DE102011114816B4

DE102011114816B4 - CVT-Riemenscheibe mit speziell bearbeiteter Oberfläche sowie Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102011114816B4
Application number: DE102011114816.0A
Authority: DE
Inventors: Roger L. Briggs; Martin S. Kramer; Ronald P. Buffa; Matthew P. Werner
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2011-10-04
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2031-10-05
Also published as: DE102011114816A1; US20120088615A1; CN102444705A; CN102444705B; US9714700B2

Abstract

Verfahren zum Erzeugen einer speziell bearbeiteten Oberfläche auf einer Außenoberfläche (34, 36) einer Riemenscheibe (22) eines stufenlosen Getriebes, wobei die speziell bearbeitete Oberfläche mit einem Riemen (40) oder mit einer Kette des stufenlosen Getriebes in Eingriff ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
(a) Festlegen einer tatsächlichen speziell bearbeiteten Rauheit auf der Außenoberfläche (34, 36), die notwendig ist, um eine vorgegebene Reibung zwischen der speziell bearbeiteten Oberfläche und dem Riemen (40) oder der Kette zu erhalten; und
(b) Laserätzen von Mikrorillen (58) mit jeweils gleichen Spitze-zu-Tal-Höhen in wenigstens einem Abschnitt der Außenoberfläche (34, 36), um die speziell bearbeitete Oberfläche zu erzeugen, wobei die Mikrorillen (58) bis in eine Tiefe gebildet werden, die die tatsächliche speziell bearbeitete Rauheit erzeugt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Riemenscheibe eines CVT sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Einige stufenlose Getriebe (CVT) verwenden Riemenscheibenanordnungen mit einem kegelstumpfförmigen Glied, das relativ zu einem anderen kegelstumpfförmigen Glied beweglich ist, wobei zwischen ihnen ein Riemen oder eine Kette angebracht ist. Das Verhältnis der Eingangsriemenscheibe zu der Ausgangsriemenscheibe wird durch Ändern des Abstands zwischen den konischen Gliedern eingestellt. Das Drehmoment wird über Reibung zwischen den konischen Gliedern und dem Riemen oder der Kette übertragen. Solch ein CVT geht beispielsweise aus der US 4 781 660 A hervor, derzufolge die Riemenscheiben lasergehärtete Oberflächenbereiche aufweisen.
Ferner beschreibt auch die DE 100 57 726 A1 ein CVT, in dessen Kegelscheibenoberflächen Nuten zur Fluidabfuhr mit Hilfe eines Lasers eingebracht sind.
In Fahrzeugen, die Motoren mit höherer Leistungsabgabe aufweisen, muss das CVT eine höhere Drehmomentkapazität aufweisen. Teilweise wird die höhere Drehmomentkapazität dadurch erzielt, dass ein hoher Reibungseingriff zwischen dem Riemen/der Kette und den konischen Gliedern aufrechterhalten wird. Allerdings muss dies erzielt werden, während weiter eine ausreichende Verschleißfestigkeit der konischen Oberflächen sichergestellt wird, um die Langzeithaltbarkeit des Getriebes sicherzustellen. Während das CVT betrieben wird, erleidet der Riemen wegen der Drehmomentübertragung und der Umschlingungswinkeldifferenz zwischen der primären und der sekundären Riemenscheibe einen Mikroschlupf. Im Zeitverlauf veranlasst der Mikroschlupf wegen gemischter Randschmierungsbedingungen eine Verringerung der Oberflächentexturtiefe, was mit der Nutzung den Reibungskoeffizienten zwischen dem Riemen und der Riemenoberfläche ändern könnte.
