JP4323357B2

JP4323357B2 - プーリ製造方法

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Publication number: JP4323357B2
Application number: JP2004091985A
Authority: JP
Inventors: 吉田　　誠; 芳章加藤; 靖朗伊藤
Original assignee: JATCO Ltd
Current assignee: JATCO Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: US7958635B2; US20050217111A1; KR100620940B1; DE102005014191A1; DE102005014191B4; JP2005273866A; KR20050095546A

Description

本発明は、ベルト式無段変速機に関し、特にベルトとプーリの接触面における微細構造の製造方法に関する。

従来、ベルト式無段変速機のプーリ製造方法として、特許文献１に記載の技術が開示されている。具体的には、肌焼き鋼棒材→切断→熱間鍛造→スケール除去→機械加工（旋削，ドリル）→浸炭焼き入れ焼き戻し→研削という手順によって製造される。このように、浸炭処理あるいは高周波焼き入れ処理後に研削することで、疲労強度を改善している。
特開平８−２６０１２５号公報。

しかしながら、上述の従来技術には、ベルト式無段変速機のベルトとプーリの接触面の摩擦係数を増大させる点については何ら工夫されていない。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、ベルトとプーリとの接触面における摩擦係数の向上を図りつつ、安定した精度を達成可能なベルト式無段変速機用プーリの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、入力側プーリと出力側プーリとの間に掛け渡され、無端バンドにより板状エレメントが板厚方向に多数重ねて束ねられたベルトを有し、前記板状エレメントは前記入力側プーリのテーパ面と当接する側面に板厚方向に延びる複数の凹部及び凸部を有し、更に、前記入力側プーリのテーパ面に同心円又は螺旋状に微細溝が形成され、前記微細溝の開口側端部幅と、微細溝の開口部に隣接する山部の頂部の幅との和が、前記板状エレメントの凸部幅以下となる関係を有するベルト式無段変速機のプーリ製造方法であって、前記テーパ面に表面硬化処理を行う第１工程と、前記第１工程により表面硬化処理されたテーパ面に対し、ハードターニング加工により前記微細溝を形成する第２工程と、前記第２工程により生じた山谷形状の山部を除去する第３工程と、から製造した。

すなわち、第１行程における表面硬化処理後、第２工程のハードターニング加工によって微細溝を形成し、その後、山谷形状の山部を除去する第３工程を施すため、第２工程により微細溝の溝ピッチを所望の値とし、第３工程により山高さを所望の値とすることが可能となる。よって、それぞれの値を独立してコントロールすることが可能となり、ばらつきの少ない形状を容易に達成することができる。また、従来工程において、摩擦係数の向上を図ることが可能なプーリのテーパ面の微細構造を、一度の研削工程で所定の形状を得ようとする場合、砥粒の細かい研削砥石を使用する必要があり、研削深さが多い場合は砥石の目詰まりが発生しやすく、研磨焼け、割れによる表面欠陥の発生や、砥石又はプーリの自励振動による研削面のうねりの発生による精度低下が懸念される。これに対し、本願発明では、第２工程においてハードターニング加工による粗研削が終了しているため、研削深さが相対的に少ないことから、上記課題の発生を抑制することができる。

以下、本発明のベルト式無段変速機を実現する最良の形態を、図面に示す実施例に基づいて説明する。

図１はベルト式無段変速機のプライマリプーリ１とセカンダリプーリ２及びベルト３の関係を表す概略図である。プライマリプーリ１は、入力軸Inputと一体に形成されテーパ面を有する固定側プーリ１１と、軸方向に移動可能な可動側プーリ１２から構成されている。同様に、セカンダリプーリ２は出力軸Outputと一体に形成された固定側プーリ２１と可動側プーリ２２から構成されている。ベルト３は、固定側プーリ１１，２１と可動側プーリ１２，２２によって形成されるＶ溝に狭持され、プーリ推力の関係に基づいて変速比を決定する。

図２はベルト３の部分拡大斜視図である。ベルト３は、板厚方向に多数重ねられた板状エレメント３０と、板状エレメント３０を束ねた無端バンド４０から構成されている。板状エレメント３０の側面３１には、図３の拡大断面図に示すように、各プーリの円周方向と平行となる凹凸部３１ａ，３１ｂが設けられ、これにより潤滑油を回転方向に適宜排出することで波乗り効果による摩擦力低減を回避している。

