JP3687502B2 - トロイダル型無段変速機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として自動車の変速機に用いられるトロイダル型無段変速機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トロイダル型無段変速機は、同軸上に配置した入力ディスクと出力ディスクの間に揺動可能なトラニオンを備え、このトラニオンに対して回転自在に取付けたピボットシャフトに、軸受を構成する外輪を装着すると共に、同ピボットシャフトに、両ディスクに接触するパワーローラを回転自在に装着し、外輪とパワーローラの間に、外輪とともに軸受を構成する複数のボールと、各ボールの保持器を介装した構成を有している。トラニオンやパワーローラは、両ディスクを中心にして複数組が等間隔で設けてある。また、外輪や各ボール等により構成される軸受は、パワーローラの回転を許容し且つパワーローラの回転軸方向のスラスト荷重を受ける。
【０００３】
上記のトロイダル型無段変速機は、両ディスクに対してパワーローラを所定の圧力で接触させ、入力ディスクの回転をパワーローラを介して出力ディスクに伝達する。そして、トラニオンとともにパワーローラを揺動させることで両ディスクの半径方向にパワーローラの接触位置を移動させ、これにより変速比を無段階的に変化させるものである。このようなトロイダル型無段変速機は、例えば、特開平１１−１３２３０１号公報に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来のトロイダル型無段変速機にあっては、外輪とパワーローラの互いの対向面にボールが係合する転動溝を形成し、各転動溝に対して各々１点（合計２点）で接触させていたため、１点あたりの荷重が大きくなり、ボールや転動溝の疲労寿命が短くなるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、パワーローラのスラスト軸受におけるボールおよび転動溝の疲労寿命を向上させることができるトロイダル型無段変速機を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるトロイダル型無段変速機は、請求項１として、同軸上に配置した入力ディスクと出力ディスクの間で揺動可能なトラニオンと、トラニオンに回転自在に取付けたピボットシャフトと、ピボットシャフトに取付けた円環状の外輪と、ピボットシャフトに回転自在に取付けられて両ディスクに接触するパワーローラと、外輪とパワーローラの互いの対向面に形成した円環状の転動溝に係合してパワーローラの回転軸方向のスラスト荷重を受ける複数のボールを備えたトロイダル型無段変速機であって、外輪およびパワーローラの各転動溝に対して、ボールが溝幅方向における外周側接触点と内周側接触点の２点で接触していると共に、外輪の転動溝に対するボールの２つの接触点を結ぶ第１作用線と、パワーローラの転動溝に対するボールの２つの接触点を結ぶ第２作用線とがパワーローラの回転軸上で交差しており、転動溝の断面が、ボールが内接する外周側円弧と同じくボールが内接する内周側円弧を有する形状であると共に、外周側円弧の曲率が、内周側円弧の曲率よりも大きい構成とし、請求項２として、パワーローラの回転軸に平行なボール中心線に対して、パワーローラの外周側および内周側に、外周側接触点および内周側接触点を設けた構成とし、請求項３として、転動溝を形成する外周側および内周側の円弧の曲率半径が、ボールの半径の１１４〜１３０％である構成とし、請求項４として、第１作用線と第２作用線の交点とボールの中心を結ぶ線に対して、内周側接触点とボールの中心を結ぶ線の成す接触角が３０〜５５度であると共に、外周側接触点とボールの中心を結ぶ線の成す接触角が５０〜８５度である構成とし、請求項５として、パワーローラの回転軸を中心とする複数の同心円上に各々複数のボールを配置した構成としており、上記の構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【０００７】
【発明の作用】
本発明の請求項１に係わるトロイダル型無段変速機では、入力ディスクの回転をパワーローラを介して出力ディスクに伝達し、トラニオンとともにパワーローラを揺動させることで両ディスクの半径方向にパワーローラの接触位置を移動させ、変速比を無段階的に変化させる。また、トラニオンのピボットシャフトに取付けた外輪や各ボールにより構成される軸受は、パワーローラの回転を許容するとともにパワーローラの回転軸方向のスラスト荷重を受けている。このとき、当該トロイダル無段変速機では、外輪とパワーローラの互いの対向面に設けた各転動溝に対して、ボールが溝幅方向における外周側接触点と内周側接触点の２点で各々接触し、合計で４点接触となっているので、スラスト荷重が各接触点に分散され、各接触点での接触面圧や発熱量も低く抑えられる。
さらに、上記のトロイダル型無段変速機では、転動溝の断面をボールが内接する外周側円弧と同じくボールが内接する内周側円弧を有する形状としたので、外周側接触点および内周側接触点での接触面圧が適正範囲に抑えられて発生応力も低く抑えられ、また、外輪の転動溝に対するボールの２つの接触点を結ぶ第１作用線と、パワーローラの転動溝に対するボールの２つの接触点を結ぶ第２作用線とがパワーローラの回転軸上で交差しているので、第１作用線と第２作用線の交点とボールの中心を結ぶ線に対して、外周側接触点とボールの中心を結ぶ線の成す接触角よりも、内周側接触点とボールの中心を結ぶ線の成す接触角の方が小さくなり、これに対して、転動溝を形成する外周側円弧の曲率を内周側円弧の曲率よりも大きくしているので、ボールに対する外周側接触点での発生応力と内周側接触点での発生応力をほぼ均等にし得る。
【０００８】
そしてさらに、上記のトロイダル型無段変速機では、外輪の転動溝に対するボールの２つの接触点を結ぶ第１作用線と、パワーローラの転動溝に対するボールの２つの接触点を結ぶ第２作用線とをパワーローラの回転軸上で交差させているので、外輪の転動溝における外周側接触点および内周側接触点、ならびにパワーローラの転動溝における外周側接触点および内周側接触点の合計４か所の接触点でのボールの回転速度（角速度）が等しいものとなり、各接触点間でのすべりが防止される。
【００１０】
本発明の請求項２に係わるトロイダル型無段変速機では、パワーローラの回転軸に平行なボール中心線に対して、パワーローラの外周側および内周側に、外周側接触点および内周側接触点を設けているので、外周側接触点と内周側接触点との間でボールに対してラジアル方向に発生する力を相殺する。
【００１１】
本発明の請求項３に係わるトロイダル型無段変速機では、転動溝を形成する外周側および内周側の円弧の曲率半径をボールの半径の１１４〜１３０％としているので、ボールと転動溝とのクリアランスが確保されると共に、ボールと転動溝の接触面圧が適性範囲に抑えられる。なお、各円弧の曲率半径をボールの半径の１１４％よりも小さくすると、ボールと転動溝とのクリアランスが小さくなって双方の接触面積が増大し、発熱量が増大する。また、各円弧の曲率半径をボールの半径の１３０％よりも大きくすると、ボールと転動溝の接触面圧が増大し、発熱量の増大や転動面の剥離等の不具合が発生する。したがって、円弧の曲率半径をボールの半径の１１４〜１３０％とするのが良い。
【００１２】
