JP2000291757A

JP2000291757A - トロイダル形無段変速装置のパワーローラ軸受

Info

Publication number: JP2000291757A
Application number: JP11098842A
Authority: JP
Inventors: Takashi Imanishi; 尚今西; Nobuo Goto; 伸夫後藤; Yasuo Murakami; 保夫村上; Tomonobu Yoshikawa; 朋伸吉川
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1999-04-06
Filing date: 1999-04-06
Publication date: 2000-10-20
Anticipated expiration: 2019-04-06
Also published as: JP3951499B2

Abstract

(57)【要約】【課題】寿命の低下を抑制できるトロイダル形無段変速
装置のパワーローラ軸受を提供する。【解決手段】パワーローラ軸受１１は自動車などのトラ
ンスミッションに用いられるトロイダル形無段変速装置
に用いられる。パワーローラ軸受１１はパワーローラ１
０と外輪１３と複数の玉１２と保持器１４などを備えて
いる。外輪１３とパワーローラ１０とは夫々円環状に形
成されている。外輪１３とパワーローラ１０の互いに相
対する端面１７，１８に軌道溝１５，１６を形成してい
る。軌道溝１５，１６はそれぞれ円環状でかつ断面円弧
状に形成されている。軌道溝１５，１６の表面には夫々
残留圧縮応力層２３，２４が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば、自動車
及び一般産業ならびに輸送機器用のトランスミッション
に用いられるトロイダル形無段変速装置のパワーローラ
軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車及び一般産業ならびに輸送機器用
のトランスミッションに用いられるトロイダル形無段変
速装置は、互いに相対する入出力ディスクと、これらの
入出力ディスクの間に設けられたパワーローラと、入出
力ディスクを互いに近付ける方向に入出力ディスクのう
ち少くとも一方を押圧するローディングカム機構などを
備えている。

【０００３】入力ディスクは、エンジンなどの駆動源に
よって回転駆動される。出力ディスクは、入力ディスク
の回転に基く動力をパワーローラなどを介して伝達され
る。

【０００４】パワーローラは、入力ディスクと出力ディ
スクとの間に揺動自在に設けられている。パワーローラ
は、双方のディスクに転接するトラクション部を備えて
いる。パワーローラは、スラスト軸受としてのパワーロ
ーラ軸受によってその回転が許容された状態で支持され
ている。

【０００５】パワーローラ軸受は、内輪としての前述し
たパワーローラと、外輪と、外輪とパワーローラとの間
に転動自在に設けられた転動体としての球状の玉と、を
備えている。パワーローラは、トラニオンによって、前
記入力ディスクと出力ディスクとの間に揺動自在に設け
られている。パワーローラは、その傾き角度を変化させ
ることでトロイダル形無段変速装置の変速比を変化させ
る。

【０００６】このようなパワーローラ軸受の部材構成
は、パワーローラを除けば、外見上では、スラスト荷重
が作用する回転軸の支承に用いられるスラスト玉軸受と
ほとんど変わらない。

【０００７】そこで、既存のスラスト玉軸受用に設計さ
れた部品を流用することで、トロイダル形無段変速装置
のパワーローラ軸受を安価に生産することが研究されて
きた。

【０００８】しかし、パワーローラ軸受は、外観上で
は、スラスト玉軸受に部材構成が酷似するが、内輪とし
てのパワーローラの担う機能が一般のスラスト玉軸受と
は全く異なっており、それに起因してパワーローラ自体
に作用する荷重分布や、外輪とパワーローラとの間に介
在する玉と、外輪及びパワーローラとの接触挙動が、一
般のスラスト玉軸受とは大きく相違するため、その相違
点を配慮した各種の改良が必要不可欠になる。

【０００９】例えば、一般のスラスト玉軸受における内
輪は、軸の支持部材であるが、パワーローラ軸受におい
て、パワーローラは、入力ディスクから出力ディスクに
回転を伝達する動力伝達部材で、ギヤ式の多段変速機に
おける変速ギヤに相当する。そして、このようなパワー
ローラは、入力ディスクや出力ディスクから強い押圧力
を受けた状態で高速回転されるため発熱が大きく、この
パワーローラの発熱が玉などを加熱する。

