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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein toroidförmiges,
stufenlos einstellbares Getriebe und betrifft im spezielleren ein
toroidförmiges,
stufenlos einstellbares Getriebe, das für die Verwendung in Fahrzeugen,
wie zum Beispiel Kraftfahrzeugen, ausgebildet ist.
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Einschlägiger Stand
der Technik
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Als
toroidförmiges,
stufenlos einstellbares Getriebe 20 ist das in 1 dargestellte
Getriebe bekannt.
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Im
Inneren eines Gehäuses
(nicht gezeigt) sind eine Eingangsscheibe 1 und eine Ausgangsscheibe 2 koaxial
in einander gegenüberliegender
Weise angeordnet. Eine Eingangswelle 3 erstreckt sich durch
die Achse des toroidförmigen
Getriebes hindurch, das die Eingangsscheibe und die Ausgangsscheibe 1 und 2 beinhaltet.
Ein Belastungs-Steuerflächenelement 4 ist
an dem einen Ende der Eingangswelle 3 angeordnet. Das Belastungs-Steuerflächenelement 4 ist
zum Übertragen
der Antriebskraft (Drehmoment) der Eingangswelle 3 auf
die Eingangsscheibe 1 über
eine Steuerflächenrolle 5 konfiguriert.
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Die
Eingangsscheibe 1 und die Ausgangsscheibe 2 haben
eine im wesentlichen ähnliche
Formgebung und sind symmetrisch angeordnet. Bei den einander zugewandt
gegenüberliegenden
Oberflächen
dieser Scheiben handelt es sich um toroidförmige Oberflächen, die
gemeinsam im Axialschnitt eine im wesentlichen halbkreisförmige Formgebung
aufweisen. Ein Paar Antriebswälzlager 6 und 7 zum Übertragen
von Antriebskraft sind in toroidförmigen Hohlräumen, die
durch die toroidförmigen
Oberflächen
der Eingangs- und der Ausgangsscheibe 1 und 2 gebildet
sind, derart angeordnet, daß die
Lager 6 und 7 mit der Eingangsscheibe 1 und der
Ausgangsscheibe 2 in Berührung stehen.
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Das
Antriebswälzlager 6 beinhaltet
eine Antriebsrolle 6a, die auf den toroidförmigen Oberflächen der Eingangs-
und der Ausgangsscheibe 1 und 2 eine Wälzbewegung
ausführt
(und die einem inneren Ring des Antriebswälzlagers 6 entspricht),
einen äußeren Ring 6b sowie
eine Vielzahl von Wälzelementen
(Stahlkugeln) 6c.
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Das
andere Antriebswälzlager 7 ist
aus einer Antriebsrolle 6a gebildet, die eine Wälzbewegung
auf den toroidförmigen
Oberflächen
der Eingangs- und der Ausgangsscheibe 1 und 2 ausführt (und
einem inneren Ring des Antriebswälzlagers 7 entspricht),
einen äußeren Ring 7b sowie
eine Vielzahl von Wälzelementen (Stahlkugeln) 7c.
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Mit
anderen Worten, es wirkt die Antriebsrolle 6a auch als
innerer Ring, bei dem es sich um eine Konstruktionsteil des Antriebswälzlagers 6 handelt,
und die Antriebsrolle 7a wirkt ebenfalls als innerer Ring,
bei dem es sich um ein Konstruktionsteil des Antriebswälzlagers 7 handelt.
Bei dieser Konstruktion ist die Antriebsrolle 6a über einen
Schwenkpunkt 8, den äußeren Ring 6b und
die Wälzelemente 6c mit
einem Drehzapfen 10 drehbar gekoppelt und gleichzeitig
um eine Schwenkachse O schräg
abgestützt,
bei der es sich um das Zentrum der toroidförmigen Oberflächen der
Eingangs- und der Ausgangsscheibe 1 und 2 handelt.
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In
gleicher Weise ist die Antriebsrolle 7a mittels eines Schwenkpunkts 9,
dem äußeren Ring 7b und Wälzelementen
(Stahlkugeln) 7c mit einem Drehzapfen 11 drehbar
gekoppelt und gleichzeitig durch eine Schwenkachse O schräg abgestützt, bei
der es sich um das Zentrum der toroidförmigen Oberflächen der
Eingangs- und der Ausgangsscheiben 1 und 2 handelt.
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Ein
Schmiermittel mit hoher Viskosität
oder hohem Reibungswiderstand wird auf die Berührungsflächen der Eingangsscheibe, der
Ausgangsscheibe, 1, 2 sowie der Antriebs- bzw.
Kraftrollen 6a, 7a aufgebracht. Eine Antriebskraft
wird auf die Eingangsscheibe 1 ausgeübt und durch einen Schmiermittelfilm
und die Antriebsrollen 6a und 7a auf die Ausgangsscheibe 2 übertragen.
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Die
Eingangs- und die Ausgangsscheibe 1 und 2 sind
unabhängig
von der Eingangswelle 3 unter Zwischenanordnung einer Nadel 12 ausgebildet
(d.h. die Eingangsscheibe 1 und die Ausgangsscheibe 2 sind nicht
direkt von der Bewegung der sich drehenden Welle 3 betroffen).
Die Ausgangswelle 14, die parallel zu der Eingangswelle 3 angeordnet
ist und über
Winkelelemente 13 durch ein Gehäuse (nicht gezeigt) drehbar abgestützt ist,
ist mit der Ausgangsscheibe 2 verbunden.
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Bei
dem toroidförmigen,
stufenlos einstellbaren Getriebe 20 wird die Antriebskraft
der Eingangswelle 3 auf das Belastungs-Steuerflächenelement 4 übertragen.
Wenn die Antriebskraft übertragen
wird und das Belastungs-Steuerflächenelement 4 rotationsmäßig bewegt,
wird die Rotationskraft durch die Steuerflächenrolle 5 auf die
Eingangsscheibe 1 übertragen,
um dadurch die Eingangsscheibe 1 rotationsmäßig zu bewegen.
