(57)【要約】【課題】  耐久性を備えたトロイダル型無段変速機を低コストで製造する。【解決手段】  入力ディスク２、出力ディスク３、パワーローラ５の少なくとも一つを、Ｃの含有率が０．５〜０．８質量％、Ｓｉの含有率が０．１〜１．０質量％、Ｍｎの含有率が０．１〜１．０質量％、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼からなる素材を所定形状に加工した後、高周波焼入れを含む熱処理を施すことにより、動力伝達面２ａ、３ａ、５ａの表層部の硬さをＨｖ６８０以上とし、芯部の硬さをＨｖ２００〜４００とする工程と、動力伝達面２ａ、３ａ、５ａに形成された高周波焼入れによる全硬化層に存在する介在物を超音波探傷法を用いて測定する工程と、介在物の長さが１ｍｍ以下のものを用いてトロイダル型無段変速機を組み立てる工程を経てトロイダル型無段変速機を製造する。【選択図】        図１
2005308029.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動力伝達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出力ディスクの間に配置されて、前記動力伝達面に摺接する動力伝達面を有するパワーローラと、を備えたトロイダル型無段変速機において、
前記入力ディスク、出力ディスク及びパワーローラの少なくとも一つは、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、表面硬化処理を含む熱処理が施されて得られ、
前記動力伝達面の表層部の硬さがビッカース硬さでＨｖ６８０以上で、且つ、芯部の硬さがビッカース硬さでＨｖ２００以上４００以下となっているとともに、前記動力伝達面に形成された前記表面硬化処理による全硬化層に存在する介在物の長さが１ｍｍ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２】
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及び出力ディスクと、前記入力ディスク及び出力ディスクの間に配置されて、前記動力伝達面に摺接する動力伝達面を有するパワーローラと、を備えたトロイダル型無段変速機の製造方法において、
前記入力ディスク、出力ディスク、及びパワーローラの少なくとも一つを、Ｃの含有率が０．５〜０．８質量％、Ｓｉの含有率が０．１〜１．０質量％、Ｍｎの含有率が０．１〜１．０質量％、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼からなる素材を所定形状に加工した後、高周波焼入れを含む熱処理を施すことにより、前記動力伝達面の表層部の硬さがビッカース硬さでＨｖ６８０以上、且つ、芯部の硬さがビッカース硬さでＨｖ２００以上４００以下になるように作製する工程と、
前記動力伝達面に形成された前記高周波焼入れによる全硬化層に存在する介在物を、超音波探傷法を用いて測定する工程と、
前記介在物の長さが１ｍｍ以下のものを用いて、トロイダル型無段変速機を組み立てる工程と、を備えることを特徴とするトロイダル型無段変速機の製造方法。
【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及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用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するパワーローラと、を備えた無段変速機構（バリエータ）を有している。
このトロイダル型無段変速機は、入力軸の回転が、入力ディスク、パワーローラ、及び出力ディスクを介して出力軸に伝達されるようになっており、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。
【０００３】
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、パワーローラを介して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は、歯車式有段変速機等と比較して、非常に高い剪断応力や曲げ応力を受ける。したがって、入力ディスク、出力ディスク、及びパワーローラには、特に高い疲労割れ強度が必要となる。
