JP6109191B2 - ベルト−プーリ式無段変速機 - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項の前文に記載の無段変速機に関する。

かかる「ベルト−プーリ式」変速機は、従来技術たとえばＥＰ０７７７０６９Ｂ１から当業者に一般に知られており、自動車における機械的力をエンジンから負荷、すなわち駆動輪に、連続的な速度またはトルク比で伝達するために用いられている。既知の変速機のよく知られている自動車用途では、ベルト−プーリ式変速機は典型的には駆動ベルトを有し、駆動ベルトの、変速機のプーリと接触する側面は、ベルト角２２度で互いに配向されている。各変速機プーリは、２つのプーリディスクを有し、プーリディスクはそれぞれ駆動ベルトに対する円錐状の摺動面を定め、プーリディスクと摺動面との間には、ベルト角に対応するＶ角度を有するＶ字状の周状の溝が定められる。各プーリの２つのプーリディスクは、アクチベータ手段たとえば、液圧作動式のピストン−シリンダアセンブリによって、これらのディスクの間に駆動ベルトをクランプするように、互いに向かって可動である。

伝達動作の間、駆動ベルトの側面は、プーリの摺動面と摩擦接触し、その結果、正接状に配向された力がその間に加わり、一方のプーリの回転は、駆動ベルトによって他方のプーリに伝達される。摩擦接触の過熱を防ぐため、液体の冷却材または潤滑油が変速機内を循環される。

変速機による効率的な動力の伝達のため、プーリと駆動ベルトとの間の摩擦は、好ましくは最高に設定される。さらに、変速機の最適な耐久性のため、プーリおよび駆動ベルトの摩耗は好ましくは最低である。高摩擦と低摩耗というこれらの好ましい条件は、現実には、相反するものである。実際、特別な技術的手段によらなければ、摩擦の増大のために通常用いることができる技術は、典型的には、反作用として摩耗も増大させる。たとえば、摩擦を増大させる添加物を含む潤滑油は、典型的にはより大きい摩耗も生じさせ、すなわち、摩擦を増大させる添加物を含まない同様の潤滑油に対して摩耗率を増大させる。別の例では、摩擦接触に含まれる表面粗さの増大は、このような接触における摩擦（係数）を増大させるだけでなく、摩耗率をも増大させることが当業者に知られている。

長年、ベルト−プーリ式無段変速機の分野では、摩耗率を有害に増大させることなく、すなわち、変速機の通常の耐久性を維持しつつ、駆動ベルトとプーリとの間の摩擦を増大させることが一般的な願望であり研究目的であった。多くの特許文献が、これに関して、特に、プーリディスクに関連して定められる設計制約に関して適用可能である。たとえば、特開２００５−２７３８６６号公報には、実質的に同心の、微細溝を有するプーリディスクの摺動面を作製し、これらの溝の間の摺動面の表面領域を平坦化することが教示されている。また、ＥＰ０９９７６７０Ａ２およびＤＥ１０２００４０５１３６０Ａ１には、１つまたは複数の（標準）表面粗さのパラメタ（たとえば周知の算術平均粗さＲａ）の特定の値によって特徴づけられる不規則な表面構造を用いることが教示されている。

ＥＰ０７７７０６９Ｂ１ 特開２００５−２７３８６６号公報 ＥＰ０９９７６７０Ａ２ ＤＥ１０２００４０５１３６０Ａ１

利用可能な従来技術に関連して、多くの様々な、時には相矛盾する、技術的な教示が、プーリディスクの好ましいまたは最適な設計に関連して示されているという問題がある。さらに、場合によっては、既知の教示を適用する際に満足できる結果が得られないこともある。

本発明は、これらの教示を組み合わせて調整するという願望とは異なるものである。本発明は、特に、プーリディスクの摺動面に関して、すなわち、摩擦および耐摩耗性に関して簡単かつ有効性の高い表面の仕様を提供することを目的とする。本発明による、ベルト−プーリ式無段変速機におけるプーリディスクの摺動面のためのこのような仕様は、独立請求項に記載されている。

