JP4766064B2 - 無段変速機用ベルトのエレメントおよび無段変速機用ベルト - Google Patents

Description

この発明は、プーリの巻き掛け溝に挟み込まれてトルクを伝達するベルトおよびそのベルトを構成するエレメントに関するものである。

車両用の無段変速機に用いられるベルトとして、ブロックもしくはエレメントと称される金属片を、多数、環状に配列し、それらの金属片をリングもしくはフープと称される金属製の帯状材によって結束した構成のものが知られている。この種のベルトは、互いに接触して配列されている金属片同士の押圧力によってトルクを伝達するように構成されたものであり、駆動側のプーリにおける巻き掛け溝に挟み込まれた金属片が、そのプーリが回転することによりその巻き掛け溝から順次押し出されて先行する金属片を押圧し、こうして前進させられる金属片が従動側のプーリにおける巻き掛け溝に進入することにより、金属片の進行に伴って従動側のプーリにトルクが伝達される。

このようなベルトの一例が特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載されたベルトは、左右両側面をプーリに接触させてそのプーリに挟み込まれるエレメントに相当する横断素子をリングに相当するバンド・パッケージによって結束して構成されており、その横断素子は、プーリに挟み付けられかつバンド・パッケージが巻き掛けられる第１の部分と、その第１の部分の幅方向での中央部に上方に向けて突出した状態に形成された第２の部分と、その第２の部分の上端部に左右方向に延びて形成された第３の部分とを備えている。すなわち第１の部分は、リングを巻き掛けるサドル面を備えたいわゆる本体部に相当し、また第２の部分は、サドル面の上方に突出したいわゆる首部に相当し、さらに第３の部分は、サドル面の上方を一部覆ういわゆる抜け止め部に相当している。そして、特許文献１に記載されたベルトでは、首部の左右両側面をその中心側に窪ませた窪み部が形成されている。この窪み部は、内面が一定の曲率の凹円弧面をなすように形成されており、リングの側部が首部に干渉することを防止し、また応力ピークを予防するためのものとされている。

特開２００２−３９２８０号公報

上述した特許文献に記載されたベルトにおける窪み部は、応力ピークを予防する機能を果たすものであるから、その内面の曲率半径は、想定される応力に応じて大きい半径とすることになる。したがって確実に応力ピークを解消するためには大きい曲率半径の窪み部を形成することになるが、その窪み部は、首部の左右両側面とサドル面の一部ならびに抜け止め部の下面の一部をえぐり取って形成されているから、窪み部の曲率半径を大きくすると、首部が細くなってしまう。

そこで、首部の実質的な太さ（実質的な幅）を十分に確保した状態で窪み部の曲率半径を大きくすることが考えられるが、そのようにすると、サドル面の幅や抜け止め部の幅を確保するためにエレメントの全体の幅を大きくせざるを得なくなり、ひいてはベルト全体が大型化する可能性がある。すなわち、特許文献１に記載された構成では、ベルト全体の大型化を避けるために窪み部の曲率半径を小さくすれば、応力ピークを解消することが困難になり、大型化の回避と強度もしくは耐久性の向上とを両立させることが困難である。

また、特許文献１に記載されている第３の部分は、リングの上面（外周面）を接触させてリングが外れること、あるいはエレメントがリングから外れることを防止するための抜け止め部となっている。このようにリングが抜け止め部に強く接触する状態は、エレメントがプーリの巻き掛け溝から抜け出る際に生じることが多い。その場合、首部に相当する前記第２の部分に曲げ荷重が作用することがあるが、特許文献１に記載された発明では、そのような曲げ荷重に対する強度の向上や耐久性の向上についての対策は何ら施されていない。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、大型を回避しつつ強度あるいは耐久性を向上させることを目的しており、特に首部の根本部分の応力集中を緩和して強度あるいは耐久性を向上させることのできる無段変速機用ベルトおよびそのエレメントを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、姿勢を揃えて環状に配列された状態でサドル面に挿通させて配置したリングによって結束され、かつ前記サドル面上の前記リングの側縁部の一部を覆う抜け止め部が前記サドル面からその上方に延びた首部を介して一体に形成された無段変速機用ベルトのエレメントにおいて、前記サドル面と前記首部の側面とが交差するコーナ部に前記サドル面側に窪ませた凹部が形成され、その凹部の内面は、前記首部の側面に滑らかに繋がるとともに前記凹部の底面部分に到らない範囲に形成されかつ相対的に曲率半径が大きい第１内面と、該第１内面に滑らかに連続して前記凹部の底面部分を形成しかつ曲率半径が相対的に小さい第２内面とを備えていることを特徴とするものである。

