JP2004076822A - トロイダル形無段変速機 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性に優れた長寿命のトロイダル形無段変速機を提供する。
【解決手段】少なくとも入出力ディスク１，２と、該入出力ディスク１，２を転走するパワーローラ６ａ，７ａとを備えたトロイダル形無段変速機２０において、前記入出力ディスク１，２及び前記パワーローラ６ａ，７ａの内の少なくとも一つが、Ｓ（硫黄）の含有量が、　Ｓ≦０．０１３％であり、　かつ硫化物系介在物の最大長が最大接触楕円の長径の１／５以下である鋼からなる。
【選択図】　　　図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用の自動変速機として用いられるトロイダル形無段変速機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトロイダル型無段変速機２０は、　例えば、　図６に示すように、　入力ディスク１と出力ディスク２とが図示しないハウジング内に同軸上に互いに対向配置されている。この入力ディスク１および出力ディスク２を有するトロイダル変速部の軸心部分には入力軸３が貫通配置されており、この入力軸３の一端（右端）にはローディングカム４が配設されている。　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）　を伝達するようになっている。
【０００３】
入力ディスク１および出力ディスク２は略同一形状とされており、　それらの対向面が協働して軸方向断面で見て略半円形となるようなトロイダル面を形成している。入力ディスク１および出力ディスク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は、　入力ディスク１および出力ディスク２に接して一対の運転伝達用のパワーローラ軸受６およびパワーローラ軸受７が配設されている。
【０００４】
なお、　前記パワーローラ軸受６は、　入力ディスク１および出力ディスク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および複数の転動体（鋼球）６ｃから構成されており、　パワーローラ軸受７は、　入力ディスク１および出力ディスク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および複数の転動体（鋼球）７ｃから構成されている。
【０００５】
即ち、前記パワーローラ６ａは、　パワーローラ軸受６を構成す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を構成する内輪の役割も兼ねている。　この構造では、　前記パワーローラ６ａは、　枢軸８、　外輪６ｂおよび複数の転動体６ｃを介してトラニオン１０に回転自在に支持されると共に、　入力ディスク１および出力ディスク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。
【０００６】
一方、　前記パワーローラ７ａは、　枢軸９、　外輪７ｂおよび複数の転動体７ｃを介してトラニオン１１に回転自在に支持されると共に、　入力ディスク１および出力ディスク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。
そして、　前記入力ディスク１および出力ディスク２、　パワーローラ６ａおよびパワーローラ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およびパワーローラ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。
【０００７】
なお、　前記入力ディスク１および出力ディスク２は、　ニードルベアリング１２を介して入力軸３とは独立した状態（すなわち、　入力軸３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、　アンギュラ玉軸受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。
【０００８】