本発明は、プーリディスクの摺動面と駆動ベルトの側面との間の正接的な配向の力の伝達に関連した、多くの予備的実験およびパラメタ最適化実験に基づいている。これらの実験からの最初の観察および洞察は、感知可能な摺動面の仕様を提供するため、すなわち、この仕様の有効性および／又は単なる適用可能性のために、考慮される摩擦接触を十分狭く定めるべきであるということである。本発明によれば、以下の５つの設計制約がこれに関して適用される：
１．摩擦接触は変速機内を循環する潤滑油によって潤滑される。
２．摩擦接触に関係する２つの構成部品、すなわち、駆動ベルトおよびプーリは、少なくとも、その側面および摺動面において、またはその近傍において鋼から形成されている。
３．いずれの構成部品も、５５乃至６５ＨＲＣ（「ロックウェルＣスケール」）の範囲の硬さ値を有する硬い表面層を有する。
４．駆動ベルトの側面は、プーリディスクと接触するための突出部分、および、その下方の、（過剰な）潤滑油を溜めるための部分を含む意味で構造化される。
５．プーリディスクの摺動面には、（ＩＳＯ）標準面粗さパラメタたとえばＲａ、Ｒｑ、Ｒｐ、Ｒｚなどで適切に特徴づけ可能な、微細で不規則な面構造が設けられている。

上記５つの制約の中で、変速機の所望の耐久性において上述の摩擦接触における高い摩擦を実現するために、以下の表面粗さ仕様を摺動面に用いることが見いだされた：
・０．０１μｍ＜Ｒａ＜１．０μｍ
・Ｒｓｋ＜０μｍ
但し、Ｒａ、Ｒｓｋは（ＩＳＯ）標準のやり方で定義される。

この設計仕様では、Ｒａまたは「算術平均」粗さ値に関する範囲は、駆動ベルトの側面とプーリディスクの摺動面との間の摩擦接触における良好な摩擦を提供し、一方で、同時に、最小の摩耗率を示すように定められる。さらに、負のＲｓｋまたは「スキューネス」粗さ値によれば、粗さ構造（roughness profile）の上方部分が下方部分よりも広くなり、これにより、摺動面は下方部分の形態の、潤滑油を溜めるためのくぼみを有する一方で、同時に、上方部分の形態の、摺動面の表面領域の大部分を、摩擦接触のためにすなわち負荷を受けるために利用可能なものなる。したがって、このような表面粗さの外形は、摩擦接触に関与する表面の、接触部分すなわち上方部分の間に潤滑油が溜まること、すなわち、さもなければ生じうるその間の摩擦の損失を好ましく回避する。

本発明によれば、プーリディスクの摺動面の表面硬さのパラメタは、プーリと駆動ベルトとの間の摩擦に関する、同じ又は少なくとも同程度の性能を提供するために、より柔らかい表面がより固い表面よりもより高い表面粗さ値を必要とするように、そのＲａ表面粗さ値のパラメタに関連づけ可能である。より詳細には、以下の好ましい関係がこれらのパラメタに関して経験的に決定された。
５５．５−３・ｌｏｇ（Ｒａ）＜ＳＨ＜６１．５−３・ｌｏｇ（Ｒａ）
但し、ＳＨは表面粗さ（ＨＲＣ）。

さらに、本発明によれば、好ましくは、プーリディスクの摺動面はさらに、表面粗さの仕様を満足する：
Ｒｋｕ＞３μｍ、好ましくは＞５μｍ
但し、Ｒｋｕは（ＩＳＯ）標準のやり方で定められる。