本発明の請求項４に係わるトロイダル型無段変速機では、第１作用線と第２作用線の交点とボールの中心を結ぶ線に対して、内周側接触点とボールの中心を結ぶ線の成す接触角を３０〜５５度とし、外周側接触点とボールの中心を結ぶ線の成す接触角を５０〜８５度としているので、ボールへの入力荷重（接触点における法線方向の荷重）が低く抑えられる。なお、内周側接触点の接触角を３０度よりも小さくし、これにより外周側接触点の接触角を５０度よりも小さくすると、外周側接触点と内周側接触点が離れ過ぎた状態となり、各接触点でのボールへの入力荷重が増大する。また、内周側接触点の接触角を５５度よりも大きくし、これにより外周側接触点の接触角を８５度よりも小さくすると、外周側接触点と内周側接触点が近付き過ぎた状態となり、変形した際にボールと転動溝の接触面積が増大し、発熱量が増大する。したがって、内周側接触点の接触角を３０〜５５度とし、外周側接触点の接触角を５０〜８５度とするのが良い。
【００１４】
本発明の請求項５に係わるトロイダル型無段変速機では、パワーローラの回転軸を中心とする複数の同心円上に各々複数のボールを配置しているので、ボールの数の増加に伴って各接触点での発生応力がさらに低減され、また、各ボールを同一の大きさにすることで大きな荷重を受けることが可能になる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わるトロイダル型無段変速機によれば、入力ディスクと出力ディスクの間で揺動するトラニオンにピボットシャフトを取付けると共に、ピボットシャフトに円環状の外輪とパワーローラを取付け、外輪とパワーローラの互いの対向面に形成した円環状の転動溝に複数のボールを備えたトロイダル型無段変速機において、外輪およびパワーローラの各転動溝に対して、ボールを溝幅方向における外周側接触点と内周側接触点の２点で接触させたことから、スラスト荷重が各接触点に分散され、転動溝に対してボールが１点で接触していた従来のものに比べて、各接触点における接触面圧や発熱量を大幅に低減することができ、これによりパワーローラのスラスト軸受におけるボールおよび転動溝の疲労寿命を格段に向上させることができ、ひいては無段変速機自体の長寿命化を実現することができる。
また、転動溝の断面が、ボールが内接する外周側円弧と同じくボールが内接する内周側円弧を有する形状であることから、外周側接触点および内周側接触点での接触面圧を適正範囲に抑えて発生応力を低く抑えることができ、疲労寿命のさらなる向上を実現することができると共に、外輪の転動溝に対するボールの２つの接触点を結ぶ第１作用線と、パワーローラの転動溝に対するボールの２つの接触点を結ぶ第２作用線とがパワーローラの回転軸上で交差しており、外周側円弧の曲率が、内周側円弧の曲率よりも大きいことから、ボールに対する外周側接触点での発生応力と内周側接触点での発生応力がほぼ均等になるので、外周側接触点と内周側接触点の両接触部分を均等に長寿命化することができる。
【００１６】
さらに、上記のトロイダル型無段変速機によれば、パワーローラの転動溝における外周側接触点および内周側接触点の合計４か所の接触点でのボールの回転速度（角速度）を等しいものにして、各接触点間でのすべりを防止することができ、疲労寿命のさらなる向上を実現することができる。
【００１８】
本発明の請求項２に係わるトロイダル型無段変速機によれば、請求項１と同様の効果を得ることができるうえに、外周側接触点と内周側接触点との間でボールに対してラジアル方向に発生する力を相殺することができるので、各ボールの保持器に加わる力を低減することができる。
【００１９】
本発明の請求項３に係わるトロイダル型無段変速機によれば、請求項１および２と同様の効果を得ることができるうえに、ボールと転動溝の接触面圧が適性範囲に抑えられることとなり、転動面の剥離等の発生も防止することができると共に、発生応力や発熱量を低減させて疲労寿命のさらなる向上を実現することができる。
【００２０】
本発明の請求項４に係わるトロイダル型無段変速機によれば、請求項１〜３と同様の効果を得ることができるうえに、ボールへの入力荷重（接触点における法線方向の荷重）を低く抑えられることとなり、発生応力や発熱量を低減させて疲労寿命のさらなる向上を実現することができる。
【００２２】
本発明の請求項５に係わるトロイダル型無段変速機によれば、請求項１〜４と同様の効果を得ることができるうえに、ボールの数の増加に伴って各接触点での発生応力をさらに低減することができると共に、各ボールを同一の大きさにすることで大きな荷重を受けることが可能になり、スラスト軸受さらには無段変速機のさらなる長寿命化を実現することができると共に、伝達トルクの向上を実現することもできる。
【００２３】
【実施例】
以下、図面に基づいて、本発明に係わるトロイダル型無段変速機の一実施例を説明する。
【００２４】
図１（ａ）に示すトロイダル型無段変速機は、自動車の変速機に用いられるものであって、図示しない回転伝達機構を介してエンジン側に連結される入力軸１に入力ディスク２を備えると共に、別の回転伝達機構を介して車軸側に連結される出力軸３に出力ディスク４を備え、両ディスク２，４の間に複数（この実施例では２個）のパワーローラ５が介装してある。両ディスク２，４は、概略円錐形を成していて、凹曲面状の転動面２ａ，４ａを有し、小径側を互いに対向させた状態にして同軸上に配置されている。
【００２５】
また、当該無段変速機は、図１（ｂ）にも示すように、両ディスク２，４の間に設けた揺動軸６を中心にして揺動可能なトラニオン７と、トラニオン７に回転自在に取付けられて両ディスク２，４の中心方向へ突出するピボットシャフト８と、ピボットシャフト８に取付けた円環状の外輪９を備えており、このピボットシャフト８に、パワーローラ５が回転自在に取付けてある。
【００２６】
外輪９とパワーローラ５の互いの対向面には、円環状の転動溝１０，１１が同心状に形成してあり、双方の転動溝１０，１１に、複数（この実施例では８個）のボール１２が係合している。これらのボール１２は、図２に示すように、円環状の保持器１３によって等間隔に保持されている。また、パワーローラ５は、両ディスク２，４に所定の圧力で接触するようになっており、このとき、外輪９や各ボール１２は、パワーローラ５の回転を許容しつつ回転軸方向のスラスト荷重を受けるスラスト軸受を構成している。
【００２７】
そして、当該無段変速機では、外輪９およびパワーローラ５の各転動溝１０，１１に対して、ボール１２が溝幅方向における外周側接触点Ｇａ，Ｐａと内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの各々２点すなわち合計４点で接触している。
【００２８】
このとき、各接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂは、図３にも示すように、パワーローラ５の回転軸Ｐｃに平行なボール中心線Ｂｃに対して、パワーローラ５の外周側と内周側に位置すると共に、外輪９の転動溝１０に対するボール１２の２つの接触点Ｇａ，Ｇｂを結ぶ第１作用線Ｌ１と、パワーローラ５の転動溝１１に対するボール１２の２つの接触点Ｐａ，Ｐｂを結ぶ第２作用線Ｌ２とがパワーローラ５の回転軸Ｐｃ上で交差する配置になっている。
【００２９】
また、図４にパワーローラ５側の第２作用線Ｌ２を示すように、第１作用線Ｌ１と第２作用線Ｌ２の交点Ｑ１とボール１２の中心Ｑ２を結ぶ線Ｌｃに対して、内周側接触点Ｐｂとボール１２の中心Ｑ２を結ぶ線Ｌｂの成す接触角θｂを３０〜５５度の範囲とし、これに伴って外周側接触点Ｐｂとボール１２の中心Ｑ２を結ぶ線Ｌａの成す接触角θａを５０〜８５度の範囲としている。なお、外輪９側においても同様の角度設定が成されている。
【００３０】
さらに、各転動溝１０，１１は、図３に示すように、ボール１２が内接する外周側円弧１０ａ，１１ａと同じくボール１２が内接する内周側円弧１０ｂ，１１ｂを連続させた断面形状を有すると共に、これらの円弧の曲率半径をボール１２の半径の１１４〜１３０％の範囲としており、このとき、外周側円弧１０ａ，１１ａの曲率が、内周側円弧１０ｂ，１１ｂの曲率よりも大きい（曲率半径が小さい）ものとなっている。
