JP3470792B2 - トロイダル式無段変速機用金属製転動体およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車などの車両や回
転動力源等において、無段変速機として使用可能なトロ
イダル式無段変速機用転動体およびその製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車などの車両において使用される変
速機としては、歯車列におけるかみ合わせ状態を手動や
自動で切替える有段変速機が多く用いられているが、無
段変速機を採用する試みもなされており、一部実用化さ
れて市販されているものもある。

【０００３】この無段変速機は、連続的に変速するた
め、燃費が向上すること、変速ショックがないこと、な
どの特徴を持っているが、その構造によって、ベルト式
とトロイダル式の２つに大別される。

【０００４】その中で、トロイダル式（転がり式）の無
段変速機は、図１に示すように、潤滑油を介して接触す
る金属製転動体を用いた構造を有するものであって、こ
のトロイダル式無段変速機１は、入力軸２に接続したロ
ーディングカム３および連結軸４を介して一体で回転す
る入力ディスク５，５をそなえていると共に、歯車６，
７を介して出力軸８を回転させる出力ディスク９，９を
そなえ、入力ディスク５，５と出力ディスク９，９との
間にパワーローラ１０，１０，１０，１０を設けた構造
を有するものである。

【０００５】そして、このトロイダル式無段変速機１で
は、入力ディスク５と出力ディスク９との間で挟まれた
パワーローラ１０の傾きを変化させ、入・出力ディスク
５，９の相対回転速度を変えて変速しつつ、動力を伝達
する仕組みになっている（特開平１−２２９１５８号な
ど）。

【０００６】そのため、このような金属製転動体よりな
る入力ディスク５、出力ディスク９およびパワーローラ
１０は、エンジントルクの入力によって、転動面におい
ては面圧入力を受けることとなるので、面疲労強度に優
れていることが要求され、高い表面硬度と深い硬化層深
さが必要となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなトロイダル式無段変速機用金属製転動体（入力ディ
スク５，出力ディスク９，パワーローラ１０）にあって
は、それらの要求に対処するため、長時間にわたる浸炭
処理を施した後に焼入れ焼もどし処理を行っているの
で、生産性が悪く、コストアップを招いてしまううえ
に、表面近傍に亀裂の起点となり易い粒界酸化層が成長
してしまうことがあるという課題があった。

【０００８】

【発明の目的】本発明は、このような従来の課題にかん
がみてなされたものであって、長時間にわたる浸炭処理
を必要とせず、コストアップを招くことがないうえに、
面被労強度が高く転動疲労特性に優れ、耐久性の著しく
良好なトロイダル式無段変速機用金属製転動体を提供す
ることを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係わるトロイダ
ル式無段変速機用金属製転動体は、潤滑油を介して接触
する複数個の金属製転動体を用いたトロイダル式無段変
速機において、前記金属製転動体が、クロムを含有する
機械構造用低合金鋼を素材とし、表面において浸炭焼入
れ処理が施されていると共に前記表面のうち転動面にお
いてさらに高周波焼入れ処理が施されかつ焼もどし処理
が施されていて、前記転動面における表面硬さＨｖ７５
０以上，有効硬化層深さ２ｍｍ以上である構成としたこ
とを特徴としている。

【００１０】また、本発明に係わるトロイダル式無段変
速機用金属製転動体の製造方法は、潤滑油を介して接触
する複数個の金属製転動体を用いたトロイダル式無段変
速機において、前記金属製転動体を製造するに際し、ク
ロムを含有する機械構造用低合金鋼を素材として用い、
表面にカーボンポテンシャルＣ．Ｐ．＝０．８〜３．０
％の範囲で浸炭した後焼入れ処理を施し、次いで前記表
面のうち転動面のみに高周波焼入れ処理を施し、さらに
焼もどし処理を施して、前記転動面における表面硬さＨ
ｖ７５０以上，有効硬化層深さ２ｍｍ以上とする構成と
したことを特徴としており、このような構成とすること
によって、各部位で必要とする特性を兼ね備えた理想的
な硬化層パターンが、短時間で得られることにより、転
動疲労特性に優れていて耐久性の著しく良好なトロイダ
ル式無段変速機用金属転動体を短時間のうちに低コスト
で製造できるようにしたことを特徴としている。

