DE60118423T2

DE60118423T2 - Stufenloses toroidgetriebe und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60118423T2
Application number: DE60118423T
Authority: DE
Inventors: Shigeru NSK Ltd. Fujisawa-shi OKITA; Tomonobu NSK Ltd. Fujisawa-shi YOSHIKAWA; Hiroshi NSK Ltd. Fujisawa-shi ISHII
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2000-11-13
Filing date: 2001-11-12
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2021-11-13
Also published as: US6659909B2; EP1258657B1; US20030040401A1; WO2002038984A1; JPWO2002038984A1; EP1258657A4; EP1258657A1; DE60118423D1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein stufenloses Toroidgetriebe und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Im Spezielleren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein für den Einsatz in einem Fahrzeug wie einem Automobil ausgelegtes stufenloses Toroidgetriebe und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Stand der Technik
Als stufenloses Toroidgetriebe wurde das in 1 gezeigte herkömmlicher Weise bekannt.
In einem (nicht gezeigten Gehäuse) sind eine Eingangsscheibe 1 und eine Ausgangsscheibe 2 koaxial derart angeordnet, dass sie einander zugewandt sind. Eine Eingangswelle 3 erstreckt sich durch die Achse des die Eingangs- und Ausgangsscheiben 1 und 2 enthaltenden Toroidgetriebes. Ein Vorspannnocken 4 ist an einem Ende der Eingangswelle 3 angeordnet und dazu ausgelegt, die Antriebskraft (das Drehmoment) der Eingangswelle 3 über eine Kurvenwalze 5 an die Eingangsscheibe 1 zu übertragen.
Die Eingangs- und Ausgangsscheiben 1 und 2 entsprechen sich im Wesentlichen von der Form her und sind symmetrisch angeordnet. Die einander zugewandten Flächen dieser Scheiben sind torisch gewölbte Flächen oder Toroidflächen und bilden zusammen in einem axialen Querschnitt gesehen im Großen und Ganzen Halbkreise. Ein Paar Antriebswalzenlager 6 und 7, die mit den Eingangs- und Ausgangsscheiben 1 und 2 in Kontakt stehen, ist in toxische Hohlräume eingeführt, die von den Toroidflächen der Eingangs- und Ausgangsscheiben 1 und 2 gebildet werden.
Das Antriebswalzenlager 6 umfasst eine Antriebswalze 6a, die auf den Toroidflächen der Eingangs- und Ausgangsscheiben 1 und 2 abrollt (und einem inneren Ring des Antriebswalzenlagers 6 entspricht), einen Außenring 6b und mehrere Rollkörper (Stahlkugeln) 6c. Das andere Antriebswalzenlager, d.h. das Antriebswalzenlager 7, umfasst eine Antriebswalze 7a, die auf den Toroidflächen der Eingangs- und Ausgangsscheiben 1 und 2 abrollt (und einem Innenring des Antriebswalzenlagers 7 entspricht), einen Außenring 7b und mehrere Rollkörper (Stahlkugeln) 7c.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, fungiert die Antriebswalze 6a als Innenring, der ein konstruktionstechnischer Bestandteil des Antriebswalzenlagers 6 ist, und die Antriebswalze 7a fungiert als Innenring, der ein konstruktionstechnischer Bestandteil des Antriebswalzenlagers 7 ist. Die Antriebswalze 6a ist mittels eines Zapfens 8 drehbeweglich mit einem Drehzapfen 10, dem Außenring 6b und den Rollkörpern 6c verbunden und kann gleichzeitig so geneigt werden, dass eine Schwenkachse O, welche die Mitte der Toroidflächen der Eingangs- und Ausgangsscheiben 1 und 2 ist, die Mitte der Neigebewegung ist.
