CN108350984A - 用于无级变速器的传动带的金属环部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用在无级变速器的传动带(3)中的金属环(32)，所述金属环(32)具有硬度大于700HV1.0和/或屈服应力大于2000MPa的芯部。特别地，本发明涉及由马氏体时效钢基础材料制成的这种金属环(32)，所述马氏体时效钢基础材料包括铁和17至19质量％镍、4至8质量％钼和15至21质量％钴并且附加性地满足钼和钴含量之和至少为22质量％、优选为24至28质量％的要求。

Description

用于无级变速器的传动带的金属环部件

技术领域

本公开涉及一种用作传动带中的金属环部件的循环的且柔性的金属带，所述传动带用于在应用在机动车辆的公知的无级变速器或CVT中的两个可调节带轮之间传递动力。在传动带中，多个这样的环组合在至少一个、但通常是两个叠置的、即相互径向套设的环组中。已知的传动带还包括多个横向元件，这些横向元件可滑动地安装在这种环组上并且通常也由金属制成。

背景技术

马氏体时效钢作为基础材料用于环，这是因为这种材料至少在其经历包括沉淀硬化和氮化的适当热处理之后具有较强的抗弯曲能力和/或抗拉应力疲劳能力。事实上，在过去的十年到二十年中，该行业已经将与传动带环部件有关的研发努力集中在提高传动带环部件的抗疲劳性这一方面。特别地，马氏体时效钢基础材料的成分为此在同时考虑作为传动带环部件的制造工艺的一部分的机械加工和热处理的情况下已经予以优化。关于该主题的多篇专利公开说明了这些努力，其中包括EP2281128A1、JP2008/185183A和US6663730B2。

由于这些研发努力，可以显著提高环的疲劳强度，甚至达到这样的程度：包括在传动带中的环的数量在某些情况下可以被减少。例如，在传动带即CVT的应用中，以前需要一组12个环，但是现在一组可以仅具有10个由新研发的基础材料制成的环，而耐用性并没有降低。

发明内容

根据本公开，这些改进的具有出色的疲劳强度的传动带出现了新的、以前尚未考虑过的问题：对即使在CVT的正常运行期间也可能发生的冲击载荷的包纳性。这种冲击载荷例如发生在装备有CVT的车辆撞击路沿或以一定的速度驶过坑洼时，从而使传动带所传递的扭矩突然飙升，由此使得传动带临时额外地张紧。所考虑的是：以前这些冲击载荷是不会引起问题的，这是因为提供传动带所要求的疲劳强度而需要的环的数量同时也为环组提供了一横截面积，该横截面积可以没有问题地承受由于所述冲击载荷而引起的临时额外拉应力。然而，通过减少环组中的环的数量，所述横截面积也被减小，并且，根据本公开所基于的认知，所述横截面积对于由冲击载荷引起的拉应力而言是至关重要。因此，至少在传动带的CVT应用的理论上可想到的运行状况下，环中由所述冲击载荷所引起的拉应力可能会超过所述环的屈服应力。

本公开旨在找到针对这种冲击载荷成为传动带的CVT应用中的关键因素的这一问题的解决方案。根据本公开，所述解决方案在不损害环的疲劳强度的情况下可以增加环的屈服强度。特别地，本公开涉及用于CVT的传动带的环，所述环由马氏体时效钢基础材料制成，所述马氏体时效钢基础材料包括铁、17％至19％(质量百分比)的镍、4％至8％(质量百分比)的钼和15％至21％(质量百分比)的钴并且还附加性地满足钼和钴含量之和至少为22％、优选为24％至28％(质量百分比)的要求。通过将这些附加的成分要求施加到马氏体时效钢基础材料上，最终制造的环具有增加的屈服强度，而且与环的疲劳强度有利地平衡，特别是针对本文所考虑的将这种材料用作用于乘用车传动应用的传动带的环部件的基础材料的这种应用。如果钼和钴的含量和小于22％(质量百分比)，则由于环的屈服强度相对较低而使环的疲劳强度不能在传动带中最佳地利用，然而，如果钼和钴含量和超过28％(质量百分比)，则环在沉淀硬化(老化)之后的硬度和脆度使得其疲劳强度降低。

根据本公开，在沉淀硬化之后，环的芯材料具有至少700HV1.0、优选750HV1.0或更高的硬度和至少2000MPa、优选2300MPa或更高的屈服强度。通过这种相对高的硬度和屈服强度，所述环能够承受由于所述冲击载荷而引起的临时附加拉应力，同时还具有与由传统基础材料制成的环相当的疲劳强度。

在上述教导的进一步详述中(该进一步详述特别涉及根据本发明的环的相对较高的硬度)，本公开还涉及环的氮化表面层的厚度。根据本公开，所述环设置有厚度降低的氮化表面层，尤其，所述氮化表面层的厚度是所述环的总径向厚度的10至15％。

