CN118009002A - 一种无级变速器传动带推片细观结构设计及表面处理工艺 - Google Patents

一种无级变速器传动带推片细观结构设计及表面处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于无级变速器传动带的推片，推片顶部具有纵向凸柱和凹孔，推片中部设置用于承接环形承载件的凹槽和具有细观结构的承载面，推片底部两侧设置有与轮盘配合且带细观结构的接触面，推片还进一步设置有渗硼层。本发明通过对推片表面凸台部分和凹槽部分的设置，以及将推片和轮盘的接触轮廓、推片和环形承载件的承载面进行优化设计，不但能防止推片接触面产生油膜，也大幅提高了传动效率。同时本发明还提供了一种用于推片表面处理的渗硼—热处理复合工艺，使得推片在表面渗硼处理后能更好的兼顾耐磨性和抗疲劳要求。

Description

一种无级变速器传动带推片细观结构设计及表面处理工艺
技术领域
本发明涉及无级变速器推片及处理工艺技术领域，尤其是一种用于无级变速器传动带的推片及其表面处理工艺。
背景技术
传送带是无级变速器的重要部件，所述传动带由数百枚推片填充在两组金属钢带环中组成，该传动带和推片在本领域是众所周知的。在已知的变速器中，驱动力从主带轮通过传送带传动到从带轮，推片是传递动力的主要介质，并与带轮锥盘之间呈锐角定位，并与带轮的V型槽相互匹配。主从带轮上各有一个可动锥盘能够轴向运动来改变带轮半径从而改变传动比。在传动过程中，推片被固定在两个带轮的锥形盘之间，所述的推片通过与带轮的摩擦获得驱动力，依次对前一个推片施加推力，并通过传送带传达到从动轮。所述传送带中还有一条环形承载件作用于推片的承载面并在上述的滑轮之间的轨迹中引导推片的运动并承担传送带的张力，该承载件由几条钢环内外嵌套而成。
在上述过程中，推片在传动带与滑轮之间的摩擦接触中以较高的接触压力运行，实现高效的动力传输。所以推片耐疲劳性能和耐磨性能对CVT的工作稳定及效率有很大影响。与此同时，上述传送带还有一个设计的缺点，因为采用单边可动带轮的方式，导致在变速过程中传送带会不可避免的发生轴向偏移，这种偏移会使传送带承受附加侧向弯曲应力，进而影响CVT的承载能力及寿命。
此外为实现传动带推片与带轮和环形承载件之间的有效摩擦接触，推片的接触面，通常都具有表面织构，该表面织构通常以交替凸出部分和凹槽部分的轮廓组成，以便于在传动过程中润滑油能容纳在其凹槽部分和沿着接触面延伸排出多余的油，防止推片和锥盘接触面之间形成油膜。
本发明旨在上述已知的传动带设计上，消除传动过程中的轴向偏移，根据本发明，推片的接触面与轮盘接触面由直线接触变为曲线接触，该接触面面由直径为ρ的圆弧组成，在CVT变速过程中补偿产生的轴向偏移，且所述接触面有用于接触带轮轮盘表面的轮廓凸台，以及用于储油的凹槽的部分。凸台与凹槽部分的比例是经过优化的。
在上述的优化中减少了推片与带轮的有效接触面积，提升了传输效率，降低了噪声，但不可避免的降低了带轮的接触强度，使推片接触面的受力情况进一步恶化，在本发明进一步的优化中，对已知的推片的热处理工艺进行改进，并与渗硼表面处理结合，大幅度提升推片的抗磨损性能。已知常规的热处理工艺如下：将钢材加热到奥氏体转化温度(780°左右)，使其组织由铁素体全部转化为奥氏体，接下来迅速冷却到室温，将奥氏体转化为马氏体，即淬火。之后进行一步的回火工艺，将钢材加热到约200°，减少淬火后的内应力，增加材料的韧性从而提高钢材的疲劳特性，但同时回火的工艺也会降低硬度。
