(57)【要約】【課題】  トロイダル型無段変速機の耐久性を向上させる。【解決手段】  玉１０は、Ｃ含有率０．４〜１．２％、Ｓ含有率０．０１％以下、Ｐ含有率０．０２％以下、Ｏ含有率９ｐｐｍ以下で、含有率が０．０５〜１．５％のＳｉ及び含有率が０．０５〜１．０％のＭｏの少なくとも一つを含む鋼を所定形状に加工後、浸炭又は浸炭窒化を含む熱処理を施して、表層部のＣ＋Ｎ含有率を０．８〜１．３％とした。入力ディスク２、出力ディスク３、パワーローラ５、外輪９の少なくとも一つは、Ｃ含有率０．１５％以上で且つ玉１０のＣ含有率よりも少なく、Ｏ含有率９ｐｐｍ以下で、含有率が０．０５〜１．５％のＳｉ及び含有率が０．０５〜１．０％のＭｏの少なくとも一つを含む鋼を所定形状に加工後、浸炭又は浸炭窒化を含む熱処理を施して、表層部のＣ＋Ｎ含有率を０．８〜１．３％、γR を玉１０の表層部のγR と同じかより少なくした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する内側面にそれぞれ断面円弧状の動力伝達面を有する入力ディスクおよび出力ディスクと、これら両ディスク間に配置されて、前記動力伝達面に摺接する動力伝達面を有し、トラニオンにより傾動されるパワーローラと、このパワーローラに作用するスラスト荷重を支持するパワーローラ軸受と、を備え、このパワーローラ軸受は、内輪軌道面がパワーローラに形成され、トラニオン側の外輪と、転動体と、を備えてなるトロイダル型無段変速機において、
前記転動体は、質量比で、Ｃ含有率が０．４％以上１．２％以下、Ｓ含有率が０．０１％以下、Ｐ含有率が０．０２％以下、Ｏ含有率が９ｐｐｍ以下で、含有率が０．０５％以上１．５％以下であるＳｉおよび含有率が０．０５％以上１．０％以下であるＭｏの少なくとも一つを含む鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化処理、焼入れ処理および焼戻し処理が施されて得られ、その転がり面をなす表層部は、ＣおよびＮの合計含有率が０．８質量％以上１．３質量％以下で、
前記入力ディスク、出力ディスク、パワーローラ、外輪のうち少なくとも一つは、質量比で、Ｃ含有率が０．１５％以上で且つ前記転動体のＣ含有率よりも少なく、Ｏ含有率が９ｐｐｍ以下で、含有率が０．０５％以上１．５％以下であるＳｉおよび含有率が０．０５％以上１．０％以下であるＭｏの少なくとも一つを含む鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化処理、焼入れ処理および焼戻し処理が施されて得られ、その転がり面をなす表層部は、ＣおよびＮの合計含有率が０．８質量％以上１．３質量％以下となっているとともに、
前記入力ディスク、出力ディスク、パワーローラ、外輪のうち少なくとも一つの転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量は、前記転動体の転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量と同じか、より少なくなっ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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トロイダル型無段変速機に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の変速機等として用いられるトロイダル型無段変速機は、入力軸と連動して回転する入力ディスクと、出力軸と連動して回転する出力ディスクと、これら両ディスクの対向する内側面に設けられた両動力伝達面に摺接する動力伝達面を有し、トラニオンにより傾動されるパワーローラと、このパワーローラに内輪軌道面が形成されて、パワーローラに作用するスラスト荷重を支持するパワーローラ軸受と、を備えた無段変速機構を有している。また、これらの各動力伝達面には、摩擦係数の大きな潤滑油（トラクションオイル）が供給されている。
【０００３】
このトロイダル型無段変速機は、入力ディスクに与えられた動力が、トラクションオイルおよびパワーローラを介して、出力ディスクに伝達されるようになっており、トラニオンによりパワーローラを傾動させて、パワーローラと入力ディスクおよび出力ディスクとの接触半径を変化させることにより、変速比を無段階で変えることができる。
