JP2004324873A

JP2004324873A - 金属ベルトエレメント

Info

Publication number: JP2004324873A
Application number: JP2003159150A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Sakai; 秀則坂井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-06-04
Also published as: EP1455114A3; CN1526973A; CN1316183C; US20040176202A1; US7261656B2; DE602004013477D1; EP1455114A2; JP4168839B2; EP1455114B1

Abstract

【課題】初期状態から安定して大きい摩擦力を得て許容トルクを向上できる金属ベルトエレメントを提供する。
【解決手段】一対のテーパ状のフランク部１０を有するエレメント２を環状に多数連ねて備える金属ベルト１のエレメント２のフランク部１０に、小さな突条２０および溝２１を多数形成して微小凹凸を設けるとともに、その突条２０の先端を平坦状となるように形成した。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無端状の金属製リングと組合わされて無段変速機用の金属ベルトを構成する多数の駒状の金属ベルトエレメントのフランク部に関し、特に、フランク部に複数の突条および溝を備える金属ベルトエレメントのフランク部に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来からプーリディスクとの接触部の潤滑油の排出性を向上させるため、複数の突条および溝をベルトエレメントのフランク部に設けることが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
これは、フランク部に設ける複数の突条の輪郭を、初期の輪郭高さ（ｈ）より３０％から７０％下の輪郭高さ（ｈ）に位置するレベルまで輪郭が摩耗した後に、プーリディスクの接触表面と有効に接触する表面積が、フランク部の寸法の４０から６０％の範囲になるようにその輪郭を形成するものである。この輪郭は、シヌソイドの輪郭を使用することが好ましく、一方では、初期摩耗が迅速かつ容易に進行するよう突条の輪郭が最初は最小の接触面を有するので、輪郭の多少の摩耗は望ましく、他方で、支持面として作用する突条表面積割合が約５０％である少なくとも準平衡状態に、比較的急速に到達する点でも望ましいとしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１２５３１３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、突条の初期の輪郭高さ（ｈ）より３０％から７０％下の輪郭高さ（ｈ）に位置するレベルまで輪郭が摩耗した後に、ベルトディスクの接触表面と有効に接触する表面積が、フランク部の寸法の４０から６０％の範囲になるようにその突条の輪郭を形成するものであるため、上記初期摩耗後は許容トルクが向上するものの、ベルトエレメントを金属ベルトに組付けて無段変速機を組立てた初期状態では、突条の先端部のみがプーリディスクに接触するのみで両者の間に充分な接触面積を確保できないことから大きい摩擦力が得られず、初期状態から許容トルクを向上させることができない不具合があった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、初期状態から安定して大きい摩擦力を得て許容トルクを向上できる金属ベルトエレメントを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一対のテーパ状のフランク部を有するエレメントを環状に多数連ねて備える金属ベルトのエレメントのフランク部に、小さな突条および溝を多数形成して微小凹凸を設けるとともに、その突条の先端を平坦状に形成した。