Riemenscheiben mit hoher Oberflächenrauheit neigen dazu, eine höhere Reibungsübermittlungsfähigkeit bei minimalem Schlupf aufzuweisen. Im Ergebnis werden die konischen Oberflächen behandelt, damit sie eine hohe mittlere Rauheit (Ra) aufweisen. Einige Verfahren zum Erzeugen dieser Oberflächenrauheit können Kugelstrahlen, Schleifen mit einer Schleifscheibe, Steinpolieren oder Bandpolieren enthalten haben, wie dies aus beispielsweise aus der US 7 276 002 B2 , der JP 2001-065 651 A oder der US 2005/0 217 111 A1 bekannt ist. Obwohl diese mechanischen Verfahren zum Erzeugen einer Oberflächenrauheit einem gewünschten Mittelwert erzeugen, ist die Rauheit zufällig verteilt und nicht gleichbleibend, so dass die Rauheit nur einen Gesamtmitttelwert erfüllt. Die tatsächliche Spitze-zu-Tal-Höhe, die die mittlere Rauheit bestimmt, ist nicht über die gesamte behandelte Oberfläche gleichbleibend, so dass keine präzise, speziell bearbeitete Oberfläche hergestellt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Verschleiß einer Riemenscheibe eines CVT zu verringern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einer Riemenscheibe mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Eine Ausführungsform betrachtet ein Verfahren zum Erzeugen einer speziell bearbeiteten Oberfläche auf einer Außenoberfläche einer Riemenscheibe eines stufenlosen Getriebes, wobei die speziell bearbeitete Oberfläche mit einem Riemen oder mit einer Kette des stufenlosen Getriebes in Eingriff ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen einer tatsächlichen speziell bearbeiteten Rauheit (Rpk) auf der Außenoberfläche, die notwendig ist, um eine vorgegebene Reibung zwischen der speziell bearbeiteten Oberfläche und dem Riemen oder der Kette zu erhalten; und Ätzen von Mikrorillen wenigstens in einem Abschnitt der Außenoberfläche, um unter Nutzung eines Lasers zum Ätzen der Mikrorillen die speziell bearbeitete Oberfläche zu erzeugen, wobei die Mikrorillen bis in eine Tiefe gebildet werden, die die tatsächliche speziell bearbeitete Rauheit (Rpk) erzeugt.
Eine Ausführungsform betrachtet eine Riemenscheibe eines stufenlosen Getriebes, die mit einem Riemen oder mit einer Kette des stufenlosen Getriebes in Eingriff ist, das eine erste Riemenscheibe und eine zweite Riemenscheibe umfasst. Die erste Riemenscheibenhälfte weist eine erste Außenoberfläche mit einer Kegelstumpfform auf, wobei ein Abschnitt der ersten Außenoberfläche lasergeätzte Mikrorillen mit einer vorgegebenen Tiefe darin aufweist, die eine tatsächliche speziell bearbeitete Rauheit (Rpk) für den Abschnitt der ersten Außenoberfläche definiert. Die zweite Riemenscheibenhälfte weist eine zweite Außenoberfläche mit einer Kegelstumpfform auf, die der ersten Außenoberfläche gegenüberliegt und die in Richtung zu der und von der ersten Außenoberfläche weg axial beweglich ist, wobei ein Abschnitt der zweiten Außenoberfläche lasergeätzte Mikrorillen darin mit einer vorgegebenen Tiefe aufweist, die eine tatsächliche speziell bearbeitete Rauheit (Rpk) für den Abschnitt der zweiten Außenoberfläche definiert.
Ein Vorteil einer Ausführungsform ist, dass die Konsistenz der speziell bearbeiteten Oberflächenrauheit der CVT-Riemenscheiben eine Verringerung des Verschleißes der Riemenscheibenoberflächen zulässt, während sie weiter die gewünschte Reibung sicherstellt, um Drehmomentanforderungen an das Getriebe zu erfüllen. Die feinstbearbeiteten Schlitze, die in der Oberfläche durch den Femtoimpulslaser erzeugt werden, können die Ölhaftung und wünschenswerte hydrodynamische Schichteigenschaften der Riemenscheibenoberflächen verbessern, die die gewünschte Drehmomentübertragungsfähigkeit ermöglichen, während sie den Oberflächenverschleiß verringern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts eines stufenlosen Getriebes.
