JP4239845B2 - トロイダル型無段変速機用ディスクの製造方法及びトロイダル型無段変速機用ディスク - Google Patents

Description

本発明は、自動車部品や産業機械等の変速機として利用される無段変速機用ディスクの製造方法及び無段変速機ディスクに関する。

近年、自動車用変速機として、トロイダル型無段変速機を使用することが研究されている。トロイダル型無段変速機１では、図５に示されるように、入力軸２の周囲に、互いの内側面３ａ，４ａが対向した入力側ディスク３と出力側ディスク４と、入力側ディスク３及び出力側ディスク４間に挟持される回転自在なパワーローラ５とを組み合わせたバリエータ部品が設けられている。

入力側ディスク３の背面側には、カム板６が入力軸２に対してスプライン係合して設けられている。また、カム板６と入力側ディスク３との間にはローラ７が介在されており、入力側ディスク３を出力側ディスク４側に押し付けるローディングカム式の押圧装置８を構成している。

入力側ディスク３と出力側ディスク４の間には、入力軸２に対して略直交する方向に沿った枢軸９を中心として揺動するトラニオン１０が設けられている。トラニオン１０はその略中央に枢軸９に対して略直交する方向に延びた変位軸１１を設けており、パワーローラ５は変位軸１１に回転自在に支持されている。

上述のようなトロイダル型無段変速機１においては、入力軸２の回転を押圧装置８を介して入力側ディスク３に伝える。そして、入力側ディスク３の回転は、パワーローラ５を介して出力側ディスク４に伝達され、さらに、出力側ディスク４の回転が、出力側ディスク４とキー結合された出力歯車１２によって取り出される。また、トラニオン１０の変位によりパワーローラ５の傾転角を変えることで、パワーローラ５は入力側ディスク３と出力側ディスク４との当接位置を変え、入力軸３と出力歯車１２間で所望の回転速度比（変速比）が無段階に与えられる。

トロイダル型無段変速機１の運転時において、入力側ディスク３と出力側ディスク４には、各パワーローラ５との押し付け合いに基づいて複雑且つ大きな力が繰り返し加わるため、各ディスク３，４の所定の部位には引張り応力がかかる。例えば、トロイダル型無段変速機１の運転時には、パワーローラ５から出力側ディスク４の内側面４ａにＦなるスラスト荷重が加わる（図６のＡ点参照。）。そして出力側ディスク４は、この様なスラスト荷重に基づいて弾性変形し、その結果、図６のＢ、Ｃ部に、大きな引っ張り応力が集中して加わる。これら引っ張り応力の加わる部位は、トロイダル型無段変速機の運転に伴う出力側ディスク４の回転に基づき、円周方向に移動する。従って、円周方向に関して或る一部分に注目した場合、当該部分には大きな引っ張り応力が繰り返し加わる事になる。この様な引っ張り応力が繰り返し加わる事は、入力側ディスク３に関しても、ほぼ同様である。この様にして入力側、出力側両ディスク３、４に繰り返し加わる引っ張り応力は、これら入力側、出力側ディスク３、４に割れ等の損傷を発生させる原因となる。

このため、上述の様な引っ張り応力に拘らず、入力側、出力側両ディスク３、４に割れ等の損傷が発生するのを防止してトロイダル型無段変速機の耐久性を十分に確保する手法が従来提案されている（例えば、特許文献１〜５参照。）。

特許文献１に記載のトロイダル型無段変速機では、入力側、出力側ディスク３、４の表面に、浸炭処理、浸炭窒化処理、高周波焼き入れ等の熱処理による硬化層を形成するとともに、入力側、出力側ディスク３、４の表面のうち、内端面３ｂ、４ｂと内周面３ｃ、４ｃの内端寄り部分（即ち、図６のＢ部）とに、ショットピーニングを施して、このショットピーニングに基づく圧縮残留応力を存在させている。これにより、この圧縮残留応力が引っ張り応力を相殺して、Ｂ部において亀裂等の損傷を発生しにくくする。また、特許文献２においても、ディスクの内端面部及び内周面にショットピーニング等によって圧縮残留応力を付与することが記載されている。

さらに、特許文献３、４においては、図７に示されるように、ディスク３，４の表面に浸炭窒化処理を施した後、ディスク３，４の転動面３ａ，４ａに高周波焼入れ処理を施し、さらに焼戻し処理を施すことが知られている。これにより、浸炭時間を短くして、粒界酸化層の成長による割れの発生を防止し、高周波焼入れにより圧縮残留応力を付加し、面疲労強度を向上している。また、特許文献５においては、図８に示されるように、最初にディスク３，４の内周面３ｃ、４ｃと外端面３ｄ、４ｄに加熱用コイルＣ１，Ｃ３を用いて高周波焼入れ処理を施し、その後、転動面３ａ，４ａに加熱用コイルＣ５を用いて高周波焼入れ処理を施している。

