DE19861260B4

DE19861260B4 - Stufenlos verstellbares Toroidgetriebe

Info

Publication number: DE19861260B4
Application number: DE19861260A
Authority: DE
Inventors: Hiromichi Fujisawa Takemura; Nobuaki Fujisawa Mitamura
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1997-11-04
Filing date: 1998-11-04
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2018-11-05

Abstract

Stufenlos verstellbares Toroidgetriebe mit einer an einer Eingangswelle (2) aufgesetzten Antriebsscheibe (5), einer an einer Ausgangswelle (1) aufgesetzten Abtriebsscheibe (6) und einem Hochleistungswälzlager (8) mit einem inneren Ring (9), einem äußeren Ring (14) und einer Vielzahl von Wälzkörpern (20), wobei sich der innere Ring (9) zur Kraftübertragung von der Eingangswelle (2) zur Ausgangswelle (1) auf der Antriebsscheibe (5) und der Abtriebsscheibe (6) anwälzt, dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein Element aus der Gruppe, welche den inneren und den äußeren Ring (9, 14) des Hochleistungswälzlagers (8) und die Antriebsscheibe und Abtriebsscheibe (5, 6) umfasst, aus einem Werkstoff besteht, der jeweils 0,15 bis 0,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,15 bis 1,5 Gew.-% Silizium und 0,1 bis 1,5 Gew.-% Molybdän, höchstens 9 ppm Sauerstoff und ein weiteres unvermeidliches Fremdelement enthält,
und dass das mindestens eine Element so karbonitriert, gehärtet, angelassen und geschliffen ist, dass in der fertig bearbeiteten Oberfläche der Kohlenstoffanteil 0,8 bis 1,2...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein stufenlos verstellbares Toroidgetriebe, insbesondere auf ein stufenlos verstellbares Toroidgetriebe für Fahrzeuge, wie beispielsweise ein Kraftfahrzeug, mit einer an einer Eingangswelle aufgesetzten Antriebsscheibe, einer an einer Ausgangswelle aufgesetzten Antriebsscheibe und einem Hochleistungswälzlager mit einem inneren Ring, einem äußeren Ring und einer Vielzahl von Walzkörpern, wobei sich der innere Ring zur Kraftübertragung von der Eingangswelle zur Ausgangswelle auf der Antriebsscheibe und der Antriebsscheibe abwälzt.

Herkömmlicherweise wurden bisher Schaltgetriebe mit Zahnrädern am häufigsten als Schaltgetriebe in Fahrzeugen verwendet. Neben anderen im Maschinenbau üblichen Stählen und Legierungsstählen gemäß den Normen JIS G4051 bis G4202 wurden zur Herstellung der Getrieberäder niedrig legierte Stähle wie beispielsweise SCr420 und SCM420 eingesetzt. Diese maschinenbautechnischen Stähle als Ausgangswerkstoffe werden zu Zahnrädern geformt und dann einer Oberflächenbehandlung wie Aufkohlung oder Nitrierhärtung unterzogen. Bei den herkömmlichen (automatischen) Schaltgetrieben mit Getriebestufen handelt es sich jedoch um mechanische Getriebe, die nicht stufenlos schaltbar sind. Deshalb entsteht während der Kraftübertragung ein Verlust oder kommt es zu einem Schaltruck.

Andererseits entstehen bei stufenlos schaltbaren Getrieben keine Schaltsprünge. Dementsprechend sind stufenlos verstellbare Getriebe den Schaltgetrieben mit Getriebestufen hinsichtlich der Kenndaten der Kraftübertragung überlegen und weisen diesen gegenüber einen hohen Wirkungsgrad im Kraftstoffverbrauch auf. Aus diesem Grund wurden in neuerer Zeit verschiedene Forschungsarbeiten zur. Einbeziehung stufenloser Getriebe in heutigen Kraftfahrzeugen durchgeführt, und bei einigen Kraftfahrzeugen wurden stufenlos verstellbare Getriebe mit Riemenschaltung eingesetzt.

Eines dieser stufenlosen Getriebe ist ein stufenlos verstellbares Toroidgetriebe mit Antriebs- und Abtriebsscheiben und einem Hochleistungswälzlager. Dieses stufenlos verstellbares Toroidgetriebe kann höhere Drehmomente als ein stufenlos verstellbares Getriebe mit Riemenantrieb übertragen und gilt deshalb als wirksames stufenlos verstellbares Getriebe für mittelgroße und große Kraftfahrzeuge. Aus diesem Grund wird die Entwicklung eines hochbeständigen Werkstoffs angestrebt, der sich zur Übertragung hoher Drehmomente eignet und auch bei hohen Temperaturen bruchfest ist.

Als herkömmliche hochbeständige Werkstoffe für solche stufenlosen Toroidgetriebe wurden die nachfolgend genannten Materialien eingesetzt. Und zwar werden, wie in der japanischen Patentanmeldung KOKAI Veröffentlichungsnummer 7-208568 offenbart, Wälzkörper eines Hochleistungswälzlagers in einem stufenlosen Toroidgetriebe aus Stahl mit mittlerem oder hohem Kohlenstoffgehalt hergestellt und dann karbonitriert, gehärtet und angelassen. Des weiteren wird als Werkstoff für die Wälzkörper eines stufenlosen Toroidgetriebes chromhaltiger maschinenbautechnischer Stahl eingesetzt, wie in der japanischen Patentanmeldung KOKAI Veröffentlichungsnummer 9-79336 beschrieben, und werden die Wälzkörper dann in der Weise karbonitriert, dass sie die folgenden Bedingungen erfüllen.

Und zwar beträgt der Stickstoffgehalt im Wälzkörper 0,2 bis 0,6 Gew.-%. In einer Tiefe d ≤ 0,2 Zst – wobei Zst die Tiefe ist, bei welcher im Inneren des Wälzkörpers infolge des Flächenkontakts die größte Scherspannung entsteht – betragen der Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt 0,9 bis 1,3 Gew.-%, der Austenitrestanteil 20 bis 45 Vol.-% und die Härte Hv 500 oder mehr. Außerdem beträgt in einer Tiefe, in der die Bedingung 0,5 Zst ≤ d ≤ 1,4 Zst erfüllt ist, der Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt 0,6 Gew.-% ≤ C + N ≤ 1,2 Gew.-%, während die Härte Hv 700 oder mehr beträgt.

