JP3748800B2 - 金属リングの自由状態径測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無段変速機用の金属ベルトの金属リングを切断して自由状態径を測定するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無段変速機に用いられる金属ベルトは、複数の金属リングを積層した金属リング集合体に複数の金属エレメントを装着したもので、駆動プーリおよび従動プーリに巻き掛けられた状態で相互に接触する金属エレメント間の押し力で駆動力を伝達するようになっている。かかる金属ベルトにおいて金属エレメントを支持する金属リングに作用する応力は、後から実施例で詳述するように、金属ベルトが駆動プーリおよび従動プーリに沿って回転する間に周期的に変化し、しかも金属リングの内周面と外周面とで異なった大きさを持つ。金属リングの内周面に作用する応力と外周面に作用する応力とが不均一であると、金属リングの内周面および外周面のうち大きい応力を受ける面が早期に疲労し、金属リング全体の疲労寿命を低下させる原因となる。
【０００３】
そこで、金属リングの内周面および外周面に作用する応力をできるだけ均一化すべく金属リングに予め残留応力を与えておき、無段変速機の運転により発生する応力を残留応力で相殺することで金属リングの疲労寿命を延長するものが、特開昭６３−２０９４５号公報、特公平７−１１０３９０号公報により公知である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のものは、金属リングに与えられた残留応力の大きさが設計値に一致しているか否かを検証すべく、金属リングの１個所を切断して残留応力により発生するモーメント和がゼロになる状態（自由状態）とし、この自由状態での金属リングの径を測定している。金属リングの残留応力が外周面において引張応力であり、内周面において圧縮応力であれば、金属リングを切断したときの切断端部は相互に離反する方向に移動し、自由状態での径は無端状態（非切断状態）での径よりも大きくなる。しかしながら、金属リングの残留応力が外周面において圧縮応力であり、内周面において引張応力であれば、図１０（Ｂ）に示すように、金属リングを切断したときの切断端部は相互に接近する方向に移動して干渉するため、自由状態径Ｒ₀ （図１０（Ｃ）参照）を正確に測定することができなくなる。
【０００５】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、無段変速機の金属リングの自由状態径を正確に測定できるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、無段変速機用の金属ベルトの金属リングを切断して自由状態径を測定するための金属リングの自由状態径測定方法であって、無端状態の金属リングの残留応力が外周面において圧縮応力であり内周面において引張応力であるものにおいて、金属リングを切断した自由状態において切断端部が干渉しないように、該金属リングの少なくとも２個所を切断して自由状態径を測定することを特徴とする金属リングの自由状態径測定方法が提案される。
【０００７】
上記構成によれば、金属リングは無端状態での残留応力が外周面において圧縮応力であり内周面において引張応力であるため、自由状態径を測定すべく金属リングを１個所だけ切断すると切断端部が干渉してしまうが、少なくとも２個所を切断して自由状態径を測定することにより前記干渉を回避して正確な測定を可能にすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【０００９】
