用于無級變速器的傳動帶的設(shè)有納米晶體表面層的柔性鋼制環(huán)件及制造這種環(huán)件的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種由鋼制成的在用于無級變速器的傳動帶(3)中使用的柔性環(huán)件(32)，所述環(huán)件(32)設(shè)有僅包含晶粒尺寸小于0.1微米的晶體的表面層。通過這種納米晶體表面層，可提高傳統(tǒng)的環(huán)件(32)的疲勞強度。
【專利說明】
用于無級變速器的傳動帶的設(shè)有納米晶體表面層的柔性鋼制環(huán)件及制造這種環(huán)件的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及根據(jù)下文中的權(quán)利要求1的前序部分的一種柔性鋼制環(huán)件，并且涉及用于制造這種環(huán)件的方法。該類環(huán)件用作用于無級變速器的傳動帶的部件，所述無級變速器尤其用于汽車應(yīng)用、例如在客運汽車中使用。所述傳動帶通常由嵌入傳動帶的橫向元件的凹部中的相互同心地布置的兩組環(huán)件組成。傳動帶包括沿這種環(huán)組的圓周相繼布置的多個這種橫向元件。在環(huán)件的這種傳動帶應(yīng)用中，單個環(huán)件的厚度通常僅為0.2mm或更小、典型地為大約0.18_。
【背景技術(shù)】
[0002]在變速器中，傳動帶用于在兩個軸之間傳遞驅(qū)動功率，傳動帶在兩個軸之間繞著兩個可轉(zhuǎn)動的帶輪傳遞，所述帶輪分別與一個這種傳動軸關(guān)聯(lián)，并設(shè)有兩個圓錐形盤，所述圓錐形盤限定出帶輪的圓周的V形槽，傳動帶容納在所述V形槽中。當傳動帶維持在張緊狀態(tài)時，通過以協(xié)調(diào)的方式改變兩個帶輪的相應(yīng)的盤之間的軸向間距，可改變傳動帶在各帶輪處的半徑和進而的傳動軸之間的轉(zhuǎn)速比。在本領(lǐng)域中公知且例如在歐洲專利公開EP-A-1243812中描述了該變速器和傳動帶。
[0003]本領(lǐng)域還公知傳動帶的性能不僅與環(huán)組的組合抗拉強度直接相關(guān)，而且在很大程度上還與環(huán)組的各環(huán)件的疲勞強度直接相關(guān)。這是因為，在變速器中的傳動帶轉(zhuǎn)動期間，環(huán)件中的張力和彎曲應(yīng)力發(fā)生震蕩。實際中，通常采用特定的鋼成分、尤其是所謂的馬氏體鋼，作為用于環(huán)件的基礎(chǔ)材料，以實現(xiàn)所需的傳動帶的性能。此外，為此，環(huán)件在一次或兩次熱處理中被心部硬化且表面氮化(即氣體軟氮化)，所述熱處理是標準環(huán)件生產(chǎn)加工中的一部分。最近，不銹鋼也作為用于制造環(huán)件的基礎(chǔ)材料被研究。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]在傳動帶環(huán)件的進一步的發(fā)展和/或改進中，一個普遍的長期的期望和總體目標是提高傳動帶環(huán)件的疲勞強度。根據(jù)本公開，環(huán)件性能的該參數(shù)尤其可通過為環(huán)件提供所謂的納米晶體表面層(即形成環(huán)件的外表面的相對較薄的層，在所述層中，金屬晶體、即晶粒特別地小)來提高。已發(fā)現(xiàn)，通過這種特征，環(huán)件表面處的疲勞斷裂尤其僅在明顯更高的應(yīng)力水平下和/或僅在更多應(yīng)力循環(huán)之后才萌生。
