JP2006292038A - トロイダル型無段変速機 - Google Patents

Abstract

【課題】 トロイダル型無段変速機の寿命を長くする。
【解決手段】 パワーローラ軸受２０の玉１０を、質量比で、Ｃ含有率が０．３０％以上０．８０％未満、Ｍｎ含有率が０．６％以上２．０％以下、Ｃｒ含有率が１．３％以上２．０％以下、Ｓｉ含有率が０．９％以上２．０％以下、Ｍｏ含有率が０．７％以上１．５％以下、残部がＦｅおよび不可避不純物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、高温焼戻し処理とをこの順で施して作製する。そして、玉１０の表面をなす表層部のＣ含有率を０．９５質量％以上１．３０質量％以下、前記表層部のＮ含有率を０．０５質量％以上０．４０質量％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。

自動車の変速機等として用いられ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内輪軌道面が形成されて、パワーローラに作用するスラスト荷重を支持するパワーローラ軸受と、を備えた無段変速機構を有している。また、これらの各動力伝達面には、摩擦係数の大きな潤滑油（トラクションオイル）が供給されている。

このトロイダル型無段変速機は、入力ディスクに与えられた動力が、トラクションオイルおよびパワーローラを介して、出力ディスク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、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、パワーローラ軸受は大きなスラスト荷重を受けるようになる。特に、パワーローラ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ながら高速で回転すると、玉にスピンすべりが生じ易くなる。

ここで、パワーローラ軸受の玉にスピンすべりが生じると、パワーローラ軸受の転がり面（パワーローラの内輪軌道面、外輪の外輪軌道面、および玉の表面）の温度が上昇する。この現象は、パワーローラ軸受の内輪（パワーローラ）へのトラクションオイルの流入出における温度差（２０〜３０℃程度）からも確認でき、その転がり面の温度は最低でも１３０℃程度まで上昇すると推定される。

一般に、軸受材料は、高温環境下で使用されると、硬さ等の機械的強度が低下して疲労特性や寸法安定性が劣化する。よって、パワーローラ軸受の転がり面の温度が上昇すると、パワーローラ、外輪、および玉の硬さが低下して、各部品に早期剥離・破損が生じる場合がある。
また、パワーローラ軸受の玉にスピンすべりが生じると、その転がり面に接線方向の引っ張り応力に起因する微小クラックが発生し、この微小クラックを起点として各部品に早期剥離・破損が生じる場合がある。

このようなスピンすべりに起因する現象は、パワーローラ軸受の軌道輪（パワーローラや外輪）よりも、体積が小さく且つ熱伝導性に優れた玉に顕著に現れるため、玉には軌道輪よりも先に早期剥離・破損が生じ易い。
ここで、トロイダル型無段変速機を構成する各部品の早期剥離・破損を抑制するための技術としては、特許文献１および２に記載の技術が提案されている。

特許文献１では、パワーローラ軸受の転動体について、中炭素鋼または高炭素鋼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が提案されている。
特許文献２では、パワーローラ軸受の内輪（パワーローラ）および外輪を、低炭素または中炭素の浸炭鋼からなる素材で形成するとともに、少なくとも外輪を形成する素材には、残留オーステナイトの分解を遅延させる合金元素を加えることが提案されている。
特開平７−２０８５６８号公報 特開平１１−１７２３７１号公報

しかしながら、上述した特許文献１および２に記載の技術を組み合わせたとしても、トロイダル型無段変速機の寿命を長くするという点でさらなる改善の余地がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、大きなスラスト荷重が加えられた状態で使用される、トロイダル型無段変速機の寿命を長く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、本発明のトロイダル型無段変速機は、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、これら両ディスク間に配置されて、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、このパワーローラに作用するスラスト荷重を支持するパワーローラ軸受と、を備え、このパワーローラ軸受は、前記パワーローラに内輪軌道面が形成され、このパワーローラと、外輪軌道面が形成された外輪との間に複数の転動体が転動自在に配設されてなるトロイダル型無段変速機において、前記転動体は、質量比で、Ｃ含有率が０．３０％以上０．８０％未満、Ｍｎ含有率が０．６％以上２．０％以下、Ｃｒ含有率が１．３％以上２．０％以下、Ｓｉ含有率が０．９％以上２．０％以下、Ｍｏ含有率が０．７％以上１．５％以下、残部がＦｅおよび不可避不純物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、高温焼戻し処理とがこの順で施されて得られ、その転動面をなす表層部は、Ｃ含有率が０．９５％以上１．３０％以下で、Ｎ含有率が０．０５％以上０．４０％以下となっていることを特徴とするものである。

