DE4431007C2

DE4431007C2 - Stufenlos verstellbares Toroid-Getriebe

Info

Publication number: DE4431007C2
Application number: DE4431007A
Authority: DE
Inventors: Hideki Kokubu; Tsutomu Abe; Hisashi Machida
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2014-09-01
Also published as: DE4431007A1; US5556348A; JP3604415B2; GB2281362B; GB9417487D0; GB2281362A; JPH0771555A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein stufenlos verstellbares Getriebe gemäß dem Ober begriff von Patentanspruch 1.

Ein entsprechendes herkömmliches Toroidgetriebe ist in Fig. 6 dargestellt. Dieses her kömmliche Toroidgetriebe umfaßt ein Antriebselement 11 und ein Abtriebselement 12, das koaxial zu dem genannten Antriebselement 11 angeordnet ist. Eine Antriebswelle 13 ist mittig durch die An- und Abtriebselemente hindurchgeführt. Das eingangsseitig an das Getriebe angelegte Antriebsdrehmoment wird über eine Mitnehmerscheibe 14 übertra gen, die wiederum über Rollkörper 15 eine axiale Druckkraft auf das Antriebselement 11 und das Abtriebselement 12 aufbringt.

Das Antriebselement 11 und das Abtriebselement 12 weisen im wesentlichen die gleiche Gestalt auf und sind symmetrisch zueinander angeordnet. Das Antriebselement 11 und das Abtriebselement 12 sind so geformt, daß diese einen Ringraum mit im wesentlichen halbkreisförmigem Querschnitt begrenzen. In diesem Ringraum sind Traktionsrollkörper 16 und 17 angeordnet, durch welche eine kinematische Kopplung der An- und Abtriebse lemente 11, 12 erreicht wird. Das Bezugzeichen 23 bezeichnet ein Drucklager.

Bei dem gezeigten Toroidgetriebe sind die Traktionsrollkörper 16 und 17 über Drehzap fen 18 und 19 drehbar an Laufringen 20 und 21 abgestützt, die wiederum schwenkbar an einem Drehzapfen 0, der ein Drehzentrum bildet, gelagert sind. Der Drehzapfen 0 befin det sich in der Mitte der ringförmigen Oberfläche des Antriebselementes 11 und des Ab triebselementes 12. Die Traktionsfläche zwischen dem Antriebselement 11 und dem Ab triebselement 12 und den Traktionsrollkörpern 16 und 17 ist mit einem Schmieröl be netzt, dessen viskoser Reibungswiderstand groß ist, so daß die Antriebsleistung, die auf das Antriebselement aufgebracht wird, auf das Abtriebselement 12 über den Schmieröl film und die Traktionsrollkörper 16 und 17, übertragen wird.

Das Antriebselement 11 und das Abtriebselement 12 sind durch Nadelrollkörper 25 sepa rat von der Antriebswelle 13 gelagert. Eine Abtriebswelle 24 ist an dem Abtriebselement 12 angebracht. Die Abtriebswelle 24 erstreckt sich im wesentlichen parallel zur Antriebs welle 13 und ist drehbar in einem Gehäuse des Toroidgetriebes über ein Ringlager 22 gelagert.

Bei dem beschriebenen, stufenlos verstellbaren Toroid-Getriebe wird die an die An triebswelle 13 angelegte Antriebsleistung auf die Belastungsmitnehmerscheibe 14 über tragen. Wenn die Belastungsmitnehmerscheibe 14 sich durch die Übertragung der An triebsleistung dreht, wird das Drehmoment auf das Antriebselement 11 über die Rollkör per 15 übertragen, wodurch wiederum das Antriebselement 11 in Drehung versetzt wird. Das an das Antriebselement 11 angelegte Drehmoment wird auf das Abtriebselement 12 über die Traktionsrollkörper 16 und 17 übertragen. Das Abtriebselement 12 dreht sich gemeinsam mit der Abtriebswelle 24.

Sofern das Übersetzungsverhältnis verändert werden soll, werden Lagerscheiben 20 geringfügig in Richtung des Schwenkzapfens 0 bewegt. Das bedeutet, daß die axiale Bewegung der Lagerscheiben 20 und 21 den Schnittpunkt zwischen der sich drehenden Welle und den Traktionsrollkörpern 16 und 17 wie den Achsen des Antriebselementes 11 und des Abtriebselementes 12 frei gibt. Daraus resultiert, daß die Traktionsrollkörper 16 und 17 über die Oberfläche der Antriebsscheibe 11 und Abtriebsscheibe 12 pendeln, wobei hierdurch das Übersetzungsverhältnis verändert wird, um beispielsweise ein Kraftfahrzeug zu beschleunigen oder ggf. auch abzubremsen.

Ein Toroidgetriebe mit stufenlos veränderbarem Übersetzungsverhältnis der vorange hend beschriebenen Art ist beispielsweise in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. Sho. 63-203955 und in der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung mit der Nummer Hei. 2-49411 offenbart.

Hinsichtlich der beschriebenen herkömmlichen Toroidgetriebe besteht das Problem, daß die seitens des Antriebselementes sowie auch die seitens des Abtriebselementes aus gebildeten Traktionflächen einem erheblichen Verschließ unterliegen und auch hinsicht lich der Traktionsrollkörper die Gefahr besteht, daß an diesen partielle Abplatzungen aufgrund der erforderlichen hohen Flächenpressung entstehen.