下記特許文献１では、入力ディスク、出力ディスク及びパワーローラを作製する際に、浸炭処理又は浸炭窒化処理を行い、鋼材の表面から２〜４ｍｍの範囲内にＨｖ５５０以上の硬化層を形成することにより、疲労割れ強度を向上させる技術が提案されている。
【０００４】
また、下記特許文献２では、トロイダル型無段変速機の入力ディスク、出力ディスク、及びパワーローラ用の素材として、極値統計法に基づいた統計処理により、推定面積（３００００ｍｍ2 ）あたりに存在する最大介在物の面積の平方根が５０μｍ以下に特定された鋼材を用いることが提案されている。この極値統計法に基づいた統計処理は、棒状の鋼材（以下、「棒材」と称す。）を圧延方向（棒材の長手方向）に沿って中心線を通るように切断した面を被検査面とし、この被検査面の中心線近傍で棒材の直径の４０％以下の部分（つまり、鋼材の芯部）に存在する介在物を顕微鏡観察で測定した結果を用いて行う。
【０００５】
さらに、下記特許文献３では、トロイダル型無段変速機の入力ディスク、出力ディスク、及びパワーローラ用の素材として、超音波探傷法により、表面から０．５ｍｍの深さまでの範囲に存在する非金属介在物の最大径が０．１ｍｍ未満に特定された鋼材を用いることが提案されている。
さらに、下記非特許文献１では、鋼材の疲労強度σｗとビッカース硬さＨｖとの間には、下記式（１）が成り立つことが記載されている。
σｗ＝１．６Ｈｖ                    ・・・（１）
【０００６】
この式は、Ｈｖ≦４００の場合には成立するが、Ｈｖ＞４００の場合には有効に成立しなくなる。その理由は、Ｈｖ＞４００の場合には、鋼材中に存在する介在物が応力集中の原因となり、特に酸化物系介在物は非常に硬いことから素地の変形に応じて変形せず、周囲に亀裂を発生させるため、鋼材中の介在物の分布が疲労強度σｗに影響を及ぼすようになるからである。この介在物の分布が疲労強度σｗに及ぼす影響は、硬さが高くなるにつれて大きくなり、Ｈｖ６５０以上では鋼材中に存在する介在物が疲労の主原因となっている。よって、Ｈｖ＞４００の鋼材を用いる場合には、鋼材中に存在する介在物の測定を行い、その許容範囲を特定する必要がある。
【特許文献１】特開平７−７１５５５号公報
【特許文献２】特開平１１−１９３８５５号公報
【特許文献３】特開２００１−２６８４０号公報
【非特許文献１】村上敬宜著「微小欠陥と介在物の影響」（株式会社養賢社、１９９３年出版）、６３〜９９頁
【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、上記特許文献１〜３には、鋼材の芯部の硬さについての詳細な言及はない。また、長時間を要する浸炭処理や鋼の清浄度を向上させる製鋼プロセスを行うことは、製造コストの増大につながる。
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の入力ディスク、出力ディスク及びパワーローラに要求される動力伝達面の表層部の硬さ及び芯部の硬さを再検討することにより、耐久性を備えたトロイダル型無段変速機を低コストで製造できるようにす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及び出力ディスクと、前記入力ディスク及び出力ディスクの間に配置されて、前記動力伝達面に摺接する動力伝達面を有するパワーローラと、を備えたトロイダル型無段変速機において、前記入力ディスク、出力ディスク及びパワーローラの少なくとも一つは、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、表面硬化処理を含む熱処理が施されて得られ、前記動力伝達面の表層部の硬さがビッカース硬さでＨｖ６８０以上で、且つ、芯部の硬さがビッカース硬さでＨｖ２００以上４００以下となっているとともに、前記動力伝達面に形成された前記表面硬化処理による全硬化層に存在する介在物の長さが１ｍｍ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を提供する。
【０００９】