図１〜図１０は本発明の一実施例を示すもので、図１は無段変速機を搭載した車両の動力伝達系のスケルトン図、図２は金属ベルトの部分斜視図、図３は金属リングに作用する引張応力の説明図、図４は金属リングの内周面に作用する応力の変化を示すグラフ、図５は金属リングの外周面に作用する応力の変化を示すグラフ、図６は金属リングの非使用状態（無端状態）および使用状態の形状の説明図、図７は補正応力振幅σａｉ′，σａｏ′を求めるグラフ、図８は補正応力振幅σａｉ′，σａｏ′から金属リングの自由状態径Ｒ₀ を求めるグラフ、図９は金属リングの自由状態径Ｒ₀ を求める工程を説明するフローチャート、図１０は金属リングの自由状態径Ｒ₀ の測定手法を説明する図である。
【００１０】
図１は自動車に搭載された金属ベルト式無段変速機Ｔの概略構造を示すもので、エンジンＥのクランクシャフト１にダンパー２を介して接続されたインプットシャフト３は発進用クラッチ４を介して金属ベルト式無段変速機Ｔのドライブシャフト５に接続される。ドライブシャフト５に設けられたドライブプーリ６は、ドライブシャフト５に固着された固定側プーリ半体７と、この固定側プーリ半体７に対して接離可能な可動側プーリ半体８とを備えており、可動側プーリ半体８は油室９に作用する油圧で固定側プーリ半体７に向けて付勢される。
【００１１】
ドライブシャフト５と平行に配置されたドリブンシャフト１０に設けられたドリブンプーリ１１は、ドリブンシャフト１０に固着された固定側プーリ半体１２と、この固定側プーリ半体１２に対して接離可能な可動側プーリ半体１３とを備えており、可動側プーリ半体１３は油室１４に作用する油圧で固定側プーリ半体１２に向けて付勢される。ドライブプーリ６およびドリブンプーリ１１間に、左右の一対の金属リング集合体３１，３１に多数の金属エレメント３２…を支持してなる金属ベルト１５が巻き掛けられる（図２参照）。それぞれの金属リング集合体３１は、１２枚の金属リング３３…を積層してなる。
【００１２】
ドリブンシャフト１０には前進用ドライブギヤ１６および後進用ドライブギヤ１７が相対回転自在に支持されており、これら前進用ドライブギヤ１６および後進用ドライブギヤ１７はセレクタ１８により選択的にドリブンシャフト１０に結合可能である。ドリブンシャフト１０と平行に配置されたアウトプットシャフト１９には、前記前進用ドライブギヤ１６に噛合する前進用ドリブンギヤ２０と、前記後進用ドライブギヤ１７に後進用アイドルギヤ２１を介して噛合する後進用ドリブンギヤ２２とが固着される。
【００１３】
アウトプットシャフト１９の回転はファイナルドライブギヤ２３およびファイナルドリブンギヤ２４を介してディファレンシャルギヤ２５に入力され、そこから左右のアクスル２６，２６を介して駆動輪Ｗ，Ｗに伝達される。
【００１４】
而して、エンジンＥの駆動力はクランクシャフト１、ダンパー２、インプットシャフト３、発進用クラッチ４、ドライブシャフト５、ドライブプーリ６、金属ベルト１５およびドリブンプーリ１１を介してドリブンシャフト１０に伝達される。前進走行レンジが選択されているとき、ドリブンシャフト１０の駆動力は前進用ドライブギヤ１６および前進用ドリブンギヤ２０を介してアウトプットシャフト１９に伝達され、車両を前進走行させる。また後進走行レンジが選択されているとき、ドリブンシャフト１０の駆動力は後進用ドライブギヤ１７、後進用アイドルギヤ２１および後進用ドリブンギヤ２２を介してアウトプットシャフト１９に伝達され、車両を後進走行させる。
【００１５】
