JP6478919B2 - 無段変速トランスミッションの駆動ベルト用のリングセット - Google Patents

Description

本明細書は、通常自動車に適用される公知のプーリ型無段変速トランスミッション又はＣＶＴで用いるための駆動ベルトに関する。ヨーロッパ特許出願公開第１４０３５５１号明細書に詳細に記載されている、駆動ベルトの１つの公知のタイプは、当該技術分野ではプッシュベルトとも呼ばれる。この公知の駆動ベルトは、多数の鋼セグメントを含み、これらの鋼セグメントには少なくとも１つ、但し典型的には２つの凹所が設けられており、各凹所には、駆動ベルトのリングセットが収容されており、これらのリングセットはそれぞれ、互いに同心的に重ねられた多数のフレキシブルな鋼リングから成っている。当該技術分野において、鋼セグメントは横断部材とも呼ばれ、鋼リングは帯材、ループ又はエンドレスベルトとも呼ばれ、リングセットはエンドレス引張り手段又はキャリアとも呼ばれる。このタイプの駆動ベルトでは、横断部材はリングセットに結合されているのではなく、むしろＣＶＴの作動中は、リングセットの周面に沿って摺動するようになっている。また、リングセットの個々のリングも、作動中は互いに相対的に摺動する。

この駆動ベルトの用途に関して、リングはマルエージング鋼から製造されており、このタイプの鋼がとりわけ、大きな引張り強度及び（曲げ）疲労強度の機械的な特徴と、鋼をシート形状の基本材料から所望の形状に処理する比較的良好な処理性と、最終製品であるリングの材料特性とを組み合わせるものである。これらの所望の材料特性には、大きな引張り強度と、十分な弾性及び延性の特徴とを組み合わせて鋼リングの長手方向に曲げられるようにするための、リングコア材料の適正な硬度と、鋼リングに耐摩耗性を与えるための、はるかに硬い外側表面層とが含まれる。更に、金属疲労に対する高い耐性を供与するために、かなりの圧縮残留応力が、鋼リングの外側表面層に加えられる。この後者の特徴は、特に重要である。それというのも、鋼リングはトランスミッション内の駆動ベルトの耐用年数の間に、多数の負荷及び曲げサイクルを被るからである。

このような駆動ベルトの製造方法（駆動ベルトの鋼リングコンポーネントの熱処理を含む）は全体的に、当該技術分野において公知である。全体的な製造方法の１つの重要な部分が、鋼リングの熱処理であり、この熱処理には、析出硬化の処理ステップと、窒化処理の処理ステップとが含まれる。

析出硬化は、時効としても知られており、摂氏４００度（℃）を上回る温度に鋼リングを加熱することによって実現される。この温度で微細な金属間化合物の析出物が培養されて、リング材料の複数の任意の箇所で成長する。析出物が成長するにつれて、リング材料の硬度は、一般に最大硬度値に到達するまで増大し、その後、リング材料の硬度は一般に再び減少し始める（いわゆる「過時効」）。鋼リングの外側表面の（深刻な）酸化を防ぐために、析出硬化は通常、窒素ガス、又は若干の水素ガスが混入された窒素ガスといった、不活性の、又は減少された処理雰囲気内で実施される。

窒化処理は、付加的に硬化され、しかも圧縮（予）荷重の加えられた表面層を、鋼リングに施与する。窒化処理、少なくとも一般的に適用される、窒化処理の変化態様であるガス軟窒化処理では、鋼リングは、アンモニアガス（ＮＨ３）を含む処理雰囲気中で、やはり４００℃を上回る温度に保持される。このような温度では、アンモニア分子が鋼リングの外側表面で解離して、水素ガスと窒素原子を形成し、窒素原子がリング材料の結晶格子に侵入する。窒化処理が続くにつれて、窒素原子は拡散されることにより、外側表面から離脱してリング材料内へ侵入するので、鋼リングには、増大された厚さの窒化表面層が施与されることになる。