【００３１】
上記構成を備えたトロイダル型無段変速機は、入力ディスク２の回転をパワーローラ５を介して出力ディスク４に伝達し、トラニオン７とともにパワーローラ５を揺動させることで両ディスク２，４の半径方向にパワーローラ５の接触位置を移動させ、変速比を無段階的に変化させる。
【００３２】
このとき、当該無段変速機では、外輪９や各ボール１２により構成されるスラスト軸受がパワーローラ５の回転を許容しつつその回転軸Ｐｃ方向のスラスト荷重を受けることになるが、外輪９とパワーローラ５の各転動溝１０，１１に対して、ボール１２が各接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂでの４点接触となっているので、スラスト荷重が各接触点に分散され、各接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂでの接触面圧や発熱量も低く抑えられる。
【００３３】
また、当該無段変速機では、ボール中心線Ｂｃに対して、パワーローラ５の外周側および内周側に、外周側接触点Ｇａ，Ｐａおよび内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂを設けているので、外周側接触点Ｇａ，Ｐａと内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂとの間でボール１２に対してラジアル方向に発生する分力（図５中のＦａｘ，Ｆｂｘ）が相殺され、これにより保持器１３に加わる力が軽減されるうえに、図３に示す如く第１作用線Ｌ１と第２作用線Ｌ２とをパワーローラ５の回転軸Ｐｃ上で交差させているので、４か所の接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂでのボール１２の回転速度（角速度）が等しいものとなり、各接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂ間でのすべりが防止される。
【００３４】
さらに、当該無段変速機では、内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの接触角θｂを３０〜５５度の範囲とし、外周側接触点Ｇａ，Ｐａの接触角θａを５０〜８５度の範囲としているので、図５に示すボール１２への入力荷重（接触点における法線方向の荷重）Ｆａ，Ｆｂが低く抑えられる。
【００３５】
これは、内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの接触角θｂを３０度よりも小さくし、外周側接触点Ｇａ，Ｐａの接触角θａを５０度よりも小さくすると、外周側接触点Ｇａ，Ｐａと内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂが離れ過ぎた状態となり、各接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂでのボール１２への入力荷重が増大するからであり、また、内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの接触角θｂを５５度よりも大きくし、外周側接触点Ｇａ，Ｐａの接触角θａを８５度よりも小さくすると、外周側接触点Ｇａ，Ｐａと内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂが近付き過ぎた状態となり、変形した際にボール１２と転動溝１０，１１の接触面積が増大し、発熱量が増大するからである。
【００３６】
また、図５において、両作用線Ｌ１，Ｌ２の交点Ｑ１とボール１２の中心Ｑ２を結ぶ線Ｌｃに対して、第２作用線Ｌ２（あるいは第１作用線Ｌ１）が成す作用角をΨとすると、図６に示すように、作用角Ψの増大とともに各接触角θａ，θｂも増大する。さらに、図７および図８に示すように、各接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂにおいては、作用角Ψが小さくなるほどパワーローラ５の回転軸Ｐｃ方向に直交する方向の力Ｆａｘ，Ｆｂｘや法線方向の力Ｆａｙ，Ｆｂｙの増減倍率が増大する。ここで、図６〜８は、パワーローラ５の回転軸Ｐｃからボール中心Ｂｃまでの距離Ｒが２９ｍｍであるときの値を示しており、この場合では図７および図８から作用角Ψを１１〜１４度の範囲とするのが望ましい。
【００３７】
そして、上記の距離Ｒが２９ｍｍである場合に作用角Ψを１１〜１４度の範囲にすると、内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの接触角θｂが３０〜５５度の範囲となり、外周側接触点Ｇａ，Ｐａの接触角θａが５０〜８５度の範囲となって、ボール１２への入力荷重が低く抑えられることとなる。なお、当然のことながら距離Ｒにより作用角Ψが変化するので、接触角θａ，θｂを上記範囲に設定している。
【００３８】
そしてさらに、当該無段変速機では、転動溝１０，１１の断面において、ボール１２が内接する外周側円弧１０ａ，１１ａと内周側円弧１０ｂ，１１ｂを有しており、しかも、各円弧１０ａ，１１ａ，１０ｂ，１１ｂの曲率半径をボールの半径の１１４〜１３０％としているので、ボール１２と転動溝１０，１１とのクリアランスが確保されると共に、ボール１２と転動溝１０，１１の接触面圧が適性範囲に抑えられて発生応力も低く抑えられる。
【００３９】
なお、各円弧１０ａ，１１ａ，１０ｂ，１１ｂの曲率半径をボール１２の半径の１１４％よりも小さくすると、ボール１２と転動溝１０，１１とのクリアランスが小さくなって双方の接触面積が増大し、発熱量が増大し、各円弧１０ａ，１１ａ，１０ｂ，１１ｂの曲率半径をボール１２の半径の１３０％よりも大きくすると、ボール１２と転動溝１０，１１の接触面圧が増大し、発熱量の増大や転動面の剥離等の不具合が発生する。したがって、円弧１０ａ，１１ａ，１０ｂ，１１ｂの曲率半径をボール１２の半径の１１４〜１３０％とするのが良い。
【００４０】
そしてさらに、当該無段変速機では、外周側円弧１０ａ，１１ａの曲率を内周側円弧１０ｂ，１１ｂの曲率よりも大きくしているので、ボール１２に対する各接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂでの発生応力をほぼ均等にし得る。
【００４１】
つまり、先述したように、外輪９の転動溝１０に対するボール１２の２つの接触点Ｇａ，Ｇｂを結ぶ第１作用線Ｌ１と、パワーローラ５の転動溝１１に対するボール１２の２つの接触点Ｐａ，Ｐｂを結ぶ第２作用線Ｌ２とがパワーローラ５の回転軸Ｐｃ上で交差する配置にし、内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの接触角θｂを３０〜５５度とし、外周側接触点Ｇａ，Ｐａの接触角θａを５０〜８５度とした場合、仮に外周側円弧と内周側円弧の曲率半径が同一の状態でスラスト荷重が加わると、図５に示すように、外周側接触点Ｇａ，Ｐａの接触角θａよりも内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの接触角θｂの方が小さいので、ボールに対する入力荷重は外周側接触点Ｇａ，Ｐａよりも内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの方が小さくなり（Ｆａ＞Ｆｂ）、発生応力も内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの方が小さくなる（σａ＞σｂ）。