DE3616716C2 - Laminiertes metallisches Band für Drehmomentübertragungseinrichtungen sowie Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Metallband für eine Drehmomentüber­ tragungsvorrichtung wie ein kontinuierlich variables Getriebe, insbesondere ein beschichtetes Metallband, das einen Teil eines solchen Bandes in Kombination mit hieran befestigten metalli­ schen Blöcken bildet, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen beschichteten metallischen Bandes.

Bei einer bekannten variablen Kraftübertragungsvorrichtung mit einem Paar Riemenscheiben sowie einem endlosen Riemen von V-Profil umfaßt jede Riemenscheibe zwei Elemente, die zueinander koaxiale und einander entgegengerichtete, konische Flächen auf­ weisen, und die axial gleitbar gegeneinander verschiebbar sind; dabei bilden sie eine V-förmige Nut, dessen Breite durch die relative Axialbewegung der beiden Elemente verändert werden kann Durch dieses Verändern des wirksamen Radius der beiden Riemen­ scheiben lassen sich Drehmoment oder Antriebskraft von der einen auf die andere Riemenscheibe durch das endlose, V-förmige Band bei kontinuierlich veränderlichem Übertragungsverhältnis über­ tragen.

Bei einer solchen kontinuierlich variablen Übertragungsvor­ richtung unterliegt das endlose Band sowohl wiederholter Biegung als auch beträchtlicher Zugspannung bei seinem Lauf zwischen den beiden Riemenscheiben. Um einen hohen Kraftübertragungs­ wirkungsgrad sowie Zuverlässigkeit sicherzustellen, muß das V-Band sowohl flexibel als auch dauerhaft sein. V-Bänder, die Kunstharz, Leder und andere flexible Werkstoffe enthalten, mögen genügend flexibel zur wirkungsvollen Kraftübertragung sein, ver­ schleißen jedoch dann sehr rasch, wenn die zu übertragenden Kräfte groß sind. Als V-Band kommen zwar auch metallische Ver­ bindungsmittel wie Ketten in Betracht. Der Mangel an Flexibilität und der ungleichmäßige Kontakt zwischen Band und Riemenscheiben ziehen jedoch andere Probleme mit sich wie geringen Kraftüber­ tragungs-Wirkungsgrad und Geräusch.

In der japanischen Patentanmeldung 58-70920 (JP-OS 59-197641) wird eine kontinuierlich variable Kraftübertragungseinrichtung vorgeschlagen, die ein endloses Band verwendet, das eine Mehr­ zahl von Blocks aufweist mit einem V-förmigen Querschnitt und einem beschichteten Metallband, das durch die Blocks hindurch­ läuft und eine Schlaufe bildet. Da das beschichtete Metallband genügend flexibel ist, um einen hohen Kraftübertragungs-Wirkungs­ grad sicherzustellen, und auch eine genügend große Zugfestigkeit aufweist, um der beim Übertragen der Kraft aufgebrachten Zug­ spannung standzuhalten, während die metallischen Blocks gleich­ förmigen Kontakt zwischen dem V-Band und den Riemenscheiben sicherstellen und durch ihren gegenseitigen Kontakt Druckkräfte übertragen können, läßt sich ein sehr gutes Gesamtergebnis er­ zielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein laminiertes Metall­ band zu schaffen, das aus wenigstens zwei Lagen eines endlosen metallischen Bandes als Teil eines metallischen Riemens zur An­ wendung bei einer Kraftübertragungseinrichtung dient, in Kom­ bination mit einer Mehrzahl metallischer Blöcke, die Flächen haben, welche die innerste Schicht des laminierten Metallbandes berühren und die entlang des beschichteten Metallbandes angeord­ net sind, wobei das laminierte Metallband hoch dauerhaft sein soll und einen hohen Kraftübertragungs-Wirkungsgrad aufweisen soll. Ferner soll ein solches laminiertes Metallband wirtschaft­ lich sein und sich leicht und kostengünstig herstellen lassen.

