JP3637983B2

JP3637983B2 - 転動疲労強度に優れたトロイダル式無段変速機用転動体

Info

Publication number: JP3637983B2
Application number: JP23572495A
Authority: JP
Inventors: 島義武松; 豊文長谷川; 部聡安; 本隆松; 野伸郎木; 山典子内; 垣俊造梅
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1995-09-13
Filing date: 1995-09-13
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2015-09-13
Also published as: JPH0979336A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車などの車両や回転動力源等において、無段変速機として使用可能なトロイダル式（転がり式）無段変速機に関し、とくに、トロイダル式無段変速機を構成する転動体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車などの車両において使用される変速機としては、歯車列における噛み合わせ状態を手動や自動で切り替える有段変速機が多く用いられているが、無段変速機を採用する試みもなされている。
【０００３】
この無段変速機は、連続的に変速するため、燃費が向上すること、変速ショックが無いこと等の特徴をもっているが、その構造によって、ベルト式とトロイダル式の２つに大別される。
【０００４】
その中で、トロイダル式（転がり式）の無段変速機は、図１に示すように、潤滑油を介して接触する金属製転動体を用いた構造を有するものであって、このトロイダル式無段変速機１は、入力軸２に接続したローディングカム３および連結軸４を介して一体で回転する入力ディスク５，５を備えていると共に、歯車６，７を介して出力軸８を回転させる出力ディスク９，９をそなえ、入力ディスク５，５と出力ディスク９，９との間にパワーローラー１０，１０，１０，１０を設け、各パワーローラー１０はボールベアリング１１を介して各々支持体１２により支持された構造を有するものである。
【０００５】
そして、このトロイダル式無段変速機１では、入力ディスク５と出力ディスク９との間で挟まれたパワーローラー１０の傾きを変化させ、入出力ディスク５，９の相対回転速度を変えて変速しつつ、入力軸２から出力軸８へと動力を伝達する仕組みになっている（特開平１−２２９１５８号公報など）。
【０００６】
そのため、このような金属製転動体よりなる入力ディスク５，出力ディスク９およびパワーローラー１０は、エンジントルクの入力によって、転動面においては面圧入力を受けることとなるので、面疲労強度（転動疲労強度）に優れていることが要求され、高い表面硬度と深い硬化層深さを有していることが必要となる（例えば、特開平７−７１５５５号等）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のトロイダル式無段変速機１の転動体（５，９，１０）においては、トルクを伝達するために入力ディスク５にローディングカム３にて荷重をかけ、転動面に高い面圧を負荷する必要があるため、転動体内部に高い剪断応力が発生し、最大剪断応力の発生深さ付近を起点とする亀裂が生成され、ピッティング剥離に至る故障が生じることがあった。また、剥離に至らない場合でも、内部の塑性変形に伴い転動面が陥没し、変速性能が損なわれることがあった。
【０００８】
更に、使用中のトロイダル式無段変速機１の潤滑油中には、種々の摺動部品から生じる夾雑物があり、このような夾雑物が転動面に噛み込むと圧痕が出来、その周囲に形成される応力集中により、表面起点の亀裂が発生し、ピッティング剥離に至ることがあった。
【０００９】
