JP4511913B2 - 金属ベルト用金属リングの自由状態径設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ベルト式無段変速機の金属ベルトの金属リングの疲労寿命を増加させるべく、金属リングを切断したときの自由状態径を設定する金属ベルト用金属リングの自由状態径設定方法に関する。

ベルト式無段変速機用の金属ベルトは、複数枚の金属リングを積層した金属リング集合体に沿って多数の金属エレメントを支持して構成される。各々の金属リングには張力に基づく引張応力に加えて曲げに基づく引張応力および圧縮応力が作用する。即ち、金属リングがプーリに巻き付く巻付部では、金属リングの外周面が引っ張られて引張応力が作用するとともに内周面が圧縮されて圧縮応力が作用し、金属リングがプーリから離れた弦部では、金属リングの外周面が圧縮されて圧縮応力が作用するとともに内周面が引っ張られて引張応力が作用する。このように金属リングが回転するに伴って内周面および外周面の応力が周期的に変化し、これが金属リングの疲労寿命を低下させる原因となる。

そこで、下記特許文献１に記載されたものは、金属リングが最も過酷な荷重を受けるＴＯＰレシオ状態において、金属リングの外周面の応力振幅σ_aoおよび応力中心σ_moから算出した外周面の補正応力振幅σ_ao′（応力中心σ_mo＝０のときの応力振幅σ_ao）と、金属リングの内周面の応力振幅σ_aiおよび応力中心σ_miから算出した内周面の補正応力振幅σ_ai′（応力中心σ_mi＝０のときの応力振幅σ_ai）とが一致するように金属リングの自由状態径Ｒ₀ を設定することで、金属リングの疲労寿命を延長を図っている。
特開２００３−１２６９３３号公報

ところで、積層された金属リングのうちの最内層の金属リングの内周面は金属ベルトの横断要素である金属エレメントのサドル面に当接するため、その部分に作用する圧縮応力（接触応力）の分だけ金属リングの内周面の最大圧縮応力が増加する。従って、ベルト式無段変速機の運転中に、窒化処理による金属リングの圧縮残留応力、曲げによる圧縮応力および金属エレメントのサドル面との接触による接触応力の加算値が過大になって弾性変形限界を越えると、金属リングが塑性変形して破損する可能性がある。しかしながら上記特許文献１に記載されたものは、最内層の金属リングの内周面に作用するサドル面との接触による接触応力を考慮しておらず、しかも金属リングの最大圧縮応力と弾性変形限界との関係を考慮していないため、金属リングの寿命を思惑どおり延ばせない虞があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、金属ベルト用金属リングの自由状態径を適切に設定することで、その寿命を最大限に増加させることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、ベルト式無段変速機の金属ベルトの金属リングの疲労寿命を増加させるべく、金属リングを切断したときの自由状態径を設定する金属ベルト用金属リングの自由状態径設定方法において、金属リングの内周面の応力中心を、ベルト式無段変速機の作動中における、金属リングが横断要素と接触する際に生じる接触応力を考慮した金属リングの内周面の応力の変動から算出し、この応力中心が、母材の弾性変形限界に熱処理による圧縮残留応力を加えた金属リングの弾性変形限界を超えないことを条件として、金属リングの前記自由状態径を設定することを特徴とする金属ベルト用金属リングの自由状態径設定方法が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記熱処理による金属リングの圧縮残留応力をｘ［ＭＰａ］とし、軸間距離をｄとし、自由状態径をＲ₀ としたとき、
−１３００≦ｘ＜−１０００
Ｒ₀ ＜４．９３ｄ−５５７．４
Ｒ₀ ＜０．３３ｄ−４．７
が同時に成立するように前記金属リングの自由状態径を設定することを特徴とする金属ベルト用金属リングの自由状態径設定方法が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、金属リングの自由状態径／最小巻付径をｙとし、前記熱処理による金属リングの圧縮残留応力をｘ［ＭＰａ］としたとき、
ｘ＜−１３００
ｙ＜０．００００２６ｘ² ＋０．０８４ｘ＋７０．５
ｙ＞０．０００００３ｘ² ＋０．００７ｘ＋５．０
が同時に成立するように前記金属リングの自由状態径を設定することを特徴とする金属ベルト用金属リングの自由状態径設定方法が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、金属リングの自由状態径／最小巻付径をｙとし、前記熱処理による金属リングの圧縮残留応力をｘ［ＭＰａ］としたとき、
ｘ＜−１３００
ｙ＜０．００００２６ｘ² ＋０．０８４ｘ＋７０．５
ｙ＞０．０００００３ｘ² ＋０．００７ｘ＋５．０
が同時に成立するか、あるいは、
ｙ＜５．０
ｙ＞１．５
−１３００≦ｘ＜−１０００
が同時に成立するように前記金属リングの自由状態径を設定することを特徴とする金属ベルト用金属リングの自由状態径設定方法が提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、金属リングの自由状態径の設定を金属リングの周長の補正により行い、周長を補正した後の時効硬化処理を真円状態で行い、時効硬化処理後の窒化処理を楕円状態で行うことを特徴とする金属ベルト用金属リングの自由状態径設定方法が提案される。

