JP2006194341A - トロイダル型無段変速機 - Google Patents

Abstract

【課題】 異物混入潤滑下で使用しても寿命の長いトロイダル型無段変速機を提供する。【解決手段】 スラスト軸受２０の玉１０を、高炭素クロム軸受鋼二種よりも摩擦係数の低い鋼からなる素材を所定形状に加工した後、熱処理を施して作製する。そして、その転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量を５体積％以上２０体積％以下とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、トロイダル型無段変速機に関する。

従来、自動車等で使用される車両用変速機としては、複数の歯車を有し、これらの歯車間の噛み合わせを変更することで入力軸から出力軸にトルクを伝える、歯車式有段変速機が主流であった。しかしながら、この歯車式有段変速機は、変速時に段階的・断続的にトルクが変化するため、動力伝達に損失が生じたり、変速時に振動が生じたりする等の欠点があった。

そこで、近年、変速時に段階的・断続的にトルクが変化することのない無段変速機が開発されている。この無段変速機は、上述した歯車式有段変速機と比較して、変速時に振動が生じない点で優れており、動力伝達の損失が少ない点および車両用変速機として使用した際に低燃費であるという点でも優れている。
このような無段変速機としては、ベルト式無段変速機が一部の乗用車等で実用化されている。無段変速機の他の例としては、トロイダル型無段変速機が挙げられる。トロイダル型無段変速機は、ベルト式無段変速機と比較して高いトルクを伝達することが可能であるため、中・大型車両用無段変速機として有効であると考えられている。

トロイダル型無段変速機は、入力軸と連動して回転する入力ディスクと、出力軸と連動して回転する出力ディスクと、これら両ディスクの対向する内側面に設けられた両動力伝達面に摺接する動力伝達面を有するパワーローラと、このパワーローラに加わるスラスト荷重を支持するスラスト軸受と、を備えた無段変速機構（バリエータ）を有している。
このトロイダル型無段変速機は、入力軸の回転が、入力ディスク、パワーローラ、および出力ディスクを介して出力軸に伝達されるようになっており、パワーローラと入力ディスクおよび出力ディスクとの接触半径を変化させることにより、変速比を無段階で変えることができる。

このようなトロイダル型無段変速機の駆動時においては、パワーローラを介して入力ディスクから出力ディスクに高いトルクが伝達される。このため、トルク伝達面となる各動力伝達面には高い接触圧力が生じ、スラスト軸受は大きなスラスト荷重を受けることになる。
ここで、スラスト軸受が玉軸受である場合には、上述のような大きなスラスト荷重を受けるとスピンすべりが生じて発熱するため、その転がり面の温度が上昇することが知られている。

特許文献１では、入力ディスク、出力ディスク、およびパワーローラを、Ｃ含有率が０．８質量％以上１．５質量％以下、Ｓｉ含有率が０．５質量％以上２．０質量％以下、Ｍｎ含有率が０．３質量％以上２．０質量％以下、Ｃｒ含有率が１．３質量％以上１．９８質量％以下、Ｍｏ含有率が０．３質量％以上１．０質量％以下、ＳｉおよびＭｏの合計含有率が１．０質量％以上で、残部がＦｅおよび不可避不純物である耐熱軸受用鋼で作製することが提案されている。

また、スラスト軸受の転動体は、軌道輪と比べて体積が小さいことから、温度の上昇が著しいため、早期剥離を起こし易い。スラスト軸受の転動体が早期剥離を起こすと、軸受寿命が短くなり、パワーローラに加わるスラスト荷重を十分に支持できなくなるため、トロイダル型無段変速機全体の寿命も短くなる。したがって、トロイダル型無段変速機の寿命を長くするためには、スラスト軸受の寿命を長くすることが有効であると考えられている。

特許文献２では、スラスト軸受の転動体を、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼２種）からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭窒化処理、焼入れ処理、および焼戻し処理を施すことにより作製することが提案されている。
特開２０００−３１０３０７号公報 特開平７ー２０８５６８号公報

