JPH0260906B2

JPH0260906B2 -

Info

Publication number: JPH0260906B2
Application number: JP55064089A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Ishihara; Takashi Machida
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1980-05-16
Filing date: 1980-05-16
Publication date: 1990-12-18
Also published as: JPS56160453A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はトロイダル形無段変速機の改良に関す
る。

入出力軸にそれぞれ設けられたトラクシヨンデ
イスクとそれらトラクシヨンデイスクと係合する
パワーローラとを含み、入力軸から出力軸に該パ
ワーローラを介して動力を伝達するころがり潤滑
伝動型のいわゆるトロイダル形無段変速機は従来
提案されている。この従来のトロイダル形無段変
速機においては、トラクシヨンデイスクとパワー
ローラは、接触部の信頼性を向上させかつ寿命を
延長するために綱製のものが使用されていた。ト
ラクシヨンデイスクとパワーローラ間の接触面圧
をある値以下に保ち、かつ一定の動力を伝達する
ためには、接触面積を増大させてやる必要がある
が、材質をヤング率の高い綱製としたことによ
り、トラクシヨンデイスクとパワーローラの接触
部の面圧が小さくなり、したがつて強い力で押圧
すると早期に剥離する。また、押しつけ力を下げ
て接触面圧を下げると、大きな動力の伝達ができ
なくなる。トラクシヨンデイスクとパワーローラ
をそれぞれ大きくして接触面積を増大させること
は、伝達動力の低い割に大きい無段変速機となつ
てしまい好ましいことではない。このような問題
に対し、トラクシヨンデイスクとパワーローラの
接触部断面形状を互いの形状に近づけることによ
り、接触面積を増大させることを試みることにな
つる。そのような試みにより作られたトラクシヨ
ンデイスクとパワーローラにおいて十分な接触面
積を得、かつ十分な動力を伝達するためには、そ
れらの接触楕円の回転直角方向の半径ａと回転方
向の半径ｂとの比ａ／ｂを10以上に設定する必要
があつた。ところが、このようにａ／ｂを10以上
に設定することは、回転直角方向に長く伸びる接
触面を形成することになり、パワーローラの回転
軸に対して該接触面の最近接部分と最遠方部分と
では、トラクシヨンデイスクとパワーローラの回
転にともなつて生ずるそれらの移動速度がかなり
異なるようになる。この移動速度の違いは接触面
における摩擦損失を招来し、潤滑油の温度上昇に
よる潤滑油の劣化が起こるようになり、また接触
面の剥離等も引き起こし、ひいてはトラクシヨン
デイスクとパワーローラの短時間摩耗すなわち無
段変速機の短命化を招来することになつてしま
う。トラクシヨンデイスクとパワーローラの変速
比範囲を大きくすると更にこの摩擦損失は増大す
るということもあり、従来の無段変速機において
は、小型で伝達動力が大きくかつ変速比範囲が大
きいという条件を満たすことのできるものがなか
つた。

本発明は従来のトロイダル形無段変速機におけ
る上述した如き欠点を消除し、動力伝達効率に優
れ、かつ変速範囲が大きくとれるトロイダル形無
段変速機を提供することを目的とする。

本発明はまた小形で、かつ摩耗がしにくいばか
りでなく転り疲労による剥離の生じにくい耐久性
に優れたトロイダル形無段変速機を提供すること
を目的とする。

上述の目的を達成するために本発明のトロイダ
ル形無段変速機はトラクシヨンデイスクとパワー
ローラとの転り接触面について接触楕円の回転直
角方向の半径ａと回転方向の半径ｂとの比ａ／ｂ
が１以下となるようにたことを特徴とする。

トラクシヨンデイスクとパワーローラとの転り
接触面の接触楕円の半径比ａ／ｂを７以上にする
と、接触面におけるスピンモーメントが増大しス
ピン損失が大きくなる。そのため、接触面におけ
る潤滑油膜の発熱が増加し、潤滑油の粘度が大き
く低下する。潤滑油の粘度低下は潤滑油膜の伝達
駆動力を減少させる。伝達駆動力の減少を防ぐた
めにパワーローラの押付力を増大すれば潤滑油膜
は破断し、トラクシヨンデイスクとパワーローラ
の転道面を損傷することになる。潤滑油膜の発熱
は、また、潤滑油の劣化を促進し寿命を低下させ
る。

