CN101663509A - 粉末金属变速器组件 - Google Patents

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Abstract

公开了粉末金属组件在变速器中的应用。该变速器中可以使用各种牵引液，而不是仅能使用高性能的合成产品或应用特殊的润滑油。

Description

粉末金属变速器组件
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年1月24日提交的美国专利申请No.11626809的优先权，此处将该申请的全部内容一并引入作为参考。
技术领域
本发明涉及具有使用粉末冶金制成的组成部件的滚动牵引型变速器。特别地，本发明涉及具有抗剥落和相关组件故障的形态的粉末金属变速器组件。
背景技术
“变速器”是以连续变化的速率传递旋转驱动力的装置。例如，变速器用于车辆的连续地和不断地变速传动。
在滚动牵引型变速器中，通过旋转部件之间的滚动接触的牵引作用在它们之间传递驱动力，一个或多个旋转部件的运动使得变速器的驱动速率发生改变。变速器一般包括第一旋转部件-滚道，第二滚动部件-滚子在该滚道上运行。
所述滚子(roller)和滚道(race)可以采用各种形式。一些滚动牵引型变速器具有圆锥形滚道，可以沿其轴向移动以改变速率，它们之间具有轮子以由一个向另一个传递驱动力。另一个实例使用球形滚子，滚子可转动地安装在各自的轴上。US专利申请10141652提供了这种类型的例子，该申请以US 2002/0170799公开，以Donald C Miller的名义提交。
众所周知的变速器是环形滚道型的，包括至少一对安装为关于一个共同的轴旋转的半环形凹槽变速器滚道，并且在它们之间限定一个环形的空腔。由Torotrak(发展)有限公司持有的以及其它的专利和专利申请中描述了这种变速器的结构和操作，例如，Torotrak的国际专利申请PCT/EP2006/50860，公开号为WO2006/084905，将该专利申请的内容引入作为参考。
在大部分情况下，滚动部件必须一个偏向另一个以提供牵引。关于这一点的一个重要的数值为牵引系数μ，以常规方式定义为牵引力除以法向接触力，其中所述牵引力为滚动接触时传递的力，所述法向接触力为垂直于接触表面测量的使滚动部件偏向彼此的力。
所述滚子和滚道可以直接机械接触，通过接触处的摩擦由一个向另一个传递驱动力。其它的滚子和滚道可以由流体薄膜(“变速器液”)分开。一般将所述变速器液喷入所述滚动部件上，从而进入它们之间的区域。
在环形式变速器中，一般由将变速器滚道中的一个向另一个偏置提供所述法向接触力。向所述变速器滚道施加的力(该力决定法向接触力，但并不等于法向接触力，因为它是多个变速器滚子共用的力，并且一般不会准确地与接触法线平行)被称为“终载(end load)”。一些复杂的变速器使用液压致动器，以提供随着由变速器控制的转矩变化的终载。一些简单的变速器使用弹簧，以提供基本上不变的终载。关于上述内容，PCT/EP2006/050860提供了后者的例子。
可以维持的牵引系数存在一个极限。如果相对于法向接触力来说所需要的牵引力变得过大，结果是不能接受的滚动接触处打滑，这会导致变速器的损坏。打滑变得不能接受的极限牵引系数可以依赖于几个因素，例如包括：滚动部件的表面的性质和变速器液的流体弹性动力特性(当存在变速器液时)。极限牵引系数的最大值是需要的，因为可以使终载减小。大的终载会使变速器的效率降低，并且使组件的有效寿命降低，特别是滚道和滚子。
变速器的滚子和滚道可以周期性地承受高赫兹的接触压力。同样可以散逸相当多的热量，可能产生高温。在它们的表面还可能存在很大的切向剪切力。这些因素可能导致滚子和滚道的失效，如题目为“Developing the Durability of a Dual-Cavity Full-Toroidal IVTVariator”的论文(Adrian Lee、Jonathan Paul Newall：Torotrak(发展)有限公司，Yoshihiro Ono、Teruo Hoshino：Koyo Seiko有限公司，SAE 2002 World Congress & Exhibition，2002年3月，底特律：会期“Transmission and Driveline Systems Symposium(PartA)-IVT/CVT；文件编号：2002-01-0587，书籍编号：SP-1655)(称作“耐久性论文”)中所解释的。