Unter dem Eindruck dieses Problems liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Toroidgetriebe der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem auch vergleichs weise hohe Antriebsleistungen auf zuverlässige Weise dauerhaft übertragen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Antriebselement, das Abtriebselement und die Traktionsrollkörper jeweils eine zunächst durch Karbonitrierung oder Aufkohlung erzeugte und durch einen nachfolgenden Schleifvorgang auf eine effek tive Schichttiefe zwischen 2.0 mm und 4.0 mm gebrachte, gehärtete Oberflächenschicht aufweisen.

Der Ausdruck "wirksam aufgekohlte Schichttiefe" bedeutet die Tiefe, innerhalb welcher in jedem Fall die nach Vickers gemessene Härte im Bereich von 550 HV oder darüber liegt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm einer Wärmebehandlung, welche eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 2 eine mikroskopische Aufnahme, die die Struktur der interkristallinen Oxidschicht zeigt, die in einem üblichen Werkstoff geformt ist;

Fig. 3 ein Diagramm, welches den Aufbau einer Vorrichtung zeigt, die für eine SP-Behandlung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

Fig. 4 ein Diagramm, das die verbleibende Druckspannung in Funktion der Tiefe von der Oberfläche in nicht SP-behandelten Produkten und in SP-behandelten Pro dukten, gemäß des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, zeigt;

Fig. 5 ein Diagramm, das einen Wärmebehandlungsvorgang zeigt, welcher eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 6 eine Schnittdarstellung, die den Aufbau eines Teils eines ringförmigen, stufenlos verstellbaren Getrie bes zeigt, an welchem die vorliegende Erfindung vorgesehen ist; und

Fig. 7 einen vergrößerten Ausschnitt von Fig. 6.

Weil der Aufbau eines ringförmigen, stufenlos verstellbaren Getriebes der vorliegenden Erfindung derselbe ist, wie der eines konventionellen Beispiels (wie in Fig. 6 gezeigt) wird die Beschreibung desselbens weggelasen.

In dem ringförmigen, stufenlos verstellbaren Getriebe der vorliegenden Erfindung können, wenn die Antriebs- und Abtriebs elemente den Aufkohlungs- oder Karbonitriervorgang und dann denn Schleifvorgang durchlaufen, um die wirksam aufge kohlte Schichttiefe auf einen Bereich zwischen 2,0 mm und 4,0 mm zu beschränken, die Festigkeiten bezüglich Abplatzen und Ermüdungsbruch der Traktionsflächen der Antriebs- und Abtriebselemente verbessert werden. Die Gründe hierfür werden im folgenden beschrieben.

Wenn die wirksam aufgekohlte Schichttiefe der Antriebs- und Abtriebselemente weniger als 2,0 mm beträgt, beginnen die Traktionsflächen der Antriebs- und Abtriebselemente bald nachdem das ringförmig, stufenlos verstellbare Getriebe in Betrieb geht, abzublättern. Dies geschieht dadurch, weil jede Traktionsfläche einer Rollkontaktermüdung unter hohen Kontaktspannungen ausgesetzt ist, welche den Sicherheitsfak tor der Festigkeit in der Tiefe bezüglich der maximalen Scherspannung herabsetzen und dabei die Lebensdauer gegen über Rollkontaktermüdung ebenfalls herabsetzen.

Auf der anderen Seite, wird, wenn die wirksam gehärtete Schichtdicke der Antriebs- und Abtriebselemente 4,0 mm über steigt, ein Ermüdungsriß an den Bereichen erzeugt, die durch "a" und "b" in Fig. 7 gekennzeichnet sind. Dies geschieht dadurch, weil die Härte in jedem Inneren der Bereiche "a" und "b" erhöht wird.

Fig. 7 ist eine vergrößerte Teilansicht von Fig. 6. Die Bereiche "a" und "b" sind jene Bereiche, welche die größte bleibende Spannung abbekommen, wenn das ringförmig, stufen los verstellbare Getriebe in Betrieb ist. Diese Bereiche haben komplizierte Formen und die Kanten davon sind nicht geschliffene Oberflächen (sowie wärmebehandelt), so daß diese Bereiche ebenfalls Schichten mit abnormer Aufkohlung aufweisen, sowie interkristalline Oxidation, welche eine Tendenz in Richtung reduzierter Festigkeit bezüglich Ermü dungsbruch aufgrund von Spannungskonzentrationen darstellt.

Darüber hinaus kann, wenn der Traktionsrollkörper einem Aufkohlungs- oder Karbonitriervorgang und dann einen Schleifvorgang durchläuft, um die wirksam aufgekohlte Schichtdicke auf einen Bereich zwischen 2,0 mm und 4,0 mm zu beschränken, die Festigkeit bezüglich Abplatzen und Ermü dungsbruch der Traktionsrollkörper der Übertragungsrollkörper verbessert werden.