注目すべきは、表面圧縮残留応力が、鋼リングの駆動ベルトへの適用における重要な特徴であると考えられる点である。なぜならば、表面圧縮残留応力は、鋼リングに張力をかけて、曲げたり引っ張ったりした結果生じる引張り応力を、全体的又は部分的に相殺するからである。この引張り応力は、リングの表面層内に集中する。特に、圧縮残留応力により、即ち窒化物層を施与することにより、圧痕又は顕微鏡的亀裂といった、表面欠陥から始まり且つ／成長する疲労破壊のタイプは、有効に抑制されて、鋼リングの疲労強度は大幅に向上される。これに関して、表面圧縮残留応力が高いほど、疲労強度は高くなる、という一般的な知識によれば、駆動ベルトの作動中、結果的に鋼リングのコアに生じる引張り応力が、リング材料の弾性限界を超過することはない。

出願人は、特に鋼リングの最大疲労強度の観点から、鋼リングの熱処理に影響を及ぼす多くのパラメータのいくつかの作用について、詳細且つ徹底した調査を行った。これらの調査の目的は、特に大量生産における窒化処理の安定性及び費用対効果に関して、窒化処理（即ち窒化の温度、継続時間及び処理雰囲気組成）の最適な設定を見出すことにある。これらの調査により得られた豊富な実験データは、出願人を驚くべき発見へと導いた。特に出願人はこのようなデータから、上述した一般的な知識は、実際には更なる検討無しで少なくとも直接的には、駆動ベルトの鋼リングコンポーネントに適用することはできない、という論理を構築することができた。

出願人が驚いたことには、熱処理された鋼リングが、駆動ベルトへの適用において鋼リングの（予想された）性能を評価するために一般に行われる、より複雑なプル−プル疲労試験の代わりに、共通の場所で比較的簡単な引張り強度試験を受けると、破面は脆性破壊の特徴を有する領域を示した。破面全体のうちの、これらの脆性破壊部分は、窒化物層で始まって、鋼リングの各外側表面に向かって延在している。更に啓発的だったのは、脆性破壊部分の延在長さ、即ち層厚さが、窒化物層の厚さに直接に関連付けられる、ということを見出した点である。本明細書は、これらの発見から得られた２つの新規な見識を示すものである。

第１に、本明細書は、熱処理された鋼リングの窒化物層の厚さを決定する新規な方法に関する。注目したのは、熱処理された鋼リングの窒化物層の厚さは、駆動ベルトの製造方法全体の一部として定期的にチェックされるという点である。このことは従来、所定の製造量又は製造期間の中から１つの鋼リングを任意に選択し、且つ光学的又は化学的手段により窒化物層の厚さを直接に測定することによって行われ、その測定法は、ヨーロッパ特許出願公開第１８６９４３４号明細書に記載されている。しかしながら、本明細書では、窒化物層の厚さは間接的に、鋼リングにおいて、引張り強度試験といった破壊強度試験を行うステップ（ｉ）と、破壊強度試験の結果生じた脆性破壊層の厚さを測定するステップ（ｉｉ）と、測定された脆性破壊層厚さに対応する窒化物層厚さを、これら２つのパラメータを互いに関連付けるルックアップテーブルや方程式といった、リング材料の所定の基準から決定するステップ（ｉｉｉ）とを適用することにより、測定される。

第２に、単に脆性破壊のみの発生は、出願人に、鋼リングの材料の延性が、少なくとも現在の駆動ベルトに適用するには最適未満である可能性を示唆した。特に、出願人は実験に基づき、脆性破壊層が１０ミクロンの厚さを超過すると、少なくとも１５０〜２００ミクロン、典型的には約１８５ミクロンの厚さを有する工業規格の鋼リングの場合、鋼リングの疲労強度は実質的に低下する、ということを確定した。脆性破壊層の厚さが１０ミクロン未満に減少されると、疲労強度は向上し続けることが分かったにもかかわらず、この向上は、疲労強度の前記低下よりもはるかに小さいということが分かった。それでもなお、本明細書による鋼リングの好適な構成では、鋼リングが７５０ＨＶ０．１未満の表面硬度で製造された場合に生じることが分かった脆性破壊（層）は、全く存在していない。