これに対して、当該無段変速機では、外周側円弧１０ａ，１１ａの曲率を内周側円弧１０ｂ，１１ｂの曲率よりも大きく（曲率半径を小さく）しているので、ボール１２に対する入力荷重は外周側接触点Ｇａ，Ｐａよりも内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの方が小さくなるが、内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂにおけるボール１２と転動溝１０，１１の接触面積よりも、外周側接触点Ｇａ，Ｐａにおけるボール１２と転動溝１０，１１の接触面積の方が大きくなって、外周側接触点Ｇａ，Ｇｂにおける単位面積あたりの荷重が低減され、これにより、内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂにおけるボール１２と転動溝１０，１１の接触面圧よりも、外周側接触点Ｇａ，Ｐａにおけるボール１２と転動溝１０，１１の接触面圧の方が小さくなるので両接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂでの発生応力がほぼ等しくなり（σａ＝σｂ）、外周側接触点Ｇａ，Ｐａと内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの両接触部分が均等に長寿命化される。
【００４２】
このように、上記実施例のトロイダル型無段変速機では、ボール１２と各転動溝１０，１１との間における各接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂでの接触面圧および発生応力や発熱量が低く抑えられることとなり、パワーローラの５スラスト軸受における疲労寿命が格段に向上する。
【００４３】
図９および図１０は、本発明に係わるトロイダル型無段変速機の他の実施例を説明する図である。なお、先の実施例と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４４】
この実施例のトロイダル型無段変速機は、パワーローラ５の回転軸Ｐｃを中心とする複数（この実施例では２つ）の同心円上に各々複数のボール１２を配置した構成になっている。すなわち、外輪９とパワーローラ５の互いの対向面に、各々２つの円環状の転動溝１０，１０，１１，１１が同心状態で形成してあり、外側および内側の各転動溝１０，１１に各々８個のボール１２が係合している。このとき、図１０に示すように、内側の列で隣接するボール１２の間に外側の列のボール１２を配置することで半径方向の長さを節約している。なお、各ボール１２はいずれも同一の直径を有している。
【００４５】
また、詳細な図示は省略したが、各転動溝１０，１１は、先の実施例と同様に外側および内側の円弧を連続させた断面形状（図３参照）を有すると共に、円弧の曲率半径や外側と内側での曲率の大小関係も先の実施例と同様である。このとき、外側と内側の各転動溝１０，１１は、外側の転動溝１０，１１においてはボール１２の内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂよりも内側の部分、内側の転動溝１０，１１においてはボール１２の外周側接触点Ｇａ，Ｐａよりも外側の部分、すなわちボール１２が接触しない部分を省略して双方の転動溝１０，１１を連続させることにより、図１０に示すようなボール１２の配列を可能にし、半径方向の長さを節約して全体の小型化を実現している。
【００４６】
さらに、転動溝１０，１１に対するボール１２の各接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂが、パワーローラ５の回転軸Ｐｃに平行なボール中心線Ｂｃに対して、パワーローラ５の外周側と内周側に位置すると共に、外輪９の転動溝１０に対するボール１２の２つの接触点Ｇａ，Ｇｂを結ぶ第１作用線Ｌ１と、パワーローラ５の転動溝１１に対するボール１２の２つの接触点Ｐａ，Ｐｂを結ぶ第２作用線Ｌ２とがパワーローラ５の回転軸Ｐｃ上で交差したものとなっている。各ボール１２における４か所の接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂでの回転速度を等しいものにしている。
【００４７】
上記構成を備えたトロイダル型無段変速機は、先述した第１および第２の作用線Ｌ１，Ｌ２をパワーローラ５の回転軸Ｐｃ上で交差させているので、各ボール１２を同一の大きさにしても、それぞれの４か所の接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂでの回転速度が等しいものになり、また、各ボール１２を同一の大きさにすることでより大きな荷重を受けることが可能になるので、スラスト軸受の長寿命化や伝達トルクの向上も実現できる。
【００４８】
なお、上記実施例のように、パワーローラ５の回転軸Ｐｃを中心にして複数の転動溝を同心状に配置し、各転動溝に各々複数のボール１２を設けた場合には、各転動溝においてボール１２を４点接触させることがより望ましいが、少なくとも１つの転動溝においてボール１２を４点接触させ、残りの転動溝においてはボール１２を２点接触させた構成とすることも可能であり、このような構成とした場合であっても、ボール１２の数の増加による各接触点での発生応力の低減を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるトロイダル型無段変速機の一実施例を説明する図であって、全体の断面図（ａ）および図ａ中のＡ−Ａ線に基づく断面図（ｂ）である。
【図２】図１に示す無段変速機におけるスラスト軸受のボールの配置を説明する平面図である。
【図３】各接触点の位置および転動溝の形状を説明する要部の断面図である。
【図４】各接触点の作用角の範囲を示す説明図である。
【図５】各接触点における入力荷重を示す説明図である。
【図６】作用角と接触角との関係を示すグラフである。
【図７】作用角と内周側接触点における各分力の増減倍率との関係を説明するグラフである。
【図８】作用角と外周側接触点における各分力の増減倍率との関係を説明するグラフである。
【図９】本発明に係わるトロイダル型無段変速機の他の実施例を示す断面図である。
【図１０】図９に示す無段変速機におけるスラスト軸受のボールの配置を説明する平面図である。
【符号の説明】
２ 入力ディスク
４ 出力ディスク
５ パワーローラ
７ トラニオン
８ ピボットシャフト
９ 外輪
１０ １１ 転動溝
１０ａ １１ａ 外周側円弧
１０ｂ １１ｂ 内周側円弧
１２ ボール
Ｂｃ ボール中心線
Ｇａ Ｐａ 外周側接触点
Ｇｂ Ｐｂ 内周側接触点
Ｌ１ 第１作用線
Ｌ２ 第２作用線
Ｐｃ パワーローラの回転軸
θａ 外周側接触点の接触角
θｂ 内周側接触点の接触角
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として自動車の変速機に用いられるトロイダル型無段変速機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トロイダル型無段変速機は、同軸上に配置した入力ディスクと出力ディスクの間に揺動可能なトラニオンを備え、このトラニオンに対して回転自在に取付けたピボットシャフトに、軸受を構成する外輪を装着すると共に、同ピボットシャフトに、両ディスクに接触するパワーローラを回転自在に装着し、外輪とパワーローラの間に、外輪とともに軸受を構成する複数のボールと、各ボールの保持器を介装した構成を有している。トラニオンやパワーローラは、両ディスクを中心にして複数組が等間隔で設けてある。また、外輪や各ボール等により構成される軸受は、パワーローラの回転を許容し且つパワーローラの回転軸方向のスラスト荷重を受ける。