また請求項６に記載された発明によれば、請求項５の構成に加えて、前記時効硬化処理を、使用状態で相互に接触しない複数の金属リングを同心状に配置して行うことを特徴とする金属ベルト用金属リングの自由状態径設定方法が提案される。

尚、実施例の金属エレメント３２は本発明の横断要素に対応し、実施例の圧縮側弾性限界ラインＬ４は本発明の弾性変形限界に対応する。

請求項１の構成によれば、金属リングが横断要素と接触する際に生じる接触応力を考慮して金属リングの内周面の応力中心を算出し、その応力中心が母材の弾性変形限界に熱処理による圧縮残留応力を加えた弾性変形限界を超えないことを条件として、金属リングの前記自由状態径を設定するので、圧縮応力が過大になって弾性変形限界を越えるのを防止して金属リングの寿命を確実に増加させることができる。

請求項２の構成によれば、熱処理による金属リングの圧縮残留応力をｘ［ＭＰａ］とし、軸間距離をｄとし、自由状態径をＲ₀ としたとき、
−１３００≦ｘ＜−１０００
Ｒ₀ ＜４．９３ｄ−５５７．４
Ｒ₀ ＜０．３３ｄ−４．７
が同時に成立するように金属リングの自由状態径を設定するので、全ての軸間距離において金属リングのトータルの圧縮応力が弾性変形限界を超えないようにするとともに、圧縮残留応力による金属リングの必要最小限の耐摩耗性を確保することができる。

請求項３の構成によれば、金属リングの自由状態径／最小巻付径をｙとし、前記熱処理による金属リングの圧縮残留応力をｘ［ＭＰａ］としたとき、
ｘ＜−１３００
ｙ＜０．００００２６ｘ² ＋０．０８４ｘ＋７０．５
ｙ＞０．０００００３ｘ² ＋０．００７ｘ＋５．０
が同時に成立するように金属リングの自由状態径を設定するので、金属リングのトータルの圧縮応力が弾性変形限界を超えないようにするとともに、圧縮残留応力による金属リングの耐摩耗性を充分に確保することができる。

請求項４の構成によれば、金属リングの自由状態径／最小巻付径をｙとし、前記熱処理による金属リングの圧縮残留応力をｘ［ＭＰａ］としたとき、
ｙ＜５．０
ｙ＞１．５
−１３００≦ｘ＜−１０００
が同時に成立するように金属リングの自由状態径を設定するので、請求項１の作用効果に加えて、圧縮残留応力による金属リングの必要最小限の耐摩耗性を確保しながら、運転に伴う金属リングの圧縮応力が過大になるのを回避することができる。

請求項５の構成によれば、金属リングの周長を補正することで自由状態径を設定した後の時効硬化処理を真円状態で行うので、周長の補正により均一に付与された自由状態径を崩すことなく時効硬化処理を行うことができ、また金属リングの自由状態径に影響を及ぼさない窒化処理を楕円状態で行うので、その窒化処理を行うためのスペースを削減することができる。

請求項６の構成によれば、金属リングを真円状態にして時効硬化処理を行う際に、使用状態で相互に接触しない複数の金属リングを同心状に配置するので、複数の金属リングが相互に干渉するのを防止しながら時効硬化処理を行うためのスペースを削減することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図１５は本発明の一実施例を示すもので、図１はベルト式無段変速機を搭載した車両の動力伝達系のスケルトン図、図２は金属ベルトの部分斜視図、図３は金属リングに作用する引張応力の説明図、図４は金属リングの内周面に作用する応力の変化を示すグラフ、図５は金属リングの外周面に作用する応力の変化を示すグラフ、図６は金属リングの非使用状態（無端状態）および使用状態の形状の説明図、図７はサドル面のエッジの曲率半径と応力集中係数との関係を示すグラフ、図８は金属リングの等寿命ラインを示す図、図９は金属リングの自由状態径の定義を説明する図、図１０は軸間距離および自由状態径の適切な領域を示すグラフ、図１１は圧縮残留応力および無次元化した自由状態径の適切な領域を示すグラフ、図１２は図４および図５の最大圧縮応力を各自由状態径に対してプロットして作成した、金属リングの自由状態径と最大圧縮応力との関係を示すグラフ（軸間距離１７０ｍｍの場合）、図１３は図４および図５の最大圧縮応力を各自由状態径に対してプロットして作成した、金属リングの自由状態径と最大圧縮応力との関係を示すグラフ（軸間距離１４３ｍｍの場合）、図１４は金属リングの時効硬化処理および窒化処理の手法の説明図、図１５は金属リングの窒化時に使用する保持金具を示す図である。

尚、本実施例で用いる金属エレメントあるいは金属リングの前後方向、幅方向、径方向の定義は図２に示されている。径方向はその金属エレメントが当接するプーリの径方向として定義されるもので、プーリのシャフトに近い側が径方向内側であり、プーリのシャフトに遠い側が径方向外側である。また幅方向は金属エレメントが当接するプーリのシャフトに沿う方向として定義され、前後方向は金属エレメントの車両の前進走行時における進行方向に沿う方向として定義される。