Wenn ein herkömmliches stufenlos verstellbares Toroidgetriebe angetrieben wird, entsteht zwischen den Antriebs- und Abtriebsscheiben und dem Hochleistungswälzlager (d.h. auf der Zugkraftfläche) ein hoher Kontaktdruck. Infolgedessen wirkt auf das Hochleistungswälzlager eine hohe Axialbelastung ein, so dass auf das Lager eine hohe Wälzkontaktbelastung einwirkt, die der eines Wälzlagers vergleichbar ist. Dieser Kontaktdruck und diese Axialbelastung führen zu einer hohen Last, die bei üblichen Wälzlagern nicht entsteht. Insbesondere kommt es an der Zugkraftfläche oder Lagerfläche des Leistungswälzkörpers leicht zu Abblätterungen oder zur Bruchbildung. Dadurch lässt sich die Laufdauer einer Hochleistungswälzlagerfläche unmöglich verlängern. Beispielsweise beträgt bei einem stufenlosen Toroidgetriebe der Kontaktflächendruck eines Zugkraft-Übertragungsteils bei maximalem Drehmoment und minimaler Geschwindigkeit Pmax = 3,9 GPa (wenn der Radius der Hauptachse der Kontaktellipse a = 5 mm und der Radius der Nebenachse der Kontaktellipse b = 1,3 mm, an der Position, an der die höchste dynamische Scherbeanspruchung entsteht: Zo = 0,48 b, und die Position, an der die höchste statische Scherbeanspruchung gegeben ist: Zst = 0,72 b).

Im Vergleich zu herkömmlichen Wälzlagern liegt bei einem stufenlosen Toroidgetriebe ein typisches Merkmal und ein ernstzunehmendes Problem vor; da im Gegensatz zur Situation in einem Lager die Steifigkeitsreserve niedrig ist, werden der Leistungswälzkörper, die Antriebsscheibe und die Abtriebsscheibe wiederholt mit einer Biegespannung belastet, um eine hohe Zugspannung herbeizuführen (bei FEM-Berechnungen und anhand von Messergebnissen bei Messungen unter Verwendung eines Dehnungsmessers ist festzustellen, dass auf der Zugkraftfläche bei höchster Belastung und geringster Geschwindigkeit eine Zugspannung von etwa 883 N/mm² entsteht),j so dass sich ausgehend von diesen Bereichen aus Ausgangspunkt leicht Risse bilden. Dadurch wird es unmöglich, die Ermüdungsrissfestigkeit zu erhöhen (3 und 4). Aufgrund einer Reihe von Forschungsarbeiten zu diesen Problemen wird über die Laufleistungsdauer unter Biegespannung berichtet (Manuscripts for Japan Tribology Conference, Morioka, 1992-10, S. 793 bis 796). In dieser Veröffentlichung wird beschrieben, dass die Lebensdauer deutlich kürzer wird, wenn Wälzkontaktspannung in Kombination mit Biegespannung vorliegt.

Gemäß 3 und 4 wirkt deshalb die Kombination einer wiederholten großen Scherbeanspruchung und einer wiederholten hohen Biegespannung auf das Hochleistungs-Wälzlager dieses stufenlos verstellbares Toroidgetriebes ein, was zu einem hoch spannungsbelasteten Zustand führt, der bei Allzweck-Wälzlagern nicht auftritt. Beispielsweise liegt gegenüber einem herkömmlichen Spitzenwert P1 der Punkt tiefer auf einem Wert P2, an dem sich die höchste Spannung aufbaut. Dementsprechend genügt die einfache Durchführung einer Aufkohlung – die als wirksames Verfahren zur Verbesserung der Abblätterfestigkeit bei Allzweck-Wälzlagern gilt – nicht, um die Lebensdauer der Lager zu verlängern.

Bei einem stufenlosen Toroidgetriebe wird im Gegensatz zu Allzweck-Wälzlagern Wärme erzeugt, wenn von den Antriebs- und Abtriebsscheiben und der Zugkraftfläche des Leistungswälzkörpers eine hohe Zugkraft übertragen wird. Am Kontaktpunkt ist eine Temperatur von über 200°C zu erwarten, so dass herkömmliche Lagerwerkstoffe nicht eingesetzt werden können. Somit werden die Mengen an dem Legierungsbestandteil Molybdän, der auch bei hohen Temperaturen seine Härte behält, oder an dem Legierungsbestandteil Silizium, der die leicht auftretenden Strukturveränderungen verzögert, genau angegeben.

Nach der vorstehend angesprochenen japanischen Patentanmeldung KOKAI Veröffentlichungsnummer 9-79336 wird eine Karbonitrierung vorgenommen, um den Stickstoffanteil im Wälzkörper auf 0,2 bis 0,6 Gew.-% einzustellen. In einer Tiefe von d ≤ 0,2 Zst – wobei Zst die Tiefe ist, bei welcher im Inneren des Wälzkörpers infolge eines Flächenkontakts die höchste Scherbeanspruchung entsteht – betragen die Kohlenstoff- und Stickstoffmenge 0,9 bis 1,3 Gew.-%, die Austenitrestmenge 20 bis 45 Vol.-% und die Härte nach Vickers mindestens Hv 500.

Außerdem beträgt in einer Tiefe, in welcher die Bedingung 0,5 Zst ≤ d ≤ 1,4 Zst erfüllt ist, die Kohlenstoff- und Stickstoffmenge 0,6 Gew.-% ≤ C + N ≤ 1,2 Gew.-%, während die Härte bei Hv 700 oder höher liegt. Wie sich aus dem Vergleichsbeispiel in 6 ergibt, gelten diese angegebenen Werte nur als wirksam bei der Kontaktspannung. Da, mit anderen Worten, die Härte nahe der Oberfläche nur Hv 500 beträgt, ist die angegebene Härteverteilung für die Scheiben unbefriedigend, welche weiterhin mit Biegespannung beaufschlagt sind.

