CN102015148A - 传动带环部件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造在无级变速器的传动带(3)中使用的金属环(32)的方法，包括下列工序：通过塑性变形减小环形金属箍(14)的厚度同时增大其圆周长度因此形成环(32)并且热处理环(32)以硬化其材料，其中在环轧制已经完成之后，对于制造方法的剩余工序或步骤，环(32)的温度保持低于600摄氏度，即从其塑性变形生成的环(32)的材料的冷加工硬化在其所述热处理之前并未被除去。
Description
技术领域
本发明涉及环形、薄和柔性金属带的制造方法，该带通常包含在用于汽车中应用的公知的无级变速器或CVT的两个可调节带轮之间动力传输的传动带中。至少相对于其在传动带中的应用，这种带还被称作其环部件。本发明还涉及由所述方法获得的产品。
背景技术
在被称作推带的特定类型的传动带中，许多这样的环包含在至少一个但是通常是两个层压即其相互径向地嵌套的组中。已知的推带还包括许多滑动地安装在这种带组上的横向金属元件。在推带的应用中，现有技术的环是由马氏体时效钢制成的，除了其它之外，至少是在其适当的热处理之后，该类型的钢将使材料焊接和塑性变形的比较有利的可能性与大抗拉强度和对于磨损和弯曲和/或张应力疲劳的良好抗性结合。
已知的环设置有合理硬度的芯部材料用于实现与高金属疲劳抗力结合的好的抗拉、屈服和弯曲强度的性能，该环芯部封闭在环材料中基本上更硬并且因此耐磨的外表面层中。所述硬表面层设置有最大厚度以限制内部环应力并且向环提供足够的弹性以允许纵向弯曲以及抗疲劳断裂性。当然，尤其该特征在环的推带应用中非常重要，因为在其使用寿命跨度内它会受到很大数目的载荷和弯曲循环。
为了实现上述期望的材料特性，已知制造方法包括至少下面的工序。从基底材料的板开始，该板弯曲为圆柱形，之后现在邻接的板端部焊接在一起以形成管，该管随后退火以使材料结构均质化并且除去内应力。之后，管被切割成许多环形箍，环形箍将被轧制为期望的厚度，即最终产品所需的厚度。在轧制之后，现在薄并且柔性的箍被称作环。
环会受到进一步的退火，即环退火工序以除去前面的冷轧工序的加工硬化或应变硬化和延性降低效果。然后，通过将每个环围绕两个或更多旋转轧辊安装并且迫使所述辊轧机分开，藉此环被拉伸，因此环朝期望的圆周长度即按最终产品所需被校准。在该环校准工序中，会在环中生成特别期望的内应力分布，如在EP-A-1273824中详细描述的那样。在校准之后，环受到老化或本体沉淀硬化的热处理和渗氮或表面硬化。最后，通过径向堆叠即嵌套许多这样处理的环而形成环的层压组。
尽管随着时间的过去已经提出了用于推带环部件的上述制造方法的几种修改并且有时实际上已经用用，但是其基本工序即箍成形、箍至环轧制、环退火、环校准和环硬化始终保持为基本的并且同样全体地应用在推带生产中。然而，包括由申请人不顾及现行技术知识和确信执行的广泛部件试验的近期研究却令人惊讶地显示，在加工硬化和随后的老化和渗氮的环材料的疲劳强度和在加工硬化之后即在老化和渗氮之前已经退火的加工环材料的疲劳强度之间几乎不存在差异。该观察指引申请人洞察到在推带环部件制造过程中强制包含环退火的工序是基于技术偏见。因此，当前提出了从总的制造方法中省略环退火的工序，因此有利地至少降低其复杂性。
上述改进的制造方法提供了可能性以进一步简化已知制造方法，即通过在用于箍至环轧制的机器上执行环校准的工序。这种轧制机详细描述在EP-A-1569764中并且已知包括两个所谓的轴承轧辊，环形箍在轴承轧辊附近在拉伸状态中被带走，该状态是由所述辊轧机中的至少一个被迫沿径向远离另一个辊轧机而实现和保持的。在轧制期间，至少一个轴承轧辊被旋转地驱动以旋转拉伸箍并且至少一个所谓的轧制轧辊压在箍上以实现其塑性变形，更特别是实现材料从箍的径向或厚度尺寸朝箍的轴向或宽度和切向或圆周长度尺寸的流动。依照本发明，潜在地，环校准工序可以完全从环制造方法中省略，然而，它也可以在箍至环轧制工序已经完成之后即在已经获得了预定期望厚度的环之后在轧制机上执行。后一种改进是通过迫使轧制机的轴承轧辊进一步分开而继续旋转环但是轧制轧辊在环上未施加明显的(挤压)力而实现的。