図１に示すように、車両用のベルト式無段変速機Ｔは平行に配置されたドライブシャフト１およびドリブンシャフト２を備えており、エンジンＥのクランクシャフト３の左端はダンパー４を介してドライブシャフト１の右端に接続される。

ドライブシャフト１に支持されたドライブプーリ５は、該ドライブシャフト１に対して相対回転自在な固定側プーリ半体５ａと、この固定側プーリ半体５ａに対して軸方向摺動自在な可動側プーリ半体５ｂとを備える。可動側プーリ半体５ｂは、作動油室６に作用する油圧により固定側プーリ半体５ａとの間の溝幅が可変である。ドリブンシャフト２に支持されたドリブンプーリ７は、該ドリブンシャフト２に一体に形成された固定側プーリ半体７ａと、この固定側プーリ半体７ａに対して軸方向摺動自在な可動側プーリ半体７ｂとを備える。可動側プーリ半体７ｂは、作動油室８に作用する油圧により固定側プーリ半体７ａとの間の溝幅が可変である。そしてドライブプーリ５とドリブンプーリ７との間に、２本の金属リング集合体に多数の金属エレメントを装着した金属ベルト９が巻き掛けられる。

ドライブシャフト１の左端に、前進変速段を確立する際に係合してドライブシャフト１の回転を同方向にドライブプーリ５に伝達するフォワードクラッチ１０と、後進変速段を確立する際に係合してドライブシャフト１の回転を逆方向にドライブプーリ５に伝達するリバースブレーキ１１とを備えた、シングルピニオン式の遊星歯車機構よりなる前後進切換機構１２が設けられる。前後進切換機構１２のサンギヤ２７はドライブシャフト１に固定され、プラネタリキャリヤ２８はリバースブレーキ１１によりケーシングに拘束可能であり、リングギヤ２９はフォワードクラッチ１０によりドライブプーリ５に結合可能である。

ドリブンシャフト２の右端に設けられる発進用クラッチ１３は、ドリブンシャフト２に相対回転自在に支持した第１中間ギヤ１４を該ドリブンシャフト２に結合する。ドリブンシャフト２と平行に配置された中間軸１５に、前記第１中間ギヤ１４に噛合する第２中間ギヤ１６が設けられる。ディファレンシャルギヤ１７のギヤボックス１８に設けた入力ギヤ１９に、前記中間軸１５に設けた第３中間ギヤ２０が噛合する。ギヤボックス１８にピニオンシャフト２１，２１を介して支持した一対のピニオン２２，２２に、ギヤボックス１８に相対回転自在に支持した左車軸２３および右車軸２４の先端に設けたサイドギヤ２５，２６が噛合する。左車軸２３および右車軸２４の先端にそれぞれ駆動輪Ｗ，Ｗが接続される。

しかして、セレクトレバーでフォワードレンジを選択すると、電子制御ユニットＵ１により作動する油圧制御ユニットＵ２からの指令により、先ずフォワードクラッチ１０が係合し、その結果ドライブシャフト１はドライブプーリ５に一体に結合される。続いて発進用クラッチ１３が係合し、エンジンＥのトルクがドライブシャフト１、ドライブプーリ５、金属ベルト９、ドリブンプーリ７、ドリブンシャフト２およびディファレンシャルギヤ１７を経て駆動輪Ｗ，Ｗに伝達され、車両は前進発進する。セレクトレバーでリバースレンジを選択すると、油圧制御ユニットＵ２からの指令により、リバースブレーキ１１が係合してドライブプーリ５がドライブシャフト１の回転方向と逆方向に駆動されるため、発進用クラッチ１３の係合により車両は後進発進する。

このようにして車両が発進すると、油圧制御ユニットＵ２からの指令でドライブプーリ５の作動油室６に供給される油圧が増加し、ドライブプーリ５の可動側プーリ半体５ｂが固定側プーリ半体５ａに接近して有効半径が増加するとともに、ドリブンプーリ７の作動油室８に供給される油圧が減少し、ドリブンプーリ７の可動側プーリ半体７ｂが固定側プーリ半体７ａから離反して有効半径が減少することにより、ベルト式無段変速機ＴのレシオがＬＯＷレシオ（最大レシオ）の状態からＯＤレシオ（最小レシオ）に向けて連続的に変化する。

図２に示すように、金属ベルト９は左右一対の金属リング集合体３１，３１に多数の金属エレメント３２…を支持したもので、各々の金属リング集合体３１は複数枚（実施例では１２枚）の金属リング３３…を積層して構成される。金属板材から打ち抜いて成形した金属エレメント３２は、エレメント本体３４と、金属リング集合体３１，３１が係合する左右一対のリングスロット３５，３５間に位置するネック部３６と、ネック部３６を介して前記エレメント本体３４の径方向外側に接続される概略三角形のイヤー部３７とを備える。エレメント本体３４の左右方向両端部には、ドライブプーリ５およびドリブンプーリ７のＶ面に当接可能な一対のプーリ当接面３９，３９が形成される。また金属エレメント３２の進行方向前側および後側には相互に当接する主面４０がそれぞれ形成され、また進行方向前側の主面４０の下部には左右方向に延びるロッキングエッジ４１を介して傾斜面４２が形成される。更に、前後に隣接する金属エレメント３２，３２を結合すべく、イヤー部３７の前後面に相互に嵌合可能な凹凸部４３が形成される。そして左右のリングスロット３５，３５の下縁に、金属リング集合体３１，３１の内周面を支持するサドル面４４，４４が形成される。