Wenn die wirksam aufgekohlte Schichtdicke des Traktions rollkörpers weniger als 2,0 mm beträgt, beginnt die Trak tionsfläche des Traktionsrollkörpers bald nachdem das ringförmig, stufenlos verstellbare Getriebe in Betrieb ge nommen wurde, abzuplatzen. Der Grund besteht darin, daß die Traktionsfläche des Traktionsrollkörpers einer Rollkon taktermüdung unter hohen Kontaktspannungen ausgesetzt ist, welche den Sicherheitsfaktor der Festigkeit in der Tiefe bezüglich der maximalen Scherspannung reduziert und dabei die Rollkontaktlebensdauer ebenfalls reduziert.

Auf der anderen Seite wird, wenn die wirksam aufgekohlte Schichtdicke des Traktionsrollkörpers 4,0 mm überschrei tet, ein Ermüdungsbruch in den Bereichen, die durch "c" in Fig. 7 gekennzeichnet sind, erzeugt. Der Grund besteht darin, daß die Kante des Bereichs "c" eine ungeschliffene Oberfläche ist (sowie wärmebehandelt), so daß dieser Bereich nicht nur Schichten mit abnormer Aufkohlung, sowie inter kristalliner Oxidation, umfaßt, sondern ebenso so dünn ist, daß die Härte im Inneren davon erhöht wird, um die Ermü dungsfestigkeit zu reduzieren.

Mit dieser Erfindung können Verbesserungen in den Rollkon taktlebensdauern bezüglich Ermüdung der Traktionsflächen der Antriebs- und Abtriebselemente und der Traktionsfläche des Traktionsrollkörpers, sowie eine Verbesserung der Festig keiten bezüglich Ermüdungsbruch der Antriebs- und Abtriebs elemente und des Traktionsrollkörpers erreicht werden, solang die wirksam aufgekohlte Schicht der Antriebs- und Abtriebs elemente und des Traktionsrollkörpers auf einen Be reich zwischen 2,0 mm und 4,0 mm beschränkt sind.

Diese wirksam aufgekohlten Schichttiefen (zwischen 2,0 mm und 4,0 mm) können dadurch erreicht werden, daß der Werk stoff einen Aufkohlungs- oder Karbonitriervorgang durch läuft.

Deshalb werden die Antriebs- und Abtriebselemente und der Traktionsrollkörper einem Aufkohlungs- oder Karbonitrier vorgang und dann einem Schleifvorgang ausgesetzt, um die wirksam aufgekohlte Schichttiefen der beiden Scheiben und des Rollkörpers auf einen Bereich zwischen 2,0 und 4,0 mm zu beschränken.

Der Werkstoff, aus welchem die Antriebs- und Abtriebselemente und der ben und der Übertragungsrollkörper hergestellt sind, bein haltet: Silikon (Si) in einem Bereich zwischen 0,05 und 0,2 Gew.-%; und Mangan in einem Bereich von 0,2 und 0,7 Gew.-%, so daß die interkristalline Oxidation reduziert werden kann. Das bedeutet, daß die Tiefe einer interkristallinen Oxid schicht dünner gemacht wird, um Spannungskonzentrationen an solch einer Schicht zu reduzieren. Deshalb kann die Festig keit bezüglich Ermüdungsbruch zusätzlich verbessert werden.

Geringere Anteile von Silikon und Mangan werden mehr bevor zugt. Jedoch beinhaltet der Werkstoff, aus welchem die Antriebs- und Abtriebselemente und Traktionsrollkörper hergestellt sind, unvermeidlich ca. 0,05 Gew.-% Silikon.

Wenn der Anteil an Mangan im Werkstoff, aus welchem die An- Antriebs- und Abtriebselemente und Traktionsrollkörper her gestellt sind, auf weniger als 0,2 Gew.-% reduziert wird, ist es zu kostenaufwendig, die Antriebs- und Abtriebs elemente und der Traktionsrollkörper nach den zur Zeit üblichen Stahlherstellungstechnologien zu produzieren.

Auf der anderen Seite besteht die Tendenz, wenn der Anteil von Silikon im Werkstoff, aus welchem die Antriebs- und Abtriebs elemente und der Traktionsrollkörper hergestellt sind, 0,2 Gew.-% übersteigt, daß interkristalline Oxidation leicht auftritt, und dabei die Tiefe der interkristallinen Oxidschicht sich erhöht. Daraus resultiert, daß Spannungs konzentrationen an der interkristallinen Oxidschicht auftre ten und die Festigkeit bezüglich Ermüdungsbruch herabsetzen.

Wenn der Anteil an Mangan in dem Werkstoff, aus welchem die Antriebs- und Abtriebselemente und der Traktionsrollkörper per hergestellt sind, 0,7 Gew.-% übersteigt, besteht eine Tendenz, daß interkristalline Oxidation leicht auftritt, wo bei die Tiefe der interkristallinen Oxidschicht sich erhöht. Daraus resultiert, daß Spannungskonzentrationen an der in terkristallinen Oxidschicht auftreten, wodurch die Festig keit bezüglich Ermüdungsbruch herabgesetzt wird.

Deshalb ist es wünschenswerter, einen Werkstoff zu verwen den, der Silikon innerhalb eines Bereichs zwischen 0,05 und 0,2 Gew.-% und Mangan innerhalb eines Bereichs zwischen 0,2 und 0,7 Gew.-% beinhaltet.

