JP2002213556A

JP2002213556A - トロイダル型無段変速機用パワーローラ軸受およびトロイダル型無段変速機

Info

Publication number: JP2002213556A
Application number: JP2001007789A
Authority: JP
Inventors: Kikuo Maeda; 喜久男前田
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2001-01-16
Filing date: 2001-01-16
Publication date: 2002-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】高温での優れた疲労寿命特性と耐水素脆性特
性とを兼ね備えたトロイダル型無段変速機のパワーロー
ラ軸受用転動体を提供することである。【解決手段】パワーローラ軸受１ａ、１ｂのボール１
７を形成する鋼材に、合金元素としてＣｒを２質量％以
上に含有し、少なくともその表層部の炭素量を０．７質
量％以上とした合金鋼を採用することにより、優れた高
温疲労寿命特性と耐水素脆性特性とを兼ね備えたものと
し、その耐久寿命を著しく延長できるようにした。

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、トロイダル型無
段変速機用パワーローラ軸受とトロイダル型無段変速機
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境保護に貢献する燃費削減
と、車の基本性能である走行性を両立する技術として、
無段変速機の採用が注目されている。この中で、トロイ
ダル型無段変速機は、スムーズでパワフルな発進を可能
とするものとして、比較的排気量の大きい車に搭載され
つつある。なお、トロイダル型無段変速機には、ハーフ
トロイダル型のものとフルトロイダル型のものとがあ
る。

【０００３】図１は、本発明の実施形態であるトロイダ
ル型無段変速機の１例を示す。このトロイダル型無段変
速機は、ハーフトロイダル型でダブルキャビティ方式の
ものであり、入力軸２に２つの入力ディスク３ａ、３ｂ
が設けられ、それぞれの入力ディスク３ａ、３ｂに対向
させて２つの出力ディスク４ａ、４ｂが同軸上に配置さ
れており、入力ディスク３ａと出力ディスク４ａ、およ
び入力ディスク３ｂと出力ディスク４ｂの間の各キャビ
ティに、それぞれ１対ずつ４つのパワーローラ軸受１
ａ、１ｂが、対向する２つの凹形トロイド面５、６に差
し渡されている。

【０００４】前記入力軸２の基端側に設けられた入力デ
ィスク３ａは、トルクコンバータ７と前後進切り換え装
置８を介してエンジンからの動力を伝達されるローディ
ングカム９から、カムローラ１０を介して回転力を伝達
され、入力軸２および他端側の入力ディスク３ｂと一体
に回転する。また、各出力ディスク４ａ、４ｂは、後述
する機構で各パワーローラ軸受１ａ、１ｂから回転力を
伝達され、この回転力は歯車１１と歯車軸１２を介して
出力軸１３に伝達される。

【０００５】前記各パワーローラ軸受１ａ、１ｂは、対
向するトロイド面５、６と係合する内輪としてのパワー
ローラ１４と、トラニオン１５に固定された外輪１６
と、転動体としての複数のボール１７とから成り、パワ
ーローラ１４が枢軸１８に回転自在に支持されている。
パワーローラ１４は、各トロイド面５、６との間に介在
する油膜の剪断力により回転し、各入力ディスク３ａ、
３ｂからの回転力を各出力ディスク４ａ、４ｂに伝達す
る。

【０００６】前記４つのパワーローラ軸受１ａ、１ｂ
は、各トラニオン１５がリンク（図示省略）により結合
され、トロイド面５、６の中心となるピボット軸Ｐの回
りに、２つずつパワーローラ軸受１ａおよび１ｂ同士、
ならびに、入力軸２に対して同じ側のパワーローラ軸受
１ａと１ｂとが、互いに対称な角度に傾転するようにな
っている。

【０００７】上記トロイダル型無段変速機のパワーロー
ラ軸受は、内輪（パワーローラ）が各トロイド面と高い
接触圧力で係合し、転動体と内外輪間の軌道面には高い
スラスト荷重が作用する。このため、軌道面での摩擦発
熱による温度上昇と、高い転動接触圧力により、転動体
が短寿命となる問題がある。