【０００３】
上記のトロイダル型無段変速機は、両ディスクに対してパワーローラを所定の圧力で接触させ、入力ディスクの回転をパワーローラを介して出力ディスクに伝達する。そして、トラニオンとともにパワーローラを揺動させることで両ディスクの半径方向にパワーローラの接触位置を移動させ、これにより変速比を無段階的に変化させるものである。このようなトロイダル型無段変速機は、例えば、特開平１１−１３２３０１号公報に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来のトロイダル型無段変速機にあっては、外輪とパワーローラの互いの対向面にボールが係合する転動溝を形成し、各転動溝に対して各々１点（合計２点）で接触させていたため、１点あたりの荷重が大きくなり、ボールや転動溝の疲労寿命が短くなるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、パワーローラのスラスト軸受におけるボールおよび転動溝の疲労寿命を向上させることができるトロイダル型無段変速機を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるトロイダル型無段変速機は、請求項１として、同軸上に配置した入力ディスクと出力ディスクの間で揺動可能なトラニオンと、トラニオンに回転自在に取付けたピボットシャフトと、ピボットシャフトに取付けた円環状の外輪と、ピボットシャフトに回転自在に取付けられて両ディスクに接触するパワーローラと、外輪とパワーローラの互いの対向面に形成した円環状の転動溝に係合してパワーローラの回転軸方向のスラスト荷重を受ける複数のボールを備えたトロイダル型無段変速機であって、外輪およびパワーローラの各転動溝に対して、ボールが溝幅方向における外周側接触点と内周側接触点の２点で接触していると共に、外輪の転動溝に対するボールの２つの接触点を結ぶ第１作用線と、パワーローラの転動溝に対するボールの２つの接触点を結ぶ第２作用線とがパワーローラの回転軸上で交差しており、転動溝の断面が、ボールが内接する外周側円弧と同じくボールが内接する内周側円弧を有する形状であると共に、外周側円弧の曲率が、内周側円弧の曲率よりも大きい構成とし、請求項２として、パワーローラの回転軸に平行なボール中心線に対して、パワーローラの外周側および内周側に、外周側接触点および内周側接触点を設けた構成とし、請求項３として、転動溝を形成する外周側および内周側の円弧の曲率半径が、ボールの半径の１１４〜１３０％である構成とし、請求項４として、第１作用線と第２作用線の交点とボールの中心を結ぶ線に対して、内周側接触点とボールの中心を結ぶ線の成す接触角が３０〜５５度であると共に、外周側接触点とボールの中心を結ぶ線の成す接触角が５０〜８５度である構成とし、請求項５として、パワーローラの回転軸を中心とする複数の同心円上に各々複数のボールを配置した構成としており、上記の構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【０００７】
【発明の作用】
本発明の請求項１に係わるトロイダル型無段変速機では、入力ディスクの回転をパワーローラを介して出力ディスクに伝達し、トラニオンとともにパワーローラを揺動させることで両ディスクの半径方向にパワーローラの接触位置を移動させ、変速比を無段階的に変化させる。また、トラニオンのピボットシャフトに取付けた外輪や各ボールにより構成される軸受は、パワーローラの回転を許容するとともにパワーローラの回転軸方向のスラスト荷重を受けている。このとき、当該トロイダル無段変速機では、外輪とパワーローラの互いの対向面に設けた各転動溝に対して、ボールが溝幅方向における外周側接触点と内周側接触点の２点で各々接触し、合計で４点接触となっているので、スラスト荷重が各接触点に分散され、各接触点での接触面圧や発熱量も低く抑えられる。
さらに、上記のトロイダル型無段変速機では、転動溝の断面をボールが内接する外周側円弧と同じくボールが内接する内周側円弧を有する形状としたので、外周側接触点および内周側接触点での接触面圧が適正範囲に抑えられて発生応力も低く抑えられ、また、外輪の転動溝に対するボールの２つの接触点を結ぶ第１作用線と、パワーローラの転動溝に対するボールの２つの接触点を結ぶ第２作用線とがパワーローラの回転軸上で交差しているので、第１作用線と第２作用線の交点とボールの中心を結ぶ線に対して、外周側接触点とボールの中心を結ぶ線の成す接触角よりも、内周側接触点とボールの中心を結ぶ線の成す接触角の方が小さくなり、これに対して、転動溝を形成する外周側円弧の曲率を内周側円弧の曲率よりも大きくしているので、ボールに対する外周側接触点での発生応力と内周側接触点での発生応力をほぼ均等にし得る。
【０００８】
そしてさらに、上記のトロイダル型無段変速機では、外輪の転動溝に対するボールの２つの接触点を結ぶ第１作用線と、パワーローラの転動溝に対するボールの２つの接触点を結ぶ第２作用線とをパワーローラの回転軸上で交差させているので、外輪の転動溝における外周側接触点および内周側接触点、ならびにパワーローラの転動溝における外周側接触点および内周側接触点の合計４か所の接触点でのボールの回転速度（角速度）が等しいものとなり、各接触点間でのすべりが防止される。
【００１０】
本発明の請求項２に係わるトロイダル型無段変速機では、パワーローラの回転軸に平行なボール中心線に対して、パワーローラの外周側および内周側に、外周側接触点および内周側接触点を設けているので、外周側接触点と内周側接触点との間でボールに対してラジアル方向に発生する力を相殺する。
【００１１】
本発明の請求項３に係わるトロイダル型無段変速機では、転動溝を形成する外周側および内周側の円弧の曲率半径をボールの半径の１１４〜１３０％としているので、ボールと転動溝とのクリアランスが確保されると共に、ボールと転動溝の接触面圧が適性範囲に抑えられる。なお、各円弧の曲率半径をボールの半径の１１４％よりも小さくすると、ボールと転動溝とのクリアランスが小さくなって双方の接触面積が増大し、発熱量が増大する。また、各円弧の曲率半径をボールの半径の１３０％よりも大きくすると、ボールと転動溝の接触面圧が増大し、発熱量の増大や転動面の剥離等の不具合が発生する。したがって、円弧の曲率半径をボールの半径の１１４〜１３０％とするのが良い。
【００１２】
本発明の請求項４に係わるトロイダル型無段変速機では、第１作用線と第２作用線の交点とボールの中心を結ぶ線に対して、内周側接触点とボールの中心を結ぶ線の成す接触角を３０〜５５度とし、外周側接触点とボールの中心を結ぶ線の成す接触角を５０〜８５度としているので、ボールへの入力荷重（接触点における法線方向の荷重）が低く抑えられる。なお、内周側接触点の接触角を３０度よりも小さくし、これにより外周側接触点の接触角を５０度よりも小さくすると、外周側接触点と内周側接触点が離れ過ぎた状態となり、各接触点でのボールへの入力荷重が増大する。また、内周側接触点の接触角を５５度よりも大きくし、これにより外周側接触点の接触角を８５度よりも小さくすると、外周側接触点と内周側接触点が近付き過ぎた状態となり、変形した際にボールと転動溝の接触面積が増大し、発熱量が増大する。したがって、内周側接触点の接触角を３０〜５５度とし、外周側接触点の接触角を５０〜８５度とするのが良い。
【００１４】