Es ist ebenfalls wünschenswerter, den Höchstwert der ver bleibenden Druckspannung auf einen Bereich zwischen -1275,3 N/mm² und -588,6 N/mm²(-130 Kgf/mm² und -60 Kgf/mm²) inner halb 0,15 mm in der Tiefe von der Oberfläche der Antriebs- und Abtriebselemente und der Traktionsrollkörper zu be schränken. Entsprechend kann eine verbesserte Festigkeit bezüglich Ermüdungsbruch erreicht werden.

Die verbleibende Druckspannung kann z. B. durch einen Kugel strahlvorgang erreicht werden. Der Kugelstrahlvorgang ist vorteilhaft im Erreichen einer Oberflächenhärte und verblei benden Druckspannung an einem herzustellenden Objekt.

Bezüglich der verbleibenden Druckspannung ist die Zugspan nung mit (+) gekennzeichnet und die Druckspannung durch (-) in der vorliegenden Erfindung gekennzeichnet.

Um eine wirksam aufgekohlte Tiefe zu erreichen, deren Härte in der Vickersskala 550 HV oder mehr beträgt, ist es wün schenswert, den Anteil von Basiskohlenstoff (C) im Werk stoff, aus welchem die Antriebs- und Abtriebselemente und der Traktionsrollkörper hergestellt sind, auf 0,35 Gew.-% oder weniger zu beschränken, wie z. B. in "Heat Treatment of Steels" (überarbeitete 5. Auflage), des Eisen- und Stahlin stituts von Japan, S. 24, Fig. 1-39 offenbart.

Das bedeutet, um das Innere auf eine Vickershärte von 550 HV oder weniger (Vickershärte des Bereichs, der sich weiterhin innerhalb der wirksam aufgekohlten Schicht befindet) zu be schränken, ist es wünschenswert, den Anteil von Basiskohlen stoff im Werkstoff auf 0,35 Gew.-% oder weniger zu beschrän ken.

Wenn der Anteil an Basiskohlenstoff im Werkstoff 0,35 Gew.-% übersteigt, weist das Innere eine Vickershärte von 550 HV oder mehr auf. Daraus resultiert, daß nicht nur die wirksam gehärtete Schichttiefe nicht länger der Definition der vor liegenden Erfindung entspricht, sondern ebenso eine starke Tendenz zum Ermüdungsbruch vorhanden ist.

Deshalb ist es wünschenswert, den Anteil von Basiskohlen stoff im Werkstoff auf 0,35 Gew.-% oder weniger zu beschrän ken.

Darüber hinaus beeinflußt die Reinheit eines Stahls (Werk stoffs) entscheidend die Verbesserung der Rotationsbiege festigkeit und der Lebensdauer gegenüber Rollkontaktermüdung eines hochfesten Stahls. Mit anderen Worten, bedeutet das, daß die Anwesenheit von großen, nicht metallischen Ein schlüssen im Stahl dazu führen, daß Ermüdungsrisse und Ab platzen auftreten, wobei die nicht metallischen Einschlüsse als Startpunkt vorliegen. Daraus resultiert, daß es wün schenswert ist, die Reinheit des Werkstoffs zu verbessern oder besser, den Sauerstoffanteil im Stahl auf 10 ppm oder weniger festzulegen.

Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen des Antriebs elementes, Abtriebselementes und des Traktionsrollkörpers mit bezug auf die Wärmebehandlung beschrieben, die als erste und zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dienen, wie in den Fig. 1 und 5 gezeigt ist.

Das Antriebselement und das Abtriebselement sind beide aus Einsatzstahl (Werkstoff) hergestellt, dessen chemische Zu sammensetzung in Tabelle 1 gezeigt ist, und durchlaufen eine Wärmebehandlung, wie in Fig. 1 gezeigt ist.

TABELLE 1

Der Einsatzstahl, dessen chemische Zusammensetzung in Ta belle 1 gezeigt ist, durchläuft einen Einsatzhärtevorgang unter den folgenden Bedingungen.

Einsatzhärtebedingungen

Atmosphäre: Rx-Gas und angereichertes Gas
Aufkohlungstemperatur: Innerhalb des Bereichs von 920 bis 960°C (930°C wurde für dieses Aus führungsbeispiel gewählt)
Aufkohlungszeit: 15 bis 50 Stunden in Abhängigkeit mit der gewünschten wirksam auf gekohlten Schichttiefe.

Anschließend wird, nachdem der Aufkohlungsvorgang beendet wurde, der Werkstoff langsam gekühlt (Ofenkühlung) und dann für eine Stunde wieder auf 840°C aufgeheizt. Anschließend wird nachdem der Werkstoff einem Ölabschreckvorgang unterzo gen wurde, der Werkstoff kontinuierlich bei 180°C für zwei Stunden getempert. Danach wird der Werkstoff langsam abge kühlt.

Als Ergebnis kann eine Oberfläche erreicht werden, die mit einer Vickershärte von ca. 697 bis 772 HV (60 bis 63 HRC) gehärtet wurde.

Anschließend wird ein Bereich, der bestimmt ist, die Trakti onsfläche der Antriebs- und Abtriebselemente zu werden, einem Schleifvorgang (einem Superfinishingvorgang nach dem Schleifen) ausgesetzt.

Als Ergebnis wird ein Antriebs- und Abtriebselement (Bei spiele 1 bis 3) erreicht, deren wirksam aufgekohlte Schicht tiefen wie in Tabelle 2 gezeigt, sind.

