JP4210661B2

JP4210661B2 - ベルト式無段変速機

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Publication number: JP4210661B2
Application number: JP2005069942A
Authority: JP
Inventors: 伸郎木野; 靖朗伊藤; 吉田　　誠; 芳章加藤
Original assignee: JATCO Ltd
Current assignee: JATCO Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2025-03-11
Also published as: US7806793B2; KR20060044717A; JP2005321090A; DE102005014207B4; KR101088587B1; US20050221938A1; DE102005014207A1

Description

本発明は、ベルト式無段変速機に関し、特にベルトとプーリの接触面における微細構造に関する。

従来、ベルト式無段変速機のベルトとプーリの接触面の摩擦係数を増大させる技術として特許文献１に記載の技術が開示されている。この公報にはベルトの板状エレメントのプーリ壁面と接触する表面を凹凸形状とし、これにより、接触面の摩擦係数を増大させている。
特許第３２０９３２３号公報。

しかしながら、上述の従来技術には、板状エレメント側の表面形状に加工を施したとしても十分な摩擦係数が確保されているとは言い難い。基本的に、ベルト式無段変速機では、プーリのテーパ面と板状エレメントとの接触部において回転方向の滑りが発生すると、エンジンからの駆動トルクの伝達が困難となる。よって、両者の滑りを防止するためにプーリ間に押しつけ力（以下、プーリ推力と記載する）を付与している。特にプーリ比が低変速比の状態では、入力プーリの小径側での接触面積が小さいこと、及び入力トルクが大きいことに起因して、プーリのテーパ面と板状エレメントの間に滑りが発生しやすく、プーリ推力をかなり高めに設定する必要がある。よって、高い油圧を必要とし、オイルポンプ負荷の増大に伴う燃費効率の悪化を招いていた。上記従来技術によるとプーリと板状エレメントの間の動摩擦係数は、一般に0.1〜0.12であり、更なる燃費効率向上のため摩擦係数の向上が要求されていた。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、ベルトとプーリとの接触面における摩擦係数の向上を図ることで燃費効率の向上を図ることが可能なベルト式無段変速機を提供することを目的とする。更に、プーリと接触するエレメント壁面の摩耗耐久性を向上すること、プーリ表面粗さの経時変化を少なくすることにより、摩擦係数の安定性を向上することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、入力軸方向に溝幅を可変とした入力側プーリと、出力軸方向に溝幅を可変とした出力側プーリとの間に、板状エレメントをその板厚方向に多数重ね無端バンドにより束ねたベルトを掛け渡したベルト式無段変速機において、前記板状エレメントの側面に、前記板状エレメントの板厚方向に伸びる複数の凹部及び凸部を形成し、前記入力側プーリのテーパ面に同心円または螺旋状に微細溝を形成し、前記微細溝の開口側端部幅と、微細溝の開口側端部から隣接する微細溝の開口側端部までの頂部間との和を、前記板状エレメントの凸部幅以下とした。

すなわち、板状エレメントの凸部に少なくとも１つ以上の微細溝が確実によぎることとなり、接触面における潤滑油の排出性を向上させることで、接触面の摩擦係数の向上を図ることができる。よって、ベルトによるトルク伝達効率を向上することが可能となり、燃費の向上を図ることができる。

以下、本発明のベルト式無段変速機を実現する最良の形態を、図面に示す実施例に基づいて説明する。

図１はベルト式無段変速機のプライマリプーリ１とセカンダリプーリ２及びベルト３の関係を表す概略図である。プライマリプーリ１は、入力軸Inputと一体に形成されテーパ面を有する固定側プーリ１１と、軸方向に移動可能な可動側プーリ１２から構成されている。同様に、セカンダリプーリ２は出力軸Outputと一体に形成された固定側プーリ２１と可動側プーリ２２から構成されている。ベルト３は、固定側プーリ１１，２１と可動側プーリ１２，２２によって形成されるＶ溝に狭持され、プーリ推力の関係に基づいて変速比を決定する。

図２はベルト３の部分拡大斜視図である。ベルト３は、板厚方向に多数重ねられた板状エレメント３０と、板状エレメント３０を束ねた無端バンド４０から構成されている。板状エレメント３０の側面３１には、図３の拡大断面図に示すように、各プーリの円周方向と平行となる凹凸部３１ａ，３１ｂが設けられ、これにより潤滑油を回転方向に適宜排出することで波乗り効果による摩擦力低減を回避している。