【０００８】
【発明の効果】
したがって、本発明では、金属ベルトのエレメントのフランク部に、小さな突条および溝を多数形成して微小凹凸を設けるとともに、その突条の先端を平坦状となるように形成したため、プーリディスクとの接触面積が初期状態から充分に確保されてプーリディスクとの接触安定性が向上し、摩擦力が向上する。また、接触面圧が低下するため、摩耗が低減できる。さらに、潤滑油の排出性は、排出可能な溝が充分残っているため、潤滑油の排出性は悪化しない。これらのことから、摩擦力が向上することで、許容トルクの向上と、摩耗低減による耐久性の向上とを両立させることが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の金属ベルトエレメントのフランク部形状を一実施形態に基づいて説明する。
【００１０】
図１は本発明を適用する金属ベルトを用いたベルト式無段変速機の駆動メカニズムを示す説明図、図２は本発明を適用した金属ベルトの断面図およびエレメントの側面図、図３はエレメントのフランク部の拡大図を夫々示す。ここでは、先ず、図１に基づいて、金属ベルトの使用形態をベルト式無段変速機図により説明し、次いで、図２により対象とする金属ベルトについて説明し、その後に、図３によりエレメントのフランク部の形状について説明する。
【００１１】
図１において、金属ベルト１は多数のエレメント２と各エレメント２を整列させて保持する無端状のリング３とにより構成されている。ベルト式無段変速機は、軸方向相対位置が可変となった一対の対向する円錐状の傾斜面６、７により円周にＶ字状溝６Ａ、７Ａを備える駆動側プーリ４および従動側プーリ５の各Ｖ字状溝６Ａ、７Ａに巻回して構成される。駆動側プーリ４のトルクは金属ベルト１の構成要素である各エレメント２，２同士の圧縮力を介して従動側プーリ５に伝達され、各エレメント２、２は前記Ｖ字状溝６Ａ、７Ａに係合し且つベルト本体として機能する無端状のリング３の張力によって拘束される。
【００１２】
図２に示すように、多数のエレメント２は、プーリ４、５のＶ字状溝６Ａ、７Ａへの接触面となるよう傾斜した左右一対のフランク部１０を備えるボディ部１１と、ボディ部１１に隣接させて一対のリング受容溝１２を形成するようボディ部１１に幅狭のネック部１３を介して連結したヘッド部１４とを備える。前記リング受容溝１２はボディ部１１のサドル面１５、ネック部１３およびヘッド部１４に形成されたイヤー部１６とにより三方を囲んで形成している。前記リング受容溝１２には、薄板状のリング素片３Ａを幾重にも積層してなるベルト本体としての金属製のリング３が嵌め合わされ、これにより数百個のエレメント２，２…が相互につながれて金属ベルト１として機能する。なお、各エレメント２，２…は、ボディ部１１がリング３の内周側となり、ヘッド部１４がリング３の外周側となる。
【００１３】
前記ボディ部１１は、図２（Ｂ）に示すように、ロッキングエッジ１７より図中下方において斜めの傾斜面１８により切取っており、ボディ部１１がプーリ４、５のＶ字状溝６Ａ、７Ａへフランク部１０により接触して共に回動する時に、ボディ部１１同士がプーリ４、５内周側において互に干渉しないようにしている。その場合においても、ボディ部１１同士はロッキングエッジ１７を介して互に接触していることが望ましい。
【００１４】
前記ボディ部１１の左右のフランク部１０の基準幅寸法Ｗ、基準幅寸法ＷとなっているポイントＧのサドル面１５からの高さ寸法Ｓ、および、フランク面１０の傾斜θは、エレメント２がリング３によりサドル面１５で支持された状態で、そのフランク面１０をプーリ４、５のＶ字状溝６Ａ、７Ａに係合する際に、フランク面１０とプーリ４、５との間での伝達トルクを左右する重要な要素であり、高精度に製作する必要がある。
【００１５】
前記フランク面１０には、多数の突条２０が設けられ、突条２０同士の間は溝２１に形成され、この突条２０および溝２１は、図３に示すように、交互に配置される。各突条２０の先端は、共通面Ａにより面粗度１μｍの平坦な接触面２２に形成され、この接触面２２がプーリディスク６、７に接触するよう構成している。突条２０間の溝２１は突条２０の接触面２２がプーリディスク６、７に接触する際に接触部分から押出された潤滑油の排出溝を構成する。突条２０の溝２１の底部よりの高さは、３０〜４０μｍ程度であり、突条２０同士のピッチは、０．２ｍｍ程度に構成している。
