(57)【要約】【課題】  ＷＥＣ及びトロイダル型無段変速機特有の組織変化を抑制し、優れた耐久性を有し長寿命なトロイダル型無段変速機を提供する。【解決手段】  入力ディスク２、出力ディスク４、パワーローラ９、パワーローラ支持軸受を構成する外輪１６及び玉１４の少なくとも一つを、質量比で、Ｃが０．６％以上１．３％以下、Ｓｉが０．３％以上２．０％以下、Ｍｎが０．３％以上１．５％以下、Ｐが０．０３％以下、Ｓが０．０３％以下、Ｃｒが５．０％以上１５．０％以下、Ｍｏが０．１〜１．０％以下、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼材からなる素材を所定形状に加工した後、焼入れ処理及び焼戻し処理を施すことにより、０．５μｍ以下の微細炭化物を面積率で８〜２０質量％含み、摺接面２ａ，４ａ，９ａ，１６ａの硬さをＨＲＣ６０以上とする。【選択図】        図１
2005076843.tif 000002
【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摺接面を有する入力ディスク及び出力ディスクと、これらのディスクの両摺接面の間に配置されたパワーローラ軸受と、を備え、このパワーローラ軸受は、前記両摺接面に対する摺接面を有するパワーローラと、当該パワーローラを前記入力ディスク及び前記出力ディスクの前記両摺接面に対して摺接自在に支持するパワーローラ支持軸受と、からなるトロイダル型無段変速機において、
前記入力ディスク、前記出力ディスク、前記パワーローラ、前記パワーローラ支持軸受を構成する外輪及び転動体の少なくとも一つは、質量比で、Ｃが０．６％以上１．３％以下、Ｓｉが０．３％以上２．０％以下、Ｍｎが０．３％以上１．５％以下、Ｐが０．０３％以下、Ｓが０．０３％以下、Ｃｒが５．０％以上１５．０％以下、Ｍｏが０．１〜１．０％以下、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼材からなる素材を所定形状に加工した後、焼入れ処理及び焼戻し処理を施すことにより、０．５μｍ以下の微細炭化物を面積率で８〜２０質量％含み、摺接面の硬さがＨＲＣ６０以上となっていることを特徴とするトロイダル型無段変速機。
【請求項２】
対向する内側面にそれぞれ断面円弧状の摺接面を有する入力ディスク及び出力ディスクと、これらのディスクの両摺接面の間に配置されたパワーローラ軸受と、を備え、このパワーローラ軸受は、前記両摺接面に対する摺接面を有するパワーローラと、当該パワーローラを前記入力ディスク及び前記出力ディスクの前記両摺接面に対して摺接自在に支持するパワーローラ支持軸受と、からなるトロイダル型無段変速機において、
前記入力ディスク、前記出力ディスク、前記パワーローラ、前記パワーローラ支持軸受を構成する外輪及び転動体の少なくとも一つは、質量比で、Ｃが０．１５％以上０．６０％以下、Ｃｒが５．０％以上１５．０％以下であり、且つ、０．３％以上２．０％以下のＳｉ、０．３％以上１．５％以下のＭｎ、０．０３％以下のＰ、０．０３％以下のＳ、０．１％以上１．０％以下のＭｏ、０．０７％以下のＡｌ、０．０５％以下のＮ、１．０％以下のＮｂのうち一種又は二種以上を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼材からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭処理又は浸炭窒化処理と、焼入れ処理と、焼戻し処理とをこの順で施すことにより、０．５μｍ以下の微細炭化物を面積率で８〜２０％含み、摺接面の硬さがＨＲＣ６０以上で、且つ、芯部の硬さがＨＲＣ３０以上となっていることを特徴とするトロイダル型無段変速機。
【請求項３】
対向する内側面にそれぞれ断面円弧状の摺接面を有する入力ディスク及び出力ディスクと、前記入力ディスク及び前記出力ディスクの両摺接面間に挟持され、前記両摺接面に対する摺接面を有するパワーローラと、当該パワーローラを前記入力ディスク及び前記出力ディスクの前記両摺接面に対して周方向に傾転可能に支持する変位軸と、前記パワーローラを前記変位軸の周囲に回転自在に支持するラジアル軸受と、を備えたトロイダル型無段変速機において、
前記変位軸及び前記ラジアル軸受を構成する転動体の少なくとも一つは、質量比で、Ｃが０．６０％以上１．３０％以下、Ｓｉが０．３％以上２．０％以下、Ｍｎが０．３％以上１．５％以下、Ｃｒが５．０％以上１５．０％以下、Ｍｏが０．１〜１．０％以下、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼材からなる素材を所定形状に加工した後、焼入れ処理及び焼戻し処理を施すことにより、０．５μｍ以下の微細炭化物を面積率で８〜２０％含み、摺接面の硬さがＨＲＣ６０以上で、且つ、表面粗さが０．２μｍＲａ以下となっていることを特徴とするトロイダル型無段変速機。
【請求項４】
前記焼入れ処理を施す前の素材に、浸炭処理又は浸炭窒化処理を施すことを特徴とする請求項１又は３に記載の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、自動車の自動変速機などに適用されるトロイダル型無段変速機に関し、特に、優れた耐久性を有するトロイダル型無段変速機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
トロイダル型無段変速機の一例であるハーフトロイダル型無段変速機は、対向する内側面にそれぞれ断面円弧状の摺接面を有し、入力軸に回転自在に支持された入力ディスク及び出力ディスクと、これらのディスクの両摺接面の間に配置され、この両摺接面に対する摺接面を有するパワーローラが内輪として機能するパワーローラ軸受と、を備えた構成をしており、それぞれの摺接面には粘度摩擦抵抗の大きな潤滑油（トラクションオイル）が充填されている。
【０００３】
