KR20020013586A - 무단 변속기의 구성 요소 - Google Patents

Abstract

본 발명은 작동시에 무단 변속기(CVT/IVT)의 다른 구성 요소의 궤도면과 접촉하는 궤도면을 포함하는 무단 변속기(CVT/IVT)의 구성 요소에 관한 것으로, 0.85 ~ 0.95 중량 %의 탄소, 최대 0.15 중량 %의 실리콘, 1.30 ~ 1.50 중량 %의 크롬, 0.25 ~ 0.45 중량 %의 망간, 0.20 ~ 0.40 중량 %의 몰리브덴 및 나머지로서 철과 불가피한 불순물로 이루어지는 강으로 그러한 구성 요소를 제조하는 것을 제안한다. 이 구성 요소의 표면은 탄소질화 처리 및 담금질/재가열에 의해 더 경화하는 것이 바람직하다.

Description

무단 변속기의 구성 요소{CVT/IVT COMPONENT}

무단 변속기(CVT/IVT)는 디스크와 구동 롤러로 이루지는데, 여기서 2개의 대향 롤러에 대한 디스크의 위치가 변속비를 결정한다. 디스크와 롤러 사이에는 진동 및 미끄럼 하중이 수반되는 미끄럼 접촉 상태가 존재한다.

이 부하는 구름 베어링과 같이 궤도면을 갖춘 다른 물품에 가해지는 부하와는 전혀 다른 것이다. 구름 베어링과는 대조적으로, 구름 하중은 존재하지 않고 미끄럼 상태만이 존재한다.

종래 기술에 있어서, 무단 변속기(CVT/IVT)의 부품에 ASTM A295 52100 강을 사용하는 것이 제안되었다. 그러나, 그러한 강은 자동차 산업에서 요구되는 것과 같은 긴 수명을 보장하기에는 접촉 피로 강도가 불충분하고 인성(toughness)도 역시 불충분한 것으로 밝혀졌다.

본 발명은 그 작동에 있어 무단 변속기의 다른 구성 요소의 궤도면과 접촉하는 궤도면을 포함하는 무단 변속기의 구성 요소(CVT/IVT component)에 관한 것이다.

도 1은 무단 변속기(CVT/IVT)의 예를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 강에 의해 실현되는 인성의 증대를 나타낸다.

도 3은 오염물 베어링 시험에서 내측 링 베어링 수명을 나타낸다.

본 발명은 특히 미끄럼 접촉 피로 파괴에 내성을 갖는 무단 변속기(CVT/IVT)의 디스크 및 구동 롤러 요소용 강을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 전술한 요소가 0.85 ~ 0.95 중량 %의 탄소(C), 0.15 중량 % 이하의 실리콘(Si), 0.25 ~ 0.45 중량 %의 망간(Mn), 1.30 ~ 1.50 중량 %의 크롬(Cr), 0.20 ~ 0.40 중량 %의 몰리브덴(Mo) 및 나머지는 철과 불가피한 불순물로 구성되는 강으로 이루어짐으로써 달성된다.

EP 0 349 023으로부터 그러한 강은 구름 베어링에 사용되는 것으로 알려졌다. 이러한 강은 일반적으로 SKF 3M 강으로 불린다. 놀랍게도 본 발명에 따르면, 그러한 강의 구름 저항은, 구름 베어링 용례에서는 중요한 것이 아니지만, ASTM A295 52100과 같은 다른 강에 비해 우수한 것으로 밝혀졌다.

본 발명의 양호한 실시예에 따른 무단 변속기(CVT/IVT) 구성 요소의 코어와 표면 모두에 대한 최적의 성질을 얻는 데에는 침탄질화법(carbonitriding)이 제안되었다. 그러한 기법에서 표면 조직은 잘 합금된 마르텐사이트로 이루어질 수 있다. 그 결과, 정적 용량, 미끄럼 접촉에 대한 피로 강도 및 내마모성이 개선된다.

본 발명의 기술 분야에 알려진 어떠한 침탄질화법도 이러한 목적으로 이용될 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 이용된 분위기는 적어도 일산화탄소, 수소 및 암모니아로 이루어지기 때문에, 조성이 탄소 활성도(a_c)가 0.90 내지 1.10이고 질소 포텐셜(N_pot)이 표면에서 직접 측정하는 경우에 질소(N)가 중량으로 0.1 ~ 0.5 %인 분위기와 평형을 이루는 것인 분위기로 온도 780 내지 900 ℃에서 1 ~ 10 시간 동안 강을 노출시키는 처리가 이용된다.