所述耐久性论文描述了影响变速器的滚子和滚道的失效寿命的因素的现有研究。测试的滚动部件是表面为平的或重叠的锻制轴承钢。该论文解释了这些部件中的一些发生滚动接触失效，表现出两种失效模式：
1.表面缺陷(distress)-“由涂釉区域形成的滚动元件失效，然后出现导致微观粗糙级微剥落坑的微观粗糙级微裂纹”；以及
2.剥落-“由在接触表面形成宏观的坑导致的失效，失效的原因是裂口在该赫兹应力场中扩展”(引号中的文字是直接从该论文中引用的)。
两种模式均导致组件不合适。观察到由表面缺陷导致的不正常的运动表面会导致变速器不能接受地振动。在该论文描述的试验中，在该情况下即停止了测试，但是其它试验证明开始出现表面缺陷之后继续使用的轴承钢部件会发生剥落。
当没有发生表面缺陷时(即，组件工作正常，没有失效)，滚子和滚道的滚动表面的磨损速率很低，以至于不可能使用常规的方法(测量重量损失)测定磨损速率。当然，这是由于液态膜将表面分离的结果。相关的观察(在该论文中没有详细描述，但在其它试验中证明)为：完成其设计寿命甚至经过测试达到破坏点的变速器滚子和滚道也常常受到很小的磨损，以至于能够在其运行表面上保留在其制造过程中由翻转或磨光留下的轻微的加工印记。
该研究包括具有相对粗糙的运动表面(0.13＜Ra＜0.23)的组件和较光滑的组件(Ra＜0.1)。只在相对粗糙的组件表面观察到表面缺陷失效模式，其寿命也比较光滑组件的短。所述耐久性论文说明，需要使运动表面足够光滑以避免出现表面缺陷。
变速器的滚动部件一般尽商业可能地做得光滑，以抑制表面缺陷。所述耐久性论文包括建议的合金和表面处理，目的在于使滚子表面的压缩残余应力变小，以抑制表面开始的开裂。
本申请的图6(不是来自于所述耐久性论文)的显微照片显示了粗糙度为0.13＜Ra＜0.23的锻制轴承钢变速器组件的运动表面，该组件在1.8GPa下运动74小时后失效。区域1000表示表面缺陷的效果。该表面缺陷已经导致表面开始剥落，形成坑1002。该运动轨迹两侧的带1004和1006没有受到影响。
另一方面，本申请的图7的显微照片显示了粗糙度为Ra＜0.1的组件的运动表面，该组件在同样的1.8GPa压力下运动超过2200小时。可以看到，形成该运动轨迹的区域1008表示出原始加工特征，同样可见该轨迹两侧的带1010和1012。缺陷1013是一些碎屑的印记。在油膜厚度最小的运动轨迹周围的区域1014和1016，材料被磨光，其粗糙度在使用中被塑性变形或者磨光。
运动表面特性，例如，粗糙度，对变速器的性能有影响，包括峰值或者极限牵引系数。然而，例如选择变速器液等因素可以影响极限牵引系数，据信合适的粗糙度可以辅助提供牵引。但是，在使用常规端制钢部件时增大粗糙度看来会导致过早地疲劳失效。
以SKF工程研究中心BV(“SKF”)的名义提交的以WO 00/77268公布的国际专利申请PCT/NL00/00418公开了高合金钢变速器盘和/或滚子，使用当时现有的粉末冶金制造方法形成。
SKF描述“本领域公知的任何方法”均可以使用，并且区别在于(identify)热等静压成形，然后热锻造，作为制备粉末金属的方法。热等静压成形是一种用于形成高质量钢的公知技术，包括向密闭容器中的金属颗粒施加热量和高压，以生成没有很多内部空隙的高密度的钢锭。
该SKF表面要通过奥氏体化和粹火进行处理以达到“非常高的硬度”。据说得到的组件具有非常高的表面硬度。例如，测得的表面硬度为67HRc。在公开号为WO 00/79151的SKF的国际专利申请PCT/NL00/00417中也可以找到某些相似的内容。
发明内容
本发明涉及一种粉末金属变速器组件，该组件包括滚道、滚子和与SKF不同的其它变速器部件。可以相信，这种粉末金属组件用于变速器具有足够的耐久性。此外，在与常规的矿物基变速器液一起使用时，这些部件也是有效的。