このとき、金属ベルト式無段変速機Ｔのドライブプーリ６の油室９およびドリブンプーリ１１の油室１４に作用する油圧を、電子制御ユニットＵ１からの指令で作動する油圧制御ユニットＵ２で制御することにより、そのレシオが無段階に調整される。即ち、ドライブプーリ６の油室９に作用する油圧に対してドリブンプーリ１１の油室１４に作用する油圧を相対的に増加させれば、ドリブンプーリ１１の溝幅が減少して有効半径が増加し、これに伴ってドライブプーリ６の溝幅が増加して有効半径が減少するため、金属ベルト式無段変速機ＴのレシオはＬＯＷ（最大レシオの状態）に向かって無段階に変化する。逆にドリブンプーリ１１の油室１４に作用する油圧に対してドライブプーリ６の油室９に作用する油圧を相対的に増加させれば、ドライブプーリ６の溝幅が減少して有効半径が増加し、これに伴ってドリブンプーリ１１の溝幅が増加して有効半径が減少するため、金属ベルト式無段変速機ＴのレシオはＯＤ（最小レシオの状態）に向かって無段階に変化する。
【００１６】
図３は、車両が最高速度走行状態（ＴＯＰレシオの状態）にあって、ドライブプーリ６の有効半径がドリブンプーリ１１の有効半径よりも大きくなった状態を示しており、同図における金属ベルト１５の厚さは該金属ベルト１５の張力に起因する各金属リング３３…の引張応力の大小を模式的に表している。図４および図５にも破線で示すように、金属ベルト１５がドリブンプーリ１１からドライブプーリ６に戻る戻り側の弦部（Ａ領域）において前記応力は一定値σＴ_LOW であり、金属ベルト１５がドライブプーリ６からドリブンプーリ１１に送り出される往き側の弦部（Ｃ領域）において前記応力は一定値σＴ_HIGHである。Ａ領域の応力σＴ_LOW はＣ領域の応力σＴ_HIGHよりも小さく、金属ベルト１５がドライブプーリ６に巻き付く部分（Ｂ領域）において、その入口側から出口側にかけて応力はσＴ_LOW からσＴ_HIGHまで増加し、金属ベルト１５がドリブンプーリ１１に巻き付く部分（Ｄ領域）において、その入口側から出口側にかけて応力はσＴ_HIGHからσＴ_LOW まで減少する。
【００１７】
上記金属ベルト１５の張力に基づく金属リング３３の引張応力は、その厚さ方向に一定である。即ち、図４および図５に破線で示すように、金属リング３３の内周面の引張応力および外周面の引張応力は同じである。
【００１８】
金属リング３３には前記張力に基づく引張応力に加えて、金属リング３３の曲げに基づく引張応力および圧縮応力が作用する。図６（Ａ）に示すように外力が加わらない非使用状態の金属リング３３は円形であるが、図６（Ｂ）に示すように使用状態の金属リングは前記Ａ領域〜Ｄ領域を有する形状に変形する。戻り側弦部（Ａ領域）および往き側弦部（Ｃ領域）では非使用状態でＲであった曲率半径が∞に増加し、大径側のドライブプーリ６に巻き付くＢ領域では非使用状態でＲであった曲率半径がＲ_DRに減少し、小径側のドリブンプーリ１１に巻き付くＤ領域では非使用状態でＲであった曲率半径がＲ_DNに減少する。
【００１９】
このように金属リング３３の曲率半径が増加するＡ領域およびＣ領域では、該金属リング３３の内周面に引張曲げ応力σＶ_STが作用し、外周面に圧縮曲げ応力σＶ_STが作用する。一方、金属リング３３の曲率半径が減少するＢ領域およびＤ領域では、該金属リング３３の内周面に圧縮曲げ応力σＶ_DR，σＶ_DNが作用し、外周面に引張曲げ応力σＶ_DR，σＶ_DNが作用する。
【００２０】
