KR101790799B1 - 구동 벨트용 횡단 요소 및 구동 벨트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무단 변속기에 사용하기 위한 구동 벨트(3)의 스틸 횡단 요소(33) 구성부품에 관한 것으로서, 그 구동 벨트(3)는 그 무한 인장 요소(31)의 외주부에 대해 활주가능하게 내부에 포함되는 다수의 횡단 요소(33)를 포함하고 있다. 본 발명에 따르면, 횡단 요소(33)에는 그 외측 표면(35)으로부터 적어도 100 미크론(㎛) 내에서, 최적 마모 저항을 실현하기 위해 25 체적%를 초과하는 오스테나이트 상을 포함하고 있다.

Description

구동 벨트용 횡단 요소 및 구동 벨트{TRANSVERSE ELEMENT FOR A DRIVE BELT AND DRIVE BELT}
본 발명은 아래의 청구항 3의 전제부에 따른 무단 변속기(continuously variable transmission)에 사용하기 위한 구동 벨트의 스틸 횡단 요소 구성부품에 관한 것이다. 이 구동 벨트 및 무단 변속기는 당업계에서, 예를 들어 유럽 특허 EP-A-0 626 526호 및 EP-A-1 167 829호에서 각각 공지되어 있다.
공지된 구동 벨트는 주로 횡단 요소 구성부품을 구속 및 안내하는 기능을 가진 자기 제한 또는 무한 인장 요소의 외주부에 대해 내부에 활주가능하게 포함되어 있는 다수의 이러한 횡단 요소를 포함하고 있다. 일반적으로, 무한 인장 요소는 2 세트의 다수의 상호 중첩식, 즉 반경방향으로 적층된 평탄하고 얇은 금속 링으로 구성되어 있다.
공지된 변속기에 있어서, 구동력이 풀리들 사이에 그리고 그 둘레에 배치되면서 각 풀리의 2개의 원추형 디스크 사이에 클램핑된 구동 벨트에 의해 그 하나의 풀리로부터 전달된다. 각 풀리의 적어도 하나의 이러한 풀리 디스크는 그 작동기에 의해 풀리의 샤프트 상의 각각의 다른 하나의 풀리 디스크에 대해 축방향으로 이동가능하게 제공된다. 그 결과, 구동 벨트와 특히, 구동 벨트의 횡단 요소 구성부품은 양 풀리의 풀리 디스크 사이에 클램핑되어, 제1 또는 구동 풀리의 회전이 구동 벨트를 통해 제2 또는 피동 풀리에 전달될 수 있다. 각 풀리와 구동 벨트 사이의 구동력의 전달은 마찰에 의해 발생되고, 양 측방 즉 축방향 측부 상에서 횡단 요소에는 풀리 디스크와 접촉하게 되는 접촉면이 제공된다. 횡단 요소의 접촉면은 각 풀리의 원추형 디스크에 의해 그 사이에서 형성되는 V자형 홈의 각도와 대체로 일치하는 예각으로 상호 배향된다. 일반적으로, 접촉면에는 윤활 및/또는 냉각 유체를 수용하기 위한 홈 또는 구멍과 같은 저위치 영역(low lying area)이 제공되는데, 상기 윤활 및/또는 냉각 유체는 일반적으로 공지된 변속기에 적용되며, 변속기의 운전 동안에 물리적으로 마찰 접촉하는 풀리 디스크와 접촉면의 (높은) 부분 중간으로부터 강제된다.
횡단 요소가 매우 강하고 피로 및 마모 저항성이 있다는 것은 변속기의 내구성 및 적절한 기능에 있어서 중요하다. 특히, 풀리 디스크와의 그것의 고하중 활주 접촉으로 인하여, 횡단 요소의 접촉면에 마모가 가해진다. 변속기의 일반적인 자동차 적용에 있어서 적절한 또는 적어도 수용가능한 수준까지 이 접촉면의 마모율을 제한하기 위해, 적어도 58 로크웰 경도 C-스케일(HRC)의 재료 경도를 가진 횡단 요소를 제공하는 것이 공지되어 있다. 이 경도값은 탄소 함유 스틸 계열 재료로부터 횡단 요소를 제조하고, 횡단 요소의 제조 공정의 일부로서 스틸을 퀀칭 경화함으로써 실현된다. 이러한 공지된 제조 공정의 예가 유럽 특허 공보 EP-A-1 233 207호에 의해 제공된다. 스틸 계열 재료의 탄소 함량은 일반적으로 0.6 내지 1.0 중량%(wt.%) 사이의 범위 내에 있다. 예를 들어, 75Cr1 스틸은 종종 횡단 요소의 기본 재료로서 사용된다.
