JPH11141638A

JPH11141638A - トロイダル形無段変速機

Info

Publication number: JPH11141638A
Application number: JP9302046A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Takemura; 浩道武村; Nobuaki Mitamura; 宣晶三田村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1997-11-04
Filing date: 1997-11-04
Publication date: 1999-05-25
Anticipated expiration: 2017-11-04
Also published as: US6066068A; JP3702618B2

Abstract

(57)【要約】【目的】疲労割れを防止し、高寿命で信頼性の高い構
成部材をもつ長寿命のトロイダル形無段変速機を提供す
る。【構成】パワーローラ軸受、入出力ディスクの組成が
Ｃ；０．１５〜０．５％、Ｓｉ；０．１５〜１．５％、
Ｍｏ；０．１〜１．５％、酸素９ｐｐｍ以下を含む素材
を浸炭窒化、焼入れ、焼戻し処理、研磨仕上げ後の表面
硬さがビッカース硬さＨｖ７２０以上を満足し、かつ、
表面からの深さ位置Ｄｘでの硬さがＨｖ６５０以上を満
たすような浸炭窒化熱処理を施し、ここでＤｘは、合成
応力分布における臨界相当応力発生位置とし、動的最大
せん断応力発生位置をＺｏとした場合に、Ｄｘ＝３．０
Ｚｏ〜５．０Ｚｏを満たす関係にあり、かつ、０．５〜
１．０Ｄｘ位置での残留応力値が−１３０乃至−６０ｋ
ｇｆ／ｍｍ² の範囲を満たすような物理的な表面硬化処
理を施した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トロイダル形無段
変速機に係り、特に、自動車などの車両に用いられるト
ロイダル形無段変速機の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、車両の変速機としてはギアタ
イプが主流であり、ギアを成形するためのギア用鋼とし
てはＪＩＳ規格Ｇ４０５１〜４２０２にて定められた機
械構造用炭素鋼や合金鋼のうち、ＳＣｒ４２０やＳＣＭ
４２０などの低合金鋼が用いられている。このような機
械構造用鋼を素材としてギア形状に成形したのち、浸炭
あるいは窒化などの表面硬化処理を施して使われてき
た。しかしながら、従来のギア式有段変速機（オートマ
チック方式）は、段階継続的な変速機構であるため、動
力伝達にロスが生じたり変速ショックが発生したりする
という欠点を抱えていた。

【０００３】一方、無段変速機とは、変速時における断
続的なショックがなく、動力伝達性にギア式有段変速式
より優れており、耐燃料消費効率が良いという観点か
ら、近年実車化が種々検討され、一部の乗用車にはベル
ト式無段変速機などが実用化されている。

【０００４】この無段変速機の一種として、入力・出力
ディスクとパワーローラ軸受を兼ね備えたトロイダル形
無段変速機があり、これは、ベルト式無段変速機と比較
して、高いトルクを伝達することが可能であり、中型・
大型車向けの無段変速機として有効と考えられている。
従って、高いトルクを伝達し、かつ高温状態において
も、破損しないような耐久性の高い材料の開発が進めら
れている。

【０００５】このトロイダル形無段変速機用の高耐久性
材料として従来は、特開平７−２０８５６８号公報に開
示されているように、トロイダル形無段変速機構成要素
であるパワーローラ軸受の転動体が、中炭素鋼または高
炭素鋼からなると共に、浸炭窒化処理、焼入れおよび焼
戻し処理が施されてなるものや、特開平９−７９３３６
号公報に開示されているように、トロイダル形無段変速
機における転動体の素材としてＣｒを含有する機械構造
用鋼を用い、浸炭窒化処理により、転動体におけるＮ量
が重量比で０．２％以上、０．６％以下、面接触により
転動体内部に発生する最大せん断応力の発生深さをＺｓ
ｔとした時に、深さｄ≦０．２Ｚｓｔの位置においてＣ
＋Ｎ量が０．９〜１．３％、残留オーステナイト量が体
積％で２０％〜４５％、硬さがＨＶ５００以上であり、
且つ深さが０．５Ｚｓｔ≦ｄ≦１．４Ｚｓｔの位置にお
いてＣおよびＮ量が重量比で０．６％≦Ｃ＋Ｎ≦１．２
％、硬さがＨｖ７００以上であることなどがあげられ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のトロイダル形無
段変速機は、駆動した際に、入力・出力ディスクとパワ
ーローラ軸受との間（すなわち、パワーローラのトラク
ション面）に、高い接触圧力が生じ、当該パワーローラ
軸受には、高いスラスト荷重がかかり、転がり軸受と同
様な転がり接触荷重が作用することになる。そして、こ
れらの接触圧力やスラスト荷重による負荷は、通常の転
がり軸受においては生じないような高負荷となる。特
に、パワーローラのトラクション面やパワーローラの軸
受面に、剥離・破損が生じやすいという欠点がある。こ
のため、パワーローラ軸受面の転がり寿命を向上するこ
とができないという問題がある。例えば、トロイダルＣ
ＶＴでは、最大トルクで最大減速時にトラクション動力
伝達部の接触面圧はＰｍａｘ＝３．９ＧＰａ（接触楕円
長軸半径ａ＝５ｍｍ、接触楕円短軸半径ｂ＝１．３ｍｍ
の場合、最大動的せん断応力発生位置；Ｚｏ＝０．４８
ｂ、最大静的せん断応力発生位置；Ｚｓｔ＝０．７２
ｂ）となる。