本发明的示例性的实施方式包括一种变速器组件，该变速器组件包括适于通过微点蚀磨损的粉末金属滚动表面。在某些实施方式中，该变速器组件以高于0.0035mm每使用500小时的速率磨损，但是在其它的实施方式中，该变速器组件以高于0.003mm、0.004mm、0.0045mm或0.005mm每使用500小时的速率磨损。该变速器组件的磨损系数大于10-9mm3(Nm)-1，或者大于10-8mm3(Nm)-1。在某些实施方式中，所述变速器组件金属可以为低合金钢。所述变速器组件可以为滚道、盘、滚子或球体。
某些实施方式可以包括一种变速器，该变速器包括极限牵引系数至少为0.55的粉末金属组件。在特定的实施方式中，所述极限牵引系数可以为0.55-0.95、0.6-0.9、0.65-0.85或者0.70-0.80。特定的实施方式可以包括一种变速器组件，该变速器组件含有多孔状的粉末金属。在某些实施方式中，该变速器组件可以含有包括至少2.5体积％的孔的粉末金属材料。在其它的实施方式中，所述粉末金属材料可以包括2.0体积％、3.0体积％、3.5体积％或4.0体积％的孔。在特定的实施方式中，该变速器组件含有密度为7.6g/cc或更低、7.5g/cc或更低、或者7.1-7.6g/cc、7.2-7.5g/cc、7.3-7.4g/cc的粉末金属。
某些实施方式可以包括一种变速器，该变速器具有至少一个滚子，该滚子沿至少一个滚道运动以变化的速率将驱动力传递给另一个，该变速器还包括用于向所述滚道和滚子提供液体的液体供给装置，以提供液态膜，在使用时通过该液态膜将所述滚子和所述滚道分开。特定实施例中，所述滚子的运动表面的粗糙度为Rq(roller)，所述滚道的粗糙度为Rq(race)，综合粗糙度定义为：
Figure A20088000881300121
该变速器的膜厚比定义为正常工作中的液态膜的最小厚度除以所述综合粗糙度。具体实施例中，膜厚度可小于1.0微米。
特定的实施方式可以包括一种变速器组件，该变速器组件包括Ra粗糙度大于0.1或0.2微米的粉末金属表面，或者更特别地为0.1-0.5微米，0.2-0.4微米。
某些实施方式可以包括一种变速器组件，该变速器组件含有硬度小于62HRc的粉末金属，或者更特别地为54-60HRc、55-59HRc、或56-58HRc。
某些实施方式包括一种制备变速器组件的方法，该方法包括如下步骤：a、提供基本上与该组件的形状相符合的模具；b、向该模具中加入粉末金属；以及c、将该粉末金属烧结。特定的实施方式还可以包括快速压实步骤、快速再整形步骤或热处理步骤。其它的实施方式可以包括对该组件的运动表面进行机械加工的步骤。
特定的实施方式可以包括一种制备变速器组件的方法，该方法包括如下步骤：a、提供基本上与该组件的形状相符合的模具；b、向该模具中加入粉末金属；c、快速挤压该粉末金属；d、将该粉末金属烧结；e、进行快速再整形；f、对该粉末金属进行热处理；以及g、对该组件的运动表面进行机械加工。
其它的实施方式可以包括一种变速器，该变速器包括；外壳；所述外壳中内封的具有接触表面的粉末金属盘；以及与所述盘的接触表面滑动接触的粉末金属滚子。某些实施例中，粉末金属盘和/或粉末金属滚子的密度小于7.7g/cc，粗糙度大于.2微米，硬度小于62HRc。某些实施方式还可以包括位于所述盘的接触表面上的矿物基牵引液。
具体实施方式部分对本发明的实施方式的描述仅通过举例的方式。
附图说明
图1为环形滚道、滚动牵引型变速器沿着包括变速器轴的截面的示意图；
图2为测得的粉末金属盘和滚子的牵引系数曲线图；
图3A-3M为测得的粉末金属盘和滚子的牵引的显微照片；
图4A和4B为在用于IVT前后测得的粉末金属滚子的表面轮廓，其表示表面粗糙度；
图5A和5B为在用于IVT前后测得的粉末金属滚道/盘的表面轮廓，其表示表面粗糙度；
图6是现有技术，为测试过程中失效的粗糙的锻制钢变速器部件的表面的显微照片；
图7是现有技术，为在延长的测试中完好的光滑的锻制钢变速器部件的表面显微照片；
图8为三种不同类型的变速器组件的杠杆力和牵引系数值；
图9为不同的变速器滚子的磨损速率的曲线图。
具体实施方式
变速器(variator)