【００１１】本発明に係わる金属製転動体の素材として
は、クロムを含有する機械構造用低合金鋼が用いられ、
例えば、ＪＩＳ Ｇ ４１０４に制定するＳＣｒや、Ｇ
４１０５に制定するＳＣＭなどを用いることができ
る。

【００１２】そして、本発明に係わるトロイダル式無段
変速機用金属製転動体では、その表面において浸炭焼入
れ処理が施されていると共に前記表面のうち転動面にお
いてさらに高周波焼入れ処理が施されかつ焼もどし処理
が施されていて、前記摺動面における表面硬さＨｖ７５
０以上、有効硬化層深さ２ｍｍ以上であるものとしてい
るが、この場合に、表面硬さがＨｖ７５０よりも低い
と、表面硬さが不足すると共に高い圧縮残留応力が付加
されなくなって、面疲労強度が低下し、転動疲労特性に
劣るものとなって耐久寿命が短いものとなるので好まし
くなく、また、有効硬化層深さが２ｍｍよりも浅いと、
転動面にスポーリングを生じて耐久寿命が短いものとな
るので好ましくない。

【００１３】また、本発明に係わる金属製転動体を製造
するに際して、表面にカーボンポテンシャルＣ．Ｐ．＝
０．８〜３．０％の範囲で浸炭した後焼入れ処理を施
し、次いで前記表面のうち転動面のみに高周波焼入れを
施し、さらに焼もどし処理を施すようにしているが、こ
の場合に、カーボンポテンシャルＣ．Ｐ．が０．８％よ
りも低いと上述した必要とする表面硬さを容易に得るこ
とができがたくなり、反対に、カーボンポテンシャル
Ｃ．Ｐ．が３．０％よりも高い場合にも低合金鋼では合
金元素が炭化物として析出して焼入れ性が低下するため
必要な表面硬さを容易に得ることができがたくなるので
好ましくない。

【００１４】

【実施例】この実施例においては、先に説明した図１に
示したトロイダル式無段変速機１に適用した場合につい
て述べる。すでに説明したように、図１に示すトロイダ
ル式無段変速機１は、金属製転動体である入力ディスク
５、出力ディスク９およびパワーローラ１０を１組と
し、動力伝達能力により１組または複数組（本実施例の
場合は２組）から構成されている。

【００１５】これらの金属製転動体である入力ディスク
５、出力ディスク９およびパワーローラ１０において、
この実施例では、表１に示す化学成分のクロムを含有す
る機械構造用低合金鋼、すなわち、クロム鋼（ＳＣ
ｒ）、およびクロムモリブンデン鋼（ＳＣＭ）を使用し
た。

【００１６】

【表１】 そして、表１に示した鋼を素材として部品形状に機械加
工を行った後、表２および表３に示すように、浸炭条
件、高周波加熱条件、ならびに表４および表５に示すよ
うに、研磨の有無，ショットピーニングの有無などを選
択して、入出力ディスク５，９およびパワーローラ１０
の製造を行った。

【００１７】

【表２】

【００１８】

【表３】

【００１９】

【表４】

【００２０】

【表５】

【００２１】また、この製造工程において採用した熱処
理における温度と時間との関係を図２および図３に示
し、さらに、製造したのちのディスク５，９およびパワ
ーローラ１０の硬化層状態を図４および図５に示す。

【００２２】そこで、表２，表３および図２，図３に示
すように、浸炭時のカーボンポテンシャル（Ｃ．Ｐ．）
＝０．８５％（図２）および２．０％（図３）ならびに
比較のために０．６５％（比較例１３）および３．３０
％（比較例１４）、浸炭温度９００℃、浸炭処理時間８
時間または４０時間で浸炭を行った（ただし、比較例Ｎ
ｏ．１０，１１を除く）後、８５０℃で３０分間保持
し、６０℃で油冷する焼入れ処理を行った。このとき、
図３に示すように、カーボンポテンシャル（Ｃ．Ｐ．）
＝２．０％および３．３０％で行う高濃度浸炭処理に際
しては、析出炭化物を球状化するため、浸炭後にいった
んＡ１変態点以下まで冷却を行った。この浸炭焼入れに
よって得られた硬化層パターンを図４および図５におい
て破線で示す。