また、請求項２の発明は、リングを挿通して配置させるサドル面と、そのサドル面から上方に延びた状態に一体に形成された首部と、その首部の先端部に前記サドル面上の前記リングの側縁部の一部を覆うように一体に形成された抜け止め部とを備えた多数のエレメントを、相互に姿勢を揃えて環状に配列した状態で前記サドル面に挿通させて配置したリングによって結束してなる無段変速機用ベルトにおいて、その凹部の内面は、前記首部の側面に滑らかに繋がるとともに前記凹部の底面部分に到らない範囲に形成されかつ相対的に曲率半径が大きい第１内面と、該第１内面に滑らかに連続して前記凹部の底面部分を形成しかつ曲率半径が相対的に小さい第２内面とを備えているエレメントであることを特徴とするものである。

この発明によるエレメントおよびそれを用いたベルトにおいては、エレメントを結束しているリングの側縁部がサドル面と抜け止め部との間に挿入されているので、エレメントがリングの外周側に相対移動することが阻止されるだけでなく、エレメントをリングの内周側に移動させる荷重が生じた場合には抜け止め部がリングに引っ掛かることによりそのような相対移動が阻止される。その場合、抜け止め部に対してこれをサドル面とは反対方向に押す荷重が生じ、それに伴って首部に曲げ荷重が作用する。それに伴う曲げ応力が最も大きくなるのは、首部の根本部分すなわちサドル面との間のコーナ部である。また、エレメントの左右両側面にはプーリとの間のトルク伝達に伴うベルト進行方向の荷重が作用し、これに対してリングが接触しているサドル面には、反対方向の荷重が作用する。その結果、エレメントに対して厚さ方向の曲げ応力が作用し、特に断面積が大きく変化するサドル面と首部との境界部分での曲げ応力が大きくなる。このような曲げ応力が作用する前記コーナ部に凹部が形成されており、その凹部の内面は、首部の側面に連続する部分の曲率半径が大きく、それに続く部分すなわちサドル面側の部分の曲率半径が相対的に小さくなっている。そのため、首部の根本部分での応力集中係数が相対的に小さくなり、首部を特に太くし、あるいは幅を広くするなどのことなく、その強度を向上させ、また耐久性を向上させることができる。

つぎに、この発明をより具体的に説明する。先ず、この発明で対象とするベルトについて説明すると、この発明で対象とするベルトは、無段変速機に使用されるものであり、プーリの外周部に形成された断面Ｖ字状の巻き掛け溝の内部に挟み込まれ、その結果、プーリとの間で生じる摩擦力でトルクを伝達するように構成されている。その一例を図４に模式的に示してあり、ベルト１は無段変速機を構成している駆動プーリ２と従動プーリ３とに巻き掛けられている。これらの各プーリ２，３は、テーパ面をそれぞれ備えた固定シーブと可動シーブとを対向させて配置することにより、これらのシーブの間に断面Ｖ字状の巻き掛け溝４が形成され、その可動シーブを油圧シリンダなどのアクチュエータ５によって固定シーブに対して前後動させることにより、巻き掛け溝４の幅を変化させるように構成されている。

このようにして使用されるこの発明で対象とするベルトは、全体として環状をなし、かつ両側面がＶ字状もしくはテーパ状をなすように、多数のエレメントをリングで環状に結束して構成されている。上記の図４に示すベルト１を構成しているエレメント６の例を図２に示してある。このエレメント６は、金属製の板片であり、同一の形状および寸法のものが、姿勢を揃えて円環状に配列される。したがって、各エレメント６が平行に並ばずにベルト１の曲率中心を中心として扇状（放射状）にいわゆる開いた状態に配列される箇所が必ず生じる。