下面描述的变速器以及测试和描述的变速器组件只是用于举例。本申请并不限于环形(toroidal)滚道型变速器，而是延及其它变速器。本申请既不限于滚子也不限于滚道。其它的传动组件，例如，行星齿轮传动装置可以由粉末金属制成。
图1为环形滚道、滚动牵引型变速器的示意图。这种变速器的一般结构为本领域技术人员所公知，并且在Torotrak(发展)有限公司持有的专利和专利申请中有描述，例如，WO2006/084905A1，将该专利引入作为参考。其它IVT公开可以参见www.torotrak.com。
变速器10具有一对变速器滚道12、14，变速器滚道12、14安装用于围绕由轴16限定的共同轴线旋转。两个滚道均为半环形凹进，参见18和20，使得它们一起限定了大致环形空腔21，其中容纳一组滚子22。每个滚子22安装用于围绕其自身的轴线24旋转，并且每个滚子均在两个变速器滚道12、14的凹进面18、20上运动，以在它们之间传递驱动力。
变速器滚道12通过键槽与轴16连接，使得它随着该轴旋转，并且由旋转动力源驱动，例如，本身与该轴操作连接的发动机E。变速器滚道14安装在与所述轴16同轴的轴承26上，因而能够独立于它旋转，并且与下游的齿轮传动装置连接。
在机动车辆传动的情况下，这种齿轮传动装置一般为行星轮(epicyclic)型的，并且通向被驱动的车辆轮子。合适的行星齿轮装置是本领域公知的。PCT/EP2006/050860提供了一个例子，引入作为参考。变速器滚道12的键槽安装使得它某种程度上沿着所述支柱移动，该实施方式中作为belleville垫圈(washer)形成的弹簧27促动该滚道朝着另一个滚道，以提供所述终载。安装滚子使得它们经过倾斜运动改变滚子轴线24和轴16之间的角度，以本领域非常公知的方式改变变速器的速比。
粉末金属测试部件
通过Hawk Precision Components根据如下方法生产变速器滚子和滚道，提供该方法仅是为了举例，而不是限定。将粉末金属置于与组件的形状基本相符的压制(compaction)工具中。然后对压制工具中的粉末进行快速压制以形成新的致密部件。然后将该部件烧结，并进一步地进行快速再整形(restrike)处理。然后对该部件进行热处理和机械加工。纹理加工(textured tooling)形成用于形成滚道的表面。
测试的滚子和盘含有使用粉末冶金形成的低合金钢，一组含有0.3％碳铬(C-Cr)钢，另一组含有0.6％C-Cr钢。将滚子的接触表面加工成形，而盘的接触表面不加工。该滚子和盘的密度为7.1-7.6克(g)/立方厘米(cc)。这些部件的硬度为54-62HRc之间。
形貌
得到的变速器组件的形貌(morphology)包括内部的空间、孔隙或者空腔。应当认为，这种形貌有助于使得粉末金属变速器组件对于用在变速器中是可接受的。图3A-3M为下面描述的滚子和盘的显微照片。这些图像表示测试的不同阶段的部件的形貌。
图3A-3F为使用约100小时后的网形(未改进的)PM组件的滚道/盘的250X显微照片。表面具有平整的(planished)光滑部分(smooth)，但是带有非晶态(armorphous)的微观结构。可以看出盘接触表面在使用寿命中通过微点蚀(mi cro-pitting)持续自身更新(renew，恢复)，没有表现出因为剥落或疲劳而失效。
这些图公开了微观结构中的无序空隙。这种非均态的无序微观结构看起来没有退化，如在相似的精制(wrought)的或锻造的材料中发现的。粉末冶金形貌中的无序分布的空隙，凹凸不平的峰和谷，看起来提供了改进的牵引，同时仍然提供高密度精制和锻制材料所不能得到的耐久性。
图3G-3J是与图3A-3F相同平面的视图和特征，只是扩大倍率更高(1000X)。
图3K-3M为基础形貌的横截面的250X显微照片。该形貌被平整或修整(dandified)，但没有完全连贯(coherent)的深度为0.012-0.020英寸的表面带。该无定形的基础包括通道。据信，这在将牵引液在盘和滚子之间传递中起到了作用。这样，可以使用这些粉末金属组件通过两个界面(一个在表面下，一个在表面)提供液体弹性牵引驱动润滑和冷却液。
测试
在如下所述的各种条件下测试金属粉末滚道/盘和滚子的牵引系数峰值、粗糙度、硬度和耐久性。使用原型变速器和能够使变速器组件以可调整的速度和负载条件运动的测试装备测试滚道/盘和滚子。公开号为WO01/27609的Torotrak提交的国际专利申请PCT/GBOO/03904中描述了所述测试装备，将该专利申请引入作为参考。