【００１０】そのため、外輪とパワーローラとの間に供
給する潤滑油としては、動力伝達することを目的として
開発された高粘度のトラクション油を用いることが必須
となる。

【００１１】また、パワーローラの入力ディスクと出力
ディスクとに接触するトラクション部は、パワーローラ
の外周縁上で互いに１８０度離れた対向位置となり、入
力ディスクや出力ディスクからの強い押圧力はこれらの
対向位置（トラクション部）にラジアル荷重とスラスト
荷重の合力として集中作用する。従って、入力ディスク
や出力ディスクに接触するトラクション部には、非常に
高い接触面圧が発生する。

【００１２】例えば、一般の軸受は接触面圧が２〜３Ｇ
Ｐａ（ギガパスカル）以下で使用されるのに対し、車両
用のトロイダル形無段変速装置に使用されるパワーロー
ラ軸受の場合は、通常の減速時では接触面圧が２．５〜
３．５ＧＰａとなり、最大減速時においては接触面圧が
４ＧＰａにも達する場合がある。

【００１３】更に、入力ディスクや出力ディスクからの
強い押圧力は、パワーローラのトラクション部上の１８
０゜離間した対向位置にラジアル荷重として集中作用し
て、パワーローラに半径方向の圧縮変形を生じさせる。
この圧縮変形によってパワーローラに反りを生じるた
め、パワーローラに作用するスラスト荷重を、パワーロ
ーラと外輪との間に介在する複数個の玉に均等に分担さ
せることは、ほとんど不可能になる。即ち、玉に作用す
るスラスト荷重は、入力乃至出力ディスクとの接触位置
（トラクション部）と９０度ずれた位置で大きくなり、
その結果、玉の軌道溝に対する接触面圧にはばらつきが
生じ、一部の玉は極めて高い接触圧で軌道溝を転動する
ことになる。

【００１４】従って、入力ディスクや出力ディスクに接
触するトラクション部や、玉が接触するパワーローラ及
び外輪それぞれの軌道溝は、高い接触面圧の局所的な作
用に対する寿命低下を防止するために、材質や、表面の
硬度、表面粗さの特別な調整が不可欠となる。

【００１５】このような背景から、本願出願人は、接触
面圧の局部的な作用に対する耐久性を向上させて軸受寿
命を向上させることから、玉を中炭素鋼や高炭素鋼で形
成すると共に、浸炭窒化処理や焼き入れ及び焼き戻し処
理により玉の表面の硬度、強度を調整する技術を提案し
ている（特開平７―２０８５６８号公報参照）。

【００１６】また、本願出願人は、入力ディスク及び出
力ディスクと、これらに接触するパワーローラとに、浸
炭処理を施した後に研削仕上げ処理を施したり、あるい
は、浸炭窒化処理を施した後に研削仕上げ処理を施し
て、これらの部材の表面の硬度や有効硬化層深さを、局
部的な接触面圧の作用に耐える適正値（２ｍｍ以上で４
ｍｍ以下）に調整する技術を提案している（特開平７―
７１５５５号公報参照）。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前述したパ
ワーローラと外輪との間に供給する潤滑油として専用の
トラクション油の採用や、材質の選択や表面処理による
パワーローラと玉の硬度や有効硬化層深さや表面粗さの
適正化などを実施しても、それだけでは、十分ではな
い。

【００１８】パワーローラ軸受は、動力伝達が本来の目
的であるから、軸受内での動トルク損失をできる限り低
減して、トルクの伝達効率の向上を図ることが重要にな
るが、前述した改良だけでは、例えば、パワーローラ及
び外輪それぞれの軌道溝や玉の寸法設定によっては、軸
受内での動トルク損失の増大が発生して、トルク伝達効
率の低下という問題が発生する場合があった。

【００１９】また、前述したパワーローラなどの表面の
硬度や有効硬化層深さの調整を行っていても、時には、
軌道溝の縁や玉の早期破損や、軌道溝と玉との接触面の
傷つき等によって、軸受寿命の低下という問題が発生す
る場合があった。