図３は、車両が最高速度走行状態（ＴＯＰレシオの状態）にあって、ドライブプーリ５の有効半径がドリブンプーリ７の有効半径よりも大きくなった状態を示しており、同図における金属ベルト９の厚さは該金属ベルト９の張力に起因する各金属リング３３…の引張応力の大小を模式的に表している。図４および図５にも破線で示すように、金属ベルト９がドリブンプーリ７からドライブプーリ５に戻る戻り側の弦部（Ａ領域）において前記応力は一定値σＴ_LOW であり、金属ベルト９がドライブプーリ５からドリブンプーリ７に送り出される往き側の弦部（Ｃ領域）において前記応力は一定値σＴ_HIGHである。Ａ領域の応力σＴ_LOW はＣ領域の応力σＴ_HIGHよりも小さく、金属ベルト９がドライブプーリ５に巻き付く部分（Ｂ領域）において、その入口側から出口側にかけて応力はσＴ_LOW からσＴ_HIGHまで増加し、金属ベルト９がドリブンプーリ７に巻き付く部分（Ｄ領域）において、その入口側から出口側にかけて応力はσＴ_HIGHからσＴ_LOW まで減少する。

上記金属ベルト９の張力に基づく金属リング３３の引張応力は、その厚さ方向に一定である。即ち、図４および図５に破線で示すように、最内層の金属リング３３の内周面の引張応力および外周面の引張応力は同じである。

金属リング３３には前記張力に基づく引張応力に加えて、金属リング３３の曲げに基づく引張応力および圧縮応力が作用する。図９（Ａ）〜（Ｃ）に示すように切断時の金属リング３３の半径は一定のＲ₀ （自由状態径）であるが、使用状態の金属リングは前記Ａ領域〜Ｄ領域を有する形状に変形する。戻り側弦部（Ａ領域）および往き側弦部（Ｃ領域）では自由状態Ｒ₀ であった曲率半径が∞に増加し、大径側のドライブプーリ５に巻き付くＢ領域では自由状態Ｒ₀ であった曲率半径がＲ_DRに変化し、小径側のドリブンプーリ７に巻き付くＤ領域では自由状態Ｒ₀ であった曲率半径がＲ_DNに変化する。金属リング３３の自由状態Ｒ₀ は、リング周長補正工程により付与される。

このように金属リング３３の曲率半径が増加するＡ領域およびＣ領域では、該金属リング３３の内周面に引張曲げ応力σＶ_STが作用し、外周面に圧縮曲げ応力σＶ_STが作用する。一方、金属リング３３の曲率半径が減少するＢ領域およびＤ領域では、該金属リング３３の内周面に曲げ応力σＶ_DR，σＶ_DNが作用し、外周面に曲げ応力σＶ_DR，σＶ_DNが作用する。

図４および図５のグラフには、車両が図３で説明した最高速度走行状態にあるときに、金属リング３３の内周面および外周面に作用する曲げ応力の変化も示されている。図４に示すように、金属リング３３の内周面には、その２つの弦部（Ａ領域およびＣ領域）に一定の引張曲げ応力σＶ_STが作用し、曲率半径が大きい方のドライブプーリ５に巻き付くＢ領域では曲げ応力σＶ_DRが作用し、曲率半径が小さい方のドリブンプーリ７に巻き付くＤ領域では曲げ応力σＶ_DNが作用する。一方、図５に示すように、金属リング３３の外周面には、その２つの弦部（Ａ領域およびＣ領域）に一定の圧縮曲げ応力σＶ_STが作用し、曲率半径が大きい方のドライブプーリ５に巻き付くＢ領域では曲げ応力σＶ_DRが作用し、曲率半径が小さい方のドリブンプーリ７に巻き付くＤ領域では曲げ応力σＶ_DNが作用する。

更に、最内層の金属リング３３の内周面には金属エレメント３２のサドル面４４との接触に伴う圧縮応力（接触応力）が作用する。図４において、ドライブプーリ５側の接触応力はσＣ_DRで表され、ドリブンプーリ７側の接触応力はσＣ_DNで表される。この接触応力はσＣ_DR，σＣ_DNは、金属リング３３の張力に、金属エレメント３２のサドル面４４のエッジの曲率半径に応じた応力集中係数（一般に３０〜６０程度）を乗算することで算出される。サドル面４４のエッジの曲率半径と応力集中係数との関係は図７に示される。

尚、図４は最内層の金属リング３３の内周面の応力を示すものであるが、最内層以外の金属リング３３の内周面の応力は接触応力σＣ_DR，σＣ_DNを含まないものとなる。なぜならば、最内層以外の金属リング３３の内周面は金属エレメント３２のサドル面４４に接触しないからである。また図５は最内層の金属リング３３の外周面の応力を示すものであるが、最内層以外の金属リング３３の外周面の応力もこれと同じになる。