本発明の請求項５に係わるトロイダル型無段変速機では、パワーローラの回転軸を中心とする複数の同心円上に各々複数のボールを配置しているので、ボールの数の増加に伴って各接触点での発生応力がさらに低減され、また、各ボールを同一の大きさにすることで大きな荷重を受けることが可能になる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わるトロイダル型無段変速機によれば、入力ディスクと出力ディスクの間で揺動するトラニオンにピボットシャフトを取付けると共に、ピボットシャフトに円環状の外輪とパワーローラを取付け、外輪とパワーローラの互いの対向面に形成した円環状の転動溝に複数のボールを備えたトロイダル型無段変速機において、外輪およびパワーローラの各転動溝に対して、ボールを溝幅方向における外周側接触点と内周側接触点の２点で接触させたことから、スラスト荷重が各接触点に分散され、転動溝に対してボールが１点で接触していた従来のものに比べて、各接触点における接触面圧や発熱量を大幅に低減することができ、これによりパワーローラのスラスト軸受におけるボールおよび転動溝の疲労寿命を格段に向上させることができ、ひいては無段変速機自体の長寿命化を実現することができる。
また、転動溝の断面が、ボールが内接する外周側円弧と同じくボールが内接する内周側円弧を有する形状であることから、外周側接触点および内周側接触点での接触面圧を適正範囲に抑えて発生応力を低く抑えることができ、疲労寿命のさらなる向上を実現することができると共に、外輪の転動溝に対するボールの２つの接触点を結ぶ第１作用線と、パワーローラの転動溝に対するボールの２つの接触点を結ぶ第２作用線とがパワーローラの回転軸上で交差しており、外周側円弧の曲率が、内周側円弧の曲率よりも大きいことから、ボールに対する外周側接触点での発生応力と内周側接触点での発生応力がほぼ均等になるので、外周側接触点と内周側接触点の両接触部分を均等に長寿命化することができる。
【００１６】
さらに、上記のトロイダル型無段変速機によれば、パワーローラの転動溝における外周側接触点および内周側接触点の合計４か所の接触点でのボールの回転速度（角速度）を等しいものにして、各接触点間でのすべりを防止することができ、疲労寿命のさらなる向上を実現することができる。
【００１８】
本発明の請求項２に係わるトロイダル型無段変速機によれば、請求項１と同様の効果を得ることができるうえに、外周側接触点と内周側接触点との間でボールに対してラジアル方向に発生する力を相殺することができるので、各ボールの保持器に加わる力を低減することができる。
【００１９】
本発明の請求項３に係わるトロイダル型無段変速機によれば、請求項１および２と同様の効果を得ることができるうえに、ボールと転動溝の接触面圧が適性範囲に抑えられることとなり、転動面の剥離等の発生も防止することができると共に、発生応力や発熱量を低減させて疲労寿命のさらなる向上を実現することができる。
【００２０】
本発明の請求項４に係わるトロイダル型無段変速機によれば、請求項１〜３と同様の効果を得ることができるうえに、ボールへの入力荷重（接触点における法線方向の荷重）を低く抑えられることとなり、発生応力や発熱量を低減させて疲労寿命のさらなる向上を実現することができる。
【００２２】
本発明の請求項５に係わるトロイダル型無段変速機によれば、請求項１〜４と同様の効果を得ることができるうえに、ボールの数の増加に伴って各接触点での発生応力をさらに低減することができると共に、各ボールを同一の大きさにすることで大きな荷重を受けることが可能になり、スラスト軸受さらには無段変速機のさらなる長寿命化を実現することができると共に、伝達トルクの向上を実現することもできる。
【００２３】
【実施例】
以下、図面に基づいて、本発明に係わるトロイダル型無段変速機の一実施例を説明する。
【００２４】
図１（ａ）に示すトロイダル型無段変速機は、自動車の変速機に用いられるものであって、図示しない回転伝達機構を介してエンジン側に連結される入力軸１に入力ディスク２を備えると共に、別の回転伝達機構を介して車軸側に連結される出力軸３に出力ディスク４を備え、両ディスク２，４の間に複数（この実施例では２個）のパワーローラ５が介装してある。両ディスク２，４は、概略円錐形を成していて、凹曲面状の転動面２ａ，４ａを有し、小径側を互いに対向させた状態にして同軸上に配置されている。
【００２５】
また、当該無段変速機は、図１（ｂ）にも示すように、両ディスク２，４の間に設けた揺動軸６を中心にして揺動可能なトラニオン７と、トラニオン７に回転自在に取付けられて両ディスク２，４の中心方向へ突出するピボットシャフト８と、ピボットシャフト８に取付けた円環状の外輪９を備えており、このピボットシャフト８に、パワーローラ５が回転自在に取付けてある。
【００２６】
外輪９とパワーローラ５の互いの対向面には、円環状の転動溝１０，１１が同心状に形成してあり、双方の転動溝１０，１１に、複数（この実施例では８個）のボール１２が係合している。これらのボール１２は、図２に示すように、円環状の保持器１３によって等間隔に保持されている。また、パワーローラ５は、両ディスク２，４に所定の圧力で接触するようになっており、このとき、外輪９や各ボール１２は、パワーローラ５の回転を許容しつつ回転軸方向のスラスト荷重を受けるスラスト軸受を構成している。
【００２７】
そして、当該無段変速機では、外輪９およびパワーローラ５の各転動溝１０，１１に対して、ボール１２が溝幅方向における外周側接触点Ｇａ，Ｐａと内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの各々２点すなわち合計４点で接触している。
【００２８】
このとき、各接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂは、図３にも示すように、パワーローラ５の回転軸Ｐｃに平行なボール中心線Ｂｃに対して、パワーローラ５の外周側と内周側に位置すると共に、外輪９の転動溝１０に対するボール１２の２つの接触点Ｇａ，Ｇｂを結ぶ第１作用線Ｌ１と、パワーローラ５の転動溝１１に対するボール１２の２つの接触点Ｐａ，Ｐｂを結ぶ第２作用線Ｌ２とがパワーローラ５の回転軸Ｐｃ上で交差する配置になっている。
【００２９】
また、図４にパワーローラ５側の第２作用線Ｌ２を示すように、第１作用線Ｌ１と第２作用線Ｌ２の交点Ｑ１とボール１２の中心Ｑ２を結ぶ線Ｌｃに対して、内周側接触点Ｐｂとボール１２の中心Ｑ２を結ぶ線Ｌｂの成す接触角θｂを３０〜５５度の範囲とし、これに伴って外周側接触点Ｐｂとボール１２の中心Ｑ２を結ぶ線Ｌａの成す接触角θａを５０〜８５度の範囲としている。なお、外輪９側においても同様の角度設定が成されている。
【００３０】
さらに、各転動溝１０，１１は、図３に示すように、ボール１２が内接する外周側円弧１０ａ，１１ａと同じくボール１２が内接する内周側円弧１０ｂ，１１ｂを連続させた断面形状を有すると共に、これらの円弧の曲率半径をボール１２の半径の１１４〜１３０％の範囲としており、このとき、外周側円弧１０ａ，１１ａの曲率が、内周側円弧１０ｂ，１１ｂの曲率よりも大きい（曲率半径が小さい）ものとなっている。
【００３１】
上記構成を備えたトロイダル型無段変速機は、入力ディスク２の回転をパワーローラ５を介して出力ディスク４に伝達し、トラニオン７とともにパワーローラ５を揺動させることで両ディスク２，４の半径方向にパワーローラ５の接触位置を移動させ、変速比を無段階的に変化させる。
【００３２】
このとき、当該無段変速機では、外輪９や各ボール１２により構成されるスラスト軸受がパワーローラ５の回転を許容しつつその回転軸Ｐｃ方向のスラスト荷重を受けることになるが、外輪９とパワーローラ５の各転動溝１０，１１に対して、ボール１２が各接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂでの４点接触となっているので、スラスト荷重が各接触点に分散され、各接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂでの接触面圧や発熱量も低く抑えられる。