【０００７】また、更に通常の転がり軸受と比較してト
ロイダル形無段変速機に特有かつ重要な問題として、軸
受と異なりバックアップ剛性が低いため、パワーロー
ラ、入力ディスク及び出力ディスクに繰り返し曲げ応力
が加わり、高い引張応力が発生するため（最大負荷・最
大減速時にＦＥＭ計算及び歪みゲージによる測定結果か
らトラクション面に約９０ｋｇｆ／ｍｍ² の引張応力が
発生する）これらの部分を起点として割れが生じやすい
という問題がある。このため、耐疲労割れ特性を向上す
ることができないという問題もある。（図３，４参
照）。これらの一連の研究として、曲げ応力下における
転がり寿命（日本トライボロジー会議予稿集、盛岡１９
９２−１０、Ｐ７９３〜７９６）が報告されており、転
がり接触応力に曲げ応力が複合すると寿命が著しく低下
することが述べられている。

【０００８】従って図３及び図４に示すように、このト
ロイダル形無段変速機のパワーローラ軸受には大きな繰
返しせん断応力と大きな繰返し曲げ応力とが複合的に重
なりあって作用するため、汎用の転がり軸受とは異なっ
た厳しい応力負荷状態となる。例えば、図５に示すよう
に、最大応力発生位置は従来のピーク値Ｐ１からＰ２へ
と深くなり、汎用の転がり軸受の耐はくり性に有効とさ
れている浸炭処理を単純に施すだけでは軸受の寿命延長
を図る上では不十分である。

【０００９】さらに、トロイダル形無段変速機におい
て、汎用の転がり軸受とは異なり、入力・出力ディスク
とパワーローラのトランクション面において大きなトラ
ンクション力を伝達する際に、発熱し、その接触点での
温度は２００℃を越えるものと予想され、通常の軸受材
料ではその使用に耐えることができない。そのため、高
温時においても硬度を維持する合金元素Ｍｏや、発生し
やすくなる組織変化を遅延させる合金元素Ｓｉの量を規
定したものである。

【００１０】また、上述の特開平９−７９３３６号公報
では、浸炭窒化処理により、転動体におけるＮ量が重量
比で０．２〜０．６％、面接触により転動体内部に発生
する静的最大せん断応力の発生深さをＺｓｔとした時
に、深さｄ≦０．２Ｚｓｔの位置においてＣ＋Ｎ量が
０．９〜１．３％、残留オーステナイト量が体積％で２
０％〜４５％、硬さがＨＶ５００以上であり、且つ深さ
が０．５Ｚｓｔ≦ｄ≦１．４Ｚｓｔの位置においてＣお
よびＮ量が重量比で０．６％≦Ｃ＋Ｎ≦１．２％、硬さ
がＨｖ７００以上としている。これは、図６の比較例１
および２として示すように、耐接触応力のみに関しては
有効に作用すると考えられるが、表面近傍の硬さがＨｖ
５００以上と低いため、曲げ応力がさらに加重されるデ
ィスクに関しては十分な硬さ分布の規定とは言えない。
また、Ｈｖ７００の硬さ規定位置の０．５Ｚｓｔ〜１．
４Ｚｓｔに関しても、転がり接触応力の作用のみを考慮
しているため、曲げ応力が複合した場合では、適当な硬
さ規定とは言い難い。さらに、表面Ｎ量を０．２〜０．
６％とした場合は、耐摩耗性は向上するが、表面Ｎ量が
高くなりすぎて加工性が著しく低下するという短所もあ
る。

【００１１】特開平７−２０８５６８号公報に関して
は、トロイダル形無段変速機の構成要素であるパワーロ
ーラ軸受の転動体が、中炭素鋼または高炭素鋼からなる
と共に、浸炭窒化処理焼入れおよび焼戻し処理が施され
てなるものもあるが、今発明は、最近の厳しい高トルク
条件下においても十分耐久性のある材料を、更に改良し
たものである。