2 ist eine schematische Aufrissansicht einer Oberfläche einer Riemenscheibe.
3 ist eine schematische Ansicht ähnlich 2, die aber eine etwas andere Oberflächenbeschaffenheitskonfiguration darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In 1 ist ein Abschnitt eines allgemein mit 20 bezeichneten stufenlosen Getriebes (CVT) gezeigt. Das CVT 20 enthält eine Riemenscheibe 22, die eine erste Riemenscheibenhälfte 24 aufweist, die einer zweiten Riemenscheibenhälfte 26 gegenüberliegt. Die zweite Riemenscheibenhälfte 26 ist relativ zu einer Drehachse 28 axial befestigt, während die erste Riemenscheibenhälfte 24 in Richtung zu der und von der zweiten Hälfte 26 weg axial gleitfähig ist. Diese axiale Gleitbewegung kann unter Verwendung hydraulischer, elektronischer oder anderer Mittel bereitgestellt werden. Die Riemenscheibenhälften 24, 26 können z. B. aus einem Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt bestehen – obwohl auf Wunsch stattdessen andere Materialien verwendet werden können.
Jede der Riemenscheibenhälften 24, 26 weist einen Kegelstumpfabschnitt 30 bzw. 32 mit Außenoberflächen 34 bzw. 36, die einander gegenüberliegen, auf. Die Außenoberflächen 34, 36 sind relativ zu der Achse 28 geneigt und bilden eine größenveränderliche Aussparung 38, innerhalb deren ein Riemen 40 angebracht ist (wobei der Riemen nur in der oberen Hälfte der Riemenscheibe gezeigt ist). Während die erste Riemenscheibenhälfte 24 in Richtung zu der und von der zweiten Riemenscheibenhälfte 26 weg gleitet, gleitet der Riemen 40 radial nach außen und radial nach innen, wobei er das Übersetzungsverhältnis des CVT ändert.
Der Riemen 40 enthält Elemente 42, deren Seiten 44, 46 reibschlüssig mit den Außenoberflächen 34 bzw. 36 sind. Dieser Reibungseingriff ist wichtig für die Übertragung des Drehmoments zwischen dem Riemen 40 und den Riemenscheibenhälften 24, 26. Für eine hohe Drehmomentübertragung muss der Reibungseingriff verhältnismäßig hoch sein, wobei aber die Schmierung und die Verschleißfestigkeit dieser Oberflächen ebenfalls berücksichtigt werden müssen.
2 veranschaulicht die erste Außenoberfläche 34 des ersten Kegelstumpfabschnitts 30. Diese Diskussion kann gleichzeitig auf die zweite Außenoberfläche 36 angewendet werden, so dass sie nicht getrennt gezeigt oder diskutiert ist. Diese Außenoberfläche 34 dreht sich um die Drehachse 28 und weist einen oberflächenbehandelten Bereich 50 auf, der die gesamte erste Außenoberfläche 34 bedecken kann.
Eine speziell bearbeitete Oberflächenrauheit des oberflächenbehandelten Bereichs 50 wird unter Nutzung eines Femtoimpulslasers erzeugt. Der Laser wird zum Erzeugen von Mikrorillen 58 (die schematisch durch die kleinen Linien in 2 bezeichnet sind) verwendet, die nicht nur eine mittlere Rauheitszahl (Ra) erfüllen, sondern die auch eine tatsächliche Rauheit (Rpk) erzeugen, die im Wesentlichen für alle Spitze-zu-Tal-Höhen der Mikrorillen 58 gleich ist. Diese genaue und gleichbleibende Steuerung des tatsächlichen Spitze-zu-Tal-Verhältnisses (Rpk) ermöglicht eine bessere Steuerung dessen, wie viel Reibung auf der Oberfläche 50 erzielt wird. Außerdem verbessern die Mikrorillen 58 die Ölhaftung und gewünschte hydrodynamische Schichteigenschaften. Außerdem kann die Nutzung des Femtoimpulslasers irgendeine Notwendigkeit für die Nachbearbeitung beseitigen, so dass die erzeugte tatsächliche speziell bearbeitete Rauheit (Rpk) ohne Änderungen der Rauheit von einer Riemenscheibe zur anderen, die in einer Nachbearbeitungsoperation erzeugt werden können, aufrechterhalten wird.