付加的に前記調査は、鋼リングそれ自体の疲労強度は必ずしも、表面圧縮残留応力が低下したときに低下はしない、ということを明らかにした。実際に実験に基づき出願人が確定したのは、３５０ＭＰａ〜６５０ＭＰａの圧縮残留応力（即ちマイナス（“−”）３５０ＭＰａ〜マイナス６５０ＭＰａの残留応力）が、熱処理により鋼リングの表面に生じると、その結果生じる鋼リングの疲労強度は、少なくとも駆動ベルトに鋼リングを適用するには十分申し分ないものとなる、という点である。明らかに、従来適用された８００ＭＰａを上回る、最大１４００ＭＰａまでの圧縮残留応力レベルは、鋼リングの所要疲労強度を得るために、必ずしも必要ではない。

今、従来の高い圧縮残留応力は、耐摩耗性を供与するためといった、別の目的のために有用である、という仮説が立てられる。しかしながらこのことは、半径方向内側の表面が横断部材と直接に接触する、リングセットの最も内側の鋼リングにしか関連しない。リングセットの最も外側の鋼リングも、高い圧縮残留応力からの恩恵を受ける可能性はある。なぜならば、このリングの半径方向外側の表面もやはり、より少ない範囲ではあるが、横断部材と接触しているからである。よって本明細書は、リングセットの最も内側のリングと最も外側のリングとの間に位置する複数の鋼リングに、６５０ＭＰａ未満、好適には６００ＭＰａ未満の圧縮残留応力が供与されているリングセットに関する。

これらの圧縮残留応力レベルは、１０〜１８ミクロンの鋼リングの窒化物層厚さに関して、最も容易に達成されることが分かった。このようにして、概ね鋼リングの（半径方向の）厚さ全体の５％〜１０％になる窒化物層厚さを目標とする。

付加的に、リングセットの少なくとも半径方向に見て最も内側の鋼リングの、半径方向内側の表面に、但し好適にはリングセットの半径方向に見て最も外側の鋼リングの、半径方向外側の表面にも、７５０ＭＰａを上回る圧縮残留応力が加えられる。

窒化物層厚さは、処理雰囲気中のアンモニア濃度及び水素濃度、並びに窒化処理の温度及び継続時間といった窒化処理パラメータにより決定され、延いては制御可能である、ということは公知である。これに関して好適な製造方法には、
１０〜１８ミクロンの厚さの窒化物層を有し且つリング表面における圧縮残留応力が３５０〜６５０ＭＰａの鋼リングを供与する同一の処理パラメータを適用することにより、全ての鋼リングを窒化処理し、
少なくとも半径方向に見て最も内側のリングの半径方向内側の表面に、１つの付加的な処理ステップを施して、７５０ＭＰａを上回るレベルに圧縮残留応力を増大させることが含まれる。このためには例えば、公知のショットピーニング処理が適用され得る。

前記見識の背景及び本明細書に基づく駆動ベルトの鋼リングコンポーネントの構成については、以下で添付図面を参照して説明する。

駆動ベルトが設けられた、公知の無段変速トランスミッションの一例を概略的に示した図である。 駆動ベルトの断面を示す斜視図である。 駆動ベルトの鋼リングコンポーネントの公知の製造方法の、本発明に関連する部分を示した図である。 引張り強度試験を受けた後の鋼リングの破面を写真で示した図である。 鋼リングの窒化物層の厚さと、引張り強度試験で得られた脆性破壊層の厚さとの間の依存関係を示すグラフである。 鋼リングの外側表面における所定の位置に関して測定された、鋼リングの材料の硬度を示すグラフである。 鋼リングの疲労強度と、引張り強度試験で得られた脆性破壊層の厚さとの間の関係を示すグラフである。 鋼リングの窒化物層の厚さと、鋼リングの外側表面付近の残留応力レベルとの間の依存関係を示すグラフである。

以下に、本発明の実施形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、一般に自動車のエンジンと駆動輪との間の、自動車のドライブラインに適用される、公知の無段変速トランスミッション又はＣＶＴの中心部分が示されている。このトランスミッションは２つのプーリ１，２を有しており、各プーリ１，２にはそれぞれ、２つの円錐形のプーリディスク４，５が設けられており、これらのプーリディスク４，５間には所定のＶ字溝が画定されており、一方のディスク４は、それぞれプーリ軸６，７上に配置されていて、これらのプーリ軸６，７に沿って軸方向に可動である。一方のプーリ１，２から他方のプーリ２，１へ、回転運動ωと付随するトルクＴとを伝達するために、プーリ１，２には駆動ベルト３が巻き掛けられている。トランスミッションは一般に、作動手段も有しており、この作動手段は、少なくとも前記一方のディスク４に、軸方向に向けられた締付け力Ｆａｘを、それぞれ他方のプーリディスク５に向かって加え、これによりプーリディスク４，５間でベルト３が締め付けられることになる。またこれにより、被駆動プーリ２の回転速度と、駆動プーリ１の回転速度との間の（速度）伝達比も決定される。

