JP2005127385A - トロイダル型無段変速機及びそのトラニオンの加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 トラニオンの大型化を防止するとともに、トラニオンの加工コストを低減することができるトロイダル型無段変速機を提供する。
【解決手段】トロイダル型無段変速機１０において、トラニオン４０は、鍛造成形された後、調質熱処理が施されており、調質熱処理によるトラニオン４０全体の表面から芯部までの硬度はＨＲＣ２０〜２７である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車用或いは各種産業機械用の変速機構として利用されるトロイダル型無段変速機及びそのトラニオンの加工方法に関する。

従来、自動車等の車両に用いられる無段変速機として、図７及び図８に示されるようなトロイダル型無段変速機１０が知られている。トロイダル型無段変速機１０では、エンジン等の駆動源と連動して回転する入力軸１１の周囲に、入力ディスク１２と出力ディスク１３がニードルローラ軸受１４を介して互いに同心に、且つ互いに独立して回転自在に支持されている。

入力ディスク１２の背面側には、カムディスク１５が入力軸１１に対してスプライン係合しており、カムディスク１５と入力ディスク１２との間には複数のローラ１６が介在され、入力ディスク１２を出力ディスク１３側に押し付けるローディングカム式の押圧機構１７が設けられている。出力ディスク１３はキー１８を介して出力歯車１９と係合しており、出力ディスク１３と出力歯車１９とは同期して回転する。

また、入力ディスク１２と出力ディスク１３との間には一対の傾転軸４１、４２を中心として揺動するトラニオン４０が設けられ、トラニオン４０の中心部には変位軸２０がニードルローラ軸受２１を介して設けられている。そして、この変位軸２０の先端部の周囲にはパワーローラ２２が回転自在に支持されている。パワーローラ２２の外周面は、円弧形状の凹断面に形成された入力ディスク１２及び出力ディスク１３の各内側面１２ａ、１３ａと当接する球状凸面に形成されたトロイダル面２２ａを備えており、入力ディスク１２と出力ディスク１３との間に傾転自在に転接されている。

また、トラニオン４０とパワーローラ２２との間にはパワーローラ軸受２３が設けられている。このパワーローラ軸受２３はパワーローラ２２に加わるスラスト方向の荷重を支承しつつ、パワーローラ２２の回転を許容するものである。このようなパワーローラ軸受２３の複数の玉２４はトラニオン４０側に設けられた円環状の外輪２５と回転部としてのパワーローラ２２との間に設けられた円環状の保持器２６によって保持されている。

さらに、トラニオン４０の両端の傾転軸４１、４２はニードルローラ軸受２７を介してそれぞれ支持板２８に対して揺動自在に支持されており、トラニオン４０の揺動により、変位軸２０の傾斜角度を調節自在としている。

また、各トラニオン４０の一端部にはそれぞれ駆動ロッド２９が結合され、この駆動ロッド２９の中間部外周面には駆動ピストン３０が設けられており、この駆動ピストン３０は駆動シリンダ３１に内挿されている。

前述のように構成されたトロイダル型無段変速機１０によれば、エンジン等の駆動源から押圧装置１７のカムディスク１５に伝達された回転は、ローラ１６を介して入力ディスク１２に伝達される。入力ディスク１２の回転はパワーローラ２２を介して出力ディスク１３に伝達され、出力ディスク１３の回転は出力歯車１９より取り出される。

入力側と出力側との間の回転速度比を変える場合には、一対の駆動ピストン３０を互いに逆方向に変位させる。各駆動ピストン３０の変位に伴って各トラニオン４０がそれぞれ逆方向に変位する。その結果、各パワーローラ２２のトロイダル面２２ａと入力ディスク１２及び出力ディスク１３の内側面１２ａ，１３ａとの当接部に作用する接線方向の力の向きが変化し、この力の向きの変化に伴ってトラニオン４０が支持板２８に枢支された一対の傾転軸４１、４２を中心として互いに逆方向に揺動する。