そして、パワーローラー１０の背面は、ボールベアリング１１を介して各々支持体１２により支持されているが、入力ディスク５に荷重が負荷される際に、やはり高い面圧が発生するため、夾雑物を噛み込むと表面起点の亀裂および剥離が発生することがあった。
【００１０】
したがって、このような内部起点の亀裂および剥離が生じがたく、また、表面起点の亀裂および剥離が発生しがたいものとすることが課題であった。
【００１１】
【発明の目的】
本発明は、上記の課題にかんがみてなされたものであって、Ｃｒを含有する機械構造用鋼を用いたトロイダル式無段変速機用転動体において、耐ピッティング性および転動疲労強度に優れ、内部起点の亀裂および剥離が生じがたいと共に、表面起点の亀裂および剥離も生じがたく、長寿命のものにできるように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】
上記課題を解決することのできた本発明に係わるトロイダル式無段変速機用転動体の構成は、以下の通りである。
【００１３】
すなわち、潤滑油を介して接触する複数個の金属製転動体を用いたトロイダル式無段変速機において、前記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、転動面におけるＮ量が重量％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剪断応力の発生深さをＺｓｔとしたときに深さｄ≦０．２Ｚｓｔの位置においてＣ＋Ｎ量が重量％で０．９％以上１．３％以下、残留オーステナイト量が体積％で２０％以上４５％以下、硬さがＨＶ５００以上であり、かつ、深さ０．５Ｚｓｔ≦ｄ≦１．４Ｚｓｔの位置においてＣおよびＮ量が重量％で０．６％≦Ｃ＋Ｎ≦１．２％、硬さがＨＶ７００以上であるトロイダル式無段変速機用転動体の構成としたことを特徴としている。
【００１４】
本発明に係わるトロイダル式無段変速機用転動体は、Ｃｒを含有する機械構造用鋼を素材として用いるものであるが、この場合、Ｃｒは、焼き入れ性，浸炭窒化性を向上させる作用を有すると共に、炭窒化物を形成して軟化抵抗を向上させる作用を有している。そして、この場合のＣｒ含有量は０．２〜５．０％程度とすることが好ましく、このようなＣｒを含有する機械構造用鋼としては、例えば、ＪＩＳに制定するニッケルクロム鋼（ＳＮＣ），ニッケルクロムモリブデン鋼（ＳＮＣＭ），クロム鋼（ＳＣｒ），クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ），マンガンクロム鋼（ＳＭｎＣ）等があり、その他適宜に成分調整したものが用いられる。
【００１５】
【発明の作用】
以下に、本発明によるトロイダル式無段変速機用転動体の浸炭窒化処理によるＣおよびＮ量、残留オーステナイト量、硬さを定めた理由を各々の作用と共に順次説明するが、以下の説明において、Ｚｓｔは転動面における荷重により転動体内部に発生する最大剪断応力の発生深さであり、ＣおよびＮ量は重量％、残留オーステナイト量は体積％にて表わす。
【００１６】
転動面におけるＮ量：重量％で０．２％以上０．６％以下
潤滑油中の夾雑物が転動面に噛み込むと、表面に微小な陥没が生じ、陥没周囲の応力集中部に亀裂が生成する。この亀裂生成を阻止するためには、応力集中を緩和するとともに、金属組織を強化する必要がある。応力集中の緩和には延性に優れる残留オーステナイトが必要であるが、Ｎ量が０．２％未満では、その量が不十分で、かつ、残留オーステナイトに固溶しているＮ量が不足して強度不足となるため、容易に亀裂が生成するので、０．２％以上とした。しかし、Ｎ量が０．６％を超えると、残留オーステナイトが多すぎ、硬度が低下するため、亀裂生成が容易となるので、０．６％以下とした。
【００１７】
深さｄ≦０．２Ｚｓｔの位置におけるＣ＋Ｎ量：重量％で０．９％以上１．３％以下
