JP2004138209A

JP2004138209A - 無段変速機用プーリ

Info

Publication number: JP2004138209A
Application number: JP2002305246A
Authority: JP
Inventors: Jun Imazu; 今津　潤; Takashi Noyori; 野寄　貴志
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-21
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2004-05-13

Abstract

【課題】シャフトに設けられる周溝部に十分な軟化金属を充填でき、フランジ部とプーリ部との結合強度が高い無段変速機用プーリの製造方法を提供する。
【解決手段】鋼製のシャフト１にフランジ部２を一体に設け、このフランジ部２の第１接合面２ａに軽合金製のプーリ部１０のベルト接触面１１と対向する背面側の第２接合面１２ａを摩擦圧接により接合する。第２接合面は、内周側の軟化代を外周側の軟化代に比べて大きくしてあり、摩擦圧接により軟化した軽合金の一部がシャフト１の周溝部３に充填される。
【選択図】　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は無段変速機用プーリの製造方法、特に鋼製のシャフトと軽合金製のプーリ部とからなる複合構造のプーリの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開昭６３−１０４７９０号公報
従来より、Ｖベルトを用いて自動変速を行なう種々の無段変速機が実用化されているが、特に軽量化や放熱性の改善のために、プーリ部をアルミ合金などの軽合金で構成することが行われている。その場合、動力伝達軸（シャフト）は伝達トルクに対する耐久性を確保するため、鋼材を用いるのが望ましい。よって、ベルトと摩擦するプーリ部のみが軽合金化の対象となる。
【０００３】
このとき、鋼製のシャフトとアルミ合金製のプーリ部とを高強度に接合する必要があるが、従来の鋼とアルミ合金の高強度接合技術としては、「鋳込み」、「圧入」、「ねじの締付を利用した締結」などが考えられる。しかし、いずれの方法も、品質管理工程が多くかかったり、機械加工の必要な部分が多くなるなどの理由から、コスト高となっていた。
【０００４】
そこで、特許文献１に記載のように、アルミ製のプーリ部と鋼製のシャフトとを摩擦接合によって接合させる方法が提案されている。この方法は、アルミ製のプーリ部の内径を鋼製のシャフトの外径よりも小さくし、プーリ部を固定しシャフトを回転させて接合面を接触させ圧力を加えて挿入後、シャフトの回転を停止し、さらに加圧して接合するものである。
【０００５】
上記接合方法の場合には、プーリ部の内周面とシャフトの外周面とが接合面となるため、プーリ部にかかる推力（軸方向荷重）が接合面に対して剪断方向に作用する。そのため、接合強度を上げるためにはプーリ部とシャフトとの接合幅を大きく取らなければならず、プーリ部の内径部の肉厚が大きくなり、重量が大きくなるという欠点がある。
また、プーリ部とシャフトとの接合面積が小さいため、プーリ部に対してベルト推力が作用したとき、プーリ部がシャフトに対して傾いたり、シャフトとの接合部に亀裂などが発生しやすく、ベルト推力に対する剛性が低いという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本願出願人は、図４，図５に示すように、鋼製シャフト２０にフランジ部２１を設け、このフランジ部２１と軽合金製のプーリ部３０の背面とを相対回転させながら摩擦圧接により接合することで、接合強度の高く、ベルト推力に対する剛性が高い無段変速機用プーリを提案した（特願２００１−２７１２９１号）。
図４，図５において、フランジ部２１の一側面に第１接合面２２が形成され、これと対向するプーリ部３０の背面に凹状の第２接合面３２が形成されている。なお、３１はベルト接触面である。この無段変速機用プーリの場合、プーリ部３０の内径部とシャフト２０との結合強度を高めるため、フランジ部２１の第１接合面２２に隣接するシャフト２０の外周部に、軟化した金属（軽合金）を充填するための周溝部２３を形成してある。
【０００７】
