JP5803188B2 - トロイダル型無段変速機 - Google Patents

Description

本発明は、自動車や各種産業機械の変速機などに利用可能なトロイダル型無段変速機に関する。

例えば自動車用変速機として用いるダブルキャビティ式トロイダル型無段変速機は、図３および図４に示すように構成されている。図３に示すように、ケーシング５０の内側には入力軸（中心軸）１が回転自在に支持されており、この入力軸１の外周には、２つの入力側ディスク２，２と２つの出力側ディスク３，３とが取り付けられている。また、入力軸１の中間部の外周には出力歯車４が回転自在に支持されている。この出力歯車４の中心部に設けられた円筒状のフランジ部４ａ，４ａには、出力側ディスク３，３がスプライン結合によって連結されている。

入力軸１は、図中左側に位置する入力側ディスク２とカム板７との間に設けられたローディングカム式の押圧装置１２を介して、駆動軸２２により回転駆動されるようになっている。また、出力歯車４は、２つの部材の結合によって構成された仕切壁１３を介してケーシング５０内に支持されており、これにより、入力軸１の軸線Ｏを中心に回転できる一方で、軸線Ｏ方向の変位が阻止されている。

出力側ディスク３，３は、入力軸１との間に介在されたニードル軸受５，５によって、入力軸１の軸線Ｏを中心に回転自在に支持されている。また、図中左側の入力側ディスク２は、入力軸１にボールスプライン６を介して支持され、図中右側の入力側ディスク２は、入力軸１にスプライン結合されており、これら入力側ディスク２は入力軸１と共に回転するようになっている。また、入力側ディスク２，２の内側面（凹面）２ａ，２ａと出力側ディスク３，３の内側面（凹面）３ａ，３ａとの間には、パワーローラ１１（図４参照）が回転自在に挟持されている。

図３中右側に位置する入力側ディスク２の内周面２ｃには、段差部２ｂが設けられ、この段差部２ｂに、入力軸１の外周面１ａに設けられた段差部１ｂが突き当てられるとともに、入力側ディスク２の背面（図３の右面）がローディングナット９に突き当てられている。これによって、入力側ディスク２の入力軸１に対する軸線Ｏ方向の変位が実質的に阻止されている。また、カム板７と入力軸１の鍔部１ｄとの間には、皿ばね８が設けられており、この皿ばね８は、各ディスク２，２，３，３の凹面２ａ，２ａ，３ａ，３ａとパワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａとの当接部に押圧力を付与する。

図４は、図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図４に示すように、ケーシング５０の内側には、入力軸１に対し捻れの位置にある一対の枢軸１４，１４を中心として揺動する一対のトラニオン１５，１５が設けられている。なお、図４においては、入力軸１の図示は省略している。各トラニオン１５，１５は、パワーローラ１１を支持する支持板部１６の長手方向(図４の上下方向)の両端部に、この支持板部１６の内側面側に折れ曲がる状態で形成された一対の折れ曲がり壁部２０，２０を有している。そして、この折れ曲がり壁部２０，２０によって、各トラニオン１５，１５には、パワーローラ１１を収容するための凹状のポケット部Ｐが形成される。また、各折れ曲がり壁部２０，２０の外側面には、各枢軸１４，１４が互いに同心的に設けられている。

支持板部１６の中央部には円孔２１が形成され、この円孔２１には変位軸２３の基端部２３ａが支持されている。そして、各枢軸１４，１４を中心として各トラニオン１５，１５を揺動させることにより、これら各トラニオン１５，１５の中央部に支持された変位軸（軸部）２３の傾斜角度を調節できるようになっている。また、各トラニオン１５，１５の内側面から突出する変位軸２３の先端部２３ｂの周囲には、ラジアルニードル軸受を介して各パワーローラ１１が回転自在に支持されており、各パワーローラ１１，１１は、各入力側ディスク２，２および各出力側ディスク３，３の間に挟持されている。なお、各変位軸２３，２３の基端部２３ａと先端部２３ｂとは、互いに偏心している。