Des weiteren wird, wie das Vergleichsbeispiel 2 in 6 zeigt, die Tiefe von 0,5 Zst bis 1,4 Zst, bei welcher die Härte mit Hv 700 angegeben ist, dadurch eingestellt, dass nur die Wälzkontaktspannung berücksichtigt wird. Wenn nun die Biegespannung damit kombiniert wird, ist deshalb die angegebene Härte unzureichend. Auch wenn sich die Abriebfestigkeit verbessert, wenn an der Oberfläche der Stickstoffanteil 0,2 bis 0,6 Gew.-% beträgt, ist außerdem diese Stickstoffmenge in der Oberfläche zu groß und verschlechtert die Verarbeitbarkeit beträchtlich. Dabei ist zu beachten, dass der Wert der Härte nach Vickers Hv in etwa das Dreifache des Wertes der Verformungsspannung δy und etwa das Sechsfache des Wertes der Scherspannung τ beträgt.

Nach der japanischen Patentanmeldung KOKAI Veröffentlichungsnummer 7-208568 werden die Wälzkörper des Hochleistungswälzlagers als Bestandteil des stufenlosen Toroidgetriebes aus Stahl mit mittlerem oder hohem Kohlenstoffgehalt hergestellt und dann karbonitriert, gehärtet und aufgekohlt.

Aus der deutschen Patentanmeldung DE 44 31 007 A1 ist des weiteren Komponenten eines stufenlos verstellbares Toroidgetriebes bekannt, mit denen die Dicke bzw. Tiefe einer gehärteten Schicht, die ein Hv von 550 oder größer aufweist und als effektive Härteschicht bezeichnet wird, von 2 bis 4 mm reicht. Die Spitze einer Restdruckbeanspruchung in einer Tiefe von 15 mm von der Oberfläche wird dabei durch ein Kugelstrahlverfahren auf –1275 bis –589 N/mm² gesetzt. Bei den in dieser Druckschrift erwähnten Komponenten ist die Dicke bzw. Tiefe der gehärteten Schicht von der Oberfläche ausgehend definiert und die Restdruckbeanspruchung oder verbleibende Druckbeanspruchung bei dieser absoluten Dicke von der Kontaktfläche ausgehend definiert.

Der vorliegenden Erfindung zielt nun auf die Verbesserung eines Werkstoffs für diese Getriebe in der Weise ab, dass dieser auch bei den in neuerer Zeit auftretenden harten Bedingungen mit hohen Drehmomenten eine ausreichende Haltbarkeit besitzt. Ferner besteht die Forderung, dass die Getriebe weiter verkleinert werden und demzufolge Teile bzw. Komponenten dieser Getriebe in ihren Abmessungen reduziert werden. Hierbei sollte die Performance der Teile gesteigert werden, so dass diese fähig sind, in einem höheren Oberflächendruck zu widerstehen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das typische Problem bei einem stufenlosen Toroidgetriebe zu beseitigen, dass Abblätterung infolge von Wälzermüdung, Bruchbildung und Abrieb am inneren und äußeren Lagerring der Antriebsscheibe und der Abtriebsscheibe des Hochleistungswälzlagers auftreten, und ein stufenlos verstellbares Toroidgetriebe mit langer Lebensdauer zu schaffen, welches eine Antriebs- und Abtriebsscheibe mit hoher Lebensdauer bei hoher Betriebssicherheit und ein Hochleistungswälzlager umfasst, an denen infolge Ermüdung keine Rissbildung auftritt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem stufenlosen Toroidgetriebe der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass mindestens ein Element aus der Gruppe, welche den inneren und den äußeren Ring des Hochleistungswälzlagers und die Antriebsscheibe und Abtriebsscheibe umfasst, aus einem Legierungsstahl besteht, der jeweils 0,15 bis 0,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,15 bis 1,5 Gew.-% Silizium und 0,1 bis 1,5 Gew.-% Molybdän, höchstens 9 ppm Sauerstoff und ein weiteres unvermeidliches Fremdelement enthält, und dass das mindestens eine Element so karbonitriert, gehärtet, angelassen und geschliffen ist, dass in der fertig bearbeiteten Oberfläche der Kohlenstoffanteil 0,8 bis 1,2 Gew.-% und der Stickstoffanteil 0,05 bis 0,20 Gew.-% beträgt und die Oberfläche eine Vickers-Härte von mindestens Hv 720 aufweist, und die Dauerspannung in einer Tiefe von 0,5 Dx bis 1,0 Dx ab der Oberfläche zwischen –1275 und –589 N/mm² beträgt, wobei Dx eine Position mit Erzeugung einer kritischen äquivalenten Spannung in einer synthetisierten Spannungsverteilung aus Scherspannungsverteilung und Biegespannungsverteilung ist und an welcher die Bedingung Dx = 3,0 Zo bis 5,0 Zo erfüllt ist, wobei Zo von der Oberfläche aus eine Position ist, an der eine höchstmögliche dynamische Scherspannung auftritt.

Bei dem erfindungsgemäßen stufenlosen Toroidgetriebe werden die inneren und äußeren Ringe des Hochleistungswälzlagers und die Antriebs- und Abtriebsscheiben einer Karbonitrierung und einer physikalischen Oberflächenbehandlung wie beispielsweise Kugelstrahlen unterzogen. Dadurch werden Abblätterung, Bruchbildung und Ermüdungsrissbildung an diesen Elementen verhindert.

Die Gründe, weshalb für die erfindungsgemäßen Bestandteile Grenzen gesetzt sind, werden nachstehend erläutert.

1) Kohlenstoffgehalt der fertigbearbeiteten Oberfläche: 0,8 bis 1,2 Gew.-%

Nachdem der Leistungswälzkörper (Innenring), der Außenring, die Antriebsscheibe und die Abtriebsscheibe karbonitriert, gehärtet, angelassen und geschliffen wurden, wird der Kohlenstoffanteil in der fertigbearbeiteten Oberfläche mit 0,8 bis 1,2 Gew.-% aus den nachfolgend genannten Gründen angegeben. Dies bedeutet, dass der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche von 0,8 Gew.-% oder mehr erforderlich ist, um eine ausreichende Härte gegenüber der Wälzermüdung und eine ausreichende Festigkeit gegenüber einer Beanspruchung mit Biegespannung zu erzielen. Wenn der Kohlenstoffanteil in der Oberfläche höher ist als 1,2 Gew.-%, bildet sich leicht ein riesiger Hartmetallanteil, wodurch sich Anrisspunkte bilden.

