| 【発明の名称】 |
トロイダル形無段変速機 |
| 【発明者】 |
【氏名】吉川 朋伸
【氏名】村上 保夫
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| 【要約】 |
【課題】本発明は、きわめて長寿命なトロイダル形無段変速機を得ることを課題とする。
【解決手段】同軸上に対向配置された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トロイダル面を転走するパワーローラとを有したトロイダル形無段変速機において、前記入力ディスク、出力ディスク、パワーローラの少なくとも一つが０．３％から０．５％の中炭素鋼からなることを特徴とするトロイダル形無段変速機。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 同軸上に対向配置された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トロイダル面を転走するパワーローラとを有したトロイダル形無段変速機において、前記入力ディスク、出力ディスク、パワーローラの少なくとも一つが０．３％から０．５％の中炭素鋼からなることを特徴とするトロイダル形無段変速機。
【請求項２】 同軸上に対向配置された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トロイダル面を転走するパワーローラとを有したトロイダル形無段変速機において、前記入力ディスク、出力ディスク、パワーローラの少なくとも一つが０．３％から０．５％の中炭素鋼からなるとともに、浸炭又は浸炭窒化処理されていることを特徴とするトロイダル形無段変速機。
【請求項３】同軸上に対向配置された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トロイダル面を転走するパワーローラとを有したトロイダル形無段変速機において、前記入力ディスク、出力ディスク、パワーローラの少なくとも一つが０．３％から０．５％の中炭素鋼からなるとともに、浸炭又は浸炭窒化処理し、さらに焼入，焼戻を施した後の芯部硬さがＨＲＣ３５以上であることを特徴とするトロイダル形無段変速機。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はトロイダル形無段変速機に関し、特に自動車等の車両に用いられるトロイダル形無段変速機の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、トロイダル形無段変速機としては、図１に示すものが知られている。
【０００３】図中の付番１、２は、図示しないハウジング内で同軸上に夫々対向配置された入力ディスク、出力ディスクを示す。これら入力ディスク１及び出力ディスク２を有するトロイダル変速部の軸心部分には、入力軸３が貫通されている。この入力軸３の一端には、ローディングカム４が配設されている。そして、このローディングカム４が、カムローラ５を介して入力ディスク１に、入力軸３の動力（回転力）を伝達する構造となっている。
【０００４】前記入力ディスク１及び出力ディスク２は、略同一形状を有して多少に配設され、それらの対向面が協働して軸方向断面でみて、略半円形となるようにトロイダル面に形成されている。そして、前記入力ディスク１及び出力ディスク２のトロイダル面で形成されるトロイダルキャビティ内に、入力ディスク１及び出力ディスク２に接して一対の運転伝達用のパワーローラ軸受６及びパワーローラ軸受７が配設された構造を有している。
【０００５】ここで、前記パワーローラ軸受６は、入力ディスク１及び出力ディスク２のトロイダル面を転走するパワーローラ６ａ（パワーローラ軸受６を構成する内輪に相当）、外輪６ｂ及び複数の転動体（鋼球）６ｃから構成されている。一方、前記パワーローラ軸受７は、入力ディスク１及び出力ディスク２のトロイダル面を転走するパワーローラ７ａ（パワーローラ軸受７を構成する内輪に相当）、外輪７ｂ及び複数の転動体（鋼球）７ｃから構成されている。
【０００６】即ち、前記パワーローラ６ａはパワーローラ軸受６の構成要素である内輪の役割も兼ねており、前記パワーローラ７ａはパワーローラ軸受７の構成要素である内輪の役割も兼ねている。