【００２３】次いで、ディスク５，９およびパワーロー
ラ１０の転動面５ａ，９ａ，１０ａにのみ高周波焼入れ
を行うにあたり、ディスク５，９については、高周波加
熱を出力２００ｋＷ，周波数１０ｋＨｚ一定で図２およ
び図３ならびに表２および表３に示す加熱時間ｔ（ｓｅ
ｃ）の処理を行った後、６０℃で油冷する高周波焼入れ
処理を実施した（ただし，比較例Ｎｏ．７，８を除
く）。

【００２４】また、パワーローラ１０については、高周
波出力８０ｋＷ，周波数１０ｋＨｚ，時間８ｓｅｃで転
動面１０ａの全面を均一に加熱する図５のパターン１に
示す場合と、高周波出力８０ｋＷ，周波数１０ｋＨｚ，
時間５ｓｅｃで転動面１０ａの接触部のみを加熱する図
５のパターン２に示す場合の２通りで高周波加熱を行っ
た後、６０℃で油冷する高周波焼入れを実施した（ただ
し、比較例Ｎｏ．７，８，１２を除く）。

【００２５】この高周波焼入れによって得られた硬化層
パターンを図４および図５において実線で示す。

【００２６】その後、ディスク５，９およびパワーロー
ラ１０共に、それらの全体に１６０℃，２時間の焼もど
し処理を行った。

【００２７】次いで、表４および表５に示すように、転
動面５ａ，９ａ，１０ａを研磨加工によって表面粗さＲ
ａ＝０．０３μｍ程度に仕上げ、外周面（非転動面）に
おいても一部について研磨加工を行った。さらに、同じ
く表４および表５に示すように、一部についてショット
ピーニングを行った。

【００２８】次いで、ディスク５，９およびパワーロー
ラ１０の表面硬さを測定したところ、表６および表７に
示す結果であった。

【００２９】

【表６】

【００３０】

【表７】

【００３１】表６および表７に示すように、本発明実施
例Ｎｏ．１〜６の場合に、入力ディスク５、出力ディス
ク９およびパワーローラ１０の転動面５ａ，９ａ，１０
ａにおいては、表面硬さＨｖ７５０以上，有効硬化層深
さ２ｍｍ以上となっていると共に、転動面以外において
は、表面硬さＨｖ６５０以上，有効硬化層深さ２ｍｍ以
下となっているのに対して、比較例Ｎｏ．７〜１４の場
合には、高周波加熱を行なわないため浸炭に長時間を必
要としたり非転動面の有効硬化層深さが大きすぎたり
（Ｎｏ．７，８，１２）、転動面の表面硬さが低すぎた
り（Ｎｏ．１０，１１，１３，１４）、転動面の有効硬
化層深さが浅すぎたり（Ｎｏ．９）、非転動面の表面硬
さが低すぎたり（Ｎｏ．１３）したものとなっていた。

【００３２】次に、各実施例（Ｎｏ．１〜６）および比
較例（Ｎｏ．７〜１４）に基づいて製作した各入力ディ
スク５、出力ディスク９およびパワーローラ１０に対
し、表８に示す条件下で耐久試験を実施した。なお、入
力ディスク５、出力ディスク９およびパワーローラ１０
は、同じ材質のものを組み合わせて試験した。この結果
を表９および表１０に示す。

【００３３】

【表８】

【００３４】

【表９】

【００３５】

【表１０】

【００３６】表９および表１０に示すように、本発明実
施例によれば、比較例のものと比べて転動疲労特性に優
れたものとなっていると共に、割れや欠けなどの発生が
なく、かつまた陥没などの変形も生じないものとなって
いることが確かめられた。

【００３７】このように、本発明実施例において確認さ
れたところからも明らかなように、 （１）浸炭時間が短時間のため、表面の粒界酸化層が低
減され、研磨加工をおこなわない部分からの割れ発生が
少なくなる。