牵引
使用所述测试装备对测试部件的牵引数据进行测定。使用如下进行测试：(a)由称作“Ovako 825”的合金制成的常规熟钢滚子和滚道，表面光洁度高，标称粗糙度Ra0.02微米；(b)由具有0.3％C-Cr钢的钢合金形成的粉末金属滚子和滚道，滚子粗糙度Ra＝1.02微米，滚道粗糙度Ra＝0.58微米；以及(c)由具有0.6％C-Cr钢的钢合金形成的粉末金属滚子和滚道，滚子粗糙度Ra＝1.53微米，滚道粗糙度Ra＝1.12微米。使用高性能牵引液(traction fluid)和机动车自动变速箱液(ATF)进行测试。结果如下：
  接触条件使用ATF进行的测试   峰值牵引系数两个方向测得的平均值
Figure A20088000881300161
 负载(和大约平均赫兹接触压力) 流体温度 滚动速度   基线Ovako 825   组10.3％C-Cr钢   组20.6％C-Cr钢
  607N(0.69GPa)   90℃   4m/s   0.028   0.070   0.075
  607N(0.69GPa)   90℃   11m/s   0.024   0.057   0.066
  607N(0.69GPa)   90℃   18m/s   0.023   0.055   0.059
  2865N(1.16GPa)   90℃   4m/s   0.040   0.067   0.058
  2865N(1.16GPa)   90℃   11m/s   0.034   0.060   0.048
  2865N(1.16GPa)   90℃   18m/s   0.032   0.056   0.045
第一个表格表明使用合成的牵引/变速器液时所有的部件均具有可接受的牵引系数。该粉末金属部件的牵引系数大于轴承钢部件的牵引系数，其中，0.6％C-Cr钢部件的性能最好。
第二个表格表明当与ATF结合使用时，轴承钢部件的牵引系数较低。该粉末金属测试部件具有可接受的牵引。发现一些0.3％C-Cr钢部件出现了有害的表面损坏缺陷并随后失效。后序的牵引测试使用0.6％C-Cr钢。
图2为使用混合牵引液，在试验变速器中以三个不同的速度运行粉末金属测试部件得到的滑动滚动比(Slide to Roll Ratio)百分数的曲线图。牵引系数在竖轴上。滑动滚动比表示为一个百分数，位于横轴上，用于表明在滚子/滚道接触处的滑动程度。随着滑动滚动比迅速地增大，全部三组数据均表现出围绕某个牵引系数渐近的行为，该分数系数可以看作极限牵引系数。
图8为变速装置中某个部件的测试结果。由电动机在测试变速器的输入侧以固定的速度驱动。变速装置的输出是固定的，即不变的，因此该变速器不会偏离啮合中间速率。由弹簧提供该变速器的法向接触力。通过改变“杠杆力”(施加一杠杆上，该杠杆作用于变速器的滚子上以控制它们的位置，并提供“牵引力”(使用在背景技术中所用的术语))来调节牵引系数。图中记载的杠杆力是在变速器中发生过度滑动的结果，即，与极限牵引系数相对应的力。左边的刻度为杠杆力。右边的刻度为相应的牵引系数。提供了数据用于(a)磨光的滚子和盘-粉末金属或熟钢-表现出一些牵引；(b)磨光的盘和粗糙的粉末金属滚子，表现出较好的牵引；以及(c)粗糙的粉末金属滚子和盘，表现出最好的牵引。
粗糙度
在测试部件的产品寿命前后还测试其粗糙度，使用混合牵引液在所述测试装备上进行测试。全部的测试部件均完成了至少500小时的产品寿命测试。
使用具有2.5微米断口微粗糙度过滤器和0.08mm断2CR-ISO过滤器的Form Talysurf测定下面的表面性质：
(1)平均粗糙度(Ra)，表面粗糙度的常规测试，定义为粗糙轮廓纵坐标的绝对值的算术平均值；
(2)均方根粗糙度(Rq)，由Ra数值计算得到；
(3)偏度(Rsk)；
(4)降低的峰值高度(Rpk)，滚入后测量的峰值高度已经去掉了最大峰值；
(5)内核(kernal)粗糙深度(Rk)；
(6)凹槽深度(trough depth)(Rvk)；