Gleichermaßen ist die Antriebswalze 7a mittels eines Zapfens 9 drehbeweglich mit einem Drehzapfen 11, dem Außenring 7b und Rollkörpern (Stahlkugeln) 7c verbunden und kann gleichzeitig so geneigt werden, dass eine Schwenkachse O, welche die Mitte der Toroidflächen der Eingangs- und Ausgangsscheiben 1 und 2 ist, die Mitte der Neigebewegung ist. Ein Schmiermittel mit hoher Viskosität oder hohem Reibungswiderstand wird auf die Flächen der Eingangs- und Ausgangsscheiben 1 und 2 und der Antriebswalzen 6a und 7a aufgebracht. Eine auf die Eingangsscheibe 1 ausgeübte Antriebskraft wird über einen Schmiermittelfilm und die Antriebswalzen 6a und 7a auf die Ausgangsscheibe 2 übertragen.
Die Eingangs- und Ausgangsscheiben 1 und 2 sind mittels einer zwischen ihnen eingesetzten Nadel 12 von der Eingangswelle 3 unabhängig (das heißt, die Eingangs- und Ausgangsscheiben 1 und 2 bewegen sich ohne Bezug zur Drehwelle 3). Die Ausgangsscheibe 2 ist an eine Ausgangswelle 14 angeschlossen, die parallel zur Eingangswelle 3 ist und drehbeweglich mittels Winkelteilen 13 von einem (nicht gezeigten) Gehäuse gehaltert wird.
Bei dem stufenlosen Toroidantrieb 20 wird die Antriebskraft der Eingangswelle 3 an den Vorspannnocken 4 übertragen. Wenn die so übertragene Kraft den Vorspannnocken 4 in Drehung versetzt, wird die Drehung über die Nockenwalze 5 an die Eingangsscheibe 1 übertragen, wodurch diese in Drehung versetzt wird. Die auf der Drehung der Eingangsscheibe 1 beruhende Antriebskraft wird mit Hilfe der Antriebswalze 6a und der Antriebswalze 7a an die Ausgangsscheibe 2 übertragen. Im Ergebnis dreht sich die Ausgangsscheibe 2 zusammen mit der Ausgangswelle 14.
Bei der Übertragung werden die Drehzapfen 10 und 11 etwas zu den Schwenkachsen O hin bewegt. Indem sich die Drehzapfen 10 und 11 zu den Achsen hin bewegen, wird der Schnittpunkt zwischen der Drehachse der Antriebswalzen 6a und 7a und der Achse der Eingangs- und Ausgangswellen 1 und 2 etwas aus der ursprünglichen Position verschoben. Im Ergebnis gerät die Umfangsgeschwindigkeit der Drehung der Antriebswalzen 6a und 7a und diejenige der Drehung der Eingangsscheibe 1 aus dem Gleichgewicht, und ein Teil des Drehmoments der Eingangsscheibe 1 dient dann dazu, die Antriebswalzen 6a und 7a um die Schwenkachsen O zu drehen. Im Ergebnis gleiten und neigen sich die Antriebswalzen 6a und 7a auf den gewölbten Flächen der Eingangs- und Ausgangsscheiben 1 und 2.
Wenn das stufenlose Toroidgetriebe angetrieben wird, läuft ein hoher Kontaktdruck darauf hinaus, zwischen den Eingangs- und Ausgangsscheiben 1 und 2 einerseits und den Antriebswalzen 6a und 7a andererseits zu wirken, und der Höchstwert des Kontaktdrucks beträgt bis zu 4 GPa oder so ähnlich. Zusätzlich zu diesem Problem werden auch die Lagerflächen der Antriebswalzen 6a und 7a mit hohem Druck pro Flächeneinheit beaufschlagt und können sich innerhalb kurzer Zeit ablösen.
Unter diesen Umständen muss ein Ablösen oder eine Schädigung der Traktionsabschnitte der Toroidflächen der Eingangs- und Ausgangsscheiben 1 und 2 und der Antriebswalzen 6a und 7a verhindert werden, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Da die Eingangs- und Ausgangscheiben 1 und 2 und die Antriebswalzen 6a und 7a wiederholt Biegebelastung erfahren müssen, treten tendenziell Ermüdungsrisse auf. Die Eingangs- und Ausgangscheiben 1 und 2 und die Antriebswalzen 6a und 7a müssen so verbessert werden, dass sie kaum Ermüdung erleiden und in Langzeitbenutzung Biegebeanspruchung widerstehen können.
