JP3620707B2

JP3620707B2 - 無段変速機用転動体

Info

Publication number: JP3620707B2
Application number: JP2000148074A
Authority: JP
Inventors: 野伸郎木; 谷敬造尾
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2020-05-19
Also published as: JP2001330101A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トロイダル式無段変速機等の無段変速機の構成部品として使用される金属製転動体に関し、とくに金属製転動体の転動疲労強度向上に寄与する無段変速機用転動体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトロイダル式無段変速機としては、例えば、図１に示すようなものがある。このトロイダル式無段変速機１は、図外のハウジング内に、入力ディスク２と出力ディスク３が同軸上に対向設置されている。この入力ディスク２および出力ディスク３を有するトロイダル変速部の軸心部分には、入力軸４が貫通しており、入力軸４の一端には、ローディングカム５が配設されている。そして、このローディングカム５が、カムローラを介して入力ディスク２に入力軸４の動力（回転力）を伝達する構造となっている。
【０００３】
入力ディスク２および出力ディスク３は、略同一形状を有して対称に配置され、それらの対向面が協働して軸方向断面でみて略半円形となるようにトロイダル面に形成されている。そして、入力ディスク２および出力ディスク３のトロイダル面で形成されるトロイダルキャビティ内に、入力ディスク２および出力ディスク３に接して一対の運動伝達用のパワーローラ６および７が配設されている。
【０００４】
この場合、パワーローラ６および７は、枢軸８および９を介してトラニオン１１および１２に回転自在に枢着され、且つ入力ディスク２および出力ディスク３のトロイダル面の中心となるピボット軸を中心として、傾転自在に支持されている。そして、入力ディスク２および出力ディスク３、パワーローラ６および７との接触面には、粘性摩擦抵抗の大きい潤滑油（トラクション油）が供給され、入力ディスク２に入力される動力を潤滑油膜およびパワーローラ６，７を介して出力ディスク３に伝達する構造となっている。
【０００５】
なお、入力ディスク２および出力ディスク３は、ニードルを介して、入力軸４とは、独立した状態（入力軸４の動力に直接影響されない状態）となっている。そして、出力ディスク３には、入力軸４と平行に配設され、且つアンギュラ軸受を介してハウジングに回転自在に支持された出力軸１３が配設されている。
【０００６】
このトロイダル式無段変速機１は、入力軸４の動力が、ローディングカム５に伝達される。この動力の伝達により、ローディングカム５が回転すると、この動力がカムローラを介して入力ディスク２に伝達され、入力ディスク２が回転する。この入力ディスク２の回転により発生した動力は、パワーローラ６および７を介して、出力ディスク３に伝達される。そして、出力ディスク３は、出力軸１３と一体となって回転する。
【０００７】
変速時には、２つのトラニオン１１，１２をピボット軸方向に微小距離移動させる。即ち、このトラニオン１１，１２の軸方向移動で、パワーローラ６および７の回転軸と、入力ディスク２および出力ディスク３の軸との交差が外れる。このため、パワーローラ６および７が、入力ディスク２および出力ディスク３の曲面上を傾転し、その結果、速度比が変わり減速または増速が行われる。
【０００８】
このような無段変速機に使用される転動体としては、例えば、特開平７−７１５５５号公報、特開平１０−１０３４４０号公報等に開示された従来例が存在する。また、転動体として、浸炭用鋼に研削仕上げ加工した従来例（特開平７−７１５５５号公報、特開平１０−１０３４４０号公報等）がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記トロイダル式無段変速機（図１）はディスクおよびパワーローラがトラクション油の油膜を介して、トラクションドライブをすることにより動力を伝達しており、これを駆動した場合に、ディスクとパワーローラとの間には高い押し付け荷重が加わるため、トラクション面やパワーローラベアリング溝部は、例えば、最大接触面圧が最大３ＧＰａ以上にまで達する高面圧下で転動することになる。
【００１０】
これまで、転動体として、浸炭または浸炭窒化焼入れを施し、研削仕上げ加工を行ったものとして、その有効硬化層深さを規定したもの（特開平７−７１５５５号公報）や、転動部表層の全炭素濃度を規定したもの（特開平１０−１０３４４０号公報等）があるが、変速機の小型化、あるいは大容量化のためには、更なる耐高面圧化、転動疲労強度の向上が必要である。
【００１１】
【発明の目的】
本発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたものであって、トロイダル式無段変速機等の無段変速機用転動体の転動疲労強度をより一層向上することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る無段変速機用転動体は、請求項１に記載しているように、潤滑油を介して接触する複数個の金属製転動体を用いて構成した無段変速機において、転動体の転動部表層の金属組織がマルテンサイト組織を主体とした組織であり且つマルテンサイト組織のマルテンサイト中の固溶炭素濃度が０．７５ｗｔ％以上０．８ｗｔ％以下であり、マルテンサイト結晶粒の平均結晶粒径が０．５μｍ以下であるものとしたことを特徴としている。
【００１４】
また、本発明に係る無段変速機用転動体においては、請求項２に記載しているように、転動体の転動部表層の全炭素濃度が０．８ｗｔ％以上であり、かつ、擬球状炭化物が分散析出しているものとすることができる。
【００１５】
そしてまた、本発明に係る無段変速機用転動体においては、請求項３に記載しているように、擬球状炭化物の析出量が２面積％以上であるものとすることができる。
