(57)【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、
前記入力ディスク及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円周等配に配置され、油膜を介して両軌道面と接触して回転し、油膜のせん断力により両ディスク間のトルク伝達を行う３個の円盤状のローラとを備え、
前記各ディスク及びローラは、Ｃ：０.８ｗｔ％以上１.５ｗｔ％以下、Ｓｉ：０.５ｗｔ％以上２.０ｗｔ％以下、Ｍｎ：０.３ｗｔ％以上２.０ｗｔ％以下、Ｃｒ：１.３ｗｔ％以上１.９８ｗｔ％以下、及びＭｏ：０.３ｗｔ％以上１.０ｗｔ％以下であって、ＳｉとＭｏとの合計で１.０ｗｔ％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になる耐熱軸受用鋼からなり、２４０℃〜２６０℃で焼き戻し後、少なくとも前記ローラの外周面にショットピーニングによる表面硬化処理が施されており、その最表面の残留圧縮応力が０.６〜１.２ＧＰａ、硬さがＨＲＣ６３〜６６としたフルトロイダル型無段変速機。
【請求項２】
最表面の残留圧縮応力が０．９〜１．２ＧＰａである請求項１記載のフルトロイダル型無段変速機。
【請求項３】
ショットピーニングによる硬化層の厚さが１２０μｍ以上である請求項１又は２記載の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フルトロイダル型無段変速機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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ディスク及び出力ディスクを、軌道面同士が互いに対向するように配置し、両軌道面間にローラを配置して、この外周面を、油膜を介して各ディスクの軌道面に高荷重で圧接させた構成を有している。
このようなフルトロイダル型無段変速機において入力ディスクが回転すると、ローラの外周面と各ディスクの軌道面との接触部の表面間に介在する油膜のせん断力により、入力ディスクから出力ディスクへ動力が伝達される。このとき、ローラ及び各ディスクの接触部の表面には、表面に垂直な応力に加えて上記油膜のせん断力に相当する大きなせん断応力が作用する。よって、表面に垂直な応力のみが主に作用する通常の転がり軸受の転動面と比較すると、フルトロイダル型無段変速機のローラ及びディスクの表面は、高温、高せん断応力という特有の過酷な接触条件にあると言える。また、このようなフルトロイダル型無段変速機のローラ及びディスクに特有の接触条件では、接触応力が比較的小さくても表面近傍に塑性変形を起こしやすくなる。従って、フルトロイダル型無段変速機に必要な寿命を確保するためには、上記表面近傍の塑性変形を適切に抑制する必要がある。また、ローラの外周面上には、接触条件により多数の亀裂が発生することがある。従って、必要な寿命を確保するためには、このような亀裂の発生をも適切に抑制する必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる理由から、ローラや各ディスクの材料として、ＳＵＪ２等の高炭素軸受鋼が用いられる。しかしながら、高炭素軸受鋼からなるローラやディスクであっても、高せん断応力により、疲労が激しく、寿命が短い。
また、上記ローラ及びディスクのうち、ローラは常に外周面の軸方向中央部近傍のみがディスクと転がり接触するのに対して、ディスクは変速機の変速比によりローラとの接触部が変動する（接触円の直径が異なる）。よって、ディスクと比較して、ローラの接触条件が厳しくなるので、疲労が激しく、従ってローラの寿命が短くなる傾向にある。
【０００４】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、フルトロイダル型無段変速機におけるローラ及びディスクを長寿命化することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のフル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、前記入力ディスク及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円周等配に配置され、油膜を介して両軌道面と接触して回転し、油膜のせん断力により両ディスク間のトルク伝達を行う３個の円盤状のローラとを備え、前記各ディスク及びローラは耐熱軸受用鋼からなり、２４０℃〜２６０℃の焼き戻し後に、少なくとも前記ローラの外周面にショットピーニングによる表面硬化処理が施されており、その最表面の残留圧縮応力が０.６〜１.２ＧＰａ、硬さがＨＲＣ６３〜６６としたものである（請求項１）。