図３は板状エレメント３０の側面と各プーリの接触面近傍を径方向の断面を表す拡大断面図である。図３中上下方向は、板状エレメント３０の略左右方向に対応する。各プーリのテーパ面には同心円状に微細溝５０が形成されている。尚、微細溝５０はおおむね等間隔で形成されればよく、螺旋状に形成しても良い。ここで、板状エレメント３０の凸部幅をW1，微細溝５０の開口側端部幅をW2，開口側端部から隣接する微細溝の開口側端部までの頂部間をW3，微細溝５０の山高さをH1とする。尚、溝間ピッチSm＝W2＋W3として表されるものとする。

板状エレメント３０の凹凸部３１ａ，３１ｂと微細溝５０とは、開口側端部幅W2と、頂部間W3との和が、凸部幅W1以下となるように形成されている。すなわち、板状エレメント３０がどの位置でテーパ面と接触したとしても、凸部３１ｂ上には必ず微細溝５０が１つ以上よぎるように構成されている。

板状エレメント３０とテーパ面との接触部においては、基本的に油膜を介して接触している。この油膜は、潤滑油中の添加剤成分により吸着され剪断力を発生するトルク伝達膜と、潤滑油として機能する潤滑膜から構成されるため、油膜を適正に管理するには潤滑膜の油を適宜排出しつつトルク伝達膜を形成する必要がある。そこで、板状エレメント３０の凸部幅W1に潤滑膜の油を排出する溝が必ず存在するように設定した。これにより、潤滑膜の油の排出性を高めることでトルク伝達膜を効率よく形成し、凸部３１ｂとテーパ面との接触面を確保することが可能となり、摩擦係数を増大することができる。

微細溝５０は、図１のプライマリプーリ正面図に示すように、プライマリプーリ１のテーパ面上であって、プーリ比≧１の領域に形成されている。プーリ比≧１の領域では、特に大きなトルクが作用し、またベルトとプーリとの接触半径が小さいため、１つの板状エレメント３０にかかるトルク分担が大きいからである。このように、微細溝５０の加工箇所を必要最小限とすることで加工工数を低減しつつ高い摩擦係数を得ることができる。尚、これ以外のテーパ面に加工を施しても良いことは言うまでもない。

（微細溝の構成を規定する各種パラメータについての評価試験）
上述した作用効果を達成する微細溝５０を規定するものとして、表面粗さRa及びピッチSm、微細溝の山高さH1について説明する。ここで、板状エレメントの凹凸部３１のピッチは約200μmであり、凸部３１ｂの平坦部の幅W1は約30μmである。この板状エレメントを前提に各試料との比較を行った。試験方法としては、板状エレメントに各試料（テーパ面）に対して荷重をエレメント一枚当たり392Nで当接させ、CVT潤滑油中（油温110℃）において、速度0〜0.8m/sの範囲で上昇・下降させ、連続的に摺動させた際の下降側の摩擦係数を測定した。この条件は、実際の車両に搭載した際のLow変速比に相当する。

（表面粗さRaについて）
図４は表面粗さRaと摩擦係数μの関係を表す図である。図中、○はテーパ面の研磨によって作成された種々のRaを有する試料の摩擦係数を表す。●は更に研磨によって作成された試料の表面を更にバニッシュ加工によって微細溝の山高さH1を調整し、表面粗さRaを小さくした試料の摩擦係数を表す。また、図６にはこの●に対応する試料表面の微細形状を表す三次元鳥瞰図を示す。△はショットピーニング加工（ショット径0.05）によって表面粗さRaを調整した試料の摩擦係数を表す。また、図７にはこの△に対応する試料表面の微細形状を表す三次元鳥瞰図を示す。▽はショットピーニング加工（ショット径0.03）によって表面粗さRaを調整した試料の摩擦係数を表す。▲はショット径0.05のショットピーニング加工後、研磨（フィルムラップ加工）を施して表面粗さRaを調整した試料の摩擦係数を表す。また、図８にはこの▲に対応する試料表面の微細形状を表す三次元鳥瞰図を示す。