しかるに、本発明における如く、トラクシヨン
デイスクとパワーローラとの転り接触面における
接触楕円の半径比ａ／ｂが７以下となるような構
成とすると、接触面におけるスピンモーメントが
小さいためスピン損失は減少し、潤滑油膜の発熱
が減少する。潤滑油膜の発熱減少の結果として、
(1)潤滑油の粘度低下が小さく、そのため大きな動
力を伝達することができ、(2)潤滑油の粘度低下が
小さいので油膜が破断しにくく、その結果トラク
シヨンデイスク、パワーローラの耐久性が良くな
り、そして(3)潤滑油の温度上昇が小さいので、潤
滑油が劣化しにくくなり、潤滑油の寿命が長くな
る。

そしてまた変速比範囲を大きく設計すると、ス
ピン損失が大きくなるが、本発明によれば潤滑油
膜の発熱が小さいので大きな変速比範囲をとるこ
とが可能になる。

本発明の好適な実施態様として、トラクシヨン
デイスクとパワーローラの双方又はいずれか一方
は、少くとも転り接触面においてヤング率18000
Kgｆ／mm²ないし6000Kgｆ／mm²を有する材質又はそ
れと同等のヤング率を構造的に有する如く形成さ
れるのが好ましい。

従来のトロイダル形無段変速機において、トラ
クシヨンデイスクおよびパワーローラは焼入綱に
より形成され、両者の転り接触面の剛性が高いた
め接触面圧が大きい。したがつて、接触面圧を下
げるためにトラクシヨンデイスクとパワーローラ
との転り接触面について回転軸を含む断面の円弧
の半径差を小さくして接触面積を増大させてい
る。しかし、回転軸を含む断面の円弧の半径差を
小さくすることは接触楕円の半径比ａ／ｂが大き
くなりスピン損失が増大して潤滑油膜の発熱をも
たらし油膜の破断が生じ易すくなる。

しかるに、トラクシヨンデイスクとパワーロー
ラとの転り接触面における剛性を前記程度のヤン
グ率に相当する如く小さくすることにより、回転
軸を含む断面の円弧の半径差を小さくしなくとも
接触面積は増大し、転り接触面における面圧は減
少する。一方、接触楕円の前記半径比ａ／ｂは小
さくなり、接触面におけるスピン損失が減少す
る。したがつて油膜の破断が防止される。

さらに、従来の如く焼入綱によりトラクシヨン
デイスクとパワーローラとを形成している場合に
は、両者間の接触部分における接触楕円の半径比
ａ／ｂを７以下としても、接触面圧の増大を招
き、潤滑油膜の破断による転道面の摩耗、転り疲
労による剥離を生じ易すく耐久性に劣り好ましく
ない。

以下に図面を参照して本発明をより具体的に詳
説する。

第１図および第２図はトロイダル形無段変速機
の具体例を示しており、ハウジング１には、互い
に対向する入力軸２および出力軸３が回転自由に
支承されている。ハウジング１内において、入力
軸２および出力軸３にはトラクシヨンデイスク
５、および６がそれぞれ固設されている。トラク
シヨンデイスク５と６とは対向して補助的に回転
円弧面５ａ，６ａを形成しており、回転中心線を
貫通にしている。入力軸２から出力軸への動力伝
達のために、両デイスクの回転円弧面５ａ，６ａ
間に形成される空間内にはパワーローラ８，９が
互いに対向して配装される。パワーローラ８，９
は回転円弧面５ａ，６ａに相対し係合するトロイ
ダル状凸面を有するデイスク状部材であり、それ
ぞれ軸１０に固設されている。軸１０は中間支持
筒１２（パワーローラ９側についてのみ図示）に
回転可能に支承されている。中間支持筒１２は外
側支持部材１３に軸１０の軸方向に可動に支持さ
れており、したがつて軸１０を摺動させてトラク
シヨンデイスク５，６へのパワーローラ８，９の
当接圧を適宜調節できる。トラクシヨンデイスク
とパワーローラ８，９との接触面には潤滑油が図
示なき手段により適宜供給される。