特别地，根据本公开，通过氮化的热处理，环的表面硬度被设定在900与1050HV0.1之间。因此，本文所考虑的根据本发明的环在环的芯材料与外表面之间具有300HV或更低的硬度差，该相对较低的硬度差值有利且显著地降低了氮化表面层发生疲劳断裂的风险，即提高了环的疲劳强度。

在上述教导的一个替代性的详述中(该替代性的详述特别与根据本发明的环的相对较高的屈服强度有关)，本公开还涉及一种根本没有氮化表面层的环，即所述环并未经受氮化的热处理，而是经受喷丸处理。通过喷丸处理，也可以在环的表面层中引入了压(残余)应力和附加硬度，然而，与氮化热处理相比，这种方式可以更快且更精确地引入压(残余)应力和附加硬度。

需要注意的是，尽管利用喷丸工艺来处理传动带环在理论上是已知的，例如从JP1984/0164428(A)可以获知，但是由传统材料(即已知的马氏体时效钢合金)制成的环仅通过喷丸处理无法提供传动带的当下CVT应用所需的压应力值。喷丸处理的这一特殊限制的原因在于以下现象：喷丸处理可以引入的压应力至多是对象材料的屈服应力的三分之二。否则，(微)裂纹会出现在表面中或表面附近，这些裂纹对材料的疲劳强度当然是极为有害的。然而，本文所考虑的马氏体时效钢基础材料的屈服强度至少在其沉淀硬化之后是足够高的，以使得该屈服强度值的三分之二已超过所需的压应力。

尽管本文所考虑的马氏体时效钢合金成分可以包括一定量的其它合金元素，例如钛、铝和/或铬等，但在本文的情况下并不是强制的。因此，优选地，除了少量不可避免的污染物例如氧、氮、磷、硅等(例如总计小于1％(质量百分比))之外，铁是合金成分中唯一的其它元素、即平衡元素。显然，通过从本文所考虑的马氏体时效钢合金中排除其它合金元素，其成本被最小化，因为所有这些合金元素都要比铁昂贵。

附图说明

根据本公开的上述内容及其在传动带的金属环部件中的应用在下文中参考附图进行解释，其中：

图1示出设置有传动带的公知的无级变速器的一个示意性示例；

图2以透视图示出的传动带的一段；

图3示出传动带的金属环部件的已知制造方法的本文相关部分的图形表示；

图4示出所述已知制造方法的所述部分在此以根据本发明的方式布置的图形表示；并且

图5是传动带金属环部件的材料的硬度H随位置D变化的图表，所述位置D涉及环的外表面与环的总径向尺寸或厚度Tr之间的关系。

具体实施方式

图1示出了已知的无级变速器或CVT的中央部分，这种无级变速器或CVT通常于发动机与发动机的驱动轮之间应用在机动车辆的传动系中。变速器包括两个带轮1、2，每个带轮1、2均设置有两个锥形带轮盘4、5，在所述两个锥形带轮盘4、5之间限定了大致为V形的凹槽，并且其中一个轮盘4能沿着相应的带轮轴6、7轴向移动，所述轮盘布置在带轮轴之上。传动带3缠绕在带轮1、2上，用于将旋转运动ω和所伴随的扭矩T从一个带轮1、2传递给另一个带轮2、1。变速器通常还包括致动装置，所述致动装置在至少一个轮盘4上施加指向相应的另一个带轮盘5的轴向夹持力，以使得传动带3夹持在这两个带轮盘之间。另外，还由此确定了从动带轮2的旋转速度与驱动带轮1的旋转速度之间的传动(速度)比。

图2以剖视图详细示出已知的传动带3的一个示例，所述传动带3包括两个环组31，每个环组31分别由一组金属环32、在本示例中是六个金属环32组成，所述金属环32是由马氏体时效钢制成的薄的、扁平的(即带状的)且柔性的金属环。传动带3还包括多个由碳钢制成的板状横向元件30，所述横向元件30通过两个环组31保持在一起，这两个环组31分别位于横向元件30的相应凹部中。横向元件30承受所述夹持力，以当输入扭矩T1施加在所谓的驱动带轮1上时，轮盘4、5与传动带3之间的摩擦使得驱动带轮1的旋转经由同样旋转的传动带3以一定的传动比处被传递给所谓的从动带轮2，所述传动比是由传动带3在上述两个传动带轮1、2的轮盘4、5之间的相应径向位置R1、R2所确定的。