2) Stickstoffgehalt der fertigbearbeiteten Oberfläche: 0,05 bis 0,20 Gew.-%

Wenn der Stickstoffanteil in der Oberfläche 0,05 Gew.-% oder mehr beträgt, verbessert sich die Anlassbeständigkeit und verteilt sich feines Hartmetall und wird ausgeschieden. Dadurch verbessert sich die Festigkeit noch weiter. Wenn der Stickstoffanteil in der Oberfläche höher als 0,20 Gew.-% ist, erhöht sich zwar die Abriebfestigkeit, doch lässt sich das Polieren nur mit Schwierigkeiten durchführen.

3) Härte der fertigbearbeiteten Oberfläche: Hv 720 oder mehr Härte an der Position Dx: Hv 650 oder mehr

Es ist wünschenswert, eine Karbonitrierung vorzunehmen, durch welche die Oberflächenhärte einem Vickersgrad von Hv 650 oder mehr entspricht und die Härte in einer Tiefe Dx ab der Oberfläche Hv 650 oder mehr beträgt, nachdem gehärtet und angelassen wurde. Die Tiefe Dx entspricht dabei einer Position mit kritischer äquivalenter Spannungserzeugung bei einer synthetisierten Spannungsverteilung der Verteilung der Scherbeanspruchung und in der Verteilung der Biegebeanspruchung. Dabei ist zu beachten, dass Dx = 3,0 Zo bis 5,0 Zo ist, wobei Zo eine Position mit Erzeugung höchstmöglicher dynamischer Scherbeanspruchung ab der Oberfläche ist.

Wie in 3 und 4 dargestellt wirkt eine wiederholte hohe Scherspannung in Kombination mit einer wiederholten hohen Biegespannung auf die Elemente eines Hochleistungswälzlagers 8 eines stufenlosen Toroidgetriebes ein, was im Unterschied zu allgemeinen Wälzlagern zu einem hoch spannungsbelasteten Zustand führt. Dementsprechend liegt die Position mit maximaler Spannungserzeugung auf einem Wert P2 und somit tiefer als der herkömmliche Spitzenwert P1. Der Grund hierfür ist darin zu suchen, dass die Härteverteilung durch Vornahme einer Karbonitrierung unter Berücksichtigung der synthetisierten Spannungsbelastung spezifiziert wird, anstelle einfacher Vornahme einer Aufkohlung, die als wirksames Verfahren zur Verbesserung der Abblätterfestigkeit bei Wälzlagern gilt.

Bei einem stufenlosen Toroidgetriebe wird im Unterschied zu üblichen Wälzlagern Wärme erzeugt, wenn von der Antriebs- und Abtriebsscheibe und der Zugkraftfläche des Leistungswälzkörpers eine hohe Zugkraft übertragen wird. Am Kontaktpunkt ist eine Temperatur von mehr als 200°C zu erwarten, so dass ein herkömmlicher Lagerwerkstoff nicht eingesetzt werden kann. Deshalb werden für den Legierungsbestandteil Molybdän, der auch bei hohen Temperaturen seine Härte behält, und für den Legierungsbestandteil Silizium, das leicht entstehende Srukturveränderungen verzögert, spezifiziert.

Nach der vorstehend behandelten japanischen Patentanmeldung KOKAI Veröffentlichungsnummer 9-79336 wird eine Karbonitrierung vorgenommen, um den Stickstoffanteil im Wälzkörper auf 0,2 bis 0,6 Gew.-% einzustellen. In einer Tiefe d ≤ 0,2 Zst – wobei Zst die Tiefe ist, bei welcher im Inneren des Wälzkörpers infolge eines Flächenkontakts die höchstmögliche Scherspannung entsteht – beträgt der Kohlenstoff- und Stickstoffanteil 0,9 bis 1,3 Gew.-%, der Austenitrestanteil 20 bis 45 Vol.-% und die Härte mindestens Hv500. Außerdem beträgt in einer Tiefe, in der die Bedingung 0,5 Zst ≤ d ≤ 1,4 Zst erfüllt ist, der Kohlenstoff- und Stickstoffanteil 0,6 Gew..% bis 1,2 Gew.-%, während die Härte Hv 700 oder mehr beträgt. Wie sich aus dem Vergleichsbeispiel 1 in 6 ergibt, gelten diese genau. angegebenen Werte nur als für die Kontaktspannung wirksam. Da mit anderen Worten die Härte nahe der Oberfläche nur Hv500 beträgt, ist die spezifizierte Härteverteilung für die Scheiben unbefriedigend, auf die weiterhin die Biegespannung einwirkt. Außerdem wird, wie aus dem Vergleichsbeispiel in 6 zu entnehmen ist, die Tiefe von 0,5 Zst bis 1,4 Zst, bei welcher die Härte mit Hv 700 angegeben ist, dadurch eingestellt, dass nur die Wälzkontaktspannung berücksichtigt wird. Wenn nun die Biegespannung damit kombiniert wird, ist somit die angegebene Härte nicht entsprechend hoch. Wenn außerdem der Stickstoffanteil an der Oberfläche 0,2 bis 0,6 Gew.-% beträgt, erhöht sich die Abriebfestigkeit und damit sinkt die Verarbeitbarkeit beträchtlich, da diese Stickstoffmenge in der Oberfläche zu hoch ist.

Deshalb wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Tiefe Zo, bei welcher die höchstmögliche dynamische Scherbelastung wirksam ist, bei der Berechnung der Laufleistung jedes Bauteils herangezogen.

Nachstehend werden nun die Berechnungen für die Position Zo beschrieben, bei welcher die höchstmögliche dynamische Scherbelastung wirksam ist.

Der Punktkontakt zwischen den Stählen ergibt sich wie folgt: a = (50,5 × 10–3)μ·(P/Σρ)1/3 (1) b = (50, 5 × 10–3)ν·(P/Σρ)1/3 (2) b/a = {(t2 – 1) (2t – 1)}1/2 = k1 (3) cosτ = |ρ11 – ρ12 + ρ21 – ρ22|/Σρ (4)wobei a der Radius der Hauptachse der Kontaktellipse ist, b der Radius der Nebenachse der Kontaktellipse ist, r ein Hilfswinkel ist, μ und ν zu cosτ zugeordnete Konstante sind, P die Belastung darstellt, und Σρ (= ρ₁₁ + ρ₁₂ + ρ₂₁ + ρ₂₂) die Summierung der Hauptbiegungen darstellt, die an einem Kontaktpunkt zwischen zwei elastischen Teilen einen rechten Winkel bilden.