对于依照本发明的轧制机的上述考虑的双重使用，有利的是向至少一个轴承轧辊提供圆柱形筒形，即具有至少略微凸出弯曲的缸表面。
申请人还研究了几个相关工艺和产品参数对于使用当前考虑的制造方法获得的最终产品环的生成机械性能的影响。首先，认为有利的是限制厚度减薄即限制箍至环轧制期间(冷)加工硬化的量，从而限制环材料的延展性和疲劳强度的损失。其中马氏体时效钢主要地允许相当地大于50％的冷加工比值即厚度减薄，在当前制造方法中，这应该优选地被限制为50％或更低，更优选地是具有从20％到40％范围中的值。
另外，已经发现环材料的此前的(冷)加工硬化会极大地增强后续渗氮工序的有效性。很显然，氨气在环表面上的分解和/或氮原子的吸收和内向扩散到环的钢格因此被促成。本发明因此允许渗氮热处理所需的处理时间有利地缩短，渗氮温度降低，或氨水浓度降低。
或者，观察到的增强渗氮的现象使本发明显著地适于在EP-A-1815160中讨论的所谓的环组渗氮处理，即用于制造层压组的环的方法，其中在层压组的环整体上而不是其各个环上执行老化和渗氮工序之前，这种组被(预先)装配。从EP-A-1815160中已知，至少对于所述层压组的中心定位环，这种环组渗氮处理的环渗氮处理的有效性会降低。
附图说明
下面将通过实例随着附图阐述本发明的基本原理，其中：
图1提供了设置有包含环部件的传动带的公知的无级变速器的示意性显示的实例，
图2是以透视显示的带的剖面，
图3图示了传动带环部件的已知制造方法的当前相关部分，
图4是提供在两种类型的试件上执行的疲劳强度试验的实验结果的图形，并且其中
图5图示了依照本发明的传动带环部件的制造方法部分。
具体实施方式
图1显示了通常应用在汽车的传动线中其发动机和驱动轮之间的已知无级变速器或CVT的中心部分。传动装置包括两个带轮1、2，每个带轮均设置有两个圆锥形带轮盘4、5，其间界定了主要为V形的带轮槽并且其中的一个盘4沿着它所放置的各自的带轮轴6、7轴向地移动。传动带3环绕带轮1、2用于从一个带轮1、2向另一个带轮2、1传递旋转运动ω和伴生的转矩T。
传动装置通常还包括驱动装置，该驱动装置在所述至少一个盘4上施加一个轴向定向的夹紧力Fax，该夹紧力朝各自的另一个带轮盘5指示这样带3就夹在那之间。而且，因此确定了传动装置的速度比，它在下文中被定义为从动带轮2的旋转速度和传动带轮1的旋转速度之比。
已知传动带3的实例以其剖面更详细地显示于图2中，其中该带3包含环形拉伸装置31。拉伸装置31仅仅是部分地显示的并且—在该实例中—由两组薄和扁平即带状的柔性金属环32组成。带3还包括大量与拉伸装置31接触并且由拉伸装置31保持在一起的板状横向元件33。元件33吸收所述夹紧力Fax，这种当输入转矩Tin施加到所谓的传动带轮1上时，盘4、5和带3之间的摩擦导致传动带轮1的旋转经由同样旋转的传动带3传递至所谓的从动带轮2。
在CVT的操作期间，带3并且特别是其环部件32受到循环地改变的张力和弯曲应力即疲劳负荷。通常针对环部件32的疲劳或疲劳强度的阻力因此确定了传动带3在因此将要传递的给定转矩T处的功能使用期限。因此，在传动带制造方法的开发中长期存在的总的目标是在最小的组合材料和处理成本下实现所需的环疲劳强度。
图3显示了从早期传动带生产开始实行的用于传动带环部件32的已知制造方法的当前相关部分，其中单独的工序由罗马数字指示。在第一工序I中，通常具有在0.4毫米和0.5毫米之间的范围内的厚度的基底材料的薄板或板11被弯曲成圆柱形并且相交的板端部12在第二工序II中焊接在一起以形成开口的空心圆筒或管13。在工序的第三步骤III中，管13被退火。之后，在第四工序IV中，管13被分割成许多环形箍14，它们随后—在工序五V中—被轧制以将其厚度减小至小于0.250毫米，通常为大约185微米，同时被延长。在轧制之后，箍14通常被称作环32。
