高温用軸受用鋼からなる所定形状の中間素材を普通焼入れにより表面硬化させてスプライン孔内壁面の表面硬度が６０ＨＲＣに設定された動力伝達ディスク（スプライン歯数３）とスプライン軸部外壁面の表面硬度が５５ＨＲＣの動力伝達軸とを組み合わせた実施例品、準高温用軸受用鋼からなる所定形状の中間素材を普通焼入れにより表面硬化させてスプライン孔内壁面の表面硬度が６０ＨＲＣの動力伝達ディスク（スプライン歯数３）とスプライン軸部外壁面の表面硬度が５８ＨＲＣの動力伝達軸とを組み合わせた比較例品を準備した。そして、これら実施例および比較例の動力伝達ディスクに対し、動力伝達ディスク１枚につき３個の動力伝達ローラが転動接触するフルトロイダル型無段変速機に特有の荷重を再現すべく、軌道面の周方向等配、半径９０ｍｍの３点に球面形状の接触部材を接触させ、その軌道面とは反対側から所定の荷重（端末負荷、５７ｋＮ）を作用させるとともに、前記接触部材を動力伝達軸回りに揺動させて、動力伝達ディスクの周方向に荷重を作用させた。さらに、動力伝達ディスクのスプライン孔に動力伝達軸のスプライン軸部を嵌合させて動力伝達軸に作用するトルクを測定した（１００Ｎ・ｍ）。
このような検証試験により、実施例品は、２２６万回応力を繰り返し作用させても動力伝達ディスクの割れや動力伝達軸の破損を生じなかったが、比較例品は、１２万回で動力伝達ディスクに割れが発生し、また動力伝達軸にも破損を生じたことを確認した。したがって、表面硬度差をＨＲＣ５とすることにより、動力伝達ディスクの割れや動力伝達軸の破損を長期にわたって防止できたことを確認できた。
【００２２】
上記のように構成された本形態に係るフルトロイダル型無段変速機は、スプライン軸部外壁面の表面硬度よりもスプライン孔内壁面の表面硬度が実質的に高く、好ましくはＨＲＣ５〜１０高くなるように設定したので、特有のモーメント荷重が作用するとスプライン軸部が撓むことができ、特有の応力集中を緩和することが可能となる。そのため、亀裂の発生が抑制され、ディスク割れの発生を長期にわたって防止でき、その結果、長寿命なものになる。また、寸法精度が多少悪くてスプライン嵌合の状態に偏りが生じるような場合であっても、動力伝達軸のスプライン軸部が負荷に対して撓むことができるので、応力集中を緩和してディスク割れを防止することができる。
【００２３】
なお、上記の実施形態では、動力伝達ディスクのスプライン孔内壁面の表面硬度が動力伝達軸のスプライン軸部外壁面の表面硬度より高くなるように設定し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、スプライン軸部外壁面の表面硬度の方を高くするようにしてもよい。
また、入力側および出力側の双方とも表面硬度差を設ける場合を説明したが、これに限らず、入力側または出力側のいずれか一方のみに採用するようにしてもよい。具体的には、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る側（図１では入力側）または油圧動力源１２が接続されてその油圧により軸方向への移動が許容される側（図１では出力側）のいずれか一方のみに採用するようにしてもよい。
さらに、上記では、動力伝達ディスクの形成材料として準高温用軸受用鋼を用いたが、これに限らず、特開平３−２５３５４２号公報に開示された耐熱軸受用鋼などを用いてもよい。
また、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、ハーフトロイダル型等の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。
【００２４】
【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、動力伝達ディスクのスプライン孔の内壁面における表面硬度と動力伝達軸のスプライン軸部の外壁面における表面硬度との間に実質的な表面硬度差を設けるようにしたので、応力集中を緩和でき、その結果としてディスク割れを長期にわたって防止することができる。
【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】
３    入力軸（動力伝達軸）
３ａ  スプライン軸部
５    入力ディスク（動力伝達ディスク）
５ａ  スプライン孔
５ｂ  軌道面
６ｂ  出力ディスク（動力伝達ディスク）
６ｃ  軌道面
６ｊ  スリーブ（出力軸、動力伝達軸）
６ｋ  スプライン軸部
６ｍ  スプライン孔
７    ローラ（動力伝達ローラ）
【図１】
2004218748.tif 000003