特開平１１−１４８５４３号公報（第５−６頁、第１図） 特開平９−３２４８４２号公報（第４頁、第２図） 特開平６−１５９４６３号公報（第５頁、第４図） 特開平１１−３１５９０１号公報（第５頁、第４図） 特開平９−７９３３９号公報（第３頁、第２図）

ところで、特許文献１，２に開示されるように、ショットピーニングによりディスク３，４を強化した場合には、ショットピーニングを行うための専用の設備が必要となるため、ディスク３，４のコストの増大を招くという問題がある。

また、特許文献３，４に記載のように、転動面３ａ，４ａのみの高周波焼入れを行えば、加熱の熱影響を受けた内端面３ｂ，４ｂと内周面３ｃ，４ｃは軟化してしまい、各ディスク３，４は所望の強度を確保できなくなる。特許文献５においても、転動面３ａ，４ａを高周波焼入れする際に、既に高周波焼入れされた内周面３ｃ，４ｃと外側面３ｄ、４ｄの硬度が一部低下してしまう可能性があった。また、特許文献５では、転動面３ａ，４ａと内周面３ｃ，４ｃを２回に分けて高周波焼入れするので、熱処理工数が増え、コストの増大を招く問題がある。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コストの増大を防止すると共に、高引張り応力に耐える無段変速機用ディスクの製造方法及び無段変速機用ディスクを提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） トロイダル型無段変速機用ディスクの製造方法であって、
パワーローラを転接可能とするトラクション面と、該トラクション面とその小径側で隣接する内端面と、該内端面から軸方向に延びる内周面とを有する前記ディスクを備え、
前記トラクション面、前記内端面、及び、前記内周面の内端寄り部分に高周波焼入れを同時に施し、該高周波焼入れ時に前記内周面の中間部及び外端寄り部を冷却することを特徴とするトロイダル型無段変速機用ディスクの製造方法。
（２） （１）に記載の製造方法によって製作されたことを特徴とするトロイダル型無段変速機用ディスク。

本発明の無段変速機用ディスクの製造方法によれば、ディスクのトラクション面、端面、及び、内径面に高周波焼入れを同時に施すようにしたので、トラクション面の高い面圧に耐え、且つ、内端面と内周面に発生する高い引張り応力にも耐えるディスクを製造することができる。また、一回の高周波焼入れで、必要な部位の焼入れを完了するので、コストの増大を防止することができる。

以下、本発明に係る無段変速機用ディスクの製造方法及び無段変速機用ディスクについて図面を参照して詳細に説明する。尚、本発明の特徴は、パワーローラと転接する入力側ディスクと出力側ディスクにある。その他の構造及び作用は、前述した従来構造を含め、従来から知られたトロイダル型無段変速機と同様である。従って、従来構造と同等部分については説明を省略或いは簡略化し、本発明の特徴部分を中心に説明する。

図１は、図５のトロイダル型無段変速機１の入力ディスク３或いは出力ディスク４として適用可能な無段変速機用ディスク２０を模式的に示す。このディスク２０は、その内側面に、パワーローラ５が転接可能な、円弧形状の凹断面を有するトラクション面２１と、トラクション面２１の小径側でトラクション面２１と隣接する内端面２２と、内端面２２から軸方向に延び、入力軸２の外周面と対向する内周面２３とを備える。

このように構成される無段変速機用ディスク２０は、ディスク素材Ｗとして、中炭素浸炭鋼や高炭素鋼を用いて形成される。中炭素浸炭鋼を使用した場合には、ディスク素材Ｗを熱間鍛造成形して、切削加工にて仕上げ代を付与した概形状に形成した後、全体の強度向上のための浸炭処理または浸炭窒化処理と、焼入れ焼戻しが行われる。また、高炭素鋼を使用した場合には、ディスク素材Ｗを熱間成形し、切削加工にて仕上げ代を付与した概形状に成形した後、全体の強度向上のための焼きならしまたは焼入れ焼戻しが行われる。

さらに、上記のように処理されたディスク素材Ｗに対して、図２に示されるような高周波焼入れ処理が施される。
まず、ディスク素材Ｗの軸方向に移動可能な治具３０上にディスク素材Ｗを載置する。そして、ディスク素材Ｗが載置された治具３０を移動して、トラクション面２１、内端面２２及び内周面２３の内端寄り部２３ａとなる部位を加熱する複数の加熱用コイル３１がディスク素材Ｗと適切な隙間で近接される。