【００１２】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、パワーローラ（内輪）、外輪、入力ディ
スクおよび出力ディスクに転がり疲労剥離・破損・摩擦
摩耗が発生するなどトロイダル形無段変速機における特
有の問題を解決すると共に、疲労割れを防止し、高寿命
で信頼性の高い入力・出力ディスクとパワーローラ軸受
を備えた長寿命のトロイダル形無段変速機を提供するこ
とを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係るトロイダル
形無段変速機は、入力軸に設けられた入力ディスクと、
出力軸に設けられた出力ディスクと、内輪、外輪および
複数の転動体を含み、かつ、前記入力ディスクおよび出
力ディスクに前記内輪が係合して前記入力軸の動力を前
記出力軸に伝達するパワーローラ軸受とを含んで構成し
たトロイダル形無段変速機において、前記パワーローラ
軸受の内輪、外輪、入力ディスク、並びに出力ディスク
の組成が重量比でＣ；０．１５〜０．５％、Ｓｉ；０．
１５〜１．５％、Ｍｏ；０．１〜１．５％、酸素９ｐｐ
ｍ以下およびその他の不可避的不純物元素を含む素材か
らなり、この素材を浸炭窒化、焼入れ、焼戻し処理、研
磨仕上げ後の表面Ｃ量が重量比で０．８〜１．２％、表
面Ｎ量が重量比で０．０５〜０．２０％の範囲を満た
し、その表面硬さがビッカース硬さＨｖ７２０以上を満
足し、かつ、焼入れ、焼戻し後の表面からの深さ位置Ｄ
ｘでの硬さがＨｖ６５０以上を満たすような浸炭窒化熱
処理を施し、ここで前記Ｄｘは、剪断応力分布と曲げ応
力分布を合わせた合成応力分布における臨界相当応力発
生位置とし、動的最大せん断応力発生位置をＺｏとした
場合に、Ｄｘ＝３．０Ｚｏ〜５．０Ｚｏを満たす関係に
あり、かつ、０．５Ｄｘ位置での残留応力値が−１３０
乃至−６０ｋｇｆ／ｍｍ² の範囲を満たすような物理的
な表面硬化処理を施したことを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明に係るトロイダル形無段変速機において
は、その構成部材であるパワーローラ軸受の内輪、外
輪、入力ディスクおよび出力ディスクの材料としてＣ、
Ｓｉ、Ｍｏ、Ｏを規定した素材を、浸炭窒化、焼入れ、
焼戻し処理、研磨仕上げ後の表面Ｃ量を０．８〜１．２
％とし、表面Ｎ量を０．０５〜０．２０％とし、Ｄｘ位
置にて、硬さがＨｖ６５０以上を満足するような浸炭窒
化熱処理を施し、０．５Ｄｘ〜Ｄｘ位置での残留応力値
が−１３０から−６０ｋｇｆ／ｍｍ² を満足するような
ショットピーニング処理などの加工により、これらの処
理が施された各部材に剥離・破損が発生することが防止
されると共に、疲労割れの発生が防止される。

【００１５】この理由を以下に述べる。１）表面Ｃ量；０．８〜１．２重量％パワーローラ（内輪）、外輪、入力ディスクおよび出力
ディスクに、浸炭窒化、焼入れ、焼戻し処理を施し、研
磨仕上げ後、表面Ｃ量を０．８〜１．２重量％と規定す
るのは、耐転がり疲れに必要な硬さと曲げ応力負荷に対
する十分な強度を得るために０．８％以上が必要であ
り、一方、１．２％を越えると巨大炭化物を生成しやす
くなり、割れ起点になりやすいからである。２）表面Ｎ量；０．０５〜０．２０重量％表面Ｎ量が０．０５重量％以上あると、焼戻し抵抗性が
向上し、微細な炭窒化物が分散析出する効果により強度
が向上するためである。一方、表面Ｎ量が０．２０重量
％を越えると、耐摩耗性が向上し、研磨加工が困難にな
りやすく、また脆性割れ強度も低下するからである。３）表面硬さ；Ｈｖ７２０以上位置Ｄｘでの硬さ；Ｈｖ６５０以上表面硬さがビッカース硬さＨｖ７２０以上を満足し、か
つ、焼入れ、焼戻し後の表面からの深さ位置Ｄｘでの硬
さがＨｖ６５０以上を満たすような浸炭窒化熱処理を施
すことが望ましい。ここで、深さ位置Ｄｘは、剪断応力
分布と曲げ応力分布とを合わせた合成応力分布における
臨界相当応力発生位置とする。なお、動的最大せん断応
力発生位置をＺｏとすると、Ｄｘ＝３．０Ｚｏ〜５．０
Ｚｏを満たす関係にある。

