(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油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の軌道面５ｂ，６ｃおよびローラ７の外周面７ｂのうちの少なくとも一方の最表面における残留圧縮応力を６００ＭＰａ以下に設定するようにした。また、入出力ディスク５，６ｂとローラ７との間に存在する潤滑油としてジアルキルジチオリン酸亜鉛などの磨耗防止剤を含む潤滑油を用いるようにした。【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、潤滑油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、
前記各ディスクおよびローラのうちの少なくとも一方のトルク伝達部材の相手部材との接触面の最表面における残留圧縮応力が６００ＭＰａ以下に設定されており、
かつ、前記潤滑油が磨耗防止剤を含む潤滑油であることを特徴とするトロイダル型無段変速機。
【請求項２】
前記磨耗防止剤が、ジアルキルジチオリン酸亜鉛である請求項１記載のトロイダル型無段変速機。
【請求項３】
請求項１に記載のトロイダル型無段変速機のトルク伝達部材を製造する方法であって、
所定形状に加工してなるトルク伝達部材用中間素材の少なくとも相手部材との接触面に対し硬化処理を施した後、最終仕上げ処理として切削処理または研磨処理を施すことを特徴とするトロイダル型無段変速機のトルク伝達部材の製造方法。
【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およびそれに用いるトルク伝達部材の製造方法に関する。
【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油潤滑、高面圧下で接触するローラとを備えたものである。そして、トルク伝達部材としての各ディスクとローラとの間のトラクション力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、トルク伝達部材である入出力ディスクとローラの接触部は高温（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、動力伝達の際に油膜のせん断応力に相当する大きなせん断応力が繰り返し作用する。一方、ローラの外周面には大きな垂直応力と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やローラの外周面は、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伴う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およびそれに用いるトルク伝達部材の製造方法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トルク伝達部材としての入出力ディスクやローラ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、入出力ディスクやローラ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、入出力ディスクおよびローラのうちの少なくとも一方のトルク伝達部材の相手部材との接触面の最表面における残留圧縮応力を大きすぎないよう６００ＭＰａ以下に設定し、入出力ディスクとローラとの間に介在する油膜をジアルキルジチオリン酸亜鉛（ＺＤＴＰ）などの磨耗防止剤を含む潤滑油膜にすれば、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、潤滑油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、前記各ディスクおよびローラのうちの少なくとも一方のトルク伝達部材の相手部材との接触面の最表面における残留圧縮応力が６００ＭＰａ以下に設定されており、かつ、前記潤滑油が磨耗防止剤を含む潤滑油であることを特徴としている。
【００１０】
上記の構成によれば、入出力ディスクおよびローラのうちの少なくとも一方のトルク伝達部材の相手部材との接触面の最表面における残留圧縮応力を６００ＭＰａ以下と小さく設定しているので、金属内部の格子欠陥である転位の密度が増加せず組織変化に起因する剥離（白層剥離）の発生が抑制される。また、潤滑油中の磨耗防止剤により入出力ディスクとローラとの接触部において磨耗が抑制されるので、金属接触などに起因する表面起点剥離の発生も抑制できる。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。
【００１１】
前記磨耗防止剤としてジアルキルジチオリン酸亜鉛を用いることが好ましい。この場合、残留圧縮応力を小さく設定したことに伴う表面起点剥離の発生を確実に抑制できる。
【００１２】
本発明のトロイダル型無段変速機のトルク伝達部材の製造方法は、上記したトロイダル型無段変速機のトルク伝達部材を製造する方法であって、所定形状に加工してなるトルク伝達部材用中間素材の少なくとも相手部材との接触面に対し硬化処理を施した後、最終仕上げ処理として切削処理または研磨処理を施すことを特徴としている。
上記の構成によれば、ショットピーニング加工やローラバニシング加工などの大きな残留圧縮応力を付与する処理を行わず、切削加工または研磨処理を最終仕上げ処理とするだけでトルク伝達部材の最表面における残留圧縮応力を６００ＭＰａ以下にすることができるとともに、製造コストを抑制することができる。
【００１３】
【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トルク伝達部材としての入力ディスク５が支持されている。
【００１４】
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。
【００１５】
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トルク伝達部材としての出力ディスク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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、潤滑油が供給され、油膜を介して各軌道面５ｂ，６ｃと接触して回転する３個の円盤状のトルク伝達部材としてのローラ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。
【００１８】
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、油膜のせん断に伴うトラクションで、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。
【００１９】
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、トルク伝達部材としての各ディスク５，６ｂおよびローラ７は、それぞれ耐熱軸受用鋼で形成されている。この耐熱軸受用鋼は、Ｃ：０．８〜１．５重量％、Ｓｉ：０．５〜２．０重量％（さらに好ましくは１．０重量％以下）、Ｍｎ：０．３〜２．０重量％、Ｃｒ：１．３〜１．９８重量％、およびＭｏ：０．３〜１．０重量％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、浸炭や浸炭窒化を行わない、いわゆる普通焼入れ処理で所定の高温強度と硬さを確保でき、製造コストを抑制できる。