【００２０】したがって、本発明の目的は、軸受寿命の
低下を抑制できるトロイダル形無段変速装置のパワーロ
ーラ軸受を提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決し目的を
達成するために、本発明のトロイダル形無段変速装置の
パワーローラ軸受は、駆動源により回転駆動される入力
ディスクと、前記入力ディスクに対向して設けられた出
力ディスクと、の間に揺動自在に設けられたトロイダル
形無段変速装置のパワーローラ軸受において、外輪と、
前記入力ディスク及び出力ディスクに転接するパワーロ
ーラと、前記外輪とパワーローラとの間に転動自在に設
けられた玉と、を備え、前記外輪及びパワーローラ双方
が円環状でかつ断面円弧状に形成され前記玉が転動する
軌道溝を有するとともに、前記外輪の軌道溝とパワーロ
ーラの軌道溝とのうち少なくとも一方にショットピーニ
ング加工を施したことを特徴としている。

【００２２】このように構成されたトロイダル形無段変
速装置のパワーローラ軸受は、外輪の軌道溝と、パワー
ローラの軌道溝と、のうち少なくとも一方にショットピ
ーニング加工が施されている。ショットピーニング加工
が施された軌道溝の表面には、残留圧縮応力が発生した
層が形成される。

【００２３】この残留圧縮応力を有する層によって、玉
が軌道溝を転動する際に生じる接触面圧が緩和されるこ
ととなる。したがって、パワーローラ軸受の疲れ寿命の
低下を抑制することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
ないし図６を参照して説明する。

【００２５】図１はトロイダル形無段変速装置としての
シングルキャビティ式ハーフトロイダル形無段変速装置
２０を用いた自動車用トランスミッション２１の一部を
示す断面図であり、図２はこのトロイダル形無段変速装
置２０のスラスト軸受としてのパワーローラ軸受１１を
示す断面図である。

【００２６】図１に示すように、自動車用トランスミッ
ション２１に用いられるシングルキャビティ式ハーフト
ロイダル形無段変速装置２０は、エンジン等を含む駆動
源Ｅによって回転駆動される入力軸１と、入力ディスク
２と、出力ディスク３と、パワーローラ１０と、押圧手
段としてのローディングカム機構６とを備えている。

【００２７】入力ディスク２は、入力軸１に支持されか
つこの入力軸１と連動して回転する。出力ディスク３
は、入力軸１に入力ディスク２と対向して支持されて設
けられている。出力ディスク３は、入力軸１の回転に基
く動力を取出す出力軸と連動して回転する。

【００２８】パワーローラ１０は入力ディスク２と出力
ディスク３との間に揺動自在に設けられかつ双方のディ
スク２，３に転接する。ローディングカム機構６は、入
力ディスク２の背面側に設けられている。

【００２９】ローディングカム機構６は、カムディスク
４とカムローラ５とを備えている。カムディスク４は、
入力軸１にスプライン係合し、入力軸１と連動して回転
する。カムディスク４の入力ディスク２に相対する面に
は、周方向に沿って凹凸に形成されたカム面２２が形成
されている。カムディスク４は駆動源Ｅと連動して回転
する。

【００３０】カムローラ５は、カムディスク４と入力デ
ィスク２との間に設けられている。カムローラ５は、入
力軸１の軸線Ｐに関し放射方向に沿った軸線Ｑ回りに回
転自在に設けられている。カムローラ５は、入力軸１の
軸線Ｐ回りに複数配されている。

【００３１】前述した構成によって、ローディングカム
機構６は、エンジンを含む駆動源Ｅによってカムディス
ク４が連動して回転すると、カム面２２がカムローラ５
を入力ディスク２に向かって押圧する。そして、入力デ
ィスク２と出力ディスク３とが互いに近づく方向にカム
ローラ５を介して入力ディスク２が押圧される。また、
押圧手段としてローディングカム機構６の代わりに油圧
ピストン等の押付力発生機構を用いても良い。

【００３２】入力ディスク２と出力ディスク３との間
に、トラニオン８が設けられている。トラニオン８は枢
軸７を中心として図１中の矢印Ｒで示す方向に揺動する
ことができる。トラニオン８の中心部に変位軸９が設け
られている。この変位軸９に、パワーローラ１０が回転
自在に支持されている。

