CN101151520B - 推型带制造过程中的质量监测方法 - Google Patents

Abstract

一种用于监测用于制造无级变速器的推型带(3)的环部件(30)的工序的质量的方法，所述推型带(3)包括多个相对薄的横向金属元件(32)，所述金属元件(32)可滑动地结合在一个或多个层状循环拉伸装置(31)上，所述拉伸装置均包括一组互相嵌套的扁平金属环(30)，特别是测量环部件(30)的渗氮表面层(9)的厚度(T)，其中，通过蒸发环材料，小的凹口(14)形成在环(30)中，并且相对于以环(30)的外表面(16)为基准的凹口(14)的深度(D)，蒸发的材料中的氮浓度([N])被测量。

Description

推型带制造过程中的质量监测方法

技术领域

本发明涉及一种用于监测推型带(push belt)制造过程的质量的方法，特别是它的环形部件的质量的监测方法。这种推型带主要用作公知的无级变速器的两个可调节带轮(pull ety)之间的动力传递的装置，所述无级变速器主要用在机动车辆中。

背景技术

推型带是众所周知的，并且包括多个相对薄的横向金属元件，所述金属元件可滑动地结合在一个或多个层状循环的(endless)拉伸装置上，所述拉伸装置均包括一组互相嵌套的扁平金属环，可替换的是所指示的带环。这种环通常由马氏体时效钢制成，所述钢结合了良好的拉伸强度和良好的耐用性，防止拉伸应力和弯曲疲劳，具有将钢材从板材朝着所需要形状进行处理的相对良好的可行性，并且具有最终产品环的材料特性，所述特性优选不应当沿着环的圆周而变化。

这些所需要的材料特性包括环芯部材料的良好的硬度和环的非常坚硬的外表面层，所述良好的硬度用于结合大的拉伸强度特性连同充分的弹性以允许环的纵向弯曲，所述环的坚硬外表面层用于提供耐磨性能。优选的是，外表面层还具有残余的压应力以提供防止金属疲劳的高度耐用性，由于在带的服务年限过程中环受到的负荷和弯曲循环的巨大数目，因此这是环的重要特征。

通常对于这种带、至少对于它的金属环部件的制造方法的处理步骤在现有技术中是众所周知的，如申请人使用了数十年的方法。环本身由板状基材制成，所述基材被弯曲并且焊接成圆柱形状或管，所述管被热处理，即退火，以恢复最初的材料特性，即主要地去除其中由弯曲和焊接引入的变化。所述管然后被切割成多个环箍(hoop)，所述环箍随后被滚压和延长到所需要的厚度，该厚度通常在最终产品中大约为0.185毫米。在滚压之后，环箍通常称为环或者带环(band)。环进行另外的退火步骤以去除在滚压过程中引起的内部应力。之后，所述环被校准，即它们被安装在两个旋转滚子周围，并且被拉伸到预定的圆周长度。在这个处理步骤中，同样内部应力分布被施加在环上，所述内部应力分布限定环的所谓的卷边半径(curling radius)，如在欧洲专利申请EP-A-1 403 551中详细解释的。最后，环在氮保护气氛中在高温下被沉淀(precipitation)硬化，即经过时效(aged)，并且随后或者同时，在包括限定浓度的氨的保护气氛中在高温下进行气体渗氮，从而为环的外表面层提供另外的硬度和压应力，所述后者的处理步骤可替换的表示为“表面硬化”。利用多个这些处理过的环，通过径向嵌套即基本同心的放置多个有目的选择的环来形成拉伸装置，从而仅仅小的正或者负的间隙允许位于拉伸装置的相邻的环之间。

推型带环部件的上述通常的处理中重要的处理步骤是渗氮处理以获得坚硬的表面层，因为渗氮表面比非渗氮表面具有显著更高的耐磨性和耐疲劳性。另一方面，硬化的表面层的厚度不是无限的，因为否则环会变得太过脆性，和/或制造成本会变得不必要的高。因此，通过环的制造方法，可以实现推型带的适合的即最优的使用寿命。

由于环的渗氮表面层对于推型带最终产品质量的重要性，因此重要的是在推型带环部件的制造过程中至少维持恒定的并且优选最佳的渗氮层厚度。因此，通常认为必须的是监测所制造的环的质量，至少通过测量产品样本的渗氮表面层的厚度。当特定的样品环的这种厚度偏离对于它的预定标准时，相关批次的环会被拒绝用于带组件，和/或渗氮过程的工艺设置会被调整以实现所需的渗氮层厚度。