図９に示されるように、トラニオン４０は、両端部に設けられた一対の傾転軸４１，４２を構成するオフセット部４３，４４と、一対のオフセット部４３，４４を連結する本体部４５とからなる。

本体部４５は、一対の傾転軸４１，４２の中心軸Ｏ_１から所定量平行に離れた円弧形状の内平面４６を備えており、一対のオフセット部４３，４４の内周面と協働して、パワーローラ２２を囲むポケット部４７を構成する。また、本体部４５の背面４８は、フラットな底面４９と、幅方向において底面４９から上方に傾斜した一対の斜平面５０とを備える。さらに、本体部４５の中間部には、内平面４６と底面４９との間を貫通し、ニードルローラ軸受２１を介して変位軸２０の基端部を支持するピボット孔５１が形成されている。

また、トラニオン４０には、駆動シリンダ２０内の作動油を潤滑油として供給するための潤滑孔５２が設けられている。潤滑孔５２は、一対の傾転軸４１，４２の中心軸Ｏ_１に対して平行で、且つピボット孔５１を貫通する第１の潤滑孔５３と、傾転軸４２の中心部において駆動ピストン２９を嵌挿するシャフト挿入孔５４を横切り、第１の潤滑孔５３に連通する斜めの第２の潤滑孔５５と、第１の潤滑孔５３から内平面４６に開口する２つの直交潤滑孔５６とを備える。

また、一対の傾転軸４１，４２は、本体部４５の両端面と面一に形成されたオフセット部４３，４４の傾転端面５７から突出しており、傾転軸４１，４２の根元部５８（以下、根元隅Ｒ部と呼ぶ。）は断面円弧形状に形成されている。また、傾転軸４１，４２の外周面は、ニードルローラ軸受２７と当接するニードル転走面５９を構成する。

また、一方の傾転軸４１の中心部には、トラニオン４０を変速機ケースに取り付けるためのネジが挿入されるタップ６０が形成されている。また、傾転端面５７の内方に位置するオフセット部４３の内側面には、トラニオン４０の最大傾転量を規制する傾転ストッパー６１が設けられている。

従来、上述のようなトラニオン４０を加工する方法として、次のようなものが知られている。

まず、トラニオン４０のオフセット部４３，４４と本体部４５を成形する際、トラニオン４０の耐久性を向上するため、素材を鍛造加工する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、トラニオン４０の耐久性を向上する別な手法として、トラニオン４０の芯部硬度をＨＲＣ２０〜４５とし、傾転軸４１，４２のニードル転走面５８を高周波熱処理することが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特許文献２に開示された手法では、炭素含有率０．３〜０．６％の鉄鋼材料を使用し、調質（焼き入れ焼き戻し）を施すことでＨＲＣ２０〜４５の芯部硬度を得ている。また、トラニオンの芯部硬度をＨＲＣ２０以上とすることで、トラニオンの塑性変形を防止して、変速における不具合が回避されることが記載されている。

さらに、トラニオン４０の耐久性を向上する他の手法として、ピボット孔５１の背面側開口部周辺を高周波熱処理し、ピボット孔５１をホーニング加工することが知られている（例えば、特許文献３参照。）。
特許文献３に開示された手法では、図１０に示されるように、ピボット孔５１の周辺部はトラニオン４０の背面側から高周波熱処理が施され、深さ（Ｓ）が０．４〜５ｍｍ、長さ（Ｈ）が８ｍｍの範囲でＨＲＣ５０以上としている。また、ピボット孔５１は高周波熱処理が施された後、ホーニング加工により仕上げ加工が行われている。
特開２０００−２３０６１５号公報（第３〜４頁、第２図） 特開平１１−１３２３０２号公報（第４〜５頁、第１図） 特開２００２−１２２１９８号公報（第３〜４頁、第１〜２図）

