DE60001415T2

DE60001415T2 - Cvt/ivt bestandteil

Info

Publication number: DE60001415T2
Application number: DE60001415T
Authority: DE
Inventors: Michael Beswick; Eustathios Ioannides
Original assignee: SKF Engineering and Research Centre BV
Current assignee: SKF Engineering and Research Centre BV
Priority date: 1999-06-18
Filing date: 2000-06-15
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2020-06-16
Also published as: DE60001415D1; EP1190187A1; NL1012391A1; JP2003502604A; NL1012391C2; WO2000079151A1; EP1190187B1; AU5714700A; CN1357085A; KR20020013586A

Description

Die Erfindung betrifft einen CVT/IVT-Bestandteil, welcher eine Laufbahn umfasst, der beim Betrieb die Laufbahn eines weiteren CVT/IVT-Bestandteils kontaktiert. Ein CVT/IVT-Getriebe umfasst Scheiben und Antriebswalzen, wobei die Position einer Scheibe hinsichtlich zwei gegenüberliegender Walzen das Übersetzungsverhältnis bestimmt. Zwischen den Scheiben und den Walzen besteht ein Gleitkontaktzustand, welcher sowohl Vibrations- als auch Gleit-Belastungen umfasst.
Diese Belastung ist völlig unterschiedlich zu den Belastungen, welchen andere Gegenstände mit Laufbahnen, wie beispielsweise Wälzlager, unterliegen. Im Gegensatz zu Wälzlagern besteht dort keine Walzbelastung, aber ein Gleitzustand.
Im Stand der Technik wird vorgeschlagen, ASTM A295 52100-Stahl für Teile eines CVT/IVT-Getriebes zu verwenden. Jedoch ist herausgefunden worden, dass solch ein Stahl eine unzureichende Kontaktdauerfestigkeit aufweist, während seine Festigkeit unzureichend ist, um eine verlängerte Lebensdauer, wie sie bei der Autoindustrie erforderlich ist, zu garantieren.
Im nächstliegenden Stand der Technik der Patent Abstracts aus Japan, Vol. 1997, Nr. 07, 31. Juli 1997 (JP 09 079338 A, KOBE STEEL LTD; NISSAN MOTOR CO LTD) ist ein CVT/IVT-Bestandteil offenbart, welches eine Laufbahn umfasst, welche im Betrieb mit der Laufbahn einen weiteren CVT/IVT-Bestandteil kontaktiert, wobei der Bestandteil einen Stahl umfasst, welcher bestimmte Gewichtsprozente von C, Si, Mn, Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen enthält. Dieser bekannte Stahl, der für einen CVT/IVT-Bestandteil verwendet wird, weist den Gehalt von 0,1-0,6 Gew.-% C, 0,05-1,5 Gew.-% Si, 0,2-2,0 Gew.-% Mn, 0,03 -1,0 Gew.-% V und darüber hinaus andere Legierungselemente wie beispielsweise Al und Ti auf. Auf diesen Stahl wird eine Karbonitrierbehandlung zuerst bei einer Temperatur von 920ºC angewandt, dann gefolgt von einer Temperatur von 840ºC mit eine Abkühlung auf 80ºC und dann gefolgt durch ein Temperverfahren.
Die Erfindung zielt daraufhin, einen Stahl für CVT/IVT Scheiben- und Antriebswalzen-Bestandteile vorzusehen, welche insbesondere widerstandsfähig gegen Gleitkontaktermüdungsbruch ist.
Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel dadurch realisiert, dass der Bestandteil einen Stahl umfasst, der aus 0,85 bis 0,95 Gew.-% C, bis 0,15 Gew.-% Si, 0,25 bis 0,45 Gew.-% Mn, 1,30 bis 1,50 Gew.-% Cr, 0,20 bis 0,40 Gew.-% Mo und für den Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen besteht.
Aus EP 0 349 023 ist solch ein Stahl bekannt, der für Wälzlager zu verwenden ist. Dieser Stahl ist im Allgemeinen als SKF 3M Stahl bezeichnet. Überraschenderweise ist gemäß der Erfindung herausgefunden worden, dass der Gleitwiderstand dieses Stahls, welcher keinerlei Bedeutung bei Rollenlageranwendungen hat, ausgezeichnet hinsichtlich anderer Stähle ist, wie beispielsweise ASTM A 295 52100.
Um optimale Eigenschaften sowohl für den Kern als auch für die Oberfläche des CVT/IVT-Bestandteils gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zu erhalten, wird ein Karbonitrieren vorgeschlagen. Solch eine Behandlung der Oberflächenstruktur kann einen hochlegierten Martensit umfassen. Als Ergebnis werden die statische Kapazität, die Dauerfestigkeit für Gleitkontakt und Verschleißfestigkeit verbessert.