なお、本発明において表層部とは、表面から所定深さ（例えば、５０μｍ）までの範囲を指す。
本発明のトロイダル型無段変速機では、パワーローラ軸受の転動体について、特定の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、高温焼戻し処理とをこの順で施して、転動面をなす表層部のＣ含有率およびＮ含有率を特定したことにより、転動体の疲労特性を向上できるとともに、転動面に微小クラックを生じ難くできる。

また、軸受材料の寸法安定性は、通常、軸受の使用温度よりも高い温度で焼戻し処理を施すことで良好に保持できることが知られている。このため、本発明者は鋭意検討を重ねた結果、高温環境下で使用しても寸法安定性に優れた転動体を得るために、高温焼戻し処理を施しても十分な硬さが得られ、且つ、経時的な寸法変化を引き起こす残留オーステナイトの熱処理後の鋼中含有量を最小限にできる鋼を素材として用いることに着目した。そして、本発明者は、熱処理前の素材をなす鋼中のＣ含有率を特定することで、熱処理後の鋼中に存在する残留オーステナイト量を調節できることを見出した。

つまり、本発明のトロイダル型無段変速機では、高温焼戻し処理後の硬さに影響を及ぼすＳｉ，Ｍｏの含有率や、焼入れ処理および高温焼戻し処理後の残留オーステナイト量に影響を及ぼすＣの含有率等が特定された鋼からなる素材を用いて転動体を形成したことにより、高温環境下での硬さの低下を抑制し、且つ、寸法安定性を向上できる。

以下、本発明における各数値限定の理由と熱処理について、詳細に説明する。
〔Ｃ：０．３０質量％以上０．８０質量％未満〕
Ｃ（炭素）は、焼入れ処理および高温焼戻し処理後の転動体の硬さを向上させる作用を有する。この作用を得るために、素材をなす鋼のＣ含有率は０．３０質量％以上とする。また、素材をなす鋼のＣ含有率が０．３０質量％未満であると、浸炭窒化処理を行う際に転動面として必要な浸炭硬化層深さを得るための熱処理時間が長くなり、生産性が低下する。
一方、素材をなす鋼のＣ含有率が多過ぎると、素材の段階で巨大な炭化物が生成し易くなり、靱性や強度が低下する。また、素材をなす鋼のＣ含有率が多過ぎると、鋼中に存在する残留オーステナイト量が多くなり、高温環境下で経時的に寸法が変化し、寸法安定性が劣化する。よって、素材をなす鋼のＣ含有率は０．８０質量％未満とする。

〔Ｍｎ：０．６質量％以上２．０質量％以下〕
Ｍｎ（マンガン）は、鋼の焼入れ性を向上させることにより、基地であるマルテンサイトの靱性を高め、素材をなす鋼の硬さおよび転がり疲れ寿命を向上させる作用を有する。この作用を得るために、Ｍｎ含有率は０．６質量％以上とする。
一方、Ｍｎ含有率が多過ぎると、被削性が著しく劣化するため、Ｍｎ含有率は２．０質量％以下とする。

〔Ｃｒ：１．３質量％以上２．０質量％以下〕
Ｃｒ（クロム）は、微細な炭化物を生成して、高温環境下での硬さの低下を抑制し、焼戻し軟化抵抗性、転がり疲れ寿命、および耐摩耗性を向上させる作用を有する。これらの作用を得るために、Ｃｒ含有率は１．３質量％以上とする。
一方、Ｃｒ含有率が多過ぎると、高温焼戻し処理後の硬さが低下し、高温環境下での転がり疲れ寿命が低下するため、Ｃｒ含有率は２．０質量％以下とする。

〔Ｓｉ：０．９質量％以上２．０質量％以下〕
Ｓｉ（ケイ素）は、鋼の溶製時の脱酸剤として作用するとともに、焼戻し軟化抵抗性を向上させる作用を有する。特に、例えば２８０℃以上で高温焼戻し処理をした後の表面硬さをＨＲＣ５８以上に保ち、且つ、転がり疲れ寿命を向上させるために、Ｓｉ含有率は０．９質量％以上とする。
一方、Ｓｉの含有率が多過ぎると、被削性および鍛造性を著しく劣化させるため、Ｓｉ含有率は２．０質量％以下とする。