Diese Aufgabe wird durch die in den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche wiedergegebenen Merkmale gelöst.

Es hat sich gezeigt, daß dann, wenn die kontinuierlich variable Kraftübertragungseinrichtung schweren Belastungen über längere Zeitspannen hinweg unterworfen wird, das beschichtete Metallband ungleichmäßigen Verschleiß aufweist, insbesondere an seinen Seitenkanten.

Das metallische Band oder ganz allgemein Band, das für ein sol­ ches beschichtetes Band erforderlich ist, muß extrem dünn sein, etwa in der Größenordnung von 0,1 mm bis 0,2 mm, um der wieder­ holten Biegebeanspruchung standzuhalten und flexibel zu sein; zur Erzielung der Zugfestigkeit ist es mit einer genügend großen Anzahl von Schichten beschichtet. Das Material eines solchen Metallbandes besteht aus wärmebehandeltem, vergütetem Stahl wie AISI 4340, abgeschrecktem halb-austenitischen rostfreien Stahl wie 17-7PH rostfreiem Stahl, abgeschrecktem martensitischen rostfreien Stahl und vergüteten Stahl. Die beiden zuerst genann­ ten Werkstoffe haben eine relativ geringe Zähigkeit, während die beiden zuletzt genannten Materialien relativ zäh, von hoher mechanischer Festigkeit und zum Schweißen geeignet sind, jedoch eine geringe Verschleißfestigkeit haben.

Das Material der metallischen Blöcke soll eine hohe Oberflächen­ härte haben und verschleißfest sein, da die Blöcke Drehmoment dadurch übertragen, daß sie sich mit den V-genuteten Riemenschei­ ben unter erschwerten Lastverhältnissen im Reibeingriff be­ finden.

Läuft ein beschichtetes Metallband um die Riemenscheiben, so treten zwischen den Schichten des metallischen Bandes und dem laminierten Metallband und den metallischen Blocks Relativ­ geschwindigkeiten auf. Die Seitenkanten der Metallbandschichten und die innersten Schichten des Metallbandes unterliegen einem Schlupf und erfahren hierbei hohe Oberflächenpressungen. Die Oberflächenpressungen sind nicht nur deshalb hoch, weil das me­ tallische Band eine geringe Stärke hat, sondern auch deshalb, weil dessen Seitenkanten zum Zwecke der Verringerung von Span­ nungskonzentrationen in den Eckbereichen abgeschrägt sind. Dem­ zufolge unterliegen die Seitenkanten des Metallbandes einem größeren Verschleiß als die übrigen Bereiche, und die Dauer­ haftigkeit des Metallbandes ist demgemäß beeinträchtigt.

Als Mittel zum Verbessern der Verschleißfestigkeit und des Ermü­ dungswiderstandes von Metallen ist zwar das Nitrier-Verfahren bekannt. Man weiß jedoch ebenfalls, daß bei der Anwendung des Nitrier-Verfahrens bei einem langgestreckten Bauteil wie einem metallischen Band eines endlos beschichteten Bandes Probleme auftreten, die auf die Dispersion des Stickstoffs im Metall zu­ rückgehen, das Vergrößerungen der Abmessungen und Verwindungen mit sich bringt. Außerdem führt das Gas-Nitrier-Verfahren zu einer Versprödungsschicht auf der Oberfläche, die durch Schlei­ fen entfernt werden muß. Ein Verzinnen oder ein Vernickeln hat zwar Vorteile gegenüber dem Nitrieren, jedoch hat das Plattieren wiederum den Nachteil, daß Dimensionsänderungen dann auftreten, wenn man das Plattieren an einem langgestreckten dünnen Bandma­ terial vornimmt; außerdem ist dieses Verfahren teuer.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Gesamtansicht von der Seite her gesehen eine übliche kontinuierlich variable Übertragungs­ einrichtung, bei welcher ein laminiertes Metallband gemäß der Erfindung eingesetzt werden kann.

Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht eines ersten Ausführungsbei­ spiels eines endlosen metallischen Bandes, bei welcher das la­ minierte Metallband gemäß der Erfindung in Kombination mit me­ tallischen Blöcke angewandt werden kann.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie III-III von Fig. 2.

Fig. 4 ist eine Teilschnittansicht eines zweiten Ausführungs­ beispiels eines endlosen Metallbandes, bei welcher ein laminier­ tes Metallband gemäß der Erfindung in Kombination mit metalli­ schen Blöcken angewandt werden kann.

Fig. 5 ist eine Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig. 4.

Fig. 6 ist eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie VI-VI von Fig. 5.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein endloses Metallband 1, das um ein Paar Riemenscheiben 2 und 3 herumgeschlungen ist, bei wel­ chen die Erfindung angewandt werden kann. Wie man aus den Fig. 2 und 3 erkennt, ist ein endloses laminiertes Metallband 4, das durch Laminieren einer Mehrzahl endloser metallischer Bandschich­ ten 4a bis 4n erzeugt wurde, in einer Nut 6 aufgenommen, defi­ niert zwischen einem Paar von Vorsprüngen 5a, die der oberen Fläche eines metallischen Blocks 5 angeformt sind. Ein Stift 7 befindet sich im Preßsitz in Bohrungen, die in den beiden Vor­ sprüngen vorgesehen sind, und verhindert das Herausfallen des laminierten Metallbandes 4 aus der Nut 6. Der Boden 8 der Nut 6 ist gegen der Seiten hin leicht abfallend gekrümmt, das heißt entlang der Seiten vom mittleren Bereich des laminierten Metall­ bandes 4 her, was bei der Anwendung flacher Transmissionsriemen allgemein bekannt ist (ballige Ausführung).

Entlang des laminierten Metallbandes 4 ist eine Mehrzahl solcher Metallblöcke 5 angeordnet, und zwar im wesentlichen ohne Zwi­ schenraum zwischen einander benachbarten Metallblöcken. Der Boden 8 der Nut 6 ist in ihrer Längsrichtung leicht gekrümmt, um einen satten Kontakt zwischen dem laminierten Metallband und dem Boden 8 der Nut 6 zu erreichen, so wie in Fig. 2 dargestellt Die Seitenflächen eines jeden Metallblocks 5 sind nach unten geneigt, sodaß sie satt in den Nuten 2a der V-förmig genuteten Riemenscheiben 2 anliegen.

Die metallischen Blocks 5 sind auf diese Weise an dem laminier­ ten Metallband 4 befestigt, jedoch in Längsrichtung des lami­ nierten Metallbandes 4 frei beweglich. Wird von einer Riemen­ scheibe 2 zum laminierten Metallband 4 Antriebskraft übertragen, so wird die Antriebskraft auf die andere Riemenscheibe 2 haupt­ sächlich mittels der metallischen Blocks 5 durch Druckkraft zwischen diesen übertragen.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen ein weiteres metallisches Band 1, bei welchem die Erfindung anwendbar ist. Ein laminiertes Metallband 4 ist in einer Nut 11 aufgenommen, die zwischen einem Paar von Vorsprüngen 10a definiert ist, die ihrerseits der oberen Fläche eines metallischen Blocks 10 angeformt sind, das laminierte Me­ tallband 4 wird von einem Clip 12 gehalten, der dreidimensional gekrümmt ist (siehe vor allem Fig. 5). Wie man aus den Fig. 4 bis 6 erkennt, umfaßt Clip 12 einen mittleren Abschnitt 12a, der in einer Ebene gekrümmt ist, die sich parallel zur Haupt­ fläche der laminierten metallischen Platte 4 zwecks sattem Kon­ taktes mit dieser erstreckt. Die Endbereiche 12b sind L-förmig nach unten abgebogen, um mit den unteren Flächen der hinter­ schnittenen Bereiche der Vorsprünge 10a in Eingriff zu gelangen.