また、各トラニオン１５，１５の枢軸１４，１４はそれぞれ、一対のヨーク２３Ａ，２３Ｂに対して揺動自在および軸方向(図４の上下方向)に変位自在に支持されており、各ヨーク２３Ａ，２３Ｂにより、トラニオン１５，１５はその水平方向の移動を規制されている。各ヨーク２３Ａ，２３Ｂは鋼等の金属のプレス加工あるいは鍛造加工により矩形状に形成されている。各ヨーク２３Ａ，２３Ｂの四隅には円形の支持孔１８が４つ設けられており、これら支持孔１８にはそれぞれ、トラニオン１５の両端部に設けた枢軸１４がラジアルニードル軸受３０を介して揺動自在に支持されている。また、ヨーク２３Ａ，２３Ｂの幅方向（図３の左右方向）の中央部には、円形の係止孔１９が設けられており、この係止孔１９の内周面は球状凹面として、球面ポスト６４，６８を内嵌している。すなわち、上側のヨーク２３Ａは、ケーシング５０に固定部材５２を介して支持されている球面ポスト６４によって揺動自在に支持されており、下側のヨーク２３Ｂは、球面ポスト６８およびこれを支持する駆動シリンダ３１の上側シリンダボディ６１によって揺動自在に支持されている。

なお、各トラニオン１５，１５に設けられた各変位軸２３，２３は、入力軸１に対し、互いに１８０度反対側の位置に設けられている。また、これらの各変位軸２３，２３の先端部２３ｂが基端部２３ａに対して偏心している方向は、両ディスク２，２，３，３の回転方向に対して同方向(図４で上下逆方向)となっている。また、偏心方向は、入力軸１の配設方向に対して略直交する方向となっている。したがって、各パワーローラ１１，１１は、入力軸１の長手方向に若干変位できるように支持される。その結果、押圧装置１２が発生するスラスト荷重に基づく各構成部材の弾性変形等に起因して、各パワーローラ１１，１１が入力軸１の軸方向に変位する傾向となった場合でも、各構成部材に無理な力が加わらず、この変位が吸収される。

また、パワーローラ１１の外側面とトラニオン１５の支持板部１６の内側面との間には、パワーローラ１１の外側面の側から順に、スラスト転がり軸受であるスラスト玉軸受２４と、スラストニードル軸受２５とが設けられている。このうち、スラスト玉軸受２４は、各パワーローラ１１に加わるスラスト方向の荷重を支承しつつ、これら各パワーローラ１１の回転を許容するものである。このようなスラスト玉軸受２４はそれぞれ、複数個ずつの玉（以下、転動体という）２６，２６と、これら各転動体２６，２６を転動自在に保持する円環状の保持器２７と、円環状の外輪２８とから構成されている。また、各スラスト玉軸受２４の内輪軌道は各パワーローラ１１の外側面（大端面）に、外輪軌道は各外輪２８の内側面にそれぞれ形成されている。

また、スラストニードル軸受２５は、トラニオン１５の支持板部１６の内側面と外輪２８の外側面との間に挟持されている。このようなスラストニードル軸受２５は、パワーローラ１１から各外輪２８に加わるスラスト荷重を支承しつつ、これらパワーローラ１１および外輪２８が各変位軸２３の基端部２３ａを中心として揺動することを許容する。

さらに、各トラニオン１５，１５の一端部(図４の下端部)にはそれぞれ駆動ロッド（トラニオン軸）２９，２９が設けられており、各駆動ロッド２９，２９の中間部外周面に駆動ピストン（油圧ピストン）３３，３３が固設されている。そして、これら各駆動ピストン３３，３３はそれぞれ、上側シリンダボディ６１と下側シリンダボディ６２とによって構成された駆動シリンダ３１内に油密に嵌装されている。これら各駆動ピストン３３，３３と駆動シリンダ３１とで、各トラニオン１５，１５を、これらトラニオン１５，１５の枢軸１４，１４の軸方向に変位させる駆動装置３２を構成している。

このように構成されたトロイダル型無段変速機の場合、入力軸１の回転は、押圧装置１２を介して、各入力側ディスク２，２に伝えられる。そして、これら入力側ディスク２，２の回転が、一対のパワーローラ１１，１１を介して各出力側ディスク３，３に伝えられ、更にこれら各出力側ディスク３，３の回転が、出力歯車４より取り出される。

入力軸１と出力歯車４との間の回転速度比を変える場合には、一対の駆動ピストン３３，３３を互いに逆方向に変位させる。これら各駆動ピストン３３，３３の変位に伴って、一対のトラニオン１５，１５が互いに逆方向に変位する。例えば、図４の左側のパワーローラ１１が同図の下側に、同図の右側のパワーローラ１１が同図の上側にそれぞれ変位する。その結果、これら各パワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａと各入力側ディスク２，２および各出力側ディスク３，３の内側面２ａ，２ａ，３ａ，３ａとの当接部に作用する接線方向の力の向きが変化する。そして、この力の向きの変化に伴って、各トラニオン１５，１５が、ヨーク２３Ａ，２３Ｂに枢支された枢軸１４，１４を中心として、互いに逆方向に揺動（傾転）する。