Jegliches Karbonitrier-Verfahren, das im Stand der Technik bekannt ist, kann zu diesem Zweck verwendet werden. Jedoch wird vorzugsweise ein Verfahren verwendet, bei welchem der Stahl 1 bis 10 Stunden bei einer Temperatur zwischen 780 und 900ºC gegenüber einer Atmosphäre ausgesetzt wird, wessen Zusammensetzung derartig ist, dass die Kohlenstoffaktivität (ac) zwischen 0,90 und 1,10 liegt und ein Stickstoffpotential Npot im Gleichgewicht mit der Atmosphäre aufweist, wenn direkt auf der Oberfläche gemessen, von 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent N, da die Atmosphäre, die verwendet wird, zumindest Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Ammoniak umfasst.
Die Wärmebehandlung gemäß der Erfindung stellt eine Anreicherung der Oberfläche mit Kohlenstoff und Stickstoff her. Nahe oder an der Oberfläche des Stahls wird kein Zementit produziert, wie es normalerweise beim Karbonitrieren von gewöhnlichen Rollenlagerstählen, wie beispielsweise ASTM A 295 52100 beobachtet wird. Als Ergebnis des Verfahrens gemäß der Erfindung verbleibt die Korngröße des Austenites gering auf Grund der Ablagerung und des Wachstums von feinen Restkarbiden. Als Ergebnis des Quenchens nach dem Karbonitrieren wird ein feinkörniger Martensit, der eine hohe Festigkeit aufweist, produziert. Da die Oberfläche mit Austenit festigenden Elementen angereichert ist, ist die Temperatur, bei welcher der Martensit produziert wird, geringer an der Oberfläche während eines Quenchens als im Stand der Technik. Die Oberflächenanreicherung bewirkt, dass die Scherfestigkeit des Austenites erhöht wird, so dass eine längere Unterkühlung notwendig ist, wobei die Temperatur, bei welcher der Martensit hergestellt wird, demzufolge geringer ist. Darüber hinaus wird die Druckspannung an der Oberfläche größer, wovon das Ergebnis ist, dass die Spannung, die beim Betrieb in Betracht gezogen wird, abnimmt, und dass die Lebensdauer verlängert wird. Dies bezieht eine konventionelle Wärmebehandlung mit ein.
Es ist bevorzugt, das Karbonitrieren zwischen 800 und 850ºC während der 3 bis 5 Stunden und mit einer Kohlenstoffaktivität von ungefähr 1,0 durchzuführen.
Insbesondere umfasst die hinzugefügte Karbonitrieratmosphäre 17 bis 25 Volumenprozent Kohlenmonoxid, 30 bis 45 Volumenprozent Wasserstoff und 1 bis 10 Volumenprozent Ammoniak. Die Menge des Ammoniaks, der verwendet wird, hängt zu einem beträchtlichen Ausmaß von dem Ofen ab, in welchem das Karbonitrieren ausgeführt wird, und anderen Verfahrensparametern.
Vorzugsweise sind entweder Scheiben oder Walzen oder beide aus dem Stahl, wie oben beschrieben wurde, hergestellt.
Die Mikrostruktur eines 3M-Stahls, der gemäß der Erfindung karbonitriert wurde, wird an der Oberfläche eines CVT/IVT-Scheiben- oder Antriebswalzen- Bestandteils 0 bis 35 Volumenprozent Abschreckaustenit umfassen. Das eigentliche Volumen hängt von den Hochtemperatur-Erfordernissen ab. Dieser erhaltene Austenit ist in einer Plattenmartensitstruktur enthalten, wobei die vorherige Austenitkorngröße 15 um maximal beträgt. Restkarbide sind vorhanden, welche einen maximalen äquivalenten Kreisdurchmesser von 4 um aufweisen und einen Volumenanteil von 30% maximal.
Die Erfindung wird nun weiter erläutert werden, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in welchen:
Fig. 1 ein Beispiel eines CVT/IVT zeigt;
Fig. 2a, b die Festigkeitsverbesserungen zeigen, die durch den Stahl gemäß der Erfindung realisiert werden; und
Fig. 3 Lebensdauern von Innenringlagern bei Schmutzstoff- Lagerversuchen zeigt.