用于监测渗氮表面厚度的通常的方法是：通过在某些时间间隔或者数量间隔从产品工艺流程中取出环样品，通过切割这种环，使切割表面抛光，并且最后利用特别提供的蚀刻液体成分来蚀刻抛光表面，从而对制造工艺进行采样。通过这种传统的方法，渗氮表面层相对于环的芯部材料变得可见，并且它的厚度例如可利用显微镜测量。虽然申请人已经使用了这种已知方法许多年，并且结果满意，但是它被认为是很消耗工作量并且很费时。另外，虽然该方法优选适用于将测量的渗氮层厚度与预定的标准进行比较，但是它不能提供渗氮层本身的良好限定的特征，例如在它的绝对厚度方面或在马氏体时效钢基体中氮浓度方面。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于测量推型带环部件的渗氮表面层的厚度的新方法，以用作监测其质量的方法。另外特别的是，它的目的是提供一种与普通方法相比消耗劳动和时间较少的方法。

根据本发明，提供一种用于测量推型带环部件中渗氮表面层厚度的新方法。这种新方法的主要改进是进行测量所需要的劳动和时间量显著减少，以及这种测量所提供的它的信息量和精度。

辉光放电光发射谱仪(GDOES)的技术在散料(bulk solids)的直接成分分析的领域中以及薄膜的深度成形和工业覆层成分的领域中是公知的技术。然而根据本发明，它也可以应用在确定推型带环部件中渗氮层厚度的本技术领域中。根据本发明，GDOES技术在这方面惊奇的发现同样适用于精确测量与相对于外部环表面的试样深度相关的环的马氏体时效钢基体(matrix)内的氮浓度。根据本发明，利用这个深度与所测量的氮浓度特征确定了渗氮表面层的厚度。

在GDOES测量中，原子从试样表面被溅离。这导致凹坑的形成，所述凹坑具有取决于溅射探头形状的数毫米的直径和数十微米的深度。在这个过程中，大功率的电场在探头(阳极)和金属试样(阴极)之间产生，并且通过在低压氩气体等离子气氛中进行放电来实现溅射(sputtering)。从而原子通过放电等离子体的惰性气体(例如氩)离子的轰击从而连续地从试样表面被溅射(腐蚀)。被溅射的原子随后在等离子体的阴极辉光中主要通过与电子碰撞从而被激发或者电离，以特征光发射的形式发射出能量，这通过光谱仪来进行分析，所述光谱仪测量以特定波长发射的光的强度，所述特定波长与感兴趣的元素相关，此处为氮。为了能够正确地并且精确地将所测量的光强关联到实际的氮浓度，以及将电溅射电流和处理时间关联到实际的试样深度，GDOES测量设备被预先校准，所述校准过程优选定期重复进行以校正任何偏移。可替换的是，在测量过程中，实际的试样深度的逐渐增加可以与钢的一种或多种元素的测量量相关(在一段时间上测量的浓度的总计)，所述元素均匀地分布在散料中。

根据本发明，提供一种用于监测无级变速器的推型带的环部件的制造过程的质量的方法，其中是通过测量所述环部件的渗氮表面层的深度来监测，所述推型带包括多个相对薄的横向金属元件，所述金属元件可滑动地结合在一个或多个层状循环拉伸装置上，所述拉伸装置均包括一组互相嵌套的环部件，通过蒸发环材料，小的凹口形成在环部件中，并且测量与凹口相对于环部件外表面的深度相关的蒸发材料中的氮浓度，并且渗氮表面层的厚度T与所测得的凹口深度相对于氮浓度的关系相关。