さて、金属リング３３の表面には、その耐摩耗性を高めるための窒化処理によって圧縮残留応力が付与される。窒化処理により付与される残留応力は、その内周面および外周面で同じ符号（圧縮応力のみ）になる。

図４の実線は金属リング３３の張力に基づいて作用する応力σＴ_LOW ，σＴ_HIGHと、金属リング３３の曲げに基づいて該金属リング３３の内周面に作用する応力σＶ_DR，σＶ_DNと、サドル面４４との接触により作用する接触応力σＣ_DR，σＣ_DNとを加算したもので、金属リング３３の内周面に作用するトータルの応力の変化を示している。また図５の実線は金属リング３３の張力に基づいて作用する応力σＴ_LOW ，σＴ_HIGHと、金属リング３３の曲げに基づいて該金属リング３３の外周面に作用する応力σＶ_DR，σＶ_DNとを加算したもので、金属リング３３の外周面に作用するトータルの応力の変化を示している。

図４において、金属リング３３の内周面の応力振幅σａｉは、最大引張応力および最大圧縮応力の偏差の２分の１で定義され、金属リング３３の内周面の応力中心σｍｉは応力振幅σａｉの中心における応力で定義される。同様に、図５において、金属リング３３の外周面の応力振幅σａｏは、最大引張応力および最大圧縮応力の差の２分の１で定義され、金属リング３３の外周面の応力中心σｍｏは応力振幅σａｏの中心における応力で定義される。

図８は横軸に最内層リング表面の応力中心σｍを取り、縦軸に最内層リング表面の応力振幅σａを取ったもので、右下がりの等寿命ラインＬ１，Ｌ２は金属リング３３の疲労寿命が等しくなる応力中心σｍおよび応力振幅σａの組み合わせを示している。応力中心σｍおよび応力振幅σａが小さくなるほど、つまり等寿命ラインＬ１，Ｌ２が原点に近づくほど、金属リング３３の疲労寿命が長くなる。

図４に示す最内層の金属リング３３の内周面の応力中心σｍｉおよび応力振幅σａｉがＡ点において乗る等寿命ラインＬ１は、金属リング３３に１．５×１０⁷ の繰り返し曲げを与えたときに破壊することを示している。一方、図５に示す最内層の金属リング３３の外周面の応力中心σｍｏおよび応力振幅σａｏがＢ点において乗る等寿命ラインＬ２は、金属リング３３に５×１０⁷ の繰り返し曲げを与えたときに破壊することを示している。即ち、金属リング３３の内周面の耐久性は外周面の耐久性の３分の１以下であり、最内層の金属リング３３は疲労によって内周面から破壊することを示している。

ラインＬ３は金属リング３３の材料によって決まる弾性限界ラインであって、このラインの外側（右上側）の領域では、大きな応力振幅σａｉ，σａｏによって金属リング３３が塑性変形する。ラインＬ４は金属リング３３の圧縮側弾性限界ラインであって、このラインの外側（左上側）の領域では圧縮応力が弾性限界を超えて金属リング３３が塑性変形する。前記ラインＬ４は、母材の弾性限界Ｌ４′に熱処理による圧縮残留応力Δσを加えることで決まる。

ところで、図９（Ａ）に示すように、無端状態で半径Ｒを有する金属リング３３に周長の差による残留応力がなければ、その金属リング３３の一部を切除した状態、つまり残留応力を解放した状態の自由状態径Ｒ₀ は無端状態径Ｒに等しくなる。一方、図９（Ｂ）に示すように、無端状態の金属リング３３の残留応力が外周面において圧縮応力であり内周面において引張応力であれば、その一部の切除によって金属リング３３の外周面が伸びて内周面が縮むために金属リング３３が閉じるように変形し、自由状態径Ｒ₀ は無端状態径Ｒよりも小さくなる。逆に、図９（Ｃ）に示すように、無端状態の金属リング３３の残留応力が外周面において引張応力であり内周面において圧縮応力であれば、その一部の切除によって金属リング３３の外周面が縮んで内周面が伸びるために金属リング３３が開くように変形し、自由状態径Ｒ₀ は無端状態径Ｒよりも大きくなる。

このように、金属リング３３の外周面あるいは内周面を引き伸ばす周長補正により任意の自由状態径Ｒ₀ を付与することができる。

図４および図５に実線で示す金属リング３３のトータルの応力の変化特性は、周長補正（自由状態径Ｒ₀ ）による曲げ応力の変化によって上下方向に平行移動する。従って、周長補正によって金属リング３３の応力振幅σａｉ，σａｏは変化しないが、応力中心σｍｉ，σｍｏは変化する。

しかして、金属リング３３の自由状態径Ｒ₀ を調整して曲げ応力を変化させることで応力中心σｍｉ，σｍｏを変化させることが可能なため、図８において等寿命ラインＬ１上のＡ点にある最内層の金属リング３３の応力中心σｍｉおよび応力振幅σａｉのうち、応力中心σｍｉを矢印で示す方向に移動させることができる。つまり金属リング３３の自由状態径Ｒ₀ を大きくすると、応力中心σｍｉおよび応力振幅σａｉの組み合わせが等寿命ラインＬ１上のＡ点から等寿命ラインＬ２上のＡ′点へと移動し、金属リング３３の内周面の疲労強度を増加させることができる。