その結果、各パワーローラ１１，１１の周面１１ａ，１１ａと各内側面２ａ，３ａとの当接位置が変化し、入力軸１と出力歯車４との間の変速比が変化する。また、これら入力軸１と出力歯車４との間で伝達するトルクが変動し、各構成部材の弾性変形量が変化すると、各パワーローラ１１，１１およびこれら各パワーローラ１１，１１に付属の外輪２８，２８が、各変位軸２３，２３の基端部２３ａ、２３ａを中心として僅かに回動する。これら各外輪２８，２８の外側面と各トラニオン１５，１５を構成する支持板部１６の内側面との間には、それぞれスラストニードル軸受２５，２５が存在するため、前記回動は円滑に行われる。したがって、前述のように各変位軸２３，２３の傾斜角度を変化させるための力が小さくて済む。

ところで、前述したようなトロイダル型無段変速機の部品点数の低減化および小型化を図るべく、特許文献１および特許文献２等には、一対の出力側ディスク３，３と出力歯車４とを一体とする中間ディスクの構造が記載されている。すなわち、図５に示されるように、一体型の出力側ディスク３Ａの外周にギヤ部（歯部）３ｂを形成して成る構造を開示している。

特開平１１−１４１６３７号公報 特開平１１−０６３１３９号公報

一対の出力側ディスク３，３と出力歯車４との一体化に加え、更なる変速機の小型化のためには、トロイダル型無段変速機を支持する軸と一体型の出力側ディスク３Ａに噛み合う歯車を支持する軸との軸間距離を極力小さくすることが好ましいが、そのようにすると、出力側ディスク３Ａのトラクショ面（油膜によって形成されるパワーローラ１１とディスクとの間の界面である。本明細書中では、便宜上、ディスク３Ａの凹面３ａをトラクション面と称することがある）の外周側端部から歯車までの距離が近くなるため、出力側ディスク３Ａのギヤ部３ｂがトラクション面３ａの接触部のせん断応力の影響を受けるようになる。

また、トロイダル型無段変速機を搭載した自動車の更なる低燃費化のためには、トロイダル型無段変速機の変速比幅を大きくすることが有効であり、トラクション面３ａの有効範囲がこれまでよりも更に広くなるような設計を行なう必要がある。そのため、トロイダル型無段変速機の変速比が最低速の時の出力側ディスク３Ａのトラクション面接触位置は、ギヤ部３ｂの溝底よりも大きく外側までに広がる場合があり、トラクション面接触部のせん断応力がギヤ部３ｂに影響する度合いが更に大きくなる。

また、図５に示されるように、最低速時のトラクション面３ａに対する荷重入力方向は、図中に一点鎖線の矢印で示されるように更に径方向外側を向くようになるため、荷重の径方向成分力が更に大きくなる。そのため、一体型の出力側ディスク３Ａを径方向外側に広げる力が作用するようになり、出力側ディスク３Ａのギヤ部３ｂの歯底には引張り荷重が作用し易くなる。このように、一体型の出力側ディスク（中間ディスク）３Ａの外周のギヤ部３ｂには、歯面からの力による応力だけでなく、前述したような影響を受けるようになる。

本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、中間ディスク（一体型のディスク）の外周ギヤ部の耐久性を向上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する。

前記目的を達成するために、本発明のトロイダル型無段変速機は、回転軸と、それぞれが断面円弧状の凹面である内側面を互いに対向させた状態で前記回転軸の両端部に、この回転軸と同期した回転を自在に支持された一対の外側ディスクと、軸方向両側面を断面円弧状の凹面とし、前記回転軸の周囲に、この回転軸に対する相対回転を自在として支持された中間ディスクと、この中間ディスクの外周面に直接形成された前記回転軸と同心のギヤ部と、前記外側ディスクの内側面と前記中間ディスクの側面との間に設けられたパワーローラとを備えるトロイダル型無段変速機において、前記ギヤ部に硬化層が形成され、この硬化層の深さは、前記ギヤ部と噛み合う歯車の硬化層深さよりも深く設定されていることを特徴とする。
上記構成において、ギヤ部の耐久性の更なる向上のため、前記ギヤ部の歯の根元の中心部に、中間ディスクの中心部の硬さと略同様の硬さから成る部位が存在することが好ましい。

本発明のトロイダル型無段変速機によれば、中間ディスク（一体型ディスク）の外周ギヤ部の硬化層深さが該ギヤ部と噛み合う歯車の硬化層深さよりも深く設定されているので、中間ディスクの外周ギヤ部の耐久性を向上できる。