In Fig. 1 ist ein Beispiel einer CVT/IVT angegeben. In der allgemeinsten Ausführungsform umfasst der CVT/IVT Eingangsscheiben, die mit der Ausgangswelle eines Motors und einer gegenüberliegenden Ausgangsscheibe 2 verbunden sind, die mit einer Antriebskette oder weiteren Getriebebestandteilen eines Fahrzeuges oder jeglichem anderen Gegenstand, welcher mit einem variablen Verhältnis anzutreiben ist, verbunden ist. Dazwischen ist eine Anzahl von Antriebswalzen 3. Antriebswalzen 3 können auf jeglicher Welle gelagert sein und die Achse davon ist durch 4 gekennzeichnet. Diese Welle kann eine Drehbewegung im Sinne des Pfeils 5 ausführen. Durch Drehung anderer Walzen im Sinne des Pfeils 5 wird sich das Übersetzungsverhältnis zwischen der Eingangs- und Ausgangs-Scheibe ändern. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, nimmt Antriebswalze 3 die Eingangs-Scheibe nahe ihrer Mittellinie in Eingriff, während die Ausgangs-Scheibe entfernt dieser Mittellinie in Eingriff genommen wird. Es besteht eine Druckkraft, die die Umfangsoberfläche der Antriebswalzen an die Laufbahn 8 der Eingangs-Scheibe klemmt bzw. an die Laufbahn 9 der Ausgangs-Scheibe. Auf diese Klemmkraft ist schematisch durch Pfeile 10 Bezug genommen. Die CVT/IVT, die in Fig. 1 gezeigt ist, ist auch als "Torotrak IVT" bekannt. Andere Mittel werden auch im Stand der Technik verwendet, aber Dir alle Ausführungsformen ist es wesentlich, dass zumindest drei Antriebswalzen vorgesehen sind, welche ein wenig Kippbewegung ausführen, gemäß Pfeil S. um das Übersetzungsverhältnis zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangs-Scheibe zu ändern. Es ist gezeigt worden, dass solch eine Struktur eine um 15% erhöhte Effizienz liefern kann verglichen mit konventionellen Automatikgetrieben. Im Gegensatz zu Rollenlagern ist kein Schmiermittelfilm zwischen den angrenzenden Bestandteilen der Struktur vorhanden.
Die Umfangsoberfläche jeder Antriebswalze sowie die Laufbahnen 8 und 9 werden beträchtlichen Belastungen unterzogen. Dies ist wahrscheinlich einer der Gründe, dass bis heute diese Technik im Allgemeinen nicht akzeptiert wurde. Zum Beispiel könnte die maximale Kontaktbelastung zwischen der Umfangsoberfläche der Antriebswalzen und der betreffenden Laufbahn soviel wie 4 GPa betragen. Dies ist viel höher als der Kontaktdruck, der bei gewöhnlichen Rollenlagern in Betracht gezogen wird. Weiterhin führt die Kippbewegung gemäß Pfeil 5 Schlupf der Rollen relativ zu den Scheiben ein. Solch ein Schlupf ist nicht bei Rollenlagern vorhanden. Ermüdungsanriss und Bruch auf Grund wiederholter Biegespannungen sind berichtet worden. Der Bereich der Scheibe innerhalb Kreis 11 ist besonders empfindlich. Das bedeutet, dass die kombinierte Rollkontaktdauerfestigkeit der Reibungsoberflächen (Lautbahnen) und die Dauerbruchfestigkeit verbessert werden könnten. Unten ist eine sehr schematische Übersicht der Belastung der verschiedenen Bestandteile eines CVT/IVT-Getriebes angegeben.
Um diesen Erfordernissen gerecht zu werden ist es vorgeschlagen worden gemäß der Erfindung einen Stahl zu verwenden, der 0,85 bis 0,95 Gew.-% Kohlenstoff, 0,15 Gew.-% Silizium maximal; 0,25 bis 0,45 Gew.-% Mangan, 1,30 bis 1,50 Chrom und 0,20 bis 0,40 Molybdän umfasst.
Falls solch ein Stahl, wie oben beschrieben, verwendet wird, ist überraschenderweise herausgefunden worden, dass sich die Festigkeit der IVT/CVT-Scheiben- und Antriebswalzen-Bestandteile deutlich erhöht.
Fig. 2a und b zeigen die Festigkeitssteigerung. In solchen Figuren repräsentiert die gepunktete Linie den Wert des ASTM A 295 52100-Stahls, während die durchgezogene Linie sich auf Stahl gemäß der Erfindung bezieht.
Fig. 3 zeigt die L&sub1;&sub0; Lebensdauer von Innenringen in einem 6305 Rollenlager bei Schmutzstoff-Lagertests. Die erhöhte Ringlebensdauer von karbonitriertem SKF 3M-Stahl ist aus dieser Figur klar.
Von dem obigen ist klar, dass durch die Verwendung eines Stahls spezieller Reinheit, der weiterhin legiert ist vorzugsweise in Kombination mit einer Härtung der Oberfläche des Bestandteils, der durch Karbonitrieren daraus hergestellt ist, die Kontaktdauerfestigkeit deutlich verbessert werden kann.