上述制备工艺的推片已基本满足实际应用需求，但是为了提升传送带的寿命和工作稳定性，如何进一步改善推片的抗疲劳强度和降低推片的磨损一直是该领域研究内容。例如通过改善基础钢材的元素组成，已公开的专利CN112400032A中，提供了一种将少量的钒加入基础钢材的方法，获得了晶粒细化的效果，提高了基础材料的疲劳强度。此外，通过渗碳、渗氮等表面硬化工艺也可以有效的提高推片的硬度，且可以和现有的热处理工艺有效的结合在一起。
发明内容
本发明设计了一种无级变速器推片，特别是对推片的接触面进行设计进而消除无级变速器传动过程中发生的轴向偏移，同时特别设计的轮廓能够防止推片接触面产生油膜，同时提高传动效率。并且为在提高推片表面耐磨性的同时，不降低其推片的抗疲劳性能，本发明还在该推片表面设置渗硼层，同时也提供了在推片表面通过渗硼-热处理方法制作渗硼层的具体工艺方案。
本发明的技术方案为：
一种用于无级变速器传动带的推片，所述推片包括推片主体，推片主体分为顶部部分、中部部分和底部部分，其中推片主体的顶部部分在正面和背面分别设置有纵向凸柱和凹孔，通过纵向凸柱和凹孔的嵌套实现相邻推片的衔接，推片主体的中部部分左右两侧均设置有用于承接环形承载件的凹槽和具有细观结构的承载面，位于承载面下方的推片主体设置有摆棱，推片主体的底部部分左右两侧均设置带细观结构的接触面。
优选的，所述推片表面设置有渗硼层。
优选的，所述渗硼层的厚度为10-50μm，所述推片的表面硬度为60-75HRC(洛氏硬度)。
优选的，两边接触面以一个角度θ相互定位，并且接触面具有直径为ρ的圆弧的整体轮廓面，该轮廓面与通过共轭关系设计的轮盘曲线表面配合，以便消除带轮在变速过程中的轴向偏移。
优选的，所述接触面具有至少一段连续设置的凸台部分和凹槽部分，凹槽部分占其存在的轮廓总表面的30-60％，凸台部分占其存在的轮廓总表面的40-70％，凹槽部分的深度H为30-80μm。
优选的，所述承载面具有设置弧度的轮廓面，防止传动带的环形承载件和推片的承载面发生轴向移动。
优选的，所述承载面具有至少一段连续设置的凸台部分和凹槽部分，凹槽部分占其存在的轮廓总表面的30-60％，凸台部分占其存在的轮廓总表面的40-70％，凹槽部分的深度H为30-80μm。
本发明还提供了一种用于无级变速器传动带的推片的表面处理工艺，在推片表面特别采用渗硼—热处理工艺，具体步骤如下：
步骤Ⅰ、渗硼处理：推片渗硼过程采用固体渗硼的方法，将推片置于含有提前制好的渗硼剂的密封罐内进行渗硼处理，在推片表面产生一层致密和连续的渗硼层；
步骤Ⅱ、淬火过程：将渗硼后的推片置于管式炉中并加热到钢的奥氏体化温度以上(＞780°)保温一段时间，使得工件全部奥氏体化，之后浸入80-120°的油浴中迅速冷却；
步骤Ⅲ、回火过程：将经过淬火冷却的推片在管式炉中重新加热，在250-350°区间回火保温40-60min结束。
优选的，所述渗硼处理的具体过程为：将供硼剂、活化剂和填充剂混合粉末在球磨机充分混合和研磨至一致粒径后制成渗硼剂，将渗硼剂粉末加入制备罐中再将预先切好的推片置入渗硼剂粉末中，将制备罐密封处理后放置于高温电阻炉中，在650-700°的低温下保温4h进行渗硼处理，在保温结束后将工件冷却到室温后取出清洗。
优选的，所述步骤Ⅰ、步骤Ⅱ、步骤Ⅲ均在充满保护性气体(N2)的条件下进行。
优选的，所述供硼剂、活化剂和填充剂混合粉末的配置重量比例为：5-15％供硼剂、5-15％活化剂和70-90％填充剂。
优选的，所述推片主体采用碳钢制成，碳钢基础成分按重量百分比为：0.7-0.8％的碳、0.6-0.8％的锰、0.3-0.6％的铬、0.2-0.4％的硅和余量的铁。
优选的，所述推片表面设置有采用本发明上述推片的表面处理工艺制备而成的渗硼层。
本发明的有益效果为：