ところで、上記したトラニオン４０において、傾転軸４１，４２、内平面４６、ポケット部４７、ピボット孔５１、潤滑孔５２、シャフト挿入穴５４、タップ６０、傾転ストッパー６１等の各機能部位間での位置関係は、高精度が要求されており、熱処理等による歪みは許容されない。

また、トラニオン４０は、構造上、パワーローラ２２に作用するスラスト荷重を受けて図１１に示すように、背面側が引張られて内面側が圧縮される。これにより、トラニオン４０には矢印に示すように引張及び圧縮応力σ_１が発生してピボット孔５１が変形し、ピボット孔５１には応力が集中して過大な応力分布が発生する。また、トラニオン４０の背面側が引張られることで、同時に、傾転軸の根元隅Ｒ部５８にも引張応力σ_２が発生するため、根元隅Ｒ部５８にも応力集中が生じる。このため、トラニオン４０がピボット孔５１の近傍、或いは根元隅Ｒ部５８において破損する可能性があった。

特許文献２に開示された手法では、傾転軸のニードル転走面に高周波熱処理を施して硬化させているが、引張り荷重が作用する傾転軸の根元隅Ｒ部に対しては対処されておらず、最悪の場合、この根元隅Ｒ部から破断する可能性がある。このため、傾転軸の径を細くすることが難しく、トラニオンの大型化を招いてしまう。

また、トラニオンの芯部硬度をＨＲＣ２０〜４５としているが、この範囲内においても芯部硬度の高いトラニオンを加工する場合には、切削工具寿命が短くなって加工工具費が高くなったり、切削条件を高めることが出来ずに加工時間が長くなり、加工費が高くなってしまう。

さらに、特許文献３に開示された手法では、ピボット孔５１周辺の高周波熱処理は、ピボット孔５１を加工した後に行なわれる。このため、高周波熱処理による熱処理変形により、ピボット孔５１とパワーローラを受ける内平面４６が歪んでしまい、ピボット孔５１は真円度が悪化し、内平面４６は図１０（ａ）の線Ｃに沿って弓なりに変形してしまう。この歪みを解消するためには、ホーニング加工によるピボット孔５１の仕上げ加工と、内平面４６の歪み除去のための仕上げ加工が追加されるため、加工費が高くなってしまう。

本発明は、上記の問題点を鑑みて、トラニオンの大型化を防止するとともに、トラニオンの加工コストを低減することができるトロイダル型無段変速機を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、以下の構成によって達成される。
（１） 互いに同心に、且つ互いに独立して回転自在に支持された入力ディスク及び出力ディスクと、
前記入力ディスクと前記出力ディスクとの間に傾転自在に転接するパワーローラと、
前記パワーローラを回転自在に支持するトラニオンと、を備えたトロイダル型無段変速機において、
前記トラニオンは、鍛造成形された後、調質熱処理が施されており、前記調質熱処理による前記トラニオン全体の表面から芯部までの硬度はＨＲＣ２０〜２７であることを特徴とするトロイダル型無段変速機。
（２） 調質熱処理された前記トラニオンの背面部の一部または全部は、前記トラニオンの残りの部位を切削加工する前に、切削加工及び高周波熱処理が順次施されることを特徴とする（１）に記載のトロイダル型無段変速機。
（３） 前記トラニオンは、両端部に設けられた一対の傾転軸と、該一対の傾転軸を連結する本体部とからなり、
前記一対の傾転軸の根元隅Ｒ部は、高周波熱処理が施されることを特徴とする（１）に記載のトロイダル型無段変速機。
（４） 入力ディスクと出力ディスクとの間に傾転自在に転接するパワーローラを回転自在に支持する、トロイダル型無段変速機のトラニオンの加工方法において、
前記トラニオンを鍛造成形する工程と、
前記トラニオン全体の表面から芯部までの硬度がＨＲＣ２０〜２７となるように調質熱処理する工程と、
前記トラニオンを切削加工する工程と、
を備えたことを特徴とするトロイダル型無段変速機のトラニオンの加工方法。
（５） さらに、前記トラニオンを高周波熱処理する工程とを備え、
調質熱処理された前記トラニオンの背面部の一部または全部は、前記トラニオンの残りの部位を切削加工する前に、前記切削加工工程及び前記高周波熱処理工程が順次施されることを特徴とする（４）に記載のトロイダル型無段変速機のトラニオンの加工方法。
（６） 前記トラニオンは、両端部に設けられた一対の傾転軸と、該一対の傾転軸を連結する本体部とからなり、
前記一対の傾転軸の根元隅Ｒ部は、高周波熱処理工程が施されることを特徴とする（４）に記載のトロイダル型無段変速機のトラニオンの加工方法。
ここで、調質熱処理による硬度の下限値であるＨＲＣ２０は、トラニオン芯部強度に最低限必要な硬さであり、上限値であるＨＲＣ２７は、加工実験から、経済的加工が可能な硬度である。