【００３３】
また、当該無段変速機では、ボール中心線Ｂｃに対して、パワーローラ５の外周側および内周側に、外周側接触点Ｇａ，Ｐａおよび内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂを設けているので、外周側接触点Ｇａ，Ｐａと内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂとの間でボール１２に対してラジアル方向に発生する分力（図５中のＦａｘ，Ｆｂｘ）が相殺され、これにより保持器１３に加わる力が軽減されるうえに、図３に示す如く第１作用線Ｌ１と第２作用線Ｌ２とをパワーローラ５の回転軸Ｐｃ上で交差させているので、４か所の接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂでのボール１２の回転速度（角速度）が等しいものとなり、各接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂ間でのすべりが防止される。
【００３４】
さらに、当該無段変速機では、内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの接触角θｂを３０〜５５度の範囲とし、外周側接触点Ｇａ，Ｐａの接触角θａを５０〜８５度の範囲としているので、図５に示すボール１２への入力荷重（接触点における法線方向の荷重）Ｆａ，Ｆｂが低く抑えられる。
【００３５】
これは、内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの接触角θｂを３０度よりも小さくし、外周側接触点Ｇａ，Ｐａの接触角θａを５０度よりも小さくすると、外周側接触点Ｇａ，Ｐａと内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂが離れ過ぎた状態となり、各接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂでのボール１２への入力荷重が増大するからであり、また、内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの接触角θｂを５５度よりも大きくし、外周側接触点Ｇａ，Ｐａの接触角θａを８５度よりも小さくすると、外周側接触点Ｇａ，Ｐａと内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂが近付き過ぎた状態となり、変形した際にボール１２と転動溝１０，１１の接触面積が増大し、発熱量が増大するからである。
【００３６】
また、図５において、両作用線Ｌ１，Ｌ２の交点Ｑ１とボール１２の中心Ｑ２を結ぶ線Ｌｃに対して、第２作用線Ｌ２（あるいは第１作用線Ｌ１）が成す作用角をΨとすると、図６に示すように、作用角Ψの増大とともに各接触角θａ，θｂも増大する。さらに、図７および図８に示すように、各接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂにおいては、作用角Ψが小さくなるほどパワーローラ５の回転軸Ｐｃ方向に直交する方向の力Ｆａｘ，Ｆｂｘや法線方向の力Ｆａｙ，Ｆｂｙの増減倍率が増大する。ここで、図６〜８は、パワーローラ５の回転軸Ｐｃからボール中心Ｂｃまでの距離Ｒが２９ｍｍであるときの値を示しており、この場合では図７および図８から作用角Ψを１１〜１４度の範囲とするのが望ましい。
【００３７】
そして、上記の距離Ｒが２９ｍｍである場合に作用角Ψを１１〜１４度の範囲にすると、内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの接触角θｂが３０〜５５度の範囲となり、外周側接触点Ｇａ，Ｐａの接触角θａが５０〜８５度の範囲となって、ボール１２への入力荷重が低く抑えられることとなる。なお、当然のことながら距離Ｒにより作用角Ψが変化するので、接触角θａ，θｂを上記範囲に設定している。
【００３８】
そしてさらに、当該無段変速機では、転動溝１０，１１の断面において、ボール１２が内接する外周側円弧１０ａ，１１ａと内周側円弧１０ｂ，１１ｂを有しており、しかも、各円弧１０ａ，１１ａ，１０ｂ，１１ｂの曲率半径をボールの半径の１１４〜１３０％としているので、ボール１２と転動溝１０，１１とのクリアランスが確保されると共に、ボール１２と転動溝１０，１１の接触面圧が適性範囲に抑えられて発生応力も低く抑えられる。
【００３９】
なお、各円弧１０ａ，１１ａ，１０ｂ，１１ｂの曲率半径をボール１２の半径の１１４％よりも小さくすると、ボール１２と転動溝１０，１１とのクリアランスが小さくなって双方の接触面積が増大し、発熱量が増大し、各円弧１０ａ，１１ａ，１０ｂ，１１ｂの曲率半径をボール１２の半径の１３０％よりも大きくすると、ボール１２と転動溝１０，１１の接触面圧が増大し、発熱量の増大や転動面の剥離等の不具合が発生する。したがって、円弧１０ａ，１１ａ，１０ｂ，１１ｂの曲率半径をボール１２の半径の１１４〜１３０％とするのが良い。
【００４０】
そしてさらに、当該無段変速機では、外周側円弧１０ａ，１１ａの曲率を内周側円弧１０ｂ，１１ｂの曲率よりも大きくしているので、ボール１２に対する各接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂでの発生応力をほぼ均等にし得る。
【００４１】
つまり、先述したように、外輪９の転動溝１０に対するボール１２の２つの接触点Ｇａ，Ｇｂを結ぶ第１作用線Ｌ１と、パワーローラ５の転動溝１１に対するボール１２の２つの接触点Ｐａ，Ｐｂを結ぶ第２作用線Ｌ２とがパワーローラ５の回転軸Ｐｃ上で交差する配置にし、内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの接触角θｂを３０〜５５度とし、外周側接触点Ｇａ，Ｐａの接触角θａを５０〜８５度とした場合、仮に外周側円弧と内周側円弧の曲率半径が同一の状態でスラスト荷重が加わると、図５に示すように、外周側接触点Ｇａ，Ｐａの接触角θａよりも内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの接触角θｂの方が小さいので、ボールに対する入力荷重は外周側接触点Ｇａ，Ｐａよりも内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの方が小さくなり（Ｆａ＞Ｆｂ）、発生応力も内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの方が小さくなる（σａ＞σｂ）。これに対して、当該無段変速機では、外周側円弧１０ａ，１１ａの曲率を内周側円弧１０ｂ，１１ｂの曲率よりも大きく（曲率半径を小さく）しているので、ボール１２に対する入力荷重は外周側接触点Ｇａ，Ｐａよりも内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの方が小さくなるが、内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂにおけるボール１２と転動溝１０，１１の接触面積よりも、外周側接触点Ｇａ，Ｐａにおけるボール１２と転動溝１０，１１の接触面積の方が大きくなって、外周側接触点Ｇａ，Ｇｂにおける単位面積あたりの荷重が低減され、これにより、内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂにおけるボール１２と転動溝１０，１１の接触面圧よりも、外周側接触点Ｇａ，Ｐａにおけるボール１２と転動溝１０，１１の接触面圧の方が小さくなるので両接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂでの発生応力がほぼ等しくなり（σａ＝σｂ）、外周側接触点Ｇａ，Ｐａと内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂの両接触部分が均等に長寿命化される。