【０００８】この問題への対策として、特開平７−２０
８５６８号公報には、転動体の素材として中炭素鋼また
は高炭素鋼を用い、これを浸炭窒化処理して、焼入れ、
焼戻しすることが提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のトロイ
ダル型無段変速機のパワーローラ軸受は、転動体の高温
での硬さの低下を抑制して、その疲労寿命特性をある程
度向上させることができるが、パワーローラ軸受の転動
体には、潤滑油との反応で生じる水素により、水素脆性
損傷が発生する恐れがあり、上記中炭素鋼または高炭素
鋼を浸炭窒化処理する対策では、水素脆性損傷を抑制す
ることができない。

【００１０】そこで、この発明の課題は、高温での優れ
た疲労寿命特性と耐水素脆性特性とを兼ね備えたトロイ
ダル型無段変速機のパワーローラ軸受用転動体を提供す
ることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、この発明のパワーローラ軸受は、トロイダル型無
段変速機の入力軸側と出力軸側にそれぞれ設けられた、
入力ディスクと出力ディスクとに対向させて形成された
凹形トロイド面間に差し渡して配置され、これらの両ト
ロイド面と係合して、前記入力軸から出力軸に回転力を
伝達するパワーローラを、複数の転動体により回転自在
に支持するパワーローラ軸受において、前記転動体を、
合金元素としてＣｒが２質量％以上に含有され、少なく
ともその表層部の炭素量が０．７質量％以上とされた鋼
材で形成した構成を採用したものである。

【００１２】すなわち、転動体を形成する鋼材に、合金
元素としてＣｒを２質量％以上に含有する合金鋼を採用
することにより、水素脆性を抑制するとともに、転動体
の少なくとも表層部の炭素量を０．７質量％以上とする
ことにより、焼入れ、焼戻し後に得られる表層硬さの高
温での低下を抑制して、転動体の疲労寿命特性を向上さ
せた。炭素量は、浸炭または浸炭窒化処理により表層部
のみを０．７質量％以上とする他に、素材自体の炭素量
を０．７質量％以上とし、表層部のみでなく全体を０．
７質量％以上としてもよい。

【００１３】なお、Ｃｒは水素脆性を抑制する合金元素
であること、および、炭素は、焼入れ、焼戻しされた鋼
の硬さを増大させるとともに高温での軟化を抑制し、耐
熱性を改善する作用があることはよく知られている。上
記Ｃｒ量と炭素量の各下限値は、後述するパワーローラ
軸受の使用条件をシミュレートする各試験の結果に基づ
いて決定したものである。

【００１４】前記転動体を形成する鋼材としては、耐熱
軸受鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼を採用する
ことができる。

【００１５】前記転動体を形成する鋼材を、粉末冶金法
で製造されたものとすることにより、共晶炭化物を均一
に分布させて、大きな共晶炭化物をなくすことができ、
転動体の疲労寿命特性をより向上させることができる。

【００１６】また、この発明のトロイダル型無段変速機
は、入力軸側と出力軸側にそれぞれ入力ディスクと出力
ディスクが設けられ、この入力ディスクと出力ディスク
とに凹形トロイド面が対向させて形成され、これらの両
トロイド面と係合し、前記入力軸から出力軸に回転力を
伝達するパワーローラを、複数の転動体により回転自在
に支持するパワーローラ軸受を備えたトロイダル型無段
変速機において、上記のいずれかのパワーローラ軸受を
用いる構成を採用することにより、長時間の安定した作
動を保障できるようにした。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図１乃至図３に基づき、こ
の発明の実施形態を説明する。図１および図２は、第１
の実施形態を示す。このトロイダル型無段変速機は、前
述したように、ハーフトロイダル型でダブルキャビティ
方式のものであり、図１に示すように、入力軸２に２つ
の入力ディスク３ａ、３ｂが設けられ、それぞれの入力
ディスク３ａ、３ｂに対向させて２つの出力ディスク４
ａ、４ｂが同軸上に配置されており、入力ディスク３ａ
と出力ディスク４ａ、および入力ディスク３ｂと出力デ
ィスク４ｂの間の各キャビティに、それぞれ１対ずつ４
つのパワーローラ軸受１ａ、１ｂが、対向する２つの凹
形トロイド面５、６に差し渡されている。