통상적인 퀀칭 경화 처리는 그 미세조직을 페라이트로부터 오스테나이트로 변화(즉, 오스테나이트화)시키기 위해 고온(예를 들어, 750℃를 초과함)까지 스틸을 가열하고, 이어서 오스테나이트를 마르텐사이트로 변화시키도록 급속 냉각, 즉 퀀칭하는 단계를 포함하고 있다. 그 후, 스틸에는 일반적으로 템퍼링, 즉 퀀칭 경화된 스틸의 피로 특성이 요구되는 수준에 도달하도록 취성을 감소시키고 및/또는 인성을 증가시키도록 스틸을 적절한 온도(예를 들어, 대략 200℃)까지 가열하는 추가 처리 단계가 가해진다. 또한, 템퍼링 공정 단계로 인하여, 퀀칭 공정 단계 바로 후의 경도값과 비교하여 경도가 감소된다. 이에 따른 경화된 스틸은 마르텐사이트 및 페라이트 매트릭스에 있어서 대체로 탄화철(Fe3C)과 같은 비용해성 탄소로 이루어진 미세조직을 갖고 있다. 또한, 일부 잔여 오스테나이트가 존재할 수 있지만, 단지 10 체적%(vol.%) 미만의 소량이다.
상기 공지된 제조 공정은 마모에 대한 상당한 저항과, 구동 벨트의 자동차 적용에 현저하게 적합한 다른 재료 특성을 갖는 횡단 요소를 제공한다. 또한, 횡단 요소의 마모를 추가로 감소시키는 것은 항상 존재하는 요구이고, 및/또는 (피로) 강도를 추가로 증가시키는 것도 항상 존재하는 것이다. 한편, 이에 의해 변속기의 강건함 및 유효 수명은 대체로 개선될 수 있고, 다른 한편으로는 이에 의해 전달되는 구동력이 개선될 수 있으며, 및/또는 변속기가 소형화될 수 있다. 비록, 횡단 요소의 마모 저항은 사실상 예를 들어 스틸 계열 재료의 조성 또는 퀀칭 경화 공정의 공정 파라미터의 미세 조정에 의해 횡단 요소의 경도를 추가로 증가시킴으로써 개선될 수 있지만, 이러한 추가의 경도는 횡단 요소의 피로 강도의 바람직하지 않은 저하와 관련이 있다. 사실상, 상기 공지된 기본 재료 및 퀀칭 경화 공정에 의해, 마모 저항과 피로 강도 사이에서 최적으로 제시되는 바와 같은, 58 HRC 내지 62 HRC 범위의 경도값이 실제로 종종 적용된다.
본 발명은 개선된 마모 저항을 가지면서, 적어도 그 (피로) 강도가 유지되는 횡단 요소를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명은 횡단 요소의 접촉면으로부터 적어도 100 미크론(㎛) 내에서 25 체적%를 초과하는 상당 양의 오스테나이트를 포함하는 미세조직을 가진 횡단 요소를 제공함으로써 실현된다. 또한, 본 발명에 따르면, 상기 양의 오스테나이트는 바람직하게는 접촉면에서 가장 높고, 50 체적% 내지 75 체적% 사이의 값을 가지며, 예를 들어, 접촉면으로부터 1mm에서 10 체적% 내지 40 체적% 사이까지 횡단 요소의 내부를 향해 점진적으로 감소된다.
접촉면에서의 이러한 비교적 다량의 잔여 오스테나이트에 의하면 횡단 요소의 마모 저항이 상당히 개선될 수 있다는 것이 실험에 의해 밝혀졌다. 더 구체적으로, 본 발명에 따른 횡단 요소에는 바람직하게는 그 피로 강도의 어떠한 감소도 없이, 62 HRC를 초과하고 64 HRC 이하인 개선된 재료 경도가 제공될 수 있다는 것이 밝혀졌다.