Die japanische Patentanmeldung KOKAI mit der Veröffentlichungsnummer 7-71555 beabsichtigt, ein stufenloses Toroidgetriebe bereitzustellen, bei dem die Traktionsflächen von Eingangs- und Ausgangsscheiben und diejenigen von Antriebswalzen eine verbesserte Rollfestigkeitsdauer haben, und bei dem die Eingangs- und Ausgangsscheiben und die Antriebswalzen eine verbesserte Ermüdungsrissbeständigkeitsdauer haben. Um diese Aufgabe zu erfüllen, werden die Scheiben und Antriebswalzen einer Carbonitrier- und Schleifbehandlung unterzogen. Alternativ werden sie einer Carbonitrier- und Schleifbehandlung unterzogen und so weiterbearbeitet, dass die Scheiben und/oder die Antriebswalzen eine gehärtete Schicht haben, deren effektive Tiefe nicht weniger als 2,0 mm und nicht mehr als 4,0 mm beträgt.
Nach der japanischen Patentanmeldung KOKAI mit der Veröffentlichungsnummer 2001-82566 wird eine Eingangsscheibe, eine Ausgangsscheibe und/oder eine Antriebswalze aus Stahl mit einem mittleren Kohlenstoffgehalt von 0,3% bis 0,5% hergestellt und einer Carburierungs- oder Carbonitrierbehandlung und noch einer Härte- und Glühbehandlung unterzogen, so dass die Härte des Kernabschnitts nicht unter HRC35 liegt. Durch diese Behandlung wird eine verbesserte Ermüdungsbeständigkeit erzielt.
Die Scheiben und Antriebswalzen werden jedoch durch Carburierung bei einer Temperatur im Bereich von 920 bis 960°C oder durch eine Carbonitrierbehandlung verbessert, die bei einer Temperatur im Bereich von 930 bis 950°C stattfindet, und dieser Prozess dauert 20 bis 30 Stunden. Nach der Behandlung hat sich deshalb unerwünschter Weise ein groß bemessenes Carbid oder Carbonitrid in der Metallstruktur der Scheiben und Antriebswalzen gebildet. Das dieses Carbid oder Carbonitrid die Ermüdungsfestigkeit der Scheiben und Antriebswalzen herabsetzt, muss die Entstehung eines solchen Stoffs verhindert werden. Im Falle eines Traktionsgetriebes wie einem stufenlosen Toroidgetriebe, lässt die auf die Rolloberflächen ausgeübte Zugkraft eine Tangentialkraft entstehen. Wenn ein Carbid oder Carbonitrid an einer Kristallkorngrenze vorhanden ist, konzentriert sich an einer solchen Stelle tendenziell eine Spannung, wodurch Risse verursacht werden. Im Ergebnis kann ein Ablösen oder Bruch auftreten.
Aus der JP-A-10-231 908 ist ein legierter Stahl bekannt, der einer Carburierung oder Carbonitrierung unterzogen wird, die bei einer Temperatur von 1050°C durchgeführt wird. Aus der US-A-6 066 068 als dem nächsten Stand der Technik ist ein stufenloses Toroidgetriebe bekannt, das Folgendes umfasst:
eine Eingangsscheibe und eine Ausgangsscheibe, die Traktionsflächen zwischen einem Abschnitt geringen Durchmessers und einem Abschnitt großen Durchmessers ausgebildet haben, und die einen bogenförmigen konkaven Abschnitt aufweisen und koaxial so angeordnet sind, dass die Traktionsflächen einander zugewandt sind; und
Antriebswalzen, die in Reibungseingriff mit den Traktionsflächen der Eingangs- und Ausgangsscheiben sind und eine Antriebskraft übertragen, wobei
die Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe und/oder die Antriebswalzen aus einem legierten Stahl besteht/bestehen, der 0,05 bis 1,5 Gew.-% Mo enthält, der zuerst einer Carburierungs- oder Carbonitrierbehandlung, die bei einer Temperatur im Bereich von 930 bis 960°C durchgeführt wird, und dann einem Härten und Vergüten unterzogen wird, und der einen Oberflächenkohlenstoffgehalt von 0,62 bis 1,56% aufweist,
ein Oberflächenstickstoffgehalt im Bereich von 0,05 bis 0,35% liegt, und
die Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe und/oder die Antriebswalzen und/oder ein Außenring eines Antriebswalzenlagers einen Kohlenstoffgehalt größer oder gleich 0,1% und kleiner oder gleich 0,46% aufweist/aufweisen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die vorstehenden Probleme zu lösen, und sie soll ein stufenloses Toroidgetriebe bereitstellen, das eine bessere Ermüdungsbeständigkeit hat, indem nur winzige Carbid- oder Carbonitridpartikel erzeugt werden, und bei dem die Wärmebehandlungskosten gesenkt werden, indem die Carburierungs- oder Carbonitrierungsbearbeitungszeit verkürzt wird. Die vorliegende Erfindung soll auch ein Verfahren zur Herstellung des stufenlosen Toroidgetriebes bereitstellen.