Als Vergleichbeispiele wurden Antriebs- und Abtriebselemente präpariert, deren wirksam aufgekohlte Schichttiefen, wie in Tabelle 2 gezeigt sind, durch Verwenden eines Einsatzstahls, dessen chemische Zusammensetzung in Tabelle 1 gezeigt ist, während die Aufkohlungsbedingungen geändert wurden. Die wirksam aufgekohlten Schichttiefen sind: 1,0 mm (Vergleichs beispiel 1); 1,5 mm (Vergleichsbeispiel 2); 4,5 mm (Ver gleichsbeispiel 3); und 5,5 mm (Vergleichsbeispiel 4).

Das konventionelle Verfahren (Durchhärtung) wurde ebenfalls verwendet, um Antriebs- und Abtriebselemente unter Verwen dung eines konventionellen Lagerstahls (JIS SUJ2) zu präpa rieren.

Dann wurden Traktionsrollkörper, deren wirksam aufge kohlte Schichttiefen 3,0 mm, betragen durch Verwenden eines Einsatzstahls präpariert, dessen chemische Zusammensetzung in Tabelle 1 gezeigt ist, während der Einsatzstahl das glei che Aufkohlungs- und Schleifverfahren durchläuft.

Anschließend wurde ein ringförmig, stufenlos verstellbares Getriebe, wie in Fig. 6 gezeigt, präpariert durch Verwenden der zuvor erwähnten jeweiligen Antriebs- und Abtriebselemente, wobei die Lebensdauern dieser Antriebs- und Abtriebselemente unter folgenden Bedingungen getestet werden.

Testbedingungen

Drehzahl der Antriebswelle: 4000 U/min
Antriebsmoment: 392 N.m
verwendetes Öl: synthetisches Schmieröl
Öltemperatur: 100°C

Die Lebensdauer der Antriebs- und Abtriebselemente wurden bestimmt durch die Zeitdauer, ab wann die Traktionsfläche abzuplatzen begann oder durch die Zeitdauer ab wann das Antriebselement oder das Abtriebselement begann, Ermüdungsbruch aufzuweisen.

Das Ergebnis des Tests ist in Tabelle 2 gezeigt.

TABELLE 2

Aus Tabelle 2 ist zu erkennen, daß die Antriebs- und Abtriebselemente (Beispiele 1 bis 3), deren wirksam aufge kohlte Schichttiefen von 2,0 mm bis 4,0 mm sind, frei von Abplatzen der Traktionsfläche und selbst von Ermüdungsbruch sind, wenn das ringförmige, stufenlos verstellbare Getriebe länger als 10 Stunden betrieben wurde. Es kann daraus ver standen werden, daß die Lebensdauern der Antriebs- und Abtriebselemente bemerkenswert verbessert wurden im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen und dem konventionellen SUJ2- Beispiel.

Auf der anderen Seite kann herausgefunden werden, daß die Antriebs- und Abtriebselemente (Vergleichsbeispiele 1 und 2), deren wirksam aufgekohlte Schichttiefen 1,0 mm und 1,5 mm betragen, zu einem früheren Zeitpunkt einer Ab platzung an der Traktionsfläche ausgesetzt sind. Die Gründe des Abplatzens liegen darin, daß die Traktionsflächen einer Rollkontaktermüdung unter hohen Kontaktspannungen ausgesetzt sind, welche den Sicherheitsfaktor der Festigkeit in der Tiefe bezüglich der maximalen Scherspannung herabsetzen, wenn die wirksam aufgekohlte Schicht dünn ist, wobei dieses die Festigkeit bezüglich Rollkontaktermüdung verringert.

Es ist ebenso nachgeprüft, daß die Antriebs- und Abtriebs elemente (Vergleichsbeispiele 3 und 4) deren wirksam aufge kohlte Schichttiefen 4,5 mm und 5,5 mm betragen einem Ermü dungsbruch zu einem früheren Zeitpunkt an den Bereichen ent sprechend durch "a" und "b" in Fig. 7 gezeigt, ausgesetzt sind. Weil diese Bereiche sehr dünn sind und die wirksam aufgekohlten Schichten sehr dick waren, was die Härte im Inneren dieser Bereiche erhöht, wird dabei die Festigkeit bezüglich Ermüdungsbruch verringert.

Es wurde ebenso herausgefunden, daß die konventionellen An- Antriebs- und Abtriebselemente, die unter Verwendung des SUJ2- Lagerstahls präpariert wurden, einem Ermüdungsbruch an den Bereichen, die durch "a" und "b" in Fig. 7 gezeigt, als erstes (innerhalb 3 Stunden) ausgesetzt waren.

Dann wurden die Traktionsrollkörper aus einem Einsatz stahl (Werkstoff) dessen chemische Zusammensetzung in Ta belle 1 gezeigt ist, einer Wärmebehandlung (siehe Fig. 1), unter denselben Bedingungen wie oben beschrieben, ausge setzt. Als Ergebnis, weist die Oberfläche eine Vickershärte von ca. 697 bis 772 HV (60 bis 63 HRC) auf.

Die Traktionsrollkörper werden anschließend in derselben Weise wie oben beschrieben, geschliffen. Die Traktions rollkörper (Beispiel 4 bis 6), deren wirksam aufgekohlte Schichttiefen in Tabelle 3 gezeigt sind, wurden bereitge stellt.