図３は板状エレメント３０の側面と各プーリの接触面近傍を径方向の断面を表す拡大断面図である。図３中上下方向は、板状エレメント３０の略左右方向に対応する。各プーリのテーパ面には同心円状に微細溝５０が形成されている。尚、微細溝５０はおおむね等間隔で形成されればよく、螺旋状に形成しても良い。ここで、板状エレメント３０の凸部幅をW1，微細溝５０の開口側端部幅をW2，開口側端部から隣接する微細溝の開口側端部までの頂部間をW3，微細溝５０の山高さをH1とする。尚、溝間ピッチSm＝W2＋W3として表されるものとする。

板状エレメント３０の凹凸部３１ａ，３１ｂと微細溝５０とは、開口側端部幅W2と、頂部間W3との和が、凸部幅W1以下となるように形成されている。すなわち、板状エレメント３０がどの位置でテーパ面と接触したとしても、凸部３１ｂ上には必ず微細溝５０が１つ以上よぎるように構成されている。

板状エレメント３０とテーパ面との接触部においては、基本的に油膜を介して接触している。この油膜は、潤滑油中の添加剤成分により吸着され剪断力を発生するトルク伝達膜と、潤滑油として機能する潤滑膜から構成されるため、油膜を適正に管理するには潤滑膜の油を適宜排出しつつトルク伝達膜を形成する必要がある。そこで、板状エレメント３０の凸部幅W1に潤滑膜の油を排出する溝が必ず存在するように設定した。これにより、潤滑膜の油の排出性を高めることでトルク伝達膜を効率よく形成し、凸部３１ｂとテーパ面との接触面を確保することが可能となり、摩擦係数を増大することができる。

微細溝５０は、図１のプライマリプーリ正面図に示すように、プライマリプーリ１のテーパ面上であって、プーリ比≧１の領域に形成されている。プーリ比≧１の領域では、特に大きなトルクが作用し、またベルトとプーリとの接触半径が小さいため、１つの板状エレメント３０にかかるトルク分担が大きいからである。このように、微細溝５０の加工箇所を必要最小限とすることで加工工数を低減しつつ高い摩擦係数を得ることができる。尚、これ以外のテーパ面に加工を施しても良いことは言うまでもない。

（表面粗さRa，溝ピッチSmの測定方法）
これまで、図２の模式図を用いて、Ra,Smの概要について説明したが、ここでは、本発明で定義しているRa，溝ピッチSmの測定方法について説明する。

本発明で定義するRaとは、JISB0601−1994記載の算出平均粗さRaを指す。算術平均粗さRaは粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さLだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し、平均した値である。

また、本発明で定義する溝ピッチSｍとは、JISB0601−1994記載の粗さ凹凸の平均間隔Smを指す。Smは粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さLだけ抜き取り、1つの山及びそれに隣り合う１つの谷に対応する平均線の長さの和を求め、平均した値である。

なお、本発明では上述のRa，Smを以下に示す測定条件下で測定した値を用いた。
・測定機：Taylor Hobson フォームタリサーフ S5
・測定長さ：5mm
・評価長さ：4mm
・カットオフ：0.8mm
・フィルタ：ガウシアン
・バンド幅： 100：1
・触針の先端半径：2μｍ
（微細溝の構成を規定する各種パラメータについての評価試験）
上述した作用効果を達成する微細溝５０を規定するものとして、表面粗さRa及びピッチSm、微細溝の山高さH1について説明する。ここで、板状エレメントの凹凸部３１のピッチは約200μmであり、凸部３１ｂの平坦部の幅W1は約30μmである。この板状エレメントを前提に各試料との比較を行った。試験方法としては、板状エレメントに各試料（テーパ面）に対して荷重をエレメント一枚当たりトルク392Nで当接させ、CVT潤滑油中（油温110℃）において、速度0〜0.8m/sの範囲で上昇・下降させ、連続的に摺動させた際の下降側の摩擦係数を測定した。この条件は、実際の車両に搭載した際のLow変速比に相当する。尚、以下に示す摩擦係数μの値は、上述の評価条件にて速度0.7m/s時の測定値を用いた。