本発明のトロイダル型無段変速機及びそのトラニオンの加工方法は、次のような効果が得られる。
上記（１）及び（４）によれば、鍛造成形後のトラニオンを表面から芯部までの硬度がＨＲＣ２０〜２７となるように調質することにより、必要な芯部硬度を確保しつつ、後の切削工程における、切削工具費の増大と切削能率の低下を防止できる。

また、上記（２）及び（５）によれば、強い引張り応力が作用するトラニオンの背面に高周波熱処理による表面硬化を行なうことにより、引張り強度を増加することができ、トラニオンの大型化を防止することができる。
また、背面の高周波熱処理は、熱処理による歪みを許容しない内平面やピボット孔やその他の部位を切削加工する前に行なわれるので、熱処理歪みの精度悪化が問題とならない。そのため、内平面やピボット孔を２回加工することが回避できるので、加工コストの増加を防止できる。

上記（３）及び（６）によれば、傾転軸の根元隅Ｒ部が高周波熱処理により硬化されて、当該部位が強化されるので、傾転軸の径を細く設計でき、トラニオンの大型化を防止することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るトロイダル型無段変速機について詳細に説明する。なお、本発明のトロイダル型無段変速機は、背景技術に記載されたトロイダル型無段変速機に、以下の加工工程で製造されるトラニオンを適用したものである。また、トラニオンの形状及び機能については、背景技術において説明されたトラニオン４０と同等である。従って、背景技術と同等部分については同一の符号を付して、重複する説明は省略若しくは簡略化する。

図１は、トラニオン４０の加工工程を示すフローチャートである。
まず、トラニオン４０の素材となる炭素含有率０．３〜０．６％の鉄鋼材料丸棒を加熱鍛造し、加工代が付与された概形状に成形する（ステップＳ１０１）。

次に、トラニオン４０は調質熱処理（焼入れ・焼戻し）が施され（ステップＳ１０２）、トラニオン４０全体の表面から芯部までの硬度をＨＲＣ２０〜２７とする。ここで、強度上必要なＨＲＣ２０以上の芯部硬度は確保しつつ、ＨＲＣ２７を越えない範囲でのトラニオンの硬度となるように、焼入れ・焼戻しの条件が設定される。例えば、トラニオン４０は、焼入れ温度８００〜９００℃で油冷したのち、焼戻し温度３００〜６５０℃で処理する。

次に、トラニオンの背面４８の一部又は全体が切削加工される（ステップＳ１０３）。即ち、図２に示すように、底面４９及び斜平面５０が切削工具７０により切削加工される尚、切削加工は、後工程で高周波焼入れする底面４９のみに施されてもよい。
特に、底面４９の切削加工は、後工程での高周波焼入れの際、高周波焼き入れ用のコイルとの位置関係を精度良くするために必要となる。また、トラニオンの強度面から着目して、鍛造肌であるよりは切削された面の方が強度のバラツキが小さい。