본 발명의 더 구체적인 실시예에 있어서, 횡단 요소에는 질화 또는 침탄질화와 같은 경화 공정의 경우에 그 표면에 이러한 추가 재료 경도가 제공된다. 이러한 후자의 공정의 이점은 공지된 퀀칭 경화 공정과 비교적 쉽게 조합될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 횡단 요소는 공지된 불활성 분위기 대신에, 암모니아(NH3) 및 흡열형 가스(endogas)(즉, CO/CO2, H2, CH4, H2O 및 N2의 혼합물)를 포함하는 분위기에서 횡단 요소를 오스테나이트화함으로써 침탄질화될 수 있다. 침탄질화 공정은 또한 본 발명에 따라 주로 오스테나이트인 매트릭스를 가진 횡단 요소의 표면에서 원하는 미세조직을 형성하는 데에 도움을 줄 수 있다. 특히, 횡단 요소에 두께가 70 미크론을 초과하는 바람직하게는 100 미크론 이하의 침입형 질소 원자의 확산층을 제공함으로써 양호한 결과가 달성된다. 바람직하게는, 횡단 요소에는 또한 두께가 10 미크론을 초과하는, 바람직하게는 30 미크론 이하의 침입형 탄소 원자의 확산층이 제공된다.
본 발명의 기본 원리 및 그 바람직한 실시예를 이제 도면과 함께 설명하겠다.
도 1은 2개의 풀리와 구동 벨트가 제공된 공지된 무단 변속기의 예를 개략적으로 도시하고 있다.
도 2는 횡단 요소와 인장 요소가 통합되어 있는 공지된 구동 벨트의 부분을 개략적으로 도시하고 있다.
도 3a는 본 발명에 따른 횡단 요소의 미세구조의 대표적인 예에 대한 사진이다.
도 3b는 공지된 횡단 요소의 미세구조에 대한 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 횡단 요소의 대표적인 예와 공지된 횡단 요소 모두의 마모율을 예시하는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 횡단 요소의 대표적인 예와 공지된 횡단 요소 모두의 피로 강도를 예시하는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 횡단 요소의 표면층의 질소 및 탄소 함량에 대한 그래프이다.
도 1에는 엔진과 그 구동 휠 사이의 자동차 구동-라인에 통상적으로 적용되는 공지된 무단 변속기 또는 CVT의 중앙 부분이 도시되어 있다. 변속기는 각각 2개의 원추형 풀리 디스크(4, 5)가 제공되어 있는 2개의 풀리(1, 2)를 포함하고, 풀리 디스크 사이에 주로 V자형의 풀리 홈이 형성되며, 하나의 디스크(4)가 위에 배치된 각각의 풀리 샤프트(6, 7)를 따라서 축방향으로 이동가능하다. 구동 벨트(3)가 수반되는 토크(T)와 회전 운동(ω)을 하나의 풀리(1, 2)로부터 다른 풀리(2, 1)로 전달하기 위해 풀리(1, 2)를 감싸고 있다. 또한, 변속기는 일반적으로 작동 수단을 포함하는데, 이 작동 수단은 각 풀리(1, 2)의 상기 적어도 하나의 디스크(4) 상에, 그 풀리(1, 2)의 다른 풀리 디스크(5)를 향해 지향되는 축방향으로 배향된 클램핑 힘(Fax)을 가하여, 구동 벨트(3)가 풀리(1, 2)의 이 디스크(4, 5)들 사이에 클램핑된다. 또한, 이 클램핑 힘은 운전 중의 피동 풀리(2)의 회전 속도와 구동 풀리(1)의 회전 속도 사이의 비율로서 정의되는 변속기의 속도비를 결정한다.