Um diese Aufgabe zu erfüllen, umfasst das stufenlose Toroidgetriebe der vorliegenden Erfindung:
eine Eingangsscheibe und eine Ausgangsscheibe, die Traktionsflächen zwischen einem Abschnitt geringen Durchmessers und einem Abschnitt großen Durchmessers ausgebildet haben, und die einen bogenförmigen konkaven Abschnitt aufweisen und koaxial so angeordnet sind, dass die Traktionsflächen einander zugewandt sind; und
Antriebswalzen, die in Reibungseingriff mit den Traktionsflächen der Eingangs- und Ausgangsscheiben sind und eine Antriebskraft übertragen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe und/oder die Antriebswalzen aus einem legierten Stahl besteht/bestehen, der 0,15 bis 2,0 Gew.-% Mo enthält, der zuerst einer Carburierungs- oder Carbonitrierbehandlung, die bei einer Temperatur von nicht weniger als 1.000°C durchgeführt wird, und dann einem Härten und Vergüten unterzogen wird, und der einen Oberflächenkohlenstoffgehalt von 0,8 bis 1,4% aufweist.
Das in Anspruch 2 definierte stufenlose Toroidgetriebe ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Oberflächenstickstoffgehalt im Bereich von 0,04 bis 0,3% liegt.
Die in Anspruch 3 definierte Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe und/oder die Antriebswalzen und/oder ein Außenring eines Antriebswalzenlagers einen Kohlenstoffgehalt größer oder gleich 0,3% und kleiner oder gleich 0,5% aufweist/aufweisen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird auf die Herstellung eines stufenlosen Toroidgetriebes angewendet und umfasst: eine Eingangsscheibe und eine Ausgangsscheibe, die Traktionsflächen zwischen einem Abschnitt geringen Durchmessers und einem Abschnitt großen Durchmessers ausgebildet haben, und die einen bogenförmigen konkaven Abschnitt aufweisen und koaxial so angeordnet sind, dass die Traktionsflächen einander zugewandt sind; und Antriebswalzen, die in Reibungseingriff mit den Traktionsflächen der Eingangs- und Ausgangsscheiben sind und eine Antriebskraft übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: Ausbilden der Eingangsscheibe, der Ausgangsscheibe und/oder der Antriebswalzen unter Verwendung eines legierten Stahls, der 0,15 bis 2,0 Gew.-% Mo enthält; Durchführen einer Carburierungs- oder Carbonitrierbehandlung bei einer Temperatur von nicht weniger als 1.000°C, und dann Durchführen eines Härtens und Vergütens, so dass ein Oberflächenkohlenstoffgehalt im Bereich von 0,8 bis 1,4% liegt.
Die in Anspruch 5 definierte Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Oberflächenstickstoffgehalt im Bereich von 0,04 bis 0,3% liegt.