この設計仕様によれば、Ｒｋｕまたは「クルトシス」粗さ値は、プーリディスクの摺動面の粗さ構造は、比較的小さいすなわち拡大スケールにおいても比較的鋭敏な伝達を示す。これは、粗さ構造の山と谷がそれ自体不規則に形成されること、すなわち、より小さいスケールの、より多い山と谷によって定められることを意味する。（３超のＲｋｕ値により定められる）このようなより小さいスケールの表面粗さ構造が、微細なブランキングの好ましい製造処理によって、より大きいスケールで比較的滑らかに形成される駆動ベルトの側面の表面粗さ構造の同様のより小さいスケールに整合することから、このようなより小さいスケールの表面粗さ構造によって、好ましく低い摩耗率がもたらされると仮定される。各粗さ構造の、これらの整合した小さいすなわち精細なスケールによって、側面は、しっかりと接触可能であり、その間の摩擦力は、その各粗さ構造の多くの個々の山にわたって有利に分散される。

最後に、プーリディスクの摺動面がさらに、以下の表面粗さ仕様を満たす場合に、駆動ベルトの初期またはすりあわせ摩耗は、好ましく最少化され、これにより、全体として変速機の耐久性が改善されることが見いだされた：
・Ｒｐ＜２μｍ
但し、Ｒｐは平均構造高さまたはこのような表面構造の中心ラインに対して、表面粗さ構造の最も高くに位置する点または山として定められる。

プーリディスクの摺動面、すなわち、その粗さ構造は、理論的に考え得るいかなる粗さ構造をも満たすように自由に形成可能ではない。むしろ、実際には、かかる目的、かかる切削、研磨、ターニング、ショットピーニングなどのために利用可能な、製造処理によって制限がある。それでも、これらの既知の製造処理に使用可能な処理設定および／またはツールの適合化によって、多くの異なる粗さ構造を基本的に得ることができる。したがって、これは、専門家の文献に基づいてまたは単純な試行錯誤によって、所望の粗さ構造を形成するために、適切な製造処理およびその処理設定を見いだすという問題である。

本発明について、以下、添付図面に記載の実施例によってさらに説明する。

２つのプーリと、駆動ベルトとを有する、本発明に関する無段変速機を概略的に示す。 駆動ベルトの断面の透視図を示す。 駆動ベルトの波形の側面の概略図を示す。 表面粗さ構造のＲａ、Ｒｓｋ、ＲｋｕおよびＲｐを計算するために用いられるパラメタを示すための理論的な表面粗さ構造を示す。

図１は、ベルト−プーリ式無段変速機（ＣＶＴ）の中心部を概略的に示す。この変速機は、２つのプーリ１、２と、駆動ベルト３とを備え、駆動ベルト３は一方のプーリ１、２からの回転運動ωｉｎ、ωｏｕｔおよび付随するトルクＴｉｎ、Ｔｏｕｔを、他方のプーリ２、１に、可変トルク比Ｔｏｕｔ／Ｔｉｎおよび速度比ωｉｎ／ωｏｕｔで伝達する。このために、プーリ１、２は２つのプーリディスク４、５を有し、プーリディスク４、５はそれぞれ駆動ベルト３の側面３５を支える、概して円錐状の摺動面８を備える。各プーリ１、２の一方のプーリディスク４は各プーリシャフト６、７上に配置され、これに沿って軸方向に可動に、変速機に含まれている。

変速機は、さらにアクチベーションシステム（図示せず）を備え、アクチベーションシステムは、各プーリ１、２の少なくとも一方のディスク４に、各プーリ１、２の他方のプーリディスク５に向かう軸方向に配向されたクランプ力Ｆａｘ１、Ｆａｘ２を加え、これにより、駆動ベルト３はプーリディスク４、５の対の間にクランプされ、その力は、摩擦によってこれらの間で、プーリディスク４、５に対して正接方向に伝達される。さらに、このクランプ力Ｆａｘ１、Ｆａｘ２の結果として、駆動ベルト３は周方向に引っ張られ、クランプ力比Ｆａｘ１／Ｆａｘ２に依存して、湾曲の局所径、すなわち、プーリ１、２のプーリディスク４、５の間の駆動ベルト３の摺動径Ｒ１、Ｒ２が設定される。