表面粗さRaとは、山高さの中心線で谷を折り返し、その中心線よりも上側に位置する領域の単位長さ当たりの面積を長さで除した値と規定される。よって、表面粗さRaとピッチSm及び山高さH1の間には、一般に、
Ra＝ｋ・f（Sm）・g（H1）
の関係が成立する。尚、関数f，gは微細溝の形状によって決定される平均値を表す関数であり、ｋは定数である。基本的にはSmが大きくなればf（Sm）は大きくなり、H1が大きくなればg(H1)も大きくなる。

〔研磨のみと研磨＋ローラバニッシュ加工との対比〕
従来技術では、図４のハッチング部分に示すように、テーパ面の表面粗さRaは0.28以上となっており、得られる摩擦係数も0.113未満となっていた。これに対し、研磨のみの○に示すように、表面粗さRaを0.25以下とすることで摩擦係数の向上を図ることができることが分かる。

次に、研磨のみの○に対しローラバニッシュ加工によって山高さH1を小さくし、Raを小さく（具体的にはRa≦0.25）した●では、更に摩擦係数の向上を達成しているのが分かる。また、ローラバニッシュ加工によって山高さH1を調整する際、Raを小さくするだけでなく、テーパ面の凸部表面を適度に平滑化することとなる。これにより、トルク伝達膜を確保する面積が増大し摩擦係数の向上を図ることができる。ただし、Raが0.05未満のときは微細溝による潤滑油の排出効果が低下するため、Ra≧0.05が望ましい。尚、この表面粗さRaに対応する山高さH1としては、0.5μｍ〜2.5μｍの範囲に対応するため、この範囲で形成することが望ましい。

〔ショットピーニング加工とショットピーニング＋フィルムラップ加工との対比〕
ショットピーニング加工を施す際、ショット径を0.05から0.03に小さくすることで表面粗さRaはあまり変化しないが、ショット径が小さい方が摩擦係数の向上を図ることができる。また、ショット径0.05のものにフィルムラップ加工を施すと、ショット径を小さくするよりも高い摩擦係数が得られる。これは、潤滑油を適宜排出しつつトルク伝達膜をより確保することが可能になるためと考えられる。ショットピーニング加工と研磨によって微細溝を形成したものとを比較すると、図８に示すように、テーパ面表面には図６で示す微細溝構造が現れていることが分かる。尚、同程度の表面粗さRaで比較した場合ショットピーニング加工よりも優れた摩擦係数が得られることが分かる。

（ピッチSmについて）
図５はピッチSmと摩擦係数の関係を表す図である。ショットピーニング加工のみの場合、平均のピッチSmは40μmを超えるものとなり、やはり十分な摩擦係数は確保されていない。これに対し、フィルムラップ加工を施すことによってピッチSmを30μm程度に調整すると、摩擦係数が増大しているのが分かる。すなわち、表面粗さRaを適宜設定しつつ、ピッチSmを30μm程度に調整することで、摩擦係数の向上を図ることができる。

また、研磨によって微細溝の形成後、ローラバニッシュ加工を施すか否かは、基本的にピッチに影響を与えるものではなく、山高さH1に影響を与える加工であるため、ピッチSmとしてはほぼ同様の値（30μm以下）として表されている。研磨による微細溝の形成に対しては、表面粗さRa及びピッチSmの両方を管理することが可能となっていることが分かる。

（実施例の微細溝に対する作用及び効果）
以下、上記実施例及び試験結果に基づく作用効果を列記する。

(1)プーリのテーパ面に同心円または螺旋状に微細溝５０を形成し、微細溝５０の開口側端部幅W3と、微細溝５０の開口側端部から隣接する微細溝の開口側端部までの頂部間W2との和（溝ピッチSm）が、板状エレメント側面の凸部幅W1以下とした。よって、板状エレメント側面の凸部に少なくとも１つ以上の微細溝が確実に存在することとなり、潤滑油の排出性を確保しつつ、トルク伝達膜と板状エレメントとの接触面積を確保することができる。