但し、応力中心σｍｉを矢印で示す方向に無制限に移動させることはできず、圧縮側弾性限界ラインＬ４（例えば圧縮応力＝−７００ＭＰａ）が限界となる。なぜならば、圧縮側弾性限界ラインＬ４を右から左に超えると、最内層の金属リング３３の内周面の圧縮応力が過大になって塑性変形することで金属リング３３が破損するためである。圧縮側弾性限界ラインＬ４の位置は金属リング３３の窒化処理の特性により、つまり窒化処理で金属リング３３に付与された圧縮残留応力により決定される。

図１０は最内層の金属リング３３の耐久性を高めることができる領域を斜線で示すグラフであって、横軸は軸間距離ｄ［ｍｍ］、縦軸は自由状態径Ｒ₀ ［ｍｍ］である。ラインＬ５は、熱処理による圧縮残留応力が−１３００ＭＰａであるとしたときに内周側の最大圧縮応力が−７００ＭＰａとなる、軸間距離が１７０ｍｍで内周の自由状態径が２８０ｍｍの点（図１２のｂ１７０参照）と、軸間距離が１４３ｍｍで内周の自由状態径が１４７ｍｍの点（図１３のｂ１４３参照）とを通る。同様にラインＬ６は、外周側の最大圧縮応力が−７００ＭＰａとなる、軸間距離が１７０ｍｍで外周の自由状態径が５２ｍｍの点（図１２のａ１７０参照）と、軸間距離が１４３ｍｍで外周の自由状態径が４３ｍｍの点（図１３のａ１４３参照）とを通る。

図１０の斜線部、つまり、
Ｒ₀ ＜４．９３ｄ−５５７．４
Ｒ₀ ＞０．３３ｄ−４．７
が同時に成立し、熱処理による圧縮残留応力ｘ［ＭＰａ］を、
−１３００≦ｘ＜１０００
とすれば、トータルの圧縮応力が２０００ＭＰａを超えず（−２０００ＭＰａより小さくならず）、弾性変形限界内であり、かつ金属リング３３の必要最小限の耐摩耗性を確保しているので、金属リング３３の寿命を効果的に確保することができる。

図１１は最内層の金属リング３３の耐久性を高めることができる領域を斜線で示すグラフであって、その横軸は窒化処理による圧縮残留応力であり、その縦軸は最小巻付径（ドライブプーリ５あるいはドリブンプーリ７に巻き付いたときの最小半径）で無次元化した金属リング３３の自由状態径Ｒ₀ である。前記領域の一部を区画する境界Ｓ１およびＳ２は、最内層の金属リング３３の応力中心σａｉおよび応力振幅σｍａが圧縮側弾性限界ラインＬ４（図８参照）を超えないという条件に対応するもので、また境界Ｓ３は、金属リング３３の耐摩耗性を確保するために必要な窒化処理の強さに対応するもので、金属リング３３の圧縮残留応力で−１３００ＭＰａに相当する。

図１１の縦軸ｙを金属リング３３の自由状態径／最小巻付径をとし、横軸ｘを熱処理による金属リング３３の圧縮残留応力［ＭＰａ］としたとき、境界Ｓ１は、
ｙ＝０．００００２６ｘ² ＋０．０８４ｘ＋７０．５
で表され、境界Ｓ２は、
ｙ＝０．０００００３ｘ² ＋０．００７ｘ＋５．０
で表され、境界Ｓ３は、ｘ＝−１３００で表され、境界Ｓ４は、ｘ＝−１０００で表され、境界Ｓ５はｙ＝１．５で表され、境界Ｓ６はｙ＝５．０で表される。

従って、最内層の金属リング３３の窒化処理による圧縮残留応力および無次元化した自由状態径Ｒ₀ を、図１１の境界Ｓ１〜Ｓ３に囲まれた最適領域に設定することで、金属リング３３の応力が圧縮側弾性限界ラインＬ４を超えるのを回避し、金属リング３３の耐摩耗性を充分に確保し、かつ金属エレメント３２のサドル面４４との接触応力を考慮しながら、繰り返し曲げに対する耐久性を最大限に高めることができる。

ところで、境界Ｓ３（圧縮残留応力ｘ＝−１３００ＭＰａ）により規定される条件は、金属エレメント３３のサドル面４４をコーティング処理したり、サドル面４４の硬度を下げたり、サドル面４４の保油性を上げる等の手段で克服することができるので、境界Ｓ３を境界Ｓ４（圧縮残留応力ｘ＝−１０００ＭＰａ）まで広げることができる。但し、境界Ｓ３，Ｓ４に挟まれた領域では、無次元化した自由状態径Ｒ₀ ｙが、１．５（境界Ｓ５）から５．０（境界Ｓ６）までの範囲に制限される。以下、境界Ｓ５，Ｓ６により規制される金属リング３３の自由状態径Ｒ₀ の意味合いを説明する。