【００１６】
また、本発明に係る無段変速機用転動体においては、請求項４に記載しているように、擬球状炭化物の平均炭化物粒径が０．３μｍ以下であるものとすることができる。
【００１７】
さらにまた、本発明に係る無段変速機用転動体においては、請求項５に記載しているように、転動体の転動部表層の金属組織中に残留オーステナイトが存在し、残留オーステナイト量が３０面積％以上であるものとすることができる。
【００１８】
さらにまた、本発明に係る無段変速機用転動体においては、請求項６に記載しているように、金属製転動体がトロイダル式無段変速機のパワーローラであるものとすることができる。
【００１９】
【発明の作用】
本発明に係る無段変速機用転動体の構成およびそれらの限定理由について説明する。
【００２０】
先に説明したように、本発明において、転動体の転動部表層の金属組織がマルテンサイト組織を主体とした組織であり、マルテンサイト結晶粒の平均結晶粒径が０．５μｍ以下と規定したものである。
【００２１】
内部起点型の転動疲労剥離の場合、転動部直下の基地組織であるマルテンサイト組織が転動による発熱とせん断応力の繰り返しにより分解され、強度や靭性が低下し、そこから亀裂が発生しそして伝播していく。このとき、マルテンサイト結晶粒が小さいと、マルテンサイト結晶粒の分断・分解抵抗が増し、疲労を受ける基地組織が強靭化することにより、転動疲労強度が向上する。
【００２２】
また、前記マルテンサイト組織のマルテンサイト中の固溶炭素濃度は０．７５ｗｔ％以上０．８ｗｔ％以下である。
【００２３】
マルテンサイト中の固溶炭素濃度が０．６ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下の範囲ではマルテンサイトはラスマルテンサイトとレンズ状マルテンサイトの混合組織となり、０．６ｗｔ％未満ではラスマルテンサイトのみ、１．０ｗｔ％超過ではレンズ状マルテンサイトのみとなる（参考文献：Ａ．Ｒ．ＭａｒｄｅｒａｎｄＧ．Ｋｒａｕｓｓ，ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＡＳＭ，Ｖｏｌ．６０，（１９６７），ｐ．６５１）。
【００２４】
このうち、ラスマルテンサイトは固溶炭素濃度が上昇するにつれ、その結晶粒が小さくなっていき、その面積率も減少する傾向にある。一方レンズ状マルテンサイトは固溶炭素濃度が高い場合に形成し、その結晶粒はラスマルテンサイトに比べて大きく、その面積率は固溶炭素濃度が上昇するにつれ増加する傾向にある（参考文献：Ｔ．Ｍａｋｉ，Ｋ．ＴｓｕｚａｋｉａｎｄＩ．Ｔａｍｕｒａ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪａｐａｎｓｏｃｉｅｔｙｆｏｒＩｒｏｎ＆
Ｓｔｅｅｌ，Ｖｏｌ．６５，Ｎｏ．５，（１９６９），ｐ．５１５（ｉｎＪａｐａｎｅｓｅ））。また、レンズ状マルテンサイトはラスマルテンサイトに比べて、硬いが脆い性質を持ち、ラスマルテンサイトは硬さはやや低いがねばい性質を持つ。以上をまとめて、図２に示す。
【００２５】
図２に示すように、マルテンサイト中の固溶炭素濃度は０．７５ｗｔ％以上０．８ｗｔ％以下であると、ラスマルテンサイトとレンズ状マルテンサイトが最適な比率で混合した組織となり、強靭な組織を形成する。また、マルテンサイト結晶粒の平均結晶粒径もこの範囲で最小となり、結晶粒の観点からも高い靭性が得られる。したがって、この範囲を外れると、平均結晶粒径が大きくなってしまい、靭性が損なわれる。
【００２６】
また、前記転動体の転動部表層の全炭素濃度が０．８ｗｔ％以上であり、かつ、擬球状炭化物が分散析出しているものとすることが好ましい。前述したように、転動体は高温下で転動するため、高温軟化抵抗性が必要である。この高温軟化抵抗性は全炭素濃度の増加と共に向上する。そして、０．８ｗｔ％を下回ると、十分な高温軟化抵抗性が確保しにくくなるので、０．８ｗｔ％以上とするのが良い。また、熱に対して安定な擬球状の炭化物を微細分散させることにより、高温軟化抵抗性向上および常温における硬さを向上することができる。
【００２７】
さらにまた、前記擬球状炭化物の析出量は２面積％以上あることが好ましく、２％面積以上であると、前述の効果が更に高くなる。
【００２８】
また、前記擬球状炭化物の平均炭化物粒径が０．３μｍ以下であることが好ましく、０．３μｍを上回ると、その中に巨大な炭化物が含まれる可能性が高く、その巨大炭化物が応力集中源として作用し、剥離に至る確率が高くなるので好ましくない。
【００２９】
そしてまた、前記転動体の転動部表層の金属組織中には残留オーステナイトが存在し、残留オーステナイト量が３０面積％以上であることが好ましい。この残留オーステナイトは、表面の異物噬み込み等により形成された圧痕周辺への応力集中を緩和する効果、亀裂先端においてクッションの役目を果たし、亀裂伝播抵抗を高める効果がある。そして、残留オーステナイト量が３０面積％以上あると、これらの効果が更に高くなる。
【００３０】
次に、本発明で特定されているマルテンサイト結晶粒の平均結晶粒径、マルテンサイト中の固溶炭素濃度、炭化物の析出量（面積率）および平均粒径の測定方法について、以下に説明する。
【００３１】
（マルテンサイト結晶粒の平均結晶粒径）
マルテンサイト結晶粒の平均結晶粒径は、表層組織のＴＥＭ観察を行い、ＴＥＭ写真を以下の手法で画像解析することにより求める（図３）。
【００３２】
ＴＥＭ写真は、倍率２００００倍で撮影し、１試料につき、場所を変えて６視野撮影する。
【００３３】
次に、ＴＥＭ写真上に透明なシートを載せ、マルテンサイト粒に沿って線を描き、そのシートを用いて画像処理を行う。各結晶粒について、その等価円直径を算出し、６枚の写真から統計処理により、マルテンサイト結晶粒の平均等価円直径を求める。このようにして求めた平均等価円直径をマルテンサイト結晶粒の平均結晶粒径と定義する。
【００３４】
（マルテンサイト中の固溶炭素濃度）
マルテンサイト中の固溶炭素濃度（Ｃ_Ｍ）は下記式を用いて求める。
【００３５】
【数式１】