공지된 구동 벨트(3)의 예가 도 2에 부분적으로 더 자세히 도시되어 있는데, 구동 벨트(3)에는 자기-제한 또는 무한 인장 요소(31)가 합체되어 있다. 특정 예에 있어서, 무한 인장 요소(31)는 2개 세트의 평탄하고 얇은 즉, 리본형의 가요성 링(32)으로 구성되어 있다. 구동 벨트(3)는 인장 요소(31)와 접촉하고 그에 의해 함께 유지되는 다수의 횡단 요소(33)를 더 포함하고 있다. 특정 예에 있어서, 각 세트의 링(32)은 양 측부 상에서, 즉 그 중앙 또는 웨브 부분(38)의 축방향 측부 상에서 횡단 요소(33)에 의해 형성되는 각각의 리세스(37)에 수용된다. 반경방향 방향에 있어서, 리세스(37)는 횡단 요소(33)의 내측 부분(39)과 외측 부분(40) 중간에 위치하고 있다.
그것의 축방향의 양 측부에서, 횡단 요소(33)의 반경방향 내측 횡단 요소 부분(39)에는 풀리 디스크(4, 5)와 마찰 접촉하는 접촉면(35)이 제공되어 있다. 각 횡단 요소(33)의 접촉면(35)은 각 풀리(1, 2)의 원추형 디스크(4, 5)에 의해 그 사이에서 형성되는 V자형 홈의 각도와 대체로 일치하는 예각으로 상호 배향된다. 이에 따라, 횡단 요소(33)는 상기 클램핑 힘(Fax)을 받아서, 입력 토크(Tin)가 소위 구동 풀리(1) 상에 가해질 때에, 디스크(4, 5)와 벨트(3) 사이의 마찰이 구동 풀리(1)의 회전을 일으켜서, 동일하게 회전하는 구동 벨트(3)를 거쳐서 소위 피동 풀리(2)로 전달된다.
무단 변속기의 운전 동안에, 구동 벨트(3)의 횡단 요소(33) 구성부품은 사이에서 간헐적으로 클램핑되고, 풀리(1, 2)의 풀리 디스크(4, 5)와 활주식 마찰 접촉하게 된다. 그 결과, 횡단 요소(33)에는 마모 및 금속 피로가 가해진다. 따라서, 이 2가지 재료 특성을 개선하는 것이 당업계의 일반적인 개발 목적이었다. 일반적으로 말하자면, 횡단 요소(33)의 마모 저항은 그 피로 강도의 저하를 희생하여, 그 재료 경도를 증가시킴으로써 개선될 수 있다. 따라서, 횡단 요소(33)의 기본 재료로서 탄소 함유강을 사용하고, 그 제조 공정의 일부로서, 반가공의 횡단 요소(33)를 퀀칭 경화 및 템퍼링하여 58 HRC 내지 62 HRC 사이 범위의 최종 제품 경도값을 실현함으로써, 상기 재료 특성 사이에서의 현재 상태의 타협점에 수년에 걸쳐서 이제야 도달되었다.
본 발명은 상기 측면에 있어서 새로운 표준을 설정한다. 본 발명에 따르면, 횡단 요소(33)의 마모 저항은, 도 3a에 도시되어 있는 바와 같이 횡단 요소에 상당 양의 (잔여) 오스테나이트를 포함하는 미세구조를 갖는 표면 층이 제공됨으로써, 그 피로 강도를 저하시키지 않고 실질적으로 개선될 수 있다.
도 3a에는 본 발명에 따른 신규한 횡단 요소[33(a)]의 에칭 및 폴리싱된 단면의 100배 확대 사진이 도시되어 있다. 본 발명에 따르면, 신규한 횡단 요소[33(a)]에는 백색 영역(white area)의 (잔여) 오스테나이트 상을 포함하는 미세구조를 갖는 표면층이 제공된다. 재료의 외측 표면(50)에서, 매트릭스가 이 실시예에서 약 70 체적%의 오스테나이트로 이루어져 있다. 잔여 상은 도 3a에 어두운 영역으로 도시되어 있는 마르텐사이트와 페라이트이다. 신규한 횡단 요소[33(a)] 재료 내에서 외측 표면(50)으로부터 멀어지는 방향으로, 오스테나이트 부분이 감소하는 한편, 마르텐사이트와 페라이트 부분이 증가한다. 신규한 횡단 요소[33(a)]의 벌크 재료, 즉 그 외측 표면(50)으로부터 1mm에 걸쳐서, 오스테나이트 부분은 이 실시예에서 약 15%로 다소 일정하다. 또한, 재료는 비용해성 탄화철(iron carbide)의 백색의 다소 매끄러운 둥근 입자를 포함하고 있다.