【００１６】図３及び図４に示すように、トロイダル形
無段変速機のパワーローラ軸受８の構成部材には大きな
繰返し剪断応力と大きな繰返し曲げ応力とが複合的に重
なりあって作用するため、一般の転がり軸受とは異なっ
た厳しい応力負荷状態となる。このため、図５に示すよ
うに、最大応力発生位置は従来のピーク値Ｐ１からＰ２
へと深くなり、単純に転がり軸受の耐はくりに有効と考
えられている浸炭処理を施すのではなく、合成応力負荷
を考慮した浸炭窒化処理による硬さ分布を規定したもの
である。

【００１７】さらに、トロイダル形無段変速機において
は、通常の転がり軸受とは異なり、入力・出力ディスク
とパワーローラのトランクション面において大きなトラ
ンクション力を伝達する際に、発熱し、その接触点での
温度は２００℃を越えるものと予想され、通常の軸受材
料ではその使用に耐えることができない。そのため、高
温時においても硬度を維持する合金元素Ｍｏや、発生し
やすくなる組織変化を遅延させる合金元素Ｓｉの量を規
定したものである。

【００１８】また、上述の特開平９−７９３３６号公報
では、浸炭窒化処理により、転動体におけるＮ量が重量
比で０．２〜０．６％、面接触により転動体内部に発生
する静的最大せん断応力の発生深さをＺｓｔとした時
に、深さｄ≦０．２Ｚｓｔの位置においてＣ＋Ｎ量が
０．９〜１．３％、残留オーステナイト量が体積％で２
０％〜４５％、硬さがＨｖ５００以上であり、かつ、深
さが０．５Ｚｓｔ≦ｄ≦１．４Ｚｓｔの位置においてＣ
およびＮ量が重量比で０．６％≦Ｃ＋Ｎ≦１．２％、硬
さがＨｖ７００以上としている。これは、図６のなかに
比較例１および比較例２としてそれぞれ示すように、耐
接触応力のみに関しては有効に作用すると考えられる
が、表面近傍の硬さがＨｖ５００以上と低いため曲げ応
力も複合するディスクに関しては十分な硬さ分布の規定
とは言えない。また、Ｈｖ７００の硬さ規定位置の０．
５Ｚｓｔ〜１．４Ｚｓｔに関しても、転がり接触応力の
作用のみを考慮しているため、曲げ応力が複合した場合
では、適当な硬さ規定とは言い難い。さらに、表面Ｎ量
を０．２〜０．６％とした場合は、表面Ｎ量が高くな
り、耐摩耗性が上がり、加工性が著しく低下する。

【００１９】そこで、本発明では、動的最大剪断応力が
作用する深さ位置Ｚｏを各構成部材の転がり寿命の計算
に用いている。次に、動的最大剪断応力が作用する位置
Ｚｏの求めかたについて説明する。

【００２０】鋼と鋼との点接触は次式（１），（２），
（３），（４）で与えられる。ａ＝（５０．５×１０^-3）μ・（Ｐ／Σρ）^1/3 …（１）ｂ＝（５０．５×１０^-3）ν・（Ｐ／Σρ）^1/3 …（２）ｂ／ａ＝｛（ｔ² −１）（２ｔ−１）｝^1/2 ＝ｋ₁ …（３）ｃｏｓτ＝｜ρ₁₁−ρ₁₂＋ρ₂₁−ρ₂₂｜／Σρ …（４）ただし、ａは接触楕円長軸半径を、ｂは接触楕円短軸半
径を、τは補助角を、μ，νはｃｏｓτに関する定数
を、Ｐは荷重を、そしてΣρ（＝ρ₁₁＋ρ₁₂＋ρ₂₁＋ρ
₂₂）は２つの弾性体の接触点で互いに直角をなす主曲率
の総和をそれぞれ表わす。

【００２１】なお、上記のμ，ν，ｋ₁ は次の関係にあ
る。 μ＝｛２Ｅ（ｋ₂ ）／πｋ₁₂｝^1/3 ν＝｛２Ｅ（ｋ₂ ）ｋ₁ ／π｝^1/3 ｋ₁ ＝ｂ／ａｋ₂ ＝（１−ｋ₁₂）^1/2 したがって、μ，νは第２種完全だ円積分により求まる
定数である。

【００２２】上式（１）からａを、上式（２）からｂを
それぞれ求め、これらを上式（３）に代入してパラメー
タｔについて解くと、動的最大剪断応力発生位置Ｚｏは
下式（５）で与えられることが「軸受潤滑便覧（日刊工
業新聞社；軸受潤滑便覧編集委員会編；昭和３６年発
行）」の第230 〜240 頁に記載されている。

【００２３】Ｚｏ＝ｂ｛（ｔ＋１）（２ｔ−１）^1/2 ｝^-1 …（５）なお、上記のＺｏは下式（６）の関係から最大接触圧力
Ｐｍａｘを用いても求めることができる。