Dabei ist zu beachten, dass zwischen μ, ν, k₁ und k₂ die folgenden Beziehungen bestehen: μ = {2E(k2)/πk12}1/3 ν = {2E(k2)k1/π}1/3 k1 = b/a k2 = (1 – k12)1/2

Damit sind μ und ν Konstanten, die nach dem vollständigen Ellipsenintegral der zweiten Art berechnet werden.

Wenn a und b jeweils aus den Gleichungen (1) und (2) berechnet und in Gleichung (3) eingesetzt werden, um die Gleichung nach einem Parameter t aufzulösen, erhält man die Position Zo, an der die höchstmögliche dynamische Scherspannung erzeugt wird, durch die nachfolgende Gleichung (5). Dies wird auf S. 230 bis 240 in "Bearing Lubrication Manual (Nikkan Kogyo Shinbunsha, Bearing Lubrication Manual Editorial Committee ed., 1961)" beschrieben. Zo = b{(t + 1) (2t – 1)1/2}–1 (5)

Zo läßt sich auch unter Heranziehung eines höchstmöglichen Kontaktdrucks Pmax aus einer Beziehung berechnen, die wie folgt wiedergegeben ist: Pmax = [188 × {P(Σρ)2}1/3]/μν (6)

Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Bereich der Erzeugung einer kritischen äquivalenten Spannung, den man durch Synthetisieren einer Scherspannungsverteilung und einer Biegespannungsverteilung auf der Grundlage des nach vorstehendem Ansatz berechneten Wertes von Zo erhält, als Dx = 3,0 Zo bis 5,0 Zo spezifiziert. Erfindungsgemäß gilt dieser Bereich als wichtig zur Verhinderung des Abblätterns infolge Wälzermüdung, Bruch und Ermüdungsrissbildung am inneren und äußeren Ring des Hochleistungswälzlagers, an der Antriebsscheibe und der Abtriebsscheibe als Bestandteile des stufenlosen Toroidgetriebes bei Einsatz des Getriebes.

Um solches Abblättern und Brechen zu verhindern, ist eine Härte von Hv 650 oder mehr mindestens an der Position 3 Zo innerhalb des Dx-Bereichs erforderlich. Bei zunehmender Beanspruchung liegt die Position, an der diese Härte nötig ist, immer tiefer. Deshalb sollte die Härte an der Position 5 Zo vorzugsweise bei Hv 650 oder mehr liegen. Aus diesem Grund wird die Härte an der Position Dx mit mindestens HV 650 spezifiziert.

4) Dauerspannung in der Tiefe 0,5 Dx bis 1,0 Dx: –1275 bis –589 N/mm²

Bei Durchführung einer Kugelstrahlbehandlung (SP) stoßen die Arbeitsmedien (z.B. Stahlkugeln) mit der Oberfläche eines Materials zusammen, um die Oberfläche des kugelgestrahlten Ma terials und dessen Umgebung (die nachstehend auch als Oberflächenschichtenbereiche bezeichnet wird) plastisch zu verformen, wodurch einzelne Bereiche aufgebaut werden. Dies erzeugt eine Dauerverdichtungspannung. Dementsprechend verbessert sich die Ermüdungsfestigkeit, wenn eine Kugelstrahlbehandlung in der Weise vorgenommen wird, dass hinsichtlich der auf jeden Bereich einwirkenden Kombination aus Wälzkontaktspannung und hoher Zugspannung eine Dauerverdichtungsspannung von –589 N/mm² oder mehr entsteht. Wenn jedoch die Dauerverdichtungsspannung den Wert von –1275 N/mm² übersteigt, wird der Effekt gesättigt und steigen die Bearbeitungskosten. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung soll die "Dauerverdichtungsspannung" als Dauerspannung mit negativem Vorzeichen verstanden werden. Deshalb wird die Dauerverdichtungsspannung immer größer, je höher der absolute Betrag der Dauerverdichtungsspannung steigt, und sie wird immer kleiner, je kleiner der absolute Betrag der Dauerverdichtungsspannung ist.

Um ein Abblättern und Brechen der Bauteile des erfindungsgemäßen stufenlosen Toroidgetriebes zu verhindern, muß die Dauerverdichtungsspannung zumindest in einer Tiefe von 1,5 Zo im Bereich Dx mit Entstehung einer kritischen äquivalenten Spannung zwischen –589 und 1275 N/mm² betragen. Je stärker die Belastung ansteigt, desto tiefer liegt die Position, an der diese Dauerverdichtungsspannung erforderlich ist. Mit anderen Worten ist dieser Wert in einer Tiefe von vorzugsweise 2,0 Zo und noch günstiger 3,0 Zo erforderlich.

Die Gründe, aus denen für die jeweilige Zusammensetzung des Werkstoffs für das erfindungsgemäße stufenlos verstellbare Toroidgetriebe Grenzwerte gesetzt werden, sollen nachstehend erläutert werden.

5) Kohlenstoffanteil: 0,15 bis 0,50 Gew.-%

Kohlenstoff muß in einer Menge von 0,15 Gew.-% vorhanden sein, damit eine stabile Reinheit des Werkstoffs für die Massenproduktion erzielt werden kann, welches nur wenige Einschlüsse enthält, die als Faktoren gelten, die die Lebensdauer durch Bruch oder Abblättern verkürzen, und um die Behandlungsdauer der vorgenommenen Karbonitrierung zu verkürzen, mit welcher eine ausreichende Härte gegenüber Wälzermüdung erzielt werden soll. Wenn der Kohlenstoffanteil 0,50 Gew.-% übersteigt, nimmt die Rissfestigkeit in einem zentralen Bereich ab und verschlechtert sich die Maßhaltigkeit bei hohen Temperaturen. Aus diesen Gründen wird für C = 0,15 bis 0,50 Gew.-% spezifiziert.