Claims

1. CVT/IVT-Bestandteil aufweisend eine Laufbahn, welche im Betrieb eine Laufbahn eines weiteren CVT/IVT-Bestandteils kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Bestandteil einen Stahl aufweist, bestehend aus:

0,85-0,95 Gew.-% C,

bis zu 0,15 Gew.-% Si,

1,30-1,50 Gew.-% Cr;

0,25-0,45 Gew.-% Mn;

0,20-0,40 Gew.-% Mo und

für den Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.

2. CVT/IVT-Bestandteil gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, welcher carabonitriert ist.

3. CVT/IVT-Bestandteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenstruktur eine plattierte Martensit-Struktur aufweist, welche 0-35 Vol.% Abschreck-Austenit und 0-30 Vol.% Restkohlenstoff aufweist.

4. CVT/IVT-Bestandteil gemäß Anspruch 3, wobei der Restkohlenstoff einen maximalen äquivalenten Kreisdurchmesser von 4 um aufweist.

5. CVT/IVT-Bestandteil gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei das vorherige Austenit eine Korngröße von maximal 15 um aufweist.

6. CVT/IVT-Bestandteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bestandteil eine CVT/IVT-Scheibe umfasst.

7. CVT/IVT-Bestandteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Komponente eine CVT/IVT-Walze umfasst.