【００１８】前記入力軸２の基端側に設けられた入力デ
ィスク３ａは、トルクコンバータ７と前後進切り換え装
置８を介してエンジンからの動力を伝達されるローディ
ングカム９から、カムローラ１０を介して回転力を伝達
され、入力軸２および他端側の入力ディスク３ｂと一体
に回転する。また、各出力ディスク４ａ、４ｂは、後述
する機構で各パワーローラ軸受１ａ、１ｂから回転力を
伝達され、この回転力は歯車１１と歯車軸１２を介して
出力軸１３に伝達される。

【００１９】図２に示すように、各パワーローラ軸受１
ａ、１ｂは、対向するトロイド面５、６と係合する内輪
としてのパワーローラ１４と、トラニオン１５に固定さ
れた外輪１６と、転動体としての複数のボール１７とか
ら成り、パワーローラ１４が枢軸１８に回転自在に支持
されている。パワーローラ１４は、各トロイド面５、６
との間に介在する油膜の剪断力により回転し、各入力デ
ィスク３ａ、３ｂからの回転力を各出力ディスク４ａ、
４ｂに伝達する。

【００２０】前記４つのパワーローラ軸受１ａ、１ｂ
は、各トラニオン１５がリンク（図示省略）により結合
され、トロイド面５、６の中心となるピボット軸Ｐの回
りに、２つずつパワーローラ軸受１ａおよび１ｂ同士、
ならびに、入力軸２に対して同じ側のパワーローラ軸受
１ａと１ｂとが、互いに対称な角度に傾転するようにな
っている。

【００２１】したがって、前記４つのパワーローラ１４
は、それぞれのトロイド面５、６と同一半径方向位置で
係合し、傾転角度に応じた変速比で、回転力を均等に各
入力ディスク３ａ、３ｂから各出力ディスク４ａ、４ｂ
に伝達する。また、４つのパワーローラ軸受１ａ、１ｂ
は、それぞれ互いに対称な角度に傾転するので、各パワ
ーローラ１４の各トロイド面５、６との係合点における
面圧は、軸方向ならびに軸直交方向で相殺され、面圧に
よる前記油膜の剪断力のみが有効に作用して、効率よく
回転力が伝達される。

【００２２】前記ボール１７は、後の表１に実施例とし
て示す化学成分を有する鋼材で形成したものである。

【００２３】図３は、第２の実施形態を示す。このトロ
イダル型無段変速機は、フルトロイダル型でダブルキャ
ビティ方式のものであり、凹形トロイド面１９が形成さ
れた２つの入力ディスク２０ａ、２０ｂが入力軸２１に
設けられ、各凹形トロイド面１９に対向する凹形トロイ
ド面２２を両面に形成された出力ディスク２３が同軸上
に配置されて、入力ディスク２０ａ、２０ｂと出力ディ
スク２３間の各キャビティに、それぞれ１対ずつ４つの
パワーローラ軸受２４ａ、２４ｂが、対向する２つの凹
形トロイド面１９、２２に差し渡されている。

【００２４】前記入力軸２１の基端側に設けられた入力
ディスク２０ａは、トルクコンバータ（図示省略）を介
してエンジンからの動力を伝達される油圧ピストン２５
から回転力を伝達され、入力軸２１および他端側の入力
ディスク２０ｂと一体に回転する。出力ディスク２３
は、第１の実施形態と同様に、各パワーローラ軸受２４
ａ、２４ｂから回転力を伝達され、この回転力は出力デ
ィスク２３に固定された歯車（図示省略）を介して出力
軸２６に伝達される。