本发明通过对推片表面凸台部分和凹槽部分的设置，以及将推片和轮盘的接触轮廓、推片对应环形承载件的承载面进行优化设计，包括将接触面与轮盘接触面由直线接触变为曲线接触来消除运行中产生的轴向偏移，不但能防止推片接触面产生油膜，也大幅提高了传动效率，并进一步在表面设置渗硼层，减少推片接触面和轮盘表面之间的磨损，降低功率损耗和噪声。
本发明同时对推片的渗硼—热处理工艺来进行调整来优化其性能，通过实验发现，当回火温度升高时，材料的韧性和抗疲劳性能提高，但是表面硬度会下降。所以通过改变回火温度就能找到材料耐磨性和疲劳强度之间的最优化选择。在本发明中，回火温度为300°时为最优选择，同时回火时间为40-60分钟最佳，且回火时最好选择在保护性气体的气氛中进行。
在本发明中，当回火温度为300°时，材料表面硬度勉强满足58HRC的最低硬度要求，但在实际生产中，58HRC到62HRC甚至更高范围内的硬度值已被应用。所以根据本发明，通过表面渗硼的硬化工艺能提高材料的表面硬度到64HRC甚至更高，在本发明更具体的实施中，将待处理的推片置于配置好的密封混合粉末环境中加热来实现渗硼处理，最终使推片获得20-30微米厚的渗硼层。渗硼层能提供比其他表面硬化工艺更优异的耐磨性能和防腐蚀性能。渗硼工艺的另一个优点是可以很容易的和推片的热处理工艺相结合，通过渗硼—热处理复合工艺，使得推片能兼顾耐磨性能和抗疲劳性能的要求。
附图说明
图1为CVT中心部分的简化示意图；
图2为实施例1包含推片和环形承载件的传送带的截面正视图；
图3为实施例1包含推片和环形承载件的传送带的截面侧视图及其局部放大图；
图4为实施例1推片与带轮盘的实际接触面图；
图5为实施例1推片接触面的表面轮廓放大图；
图6为实施例1多个推片连接承载面的表面视图；
图7为实施例2推片的渗硼—热处理工艺步骤图；
图8为实施例2制备的推片横截面的金相电镜图(包含其表面渗硼层的图像)；
图9为实施例2制备的推片横截面的SEM图像图；
图10为实施例2制备的横向原件在不同热处理温度下的应力应变曲线及洛氏硬度图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方法做进一步的描述：
实施例1：
图1展示了应用在汽车传动系统中的无级变速器(CVT)的中心部分简化示意图。CVT的中心部分包括两个带轮，主动带轮1和从动带轮2，以及一条传送带3组成。主动带轮1、从动带轮2各包括一个可动锥盘4和一个固定锥盘5，可动锥盘4可沿着主动带轮1的带轮轴6、从动带轮2的带轮轴7做轴向运动，改变两个带轮的径向直径从而改变传动比，这是CVT实现无级变速的关键。传动带3被夹持在两个锥盘中间，该夹持力确定了传动带和锥盘接触面51的摩擦力，传动带3由两条金属环形承载件31和多片推片32组成，当主动带轮1、从动带轮2之间传递动力时，力通过带轮盘表面和推片32之间的摩擦并通过推片32之间相互挤压，按传送带3和主动带轮1、从动带轮2的旋转方向向前推进来传递的。
图2、图3更详细地展示了传送带3周长和宽度方向的截面图，两条环形承载件31嵌入推片32并将其固定在一起。实施例1提供的推片32可大致分为顶部部分34，中间部分35和底部部分36。其中顶部部分34表面有纵向凸柱38和的凹孔39，所述的纵向凸柱38和相邻的推片32的凹孔39相互啮合在一起，因此两个推片32之间的位移和旋转都被限制在凸槽38和凹孔39之间的缝隙内。中间部分35两侧有两个相对的凹槽33，推片的凹槽33整体上相对于传动带3的径向方向位于推片32的顶部部分34和底部部分36之间。环形承载件31放置在凹槽33的承载面40上，该承载面40有一定的弧度，防止环形承载件31与推片的承载面40发生轴向移动。承载面40下方为摆棱41。环形承载件31是由数条薄而扁平的钢环同心内外嵌套而成，内层的钢环外径比外层钢环的内径偏大，由此形成过盈配合，保证了环形承载件31在运作时的可靠性。