【００２４】Ｐｍａｘ＝［１８８×｛Ｐ（Σρ）² ｝^1/3 ］／μν …（６）以上求めたＺｏ値に基づき剪断応力分布と曲げ応力分布
とを合成した臨界相当応力発生領域を本発明ではＤｘ＝
３．０〜５．０Ｚｏと定める。本発明ではこの領域がト
ロイダル形無段変速機の使用においてその構成部材であ
るパワーローラ軸受の内輪、外輪、入力ディスク及び出
力ディスクの転がり疲労剥離、破損、及び疲労割れを防
止する上で重要な領域になりうるととらえている。

【００２５】これらの剥離や破損防止の観点から、Ｄｘ
の範囲のうち少なくとも３Ｚｏ位置でＨｖ６５０以上と
なっていることが必要であり、荷重が高くなればより深
い位置でこの硬さを有することが必要となるので、５Ｚ
ｏ位置でＨｖ６５０以上とすることがさらに好ましい。
このため、Ｄｘ位置での硬さをＨｖ６５０以上と定め
た。４）０．５Ｄｘ〜Ｄｘ位置での残留応力値；−１３０〜
−６０ｋｇｆ／ｍｍ² ショットピーニング（ＳＰ）を行うと、メディア（鋼球
など）が材料表面に衝突し、ＳＰ処理が施された各部位
を構成する材料表面近傍（この部分を表層部とも記す）
が塑性変形した結果、残留圧縮応力が生成される。従っ
て、各部位に加わる転がり接触応力と高い引張応力の複
合に対して−６０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上の残留圧縮応力を
発生させるＳＰ処理を施すと耐疲労寿命が向上する。し
かしながら、−１３０ｋｇｆ／ｍｍ² を越えると、その
効果は飽和してしまい、また加工コストが上昇するため
有効ではない。ここで、本発明では、マイナス符号の残
留応力を「残留圧縮応力」としているため、その絶対値
が大きくなるほど残留圧縮応力が大きくなり、その絶対
値が小さくなるほど残留圧縮応力が小さくなることを意
味する。

【００２６】本発明のトロイダル形無段変速機の構成部
材の剥離や破損防止のため、臨界相当応力発生領域Ｄｘ
において少なくとも１．５Ｚｏの位置において残留圧縮
応力が−６０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上、−１３０ｋｇｆ／ｍ
ｍ² 以下の値とする必要がある。荷重が高くなるにつれ
てより深い位置でこの残留圧縮は応力を付与しておく必
要があり、その深さは好ましくは２．０Ｚｏの位置、さ
らに好ましくは３．０Ｚｏの位置でこの値を満たすこと
が必要である。

【００２７】次に本発明のトロイダル形無段変速機用素
材の組成割合の限定の理由について述べる。５）Ｃ；０．１５〜０．５０重量％Ｃは耐破損・はくりなどによる寿命低下に有害と考えら
れる介在物に関して、量産材として介在物の少ない安定
した清浄度が得るため、また耐転がり疲労に必要な硬さ
を得るために行う浸炭窒化の処理時間短縮のためには、
０．１５％が必要となる。一方、Ｃは０．５０％を越え
て含有させると、中心部での割れ強度の低下や、高温時
の寸法安定性を損なうなどの問題があるため、Ｃ＝０．
１５〜０．５０％と定めた。６）Ｓｉ；０．１５〜１．５０重量％Ｓｉは、転がり疲労下にて見られる白色組織変化の遅延
効果、及び焼入れ性を向上させる元素であるが、０．１
５％未満では焼戻し軟化抵抗性が十分ではなく、１．５
％を越えると加工性が著しく低下するため、Ｓｉ＝０．
１５〜１．５％とした。７）Ｍｏ；０．１〜１．５重量％Ｍｏは、焼戻し軟化抵抗性や微細な炭化物の分散効果に
より軸受硬さを向上させる元素であるため、０．１％以
上必要であるが、１．５％を越えてもその効果は飽和
し、また逆に加工性が劣化する可能性もあることから、
Ｍｏ＝０．１〜１．５％とした。８）酸素；９ｐｐｍ以下酸素は鋼中において酸化物系の介在物を生成し、曲げ応
力疲労時における起点（フィッシュアイ）となったり、
また転がり寿命を低下させる非金属介在物となりうる元
素であるので、その上限を９ｐｐｍとした。

【００２８】

【発明の実施の形態】次に、添付の図面を参照しながら
本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１に
トロイダル型無段変速機の縦断面構造を示す。符合１が
出力軸に、符合２が入力軸にあたる。入力ディスク５は
入力軸２に対してブッシュ１０を介して互いに回転可能
に遊嵌し、入力軸２にはカムディスク３がスプライン２
ａにより固定され、カムディスク３と入力ディスク５と
の対向面にはローラ４を挟んでそれぞれカム面３ａ，５
ｂが形成されている。出力ディスク６は出力軸１にスプ
ライン１ａにより一体に回転するように固定されてい
る。入力軸２及び出力軸１はそれぞれ軸受１２，１３に
より外箱に回転可能に支持されている。