しかしながら、上述した特許文献１および特許文献２に記載の技術には、スラスト軸受の転がり面の温度上昇を起因とする寿命低下を抑制するという点でさらなる改善の余地がある。
また、車両用変速機として用いられるトロイダル型無段変速機は、潤滑油に異物が混入された環境下（以下、「異物混入潤滑下」と記す。）で使用されることが想定される。このような劣悪な環境下で使用される車両用のトロイダル型無段変速機では、スラスト軸受に表面疲労型の剥離・破損が生じて、寿命が短くなることが懸念される。
そこで、本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、異物混入潤滑下で使用しても、スラスト軸受の転動体をＳＵＪ２製とした場合と比較して寿命の長いトロイダル型無段変速機を提供することを課題としている。

このような課題を解決するために、本発明は、対向する内側面にそれぞれ断面円弧状の動力伝達面を有する入力ディスクおよび出力ディスクと、この入力ディスクと出力ディスクの間に配置されて、前記動力伝達面に摺接する動力伝達面を有するパワーローラと、このパワーローラを変位軸を介して傾動させるトラニオンと、このトラニオンと前記パワーローラの間に外輪が配置されて、前記パワーローラに作用するスラスト荷重を支持するスラスト軸受と、を備えたトロイダル型無段変速機において、前記スラスト軸受の転動体は、高炭素クロム軸受鋼二種よりも摩擦係数の低い鋼からなる素材を所定形状に加工した後、熱処理が施されて得られ、その転がり面をなす表層部（表面から１００μｍの深さまでの部分）の残留オーステナイト量は、５体積％以上２０体積％以下となっていることを特徴とするトロイダル型無段変速機を提供する。

異物混入潤滑下においては、従来、異物が噛み込みことで形成された圧痕の縁の盛り上がり部に応力が集中することにより、圧痕の縁からクラックが発生・伝播して、表面疲労型の剥離・破損が生じると考えられていた。しかし、近年、圧痕の縁からクラックが発生・伝播するための駆動力は、転動体と圧痕縁の盛り上がり部との間に生じる接線力であることが分かってきた。本発明者らは、スラスト軸受の軌道輪と転動体との間の摩擦を低減することで、前記軌道輪と転動体との間に作用する接線力を小さくでき、その結果、表面疲労型の剥離・破損を抑制できることを見出した。

本発明のトロイダル型無段変速機では、スラスト軸受の転動体を高炭素クロム軸受鋼二種（ＳＵＪ２）よりも摩擦係数の低い鋼からなる素材を用いて作製したため、スラスト軸受の転動体をＳＵＪ２製とした場合と比較して、スラスト軸受の軌道輪と転動体との間の摩擦を低減できる。これにより、スラスト軸受の転動体をＳＵＪ２製とした場合と比較して、スラスト軸受の転がり面の温度上昇を抑制できるとともに、スラスト軸受の軌道輪と転動体との間に作用する接線力を小さくできる。
また、本発明のトロイダル型無段変速機では、スラスト軸受の転動体の転がり面をなす表層部（表面から１００μｍの深さまでの部分）の残留オーステナイト量を特定したため、転がり面に剥離が生じ難くなる。以下、前記表層部の残留オーステナイト量の数値限定の理由について説明する。

〔転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量：５体積％以上２０体積％以下〕
表層部の残留オーステナイトは、軌道面に生じた圧痕に起因する応力集中を緩和する作用を有する。この作用を得るために、転動体の転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量は５体積％以上、好ましくは８体積％以上とする。一方、表層部の残留オーステナイト量が多過ぎると、硬さが低下して耐疲労性が得られなくなるとともに、摩耗特性が低下して、上述した転動体の低摩擦化による寿命延長効果が得られなくなる。よって、転動体の表層部をなす表層部の残留オーステナイト量は２０体積％以下とする。

さらに、本発明のトロイダル型無段変速機において、ＳＵＪ２よりも摩擦係数の低い鋼としては、Ｃ含有率が０．３質量％以上１．２質量％以下、Ｓｉ含有率が０．５質量％以上２．０質量％以下、Ｍｎ含有率が０．２質量％以上２．０質量％以下、Ｃｒ含有率が０．５質量％以上２．０質量％以下である鋼が挙げられる。
なお、上述した鋼は、ＳＵＪ２（Ｃ含有率：０．９５質量％以上１．１０質量％以下，Ｓｉ含有率：０．１５質量％以上０．３５質量％以下，Ｍｎ含有率：０．５０質量％以下，Ｃｒ含有率：１．３０質量％以上１．６０質量％以下）と比べて、Ｓｉ含有率が多くなっている。