図１２および図１３はＴＯＰレシオ状態における金属リング３３の自由状態径Ｒ₀ と最大圧縮応力との関係を示すグラフであって、それぞれ軸間距離（ドライブシャフト１およびドリブンシャフト２間の距離）が１７０ｍｍの場合と１４３ｍｍの場合とに対応している。ここで図１２におけるａ１７０及びｂ１７０は、軸間距離１７０ｍｍの場合において最大圧縮応力が−７００ＭＰａとなる金属リング３３の外周側及び内周側の自由状態径であり、図１３におけるａ１４３及びｂ１４３は、軸間距離１４３ｍｍの場合において最大圧縮応力が−７００ＭＰａとなる金属リング３３の外周側及び内周側の自由状態径である。自由状態径Ｒ₀ が増加すると金属リング３３の内周側の最大圧縮応力の絶対値が大きくなり、自由状態径Ｒ₀ が減少すると金属リング３３の外周側の最大圧縮応力の絶対値が大きくなる。

熱処理による圧縮残留応力が−１３００ＭＰａの場合、図１２および図１３の最大圧縮応力は−７００ＭＰａより大きい必要がある（合計を−２０００ＭＰａより大きくするため）。即ち、自由状態径Ｒ₀ は図１２においてはａ１７０（５２ｍｍ）〜ｂ１７０（２８０ｍｍ）の間にある必要があり、図１３においてはａ１４３（４３ｍｍ）〜ｂ１４３（１４７ｍｍ）の間にある必要がある。軸間距離１７０ｍｍの場合の最小巻き付き径をｒ１７０とし、軸間距離１４３ｍｍの場合の最小巻き付き径をｒ１４３とすると、ａ１７０／ｒ１７０＝１．３、ｂ１７０／ｒ１７０＝９．２、ａ１４３／ｒ１４３＝１．５、ｂ１４３／ｒ１４３＝５．０となる。

従って、軸間距離１４３ｍｍにおける範囲１．５（境界Ｓ５）〜５．０（境界Ｓ６）にｙを設定すれば、実用的な範囲（軸間距離１４３ｍｍ〜１７０ｍｍ）で、耐摩耗性、繰り返し曲げに対する耐久性の高い金属リング３３を得ることができる。また圧縮残留応力の絶対値が１３００ＭＰａよりも大きい場合の好適範囲は、同様に境界Ｓ１および境界Ｓ２に挟まれた範囲となる。図１１における境界Ｓ１′、Ｓ２′、Ｓ５′、Ｓ６′は、軸間距離１７０ｍｍにおける境界Ｓ１、Ｓ２、Ｓ５、Ｓ６に対応している。更に、圧縮残留応力の絶対値が１３００ＭＰａよりも小さい場合、図１２および図１３の外周の曲線よりＳ２≒Ｓ５となる。また境界Ｓ１の延長線が圧縮残留応力の絶対値の減少につれて増加するため、図１１におけるｘに対するｙの値を見誤る虞がある。従って、この範囲ではｙは境界Ｓ６に設定する。

しかして、窒化処理により金属リング３３に与えられた圧縮残留応力から、図１１の斜線の領域に納まるように金属リング３３の適切な自由状態径Ｒ₀ を設定することで、つまり最内層の金属リング３３が金属エレメント３２のサドル面４４から受ける接触応力や、金属リング３３の弾性変形限界を考慮した自由状態径Ｒ₀ を設定することで、金属リング３３の疲労寿命を効果的に延長するとともに、運転中に金属リング３３に作用する圧縮応力と圧縮残留応力との和を材料の弾性変形限界応力（例えば２０００ＭＰａ）以下に抑えて金属リング３３の破損を確実に防止することができる。

ところで、金属リング３３の自由状態径Ｒ₀ を設定するための周長補正工程は、その前工程である溶体化処理と、その後工程である時効硬化処理とを含んでいる。この時効硬化処理を行うとき、金属リング３３の形状が歪んでいると自由状態径Ｒ₀ に影響が及ぶため、図１４（Ａ）に示すように金属リング３３を真円状態に保持して時効硬化処理を行う必要がある。

しかしながら、多数の金属リング３３を真円状態に保持するには多くのスペースを必要とするため、金属リング集合体３１を構成する１２枚の金属リング３３を内周側から外周側に♯１〜♯１２としたとき、図１４（Ｂ）に示すように、３枚おきの♯１、♯４、♯７、♯１０をセットとし、最も小径の♯１から最も大径の♯１０までを同心状に配置することで、相互の干渉を回避しながら狭いスペースで時効硬化処理を行うことができる。同様に、♯２、♯５、♯８、♯１１の４枚と、♯３、♯６、♯９、♯１２の４枚とをそれぞれセットとして時効硬化処理が行われる。尚、３枚おきの金属リング３３をセットにする代わりに、２枚おき、あるいは４枚おきの金属リング３３をセットにしても良い。

一方、周長補正工程の完了後に行われる窒化処理工程では、金属リング３３の保持形状が自由状態径Ｒ₀ に影響を及ぼさないことから、図１４（Ｃ）に示すように、金属リング３３を楕円形状に押し潰して窒化処理を行う。このように金属リング３３を楕円形状にすることにより、それを真円形状にする場合に比べて必要なスペースを削減することができる。更に、図１５（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、窒化時の保持金具４５を金属リング３３の端部との接触面積が少ないものとすれば、より完全に保持金具４５の影響を排除することができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。