【００２９】入力ディスク５と出力ディスク６のそれぞ
れのトロイダル面、すなわち転がり伝動面５ａ，６ａは
共通の円弧をなしトロイダルキャビティを形成してい
る。転がり伝動面５ａ，６ａと接触して転がりながら動
力を伝達するパワーローラ９は軸受８とともにパワーロ
ーラ９の支持軸受を形成している。また、軸受８の固定
輪１４は摺動座金１５を介して、軸受８は揺動軸７ａを
介してそれぞれトラニオン７に取り付けられている。ト
ラニオン７はパワーローラ９がトロイダルキャビティ内
で転がり伝動面５ａ，６ａとの接触位置を変えて変速で
きるように傾動可能に支持されている。なお、軸受８を
潤滑するとともに、パワーローラ９と入出力ディスク
５，６のトロイダル面との接触面を潤滑するために供給
されるトラクション油などの潤滑油の供給機構について
は図示を省略している。

【００３０】次に、表１に本発明にかかる実施例及び比
較例の化学成分および表面Ｃ、Ｎ％、ショットピーニン
グ処理（ＳＰ）の有無を示す。表１に示す実施例および
比較例は、以下に示す図２の条件の熱処理（Ｉ）（従来
例１の場合）または熱処理（II）（III ）（実施例及び
比較例の場合）を行った後、ショットピーニング加工を
行って製造した。［熱処理（Ｉ）］図２（Ｉ）に示すように、温度が８４
０〜８６０℃の吸熱型ガス雰囲気で、０．５〜１時間熱
処理（ずぶ焼き）した後、オイルクエンチ（焼入れ）を
行う。次いで、これを温度が１６０〜１８０℃の大気中
で、２時間加熱した後、冷却する。（焼戻し）。［熱処理（II）］図２（II）に示すように、温度が９３
０〜９６０℃の吸熱型ガス及びエンリッチガスの雰囲気
で、１０〜１５時間熱処理（浸炭処理）した後、放冷
し、次に吸熱型ガスの雰囲気で８４０〜８６０℃まで
０．５〜１時間加熱（ずぶ焼き）してからオイルクエン
チ（焼入れ）を行う。次いで、これを温度が１６０〜１
８０℃の大気中で２時間加熱した後、冷却する（焼戻
し）。［熱処理（III ）］図２（III ）に示すように、温度が
９３０〜９６０℃の吸熱型ガス及びエンリッチガスとア
ンモニアガスの雰囲気で、５〜１０時間熱処理（浸炭窒
化処理）した後、放冷し、次に吸熱型ガスの雰囲気中で
８４０〜８６０℃まで０．５〜１時間加熱（ずぶ焼き）
してからオイルクエンチ（焼入れ）を行う。次いで、こ
れを温度が１６０〜１８０℃の大気中で、２時間加熱し
た後、冷却する。（焼戻し）。

【００３１】次に、このようにして得られたパワーロー
ラの０．５Ｄｘ位置での最大残留応力（ｋｇｆ／ｍｍ
² ）を測定する。ここでは、部材の転動表面から深さ方
向に残留応力のプロファイルをとり、その０．５Ｄｘ位
置での最大値を測定値として、その結果を表１に示す。
なお、本発明でいう残留応力（ｋｇｆ／ｍｍ² ）は、マ
イナス（−）が圧縮を示し、プラス（＋）が引張りを示
している。

【００３２】次に、表１に示す各組成の材料を用いて熱
処理後に完成されたパワーローラ、外輪、入力ディスク
および出力ディスクを用いてトロイダル形無段変速機を
組み立て、各構成部材に０．５Ｄｘ〜Ｄｘの範囲の一例
として３Ｚｏ位置での残留圧縮応力値を表１に示す。ま
た、Ｄｘの一例として５Ｚｏでの各構成部品の硬さにつ
き調べた結果を表２に示す。なお、転動体（玉）２０に
はＳＵＪ２をずぶ焼入れ、焼戻しした後、研磨仕上げし
たものを用いた。

【００３３】次に、このようにして得られた各実施例お
よび比較例の軸受を下記の条件下でそれぞれ試験した。［試験条件］入力軸の回転数；４０００ｒ．ｐ．ｍ．入力トルク；３７０Ｎ・ｍ使用オイル；合成潤滑油オイル温度；１００℃ なお、上記の試験条件から最大面圧が３．９ＧＰａで、
ＺｏおよびＤｘはそれぞれ下記の値となる。