(2)微細溝５０が設けられたテーパ面の表面粗さをRa＝0.05μｍ〜0.25μｍの範囲で形成した。この範囲においては、図４に示すように、良好な摩擦係数を安定して確保することができる。

(3)微細溝５０の山高さH1を0.5μｍ〜2.5μｍの範囲で形成した。適正な表面粗さRaに対応する山高さH1を規定することで、微細溝間の凸部頂上面積を確保することが可能となり、トルク伝達膜の接触面積を増大させることができる。

(4)微細溝５０の溝ピッチSmを、30μｍ以下に形成した。この範囲においては、図５に示すように、同様の表面粗さであっても、更に良好な摩擦係数を確保することができる。

(5)微細溝５０を、テーパ面上であって、プーリ比≧１の領域に形成した。これにより、高い摩擦係数が要求される箇所のみ加工するため、プーリ加工時間を短縮することができる。

（微細溝の製造方法について）
〔製造方法１〕
上述した所望のパラメータ値を得るための製造方法１について説明する。尚、表面硬化処理に至る製造工程については従来技術と同様であるため説明を省略する。

（第１行程）
入力側プーリのテーパ面に表面硬化処理を行う。表面硬化処理としては浸炭焼き入れ焼き戻し等を適用すればよく、特に限定しない。

（第２工程）
第１行程により表面硬化処理されたテーパ面に対し、ハードターニング加工により同心円または螺旋状の微細溝を形成する。具体的には、プーリを旋盤に固定し、チップ歯先Ｒを0.1mmとした工具を用いて、送り量を0.01〜0.03mmとする。これにより、送り量と同等の溝間ピッチ（30μm以下）となる微細溝を形成する。

（第３工程）
第２工程により生じた山谷形状の山部を除去する。このとき、微細溝の山高さを0.5μｍ〜2.5μｍの範囲となるようにローラバニッシュ加工を施し、テーパ面の表面粗さがRa＝0.05μｍ〜0.25μｍの範囲となるように調整する。ローラバニッシュ加工としては、球状、又は円筒状の工具により山部を塑性変形させることで山部を除去する。尚、山谷形状の山部を除去する加工として、図９に示す総形砥石６０による仕上げ加工、もしくは図１０，１１に示すフィルム状砥石７０を半径方向に往復運動させながらの仕上げ加工（フィルムラップ加工）を施してもよい。

（実施例の製造方法に対する作用効果）
次に、製造法に対する作用効果について説明する。

(1) 第１行程における表面硬化処理後、第２工程のハードターニング加工によって微細溝を形成し、その後、山谷形状の山部を除去する第３工程を施すため、第２工程により微細溝の溝ピッチを所望の値とし、第３工程により山高さを所望の値とすることが可能となる。よって、それぞれの値を独立してコントロールすることが可能となり、ばらつきの少ない形状を容易に達成することができる。

また、従来工程において、摩擦係数の向上を図ることが可能なプーリのテーパ面の微細構造を、一度の研削工程で所定の形状を得ようとする場合、砥粒の細かい研削砥石を使用する必要があり、研削深さが多い場合は砥石の目詰まりが発生しやすく、研磨焼け、割れによる表面欠陥の発生や、砥石又はプーリの自励振動による研削面のうねりの発生による精度低下が懸念される。これに対し、本願発明では、第２工程においてハードターニング加工による粗研削が終了しているため、研削深さが相対的に少ないことから、上記課題の発生を抑制することができる。

(2) 第３工程は、球状、又は円筒状の工具により山部を塑性変形させるローラバニッシュ加工としたため、加工硬化により表面硬さが増加すると共に、圧縮残留応力がテーパ面に付与されるため、プーリのテーパ面に要求されるピーリング摩耗や凝着、アブレシブ摩耗に対する強度が大幅に向上する。

〔製造方法２〕
製造方法１では、第２工程のハードターニング加工によって微細溝を形成し、第３工程においてバニッシュ加工を施した。これに対し、ハードターニング加工に換えて、ショットピーニング加工によって表面粗さをある程度調整し、バニッシュ加工に替えて総形砥石６０や、フィルム状砥石による仕上げ加工（フィルムラップ加工）を施しても良い。上述の微細溝のパラメータにおいて詳述したように、表面粗さRa，溝間ピッチSm，山高さH1を調整する場合、例えば溝間ピッチSmの平均値や山高さH1の平均値が同様の値を示す加工を施した場合にも、微細溝ほどの周期的な規則性は期待できないものの、比較的良好な摩擦係数が得られる。よって、ショットピーニング加工にフィルムラップ加工を施すことで、図８の三次元鳥瞰図に示す表面形状を達成することができる。