Die durch die Rotation der Eingangsscheibe 1 erzeugte Kraft
wird über
die Antriebsrolle 6a und die Antriebsrolle 7a auf
die Ausgangsscheibe 2 übertragen.
Infolgedessen dreht sich die Ausgangsscheibe 2 zusammen
mit der Ausgangswelle 14.
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Zum
Zeitpunkt der Übertragung
werden die Drehzapfen 10 und 11 geringfügig in Richtung
auf die Schwenkachsen O bewegt. Wenn die Drehzapfen 10 und 11 in
Richtung auf die Achsen bewegt werden, so wird der Schnittpunkt
zwischen der Rotationsachse der Antriebsrollen 6a und 7a und
der Achse der Eingangs- und der Ausgangsscheibe 1 und 2 geringfügig von
der ursprünglichen
Position verlagert.
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Infolgedessen
gelangen die umfangsmäßige Rotationsgeschwindigkeit
einer jeden der Antriebsrollen 6a und 7a sowie
die umfangsmäßige Rotationsgeschwindigkeit
der Eingangsscheibe 1 in ein Ungleichgewicht, und die Kraftkomponente
des Drehmoments der Eingangsscheibe 1 veranlaßt die Antriebsrollen 6a und 7a zur Ausführung einer
Rotationsbewegung in schräger
Richtung um die Schwenkachsen O. Infolgedessen bewegen sich die
Antriebsrollen 6a und 7a in schräger Weise
auf den gekrümmten
Oberflächen
der Eingangs- und der Ausgangsscheibe 1 und 2.
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Da
die Antriebsrollen 6a und 7a auf den gekrümmten Oberflächen der
Eingangs- und der Ausgangsscheibe 1 und 2 in schräger Weise
rotationsmäßig bewegt
werden, ändert
sich ein Geschwindigkeitsverhältnis mit
dem Ergebnis, daß eine
Verzögerung
und eine Beschleunigung stattfinden. Ein Beispiel eines herkömmlichen
toroidförmigen,
stufenlos einstellbaren Getriebes mit einer solchen Konstruktion
ist in der japanischen Gebrauchsmusteranmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
2-49411 gezeigt.
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Als
Eingangsscheibe, Ausgangsscheibe und Antriebswälzlager sind herkömmlicherweise
die Elemente in der Ausbildung gemäß AISI52100 (JIS SUJ2, das
Chromstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt entspricht) bekannt, wie
dies in der "NASA
Technical Note NASA ATN D-8362" beschrieben
ist.
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Die
vorliegenden Erfinder haben eine Patentanmeldung eingereicht (japanische
Patentanmeldung KOKAI-Veröffentlichungsnummer
7-71555), bei der die Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe und das
Antriebswälzlager
einer Oberflächenbehandlung
unterzogen werden, wie zum Beispiel einer Kohlenstoff-Einsatzhärtungsbearbeitung
oder einer Karbonitrierungsbearbeitung, um die Lebensbeständigkeit
zu verbessern. Alternativ hierzu ist die Oberflächenbehandlung in der japanischen
Patentanmeldung mit der KOKAI-Veröffentlichungsnummer 9-79336
auf eine Kohlenstoff-Einsatzhärtungsbearbeitung
begrenzt, bei der das Nitrierungsausmaß und das restliche Austenit
definiert sind.
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Bei
dem toroidförmigen,
stufenlos einstellbaren Getriebe werden die Eingangsscheibe, die
Ausgangsscheibe, die Antriebsrolle und das Belastungs-Steuerflächenelement
wiederholt mit einer extrem hohen Biegebelastung und Scherbelastung
im Vergleich zu solchen Maschinenteilen, wie etwa einem Zahnrad
beaufschlagt, das allgemein wiederholten Spannungsbelastungen ausgesetzt
ist. Aus diesem Grund wurde der Vorschlag gemacht, diese Scheiben,
die Antriebsrolle sowie die Steuerflächenscheibe aus einem Material
mit hoher Ermüdungsfestigkeit
herzustellen und dieses einer Wärmebehandlung
zu unterziehen, um die Ermüdungsfestigkeit
zu verbessern.
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In
der japanischen Patentanmeldung KOKAI-Veröffentlichungsnummer 7-71555
sind zum Beispiel die Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe, die
eine Antriebsrolle und die andere Antriebsrolle derart ausgebildet, daß sie eine
gehärtete
Schicht aufweisen, deren wirksame Tiefe 2,0 mm oder mehr sowie 4
mm oder weniger beträgt.
In der japanischen Patentanmeldung mit der KOKAI-Veröffentlichungsnummer
7-286649 erfolgt nach der Wärmebehandlung
ein Sandstrahlvorgang. In der japanischen Patentanmeldung mit der
KOKAI-Veröffentlichungsnummer
11-141638 ist unter der Annahme, daß eine dynamische maximale
Scherbelastung an einer Position Z0 erzeugt
wird, die Härte
der gehärteten
Schicht an einer Stelle, die 3,5 Z0 bis
5,0 Z0 erfüllt, auf 650 oder mehr eingestellt.
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Das
Dokument JP-A-04-021757 offenbart ein Zahnrad mit einer verbesserten
Oberflächendruckermüdungsfestigkeit,
bestehend aus Stahlprodukten mit einer Oberfläche, die durch Plasma- oder
Vakuum-Karbonitrierungsbearbeitung gehärtet ist, um feinere Kristallkörner zu
bilden. Es sind jedoch keine speziellen Härtewerte oder Korngrößen angegeben.
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Das
Dokument US-A-S 556 348A offenbart ein toroidförmiges, stufenlos einstellbares
Getriebe, das Scheiben mit einer Oberflächenhärte von HV697 sowie einer Härte von HV550 über eine
Tiefe von 2 mm bis 4 mm aufweist. Das Dokument des Standes der Technik
enthält
keine Angaben hinsichtlich der Korngröße.