図４および図５のグラフには、車両が図３で説明した最高速度走行状態にあるときに、金属リング３３の内周面および外周面に作用する曲げ応力の変化も示されている。図４に示すように、金属リング３３の内周面には、その２つの弦部（Ａ領域およびＣ領域）に一定の引張曲げ応力σＶ_STが作用し、曲率半径が大きい方のドライブプーリに巻き付くＢ領域では比較的に小さな圧縮曲げ応力σＶ_DRが作用し、曲率半径が小さい方のドリブンプーリに巻き付くＤ領域では比較的に大きな圧縮曲げ応力σＶ_DNが作用する。一方、図５に示すように、金属リング３３の外周面には、その２つの弦部（Ａ領域およびＣ領域）に一定の圧縮曲げ応力σＶ_STが作用し、曲率半径が大きい方のドライブプーリに巻き付くＢ領域では比較的に小さな引張曲げ応力σＶ_DRが作用し、曲率半径が小さい方のドリブンプーリに巻き付くＤ領域では比較的に大きな引張曲げ応力σＶ_DNが作用する。
【００２１】
このとき、金属リング３３の内周面および外周面に逆方向の残留応力を予め付与しておくことにより、金属リング３３の内周面および外周面に発生する曲げ応力σＶ_ST，σＶ_DR，σＶ_DNを前記残留応力で増減させ、図４および図５のグラフに示す曲げ応力の変化を調整することができる。尚、金属リング３３に圧縮残留応力を付与する手段としては、ショットピーニング、圧延、熱処理等の任意の手段を用いることができる。
【００２２】
図４の実線は金属リング３３の張力に基づいて作用する応力σＴ_LOW ，σＴ_HIGHと、金属リング３３の曲げに基づいて該金属リング３３の内周面に作用する応力σＶ_DR，σＶ_DNとを加算したもので、金属リング３３の内周面に作用するトータルの応力の変化を示している。また図５の実線は金属リング３３の張力に基づいて作用する応力σＴ_LOW ，σＴ_HIGHと、金属リング３３の曲げに基づいて該金属リング３３の外周面に作用する応力σＶ_DR，σＶ_DNとを加算したもので、金属リング３３の外周面に作用するトータルの応力の変化を示している。
【００２３】
図４において、金属リング３３の内周面の応力振幅σａｉは、最大引張応力および最大圧縮応力の偏差の２分の１で定義され、金属リング３３の内周面の応力中心値σｍｉは応力振幅σａｉの中心における応力で定義される。同様に、図５において、金属リング３３の外周面の応力振幅σａｏは、最大引張応力および最大圧縮応力の偏差の２分の１で定義され、金属リング３３の外周面の応力中心値σｍｏは応力振幅σａｏの中心における応力で定義される。
【００２４】
図７は横軸にリング内周面の応力中心値σｍｉを取り、縦軸にリング内周面の応力振幅σａｉを取ったもので、右下がりのラインは金属リング３３の疲労寿命が等しくなる応力中心値σｍｉおよび応力振幅σａｉの組み合わせを示している。応力中心値σｍｉがゼロになるときに応力振幅σａｉは最大になり、このときの応力振幅σａｉを補正応力振幅σａｉ′と定義する。即ち、補正応力振幅σａｉ′は応力振幅σａｉおよび応力中心値σｍｉを用いて、
σａｉ′＝σａｉ＋（１／３）σｍｉ
で与えられる。同様にして、リング外周面の補正応力振幅σａｏ′は応力振幅σａｏおよび応力中心値σｍｏを用いて、
σａｏ′＝σａｏ＋（１／３）σｍｏ
で与えられる。
【００２５】
このように、応力振幅σａｉ，σａｏおよび応力中心値σｍｉ，σｍｏの関数として算出される補正応力振幅σａｉ′，σａｏ′は、それぞれ金属リング３３の内周面および外周面の疲労寿命を表す適切なパラメータとなる。
【００２６】
図８のグラフは、軸間距離が１５５ｍｍ、無端状態（非切断状態）での金属リング３３の内径が２１０ｍｍの金属ベルト式無段変速機Ｔにおいて、金属リング３３の自由状態径Ｒ₀ を変化させたときに、ＴＯＰ状態（最高速度での走行状態）およびＯＤ状態（レシオが最小の状態）での補正応力振幅σａｉ′，σａｏ′の変化特性を示している。ここで、金属リング３３の自由状態とは、その一部を切断して残留応力を解放した状態として定義される。
【００２７】