このトロイダル形無段変速機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、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、　該入力ディスク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およびパワーローラ７ａを介して出力ディスク２に伝達され、これにより、出力ディスク２が出力軸１４と一体となって回転する。
【０００９】
また、変速時には、　トラニオン１０およびトラニオン１１をピボット軸Ｏ方向に微小距離移動させると、トラニオン１０およびトラニオン１１の軸方向移動でパワーローラ６ａおよびパワーローラ７ａの回転軸と入力ディスク１および出力ディスク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およびパワーローラ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およびパワーローラ７ａがピボット軸Ｏの回りに傾転する。
【００１０】
このため、　パワーローラ６ａおよびパワーローラ７ａが、　入力ディスク１および出力ディスク２の曲面上を傾転し、　その結果、　速度比が変わり、　減速または増速が行われる。
ところで、上記のように構成されるトロイダル形無段変速装置は、より高いトルクの伝達が必要とされるため、入出力ディスク１，２およびパワーローラ６ａ，７ａ等が、一般的な歯車や軸受等の通常の繰り返し応力が加わる機械部品と比較して、非常に大きな繰り返し曲げ応力および繰り返しせん断応力を受ける。したがって、これらの入出力ディスク１，２およびパワーローラ６ａ，７ａ等は、従来の一般的な機械部品より一層疲労強度の高い材料から製造されることが要求される。
【００１１】
このような要求に応える技術として、例えば特開平９−７９３３６号公報には、Ｃｒを含有する機械構造用鋼であるＳＣＭ４２０に浸炭窒化処理を施して表面硬さと残留圧縮応力を高くした入出力ディスクおよびパワーローラ等を備えたトロイダル形無段変速機が提案されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近のエンジンの高出力化に伴って従来よりも一層疲労強度に優れた入出力ディスクおよびパワーローラ等を備えたトロイダル形無段変速機が要求されるようになってきており、上記従来のトロイダル形無段変速機では最近のエンジンの高出力化には対応が難しいという問題がある。
【００１３】
本発明はこのような技術的要請に応えるためになされたものであり、より疲労強度に優れたトロイダル形無段変速機を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記目的を達成すべく、　トロイダル形無段変速機の入出力ディスクやパワーローラの疲労メカニズムについて鋭意研究を行った結果、　従来それほど疲労に有害でないと考えられていた硫化物系の介在物を起点として疲労割れや転がり疲労によるはくりが発生することを見い出した。　具体的には、５００ＭＰａ以上の曲げ応力、３．５ＧＰａ以上の接触面圧が加わると鋼中に含まれる硫化物系の介在物が応力集中部となり、き裂が発生して破断或いははくりに至ることを見い出した。
【００１５】
そして、本発明者らは、　含有する硫化物系の介在物が異なる数種類の鋼からなる入出力ディスクおよびパワーローラを個別に組み込んだトロイダル形無段変速機について多くの試験を行い、　破損品について調査した結果、これらの硫化物系介在物を起因とする破損についての知見を得、　かかる知見に基づいて疲労強度を向上させるための適切な条件を求め、　本発明を完成するに至ったものである。
【００１６】
即ち、上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、少なくとも入出力ディスクと、該入出力ディスクを転走するパワーローラとを備えたトロイダル形無段変速機において、
前記入出力ディスク及び前記パワーローラの内の少なくとも一つが、Ｓ（硫黄）の含有量が、　Ｓ≦０．０１３％であり、　かつ硫化物系介在物の最大長が最大接触楕円の長径の１／５以下である鋼からなることを特徴とする。
【００１７】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記Ｓ（硫黄）の含有量が、　Ｓ≦０．００３％であり、かつ硫化物系介在物の最大長が最大接触楕円の長径の１／１０以下である鋼からなることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２において、前記鋼がＣａ、Ｔｅ及びＺｒの内の少なくとも一つを含むことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