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Das
Dokument JP-A-60-021362 offenbart ein Zahnrad sowie dessen Herstellung,
das eine einer Karbonitrierungsbearbeitung unterzogene Schicht mit
einer Kristall-Korngröße mit hohem
Austenit-Gehalt, nämlich
eine JIS-Korngröße von 7
oder mehr aufweist. Diese spezielle Korngröße ist jedoch für die einer
Karbonitrierungsbearbeitung unterzogene Schicht angegeben und nicht
für eine
von der Oberfläche
getrennte Kernschicht.
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Das
Dokument JP-A-11-199983 offenbart Stahlmaterial für ein Wälzelement
in einem stufenlos einstellbaren Getriebe, das einer Karbonitrierungsbearbeitung
unterzogen wird, um eine oberflächengehärtete Schicht
zu bilden. Es sind jedoch keine speziellen Härtewerte oder Korngrößen angegeben.
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Aus
dem Dokumente US-A-6 051 080 ist ein weiteres Wälzelement bekannt, das in einem
stufenlos einstellbaren Getriebe verwendet wird. Eine Oberflächenschicht
des Wälzelements
wird durch Karbonitrierungsbearbeitung gehärtet, so daß eine Schicht mit einer wirksamen
Tiefe von 1 mm bis 2 mm resultiert. Anschließend wird das Wälzelement
einem Schleifvorgang unterzogen. Die gehärtete Schicht – wobei
keine bestimmten Härtewerte
offenbart sind – hat
somit eine Tiefe von weniger als 2 mm.
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Das
Dokument JP-A-07-316640 offenbart ein Karbonitrierungsbearbeitungsverfahren,
mit dem sich ein Kohlenstoffstahl mit einer austenitischen Kristallkorngröße von 10
oder mehr erzielen läßt. Die
Veröffentlichung
macht jedoch keine Angaben hinsichtlich einer Kern-/Oberflächenstruktur
mit irgendwelchen speziellen Härtewerten
und Korngrößen.
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In
jüngerer
Zeit ist jedoch der Bedarf entstanden, toroidförmige, stufenlos einstellbare
Getriebe weiter zu miniaturisieren und den Ausgangswert des Übertragungsdrehmoments
weiter zu erhöhen.
Aus diesem Grund müssen
mechanische Teile eine höhere
Ermüdungsfestigkeit
als herkömmliche
Teile aufweisen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist zum Überwinden
der vorstehend geschilderten Probleme erfolgt. Ein Ziel der vorliegenden
Erfindung besteht in der Schaffung eines toroidför migen, stufenlos einstellbaren
Getriebes, das eine lange Lebensdauer besitzt und in der Lage ist,
das Abschälen
der Traktionsfläche
der aus einer Eingangsscheibe und einer Ausgangsscheibe gebildeten
toroidförmigen
Oberfläche
sowie das Abschälen
der Traktionsfläche
einer Antriebsrolle zu unterdrücken
und gleichzeitig die Lebensdauer gegenüber einer Ermüdungs-Rißbildung
der Eingangsscheibe, der Ausgangsscheibe und der Antriebsrolle zu
verbessern, und zwar durch derartige Ausbildung des toroidförmigen,
stufenlos einstellbaren Getriebes in einer Weise, daß von der Eingangsscheibe,
der Ausgangsscheibe und dem inneren Ring des Antriebswälzlagers
bzw. Kraftwälzlagers zumindest
ein Element aus einem Legierungsstahl gebildet ist und entweder
einer Kohlenstoff-Einsatzhärtungsbearbeitung
und Polierbearbeitung oder einer Karbonitrierungsbearbeitung und
Polierbearbeitung unterzogen worden ist und von der Eingangsscheibe,
der Ausgangsscheibe und dem inneren Ring des Antriebswälzlagers
zumindest ein Element eine gehärtete
Schicht mit einer Härte
HV653 und einer Tiefe von 2,0 mm oder mehr und 4,00 mm oder weniger
von der Oberfläche
aufweist.
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Erreicht
wird dieses Ziel durch eine Vorrichtung, wie sie im Anspruch 1 definiert
ist. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine
Ansicht zur Erläuterung
eines toroidförmigen,
stufenlos einstellbaren Getriebes;
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2 eine
Kennliniendarstellung zur Erläuterung
der Relation zwischen der Zeit und der Temperatur bei der Ausführung einer
Wärmebehandlung
an Konstruktionsteilen, nämlich
einer Eingangsscheibe, einer Ausgangsscheibe sowie Antriebsrollen
des toroidförmigen,
stufenlos einstellbaren Getriebes gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
Kennliniendarstellung zur Erläuterung
der Relation zwischen der Zeit und der Temperatur bei Ausführung einer
Wärmebehandlung
an Konstruktionsteilen, nämlich
einer Eingangsscheibe, einer Ausgangsscheibe sowie Antriebsrollen
des toroidförmigen,
stufenlos einstellbaren Getriebes gemäß der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Kennliniendarstellung zur Erläuterung
der Relation zwischen der Größe von Kristallkörnern und
der Lebensdauer einer Scheiben-Traktionsfläche in Abhängigkeit von den Wärmebehandlungsbedingungen
der 3;
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5 eine
Ansicht zur Erläuterung
einer Ermüdungstestmaschine
vom Servo-Typ;
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6 eine
Kennliniendarstellung zur Erläuterung
der Relation zwischen der Korngröße eines
Eingangsscheiben-Kernbereichs und der Anzahl der Wiederholungen
der Belastungsvorgänge;
und
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7 eine
Kennliniendarstellung zur Erläuterung
der Relation zwischen der Zeit und der Temperatur bei Ausführung einer
Wärmebehandlung
an Konstruktionsteilen, nämlich
einer Eingangsscheibe, einer Ausgangsscheibe sowie Antriebsrollen
des toroidförmigen,
stufenlos einstellbaren Getriebes gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Beste Art und Weise zum
Ausführen
der Erfindung
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Im
folgenden wird das toroidförmige,
stufenlos einstellbare Getriebe gemäß der vorliegenden Erfindung
ausführlicher
erläutert.