実施例１のベルト式無段変速機の概略図である。実施例１のベルトの部分拡大斜視図である。実施例１の板状エレメントの側面と各プーリの接触面近傍を表す拡大断面図である。実施例１の摺動実験による表面粗さRaと摩擦係数μの関係を表す図である。実施例１の摺動実験によるピッチSmと摩擦係数の関係を表す図である。実施例１の試料表面の微細形状を表す三次元鳥瞰図である。実施例１の試料表面の微細形状を表す三次元鳥瞰図である。実施例１の試料表面の微細形状を表す三次元鳥瞰図である。実施例１の総形砥石を用いた仕上げ加工を表す概略図である。実施例１のフィルムラップ加工を表す概略図である。実施例１のフィルムラップ加工を表す概略図である。

符号の説明

Input 入力軸
Output 出力軸
１プライマリプーリ
２セカンダリプーリ
３ベルト
１１，２１固定側プーリ
１２，２２可動側プーリ
３０板状エレメント
４０無端バンド
６０総形砥石
７０フィルム状砥石

Claims

入力側プーリと出力側プーリとの間に掛け渡され、無端バンドにより板状エレメントが板厚方向に多数重ねて束ねられたベルトを有し、
前記板状エレメントは前記入力側プーリのテーパ面と当接する側面に板厚方向に延びる複数の凹部及び凸部を有し、
更に、前記入力側プーリのテーパ面に同心円又は螺旋状に微細溝が形成され、前記微細溝の開口側端部幅と、微細溝の開口部に隣接する山部の頂部の幅との和が、前記板状エレメントの凸部幅以下となる関係を有するベルト式無段変速機のプーリ製造方法であって、
前記テーパ面に表面硬化処理を行う第１工程と、
前記第１工程により表面硬化処理されたテーパ面に対し、ハードターニング加工により前記微細溝を形成する第２工程と、
前記第２工程により生じた山谷形状の山部を除去する第３工程と、
からなるプーリ製造方法。
請求項１に記載のプーリ製造方法において、
前記第２工程は、ハードターニング加工により前記微細溝の溝ピッチを、30μｍ以下に形成することを特徴とするプーリ製造方法。
請求項１または２に記載のプーリ製造方法において、
前記第３工程は、前記微細溝が設けられたテーパ面の表面粗さがRa＝0.05μｍ〜0.25μｍの範囲となるように除去することを特徴とするプーリ製造方法。
請求項１ないし３に記載のプーリ製造方法において、
前記第３工程は、前記微細溝の山高さを0.5μｍ〜2.5μｍの範囲となるように除去することを特徴とするプーリ製造方法。
請求項１ないし４に記載のプーリ製造方法において、
前記第３工程は、球状、又は円筒状の工具により前記山部を塑性変形させることで前記山部を除去することを特徴とするプーリ製造方法。
入力側プーリと出力側プーリとの間に掛け渡され、無端バンドにより板状エレメントが板厚方向に多数重ねて束ねられたベルトを有し、
前記板状エレメントは前記入力側プーリのテーパ面と当接する側面に板厚方向に延びる複数の凹部及び凸部を有し、
更に、前記入力側プーリのテーパ面に同心円又は螺旋状に微細溝が形成され、前記微細溝の開口側端部幅と、微細溝の開口部に隣接する山部の頂部の幅との和が、前記板状エレメントの凸部幅以下となる関係を有するベルト式無段変速機のプーリ製造方法であって、
前記テーパ面に表面硬化処理を行う第１工程と、
前記第１工程により表面硬化処理されたテーパ面に対し、ショットピーニング加工を施す第２工程と、
前記第２工程により生じた山谷形状に同心円状または螺旋状に仕上げ加工を施し、略一定の溝間ピッチを形成する第３工程と、
からなるプーリ製造方法。