[0005]在這方面，所述納米晶體表面層中的晶體或晶粒的尺寸可裝入直徑為0.1微米的(虛擬的)球內(nèi)，由此獲得尤其好的結(jié)果。小于0.Ιμπι、例如大約50nm的該晶粒尺寸通常比這種表面層外的、例如構(gòu)成環(huán)件心部的材料的晶粒尺寸小兩個數(shù)量級(即100倍)。對于這種納米晶體表面層的非常合適的厚度范圍為Iym至ΙΟμπι。
[0006]應(yīng)注意，本領(lǐng)域中已知，這種納米晶體表面層可在不同成分的鋼制品上通過所述鋼制品的機械變形來形成。例如通過滾壓、刷擦和/或噴丸加工的塑性變形過程，至少在鋼的在這種過程中塑性變形的部分中鋼的晶粒尺寸被減小。為了僅獲得相對較薄的納米晶體表面層，塑性變形過程必須被選擇為使得僅使產(chǎn)品的這種薄的表面層變形。顯然，在后者方面，已知的滾壓加工通常將不太適合。替代地，已知的噴丸加工可更容易地被適當設(shè)置。此夕卜，其它合適的塑性變形加工使用液體或氣體(包括等離子體)作為媒介以實現(xiàn)形成納米晶體表面層所需的變形，例如基于超聲波或基于激光的加工。
[0007]根據(jù)本公開，環(huán)件的所述納米晶體表面層優(yōu)選地在環(huán)件的上述滲氮熱處理之前形成。即，已觀察到，在具有這種納米晶體表面層的情況下比在沒有這種納米晶體表面層的情況下，環(huán)件的滲氮可快很多。即，在具有納米晶體表面層的情況下，環(huán)件的氮化層的所需厚度在有利地較短的(加工)時間內(nèi)和/或以加工氣氛中的氨氣的有利地較低的濃度實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0008]現(xiàn)在將參照附圖示例性地說明本公開的上述基本特征。
[0009]圖1是已知的傳動帶和包括這種已知的帶的變速器的示意圖。
[0010]圖2是已知的傳動帶的一部分的示意圖，所述部分包括兩組多個柔性鋼制環(huán)件、以及多個橫向元件。
[0011 ]圖3象征性地顯示傳動帶環(huán)件的包括滲氮處理步驟的已知制作方法。
[0012]圖4是包括納米晶體表面層的金屬晶體結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0013]圖5是傳動帶環(huán)件的截面的照片，展現(xiàn)其包括納米晶體表面層的晶體結(jié)構(gòu)。
[0014]圖6象征性地顯示根據(jù)本公開的對圖3的制造方法的修正。
【具體實施方式】
[0015]圖1示意性示出了具有圍繞兩個帶輪1、2的傳動帶3的無級變速器(CVT)。每個帶輪
1、2均設(shè)有兩個圓錐形帶輪盤4、5，環(huán)形的、大致V-形的帶輪槽被限定在所述兩個圓錐形帶輪盤4、5之間，所述兩個圓錐形帶輪盤4、5中的一個盤4可沿著相應(yīng)的帶輪軸6、7(該盤4布置在所述帶輪軸6、7上)軸向地移動。傳動帶3圍繞帶輪1、2，以將旋轉(zhuǎn)運動ω和伴隨的扭矩T從一個帶輪1、2傳遞至另一帶輪2、1。每個帶輪1、2通常還包括啟動裝置，所述啟動裝置可在所述帶輪1、2的至少一個盤4上施加指向所述帶輪1、2的相應(yīng)的另一帶輪盤5的軸向定向的夾持力，從而使帶3可被夾持在這些盤4、5之間。并且，從動帶輪2的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動帶輪I的轉(zhuǎn)速之間的變速器(速度)比由此被確定。該CVT本身是已知的。