【００３６】
式（１）の中で、全炭素濃度（Ｃ_{ｔｏｔａｌ}）は蛍光発光分析により測定した値を用いる。また、炭化物中およびマルテンサイト中の炭素濃度（Ｃｃ，Ｃ_Ｍ）はＴＥＭ−ＥＤＸを用いて測定した値を用いる。さらに、炭化物の面積率（ｆｃ）は以下の方法で求めた値を用いる。
【００３７】
（炭化物の面積率および平均粒径）
炭化物の面積率および平均粒径は表層組織のＳＥＭ観察を行い、ＳＥＭ写真を以下の手法で画像解析することにより求める。
【００３８】
ＳＥＭ写真は、倍率１００００倍で撮影し、１試料につき、場所を変えて５視野以上撮影する。写真は炭化物が白色、基地が黒色となるようにコントラストを強調する。次いで、それらの写真を用いて、画像処理を行い、統計処理により、炭化物の平均等価円直径および面積率を算出する。このようにして求めた値を炭化物の平均粒径および面積率と定義する。
【００３９】
【発明の効果】
本発明による無段変速機用転動体では、請求項１に記載しているように、潤滑油を介して接触する複数個の金属製転動体を用いて構成した無段変速機において、転動体の転動部表層の金属組織がマルテンサイト組織を主体とした組織であり且つマルテンサイト組織のマルテンサイト中の固溶炭素濃度が０．７５ｗｔ％以上０．８ｗｔ％以下であり、マルテンサイト結晶粒の平均結晶粒径が０．５μｍ以下であるものとしたから、トロイダル式無段変速機等の無段変速機用転動体の転動疲労強度をより一層向上することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。また、ラスマルテンサイトとレンズ状マルテンサイトとが最適な比率で混合した組織となり、強靭な組織を形成して無段変速機用転動体の転動疲労強度をより一層向上したものにできるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００４１】
また、請求項２に記載のように、転動体の転動部表層の全炭素濃度が０．８ｗｔ％以上であり、かつ、擬球状炭化物が分散析出しているものとすることによって、転動体が高温下で摺動する場合であっても十分な高温軟化抵抗を有するものとなすことができるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００４２】
さらにまた、請求項３に記載しているように、擬球状炭化物の析出量が２面積％以上であるものとすることによって、熱に対して安定な擬球状の炭化物を微細分散させることが可能となって高温軟化抵抗性および常温における硬さをより一層向上することができるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００４３】
さらにまた、請求項４に記載しているように、擬球状炭化物の平均炭化物粒径が０．３μｍ以下であるものとすることによって、巨大な炭化物が含まれる可能性が小さくなり、その巨大な炭化物が応力集中源として作用することによる剥離の発生を防止することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００４４】
さらにまた、請求項５に記載しているように、転動体の転動部表層の金属組織中に残留オーステナイトが存在し、残留オーステナイト量が３０面積％以上であるものとすることによって、この残留オーステナイトが亀裂先端においてクッションの役目を果たし、亀裂伝播抵抗を高めることにより亀裂の進展を防止することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００４５】
さらにまた、請求項６に記載しているように、金属製転動体がトロイダル式無段変速機のパワーローラであるものとすることによって、トロイダル式無段変速機用転動体であるパワーローラの転動疲労寿命をより一層向上したものにすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００４６】
【実施例】
以下に、本発明の転動体に関し、いくつかの実施例を挙げて、その有用性を比較例と対比して示すが、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことはいうまでもない。
【００４７】
なお、本発明に係る各測定値は前述の方法で測定した値を用いた。
【００４８】
まず、本実施例に係る試験片の転動疲労強度評価方法について説明する。
【００４９】
本発明品の転動疲労強度の評価は、図４に示すスラスト型転動疲労試験機２１を用いて行った。試験は油温１００℃のトラクション油浴２２中で、最大接触面圧５．２ＧＰａ、回転数２０００ｒｐｍで試験片２３に対し鋼球２４を介し加圧しながら行った。また、転動疲労寿命は、振動センサーにて検知し、試験片が剥離するまでの総繰り返し数を寿命とした。
【００５０】
次に、本実施例に係る試験片の製造方法について説明する。
【００５１】
以下に示す実施例および比較例のいずれの試験片も、表１に示す組成の素材を粗加工後、図５および表２に示す熱処理条件にて浸炭窒化焼入れ焼もどしを行った。熱処理後の試験片は取り代０．２〜０．５ｍｍの範囲で研削加工後、超仕上げを施し、表面粗さがＲａ０．０３となるようにした。
【００５２】
なお、本実施例では浸炭窒化焼入れについて記載しているが、浸炭焼入れ焼もどし、軸受鋼等の焼入れ焼もどしでも構わない。
【００５３】
【表１】