本発明の実施形態に係るハーフトロイダル型無段変速機の断面図である。 図１のハーフトロイダル型無段変速機の一体型出力側ディスクの斜視図である。 従来から知られているハーフトロイダル型無段変速機の具体的構造の一例を示す断面図である。 図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 出力側ディスクに作用する力の方向を示す概略図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
なお、本発明の特徴は、一体型の出力側ディスクの外周ギヤ部の耐久性を向上させる点にあり、その他の構成および作用は前述した従来の構成および作用と同様であるため、以下においては、本発明の特徴部分についてのみ言及し、それ以外の部分については、図３および図４と同一の符号を付して簡潔に説明するに留める。

図１および図２は本発明の実施形態を示している。図示のように、本実施形態では、図３および図４を参照して説明した一対の出力側ディスク３，３を１つのディスクに一体化して成る一体型の出力側ディスク３Ａ（軸方向両側面を断面円弧形の凹面３ａとしている）の外周面に、出力歯車４に対応するギヤ部３ｂを直接形成したものである。回転軸に相当する入力軸１の両端部には、一対の入力側ディスク２，２（内側面を断面円弧形の凹面２ａとしている）が入力軸１と同期して回転自在にかつ入力軸１の軸方向に変位自在に、ボールスプライン６により支持されている。一方、入力軸１の中間部の周囲には、一体型の出力側ディスク（中間ディスク）３Ａが入力軸１に対して相対回転自在に、一対のニードル軸受５により支持されている。

また、本実施形態では、ギヤ部３ｂには、浸炭処理、浸炭窒化処理などの公知の硬化処置によって硬化層が形成されている。また、この硬化層の深さは、ギヤ部３ｂと噛み合う図示しない歯車の硬化層深さよりも深く設定されている。ギヤ部３ｂに作用する応力は、これと噛み合う図示しない歯車に作用する応力と比べて高いので、このように硬化層深さを異ならせることにより、ギヤ部３ｂの耐久性の向上が図られている。また、図２および図３に示すように、ギヤ部３ｂの耐久性の更なる向上のため、本実施形態では、ギヤ部３ｂの歯の根本の中心部Ｐの硬さ、すなわち歯底１００同士を連ねた歯底円を含むギヤ部３ｂの歯の底面の中心部Ｐの硬さが、一体型の出力側ディスク３Ａの中心部Ｑ（本例では中心部の軸方向に貫通が形成されているので、実際には中心部近傍の位置になる。）の硬さと略同じ硬さに形成されている。これは、一体型の出力側ディスク３Ａにも浸炭処理、浸炭窒化処理などの公知の硬化処置によって硬化層が形成されているので、ギヤ部３ｂの歯の根本の中心部Ｐの硬さがディスク３Ａの表面の硬度と同じ程度であると、ギヤ部３ｂの歯底から割れが発生する虞があるためである。この場合、ギヤ部３ｂの歯の根本の中心部Ｐの硬さは、例えば、ＨＲＣ３０以上５８以下程度となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、一体型の出力側ディスク３Ａの外周のギヤ部３ｂの硬化層の深さが、ギヤ部３ｂと噛み合う歯車の硬化層深さよりも深く設定されているので、ギヤ部３ｂの耐久性を向上させることができる。

なお、前述の実施の形態では、本発明を一体型の出力側ディスク３Ａのギヤ部３ｂに適用した場合について説明したが、一体型の出力側ディスク３Ａに代えて一体型の入力側ディスク（中間ディスク）のギヤ部に本発明を適用することもできる。

本発明は、様々な形態のハーフトロイダル型無段変速機の他、トラニオンが無いフルトロイダル型無段変速機にも適用することができる。

１ 入力軸（回転軸）
２ 入力側ディスク（外側ディスク）
３Ａ 一体型の出力側ディスク（中間ディスク）
３ａ トラクション面（側面）
３ｂ ギヤ部
１１ パワーローラ

Claims (2)

1. 回転軸と、それぞれが断面円弧状の凹面である内側面を互いに対向させた状態で前記回転軸の両端部に、この回転軸と同期した回転を自在に支持された一対の外側ディスクと、軸方向両側面を断面円弧状の凹面とし、前記回転軸の周囲に、この回転軸に対する相対回転を自在として支持された中間ディスクと、この中間ディスクの外周面に直接形成された前記回転軸と同心のギヤ部と、前記外側ディスクの内側面と前記中間ディスクの側面との間に設けられたパワーローラとを備えるトロイダル型無段変速機において、
   前記ギヤ部に硬化層が形成され、この硬化層の深さは、前記ギヤ部と噛み合う歯車の硬化層深さよりも深く設定されていることを特徴とするトロイダル型無段変速機。
2. 前記ギヤ部の歯の根元の中心部には、前記中間ディスクの中心部の硬さと略同様の硬さから成る部位が存在する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。

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