(7)材料比(MR1)，与粗糙度核心(Rpk)的上限相对应；
(8)材料比(MR2)，与粗糙度核心的下限相对应。
下面的表格列出了测试滚道/盘和滚子在测试前(表1和2)以及产品寿命预计终点(连续运行500小时)(表3和4)的不同粗糙度测试结果。这些表格不对本发明作出限定。这些表格仅用于提供组件性能的例子。本发明的其它实施方式可能表现出不同的性能。
表1新的盘接触表面的粗糙度
  Ra   μm   0.3-0.5
  Rq   μm   0.3-0.6
  Rsk   μm   -0.8-0.8
  Rk   μm   0.7-1.0
  Rpk   μm   0.15-0.4
  Rvk   μm   0.5-0.9
  MR1   ％   5-10
  MR2   ％   80-90
表2新的滚子接触表面的粗糙度
  Ra   μm   0.1-0.25
  Rq   μm   0.1-0.3
  Rsk   μm   -0.15-0.2
  Rk   μm   0.3-0.6
  Rpk   μ.m   0.13-0.3
  Rvk   μm   0.05-0.02
  MR1   ％   10-19
  MR2   ％   85-93
表3产品寿命结束时的盘表面的粗糙度
  Ra   μm   ＞0.15
  Rq   μm   ＞0.2
  Rsk   μm   -1.2-0.8
  Rk   μm   0.4-1.0
  Rpk   μm   0.15-0.35
  Rvk   μm   0.5-0.8
  MR1   ％   7-10
  MR2   ％   70-80
表4产品寿命结束时滚子表面的粗糙度
  Ra   μm   0.12-0.4
  Rq   μm   0.15-0.5
  Rsk   μm   -0.5-0.8
  Rk   μm   0.1-0.35
  Rpk   μm   0.2-0.5
  Rvk   μm   0.5-1.5
  MR1   ％   12-16
  MR2   ％   70-85
图4A表明了新的变速器滚子的表面粗糙度轮廓。图4B表示了同一个变速器滚子在寿命测试后的表面轮廓。尽管轮廓并不相同，但是使用后的滚子的轮廓仍然保持着一定的粗糙度，并没有由于使用而被磨光。图5为一个盘在新的(5A)和测试后(5B)的粗糙度轮廓并且再次保持一定程度的粗糙度。
在初始时和在500小时寿命测试结束后，测试滚道/盘和滚子的粗糙度均高于常规的熟钢滚道/盘和滚子。确信粉末金属组件的表面粗糙度可以部分起到增强牵引的作用。
如下的因素可以影响使用后的表面的粗糙度：
a、盘/滚道和滚子的相对硬度
b、这些组件的材料的密度
c、初始表面纹理结构/粗糙度
d、组件的孔隙率。
似乎密度应该足够大以提供机械强度、热传导率(以使热量由滚动接触处散逸)以及大周期剥落疲劳。目前的结果表明，优选地滚子不应比盘滚道更硬。使用硬度为56-61HRc的变速器滚道和硬度为54-60HRc的滚子得到了可以接受的测试结果。还使用密度为7.0-7.6g/cc的滚子材料得到了可以接受的测试结果，还表明更优选的密度为7.5g/cc或者更好的。
特定的粗糙程度的效果可能在一定程度上依赖于将滚子与滚道分离开的液膜的厚度。膜的厚度不是常数，而是取决于诸如液体温度、终载、滚动速率等因素，但是知道变速器所需要的工作包线(operatingenvelope)可以估算在正常运行过程中的最小膜厚度。并且滚子和滚道两个部件的粗糙度与性能是相关的。
我们对部件的“综合粗糙度”进行如下定义：
R q ( race ) 2 + R q ( roller ) 2
其中，Rq(race)为滚道的均方根粗糙度，Rq(roller)为滚子的相应值。然后我们将膜厚比定义为最小膜厚度除以综合粗糙度。膜厚比表明该部件是否彼此物理接触。常规的熟钢变速器组件一般在膜厚比为1.5或更大下运行，因此在滚动部件上的表面凹凸之间几乎不或者根本不发生接触。但是，对测试部件进行同样的计算，表明膜厚比为1.0或更小，意味着表面凹凸之间发生物理的接触。
磨损
在测试过程中间断地测试不同粉末金属变速器滚子的磨损速率，如图8的图表所示。可以看出，滚子直径的改变速率大于滚道尺寸的改变速率，这是因为滚道上的磨损分布在更大的范围上。也给出常规熟钢部件的磨损速率用于对照。