Die jeweils vordere und rückwärtige Fläche des einzelnen Metall­ blocks hat Einbuchtungen 13 mit bogenförmig gekrümmten Boden­ flächen, was man am besten aus Fig. 4 erkennt. Ferner sieht man dort Rollen 14, die zwischen einander benachbarten metallischen Blocks 10 eingelagert sind und im wesentlichen in diesen Einbuch­ tungen aufgenommen sind. Die Rollen 14 können elastisch verform­ bar sein, sodaß sie Stoßkräfte aufnehmen können, die auf die metallischen Blöcke 10 einwirken.

Sobald das laminierte metallische Band 4 Biegeverformungen unter­ liegt, um den Krümmungen der Riemenscheiben 2 und 3 zu folgen, rollen die gekrümmten Bodenflächen der Einbuchtungen 13 der metallischen Blocks 10 über die äußeren Umfangsflächen der Rol­ len 14, wobei sich die metallischen Blöcke 10 entsprechend der Verformung des laminierten metallischen Bandes 4 bewegen, ohne daß die einander benachbarten metallischen Blöcke 10 miteinander in Kollision geraten.

Wie man am besten aus Fig. 6 erkennt, haben die metallischen Blocks 10 ferner beidseits geneigte Flächen 15 zum satten Kon­ takt zwischen den metallischen Blocks 10 und den inneren Sei­ tenflächen der Riemenscheiben-Nut 2a.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen liegt die Stärke der Metallbandschichten 4a bis 4n des laminierten Metallbandes 4 am besten in der Größenordnung von 0,1 mm bis 0,2 mm; die Seiten­ kanten der metallischen Bandschichten 4a bis 4n sind mit Nitrid-Schichten versehen, die im Ionen-Nitrier-Verfahren aufge­ bracht sind. Die Stärke der Nitrid-Lagen bewegt sich am besten in der Größenordnung von 0,5 bis 30 Mikron. Übersteigt die Stärke 30 Mikron, so wird die Steifigkeit übermäßig groß und es können sich dann Risse bilden, wenn das Band über die Riemenscheibe läuft oder wenn der Krümmungsradius des Bandes ein bestimmtes Maß unterschreitet. Unterschreitet andererseits die Stärke der nitrierten Schichten 0,5 Mikron, so kann der Verschleißwider­ stand in der Praxis nicht ausreichen.

Das Ionen-Nitrier-Verfahren kann aus der Beschleunigung von Stickstoffionen durch Glimmentladung in Vakuum und durch Auf­ treffen der Stickstoffionen auf dem Material vorgenommen werden, auf welchem Nitrid abzulagern ist. Alternativ hierzu ist es mög­ lich, ein Salzbad sowie ein Plasmaverfahren zum Nitrieren anzu­ wenden. Beim Nitrieren der Seitenkanten der metallischen Band­ schichten 4a bis 4n, die zu einem laminierten metallischen Band 4 kombiniert werden, ist es möglich, den Nitrier-Prozeß dadurch durchzuführen, daß man ein Paar Platten aus Kohlenstoffstahl gegen die äußeren Flächen und die inneren Flächen des laminierten metallischen Bandes anlegt und den oben beschriebenen Nitrier- Prozeß auf die ausgesetzten Seitenflächen der metallischen Band­ schichten 4a bis 4n einwirken läßt.