上記構造の場合、第１接合面２２と第２接合面３２とが平行な面で形成されているので、摩擦圧接時に第１接合面２２と第２接合面３２とが全面で摩擦する。ところが、摩擦面における外周側の周速度が大きく、外周側が内周側に比べて温度が高くなるので、外周側が先に軟化し、内周側が硬いままという状態になる。このような軟化温度の違いと、摩擦圧接時の遠心力とによって、軟化金属が外周側に集まりやすい。そのため、十分な軟化金属を周溝部２３に充填できず、シャフト２０とプーリ部３０との間で所望の結合強度が得られない場合があった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、シャフトに設けられる周溝部に十分な軟化金属を充填でき、フランジ部とプーリ部との結合強度が高い無段変速機用プーリの製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、鋼製のシャフトと軽合金製のプーリ部とからなる無段変速機用プーリの製造方法において、上記プーリ部と接合される第１接合面を有するフランジ部を一体に設けるとともに、上記フランジ部の第１接合面に隣接するシャフトの外周面に周溝部を形成したシャフトを準備する工程と、ベルト接触面と対向する背面に、内周側の軟化代を外周側の軟化代に比べて大きくした第２接合面を形成したプーリ部を準備する工程と、上記フランジ部の第１接合面とプーリ部の第２接合面とを相対回転させながら摩擦圧接により接合するとともに、軟化した金属の一部を上記周溝部に充填する工程と、を有する無段変速機用プーリの製造方法を提供する。
【００１０】
シャフトのフランジ部の第１接合面とプーリ部の背面の第２接合面とを接触させ、両接合面を相対回転させながら摩擦圧接させると、接合部にはフランジ部とプーリ部との相互拡散による冶金的な接合力が働き、剛体結合される。軸方向に対面するプーリ部の第２接合面とシャフトのフランジ部の第１接合面とが対面接合するので、プーリ部に推力が作用しても、プーリ部の倒れをシャフトのフランジ部で確実に支えることができる。そのため、プーリ部とシャフトとの接合幅を小さくでき、軸方向に薄型のプーリを構成できる。
また、フランジ部の第１接合面に隣接するシャフトの外周面に周溝部を形成し、この周溝部に摩擦圧接により軟化した軽合金の一部を充填している。特に、プーリ部の第２接合面は内周側の軟化代を外周側の軟化代に比べて大きくしてあるので、摩擦圧接時に内周側が先に摩擦され、軟化した金属がプーリ部の内径部へ多く移動する。そのため、周溝部およびシャフト外周とプーリ部内周との隙間を軟化金属で確実に埋めることができる。周溝部に充填され硬化した軽合金がアンカー効果を発揮するので、プーリ部の内径部とシャフト（フランジ部）との接合強度が向上する。
【００１１】
請求項２のように、フランジ部の第１接合面に、プーリ部のベルト接触面と同方向に傾斜したテーパ面を形成し、プーリ部の接合前の第２接合面に、第１接合面より頂角の大きなテーパ面を形成するのがよい。
この場合には、最初に摩擦圧接される面が内周側のみであり、その後、圧接が進行するにつれて摩擦面が外周側へ拡大する。このように、摩擦面が逐次拡大することで、軽合金製のプーリ部の接合面に存在する酸化皮膜は確実に破壊され、接合完了状態では酸化皮膜は確実に除去された状態で接合される。そのため、接合信頼性が高くなる。
なお、フランジ部の第１接合面の頂角をプーリ部のベルト接触面の頂角とほぼ同一角度にした場合には、接合完了状態においてフランジの第１接合面とベルト接触面とが平行になるので、フランジ部の外周端に対応するプーリ部の肉厚減少を小さくでき、ベルト推力に対する強度を向上させることが可能となる。換言すれば、プーリ部全体の肉厚を小さくしながら、所望の強度を維持することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１〜図３は本発明にかかる無段変速機用プーリの一例を示し、図１は接合前、図２は接合途中、図３は接合後の状態を示す。
１は鋼製のシャフトであり、シャフト１には略円板状のフランジ部２が一体に形成されている。フランジ部２の一側面には、シャフト１の軸線に対して所定の頂角θ_１　で傾斜したテーパ状の第１接合面２ａが設けられている。この実施例では、第１接合面２ａがフランジ２の内径部から外径部まで連続的に形成されている。第１接合面２ａに隣接するシャフト１の外周面には、周溝部である肉ヌスミ部３が設けられている。
【００１３】