このようなトロイダル型無段変速機の駆動時においては、入力ディスクから出力ディスクに高いトルクが伝達されるため、トルク伝達面となる各動力伝達面には高い接触圧力が生じ、パワーローラ軸受は高いスラスト荷重を受けるようになる。
【０００４】
特に、パワーローラ軸受が玉軸受である場合には、上述のような高いスラスト荷重を受けながら高速で回転すると、玉にスピンすべりが生じ易くなる。そして、玉にスピンすべりが生じると、パワーローラ軸受の転がり面（パワーローラの内輪軌道面、外輪の外輪軌道面、および玉の表面）の温度が上昇して硬さが低下したり、転がり面に接線方向の引っ張り応力に起因する微小クラックが生じることが予想され、早期剥離・破損の原因となる。このような現象は、パワーローラ軸受の軌道輪（パワーローラや外輪）よりも、体積の小さな玉に顕著に現れるため、玉には軌道輪よりも高い疲労強度が要求されている。
このようなトロイダル型無段変速機を構成する各部品の疲労強度を向上させるための技術として、下記に示す特許文献１および２に記載の技術が提案されている。
【０００５】
特許文献１では、入力ディスク、出力ディスクおよびパワーローラを、質量比で、Ｃ含有率が０．６％以上１．３％以下、Ｓｉ含有率が０．３％以上３．０％以下、Ｎｉ含有率が０．１％以上３．０％以下、Ｍｎ含有率が０．２％以上１．５％以下、Ｃｒ含有率が０．３％以上５．０％以下の鋼からなる素材で形成し、表面硬さをＨＲＣ５８以上とすることで、高温での疲労強度を向上させるようにしている。
【０００６】
特許文献２では、パワーローラ軸受の玉を、Ｃｒ含有率が２質量％以上の鋼からなる素材で形成し、表層部の炭素量を０．７質量％以上とすることで、高温での疲労強度を向上させるようにしている。
【特許文献１】特開２００１−１８１７８４号公報
【特許文献２】特開２００２−２１３５５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１および２に記載の技術を組み合わせたとしても、トロイダル型無段変速機の耐久性の点でさらなる改善の余地がある。
本発明は、トロイダル型無段変速機を構成する入力ディスク、出力ディスク、パワーローラ、パワーローラ軸受の外輪および転動体の全てについて、相互バランスを考慮しつつ疲労強度の向上を図ることにより、トロイダル型無段変速機の耐久性を向上させることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決するために、本発明は、対向する内側面にそれぞれ断面円弧状の動力伝達面を有する入力ディスクおよび出力ディスクと、これら両ディスク間に配置されて、前記動力伝達面に摺接する動力伝達面を有し、トラニオンにより傾動されるパワーローラと、このパワーローラに作用するスラスト荷重を支持するパワーローラ軸受と、を備え、このパワーローラ軸受は、内輪軌道面がパワーローラに形成され、トラニオン側の外輪と、転動体と、を備えてなるトロイダル型無段変速機において、前記転動体は、質量比で、Ｃ含有率が０．４％以上１．２％以下、Ｓ含有率が０．０１％以下、Ｐ含有率が０．０２％以下、Ｏ含有率が９ｐｐｍ以下で、含有率が０．０５％以上１．５％以下であるＳｉおよび含有率が０．０５％以上１．０％以下であるＭｏの少なくとも一つを含む鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化処理、焼入れ処理および焼戻し処理が施されて得られ、その転がり面をなす表層部は、ＣおよびＮの合計含有率が０．８質量％以上１．３質量％以下で、前記入力ディスク、出力ディスク、パワーローラ、外輪のうち少なくとも一つは、質量比で、Ｃ含有率が０．１５％以上で且つ前記転動体のＣ含有率よりも少なく、Ｏ含有率が９ｐｐｍ以下で、含有率が０．０５％以上１．５％以下であるＳｉおよび含有率が０．０５％以上１．０％以下であるＭｏの少なくとも一つを含む鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化処理、焼入れ処理および焼戻し処理が施されて得られ、その転がり面をなす表層部は、ＣおよびＮの合計含有率が０．８質量％以上１．３質量％以下となっているとともに、前記入力ディスク、出力ディスク、パワーローラ、外輪のうち少なくとも一つの転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量は、前記転動体の転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量と同じか、より少なくなっていることを特徴とするトロイダル型無段変速機を提供する。