ベルト式無段変速機を搭載した車両の動力伝達系のスケルトン図 金属ベルト部分斜視図 金属リングに作用する引張応力の説明図 金属リングの内周面に作用する応力の変化を示すグラフ 金属リングの外周面に作用する応力の変化を示すグラフ 金属リングの非使用状態（無端状態）および使用状態の形状の説明図 サドル面のエッジの曲率半径と応力集中係数との関係を示すグラフ 金属リングの等寿命ラインを示す図 金属リングの自由状態径の定義を説明する図 軸間距離および自由状態径の適切な領域を示すグラフ 圧縮残留応力および無次元化した自由状態径の適切な領域を示すグラフ 図４および図５の最大圧縮応力を各自由状態径に対してプロットして作成した、金属リングの自由状態径と最大圧縮応力との関係を示すグラフ（軸間距離１７０ｍｍの場合） 図４および図５の最大圧縮応力を各自由状態径に対してプロットして作成した、金属リングの自由状態径と最大圧縮応力との関係を示すグラフ（軸間距離１４３ｍｍの場合） 金属リングの時効硬化処理および窒化処理の手法の説明図 金属リングの窒化時に使用する保持金具を示す図

９ 金属ベルト
３２ 金属エレメント（横断要素）
３３ 金属リング
Ｌ４ 圧縮側弾性限界ライン（弾性変形限界）
Ｌ４′ 母材の弾性変形限界
Ｒｏ 自由状態径
Ｔ ベルト式無段変速機
σａｉ 応力振幅
σａｏ 応力振幅
σｍｉ 応力中心
σＣ_DR 接触応力
σＣ_DN 接触応力
Δσ 熱処理による圧縮残留応力

Claims (6)

1. ベルト式無段変速機（Ｔ）の金属ベルト（９）の金属リング（３３）の疲労寿命を増加させるべく、金属リング（３３）を切断したときの自由状態径（Ｒ₀ ）を設定する金属ベルト用金属リングの自由状態径設定方法において、
   金属リング（３３）の内周面の応力中心（σｍｉ）を、ベルト式無段変速機（Ｔ）の作動中における、金属リング（３３）が横断要素（３２）と接触する際に生じる接触応力（σＣ _DR ，σＣ _DN ）を考慮した金属リング（３３）の内周面の応力の変動から算出し、この応力中心（σｍｉ）が、母材の弾性変形限界（Ｌ４′）に熱処理による圧縮残留応力（Δσ）を加えた金属リング（３３）の弾性変形限界（Ｌ４）を超えないことを条件として、金属リング（３３）の前記自由状態径（Ｒ₀ ）を設定することを特徴とする金属ベルト用金属リングの自由状態径設定方法。
2. 前記熱処理による金属リング（３３）の圧縮残留応力をｘ［ＭＰａ］とし、軸間距離をｄとし、自由状態径をＲ₀ としたとき、
   −１３００≦ｘ＜−１０００
   Ｒ₀ ＜４．９３ｄ−５５７．４
   Ｒ₀ ＜０．３３ｄ−４．７
   が同時に成立するように前記金属リング（３３）の自由状態径（Ｒ ₀ ）を設定することを特徴とする、請求項１に記載の金属ベルト用金属リングの自由状態径設定方法。
3. 金属リング（３３）の自由状態径／最小巻付径をｙとし、前記熱処理による金属リング（３３）の圧縮残留応力をｘ［ＭＰａ］としたとき、
   ｘ＜−１３００
   ｙ＜０．００００２６ｘ² ＋０．０８４ｘ＋７０．５
   ｙ＞０．０００００３ｘ² ＋０．００７ｘ＋５．０
   が同時に成立するように前記金属リング（３３）の自由状態径（Ｒ ₀ ）を設定することを特徴とする、請求項１に記載の金属ベルト用金属リングの自由状態径設定方法。
4. 金属リング（３３）の自由状態径／最小巻付径をｙとし、前記熱処理による金属リング（３３）の圧縮残留応力をｘ［ＭＰａ］としたとき、
   ｘ＜−１３００
   ｙ＜０．００００２６ｘ² ＋０．０８４ｘ＋７０．５
   ｙ＞０．０００００３ｘ² ＋０．００７ｘ＋５．０
   が同時に成立するか、あるいは、
   ｙ＜５．０
   ｙ＞１．５
   −１３００≦ｘ＜−１０００
   が同時に成立するように前記金属リング（３３）の自由状態径（Ｒ ₀ ）を設定することを特徴とする、請求項１に記載の金属ベルト用金属リングの自由状態径設定方法。
5. 金属リング（３３）の自由状態径（Ｒ₀ ）の設定を金属リング（３３）の周長の補正により行い、周長を補正した後の時効硬化処理を真円状態で行い、時効硬化処理後の窒化処理を楕円状態で行うことを特徴とする、請求項１に記載の金属ベルト用金属リングの自由状態径設定方法。
6. 前記時効硬化処理を、使用状態で相互に接触しない複数の金属リング（３３）を同心状に配置して行うことを特徴とする、請求項５に記載の金属ベルト用金属リングの自由状態径設定方法。

Images