비교를 위해, 통상적인 횡단 요소[33(b)]의 미세구조가 마찬가지로 그것의 에칭 및 폴리싱된 단면의 100배 확대 사진으로 도 3b에 도시되어 있다. 사진은 통상적인 횡단 요소[33(b)]의 외측 표면(50)을 향하는 다소 연속적인 미세구조가 도시하고 있고, 이 미세구조는 더 어두운 마르텐사이트 및 페라이트 매트릭스 내에서 비용해성 탄화철의 백색의 대략 구상인 입자로 주로 이루어져 있다. 본 명세서에서 전술한 바와 같이, 통상적인 횡단 요소[33(b)]는 퀀칭 경화된 75Cr1 스틸 계열 재료로 제조된다.
놀랍게도, 오스테나이트의 높은 분율로 인해, 그 코어 재료의 경도가 일반적으로 더 높더라도, 즉 58 HRC 내지 62 HRC 사이의 통상적인 범위가 아니라 62 HRC 내지 64 HRC 사이의 범위 내의 값을 갖더라도, 신규한 횡단 요소[33(a)]의 비커스 표면 경도, 즉 HV0.1은 통상적인 횡단 요소[33(b)]의 비커스 표면 경도보다 약간 작을 수 있다. 또한, 도 4의 마모 그래프로부터 명백한 바와 같이, 마모 즉, 활주/연마 마모 테스트에서의 미크론 단위의 표면층 재료의 손실이 시간 단위의 테스트 지속 기간에 대해 도시되어 있고, 곡선 (a)에 의해 도시되어 있는 바와 같은 신규한 횡단 요소[33(a)]의 마모율은 곡선 (b)로 도시되어 있는 바와 같은 통상적인 횡단 요소[33(b)]의 마모율보다 상당히 작다. 또한, 신규한 횡단 요소[33(a)]는 도 5의 피로 그래프로부터 명백한 바와 같이 상당히 더 양호한 금속 피로 특성을 나타내고 있는데, 상기 도면에서는 신규한 횡단 요소[33(a)] 및 통상적인 횡단 요소[33(b)]의 "횔러(Wohler)" 곡선 (a) 및 (b) 또는 "S-N"[힘 또는 응력(S) 대 파괴까지의 부하 사이클(N)]이 도시되어 있다. 도 5의 그래프에 있어서, 테스트 대상물의 파손(즉, 피로 한도)을 일으키는 피로 응력 사이클의 최대 응력 수준(S)을 나타내는 Y-축은, 통상적인 횡단 요소[33(b)]의 250,000 회 응력 사이클의 파괴 시까지의 응력 수준(S)까지 스케일되었다. 이에 따라, 이것은 신규한 횡단 요소[33(a)]가 통상적인 횡단 요소[33(b)]에 대한 대략 1, 3의 계수에 의한 피로 강도의 개선을 나타내는 도 5로부터 후속한다.
이에 따라, 신규한 횡단 요소[33(a)]의 적용에 의해, 구동 벨트(3)의 내구성이 개선되고, 및/또는 이에 의해 전달되는 최대 구동력에 있어서 그 부하 지지 능력이 증가된다.