【００１６】
前記平坦な接触面２２は突条２０の頂点に形成されるが、突条２０に沿って一様な深さで形成しても、部分的に深さを変えてもよく、例えば、突条２０を横方向から見て波形に形成してもよく、全ての突条２０の接触面２２が全体的に平坦であればよい。また、接触面２２は平坦状に形成されるものであるが、突条２０に沿うその中央部が盛り上がっていてもよい。
【００１７】
これら突条２０および溝２１は、エレメント２をプレス加工で打ち抜いて形成する場合には、プレス型のフランク部１０を形成する型面にピッチが０．２ｍｍ、深さが３０〜４０μｍの凹凸を形成し、精密プレス（ファインプレス）により打ち抜きすることにより形成することができる。また、機械加工、例えば、突条２０および溝２１と同様の形状を持つ切削工具により切削加工することによっても形成することができる。
【００１８】
そして、前者のプレス打ち抜きされたエレメント２の突条２０は、図３の点線を含む形状となっているので、この突条２０に対して面加工を追加して接触面２２を形成する。面加工としては、機械加工、プレスによる押し付け加工、砥石による研削加工等が可能であり、いずれの面加工においても面粗度が１μｍ程度となるよう形成する。この場合も、上記した通り完全な平面でなくてもよい。後者の機械加工されたエレメント２の突条２０は、まだ接触面２２を形成していない場合には、プレス打ち抜きエレメントと同様に面加工を施す必要があるが、切削工具に接触面２２を形成する平面部を設けておくことにより、新たに面加工を施す必要のないようにしても良い。
【００１９】
このように形成されたエレメント２のフランク面１０は、図５に示す負荷曲線を備えている。負荷曲線とは、ＤＩＮ４７７６特殊負荷曲線パラメータ等に用いられるものであり、図４に示すように、表面に形成されてなる表面突起を中心線に平行してある高さ位置でスライスした時の各表面突起の断面積の総和を示すものである。図４の左側に示した粗さ曲線を持つような表面突起をある高さ位置ａでスライスしたとき、そのスライス面の表面積を合わせた面積の割合が負荷曲線（ベアリングカーブ、アボット曲線ともいう）として図４の右側に示される。この負荷曲線は、縦軸をある基準線からの高さＹとし、横軸をＸ（ある高さにおける各表面突起の断面積の総和）／（基準線における全表面突起の断面積の総和）×１００なる値とするものである。よって、負荷曲線５０％値は、基準線における断面積の５０％にあたる断面積を有する高さを示している。なお、粗さ曲線をある基準線で分けたとき、この粗さ曲線と基準線に囲まれる部分の面積が基準線の上下で等しくなるように定めた基準線を中心線とする。
【００２０】
図５において、フランク面１０の負荷曲線は、全面積の１０％の負荷面が突条２０の頂部（頂部が平坦である場合）と頂部から約１．２μｍとの間に存在し、全面積の４０％の負荷面が突条２０の頂部（頂部が平坦である場合）と頂部から約４．８μｍとの間に存在するよう調整する。この負荷曲線は、具体的には、Ｙ＝３．３３３３Ｘ^３−２．３３３３Ｘ^２＋０．６６６７Ｘ−０．０２６７を上限とし、Ｙ＝−８．３３３３Ｘ^３＋２０．８３３Ｘ^２＋３．３３３３Ｘ＋０．６６６７を下限とする範囲に存在させる。ただし、加工面粗度が１μｍであるため、この面粗度分だけ上記負荷曲線は増減される。負荷曲線は、突条２０の頂部に形成する接触面２２が小さい場合には、限りなく上記した下限範囲に近接し、突条２０の頂部に形成する接触面２２が大きくなっていくに連れて負荷曲線の小さい％側から上記した上限範囲に近接してゆく特性を備える。
【００２１】
図６は、フランク部１０のプーリディスク６、７との接触部よりの潤滑油排出性（Ａ）、プーリディスク６、７との接触面積（Ｂ）、および、プーリディスク６、７との摩擦力（Ｃ）を夫々示すものであり、比較例１は突条２０の頂部が平坦でない尖ったフランク部１０を備えるエレメント２を示し、比較例２は突条２０が全く存在しない完全な平坦面のフランク部１０を備えるエレメント２を示す。