各エレメント６を互いに接触させた状態で扇状に開いた配列を可能にするために、エレメント６にはロッキングエッジ７が形成されている。このロッキングエッジ７は、具体的には、エレメントの厚さが変化する境界線もしくは境界領域であり、エレメント６の高さ方向でのほぼ中央部に幅方向（プーリの回転中心軸線と平行な方向）に延びて形成されている。すなわち、ベルト１がプーリ２，３に巻き掛かった状態では、エレメント６の上側（ベルト１としては外周側）の周長が長くなるので、エレメント６同士の間隔が広くなり、これとは反対にエレメント６の下側（ベルト１としては内周側）の周長が短くなるので、エレメント６同士の間隔が狭くなる。そのため、エレメント６の下側の部分は、下端側で薄くなるように構成されており、このように板厚がエレメントの上側と下側とで変化する箇所がロッキングエッジ７となっている。したがって、各エレメント６は、ロッキングエッジ７を中心にして板厚方向に回転し、すなわちピッチングが生じて、上記のように扇状に開くようになっている。なお、このロッキングエッジ７は表裏両面のいずれか一方に形成されていればよい。

また、各エレメント６にはリング８を載せる（配置させる）サドル面９が形成されている。そのサドル面９には、多数のエレメント６を結束しているリング８が接触しているので、ベルト１がトルクを伝達している状態ではその接触圧が大きくなるのに対して、エレメント６が直線状に配列されている状態からプーリ２，３に巻き掛かって扇状に開く場合にはリング８とサドル面９との間に摺動が生じ、それに伴って大きい摩擦力が生じる。この摩擦力によるモーメントが大きくならないように、サドル面９は前述したロッキングエッジ７に可及的に近い位置に形成されている。より具体的にはサドル面９より図２での上側の板厚が厚く、下側が薄くなっているので、サドル面９を左右両方向に延長した位置もしくはこれより僅かに下側の位置がロッキングエッジ７となっている。したがって、サドル面９は各エレメント６の上下方向での中間部（あるいはほぼ中央部）に形成されている。

この発明で対象とするベルト１におけるリング８は、薄い金属帯を積層して構成され、前記サドル面９に配置されてエレメント６を結束するように構成されている。図２にはそのリング８を二条（二本）サドル面９上に並列に配置した例を示してあるが、この発明においてはリング８は一条（一本）であってもよく、その数は問わない。図２に示す例では、サドル面９は、並列させて配置した二条のリング８の幅以上の幅に形成されている。

この発明に係るベルトにおいても、リングは、サドル面に載っていて、各エレメントが環状の配列を維持するように各エレメントを結束し、各エレメントが半径方向で外側に離脱しないように作用するが、これだけでなく、エレメントがプーリの巻き掛け溝から送り出される際にエレメントを巻き掛け溝から引き抜く作用も行う。そのため、リングがエレメントから半径方向で外側に抜け出ないようにするために、リングをサドル面との間に挟んだ状態に保持するフック部が設けられている。

その例を説明すると、図２において、エレメント６の左右両側に、サドル面９から上方向に延びてサドル面９の上側の一部を覆うフック部１０が設けられている。このフック部１０は、図２に示すように、サドル面９から図２での上方に延び出ている首部１０ａとその首部１０ａから幅方向での中心側に向けて延びて前記サドル面９の両側部を覆う抜け止め部１０ｂとから構成されている。したがって、フック部１０は、サドル面９に並列に配置したリング８の左右の側縁部を、抜け止め部１０ｂとサドル面９との間に緩く挟み込むようになっている。

その抜け止め部１０ｂに図２での上向きの荷重が作用した場合、抜け止め部１０ｂと首部１０ａとの境界部分や首部１０ａの根本部分に曲げ応力が作用する。特に図２に示す形状のエレメント６では、首部１０ａの根本部分がトルク伝達面である左右両側面１１，１２とサドル面９との間の幅の狭い部分であり、ここに、リング８が抜け止め部１０ｂを図２の上方向に押し上げることによる曲げ応力とプーリ２（もしくは３）およびリング８による面方向での相反する方向の荷重による曲げ応力とが作用する。さらに、首部１０ａの背面や抜け止め部１０ｂの背面もトルク伝達面となっていて巻き掛け溝４の内面４Ａに接触してエレメント６の幅方向での中央部に向けた曲げ荷重を受け、その結果、首部１０ａの根本部分に大きい曲げ応力が生じる。このような曲げ応力は、サドル面９と首部１０ａの側面とのコーナ部１３に引っ張り応力あるいは圧縮応力として作用するので、その応力の集中を回避もしくは抑制して耐久性を向上させるために、図１に示す形状の凹部１４が形成されている。