そして、入力軸の回転を入力ディスクに伝達し、この入力ディスクの回転をパワーローラを介して出力ディスクに伝達することで、入力ディスクから出力ディスクに動力を伝達することができるようになっている。そして、パワーローラを支持する変位軸の傾きを変化させ、パワーローラと入力ディスク及びパワーローラと出力ディスクの接触半径を変えて変速させることにより、入力ディスクに与えられる動力が、パワーローラとトラクションオイルとを介して、無段変速で出力ディスクに伝達される。
【０００４】
このようなトロイダル型無段変速機を効率よく動作させる方法としては、入力ディスク及び出力ディスクの間の押し付け力を大きくするか、トラクション係数を高くすることでトルク伝達能力を向上させることが知られている。
ここで、トラクション係数は使用されるトラクションオイルによって略決定されるために、入力ディスク及び出力ディスク間での押し付け力をできる限り大きくすることが一般的に行われる。このため、トロイダル型無段変速機の駆動時においては、それぞれの摺接面（つまり、入力ディスクとパワーローラとの摺接面や、出力ディスクとパワーローラとの摺接面など）に高い剪断応力が発生して、剥離に至る場合が考えられる。
【０００５】
また、前述したトロイダル型無段機においては、パワーローラと入力ディスク及び出力ディスクとの接触半径を変えて変速させているため、動力伝達面となる摺接面において回転滑り成分であるスピンの発生が避けられない。スピンが発生すると、動力を伝達しない損失仕事として熱に変換され、トラクションオイルの温度が上昇し、トラクション係数が低下する。また、スピンが発生すると、入力ディスク、出力ディスク、及びパワーローラのそれぞれの摺接面に形成される油膜が薄くなるため、それぞれの摺接面にピーリングやスミアリングなどの表面損傷が発生する場合がある。
【０００６】
このようなトロイダル型無段変速機が有する問題点を解決するために、種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１においては、トロイダル型無段変速機を構成する入力ディスク、出力ディスク及びパワーローラの摺接面における剥離を抑制するために、浸炭処理又は浸炭窒化処理を行うことで各摺接面の有効硬化深さを２〜４ｍｍとすることが提案されている。
【０００７】
また、特許文献２乃至特許文献４においては、入力ディスク、出力ディスク、及びパワーローラ支持軸受の転動体など、動力伝達部品を形成する鋼材の合金成分を検討することで、スピン発生に起因する表面損傷を抑制することが提案されている。
さらに、特許文献５においては、パワーローラ支持軸受の転動体を、中炭素鋼材又は高炭素鋼材で形成した後、浸炭窒化処理、焼入れ処理、及び焼戻し処理をこの順で施すことにより、転動体の焼戻し軟化抵抗性を向上させ、高温での硬さの低下を抑制することが提案されている。また、特許文献５においては、転動体の表面に最適な残留圧縮圧力を生じさせることにより、転動体表面の接線方向に生じる引っ張り応力に起因して発生する微小クラックを抑制することも提案されている。
【０００８】
さらに、近年、前述したようなトロイダル型無段変速機においては、白色組織変化（いわゆるＷＥＣ）が短時間で発生し、早期剥離の原因となっていることが分かってきている。すなわち、トロイダル型無段変速機のそれぞれの摺接面で高い剪断応力を受けたトラクションオイルの分子結合が、高い剪断応力とスピンすべりによる発熱とによって切断され、トラクションオイルから水素原子が放出される。そして、トラクションオイルから放出された水素原子は、入力ディスク、出力ディスク、及びパワーローラなどの動力伝達部品内に侵入・拡散し、これらの部品を構成する鉄の金属結合力を弱めることで脆性破壊しやすくなるため、トロイダル型無段変速機の早期破損を起こしてしまう。このとき、白色組織変化が発生した部分では、その周囲よりも炭化物の量が少なくなっているため、白く観察される（例えば、非特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７−７１５５５号公報
【特許文献２】特開２０００−１８１７８４号公報
【特許文献３】特開２００１−１８１７８５号公報
【特許文献４】特開２００２−５３９３０号公報
【特許文献５】特開平７−２０８５６８号公報
【非特許文献１】ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ  ＴＲＡＳＡＣＴＩＯＮＳ  Ａ，ＶＯＬＵＭＥ  ７Ａ，ＡＵＧＵＳＴ１９７６−１０９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述した特許文献１乃至５に記載の技術では、いずれもトロイダル型無段変速機の主要な部品である入力ディスク、出力ディスク、及びパワーローラ軸受などの動力伝達部品を対象としたものであり、パワーローラを入力ディスク及び出力ディスクの両摺接面に対して周方向に傾転可能に支持する変位軸や、パワーローラを変位軸の周方向に沿って回転自在に支持するラジアル軸受を対象とした技術に関しては言及されていない。
【００１０】
ここで、変位軸やラジアル軸受によって支持されているパワーローラは、入力ディスクや出力ディスクから加わる荷重により繰り返し弾性変形するようになっているため、ラジアル軸受の外輪を兼ねるパワーローラの内径面も同様に弾性変形するが、このことがラジアル軸受の耐久性を低下させることにつながる。そのため、トロイダル型無段変速機の耐久性を向上させる目的で、変位軸やラジアル軸受を形成する素材についても検討する必要がある。
【００１１】
また、ラジアル軸受においては、通常、潤滑油としてトラクションオイルが供給されているが、ラジアル軸受の構造上、潤滑油の供給が困難であり、軌道面に十分に油膜を形成することが困難である。
さらに、ラジアル軸受においては、大きな面圧が繰り返し作用するとともに、トロイダル型無段変速機の駆動に伴って発熱量が多くなる。発熱量が多くなると、ラジアルニードル軸受の軌道面の温度が上昇するため、特に熱伝導性の良好ではない転動体の早期剥離が発生しやすくなる。これに伴って、ニードル軸受の軸受寿命が大幅に低下し、結果的にトロイダル型無段変速機の耐久性が低下するという不具合がある。