【０００７】この構造では、前記パワーローラ６ａは、枢軸８、外輪６ｂ及び複数の転動体６ｃを介してトラニオン１０に回転自在に枢着されると共に、入力ディスク１及び出力ディスク２のトロイダル面の中心となるピボット軸Ｏを中心として傾転自在に支持されている。一方、前記パワーローラ７ａは、枢軸９、外輪７ｂ及び複数の転動体７ｃを介してトラニオン１１に回転自在に枢着されると共に、入力ディスク１及び出力ディスク２のトロイダル面の中心となるピボット軸Ｏを中心として傾転自在に支持されている。
【０００８】そして、前記入力ディスク１及び出力ディスク２、パワーローラ６ａ及びパワーローラ７ａとの接触面には、粘性摩擦抵抗の大きい潤滑油が供給され、入力ディスク１に入力される動力を、潤滑油膜とパワーローラ６ａ及びパワーローラ７ａとを介して出力ディスク２に伝達する構造となっている。
【０００９】なお、前記入力ディスク１及び出力ディスク２は、ニードル１２を介して入力軸３とは独立した状態（即ち、回転軸？の動力に直接影響されない状態）となっている。前記出力ディスク２には、入力軸３と平行に配設されると共に、アンギュラ軸受１３を介して図示しないハウジングに回転自在に支持された出力軸１４が配設されている。
【００１０】ところで、トロイダル無段変速機２０では、入力軸３の動力がローディングカム４に伝達される。そして、この動力の伝達により、ローディングカム４が回転すると、この回転による動力が、カムローラ５を介して入力ディスク１に伝達され、入力ディスク１が回転する。さらに、この入力ディスク１の回転により発生した動力は、パワーローラ６ａ及びパワーローラ７ａを介して、出力ディスク２に伝達される。そして、出力ディスク２は、出力軸４と一体となって回転する。変速時には、トラニオン１０及びトラニオン１１をピボット軸Ｏ方向に微少距離移動させる。
【００１１】即ち、前記トラニオン１０、１１の軸方向移動で、パワーローラ６ａ及びパワーローラ７ａの回転軸と、入力ディスク１及び出力ディスク２の軸との交差が、わずかに外れる。すると、パワーローラ６ａ及びパワーローラ７ａの回転周速度と、入力ディスク１の回転周速度との均衡が崩れ、且つ入力ディスク１の回転駆動力の分力によって、パワーローラ６ａ及びパワーローラ７ａが、ピボット軸Ｏの回りに傾転する。
【００１２】このため、パワーローラ６ａ及びパワーローラ７ａが、入力ディスク１及び出力ディスク２の曲面上を傾転し、その結果、速度比が変わり、減速又は増速が行われる。このような構造を備えたトロイダル形無段変速機としては、例えば、実公平２−４９４１１号公報などに開示された従来例がある。また、前記のような入力ディスク、出力ディスク及びパワーローラ軸受としては、「ＮＡＳＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｎｏｔｅ ＮＡＳＡ ＡＴＮ−８３６２」に記載されているように、ＡＩＳＩ５２１００（ＪＩＳＳＵＪ２，高炭素クロム軸受鋼相当）を使用した従来例がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述した従来のトロイダル形無段変速機は、駆動した際に、入力ディスク１とパワーローラ軸受との間、及び出力ディスク２とパワーローラ軸受との間に高い接触圧力が生じると同時に、高い曲げ応力がかかる。この接触応力と曲げ応力がディスクあるいはパワーローラに負荷されると、ディスクあるいはパワーローラ内部にある非金属介在物等を起点として、亀裂が発生、進展し、割れに至るという問題がある。
【００１４】本願第１の発明の目的は、入力ディスク、出力ディスク、パワーローラの少なくとも一つを０．３％から０．５％の中炭素鋼からなる構成することにより、パワーローラ軸受と入力ディスク及び出力ディスクの割れ寿命を向上させ、長超寿命なトロイダル形無段変速機を提供することにある。
【００１５】本願第２の発明の目的は、入力ディスク、出力ディスク、パワーローラの少なくとも一つを０．３％から０．５％の中炭素鋼からなるとともに、浸炭又は浸炭窒化処理された構成することにより、パワーローラ軸受と入力ディスク及び出力ディスクの割れ寿命を向上させ、長超寿命なトロイダル形無段変速機を提供することにある。