〔Ｍｏ：０．７質量％以上１．５質量％以下〕
Ｍｏ（モリブデン）は、基地に固溶することにより、焼戻し軟化抵抗性、転がり疲れ寿命、および耐摩耗性を向上させる作用を有する。この作用を得るために、Ｍｏ含有率は０．７質量％以上とする。
一方、Ｍｏ含有率が多過ぎると、その効果が飽和してコストの上昇を招くため、Ｍｏ含有率は１．５質量％以下とする。

〔表層部のＣ含有率：０．９５質量％以上１．３０質量％以下〕
転動面をなす表層部に存在するＣは、転動面に、耐転がり疲れに必要な硬さと、曲げ応力負荷に対する強度とを付与する作用を有する。この作用を得るために、表層部のＣ含有率は０．９５質量％以上とする。
一方、表層部のＣ含有率が多過ぎると、巨大な炭化物が生成し、早期剥離・破損が生じ易くなる。よって、表層部のＣ含有率は１．３０質量％以下とする。

〔表層部のＮ含有率：０．０５質量％以上０．４０質量％以下〕
転動面をなす表層部に存在するＮ（窒素）は、焼戻し軟化抵抗性を向上させるとともに、微細な炭窒化物を分散析出させることにより、疲労強度を向上させる作用を有する。この作用を得るために、表層部のＮ含有率は０．０５質量％以上とする。
一方、表層部のＮ含有率が多過ぎると、耐摩耗性が向上し過ぎて研磨加工が困難になるとともに、脆性割れ強度が低下する。よって、表層部のＮ含有率は０．４０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において、上述した必須成分（Ｃ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ）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。

〔熱処理について〕
まず、上述した特定の鋼からなる素材を鍛造または切削加工により所定形状に加工した後、浸炭窒化処理を行う。この浸炭窒化処理は、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、例えば８４０〜８６０℃程度で加熱保持することにより行う。
この浸炭窒化処理を施すことにより、ＣやＮが基地であるマルテンサイト中に固溶するため、焼戻し軟化抵抗性を向上させ、且つ、高温環境下での硬さの低下を抑制できる。また、浸炭窒化処理を施すことにより、転動体の芯部と表層部とでＣ含有率およびＮ含有率に差が出るため、芯部と表層部とでマルテンサイト変態点がずれる。これにより、焼入れ処理および高温焼戻し処理後の転動体の転動面に残留圧縮応力が生じ、転動面の疲労強度が向上し、且つ、転動面に微小クラックが生じ難くなる。

次に、焼入れ処理を行った後、高温焼戻し処理を行う。ここで、高温焼戻し処理は、熱処理後の転動体の寸法安定性を良好にするために、例えば、２４０〜２８０℃程度で行う。
浸炭窒化処理後に、焼入れ処理および高温焼戻し処理を行うことにより、転動面をなす表層部には、微細なＣｒやＭｏの炭化物が析出する。この炭化物の析出硬化により、高温環境下での硬さの低下を抑制できるため、塑性変形が著しく低減し、焼戻し軟化抵抗性を向上できる。また、析出する炭化物が微細であると、応力集中が少なく、表層部にフレーキング割れ等の損傷が生じ難くなる。これにより、転動体の転動面をなす表層部の転がり疲れ寿命および耐摩耗性を向上できる。

本発明のトロイダル型無段変速機では、大きなスラスト荷重が加わることで生じるスピンすべりの影響を受け易いパワーローラ軸受の転動体について、特定の鋼からなる素材を所定形状に加工した後に浸炭窒化処理と、焼入れ処理と、高温焼戻し処理とをこの順で施し、て転動面をなす表層部のＣ含有率およびＮ含有率を特定した。これにより、大きなスラスト荷重が加えられた状態で使用されるトロイダル型無段変速機の寿命を長くできる。

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であるハーフトロイダル型無段変速機を示す断面図である。なお、図１は、ハーフ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。
このハーフトロイダル型無段変速機は、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。

また、このハーフトロイダル型無段変速機は、パワーローラ５を回転可能に支持する変位軸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、を備えている。
さらに、このハーフトロイダル型無段変速機は、パワーローラ５に加わるスラスト荷重を支持しつつ、パワーローラ５の回転を許容するパワーローラ軸受２０を備えている。