この部分は、潤滑油中の夾雑物が転動面に噛み込み、転動表面で生成したクラックが伝播しやすい。それを阻止するためには、転動体の金属組織が十分な靭性を有することが必要であるが、Ｃ＋Ｎ量が０．９％未満では亀裂の生成および伝播を阻止するのに十分な高い靭性を有する残留オーステナイトが得られないので、０．９％以上とした。しかし、Ｃ＋Ｎ量が１．３％を超えると結晶粒界に網状に炭（窒）化物が生成し、かえって亀裂の生成および伝播を助長するので、１．３％以下とした。
【００１８】
深さｄ≦０．２Ｚｓｔの位置における残留オーステナイト量：体積％で２０％以上４５％以下
残留オーステナイトは靭性に優れた組織であって、亀裂先端の応力を緩和し、その伝播を阻止する作用がある。しかし、この深さの部分においてその量が２０％未満では、亀裂の伝播を阻止するには不十分であるので、２０％以上とした。一方、その量が４５％を超えると、硬度が低下し大きな陥没が生じるので、４５％以下とした。
【００１９】
深さｄ≦０．２Ｚｓｔの位置における硬さ：ビッカース硬さでＨＶ５００以上
この深さの部分における硬さがＨＶ５００を下回ると繰り返し荷重による亀裂の生成および伝播が容易となるので、ＨＶ５００以上とした。
【００２０】
０．５Ｚｓｔ≦ｄ≦１．４Ｚｓｔの位置におけるＣ＋Ｎ量：重量％で０．６％≦Ｃ＋Ｎ≦１．２％
この深さの部位は、大きな剪断応力の繰り返しを受けるため、内部亀裂の起点となることが多く、また、塑性変形が生じて転動面が大きく陥没する原因ともなる。そして、この部位でＣ＋Ｎ量が０．６％未満であると、マルテンサイトの硬さが低下し、大きな陥没が生じるので、０．６％以上とした。また、Ｃ＋Ｎ量が１．２％を超えると、炭窒化物が析出することに伴い、その周囲に不完全焼き入れ組織が形成され、そこを起点とする亀裂が生成するので１．２％以下とした。
【００２１】
０．５Ｚｓｔ≦ｄ≦１．４Ｚｓｔの位置における硬さ：ビッカース硬さでＨＶ７００以上
この深さ範囲での硬さがＨＶ７００未満となると、この部位の塑性変形に起因する転動面の陥没が大きくなり、トロイダル式無段変速機用転動体としての変速性能を阻害するので、硬さはＨＶ７００以上とする必要がある。
【００２２】
【実施例】
この実施例においては、先に説明した図１に示したトロイダル式無段変速機１に適用した場合について述べる。すでに説明したように、図１に示すトロイダル式無段変速機１は、金属製転動体である入力ディスク５、出力ディスク９およびパワーローラー１０を１組とし、動力伝達能力により１組ないしは複数組（本実施例の場合は２組）から構成されている。
【００２３】
これらの金属製転動体である入力ディスク５，出力ディスク９およびパワーローラー１０において、この実施例では、表１に示す化学成分のクロムを含有する機械構造用低合金鋼、すなわち、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）を使用した。
【００２４】
そして、表１に示した鋼材を部品形状に機械加工を行った後、図２および表２に示すように、浸炭窒化（一部浸炭）条件を適宜選択して熱処理を行い、研磨加工を行って、入出力ディスク５，９およびパワーローラー１０の作製を行った。
【００２５】
次いで、ディスク５，９およびパワーローラー１０の表面および特定の深さの位置におけるビッカース硬さ、Ｃ量、Ｎ量、残留オーステナイト（γＲ）量を測定したところ、表３ないし表６に示す結果であった。なお、表３ないし表６中のＺｓｔは、Ｈｅｒｔｚ接触（面接触）により転動体内部に発生する最大剪断応力の発生深さ（ｍｍ）を示すものである。
【００２６】
次に、各実施例１〜７および比較例１〜５に基づいて作製した各入力ディスク５，出力ディスク９およびパワーローラー１０に対し、表７に示す条件下で耐久試験を実施した。この結果を同じく表４および表６に示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【表２】