公知の駆動ベルト３の一例が、図２に断面図で詳細に示されている。このベルト３には、２つのリングセット３１が組み込まれており、各リングセット３１は、それぞれ（本実施形態では）６つの薄く平らな、即ち帯状のフレキシブルなベルトリング３２から成っている。ベルト３は更に、多数の板状の鋼横断部材３３を有しており、これらの鋼横断部材３３は、それぞれ横断部材３３の各凹所内に配置されたリングセット３１によって一緒に保持されている。横断部材３３は、入力トルクＴｉｎがいわゆる駆動プーリ１に働くと前記締付け力Ｆａｘを受け取り、これによりディスク４，５とベルト３との間に生ぜしめられた摩擦が駆動プーリ１を回転させ、この回転は、同様に回転する駆動ベルト３を介して、いわゆる被駆動プーリ２に伝達される。

運転中、ＣＶＴでは駆動ベルト３と、特にその鋼リング３２とに、周期的に変化する引張応力及び曲げ応力、即ち疲労荷重が加えられる。よって典型的には、リング３２の金属疲労に対する耐性、即ち疲労強度が、与えられた、駆動ベルト３によって伝達されるべきトルクＴにおける、駆動ベルト３の機能的な耐用年数を決定する。そのため、駆動ベルト製造方法の開発においては、最小限の複合材料と処理コストで、要求されるリング疲労強度を実現することが、長年の課題であった。

図３には、公知の駆動ベルト３を製造する方法、即ち駆動ベルト３の鋼リング３２を製造する方法全体の、本発明に関連する部分が図示されており、この場合、個々の処理ステップは、ローマ数字で表されている。

第１の処理ステップＩでは、典型的には０．４ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲の厚さを有する基本材料の薄いシート又は薄板１１を円筒形状に曲げ、第２の処理ステップＩＩにおいて、突き合わされた薄板端部１２を互いに溶接して、開放した中空の円筒又は管１３を形成する。第３の処理ステップＩＩＩでは、管１３を焼なましする。次いで、第４の処理ステップＩＶにおいて、管１３を複数の環状帯材１４に切断する。次いで第５の処理ステップＶではこれらの環状帯材１４を圧延して、その厚さを０．１５０〜０．２００ｍｍの値にまで、典型的には約１８５ミクロンにまで減少させる一方で、長さを引き延ばす。圧延後の帯材１４は通常、鋼リング３２と呼ばれる。次いで鋼リング３２を更に第６の処理ステップＶＩにおいて焼きなまし、摂氏６００度を大幅に上回る、例えば約摂氏８００度の温度でのリング材料の回復及び再結晶により、前の圧延処理（即ち第５のステップＶ）の加工硬化作用を取り除く。次いで第７の処理ステップＶＩＩにおいて、鋼リング３２を較正する、即ち、鋼リング３２を２つの回転ローラの周りに取り付けて、これらのローラを離間させることにより、所定の周長まで延伸させる。この第７の処理ステップＶＩＩでは、鋼リング３２における内部応力の分散も行われる。

次いで、鋼リング３２を２つの処理ステップにおいて熱処理する。つまり、第８の処理ステップＶＩＩＩの析出硬化又は時効と、第９の処理ステップＩＸのガス軟窒化処理である。特に、このような両熱処理には、典型的には時効用の窒素及び例えば約５体積％の若干の水素、並びにガス軟窒化処理用の窒素、水素及びアンモニアから成る管理されたガス雰囲気を有する工業炉内で、鋼リング３２を加熱することが含まれる。両熱処理は、通常摂氏４００度〜摂氏５００度の温度範囲内で行われ、鋼リング３２の基本材料（即ち、マルエージング鋼の合金組成）、及び鋼リング３２に関して所望される機械的特性に応じて、それぞれ約４５〜１２０分以上継続され得る。後者の機械的特性に関して注目されるのは、通常、５２０ＨＶ１．０以上のコア硬度値、８７５ＨＶ０．１以上の表面硬度値、及び１９〜３７μｍの範囲の窒化された表面層若しくは窒素拡散領域の厚さが目標とされることである。