【０００９】
なお、転がり面とは、他の部品と転がり接触する面を意味し、入力ディスク、出力ディスク、およびパワーローラの各動力伝達面、パワーローラ軸受の内輪軌道面（パワーローラに形成されている）、外輪軌道面、転動面を指す。また、表層部とは、表面から所定深さ（例えば、５０μｍ）までの範囲を指す。
【００１０】
以下、本発明の数値限定の臨界的意義について詳細に説明する。
〔Ｃ含有率について〕
Ｃ（炭素）は、マトリックスに固溶して、焼入れおよび焼戻し処理後の強度を向上させるとともに、炭窒化物を形成して、耐摩耗性を向上させるために有効な元素である。
パワーローラ軸受の転動体を構成する鋼のＣ（炭素）含有率は、比較的短い浸炭または浸炭窒化処理時間でも上述した効果を得るために０．４質量％以上とする必要がある。しかし、Ｃ含有率が多すぎると、浸炭または浸炭窒化処理による表層部と芯部との硬さの差が生じ難くなるため、その上限は１．２質量％とした。
【００１１】
また、入力ディスク、出力ディスク、パワーローラ、パワーローラ軸受の外輪（以下、これらを総称して「転動体以外の部品」と記す。）のうち少なくとも一つを構成する鋼のＣ含有率は、転動体よりも少ないＣ含有率とする必要がある。これは、芯部の靱性を、転動体よりも体積の大きな「転動体以外の部品」で、転動体よりも高くするためである。これにより、振動にも強い構造になる。一方、転動体以外の部品のうち少なくとも一つを構成する鋼のＣ含有率が少なすぎると、これらの芯部硬さが十分に得られなくなるため、その下限は０．１５質量％とした。
【００１２】
〔Ｓｉ含有率について〕
Ｓｉ（ケイ素）は、焼戻し軟化抵抗性を向上させるために有効な元素である。この効果を得るためには、Ｓｉ含有率を０．０５質量％以上とする必要がある。しかし、Ｓｉ含有率が多すぎると、浸炭または浸炭窒化処理時のＣやＮの拡散を阻害し易くなり、所定の浸炭有効深さまたは浸炭窒化有効深さが得られなくなったり、加工性が低下するため、その上限は１．５質量％とした。
【００１３】
〔Ｍｏ含有率について〕
Ｍｏ（モリブデン）は、鋼の焼入れ性と、炭窒化物の形成による焼戻し軟化抵抗性とを向上させるために有効な元素である。この効果を得るためには、Ｍｏ含有率を０．０５質量％以上とする必要がある。しかし、Ｍｏ含有率が多すぎると、加工性が低下するため、その上限は１．０質量％とした。
なお、ＳｉとＭｏは、いずれも焼戻し軟化抵抗性を向上させるために必要な元素であるため、これらのうち少なくとも一つを含有すればよい。
【００１４】
〔その他の元素の含有率について〕
Ｏ（酸素）およびＳ（硫黄）は、鋼中で非金属介在物を生成し、これを起点とした割れを発生させたり、疲労強度を低下させる原因となる。このため、これらの含有率は出来る限り少なくする必要があるが、Ｏ含有率が９ｐｐｍ以下、Ｓ含有率が０．０１質量％以下であれば許容できる。
Ｐ（リン）は、鋼の結晶粒界に偏析して、強度を低下させる原因となる。このため、Ｐ含有率は出来る限り少なくする必要があるが、０．０２質量％以下であれば許容できる。
【００１５】
〔浸炭または浸炭窒化処理について〕
浸炭または浸炭窒化処理を施すことにより、ＣやＮが鋼のマトリックスであるマルテンサイト中に固溶するため、焼戻し軟化抵抗性が向上し、高温での硬さの低下を抑制できる。また、各部品の表層部と芯部とでマルテンサイト変態点がずれ、焼入れおよび焼戻し処理後の各部品の表層部に残留圧縮応力が生じる。これにより、各部品の表面の接線方向に引っ張り応力が生じ難くなるため、微小クラックの発生が抑制される。
【００１６】
〔表層部のＣおよびＮの合計含有率について〕
上述した浸炭または浸炭窒化処理による効果を得るために、転動体の転がり面をなす表層部のＣおよびＮの合計含有率と、転動体以外の部品のうち少なくとも一つの転がり面をなす表層部のＣおよびＮの合計含有率は、いずれも０．８質量％以上とした。
一方、表層部のＣおよびＮの合計含有率が多すぎると、炭化物、炭窒化物、窒化物等の析出物が粗大化して転がり疲労寿命を低下させるため、転動体の転がり面をなす表層部のＣおよびＮの合計含有率と、転動体以外の部品のうち少なくとも一つの転がり面をなす表層部のＣおよびＮの合計含有率は、いずれも１．３質量％以下とした。
【００１７】
〔表層部の残留オーステナイト量について〕