【００１６】本願第３の発明の目的は、入力ディスク、出力ディスク、パワーローラの少なくとも一つを０．３％から０．５％の中炭素鋼からなるとともに、浸炭又は浸炭窒化処理し、さらに焼入，焼戻を施した後の芯部硬さをＨＲＣ３５以上構成することにより、パワーローラ軸受と入力ディスク及び出力ディスクの割れ寿命を向上させ、長超寿命なトロイダル形無段変速機を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本願第１の発明は、同軸上に対向配置された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トロイダル面を転走するパワーローラとを有したトロイダル形無段変速機において、前記入力ディスク、出力ディスク、パワーローラの少なくとも一つが０．３％から０．５％の中炭素鋼からなることを特徴とするトロイダル形無段変速機である。
【００１８】本願第２の発明は、同軸上に対向配置された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トロイダル面を転走するパワーローラとを有したトロイダル形無段変速機において、前記入力ディスク、出力ディスク、パワーローラの少なくとも一つが０．３％から０．５％の中炭素鋼からなるとともに、浸炭又は浸炭窒化処理されていることを特徴とするトロイダル形無段変速機である。
【００１９】本願第３の発明は、同軸上に対向配置された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トロイダル面を転走するパワーローラとを有したトロイダル形無段変速機において、前記入力ディスク、出力ディスク、パワーローラの少なくとも一つが０．３％から０．５％の中炭素鋼からなるとともに、浸炭又は浸炭窒化処理し、さらに焼入，焼戻を施した後の芯部硬さがＨＲＣ３５以上であることを特徴とするトロイダル形無段変速機である。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明のトロイダル形無段変速機について更に詳しく説明する。
【００２１】トロイダル形無段変速機のように、転がり応力を受けるとともに、曲げ応力を同時に受けるような場合、応力場に存在する非金属介在物等を起点として、亀裂が発生し、割れに至る場合がある。この場合、起点となる介在物の大きさ及び量がその疲労強度に大きく影響を与える。即ち、介在物が大きく、量が多いほど疲労強度が下がることが広く知られている。
【００２２】従来の様々な研究より、非金属介在物の中でも、酸化物系の非金属介在物が特に亀裂発生の原因となることが解明されている。
【００２３】製鋼メーカーにおいては、鋼中の不純物である、非金属介在物を低減される試みが長い年月にわたりなされてきた。例えば、山陽特殊鋼技法Ｖｏｌ．５，１９９７［軸受鋼］には、鋼中酸素量と転がり寿命の関係が示されており、鋼中酸素量を低減させると、寿命が向上するという結果が示されている。また、山陽特殊鋼技法Ｖｏｌ．４，１９９７「当社の製鋼技術の変遷」には１９６５年から１９９０年に至る鋼中酸素低減の推移が示されており、製鋼メーカによる鋼中酸素量の低減の結果、転がり寿命が向上したことが分かる。
【００２４】また、ＮＳＫ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｎｏ．６５２，１９９２「ＥＰ鋼（超長寿命・高信頼性軸受用鋼）」では、介在物の大きさ、分布に着目し、鋼中非金属介在物の大きさ、分布を小さくするように製鋼時に抑制することにより、同じレベルの鋼中酸素量でも、転がり寿命および回転曲げ疲労強度を向上させうることが述べられている。
【００２５】鋼中酸素量の低減は、これまで新しい製鋼技術の導入により計られてきたが、基本となる反応は炭素と酸素の化学反応であり、炭素量の多くなるに従い、鋼中酸素との反応が多くなる結果として、鋼中酸素の除去を行える。従って、材料中の炭素量が低下するほど、鋼中酸素量は増加することになる。
【００２６】本発明者らは、鋼中の炭素量が０．３％以上になると、材料中に含まれる酸化物系の非金属介在物の分布が小さくなること、また極値統計法により推定される鋼中の最大介在物径が小さくなることを見出した。また、同時に、疲労亀裂進展速度は、亀裂が発生してから割れに至るまでの速度を決定する。鋼中の炭素量が０．５％を超えると、亀裂進展速度が著しく大きくなることを見出した。これらのことから、炭素量が０．３％〜０．５％の中炭素鋼を用いることにより、長寿命なトロイダル形無断変速機を得ることができる。