最後に、図３の終わりに示したように第１１の処理ステップＸＩにおいて、処理された複数の鋼リング３２を半径方向にスタック、即ち重ねて、リングセット３１を形成する。このために、リングセット３１の鋼リング３２を適切に寸法決めせねばならないこと、例えば互いの周面に適合するように、鋼リング３２の周長を僅かに相違させねばならないことは自明である。この目的を達成するために、後で形成されるリングセット３１の鋼リング３２は通常、前の、即ち第１０の処理ステップＸにおいて、異なる、しかし既知の周長の鋼リング３２の在庫品から適宜に選択される。

このように処理された鋼リング３２を引張り強度試験により個別に試験すると、破面は、延性破壊部分ＤＰと、窒化物層ＮＬ内からリング３２の側面に向かって延びる２つの脆性破壊部分ＢＰの両方を示す。図４の、鋼リング３２の破面を表す写真例は、延性破壊部分ＤＰと、２つの脆性破壊部分ＢＰとの異なる組織、及び窒化物層ＮＬの延在長さ（但しこの図４ではほとんど認識不能である）を示している。脆性破壊部分ＢＰの延在長さ又は層厚さは、少なくとも鋼リングのリング基本材料の所定の組成を与えられた窒化物層ＮＬの延在長さ又は厚さに、直接に対応している。このような対応の例が、測定された脆性破壊層厚さＢＰを、窒化物層厚さＮＬの単一の値に関連付ける、図５のグラフに示されている。図５のグラフは好適には、鋼リング３２の大量生産において簡単な引張り強度試験により窒化物層の（任意の）試料の窒化物層厚さＮＬをチェックするための、所定の基準グラフ（又は一次方程式）に基づくものであってよい。

図６のグラフは、鋼リング３２の別の材料特性、つまり試験力１００グラム（［ＨＶ０．１］）のビッカース硬さで測定された鋼リング３２の硬度Ｈに関するものであり、この特性は、２つの異なる基本材料ＭＡＴ１，ＭＡＴ２に関して鋼リングの外側表面からの距離ｘ（ミクロン）に関連して示されている。いずれの場合も、即ちＭＡＴ１とＭＡＴ２の両方に関して、鋼リング３２には、外側表面から２８ミクロン内側に向かって延在する窒化物層ＮＬが施与されている。これらの２つの基本材料ＭＡＴ１，ＭＡＴ２から成る鋼リング３２が引張り強度試験を受けた結果として、第１の基本材料ＭＡＴ１に関しては２０ミクロンの脆性破壊層厚さＢＰ１が生じ、第２の基本材料ＭＡＴ２に関しては１６ミクロンの脆性破壊層厚さＢＰ２が生じた。完全を期すために述べておくと、図５のグラフは、図６に関連して上述した第１の基本材料ＭＡＴ１から成る鋼リング３２を用いて得られたものである。

図６から分かるように、両基本材料ＭＡＴ１，ＭＡＴ２に関して脆性破壊ＢＰの延在長さは、７５０ＨＶ０．１以上の、鋼リング３２の硬度Ｈに関連付けられる。鋼リング３２の硬度Ｈがこのような、７５０ＨＶ０．１の限界値を下回ったままの場合には、引張り強度試験の結果生じる鋼リング３２の破面が、脆性破壊部分ＢＰを示すことは全くない。この観察に基づき本発明において考慮されたのは、７５０ＨＶ０．１未満の表面硬度Ｈを有する鋼リング３２を提供することにより、鋼リング３２の延性を、個々の鋼リング３２の疲労強度に関して最適化する、という点である。それでもなお、鋼リング３２を駆動ベルト３のリングセット３１の一部として実際に使用するには、脆性破壊部分ＢＰの延在長さが最大約１０ミクロンになる可能性はある。なぜならば、図７に示したように、この値を下回ると、鋼リング３２の疲労強度における如何なる改善も、比較的小さなものとなるからである。脆性破壊部分ＢＰの厚さに関する、この１０ミクロンの境界値を、図５のグラフの入力値として適用した場合、窒化物層ＮＬの厚さに関して約１８ミクロンの境界値が得られる。窒化物層ＮＬに関する、この１８ミクロンの境界値は、圧縮残留応力の所定のレベルに関連付けることができる。これに関して、図８のグラフには、鋼リング３２の窒化物層ＮＬの厚さに応じた、鋼リング３２の外側表面層内で測定された残留応力ＲＳが示されている。