転がり面をなす表層部に適正量の残留オーステナイトを生成することにより、転がり疲労が軽減される。本発明では、転動体以外の部品のうち少なくとも一つの転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量を、転動体の転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量と同じか、より少なくなるようにした。これにより、体積が小さく、転がり面の発熱による影響を受け易い転動体の疲労強度を、転動体以外の部品のうち少なくとも一つの疲労強度よりも高くすることができる。
なお、転動体の転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量と、転動体以外の部品のうち少なくとも一つの転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量は、いずれも２０体積％以上４０体積％以下とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、トロイダル型無段変速機を構成するパワーローラ軸受の転動体の疲労強度を、転動体以外の部品（入力ディスク、出力ディスク、パワーローラ、パワーローラ軸受の外輪）のうち少なくとも一つの疲労強度よりも高くなるようにしたことによって、トロイダル型無段変速機の耐久性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明のトロイダル型無段変速機の一例を示す断面図である。なお、図１は、トロイダル型無段変速機の入力軸の軸方向に沿った断面図である。
本実施形態におけるトロイダル型無段変速機は、図１に示すように、入力軸１と連動して回転する入力ディスク２と、出力軸と連動して回転する出力ディスク３と、これら両ディスク２，３間に配置されたパワーローラ５と、を備えている。両ディスク２，３の対向する内側面には、それぞれ断面円弧状（ハーフトロイド状）の動力伝達面２ａ，３ａが形成されている。パワーローラ５には、両ディスク２，３の動力伝達面２ａ，３ａに摺接する動力伝達面５ａを有する。そして、各動力伝達面２ａ，３ａ，５ａには、トラクションオイルが供給されている。
【００２０】
このトロイダル型無段変速機は、また、枢軸６を中心として入力軸１の軸方向（図１の左右方向）に揺動可能なトラニオン７と、パワーローラ５を回転自在に支持しつつ、トラニオン７の揺動に伴って傾斜角度が変化する変位軸８と、を備えている。
このトロイダル型無段変速機は、さらに、パワーローラ５に加わるスラスト方向の荷重を支持するパワーローラ軸受２０を備えている。
パワーローラ軸受２０の内輪軌道面５ｂはパワーローラ５に形成され、外輪９はトラニオン７側に取り付けられている。そして、このパワーローラ軸受２０は、内輪軌道面５ｂおよび外輪軌道面９ａの間に複数の玉（転動体）１０が転動自在に配設され、この玉１０を転動自在に保持する保持器１１を備えている。
このトロイダル型無段変速機では、入力軸１の回転がローディングカム１Ａ、入力ディスク２、パワーローラ５、出力ディスク３および出力歯車４を介して、出力軸に伝達されるようになっている。
【００２１】
そして、枢軸６を中心にトラニオン７を揺動させ、パワーローラ５の動力伝達面５ａを入力ディスク２の中心寄り部分と出力ディスク３の外周寄り部分とに変位させると、入力軸１の回転が出力軸に減速されて伝わり、逆にパワーローラ５の動力伝達面５ａを入力ディスク２の外周寄り部分と出力ディスク３の中心寄り部分とに変位させると、入力軸１の回転が出力軸に増速されて伝わるようになっている。
本実施形態においては、まず、表１に示す各組成の鋼からなる素材を、図１に示すトロイダル型無段変速機の入力ディスク２、出力ディスク３、パワーローラ５、パワーローラ軸受２０の外輪９および玉１０の各形状に切り出した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
次に、これらに表１に示す各方法で熱処理を施した後、研削等の表面仕上げ加工を行った。なお、表１に「浸炭窒化→焼入れ→焼戻し」で示す熱処理は、図２に示す条件で行った。また、表１に「浸炭→焼入れ→焼戻し」で示す熱処理は、図３に示す条件で行った。さらに、表１に「焼入れ→焼戻し」で示す熱処理は、以下に示す条件で行った。まず、ＲＸガスを導入して８２０〜８６０℃で１時間保持した後に、オイルクエンチを行った。次に、大気中にて１６０〜２００℃で２時間保持することにより焼戻し処理を行った。