Die in Anspruch 6 definierte Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe und/oder die Antriebswalzen und/oder ein Außenring eines Antriebswalzenlagers einen Kohlenstoffgehalt größer oder gleich 0,3% und kleiner oder gleich 0,5% aufweist/aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine erläuternde Ansicht eines stufenlosen Toroidgetriebes;
2 ist eine grafische Darstellung, die zeigt, wie Zeit und Temperatur im Hinblick auf strukturelle Bestandteile des stufenlosen Toroidgetriebes der vorliegenden Erfindung zueinander in Beziehung stehen;
3 ist eine grafische Darstellung, die zeigt, in welcher Beziehung eine Carburierungstemperatur (eine Carbonitrierbehandlungstemperatur) zu einem maximalen Durchmesser eines Carbid- oder Carbonitridpartikelss steht;
4 ist eine grafische Darstellung, die zeigt, in welcher Beziehung ein Mo-Gehalt zum Durchmesser eines größten Carbid- oder Carbonitridpartikels im Hinblick auf strukturelle Bestandteile des stufenlosen Toroidgetriebes der vorliegenden Erfindung steht;
5 ist eine grafische Darstellung, die zeigt, wie Zeit und Temperatur im Hinblick auf strukturelle Bestandteile des stufenlosen Toroidgetriebes der vorliegenden Erfindung zueinander in Beziehung stehen;
6 ist eine grafische Darstellung, die zeigt, in welcher Beziehung der Oberflächenkohlenstoffgehalt eines strukturellen Bestandteils des stufenlosen Toroidgetriebes der vorliegenden Erfindung zu einer Prüfzeit steht;
7 ist eine grafische Darstellung, die zeigt, in welcher Beziehung der Oberflächenstickstoffgehalt eines strukturellen Bestandteils des stufenlosen Toroidgetriebes der vorliegenden Erfindung zu einer Prüfzeit steht;
8 ist eine grafische Darstellung, die zeigt, in welcher Beziehung ein Mo-Gehalt im Hinblick auf jeden strukturellen Bestandteil des stufenlosen Toroidgetriebes der vorliegenden Erfindung zu einer Nutzdauer steht;
9 ist eine grafische Darstellung, die zeigt, in welcher Beziehung ein Kohlenstoffgehalt und ein geschätzter größter unvorhergesehen auftretender Partikel zueinander stehen;
10 ist eine grafische Darstellung, die zeigt, in welcher Beziehung der Durchmesser des geschätzten größten unvorhergesehen auftretenden Partikels zu einem Kohlenstoffgehalt im Hinblick auf jeden strukturellen Bestandteil des stufenlosen Toroidgetriebes der vorliegenden Erfindung steht;
11 ist eine grafische Darstellung, die die Wärmebehandlungskennlinien jedes strukturellen Bestandteils des stufenlosen Toroidgetriebes der vorliegenden Erfindung zeigt; und
12 ist ein grafische Darstellung, die zeigt, wie eine Rissbildung im Zusammenhang mit dem Kohlenstoffgehalt auftritt.
Beste Art und Weise, die Erfindung umzusetzen
Das stufenlose Toroidgetriebe der vorliegenden Erfindung wird nun ausführlicher beschrieben.
Das stufenlose Toroidgetriebe erfährt sowohl Wälz- als auch Biegebeanspruchung. In diesem Fall kann eine Rissbildung auftreten, die von einem nichtmetallischen, unerwartet auftretenden Partikel oder dergleichen ausgeht, der in einem Beanspruchungsbereich vorhanden ist, und im schlimmsten Fall können sich die Wälzflächen ablösen oder brechen. Man geht deshalb davon aus, dass in beanspruchten Bereichen die Restdruckspannung und Härte stark von der Ermüdungsfestigkeit abhängen.
SUJ2 ist ein Werkstoff der am häufigsten zur Herstellung eines Wälzlagers oder eines entsprechenden Rollkörpers verwendet wurde. Dieser Werkstoff kann durch einfaches Härten und Vergüten mit einer Härte versehen werden, die der Rollkörper braucht, um eine gewünschte Nutzdauer zu erreichen. Das Material stellt jedoch keine Restdruckspannung im Oberflächenabschnitt bereit, und das führt in manchen Fällen dazu, dass eine Biegespannung entsteht.
