JP6788969B2 - 駆動ベルト用リングセットの製造方法における熱処理プロセス - Google Patents

Description

本明細書は、請求項１の上位概念に記載した、駆動ベルト用リングセットの製造方法における熱処理プロセスに関する。駆動ベルトは、主に自動車に適用される公知の無段変速トランスミッションの２つの調節可能なプーリ間の動力伝達手段として主に用いられる。

このような形式の駆動ベルトは、一般に公知であり且つ多数の横断エレメント又はセグメントから成っている。これらの横断エレメント又はセグメントは、それぞれ多数の重ねられたフレキシブルなベルトリングから成る１つ又は２つ以上のリングセットに、摺動可能に組み込まれている。このような形式の駆動ベルトにおいて、横断エレメント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ベルトリングも、作動中は互いに相対的に摺動する。

駆動ベルトのベルトリングは、択一的に帯材、ループ又はエンドレスベルトと呼ばれ、とりわけ大きな引張り強さ及び（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、最終製品であるベルトリングの材料特性とが組み合わされた、鋼、特にマルエージング鋼から製造される。前記所望の材料特性には、大きな引っ張り強度と、十分な弾性及び延性の特徴とを組み合わせてベルト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、ベルトリングに耐摩耗性を与えるための、はるかに硬い外側又は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、ベルトリングの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、ベルト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は全体的に、当該技術分野において公知である。このような全体的な製造方法の１つの重要な部分が、ベルト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（℃）を上回る温度にベルト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」）。ベルトリングの表面の（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、ベルトリングに施与する。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、ベルトリングは、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、アンモニア分子がベルトリングの表面で解離して、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、窒素原子は処理温度により決定される速度で拡散されることにより、表面から離脱してリング材料内へ侵入するので、ベルトリングには、増大された厚さの窒化表面層が施与されることになる。窒化物層の厚さも同様に、窒化処理において／より得られる、リング表面における硬度や圧縮残留応力といった材料特性に密接に関係していることから、窒化処理雰囲気の組成、特に窒化処理雰囲気中のアンモニアと水素の濃度、並びに窒化処理の温度と継続時間とに左右される。よって、これらの処理雰囲気の組成、処理温度、及び処理時間／継続時間の３つのパラメータは共に、窒化処理の主要な処理設定を代表するものである。

所与のトランスミッションに駆動ベルトを適用して実際に使用するためには、ベルトリングの窒化物層の厚さが、ベルトの長寿命の決定において主に重要となる。特に、窒化物層が極端に薄いと、ベルトリングの摩耗特性及び疲労特性が不十分となり、或いは窒化物層が極端に厚いと、リング材料が過度に脆くなって、リング応力レベルが作動中の弾性限界を超過することになる。いずれの場合も、ベルトリング、延いては駆動ベルト全体が早期に破損することになる。よって、窒化物層厚さに関して、一旦所望の又は目標とする値が指定されたならば、このような目標値を、駆動ベルトの（大量）生産において正確に且つ一貫して実現することが重要である。

駆動ベルトの大量生産では、多くの外部要因が窒化処理に影響を及ぼし、窒化処理を妨害することさえある。例えば、大規模な大量生産において、工業炉の処理温度は、大幅に変動することがある。更に、この炉には常に均一にベルトリングが装入されるわけではない。したがって装入量が、アンモニアガスが消費される、即ちリング表面において解離する速度を決定し、延いては処理ガスの所要供給量を決定する。これに応じて、窒化処理の処理設定を能動的に制御することが、窒化処理の所要の精度と一貫性にとって重要である。

実地においてこのことは、ベルトリングを一定の間隔で、通常の処理フローから取り出すことを意味している。この選ばれたベルトリングの窒化物層の厚さを測定する。このためには、例えば欧州特許出願公開第１８６９４３４号明細書に記載されているような、いくつかの測定方法が有効である。測定された実際の窒化物層厚さと、窒化物層厚さの目標値との間の差の大きさ及び符号に応じて、窒化処理雰囲気中のアンモニア濃度が調整され得る。特に、実際の窒化物層が前記目標値に到達していない場合には、通常アンモニアガスの供給量が増大され、或いは実際の窒化物層が前記目標値を超過した場合には、通常前記供給量が減少されることになる。