推片32轴向两侧接触面37和承载面40上设有一定比例的轮廓，以用于和带轮盘4、5和环形承载件31形成摩擦接触。如图4所示，接触面37整体轮廓为直径为ρ的圆弧，与通过共轭关系设计的轮盘曲线表面51配合，用于消除带轮在变速过程中的轴向偏移。
根据本发明，在弧形接触面37和承载面40上均设置有限定的轮廓形貌，如图3的侧接触面37局部放大图所示，凸出部分42和凹槽部分43按曲线路径交替排布。其轮廓截面如图5所示，凸出部分42和凹槽部分43的表面尺寸之间的比例是经过优化的，凹陷部分43底部宽度为Ls，凸出部分42的表面宽度为Lb，凹槽部分43的Ls宽度为凸出部分42宽度Lb的1/3到2/3之间，优选为1/2，并且凸出部分42的宽度Lb在工艺允许前提下应该足够小，保证在运行时表面的油进入凹槽部分43只需要移动有限距离。凹槽部分43的表面占其存在的轮廓总表面的30-60％(按Lb的长度直观统计，在图3设为40％)，充当接收和容纳油的作用，防止推片32和充当接收和容纳油的作用，防止推片32和带轮锥盘4、5以及环形承载件31表面之间形成油膜而打滑。凸出部分42的表面占存在的轮廓总表面L的40-70％(按Ls的长度直观统计，在图3中设为60％)，初始时，凸出部分42具有最小初始接触面，因为初始磨损以及带轮轮盘和环形承载件施加压力的原因，可以在使用过程中有效地优化和纠正推片32和其接触面之间的磨损，降低功率损耗和噪声。
此外，凹槽的深度H也是同样重要的，考虑到存在初始的磨合磨损和运行过程中锥盘4、5以及环形承载件31施加压力产生的弹性形变，都会影响凹槽的容积，为了保证其有足够的容量收纳多余的油，H应该足够大保证在运行过程中凸台部分42不会失效，根据本发明，凹槽的深度H应该在30-80μm之间，优选为40-50μm。
而在图4和图6的承载面40上，则标示出了承载面40上设有限定的轮廓形貌，即承载面40上具有连续设置的凸出部分42和凹槽部分43，并且对其表面尺寸(凹槽部分43和凸出部分42分别占其存在的轮廓总表面L的比例)进行了同样的优化设置。
在本发明更具体的实例中，如图6所示的多个推片连接时，其凹槽部分43组合形成一条聚集润滑油的路径。当推片32与环形承载件31接触时，其表面多余的润滑油被挤压到凹槽43中，提高了推片32与环形承载件31接触效率，避免产生油膜。凹槽43长轴线沿着传动带的移动方向，在传动过程中，油可以通过不同推片凹槽43连接形成的路径排放，传递到合适的聚集位置。
推片32与带轮盘实际运行接触时，接触面37整体轮廓为直径为ρ的圆弧，与通过共轭关系设计的轮盘曲线表面51配合，用于消除带轮在变速过程中的轴向偏移。考虑到初始磨损和推片32的弹性形变，带轮施加的力集中在实际接触线44使其位置更靠近推片32，所以在理想状况中，接触面的有效接触面积占总接触面积的60％-70％，30％-40％位于接触线下方。
通过上述实施例1的结构设计，通过凹槽部分43能有效避免产生油膜，并且对接触面37和承载面40的弧面轮廓设计，使得传动效率显著提升，降低功率损耗和噪声。
在本发明更具体的实例中，在推片表面设置有厚度为10-50μm的渗硼层，其表面硬度达到60-75HRC(洛氏硬度)之间，设置渗硼层的优点在于提高推片耐磨性能的同时，不明显降低推片的抗疲劳强度。
实施例2：
在上述实施例1中，推片32在带轮1、2之间的摩擦滑动会不可避免的产生磨损和金属疲劳，特别是本发明采用弧形接触面，进一步减少接触面积，从而使推片32受力更为恶化，保证CVT在运作时的稳定性，提高材料耐磨损性能和抗疲劳强度一直是该领域追求的目标，目前传统的工艺过程中，通过200°低温回火的热处理工艺保证材料硬度提升推片32的耐磨性，但却是以牺牲部分疲劳强度作为代价的，在实际应用中，横向原件32在凹槽33处因为加工产生的应力集中非常容易产生脆断。