本発明の文脈において、駆動ベルト３はいわゆるプッシュベルトであり、これは、無端引張手段３０と、複数の独立な横部材３２とを有し、横部材３２は、主として引張手段３０に対して横方向に配向されており、かつ、少なくとも伝達動作の間、引張手段３０によって支持されガイドされる。さらに、本発明の文脈において、駆動ベルト３の横部材３２およびプーリ１、２のディスク４、５は鋼から形成されており、５５ＨＲＣ超のＨＲＣ硬さを示す硬い表面層が設けられている。さらに、変速機は、動作中、潤滑油の（強制）循環によって、能動的に冷却され、潤滑される。

図２は駆動ベルト３の一部のより詳細な透視図を示す。図示の駆動ベルト３は、無端引張手段３０に取り付けられた横部材３２の列を有しており、無端引張手段３０は複数の入れ子状無端バンド３１の２つの束を含んでなる。駆動ベルト３の側面３５は、横部材３２の、主として軸方向に向いた側面３５を備えている。複数の側面３５は、半径方向外側方向において互いに異なっており、その結果、典型的には２２度のベルト角がその間に定められる。プーリ１、２のプーリディスク４、５の摺動面８の間に定められるＶ角度は、基本的にこのベルト角度に一致する。

変速機において、横部材３２は、駆動ベルト３の側面３５を介してプーリ１、２によって横部材３２に課される力を吸収し、（プーリ１、２がたとえば内燃機関によって回転駆動されるとき）プーリディスク４、５の摺動面８と駆動ベルト３との間の摩擦によって、横部材３２は回転駆動されるプーリ１、２から他方のプーリ２、１へと押し出される一方で、他方のプーリは駆動ベルト３によって回転される。

側面３５に関して、微細なスケールの不規則な表面構造を有する平坦面を用いることが知られているが、本発明の文脈において、側面３５は、肉眼的レベル（すなわち裸眼で見えるスケール）で、プーリディスク４、５と接触するための上方の突出部分と、下方の比較的くぼんだ部分とが表面構造化されている。図３の、このように表面構造化された側面３５の図示の例では、表面構造は、複数の交互に設けられた山３６と谷３７とによって定められる規則的な波形の表面で構成されている。山３６および谷３７は、横部材３２の厚さ方向に平行に、すなわち、駆動ベルト３の周方向または長手方向に基本的に平行に配向された長軸をそれぞれ有する。プーリディスク４、５の摺動面との摩擦接触において、垂直力および摩擦力は基本的に山３６によって保持され、谷３７は潤滑油を溜めることができる。なお、当業者には通例であるが、全体高さ寸法が４〜８ｍｍで典型的に設けられている側面３５は、２０超７５以下の個別の谷を含んでいる。すなわち、このような既知の表面構造は、非常に精細であるが、それでも裸眼で見えるスケールで設けられている。

上述のよく知られた変速機は乗用車において長年成功裏に用いられている。このような車両の（燃料）効率を向上することは当該産業において非常に重要と現在みなされるため、既知の変速機の効率もまた大きな研究開発のテーマとなっている。この点、このような変速機の効率は摩擦の増加、すなわち、駆動ベルトとプーリとの間の摩擦係数の増大により向上可能であることが知られている。しかし、典型的な結論として、特に駆動ベルトの摩耗率もまた増大し、変速機の耐久性は低下することとなる。それでも、本発明によれば、変速機のプーリ１、２のプーリディスク４、５の摺動面８の最適化された表面粗さ仕様に関して、全体として変速機の耐久性を妥協することなく、摩擦の向上は未だ可能である。