この公知の窒化処理の処理制御は、今まで長年にわたり上手く適用されてきたが、リングセットの製造方法の最近の進化を考慮したものではない。特に最近の進化は、熱処理後に個々のベルトリングからリングセットを組み立てる代わりに、熱処理前にリングセットを組み立てることに関する。この、リングセットの製造方法の設定に関する最近の進化は、欧州特許出願公開第１８１５１６０号明細書に記載されており、熱処理炉の利用率を大幅に向上させている。なぜならば、典型的には６〜１２のベルトリングを備えるリングセットは、炉内で１つの個別のベルトリングと大体同じスペースを占有するからである。明らかに、リングセット内では、ベルトリングの大部分の表面は互いに近接しており、そこの処理雰囲気は、外部、即ちリングセット全体の外側表面を形成するリング表面におけるよりも容易に、アンモニアガスから減少する。よって、例え前掲の欧州特許出願公開第１８１５１６０号明細書に基づき、リングセット窒化処理の最適な処理設定が、とりわけ大量生産において発生する恐れのある窒化処理の連続的な障害及び／又はずれを考慮するために必要とされる、上述した窒化処理の能動的な制御によって、リングセットのベルトリングの各個別のリング表面に指定された窒化物層厚さを提供するために有効であるとしても、実際の処理設定は、実地において窒化処理の前記最適な設定から、多少なりとも逸脱する若しくはずれることになる。換言すると、前記指定された窒化物層厚さからのずれは、少なくともリングセットのベルトリングのいくつかのリング表面に関して、大量生産の既存の設定では、ほとんど避けられない。

本明細書は、駆動ベルトリングセットの既存の製造方法を、特にリングセットの窒化処理の処理ステップの点で改良することを目的とする。本明細書によれば、このような改良は、請求項１に記載の製造方法に見出される。特にこの新規な製造方法により、リングセットの内側において互いに面したリング表面と、リングセットの外側に面したリング表面の両方に広く対応して窒化物層の厚さに影響を及ぼす、リングセット窒化処理の処理ステップの能動的な制御が提供される。換言すると、目標値に満たない実際の窒化物層厚さを補償して、ベルトリングに実際に供与される窒化物層厚さを増大させるために処理設定が変更された場合、結果としてこの窒化物層厚さの増大は、リングセットにおける全てのベルトリングのリング表面全体について、好適には類似したものとなる。特に本発明による新規な製造方法では、実際の（即ち測定された）窒化物層厚さが、窒化物層厚さの目標値よりも小さいと、リングセット窒化処理の処理ステップが延長され、且つ実際の（即ち測定された）窒化物層厚さが目標値よりも大きいと、リングセット窒化処理の処理ステップが短縮される。同時に、処理ガス、特にアンモニアガスの供給量と、処理温度とは、好適には少なくとも前記のような厚さのずれに応じては変更されないままとなる。

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。 駆動ベルトのリングセット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概略的に示した図である。 図３に示した製造方法におけるガス軟窒化プロセスのステップを表す図である。

以下に、本発明の実施の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、多数の板状の金属横断エレメント３３を有しており、これらの金属横断エレメント３３は、それぞれ横断エレメント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。横断エレメント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、特にそのベルトリング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、リングセッ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のリングセット３１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、ベルトリング３２と呼ばれる。次いでベルトリング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８００℃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、ベルトリング３２を較正する、即ち、ベルトリング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、ベルトリング３２における内部応力の分散も行われる。

次いで、第８の処理ステップＶＩＩＩにおいて、適宜に互いに適合された周長の複数のベルトリング３２から、これらのベルトリング３２を互いの周面に重ね合わせることにより、各リングセット３１を組み立てる。最後に、第９の処理ステップＩＸの析出硬化又は時効ＩＸ−Ａ及びガス軟窒化処理ＩＸ−Ｎにおいて、リングセット３１を熱処理する。特に、時効及び窒化処理には、典型的には窒素、水素及びアンモニアガス、一般に約１０体積％のアンモニアガスから成る管理されたガス雰囲気を有する炉内で、リングセット３１を４００〜５００℃、典型的には４８５℃の温度にまで加熱することが含まれる。

熱処理の正確な処理設定は、ベルトリング３２の基本材料（即ちマルエージング鋼の合金組成）に応じて選択されると共に、ベルトリング３２にとって望ましい機械的特性に応じて選択される。後者に関して注目されるのは、一般に、少なくとも５００ＨＶ１．０のコア硬度値、少なくとも８００ＨＶ０．１の表面硬度値、及び２５〜３５ミクロン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。前記熱処理の継続時間は、前記機械的特性、処理温度、及び処理雰囲気組成に基づき得られるものであり、実際には通常、３０〜９０分の範囲内の値を有することになる。