以下、上述した特定の鋼を構成する各成分の数値限定の理由について説明する。
〔Ｃ含有率：０．３質量％以上１．２質量％以下〕
Ｃ（炭素）は、鋼に必要な強度と寿命を付与する作用を有する。素材をなす鋼のＣ含有率が少な過ぎると、スラスト軸受の転動体として必要な強度を付与できないだけでなく、浸炭窒化処理を行う際に転がり面として必要な硬化層深さを得るための熱処理時間が長くなり、生産コストが増大する。このため、Ｃ含有率は０．３質量％以上、好ましくは０．６質量％以上とする。
一方、Ｃ含有率が多過ぎると、製鋼時に巨大な炭化物が生成されて、その後の焼入れ特性や転がり疲れ寿命に悪影響を及ぼすだけでなく、ヘッダー加工性が低下してコストの上昇を招く。よって、Ｃ含有率は１．２質量％以下とする。

〔Ｓｉ含有率：０．５質量％以上２．０質量％以下〕
Ｓｉ（ケイ素）は、製鋼時に脱酸剤としての作用を有するとともに、基地であるマルテンサイトを強化し、且つ、焼戻し軟化抵抗性を高め、転がり疲れ寿命を向上させる作用を有する。また、浸炭窒化処理を行う際に、転がり面をなす表層部に必要なＮ含有率と残留オーステナイト量を付与する作用も有する。これらの作用を得るために、Ｓｉ含有率は０．５質量％以上、好ましくは０．８質量％以上とする。
一方、Ｓｉ含有率が多過ぎると、ヘッダー加工性および被削性等が低下するだけでなく、浸炭窒化処理特性が低下し、必要な硬化層深さが得られず、転がり面をなす表層部のＮ含有率および残留オーステナイト量を本発明の範囲内に出来なくなる。よって、Ｓｉ含有率は２．０質量％以下、好ましくは１．５質量％以下とする。

〔Ｍｎ含有率：０．２質量％以上２．０質量％以下〕
Ｍｎ（マンガン）は、Ｓｉと同様に、製鋼時に脱酸剤としての作用を有する他、焼入れ性を向上させ、且つ、転がり疲れ寿命に有効な残留オーステナイト量の生成を促進する作用を有する。これらの作用を得るために、Ｍｎ含有率は０．２質量％以上とする。
一方、Ｍｎ含有率が多過ぎると、ヘッダー加工性および被削性が低下するだけでなく、熱処理後に多量の残留オーステナイトが存在し、良好な転がり疲れ寿命が得られなくなる。よって、Ｍｎ含有率は２．０質量％以下、好ましくは０．７質量％以下とする。

〔Ｃｒ含有率：０．５質量％以上２．０質量％以下〕
Ｃｒ（クロム）は、基地に固溶して、焼入れ性および焼戻し軟化抵抗性を向上させる作用を有する。また、Ｃｒは、高硬度の微細な炭化物または炭窒化物を形成して、スラスト軸受の転動体として必要な硬さを付与するとともに、熱処理時の結晶粒の粗大化を抑制して、転がり疲れ寿命を向上させる作用も有する。これらの作用を得るために、Ｃｒ含有率は０．５質量％以上、好ましくは１．３質量％以上とする。
一方、Ｃｒ含有率が多過ぎると、製鋼時に巨大な炭化物が生成されて、その後の焼入れ特性や転がり疲れ寿命に悪影響を及ぼすだけでなく、ヘッダー加工性および被削性が低下して生産コストの上昇を招く。よって、Ｃｒ含有率は２．０質量％以下、好ましくは１．６質量％以下とする。