金属リング３３にとって最も厳しい運転条件であるＴＯＰ状態では、金属リング３３の自由状態直径２Ｒ₀ を１６５ｍｍに設定したときに、内周面の補正応力振幅σａｉ′と外周面の補正応力振幅σａｏ′とが等しくなり（図８のａ点参照）、金属リング３３の内周面の疲労寿命および外周面の疲労寿命を一致させて全体として金属リング３３の疲労寿命を延長することができる。
【００２８】
仮に、金属リング３３の自由状態直径２Ｒ₀ が１６５ｍｍよりも大きいとすると、外周面の補正応力振幅σａｏ′が内周面の補正応力振幅σａｉ′よりも大きくなり、その差が更に大きくなると金属リング３３の外周面の補正応力振幅σａｏ′が大きくなり、外周面から破断が始まる可能性がある。逆に、金属リング３３の自由状態直径２Ｒ₀ が１６５ｍｍよりも小さいとすると、内周面の補正応力振幅σａｉ′が外周面の補正応力振幅σａｏ′よりも大きくなり、その差が更に大きくなると金属リング３３の内周面の補正応力振幅σａｉ′が大きくなり、内周面から破断が始まる可能性がある。
【００２９】
また前記ＴＯＰ状態に比べて使用頻度が高いＯＤ状態では、金属リング３３の自由状態直径２Ｒ₀ を１３５ｍｍに設定したときに、内周面の補正応力振幅σａｉ′と外周面の補正応力振幅σａｏ′とが等しくなり（図８のｂ点参照）、金属リング３３の内周面の疲労寿命および外周面の疲労寿命を一致させて全体として金属リング３３の疲労寿命を延長することができる。
【００３０】
以上のことから、最も厳しい運転状態であるＴＯＰ状態に合わせて金属リング３３の自由状態直径２Ｒ₀ を１６５ｍｍとすることが最適であり、また最も厳しい運転状態であるＴＯＰ状態と最も使用頻度が高い運転状態であるＯＤ状態とに合わせて金属リング３３の自由状態直径２Ｒ₀ を１３５ｍｍ〜１６５ｍｍ（図８の領域Ａ１参照）とすることが適切である。
【００３１】
また前記ＴＯＰ状態において金属リング３３の自由状態直径２Ｒ₀ を最適値の１６５ｍｍに設定すると、ＯＤ状態での金属リング３３の外周面の補正応力振幅σａｏ′（図８のｃ点参照）は４．５Ｎ／ｍｍ² となり、この補正応力振幅σａｏ′と同じ大きさの内周面での補正応力振幅σａｉ′がＴＯＰ状態で発生する自由状態直径２Ｒ₀ は１３０ｍｍとなる（図８のｄ点参照）。従って、金属リング３３の自由状態直径２Ｒ₀ を１３０ｍｍ〜１６５ｍｍ（図８の領域Ａ２参照）とすれば、すべての運転状態において補正応力振幅σａｉ′，σａｏを４．５Ｎ／ｍｍ² 以下に抑えることができる。
【００３２】
前記のように自由状態径Ｒ₀ の好適範囲は、図８に示すように無端状態（非切断状態）での金属リング３３の内径である２１０ｍｍ（図８のｅ点の線）よりも小さくなる。
【００３３】
次に、上述した金属リング３３の自由状態径Ｒ₀ を設定する手法を図９のフローチャートに基づいて再度説明する。
【００３４】
先ず、ステップＳ１で金属ベルト式無段変速機Ｔの運転条件、即ちレシオ、入力トルク、入力回転数等を読み込む。続くステップＳ２で金属ベルト式無段変速機Ｔの動力伝達特性から金属リング３３の張力（図４および図５の破線参照）を算出するとともに、ステップＳ３で駆動プーリ６および従動プーリ１１への金属リング３３の巻き付き径を算出する。続くステップＳ４で金属リング３３の巻き付き径から算出した圧縮応力および引張応力を前記金属リングの張力に基づく引張応力に加算することにより、金属リングの内周面および外周面における応力分布を算出する（図４および図５の実線参照）。
【００３５】
続くステップＳ５で、図４および図５のグラフから金属リング３３の内周面の応力振幅σａｉおよび応力中心値σｍｉと、金属リング３３の外周面の応力振幅σａｏおよび応力中心値σｍｏとを算出した後、ステップＳ６でσａｉ，σｍｉ，σａｏ，σｍｏから内周面の補正応力振幅σａｉ′および外周面の補正応力振幅σａｏ′（図８参照）を算出する。そしてステップＳ７で図８のグラフから補正応力振幅σａｉ′，σａｏ′に基づいて金属リング３３の自由状態径Ｒ₀ を算出する。