上述した処理ステップは、各処理ステップ、即ち駆動ベルト３の製造方法全体の、本発明に関連する部分を、極めて有効に実現するものであると考えられるが、ベルトリング３２を熱処理した後にしか、これらのベルトリング３２からリングセット３１を組み立てないこと、即ち、前記第８の処理ステップＶＩＩＩと第９の処理ステップＩＸの順序を入れ替えることも、珍しくはない。

図４には、第９の処理ステップＩＸの窒化処理部分、即ち、リングセット３１を窒化させる熱処理が概略的に示されている。簡略化するために、リングセット３１の２つのベルトリング３２のみを（断面で）図示してある。更に、これら２つのリング３２間のギャップ３４は、極めて誇張してある（即ち、実際にはこのようなギャップ３４の幅は、ベルトリング３２の厚さよりもはるかに小さく、数ミクロン程度にしか達しなくてよい）。ベルトリング３２に窒化された表面層を提供するためには、リングセット３１が、図４において各４つの円により概略的に表されたガス状のアンモニア分子を含有する処理雰囲気に浸漬される。大きな円は、アンモニア分子の窒素原子を表しており、より小さな３つの円は、アンモニア分子の水素原子を表している。アンモニア分子の少なくともいくつかは、ベルトリング３２の表面において解離しており、この場合、３つの水素原子が放出されて、１つの窒素原子がベルトリング３２の結晶格子内へ侵入可能になる。このアンモニア解離反応は、図４において破線で囲んだ楕円内に概略的に示されている。アンモニア解離反応の一部として、放出された水素原子は互いに結合して、水素ガスを形成する。つまりアンモニア解離反応は、以下の式で表される：
２ＮＨ_３→２（Ｎ）＋３Ｈ_２ （１）
一般に、このアンモニア解離反応（１）が発生する速度は、処理温度及び処理雰囲気中のアンモニア濃度に比例しており、且つ処理雰囲気中の水素濃度に反比例していることが分かっている。

図４に基づき、ベルトリング３２の表面に対するアンモニアの供給は、リングセットにおいて隣接したベルトリング３２の各対間のギャップ３４の内側において（最も）不安定である。つまり、このギャップ３４の内側にアンモニアは大抵（ガス）拡散によって供給されるのに対して、ギャップ３４の外側には処理雰囲気の対流が循環及び／又は強制循環することにより、アンモニアが供給される（且つ水素が除去される）ようになっており、このようにして、ベルトリング３２の表面において解離したアンモニア分子が置換される。このことは、処理雰囲気中のアンモニア濃度が変化した場合、アンモニア解離反応（１）が発生する速度に及ぼされる影響は、ギャップ３４の内側に比べて、ギャップ３４の外側ではかなり少ない、ということを意味している。これは単純に、ギャップ３４の内側ではアンモニアの供給が不安定であることから、ギャップ３４の外側のアンモニア濃度によって決まる（ガス）拡散速度により決定されるような供給では、アンモニアの供給量が大きく変動することになるという事実に基づいている。よって、アンモニア濃度の変化は、ギャップ３４の内側に面したベルトリング３２の表面における窒化物層の厚さに大きな影響を与えることになる。

一方、処理雰囲気中のアンモニア濃度が十分に高いと、ギャップ３４の外側におけるアンモニア解離反応（１）は、アンモニア濃度の（小さな）変化に関係なく、（前記反応式（１）の）右側に、より一層向かうことになる。その結果、アンモニア濃度の変化は、ギャップ３４の内側に面していない、即ち全体としてリングセット３１の外側表面を形成するベルトリング３２の表面における窒化物層の厚さに、比較的小さな影響を及ぼすことになる。

更に、処理温度が変化した場合も、ベルトリング３２の表面においてアンモニア解離反応（１）が発生する速度には、ギャップ３４の内側と外側とで異なる影響が及ぼされる。上述したように、ギャップ３４の内側においてアンモニア分子の供給は不安定であり、アンモニア解離反応の速度は処理温度に関連して、ギャップ３４の外側におけるよりも変動が少ない。ギャップ３４の外側では、アンモニア分子は比較的豊富なので、特に処理雰囲気中のアンモニア濃度が十分に高く且つ処理温度が十分に低いと、アンモニア解離は、主に処理温度によって決定される。