【００２５】前記各パワーローラ軸受２４ａ、２４ｂ
は、対向するトロイド面１９、２２と係合するパワーロ
ーラ２７を、玉軸受２８でトラニオン２９に回転自在に
支持するものであり、パワーローラ２７は、各トロイド
面１９、２２との間に介在する油膜の剪断力により回転
し、各入力ディスク２０ａ、２０ｂの回転力を出力ディ
スク２３に伝達する。

【００２６】このフルトロイダル型のパワーローラ軸受
２４ａ、２４ｂは、傾転中心となるピボット軸Ｐが、パ
ワーローラ２７の各トロイド面１９、２２との接触点を
結ぶ直線上にあり、傾転支持部に荷重が作用しない点が
第１の実施形態のハーフトロイダル型のものと異なる。
４つのパワーローラ２７が、各トロイド面１９、２２と
同一半径方向位置で係合し、傾転角度に応じた変速比
で、回転力を伝達することは、ハーフトロイダル型のも
のと同じである。

【００２７】前記各玉軸受２８のボール３０も、後の表
１に実施例として示す化学成分を有する鋼材で形成した
ものである。

【００２８】上述した各実施形態のトロイダル型無段変
速機は、ダブルキャビティ方式のものであるが、本発明
に係るトロイダル型無段変速機は、シングルキャビティ
方式のものにも適用することができる。

【００２９】以下に実施例および比較例を挙げる。

【００３０】

【実施例】表１に実施例１〜８として主要化学成分を示
す８種類の鋼材を用いた、高温転動寿命試験用のボー
ル、スミアリング試験用のリング状試験片および耐水素
脆性試験用の玉軸受を用意した。実施例１、３は、それ
ぞれマルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４４０
Ｃと１３％Ｃｒ鋼、実施例２は、ＳＵＳ４４０Ｃを粉末
冶金法で製造したもの、実施例４、５は、それぞれ耐熱
軸受鋼であるＭ５０とＴ１、実施例６乃至８は、それぞ
れＣｒ含有量を２％以上の範囲で変化させた合金鋼であ
る。

【００３１】なお、上記各実施例の鋼材は、いずれも、
素材の炭素量が０．７％以上のものを標準的な焼入れ、
焼戻し処理により硬化させ、表層部をビッカース硬さで
Ｈv７５０以上としたものであるが、素材の炭素量が
０．７％未満のものに浸炭または浸炭窒化処理を施し、
表層部の炭素量のみを０．７％以上とすることもでき
る。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【比較例】表１に比較例１〜３として示す種類の鋼材を
用いて、実施例と同様のボール、リング状試験片および
玉軸受を用意した。比較例１は、軸受鋼として最も多く
使用されている高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２、比較例２
は、ＳＵＪ２を浸炭窒化処理したもの、比較例３は、
０．７％炭素鋼を浸炭窒化処理したものである。これら
の各比較例の鋼材も、標準的な焼入れ、焼戻し処理によ
り、表層部をビッカース硬さでＨv ７５０以上としたも
のである。

【００３４】上記実施例および比較例のボール、リング
状試験片および玉軸受について、それぞれ高温転動寿命
試験、スミアリング試験および耐水素脆性試験を実施し
た。

【００３５】各試験の概要と結果は以下の通りである。
なお、各試験結果としての転動寿命、スミアリング強度
および水素脆性剥離寿命は、それぞれ比較例１の試験結
果を基準値１．０とした相対値である、転動寿命比、ス
ミアリング強度比および脆性剥離寿命比で、表２に表示
した。

【００３６】

【表２】（１）高温転動寿命試験高温用スラスト寿命試験を用いて、ボールをセラミック
材料の平板レースと軌道溝を有するスラスト玉軸受レー
スとの間で転動させ、以下の試験条件で高温転動寿命試
験を行った。接触面圧Ｐmax がより過酷となる平板レー
ス側にセラミック材料を用いたのは、ボールよりも先に
平板レースが剥離損傷しないようにするためである。な
お、転動寿命はＬ１０寿命（サンプルの９０％が破損し
ないで使える時間）で評価した。