すべてのこのような最適化仕様は変速機の設計に強く依存しており、したがって、ある特定の変速機の型にのみ適用可能であることが、本発明のベースにある最初の洞察である。ここで考察している変速機の型に関連して、以下の表面粗さ仕様が比較的低い摩耗で比較的高い摩擦をもたらすことがわかった：
・０．０１μｍ＜Ｒａ＜１．０μｍ
・Ｒｓｋ＜０μｍ
但し、ＲａおよびＲｓｋは（ＩＳＯ）標準にしたがって定められる。

上式（１）、（２）および（３）において、ならびに、理論すなわち、シヌソイドの表面粗さ構造に従って図４に示されるように、パラメタＬは、測定方向またはｘ方向（すなわち横軸）における（測定）長さを表し、ｙ軸（すなわち縦軸）上のｙ座標は、高さ外形、すなわち、長さＬに沿った表面粗さ構造または微細構造を表す。式（１）は、表面粗さ構造を、個別の小区分に分割し、各区分の高さ（ｙ座標）の合計を用いることにより、通常の方法で近似可能である。

同様の近似はもちろん式（２）および（３）についてもなし得る。

さらに、本発明によれば、プーリディスクの摺動面がさらに以下の表面粗さ仕様を満たすことが好ましい：
：Ｒｋｕ＞３μｍ
但し、Ｒｋｕは（ＩＳＯ）標準に従って定められる。

本発明は、上述の記載の全体および添付図面の詳細に関連するだけで無く、添付特許請求の範囲に記載の全ての特徴にも関連する。

Claims (4)

1. 駆動ベルト（３）と、前記駆動ベルト（３）に対して摩擦接触する摺動面（８）を有する２つのプーリディスク（４、５）がそれぞれ設けられた２つのプーリ（１、２）と、を備えた無段変速機であって、
   前記駆動ベルト（３）は、無端引張手段（３０）と、複数の横部材（３２）と、を備えており、
   前記横部材（３２）は、当該無端引張手段（３０）の周囲に可動に設けられており、かつ、前記横部材（３２）の両側には、前記プーリディスク（４、５）との摩擦接触のための側面（３５）が設けられており、
   前記プーリ（１、２）の摺動面（８）は鋼によって形成されており、かつ、表面硬さが５５ＨＲＣ乃至６５ＨＲＣの間であり、
   前記横部材（３２）の側面（３５）もまた鋼によって形成されており、かつ、表面硬さが５５ＨＲＣ乃至６５ＨＲＣの間であり、さらに、交互に設けられた複数の山（３６）および谷（３７）からなる断面形状を有しており、
   伝達動作の間、前記摩擦接触は循環潤滑油により冷却され、
   前記プーリ（１、２）の摺動面（８）の表面構造は不規則であり、ＩＳＯ標準Ｒａ（平均粗さ）値が、０．０１乃至１．０μｍの範囲であり、ＩＳＯ標準Ｒｓｋ（スキューネス）値が０未満であり、
   前記プーリ（１、２）の摺動面（８）の表面構造は、さらに、ＩＳＯ標準Ｒｋｕ（クルトシス）値が３μｍ超である、
   ことを特徴とする無段変速機。
2. 前記プーリ（１、２）の摺動面（８）の表面構造は、さらに、ＩＳＯ標準Ｒｋｕ（クルトシス）値が５μｍ超である、請求項１記載の無段変速機。
3. 前記プーリ（１、２）の摺動面（８）の表面構造は、さらに、ＩＳＯ標準Ｒｐ（平均ラインからの最大山高さ）値が２μｍ未満である、請求項１又は２記載の無段変速機。
4. 前記プーリ（１、２）の摺動面（８）の表面硬さおよびＩＳＯ標準Ｒａ（平均粗さ）値は以下の関係式：
   ５５．５−３・ｌｏｇ（Ｒａ）＜ＳＨ＜６１．５−３・ｌｏｇ（Ｒａ）
   但し、ＳＨは表面粗さ（ＨＲＣ）、
   を満たす、請求項１又は２記載の無段変速機。

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