Die Mikrorillen 58 können auf der Oberfläche als Punkte oder Striche oder andere Formen gebildet werden und können in einer radialen Richtung (X), in einer Umfangsrichtung (Y) oder in einer Kombination der zwei orientiert sein.
Zusätzlich zu den durch den Femtoimpulslaser erzeugten Mikrorillen 58 kann ein Prozess der Abscheidung aus der Dampfphase (PVD-Prozess) genutzt werden, um die erste Außenoberfläche 34 mit einem Material wie etwa Chromnitrid (CrN) zu beschichten, um die Verschleißeigenschaften dieser Oberfläche weiter zu verbessern. Der PVD-Prozess kann vor oder nach der Erzeugung der Mikrorillen 58 durchgeführt werden, wird vorzugsweise aber nach der Erzeugung der Mikrorillen 58 ausgeführt.
3 veranschaulicht eine Änderung der ersten Außenoberfläche 34 des ersten Kegelstumpfabschnitts 30. Diese Außenoberfläche 34 weist zwei verschiedene in Umfangsrichtung verlaufende oberflächenbehandelte Bereiche 50, 52 auf. Der erste oberflächenbehandelte Bereich 50 ist radial innerhalb des zweiten oberflächenbehandelten Bereichs 52. Der gestrichelte Kreis in 3 gibt die Grenze [engl.: ”boarder”] 56 zwischen den zwei Bereichen 50, 52 an. Der erste oberflächenbehandelte Bereich 50 wird genauso wie die Oberfläche in 2 behandelt, wobei der Femtoimpulslaser die Mikrorillen 58 für eine genaue, speziell bearbeitete Oberflächenrauheit erzeugt. Der zweite oberflächenbehandelte Bereich 52 kann durch ein herkömmlicheres mechanisches Verfahren zum Erzeugen einer Oberflächenrauheit wie etwa z. B. Kugelstrahlen, Schleifen, Steinpolieren oder Bandpolieren behandelt werden. Die mechanischen Verfahren erzeugen Oberflächenmerkmale 56 (die schematisch durch die kleinen unregelmäßigen Formen in 3 angegeben sind), die anstelle einer genauer speziell bearbeiteten Oberflächenrauheit eines Femtolasers eine zufällig verteilte, mittlere Oberflächenrauheit (Ra) erzeugen. Allerdings sind die Kosten niedriger und ist das Drehmoment für bestimmte Riemenscheibenkonfigurationen viel höher, wenn der Riemen an der Riemenscheibe radial innen ist, und erheblich niedriger, wenn er radial weiter außen ist. Somit sind die genauen Reibungseigenschaften an dem radialen Außenabschnitt der Außenoberfläche 34 nicht so entscheidend.