6) Siliziumanteil: 0,15 bis 1,50 Gew.-%

Silizium wirkt sich in der Weise aus, dass es die Weißstrukturveränderung verzögert, die unter Wälzermüdung festgestellt wird, und verbessert die Härtbarkeit. Ist Silizium in einer Menge von weniger als 0,15 Gew.-% vorhanden, lässt sich eine ausreichende Erweichungsfestigkeit beim Anlassen nicht erzielen. Liegt der Siliziumanteil über 1,5 Gew.-%,j so verschlechtert sich die Verarbeitbarkeit deutlich. Deshalb wird für Si = 0,15 bis 1,5 Gew.-% spezifiziert.

7) Molybdänanteil: 0,1 bis 1,5 Gew.-%

Molybdän verbessert die Erweichungsfestigkeit beim Anlassen und die Lagerhärte durch den Effekt, dass es feines Karbid bzw. Hartmetall verteilt, so dass ein prozentualer Gewichtsanteil an Molybdän von mindestens 0,1 erforderlich ist. Wenn allerdings der Molybdänanteil 1,5 % übersteigt, ist der Effekt von Molybdän gesättigt und verschlechtert sich unter Umständen die Verarbeitbarkeit. Deshalb wird für Mo = 0,1 bis 1,5 % spezifiziert.

8) Sauerstoffanteil: 9 ppm oder weniger

Sauerstoff kann in dem Stahl auf Oxiden aufbauende Einschlüsse erzeugen, die bei Ermüdung unter Biegespannung Anrisspunkte (ringförmige Fehlstellen) bilden oder als nichtmetallische Einschlüsse wirken, wodurch sich die Lebensdauer im Wälzlagerbetrieb verkürzt. Dementsprechend wird für den Sauerstoffanteil eine Obergrenze von 9 ppm angegeben.

Weitere Zielsetzungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung und teilweise aus der Beschreibung, oder sie werden in der Praxis bei Ausführung der Erfindung erfasst. Die Ziele und Vorteile der Erfindung lassen sich mit Hilfe der im folgenden speziell hervorgehobenen Mittel und Wege sowie Kombinationen erzielen.

In der nachfolgenden Beschreibung wird auf die Zeichnung, die als fester Bestandteil in diese Patentbeschreibung eingebunden ist, Bezug genommen, in welcher derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, die in Verbindung mit der vorstehenden Beschreibung und der nachstehenden ausführlichen Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele zur Erklärung der Grundgedanken der Erfindung dienen. Dabei zeigen:
1 eine Längsschnittansicht durch ein stufenlos verstellbares Toroidgetriebe;
2A eine Darstellung des Wärmeverlaufs (I) bei einer Wärmebehandlung, die an Teilen des stufenlosen Toroidgetriebes vorgenommen wird;
2B eine Darstellung des Wärmeverlaufs (II) bei einer an den Bauteilen vorgenommenen Aufkohlung;
2C eine Darstellung des Wärmeverlaufs (II) bei einer an den Bauteilen vorgenommenen Karbonitrierung;
3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des auf eine Scheibe einwirkenden Biegespannung und tangentialen Belastung;
4 eine schematische Darstellung der auf einen Leistungswälzkörper einwirkenden Biegespannung und tangentialen Belastung;
5 eine graphische Darstellung der Verteilung der auf die Scheibe einwirkenden synthetisierten Belastung; und
6 eine graphische Darstellung der Verteilung der Härte mit Vergleich zwischen einem Ausführungsbeispiel und Vergleichsbeispielen.
Nachstehend wird ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben.
1 zeigt den Aufbau eines stufenlosen Toroidgetriebes im Längsschnitt. Die Bezugszeichen 1 und 2 geben jeweils die Ausgangswelle und die Eingangswelle an. Auf der Eingangswelle 2 ist über eine Buchse 10 eine Antriebsscheibe 5 drehbar und abnehmbar aufgesetzt. An der Eingangswelle 2 ist mittels einer Keilnut 2a eine Nockenscheibe 3 befestigt. Die Nockenflächen 3a und 5b sind auf gegenüberliegenden Seiten der Nockenscheibe 3 bzw. der Antriebsscheibe 5 ausgebildet. Zwischen den Nockenflächen 3a und 5b sind Rollen eingeschlossen. An der Ausgangswelle 1 ist mittels einer Keilnut 1a eine Abtriebsscheibe 6 so befestigt, dass sie sich fest mit dieser dreht. Die Eingangswelle 2 und die Ausgangswelle 1 werden drehbar mittels eines Gehäuses über jeweilige Lager 12 und 13 gelagert.
Die Toroidflächen der Wälzgetriebeflächen 5a und 6a der Antriebsscheibe 5 und der Abtriebsscheibe 6 definieren einen gemeinsamen Bogen zur Bildung eines torusförmigen Hohlraums.