加熱用コイル３１は、トラクション面２１を加熱する部位用と内端面２２と内周面２３の内端寄り部２３ａを加熱する部位用が一体に構成されている。また、加熱用コイル３１の中は空洞になっており、加熱時にコイル３１自身が焼損しないように内部に冷媒を流して冷却する構造である。また、ディスク素材Ｗの内周には、必要に応じて、コイル加熱の影響を避けたい部分に冷媒を吐出してディスク素材Ｗを冷却するためのノズル３２が挿入される。

この状態で、ディスク素材Ｗを中心Ｏまわりに回転させながら、加熱用コイル３１に９ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの高周波電流を８秒〜１８秒間流し、ディスク素材Ｗを誘導加熱する。また、加熱中、ディスク素材Ｗの内周に挿入されたノズル３２から、加熱の影響を受けないように内周面２３の中間部２３ｂから外端寄り部２３ｃにかけて水をかけて冷却する。

必要な加熱が完了したら、ディスク素材Ｗを冷却ポジションに移動する。そして、ディスク素材Ｗを中心Ｏまわりに回転しながら、周囲に設置した冷却ノズル３３から冷却水（焼入れ水）を吐出し、ディスク素材Ｗを冷却することで焼入れを行う。その後、熱応力などの除去を目的として、１００℃〜２００℃で全体の焼戻し処理を行う。

図３は、上記の処理にて得られる焼入れ品の断面状況を示しており、白い部分は焼入れ層を、点で示す部分は非焼入れ層を示している。この図からも、ディスク２０のトラクション面２１、内端面２２、内周面２３の内端寄り部（内径口元部）２３ａに、高周波焼入れが施されていることがわかる。上記の高周波焼入れ処理により、ディスク２０のトラクション面２１、内端面２２、内周面２３の内端寄り部２３ａには、高い圧縮残留応力が付加され、表１に示されるような所望の表面硬さが与えられる。

図４に示された関係からわかるように、硬さを向上することで引張り強度も向上されており、トラクション面２１に加え、内端面２２と内周面２３の内端寄り部２３ａにも高い強度が与えられ、引張り応力に耐える無段変速機用ディスク２０を製造することができる。

従って、本実施形態の無段変速機用ディスクの製造方法によれば、パワーローラ５を転接可能とするトラクション面２１と、トラクション面２１とその小径側で隣接する内端面２２と、内端面２２から軸方向に延びる内周面２３とを有するディスク２０を備え、トラクション面２１、内端面２２、及び、内周面２３に高周波焼入れを同時に施すようにした。これにより、トラクション面２１の高い面圧に加え、且つ、内端面２２と内周面２３に発生する高い引張り応力にも耐えるディスクを製造することができる。また、一回の高周波焼入れで、必要な部位の焼入れを完了するので、熱処理工数が低減され、ディスク２０のコストの増大を防止することができる。

尚、本発明は、前述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
本発明の無段変速機用ディスクは、シングルキャビティタイプのトロイダル型無段変速機に限らず、ダブルキャビティタイプのものにも適用可能である。また、本実施形態では、無段変速機用ディスクは、ハーフトロイダル型無段変速機について適用されているが、フルトロイダル型無段変速機にも適用可能である。

本実施形態のトロイダル型無段変速機のディスクを示す断面図である。 図１のディスクに高周波焼入れが施される状態を説明するための図であり、（ａ）は加熱状態を示す断面図であり、（ｂ）は冷却状態を示す断面図である。 本発明の第３実施形態であるボールねじの側面図である。 本発明の第４実施形態であるボールねじの側面図である。 トロイダル型無段変速機の具体構成を示す要部断面図である。 ディスクに引張り応力が加わる部位を説明するための部分断面図である。 従来の入・出力側ディスクの、浸炭焼入れ及び高周波焼入れによる硬化層を示す断面図である。 従来の他の入・出力側ディスクの、高周波焼入れによる処理を説明するための図で、（ａ）はその第１段階を示す断面図で、（ｂ）はその第２段階を示す断面図である。

符号の説明

２０ 無段変速機用ディスク
２１ トラクション面
２２ 内端面
２３ 内周面
３０ 治具
３１ 加熱用コイル
３２ ノズル
３３ 冷却ノズル

Claims (2)

1. トロイダル型無段変速機用ディスクの製造方法であって、
   パワーローラを転接可能とするトラクション面と、該トラクション面とその小径側で隣接する内端面と、該内端面から軸方向に延びる内周面とを有する前記ディスクを備え、
   前記トラクション面、前記内端面、及び、前記内周面の内端寄り部分に高周波焼入れを同時に施し、該高周波焼入れ時に前記内周面の中間部及び外端寄り部を冷却することを特徴とするトロイダル型無段変速機用ディスクの製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法によって製作されたことを特徴とするトロイダル型無段変速機用ディスク。

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