环32然后受到另一个或环退火工序VI用于通过环材料在相当高于600摄氏度例如在大约800摄氏度的温度下的回收和再结晶除去前面的轧制处理(即步骤五V)的加工硬化效应。之后，在第七工序VII中，环32被校准，即它们围绕两个旋转轧辊安装并且通过迫使所述辊轧机分开而拉伸至预定的圆周长度。在该第七工序VII中，内应力分布也施加于环32上。之后，环32在两个单独的工序即老化或本体沉淀硬化的第八工序和渗氮或表面硬化的第九工序IX中被热处理。更特别地，这两个热处理都涉及在包含受控气氛的工业炉或炉子中加热环32，该受控气氛对于环老化通常由氮气和一些例如大约按体积5％的氢气构成，对于环渗氮通常由氮气和氨水构成。两个热处理通常发生在从400摄氏度到500摄氏度的温度范围内并且每个均能持续大约45至超过120分钟，这取决于环32的基底材料(马氏体时效钢合金成分)以及期望的环32的机械性能。在该后一方面，应该注意到，通常它旨在520HV1.0或更高的芯部硬度值、875HV0.1或更高的表面硬度值和从20至40微米范围内的渗氮表面层或表示为氮扩散区域的厚度。
最后，因此处理的环32的层压组31通过径向堆叠即嵌套许多环32形成，如在最近显示的第十工序X中的图3中另外显示的那样。很显然，层压组31的环32必须为此而适当地设定尺寸，例如在圆周长度中略微地不同以允许环31彼此环绕装配。为此，层压组31的环通常有目的地从环32的堆叠选取。
图4表示显示构成本发明基础的许多疲劳试验的选择的结果的曲线图。相关的试验是在两种不同类型的试件上执行的。疲劳试验同样是公知的并且涉及使试件在最小值σMIN和最大值σMAX之间受到循环地特别是正弦地改变的张力应直至断裂。该疲劳试验是由在测试中施加的所述最小和最大应力的应力比(即σMIN/σMAX)和应力幅(即[σMAX-σMIN]/2)表征和界定的。在断裂之前的应力循环的数目表示试件的疲劳强度，在图4中该数目针对所述应力幅以对数刻度绘制。因为这种疲劳试验的测量结果中的典型和固有扩展性，每个测试通常(并且当前)利用相应的试件并且在相同的应力比和应力幅试验设置下重复几次。图4的曲线图中的每个点因此表示由上述方法获得的疲劳试验结果，而所述应力比在执行的所有测试之间保持恒定。通过从图4中的一种类型的试件获得的绘制试验结果的线性拟合表示通常已知的曲线。
在图4中，从所述两种不同类型的试件A和B获得的试验结果分别由十字形和实心圆表示。在本发明的上下文中，很清楚试件A和B的所述两种类型仅仅是由试件的材料在它已经受到相同的冷塑性变形处理例如轧制处理(例如上文中的步骤V)并且在它受到所述渗氮和老化的热处理之前是否已经退火来区别的，如果退火即为A型，如果没有，即为B型。两种类型的试件A和B的原料组成相同并且对应于当前在商业上可用的—并且当前显示的—用于汽车CVT应用的传动带3的马氏体时效钢合金成分。
从图4中很清楚，两种类型的试件A和B显示出了相同的疲劳强度，尽管试件A和B的材料结构相当地不同。例如，加工硬化试件B的芯部硬度达到大约625HV1.0，而退火试件A的芯部硬度仅仅达到大约550HV1.0。因此，可以推断出现实中在箍至环轧制之后对环的退火的现有实践基于技术偏见。因此，当前提出了从总的制造方法中省略环退火的工序VI，因此有利地至少降低其复杂性。因此简化的制造方法的相关部分在本文中显示在图5中。
在图5中，显示为从依照本发明的环制造方法中排除所述第六工序VI，这样环32的(箍至环)轧制的工序五V后紧跟着校准环32的工序七VII。因此在其所述热处理(步骤VIII；IX)之前并未除去从轧制(步骤V)期间其塑性变形生成的环32的材料的冷加工硬化。
事实上，新的简化制造方法提供了可能性以进一步简化已知制造方法，即通过在用于箍至环轧制(工序V)的相同的机器上执行环校准的工序(工序VII)。如图5中示意性地指示的，已知轧制机包括两个所谓的轴承轧辊50和51，所述环形箍14在轴承轧辊50、51附近在实际轧制和被迫沿径向远离另一个辊轧机51的所述辊轧机50的至少一个而带入拉伸状态之前被夹带。在实际轧制期间，至少一个轴承轧辊50、51被旋转地驱动以旋转拉伸箍14并且至少一个另外所谓的轧制轧辊52压在箍上以实现其塑性变形，更特别是实现材料从箍14的径向或厚度尺寸朝其轴向或宽度和切向或圆周长度尺寸的流动。之后，即在箍至环轧制的工序V已经完成之后，即在已经获得期望厚度的环32之后，通过迫使轧制机的所述轴承轧辊50、51进一步分开同时旋转环32但是所述轧制轧辊52不会在其上施加明显的(挤压)力，环32被校准。