〔鋼のその他の構成成分について〕
本発明で使用する鋼は、上述した元素に加えて、Ｃｒと同様の作用を有するＭｏ（モリブデン）やＶ（バナジウム）等の炭化物形成促進元素を、素材費の上昇や加工性の低下によるコスト上昇を招かない範囲で含有してもよい。ＭｏやＶの含有率は、合計で４．０質量％以下とすることが好ましい。
また、本発明で使用する鋼において、上述した必須成分（Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ）および選択的に含有させるＭｏやＶ以外は、実質的にＦｅ（鉄）からなるが、不可避不純物として、Ｓ（硫黄），Ｐ（リン），Ａｌ（アルミニウム），Ｔｉ（チタン），Ｏ（酸素）等が含有されていてもよい。これらの元素は、表面起点型の破損に対して特に際立った抑制効果はないと言われているが、鋼の品質が著しく悪い場合には、これらが起点となって内部起点型の破損が生じる。このため、不可避不純物の含有率は、コストの著しい上昇を招かない範囲で、ＪＩＳ Ｇ ４８０５に規定された高炭素クロム軸受鋼の清浄度規制を満たす品質レベルとする。

そして、上述した特定の鋼からなる素材を転動体の形状に加工した後、以下に示す熱処理を施すことで、その転がり面をなす表層部（表面から１００μｍの深さまでの部分）の残留オーステナイト量に加えて、Ｎ含有率についても特定することが好ましい。これにより、スラスト軸受の転動体として必要な転がり疲れ寿命が得られるとともに、転動体の転がり面に剥離が生じ難くなる。

以下、スラスト軸受の転動体の転がり面をなす表層部の各数値限定の理由と、熱処理方法について説明する。
〔転がり面をなす表層部のＮ含有率：０．３０質量％以上２．００質量％以下〕
Ｎ（窒素）は、基地に固溶して、転がり面をなす表層部に必要な強度を付与するとともに、前記表層部に必要な残留オーステナイト量を付与する作用を有する。また、Ｎは、窒化物や炭窒化物を形成して、摩擦・摩耗特性を向上させる作用も有する。これらの作用を得るために、転動体の転がり面をなす表層部のＮ含有率は０．３０質量％以上、好ましくは０．５０質量％以上とする。一方、前記表層部のＮ含有率が多過ぎると、窒化物や炭窒化物の析出量が増大して、前記表層部に十分な残留オーステナイトが得られなくなるとともに、焼入れ性が低下して十分な耐疲労性が得られなくなる。よって、転動体の転がり面をなす表層部のＮ含有率は２．００質量％以下とする。

なお、転がり面をなす表層部に存在するＣ（炭素）は、Ｎと同様に、転がり面をなす表層部に必要な強度と残留オーステナイト量を付与するため、転動体の転がり面をなす表層部のＣ含有率は１．００質量％以上、好ましくは１．２０質量％以上とすることが好ましい。一方、前記表層部のＣ含有率が多過ぎると、巨大な炭化物が生成されて、転がり疲れ寿命が低下する。よって、転動体の転がり面をなす表層部のＣ含有率は２．００質量％以下とすることが好ましい。

〔熱処理について〕
まず、上述した特定の鋼からなる線材（素材）にヘッダー加工およびフラッシング加工等を施すことにより、素球を作製する。次に、これらの素球を、混合ガス（ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス）を導入した炉内で数時間加熱保持することにより、浸炭窒化処理を行う。
この浸炭窒化処理は、焼入れ後の表層部の残留オーステナイト量を本発明の範囲内にできるように、ＮとＣを基地組織に固溶させるとともに、焼入れ後の表層部に摩耗・摩擦低減効果の高い窒化物や炭窒化物を析出分散させることを目的として行われる。 ここで、アンモニアガスは処理温度が高くなる程分解し易くなる。アンモニアガスが分解し易くなると、混合ガス中の残留アンモニアガスの濃度が小さくなり、転動体の転がり面をなす表層部に本発明の範囲内のＮ含有率が得られなくなる。一方、処理温度が低くなると、基地組織に十分な炭素や窒素を固溶させることができないため、転動体の転がり面をなす表層部に耐疲労特性と本発明の範囲内の残留オーステナイト量が得られなくなる。よって、浸炭窒化処理は、雰囲気温度８２０〜８５０℃程度で行うことが好ましい。

次に、焼入れ処理を行った後、焼戻し処理を行う。焼戻し処理は、マルテンサイト組織の安定化のために、２００〜２６０℃程度で行うことが好ましい。なお、焼戻し処理後の転がり面をなす表層部の硬さは、異物の噛み込み時の圧痕形成を抑制してより寿命を長くするために、Ｈｖ８００〜１０００程度とすることが好ましい。
次に、タンブリング加工またはボールピーニング加工等を行う。その後、残留する加工歪による経時的な表面うねり（ウェービネス）を抑制するために、１４０〜１８０℃程度で再度焼戻し処理を行った後、ラップ加工を行う。