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Bei
dem Begriff "effektive
Tiefe der gehärteten
Schicht" handelt
es sich nicht um die Tiefe gemäß der Norm
JIS G0557, sondern um die Tiefe einer gehärteten Schicht mit einer Vickers-Härte von
653 oder mehr ausgehend von der Oberfläche der gehärteten Schicht.
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Die
Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe und die Antriebsrollen, bei
denen es sich um die Konstruktionsteile des toroidförmigen,
stufenlos einstellbaren Getriebes der vorliegenden Erfindung handelt,
werden aus einem Legierungsstahl gebildet und einer Oberflächenbehandlung
unterzogen, wobei es sich zum Beispiel um eine Kohlenstoff-Einsatzhärtungsbearbeitung
und eine Polierbearbeitung oder um eine Karbonitrierungsbearbeitung
und eine Polierbearbeitung handelt.
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Ferner
ist die effektive Tiefe der gehärteten
Schicht (d.h. die Tiefe von der Oberfläche der gehärteten Schicht mit der Härte von
HV653 oder mehr) von zumindest einem Element der beiden Scheiben
und der Antriebsrollen auf 2,0 mm oder mehr sowie 4,0 mm oder weniger
gesetzt.
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Infolgedessen
werden die Traktionsfläche
der aus der Eingangsscheibe und der Ausgangsscheibe gebildeten toroidförmigen Oberfläche sowie
die Traktionsfläche
der Antriebsrollen hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit verbessert. Außerdem können die
Traktionsflächen
der Eingangs- und der Ausgangsscheiben sowie der Antriebsrollen
in ihrer Antiermüdungsfestigkeit
verbessert werden.
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Bei
dem toroidförmigen,
stufenlos einstellbaren Getriebe beträgt die Korngröße der Oberfläche 8 oder mehr,
und die Korngröße des Kernbereichs
beträgt
4 oder mehr.
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Ferner
ist das toroidförmige,
stufenlos einstellbare Getriebe aus Stahl gebildet, der 0,010 bis
0,050% Al sowie 0,005 bis 0,030% N enthält.
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Die
Gründe
hierfür
werden im folgenden erläutert.
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Wenn
die Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe sowie der äußere und
der innere Ring des Antriebswälzlagers
und insbesondere der innere Ring einer Kohlenstoff-Einsatzhärtungsbearbeitung
oder einer Karbonitrierungsbearbeitung gefolgt von einem Poliervorgang
unterzogen werden, so daß die
Tiefen der effektiven gehärteten
Schichten der Eingangsscheibe und der Ausgangsscheibe sowie der
Antriebsrolle in einem Bereich innerhalb von 2,0 mm oder mehr und
4,0 mm oder weniger liegen, dann wird ein Abschälen der Traktionsflächen der
Eingangsscheibe, der Ausgangsscheibe und der Antriebsrolle verhindert,
und die Lebensdauer gegenüber
Rißbildung
durch Ermüdung
wird verbessert.
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Herkömmlicherweise
wird die Tiefe der effektiven gehärteten Schicht als Tiefe der
gehärteten
Schicht mit der Härte
HV550 oder mehr ausgehend von der Oberfläche definiert, wie dies der
Definition gemäß JIS G0557
entspricht. Die Tiefe ist ausreichend als Beständigkeit für ein herkömmliches toroidförmiges,
stufenlos einstellbares Getriebe, jedoch nicht ausreichend als Beständigkeit
für ein
zu miniaturisierendes toroidförmiges, stufenlos
einstellbares Getriebe mit einem höheren Ausgangs-Transmissionsmoment.
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Aus
diesem Grund ist die effektive Tiefe als die Tiefe der gehärteten Schicht
mit einer Härte
HV653 oder mehr ausgehend von der Oberfläche definiert. Infolgedessen
lassen sich die Traktionsflächen
der Eingangsscheibe, der Ausgangsscheibe und der Antriebsrolle in
ihrer Lebensdauer gegenüber
Abschälen
und Rißbildung
verbessern.
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Wenn
das toroidförmige,
stufenlos einstellbare Getriebe angetrieben wird, so entstehen Risse
unter den Traktionsflächen
der Eingangsscheibe, der Ausgangsscheibe und des inneren Rings des
Antriebswälzlagers.
Der Grund hierfür
besteht darin, daß die
Härte der
gehärteten
Schicht geringer wird als 6 τst
(d.h. 6 τst > Härte (HV)), wobei τst eine Scherbelastung
ist, die einen Einsatzbruch aufgrund mangelnder Widerstandsfähigkeit
hervorruft.
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Wenn
das toroidförmige,
stufenlos einstellbare Getriebe, bei dem die Tiefe der effektiven
gehärteten Schicht
unter 2,0 mm beträgt,
angetrieben wird, werden die Traktionsflächen der Eingangs- und der
Ausgangsscheibe einer Wälz-Ermüdungsbelastung
unter hohem Druck ausgesetzt. Infolgedessen wird die Zuverlässigkeit
gegenüber
dynamischer maximaler Scherbelastung entlang der Tiefe geringer,
so daß die
Lebensdauer gegenüber
Wälz-Ermüdung kürzer wird.
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Wenn
dagegen die Tiefen der effektiven gehärteten Schichten der Eingangsscheibe,
der Ausgangsscheibe und der Antriebsrolle 4,0 mm übersteigen,
dann reicht die Kohlenstoff-Einsatzhärtungsbearbeitung tiefer, wobei
diese eine Korngrenzen-Oxidation von deren Oberflächen verursacht.
Als Ergebnis der Korngrenzen-Oxidation wird eine anomal kohlenstoff-einsatzgehärtete Schicht,
wie zum Beispiel Walzzunder, größer, wobei
dies einen negativen Einfluß auf
die Oberfläche
eines fertigen Produkts hat und die Beständigkeit gegen Ermüdung verringert.