本发明在上述方面有了新的突破，通过实施例2的工艺实验发现将回火温度提升至250°-350°，横向原件32拥有更好的抗拉强度和疲劳极限，而硬度不会有大幅度的下降。在本发明实施例2的工艺更进一步的实施中，通过低温渗硼处理在横向原件32表面产生一层致密和连续的渗硼层，并配合后续热处理改善推片32的耐磨性的同时不降低其疲劳强度。具体工艺步骤包括图7中的三个阶段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。
阶段Ⅰ为低温渗硼过程，渗硼是一种将硼原子渗入工件表面的化学热处理工艺，其优势渗硼后获得的渗硼层具有很高的硬度，能大幅提高材料的耐磨性能，且不改变材料内部成分结构，保证材料的其他性能不受影响。该方案使用的是固体渗硼的方案，与普通渗硼工艺不同之处在于，在680°的低温下进行，渗硼反应可以正常进行，且不会因为温度过高导致横向原件32晶粒粗大，且不会产生变形使横向原件32上的微小织构失效。同时在氮基保护性气体的氛围隔绝外界氧的进入，从而保证横向原件32的表面质量，渗硼后零件表面无残渣，易于清洗。渗硼剂由供硼剂、活化剂和填充剂组成，在更具体的实验过程中，将适当质量比例的供硼剂(5-15％)、活化剂(5-15％)和填充剂(70-90％)混合粉末在球磨机充分混合和研磨到一致的粒径后放置在制备罐中，把一批预先切好的推片32有序的埋入渗硼粉末中，然后将罐体做密封处理放置于高温电阻炉50中，在680°保温4个小时进行渗硼处理。在保温结束后将工件冷却到室温后取出，清洗。
渗硼后虽然成功获得渗硼层，但推片32内部性能还未达到要求，且表面渗硼层有较大脆性，需要进行Ⅱ、Ⅲ阶段淬火+回火的热处理，既能使其内部性能达标，而且可以消除渗硼层的脆性，并控制渗硼层的厚度。在第二工艺步骤Ⅱ中，将渗硼后的推片32置于管式炉60中并加热到钢的奥氏体化温度以上(＞780°)，保温一段时间，使得工件全部奥氏体化。值得注意的是，在工艺Ⅱ全过程中，推片32都在保护性气体的气氛中，如N2，其目的是将工件与氧气隔绝，保证了工件表面不会氧化。在经过保温获得全部奥氏体晶体结构后，对该批推片32进行淬火，即迅速冷却，其目的是产生过饱和的马氏体组织。具体做法是浸入约80-120°的油浴中冷却。
在第三工艺步骤Ⅲ中，该批推片32在经过淬火冷却后，在管式炉70中重新加热，提高其延展性和韧性，即所谓的回火。与已知的工艺不同的是，该步骤中回火的温度更高，为250°-350°，优选为300°。选择更高温度的原因是：一方面，提高回火温度获得更高的塑性和韧性，进一步提高推片32的疲劳强度，且因为有表面渗硼层的存在，完全不用担心因为提高回火温度而带来的表面硬度下降。另一方面，较高的回火温度有利于去除渗硼层的脆性和控制渗硼层厚度。该步骤Ⅲ中，同样需要在保护性气体(N2)的保护下进行，最终保温40-60分钟后结束。
通过上述工艺，使得推片32表面最终获得约20-30μm的渗硼层，在图8中，通过金相显微镜所拍摄的腐蚀后的金相照片可以看出，横向原件32表面有一层均匀的、亮白色的渗硼层。通过图9的扫描电子显微镜(SEM)拍摄的图片(1000×)进一步证明推片表面渗硼层的存在，观察发现推片32表面渗硼层厚度均匀且与基体的结合力良好，未发现有任何不期望的裂痕或孔洞出现。根据图10不同热处理温度下的应力应变曲线可以得出，与原热处理温度(200°)相比，选择300°的回火温度可以获得更好的塑性和弹性，其抗拉强度约为200°的1.5倍，同时根据其洛氏硬度图可得，300°的回火温度下硬度只有略微的下降，仍能满足需求，所述渗硼—热处理工艺其表面硬度高达67.7HRC，相较传统工艺的硬度(58HRC)提升约17％，且拥有与300°回火完全一致的内部性能，完全能满足推片32性能的需求。