【００１２】
さらに、本発明者らは、前述したＷＥＣに加えて、トロイダル型無段変速機特有の組織変化が早期剥離の原因となっていることを突き止めた。この特有の組織変化は、ＷＥＣと同様に腐食すると白く観測されるものではあるが、ＷＥＣのような規則正しい方向性を持たないものであることを見出した。
すなわち、トロイダル型無段変速機の耐久性をさらに向上させるためには、ＷＥＣ及びトロイダル型無段変速機特有の組織変化の両方を抑制する必要がある。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、トロイダル型無段変速機を形成する素材を検討し、且つ、熱処理を改善することにより、優れた耐久性を有し長寿命なトロイダル型無段変速機を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような課題を解決するために、本発明は次のような構成からなる。
すなわち、本発明の第一のトロイダル型無段変速機は、対向する内側面にそれぞれ断面円弧状の摺接面を有する入力ディスク及び出力ディスクと、これらのディスクの両摺接面の間に配置されたパワーローラ軸受と、を備え、このパワーローラ軸受は、前記両摺接面に対する摺接面を有するパワーローラと、当該パワーローラを前記入力ディスク及び前記出力ディスクの前記両摺接面に対して摺接自在に支持するパワーローラ支持軸受とからなるトロイダル型無段変速機において、前記入力ディスク、前記出力ディスク、前記パワーローラ、前記パワーローラ支持軸受を構成する外輪及び転動体の少なくとも一つは、質量比で、Ｃが０．６％以上１．３％以下、Ｓｉが０．３％以上２．０％以下、Ｍｎが０．３％以上１．５％  以下、Ｐが０．０３％以下、Ｓが０．０３％以下、Ｃｒが５．０％以上１５．０％以下、Ｍｏが０．１〜１．０％以下、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼材からなる素材を所定形状に加工した後、焼入れ処理及び焼戻し処理を施すことにより、０．５μｍ以下の微細炭化物を面積率で８〜２０質量％含み、摺接面の硬さがＨＲＣ６０以上となっていることを特徴とするものである。
【００１４】
このように、本発明の第一のトロイダル型無段変速機によれば、入力ディスク、出力ディスク、及びパワーローラ、パワーローラ支持軸受を構成する外輪及び転動体の少なくとも一つを、好適な合金成分を含有する鋼材を用いて好適な熱処理を施すことで、含まれる微細炭化物の寸法及び含有量を好適な範囲とするとともに、摺接面の硬さを好適な範囲としたことによって、早期剥離の原因となっていたＷＥＣ及びトロイダル型無段変速機特有の組織変化を抑制するとともに、転がり疲労特性を確保することができるため、トロイダル型無段変速機の耐久性を向上させることができる。
【００１５】
また、本発明の第二のトロイダル型無段変速機は、対向する内側面にそれぞれ断面円弧状の摺接面を有する入力ディスク及び出力ディスクと、これらのディスクの両摺接面の間に配置されたパワーローラ軸受と、を備え、このパワーローラ軸受は、前記両摺接面に対する摺接面を有するパワーローラと、当該パワーローラを前記入力ディスク及び前記出力ディスクの前記両摺接面に対して摺接自在に支持するパワーローラ支持軸受とからなるトロイダル型無段変速機において、前記入力ディスク、前記出力ディスク、前記パワーローラ、前記パワーローラ支持軸受を構成する外輪及び転動体の少なくとも一つは、質量比で、Ｃが０．１５％以上０．６０％以下、Ｃｒが５．０％以上１５．０％以下であり、且つ、０．３％以上２．０％以下のＳｉ、０．３％以上１．５％以下のＭｎ、０．０３％以下のＰ、０．０３％以下のＳ、０．１％以上１．０％以下のＭｏ、０．０７％以下のＡｌ、０．０５％以下のＮ、１．０％以下のＮｂのうち一種又は二種以上を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼材からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭処理又は浸炭窒化処理と、焼入れ処理と、焼戻し処理とをこの順で施すことにより、０．５μｍ以下の微細炭化物を面積率で８〜２０％含み、摺接面の硬さがＨＲＣ６０以上で、且つ、芯部の硬さがＨＲＣ３０以上となっていることを特徴とするものである。
【００１６】
このように、本発明の第二のトロイダル型無段変速機によれば、入力ディスク、出力ディスク、及びパワーローラ、パワーローラ支持軸受を構成する外輪及び転動体の少なくとも一つを、好適な合金成分を含有する鋼材を用いて好適な熱処理を施すことで、含まれる微細炭化物の寸法及び含有量を好適な範囲とするとともに、摺接面の硬さ及び芯部の硬さを好適な範囲としたことによって、早期剥離の原因となっていたＷＥＣ及びトロイダル型無段変速機特有の組織変化を抑制するとともに、振動の多い環境下であっても転がり疲労寿命を確保することができるため、トロイダル型無段変速機の耐久性をさらに向上させることができる。
【００１７】
また、本発明の第二のトロイダル型無段変速機によれば、低濃度から中濃度のＣが含有された鋼材を用いて浸炭処理又は浸炭窒化処理を施すことにより、表面は硬くて耐表面損傷が高く、且つ、芯部（内部）は表面に比べて柔らかくて靱性がある部材を容易に形成することができる。
なお、本発明の第一及び第二のトロイダル型無段変速機は、ハーフトロイダル型に適用してもよいし、フルトロイダル型に適用してもよい。なお、ハーフトロイダル型無段変速機においては、パワーローラがパワーローラ支持軸受の内輪を兼ねているため、パワーローラ軸受は、パワーローラ、パワーローラ支持軸受の外輪、及びパワーローラ支持軸受の転動体で構成される。
【００１８】