そして、表１に示す製法Ａ〜Ｈで得られた入力ディスク２、出力ディスク３、パワーローラ５、外輪９（以下、「玉１０以外の部品」と称す。）と、製法Ｂ〜Ｅで得られた玉１０と、を表２に示すように組み合わせて、Ｎｏ．１〜１４のトロイダル型無段変速機を組み立てた。
【００２４】
表２には、各製法により得られた各部品の表層部のＣおよびＮの合計含有率（Ｃ＋Ｎの含有率）、硬さ、および残留オーステナイト量（γR ）を併せて示す。なお、前記表層部のＣおよびＮの合計含有率（質量比）は、表面から５０μｍの深さまでの部分で、発光分光分析装置により測定した。また、前記表層部の硬さ（Ｈｖ）は、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４に規定されたビッカース硬さ試験法により測定した。さらに、前記表層部の残留オーステナイト量 (体積比）は、表面から５０μｍの深さまでの部分で、Ｘ線回折装置により測定した。
【００２５】
次に、これらのトロイダル型無段変速機を試験用ハウジング内に組み込み、以下に示す試験条件で耐久試験を行った。この耐久試験は、５００時間を上限として、入力ディスク２の動力伝達面２ａ、出力ディスク３の動力伝達面３ａ、パワーローラ５の動力伝達面５ａおよび内輪軌道面５ｂ、外輪９の外輪軌道面９ａ、および玉１０の表面のいずれかに、肉眼で確認できる破損（剥離または割れ）が生じるまで行い、破損が生じるまでの時間を測定した。そして、同じ構成の複数のトロイダル型無段変速機の試験結果より、Ｌ10寿命を調べた。なお、５００時間まで破損が生じなかった場合には、Ｌ10寿命を５００時間とした。この結果は、表２に併せて示す。
（試験条件）
入力軸の回転速度：４５００ｍｉｎ-1 
入力トルク：３００Ｎ・ｍ
使用オイル：合成潤滑油
給油温度：１２０℃
【００２６】
【表２】
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【００２７】
表２から分かるように、玉１０以外の部品および玉１０の全てが本発明の範囲（鋼の組成、熱処理方法、表層部のＣおよびＮの合計含有率、および残留オーステナイト量）を満たすＮｏ．１〜９のトロイダル型無段変速機は、いずれも５００時間まで破損が生じず（Ｌ10寿命が５００時間を超え）、長寿命であった。
一方、Ｎｏ．１０では、玉１０以外の部品をなす鋼のＣ含有率が本発明の範囲よりも少なく、芯部に十分な硬さが得られなかったため、玉１０以外の部品の変形量が多かった。
【００２８】
Ｎｏ．１１では、玉１０以外の部品をなす鋼のＳｉおよびＭｏの含有率がいずれもゼロで、Ｏ含有率が本発明の範囲よりも多かったため、非金属介在物が多数存在し、これを起点とする剥離が生じた。
Ｎｏ．１２では、玉１０以外の部品を、浸炭または浸炭窒化処理を施さない製法Ｈで形成したため、表層部の硬さが十分に得られず、表層部に剥離が生じた。
Ｎｏ．１３では、玉１０をなす鋼のＣ含有率が、玉１０以外の部品をなす鋼のＣ含有率よりも少ないため、玉１０以外の部品の芯部の靭性が玉１０の芯部よりも低く、玉１０以外の部品が繰り返しの引っ張り応力に耐えられなかった。
【００２９】
Ｎｏ．１４では、玉１０以外の部品の残留オーステナイト量が玉１０よりも多く、玉１０以外の部品の膨張量が大きかったため、玉１０にかかる負荷が大きくなった。
以上の結果より、トロイダル型無段変速機を構成する入力ディスク２、出力ディスク３、パワーローラ５、パワーローラ軸受２０の外輪９および玉１０を本発明の構成とすることにより、トロイダル型無段変速機の耐久性を向上できることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のトロイダル型無段変速機の一例を示す断面図である。
【図２】浸炭窒化処理を含む熱処理を示す説明図である。
【図３】浸炭処理を含む熱処理を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
２                入力ディスク
３                出力ディスク
５                パワーローラ（パワーローラ軸受の内輪）
９                外輪（パワーローラ軸受の外輪）
１０                玉（パワーローラ軸受の転動体）
２０                パワーローラ軸受
２ａ，３ａ，５ａ  動力伝達面（転がり面）
５ｂ，９ａ        軌道面（転がり面）
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005273697.tif 000007