【００３８】（２）浸炭時間が短時間のため、スプライ
ンの歯および端部において浸炭層が表面にのみ形成され
ることにより、欠け発生が低下する。

【００３９】（３）浸炭後さらに転動面にのみ高周波焼
入れを施すことによって、冷却速度が速いことから、さ
らに表面硬度が高くなり、転動面での面疲労強度が向上
する。

【００４０】（４）浸炭後転動面に高周波焼入れを加え
ることで、高い圧縮残留応力が付加され、面疲労強度が
向上する。など、各部位で必要とする特性を兼ね備える
ことから、転動疲労特性が改善されて耐久寿命が向上す
る。

【００４１】さらに、非転動部の粒界酸化層を除去する
ため、全面に研摩加工を行うことで、粒界酸化層を起点
とする亀裂の発生が防止できることから、転動面以外で
の疲労強度が向上して耐久寿命も向上する。

【００４２】さらにまた、本発明実施例Ｎｏ．５で採用
したように、浸炭焼入れ処理に続いて高周波焼入れ処理
を行った後、アークハイト０．３以上のショットピーニ
ングを行うことで、粒界酸化層をつぶすことが可能とな
るうえ、ショットピーニングの効果で高い圧縮残留応力
が付加されることから、さらに疲労強度が向上する。

【００４３】また、実施例Ｎｏ．３のごとく浸炭をカー
ボンポテンシャル（Ｃ．Ｐ．）＝２．０％の高濃度で行
い、図３に示したように、浸炭後に一旦Ａ₁変態点以下
まで冷却を行うことにより、表面には球状の炭化物が析
出する。これによって、表面硬度はさらに高くなること
から、面疲労強度が向上する。

【００４４】そして、本発明実施例によると、処理時間
は従来に比較して約１／５に短縮された。また、浸炭処
理は、これに限らず、プラズマ浸炭法，真空浸炭法等に
よっても適用可能であることが確認された。

【００４５】これに対して、比較例Ｎｏ．７，８で示し
たように、浸炭のみで深い硬化層を得ようとすると、長
時間（４０時間）を要し、粒界酸化層が成長するため、
端部から粒界酸化層を起点とした亀裂が成長し、割れが
発生した。さらに、研磨加工を行うことで、粒界酸化層
を除去したところ、硬化層がスプラインの歯で深くな
り、欠けが発生した。

【００４６】また、浸炭後に転動面のみに高周波焼入れ
を行うが、比較例Ｎｏ．９で示したように、転動面での
硬化層が薄いとスポーリングが発生し、寿命は短い。

【００４７】さらに、比較例Ｎｏ．１０，１１で示した
ように、浸炭処理を行わず、高周波焼入れのみで、深い
硬化層を得ようとすると、表面のＣ濃度は素材のＣ濃度
によって決まるため、一般に高周波焼入れに用いられる
鋼材のＣ量が０．５％前後である（比較例Ｎｏ．１０，
１１のＳＣＭ４４０では０．３８％である）ことから、
浸炭で得られるＣ濃度（０．８％前後）よりも低いた
め、高い表面硬さは得られず、面疲労強度が低下してし
まう。さらにまた、転動面のみ高周波焼入れ処理を行う
Ｎｏ．１１の場合には、転動面以外の面においては硬化
層がないため、陥没が発生する。

【００４８】さらにまた、比較例Ｎｏ．１２で示したよ
うに、入力および出力ディスクとパワーローラの組み合
わせにおいて、どちらか一方を本発明外とした場合、非
転動面で有効硬化層深さが大きくなりすぎたり、転動面
で高い硬度が得られなかったりして、耐久寿命は低下し
てしまうこととなるので、ディスクとパワーローラのい
ずれも本発明条件を満足する組み合わせとすることによ
ってのみ耐久寿命は向上するものとなる。

【００４９】さらにまた、浸炭処理時におけるカーボン
ポテンシャルＣ．Ｐ．が低すぎる比較例Ｎｏ．１３の場
合には必要な表面硬さを得ることができないため面疲労
強度が低下し転動疲労特性が劣るものとなって耐久寿命
が短いものとなり、カーボンポテンシャルＣ．Ｐ．が高
すぎる比較例Ｎｏ．１４の場合にも必要な表面硬さを得
ることができなくなるので好ましくないものであった。