（表面粗さRaについて）
図４は表面粗さRaと摩擦係数μの関係を表す図である。図中、○はテーパ面の研磨によって作成された種々のRaを有する試料の摩擦係数を表す。●は研磨によって作成された試料の表面を更にバニッシュ加工によって微細溝の山高さH1を調整し、表面粗さRaを小さくした試料の摩擦係数を表す。また、図１０にはこの●に対応する試料表面の微細形状を表す三次元鳥瞰図を示す。△はショットピーニング加工（ショット径0.05）によって表面粗さRaを調整した試料の摩擦係数を表す。また、図１１にはこの△に対応する試料表面の微細形状を表す三次元鳥瞰図を示す。▽はショットピーニング加工（ショット径0.03）によって表面粗さRaを調整した試料の摩擦係数を表す。▲はショット径0.05のショットピーニング加工後、研磨（フィルムラップ加工）を施して表面粗さRaを調整した試料の摩擦係数を表す。また、図１２にはこの▲に対応する試料表面の微細形状を表す三次元鳥瞰図を示す。

■はテーパ面研磨後、フィルムラップ加工を施して表面粗さRaを調整した試料の摩擦係数を表す。◇はハードターニング加工を施して表面粗さRaを調整（Sm＝15μｍ）した試料の摩擦係数を表す。◆はハードターニング加工を施して表面粗さRaを調整（Sm＝10μｍ）した試料の摩擦係数を表す。また、図１３にはこの◆に対応する試料表面の微細形状を表す三次元鳥瞰図を示す。

表面粗さRaとは、山高さの中心線で谷を折り返し、その中心線よりも上側に位置する領域の単位長さ当たりの面積を長さで除した値と規定される。よって、表面粗さRaとピッチSm及び山高さH1の間には、一般に、
Ra＝ｋ・f（Sm）・g（H1）
の関係が成立する。尚、関数f，gは微細溝の形状によって決定される平均値を表す関数であり、ｋは定数である。基本的にはSmが大きくなればf（Sm）は大きくなり、H1が大きくなればg(H1)も大きくなる。

〔研磨のみと研磨＋ローラバニッシュ加工との対比〕
従来技術では、図４のハッチング部分に示すように、テーパ面の表面粗さRaは0.28以上となっており、得られる摩擦係数も0.113未満となっていた。これに対し、研磨のみの○に示すように、表面粗さRaを0.25以下とすることで摩擦係数の向上を図ることができることが分かる。

次に、研磨のみの○に対しローラバニッシュ加工によって山高さH1を小さくし、Raを小さく（具体的にはRa≦0.25）した●では、更に摩擦係数の向上を達成しているのが分かる。また、ローラバニッシュ加工によって山高さH1を調整する際、Raを小さくするだけでなく、テーパ面の凸部表面を適度に平滑化することとなる。これにより、トルク伝達膜を確保する面積が増大し摩擦係数の向上を図ることができる。ただし、Raが0.05未満のときは微細溝による潤滑油の排出効果が低下するため、Ra≧0.05が望ましい。尚、この表面粗さRaに対応する山高さH1としては、0.5μｍ〜2.5μｍの範囲に対応するため、この範囲で形成することが望ましい。

〔研磨のみと研磨＋フィルムラップ加工との対比〕
次に、研磨のみの○に対しフィルムラップ加工によって山高さH1を小さくし、Raを小さく（具体的にはRa≦0.2）した□では、更に摩擦係数の向上を達成しているのが分かる。ただし、Raが0.03未満のときは微細溝による潤滑油の排出効果が低下するため、Ra≧0.03が望ましい。尚、この表面粗さRaに対応する山高さH1としては、0.5μｍ〜2.5μｍの範囲に対応するため、この範囲で形成することが望ましい。

〔ショットピーニング加工とショットピーニング＋フィルムラップ加工との対比〕
ショットピーニング加工を施す際、ショット径を0.05から0.03に小さくすることで表面粗さRaはあまり変化しないが、ショット径が小さい方が摩擦係数の向上を図ることができる。また、ショット径0.05のものにフィルムラップ加工を施すと、ショット径を小さくするよりも高い摩擦係数が得られる。これは、潤滑油を適宜排出しつつトルク伝達膜をより確保することが可能になるためと考えられる。ショットピーニング加工と研磨によって微細溝を形成したものとを比較すると、図１２に示すように、テーパ面表面には図１０で示す微細溝構造が現れていることが分かる。尚、同程度の表面粗さRaで比較した場合ショットピーニング加工よりも優れた摩擦係数が得られることが分かる。

以上のように、摩擦係数に及ぼすRa縮小化の効果は大きく、種々の工法によりRaを小さくし、本発明のRa：0.05〜0.25、Ra：0.03〜0.2とすることで、摩擦係数が向上することが示された。