Als Vergleichsbeispiele wurden Traktionsrollkörper, deren wirksam aufgekohlte Schichttiefen in Tabelle 3 gezeigt sind, präpariert durch Verwenden eines Einsatzstahls, dessen che mische Zusammensetzung in Tabelle 1 gezeigt ist, während die Aufkohlungsbedingungen verändert wurden. Die wirksam aufge kohlten Schichttiefen sind: 1,0 mm (Vergleichsbeispiel 5); 1,5 mm (Vergleichsbeispiel 6); 4,5 mm (Vergleichsbeispiel 7); und 5,5 mm (Vergleichsbeispiel 8).

Darüber hinaus wurden Traktionsrollkörper durch das kon ventionelle Verfahren (Durchhärten) bei Verwendung eines konventionellen Lagerstahls (JIS SUJ2) präpariert.

Dann wurden Traktionsrollkörper präpariert, deren wirksam gehärtete Schichttiefen 3,0 mm betragen durch Verwenden eines Einsatzstahls, dessen chemische Zusammensetzung in Tabelle 1 gezeigt ist und durch Ausführen des gleichen Auf kohlungs- und Schleifvorgangs.

Anschließend wurde ein ringförmig, stufenlos verstellbares Getriebe, wie in Fig. 6 gezeigt, durch Verwenden der zuvor erwähnten entsprechenden Traktionsrollkörper und Antriebs- und Abtriebselemente auf gebaut, wobei die Lebensdauern der Traktionsrollkörper unter denselben Bedingungen, wie oben beschrieben, getestet wurden.

Die Einsatzdauer jedes Traktionsrollkörpers wurde durch die Zeitdauer ab wann die Traktionsfläche begann abzuplatzen oder durch die Zeitdauer ab wann der Traktionsrollkörper begann Ermüdungsbruch aufzuweisen, bestimmt.

Die Ergebnisse des Tests sind in Tabelle 3 gezeigt.

TABELLE 3

Aus der Tabelle 3 ist zu erkennen, daß die Traktionsroll körper (Beispiele 4 bis 6) deren wirksam aufgekohlte Schichttiefen von 2,0 mm bis 4,0 mm reichen, frei von Ab platzen an den Traktionsflächen und selbst von Ermüdungs bruch sind, wenn die ringförmigen, stufenlos verstellbaren Getriebe mehr als 10 Stunden betrieben wurden. Daraus kann verstanden werden, daß die Lebensdauern dieser Traktions rollkörper bemerkenswert verbessert wurden im Vergleich mit folgenden Bedingungen unterzogen, wobei die Tiefen der in terkristallinen Oxidschichten der erhaltenen aufgekohlten Stähle getestet wurde.

Aufkohlungsbedingungen

Atmosphäre Rx-Gas und angereichertes Gas
Aufkohlungstemperatur 930°C
Aufkohlungszeit 30 Stunden

Die Ergebnisse des Tests sind in Tabelle 4 gezeigt.

Werkstoff Nr. A bezeichnet einen konventionellen Einsatz stahl. Eine mikroskopische Ablichtung, die die Struktur einer innerkristallinen Oxidschicht darstellt, ist in Fig. 2 gezeigt (400-fache Vergrößerung).

TABELLE 4

Aus der Tabelle 4 ist zu ersehen, daß die Tiefe der inter kristallinen Oxidschicht geringer wird mit geringerem Anteil von Silikon (Si) und Mangan (Mn). Es kann ebenfalls von den Vergleichsbeispielen (Werkstoffe Nr. F bis I) erkannt wer den, daß die Tiefe der innerkristallinen Oxidschicht nicht ausreichend reduziert werden kann nur durch Verringern le diglich eines dieser Elemente, Si oder Mn.

Das bedeutet, daß nachgeprüft ist, daß die Beispiele (Werkstoff Nrn. B bis E), in welchen die Anteile von Silikon und Mangan klein sind, eine bemerkenswerte Verringerung der Tiefe der interkristallinen Oxidschicht im Vergleich mit den Vergleichsbeispielen (Werkstoff Nr. A) mit sich bringt.

Anschließend wurden Antriebselemente, Abtriebselemente und Traktions rollkörper präpariert, deren wirksam aufgekohlte Schichttiefen 3,0 mm betragen durch Durchlaufen der Antriebs- und Abtriebselemente und Traktionsrollkörper, die aus Einsatzstahl, wie in Tabelle 4 (Werkstoff Nrn. A bis I) gezeigt hergestellt wurden, derselben Wärmebehandlung (siehe Fig. 1), wobei anschließend derselbe Schleifvorgang wie oben beschrieben durchgeführt wurde.

Danach wurden ringförmig, stufenlos verstellbare Getriebe, wie in Fig. 6 gezeigt, hergestellt durch Verwenden der oben erwähnten, entsprechenden Antriebs- und Abtriebselemente und Traktionsrollkörper, wobei die Lebensdauern dieser An- Antriebs- und Abtriebselemente unter denselben Bedingungen wie oben beschrieben, getestet wurden.

Die Ergebnisse dieser Tests sind in Tabelle 5 (Einsatzdauern der nicht SP-behandelten Produkte) gezeigt.