それゆえ、時効と窒化処理とが組み合わされた第９の処理ステップＩＸの処理雰囲気中のアンモニア濃度と、処理温度の、各パラメータのいずれか一方における変化は、ギャップ３４に面したベルトリング３２の表面と、全体としてリングセット３１の外側表面を形成するリング表面との間で、窒化物層の厚さに異なる影響を及ぼすことが分かっている。このことは、リングセット３１におけるベルトリング３２の全表面における窒化物層の厚さが、少なくとも互いに等しくない量の前記２つのパラメータのうちのいずれか一方によっては制御不能である、ということを意味している。

そのため本明細書では、時効と窒化処理とが組み合わされた第９の処理ステップＩＸの能動的な制御、特に第９の処理ステップＩＸで処理されるベルトリング３２に供給される窒化物層の厚さの能動的な制御を、第９の処理ステップＩＸの継続時間パラメータに基づき実現することが選択されている。つまり、第９の処理ステップＩＸに適用される処理雰囲気に供給される処理ガスの組成と、処理温度とを、ベルトリング３２に所望の窒化物層厚さといった所望の材料特性を提供するために予め決めておき、且つ処理結果にずれが生じた場合、即ち実際の窒化物層厚さが、所望の窒化物層厚さから逸脱していた場合には、特にこのようなずれに比例してプロセス継続時間を適合させることにより、ずれを相殺する。

付加的に、第９の処理ステップＩＸの継続時間により、この第９の処理ステップＩＸの制御性を支援するために、そこで適用される処理温度を、（少なくとも現在実際に一般的に適用されている処理温度と比較して）４７５℃未満、好適には約４７０℃の、比較的低い値に設定する。更に、同様に第９の処理ステップＩＸの継続時間により、この第９の処理ステップＩＸの制御性を支援するために、そこで適用される処理雰囲気に供給される処理ガス中のアンモニア濃度を、１２体積％を上回る、好適には約１５体積％の、（少なくとも現在実際に一般的に適用されている濃度と比較して）比較的高い値に設定する。更に、これらの独特の処理設定は、極めて好適であることが分かった。なぜならば、これらの処理設定は個々のベルトリングの窒化処理に適用されると共に、上述したリングセットの窒化処理にも適用されるからである。

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 (4)

1. 互いに重ねられた複数のフレキシブルな鋼リング（３２）から成る駆動ベルト（３）用のリングセット（３１）を大量生産する方法であって、複数のフレキシブルな鋼リング（３２）を互いに重ねて、前記リングセット（３１）を形成する処理ステップ（ＶＩＩＩ）と、該処理ステップ（ＶＩＩＩ）に続く処理ステップ（ＩＸ）であって、前記リングセット（３１）の前記リング（３２）に、前記リングセット（３１）の全体として熱処理によって窒化表面層を施与する処理ステップ（ＩＸ）と、を含む方法において、
   当該方法は、前記熱処理の継続時間を変化させるように設定されており、
   前記熱処理において、アンモニアガスを含有する加熱されたガス雰囲気中に前記リング（３２）を入れ、前記ガス雰囲気中のアンモニアの温度及び量を一定に保ち、
   前記熱処理の後に、実地において一定の間隔で、複数の熱処理されたリング及びリングセット（３１）から前記リング（３２）を取り出し、選択された１つのリング（３２）の窒化表面層の実際の厚さを測定し、測定した窒化物層厚さを、窒化物層厚さの所望の値と比較し、所望の値が、測定した窒化表面層の実際の厚さよりも小さい場合には、両者のずれに比例して、前記熱処理の継続時間を短縮し、或いは所望の値が、測定した窒化表面層の実際の厚さよりも大きい場合には、両者のずれに比例して、前記熱処理の継続時間を延長することを特徴とする、駆動ベルト（３）用のリングセット（３１）を大量生産する方法。
2. 前記熱処理において、前記ガス雰囲気中のアンモニアの量は、１２体積％を上回る、請求項１記載の方法。
3. 前記熱処理において、前記ガス雰囲気は、アンモニアに加えて更に窒素ガスと水素ガスとから成っており、前記ガス雰囲気中のアンモニア、窒素及び水素の量を一定に保つ、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記熱処理において、前記ガス雰囲気の温度は、４００〜４７５℃の範囲内の値を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。

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