さらに、本発明の第三のトロイダル型無段変速機は、対向する内側面にそれぞれ断面円弧状の摺接面を有する入力ディスク及び出力ディスクと、前記入力ディスク及び前記出力ディスクの両摺接面間に挟持され、前記両摺接面に対する摺接面を有するパワーローラと、当該パワーローラを前記入力ディスク及び前記出力ディスクの前記両摺接面に対して周方向に傾転可能に支持する変位軸と、前記パワーローラを前記変位軸の周囲に回転自在に支持するラジアル軸受と、を備えたトロイダル型無段変速機において、前記変位軸及び前記ラジアル軸受を構成する転動体の少なくとも一つは、質量比で、Ｃが０．６０％以上１．３０％以下、Ｓｉが０．３％以上２．０％以下、Ｍｎが０．３％以上１．５％以下、Ｃｒが５．０％以上１５．０％以下、Ｍｏが０．１〜１．０％以下、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼材からなる素材を所定形状に加工した後、焼入れ処理及び焼戻し処理を施すことにより、０．５μｍ以下の微細炭化物を面積率で８〜２０％含み、摺接面の硬さがＨＲＣ６０以上で、且つ、表面粗さが０．２μｍＲａ以下となっていることを特徴とするものである。
【００１９】
このように、本発明の第三のトロイダル型無段変速機によれば、パワーローラを支持するラジアル軸受及び変位軸の少なくとも一つを、好適な合金成分を含有する鋼材を用いて好適な熱処理を施すことで、含まれる微細炭化物の寸法及び含有量を好適な範囲とするとともに、摺接面の硬さ及び表面粗さを好適な範囲としたことによって、早期剥離の原因となっていたＷＥＣ及びトロイダル型無段変速機特有の組織変化を抑制するとともに、動力伝達部品以外の転がり疲労寿命を十分に確保することができるため、トロイダル型無段変速機の耐久性をさらに向上させることができる。
【００２０】
ここで、本発明の第一又は第三のトロイダル型無段変速機において、前記焼入れ処理を施す前の素材に、浸炭処理又は浸炭窒化処理を施すことが好ましい。
このように、焼入れ処理の前に浸炭処理又は浸炭窒化処理を施すことによって、焼戻し軟化抵抗性が向上するため、高温での硬さの低下を抑制できる。これに加えて、残留圧縮圧力が生じるため、微小クラックの発生を抑制できる。その結果、転がり疲労寿命特性をさらに向上させることができる。
【００２１】
以下、本発明の各数値限定の臨界的意義について詳細に説明する。
まず、第一のトロイダル型無段変速機における各数値限定の臨界的意義につい        て以下に示す。
〔Ｃ：０．６質量％以上１．３質量％以下〕
Ｃ（炭素）は、鋼の強度を保持するために必要な元素である。転がり疲労寿命に必要な硬さＨＲＣ６０以上を得るためには、Ｃを０．６質量％以上含有させる必要がある。しかし、含有量が多すぎると、大型の共晶炭化物やネット状の炭化物が析出しやすくなり、転がり疲労寿命が短くなるため、その上限を１．３質量％以下とする。
【００２２】
〔Ｓｉ：０．３質量％以上２．０質量％以下〕
Ｓｉ（珪素）は、製鋼での脱酸効果のために、且つ、焼戻し軟化抵抗を得るために必要な元素である。この効果を得るためには、Ｓｉを０．３質量％以上含有させる必要がある。しかし、含有量が多すぎると、鍛造性及び冷間加工性が低下するため、その上限を２．０質量％以下とする。
〔Ｍｎ：０．３質量％以上１．５質量％以下〕
Ｍｎ（マンガン）は、焼入れ性を向上させるために必要な元素である。この効果を得るために、Ｍｎを０．３質量％以上含有させる必要がある。しかし、含有量が多すぎると、加工性及び熱間加工性が低下するため、その上限を１．５質量％以下とする。
【００２３】
〔Ｐ：０．０３質量％以下〕
Ｐ（リン）は、鋼中に多量に存在すると、結晶粒界に偏折し粒界を脆化させる原因となる。このため、少なければ少ないほどよいが、製造上実用的な上限として０．０３質量％とした。
〔Ｓ：０．０３質量％以下〕
Ｓ（硫黄）は、ＭｎＳなどの非金属介在物を生成し、切削性を向上させるために必要な元素である。しかし、含有量が多すぎると、転がり疲労特性が劣化するため、その上限を０．０３質量％以下とした。
【００２４】
〔Ｃｒ：５．０質量％以上１５．０重量％以下〕
Ｃｒ（クロム）は、微細炭化物（Ｆｅ，Ｃｒ）3 Ｃを生成するために必要な元素である。生成した微細炭化物は、鋼中の非金属介在物に代わり、水素原子のトラップサイトになる。ここで、鋼中に存在する微細炭化物は、非金属介在物のように同時に多くの水素原子をトラップすることなく、一つの微細炭化物で少数の水素原子のみをトラップする。このため、鋼中に侵入した水素原子は、微細炭化物にトラップされることにより、鋼中に均等に分散して存在することになる。したがって、従来は、一つの非金属介在物に多数の水素原子がトラップされることで発生していた脆性破壊を抑制することが可能となる。
【００２５】
このような効果を得るとともに、靱性に強く、且つ、振動の多い環境下でも割れにくい鋼材を得るために、Ｃｒを５．０質量％以上含有させる必要がある。しかし、含有量が多すぎると、粗大な共晶炭化物が形成されやすく、転がり疲労寿命が低下するため、その上限を１５．０質量％以下とする。
また、Ｃｒは、炭化物を生成することで鋼材を安定させる効果を持つため、炭化物量が少なくなることで発生するＷＥＣ及びトロイダル型無段変速機特有の組織変化の両方を抑制するために有効な元素である。この効果を得るために、Ｃｒの含有量は７．０質量％以上１２．０質量％未満とすることが好ましい。
【００２６】
〔Ｍｏ：０．１質量％以上１．０質量％以下〕
Ｍｏ（モリブデン）は、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を増加させ、且つ、転がり疲労によって生じる組織変化を遅延させるために必要な元素である。この効果を得るために、Ｍｏを０．１質量％含有させる必要がある。しかし、ＭｏはＣｒと同様に炭化物形成元素であるため、含有量が多すぎると、転がり疲労特性を劣化させる大型の共晶炭化物の生成を促進するため、その上限を１．０質量％以下とする。
【００２７】
〔０．５μｍ以下の微細炭化物について〕