[0016]已知的傳動帶3的一個示例以其一小部分在圖2中更詳細地示出。傳動帶3由兩個環(huán)組31組成，所述兩個環(huán)組31包括相互嵌套的、平的柔性鋼制環(huán)件32和多個橫向元件30。所述橫向元件30沿環(huán)組31的圓周以下述方式相繼布置:橫向元件30可沿環(huán)組31的圓周方向相對于環(huán)組31滑動。
[0017]橫向元件30承受所述夾持力，從而當輸入扭矩T施加于所謂的驅(qū)動帶輪I上時，盤
4、5與帶3之間的摩擦使得驅(qū)動帶輪I的旋轉(zhuǎn)經(jīng)由同樣地旋轉(zhuǎn)的傳動帶3被傳遞至所謂的從動帶輪2。
[0018]在CVT的工作過程中，傳動帶3以及尤其它的環(huán)件32經(jīng)過周期性變化的張應(yīng)力和彎曲應(yīng)力(即疲勞負載)。通常，抗金屬疲勞性(即環(huán)件32的疲勞強度)由此確定了傳動帶3的功能壽命。因此，長期的總體發(fā)展目標是在結(jié)合材料和加工成本最小的情況下優(yōu)化環(huán)件32的疲勞強度。
[0019]圖3示出了傳動帶環(huán)件32的已知的制造方法的相關(guān)部分，正如通常在關(guān)于生產(chǎn)用于汽車應(yīng)用的金屬傳動帶3的領(lǐng)域中應(yīng)用的那樣。通過羅馬數(shù)字表示已知的制造方法的單獨的加工步驟。
[0020]在第一加工步驟I中，厚度為大約0.4_的馬氏體鋼基礎(chǔ)材料的薄片或板11被彎曲成圓筒狀，會合的板端部12在第二加工步驟II中被焊接起來以形成中空圓筒或管13。在第三加工步驟III中，將管13退火。此后，在第四加工步驟IV中，管13被切成多個環(huán)狀環(huán)圈14，所述環(huán)狀環(huán)圈14隨后在第五加工步驟V中被滾壓，以在被拉長的同時將其厚度通常降低至大約0.2mm。在被滾壓后，環(huán)圈14通常被稱為環(huán)件32。
[0021]環(huán)件32經(jīng)過另一、即環(huán)件退火加工步驟VI，以通過環(huán)件材料在遠高于600攝氏度(例如大約800°C)的溫度下的回復和再結(jié)晶來消除先前的滾壓加工步驟的加工硬化效應(yīng)。此后，在第七加工步驟VII中，通過將環(huán)件32繞著兩個轉(zhuǎn)動輥安裝并通過迫使所述輥分開而將環(huán)件32拉伸至預定圓周長度，環(huán)件32被校準。在該第七加工步驟VII的環(huán)件校準中，也在環(huán)件32上施加內(nèi)應(yīng)力。
[0022]此后，環(huán)件32在第八加工步驟VIII的組合式時效處理或體相沉淀硬化以及滲氮或表面硬化中進行熱處理。尤其地，這種組合式熱處理涉及將環(huán)件32保持在包含受控的氣體氣氛的爐室中，所述氣體氣氛包括氨氣、氮氣和氫氣。在爐室中、即在加工氣氛中，氨分子在環(huán)件32的表面處分解成氫氣和氮原子，所述氮原子可進入環(huán)件32的金屬晶格中。已知通過這些間隙氮原子，對磨損和疲勞斷裂的抵抗能力能夠得到顯著提高。尤其應(yīng)注意，這種組合式熱處理可以以時效處理和滲氮的單獨的階段和相繼的階段進行，在本領(lǐng)域中該替代性加工設(shè)置是已知的。
[0023]通常，執(zhí)行第八加工步驟VIII的組合式環(huán)件時效處理和滲氮，直至在環(huán)件32的外表面上形成的氮化層或氮擴散區(qū)的厚度在25微米至35微米之間。
[0024]多個如此加工的環(huán)件32通過徑向堆疊組裝成環(huán)組31，即在每一對相鄰的環(huán)件32之間的徑向游隙或余隙最小的情況下將這些環(huán)件同心地嵌套。尤其應(yīng)注意，本領(lǐng)域中還已知，替代性地在第七加工步驟VII的環(huán)件校準之后直接將多個單獨的環(huán)件32組裝成環(huán)組31，SP在第八加工步驟VI11的環(huán)件時效處理和環(huán)件滲氮之前進行。