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Die
Traktionsfläche
der Eingangsscheibe und der Ausgangsscheibe sowie die Traktionsfläche der
Antriebsrolle können
hinsichtlich ihrer Wälz-Lebensdauer
sowie ihrer Lebensdauer gegenüber
Rißbildung
durch Ermüdung
verbessert werden, wenn die Tiefe (die Tiefe von der Oberfläche der
gehärteten
Schicht mit der Härte
HV653) der effektiv gehärteten
Schichten der Eingangsscheibe, der Ausgangsscheibe und der Antriebsrolle in
dem Bereich zwischen 2,0 mm oder mehr und 4,0 mm oder weniger liegt.
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Die
Tiefe der effektiv gehärteten
Schicht (2,0 mm oder mehr und 4,0 mm oder weniger) kann erzielt werden,
indem ein Ausgangsmaterial einer Kohlenstoff-Einsatzhärtungsbearbeitung
oder einer Karbonitierungsbearbeitung unterzogen wird. Daher ist
die Tiefe der effektiven gehärteten
Schicht auf 2,0 mm oder mehr und 4,0 mm oder weniger begrenzt, indem
die gehärtete
Schicht einer Kohlenstoff-Einsatzhärtungsbearbeitung oder einer
Karbonitrierungsbearbeitung gefolgt von einem Poliervorgang unterzogen
wird.
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Auch
ist es wünschenswerter,
daß die
verbleibende Druckspannung einen Spitzenwert innerhalb von 0,15
mm gemessen von den Oberflächen
der Eingangsscheibe, der Ausgangsscheibe und der Antriebsrolle aufweist,
und daß die
verbleibende Druckspannung in einen Bereich zwischen –1300 Mpa
oder mehr und –600 Mpa
fällt.
Auf diese Weise läßt sich
eine weitere Stabilisierung der Lebensdauer gegenüber Rißbildung
durch Ermüdung
erzielen.
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Die
verbleibende Druckspannung läßt sich
durch Sandstrahlbearbeitung erzielen. Die Sandstrahlbearbeitung
ist von Vorteil, da sie einem Werkstück die Oberflächenhärte und
die verbleibende Druckspannung verleihen kann. Bei der vorliegenden
Erfindung wird die Zugfestigkeit der verbleibenden Druckspannung
durch (+) dargestellt, während
ihre Druckfestigkeit durch (–)
dargestellt wird.
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Der
Kohlenstoffgehalt (Basis-Kohlenstoff), der in dem Basismaterial
für die
Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe und die Antriebsrolle enthalten
ist, ist herkömmlicherweise
auf 0,35 Gew.-% oder weniger eingestellt. Es hat sich neuerdings
herausgestellt, daß die
Festigkeit gegenüber
Rißbildung
durch Ermüdung
bis zum Erreichen eines Kohlenstoffgehalts von 0,5 Gew.-% nicht
geringer wird. In dem Ausmaß,
in dem der Kern fester wird, wird ferner die Festigkeit gegenüber Ermüdung besser.
Aus diesem Grund ist es wünschenswert, daß der Gehalt
des Basis-Kohlenstoffs von 0,3% bis 0,5% betragen sollte.
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Da
Si (Silizium) ein wesentliches Element als Desoxidator bei der Herstellung
von Stahl ist, ist es in einer Menge von 0,1% oder mehr enthalten.
Selbst wenn Si übermäßig enthalten
ist, wird jedoch nicht nur die Wirkung von Si gesättigt, sondern
das übermäßige Si
vermindert auch die Schmiedbarkeit und die Schleifbarkeit. Aus diesem
Grund ist der Gehalt von Si auf 2,0% oder weniger eingestellt.
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Bei
Mn handelt es sich um ein Element, das als Desoxidator bei der Herstellung
von Stahl dient und das die Warmbearbeitbarkeit von Stahl sowie
die zuverlässigen
Abschreckungseigenschaften verbessert. Zur Verbesserung der Warmbearbeitbarkeit
und zum Gewährleisten
von zuverlässigen
Abschreckungseigenschaften ist Mn in einer Menge von 0,5% oder mehr
enthalten.
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Wenn
Mn jedoch übermäßig enthalten
ist, nimmt die Schleifbarkeit des Ausgangsmaterials ab, und das
Ausgangsmaterial läßt sich
nicht in einfacher Weise zu einem Wälzelemente bilden oder formen.
Aus diesem Grund ist die Obergrenze des Mn-Gehalts auf 2,0% eingestellt.
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Cr
ist ein Element, das die Menge an Karbid oder Karbonitrid erhöht, das
sich bei der Kohlenstoff-Einsatzhärtungsbearbeitung oder der
Karbonitrierungsbearbeitung ablagert. Wenn Cr in einer Menge von
0,5% oder mehr zugesetzt wird, steigt die Menge des sich ablagernden
Karbids an, so daß die
Härte der äußersten Schicht
höher wird.
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Infolgedessen
ergibt sich eine weitere Verbesserung der Lebensdauer gegenüber Wälzbewegungs-Ermüdung in
einer mit Fremdstoffen verunreinigten Umgebung. Wenn Cr jedoch übermäßig zugesetzt wird,
dann wird die Bearbeitbarkeit geringer. Aus diesem Grund ist die
Obergrenze des Cr-Gehalts auf 2,0% festgelegt.
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Mo
ist zum Verbessern der Abschreckungseigenschaften wirksam und trägt zur Verbesserung
der Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Erweichung bei, da ein Karbonitrid erzeugt wird. Die Wirkung von
Mo ist nicht ausreichend, wenn die Menge an Mo weniger als 0,10%
beträgt.
Wenn die zugesetzte Menge an Mo einen Wert von 1,5% übersteigt,
wird jedoch die Bearbeitbarkeit geringer.
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P
(Phosphor) und S (Schwefel) sind unweigerlich vorhandene Verunreinigungen.