【００３７】・ボール寸法：直径１／４インチ×３個・レース寸法：外径４７ｍｍ・接触面圧Ｐmax ：５．５ＧＰａ（ボール対平板レー
ス）・負荷速度：３０００回／分（レース回転速度２
０００ｒｐｍ）・潤滑油：エーテル系合成油・油音：２００℃ 表２に示すように、浸炭窒化処理を施した比較例２、３
は、基準とした比較例１のせいぜい２倍程度の寿命比で
あった。

【００３８】これに対して、実施例１は浸炭窒化処理を
施した比較例２と同程度の寿命比であるが、その他の実
施例は、いずれも比較例１の３倍以上の寿命比であっ
た。特に、耐熱軸受鋼Ｍ５０の実施例４、および５〜８
％Ｃｒ合金鋼の実施例６、７、ならびに粉末冶金法で製
造した実施例２は、７倍以上の優れた寿命比を示し、実
施例２が最も長寿命であった。これは、実施例２が粉末
冶金法で製造され、共晶炭化物が均一に分布されている
ので、応力集中源となる大きな共晶炭化物がないためと
考えられる。

【００３９】（２）スミアリング試験スミアリング試験は、同一形状の一対のリング状試験片
を、駆動軸と、この駆動軸と平行な従動軸に取り付け、
両試験片の円筒面を互いに押し当てて転動させるもので
あり、従動軸は一定速度で回転駆動され、駆動軸は従動
軸と等速回転から徐々に増速される。スミアリング強度
は、試験片の円筒面にスミアリングが発生した時点の駆
動軸と従動軸の速度比で評価される。なお、一対のリン
グ状試験片は同種のサンプルのものとした。試験条件
は、以下の通りである。

【００４０】・試験片の最大表面粗さ：３．０μｍ・接触面圧Ｐmax ：２．１ＧＰａ・潤滑油：タービン油ＶＧ４６・駆動軸回転速度：２００ｒｐｍから１００ｒｐｍずつ
増速・従動軸回転速度：２００ｒｐｍ一定表２に示すように、実施例の各試験片は、いずれも比較
例１の１．３倍以上のスミアリング強度を有する。なか
でも、耐熱軸受鋼の実施例４、５およびＳＵＳ４４０Ｃ
の実施例１、２が、より優れたスミアリング強度を有す
る。

【００４１】一方、浸炭窒化処理を施した比較例２、３
は、若干スミアリング強度の向上が認められるが、いず
れも実施例には及ばない。

【００４２】（３）耐水素脆性試験玉軸受を軸受試験機の回転軸に取り付け、分解して水素
を発生しやすい潤滑剤を用いて、耐水素脆性試験を行っ
た。水素脆性剥離寿命は、水素脆性剥離が発生するまで
の時間で評価した。なお、試験終了後のサンプルについ
て、ミクロ組織の変化も調査した。試験条件は、以下の
通りである。

【００４３】・玉軸受寸法：内径１７ｍｍ、外径４７
ｍｍ、幅１２ｍｍ・回転軸回転数：０〜１８０００ｒｐｍ（１秒で１８０
００ｒｐｍまで加速、２５秒間回転後、１秒で停止し
て、３秒間保持を繰り返す）・軸受荷重：３．２ｋＮ・試験温度：室温・潤滑剤：エステル系グリース・打ち切り時間：３００時間（軸受鋼の標準剥離時間
の６倍）表２に示すように、実施例の玉軸受は、いずれも比較例
１の５倍以上の寿命比を示し、実施例１乃至６は、３０
０時間の打ち切り時間まで水素脆性剥離が発生しなかっ
た。また、実施例の玉軸受は、全て、ミクロ組織の変化
も認められなかった。