この後、図３に示されるように、切削加工された背面４８の高周波熱処理が行なわれ（ステップＳ１０４）、背面４８に必要な引張り強度を付与する。なお、背面４８の高周波熱処理は、必要な引張り強度に応じて図４に示されるように、背面４８の一部に施されてもよい。

次に、トラニオン４０の機能部位を順次、切削加工する（ステップＳ１０５）。例えば、内平面４６とポケット部４７とピボット孔５１をマシニングセンターにより転削加工する。また、傾転軸４１，４２を、ＮＣ旋盤により、旋削加工する。

その後、必要な強度を傾転軸４１，４２の根元隅Ｒ部５８に付与するため、根元隅Ｒ部５８の高周波熱処理が行なわれる（ステップＳ１０６）。この高周波熱処理は、図５に示されるように、背景技術に開示されたニードル転走面５９の高周波熱処理と同時に行なうことが可能である。この傾転軸４１，４２周りの高周波熱処理によって、傾転軸４１，４２の寸法は僅かに熱処理変形するが、トラニオン４０全体の精度に関わるような変形ではなく、傾転軸４１，４２のみの変形なので、全体に必要とされる位置精度を狂わせることはない。

ここで、上記の調質熱処理により得られた芯部硬度ＨＲＣ２２〜２７の中鋼と、従来のワーク硬度の芯部硬さＨＲＣ２８〜３３の硬鋼からなるトラニオン４０において、切削加工を行なった際の切削工具寿命を比較した。
図６（ａ）は、切削速度３００ｍ／ｍｉｎで中鋼（ＨＲＣ２２〜２７）と硬鋼（ＨＲＣ２８〜３３）からなるトラニオンを切削加工した際の切削工具寿命を示すグラフであり、図６（ｂ）は、切削速度を変えて硬鋼からなるトラニオン４０を切削した時の切削工具寿命を示すグラフである。

図６（ａ）に示されるように、切削速度３００ｍ／ｍｉｎで中鋼（ＨＲＣ２２〜２７）のトラニオン４０を切削加工した際の切削工具寿命は、硬鋼（ＨＲＣ２８〜３３）のトラニオン４０を切削加工した際の切削工具寿命と比較して６倍となり、３０分の目標工具寿命に到達することができた。

一方、図６（ｂ）に示されるように、切削速度が高くなると工具寿命は短くなり、硬鋼のトラニオン４０を切削加工する際に目標工具寿命を満たすためには、切削速度を２２０ｍ／ｍｉｎとする必要がある。従って、硬度がＨＲＣ２８〜３３のトラニオン４０において、安定した加工機械の稼動と工具寿命を得るためには、切削速度を２２０／３００＝０．７３、つまり３０％程度低く設定する必要があることがわかる。

以上の結果から、芯部硬度がＨＲＣ２７以下のトラニオン４０を用いることで、切削加工時における加工能率を向上させることができ、トラニオン４０の加工コストの低減を図ることができる。

従って、本実施形態のトロイダル型無段変速機によれば、鍛造素材状態のトラニオン４０を表面から芯部までの硬度がＨＲＣ２０〜２７となるように調質することにより、トラニオン４０に必要な芯部硬度を確保しつつ、後の切削工程における、切削工具費の増大の防止と切削能率の低下を防止できる。

また、強い引張り応力が作用するトラニオン４０の背面４８に高周波熱処理による表面硬化を行なうことにより、引張り強度を増加することができ、トラニオン４０の大型化を防止することができる。
ここで、背面４８の高周波熱処理は、熱処理による歪みを許容しない内平面４６やピボット孔５１やその他の部位を切削加工する前に行なわれるので、熱処理歪みの精度悪化が問題とならない。そのため、内平面４６やピボット孔５１を２回加工することが回避できるので、加工コストの増加を防止できる。

さらに、傾転軸４１，４２の根元隅Ｒ部５８が高周波熱処理により硬化されて、当該部位が強化されるので、傾転軸４１，４２の径を細く設計でき、トラニオン４０の大型化を防止することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。