図６にプーリ初期Raと試験前後のRa変化量の関係を示す。図６に示すように、Raを小さくし、Ra≦0.2とすることで、粗さRaの経時変化（試験前後の変化）が小さくなることが分かる。すなわち、Ra≦0.2とすることで、プーリの摩耗を抑えることができると同時に、表面形状、粗さの経時変化を抑制できるため、前述のように粗さに大きく影響を受ける摩擦係数を安定化することが可能となる。

図７にプーリ初期Raと試験終了後のエレメント凸部の摩耗量の関係を示す。図７に示すように、Raを小さくし、Ra≦0.2とすることで、エレメント凸部の摩耗量が小さくなることが分かる。すなわち、Ra≦0.2とすることで、プーリの摩耗を抑え、表面形状、粗さの経時変化を抑制できるだけでなく、エレメントの摩耗耐久性を向上することが可能となる。

（ピッチSmについて）
前述の図４において、ピッチSmの大きさ別に、プロットを分類した。図４に示すように、同一RaでもピッチSmが小さいほど摩擦係数が増大しているのが分かる。また、図５はRa<0.25でのピッチSmと摩擦係数の関係を表す図である。ショットピーニング加工のみの場合、平均のピッチSmは40μmを超えるものとなり、やはり十分な摩擦係数は確保されていない。これに対し、フィルムラップ加工を施すことによってピッチSmを30μm程度に調整すると、摩擦係数が増大しているのが分かる。

更に、例えばハードターニング加工等により、ピッチSmを20μｍ以下（Sm＝15μｍ），15μｍ以下（Sm＝10μｍ）と更に小さく調整すると摩擦係数が大幅に増大しているのが分かる。すなわち、表面粗さRaを適宜設定しつつ、ピッチSmを30μm程度、更には20μｍ以下、15μｍ以下に調整することで、摩擦係数の向上を図ることができる。尚、ピッチSmの調整は精密研削等、ハードターニング以外の工法でもよく、特に限定しない。

また、研磨によって微細溝の形成後、ローラバニッシュ加工やフィルムラップ加工を施すか否かは、基本的にピッチに影響を与えるものではなく、山高さH1に影響を与える加工であるため、ピッチSmとしてはほぼ同様の値（30μm以下）として表されている。ハードターニング加工や研磨による微細溝の形成では、表面粗さRa及びピッチSmの両方を管理することが可能となっていることが分かる。

〔研磨のみとハードターニング加工との対比〕
研磨のみの○に対し、ハードターニング加工によってピッチSmを小さくし（具体的にはSm<20μｍ，Sm<15μｍ）した◆では、更に摩擦係数の向上を達成しているのが分かる。

〔Ra×Sm/4について〕
図８にプーリ表面形状を模式的に示す。図８でエレメントと接触する複数の粗さ突起部の一山の平均的な断面積は、
S＝（Ra×Sm/2）/2
で近似できる。

図９にRa×Sm/4と摩擦係数μの関係を示す。これまでRa，ピッチSmそれぞれを小さくすることにより、摩擦係数が向上することを説明してきたが、図９より、粗さ突起部の一山の断面積S＝（Ra×Sm/2）/2が小さいほどμは向上し、（Ra×Sm/2）/2<1.5とすることで大幅な摩擦係数の向上が確認された。

（実施例における作用及び効果）
以下、上記実施例及び試験結果に基づく作用効果を列記する。

(1)プーリのテーパ面に同心円または螺旋状に微細溝５０を形成し、微細溝５０の開口側端部幅W3と、微細溝５０の開口側端部から隣接する微細溝の開口側端部までの頂部間W2との和（溝ピッチSm）が、板状エレメント側面の凸部幅W1以下とした。よって、板状エレメント側面の凸部に少なくとも１つ以上の微細溝が確実に存在することとなり、潤滑油の排出性を確保しつつ、トルク伝達膜と板状エレメントとの接触面積を確保することができる。

(2)微細溝５０が設けられたテーパ面の表面粗さをRa＝0.05μｍ〜0.25μｍの範囲で形成した。この範囲においては、図４に示すように、良好な摩擦係数を安定して確保することができる。

(3)微細溝５０が設けられたテーパ面の表面粗さをRa＝0.03μｍ〜0.2μｍの範囲で形成した。この範囲においては、図６，７に示すように、良好な摩擦係数を安定して確保することができる。

(4)微細溝５０の山高さH1を0.5μｍ〜2.5μｍの範囲で形成した。適正な表面粗さRaに対応する山高さH1を規定することで、微細溝間の凸部頂上面積を確保することが可能となり、トルク伝達膜の接触面積を増大させることができる。