在该图表中可以看到非常快速磨损的一组测试结果，这是由不适当的粉末金属密度造成的。代表合适的金属粉末组件的其它组表现出相对于该部件的设计寿命来说可以接受的磨损速率。但是，其磨损速率高于常规的熟钢部件。
可以使用V＝κWx计算磨损掉的材料的体积，其中，x为滑动距离，W为接触的负载，垂直接触点测量，κ为尺寸磨损系数。对于不发生表面缺陷的光滑的熟钢变速器组件，κ约为2×10-11mm3(Nm)-1。对于测试中使用的粉末金属部件，κ约为1.5×10-8mm3(Nm)-4。
测试部件的磨损大于意在发生最小磨损的轴承钢部件。但是，该磨损不会使该粉末金属测试部件变得不可接受。在一些粗糙的轴承钢组件中，由表面缺陷发生的磨损生成不规则的表面，使变速器发生振动，并且可以使表面开始剥落导致部件失效。已经发现该粉末金属测试部件以不损害其功能的方式磨损。相反地，测试部件的磨损使得表面(在足够大的测量尺度上)保持规则，并且(在较小的尺度上)保持理想的粗糙度。相信该表面在磨损时可以更新自身，而不被表面缺陷损坏或被磨光。相信是通过从表面除去精微的颗粒而发生磨损的，这被称作“微点蚀(micropitting)”。
测试部件的表面粗糙度使得：如果测试部件由精制(熟)轴承钢制成，并且与在先提到的测试结果一致，则可以期望发生剥落。在一些粉末金属部件中已经发现了表面缺陷和剥落。但是，在大部分的测试中，这不会发生，这些部件的寿命是可以接受的。过去认为变速器滚子和滚道的磨损是破坏性的，应该避免发生。但是，粉末金属部件在使用过程中磨损表现出对其运动表面的更新。
测试部件的牵引性能是可以接受的，在某些牵引液条件下，0.6％C-Cr部件的性能优于轴承钢部件。
关于牵引/变速器膜厚度的讨论，常规的变速器部件制作得足够光滑，使得在正常运行中不进行物理接触(除了液膜建立前的启动过程)，而测试部件足够粗糙，使得它们的凹凸之间的发生接触。
通过引用任何特殊的理论对粉末金属组件的性能的原因的解释不意在限定本发明的范围。但是，可以认为，粉末金属部件经历了微点蚀而不是剥落，结果这些部件没有失效。还可以认为，由于粉末金属的形貌，限制或消除了可能引起剥落的表面初始裂纹的扩散。细小颗粒从这些组件表面失去，但是可能引起剥落的大裂痕不会形成。还可以认为，微点蚀使组件的运动表面更新到能够帮助保持表面粗糙度水平的程度，从而提高牵引系数。参见图4和5。
还可以认为，粉末金属组件的形貌可以增强润滑。参见前面讨论的“形貌”部分对图3K-3M的解释。可以相信，由压力梯度和/或毛细管作用将牵引液在滚道/盘和滚子之间的接触区域分散。
牵引液
上述牵引测试表明，不必使用专门的合成牵引液来保证粉末金属组件具有可接受的性能。因此，使用适当的粉末金属组件可以使用比较便宜/更经济的牵引液。这还可以降低终载，从而提高经济效率。
仍然在进行组件测试，所以此时很难确定粉末金属部件的性能提高的真实原因。此外，通过结合任何特殊的理论解释测试组件性能的原因的结果讨论并不意在限定本发明的范围。

Claims (46)

1、一种变速器组件，包括适于通过微点蚀磨损的粉末金属滚动表面。
2、根据权利要求1所述的变速器组件，其特征在于，该变速器组件以高于每使用500小时0.0035mm的速率磨损。
3、根据权利要求1所述的变速器组件，其特征在于，该变速器组件的磨损系数大于10-9mm3(Nm)-1。
4、根据权利要求1所述的变速器组件，其特征在于，该变速器组件的磨损系数大于10-8mm3(Nm)-1。
5、根据权利要求1所述的变速器组件，其特征在于，所述粉末金属为低合金钢。
6、根据权利要求1所述的变速器组件，其特征在于，所述部件为盘。
7、根据权利要求1所述的变速器组件，其特征在于，所述部件为滚子。
8、根据权利要求1所述的变速器组件，其特征在于，所述部件为球体。
9、一种变速器，包括极限牵引系数至少为0.55的粉末金属组件。
10、根据权利要求9所述的变速器，其特征在于，具有0.55-0.95的极限牵引系数。
11、根据权利要求9所述的变速器，其特征在于，所述组件含有低合金钢。
12、一种变速器组件，包括具有多孔形貌的粉末金属。