需要说明的是，上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述实施例的基础上所作出的等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于无级变速器传动带的推片，其特征在于：所述推片包括推片主体，推片主体分为顶部部分、中部部分和底部部分，其中推片主体的顶部部分在正面和背面分别设置有纵向凸柱和凹孔，通过纵向凸柱和凹孔的嵌套实现相邻推片的衔接，推片主体的中部部分左右两侧均设置有用于承接环形承载件的凹槽和具有细观结构的承载面，位于承载面下方的推片主体设置有摆棱，推片主体的底部部分的左右两侧均设置有带细观结构的接触面。
2.根据权利要求1所述的一种用于无级变速器传动带的推片，其特征在于：所述推片表面设置有渗硼层。
3.根据权利要求2所述的一种用于无级变速器传动带的推片，其特征在于：所述渗硼层的厚度为10-50μm，所述推片的表面硬度为60-75HRC(洛氏硬度)。
4.根据权利要求1所述的一种用于无级变速器传动带的推片，其特征在于：两边接触面以一个角度θ相互定位，并且接触面具有直径为ρ的圆弧的整体轮廓面，该轮廓面与通过共轭关系设计的轮盘曲线表面配合，以便消除带轮在变速过程中的轴向偏移。
5.根据权利要求1或4所述的一种用于无级变速器传动带的推片，其特征在于：所述接触面具有至少一段连续设置的凸台部分和凹槽部分，凹槽部分占其存在的轮廓总表面的30-60％，凸台部分占其存在的轮廓总表面的40-70％，凹槽部分的深度H为30-80μm。
6.根据权利要求1所述的一种用于无级变速器传动带的推片，其特征在于：所述承载面具有设置弧度的轮廓面，防止传动带的环形承载件和推片的承载面发生轴向移动。
7.根据权利要求1或6所述的一种用于无级变速器传动带的推片，其特征在于：所述承载面具有至少一段连续设置的凸台部分和凹槽部分，凹槽部分占其存在的轮廓总表面的30-60％，凸台部分占其存在的轮廓总表面的40-70％，凹槽部分的深度H为30-80μm。
8.一种用于无级变速器传动带的推片的表面处理工艺，其特征在于，在推片表面采用渗硼—热处理工艺，具体步骤如下：
步骤Ⅰ、渗硼处理：推片渗硼过程采用固体渗硼的方法，将推片置于含有提前制好的渗硼剂的密封罐内进行渗硼处理，在推片表面产生一层致密和连续的渗硼层；
步骤Ⅱ、淬火过程：将渗硼后的推片置于管式炉中并加热到钢的奥氏体化温度以上(＞780°)保温一段时间，使得工件全部奥氏体化，之后浸入80-120°的油浴中迅速冷却；
步骤Ⅲ、回火过程：将经过淬火冷却的推片在管式炉中重新加热，在250-350°区间回火保温40-60min结束。
9.根据权利要求8所述的一种用于无级变速器传动带的推片表面处理工艺，其特征在于：所述渗硼处理的具体过程为：将供硼剂、活化剂和填充剂混合粉末在球磨机充分混合和研磨至一致粒径后制成渗硼剂，将渗硼剂粉末加入制备罐中再将预先切好的推片置入渗硼剂粉末中，将制备罐密封处理后放置于高温电阻炉中，在650-700°的低温下保温4h进行渗硼处理，在保温结束后将工件冷却到室温后取出清洗。
10.一种用于无级变速器传动带的推片，其特征在于：所述推片表面设置有采用如权利要求8所述的推片的表面处理工艺制备而成的渗硼层。
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