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer speziell bearbeiteten Oberfläche auf einer Außenoberfläche (34, 36) einer Riemenscheibe (22) eines stufenlosen Getriebes, wobei die speziell bearbeitete Oberfläche mit einem Riemen (40) oder mit einer Kette des stufenlosen Getriebes in Eingriff ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Festlegen einer tatsächlichen speziell bearbeiteten Rauheit auf der Außenoberfläche (34, 36), die notwendig ist, um eine vorgegebene Reibung zwischen der speziell bearbeiteten Oberfläche und dem Riemen (40) oder der Kette zu erhalten; und (b) Laserätzen von Mikrorillen (58) mit jeweils gleichen Spitze-zu-Tal-Höhen in wenigstens einem Abschnitt der Außenoberfläche (34, 36), um die speziell bearbeitete Oberfläche zu erzeugen, wobei die Mikrorillen (58) bis in eine Tiefe gebildet werden, die die tatsächliche speziell bearbeitete Rauheit erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (b) ferner dadurch definiert ist, dass der Laser ein Femtoimpulslaser ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (b) ferner dadurch definiert ist, dass die Mikrorillen (58) über die gesamte Außenoberfläche (34, 36) geätzt werden, um die speziell bearbeitete Oberfläche zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (b) ferner dadurch definiert ist, dass die Mikrorillen (58) über einen gesamten radial inneren Bereich (50) der Außenoberfläche (34, 36) geätzt werden, um die speziell bearbeitete Oberfläche zu erzeugen; und wobei das Verfahren einen Schritt (c) des Erzeugens einer vorgegebenen mittleren Oberflächenrauheit über einen gesamten radial äußeren Bereich (52) der Außenoberfläche (34, 36), der den mechanischen Kontakt mit dem radial äußeren Bereich der Außenoberfläche (34, 36) nutzt, enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt (c) ferner dadurch definiert ist, dass die Oberflächenrauheit in dem radial äußeren Bereich unter Nutzung von Kugelstrahlen und/oder Schleifen und/oder Steinpolieren und/oder Bandpolieren erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, das den Schritt (c) des Beschichtens der Außenoberfläche mit Chromnitrid nach Abschluss des Schritts (b) enthält.
Riemenscheibe (22) eines stufenlosen Getriebes, die mit einem Riemen (40) oder mit einer Kette des stufenlosen Getriebes in Eingriff ist, wobei die Riemenscheibe (22) umfasst: eine erste Riemenscheibenhälfte (24), die eine erste Außenoberfläche (34) mit einer Kegelstumpfform aufweist, wobei ein Abschnitt der ersten Außenoberfläche (34) lasergeätzte Mikrorillen (58) mit einer vorgegebenen Tiefe darin aufweist, die eine tatsächliche speziell bearbeitete Rauheit für den Abschnitt der ersten Außenoberfläche (34) definiert; und eine zweite Riemenscheibenhälfte (26), die eine zweite Außenoberfläche (36) mit einer Kegelstumpfform aufweist, die der ersten Außenoberfläche (34) gegenüberliegt und die in Richtung zu der und von der ersten Außenoberfläche (34) weg axial beweglich ist, wobei ein Abschnitt der zweiten Außenoberfläche (36) lasergeätzte Mikrorillen (58) darin mit einer vorgegebenen Tiefe aufweist, die eine tatsächliche speziell bearbeitete Rauheit für den Abschnitt der zweiten Außenoberfläche (36) definiert, wobei die Mikrorillen (58) sowohl der ersten Riemenscheibenhälfte (24) als auch der zweiten Riemenscheibenhälfte (26) jeweils gleiche Spitze-zu-Tal-Höhen aufweisen.
Riemenscheibe nach Anspruch 7, bei der die lasergeätzten Mikrorillen (58) in einem radial inneren Abschnitt (50) der ersten Außenoberfläche (34) sind und die erste Außenoberfläche (34) einen radial äußeren Abschnitt (52) enthält, der mechanisch gebildete Vertiefungen (56) enthält, die eine vorgegebene mittlere Oberflächenrauheit aufweisen.
Riemenscheibe nach Anspruch 8, bei der die lasergeätzten Mikrorillen (58) in einem radial inneren Abschnitt (50) der zweiten Außenoberfläche (36) sind und die zweite Außenoberfläche (36) einen radial äußeren Abschnitt (52) enthält, der mechanisch gebildete Vertiefungen (56) aufweist, die eine vorgegebene mittlere Oberflächenrauheit aufweisen.
Riemenscheibe nach Anspruch 7, bei der der Abschnitt der ersten Außenoberfläche (34) die gesamte erste Außenoberfläche (34) ist.