根据本发明的一个优选实施例，渗氮表面层的厚度通过当恒定的或者可忽略的氮浓度被测量到时凹口的深度确定。

本发明另外涉及GDOES技术相对于它目前新的应用的多个另外的改进，这将参考附图来说明。

附图说明

图1是已知的无级变速器的示意性透视图，其具有推式驱动带和两个带轮。

图2是沿着其纵向方向定向的现有推型带的剖视图。

图3示出了已知制造方法的处理步骤，用于制造将用在推型带中的金属环。

图4示意性示出了层状拉伸装置的一个环的肉眼可见的剖视图，包括它的表面硬化的表面层和测量凹口的图示。

图5示出了这种环的所测量的氮浓度特性的示意图形。

具体实施方式

图1示出了已知的无级变速器的中间部件，所述无级变速器通常用在机动车辆中在发动机和它的驱动轮之间的传动系中。变速器包括两个带轮1、2，每个带轮均设置有两个带轮盘(disck)4、5，在所述两个带轮盘之间具有推型驱动带3，用于从一个带轮1、2向另一个带轮2、1传递旋转运动M和伴随的转矩。带轮盘4、5成形为大致锥形的，并且至少一个带轮盘4结合在变速器中可沿着相应的带轮轴6、7轴向移动，两个盘4、5设置在所述带轮轴6、7上。变速器通常还包括启动装置，该启动装置在所述至少一个可移动的盘4上施加轴向定向的夹持力，该夹持力朝着相应的另一个带轮盘5，从而推型带3在其处被夹持在它们之间。

推型带3包括循环的拉伸装置31和多个相对薄的横向元件32，元件32设置在拉伸装置31上可沿着它的纵向方向移动，并且主要与其横向而定向。元件32承受所述夹持力，从而当驱动带轮1旋转时，盘4、5和推型带3之间的摩擦使得元件32沿着运动M的所述方向从所述驱动带轮1被推进(thrust)到从动带轮2，并且再次返回，从而被拉伸装置31引导和支撑。变速器的几何传动比由从动带轮2处的推型带3的有效接触半径R2和驱动带轮1处推型带3的有效接触半径R1的比值确定，这会在一定数值范围中连续变化。

图2提供了已知推型带的剖视图，所述剖视图沿着带3的纵向方向定向。在图2中，推型带3的横向元件部件32在正视图中示出。元件32结合在推型带3中，安装在其循环拉伸装置31上，至少在这个实例中，循环拉伸装置31包括两个层状零件，每个零件由多个薄的并且扁平的金属环30形成，金属环30沿着径向方向一个嵌套在另一个周围，并且每个零件容纳在横向原件32的相应开口33中。另外，突起39设置在横向原件32的前部主表面40上，所述突起39容纳在一孔(未示出)中，所述孔设置在相邻横向元件32的后部主表面41中。在变速器操作过程中，突起39和孔设置成互相连接并且对齐推型带3的相邻横向元件32。所谓的倾斜边缘36下面的横向元件32的底侧35是楔形的，从而当夹持在带轮1、2的盘4、5之间时，允许相邻元件32围绕轴向方向互相倾斜。

图3示出了用于上述推型带3的现有制造方法的目前相关的部分，该部分涉及它的环部件30的制造。在第一工艺步骤I中，板状基材11被弯曲成圆柱形状，从而彼此相交的板材的端部12在第二工艺步骤II中被焊接在一起以形成管3。在工序的第三步骤III中，管13被退火。之后，在第四工序步骤IV中，管13被切割成多个环箍30，随后，在第五工序步骤V，所述环箍被滚压和延伸到所需要的厚度，该厚度在最终产品中通常大约为0.185毫米。在滚压之后，环箍30通常称为环30或者带环30。

工序步骤VI中，环30进行另外的退火，以去除在滚压过程中引入的内部应力。之后，在第七工序步骤VII中，环30被校准，即它们安装在两个旋转的滚子周围，并且牵拉到预定的圆周长度。在这个第七工序步骤VII中，同样内部应力分布被施加在环30上，其限定各个环30的所谓的卷边半径。在现有工序的第八步骤VIII中，环30经历两个热处理VIII-A和VIII-N，或者是相继的或者是同时的。首先，环30被沉淀硬化，即经历时效(以字母“A”表示)，并且第二，环30被渗氮(以字母“N”表示)，从而为环30的外表面层提供另外的硬度、以及压应力。这个后者的热处理VIII-N公知为气体软氮化方法，并且提供环30的表面硬化，从而形成具有极大硬度的通常25-35微米的扩散渗氮表面层。

利用多个这种处理的环30，通过径向堆叠即嵌套多个有目的选择的环30，形成拉伸装置31，如进一步在图3中所示的。为了获得适用于形成一个拉伸装置31的所需数目的环30，每个处理过的环30的代表性的尺寸例如它的圆周长度在第九工序步骤IX中测量，从而环30通过这种长度被进行坯料分类(stockedclassified)。之后，在第十和最后的工序步骤X中，利用这种分类的环30的坯料，通过径向嵌套多个适合尺寸的环30，装配循环的拉伸装置31。