【０００６】
上記のように構成されたフルトロイダル型無段変速機におけるローラ及び各ディスクは、耐熱軸受用鋼の採用により優れた高温強度及び硬さを有するとともに、最も接触条件が厳しく表面が疲労し易いローラの外周面にはショットピーニングによる所定の表面硬化処理が施されているため、フルトロイダル型無段変速機のローラとディスクとの接触面に特有の高せん断応力に対して十分な強度を発揮する。ここで、残留圧縮応力が０.６ＧＰａ未満であると、フルトロイダル型無段変速機のローラ及びディスクとしては、十分な耐久性を有さない。１.２ＧＰａより大きくするには、ショットピーニング加工コストが徒に高くなる。同様に、ＨＲＣ硬さ６３未満であると、耐久性が不足し、ＨＲＣ硬さ６６より大きくするには、ショットピーニング加工コストが高くなる。従って、残留圧縮応力が０.６〜１.２ＧＰａで、硬さがＨＲＣ６３〜６６とすることにより、ショットピーニング加工コストを抑えつつ、十分な耐久性を確保することができる。
【０００７】
また、上記フルトロイダル型無段変速機（請求項１）においては、最表面の残留圧縮応力が０．９〜１．２ＧＰａであることが好ましい（請求項２）。
この場合、ローラの外周面の亀裂を防止することができる。
【０００８】
また、上記フルトロイダル型無段変速機（請求項１又は２）において、ショットピーニングによる硬化層の厚さが１２０μｍ以上であることが好ましい（請求項３）。
この場合も、ローラの外周面の亀裂を防止することができる。
【０００９】
尚、上記フルトロイダル型無段変速機において、耐熱軸受用鋼は、
Ｃ：０.８ｗｔ％以上１.５ｗｔ％以下、
Ｓｉ：０.５ｗｔ％以上２.０ｗｔ％以下、
Ｍｎ：０.３ｗｔ％以上２.０ｗｔ％以下、
Ｃｒ：１.３ｗｔ％以上１.９８ｗｔ％以下、及び
Ｍｏ：０.３ｗｔ％以上１.０ｗｔ％以下
であって、ＳｉとＭｏとの合計で１.０ｗｔ％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になるものである。
この場合、高温強度に特に優れる上記耐熱軸受用鋼を使用するので、高温の接触条件下における優れた耐久性を確保することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好ましい実施の形態について添付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よ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。この無段変速機は、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である。図において、上記バリエータ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入力ディスク５が支持されている。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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及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。
【００１４】
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、油膜を介して各軌道面５ｂ，６ｃと接触して回転する３個の円盤状のローラ７が円周等配に配置されている。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。
【００１５】
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、油膜のせん断力により、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。
【００１６】
上記ローラ７及び各ディスク５，６ｂは、耐熱軸受用鋼（光洋精工ＫＵＪ７）からなる。この耐熱軸受用鋼は、
Ｃ：０.８ｗｔ％以上１.５ｗｔ％以下、
Ｓｉ：０.５ｗｔ％以上２.０ｗｔ％以下（さらに好ましくは１.０ｗｔ％以下）、
Ｍｎ：０.３ｗｔ％以上２.０ｗｔ％以下、
Ｃｒ：１.３ｗｔ％以上１.９８ｗｔ％以下、及び
Ｍｏ：０.３ｗｔ％以上１.０ｗｔ％以下
であって、ＳｉとＭｏとの合計で１.０ｗｔ％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になる。