本発明はまた、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及び出力ディスクと、前記入力ディスク及び出力ディスクの間に配置されて、前記動力伝達面に摺接する動力伝達面を有するパワーローラと、を備えたトロイダル型無段変速機の製造方法において、前記入力ディスク、出力ディスク、及びパワーローラの少なくとも一つを、Ｃの含有率が０．５〜０．８質量％、Ｓｉの含有率が０．１〜１．０質量％、Ｍｎの含有率が０．１〜１．０質量％、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼からなる素材を所定形状に加工した後、高周波焼入れを含む熱処理を施すことにより、前記動力伝達面の表層部の硬さがビッカース硬さでＨｖ６８０以上、且つ、芯部の硬さがビッカース硬さでＨｖ２００以上４００以下になるように作製する工程と、前記動力伝達面に形成された前記高周波焼入れによる全硬化層に存在する介在物を、超音波探傷法を用いて測定する工程と、前記介在物の長さが１ｍｍ以下のものを用いて、トロイダル型無段変速機を組み立てる工程と、を備えることを特徴とするトロイダル型無段変速機の製造方法を提供する。
【００１０】
本発明において、前記表層部とは、剪断応力が加わる深さまでの部分を指し、芯部とは、高周波焼入れ等の表面硬化処理により形成される全硬化層深さよりも深い部分を指す。  また、前記表層部及び芯部のビッカース硬さは、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４に準拠して測定した値を指す。
【００１１】
以下、本発明の各数値限定の臨界的意義について説明する。
〔動力伝達面の表層部及び芯部の硬さについて〕  
本発明では、入力ディスク、出力ディスク、及びパワーローラの動力伝達面の表層部の硬さを、転がり疲労寿命を確保するために必要なビッカース硬さＨｖ６８０以上とした。これら各動力伝達面の表層部の硬さをＨｖ６８０未満とすると、動力伝達面に早期剥離が発生し易くなる。一方、動力伝達面の表層部の硬さの上限は、靱性低下防止の点から、Ｈｖ８５０とすることが好ましい。
【００１２】
ここで、各動力伝達面の表層部の硬さはＨｖ６８０以上としたため、上記式（１）に示すように、各動力伝達面の疲労強度σｗには、この表層部を含む表面硬化処理による全硬化層に存在する介在物の分布が影響を及ぼすようになる。よって、各動力伝達面に形成された表面硬化処理による全硬化層に存在する介在物（例えば、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＭｇＯ、ＣａＯなどの酸化物系介在物）を超音波探傷法により測定し、その長さを１ｍｍ以下に限定する。
【００１３】
また、本発明では、入力ディスク、出力ディスク、及びパワーローラの芯部の硬さを、鋼材中に存在する介在物が耐久性に影響を及ぼさないビッカース硬さＨｖ４００以下とした。これにより、芯部に存在する介在物を起点とする亀裂を抑制できるため、トロイダル型無段変速機の耐久性を向上できる。一方、上記式（１）に示すように、硬さＨｖの低下とともに疲労強度σｗは低下する。本発明では、必要な疲労強度を確保できる芯部の硬さの下限値を、Ｈｖ２００とした。
【００１４】
〔Ｃ：０．５〜０．８質量％〕
Ｃ（炭素）は、高周波焼入れによって、動力伝達面の表層部の硬さを確保するために必要な元素である。転がり疲労寿命を確保するために必要な硬さＨｖ６８０以上とするためには、Ｃの含有率を０．５質量％以上とする必要がある。一方、Ｃの含有率が０．８質量％を超えると、鍛造性などの加工性が低下し、且つ、芯部の硬さがＨｖ４００を超えるため、Ｃの含有率の上限は０．８質量％とする。
【００１５】
〔Ｓｉ：０．１〜１．０質量％〕
Ｓｉ（ケイ素）は、転がり疲労状態で見られる白色組織変化を遅延させるとともに、焼入れ性を向上させるために必要な元素である。十分な焼戻し軟化抵抗性を得るために、Ｓｉの含有率を０．１質量％以上とする必要がある。一方、１．０質量％を超えると、加工性が著しく低下するため、Ｓｉの含有率の上限は１．０質量％とする。
【００１６】
〔Ｍｎ：０．１〜１．０質量％〕
Ｍｎ（マンガン）は、鋼の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の含有率は０．１質量％以上とする必要がある。一方、Ｍｎの含有率が１．０質量％を超えると、加工性が低下するため、Ｍｎの含有率の上限は１．０質量％とする。
【００１７】
〔高周波焼入れについて〕  