【００５４】
【表２】

【００５５】
このようにして作成された各試料の熱処理品質を分析した結果の一覧および転動疲労寿命評価結果の一覧を表３に示す。
【００５６】
【表３】

【００５７】
転動疲労寿命試験の結果、本実施例１〜４は、比較例１〜７に対して、大幅に転動疲労寿命が向上していることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】トロイダル式無段変速機の構造例を示す断面説明図である。
【図２】炭素含有量とマルテンサイト結晶粒の平均結晶粒径、マルテンサイト面積率およびＭｓ点（マルテンサイト変態開始温度）との関係を示すグラフである。
【図３】マルテンサイト結晶粒の平均結晶粒径を測定する要領を示す説明図である。
【図４】スラスト型転動疲労試験機の概要を示す説明図である。
【図５】本発明の実施例および比較例で用いた熱処理パターンＡ，Ｂの説明図である。
【符号の説明】
１トロイダル式無段変速機
２入力ディスク（金属製転動体）
３出力ディスク（金属製転動体）
４入力軸
６パワーローラ（金属製転動体）
７パワーローラ（金属製転動体）
１３出力軸
２１スラスト型転動疲労試験機
２２トラクション油浴
２３試験片

Claims

潤滑油を介して接触する複数個の金属製転動体を用いて構成した無段変速機において、転動体の転動部表層の金属組織がマルテンサイト組織を主体とした組織であり且つマルテンサイト組織のマルテンサイト中の固溶炭素濃度が０．７５ｗｔ％以上０．８ｗｔ％以下であり、マルテンサイト結晶粒の平均結晶粒径が０．５μｍ以下であることを特徴とする無段変速機用転動体。
転動体の転動部表層の全炭素濃度が０．８ｗｔ％以上であり、かつ、擬球状炭化物が分散析出していることを特徴とする請求項１に記載の無段変速機用転動体。
擬球状炭化物の析出量が２面積％以上であることを特徴とする請求項２に記載の無段変速機用転動体。
擬球状炭化物の平均炭化物粒径が０．３μｍ以下であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の無段変速機用転動体。
転動体の転動部表層の金属組織中に残留オーステナイトが存在し、残留オーステナイト量が３０面積％以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の無段変速機用転動体。
金属製転動体がトロイダル式無段変速機のパワーローラであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の無段変速機用転動体。