【００２０】
そして、前記各ディスク５，６ｂの軌道面５ｂ，６ｃおよびローラ７の外周面７ｂは、それぞれ最表面における残留圧縮応力が６００ＭＰａ以下に設定されている。残留圧縮応力が大きすぎないために、特有の過酷な接触条件で使用されても金属内部の格子欠陥である転位の密度が増加せず、組織変化に起因する剥離の発生を抑制できる。また、浸炭を伴わずに熱処理されているため、材料基地中の炭素量が過多となっていないことも上記組織変化を抑制しているものと考えられる。ただし、大きな残留圧縮応力を付与することで抑制できていた表面起点剥離が発生する。そこで、各ディスク５，６ｂとローラ７との間に介在させる油膜を、ジアルキルジチオリン酸亜鉛（ＺＤＴＰ）などの磨耗防止剤を含む潤滑油膜とする。これにより、磨耗防止剤を含まない潤滑油膜に比べ、両者の接触部の磨耗が抑制され、結果的に金属接触などに起因する表面起点剥離を抑制できる。よって、最表面における残留圧縮応力を６００ＭＰａ以下とし、磨耗防止剤を含む潤滑油を用いると、表面起点剥離とともに組織変化に伴う剥離を抑制でき、長寿命化を図ることができる。
【００２１】
図２はトルク伝達部材としての入力ディスク５の製造方法の一例を示す工程図である。この製造方法では、まず、鍛造等によって得られた耐熱軸受用鋼からなる環状素材Ｋに切削加工を施して中間素材Ｂを形成する。この際、バイト２０を用いた旋削加工により、環状素材Ｋの一側面に凹湾曲面からなる軌道面（相手部材としてのローラとの接触面）５ｂを取り代を設けて形成するとともに、他側面及び外周を取り代を設けて所定形状に旋削する（同図（ａ）参照）。また、ブローチ２１を用いた切削加工により、前記環状素材の中心部に複数条のスプライン溝からなるスプライン穴５ａを形成する（同図（ａ）参照）。ついで、前記切削加工にて得られた中間素材Ｂを熱処理する（同図（ｂ）参照）。この熱処理は、例えば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。これにより表面が硬化される。熱処理が終了すると、ブローチ２１を用いて中間素材Ｂのスプライン穴５ａの歯面をシェービングする（同図（ｃ）参照）。その後、中間素材Ｂの一側面、外周面、他側面の軌道面５ｂ等を切削し、さらに研磨して仕上げる（同図（ｄ）参照）。これにより、軌道面５ｂの最表面における残留圧縮応力を６００ＭＰａ以下にする。なお、不具合がないようであれば研磨を行わず切削処理を最終仕上げ処理としてもよい。このようにして目的とする入力ディスクを得ることができる。
なお、出力ディスク７及びローラ１３の製造方法についても、上記と略同様である。
【００２２】
つぎに、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下記の表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、熱処理後に切削および研磨処理を行うことにより最表面における残留圧縮応力を５６１ＭＰａとし、実験条件は、ヘルツ面圧３．２ＧＰａ、摩耗防止剤としてのＺＤＴＰを含むトラクションオイル、メインシャフト回転数２４２０ｒｐｍとした。また、比較例１品は、前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、摩耗防止剤としての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２品は、前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、摩耗防止剤としての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３品は、前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４品は、前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。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を行って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。
【００２３】
【表１】
2004218690.tif 000003
【００２４】
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５６１ＭＰａで磨耗防止剤含有潤滑油を用いる実施例品は、１０００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１０２１ＭＰａで磨耗防止剤含有潤滑油を用いる比較例１品、残留圧縮応力が１０１５ＭＰａで磨耗防止剤含油潤滑油を用いる比較例２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、組織変化に伴う剥離（白層剥離）が生じたことが確認できた（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５６６ＭＰａで磨耗防止剤非含有潤滑油を用いる比較例３品、残留圧縮応力が５８２ＭＰａで磨耗防止剤非含油潤滑油を用いる比較例４品は、ディスクとローラとの間に介在する油膜として磨耗防止剤を含まない潤滑油を用いているので、それぞれ１５０時間、１６０時間という短い時間で、金属接触などに起因する表面起点剥離が生じたことが確認できた（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）。なお、上記した実験では、ディスク側のみ残留圧縮応力を小さくした例を示したが、ローラ側のみ残留圧縮応力を小さくする、あるいはディスクとローラ両方の残留圧縮応力を小さくするようにしても同様の効果があると考えられる。
【００２５】
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等の各種の鋼を用いてよい。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、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。
【００２６】
【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トルク伝達部材としての入出力ディスクやローラの最表面における残留圧縮応力を６００ＭＰａ以下に設定し、かつ磨耗防止剤を含む潤滑油膜にしているので、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。
【００２７】
また、本発明のトロイダル型無段変速機のトルク伝達部材の製造方法によれば、切削加工または研磨処理を最終仕上げ処理とするだけでトルク伝達部材の最表面における残留圧縮応力を６００ＭＰａ以下にすることができるとともに、製造コストを抑制できる。
【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。
【図２】トルク伝達部材としての入力ディスクの製造方法の一例を示す工程図である。
【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】
2004218690.tif 000004
【図２】
2004218690.tif 000005