[0025]如此加工的環(huán)件32在其整個金屬晶格上(即也在靠近其外表面處)示出大致相同尺寸的晶體/晶粒。這種環(huán)件32的典型的平均晶粒尺寸為大約5毫米或5毫米以上。實際上，在環(huán)件已在環(huán)件熱處理加工步驟VI中再結(jié)晶之后，在第七加工步驟VII的環(huán)件校準中僅發(fā)生有限的量的塑性變形，所述變形還在環(huán)件32的整個截面上大致均勻地展開。然而，根據(jù)本公開，環(huán)件32優(yōu)選地設(shè)有具有較小尺寸(即亞微米級大小)的晶粒的表面層，該特征能夠提高環(huán)件32的疲勞強度，該特征在圖4中示意性地示出。
[0026]在圖4中，環(huán)件32的目前理論上期望的晶體結(jié)構(gòu)被示為具有與更靠近環(huán)件32的主體材料的那些晶粒Gb相比尺寸較小的位于環(huán)件32的表面處的晶粒Gs。環(huán)件表面處的較小尺寸的晶粒Gs被示為限定出一層納米晶體環(huán)件材料。
[0027]圖5示出了根據(jù)本公開的設(shè)有納米晶體表面層NSL的真實的環(huán)件32的晶體結(jié)構(gòu)。在圖5中，環(huán)件32的晶體/晶粒已通過掃描電子顯微鏡觀察(SEM)而可見。在具有納米晶體表面層NSL的環(huán)件32的該實際示例中，環(huán)件表面處的最小的晶粒比位于環(huán)件32的主體材料中的最大晶粒小100倍以上。特別地，在該示例中，納米晶體表面層NSL中的晶粒尺寸平均大約為50nm，而環(huán)件的主體材料中的晶體晶粒在任何方向上都是2μηι至12μηι寬。納米晶體表面層NSL的厚度大致為5μπι。
[0028]上述納米晶體表面層NSL優(yōu)選地通過使環(huán)件32經(jīng)過噴丸加工而形成。特別地，根據(jù)本公開，如圖6所示意性示出的，這種噴丸加工包含在傳動帶環(huán)件32的上述已知制造方法中、在所述制造方法的第七加工步驟VII與第八加工步驟VIII中的環(huán)件滲氮的熱處理之間。在圖6中，加工步驟SP表示在此提出的噴丸加工，其中，環(huán)件32繞著(例如)三個安裝輥安裝且旋轉(zhuǎn)，以及其中，兩個噴嘴70將(例如)小玻璃珠至少噴在環(huán)件32的徑向向外的表面上。
[0029]通過在環(huán)件32被滲氮處理之前，向環(huán)件32提供納米晶體表面層NSL，滲氮過程因此被加強。特別地，納米晶體表面層NSL有利地使?jié)B氮過程的為環(huán)件32提供期望的厚度的氮化層所需的持續(xù)時間和/或加工氣氛中的氨濃度能夠降低。
[0030]除了前述說明書的全部內(nèi)容和附圖的所有詳細內(nèi)容之外，本公開還涉及和包括權(quán)利要求的所有特征。權(quán)利要求中帶括號的附圖標記不限制其范圍，而是僅作為相應(yīng)特征的不具約束力的示例。權(quán)利要求的特征可根據(jù)具體情況單獨地應(yīng)用于指定的產(chǎn)品或指定的過程，但是也可在其中應(yīng)用這種特征中的兩個或多個的組合。
[0031]由本公開所代表的本發(fā)明不限于本文明確提出的實施方式和/或示例，而是還包括其修改、改進和實際應(yīng)用，尤其包括本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員力所能及范圍內(nèi)的那些修改、改進和實際應(yīng)用。