転がり疲労寿命を確保し、且つ、一つの微細炭化物に多数の水素原子がトラップされることで発生する脆性破壊の発生を抑制するために、微細炭化物を０．５μｍ以下とする必要がある。また、鋼中に侵入した水素原子を十分にトラップ可能とするために、面積率で８％以上の微細炭化物を存在させる必要がある。しかし、微細炭化物の存在量が多すぎると、巨大な炭化物が形成されて転がり疲労特性が劣化するため、その上限を２０％以下とする。
【００２８】
〔摺接面の硬さについて〕
転がり疲労寿命を確保するために、本発明の鋼材で形成した入力ディスク、出力ディスク、パワーローラ、及びパワーローラ支持軸受の外輪は、その摺接面の硬さをＨＲＣ６０以上とする必要がある。
次に、本発明の第二のトロイダル型無段変速機における各数値限定の臨界的意義について以下に示す。なお、第一のトロイダル型無段変速機における各数値限定の臨界的意義と異なるものについてのみ、説明する。
【００２９】
〔Ｃ：０．１５質量％以上０．６０質量％以下〕
Ｃ（炭素）は、鋼材中に低濃度から中濃度程度含有するようにすると、靱性に強く、振動の多い環境下でも優れた耐割れ性を確保することができる。この効果を得るために、Ｃを０．１５質量％以上含有させる必要がある。しかし、含有量が多すぎると、硬さ勾配を得ることができなくなるため、その上限を０．６０質量％以下とする。
【００３０】
〔Ａｌ：０．０７質量％以下〕
Ａｌ（アルミニウム）は、鋼の溶製時の脱酸剤として作用するとともに、Ｎと結合して結晶粒を微細化することで鋼の靱性を向上させるために必要な元素である。特に、過酷な繰り返し応力負荷条件下で、前述したＷＥＣ及びトロイダル型無段変速機特有の組織変化の遅延を促し、転がり疲労寿命をより一層向上させるために不可欠な元素である。このような組織変化の遅延を促す作用は、Ａｌを単独で多量に含有することで十分な効果が得られる。しかし、含有量が多すぎると、その効果が飽和するとともに、靱性及び加工性が劣化するため、その上限を０．０７質量％以下とする。
【００３１】
〔Ｎ：０．０５室量％以下〕
Ｎ（窒素）は、溶製時に脱酸剤として作用して低酸素化に有効に働くとともに、窒化物形成元素と結合して結晶粒を微細化し、基地に固溶して焼入れ・焼戻し後の強度を高めることで、転がり疲労寿命を向上させるために必要な元素である。また、繰り返し応力によってＷＥＣ及びトロイダル型無段変速機特有の組織変化の発生を遅延させることで、転がり疲労寿命を向上させる効果も有する。しかし、含有量が多すぎると、その効果が飽和するとともに、靱性及び加工性が劣化するため、その上限を０．０５質量％以下とする。
【００３２】
〔Ｎｂ：１．０質量％以下〕
Ｎｂ（ニオブ）は、前述したＷＥＣ及びトロイダル型無段変速機特有の組織変化の発生を遅延させることで、転がり疲労寿命を向上させるとともに、残留炭化物を安定化させることで耐摩耗性を向上させるために必要な元素である。また、結晶粒を微細化することにより、靱性を向上させる効果も有する。しかし、含有量が多すぎると、その効果が飽和するとともに、焼入れ時の固溶Ｃ量が低下して強度が低下するため、その上限を１．０質量％以下とする。
【００３３】
〔芯部の硬さについて〕
振動の多い環境下であっても転がり疲労寿命を確保するために、表面は硬く耐表面損傷が高く、且つ、芯部は表面に比べて硬さが低く、靱性を確保する必要がある。この効果を得るために、鋼材の芯部硬さをＨＲＣ３０以上で、且つ、表面硬さをＨＲＣ６０以上とする必要がある。また、芯部硬さは、硬すぎると靱性が確保できない場合があるので、ＨＲＣ４５以下とするのが好ましい。
次いで、第三のトロイダル型無段変速機における各数値限定の臨界的意義について以下に示す。なお、第一及び第二のトロイダル型無段変速機における各数値限定の臨界的意義と異なるものについてのみ、説明する。
【００３４】
〔表面粗さ：０．２μｍＲａ以下〕
トロイダル型無段変速機の駆動時において、パワーローラは入力ディスクと出力ディスクとの間で強く挟持され、その結果、パワーローラの中心孔は楕円形状に弾性変形する。このため、パワーローラの内径にあるラジアル軸受と変位軸との間で片あたりが発生し、トラクションオイルの油膜形成が困難になるため、発熱量が多くなる。ここで、ラジアル軸受の転動体と変位軸との間で十分な油膜形成を行うために、その表面粗さを０．２μｍＲａ以下とする必要がある。
【００３５】
続いて、第一乃至第三のトロイダル型無段変速機において、焼入れ処理の前に浸炭処理又は浸炭窒化処理を施すことによる作用・効果について説明する。
鋼材からなる素材に焼入れ処理を施す前に、浸炭処理又は浸炭窒化処理を施すことで、炭素や窒素が鋼材のマトリックスであるマルテンサイト中に固溶し、焼戻し軟化抵抗性を向上させ、高温での硬さの低下を抑制させることが可能となる。また、この浸炭処理又は浸炭窒化処理を施すことで、鋼材の表面層と芯部との炭素濃度に差異が発生するため、表面層と芯部とのマルテンサイト変態点がずれる。よって、焼入れ処理及び焼戻し処理後の鋼材の表面層に残留圧縮応力を生じさせ、表面層の接線方向に生じる引っ張り応力による微小クラックを発生を抑制することができるため、転がり疲労寿命を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００３６】
以上説明したように、本発明の第一のトロイダル型無段変速機によれば、早期剥離の原因となっていたＷＥＣ及びトロイダル型無段変速機特有の組織変化を抑制するとともに、転がり疲労特性を確保することができるため、トロイダル型無段変速機の耐久性を向上させることができる。
また、本発明の第二のトロイダル型無段変速機によれば、早期剥離の原因となっていたＷＥＣ及びトロイダル型無段変速機特有の組織変化を抑制するとともに、振動の多い環境下であっても転がり疲労寿命を確保することができるため、トロイダル型無段変速機の耐久性をさらに向上させることができる。
【００３７】