【００１７】
上記ローラ７及び各ディスク５，６ｂを上記組成の耐熱軸受用鋼で作製することにより、高温強度と硬さとを確保することができ、通常の高炭素軸受鋼（ＳＵＪ２）で作製したものと比べて、長寿命を達成できる。
上記耐熱軸受用鋼は、特開平３−２５３５４２号公報により知られている軸受用鋼であり、製造コストを抑制でき特に安価であるうえに、使用許容温度が２５０℃までの高温である特に優れた耐熱鋼である。但し、焼き戻し温度が２４０℃〜２６０℃の焼き戻し後硬度がＨＲＣ６２〜６３であるため、上記ローラ及びディスクの材料としては表面強度が不足する。そこで、上記耐熱軸受用鋼を素材として形成されたローラ７及び各ディスク５，６ｂに対して、必要な部分に、ショットピーニング加工を施し、所定の硬度と残留圧縮応力を付与する。
【００１８】
図２は、ローラ７の平面図である。ローラ７については、少なくとも外周面７ｂに、また、好ましくはその近傍の側面領域７ｃ（図の点線のハッチングを付した領域）にも、ショットピーニングを施す。また、各ディスク５，６ｂについても、軌道面５ｂ，６ｃにショットピーニングを施す。
ローラにショットピーニングを施す条件は、例えば、直径０.８ｍｍでＨｖ８００鋼球を用い、ショット圧５ｋｇｆ／ｃｍ２、時間２分３０秒、ワーク回転数１２ｒｐｍ、ワークとノズル間距離１００ｍｍとする。ディスクの場合は、時間は４分２０秒で、他の条件は同じである。時間的条件の違いは、形状が異なることによるものである。
【００１９】
上記ショットピーニングにより、残留オーステナイトがマルテンサイトへ加工誘起変態し、表面硬さが１５〜１３０％程度向上する。また、残留圧縮応力が発生して、せん断応力に対抗することができる。なお、上記のショットピーニング条件下で、残留圧縮応力は最表面より３０〜８０μｍの深さまで付与されている。
ここで、ローラ及びディスクの最表面の残留圧縮応力は０.６〜１.２ＧＰａ、硬さはＨＲＣ６３〜６６となることが好ましい。残留圧縮応力が０.６ＧＰａ未満であると、フルトロイダル型無段変速機のローラ及びディスクとしては、十分な耐久性を有さないからである。また、１.２ＧＰａより大きくするには、ショットピーニング加工コストが徒に高くなるからである。同様に、ＨＲＣ硬さ６３未満であると、耐久性が不足し、ＨＲＣ硬さ６６より大きくするには、ショットピーニング加工コストが高くなる。従って、残留圧縮応力が０.６〜１.２ＧＰａで、硬さがＨＲＣ６３〜６６とすることにより、ショットピーニング加工コストを抑えつつ、十分な耐久性を確保することができる。
なお、ローラの外周面の亀裂が問題となるような条件では、亀裂の発生を防止すべく、上記残留圧縮応力を０．９ＧＰａ以上（１．２ＧＰａ以下）とするのが好ましい。また、硬化層（ショットピーニング加工による硬化が生じている部分）の厚さは、最表面より１２０μｍ以上であることが好ましい。
こうして、高温かつ高せん断応力というフルトロイダル型無段変速機に特有の接触条件に耐え得るローラ及びディスクを作製することができる。同時に、このローラ及びディスクは上述の如く安価であり、量産に好適である。
【００２０】
上記のようにして製造されたローラ及びディスクは、実機試験の結果、ローラとディスクの最大接触面圧３.６ＧＰａにおいて、ＳＵＪ２からなるローラに比べて約６倍の長寿命であることが検証された。従って、長寿命なローラ及びディスクを備えたフルトロイダル型無段変速機を提供することができる。なお、上記実機試験ではいずれも、ローラがディスクより先に損傷した。従って、ローラに損傷が発生したことをもって寿命とした。
次に、上記残留圧縮応力の値が、ローラ外周面に発生する亀裂発生数に及ぼす影響を実験的に調べた結果を示す。実験は次のＡ，Ｂ，Ｃの３種類のローラ（材料はすべて上記耐熱軸受用鋼）を用いて、上記と同様な実機試験を行い、所定時間運転後のＡ，Ｂ，Ｃそれぞれのローラ外周面に存する亀裂の数を計測した。
Ａ：ショットピーニング加工なし
Ｂ：ショットピーニング加工あり  表面の残留圧縮応力０．７ＧＰａ以上
Ｃ：ショットピーニング加工あり  表面の残留圧縮応力０．９ＧＰａ以上
図３、図４及び図５はそれぞれ、上記ローラＡ、Ｂ及びＣにおける残留圧縮応力と最表面からの深さとの関係を示すグラフである。なお、上記実機試験におけるローラとディスクとの最大接触面圧は４．４ＧＰａであった。
上記試験の結果、ローラ外周面の亀裂の発生数はＡが２５０〜７５０個、Ｂが２０個、Ｃが０個となった。すなわち、残留圧縮応力が０．７２ＧＰａの場合には亀裂の発生数が大幅に低下し、０．９２ＧＰａでは発生を完全に防止できることが判明した。