图4示意性示出了环30的详细的剖视图，即横向于带1的纵向或循环方向截取。根据附图可以看出，环30在被进行上述处理之后，环30显示出这样的外表面层或者表皮9，该表面层或者表皮特征是相对于环芯部材料8的硬度具有增大的硬度。该增大的硬度通过下面的方式实现，即在渗氮工序步骤VIII-N中，将氮原子结合在马氏体时效钢基体中。由于环30的渗氮表面层9对于推型带3最终产品的质量的重要性，重要的是在推型带环部件30的制造过程中至少维持恒定并且优选最佳的渗氮层厚度T。因此，通常认为必须监测所制造的环30的质量，至少通过测量制造样品的渗氮表面层9的厚度T。

本发明提供一种新的和有利的方法用于测量推型带环部件30的渗氮表面层9的厚度T，以用作监测其质量的方法。这个方法从所谓的辉光放电光发射谱仪(GDOES)的技术出发。利用GDOES技术，通过以受控的方式蒸发环材料，从而逐渐地在环表面16中形成小的凹口或者“凹坑(crater)”14，并且通过连续地测量从凹坑14释放的蒸汽中的氮浓度[N]，测量与相对于外部环表面16的试样深度D相关的环材料的马氏体时效钢基体中的氮浓度[N]。

试样深度D与测量的氮浓度[N]特征的一个实例在图5中示出。根据本发明，渗氮表面层9的厚度T可以容易地从这个曲线获得，因为氮浓度[N]随着深度D减小。渗氮层9的末端通过氮浓度[N]的相对快速的下降来表示。

在根据本发明的方法的优选实施例中，渗氮层厚度T由测量曲线的转折(inflection)点16限定，其一个实例在图5中提供。在这个转折点处，曲线的二阶数学导数等于零。根据本发明，已经发现，用于确定环30的渗氮表面层9的厚度T的这种确定和测量方法提供了最佳的结果，特别是在它的精度和可重复性方面。

与渗氮层厚度T类似，同样，环30的环芯部材料8的硬度，即渗氮表面层9以外的材料的硬度，对于推型带最终产品的质量来说是重要的参数，并且因此在推型带环部件30的制造过程中需要被监测。在根据本发明的方法的另一个优选实施例中，在凹坑14已经形成后，在凹坑14的底部处，硬度测量例如通过公知的Vickers硬度压痕来有利地进行，凹坑在图5中示意性地由凹部15表示。因此，它利用了凹坑14穿透渗氮表面层9进入环芯部8中的特征，其因此不需要被专门暴露用于芯部硬度测量的目的，如目前的情况。

为了这个目的，在凹坑14的形成过程中，环试样30被水冷，从而保持试样的低温，并且从而不影响芯部硬度值。实验已经确认，以这种方式，事实上可以实现：GDOES测量产生的热量不会实际影响凹坑14内的环芯部材料8的硬度。

Claims (7)

1.一种用于监测无级变速器的推型带(3)的环部件(30)的制造过程的质量的方法，其中是通过测量所述环部件(30)的渗氮表面层(9)的厚度来监测，所述推型带(3)包括多个相对薄的横向金属元件(32)，所述金属元件(32)可滑动地结合在一个或多个层状循环拉伸装置(31)上，所述拉伸装置均包括一组互相嵌套的环部件(30)，其特征在于，通过蒸发环材料，小的凹口(14)形成在环部件(30)中，并且测量与凹口(14)相对于环部件(30)外表面(16)的深度(D)相关的蒸发材料中的氮浓度([N])，并且渗氮表面层(9)的厚度(T)与所测得的凹口深度(D)相对于氮浓度([N])的关系相关。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，环材料通过辉光放电被蒸发，蒸发的原子随后在放电等离子体中被激发或电离，从而发射光，并且氮浓度([N])通过所发射的光的光发射光谱法被测量。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少在紧靠凹口(14)的附近，环部件(30)被冷却。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，渗氮表面层(9)的厚度(T)通过在曲线的转折点(16)处凹口(14)的深度(D)确定，所述曲线代表氮浓度([N])和凹口(14)的深度(D)之间的测量关系。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，渗氮表面层(9)的厚度(T)通过当恒定的或者可忽略的氮浓度([N])被测量到时凹口(14)的深度(D)确定。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，监测渗氮表面层(9)的所确定的厚度(T)是否在对于它的预定正常范围内或者外，并且，如果厚度(T)在所述范围外，相关批次的环部件(30)被拒绝用于推型带(3)的装配，或者环渗氮工序(VIII-N)的工艺设置被改变。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，硬度测量在凹口(14)的底部处进行。

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