【００３４】Ｚｏ＝０．４８×１．３ｍｍ＝０．６２４ｍｍＤｘ＝３Ｚｏ〜５Ｚｏ＝１．８７〜３．１２ｍｍなお、寿命の評価は、それぞれの試験片（実施例、比較
例）を構成しているパワーローラ、外輪、入力ディスク
および出力ディスクのいずれかに剥離が発生するまでの
時間、あるいは、パワーローラ、外輪、入力ディスクお
よび出力ディスクのいずれかに疲労割れが発生するまで
の時間をもって決定した。また、試験中、転動体に剥離
が生じた場合には、その転動体を新品と交換して試験を
続行した。また、試験は１００時間で打ち切りとした。
この結果を前述の表２に合わせて示す（時間はｈｒで示
す）。

【００３５】表２は、Ｄｘ＝５．０Ｚｏを一例として選
択したＤｘ位置での硬さと寿命試験の関係を示してい
る。これから明らかなように、実施例１〜１０では比較
例１〜１０に比べて寿命が大幅に向上している。これよ
りパワーローラ（内輪）、外輪、入力ディスクおよび出
力ディスクが、Ｃ＝０．１５〜０．５％、Ｓｉ＝０．１
５〜１．５％、Ｍｏ＝０．１〜１．５％、Ｏ≦９ｐｐｍ
の肌焼鋼からなると共に、浸炭窒化、焼入れ、焼戻しな
どの所定の熱処理後、ショットピーニング加工が施され
ている実施例（発明品）は、寿命が向上したことが立証
された。

【００３６】とくに、実施例３〜１０では、パワーロー
ラ（内輪）、外輪、入力ディスクおよび出力ディスクの
いずれにも、１００時間以上ものあいだ剥離や破損が発
生せず、また、１００時間以上ものあいだ疲労割れも発
生せず、寿命が著しく向上していたことが確認された。
これは、実施例３〜１０においては、パワーローラ、外
輪、入力ディスクおよび出力ディスクの４つの構成部材
がともに、一例としてＤｘ位置を３Ｚｏに選びその時の
残留応力を−８０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上とし、かつ、表面
硬さをＨｖ７４０以上としたためである。なお、実施例
１と２では、８５時間と７２時間でそれぞれディスクに
僅かに剥離を生じたが、これは表面硬さとＤｘ位置での
硬さとをともに少し低めに設定したことに起因するもの
と推察される。しかし、実施例１と２の寿命は比較例１
〜５のそれに比べると十分に長いといえる。

【００３７】これに対して比較例１〜１０では、Ｃ，Ｓ
ｉ，Ｍｏ，Ｏ量が上記の組成範囲から外れているので、
実施例１〜１０のいずれに比べても短時間で疲労割れが
発生した。また、比較例６〜９では、表面のＣ量とＮ量
のいずれか一方が上記の組成範囲から外れているため、
所定の硬さが得られておらず、耐転がり疲労と耐疲労割
れの複合応力に対して不十分となり、短時間で構成部材
に割れや剥離を生じた。さらに、比較例１０では、３．
０Ｚｏ＝Ｄｘ位置の最大残留圧縮応力が−６０ｋｇｆ／
ｍｍ² 以下であったため、疲労割れ起点により短寿命と
なった。

【００３８】以上の結果から、トロイダル形無段変速機
の寿命を向上させるためには、パワーローラ（内輪）、
外輪、入力ディスクおよび出力ディスクが、重量比に対
して、Ｃ＝０．１５〜０．５％、Ｓｉ＝０．１５〜１．
５％、Ｍｏ＝０．１〜１．５％、Ｏ≦９ｐｐｍの素材か
らなり、浸炭窒化、焼入れ、焼戻し処理、研磨仕上げ後
の表面Ｃ％が重量比に対し、Ｃ＝０．８〜１．２％、表
面Ｎ＝０．０５〜０．２０％の規定値を満足し、かつ焼
入れ、焼戻し後の表面からの深さの位置Ｄｘ（ここでＤ
ｘは、剪断応力発生分布と曲げ応力分布を合わせた合成
応力分布における、臨界相当応力発生位置；Ｄｘ＝３．
０Ｚｏ〜５．０Ｚｏ、ただしＺｏは動的最大剪断応力発
生位置のこと）において、Ｄｘ＝５．０Ｚｏに選んだと
きの例が示すようにＤｘの位置でＨｖ６５０以上を満足
するような浸炭窒化熱処理を施し、３．０Ｚｏ＝Ｄｘで
の残留応力値が−１３０から−６０ｋｇｆ／ｍｍ² の例
が示すように、０．５Ｄｘ〜Ｄｘ位置での残留圧縮応力
値が−６０ｋｇｆ／ｍｍ²〜−１３０ｋｇｆ／ｍｍ² に
なるようなショットピーニング処理などの加工を施す必
要がある。また、玉はくりが多発しないように、ＳＵＪ
２に浸炭窒化処理を施したものを使用することが好まし
い。