依照本发明的环校准的工序VII甚至可以完全地省略，只要轧制过程(步骤V)的轧制机和工艺设定例如施加在箍14上的力以如下方式设置，即轧制的环32显示了供在传动带中使用的所需性能特别是环32的最终实现的圆周长度。依照本发明的总的环制造方法的该后一设置显示在图6中。
另外在图6中还显示了进一步简化的总的制造方法，它允许使用条部分10而非所述板11形式的基底材料，该条部分10通常被从这种条材料的卷中切掉。与弯曲为完全圆柱形状最低所需的已知板型基底材料的厚度相比，这种条部分10可以设置有有限的厚度，例如在0.25毫米和0.35毫米之间的范围中。这样，可以有利地限制箍至环轧制过程(步骤V)中的冷加工比值即厚度减薄。如图6中所示，条部分10在第一步Ia中弯曲成环形形状并且相交的带端部9被连接，例如在第二工序IIa中焊接在一起，藉此环形箍14直接地形成。之后，箍14在处理的第三步骤III中退火并且随后地—工序五V—轧制以降低其厚度。由此除了有利地限制所述冷加工比值的可能性，在本发明的该特定实施例中，可以从总的制造方法中可以省略另一个工序，即将管13切割成环形箍14(工序IV)。
最后，应当注意到，尽管在图3中老化工序VIII和渗氮工序IX显示为随后在各个环32上执行，在本发明的情况下这是完全不需要的。事实上，除从依照本发明的总的环制造方法中省略环退火工序VI之外，所述老化和渗氮工序VIII、IX可以同样地甚至优选地同时和/或在图6中所示的环32的预装配的层压组31上执行。
Claims (10)
1.一种用于制造在无级变速器的传动带(3)中使用的金属环(32)的方法，包括下列步骤：
-通过塑性变形减小环形金属箍(14)的厚度同时增大其圆周长度，因此形成环(32)并且
-热处理环(32)以硬化其材料，
其特征在于，在轧制工序已经完成之后，对于制造方法的剩余工序或步骤，环(32)的温度保持低于600摄氏度。
2.一种用于制造在无级变速器的传动带(3)中使用的金属环(32)的方法，包括下列步骤：
-通过塑性变形减小环形金属箍(14)的厚度同时增大其圆周长度，因此形成环(32)并且
-热处理环(32)以硬化其材料，
其特征在于，在轧制和硬化的所述步骤之间，环(32)的材料未再结晶。
3.如权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，环形箍(14)的厚度减薄为50％或更低并且优选地具有在从20至40％的范围内的值。
4.如权利要求1、2或3所述的制造方法，其特征在于，在热处理环(32)的步骤之前，多个环(32)沿径向相互嵌套以形成随后整体上被热处理的环(32)的层压组(31)。
5.如上述权利要求中的任一项所述的制造方法求，其特征在于，轧制机被用于向环(32)提供期望的厚度和期望的圆周长度。
6.如上述权利要求中的任一项所述的制造方法，其特征在于，在热处理环(32)的工序中，环(32)在从400至500摄氏度范围内的温度下被放入包括氨水的受控气氛中小于45分钟。
7.如上述权利要求中的任一项所述的制造方法，其特征在于，在减小箍(14)的厚度的步骤之前，箍(14)通过首先将条部分(10)弯曲成环形形状并且然后连接相交的条端部(9)形成。
8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，条部分(10)具有在0.25和0.35毫米之间的范围内的厚度。
9.一种传动带(1)，包括具有大量横向金属元件(40)的至少一个层压组(31)的金属环(32)，其中至少一个环部件(32)是依照上述权利要求中的任一项所述的制造方法制造的。
10.一种传动带(1)，包括至少一个扁平和薄的金属环(32)，该金属环(32)具有大于600HV1.0且优选地具有大约625HV1.0的芯部硬度值。
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