さらに、本発明の第三のトロイダル型無段変速機によれば、早期剥離の原因となっていたＷＥＣ及びトロイダル型無段変速機特有の組織変化を抑制するとともに、動力伝達部品以外の転がり疲労寿命を十分に確保することができるため、トロイダル型無段変速機の耐久性をさらに向上させることができる。
さらに、本発明の第一又は第三のトロイダル型無段変速機において、鋼材からなる素材に、焼入れ処理の前に浸炭処理又は浸炭窒化処理を施すことによって、高温での硬さの低下を抑制できるとともに、微小クラックの発生を抑制できるため、転がり疲労寿命特性をさらに向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
＜第一実施形態＞
図１は、本発明に係るトロイダル型無段変速機の一例として、ハーフトロイダル型無段変速機の一構成例を示す断面図である。図２は、図１に示すトロイダル型無段変速機のＡ−Ａ線に沿った断面図である。なお、本実施形態は、本発明の一例を示すものであり、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
本実施形態におけるトロイダル型無段変速機は、図１及び図２に示すように、、入力軸１１に回転自在に支持された入力ディスク２及び出力ディスク４と、入力ディスク２及び出力ディスク４の間に挟持されたパワーローラ軸受２０と、から構成されており、入力ディスク２及び出力ディスク４とパワーローラ軸受２０とのそれぞれの摺接面２ａ，４ａ，９ａには、粘度摩擦抵抗の大きな潤滑油としてトラクションオイル（図示せず）が供給されている。
【００３９】
入力ディスク２及び出力ディスク４は、対向する内側面にそれぞれ断面円弧状（ハーフトロイド状）の摺接面２ａ，４ｂを有している。また、入力軸１１の端部と入力ディスク２との間にはローディングカム装置１０が設けられており、出力ディスク４は、この出力ディスク４と同期して回転する出力歯車１２に結合されている。
パワーローラ軸受２０は、入力ディスク２の摺接面２ａ及び出力ディスク４の摺接面４ａに対する摺接面９ａを有するパワーローラ９と、このパワーローラ９を支持するパワーローラ支持軸受と、から構成されている。
【００４０】
パワーローラ支持軸受は、内輪として機能するパワーローラ９と、外輪１６と、パワーローラ９及び外輪１６の間に転動自在に配設された複数の玉１４と、から構成されており、入力ディスク２及び出力ディスク４からパワーローラ９に加わるスラスト方向の荷重を支持しつつ、パワーローラ９の回転を許容している。
また、パワーローラ軸受２０の外輪１６は、入力軸１１の軸線に対して略直角方向に延接するトラニオン７と、このトラニオン７との間に転動自在に配設される複数の針状ころ１５と、から形成されるスラストニードル軸受の内輪として機能している。
【００４１】
さらに、トラニオン７の軸方向（図２における左右方向）両端部には、トラニオン７の軸と同心に枢軸６が設けられており、この枢軸６は、支持部材である一対の支持板１３，１３に揺動可能で、且つ、軸方向に変位自在に支持されている。なお、トラニオン７の軸方向の変位は、油圧式アクチュエータ１７によって行われるようになっている。
さらに、トラニオン７の軸方向中間部には、変位軸８の基端部が支持されており、変位軸８の先端部にはパワーローラ９が変位軸の周方向に沿って回転自在に支持されている。つまり、変位軸８の先端部とパワーローラ９との間には複数の針状ころ１８が転動自在に配設されており、変位軸８の先端部が内輪として機能し、且つ、パワーローラ９が外輪として機能したラジアルニードル軸受（ラジアル軸受）が形成されている。なお、変位軸８の基端部と先端部とは、互いに偏心している。
【００４２】
そして、入力軸１１の回転がローディングカム装置１０を介して入力ディスク２に伝達され、この入力ディスク２の回転がパワーローラ９を介して出力ディスク４に伝わることで、入力ディスク２から出力ディスク４に動力を伝達することができる。このとき、パワーローラ９を支持する変位軸８の傾きを変化させ、パワーローラ９と入力ディスク２及び出力ディスク４との接触半径を変えて変速させることにより、入力ディスク２に与えられる動力が、パワーローラ９とトラクションオイルとを介して、無段変速で出力ディスク４に伝達されるようになっている。
【００４３】
本実施形態においては、まず、表１に示す構成（鋼材，熱処理法）で、図１の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４、及びパワーローラ９を作製した。そして、入力ディスク２、出力ディスク４、及びパワーローラ９以外の部品は通常用いられる既製品を使用し、トロイダル型無段変速機を完成させた。なお、表１中「焼入焼戻」とは、図４に示すように、９００〜１０００℃のＲｘガス雰囲気で０．５〜１時間保持した後油焼入れを行い、次に温度が１８０〜２４０℃の大気中で２時間加熱した後冷却したことを示す。同様に「浸炭」又は「浸炭窒化」とは、図５に示すように、９５０〜１０５０℃のＲｘガス及びエンリッチガス雰囲気（アンモニアガスが含まれてもよい）で２０〜３０時間浸炭処理又は浸炭窒化処理を施した後、焼入れ処理を行い、次に温度が１８０〜２４０℃の大気中で２時間加熱した後冷却したことを示す。
【００４４】
【表１】
2005076843.tif 000003
【００４５】
そして、このような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。結果は表２に示す。なお、表２中「炭化物の面積率」は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて各試験機のそれぞれの摺接面を合計で１０００μｍ2 観察した観察像を画像解析により評価し、確実に観察可能な１００ｎｍ以上の炭化物が存在する割合を面積率で算出したものである。また、表２中「試験時間」とは剥離が発生した時間を試験時間とし、５０時間が経過した段階で試験を終了した。
（試験条件）
試験機：ダイナモ試験機
入力軸の回転速度：３０００ｍｉｎ-1 
入力トルク：３５０Ｎｍ
使用オイル：合成潤滑油
供給油温：１１０℃