【００２７】また、本発明者らは、応力を受ける部位の材料硬さを高くすることにより、疲労強度を向上させることを見出した。「金属疲労 微小欠陥と介在物の影響」，村上敬宜著，養賢堂，１９９３，には、介在物径、材料のビッカーズ硬さと疲労限度との間に以下の関係があることを述べている。
【００２８】［表面の微小欠陥、亀裂、介在物に対する肥料限度評価式］
σｗ＝１．４３（Ｈν＋１２０）／｛（ａｒｅａ）１／２｝１／６［表面に接するような微小欠陥、亀裂、介在物に対する疲労限度評価式］
σｗ＝１．４１（Ｈν＋１２０）／｛（ａｒｅａ）１／２｝１／６［表面に接するような微小欠陥、亀裂、介在物に対する疲労限度評価式]σｗ＝１．５６（Ｈν＋１２０）／｛（ａｒｅａ）１／２｝１／６但し、上記式において、σｗは疲労限度（ＭＰａ）、Ｈνは材料硬さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）、（ａｒｅａ）１／２は介在物の投影面積（μｍ）を夫々示す。
【００２９】これらの式によると、疲労限度は介在物の大きさ及び材料の硬さによって決定される。ところで、材料の硬さは炭素量が０．８％程度までは、炭素量が増加するに従って、硬さも高くなることが知られている。
【００３０】そこで、接触応力を受ける入力ディスク、出力ディスク、パワーローラの表面に浸炭あるいは浸炭窒化を施すことにより、表面負荷炭素量を増やし、硬さをあげることにより、大きな介在物がある中炭素鋼を使用した場合においても、疲労限度が上がり、長寿命なトロイダル形無断変速機を得ることができる。また、本発明者らは、芯部硬さをＨＲＣ３５以上にすることにより、入力ディスク、出力ディスク、パワーローラの剛性を向上させ、曲げ疲労強度が高くなることを見出し、長寿命なトロイダル形無断変速機を得た。
【００３１】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明に係るトロイダル形無段変速機の基本構成は図１と同様であり、入力ディスク、出力ディスク、パワーローラの少なくとも１つの材料が従来の変速機のそれらの材料と異なる。ＳＣＭ４１５、ＳＣＭ４２０、ＳＣＭ４３０、ＳＣＭ４３５、ＳＣＭ４４０、ＳＣＭ４４５及びＳＣＭ４４５の炭素量を０．６％に高めたものについて、夫々入力ディスク、出力ディスク、パワーローラを製造した。
【００３２】このうち入力ディスクを夫々切断、研磨した後、非金属介在物について極統計法による最大介在物の推定を行った。介在物は１００ｍｍ２中の最大介在物を測定し、３０個の試料を検鏡し、計３０００ｍｍ２の測定より、３００００００ｍｍ２における推定介在物径を求めた。
【００３３】図２は、各材料の炭素量と極値統計により求められた、推定最大介在物径をあらわしたものである。これより、炭素量が０．２％から０．３％に増加すると、推定最大介在物径が小さくなることが分かる。図２より、３００００００ｍｍ２で推定した推定最大介在物径は、炭素量を０．３％以上としていることから４０μｍ以下とすることが好ましい。
【００３４】次に、上記で製造した入力ディスク、出力ディスク、パワーローラを使用し、ＣＶＴを組み立て、実験室内で耐久試験を行った。入力軸はダイナモメーターにより回転させ、出力軸に取付けたダイナモメーターによりトルク負荷がかかるようにした。試験条件は以下の通りに行った。
【００３５】試験条件回転速度 ３５００ｒ．ｐ．ｍ．
出力トルク ４００Ｎｍ潤滑 トラクション油油温 １００℃試験は、ＣＶＴユニットの振動値をモニターし、振動値が設定レベル以上になるまで試験を行った。試験終了後、ディスク又はパワーローラの破損状態について調査を行った。調査をした結果を下記表１及び表２に示す。
【００３６】
【表１】
【００３７】
【表２】
【００３８】ＳＣＭ４１５及びＳＣＭ４２０の場合、破損状態は全て割れであった。破損品の破面を観察すると、亀裂の起点は全て材料中の非金属介在物であった。起点となった介在物を走査型電子顕微鏡による観測を行い、夫々の直径を求めた。起点となった介在物の大きさは５９〜７８μｍであった。ＳＣＭ４３０、ＳＣＭ４３５、ＳＣＭ４４０、ＳＣＭ４４５及びＳＣＭ４４５の炭素量を０．６％に高めたものの破損形態は全て起動面の剥離であり、剥離部に介在物は観察されなかった。