Wenn der Gehalt an P und S einen Wert von 0,003% oder mehr ausmacht,
nimmt die Ermüdungsfestigkeit
ab. Aus diesem Grund ist die Obergrenze für P und S auf 0,030% eingestellt.
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Weiterhin
ist es bekannt, daß die
Reinheit von Stahl (Ausgangsmaterial) einen starken Einfluß auf die Verbesserung
der Ermüdungsfestigkeit
von hochfestem Stahl gegenüber
Rotations- und Biegebewegungen hat. Wenn, zur weiteren Erläuterung,
ein großer
nicht metallischer fremder Gegenstand im Stahl vorhanden ist, treten
Ermüdung
durch Rißbildung
sowie Abschälen
aufgrund des fremden Gegenstands mit größerer Wahrscheinlichkeit auf.
Aus diesem Grund ist es bevorzugt, die Reinheit des Ausgangsmaterials
zu verbessern, wobei es noch weiter bevorzugt ist, daß die Sauerstoffkonzentration
des Ausgangsmaterials auf 10 ppm oder weniger eingestellt ist.
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Wenn
die Kohlenstoff-Einsatzhärtungsbearbeitung
oder die Karbonitrierungsbearbeitung bei einer hohen Temperatur
von 900°C
oder mehr für
eine lange Zeitdauer ausgeführt
wird, kommt es zum Wachstum von austenitischem Kristallkorn. Da
Kristallkorn grob wächst,
werden die Ermüdungsfestigkeit
sowie die Aufprallfestigkeit geringer. Zum Verhindern einer sinkenden
Festigkeit läßt man die
Kristallkörner
der Berührungsfläche der
Scheibe und der Antriebsrolle in kleinen Größen wachsen.
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Der
Grund hierfür
besteht darin, daß die
Festigkeit um so besser wird, je kleiner die Körner sind. Da insbesondere
eine Rißbildung
nicht wahrscheinlich ist, wenn die Korngröße den Wert 8 oder mehr gemäß der Definition
durch JIS G0551 erreicht, lassen sich die Walzbeständigkeits-
und die Abschälbeständigkeits-Lebensdauern
der Kontaktfläche
verbessern.
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Da
eine Kohlenstoff-Einsatzhärtungsbearbeitung
oder eine Karbonitrierungsbearbeitung an den Scheiben und den Antriebsrollen
vorgenommen wird, lagert sich eine große Menge an Karbid und Karbonitrid in
der Einsatzhärtungsschicht
ab. Dieses abgelagerte Karbid und Karbonitrid verhindern das Wachstum
von Kristallkörnern.
Infolgedessen kann die Korngröße auf 8
oder mehr eingestellt werden.
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Im
Gegensatz dazu ist auch in den Kernbereichen der Scheiben und der
Antriebsrolle (wobei darunter die Kernbereiche zu verstehen sind,
die der Wirkung der Kohlenstoff-Einsatzhärtungsbearbeitung
oder der Karbonitrierungsbearbeitung nicht ausgesetzt sind) die
Korngröße um so
besser, je kleiner sie ist. Der Grund hierfür besteht darin, daß die Festigkeit
zunimmt. Mit anderen Worten, es wird bei kleiner Korngröße die Entwicklung
von Rissen unterdrückt.
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Infolgedessen
werden die Lebensdauern der Scheiben und des Antriebswälzlagers
(insbesondere des inneren Rings) gegenüber Rißbildung lang. Dabei liegt
in dem Kernbereich die Kohlenstoffkonzentration in einem Bereich
von 0,3 bis 0,5%, und die Abscheidungsmengen von Karbid und Karbonitrid
sind nicht so hoch wie an der Oberfläche. Infolgedessen wächst ein
Kristallkorn zu einem großen
Kristallkorn an.
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Neuerdings
hat sich jedoch herausgestellt, daß bei einer Korngröße von 4
oder mehr die Wachstumsrate eines Risses an dem Kernbereich geringer
wird. Wenn die Korngröße des Kernbereichs
4 oder mehr beträgt,
können
somit die Lebensdauern der Scheiben und der Antriebsrollen gegenüber Rißbildung
verbessert werden.
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Wenn
die Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe und der innere Ring des
Antriebswälzlagers
unter Verwendung von Stahl hergestellt werden, der Al in einer Menge
von 0,010% oder mehr enthält
und N in einer Menge von 0,005% oder mehr enthält, wird das Wachstum von Kristallkörnern verhindert,
so daß es
einfacher wird, eine Korn größe von 8
oder mehr an der Oberfläche
sowie eine Korngröße von 4
oder mehr am Kern zu erzielen. Der Grund hierfür besteht darin, daß die Ablagerung
von AlN in dem Stahl das Wachstum eines Kristallkorns in wirksamer
Weise verhindert.
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Wenn
der Gehalt an AlN geringer ist als 0,010% und der Gehalt an N geringer
ist als 0,005%, dann ist die Abscheidungsmenge von AlN nicht ausreichend.
Infolgedessen ist es schwierig, eine Korngröße von 8 oder mehr an der Oberfläche sowie
eine Korngröße von 4
oder mehr im Kern zu erzielen. Zum Verhindern des Wachsens eines
groben Kristallkorns ist es ferner notwendig, eine Kohlenstoff-Einsatzhärtungsbearbeitung oder
eine Karbonitrierungsbearbeitung bei einer geringfügig niedrigeren
Temperatur von 900°C
bis 920°C durchzuführen. Ein
solcher Fall ist nicht bevorzugt, da die Bearbeitung für eine lange
Zeitdauer in einem begrenzten Temperaturbereich ausgeführt werden
muß, um
die Produktivität
zu steigern.
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AlN
dient auch als Fremdstoff in Stahl. Wenn AlN übermäßig enthalten ist, unterliegt
das AlN intensiven Spannungen, durch die Wälzbewegungs-Ermüdung und
Ermüdungs-Rißbildung
entstehen. Infolgedessen verringern sich die Lebensdauern gegenüber Wälzbewegungs-Ermüdung und
Ermüdungs-Rißbildung.