変速比：２．０
【００４６】
【表２】
2005076843.tif 000004
【００４７】
表２に示すように、実施例１〜実施例１８においては、いずれも耐久性に優れていることが分かる。
一方、比較例１においては、Ｃの含有量が少なく、十分な表面硬さが得られないため、短寿命であると考えられる。
比較例２においては、Ｃの含有量が多く、粗大な炭化物が析出するため、短寿命であると考えられる。
比較例３においては、Ｓｉの含有量が少なく、十分な焼戻し硬さが得られないため、短寿命であると考えられる。
比較例４においては、Ｓｉの含有量が多く、入力ディスク及び出力ディスクの鍛造時に割れが発生したため、入力ディスク及び出力ディスクの製造を最後まで行うことができなかった。
【００４８】
比較例５においては、Ｍｎの含有量が少なく、表面硬さが十分に得られないため、短寿命であると考えられる。
比較例６は、Ｍｎの含有量が多く、加工性が悪いため、トロイダル型無段変速機の製造を途中で取りやめたものである。
比較例７は、Ｐの含有量が多く、結晶粒界に偏析し、水素分子をトラップするため、短寿命であると考えられる。
比較例８は、Ｓの含有量が多く、ＭｎＳを起点として剥離が発生するため、短寿命であると考えられる。
比較例９，１３，１５は、Ｃｒの含有量が少なく、十分に微細炭化物が析出しておらず、水素のトラップサイトとしての効果が得られないため、短寿命であると考えられる。
比較例１０，１４，１６は、Ｃｒの含有量が多く、炭化物が粗大化するため、短寿命であると考えられる。
【００４９】
比較例１１は、Ｍｏの含有量が少なく、転がり疲労で一般的に生じる組織変化が起こるため、短寿命であると考えられる。
比較例１２は、Ｍｏの含有量が多く、大型の共晶炭化物が生成するため、短寿命であると考えられる。
以上の結果より、入力ディスク２、出力ディスク４、パワーローラ９を、質量比で、Ｃが０．６％以上１．３％以下、Ｓｉが０．３％以上２．０％以下、Ｍｎが０．３％以上１．５％以下、Ｐが０．０３％以下、Ｓが０．０３％以下、Ｃｒが５．０％以上１５．０％以下、Ｍｏが０．１〜１．０％以下、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼材からなる素材を所定形状に加工した後、好適な熱処理を施すことにより、０．５μｍ以下の微細炭化物を面積率で８〜２０質量％含み、摺接面２ａ，４ａ，９ａ，１６ａの硬さをＨＲＣ６０以上とすることによって、長寿命なトロイダル型無段変速機を得られることが確認できた。
【００５０】
＜第二実施形態＞
本実施形態は、第一実施形態と同様の構成を有するトロイダル型無段変速機において、入力ディスク２、出力ディスク４、パワーローラ軸受２０を構成するパワーローラ支持軸受の外輪１６及び玉１４の少なくとも一つの構成材料を限定したものである。
すなわち、本実施形態においては、まず、表３に示す構成（鋼材）に浸炭処理と、焼入れ処理及び焼き戻し処理とをこの順で行い、図１の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４、パワーローラ９、パワーローラ支持軸受の外輪１６及び玉１４を作製した。そして、入力ディスク２、出力ディスク４、パワーローラ９、パワーローラ支持軸受の外輪１６及び玉１４以外の部品は通常用いられる既製品を使用し、トロイダル型無段変速機を完成させた。
【００５１】
そして、このような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。結果は表３中に併せて示す。なお、表３中「炭化物の面積率」及び「試験時間」は、前述した第一実施形態と同様の方法で評価を行った。また、表３中「組織変化」とは、ＷＥＣ及びトロイダル型無段変速機特有の組織変化を示すものである。
（試験条件）
試験機：ダイナモ試験機
入力軸の回転速度：３５００ｍｉｎ-1 
入力トルク：３７０Ｎｍ
使用オイル：トラクションオイル合成潤滑油
供給油温：１３０℃
最大面圧：３．９ＧＰａ
【００５２】
【表３】
2005076843.tif 000005
【００５３】
表３に示すように、実施例２１〜実施例２４においては、試験打ち切り時間まで耐久試験を行っても剥離が生じず、耐久性に優れていることが分かる。
一方、比較例２１においては、Ｃの含有量が少なく、表面硬さが十分ではないため、高面圧に耐えられず耐久試験を実施できなかった。  
比較例２２においては、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｎ，Ｎｂが多く、剥離が発生したため耐久試験を実施できなかった。
比較例２３においては、Ｃｒの含有量が低く、剥離が生じたため、短寿命であると考えられる。
比較例２４においては、Ｃｒの含有量が多く、巨大な炭化物が生じ、組織変化を誘発しているため、短寿命であると考えられる。
【００５４】
以上の結果より、入力ディスク２、出力ディスク４、パワーローラ９、パワーローラ支持軸受を構成する外輪１６及び玉１４の少なくとも一つを、質量比で、Ｃが０．１５％以上０．６０％以下、Ｃｒが５．０％以上１５．０％以下であり、且つ、０．３％以上２．０％以下のＳｉ、０．３％以上１．５％以下のＭｎ、０．０３％以下のＰ、０．０３％以下のＳ、０．１％以上１．０％以下のＭｏ、０．０７％以下のＡｌ、０．０５％以下のＮ、１．０％以下のＮｂのうち一種又は二種以上を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼材からなる素材を所定形状に加工した後、好適な熱処理を施すことにより、０．５μｍ以下の微細炭化物を面積率で８〜２０％含み、摺接面２ａ，４ａ，９ａ，１４ａの硬さをＨＲＣ６０以上で、且つ、芯部の硬さをＨＲＣ３０以上とすることによって、長寿命なトロイダル型無段変速機が得られることが確認できた。
【００５５】