Es ist aber auch möglich, einen ähnlichen zusätzlichen Nitrier- Prozeß an den äußersten und/oder innersten Flächen des laminier­ ten Metallbandes anzuwenden. Dies kann vor dem Härten der Seiten­ kanten des laminierten Metallbandes vorgenommen werden. Die Tiefe der Nitrid-Schicht sollte in der Größenordnung von 0,5 bis 5 Mikron liegen, um genügend große Zähigkeit herzustellen, während die Stärke der Nitrid-Schicht entlang der Seitenkanten des laminierten Metallbandes in der Größenordnung 0,5 bis 50 Mikron liegen sollte. Um Dimensionsänderungen zufolge des Ni­ trier-Prozesses auszugleichen, kann das metallische Band der innersten und äußersten Schichten des laminierten metallischen Bandes im voraus mit entsprechend geringeren Abmessungen ausge­ stattet sein. Die oberflächengehärtete Schicht der innersten Fläche und der äußersten Fläche des metallischen Bandes verhin­ dert Verschleiß, der sonst aufgrund der Relativbewegung zwischen der innersten und der äußersten Schicht des laminierten metal­ lischen Bandes und der entsprechenden Flächen der metallischen Blöcke auftreten kann.

Eine nitrierte Schicht, die derart gebildet ist, ist derart an dem Basismaterial befestigt und derart dauerhaft, daß der Verschleißwiderstand des Basismaterials sehr stark gesteigert werden kann, ohne daß die ursprünglichen Eigenschaften des Basis­ materials beeinträchtigt werden. Das Basismaterial des metalli­ schen Bandes kann abschreckungs-gehärteter martensitischer rost­ freier Stahl sein, vergüteter Stahl (maraging steel) sowie deren Äquivalente mit genügend großer mechanischer Festigkeit, Zähig­ keit und Eignung für den Schweißprozess.

Als alternatives Verfahren zum Verbessern der Dauerhaftigkeit eines laminierten metallischen Bandes ist es auch möglich, ober­ flächengehärtete Schichten auf den Seitenkanten der metallischen Bandschichten durch stromloses Nickelplattieren aufzubringen. Eine solche stromlose Nickelplattierschicht kann sich von den beiden Seitenkanten über die gesamte innerste Fläche des lami­ nierten Metallbandes erstrecken, aber auch über die gesamte äußerste Fläche des laminierten metallischen Bandes. Dies kann durch Anwenden des stromlosen Plattierverfahrens auf ein voll montiertes laminiertes metallisches Band ausgeführt werden, da die Plattierflüssigkeit nicht die Zwischenflächen zwischen einan­ der benachbarten Schichten des laminierten metallischen Bandes erreicht.

Da eine stromlose nickelplattierte Schicht vergleichsweise hohe Härte und ein starkes Anhaften am Basismaterial aufweist, er­ gibt sie eine hohe Oberflächenhärte und stattet das laminierte metallische Band mit hoher Lebensdauer aus. Die oberflächenge­ härtete Schicht auf der innersten Fläche des metallischen Bandes verhindert Abrieb, der sonst aufgrund der Relativbewegung zwi­ schen der innersten Schicht des laminierten metallischen Bandes und den entsprechenden Flächen der metallischen Blocks auftritt.

Es ist auch sehr wirksam, den Eisennitrier-Prozeß und den strom­ losen Plattier-Prozeß miteinander zu kombinieren, um die Dauerhaftigkeit des laminierten metalli­ schen Bandes zu steigern. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man den Nitrier-Prozeß zuerst durchführt und sodann das stromlose Plattieren. Da die Oxydschicht, die auf der Nitrid- Schicht gebildet wird extrem hart ist, muß das Herrichten der Fläche für das stromlose Plattieren sorgfältig durchgeführt wer­ den.

Gemäß einem Versuch, der von den Erfindern durchgeführt wurde, ließ man ein laminiertes metallisches Band, das mit der Nitrid- Schicht an seinen Seitenkanten gemäß der Erfindung ausgestattet war, um ein Paar Riemenscheiben herumlaufen, deren jede einen wirksamen Radius von 30 mm aufwies; dabei wurde eine Zugspannung von zwischen 500 und 1000 kg zwischen den Riemenscheiben auf­ gebracht. Nach 400 Betriebsstunden zeigte das laminierte metal­ lische Band gemäß der Erfindung sehr wenig Verschleißerschei­ nungen, während ein ähnliches herkömmliches laminiertes Metall­ band ohne derartige gehärtete Fläche um etwa 1 bis 2 mm nach derselben Betriebsdauer abgerieben war.