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Aus
diesem Grund ist die Menge an Al auf 0,050% oder weniger eingestellt,
und die Menge an N ist auf 0,030% oder weniger eingestellt. Andererseits
ist es bevorzugt, daß Al
in einer Menge von 0,015 bis 0,035% und N in einer Menge von 0,05
bis 0,020% enthalten sind. Der Grund hierfür besteht darin, daß die Korngröße klein
wird und AlN die Festigkeit gegenüber Ermüdung nicht verringert.
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Im
folgenden werden Beispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Die
Grundkonstruktion eines toroidförmigen,
stufenlos einstellbaren Getriebes gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die gleiche wie die herkömmlicher
Getriebe, wobei auf eine weitere Erläuterung verzichtet wird. Die
Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe und die Antriebsrolle sind
die gleichen wie in 1 dargestellt, und im folgenden
wird ein Verfahren zum Herstellen von diesen erläutert.
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Die
Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe und die Antriebsrolle, die
aus SCM 435 gebildet sind, werden einer Wärmebehandlung unterzogen, wie
sie in 2 veranschaulicht ist. In 2 veranschaulicht
(a) eine Karbonitrierungsbearbeitung unter Verwendung eines Rx-Gases,
eines Anreicherungsgases und 5% Ammoniak, (b) ver anschaulicht einen Öl-Abschreckvorgang
und (c) veranschaulicht einen Wärmebehandlungsvorgang.
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Karbonitrierungsbedingungen
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- Atmosphärengas:
Rx-Gas und Anreicherungsgas + Ammoniak
- Karbonitrierungstemperatur: Jede Temperatur im Bereich von 900°C bis 960°C (930°C bei dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel)
- Karbonitrierungszeit: Eingestellt in Abhängigkeit von der Tiefe und
der Härte
einer effektiv gehärteten
Schicht auf eine Zeitdauer von 10 bis 50 Stunden.
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Nach
Abschluß der
Karbonitrierungsbearbeitung wurde die resultierende Konstruktion
einmal allmählich
abgekühlt
(bei Anordnung in einem Ofen) sowie wieder auf eine Temperatur von
840°C erwärmt und
auf der Temperatur von 840°C
gehalten. Anschließend
erfolgte ein Öl-Abschreckvorgang,
worauf eine Wärmebehandlung
bei 180°C
für eine
Zeitdauer von zwei Stunden erfolgt, worauf ein allmähliches
Abkühlen
stattfand.
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Unter
Verwendung der vorstehend genannten Bedingungen erzielt man eine
Oberfläche
mit einer Vickers-Härte
von ca. HV697 bis HV772 (HRC60–HRC63).
Die Traktionsflächen
der Eingangsscheibe, der Ausgangsscheibe und der Antriebsrolle wurden
einer Schleifbearbeitung (Polieren gefolgt von Schleifen) unterzogen.
Auf diese Weise erhielt man die Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe
und die Antriebsrolle mit einer effektiven gehärteten Schicht mit einer in 1 dargestellten
Tiefe (Beispiele 1 bis 3).
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Ferner
wurden in der Tabelle 1 veranschaulichte Eingangsscheiben, Ausgangsscheiben
und Antriebsrollen unter Variation der Bedingungen für die Karbonitrierungsbearbeitung
hergestellt. Anschließend
wurde ein toroidförmiges,
stufenlos einstellbares Getriebe hergestellt, und ein Lebensdauertest
wurde unter den nachfolgenden Bedingungen 1 ausgeführt.
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Testbedingungen 1
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- Rotationsgeschwindigkeit einer Eingangswelle: 4000 min1
- Eingangsdrehmoment: 480 Nm
- Zu verwendendes Öl:
Synthetisches Schmieröl
- Temperatur des zugeführten Öls: 130°C
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Die
Lebensdauern der Eingangsscheibe, der Ausgangsscheibe und der Antriebsrolle
wurden als Zeitdauern bis zum Auftreten eines Abschälens der
Traktionsfläche
oder als Zeitdauern bis zum Auftreten von Ermüdungs-Rißbildung an einem beliebigen
Element aus Eingangsscheibe, Ausgangsscheibe und Antriebsrolle bestimmt.
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Wie
aus der Tabelle 1 erkennbar, ist kein Abschälen der Traktionsfläche an der
Eingangsscheibe, der Ausgangsscheibe und der Antriebsrolle (bei
den Beispielen 1 bis 3) festzustellen, die eine effektive gehärtete Schicht
mit einer Tiefe von 2,0 bis 4,0 mm aufweisen (wobei es sich um die
Tiefe ausgehend von der Oberfläche
der gehärteten Schicht
mit einer Härte
HV653 oder mehr handelt), wobei auch keine Ermüdungs-Rißbildung an der Eingangsscheibe,
der Ausgangsscheibe und der Antriebsrolle festzustellen ist. Diese
Fakten zeigen, daß die
Lebensdauer extrem verbessert ist.
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Wie
andererseits aus dem Vergleichsbeispiel 1 erkennbar ist, tritt innerhalb
von kurzer Zeit Bruch an der Destraktionsfläche auf. Aus der Überprüfung der
gerissenen Oberfläche
wurde festgestellt, daß der
Bruch durch Einsatzbruch bedingt ist. Genauer gesagt, es besteht
der Grund hierfür
darin, daß die
Scherspannungsverteilung τst
höher ist
als die Härteverteilung.
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In ähnlicher
Weise werden auch bei dem Vergleichsbeispiel 2 Risse an der Antriebsrolle
durch Einsatzbruch hervorgerufen. Für die Ursache hält man die
Tatsache, daß die
Scherspannung τst
höher ist
als die Härteverteilung.
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Weiterhin
entstehen bei den Vergleichsbeispielen 3 und 4 Risse durch Walzzunder.