さらに、本発明のトロイダル型無段変速機において、スラスト軸受の転動体の表面粗さ（Ｒａ）を、０．０３μｍ以下、好ましくは０．０１μｍ以下とすることで、スラスト軸受の転動体をＳＵＪ２製とした場合と比較して、スラスト軸受の軌道輪と転動体との間の摩擦をさらに低減できる。
ここで、前記転動体の表面粗さ（Ｒａ）が０．０３μｍを超えると、軌道輪と転動体との間の摩擦が低減できず、転がり面の温度上昇を十分に抑制できなくなるとともに、金属接触が生じ、軌道輪と転動体との間に作用する接線力が大きくなるため、十分な寿命延長効果が得られなくなる。

本発明のトロイダル型無段変速機によれば、スラスト軸受の転動体をＳＵＪ２製とした場合と比較して、軌道輪と転動体との間の摩擦が低減するため、スラスト軸受の転がり面の温度上昇を抑制できるとともに、その転がり面に表面疲労型の剥離・破損が生じ難くなる。したがって、トロイダル型無段変速機を異物混入潤滑下で使用しても、スラスト軸受の転動体をＳＵＪ２製とした場合と比較して、寿命を長くすることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明のトロイダル型無段変速機の一例を示す断面図である。なお、図１は、トロイダル型無段変速機の入力軸の軸方向に沿った断面である。
本実施形態におけるトロイダル型無段変速機のバリエータは、図１に示すように、入力軸１と連動して回転する入力ディスク２と、出力軸と連動して回転する出力ディスク３と、これら両ディスク２、３間に配置されたパワーローラ５と、を備えている。両ディスク２、３の対向する内側面には、それぞれ断面円弧状の動力伝達面２ａ、３ａが形成されている。パワーローラ５は、両ディスク２、３の動力伝達面２ａ、３ａに摺接する動力伝達面５ａを有する。

このバリエータは、さらに、パワーローラ５を回転自在に支持する変位軸８と、この変位軸８を枢軸６を中心として入力軸１の軸方向（図１における左右方向）に揺動可能に支持するトラニオン７と、パワーローラ５に加わるスラスト方向の荷重を支持するスラスト軸受２０と、を備えている。
スラスト軸受２０の内輪軌道面５ｂはパワーローラ５に形成され、外輪９はトラニオン７側に取り付けられている。そして、このスラスト軸受２０は、内輪軌道面５ｂおよび外輪軌道面９ａの間に複数の玉１０が転動自在に配設され、この玉１０を転動自在に保持する保持器１１を備えている。

このトロイダル型無段変速機では、入力軸１の回転がローディングカム１Ａ、入力ディスク２、パワーローラ５、出力ディスク３および出力歯車４を介して、出力軸に伝達されるようになっている。
そして、枢軸６を中心にトラニオン７を揺動させ、パワーローラ５の動力伝達面５ａを入力ディスク２の中心寄り部分と出力ディスク３の外周寄り部分とに変位させると、入力軸１の回転が出力軸に減速されて伝わり、逆にパワーローラ５の動力伝達面５ａを入力ディスク２の外周寄り部分と出力ディスク３の中心寄り部分とに変位させると、入力軸１の回転が出力軸に増速されて伝わるようになっている。

本実施形態では、トロイダル型無段変速機を構成するスラスト軸受２０の玉１０を、以下のように作製した。
まず、Ｃ含有率が０．６〜１．２質量％、Ｓｉ含有率が０．５〜２．０質量％、Ｍｎ含有率が０．２〜２．０質量％、Ｃｒ含有率が０．５〜２．０質量％である鋼からなる線材（素材）をヘッダー加工、フラッシング加工、および粗研削加工により所定形状に加工した。

次に、ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガスの雰囲気中において、８３０℃で３時間保持することにより浸炭窒化を行った後油焼入れを行い、その後、２００〜２４０℃で２時間保持することにより焼戻しを行った。これにより、玉の外周面（転がり面）をなす表層部（表面から１００μｍの深さまでの部分）のＮ含有率は０．３〜２．０質量％とし、前記表層部のＣ含有率は１．０〜２．０質量％とし、前記表層部の残留オーステナイト量は５〜２０体積％とした。