【００２２】
比較例１では、プーリディスク６、７とエレメント２間にある潤滑油の排出性は向上する（図６（Ａ）参照）が、プーリディスク６、７との接触面積が十分に確保出来ない（図６（Ｂ）参照）ことにより、それら相乗効果で決まるプーリディスク６、７との摩擦力が小さくなる（図６（Ｃ）参照）。その時の許容伝達トルクは、図７に示すように、高くするのに限界があり、山頂上部がＲ形状となっているため、接触面圧が高いことにより、フランク部１０が摩耗し、図８に示すように、耐久性が必要以上に確保しにくい等の不具合を発生する。また、山頂上部がＲ形状であるため、溝形状を量産成形する上で、プレス加工が前提となり、フランク面の角度バラツキ（θ）、サドル面からの高さバラツキ（Ｓ）が大きくなり、品質安定性にかけるという不具合も生ずる。
【００２３】
比較例２では、プーリディスク６、７との接触面積が増える（図６（Ｂ）参照）ことで、接触面圧が低くなり、フランク部１０の摩耗が減少して耐久性が向上する特徴があり、しかも、機械加工等が可能となり、フランク面の角度バラツキ（θ）、サドル面からの高さバラツキ（Ｓ）が小さくなり、品質安定性が向上するという特徴がある反面、接触面積が大きくなることで、プーリディスク６、７との接触が安定的になるが、プーリディスク６、７との間の潤滑油の排出性が悪化し（図６（Ａ）参照）、結果として、プーリディスク６、７との摩擦係数が小さい（図６（Ｃ）参照）ままとなる不具合を備える。
【００２４】
本発明のフランク部１０においては、プーリディスク６、７との接触面積は比較例２より小さい（図６（Ｂ）参照）ものの、比較例１より飛躍的に拡大されるため、プーリディスク６、７との接触安定性が向上し、摩擦力が向上する（図６（Ｃ）参照）。また、接触面圧が低下するため、摩耗が低減できる。さらに、潤滑油の排出性は、比較例１より若干劣るものの、排出可能な溝２１が充分残っているため、潤滑油の排出性は悪化しない（図６（Ａ）参照）。これらのことから、比較例１，２より摩擦力が向上（図６（Ｃ）参照）することで、図７に示すように、許容トルクの向上と、摩耗低減による耐久性の向上（図８参照）とを両立させることが可能となる。
【００２５】
上記した構成のフランク部１０を備えたエレメント２は、金属ベルト１として、リング３に組付けるにあたって、全数のエレメント２を対象にすることが望ましいが、一個づつ飛ばして配設したり、二個づつ飛ばして配設しても良い。図９は金属ベルト１に配列した全エレメント２枚数に対する本発明エレメント２の枚数の比率を横軸とし、縦軸に得られた伝達トルク、即ち、摩擦力を示す実験結果である。この結果から見ると、少なくとも３０％以上の比率で本発明エレメント２を混在させることにより充分な伝達トルクを得ることができる。このようにすると、全エレメント２を高精度に加工する必要がなくなり、エレメント２の加工コストが低減できる。未加工のエレメント２としては、比較例１のエレメント２を選択すると、伝達トルクは本発明エレメント２で受け持ち、比較例１のエレメント２の摩耗の進行に連れて、伝達トルクが徐々に増加する使い方が可能となる。
【００２６】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００２７】
（ア）金属ベルト１のエレメント２のフランク部１０に、小さな突条２０および溝２１を多数形成して微小凹凸を設けるとともに、その突条２０の先端を平坦状となるように形成したため、プーリディスク６、７との接触面積が充分に確保されてプーリディスク６、７との接触安定性が向上し、摩擦力が向上する。また、接触面圧が低下するため、摩耗が低減できる。さらに、潤滑油の排出性は、排出可能な溝２１が充分残っているため、潤滑油の排出性は悪化しない。これらのことから、摩擦力が向上することで、許容トルクの向上と、摩耗低減による耐久性の向上とを両立させることが可能となる。
【００２８】