なお、第一及び第二実施形態においては、本発明をハーフトロイダル型無段変速機に適用した場合について説明したが、これに限らず、図３に示すように、パワーローラ軸受２０が、パワーローラ９とこのパワーローラ９を支持するパワーローラ支持軸受３０とから構成されたフルトロイダル型無段変速機に適用するようにしてもよい。このフルトロイダル型無段変速機は、パワーローラ９がパワーローラ支持軸受３０の内輪３１を兼ねておらず、パワーローラ９は、パワーローラ支持軸受３０によって回転自在に支持されている。なお、図３中の符号４０は入力ディスクを出力ディスク側に向けて弾性的に押圧する油圧ピストンを示す。
【００５６】
すなわち、第一実施形態をフルトロイダル型無段変速機に適用する場合、入力ディスク２、出力ディスク４、パワーローラ９、及びパワーローラ支持軸受３０の外輪３２及び転動体３３の少なくとも一つは、第一実施形態で示した鋼材からなる素材を所定形状に加工した後、好適な熱処理を施すことにより、０．５μｍ以下の微細炭化物を面積率で８〜２０質量％含み、摺接面２ａ，４ａ，９ａ，３２ａの硬さをＨＲＣ６０以上とする。
【００５７】
また、第二実施形態をフルトロイダル型無段変速機に適用する場合、入力ディスク２、出力ディスク４、パワーローラ９、パワーローラ支持軸受３０を構成する外輪３２及び転動体３３の少なくとも一つは、第二実施形態で示した鋼材からなる素材を所定形状に加工した後、好適な熱処理を施すことにより、０．５μｍ以下の微細炭化物を面積率で８〜２０％含み、摺接面２ａ，４ａ，９ａ，３３ａの硬さがＨＲＣ６０以上で、且つ、芯部の硬さがＨＲＣ３０以上とする。
【００５８】
＜第三実施形態＞
本実施形態におけるトロイダル型無段変速機は、第一実施形態と同様のトロイダル型無段変速機において、変位軸８及びラジアルニードル軸受の針状ころ（転動体）１８の少なくとも一つの構成材料を限定したものである。
すなわち、本実施形態においては、まず、表４に示す構成（鋼材，熱処理法）で、図１に示すトロイダル型無段変速機の変位軸８及びニードル軸受の針状ころ１８を作製した。そして、変位軸８及びニードル軸受の針状ころ１８以外の部品は常用いられる既製品を使用し、トロイダル型無段変速機を完成させた。なお、表４中「焼入焼戻」及び「浸炭」又は「浸炭窒化」とは、前述した第一実施形態と同様の熱処理を示す。
【００５９】
【表４】
2005076843.tif 000006
【００６０】
そして、このような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。結果は表５に示す。なお、表５中「炭化物の面積率」及び「試験時間」とは、前述した第一実施形態と同様の方法で評価を行った。
（試験条件）
試験機：ダイナモ試験機
入力軸の回転速度：４０００ｍｉｎ-1 
入力トルク：３６０Ｎｍ
使用オイル：トラクションオイル
供給油温：１２０℃
【００６１】
【表５】
2005076843.tif 000007
【００６２】
表５に示すように、実施例３１〜実施例４０においては、いずれも５０時間耐久試験を行っても破損せず、耐久性に優れていることが分かる。
一方、比較例３１においては、Ｃの含有量が少なく、十分な表面硬さが得られないため、短寿命であると考えられる。
比較例３２においては、Ｓｉの含有量が少なく、十分な焼戻し硬さが得られないため、短寿命であると考えられる。
比較例３３においては、Ｍｎの含有量が少なく、十分な硬化層深さが得られないため、短寿命であると考えられる。
比較例３４，３６においては、Ｃｒの含有量が少なく、靱性が不足していたため、短寿命であると考えられる。
【００６３】
比較例３５においては、Ｃｒの含有量が多く、炭化物が粗大化するため、短寿命であると考えられる。
比較例３７〜４０においては、いずれも浸炭処理又は浸炭窒化処理が行われているため、比較例３１〜３６の結果と比べて長寿命を得られているが、比較例３７〜４０はいずれもＣｒの含有量が本発明の範囲を満たしていないため、実施例３１〜４０と比べて短寿命であることが分かる。
【００６４】
以上説明したように、変位軸８及びラジアルニードル軸受を構成する針状ころ１８の少なくとも一つを、質量比で、Ｃが０．６０％以上１．３０％以下、Ｓｉが０．３％以上２．０％以下、Ｍｎが０．３％以上１．５％以下、Ｃｒが５．０％以上１５．０％以下、Ｍｏが０．１〜１．０％以下、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼材からなる素材を所定形状に加工した後、好適な熱処理を施すことにより、０．５μｍ以下の微細炭化物を面積率で８〜２０％含み、摺接面８ａ，１８ａの硬さをＨＲＣ６０以上で、且つ、表面粗さを０．２μｍＲａ以下としたことによって、長寿命なトロイダル型無段変速機が得られることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本実施形態におけるトロイダル型無段変速機の一例として、ハーフトロイダル型無段変速機を示す断面図である。
【図２】図１に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】本実施形態におけるトロイダル型無段変速機の他の例として、フルトロイダル型無段変速機を示す断面図である。
【図４】焼入れ処理及び焼戻し処理の一例を示す説明図である。
【図５】浸炭処理又は浸炭窒化処理の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６６】
２…入力ディスク
４…出力ディスク
８…変位軸
９…パワーローラ
１４…玉（パワーローラ支持軸受の転動体）
１６…外輪（パワーローラ支持軸受の外輪）  
１８…針状ころ（ラジアル軸受の転動体）  
２０…パワーローラ軸受
３０…パワーローラ支持軸受
３２…外輪（パワーローラ支持軸受の外輪）
【図１】
2005076843.tif 000008
【図２】
2005076843.tif 000009
【図３】
2005076843.tif 000010
【図４】
2005076843.tif 000011
【図５】
2005076843.tif 000012