Solche Risse ergeben sich aufgrund von Mängeln durch anomales Wachstum
einer Korngrenzen-Oxidationsschicht.
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Die
Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe und die Antriebsrolle aus SCM
435 wurden der in 3 dargestellten Wärmebehandlung
unterzogen. In 3 veranschaulicht (a) eine Karbonitrierungsbearbeitung unter
Verwendung eines Rx-Gases, eines Anreicherungsgases und 5% Ammoniak,
(b) veranschaulicht einen Öl-Abschreckungsvorgang
und (c) veranschaulicht einen Wärmebehandlungsvorgang.
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Die
Wärmebehandlungstemperatur
und die Wärmebehandlungszeit
wurden derart eingestellt, daß man
eine effektive gehärtete
Schicht mit einer Tiefe von 3,0 mm (wobei es sich um die Tiefe der
gehärteten Schicht
mit einer Härte
von HV653 oder mehr ausgehend von der Oberfläche handelt) erhielt. Es wurde
ein toroidförmiges,
stufenlos einstellbares Getriebe hergestellt, und ein Lebensdauertest
wurde unter den vorstehend genannten Testbedingungen 1 ausgeführt.
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Bei
dem bei jedem Beispiel festgestellten Bruch der Eingangsscheibe
handelt es sich um ein Abschälen
der Traktionsfläche.
Nach Abschluß des
Tests wurde die mikrographische Metallographie der Traktionsfläche der
Eingangsscheibe überprüft, um die
Beziehung zwischen der Lebensdauer der Eingangsscheibe und verschiedenen
Korngrößen zu ermitteln. 4 veranschaulicht
die Beziehung zwischen der Korngröße der Traktionsfläche bei
Bruch an der Eingangsscheibe sowie der Lebensdauer. 4 zeigt, daß die Walzlebensdauer
besser wird, wenn die Oberflächenkorngröße den Wert
8 oder mehr erreicht.
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Es
wurde ein Test bis zum Bruch der Scheibe durch wiederholtes Aufbringen
einer Last (wie in 5 dargestellt) auf zwei Endpunkte
der Scheiben-Umlaufebene ausgeführt,
wobei die Scheibe unter den gleichen Bedingungen hergestellt war,
wie dies vorstehend erläutert
wurde. Die Testbedingungen 2 sind im folgenden dargestellt.
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Testbedingungen 2
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- Testmaschine: Ermüdungstestmaschine
vom Servotyp
- Steuerung: Steuerung durch Last
- Last: Maximal 6,4 t
- Wiederholungsgeschwindigkeit: 20 Hz
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6 veranschaulicht
die Rißtestresultate
einer Scheibe (nicht nur der Eingangsscheibe sondern auch der Ausgangsscheibe).
Risse wurden in der inneren Oberfläche einer an der Oberseite
gebildeten Öffnung
auf einer Höhe
innerhalb von 1/3 von der Oberseite gebildet. In 6 veranschaulicht
die horizontale Achse die Wiederholungsanzahl (Nf) der Aufbringung
von Spannungsbelastung, und die vertikale Achse veranschaulicht
die Korngröße des Kernbereichs.
Die Resultate zeigen, daß dann,
wenn die Korngröße des Kernbereichs
4 oder mehr beträgt,
die Festigkeit gegenüber
Ermüdungs-Rißbildung
verbessert wird und sich somit eine lange Lebensdauer ergibt.
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Aus
dem Vorstehenden ist erkennbar, daß zum Verbessern der Lebensdauer
gegenüber
Wälzbewegungs-Ermüdung die
Korngröße des Oberflächenbereichs
8 oder mehr betragen muß.
Zum Verbessern der Lebensdauer gegenüber Ermüdungs-Rißbildung muß die Korngröße des Kernbereichs
4 oder mehr betragen.
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Damit
ein toroidförmiges,
stufenlos einstellbares Getriebe eine zufriedenstellende Lebensdauer
gegenüber
Wälzbewegungs-Ermüdung und
Ermüdungs-Rißbildung
aufweist, ist es somit besser, die Korngröße des Oberflächenbereichs
auf 8 oder mehr einzustellen und die Korngröße des Kernbereichs 21 auf
4 oder mehr einzustellen.
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Als
nächstes
wurden Eingangsscheiben aus SCM 435 unter Variation des darin enthaltenen
Al und N gebildet und einer Wärmebehandlung
unterzogen, wie dies in 7 dargestellt ist. In 7 veranschaulicht (a)
einen Karbonitrierungsbearbeitungsschritt unter Verwendung von Rx-Gas,
Anreicherungsgas und 5% Ammoniak, (b) veranschaulicht einen Öl-Abschreckungsschritt,
und (c) veranschaulicht einen Wärmebehandlungsschritt.
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Unter
Betrachtung der mikrographischen Metallographie nach dem Schleifen
wurden die Korngrößen des
Oberflächenbereichs
und des Kernbereichs ermittelt. Die nachfolgende Tabelle 2 veranschaulicht
die Beziehung zwischen den Mengen an Al und N, der Oberflächen-Korngröße sowie
der Kern-Korngröße.
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Wenn
Stahl mit einem Gehalt von 0,015 bis 0,035% an Al und 0,005 bis
0,020% an N der Karbonitrierungsbearbeitung, der Abschreckung und
der Wärmebehandlung
unterzogen wird, so erzielt man eine Korngröße des Oberflächenbereichs
mit der Größe 8 oder
mehr sowie eine Korngröße des Kernbereichs
mit der Größe 4 oder
mehr. Infolgedessen ist es möglich,
ein toroidförmiges,
stufenlos einstellbares Getriebe mit ausreichenden Lebensdauern
gegenüber
Wälzbewegungs-Ermüdung und
Ermüdungs-Rißbildung
herzustellen.
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Wie
vorstehend erläutert,
ermöglicht
die vorliegende Erfindung die Schaffung eines langlebigen toroidförmigen,
stufenlos einstellbaren Getriebes.