（イ）フランク部１０は、フランク部１０の全面積の１０％の負荷面が突条２０の頂部から約１．２μｍの深さの間に存在し、全面積の４０％の負荷面が突条２０の頂部から約４．８μｍの深さの間に存在する負荷曲線を備える。即ち、前記負荷曲線は、突条２０の山頂点からの距離をＹ（μｍ）とし、負荷面の全面積に対する比率をＸとすると、Ｙ＝３．３３３３Ｘ^３−２．３３３３Ｘ^２＋０．６６６７Ｘ−０．０２６７に近似する負荷曲線を上限とし、Ｙ＝−８．３３３３Ｘ^３＋２０．８３３Ｘ^２＋３．３３３３Ｘ＋０．６６６７に近似する負荷曲線を下限とする範囲に存在するよう構成した。このため、プーリディスク６、７との接触で発生する摩擦力が大きくなり、許容トルクが向上し、プーリディスク６、７との局部接触面圧が低下して突条２０の摩耗耐久性が向上した。しかも、フランク部１０に機械加工等を追加するため、フランク面１０の角度バラツキ（θ）、サドル面１５からの高さバラツキ（Ｓ）が抑えられ、品質が向上した。
【００２９】
（ウ）突条２０の先端を平坦状となるように形成したエレメント２は、金属ベルト１を構成する複数のエレメント２の内の３割以上のエレメント２に用いるため、全てのエレメント２を高精度にする必要が無くなり、加工のコスト低減が可能となる。
【００３０】
なお、上記実施形態において、金属ベルト１として、リング受容溝１２をエレメント２の左右に備えるものについて説明したが、図示はしないが、リング受容溝１２をエレメント２の中央部に備えるエレメント２のフランク部１０に適用するものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する金属ベルトを用いたベルト式無段変速機の駆動メカニズムを示す説明図。
【図２】本発明を適用した金属ベルトの断面図（Ａ）およびエレメントの側面図（Ｂ）。
【図３】本発明を適用したエレメントのフランク部の部分拡大図。
【図４】表面の負荷曲線の説明図。
【図５】本発明を適用したフランク面の負荷曲線を示すグラフ。
【図６】本発明と比較例１、２とを対比して示す油排出特性（Ａ）、接触面積（Ｂ）、摩擦力（Ｃ）の特性のグラフ。
【図７】本発明と比較例１、２とを対比して示すトルク特性のグラフ。
【図８】本発明と比較例１とを対比して示す耐久終了後の溝深さを示すグラフ。
【図９】本発明エレメントの全エレメントに対する比率と得られる摩擦力を示したグラフ。
【符号の説明】
１金属ベルト
２エレメント
３リング
４、５プーリ
６、７傾斜面（プーリディスク）
１０フランク部（フランク面）
１１ボディ部
１２リング受容溝
１５サドル面
２０突条
２１溝
２２接触面

Claims

一対のテーパ状のフランク部を有するエレメントを環状に多数連ねて備える金属ベルトであり、円錐形状の挟圧面を互いに対向させて配設する一対のプーリディスクからなる複数のプーリの挟圧面にフランク部を接触させて巻き掛けられ、複数のプーリ間で動力を伝達する金属ベルトエレメントにおいて、
前記エレメントのフランク部に、小さな突条および溝を多数形成して微小凹凸を設けるとともに、その突条の先端を平坦状となるように形成したことを特徴とする金属ベルトエレメント。
前記フランク部は、フランク部の全面積の１０％の負荷面が突条の頂部から約１．２μｍの深さの間に存在し、全面積の４０％の負荷面が突条の頂部から約４．８μｍの深さの間に存在する負荷曲線を備えるものであることを特徴とする請求項１に記載の金属ベルトエレメント。
前記負荷曲線は、突条の山頂点からの距離をＹ（μｍ）とし、負荷面の全面積に対する比率をＸとすると、Ｙ＝３．３３３３Ｘ^３−２．３３３３Ｘ^２＋０．６６６７Ｘ−０．０２６７に近似する負荷曲線を上限とし、Ｙ＝−８．３３３３Ｘ^３＋２０．８３３Ｘ^２＋３．３３３３Ｘ＋０．６６６７に近似する負荷曲線を下限とする範囲に存在するよう構成したことを特徴とする請求項２に記載の金属ベルトエレメント。
前記突条の先端を平坦状となるように形成するエレメントは、金属ベルトを構成する複数のエレメントの内の３割以上のエレメントに用いることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の金属ベルトエレメント。