【００３９】

【表１】

【００４０】

【表２】

【００４１】

【発明の効果】本発明のトロイダル形無段変速機によれ
ば、極めて高負荷にさらされるパワーローラ軸受の構成
要素である内輪（パワーローラ）、外輪、入力ディスク
および出力ディスクが、その重量比に対して、Ｃ＝０．
１５〜０．５％、Ｓｉ＝０．１５〜１．５％、Ｍｏ＝
０．１〜１．５％、Ｏ≦９ｐｐｍの素材からなり、浸炭
窒化、焼入れ、焼戻し処理、研磨仕上げ後の表面Ｃ％が
重量比に対し、Ｃ＝０．８〜１．２％、表面Ｎ＝０．０
５〜０．２０％の規定値を満足し、かつ焼入れ、焼戻し
後の表面からの深さの位置Ｄｘ（ここでＤｘは、せん断
応力分布と曲げ応力分布を合わせた相当応力分布におけ
る、臨界合成応力発生位置；Ｄｘ＝３．０〜５．０Ｚｏ
（Ｚｏは動的最大せん断応力発生位置のこと）におい
て、Ｄｘにおいて硬さをＨｖ６５０以上を満足するよう
な浸炭窒化熱処理を施し、０．５〜１．０Ｄｘでの残留
応力値が−１３０から−６０ｋｇｆ／ｍｍ² を満足する
ようなショットピーニング処理などの表面加工を施した
ため、これらの処理が施されたパワーローラ（内輪）、
外輪、入力ディスク及び出力ディスクに剥離や破損が発
生することを十分に防止することができる。とくに、ト
ロイダル形無段変速機において問題となっていた軸受内
径面やトラクション面等から発生する割れも十分に防止
することができる。この結果、トロイダル形無段変速機
の寿命が従来に比べて大幅に延長された。

【図面の簡単な説明】

【図１】トロイダル型無段変速機の縦断面図。

【図２】（Ｉ）はトロイダル型無段変速機の構成要素に
行うずぶ焼き処理の熱履歴図、（II）は同構成要素に行
う浸炭処理の熱履歴図、（III ）は同構成要素に行う浸
炭窒化処理の熱履歴図である。

【図３】ディスクに作用する曲げ応力および接線力を説
明するための模式図。

【図４】パワーローラに作用する曲げ応力および接線力
を説明するための模式図。

【図５】ディスクに作用する合成応力の分布図。

【図６】実施例と比較例とを比較して示す硬さ分布図。

【符号の説明】

１…出力軸、２…入力軸、３…カムディスク、４…ロー
ラ、５…入力ディスク、５ａ…転がり伝動面、６…出力
ディスク、６ａ…転がり伝動面、７…トラニオン、７ａ
…揺動軸、８…パワーローラ軸受、９…内輪（パワーロ
ーラ）、１０…ブッシュ、１４…外輪（固定輪）、１５
…摺動座金、２０…転動体、３０…シール部材。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力軸に設けられた入力ディスクと、出
力軸に設けられた出力ディスクと、内輪、外輪および複
数の転動体を含み、かつ、前記入力ディスクおよび出力
ディスクに前記内輪が係合して前記入力軸の動力を前記
出力軸に伝達するパワーローラ軸受とを含んで構成した
トロイダル形無段変速機において、前記パワーローラ軸受の内輪、外輪、入力ディスク、並
びに出力ディスクの組成が重量比でＣ；０．１５〜０．
５％、Ｓｉ；０．１５〜１．５％、Ｍｏ；０．１〜１．
５％、酸素９ｐｐｍ以下およびその他の不可避的不純物
元素を含む素材からなり、この素材を浸炭窒化、焼入
れ、焼戻し処理、研磨仕上げ後の表面Ｃ量が重量比で
０．８〜１．２％、表面Ｎ量が重量比で０．０５〜０．
２０％の範囲を満たし、その表面硬さがビッカース硬さ
Ｈｖ７２０以上を満足し、かつ、焼入れ、焼戻し後の表
面からの深さ位置Ｄｘでの硬さがＨｖ６５０以上を満た
すような浸炭窒化熱処理を施し、ここで前記Ｄｘは、剪
断応力分布と曲げ応力分布を合わせた合成応力分布にお
ける臨界相当応力発生位置とし、動的最大せん断応力発
生位置をＺｏとした場合に、Ｄｘ＝３．０Ｚｏ〜５．０
Ｚｏを満たす関係にあり、かつ、０．５Ｄｘ〜Ｄｘ位置
での残留応力値が−１３０乃至−６０ｋｇｆ／ｍｍ² の
範囲を満たすような物理的な表面硬化処理を施したこと
を特徴とするトロイダル形無段変速機。