【００３６】
さて、上述のようにして金属リング３３の疲労寿命を延長することができる最適の自由状態径Ｒ₀ が決定されると、その自由状態径Ｒ₀ が得られるような残留応力が無端状態の金属リング３３に付与される。この無端状態の金属リング３３に設定値どおりの残留応力が付与されているかを確認するために、金属リング３３の一部を切断して自由状態にし、その状態で自由状態径Ｒ₀ を測定する必要がある。
【００３７】
このとき、無端状態の金属リング３３の残留応力が外周面において圧縮応力であり内周面において引張応力であれば、図１０（Ａ）に示す無端状態の金属リング３３をＡ点の１個所で切断したとき、図１０（Ｂ）に示すように残留応力が解放されることで金属リング３３が閉じるように変形し、その一方の切断端部３３ａが中間部と干渉して正確な自由状態にならず、従って自由状態径Ｒ₀ を測定できなくなる。
【００３８】
それに対して、本実施例では、図１０（Ａ）に示す無端状態の金属リング３３をＡ点およびＢ点の２個所で切断することにより、図１０（Ｃ）に示すように残留応力が解放されて金属リング３３が閉じるように変形したときに、その一対の切断端部３３ａ，３３ｂが干渉しないようにして正確な自由状態径Ｒ₀ を測定することができる。
【００３９】
尚、無端状態の金属リング３３を切断する個所は２個所に限定されず、３個所以上であっても良い。即ち、先ず無端状態の金属リング３３の２個所を切断したときに前記干渉が発生すれば、干渉が発生しなくなるまで何回切断を行っても良い。
【００４０】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、金属リングは無端状態での残留応力が外周面において圧縮応力であり内周面において引張応力であるため、自由状態径を測定すべく金属リングを１個所だけ切断すると切断端部が干渉してしまうが、少なくとも２個所を切断して自由状態径を測定することにより前記干渉を回避して正確な測定を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ベルト式無段変速機を搭載した車両の動力伝達系のスケルトン図
【図２】金属ベルト部分斜視図
【図３】金属リングに作用する引張応力の説明図
【図４】金属リングの内周面に作用する応力の変化を示すグラフ
【図５】金属リングの外周面に作用する応力の変化を示すグラフ
【図６】金属リングの非使用状態（無端状態）および使用状態の形状の説明図
【図７】補正応力振幅σａｉ′，σａｏ′を求めるグラフ
【図８】補正応力振幅σａｉ′，σａｏ′から金属リングの自由状態径Ｒ₀ を求めるグラフ
【図９】金属リングの自由状態径Ｒ₀ を求める工程を説明するフローチャート
【図１０】金属リングの自由状態径Ｒ₀ の測定手法を説明する図
【符号の説明】
１５ 金属ベルト
３３ 金属リング
３３ａ 端部
３３ｂ 端部
Ｒ₀ 自由状態径

Claims (1)

1. 無段変速機用の金属ベルト（１５）の金属リング（３３）を切断して自由状態径（Ｒ₀ ）を測定するための金属リングの自由状態径測定方法であって、
   無端状態の金属リング（３３）の残留応力が外周面において圧縮応力であり内周面において引張応力であるものにおいて、
   金属リング（３３）を切断した自由状態において切断端部（３３ａ，３３ｂ）が干渉しないように、該金属リング（３３）の少なくとも２個所を切断して自由状態径（Ｒ₀ ）を測定することを特徴とする金属リングの自由状態径測定方法。

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