パワーローラ軸受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、このパワーローラ軸受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（パワーローラ軸受の転動体）が転動可能に配設され、この玉１０を転動可能に保持する保持器１１を備えている。
このハーフ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、ハーフトロイダル型無段変速機を構成するパワーローラ軸受２０の玉１０を、以下のようにして作製した。
まず、表１のＮｏ．１〜Ｎｏ．８に示す各含有率の鋼からなる素材を鍛造により所定形状に加工した後、図２に示す熱処理を施した。但し、図２に示す浸炭窒化処理の処理時間は、玉１０の表面（転動面）に必要な浸炭硬化層深さ（例えば、表面から３ｍｍまでの深さ）が得られるまでの時間とした。
このようにして得られたパワーローラ軸受２０の玉１０において、表面をなす表層部（表面から５０μｍの深さまでの部分）のＣ含有率およびＮ含有率を、電子線マイクロアナライザ (ＥＰＭＡ）により測定した。この結果を、表１に併せて示した。

また、ハーフトロイダル型無段変速機を構成する入力ディスク２、出力ディスク３、およびパワーローラ５は、表１のＮｏ．３に示す各含有率の鋼からなる素材を所定形状に加工した後、図２に示す熱処理を施して作製し、その動力伝達面２ａ，３ａ，５ａをなす表層部のＣ含有率およびＮ含有率はＮｏ．３と同じ値にした。但し、図２に示す熱処理のうち、浸炭窒化処理の処理時間は、入力ディスク２、出力ディスク３、およびパワーローラの各動力伝達面２ａ，３ａ，５ａに必要な浸炭硬化層深さ（例えば、入出力ディスク２，３の動力伝達面２ａ，３ａには表面から４ｍｍまでの深さで、パワーローラ５の動力伝達面５ａには表面から３ｍｍまでの深さ）が得られるように種々変更した。
そして、これらの入力ディスク２、出力ディスク３、パワーローラ５、パワーローラ軸受２０の玉１０と、これら以外の部品（通常品）とを用いて、ハーフトロイダル型無段変速機を組み立てた。

次に、これらのハーフトロイダル型無段変速機に潤滑油を充填して、以下に示す条件で寿命試験を行った。この寿命試験は、試験開始から５００時間までを上限として、入力ディスク２、出力ディスク３、およびパワーローラ５の各動力伝達面２ａ，３ａ，５ａ、およびパワーローラ軸受２０の玉１０ａの表面のうち少なくとも一つに、破損（肉眼または拡大鏡で確認できる剥離や疲労割れ）が生じるまでハーフトロイダル型無段変速機の運転を行い、破損が生じるまでの時間を寿命として測定した。そして、この結果は、ワイブル分布関数に基づいて算出したＬ₁₀寿命として、表１に併せて示した。
〔寿命試験条件〕
入力軸の回転速度：４５００ｍｉｎ^-1
入力トルク：３００Ｎ・ｍ
使用潤滑油：合成潤滑油
油温度：１８０℃

表１に示すように、ハーフトロイダル型無段変速機のパワーローラ軸受２０の玉１０を本発明の構成（鋼中のＣ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏの含有率と、前記表層部のＣ含有率およびＮ含有率）とした発明例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３では、パワーローラ軸受２０の玉１０を本発明の構成外とした比較例Ｎｏ．４〜Ｎｏ．８と比べて、長寿命であった。
以上の結果から、パワーローラ軸受２０の玉１０を本発明の構成（鋼中のの含有率と、表層部のＣ含有率およびＮ含有率）にすることにより、ハーフトロイダル型無段変速機の寿命を長くできることが分かった。

本発明のトロイダル型無段変速機の一例であるハーフトロイダル型無段変速機を示す断面図である。 実施形態で用いた熱処理方法を示す模式図である。

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
５ａ 動力伝達面
１０ 玉（パワーローラ軸受の転動体）
２０ パワーローラ軸受

Claims (1)

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、これら両ディスク間に配置されて、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、このパワーローラに作用するスラスト荷重を支持するパワーローラ軸受と、を備え、このパワーローラ軸受は、前記パワーローラに内輪軌道面が形成され、この内輪軌道面と、外輪に形成された外輪軌道面との間に複数の転動体が転動自在に配設されてなるトロイダル型無段変速機において、
   前記転動体は、質量比で、Ｃ含有率が０．３０％以上０．８０％未満、Ｍｎ含有率が０．６％以上２．０％以下、Ｃｒ含有率が１．３％以上２．０％以下、Ｓｉ含有率が０．９％以上２．０％以下、Ｍｏ含有率が０．７％以上１．５％以下、残部がＦｅおよび不可避不純物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、高温焼戻し処理とがこの順で施されて得られ、
   その転動面をなす表層部は、Ｃ含有率が０．９５％以上１．３０％以下で、Ｎ含有率が０．０５％以上０．４０％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。

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