次に、タンブリング加工（バレル加工）を行った後、１５０〜１７０℃で１〜３時間保持することにより再度焼戻しを行った。次に、ラップ仕上げ加工を行い、玉１０の転がり面の表面粗さ（Ｒａ）を０．０１μｍ以下とした。
このようにして得られたスラスト軸受２０の玉１０と、それ以外の部品（従来品）とを用いて、トロイダル型無段変速機を組み立てた。

次に、本発明の効果を、以下に示す実施例および比較例に基づいて検証した。
まず、表１に示す各含有率のＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒを有する鋼からなる線材に、ヘッダー加工、フラッシング加工、粗施削加工を施すことにより、玉の形状に加工した。次に、これらに表１に示す各方法の熱処理を施した。次に、タンブリング加工を行った後、再度１５０〜１７０℃で１〜３時間保持することにより焼戻しを行った。次に、ラップ仕上げ加工を行い、外周面の表面粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍの玉（直径０．９５２５ｃｍ）を作製した。

なお、表１に「浸炭窒化→焼入れ→焼戻し」で示す熱処理は、以下に示す条件で行った。まず、ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガスの雰囲気中において、８３０℃で３時間保持することにより浸炭窒化を行った後、油焼入れを行った。次に、２００〜２７０℃の範囲の所定温度で２時間保持することにより焼戻しを行った。
また、表１に「浸炭→焼入れ→焼戻し」で示す熱処理は、以下に示す条件で行った。まず、ＲＸガス＋エンリッチガスの雰囲気中において、８４０℃で３時間保持することにより浸炭を行った後、油焼入れを行った。次に、２００℃で２時間保持することにより焼戻しを行った。

さらに、表１に「焼入れ→焼戻し」で示す熱処理は、以下に示す条件で行った。まず、ＲＸガス雰囲気中において、８４０℃で０．５時間保持した後、油焼入れを行った。次に、２００℃で２時間保持することにより焼戻しを行った。
このようにして得られた玉において、転がり面をなす表層部（表面から１００μｍの深さまでの部分）のＮ含有率 (質量比）を、電子線マイクロアナライザ (ＥＰＭＡ）により測定した。その結果を、表１に併せて示した。

また、前記表層部の残留オーステナイト量γ_R ( 体積比）を、Ｘ線回折装置により測定した。その結果を、表１に併せて示した。
次に、表１に示すＮｏ．１〜１７の玉を用いて、ボールオンディスク試験を行い、摩擦抵抗値を測定した。このボールオンディスク試験は、平板試験片の上に玉を載せて、この玉の上から９．８０７Ｎ（１ｋｇｆ）の荷重を与えた状態で、回転速度１０００ｍｉｎ^-1で平板試験片を回転させることにより行った。この平板試験片は、ＳＣＭ４２０からなる素材を平板状に加工した後浸炭窒化処理を施すことにより、硬さをＨＲＣ６２としたものを用いた。この結果は、Ｎｏ．１７の摩擦抵抗値を１とした時の比として、表１に併せて示した。また、図２に、玉の摩擦抵抗値と、玉の表層部のＮ含有率との関係を示した。

表１に示すように、本発明例であるＮｏ．１〜１１の玉では、比較例であるＮｏ．１２〜１７の玉と比較して摩擦抵抗値が小さく、Ｎｏ．１７の玉の０．７１〜０．９２倍の摩擦抵抗値が得られた。
また、図２に示すように、玉の表層部のＮ含有率が増加するほど、玉の摩擦抵抗値が小さくなっていることが分かった。特に、前記表層部のＮ含有率が０．５質量％以上になると、Ｎｏ．１７の玉の０．８５倍以下の摩擦抵抗値が得られた。また、Ｎｏ．１４の玉では、前記表層部のＮ含有率が本発明の範囲であったが、前記表層部の残留オーステナイト量が本発明の範囲よりも多くなっていたため、摩擦抵抗値を十分に低減できなかった。