【００５０】以上のことから、本発明実施例によると、
面疲労強度に優れ、かつ転動面以外の部位で発生する割
れや欠けを大幅に改善する転動体を短時間で製造するこ
とが可能になった。

【００５１】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、潤滑油を介して接触する複数個の金属製転動体を用
いたトロイダル式無段変速機において、前記金属製転動
体として、クロムを含有する機械構造用鋼を素材とし、
表面においてカーボンポテンシャル（Ｃ．Ｐ．）＝０．
８〜３．０％の範囲で浸炭焼入れ処理した後、前記表面
のうち転動面のみにおいて高周波焼入れ処理を行い、さ
らに焼もどし処理を施すことによって、転動面における
表面硬さＨｖ７５０以上，有効硬化層深さ２ｍｍ以上で
あるものを用いることによって、面被労強度が高く転動
疲労特性に優れ、耐久性の著しく良好なトロイダル式無
段変速機用金属製転動体とすることが可能であり、この
ような高品質の金属製転動体を短時間処理で製造するこ
とが可能であって、生産性を飛躍的に向上させることが
可能になるという著しく優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明において適用されるトロイダル式無段変
速機の一例を示す断面説明図である。

【図２】本発明の実施例および比較例で採用した熱処理
条件（Ｃ．Ｐ．＝０．８５％）において温度と時間の関
係を示すグラフである。

【図３】本発明の実施例で採用した熱処理条件（Ｃ．
Ｐ．＝２．０％）において温度と時間の関係を示すグラ
フである。

【図４】入・出力ディスクにおいて、浸炭焼入れで得ら
れる硬化層（破線）および高周波焼入れで得られる硬化
層（実線）を示す断面説明図である。

【図５】パワーローラにおいて、浸炭焼入れで得られる
硬化層（破線）および高周波焼入れで得られる硬化層
（実線）を示すパターン１，２の断面説明図である。

【符号の説明】

１ トロイダル式無段変速機 ５ 入力ディスク ５ａ 入力ディスクの転動面 ９ 出力ディスク ９ａ 出力ディスクの転動面 １０ パワーローラ １０ａ パワーローラの転動面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浅 野 晋 司 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日 産自動車株式会社 内 (56)参考文献 特開 平１−229158（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−297866（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−203621（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−272719（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−36779（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−160453（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−5924（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−271343（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−63383（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−222020（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−171159（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−288763（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−82323（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−91247（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16H 13/00 - 15/56 F16H 51/00 - 55/30 F16C 19/00 - 19/56 F16C 33/30 - 33/66 C21D 9/00 - 9/44 C21D 9/50 C23C 8/22

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 潤滑油を介して接触する複数個の金属製
   転動体を用いたトロイダル式無段変速機において、前記
   金属製転動体が、クロムを含有する機械構造用低合金鋼
   を素材とし、表面において浸炭焼入れ処理が施されてい
   ると共に前記表面のうち転動面においてさらに高周波焼
   入れ処理が施されかつ焼もどし処理が施されていて、前
   記転動面における表面硬さＨｖ７５０以上，有効硬化層
   深さ２ｍｍ以上であることを特徴とするトロイダル式無
   段変速機用金属製転動体。
2. 【請求項２】 潤滑油を介して接触する複数個の金属製
   転動体を用いたトロイダル式無段変速機において、前記
   金属製転動体を製造するに際し、クロムを含有する機械
   構造用低合金鋼を素材として用い、表面にカーボンポテ
   ンシャルＣ．Ｐ．＝０．８〜３．０％の範囲で浸炭した
   後焼入れ処理を施し、次いで前記表面のうち転動面のみ
   に高周波焼入れ処理を施し、さらに焼もどし処理を施し
   て、前記転動面における表面硬さＨｖ７５０以上，有効
   硬化層深さ２ｍｍ以上とすることを特徴とするトロイダ
   ル式無段変速機用金属製転動体の製造方法。