【００３３】このパワーローラ１０は、入力ディスク２
及び出力ディスク３とに転接するトラクション部１０ａ
を有している。パワーローラ１０は、入力ディスク２と
出力ディスク３との間において、その傾き角度をトロイ
ダル形無段変速装置２０の変速比に応じて変化させる。
なお、パワーローラ１０は、後述するスラスト軸受とし
てのパワーローラ軸受１１の内輪をなしている。

【００３４】トラニオン８とパワーローラ１０との間
に、スラスト軸受としてのパワーローラ軸受１１が設け
られている。パワーローラ軸受１１は、図２に示すよう
に、内輪としての前述したパワーローラ１０と、外輪１
３、複数の転動体としての玉１２と、保持器１４と、を
備えている。

【００３５】外輪１３は、円環状に形成されており、ト
ラニオン８に支持される。玉１２は、それぞれ球状に形
成されている。玉１２は、それぞれパワーローラ１０と
外輪１３との間に転動自在に設けられている。保持器１
４は、円環状に形成されており、外輪１３と、パワーロ
ーラ１０との間に設けられている。保持器１４は、複数
個の玉１２を転動自在に保持している。

【００３６】前述した構成によって、パワーローラ軸受
１１は入力ディスク２と出力ディスク３との間に揺動自
在に設けられている。ローディングカム機構６が入出力
ディスク２，３を互いに近付ける方向に入力ディスク２
を押圧することによって、駆動源Ｅによって回転される
入力ディスク２の回転駆動力を、パワーローラ１０を介
して出力ディスク３に伝達して、動力として取り出す。

【００３７】パワーローラ１０には、ローディングカム
機構６が入力ディスク２を押圧して入出力ディスク２，
３双方と転接する際に、スラスト方向の荷重が加わる。
パワーローラ軸受１１は、入力ディスク２及び出力ディ
スク３からパワーローラ１０に加わるスラスト方向の荷
重を支承し、かつパワーローラ１０の回転を許容する。

【００３８】また、外輪１３とパワーローラ１０は、図
２ないし図４に示すように、それぞれ互いに相対する端
面１７，１８に、軌道溝１５，１６を形成している。軌
道溝１５，１６は、それぞれ、端面１７，１８に円環状
に形成されている。軌道溝１５，１６は、それぞれ断面
円弧状に形成されている。

【００３９】軌道溝１５，１６の表面には、図３（Ａ）
及び図４（Ａ）に示すように、それぞれ残留圧縮応力層
２３，２４が形成されている。残留圧縮応力層２３，２
４は、それぞれ、軌道溝１５，１６の表面にショットピ
ーニング加工などが施されることによって形成される。
これらの残留圧縮応力層２３，２４は、それぞれ、−２
０ｋｇｆ／ｍｍ²から−１００ｋｇｆ／ｍｍ²までの範囲
の残留圧縮応力を有している。

【００４０】前述した構成の外輪１３及びパワーローラ
１０は、以下に示す工程にしたがって得られる。まず、
図５中のステップＳ１に示すように、素材としてのワー
クに鍛造加工を施して、完成品に近い形状に成形して、
ステップＳ２に進む。ステップＳ２では、ワークに切削
加工を施してステップＳ３に進む。ステップＳ３では、
ワークに浸炭・浸炭窒化処理などの熱処理を施してステ
ップＳ４に進む。

【００４１】ステップＳ４では、ワークに研削加工を施
し、略製品形状と同等の形状に成形してステップＳ５に
進む。ステップＳ５では、軌道溝１５，１６の表面など
に超仕上げ加工などを施してステップＳ６に進む。ステ
ップＳ６では、軌道溝１５，１６の表面などにショット
ピーニング加工などを施して、所望の形状の外輪１３及
びパワーローラ１０を得る。