外側支持部材１３は第１図の紙面に直角な軸１
８，１９（１９は第２図にのみ図示）によりハウ
ジング１に回動可能に支持されており、パワーロ
ーラ８，９の中心軸線とトラクシヨンデイスク
５，６の中心軸線に対する傾きが調整可能とされ
て無段変速ができる。

軸１８，１９には歯車２１，２２が固設してあ
る。歯車２１，２２は単一のラツク部材２４の両
側に形成された歯２４ａ，２４ｂにそれぞれ係合
している。ラツク部材２４はハンドル２５を回転
することにより摺動してパワーローラのトラクシ
ヨンデイスクへの傾きを変えうる。パワーローラ
がトラクシヨンデイスクに対し過度に傾むかない
様に軸１９とハウジング１には回動制限部材２
６，２７が設けてある。歯車２１には度盛２８が
設けてあり、ハウジング側のインデツクス２９と
ともに傾きを表示するようになつている。

今、第１図および第２図で示した装置の要部を
模式的に第３図に示す。第３図において、トラク
シヨンデイスク５，６は共通の回転軸線Ｉを有し
ている。パワーローラ８（又は９）のトラクシヨ
ンデイスク５，６に対する傾きを変えるための回
転中心は回転円弧面５ａ，６ａで形成される円の
中心Ｑにある。トラクシヨンデイスク５，６間の
中央点Ｃを通つて回転軸線Ｉに立てた垂線上に中
心Ｑは存する。点ＱとＣとを通る直線と回転円弧
面５ａ，６ａにより形成される円との交点をＪと
する。パワーローラ８（又は９）の回転中心とト
ラクシヨンデイスク５，６の回転中心線Ｉとの交
点がＥとされている。トラクシヨンデイスク５と
パワーローラ８との接触点（接触部の中心点）を
Ｏとしてある。

このように図式化されるトロイダル形無段変速
機は高荷重で押しつけられながら回転する二つの
回転体と考えることができる。ヘルツの弾性接触
の基礎理論（Timoshenko“Theory of
Elasticity”Mcgraw Hill）によれば、２つの回
転体の接触部が、前述した如き長軸半径ａ、短軸
半径ｂの楕円となることは良く知られているとこ
ろであり、接触部の平均ヘルツ圧力をpm、２つ
の回転体（すなわちトラクシヨンデイスクとパワ
ーローラ）間の押しつけ方をFcとすると、 pm＝Fc／πab ………(1) の関係式が成立する。

そこで接触楕円の半径比ａ／ｂと、接触部にお
ける平均ヘルツ圧力pmとの関係について着目し、
平均ヘルツ圧力を一定にした時の接触楕円の半径
比ａ／ｂに対する伝達効率をプロツトしたところ
第４図および第５図に示す如きグラフが得られ
た。なお、両グラフとも第３図における点Ｅが
QC線延長上にあり、したがつて変速化１でスピ
ン損失が最大の時のものであつて、トラクシヨン
デイスク７の回転軸を含む断面の円弧の半径R₁
（＝）＝50mm；直線QEとQOのなす角θと直線
QJとQOとのなす角₀とが等しく、θ＝₀＝
50゜；パワーローラの押付力Fc＝750Kg・ｆ；そし
て入力軸の角加速度w₁＝104.7rad／secであり、
変速比範囲に関連する数値ｋ＝JC／QJは第４図の場合0.462であり、第５図の場合0.3である。

第４図および第５図において、平均ヘルツ圧力
pmを付された直線はそれぞれ同一ヘルツ圧力
（したがつて(1)式より同一接触楕円面積）に対し
て接触半径ａ／ｂと動力伝達効率η₀との関係を示
しており、Ｅ＝0.6×10⁴Kgｆ／mm²；0.8；1.0；
1.2；1.4；1.6；1.8；2.1を付された曲線は同一ヤ
ング率部分を示すものである。また、一点鎖線は
実用限界ラインを示している。

この種の変速機の実用限界としてはホイルシー
ル、軸受その他の動力損失を除く動力伝達効率η₀
が少なくとも90％はあり、かつ耐久性の観点から
平均ヘルツ圧力pmは80Kgｆ／mm²以下であること
が望ましい。平均ヘルツ圧力pmが80Kgｆ／mm²以
上になると接触面の潤滑油膜の厚さが接触部材の
アラサ程度となり、そのため潤滑油膜が破断し接
触面が摩耗し、さらには転り疲労による剥離の危
険がある。