本発明のトロイダル型無段変速機のトラニオンの加工工程を示すフローチャートである。 トラニオンの背面が切削加工される状態を示す図であり、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）はその側面図である。 トラニオンの背面が高周波熱処理される状態を示す図であり、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）はその底面図である。 トラニオンの背面の一部が高周波熱処理される状態を示す底面図である。 トラニオンの傾転軸の根元隅Ｒ部が高周波熱処理される状態を示す図であり、（ａ）はその縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ部における拡大断面図である。 （ａ）はワークの鋼種と切削工具寿命との関係を示すグラフであり、（ｂ）は硬鋼のワークを用いた際の切削速度と切削工具寿命との関係を示すグラフである。 一般的なトロイダル型無段変速機の構成を示す断面図である。 図７のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 図８のトラニオンを示す図であり、（ａ）はその縦断面図であり、（ｂ）はその左側面図である。 （ａ）は従来のトラニオンの縦断面図であり、（ｂ）はその底面図である。 （ａ）はトラニオンに作用するスラスト荷重を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のＤ部における拡大図である。

符号の説明

１０ トロイダル型無段変速機
１２ 入力ディスク
１３ 出力ディスク
２２ パワーローラ
４０ トラニオン
４１，４２ 傾転軸
４５ 本体部
４６ 内平面
４７ ポケット部
４８ 背面
４９ 底面
５０ 斜平面
５１ ピボット孔
５２ 潤滑孔
５４ シャフト挿入孔
５８ 根元隅Ｒ部
５９ ニードル転走面
６０ タップ
６１ 傾転ストッパー

Claims (6)

1. 互いに同心に、且つ互いに独立して回転自在に支持された入力ディスク及び出力ディスクと、
   前記入力ディスクと前記出力ディスクとの間に傾転自在に転接するパワーローラと、
   前記パワーローラを回転自在に支持するトラニオンと、を備えたトロイダル型無段変速機において、
   前記トラニオンは、鍛造成形された後、調質熱処理が施されており、前記調質熱処理による前記トラニオン全体の表面から芯部までの硬度はＨＲＣ２０〜２７であることを特徴とするトロイダル型無段変速機。
2. 調質熱処理された前記トラニオンの背面部の一部または全部は、前記トラニオンの残りの部位を切削加工する前に、切削加工及び高周波熱処理が順次施されることを特徴とする請求項１に記載のトロイダル型無段変速機。
3. 前記トラニオンは、両端部に設けられた一対の傾転軸と、該一対の傾転軸を連結する本体部とからなり、
   前記一対の傾転軸の根元隅Ｒ部は、高周波熱処理が施されることを特徴とする請求項１に記載のトロイダル型無段変速機。
4. 入力ディスクと出力ディスクとの間に傾転自在に転接するパワーローラを回転自在に支持する、トロイダル型無段変速機のトラニオンの加工方法において、
   前記トラニオンを鍛造成形する工程と、
   前記トラニオン全体の表面から芯部までの硬度がＨＲＣ２０〜２７となるように調質熱処理する工程と、
   前記トラニオンを切削加工する工程と、
   を備えたことを特徴とするトロイダル型無段変速機のトラニオンの加工方法。
5. さらに、前記トラニオンを高周波熱処理する工程とを備え、
   調質熱処理された前記トラニオンの背面部の一部または全部は、前記トラニオンの残りの部位を切削加工する前に、前記切削加工工程及び前記高周波熱処理工程が順次施されることを特徴とする請求項４に記載のトロイダル型無段変速機のトラニオンの加工方法。
6. 前記トラニオンは、両端部に設けられた一対の傾転軸と、該一対の傾転軸を連結する本体部とからなり、
   前記一対の傾転軸の根元隅Ｒ部は、高周波熱処理工程が施されることを特徴とする請求項４に記載のトロイダル型無段変速機のトラニオンの加工方法。

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