１０はアルミ合金よりなるプーリ部であり、プーリ部１０の一側面にはテーパ状のベルト接触面１１が設けられ、対向する背面にはフランジ部２よりやや大径な円形の凹部１２が設けられている。凹部１２の底面がフランジ部２の第１接合面２ａと接合される第２接合面１２ａであり、この第２接合面１２ａはベルト接触面１１の頂角θ_２　より大きな頂角θ_３　を持つテーパ面となっている。なお、この実施例では、第２接合面１２ａの内周部に、第２接合面１２ａより小さい頂角θ_４　を持つテーパ面１２ｂが形成されているが、このテーパ面１２ｂは摩擦接合時にフランジ部２の第１接合面２ａと第２接合面１２ａとがエッジ当たりするのを防止するためであり、省略してもよい。凹部１２の外周部には、接合後においてフランジ部２の外周面２ｂを間隔をあけて取り囲む環状溝１２ｃが形成されている。
【００１４】
上記のように第１接合面２ａ、第２接合面１２ａ、テーパ面１２ｂには、軸線と直角なフラット面が存在せず、テーパ面のみで構成されている。第１接合面２ａ、ベルト接触面１１、第２接合面１２ａおよびテーパ面１２ｂのそれぞれの頂角θ_１　〜θ_４　は次のように設定されている。
θ_１　＝θ_２　＝θ_４　＜θ_３
ここでは、θ_１　＝θ_２　＝θ_４　＝７７°、θ_３　＝８３°に設定した。
【００１５】
次に、プーリ部１０をシャフト１のフランジ部２と接合する方法を説明する。
図２に示すように、プーリ部１０を図示しない固定装置によって固定するとともに、プーリ部１０の中心穴１３をシャフト１に挿入し、シャフト１を回転させながらフランジ部２をプーリ１０の背面（第２接合面１２ａ）方向に押し付けることで、フランジ部２の第１接合面２ａとプーリ部１０の第２接合面１２ａとを摩擦圧接させる。なお、プーリ部１０を固定し、シャフト１を回転させる方法に代えて、シャフト１を固定し、プーリ部１０を回転させて接合してもよい。このとき、第２接合面１２ａの頂角θ_３　が第１接合面２ａの頂角θ_１　より大きく設定されているので、第２接合面１２ａの内周側（テーパ面１２ｂ）が先に摩擦され、軟化したアルミ合金がシャフト１の肉ヌスミ部３および中心穴１３とシャフト１との隙間に充填され、冷却後、硬化する。そのため、シャフト１外周とプーリ部１０内周との隙間を軟化金属で確実に埋めることができ、両者の結合強度を高くすることができる。摩擦圧接が進行すると、摩擦面が外周へ拡大し、軟化した金属は外径側へ流動して環状溝１２ｃに溜められる（図３参照）。そのため、外径側へ流れた軟化金属が、プーリ部１０の背面側へはみ出ることがない。
【００１６】
上記のように第１接合面２ａと第２接合面１２ａとの間に、鋼とアルミの相互拡散による冶金的な接合力が働くと同時に、シャフト１に設けた肉ヌスミ部３にアルミ合金が充填されて機械的な結合力が働くので、シャフト１とプーリ部１０とは高強度に接合される。また、圧接後の冷却によりアルミ合金が硬化する時、鋼とアルミの熱収縮差によって肉ヌスミ部３に充填されたアルミに締付力が作用するので、一層強固な結合が行われる。
また、第２接合面１２ａの頂角θ_３　が第１接合面２ａの頂角θ_１　より大きく設定されているので、プーリ部１０の第２接合面２ａの内周側の軟化代を外周側の軟化代に比べて大きくすることができる。そのため、多くの軟化金属（アルミ）が肉ヌスミ部３へと充填され、プーリ部１０とシャフト１とを強固に固定することができる。
さらに、摩擦圧接時に第２接合面１２ａの内周側が先に摩擦され、摩擦圧接が進行するに従い逐次摩擦面が外周へ拡大するようにしたので、第２接合面１２ａに存在する酸化皮膜は確実に破壊され、外周側へ排出される。そのため、接合状態では第１接合面２ａとプーリ部１０との間には酸化皮膜が殆ど存在せず、接合信頼性が高くなる。
【００１７】
図３に示すように、シャフト１とプーリ部１０とを結合したプーリにＶベルトＢを巻き掛けて駆動すると、プーリ部１０の外径部が推力によって矢印方向Ｆ１へ押される。そのため、プーリ部１０にはモーメントＭが作用し、プーリ部１０の内径部が矢印Ｆ２のように反対方向へ変位しようとする。これに対し、鋼よりなるフランジ部２がプーリ部１０を背後から支えるので、プーリ部１０の傾きや撓みを抑制できるとともに、肉ヌスミ部３に充填されたプーリ部１０のアルミ合金がアンカー効果を発揮し、プーリ部１０の内径部の浮き上がりや亀裂を防止できる。そのため、ベルト推力に対して剛性の高い無段変速機用プーリとなる。
また、推力Ｆ１によってフランジ部２のエッジとプーリ部１０のベルト接触面１１とを結ぶ最短経路（図３に破線Ｌで示す）に最大荷重が作用するが、上記構造のプーリ部１０の場合、接合状態においてプーリ部１０のベルト接触面１１とフランジ部２の第１接合面２ａとがほぼ平行なテーパ面であるため、プーリ部１０の半径方向に厚みの変化がなく、プーリ部１０の破断を防止できる。換言すれば、プーリ部１０の肉厚を殊更大きくしなくても、プーリ部１０の破断を防止できる。