(5)微細溝５０の溝ピッチSmを、30μｍ以下に形成した。この範囲においては、図５に示すように、同様の表面粗さであっても、更に良好な摩擦係数を確保することができる。

(6)微細溝５０の溝ピッチSmを、20μｍ以下に形成した。この範囲においては、図５に示すように、同様の表面粗さであっても、更に良好な摩擦係数を確保することができる。

(7)微細溝５０の溝ピッチSmを、15μｍ以下に形成した。この範囲においては、図５に示すように、同様の表面粗さであっても、更に良好な摩擦係数を確保することができる。

(8)Ra×Sm/4<1.5となるように微細溝５０を形成した。この範囲においては、図９に示すように、大幅な摩擦係数の向上を図ることができる。

(9)微細溝５０を、テーパ面上であって、プーリ比≧１の領域に形成した。これにより、高い摩擦係数が要求される箇所のみ加工するため、プーリ加工時間を短縮することができる。

実施例１のベルト式無段変速機の概略図である。実施例１のベルトの部分拡大斜視図である。実施例１の板状エレメントの側面と各プーリの接触面近傍を表す拡大断面図である。実施例１の摺動実験による表面粗さRaと摩擦係数μの関係を表す図である。実施例１の摺動実験によるピッチSmと摩擦係数の関係を表す図である。実施例１のプーリ初期Raと試験前後のRa変化量の関係を表す図である。実施例１のプーリ初期Raと試験終了後のエレメント凸部の摩耗量の関係を表す図である。実施例１のプーリ表面形状の模式図である。実施例１のRa×Sm/4と摩擦係数μの関係を表す図である。実施例１の試料表面の微細形状を表す三次元鳥瞰図である。実施例１の試料表面の微細形状を表す三次元鳥瞰図である。実施例１の試料表面の微細形状を表す三次元鳥瞰図である。実施例１の試料表面の微細形状を表す三次元鳥瞰図である。

符号の説明

Input 入力軸
Output 出力軸
１プライマリプーリ
２セカンダリプーリ
３ベルト
１１，２１固定側プーリ
１２，２２可動側プーリ
３０板状エレメント
４０無端バンド

Claims

入力軸方向に溝幅を可変とした入力側プーリと、出力軸方向に溝幅を可変とした出力側プーリとの間に、板状エレメントをその板厚方向に多数重ね無端バンドにより束ねたベルトを掛け渡したベルト式無段変速機において、
前記板状エレメントの側面に、前記板状エレメントの板厚方向に伸びる複数の凹部及び凸部を形成し、
前記入力側プーリのテーパ面に同心円または螺旋状に微細溝を形成し、
前記微細溝の開口側端部幅と、微細溝の開口側端部から隣接する微細溝の開口側端部までの頂部間との和（以下、溝ピッチと記載する）を、前記板状エレメントの凸部幅以下としたことを特徴とするベルト式無段変速機。
請求項１に記載のベルト式無段変速機において、
前記微細溝が設けられたテーパ面の表面粗さをRa＝0.05μｍ〜0.25μｍの範囲で形成したことを特徴とするベルト式無段変速機。
請求項１に記載のベルト式無段変速機において、
前記微細溝が設けられたテーパ面の表面粗さをRa＝0.03μｍ〜0.2μｍの範囲で形成したことを特徴とするベルト式無段変速機。
請求項１ないし３いずれか１つに記載のベルト式無段変速機において、
前記微細溝の山高さを0.5μｍ〜2.5μｍの範囲で形成したことを特徴とするベルト式無段変速機。
請求項１ないし４いずれか１つに記載のベルト式無段変速機において、
前記微細溝の前記溝ピッチを、30μｍ以下に形成したことを特徴とするベルト式無段変速機。
請求項１ないし４いずれか１つに記載のベルト式無段変速機において、
前記微細溝の前記溝ピッチを、20μｍ以下に形成したことを特徴とするベルト式無段変速機。
請求項１ないし４いずれか１つに記載のベルト式無段変速機において、
前記微細溝の前記溝ピッチを、15μｍ以下に形成したことを特徴とするベルト式無段変速機。
請求項１ないし７いずれか１つに記載のベルト式無段変速機において、
前記表面粗さRaと前記溝ピッチSmとしたとき、
Ra×Sm/4<1.5
となるように前記微細溝を形成したことを特徴とするベルト式無段変速機。
請求項１ないし８いずれか１つに記載のベルト式無段変速機において、
前記微細溝を、前記テーパ面上であって、プーリ比≧１の領域に形成したことを特徴とするベルト式無段変速機。