図８から分かるように、約マイナス（即ち圧縮）６５０ＭＰａの鋼リング３２の表面における残留応力ＲＳの境界値を、前記１８ミクロンの、窒化物層厚さＮＬの境界値に適用することができる。更に、上述した、より低い好適な−６００ＭＰａの残留応力の限界値は、１６ミクロンの窒化物層厚さＮＬに対応する。最後に述べておくと、より低い、１０ミクロンの窒化物層厚さＮＬの限界値は、約−３５０ＭＰａの残留応力ＲＳに対応する。

上述の説明全体と、添付した詳細な図面とに加え、本明細書は、請求の範囲に記載した特徴全てに関するものであり、これを包含する。請求の範囲における括弧内の符号は、請求の範囲を限定するものではなく、単にそれぞれの特徴の非拘束的な例として記載されたに過ぎない。請求の範囲に記載の特徴は、場合によっては所与の製品又は処理に個別に適用され得るが、これらの特徴のうちの２つ又は３つ以上を組み合わせて適用することも可能である。

本明細書に記載された発明は、明細書に詳細に記載した実施形態及び／又は実施例に限定されるものではなく、特に関連技術分野の当業者が想到する範囲内での修正、変更、及び実際の適用をも包含している。

Claims (2)

1. 無段変速トランスミッションの駆動ベルト（３）用のリングセット（３１）であって、前記駆動ベルト（３）において、前記リングセット（３１）は、前記駆動ベルト（３）の横断部材（３３）の凹所内に配置されていて、前記駆動ベルト（３）の周方向で、前記駆動ベルト（３）の前記横断部材（３３）を案内するために役立つものであり、前記リングセット（３１）は、各々が１５０〜２００マイクロメートルの範囲内の厚さを有し、かつ、各々が窒化物の外側表面層（ＮＬ）を有する、互いに同心的に重ねられた複数の鋼リング（３２）から成っており、
   前記リングセット（３１）の最も内側の鋼リング（３２）と最も外側の鋼リング（３２）との間に配置された前記リングセット（３１）の前記鋼リング（３２）には、その各外側表面の近傍において圧縮内部残留応力（ＲＳ）がかけられており、
   少なくとも、前記リングセット（３１）の最も内側の鋼リング（３２）の半径方向内側と、前記リングセット（３１）の最も外側の鋼リング（３２）の半径方向外側とには、前記リングセット（３１）の最も内側の鋼リング（３２）と最も外側の鋼リング（３２）との間に配置された前記リングセット（３１）の前記鋼リング（３２）にかけられた前記圧縮内部残留応力（ＲＳ）の値を超える圧縮内部残留応力（ＲＳ）がかけられている、無段変速トランスミッションの駆動ベルト（３）用のリングセット（３１）において、
   前記リングセット（３１）の最も内側の鋼リング（３２）と最も外側の鋼リング（３２）との間に配置された前記リングセット（３１）の前記鋼リング（３２）の各外側表面の近傍においてかけられている前記圧縮内部残留応力（ＲＳ）は、３５０ＭＰａ〜６５０ＭＰａの範囲内の値を有する、又は、
   少なくとも、前記リングセット（３１）の最も内側の鋼リング（３２）と、前記リングセット（３１）の最も外側の鋼リング（３２）との間に配置された前記リングセット（３１）の前記鋼リング（３２）には、１０〜１８マイクロメートルの厚さの窒化物の層（ＮＬ）が設けられている、
   ことを特徴とする、駆動ベルト（３）用のリングセット（３１）。
2. 前記リングセット（３１）の最も内側の鋼リング（３２）の半径方向内側と、前記リングセット（３１）の最も外側の鋼リング（３２）の半径方向外側とにかけられた前記圧縮内部残留応力（ＲＳ）は、７５０ＭＰａを超える値を有することを特徴とする、請求項１記載のリングセット（３１）。

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