Um dem Rollkörper eine Härte zu verleihen, die er braucht, um eine gewünschte Nutzdauer zu erreichen, und gleichzeitig die Restdruckspannung zu erhöhen (die zur Verbesserung der Bruchfestigkeit beiträgt), müssen Eingangsscheibe, Ausgangsscheibe und Antriebswalzen einer Oberflächenbehandlung wie einer Carburierungs- oder Carbonitrierungsbearbeitung unterzogen werden. Um zu verhindern, dass Ermüdungsbruch an der Stelle auftritt, die einer maximalen Scherbelastung entspricht, wenn eine starke Kontaktbelastung entsteht, muss die Carburierungs- oder Carbonitrierungsbearbeitung außerdem über eine lange Zeit durchgeführt werden, wodurch die Härte auch tief von der Oberfläche entfernter Stellen erhöht wird. Solch eine Behandlung erhöht die Kosten im Vergleich zu dem Fall erheblich, in dem SUF2, so wie es ist, verwendet wird.
Im Patent Nr. 2 590 645 zeigen die Erfinder auf, dass die Carbonitrierungsbearbeitung der Carburierungsbearbeitung vorzuziehen ist, weil das Durchführen nur der Letzteren keine ausreichend lange Bruch- und Ablösefestigkeit bereitstellt. Sie zeigen auch auf, dass der Carbonitrierungsbearbeitung vorzugsweise ein Härtungsvorgang folgen sollte, weil beim Durchführen des Härtungsvorgangs winzige Carbonitridpartikel abgeschieden werden und dadurch eine optimale Menge an Restaustenit entsteht.
In der japanischen Patentanmeldung KOKAI mit der Veröffentlichungsnummer 6-341441 stellten die vorliegenden Erfinder fest, dass das Durchführen der Carbonitrierungsbearbeitung bei einer Temperatur von 900°C oder darüber eine tiefere Carbonitridschicht bildet, und dass das Senken eines Stickstoffgehaltsgradienten die Schleifbearbeitbarkeit und Produktivität verbessert und die Kosten für die Wärmebehandlung regelt. Jedoch stellt die Carbonitrierungsbearbeitung bei einer Temperatur über 980°C nicht unbedingt einen hohen Wirkungsgrad bereit, weil die in einem Oberflächenabschnitt eines Fertigprodukts enthaltene Stickstoffmenge unzureichend ist und unweigerlich eine großtechnische Ausrüstung erforderlich macht. Ein Faktor, der diesen Nachteil aufkommen lässt, besteht darin, dass das Stickstoffpotential, um Stickstoff im festen Zustand löslich zu machen, bei hoher Temperatur im Wesentlichen Null beträgt. Bei einem anderen Faktor kann es sich um die Bearbeitungszeit handeln. Um konkreter zu sein, behindert bei einer Hochtemperaturkabonitrierungsbearbeitung das niedrige Stickstoffpotential die Stickstoffsättigung, während die hohe Bearbeitungstemperatur die Kohlenstoffsättigung und -diffusion beschleunigt und deshalb die Bearbeitungszeit verkürzt. Auch dies macht die Stickstoffsättigung schwieriger und die Carbonitrierungsbearbeitung ist gegebenenfalls als unmöglich anzusehen.
Im Bestreben, die Bearbeitungszeit zu verkürzen, führten die vorliegenden Erfinder Versuche durch, bei denen die Carbonitrierungsbearbeitung mit einer hohen Temperatur über 1.000°C durchgeführt wurde, und entdeckten, dass die Carbonitrierungsbearbeitung bei solch einer hohen Temperatur erfolgreich durchgeführt werden konnte. Ein zu diesem Erfolg führender Faktor lag an den Inhaltsstoffen. Die vorliegenden Erfinder führten eine Carbonitrierungsbearbeitung bei einer hohen Temperatur von 1.000°C oder darüber unter Verwendung von Zusätzen unterschiedlicher Inhaltsstoffe durch, und stellten fest, dass der Einschluss von Mo den Stickstoffgehalt regelmäßig merklich erhöhte.
8 zeigt Stickstoffgehaltmesswerte, die bei einer Carbonitrierungsbearbeitung ermittelt wurden, die bei einer hohen Temperatur von 1.000°C oder darüber durchgeführt wurde. Wie zu sehen ist, wurde festgestellt, dass die Zugabe von Mo auch dann eine erfolgreiche Carbonitrierungsbearbeitung ermöglichte, wenn die Bearbeitungstemperatur niedrig war und keine Stickstoffsättigung zuließ. Dies wird der Tatsache zugesprochen, dass Mo die Feststofflöslichkeit von Stickstoff erhöht und die Aktivität senkt. (Siehe "Alloy Elements of Steel", erster Band, Ausg. Japan Society for the Promotion of Science, (Japan: Seibunndo-shinkousha [transkribiert], 1971) S. 544.)