Ein Leistungswälzkörper 9 überträgt beim Abwälzen im Kontakt mit den Wälzgetriebeflächen 5a und 6a Kraft. Dieser Leistungswälzkörper 9 bildet zusammen mit dem Lager 8 ein Stützlager für den Leistungswälzkörper 9. An Drehzapfen 7 ist über Gleitscheiben 15 ein Befestigungsring 14 für das Lager 8 angebracht. Das Lager 8 ist an den Drehzapfen 7 über hin und her bewegliche Schäfte 7a befestigt. Die Drehzapfen 7 sind so abgestützt, dass sie in der Weise kippbar sind, dass der Leistungswälzkörper 9 die Geschwindigkeit dadurch verändern kann, dass er seine Kontaktstellen an den Wälzgetriebeflächen 5a und 6a in dem torusförmigen Hohlraum verändert. Zum Schmieren des Lagers 8 und auch der Kontaktflächen zwischen dem Leistungswälzkörper 9 und den Toroidflächen der Antriebsscheibe 5 und der Abtriebsscheibe 6 wird Schmieröl, beispielsweise Zugmaschinenöl, zugeführt. In der Darstellung in 1 wurde eine Mechanik zur Zuführung dieses Schmieröls weggelassen.
Tabelle 1 zeigt die chemischen Bestandteile, den Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt in der Oberfläche (Gew.-%) und das Kugelstrahlen bei erfindungsgemäßen Beispielen und Vergleichsbeispielen.
Die in Tabelle 1 ausgewiesenen Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden unter Vornahme einer Wärmebehandlung (I) (Stand der Technik) unter den in 2A angegebenen Bedingungen bzw. einer Wärmebehandlung (II) unter den in 2B angegebenen Bedingungen und einer Wärmebehandlung (II) unter den in 2C angegebenen Bedingungen (Beispiele und Vergleichsbeispiele) mit Kugelstrahlbehandlung hergestellt.
[Wärmebehandlung (I)]
Gemäß 2A wurde ein Werkstoff in endothermer Gasatmosphäre bei 840 bis 860°C 0,5 bis 1 Std. lang erwärmt und in Öl abgeschreckt (gehärtet). Das sich dabei ergebende Mate rial wurde in der Atmosphäre bei 160 bis 180°C 2 Stunden lang erwärmt und abgekühlt (angelassen).
[Wärmebehandlung (II)]
Wie 2B zeigt, wurde ein Werkstoff in einer endothermen Gasatmosphäre/mit Gas angereicherten Atmosphäre bei 930 bis 960°C 10 bis 15 Stunden lang erwärmt und dann ließ man ihn abkühlen. Anschließend wurde der Werkstoff in einer endothermen Gasatmosphäre bei 840 bis 860°C 0,5 bis 1 Std. lang erwärmt und in Öl abgeschreckt (gehärtet). Das sich dabei ergebende Material wurde in der Atmosphäre bei 160 bis 180°C 2 Stunden lang erwärmt und abgekühlt (angelassen).
[Wärmebehandlung (III)]
Gemäß 2C wurde ein Werkstoff in einer endothermen Gasatmosphäre/mit Gas angereicherten Atmosphäre/Ammoniakgasatmosphäre bei 930 bis 960°C 5 bis 10 Stunden lang wärmebehandelt und dann ließ man ihn abkühlen. Anschließend wurde der Werkstoff in einer endothermen Gasatmosphäre bei 840 bis 860°C 1 Std. lang erwärmt und in Öl abgeschreckt (gehärtet). Das sich dabei ergebende Material wurde in der Atmosphäre bei 160 bis 180°C 2 Stunden lang erwärmt und abgekühlt (angelassen).
Die maximale Dauerspannung (N/mm²) in einer Tiefe von 0,5 Dx wurde für jeden dabei erhaltenen Leistungswälzkörper gemessen. Mit anderen Worten erhielt man das Profil der Dauerspannung in Richtung der Tiefe ab der Wälzfläche des Teils, und in der Tiefe von 0,5 Dx wurde ein maximaler Wert gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Dabei ist zu beachten, dass die in der vorliegenden Erfindung erwähnte Dauerspannung (N/mm²) einen Verdichtungsdruck angibt, wenn das Vorzeichen negativ (–) ist und eine Spannung, wenn das Vorzeichen positiv (+) ist.
Die stufenlosen Toroidgetriebe wurden unter Verwendung des inneren und des äußeren Rings des Hochleistungswälzlagers, der Antriebsscheiben und der Abtriebsscheiben zusammengebaut, die durch die Wärmebehandlungen unter Verwendung von Werkstoffen mit der in Tabelle 1 angegebenen jeweiligen Zusammensetzung fertiggestellt waren. Tabelle 1 gibt die Dauerverdichtungsspannung bei 3 Zo als Beispiel für den Bereich von 0,5 Dx bis 1,0 Dx für jedes Bauteil an. Außerdem weist Tabelle 2 die Härte jedes Bauteils bei 5 Zo als Beispiel für Dx aus. Dabei ist zu beachten, dass durch Erwärmen, Anlassen und Polieren nach SUJ2 Wälzkörper (Kugeln) 20 hergestellt wurden.
Die auf diese Weise erhaltenen Lager für die Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden unter den nachstehend angegebenen Bedingungen geprüft. [Prüfbedingungen]