【００４４】これに対して、比較例の玉軸受は、いずれ
も１００時間未満で水素脆性剥離が発生し、表層部に脆
性剥離特有の幅広いミクロ組織変化が認められた。

【００４５】以上の各試験結果より、各実施例は、いず
れも優れた高温疲労寿命特性とスミアリング強度を有
し、かつ、耐水素脆性特性も非常に優れていることがわ
かる。したがって、軌道面での摩擦発熱による温度上昇
が大きく、高い転動接触圧力が作用するトロイダル型無
段変速機用パワーローラ軸受の転動体に適した性能を備
えている。

【００４６】

【発明の効果】以上のように、この発明のトロイダル型
無段変速機用パワーローラ軸受は、転動体を形成する鋼
材に、合金元素としてＣｒを２質量％以上に含有し、少
なくともその表層部の炭素量を０．７質量％以上とした
合金鋼を採用することにより、優れた高温疲労寿命特性
と耐水素脆性特性とを兼ね備えたものとしたので、その
耐久寿命を著しく延長することができる。

【００４７】また、この発明のトロイダル型無段変速機
は、上記のようなパワーローラ軸受を採用したので、長
時間の安定した作動を保障することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態のトロイダル型無段変速機を示
す縦断面図

【図２】図１のパワーローラ軸受を示す拡大縦断面図

【図３】第２の実施形態のトロイダル型無段変速機を示
す縦断面図

【符号の説明】

１ａ、１ｂパワーローラ軸受２入力軸３ａ、３ｂ入力ディスク４ａ、４ｂ出力ディスク５、６トロイド面７トルクコンバータ８前後進切り換え装置９ローディングカム１０カムローラ１１歯車１２歯車軸１３出力軸１４パワーローラ１５トラニオン１６外輪１７ボール１８枢軸１９トロイド面２０ａ、２０ｂ入力ディスク２１入力軸２２トロイド面２３出力ディスク２４ａ、２４ｂパワーローラ軸受２５油圧ピストン２６出力軸２７パワーローラ２８玉軸受２９トラニオン３０ボール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ１６Ｃ 33/32 Ｆ１６Ｃ 33/32

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トロイダル型無段変速機の入力軸側と出
力軸側にそれぞれ設けられた、入力ディスクと出力ディ
スクとに対向させて形成された凹形トロイド面間に差し
渡して配置され、これらの両トロイド面と係合して、前
記入力軸から出力軸に回転力を伝達するパワーローラ
を、複数の転動体により回転自在に支持するパワーロー
ラ軸受において、前記転動体を、合金元素としてＣｒが
２質量％以上に含有され、少なくともその表層部の炭素
量が０．７質量％以上とされた鋼材で形成したことを特
徴とするトロイダル型無段変速機用パワーローラ軸受。
【請求項２】前記転動体を形成する鋼材が、耐熱軸受
鋼である請求項１に記載のトロイダル型無段変速機用パ
ワーローラ軸受。
【請求項３】前記転動体を形成する鋼材が、マルテン
サイト系ステンレス鋼である請求項１に記載のトロイダ
ル型無段変速機用パワーローラ軸受。
【請求項４】前記転動体を形成する鋼材が、粉末冶金
法で製造されたものである請求項１乃至３のいずれかに
記載のトロイダル型無段変速機用パワーローラ軸受。
【請求項５】入力軸側と出力軸側にそれぞれ入力ディ
スクと出力ディスクが設けられ、この入力ディスクと出
力ディスクとに凹形トロイド面が対向させて形成され、
これらの両トロイド面と係合し、前記入力軸から出力軸
に回転力を伝達するパワーローラを、複数の転動体によ
り回転自在に支持するパワーローラ軸受を備えたトロイ
ダル型無段変速機において、前記パワーローラ軸受に請
求項１乃至４のいずれかに記載のパワーローラ軸受を用
いたことを特徴とするトロイダル型無段変速機。