Ein stufenloses Toroidgetriebe erfährt sowohl Wälz- als auch Zugbelastung, und es kann eine Rissbildung auftreten, die von einem unvorhergesehen auftretenden nichtmetallischen Partikel oder dergleichen ausgeht, der in einem Belastungsbereich vorhanden ist. In manchen Fällen kann die Rissbildung dazu führen, das sich die Wälzflächen ablösen oder brechen. Eine Prüfung wurde durchgeführt, um die Auswirkungen festzustellen, die die Stickstoffmenge im Oberflächenabschnitt unter diesen Umständen haben könnte.
Es wurden eine Eingangsscheibe, eine Ausgangsscheibe und eine Antriebswalze unter Verwendung von Werkstoffen hergestellt, die einer Carbonitrierungsbearbeitung bei 1.000°C oder darüber unterzogen worden waren und unterschiedliche Stickstoffgehalte in den Oberflächenabschnitten enthielten, und dann wurde ein Lebensdauertest durchgeführt. 9 zeigt Ergebnisse dieses Lebensdauertests. Wie zu sehen ist, sollte der Oberflächenstickstoffgehalt nicht unter 0,04% liegen, da ein in diesem Bereich angesiedelter Stickstoffgehalt trotz gleichzeitiger Einwirkung von Wälz- und Biegebelastung eine beständige Nutzdauer sicherstellt. Der Oberflächenstickstoffgehalt sollte vorzugsweise nicht unter 0,06% liegen.
Überschreitet der Oberflächenstickstoffgehalt 0,3%, lassen sich Eingangsscheibe, Ausgangsscheibe und Antriebswalzen nicht mühelos bearbeiten, und die Bearbeitbarkeit ist vor allem im Schleifschritt des Herstellungsprozesses deutlich herabgesetzt, was zu einer schlechten Produktivität führt. Deshalb sollte der Oberflächenstickstoffgehalt nicht über 0,3% betragen.
Um die Carbonitrierungsbearbeitungszeit zu verkürzen, sollte der Kohlenstoffgehalt im Ausgangsmaterial hoch sein. Deshalb wird der Kohlenstoffgehalt vorzugsweise auf einem hohen Wert im Bereich von 0,3% bis 0,5% angesiedelt.
Die Wälzflächen können sich ablösen oder brechen, wobei ein unerwartet auftretender Partikel der Ausgangspunkt ist. In diesem Zusammenhang wäre anzumerken, dass Größe und Menge der unerwartet auftretenden Partikel eine erhebliche Auswirkung auf die Ermüdungsfestigkeit haben. Anders ausgedrückt, je umfangreicher Größe und Menge der unerwartet auftretenden Partikel ist, umso stärker wird die Ermüdungsfestigkeit herabgesetzt. Diese Tatsache ist auf diesem technischen Gebiet hinlänglich bekannt. Die bislang durchgeführten Forschungen zeigen, dass ein nichtmetallischer, unerwartet auftretender Partikel, insbesondere ein Oxidpartikel, tendenziell Rissbildung verursacht. Da dies so ist, streben Stahlhersteller seit langem danach, die Menge nichtmetallischer, unerwartet auftretender, in Stahl enthaltener Partikel zu reduzieren.