Claims (16)

1. Laminiertes metallisches Band bestehend aus wenigstens zwei Schichten eines endlosen metallischen Bandes als Teil eines metallischen Bandes zur Anwendung bei einer Drehmomentüber­ tragungseinrichtung in Kombination mit einer Mehrzahl metalli­ scher Blöcke, die Flächen haben, die die innerste Schicht des laminierten metallischen Bandes berühren und die entlang des laminierten metallischen Bandes angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Seitenkanten des endlosen metallischen Bandes gehärtet sind.

2. Band nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das endlose metallische Band aus einem Werkstoff besteht, der ausschei­ dungsgehärteten martensitischen rostfreien Stahl und Maraging- Stahl enthält.

3. Band nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nitrid-Schicht auf den Seitenkanten des endlosen metallischen Bandes gebildet ist.

4. Band nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch stromloses Plattieren aufgebrachte Nickelschicht auf den Seitenkanten des endlosen metallischen Bandes vorgesehen ist.

5. Band nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nitrid-Schicht und eine durch stromloses Plattieren aufgebrach­ te Nickelschicht auf den Seitenkanten des endlosen metalli­ schen Bandes vorgesehen sind.

6. Band nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inner­ ste Fläche des laminierten metallischen Bandes ebenfalls oberflächengehärtet ist.

7. Band nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußer­ ste Fläche des laminierten metallischen Bandes oberflächen­ gehärtet ist.

8. Band nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenhärtung aus einer Nitrid-Schicht besteht.

9. Band nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenhärtung aus durch stromloses Plattieren aufgebrach­ tem Nickel besteht.

10. Band nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenhärtung aus einer Nitrid-Schicht und einer durch stromloses Plattieren aufgebrachten Nickelschicht besteht.

11. Verfahren zum Herstellen eines laminierten metallischen Bandes als Teil eines metallischen Bandes oder Riemens zur Anwendung bei einer Drehmomentübertragungseinrichtung in Kombination mit einer Mehrzahl metallischer Blöcke, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

• a) Es werden mehrere metallische Bandlagen aufgetragen; und
• b) es wird eine Nitrid-Lage entlang den Längsseitenkanten der metallischen Bandlagen gebildet.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bildens der Nitrid-Lage im Auf­ bringen von Stickstoffionen auf die Seitenkanten der me­ tallischen Bandlagen in Vakuumumgebung besteht.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Aufspannens von Abschirm­ material auf die äußerste Fläche und die innerste Fläche der metallischen Bandlagen vorgesehen wird, bevor Stickstoff­ ionen auf die ausgesetzten Seitenkanten der metallischen Bandlagen aufgebracht werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Bilden der Nitrid-Lage auf den Seitenkanten des laminier­ ten metallischen Bandes eine Nitrid-Lage auf der innersten Fläche und/oder der äußersten Fläche des laminierten metalli­ schen Bandes aufgebracht wird.

15. Verfahren zum Herstellen eines laminierten metallischen Bandes als Teil eines metallischen Bandes oder Riemens zur Anwendung bei einer Drehmomentübertragungseinrichtung in Kombination mit einer Mehrzahl metallischer Blöcke, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

• a) Es werden eine Anzahl metallischer Bandlagen laminiert; und
• b) auf den Seitenkanten der metallischen Bandlagen wird Nickel stromlos plattiert.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Seitenkanten der metallischen Bandlagen eine Nitrid- Lage gebildet wird bevor das stromlose Nickel-Plattieren auf den metallischen Bandlagen vorgenommen wird.