高周波焼入れとは、高周波誘導加熱による焼入れであり、高周波発振器で熱処理品表面に誘導電流を発生させることによって急速に加熱する表面硬化処理方法である。すなわち、高周波焼入れを含む熱処理を施すことで、従来の浸炭処理又は浸炭窒化処理を含む熱処理の場合と比べて、短時間且つ低コストで、必要とされる動力伝達面の表層部の硬さを得ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明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、及びパワーローラの少なくとも一つについて、これらの動力伝達面の表層部を転がり疲労寿命が確保できる硬さとし、且つ、芯部は介在物を起点とする剥離が生じ難い硬さにするとともに、動力伝達面に形成された表面硬化処理による全硬化層に存在する介在物を特定したことによって、トロイダル型無段変速機の耐久性を向上できる。
また、芯部の硬さを所定範囲内にすることにより、芯部に存在する介在物を測定する必要がなくなるため、製造コストが低くなる。
【００１９】
本発明のトロイダル型無段変速機の製造方法によれば、入力ディスク、出力ディスク、及びパワーローラの少なくとも一つを、これらの動力伝達面の表層部を転がり疲労寿命が確保できる硬さとし、且つ、芯部は介在物を起点とする剥離が生じ難い硬さにするとともに、動力伝達面に形成された高周波焼入れによる全硬化層に存在する介在物が許容範囲のものを選出してトロイダル型無段変速機を組み立てることによって、耐久性を備えたトロイダル型無段変速機を低コストで製造できる。
また、動力伝達面の表層部の硬さを得る方法として高周波焼入れを含む熱処理を採用したことによって、耐久性を備えたトロイダル型無段変速機を低コストで製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、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である。
本実施形態におけるトロイダル型無段変速機のバリエータは、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。
【００２１】
このバリエータは、さらに、パワーローラ５を回転自在に支持する変位軸８と、この変位軸８を枢軸６を中心として入力軸１の軸方向（図１における左右方向）に揺動可能に支持するトラニオン７と、パワーローラ５に加わるスラスト方向の荷重を支承するスラスト軸受２０と、を備えている。
スラスト軸受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、このスラスト軸受２０は、内輪軌道面５ｂ及び外輪軌道面９ａの間に複数の玉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。
【００２２】
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及び出力歯車４を介して、出力軸に伝達されるようになっている。
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。
【００２３】
本実施形態においては、まず、表１に示す各構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及びパワーローラ５の形状に切り出した。そして、これらに加熱炉にて焼入れおよび焼戻し処理を施した後、下記条件の高周波焼入れ処理及び１６０〜２００℃での焼き戻し処理を施した後、研削、表面仕上げ加工を行った。
【００２４】
〔高周波焼入れ処理条件〕
周波数：５０ｋＨｚ
入力電力：５０ｋＷ
なお、表面仕上げ加工の前に、入力ディスク２、出力ディスク４、及びパワーローラ５の各動力伝達面２ａ、３ａ、５ａに形成された高周波焼入れ処理による全硬化層（表面から３ｍｍまでの範囲）を、公知の超音波探傷装置を用いて探傷し、前記全硬化層に長さ１ｍｍを超える非金属介在物が存在するかどうか調べた。なお、本実施形態では、剪断応力が加わる深さ（表面から１ｍｍまでの深さ）までの部分の硬さを表１で示す「表層部硬さ」とし、表面から３ｍｍよりも深い部分の硬さを表１で示す「芯部硬さ」として、測定した。
【００２５】
そして、鋼の組成、動力伝達面の表層部の硬さ、及び芯部の硬さが表１に示すようにそれぞれ異なるＮｏ．１〜Ｎｏ．１２の入力ディスク２、出力ディスク３、及びパワーローラ５と、これら以外の部材（通常品）を用いて、トロイダル型無段変速機を組み立てた。すなわち、入力ディスク２、出力ディスク３、及びパワーローラ５については、Ｎｏ．１〜１１では前記全硬化層に前記介在物が存在しないものを使用し、Ｎｏ．１２では前記全硬化層に前記介在物が存在しているものを使用した。
【００２６】