13、根据权利要求12所述的变速器组件，其特征在于，该变速器组件含有孔，孔占粉末金属材料的体积的至少2.5％。
14、根据权利要求12所述的变速器组件，其特征在于，所述粉末金属为低合金钢。
15、根据权利要求12所述的变速器组件，其特征在于，所述组件为滚道。
16、根据权利要求12所述的变速器组件，其特征在于，所述组件为滚子。
17、根据权利要求12所述的变速器组件，其特征在于，所述组件为球体。
18、一种变速器组件，含有密度为7.6g/cc或更低的粉末金属。
19、根据权利要求18所述的变速器组件，其特征在于，所述密度为7.5g/cc或更低。
20、根据权利要求18所述的变速器组件，其特征在于，所述密度为7.1-7.6g/cc。
21、根据权利要求18所述的变速器组件，其特征在于，所述粉末金属为低合金钢。
22、根据权利要求18所述的变速器组件，其特征在于，所述组件为滚道。
23、根据权利要求18所述的变速器组件，其特征在于，所述组件为滚子。
24、根据权利要求18所述的变速器组件，其特征在于，所述组件为球体。
25、一种变速器，具有至少一个滚子，该滚子在至少一个滚道上运动从而以变化的比率将驱动力从一个传递给另一个，该变速器还包括用于向所述滚道和滚子提供流体的流体供给装置，以提供流体膜，在使用时通过该流体膜将所述滚子和所述滚道分开，所述滚子的运动表面的粗糙度为Rq(roller)，所述滚道的粗糙度为Rq(race)，综合粗糙度定义为：
R q ( race ) 2 + R q ( roller ) 2
该变速器的膜厚比定义为正常操作中流体膜的最小厚度除以所述综合粗糙度，该变速器的特征在于，其膜厚比小于1.0。
26、一种变速器组件，包括Ra粗糙度大于0.1微米的粉末金属表面。
27、根据权利要求26所述的变速器组件，其特征在于，所述粗糙度为0.1-0.5微米。
28、根据权利要求26所述的变速器组件，其特征在于，所述粉末金属为低合金钢。
29、根据权利要求26所述的变速器组件，其特征在于，所述粗糙度为0.2微米或更大。
30、根据权利要求26所述的变速器组件，其特征在于，该组件为滚道。
31、根据权利要求26所述的变速器组件，其特征在于，该组件为滚子。
32、根据权利要求26所述的变速器组件，其特征在于，该组件为球体。
33、一种变速器组件，含有硬度小于62HRc的粉末金属。
34、根据权利要求33所述的变速器组件，其特征在于，所述硬度为54-60HRc。
35、根据权利要求33所述的变速器组件，其特征在于，所述粉末金属为低合金钢。
36、根据权利要求33所述的变速器组件，其特征在于，该组件为滚道。
37、根据权利要求33所述的变速器组件，其特征在于，该组件为滚子。
38、根据权利要求33所述的变速器组件，其特征在于，该组件为球体。
39、一种制备变速器组件的方法，包括如下步骤：
a、提供基本上与该组件的形状相符合的模具；
b、向该模具中加入粉末金属；以及
c、将该粉末金属烧结。
40、根据权利要求39所述的方法，其特征在于，该方法还包括快速压实步骤。
41、根据权利要求39所述的方法，其特征在于，该方法还包括快速再整形步骤。
42、根据权利要求39所述的方法，其特征在于，该方法还包括热处理步骤。
43、根据权利要求39所述的方法，其特征在于，该方法还包括对该组件的运动表面进行机械加工的步骤。
44、一种制备变速器组件的方法，包括如下步骤：
a、提供基本上与该组件的形状相符合的模具；
b、向该模具中加入粉末金属；
c、快速压实该粉末金属；
d、将该粉末金属烧结；
e、进行快速再整形；
f、对该粉末金属进行热处理；以及
g、对该组件的运动表面进行机械加工。
45、一种变速器，包括；
外壳；
所述外壳中内封的具有接触表面的粉末金属盘，该盘的密度小于7.7g/cc，粗糙度大于0.2微米，硬度小于62HRc；以及
与所述盘的接触表面滑动接触的粉末金属滚子，该滚子的密度小于7.7g/cc，粗糙度大于0.2微米，硬度小于62HRc。
46、根据权利要求45所述的变速器，其特征在于，该变速器还包括位于所述盘的接触表面上的矿物基牵引液。
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