トラクシヨンデイスクとパワーローラとをとも
に焼入綱で形成した従来の変速機では、伝達効率
を90％以上にするには平均ヘルツ圧力pmが80Kg
ｆ／mm²を超え、したがつて接触部における潤滑油
膜の破断が生じ易すく、かつ転り疲労がおこるの
で実用的でなかつた。

しかるに、本発明における如く、接触楕円の半
径比ａ／ｂを７以下にすれば伝達効率が90％以上
でしかも接触部平均ヘルツ圧力pmは潤滑油膜の
破断の心配のない80Kgｆ／mm²以下とすることがで
きる。

本発明に使用するトラクシヨンデイスクおよび
パワーローラの材質は鋳鉄、又はアルミニウム合
金の如きもの、又はその他のそのまま使えるが、
適切な合金又は表層部の密度が大きく内部密度を
小さくした複合焼結材としても良い。しかしなが
ら、トラクシヨンデイスクまたはパワーローラを
中空の高ヤング率の綱から形成することによつ
て、例えばアルミニウム合金と同等の見かけのヤ
ング率が得られたとしても、そのような構成では
本願発明が可能としているような高トルクを伝達
することは出来ない。すなわち、中空の綱構造に
おいては、接触部表面のヤング率は高いものであ
るため、接触部自体は変形しにくく、ヤング率の
低い材質のものと同等な接触形状および面積を得
るためには、かなり肉厚を薄くして全体的に変形
し易くしなくてはならない。したがつて見かけ上
低いヤング率を得るための空構造が、トラクシヨ
ンデイスクまたはパワーローラの剛性をも低下さ
せ、高トルクを伝達するには適さない構成として
しまうこととなる。以上述べたように、本願発明
のトロイダル形無段変速機によれば、比較的ヤン
グ率の低い柔らかな材料を用いて、トラクシヨン
デイスクまたはパワーローラを形成しているにも
かかわらず、高トルクを伝達することができ、更
に使用による転動面の摩耗、剥離等の不具合をも
防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はトロイダル形無段変速機の要部を、一
部を切欠いて示す図、第２図は同機の一部を断面
とした平面図、第３図はトロイダル形無段変速機
の模式図、第４図および第５図はトラクシヨンデ
イスクとパワーローラの接触部における接触楕円
の半径比ａ／ｂと伝達効率η₀との関係を示す図、
第６図は接触部における見かけのヤング率を所望
範囲にするのに好適なパワーローラの断面構造を
示す図である。〔主要部分の符号の説明〕、２……入力軸、３
……出力軸、５，６……トラクシヨンデイスク、
８，９……パワーローラ。

Claims

【特許請求の範囲】１入力軸と出力軸とにそれぞれ設けられたトラ
クシヨンデイスクとそれらトラクシヨンデイスク
に係合するパワーローラとを含み、入力軸から出
力軸に該パワーローラを介して動力を伝達するト
ロイダル形無段変速機において、前記トラクシヨ
ンデイスクとパワーローラとの両者の転がり接触
面について接触楕円の回転直角方向の半径ａと回
転方向の半径ｂとの比ａ／ｂが７以下となるよう
にし、更に前記トラクシヨンデイスクおよび／または
パワーローラは転がり接触面においてヤング率
18000Kgｆ／mm²ないし6000Kgｆ／mm²を有する材質
により形成されていることを特徴とする無段変速
機。２特許請求の範囲第１項において、前記トラク
シヨンデイスクおよび／またはパワーローラは転
がり接触面を形成する部分を比較的高いヤング率
を有する第１の材質部分とし、該第１の材質部分
が基部を形成する比較的低いヤング率の第２の材
質部分と複合構成されて、前記転がり接触面を形
成する部分にバネ効果を与えた構造として成る無
段変速機。３特許請求の範囲第２項において、前記第１の
材質部分と第２の材質部分とは貼り合わせ構造と
してある無段変速機。４特許請求の範囲第１項において、前記トラク
シヨンデイスクおよび／またはパワーローラは表
層部の密度を大きくし内部の密度を小さくした複
合焼結材より成る無段変速機。５特許請求の範囲第１項において、前記トラク
シヨンデイスクおよび／またはパワーローラは鋳
鉄またはアルミニウム合金から成る無段変速機。