図１にはサドル面８と首部１０ａの側面１５とのコーナ部１３のうち図２での左側のコーナ部１３を拡大して示してある。この凹部１４は、首部１０ａの根本部分に隣接するサドル面９側の部分をサドル面９側に窪ませて形成されており、その内面は、首部１０ａの側面１５とサドル面９とを滑らかに繋ぐ曲面となっている。そして特に、首部１０ａ側の第１内面１４ａは、相対的に大きい曲率半径Ｒ１の凹曲面であって、平坦面である首部１０ａの側面１５に滑らかに繋がっている。すなわち、第１内面１４ａの首部１０ａ側の端部における接線が首部１０ａの側面１５に一致している。また、第１曲面１４ａは凹部１４の底面部分に到らない範囲で形成されている。

第１内面１４ａに続く第２内面１４ｂは、第１内面１４ａより小さい曲率半径Ｒ２の凹曲面であって、凹部１４の底面部分を形成している。これら第１内面１４ａと第２内面１４ｂとは滑らかに繋がっており、それらの繋ぎ部分での接線が互いに一致している。第２内面１４ｂのサドル面９側の端部は、直接サドル面９に繋がっていてもよいが、鋭利なエッジ部が生じないように、凸曲面１６を介してサドル面９に繋がっている。なお、第２内面１４ｂと凸曲面１６との間に、曲率半径が更に小さい凹曲面を介在させてもよい。

なお、この発明において、前記凹部１４の首部１０ａ側の開始位置は、サドル面９を首部１０ａ側に延長して首部１０ａの側面１５に交差した位置もしくはその近傍であり、サドル面９にクラウニングが施されて凸曲面となっている場合には、その頂部を通る平面と首部１０ａの側面１５との交差位置もしくはその近傍である。そして、この発明で第１内面１４ａの曲率半径Ｒ１は、第２内面１４ｂの曲率半径Ｒ２より大きければよいので、曲率半径が連続的に変化する楕円の一部の形状と同様の曲面を含む。さらに、前記第１内面１４ａの範囲は、その曲率中心での中心角度として４５°以上の範囲である。

前述したフック部１０の先端部同士すなわち抜け止め部１０ｂ同士は離れていて、ここにサドル面９に対する開口部１７が形成されている。そのフック部１０同士の間隔、言い換えればサドル面９の開口幅は、一本のリング８の幅より広く、かつ二本のリング８の幅を合算した寸法より小さくなっている。

さらに、各エレメント６の左右両側面（すなわちフランク面）１１，１２は、プーリ２（または３）における巻き掛け溝４の内面４Ａに接触してトルクの伝達を行う面であり、巻き掛け溝４の内面４Ａと平行になっている。なお、図２で符号１８はディンプルを示し、前記ロッキングエッジ７より下側の正面もしくは背面側に形成された凸部であり、これとは反対側には、ディンプル１８が緩く嵌合する凹部としてのホール（図示せず）が形成されている。これらディンプル１８とホールとが互いに嵌合することによりエレメント６の整列状態を維持するようになっている。

したがって、図１に示す多数のエレメント６をそれぞれの姿勢を揃えて環状に配列し、その状態でサドル面９に二条のリング８を開口部１７から挿入して組み付けることにより、それらのエレメント６が環状に結束される。こうして構成されたベルト１は、図４に示すように、各プーリ２，３の巻き掛け溝４に巻き掛けられ、その状態で各エレメント６がプーリ２，３によって挟み付けられる。そして、駆動プーリ２が回転することにより、その巻き掛け溝４に挟み込まれているエレメント６にこれを前進させる推力が作用し、このようにして先行するエレメント６が後続のエレメント６に押されて前進する。また、従動プーリ３では、その巻き掛け溝４に挟み込まれているエレメント６が後続のエレメント６に押されるので、巻き掛け溝４に挟み込まれているエレメント６によって従動プーリ３が押されて回転する。