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。この耐久試験は、入力ディスク２、出力ディスク３、及びパワーローラ５の少なくとも一つに破損（剥離又は割れ）が生じるまで行い、破損が発生するまでの時間（破損寿命）を測定した。また、この耐久試験は、１００時間まで行い、この時点で入力ディスク、出力ディスク、及びパワーローラのいずれにも破損が発生しなかった場合には、破損寿命を１００時間以上とした。
【００２７】
なお、表１中の破損状態を示す「Ａ」は入出力ディスク２、３及びパワーローラ５のいずれにも破損が生じなかったものを示し、「Ｂ」はパワーローラ５の動力伝達面５ａに剥離が生じたものを示し、「Ｃ」は入出力ディスク２、３の背面部から割れが生じたものを示し、「Ｄ」は入出力ディスク２、３の芯部に存在する介在物を起点とする割れが生じたものを示し、「Ｅ」は入出力ディスク２、３の動力伝達面２ａ、３ａに存在する介在物を起点とする割れが生じたものを示す。
（試験条件）
入力軸の回転速度：４０００ｍｉｎ-1 
入力トルク：３９２Ｎ・ｍ
使用オイル：合成潤滑油
給油温度：１００℃
【００２８】
【表１】
2005308029.tif 000003
【００２９】
表１において、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７が本発明の実施例に相当し、Ｎｏ．８〜１４が比較例に相当する。
表１に示すように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７では、いずれも１００時間以上の長寿命が得られた。
一方、Ｎｏ．８では、Ｃの含有率が少なく、動力伝達面の表層部の硬さが十分に得られなかったため、パワーローラ５の動力伝達面５ａで剥離が生じた。
Ｎｏ．９では、Ｓｉが含有されておらず、動力伝達面の表層部の硬さが十分に得られなかったため、パワーローラ５の動力伝達面５ａで剥離が生じた。
【００３０】
Ｎｏ．１０では、Ｍｎが含有されておらず、芯部の硬さが十分に得られなかったため、入出力ディスク２、３の動力伝達面２ａ、３ａとは反対側の面（ディスク背面部）から割れが生じた。
Ｎｏ．１１では、芯部の硬さが高いため、入出力ディスク２、３の芯部に存在する介在物を起点とする割れが生じた。
Ｎｏ．１２では、動力伝達面に介在物が存在していたため、入出力ディスク２、３の動力伝達面２ａ、３ａに存在する介在物を起点とする割れが生じた。
【００３１】
以上の結果より、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５１を、本発明の範囲を満たすものとすることにより、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。
なお、本実施形態で示したハーフトロイダル型無段変速機の場合には、スラスト軸受２０にも大きな力が加わるため、内輪として機能するパワーローラ５の内輪軌道面５ｂやスラスト軸受２０の外輪９及び転動体１０についても、使用する鋼の組成、その転がり面の硬さ及び芯部の硬さを本発明の入力ディスク等と同じ構成とすることが好ましい。
【００３２】
また、本実施形態では、トロイダル型無段変速機の一例として、シングルキャビティ式ハーフトロイダル型無段変速機を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれに限らず、その他のトロイダル型無段変速機に適用してもよい。例えば、図２に示すように、出力軸と連動する出力歯車４を介して二つのバリエータを備えた、ダブルキャビティ式ハーフトロイダル型無段変速機に本発明を適用してもよい。
また、本発明は、入力ディスク及び出力ディスクの対向する内側面に形成される動力伝達面がフルトロイド状である、フルトロイダル型無段変速機に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【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】本発明のトロイダル型無段変速機の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
２        入力ディスク
３        出力ディスク
２ａ、３ａ、５ａ    動力伝達面
５        パワーローラ
【図１】
2005308029.tif 000004
【図２】
2005308029.tif 000005