次に、表１に示すＮｏ．１〜１７の玉と、ＳＣＭ４２０製で浸炭窒化処理が施された内輪および外輪とを用いて、呼び番号５１３０５のスラスト軸受（外径：５２ｍｍ，内径：２５ｍｍ、軸方向高さ：１８ｍｍ）を作製した。
そして、このスラスト軸受を異物混入潤滑下で使用することを想定して、以下の条件で寿命試験を行った。この寿命試験は、スラスト軸受に取り付けた振動計の値が、試験開始時の値の３倍になるまで回転させて、その累積応力繰り返し回転数を寿命とした。この結果は、各スラスト軸受において、ワイブル分布関数に基づくＬ₁₀寿命を計算し、Ｎｏ．１７の玉を備えたスラスト軸受のＬ₁₀寿命を１とした時の比として、表１に併せて示した。また、図３に、スラスト軸受の寿命と、玉の表層部のＮ含有率との関係を示した。

この寿命試験では、転がり面の発熱抑制効果を調べるために、外輪の温度が１０℃上昇するのに要した時間（以下、「外輪の温度上昇時間」と記す。）についても測定した。この結果は、Ｎｏ．１７の玉を備えたスラスト軸受の外輪の温度上昇時間を１とした時の比として、表１に併せて示した。また、図４に、外輪の温度上昇時間と、玉の表層部のＮ含有率との関係を示した。

＜寿命試験条件＞
荷重：６４２４Ｎ（６５５ｋｇｆ）
回転速度：１０００ｍｉｎ^-1
使用オイル：合成油
オイル温度：１３０℃
異物：（組成）Ｆｅ₃ Ｃ
（硬さ）ＨＲＣ５２
（粒径）７４〜１４７μｍ
（混入量）潤滑油中に３００ｐｐｍとなるように混入

表１に示すように、本発明例であるＮｏ．１〜１１の玉を備えたスラスト軸受では、比較例であるＮｏ．１２〜１７玉を備えたスラスト軸受と比較して寿命が長く、Ｎｏ．１７の玉を備えたスラスト軸受の２．１０〜４．５０倍の寿命が得られた。

また、図３に示すように、玉の表層部のＮ含有率が増加するほど、スラスト軸受の寿命が長くなっていることが分かった。特に、前記表層部のＮ含有率が０．５質量％以上になると、Ｎｏ．１７の玉を備えたスラスト軸受の２．８０倍以上の寿命が得られた。
さらに、図４に示すように、玉の表層部のＮ含有率が増加するほど、スラスト軸受の外輪の温度が１０℃上昇するまでの時間が長くなっていることが分かる。

すなわち、図２〜図４に示すように、玉の摩擦抵抗値が小さくなった結果、スラスト軸受の転がり面の温度上昇が抑制されて、スラスト軸受の寿命が長くなっていることが分かる。
続いて、玉の表面粗さと寿命との関係について、以下のようにして調べた。
まず、表面粗さ（Ｒａ）が、０．０１μｍ，０．０３μｍ，０．０５μｍ，０．２０μｍでそれぞれ異なり、それ以外はＮｏ．５の玉と同様の構成（鋼の素材，熱処理方法，表層部）の玉を用意した。

次に、これらの玉と、上述した寿命試験で使用したものと同様の内輪および外輪とを用いて、呼び番号５１３０５のスラスト軸受を組み立てて、上述と同様の条件で寿命試験を行った。そして、図５に、スラスト軸受の寿命と、玉の表面粗さ（Ｒａ）との関係を示した。なお、図５において、スラスト軸受の寿命は、上述した寿命試験と同様に、Ｎｏ．１７の玉を備えたスラスト軸受のＬ₁₀寿命を１とした時の比で示した。

図５に示すように、玉の表面粗さ（Ｒａ）を０．０３μｍとした時の寿命は、玉の表面粗さ（Ｒａ）を０．２０μｍとした時の約３．３倍の寿命が得られた。また、玉の表面粗さ（Ｒａ）を０．０１μｍとした時の寿命は、玉の表面粗さ（Ｒａ）を０．２０μｍとした時の約３．８倍の寿命が得られた。
以上の結果より、スラスト軸受の玉を本発明の構成（特定の鋼と、転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量）とすることにより、玉の摩擦抵抗値が小さくなるため、異物混入潤滑下で使用されるスラスト軸受の寿命を長くできることが分かった。