【００２９】
【表３】

【００３０】
【表４】

【００３１】
【表５】

【００３２】
【表６】

【００３３】
【表７】

【００３４】
表３ないし表６に示すように、本発明実施例１〜７によれば、比較例１〜５のものと比べて剥離寿命回数が多く、転動疲労特性に優れたものとなっていると共に、剥離形態がすべて内部となっていて、表面起点の剥離がなく、かつまた転動面の陥没などの変形も生じないものとなっていることが確かめられた。
【００３５】
このように、本発明実施例において確認されたところからもわかるように、
（１）表面におけるＮ量が０．２〜０．６％で、かつ、深さｄ≦０．２Ｚｓｔの位置におけるＣ＋Ｎ量が０．９〜１．３％、残留オーステナイト量が２０〜４５％の範囲であると、Ｎの固溶により、微小陥没部の応力集中を緩和する残留オーステナイトを強化し、表面からの亀裂の生成を抑制するため、耐ピッチング性を向上する。
【００３６】
（２）深さｄ≦０．２Ｚｓｔの位置における硬さがＨＶ５００以上であると、繰り返し荷重による亀裂伝播を抑制するため、耐ピッチング性を向上する。
【００３７】
（３）深さ０．５Ｚｓｔ≦ｄ≦１．４Ｚｓｔの位置においてＣ＋Ｎ量が０．６≦Ｃ＋Ｎ≦１．２％でかつ、硬さがＨＶ７００以上であると、マルテンサイト＋炭窒化物の析出により、内部の塑性変形による転動面陥没を抑制し、最大剪断応力の発生深さＺｓｔ近傍での剪断応力の繰り返しによる亀裂の発生および伝播を抑制するため、面疲労強度を向上する。
【００３８】
など、それぞれ必要とする特性を兼ね備えていることから、転動疲労特性が改善され、耐久寿命が向上した転動体となる。
【００３９】
さらに、実施例１，３，５，６のように、浸炭拡散時に少量のＮＨ_３ガスを流すような熱処理法（表２に示したＨ／ＴＮｏ．１，３，５，６）であると、Ｎが深くまで拡散していくため、より高い面疲労強度（転動疲労強度）を得ることが出来る。
【００４０】
さらにまた、実施例３，６のように、深さｄ＝Ｚｓｔの位置におけるＣ＋Ｎ量が０．７５〜０．８５％であると、その位置でほぼ最高硬さがＨＶ７６０以上となり、より高い転動疲労強度を得ることが出来る。
【００４１】
これに対して、比較例１，３のように、深さｄ＝Ｚｓｔの位置における硬さがＨＶ７００未満であると、硬さ不足によりＺｓｔ近傍で塑性変形を起こし、転動面が陥没し、短寿命で剥離してしまう。
【００４２】
また、比較例２，４で示すように、表面の残留オーステナイト量が５０％以上と多く、硬さがＨＶ５００未満のものは、表面起点の剥離を生じ、寿命も短くなってしまう。
【００４３】
さらに、比較例５のように、最表面でのＮ量が０．２％未満で、残留オーステナイト量が２０％未満のものは、残留オーステナイト量が少ないことによる靭性不足のため、表面起点の亀裂を生じやすく、寿命も短くなってしまう。
【００４４】
以上のことから、本発明によると、転動疲労強度に優れ、かつ転動面の陥没を抑制しうる転動体となる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によるトロイダル式無段変速機用転動体は、潤滑油を介して接触する複数個の金属製転動体を用いたトロイダル式無段変速機において、前記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、転動面におけるＮ量が重量％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剪断応力の発生深さをＺｓｔとしたときに深さｄ≦０．２Ｚｓｔの位置においてＣ＋Ｎ量が重量％で０．９％以上１．３％以下、残留オーステナイト量が体積％で２０％以上４５％以下、硬さがＨＶ５００以上であり、かつ、深さ０．５Ｚｓｔ≦ｄ≦１．４Ｚｓｔの位置においてＣおよびＮ量が重量％で０．６％≦Ｃ＋Ｎ≦１．２％、硬さがＨＶ７００以上である構成としたから、トロイダル式無段変速機用転動体において、耐ピッチング性に優れたものとなり、かつまた転動面の陥没を抑制するため、転動疲労寿命がさらに向上したものとなり、転動面陥没により変速性能の悪化を改善することが可能であって、内部および表面起点の亀裂および剥離が発生しがたい長寿命のトロイダル式無段変速機用転動体を提供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。
【図面の簡単な説明】
【図１】トロイダル式（転がり式）無段変速機の構造を例示する断面説明図である。
【図２】本発明の実施例において採用した熱処理条件を示す説明図である。
【符号の説明】
１トロイダル式（転がり式）無段変速機
５入力ディスク（転動体）
９出力ディスク（転動体）
１０パワーローラー（転動体）

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たトロイダル式無段変速機において、前記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、転動面におけるＮ量が重量％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剪断応力の発生深さをＺｓｔとしたときに深さｄ≦０．２Ｚｓｔの位置においてＣ＋Ｎ量が重量％で０．９％以上１．３％以下、残留オーステナイト量が体積％で２０％以上４５％以下、硬さがＨＶ５００以上であり、かつ、深さ０．５Ｚｓｔ≦ｄ≦１．４Ｚｓｔの位置においてＣおよびＮ量が重量％で０．６％≦Ｃ＋Ｎ≦１．２％、硬さがＨＶ７００以上であることを特徴とするトロイダル式無段変速機用転動体。