上記のようにしてベルト１を介して駆動プーリ２から従動プーリ３にトルクを伝達している状態では、プーリ２，３とエレメント６の左右両側面１１，１２との間に作用するエレメント６の厚さ方向（面方向）の荷重と、サドル面９とリング８との間に作用するエレメント６の厚さ方向（面方向）の荷重との方向が反対になっているので、エレメント６にはこれを面方向に曲げる応力が作用する。また、各エレメント６は各プーリ２，３の巻き掛け溝４に強く挟み込まれているから、首部１０ａにはこれを内側（エレメント６の幅方向での中心側）に倒す向きの荷重が作用し、それに伴って首部１０ａの根本部分に大きい曲げ応力が作用する。

また、ベルト１がプーリ２，３の接線方向に走行する位置すなわちエレメント６がプーリ２，３の巻き掛け溝４から抜け出る位置では、エレメント６がプーリ２，３の巻き掛け溝４に挟み込まれてプーリ２，３と共に回転し続けようとするのに対して、リング８がプーリ２，３の接線方向に延びているので、各エレメント６におけるフック部１０がリング８の外周面に引っ掛かり、エレメント６はリング８によって巻き掛け溝４から引き抜かれる。したがって、この状態では、フック部１０に対して図２の上方向に荷重が作用し、それに伴って前記首部１０ａの根本部分に大きい曲げ応力が作用する。

その首部１０ａの根本部分のコーナ部１３には、首部１０ａの側面１５とサドル面９とを滑らかな曲面で繋ぐ凹部１４が形成されているので、上述のようにして生じる応力の集中が緩和されている。特に、フック部１０を押し上げるように作用する荷重によって生じる曲げ応力や首部１０ａを内側に倒す方向の荷重で生じる曲げ応力は、首部１０ａの根本部分（例えば図１に符号ａで示す範囲の部分）で大きくなるのに対して、その部分における凹部１４の内面は、曲率半径Ｒ１が相対的に大きい第１内面１４ａであるから、応力集中が効果的に緩和もしくは防止される。したがってこの発明に係るエレメント６あるいはこれを使用した無段変速機用のベルト１によれば、首部１０ａの太さあるいは幅を大きくすることなくその実質的な強度を増大させることができるので、エレメント６あるいはベルト１の大型化を防止もしくは抑制しつつその耐久性を向上させることができる。

また、凹部１４の内面の全体を大きい曲率半径の曲面にせずに、首部１０ａ側の一部を大きい曲率半径の曲面とし、サドル面９側を曲率半径の小さい曲面としたので、凹部１４の全体が大きいものとならず、したがってエレメント６の幅を大きくすることなく、サドル面９の広さを確保できる。特に曲率半径が相対的に大きい第１内面１４ａを、凹部１４の底面部分に到らない範囲で形成すれば、凹部１４が特には深くならず、したがってエレメント６がプーリ２，３によって挟み付けられる挟圧力に対する強度が低下することを防止もしくは抑制することができる。

なお、この発明は図２に示す形状のエレメント６あるいはこれを使用したベルト１に限られないのであって、前述した特許文献１に記載されているように首部を幅方向での中央部に形成したエレメントおよびこれを使用したベルトにも適用することができる。図３はこの発明を適用することのできるエレメントの他の例を示しており、ここに示すエレメント２０は、プーリの巻き掛け溝に挟み込まれる基体部２１を備え、その両側面（フランク面）２２は巻き掛け溝の内面と平行な傾斜面もしくはテーパ面となっている。その基体部２１の幅方向での中央部に、図３での上側に突出した首部２３が形成され、基体部２１の上面のうちその首部２３を挟んだ両側の部分が、リングを載せるサドル面２４となっている。

そのサドル面２４と首部２３の側面２３ａとのコーナ部２５に、前述した図１に示す形状と同様の凹部１４が基体部２１と一体に形成されている。すなわち、首部２３の側面２３ａに滑らかに繋がっている、曲率半径Ｒ１が相対的に大きい凹曲面である第１内面１４ａと、その第１内面１４ａに滑らかに繋がりかつ曲率半径Ｒ２が相対的に小さい第２内面１４ｂとを備えた凹部１４が形成されている。その首部２３の上部には、図３での左右方向に突出してサドル面２４の一部を覆っている頂部２６が一体に形成されている。したがって、この頂部がこの発明における抜け止め部に相当している。そして、ディンプル２７が頂部２６のほぼ中央部に形成され、その背面側に図示しないホールが形成されている。