【００２１】
なお、上記実施形態においてショットピーニングは、ローラ７の外周面７ｂ及び側面領域７ｃと各軌道面５ｂ，６ｃとにのみ施したが、さらに広範囲に施してもよい。
また、より損傷し易いローラ７の外周面にのみショットピーニングを施しても一定の効果が得られる。また、耐熱軸受用鋼は上記例の他、以下の１〜３のいずれかでもよい。いずれの場合も、表面に所定の硬さと残留圧縮応力を付与することにより、上記と同様の耐熱性と強度、低コストを実現できる。
【００２２】
（耐熱軸受用鋼１）
Ｃ：０.８ｗｔ％以上１.５ｗｔ％以下、
Ｓｉ：０.５ｗｔ％以上２.０ｗｔ％以下、
Ｍｎ：０.３ｗｔ％以上２.０ｗｔ％以下、
Ｃｒ：１.３ｗｔ％以上１.９８ｗｔ％以下、及び
Ｍｏ：０.３ｗｔ％以上１.０ｗｔ％以下
であって、ＳｉとＭｏとの合計で１.０ｗｔ％以上
を満足する範囲で含有し、かつ、
Ｗ：０.０５ｗｔ％以上０.５０ｗｔ％以下、及び、
Ｖ：０.０５ｗｔ％以上０.５０ｗｔ％以下、
のうちから選んだ１種又は２種を含有し、残部は鉄及び不可避不純物の組成になるもの。
【００２３】
（耐熱軸受用鋼２）
Ｃ：０.８ｗｔ％以上１.５ｗｔ％以下、
Ｓｉ：０.５ｗｔ％以上２.０ｗｔ％以下、
Ｍｎ：０.３ｗｔ％以上２.０ｗｔ％以下、
Ｃｒ：１.３ｗｔ％以上１.９８ｗｔ％以下、及び
Ｍｏ：０.３ｗｔ％以上１.０ｗｔ％以下
であって、ＳｉとＭｏとの合計で１.０ｗｔ％以上
を満足する範囲で含有し、かつ、
Ｎｉ：０.１ｗｔ％以上２.０ｗｔ％以下、及び、
Ｃｕ：０.０５ｗｔ％以上１.００ｗｔ％以下、
のうちから選んだ１種又は２種を含有し、残部は鉄及び不可避不純物の組成になるもの。
【００２４】
（耐熱軸受用鋼３）
Ｃ：０.８ｗｔ％以上１.５ｗｔ％以下、
Ｓｉ：０.５ｗｔ％以上２.０ｗｔ％以下、
Ｍｎ：０.３ｗｔ％以上２.０ｗｔ％以下、
Ｃｒ：１.３ｗｔ％以上１.９８ｗｔ％以下、及び
Ｍｏ：０.３ｗｔ％以上１.０ｗｔ％以下
であって、ＳｉとＭｏとの合計で１.０ｗｔ％以上
を満足する範囲で含有し、かつ、
Ｗ：０.０５ｗｔ％以上０.５０ｗｔ％以下、及び、
Ｖ：０.０５ｗｔ％以上０.５０ｗｔ％以下、
のうちから選んだ１種又は２種以上と、
Ｎｉ：０.１ｗｔ％以上２.０ｗｔ％以下、及び、
Ｃｕ：０.０５ｗｔ％以上１.００ｗｔ％以下、
のうちから選んだ１種又は２種以上を含有し、残部は鉄及び不可避不純物の組成になるもの。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明は以下の効果を奏する。
請求項１のフルトロイダル型無段変速機によれば、耐熱軸受用鋼の採用により優れた高温強度及び硬さを有するとともに、最も接触条件が厳しく表面が疲労し易いローラの外周面にはショットピーニングによる所定の表面硬化処理が施されているため、フルトロイダル型無段変速機のローラとディスクとの接触面に特有の高せん断応力に対して十分な強度を発揮する。また、残留圧縮応力が０.６〜１.２ＧＰａで、硬さがＨＲＣ６３〜６６とすることにより、ショットピーニング加工コストを抑えつつ、十分な耐久性を確保することができる。従って、当該ローラ及び各ディスクは疲労が少なく、長寿命である。
【００２６】
更に、請求項１に記載の組成を有する耐熱軸受用鋼を使用することにより高温強度に特に優れるので、上記ショットピーニングによる表面硬化の効果と相まって、高温、高せん断応力というフルトロイダル型無段変速機に特有の接触条件下において優れた耐久性を有する。
【００２７】
請求項２又は３のフルトロイダル型無段変速機によれば、ローラの外周面の亀裂を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よ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】  上記バリエータにおけるローラの平面図である。
【図３】  ローラＡにおける残留圧縮応力と最表面からの深さとの関係を示すグラフである。
【図４】  ローラＢにおける残留圧縮応力と最表面からの深さとの関係を示すグラフである。
【図５】  ローラＣにおける残留圧縮応力と最表面からの深さとの関係を示すグラフである。
【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】
0004100072.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0004100072.tif 000005
【図５】
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