TABELLE 5

Anschließend wurden die Bereiche, die durch "a" und "b" in Fig. 7 gekennzeichnet sind, der Antriebs- und Abtriebselemente ben (nach dem Wärmebehandeln und Schleifen) einem Kugel strahlvorgang (im weiteren als "SP" bezeichnet) unter den folgenden Bedingungen unterzogen, wobei ringförmig, stufen los verstellbare Getriebe, wie in Fig. 6 gezeigt, herge stellt wurden. Die Lebensdauern der Antriebs- und Abtriebs elemente (SP-behandelte Produkte) wurden unter den gleichen Bedingungen wie oben beschrieben, getestet. die Ergebnisse des Tests sind in Tabelle 5 gezeigt (Einsatzdauer der SP-be handelten Produkte).

SP-Bedingungen

Die wärmebehandelte und geschliffene Antriebselement und Abtriebselement werden einem SP-Vorgang bei Verwendung der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung derart unterzogen, daß die ver bleibenden Druckspannungen an Bereichen innerhalb 0,15 mm in der Tiefe von der Oberfläche der Antriebs- und Abtriebselemente einen Höchstwert von -1275, 3 bis -588, 6 N/mm² (-130 bis -60 Kgf/mm²) aufweisen.

Die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung umfaßt: einen Druckbehäl ter 32, in welchem Kugelstrahlpartikel 31 eingefüllt sind; ein Luftzufuhrrohr 33 zum Zuführen von Luft an den Druckbe hälter 32; ein Abluftrohr 34 zum Abführen der Luft, die in den Druckbehälter 32 eingeführt wurde; einen Mixer 36, der unter dem Druckbehälter angeordnet ist, zum Mixen von Druck luft aus einer Rohrverzweigung 35 des Luftzuführrohrs 33 mit den Strahlpartikeln 31; ein Schlauch 39 zum Einspritzen von Schüssen 37 aus einer Düse 38 auf die Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstoffs; ein Fülltrichter 41 zum Zuführen der Schußpartikel 31 in den Druckbehälter 32 über einen Schließer 40; und ein Ventil 42, das in der Rohrverzweigung 35 angeordnet ist zum Einstellen des Luftdrucks, der die Einspritzgeschwindigkeit der Schußpartikel 31 regelt.

In diesem Ausführungsbeispiel werden Stahlkugeln, die je weils einen durchschnittlichen Korndurchmesser von 0,72 mm und eine durchschnittliche Härte von 61 HRC aufweisen, als Schußpartikel 31 verwendet. Der SP-Vorgang wurde so ausge führt, daß die Einspritzgeschwindigkeit sich in einem Be reich von 32 bis 120 m/sec (durchschnittliche Einspritzge schwindigkeit = 80 m/sec) befand.

Der SP-Vorgang ist vorteilhaft im Erhöhen der Oberflächen härte und Einbringen einer verbleibenden Druckspannung an einem zu bearbeitenden Werkstoff.

Die Beziehung zwischen der Tiefe von der Oberfläche und der verbleibenden Druckspannung an den Antriebs- und Abtriebs elemente in dem SP-Vorgang wurde getestet. Nicht SP-behan delte Produkte wurden ebenfalls gleichsam getestet. Das Er gebnis dieses Tests ist in Fig. 4 gezeigt.

Aus Fig. 4 kann erkannt werden, daß die SP-behandelten Bei spiele die Bedingungen erfüllen und daß der Höchstwert der verbleibenden Druckspannung sich im Bereich zwischen -1275,3 bis -588,6 N/mm² (-130 bis -60 Kgf/mm²) befindet.

Es kann ebenfalls aus Tabelle 5 erkannt werden, daß die Bei spiele (Werkstoffe Nr. B bis E) eine Betriebsdauer von mehr als 100 Stunden erreicht wird, selbst bei nicht SP-behandel ten Produkten. Die Gründe hierfür liegen darin, daß die in terkristallinen Oxidschichten der Beispiele (Werkstoff Nrn. B bis E) sehr dünn sind, so daß die Spannungskonzentrationen reduziert sind und die Ermüdungsbruchfestigkeit verbessert ist.

Auf der anderen Seite wurde herausgefunden, daß die Lebens dauer der Vergleichsbeispiele (Material Nrn. A und B bis E), deren interkristalline Oxidschichten sehr dick sind, gering ist. Die Gründe hierfür liegen darin, daß die Spannungskon zentration an der interkristallinen Oxidschicht ungünstig die Ermüdungsbruchfestigkeit beeinflußt hat.

Es kann ebenfalls daraus verstanden werden, daß die Einsatz dauer der SP-behandelten Produkte nennenswert verbessert wurde im Vergleich mit den nicht SP-behandelten Produkten. Das bedeutet, daß die Höchstwerte der verbleibenden Druck spannung an einer Stelle innerhalb 0,15 mm in der Tiefe von der Oberfläche der Antriebs- und Abtriebselemente auf -1275,3 bis -588,6 N/mm² (-130 bis -60 Kgf/mm²) durch den SP-Vorgang begrenzt ist. Daraus ist nachgewiesen, daß eine wesentliche Verbesserung der Einsatzdauer erreicht werden kann.