본 발명에 따른 열처리에서는 탄소와 질소가 농후한 표면이 산출된다. ASTM A295 52100과 같은 보통의 구름 베어링 강의 침탄질화 처리에서 통상적으로 관찰되는 것과 같은 강의 표면 또는 그 근처에서는 세멘타이트가 산출되지 않는다. 본 발명의 처리의 결과로서, 미세 잔류 카바이드의 침전 및 성장 때문에 오스테나이트의 입자 크기는 작게 남아 있다. 침탄질화 후의 담금질(quenching)의 결과로서, 고강도의 미세 입자 마르텐사이트가 산출된다. 표면은 오스테나이트 강화 성분이 농후하므로, 마르텐사이트가 생성되는 온도는 종래 기술의 경우보다 담금질 중에 표면에서의 온도가 낮다. 표면에서의 농후화로 인하여 오스테나이트의 전단 강도가 증대되어, 더한 과냉이 요구되고, 따라서 마르텐사이트가 생성되는 온도는 낮아진다. 더욱이, 표면에서의 압축 응력은 더 커지고, 그 결과 작동시에 직면하는 응력은 감소하고 수명은 길어진다. 여기에는 통상의 열처리가 수반된다.

약 1.0의 탄소 활성도로 3 ~ 5 시간 동안 800 내지 850 ℃에서 침탄질화 처리를 시행하는 것이 좋다.

특히 부가되는 침탄질화 분위기는 17 ~ 25 체적 %의 일산화탄소, 30 ~ 45 체적 %의 수소 및 1 ~ 10 체적 %의 암모니아를 포함한다. 사용되는 암모니아의 양은 침탄질화가 행해지는 로에 따라 상당히 큰 범위까지 달라지고, 그 밖의 공정 파라미터에 따라서도 달라진다.

디스크, 롤러 또는 이들 모두는 전술한 강으로 만들어지는 것이 좋다.

본 발명에 따라 침탄질화 처리된 3M 강의, 무단 변속기(CVT/IVT) 디스크 또는 구동 롤러 요소 표면에서의 미소 조직은 보유하는 오스테나이트가 0 ~ 35 체적% 포함된다. 실제의 체적은 고온에 대한 요구에 따라 달라진다. 이렇게 얻은 오스테나이트는 판형 마르텐사이트 조직(plate martensite structure)에 포함되는데, 여기서 처리 전의 오스테나이트 입자 크기는 최대 15 ㎛이다. 최대 4 ㎛의 등가 직경과 최대 30 %의 체적 분율을 갖는 잔류 카바이드가 존재한다.

첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더 설명한다.

도 1에는 무단 변속기(CVT/IVT)의 예가 도시되어 있다. 가장 일반적인 실시예에서, 무단 변속기(CVT/IVT)에는 엔진의 출력축에 연결된 입력 디스크(1)와, 구동 체인 또는 부가의 차량 기어 박스 요소 또는 가변 비율로 구동되는 그 밖의 물품에 연결된 반대측의 출력 디스크(2)가 포함되어 있다. 그 사이에는 다수의 구동 롤러(3)가 있다. 구동 롤러(3)는 도면 부호 4로 가리키는 축 또는 그 축선에 지지될 수 있다. 이 축은 화살표 5로의 회전 운동을 할 수 있다. 화살표 5로의 다른 롤러의 회전을 통하여, 입력 및 출력 디스크 사이의 변속비가 변한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 구동 롤러(3)는 입력 디스크의 중심선 부근에서 입력 디스크와 맞물리고, 출력 디스크와는 중심선으로부터 떨어진 곳에서 맞물려 있다. 구동 롤러의 원주면을 각각 입력 디스크의 궤도면(8)과 출력 디스크의 궤도면(9)에 클램핑하는 가압력이 존재한다. 이러한 클램핑 힘은 개략적으로 화살표 10으로 나타낸다. 도 1에 도시된 무단 변속기(CVT/IVT)는 토로트랙형 무단 변속기(torotrak IVT)로도 알려져 있다. 본 발명의 기술 분야에는 다른 수단도 사용되지만, 모든 실시예에 있어서, 필수적으로 입력 디스크와 출력 디스크 사이의 변속 비율을 변경시키는 데에는 화살표 5에 따른 얼마간의 기울임 운동을 하게 만드는 적어도 3개의 구동 롤러가 마련된다. 그러한 구성은 종래의 자동 변속기에 비해 15 %의 효율 증대를 가져올 수 있다는 것을 알 수 있다. 구름 베어링과는 대조적으로 구조상의 인접한 요소 사이에는 윤할막은 존재하지 않는다.