【００４２】前述した構成によれば、軌道溝１５，１６
の残留圧縮応力層２３，２４の表面には、図６に示すよ
うに、ショットピーニング加工によって凹部２５と凸部
２６とが形成されている。これらの凹部２５と凸部２６
とに間に、潤滑油などが保持されることとなり、前記パ
ワーローラ軸受１１の潤滑不良を防止する。したがっ
て、パワーローラ軸受１１の寿命の低下を抑制できる。

【００４３】また、本実施形態によれば、軌道溝１５，
１６に研磨加工を施した後に、ショットピーニング加工
を施す。このため、外輪１３及びパワーローラ１０の軌
道溝１５，１６の表面から残留圧縮応力層２３，２４が
取り除かれることなく形成される。この残留圧縮応力層
２３，２４によって、玉１２が軌道溝１５，１６を転動
する際に生じる接触面圧が緩和される。したがって。パ
ワーローラ軸受１１の疲れ寿命の低下を抑制することが
できる。

【００４４】また、本発明においては、外輪１３及びパ
ワーローラ１０を成形する際に、図７に示した工程にし
たがっても良い。図７に示した工程では、ステップＳ４
で研削加工を施した後、ステップＳＴ５において、軌道
溝１５，１６の表面にショットピーニング加工などを施
す。そして、ステップＳＴ６において、軌道溝１５，１
６の表面に超仕上げ加工を施す。なお、図７において、
図５と同一の工程には同一符号を付して説明を省略す
る。

【００４５】図７に示した工程にしたがって外輪１３及
びパワーローラ１０を成形すると、軌道溝１５，１６の
残留圧縮応力層２３，２４の表面には、図８に示すよう
に、図６に示した場合の凸部２６が超仕上げ加工によっ
て取り除かれて凹部２５のみが形成される。これらの凹
部２５内に潤滑油などが保持されて、前記パワーローラ
軸受１１の潤滑不良を防止する。したがって、この場合
においても、パワーローラ軸受１１の寿命の低下を抑制
できる。

【００４６】次に、発明者らは、本発明のパワーローラ
軸受１１の作用を確かめるために、前述した外輪１３及
びパワーローラ１０を備えたトロイダル形無段変速装置
２０の耐久試験を行った。試験結果を次の表１に示す。

【００４７】

【表１】

【００４８】なお、試験においては、入力軸１の回転数
を４０００ｒｐｍとし、駆動源Ｅからの入力トルクを３
９０Ｎｍとし、潤滑油として合成トラクションオイルを
用い、この潤滑油の温度を１００℃として行った。

【００４９】また、表１中の本発明品Ａ及び本発明品Ｂ
は、図７に示した工程にしたがって得ているとともに、
本発明品Ｃは、図５に示した工程にしたがって得てい
る。また、比較例Ａ、比較例Ｂ及び比較例Ｃは、軌道溝
の表面にショットピーニング加工を施していない。

【００５０】表１に示した試験結果によると、ショット
ピーニング加工を施した本発明品Ａないし本発明品Ｃ
は、いずれも１００時間の試験時間内では、破損するこ
とはなかった。比較例ＡないしＣは、いずれも試験時間
６０時間前後で、軌道溝の表面にはくりが生じた。

【００５１】このように、軌道溝１５，１６の表面にシ
ョットピーニング加工を施して、残留圧縮応力層２３，
２４を形成することによって、高寿命なトロイダル形無
段変速装置２０のパワーローラ軸受１１を得ることがで
きるのが明らかとなった。

【００５２】また、前記残留圧縮応力層２３，２４が−
１００ｋｇｆ／ｍｍ²などの比較的高い残留圧縮応力を
有するように形成するために、軌道溝１５，１６の表面
を比較的強く打ちつけると、これらの軌道溝１５，１６
の表面に微細なクラックが生じることがある。この場
合、図７に示した工程にしたがってショットピーニング
加工を施した後に超仕上げ加工を施すことによって、前
述した微細なクラックを取り除くことができる。