Ｓ（硫黄）は鋼中のＭｎと結合することにより、　ＭｎＳを形成する。　このＭｎＳが適量含まれると切削性の向上に寄与する。　そのため、ＳＣｒ４２０やＳＣＭ４２０などの浸炭鋼においては、　切削性を確保するためにＳの含有量は０．０２０％程度とし、　鋼中に一定量のＭｎＳを含ませている。
【００１９】
しかしながら、トロイダル形無段変速機のように、　極めて高荷重、　高トルクで使用される場合には、　このようなＭｎＳは鋼中の欠陥となって疲労強度を低下させてしまうことになる。
そこで、この実施の形態のトロイダル形無段変速機においては、　特に高い負荷を受ける入出力ディスク、　パワーローラの少なくとも一つは、　鋼中のＳの含有量を０．　０１３％以下、好ましくは０．００３％以下とすることにより、　ＭｎＳの存在量を減少させるとともに、　そのＭｎＳの最大長を入出力ディスクとパワーローラの接触部において、　最大接触楕円の長径の１／５以下の大きさ、好ましくは１／１０以下の大きさとし、これにより、優れた疲労強度を得、最近のエンジンの高出力化への対応を可能にしたものである。
【００２０】
ここで、鋼中のＳの含有量が０．０１３％を超えると粗大なＭｎＳを形成しやすくなって十分な疲労割れ強度を得ることができなくなるため、　Ｓの含有量を０．０１３％以下とした。　なお、　Ｓの含有量を０．００６％以下、より好ましくは０．００３％以下とすることにより、より一層の疲労強度の向上効果を得ることができる。
【００２１】
また、ＭｎＳの最大長を最大接触楕円の長径の１／５以下の大きさとしたのは、　入出力ディスクおよびパワーローラの転がり面においては、　接触面圧が３．５ＧＰａ以上になることがあるが、　その際、大きな（長い）ＭｎＳが接触部下に存在すると短時間ではくりが発生してしまうためである。
ＭｎＳは素材の圧延時に、　圧延方向に伸ばされることが知られている。　そのため、入出力ディスクおよびパワーローラの鋼中のＳの含有量を０．０１３％以下とすることにより、鋼中のＭｎＳ量を減少させ、更に、入出力ディスクおよびパワーローラの転がり面におけるＭｎＳの最大長を最大接触楕円の長径の１／５以下の大きさとして大きなＭｎＳをなくすことにより、短寿命品をなくすことが可能となる。
【００２２】
なお、Ｃａ，Ｔｅ及びＺｒの内の少なくとも一つの元素を微量添加することにより、鋼中にＣａ−ＭｎＳ、Ｔｅ−ＭｎＳ、Ｚｒ−ＭｎＳを生成して圧延、鍛造による変形を抑制し、これにより、ＭｎＳの長さを制御してＭｎＳの最大長が最大接触楕円の長径の１／５以下の大きさにすることの容易化を図ることができる。
【実施例】
まず、ＳＣｒ４２０の鋼について、Ｓの含有量を０．００３％〜０．０３０％の範囲で変えたものを溶製した。
【００２３】
得られた材料をφ１００ｍｍの丸棒に圧延し、圧延方向に対して垂直になる断面から回転曲げ疲労試験片を製造した。試験片は８４０°Ｃで焼入れ、１８０°Ｃで焼戻しの熱処理を行った。熱処理後、表面の研磨加工を行い、回転曲げ疲労試験を行った。試験結果を図１に示す。
図１は鋼の含有Ｓ量と疲労強度との関係を示したものであり、図から明らかなように、Ｓの含有量が０．０１３％以下になると疲労強度が向上することが判る。これは破壊の起点となるＭｎＳの存在確率が低くなるためと、ＭｎＳの大きさが小さくなるためである。
【００２４】
また、上記の材料から、素材の圧延方向と試験片の長手方向が同じになるように圧延方向にシャルピー衝撃試験片を切り出した。試験片は８４０°Ｃで焼入れ、１８０°Ｃで焼戻しの熱処理を行った。熱処理後、表面仕上げ加工を行い、衝撃試験を行った。図２に試験結果を示す。
図２は得られた鋼のＳ含有量とシャルピー衝撃値の関係を示したものであり、図から明らかなように、Ｓの含有量が０．０１３％以下になるとシャルピー衝撃値が大きくなって耐衝撃強度が向上し、Ｓの含有量が０．０１３％を超えるとシャルピー衝撃値が低下するのが判る。シャルピー衝撃値が低下するのは、ＭｎＳの量が多くなり、ＭｎＳが大きくなるためである。
【００２５】
次に、表１に示す素材から入出力ディスクおよびパワーローラを製作し、トロイダル形無段変速機を組み立てた。
【００２６】