궤도면(8, 9) 뿐만 아니라 각각의 구동 롤러의 원주면에는 상당한 하중이 가해진다. 아마도 이는 현재까지 이러한 기법이 일반적으로 받아들여지지 않은 이유 중의 하나일 것이다. 예컨대, 구동 롤러의 원주면 및 이와 관련된 궤도면 사이의 최대 접촉 응력은 4 GPa 정도로 높을 수 있다. 이는 통상의 구름 베어링이 직면하는 접촉 압력 보다 꽤 높은 것이다. 더욱이, 화살표 5에 따른 기울임 운동은 디스크에 대한 롤러의 미끄러짐을 유발한다. 그러한 미끄러짐은 구름 베어링에는 존재하지 않는다. 반복되는 굽힘 응력에 기인한 피로 균열과 파괴가 보고된 바 있다. 원(11) 내의 디스크 영역이 특히 취약하다. 이는 견인면(궤도면)에서의 결합된 구름 접촉 피로 강도와 피로 파괴 강도가 증진되어야 한다는 것을 의미한다. 아래의 표 1에는 무단 변속기(CVT/IVT)의 몇 가지 구성 요소의 부하에 대한 매우 개략적인 고찰이 주어져 있다.

무단 변속기(IVT)의 구성 요소	무단 변속기의 특성	파괴 모드
입력 디스크 - 스플라인 연결	스플라인 반경에서의 토션 하중	조직적 피로 균열
견인 유체에 의한 구동 롤러에 대한 입력 디스크의 정지 미끄럼	최대 3.5 GPa의 접촉 압력	·구름 접촉 피로 파괴·표면 피로·구조적 하중이 가속되는 접촉 피로
구동 롤러	최대 3.5 GPa의 접촉 압력	·구름 접촉 피로 파괴·표면 피로
유압 피스톤에 의한 디스크 & 구동 롤러에 걸친 상당한 클램핑 힘	구조적인 굽힘 응력	구조적 피로 균열
체인 스프로켓을 통한 구동 디스크	출력 구동 장치에서의 굽힘력	굽힘 피로 균열
디스크 & 구동 롤러	고온(최대 120 ℃) 및 구조적 응력	성장 & 축방향의 간극 확대
디스크 & 구동 롤러	진동 부하	가속되는 구조적 피로 균열

이러한 요구 사항을 만족하기 위하여, 본 발명에서는 0.85 ~ 0.95 중량 %의 탄소, 최대 0.15 중량 %의 실리콘, 0.25 ~ 0.45 중량 %의 망간, 1.30 ~ 1.50 중량 %의 크롬 및 0.20 ~ 0.40 중량 %의 몰리브덴을 함유하는 강을 사용하는 것을 제안한다.

전술한 바와 같이 이러한 강을 사용하는 경우에는 놀랍게도 무단 변속기(IVT/CVT)의 디스크 및 구동 롤러 요소의 인성이 상당히 증대된다는 것을 발견하였다.

도 2a와 도 2b는 인성의 증대를 나타내고 있다. 이들 도면에서, 점선은 ASTM A295 52100 강의 값을 점선으로 나타내고, 실선은 본 발명에 따른 강에 관련된 것이다.

도 3은 오염 상태에서의 베어링 시험에서 가동되는 6305 구름 베어링에서의 L₁₀내측 링 베어링 수명을 나타낸다.

전술한 바로부터 순도 높은 강으로 만들어진 구성 요소의 표면을 침탄질화 처리에 의해 강화하는 것과 결부하여 이 강을 더 합금 처리하여 사용함으로써 접촉 피로 강도가 현저히 개선될 수 있다는 것은 명백하다.

Claims (7)

1. 작동시에 무단 변속기(CVT/IVT)의 다른 요소의 궤도면과 접촉하는 궤도면을 포함하는 무단 변속기의 구성 요소로서,

   0.85 ~ 0.95 중량 %의 탄소,

   최대 0.15 중량 %의 실리콘,

   1.30 ~ 1.50 중량 %의 크롬,

   0.25 ~ 0.45 중량 %의 망간,

   0.20 ~ 0.40 중량 %의 몰리브덴, 및

   나머지로서 철과 불가피한 불순물을 함유하는 것인 무단 변속기의 구성 요소.
2. 제1항에 있어서, 침탄질화 처리되는 것인 무단 변속기의 구성 요소.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 표면 조직에는 0 ~ 35 체적 %의 보유 오스테나이트 및 0 ~ 30 체적 %의 잔류 카바이드를 갖춘 판형 마르텐사이트 구조가 포함되는 것인 무단 변속기의 구성 요소.
4. 제3항에 있어서, 상기 잔류 카바이드의 최대 등가 직경은 4 ㎛인 것인 무단 변속기의 구성 요소.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 처리 전의 오스테나이트의 입자 크기는 최대 15 ㎛인 것인 무단 변속기의 구성 요소.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 구성 요소는 CVT/IVT 디스크를 포함하는 것인 무단 변속기의 구성 요소.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 구성 요소는 CVT/IVT 롤러를 포함하는 것인 무단 변속기의 구성 요소.