Während der Test durch den die in Tabelle 5 gezeigten Resul tate erreicht wurden, nach 100 Stunden in diesem Ausfüh rungsbeispiel beendet wurde, stellen die SP-behandelten Pro dukte (Werkstoff Nrn. B bis E) gemäß der vorliegenden Erfin dung eine verlängerte Einsatzdauer bereit.

Während die SP-behandelten Produkte, die erfindungsgemäßen Beispiele (Werkstoff Nrn. B bis E) und Vergleichsbeispiele (Werkstoff Nr. I) einer Einsatzdauer von mehr als 100 Stun den bereitstellen, ist die Einsatzdauer der Beispiele (Werkstoff Nrn. B bis E) trotzdem wesentlich länger.

Während der Fall beschrieben worden ist, indem die Antriebs- und Abtriebselemente einem SP-Verfahren unterzogen wurden, in diesem Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, kann der SP-Vorgang nur auf die Bereiche "c" der Traktionsrollkörper angewendet werden, so daß der Traktionskörper mit zufriedenstellenden Eigenschaften bereitgestellt werden kann.

Während der Fall, daß die Antriebs- und Abtriebselemente und der Traktionsrollkörper einem Aufkohlungsvorgang unterzo gen wurden, um die zuvor erwähnte wirksam aufgekohlte Schichttiefe, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel be schrieben wurde, bereitzustellen, kann auch ein Karboni trier-Vorgang den Aufkohlungsvorgang ersetzen. In solch einem Fall können die folgenden Verfahrensbedingungen wie z. B. in Fig. 5 gezeigt, angewendet werden.

Karbonitrierbedingungen

Atmosphäre: Rx-Gas, angereichertes Gas und 5% Ammoniakgas
Karbonitriertemperatur: Gewählt aus einem Bereich von 830 bis 870°C
Karbonitrierzeit: 50 bis 200 Stunden gemäß der ge wünschten aufgekohlten Schicht dicke.

Obgleich bei der beschriebenen Ausführungsform die wirksam aufgekohlte Schichtdicke und ähnliches an sämtlichen Traktionsflächen der Antriebs- und Abtriebselemente und Traktionsrollkörper vorgesehen ist, ist es auch möglich, lediglich nur auf einer der Trakti onsflächen der Antriebselemente oder des Traktionsrollkörpers entsprechende Maß nahmen zu treffen.

Obgleich die Abmessungen der Antriebs- und Abtriebselemente und der Traktionskörper des stufenlos verstellbaren Getriebes gemäß der vorliegenden Erfindung nicht im beson deren begrenzt sind, liegen sie vorzugsweise seitens der Antriebs- und Abtriebselemente am Außendurchmesser bei ca. 200 mm oder weniger und seitens der Traktionsrollkörper am Außendurchmesser bei ca. 120 mm oder weniger.

Wie oben beschrieben, ist das stufenlos verstellbare Getriebe der vorliegenden Erfin dung dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement, das Abtriebselement und der Traktionsrollkörper, welche Teile eines ringförmigen, stufenlos verstellbaren Getriebes sind, entweder einem Aufkohlungs- und Schleifverfahren oder einem Karbonitrier- und Schleifverfahren unterzogen worden, so daß die wirksam aufgekohlten Schichtdicken des Antriebselementes, des Abtriebselementes und des Traktionsrollkörpers auf einen Bereich zwischen 2,0 mm und 4,0 mm begrenzt ist. Aus diesem Grund kann das Auftre ten von Abplatzen an den Traktionsflächen der ringförmigen Oberfläche, die durch die Antriebs- und Abtriebselemente geformt ist, sowie an den Traktionsoberflächen der Traktionsrollkörper unterdrückt werden. Zusätzlich können die Festigkeiten bezüglich Ermüdungsbruch der Antriebs- und Abtriebselemente und Traktionsrollkörper verbessert werden. Daraus ergibt sich, daß ein ringförmiges, stufenlos verstellbares Getriebe mit verbesserter Einsatzdauer bereitgestellt werden kann.

Claims

1. Stufenlos verstellbares Getriebe mit einem mit einer Antriebswelle (13) verbunde nen Antriebselement (11), einem mit einer Abtriebswelle (24) verbundenen Abtriebsele ment (12), wobei das Antriebselement (11) und das Abtriebselement (12) jeweils toroid förmige Traktionsflächen aufweisen, mit mindestens einem Traktionsrollkörper (16, 17), der mit den An- und Abtriebs-elementen (11, 12) an deren Traktionsflächen in Eingriff steht, und wobei die zusammenwirkenden Getriebeteile aus Legierungsstahl hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (11), das Abtriebselement (12) und der Traktionsrollkörper (16, 17) jeweils eine zunächst durch Karbonitrierung oder Aufkohlung erzeugte und durch einen nachfolgenden Schleifvorgang auf eine effek tive Schichttiefe zwischen 2,0 mm und 4,0 mm gebrachte, gehärtete Oberflächenschicht aufweisen.

2. Stufenlos verstellbares Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Legierungsstahl Silizium in einem Bereich von 0,05 bis 0,2 Gew.-% und Mangan in einem Bereich zwischen 0,2 und 0,7 Gew.-% enthält.

3. Stufenlos verstellbares Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die oberflächengehärtete Schicht einen Spitzenwert einer bleibenden Druckspannung im Bereich von -1300 N/mm² und -600 N/mm² innerhalb 0,15 mm Tiefe von der Oberfläche aufweist.