また、上述した特定の鋼と転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量に加えて、玉の表層部のＮ含有率を特定することにより、異物混入潤滑下で使用されるスラスト軸受の寿命をより長くできることが分かった。
さらに、上述した特定の鋼と転がり面をなす表層部の各構成に加えて、玉の表面粗さ（Ｒａ）を特定することで、異物混入潤滑下で使用されるスラスト軸受の寿命をさらに長くできることが分かった。

すなわち、上述したトロイダル型無段変速機のスラスト軸受２０の玉１０を本発明の構成（特定の鋼、転がり面をなす表層部のＮ含有率，残留オーステナイト量、および表面粗さ）とすることにより、トロイダル型無段変速機の寿命を長くできる。
なお、本実施形態では、トロイダル型無段変速機の一例として、シングルキャビティ式ハーフトロイダル型無段変速機を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれに限らず、他の構成のトロイダル型無段変速機に適用してもよい。例えば、図６に示すように、出力軸と連動する出力歯車４を介して二つのバリエータを備えた、ダブルキャビティ式ハーフトロイダル型無段変速機に本発明を適用してもよい。

本発明のトロイダル型無段変速機の一例を示す断面図である。 スラスト軸受の玉の摩擦抵抗値と、玉の表層部のＮ含有率との関係を示すグラフである。 スラスト軸受の寿命と、玉の表層部のＮ含有率との関係を示すグラフである。 スラスト軸受の外輪の温度上昇時間と、玉の表層部のＮ含有率との関係を示すグラフである。 スラスト軸受の寿命と、玉の表面粗さＲａとの関係を示すグラフである。 本発明のトロイダル型無段変速機の他の例を示す断面図である。

符号の説明

２ 入力ディスク
２ａ 動力伝達面
３ 出力ディスク
３ａ 動力伝達面
５ パワーローラ（スラスト軸受の内輪）
５ａ 動力伝達面
７ トラニオン
８ 変位軸
９ 外輪（スラスト軸受の外輪）
１０ 玉（スラスト軸受の転動体）
２０ スラスト軸受

Claims (3)

1. 対向する内側面にそれぞれ断面円弧状の動力伝達面を有する入力ディスクおよび出力ディスクと、この入力ディスクと出力ディスクの間に配置されて、前記動力伝達面に摺接する動力伝達面を有するパワーローラと、このパワーローラを変位軸を介して傾動させるトラニオンと、このトラニオンと前記パワーローラの間に外輪が配置されて、前記パワーローラに作用するスラスト荷重を支持するスラスト軸受と、を備えたトロイダル型無段変速機において、
   前記スラスト軸受の転動体は、高炭素クロム軸受鋼二種よりも摩擦係数の低い鋼からなる素材を所定形状に加工した後、熱処理が施されて得られ、
   その転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量は、５体積％以上２０体積％以下となっていることを特徴とするトロイダル型無段変速機。
2. 対向する内側面にそれぞれ断面円弧状の動力伝達面を有する入力ディスクおよび出力ディスクと、この入力ディスクと出力ディスクの間に配置されて、前記動力伝達面に摺接する動力伝達面を有するパワーローラと、このパワーローラを変位軸を介して傾動させるトラニオンと、このトラニオンと前記パワーローラの間に外輪が配置されて、前記パワーローラに作用するスラスト荷重を支持するスラスト軸受と、を備えたトロイダル型無段変速機において、
   前記スラスト軸受の転動体は、Ｃ含有率が０．３質量％以上１．２質量％以下、Ｓｉ含有率が０．５質量％以上２．０質量％以下、Ｍｎ含有率が０．２質量％以上２．０質量％以下、Ｃｒ含有率が０．５質量％以上２．０質量％以下である鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭窒化処理と、焼入れ処理と、焼戻し処理とが施されて得られ、
   その転がり面をなす表層部は、Ｎ含有率が０．３０質量％以上２．００質量％以下、残留オーステナイト量が５体積％以上２０体積％以下となっていることを特徴とするトロイダル型無段変速機。
3. 前記転動体の転がり面の表面粗さ（Ｒａ）は、０．０３μｍ以下となっていることを特徴とする請求項１または２に記載のトロイダル型無段変速機。

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