図３に示す形状のエレメント２０を使用したベルトであっても、そのエレメント２０がプーリの巻き掛け溝から抜け出る際にリングが頂部２６に引っ掛かってエレメント２０を巻き掛け溝から引き抜く作用が生じるので、その際に首部２３に曲げ荷重が作用し、その根本部分の曲げ応力が大きくなる。その場合であっても、凹部１４における首部２３の第１内面１４ａの曲率半径を大きくしてあることにより、曲げ応力が大きくなる部分での応力集中を緩和もしくは防止できる。その結果、図３に示す形状のエレメント２０あるいはこれを使用したベルトにこの発明を適用すれば、首部２３の太さあるいは幅を大きくすることなくその実質的な強度を増大させることができるので、エレメント２０あるいはベルトの大型化を防止もしくは抑制しつつその耐久性を向上させることができる。

なお、この発明は上述した各具体例に限定されないのであって、エレメントを結束するリングは一条（一本）あるいは三条（三本）以上のいずれであってもよい。また、そのリングは特許文献１に記載されているように薄い金属製帯状材を積層したものが好ましいが、単層のリングであってもよい。さらに、この発明における凹部を形成する凹曲面は、前述した第１内面と第２内面との二面である必要はなく、滑らかに繋いだ、曲率半径の異なる三つ以上の凹曲面で形成されたいわゆる複合Ｒ部として構成してもよい。

この発明による凹部の形状の一例を拡大して示す部分図である。 この発明に係るエレメントの一例を示す正面図である。 この発明を適用できる他の形状のエレメントを示す正面図である。 この発明で対象とするベルトを用いた無段変速機の模式図である。

符号の説明

１…ベルト、 ２…駆動プーリ、 ３…従動プーリ、 ４…巻き掛け溝、 ６，２０…エレメント、 ８…リング、 ９，２４…サドル面、 １０…フック部、 １０ａ，２３…首部、 １０ｂ…抜け止め部、 １３，２５…コーナ部、 １４…凹部、 １４ａ…第１内面、 １４ｂ…第２内面、 １５…側面、 ２１…基体部、 ２６…頂部。

Claims (2)

1. 姿勢を揃えて環状に配列された状態でサドル面に挿通させて配置したリングによって結束され、かつ前記サドル面上の前記リングの側縁部の一部を覆う抜け止め部が前記サドル面からその上方に延びた首部を介して一体に形成された無段変速機用ベルトのエレメントにおいて、
   前記サドル面と前記首部の側面とが交差するコーナ部に前記サドル面側に窪ませた凹部が形成され、
   その凹部の内面は、前記首部の側面に滑らかに繋がるとともに前記凹部の底面部分に到らない範囲に形成されかつ相対的に曲率半径が大きい第１内面と、該第１内面に滑らかに連続して前記凹部の底面部分を形成しかつ曲率半径が相対的に小さい第２内面とを備えていることを特徴とする無段変速機用ベルトのエレメント。
2. リングを挿通して配置させるサドル面と、そのサドル面から上方に延びた状態に一体に形成された首部と、その首部の先端部に前記サドル面上の前記リングの側縁部の一部を覆うように一体に形成された抜け止め部とを備えた多数のエレメントを、相互に姿勢を揃えて環状に配列した状態で前記サドル面に挿通させて配置したリングによって結束してなる無段変速機用ベルトにおいて、
   前記エレメントは、前記サドル面と前記首部の側面とが交差するコーナ部に前記サドル面側に窪ませた凹部が形成され、かつその凹部の内面は、前記首部の側面に滑らかに繋がるとともに前記凹部の底面部分に到らない範囲に形成されかつ相対的に曲率半径が大きい第１内面と、該第１内面に滑らかに連続して前記凹部の底面部分を形成しかつ曲率半径が相対的に小さい第２内面とを備えているエレメントであることを特徴とする無段変速機用ベルト。

Images