Drehzahl der Eingangswelle: 4.000 UpM

Eingangsdrehmoment: 370 N·m

Öl: synthetisches Schm ieröl Schmieröl

Öltemperatur: 100°C
Unter den vorstehend genannten Bedingungen wurden die folgenden Werte für Zo und Dx bei einem maximalen Flächendruck von 3,9 GPa ermittelt: Zo = 0, 48 × 1, 3 mm = 0, 624 mm Dx = 3 Zo bis 5 Zo = 1, 87 bis 3, 12 mm
Die Lebensdauer wurde nach der Zeit bis zu dem Punkt ermittelt, an dem es an einem der Teile Leistungswälzkörper, Außenring, Antriebsscheibe und Abtriebsscheibe zum Abblättern kam, aus denen jeder Prüfling aufgebaut war (bei den Beispielen und den Vergleichsbeispielen), bzw. nach der Zeit bis zu dem Punkt, an dem sich an einem der Teile Leistungswälzkörper, Außenring, Antriebsscheibe und Abtriebsscheibe ein Ermüdungsriß bildete. Wenn während des Versuchs ein Wälzkörper abblätterte, wurde die Prüfung nach Austausch des abgeblätterten Wälzkörpers durch einen neuen Wälzkörper fortgesetzt. Die Prüfung wurde außerdem nach Ablauf von 100 Stunden beendet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 ausgewiesen (wo die Zeit in Stunden angegeben ist).
Tabelle 2 zeigt die Beziehung zwischen der Härte an der Position Dx = 5,0 Zo und der Lebensdauer. Wie aus Tabelle 2 entnehmbar ist, verlängerte sich die Lebensdauer erheblich bei den Beispielen 1 bis 10 gegenüber den Vergleichsbeispielen 1 bis 10. Dies belegt, dass sich bei den (erfindungsgemäßen) Beispielen die Lebensdauer verbessert hat, bei denen jeweils der Leistungswälzkörper (Innenring), der Außenring, die Antriebsscheibe und die Abtriebsscheibe aus einsatzgehärtetem Stahl gefertigt war, der einen C-Anteil von 0,15 bis 0,5 Gew.-%, einen Si-Anteil von 0,15 bis 1,5 Gew.-%, einen Molybdänanteil von 0,1 bis 1,5 Gew.-% und einen O-Anteil von höchstens 9 ppm enthielt und nach den vorgegebenen Wärmebehandlungen wie Karbonitrieren, Härten und Anlassen kugelgestrahlt wurde.
Insbesondere bei den Beispielen 3 bis 10 trat mehr als 100 Stunden lang an keinem der Teile Leistungswälzkörper (Innenring), Außenring, Antriebsscheibe und Abtriebsscheibe weder ein Bruch noch ein Abblättern auf, und über 100 Stunden lang bildeten sich keine Ermüdungsrisse. Mit anderen Worten hat sich bei diesen Beispielen die Lebensdauer deutlich verbessert. Der Grund hierfür liegt darin, dass bei jedem dieser Beispiele 3 bis 10 alle vier Teile, also der Leistungswälzkörper, der Außenring, die Antriebsscheibe und die Abtriebsscheibe eine Dauerspannung von –785 N/mm² oder mehr bei 3 Zo als Beispiel für die Position Dx und eine Oberflächenhärte von Hv 740 oder mehr aufwiesen. Bei den Beispielen 1 und 2 blätterten die Scheiben nach Ablauf von 85 bzw. 72 Stunden leicht ab. Nach Abschätzung trat dieses Abblättern deshalb auf, weil sowohl die Oberflächenhärte als auch die Härte an der Position Dx geringfügig niedriger lag. Allerdings ist die Lebensdauer bei den Beispielen 1 und 2 viel länger als bei den Vergleichsbeispielen 1 bis 5.
Im Gegensatz hierzu trat innerhalb kürzerer Zeiträume als bei einem der Beispiele 1 bis 10 bei den Vergleichsbeispielen 1 bis 10 – bei denen die Anteile an C, Si, Mo und 0 außerhalb der vorgenannten Bereiche der Zusammensetzung lagen – eine Ermüdungsrissbildung auf. Außerdem erhielt man bei den Vergleichsbeispielen 6 bis 9, bei denen der Anteil an C oder N in der Oberfläche außerhalb des genannten Bereichs der Zusammensetzung lag, keine vorgegebene Härte auf und damit waren die Bauteile gegenüber der Gesamtspannung aus Wälzermüdung und Ermüdungsrissbildung nicht stark genug. Infolgedessen bildeten sich innerhalb kurzer Zeit Risse in den Bauteilen oder sie blätterten ab. Außerdem verkürzte sich bei dem Vergleichsbeispiel 10 – bei dem die maximale Dauerverdichtungsspannung bei 3,0 Zo = Dx –589 N/mm² oder weniger betrug – infolge von Anrisspunkten für Ermüdungsrisse.
Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, dass zur Verbesserung der Lebensdauer eines stufenlosen Toroidgetriebes eine Karbonitrierung vorgenommen werden muß, durch welche man an der Position Dx eine Härte von Hv 650 oder mehr erhält, wie sich aus dem Beispiel ergibt, bei dem Dx = 5,0 Zo gewählt wurde, und dass eine Bearbeitung wie beispielsweise mit Kugelstrahlen vorgenommen werden muß, durch welche die Dauerverdichtungsspannung in einer Tiefe von 0,5 Dx bis 1,0 Dx zwischen –589 und –1275 N/mm² herbeigeführt wird, wie sich anhand des Beispiels zeigt, bei welchem bei 3,0 Zo = Dx die Dauerspannung –1275 bis –589 N/mm² betrug. Außerdem sollte vorzugsweise mit karbonitriertem Stahl SUJ2 gearbeitet werden, so dass nicht häufig kugelgestrahlt werden muß.
Das erfindungsgemäße stufenlos verstellbare Toroidgetriebe eignet sich gut dazu, ein Abblättern und Brüche an dem Leistungswälzkörper (Innenring), am Außenring, an der Antriebsscheibe und an der Abtriebsscheibe zu verhindern. Insbesondere kann dieses stufenlos verstellbare Toroidgetriebe sehr gut sogar auch eine Rissbildung beispielsweise von der Innenumfangsfläche des Lagers oder von der Zugkraftfläche aus verhindern. Infolgedessen verlängert sich im Vergleich zu herkömmlichen Getrieben die Lebensdauer des erfindungsgemäßen stufenlosen Toroidgetriebes deutlich.
Weitere Vorteile und Modifizierungen ergeben sich für den Fachmann sehr einfach. Deshalb beschränkt sich die Erfindung hinsichtlich ihrer breiter gesehenen Aspekte nicht auf die hier dargestellten und beschriebenen speziellen Einzelheiten und repräsentativen Ausführungsbeispiele. Dementsprechend können verschiedene Veränderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne über den allgemeinen Erfindungsgedanken oder den Umfang der Erfindung hinauszugehen, wie er in den beigefügten Ansprüchen mit deren Äquivalenten umrissen ist.

Claims

Stufenlos verstellbares Toroidgetriebe mit einer an einer Eingangswelle (2) aufgesetzten Antriebsscheibe (5), einer an einer Ausgangswelle (1) aufgesetzten Abtriebsscheibe (6) und einem Hochleistungswälzlager (8) mit einem inneren Ring (9), einem äußeren Ring (14) und einer Vielzahl von Wälzkörpern (20), wobei sich der innere Ring (9) zur Kraftübertragung von der Eingangswelle (2) zur Ausgangswelle (1) auf der Antriebsscheibe (5) und der Abtriebsscheibe (6) anwälzt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Element aus der Gruppe, welche den inneren und den äußeren Ring (9, 14) des Hochleistungswälzlagers (8) und die Antriebsscheibe und Abtriebsscheibe (5, 6) umfasst, aus einem Werkstoff besteht, der jeweils 0,15 bis 0,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,15 bis 1,5 Gew.-% Silizium und 0,1 bis 1,5 Gew.-% Molybdän, höchstens 9 ppm Sauerstoff und ein weiteres unvermeidliches Fremdelement enthält, und dass das mindestens eine Element so karbonitriert, gehärtet, angelassen und geschliffen ist, dass in der fertig bearbeiteten Oberfläche der Kohlenstoffanteil 0,8 bis 1,2 Gew.-% und der Stickstoffanteil 0,05 bis 0,20 Gew.-% beträgt, die Oberfläche eine Vickers-Härte von mindestens Hv 720 aufweist, und die Dauerspannung in einer Tiefe von 0,5 Dx bis 1,0 Dx ab der Oberfläche zwischen –1275 und –588 N/mm² beträgt, wobei Dx eine Position einer kritischen äquivalenten Spannung in einer aus Scherspannung und Biegespannung errechneten Spannungsverteilung ist, und wobei die Bedingung Dx = 3,0 Zo bis 5,0 Zo erfüllt ist, wobei Zo von der Oberfläche aus eine Position ist, an der eine höchstmögliche dynamische Scherspannung auftritt.