【００３９】次に、ＳＣＭ４１５、ＳＣＭ４２０、ＳＣＭ４３０、ＳＣＭ４３５、ＳＣＭ４４０、ＳＣＭ４４５及びＳＣＭ４４５の炭素量を０．６％に高めたものについて、表面に浸炭処理あるいは浸炭窒化処理を行い、夫々入力ディスク、出力ディスク、パワーローラを製造した。熱処理は、図３〜図６の通りに行った。但し、図３は表１及び表２による条件下の焼入焼戻し条件下で、図４は浸炭焼入焼戻し条件下で、図５は浸炭窒化焼入焼戻し条件下で、図６は浸炭窒化焼入焼戻し条件下による時間と温度との関係を示す特性図を夫々示す。
【００４０】製造した入力ディスク、出力ディスク、パワーローラを使用し、ＣＶＴを組み立て、実験室内で耐久試験を行った。入力軸はダイナモメーターにより回転させ、出力軸に取り付けたダイナモメータによりトルク負荷がかかるようにした。試験条件は以下の通りに行った。
【００４１】試験条件回転速度 ３５００ｒ．ｐ．ｍ．
出力トルク ４００Ｎｍ潤滑 トラクション油油温 １００℃試験はＣＶＴユニットの振動値をモニターし、振動値が設定レベル以上になるまで試験を行った。また、振動値が上昇しなかったものについては、試験時間が８００時間で試験を打ち切った。試験終了後、ディスク又はパワーローラの破損状態について調査を行った。調査した結果を下記表３、表４に示す。
【００４２】
【表３】
【００４３】
【表４】
【００４４】ＳＣＭ４１５及びＳＣＭ４２０の場合、破損形態は全て割れであった。破損品の破面を観察すると、亀裂の起点は全て材料中の非金属介在物であり、起点となった介在物の大きさは５４〜７７μｍであった。ＳＣＭ４３０、ＳＣＭ４３５、ＳＣＭ４４０、ＳＣＭ４４５及びＳＣＭ４４５の炭素量を０．６％に高めたものの破損形態は全て起動面の剥離であり、剥離部に介在物は観察されなかった。
【００４５】次に、ＳＣＭ４３０、ＳＣＭ４３５、ＳＣＭ４４０、ＳＣＭ４４５を使用しディスクを製造した。浸炭又は浸炭窒化後、焼入、焼戻を行い、熱処理を変え、芯分硬さが夫々ＨＲＣ３０，４０，４５となるように処理を行った。
【００４６】図７のようにディスク軌道面の端面を２点で荷重を繰り返し加え、ディスクが破断するまで試験を行った。試験条件は、以下の通りである。
【００４７】（試験条件）
試験機 サーボ型疲労試験機制御 荷重制御負荷荷重 最大６．４ｔ（１点あたり３．２ｔ）
繰り返し速度 ３０Ｈｚ図８及び図９に試験結果を示す。ここで、図８はディスク割れ試験結果（浸炭）を示し、横軸は応力繰返し数（Ｎｆ）、縦軸は芯分硬さ（Ｈｖ）を示す。また、図９はディスク割れ試験結果（浸炭窒化）を示し、横軸は応力繰返し数（Ｎｆ）、縦軸は芯分硬さ（Ｈｖ）を示す。この結果より、芯部硬さがＨＲＣ３５以上であれば、１０７サイクルでは破断が生じないことが分かる。
【００４８】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、高い接触圧力と高い曲げ応力が同時に加わる、入力ディスク、出力ディスク、パワーローラ軸受においても、きわめて長寿命なトロイダル形無段変速機を提供できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４２０４
【氏名又は名称】日本精工株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年９月１４日（１９９９．９．１４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００５８４７９
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦 （外５名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−８２５６６（Ｐ２００１−８２５６６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年３月２７日（２００１．３．２７） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２６０４５２ |
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