在CVT的运行期间，传动带3、特别是传动带3的环32经受周期性变化的拉应力和弯曲应力，即经受疲劳载荷。通常，环32应对这种疲劳载荷的能力、即环32的疲劳强度决定了传动带3的使用寿命。因此，在传动带制造方法的研发中的一个长期的总目标是：以尽可能小的组合(基础)材料和加工成本实现期望的环疲劳强度。

图3示出了已知的整体传动带3制造方法的本文相关部分，即传动带3的环32部件的制造，如在相关行业中通常采用的那样。在图3中，各工艺步骤是用罗马数字表示的。

在第一工艺步骤I中，将由基础材料构成的、厚度通常在0.4mm至0.5mm范围内的的薄片或板11弯曲成圆柱形，在第二工艺步骤II中将会合的板端部12焊接在一起以形成敞开的中空圆筒或管13。在所述工艺的第三步骤III中，对管13进行退火以消除步骤II中的焊接对管13的微观结构的影响。此后，在第四工艺步骤IV中，将管13切割成多个环形圈14，所述环形圈14，所述环形圈随后在工艺步骤五V中被轧制以将其厚度减少到0.150mm至0.200mm，通常减少到约185微米，同时被拉长。在轧制之后，圈14通常被称为环32。然后，使环32经受进一步的处理、即环退火工艺步骤VI，以通过在可观的600摄氏度以上、例如约800摄氏度的温度下复原和再结晶环材料来消除先前轧制处理(即步骤五V)的加工硬化效应。此后，在第七工艺步骤VII中，校准环32，即将它们绕着两个旋转辊安装，并通过驱使所述辊分开而将环32拉伸至预定义的周长。在所述第七工艺步骤VII中，在环32上也施加了内应力分布。

此后，以两个工艺步骤、即沉淀硬化或老化的第八工艺步骤VIII和通过气体软氮化进行表面硬化的第九工艺步骤IX来热处理环32。更具体地说，这两种热处理都涉及在包含有受控的气体氛围的工业烤箱或熔炉中加热环32，所述受控的气体氛围通常由氮气和一些例如用于老化的约5％(体积比)的氢气组成或者由氮气、氢气和用于气体软氮化的氨气组成。根据环32的基础材料(即马氏体时效钢的合金成分)以及环32的所期待的机械特性，这两种热处理通常在400摄氏度至500摄氏度的温度范围内进行并且可以各自持续约45分钟至120分钟以上。在这样的老化和氮化热处理之后，在第十工艺步骤X中，使环32经受喷丸处理以增加环32的径向内表面和径向外表面附近的压应力。在所述第十工艺步骤中，所谓的“丸”(例如呈通常由金属制成的小珠或小球的形式)例如通过携带在空气流或水流中而从喷嘴70喷向环32的相应表面部分。

最后，多个如此处理的环32被径向堆叠(即套设)以形成环组31，如在图3中最后进一步所示，即如第十二工艺步骤XII所示。显然，环组31的环32在此必须被适当地确定尺寸，例如必须在周长上略有不同，以允许环32以一个围绕另一个的方式装配。为此，通常在在前的工艺步骤(即在第十一工艺步骤XI)中从具有不同的但已知的周长的一系列环32中有目的地选取环组31中在后的环32。

通常而言，需要注意的是，上文所述的整个传动带3的制造方法仅用作一个示例。多个较小的并且甚至是主要的修改已经是知晓的。例如，知晓的是。作为单一工艺步骤来进行老化和氮化的热处理，即知晓同时执行上述第八和第九工艺步骤VIII、IX。对于后一种方式，即老化和氮化热处理(也称为双重硬化)的组合进行只有在下述情况下才是可行的：完成环材料的老化(老化至期望的程度)所需的时间相对较短，特别是完成环材料的老化(老化至期望的范围)所需的时间与完成环(表面)材料的氮化(氮化至期望的程度)所需的时间内近似相同。

根据本公开，上述已知的制造方法的工艺链可以在不损害最终产品(即用于CVT的传动带3的环32部件)的技术性能的情况下进行改进。特别地，如图4所示，通过在环32的制造方法中将新马氏体时效钢用作基础材料(即板11的基础材料)而使基础材料在工艺步骤VIII中的沉淀硬化之后呈现增加的屈服强度和/或应力，就可以从传动带3的整体制造方法中有利地省去环32的氮化(即工艺步骤IX)，这是因为只通过喷丸处理(即工艺步骤X)就已经可以在环32的表面层中引入了足够的压应力。所述新马氏体时效钢包括17％至19％(质量百分比)的镍、4％至8％(质量百分比)的钼、15％至21％(质量百分比)的钴和平衡铁，并且还满足钼和钴含量之和在22％与28％(质量百分比)之间的要求。