【００５３】また、本実施形態では、外輪１３の軌道溝
１５の表面と、パワーローラ１０の軌道溝１６の表面と
の両方に残留圧縮応力層２３，２４を形成したが、これ
らの軌道溝１５，１６のうち何れか一方に残留圧縮応力
層２３，２４を形成しても良い。この場合においても、
パワーローラ軸受１１の寿命の低下を確実に抑制するこ
とができる。このように、前記残留圧縮応力層２３，２
４を、外輪１３の軌道溝１５の表面と、パワーローラ１
０の軌道溝１６の表面とのうち少なくとも一方に形成す
ることによって、トロイダル形無段変速装置２０のパワ
ーローラ軸受１１の寿命の低下を抑制できる。

【００５４】さらに、前述した軌道溝１５，１６以外に
も、ショットピーニング加工を施しても勿論良く、この
ショットピーニング加工の他にバレル加工などを施し
て、前述した残留圧縮応力層２３，２４を形成しても良
い。

【００５５】以上のショットピーニングによる転がり疲
れ寿命の向上はトロイダル形無段変速装置２０のトラク
ション面にも適用できる。すなわち、高温・高速・高面
圧・スピンの存在・トラクション油の使用等の条件はパ
ワーローラ軸受１１と類似しており、この技術がトラク
ション面にも有効である。表１に示す実験結果は、この
技術がトラクション面にも有効であることを示してい
る。図１に示すようなハーフトロイダル形無段変速装置
２０はもちろんフルトロイダル形無段変速装置にも適用
できる。すなわち、ディスク２，３及びパワーローラ１
０それぞれのトラクション面のうち少なくとも一つにシ
ョットピーニングを施すことで長寿命化を図る。

【００５６】

【発明の効果】本発明のトロイダル形無段変速装置のパ
ワーローラ軸受は、軌道溝にショットピーニング加工を
施して、軌道溝の表面に残留圧縮応力が生じた層を形成
している。この残留圧縮応力が生じた層によって、玉が
軌道溝を転動する際に生じる接触面圧が緩和される。し
たがって。パワーローラ軸受の疲れ寿命の低下を抑制す
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のシングルキャビティ式ハ
ーフトロイダル形無段変速装置の一部を示す縦断面図。

【図２】同実施形態のパワーローラ軸受を示す断面図。

【図３】同実施形態のパワーローラ軸受の外輪を示す
図。

【図４】同実施形態のパワーローラ軸受のパワーローラ
を示す図。

【図５】同実施形態のパワーローラ軸受の外輪及びパワ
ーローラの製造方法の一部を示す工程説明図。

【図６】図５に示した製造方法によって得られた外輪及
びパワーローラの軌道溝の表面を拡大して示す断面図。

【図７】本発明のパワーローラ軸受の外輪及びパワーロ
ーラの製造方法の変形例の一部を示す工程説明図。

【図８】図７に示した製造方法によって得られた外輪及
びパワーローラの軌道溝の表面を拡大して示す断面図。

【符号の説明】

２…入力ディスク３…出力ディスク１０…パワーローラ１１…パワーローラ軸受１２…玉１３…外輪１５…軌道溝１６…軌道溝２０…シングルキャビティ式トロイダル形無段変速装置
（トロイダル形無段変速装置）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村上保夫神奈川県藤沢市鵠沼神明一丁目５番50号日本精工株式会社内 (72)発明者吉川朋伸神奈川県藤沢市鵠沼神明一丁目５番50号日本精工株式会社内Ｆターム(参考） 3J051 AA04 BA03 BD02 BE09 CA05 CB07 EC03 FA01 FA02 3J101 AA02 AA32 AA42 AA53 BA51 DA02 DA09 DA11 FA31 GA01 GA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動源により回転駆動される入力ディスク
と、前記入力ディスクに対向して設けられた出力ディス
クと、の間に揺動自在に設けられたトロイダル形無段変
速装置のパワーローラ軸受において、外輪と、前記入力ディスク及び出力ディスクに転接するパワーロ
ーラと、前記外輪とパワーローラとの間に転動自在に設けられた
玉と、を備え、前記外輪及びパワーローラ双方が円環状でかつ断面円弧
状に形成され前記玉が転動する軌道溝を有するととも
に、前記外輪の軌道溝とパワーローラの軌道溝とのうち
少なくとも一方にショットピーニング加工を施したこと
を特徴とするトロイダル形無段変速装置のパワーローラ
軸受。