【表１】

【００２７】
入出力ディスクおよびパワーローラには、図３に示すように、Ｒｘガス＋エンリッチガス（＋５％アンモニア）で９００〜９６０°Ｃの温度で１０〜３０時間の浸炭窒化処理を行った後に、８２０〜８６０°Ｃで１時間油焼入れし、次いで、１８０°Ｃで２時間の焼き戻しを行った。製作したトロイダル形無段変速機を用いて耐久試験を下記の試験条件で行った。
【００２８】
試験条件
入力軸の回転数：４０００ｍｉｎ^−１
入力トルク　　：３８０Ｎｍ
使用オイル　　：トラクション油
オイル供給温度：１２０°Ｃ
この試験条件において最大接触面圧はＰｍａｘ　＝３．７ＧＰａとなる。試験は入出力ディスクあるいはパワーローラが破損するか、２００時間まで試験を行い、未破損で試験を終了した。耐久試験後に入出力ディスクおよびパワーローラのミクロ組織を観察した。面積３０，０００ｍｍ^２のミクロ組織を光学顕微鏡の倍率１００倍にて観察しながら倍率４００倍にて、ＭｎＳの最大長を測定し、存在するＭｎＳの最大長と最大接触楕円との比を求めた。表１に、それぞれの試験時間と破損形態を併せて記載した。
【００２９】
表１の実施例１〜１０は本発明例であり、ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４３５のいずれの場合も１４８時間以上の試験時間であった。また、Ｓの含有量の減少とともに破損に至るまでの時間は長くなっていた。
一方、比較例１〜１０の耐久試験結果から判るように、Ｓの含有量が０．０１３％を超えたり、ＭｎＳ最大長と最大接触楕円長径との比が０．２０を超えた場合には、１０５時間以下でパワーローラトラクション面或いはディスクトラクション面にはくりが発生した。
【００３０】
図４は、Ｓの含有量と寿命との関係を示したものである。図から判るように、Ｓの含有量が減少すると寿命は長くなる傾向にあるが、Ｓの含有量が０．０１０〜０．０１５％の範囲では、寿命のばらつきが大きくなっている。
図５はＭｎＳの最大長と最大接角楕円長径との比と、寿命との関係を示したものである。図から判るように、長寿命のものは、比が０．２０以下となっている。比が０．２０のものは寿命のばらつきが大きくなっているが、長寿命のものはＳの含有量が０．０１３％以下のものであった。また、Ｓの含有量が０．００３％であり、ＭｎＳの最大長と最大接触楕円長径との比が０．１０以下のものには破損が生じなかった。
【００３１】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明によれば、入出力ディスクおよびパワーローラの内の少なくとも一つをより疲労強度に優れたものとすることができるので、耐久性に優れた長寿命のトロイダル形無段変速機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼中のＳの含有量と疲労強度との関係を示すグラフ図である。
【図２】鋼中のＳの含有量とシャルピー衝撃値との関係を示すグラフ図である。
【図３】浸炭窒化処理の工程図である。
【図４】寿命と鋼中のＳの含有量との関係を示すグラフ図である。
【図５】寿命とＭｎＳ最大長／最大接触楕円長径との関係を示すグラフ図である。
【図６】トロイダル形無段変速機の一例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１…入力ディスク
２…出力ディスク
６ａ，７ａ…パワーローラ

Claims (3)

1. 少なくとも入出力ディスクと、該入出力ディスクを転走するパワーローラとを備えたトロイダル形無段変速機において、
   前記入出力ディスク及び前記パワーローラの内の少なくとも一つが、Ｓ（硫黄）の含有量が、　Ｓ≦０．０１３％であり、　かつ硫化物系介在物の最大長が最大接触楕円の長径の１／５以下である鋼からなることを特徴とするトロイダル形無段変速機。
2. 前記Ｓ（硫黄）の含有量が、　Ｓ≦０．００３％であり、かつ硫化物系介在物の最大長が最大接触楕円の長径の１／１０以下である鋼からなることを特徴とする請求項１記載のトロイダル型無段変速機。
3. 前記鋼がＣａ、Ｔｅ及びＺｒの内の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１又は２記載のトロイダル形無段変速機。

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