更特别地，根据本公开，在环32的沉淀硬化(即工艺步骤VIII)期间，环32可以容易地产生约2300MPa的屈服应力，以使得在喷丸处理(即工艺步骤X)期间可以将约(负)1.5GPa的压应力引入环32的表面层中。该压应力水平对于本文所考虑的环32在用于乘用车变速器的传动带3中的应用来说是整体上足够的且适当的。

在图5的理想化图表中绘制出成品环32的材料的硬度H相对于环32的外表面的距离D(即深度D)的变化，其中，硬度H是利用维氏硬度试验测量的，所述深度D在本示例中表示为环32的总厚度Tr的百分比。在图5中，虚线表示由具有传统采用的成分的马氏体时效钢制成的环32的硬度H，实线表示由所述新马氏体时效钢制成的环32的硬度H。特别地，根据本公开，在环32的沉淀硬化(即工艺步骤VIII)期间，环32可以容易地实现750HV1.0的芯部硬度，以在作为所述已知的工艺链的一部分的氮化(即工艺步骤IX)期间可以迅速实现1000HV0.1的表面硬度，这是因为在沉淀硬化后从上述750HV1.0的硬度值开始仅需要相对较薄的氮化表面层厚度。在图5的说明性示例中，这种层厚度略小于环32的总厚度Tr的14％、或者这种层厚度是环32由传统基础材料制成时所需的层厚度D的约70％。

除了上述说明的全部内容和附图的所有细节之外，本公开还涉及并且包括所附权利要求组的所有特征。权利要求中的括号引用不限制其范围，而仅仅作为相应特征的非约束性示例来提供。视情况而定，所要求保护的特征可以在给定产品或给定工艺中单独应用，但是也可以在其中应用两种或两种以上这种特征的任何组合。

由本公开表示的本发明不仅限于这里明确提及的实施例和/或示例，而且还包括其修正、修改和实际应用，特别是在相关领域的技术人员可以接触到的那些修正、修改和实际应用。

Claims (12)

1.一种柔性金属环(32)，该环用作传动带(3)或者至少用在传动带(3)中，所述传动带(3)用于具有两个带轮和传动带(3)的无级变速器，其特征在于，所述环(32)的芯材料具有大于700HV1.0、优选大于750HV1.0的硬度。

2.一种柔性金属环(32)，该环用作传动带(3)或者至少用在传动带(3)中，所述传动带(3)用于具有两个带轮和传动带(3)的无级变速器，其特征在于，所述环(32)的芯材料具有至少2000MPa、优选大于2300MPa的屈服强度。

3.一种柔性金属环(32)，该环用作传动带(3)或者至少用在传动带(3)中，所述传动带(3)用于具有两个带轮和传动带(3)的无级变速器，其特征在于，所述环(32)的芯材料具有至少2000MPa、优选大于2300MPa的屈服强度和大于700HV1.0、优选大于750HV1.0的硬度。

4.根据权利要求1、2或3所述的柔性金属环(32)，其特征在于，所述环(32)的表面层具有残余压应力，所述残余压应力的绝对值为所述环(32)的芯材料的屈服强度的约三分之二。

5.根据权利要求4所述的柔性金属环(32)，其特征在于，所述环(32)的表面层中的残余压应力为负1333MPa或更小、优选为负1.5GPa。

6.根据权利要求4或5所述的柔性金属环(32)，其特征在于，所述环(32)不具有氮化的表面层。

7.根据权利要求1、2或3所述的柔性金属环(32)，其特征在于，所述环(32)具有氮化的表面层，沿径向测量的话，所述氮化的表面层的厚度是所述环(32)的总厚度(Tr)的10％至15％。

8.根据权利要求7所述的柔性金属环(32)，其特征在于，所述环(32)的表面材料具有900至1050HV0.1的硬度。

9.根据前述权利要求中任一项所述的柔性金属环(32)，其特征在于，所述环(32)由钢制成，特别是由马氏体时效钢制成，所述马氏体时效钢包括17至19重量％的镍、4至8重量％的钼和15至21重量％的钴，其中钼和钴的含量和为至少22重量％、优选位于24至28重量％的范围内。

10.根据权利要求9所述的柔性金属环(32)，其特征在于，所述环(32)的钢还包括铁和少于1重量％的其它元素。

11.一种由沉淀硬化的马氏体时效钢制造柔性金属环(32)的方法，所述环(32)用作传动带(3)或者至少用在传动带(3)中，所述传动带(3)用于具有两个带轮和传动带(3)的无级变速器，其中，所述环(32)经受沉淀硬化的工艺步骤并然后经受喷丸处理的工艺步骤，但是不经受氮化的工艺步骤。

12.根据权利要求11所述的用于制造柔性金属环(32)的方法，其特征在于，在沉淀硬化的工艺步骤完成之后且在喷丸处理的工艺步骤开始之前，所述环(32)具有至少2000MPa、优选大于2300MPa的屈服强度。