【００１８】
本発明のプーリは、乾式Ｖベルトを用いた無段変速機に好適である。すなわち、乾式Ｖベルトを用いた無段変速機の場合、プーリ推力は湿式のＶベルト式無段変速機に比べて約１／２〜１／３程度と低いので、プーリを鋼製のシャフトとアルミ合金製のプーリ部との複合材で構成しても十分な耐久性が得られ、大型バイク、軽自動車、小型自動車用の乾式ベルトを用いた無段変速機などに実用範囲を広げることができる。
【００１９】
本発明は上記実施例に限定されるものではない。
上記実施例では、フランジ部の第１接合面をプーリ部のベルト接触面と同一角度のテーパ面とし、プーリ部の接合前の第２接合面を第１接合面より頂角の大きなテーパ面としたが、これに限るものではない。
例えば、フランジ部の第１接合面をベルト接触面と異なる頂角のテーパ面としてもよいし、軸線に対し直角なフラット面としてもよい。
また、プーリ部の接合前の第２接合面をベルト接触面と逆方向に傾斜したテーパ面としてもよいし、テーパ面以外に、内径側と外径側との間に段差を持つ形状としてもよい。要するに、第２接合面は内周側の軟化代が外周側の軟化代に比べて大きいものであればよい。
本発明においてシャフトとは、中実のシャフトに限らず、中空のシャフト、スリーブ、ハブであってもよく、プーリの軸部を構成する部材であればよい。したがって、本発明のプーリは固定シーブに限らず、可動シーブにも適用できる。
【００２０】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１に記載の発明によれば、シャフトのフランジ部とプーリ部の背面とを摩擦圧接により接合したので、両金属の冶金的な接合力が働き、剛体結合される。しかも、軸方向に対面するプーリ部の背面とシャフトのフランジ部との対面接合であるから、プーリにかかる推力の方向が接合面に対してほぼ垂直方向となり、接合強度が高い。そのため、プーリ部とシャフトとの接合幅を小さくでき、軸方向に小型化できる。
摩擦圧接に必要な精度は、例えば圧入やねじ締結に比べて低い精度でよく、品質管理が容易である。さらに、摩擦圧接に要する時間は１分以内のように比較的短時間であるから、鋳込み，圧入，ねじ締結などの方法に比べて生産性に優れ、低コストで製造できる。
さらに、プーリ部の第２接合面の内周側の軟化代を外周側の軟化代に比べて大きくしてあるので、摩擦圧接時に内周側が先に摩擦され、軟化した金属がプーリ部の内径部へ多く移動する。そのため、シャフトの周溝部およびシャフト外周とプーリ部内周との隙間を軟化金属で確実に埋めることができ、プーリ部とシャフトとの接合強度が向上するという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例である無段変速機用プーリの結合前の断面図である。
【図２】図１に示す無段変速機用プーリの結合途中の断面図である。
【図３】図１に示す無段変速機用プーリの結合後の断面図である。
【図４】本発明の前提となる無段変速機用プーリの結合前の断面図である。
【図５】図４に示すシャフトとプーリ部との結合後の断面図である。
【符号の説明】
１　　　　　シャフト
２　　　　　フランジ部
２ａ　　　　第１接合面
３　　　　　肉ヌスミ部（周溝部）
１０　　　　プーリ部
１１　　　　ベルト接触面
１２ａ　　　第２接合面

Claims

鋼製のシャフトと軽合金製のプーリ部とからなる無段変速機用プーリの製造方法において、
上記プーリ部と接合される第１接合面を有するフランジ部を一体に設けるとともに、上記フランジ部の第１接合面に隣接するシャフトの外周面に周溝部を形成したシャフトを準備する工程と、
ベルト接触面と対向する背面に、内周側の軟化代を外周側の軟化代に比べて大きくした第２接合面を形成したプーリ部を準備する工程と、
上記フランジ部の第１接合面とプーリ部の第２接合面とを相対回転させながら摩擦圧接により接合するとともに、軟化した金属の一部を上記周溝部に充填する工程と、を有する無段変速機用プーリの製造方法。
上記フランジ部の第１接合面には、プーリ部のベルト接触面と同方向に傾斜したテーパ面が形成され、
上記プーリ部の接合前の第２接合面には、上記第１接合面より頂角の大きなテーパ面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の無段変速機用プーリの製造方法。