【主權(quán)項】
1.一種柔性鋼制環(huán)件(32)，所述柔性鋼制環(huán)件(32)用作用于無級變速器的傳動帶(3)，或至少在用于無級變速器的傳動帶(3)中使用，所述無級變速器具有兩個帶輪(1、2)和所述傳動帶(3)，其特征在于，柔性鋼制環(huán)件(32)的表面層(NSL)設(shè)有納米晶體微觀結(jié)構(gòu)。2.如權(quán)利要求1所述的柔性鋼制環(huán)件(32)，其特征在于，納米晶體表面層(NSL)中的金屬晶體的晶粒尺寸最大為0.1ym，優(yōu)選為大約50納米。3.如權(quán)利要求1或2所述的柔性鋼制環(huán)件(32)，其特征在于，納米晶體表面層(NSL)的厚度在Iym至I Ομπι之間。4.如權(quán)利要求1、2或3所述的柔性鋼制環(huán)件(32)，其特征在于，納米晶體表面層(NSL)夕卜的金屬晶體的平均晶粒尺寸比納米晶體表面層(NSL)中的金屬晶體的平均晶粒尺寸大兩個數(shù)量級。5.—種用于制造柔性鋼制環(huán)件(32)的方法，所述柔性鋼制環(huán)件(32)用作用于無級變速器的傳動帶(3)，或至少在用于無級變速器的傳動帶(3)中使用，所述無級變速器具有兩個帶輪(1、2)和所述傳動帶(3)，其中，使柔性鋼制環(huán)件(32)設(shè)有納米晶體表面層(NSL)。6.如權(quán)利要求5所述的用于制造柔性鋼制環(huán)件(32)的方法，其特征在于，設(shè)在柔性鋼制環(huán)件(32)中的納米晶體表面層(NSL)的厚度在Ιμπι至ΙΟμπι之間。7.—種用于制造柔性鋼制環(huán)件(32)的方法，所述柔性鋼制環(huán)件(32)用作用于無級變速器的傳動帶(3)，或至少在用于無級變速器的傳動帶(3)中使用，所述無級變速器具有兩個帶輪(1、2)和所述傳動帶(3)，其中，柔性鋼制環(huán)件(32)經(jīng)過僅柔性鋼制環(huán)件(32)的相對較薄的表面層的塑性變形。8.如權(quán)利要求7所述的用于制造柔性鋼制環(huán)件(32)的方法，其特征在于，柔性鋼制環(huán)件(32)的表面層的所述塑性變形借助于噴丸工藝來實現(xiàn)。9.如權(quán)利要求7或8所述的用于制造柔性鋼制環(huán)件(32)的方法，其特征在于，形成厚度在Ιμπι至ΙΟμπι之間的納米晶體表面層(NSL)。10.如權(quán)利要求5、6或9所述的用于制造柔性鋼制環(huán)件(32)的方法，其特征在于，納米晶體表面層(NSL)中的金屬晶體的晶粒尺寸最大為0.Ιμπι。11.如權(quán)利要求10所述的用于制造柔性鋼制環(huán)件(32)的方法，其特征在于，納米晶體表面層(NSL)外的金屬晶體的平均晶粒尺寸比納米晶體表面層(NSL)中的金屬晶體的平均晶粒尺寸大兩個數(shù)量級。12.如權(quán)利要求5-11中任一項所述的用于制造柔性鋼制環(huán)件(32)的方法，其特征在于，在環(huán)件(32)已被提供納米晶體表面層(NSL)或已經(jīng)過僅柔性鋼制環(huán)件(32)的相對較薄的表面層的塑性變形之后，柔性鋼制環(huán)件(32)經(jīng)過滲氮處理。
【文檔編號】F16G5/16GK105849436SQ201480070855
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年12月24日
【發(fā)明人】B·彭寧斯
【申請人】羅伯特·博世有限公司