본 발명에 따르면, 도 3a의 신규한 횡단 요소[33(a)]는 퀀칭 경화 및 침탄질화(carbonitriding)의 조합된 공정을 재료에 인가함으로써 75Cr1과 같은 통상적으로 적용되는 스틸 계열 재료로부터 제조되는 것이 바람직할 수 있다. 이 공정에 있어서, 신규한 횡단 요소[33(a)]는 오스테나이트화되는데, 즉 통상적인 퀀칭 경화의 불활성 분위기 대신에 암모니아(NH3) 및 흡열형 가스(endogas)(즉, CO/CO2, H2, CH4, H2O 및 N2의 혼합물)를 포함하는 분위기에서 750℃를 초과하는 온도까지 가열되어 유지된다. 본 발명에 따르면, 횡단 요소[33(a)]를 780℃ 내지 900℃의 온도에서 1시간 내지 10시간 동안 20 체적% 내지 25 체적% 사이의 일산화탄소(CO)와, 30 체적% 내지 45 체적% 사이의 수소(H2)와, 1 체적% 내지 10 체적% 사이의 암모니아(NH3)와 함께, 잔여 질소(N2)를 포함하는 분위기 내에서 오스테나이트화함으로써 양호한 결과가 달성된다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따르면, 조합된 퀀칭 경화 및 침탄질화 공정의 상기 파라미터는 신규한 횡단 요소[33(a)]에 두께가 70 미크론을 초과하는 바람직하게는 100 미크론 이하인 침입형 질소 원자의 확산층과, 예를 들어, 도 6의 그래프에 지시되어 있는 바와 같은 두께가 10 미크론을 초과하는, 바람직하게는 30 미크론 이하인 침입형 탄소 원자의 확산층이 부여되도록 정해져 있다. 도 6에 있어서, 신규한 횡단 요소[33(a)]의 표면층 내의 상대적이고 국부적인 질소 "N" 및 탄소 "C" 함량은 그 외측 표면(50)으로부터의 거리에 대해 도시되어 있다. 바람직하게는, 확산층에서의 질소의 최대 상대 함량은 1.5 중량% 내지 4 중량% 사이이고, 탄소의 최대 상대 함량은 4 중량% 내지 8 중량% 사이이다. 도 6으로부터 명백한 바와 같이, 이러한 최대값은 양 경우에 있어서 외측 표면(50)으로부터 몇 미크론에서만 발생된다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 무한 인장 요소(31)와, 2개의 풀리(1, 2) 사이의 구동력을 전달하기 위해 무한 인장 요소 상에 활주가능하게 제공된 다수의 횡단 요소(33)를 구비하는 구동 벨트(3)의 스틸 횡단 요소(33)이며,
    횡단 요소(33)는 0.6 중량% 내지 1.0 중량%의 값을 갖는 탄소 함량을 구비하는 스틸로 제조되고, 횡단 요소(33)에는 인장 요소(31)를 수용하기 위한 리세스(37)와, 인장 요소(31)의 내부에 반경방향으로 위치하는 내측 부분(39)이 제공되고, 그 양측에는 풀리(1, 2)와 마찰 접촉하는 접촉 표면(35)이 제공되는, 스틸 횡단 요소에 있어서,
    접촉 표면(35)의 위치에서, 횡단 요소(33)의 미세조직이 50 체적% 이상 75 체적% 이하의 오스테나이트를 포함하고,
    접촉 표면(35)의 위치에서, 그리고 횡단 요소(33)의 외측(접촉) 표면(50; 35)에서 수직하게 측정된 100 미크론의 깊이에서, 오스테나이트 체적 부분이 25% 이상이고,
    적어도 1mm의 깊이에서 시작되는 횡단 요소의 벌크 재료에는 10 체적% 이상 40 체적% 이하의 오스테나이트를 포함하는 미세조직이 제공되는
    스틸 횡단 요소.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제3항에 있어서,
    횡단 요소(33)에는 적어도 62 HRC 내지 64 HRC 사이의 재료 경도가 제공되는
    스틸 횡단 요소.
  7. 제3항에 있어서,
    횡단 요소(33)에는 질소가 강화된 두께가 70 미크론 이상인 표면층이 제공되는
    스틸 횡단 요소.
  8. 제3항, 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    횡단 요소(33)에는 탄소가 강화된 두께가 70 미크론 이상인 표면층이 제공되는
    스틸 횡단 요소.
  9. 삭제
  10. 무한 인장 요소(31)와 다수의 횡단 요소(33)를 구비하는 구동 벨트(3)이며,
    횡단 요소는 2개의 풀리(1, 2) 사이에서 구동력을 전달하기 위해 제3항, 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 따라 무한 인장 요소 상에 활주가능하게 제공되는
    구동 벨트.
  11. 제3항, 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    횡단 요소(33)는 DIN 75Cr1 스틸로 제조되는
    스틸 횡단 요소.
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