【００４２】
このように、上記実施例のトロイダル型無段変速機では、ボール１２と各転動溝１０，１１との間における各接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂでの接触面圧および発生応力や発熱量が低く抑えられることとなり、パワーローラの５スラスト軸受における疲労寿命が格段に向上する。
【００４３】
図９および図１０は、本発明に係わるトロイダル型無段変速機の他の実施例を説明する図である。なお、先の実施例と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４４】
この実施例のトロイダル型無段変速機は、パワーローラ５の回転軸Ｐｃを中心とする複数（この実施例では２つ）の同心円上に各々複数のボール１２を配置した構成になっている。すなわち、外輪９とパワーローラ５の互いの対向面に、各々２つの円環状の転動溝１０，１０，１１，１１が同心状態で形成してあり、外側および内側の各転動溝１０，１１に各々８個のボール１２が係合している。このとき、図１０に示すように、内側の列で隣接するボール１２の間に外側の列のボール１２を配置することで半径方向の長さを節約している。なお、各ボール１２はいずれも同一の直径を有している。
【００４５】
また、詳細な図示は省略したが、各転動溝１０，１１は、先の実施例と同様に外側および内側の円弧を連続させた断面形状（図３参照）を有すると共に、円弧の曲率半径や外側と内側での曲率の大小関係も先の実施例と同様である。このとき、外側と内側の各転動溝１０，１１は、外側の転動溝１０，１１においてはボール１２の内周側接触点Ｇｂ，Ｐｂよりも内側の部分、内側の転動溝１０，１１においてはボール１２の外周側接触点Ｇａ，Ｐａよりも外側の部分、すなわちボール１２が接触しない部分を省略して双方の転動溝１０，１１を連続させることにより、図１０に示すようなボール１２の配列を可能にし、半径方向の長さを節約して全体の小型化を実現している。
【００４６】
さらに、転動溝１０，１１に対するボール１２の各接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂが、パワーローラ５の回転軸Ｐｃに平行なボール中心線Ｂｃに対して、パワーローラ５の外周側と内周側に位置すると共に、外輪９の転動溝１０に対するボール１２の２つの接触点Ｇａ，Ｇｂを結ぶ第１作用線Ｌ１と、パワーローラ５の転動溝１１に対するボール１２の２つの接触点Ｐａ，Ｐｂを結ぶ第２作用線Ｌ２とがパワーローラ５の回転軸Ｐｃ上で交差したものとなっている。各ボール１２における４か所の接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂでの回転速度を等しいものにしている。
【００４７】
上記構成を備えたトロイダル型無段変速機は、先述した第１および第２の作用線Ｌ１，Ｌ２をパワーローラ５の回転軸Ｐｃ上で交差させているので、各ボール１２を同一の大きさにしても、それぞれの４か所の接触点Ｇａ，Ｐａ，Ｇｂ，Ｐｂでの回転速度が等しいものになり、また、各ボール１２を同一の大きさにすることでより大きな荷重を受けることが可能になるので、スラスト軸受の長寿命化や伝達トルクの向上も実現できる。
【００４８】
なお、上記実施例のように、パワーローラ５の回転軸Ｐｃを中心にして複数の転動溝を同心状に配置し、各転動溝に各々複数のボール１２を設けた場合には、各転動溝においてボール１２を４点接触させることがより望ましいが、少なくとも１つの転動溝においてボール１２を４点接触させ、残りの転動溝においてはボール１２を２点接触させた構成とすることも可能であり、このような構成とした場合であっても、ボール１２の数の増加による各接触点での発生応力の低減を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるトロイダル型無段変速機の一実施例を説明する図であって、全体の断面図（ａ）および図ａ中のＡ−Ａ線に基づく断面図（ｂ）である。
【図２】図１に示す無段変速機におけるスラスト軸受のボールの配置を説明する平面図である。
【図３】各接触点の位置および転動溝の形状を説明する要部の断面図である。
【図４】各接触点の作用角の範囲を示す説明図である。
【図５】各接触点における入力荷重を示す説明図である。
【図６】作用角と接触角との関係を示すグラフである。
【図７】作用角と内周側接触点における各分力の増減倍率との関係を説明するグラフである。
【図８】作用角と外周側接触点における各分力の増減倍率との関係を説明するグラフである。
【図９】本発明に係わるトロイダル型無段変速機の他の実施例を示す断面図である。
【図１０】図９に示す無段変速機におけるスラスト軸受のボールの配置を説明する平面図である。
【符号の説明】
２ 入力ディスク
４ 出力ディスク
５ パワーローラ
７ トラニオン
８ ピボットシャフト
９ 外輪
１０ １１ 転動溝
１０ａ １１ａ 外周側円弧
１０ｂ １１ｂ 内周側円弧
１２ ボール
Ｂｃ ボール中心線
Ｇａ Ｐａ 外周側接触点
Ｇｂ Ｐｂ 内周側接触点
Ｌ１ 第１作用線
Ｌ２ 第２作用線
Ｐｃ パワーローラの回転軸
θａ 外周側接触点の接触角
θｂ 内周側接触点の接触角
Claims (5)
- 同軸上に配置した入力ディスクと出力ディスクの間で揺動可能なトラニオンと、トラニオンに回転自在に取付けたピボットシャフトと、ピボットシャフトに取付けた円環状の外輪と、ピボットシャフトに回転自在に取付けられて両ディスクに接触するパワーローラと、外輪とパワーローラの互いの対向面に形成した円環状の転動溝に係合してパワーローラの回転軸方向のスラスト荷重を受ける複数のボールを備えたトロイダル型無段変速機であって、外輪およびパワーローラの各転動溝に対して、ボールが溝幅方向における外周側接触点と内周側接触点の２点で接触していると共に、外輪の転動溝に対するボールの２つの接触点を結ぶ第１作用線と、パワーローラの転動溝に対するボールの２つの接触点を結ぶ第２作用線とがパワーローラの回転軸上で交差しており、転動溝の断面が、ボールが内接する外周側円弧と同じくボールが内接する内周側円弧を有する形状であると共に、外周側円弧の曲率が、内周側円弧の曲率よりも大きいことを特徴とするトロイダル型無段変速機。
- パワーローラの回転軸に平行なボール中心線に対して、パワーローラの外周側および内周側に、外周側接触点および内周側接触点を設けたことを特徴とする請求項１に記載のトロイダル型無段変速機。
- 転動溝を形成する外周側および内周側の円弧の曲率半径が、ボールの半径の１１４〜１３０％であることを特徴とする請求項１または２に記載のトロイダル型無段変速機。
- 第１作用線と第２作用線の交点とボールの中心を結ぶ線に対して、内周側接触点とボールの中心を結ぶ線の成す接触角が３０〜５５度であると共に、外周側接触点とボールの中心を結ぶ線の成す接触角が５０〜８５度であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のトロイダル型無段変速機。
- パワーローラの回転軸を中心とする複数の同心円上に各々複数のボールを配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のトロイダル型無段変速機。
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