Beispielsweise zeigt die Abhandlung "Bearing Steel" (Lagerstahl), Technisches Blatt von Sanyo Special Steel Co., Ltd., Bd. 5, Nr., 1997, die Verhältnisse zwischen der Wälzbeständigkeitsdauer und der Sauerstoffmenge in Stahl auf. Die in dieser Veröffentlichung wiedergegebenen Ergebnisse geben an, dass eine reduzierte Sauerstoffmenge im Stahl die Nutzdauer verlängert. Die Abhandlung "Developments In Steel Manufacturing Technology Of Our Firm" (Entwicklungen in der Stahlherstellungstechnologie unserer Firma), Technisches Blatt von Sanyo Special Steel Co., Ltd., Bd. 4, Nr. 1, 1997, zeigt, wie der Sauerstoffgehalt in Stahl in den Jahren von 1965 bis 1990 gesenkt wurde, und aus dieser Veröffentlichung wird ersichtlich, dass die Wälzbeständigkeitsdauer im Verhältnis zu der durch den Stahlhersteller vorgenommenen Reduktion von Sauerstoff in Stahl verbessert wird. Die Abhandlung "EP Steel (Steel For Superlong-Life And Highly-Reliable Bearing" (EP-Stahl (Stahl für extra lange Nutzungsdauer und hochzuverlässige Lager)), NSK Technical Journal, Nr. 652, 1992, konzentriert sich auf die Größe und Verteilung von unerwartet auftretenden Partikeln. Das NSK Technical Journal zeigt, dass Größe und Verteilung von nichtmetallischen Partikeln in Stahl so gesteuert werden, dass sie bei der Herstellung geringe Werte aufweisen, und dass diese Steuerung nicht nur die Wälzbeständigkeitsdauer sondern auch die Ermüdungsfestigkeit trotz Dreh- und Biegebewegungen verbessert, selbst wenn der Sauerstoffgehalt im Stahl auf demselben Niveau bleibt.
Eine Senkung des Sauerstoffgehalts in Stahl wurde durch Einführen einer neuen Stahlherstellungstechnologie versucht. Die Grundreaktion für diese Senkung ist eine chemische Reaktion zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff. Je größer die Kohlenstoffmenge ist, umso stärker ist die im Stahl stattfindende Reaktion mit dem Sauerstoff. Im Ergebnis kann die im Stahl enthaltene Sauerstoffmenge reduziert werden. Daraus lässt sich schließen, dass die Sauerstoffmenge in Stahl mit einer Abnahme der Kohlenstoffmenge im Ausgangsmaterial zunimmt.
Wie in 10 gezeigt ist, fanden die vorliegenden Erfinder heraus, dass, wenn die im Stahl enthaltene Kohlenstoffmenge 0,3% oder darüber betrug, unerwartet auftretende nichtmetallische Partikel auf Oxidbasis im Ausgangsmaterial nicht sonderlich verteilt waren, und dass der Durchmesser der größten unerwartet auftretenden Partikel im Stahl, der auf Grundlage des statistischen Extremwertprozesses geschätzt worden war, abnahm. Aus diesem Grunde und um die Carburierungszeit zu verkürzen, sollte der Kohlenstoffgehalt im Ausgangsmaterial 0,3% oder darüber betragen.
Im Hinblick auf das Phänomen, bei dem Rissbildung mit einem unerwartet auftretenden nichtmetallischen Partikel als Ausgangspunkt auftritt und zu einem Ablösen oder Bruch der Wälzflächen führen kann, muss die Ermüdungsrisszunahmerate als einer der wichtigen Faktoren erachtet werden. Die Ermüdungsrisszunahmerate bestimmt die Geschwindigkeit ab dem Auftreten von Rissbildung bis hin zum Bruch. 12 zeigt Messwerte der Ermüdungsrisszunahmerate im Verhältnis zum Kohlenstoffgehalt im Ausgangsmaterial. Wie zu sehen ist, nahm die Ermüdungsrisszunahmerate erheblich zu, wenn der Kohlenstoffgehalt im Stahl 0,5% überstieg. Auf Grundlage dieser Erkenntnis wurde die Obergrenze für den Kohlenstoffgehalt im Ausgangsmaterial auf 0,5% gesetzt.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, kann ein stufenloses Toroidgetriebe eine lange Nutzdauer haben, wenn ein Stahl verwendet wird, dessen Kohlenstoffgehalt im Ausgangsmaterial größer oder gleich 0,3% und kleiner oder gleich 0,5% ist.
Die vorliegenden Erfinder stellten Forschungen darüber an, wie die Carburierungs- oder Carbonitrierungsbehandlung durchgeführt werden sollte, um die Entstehung großer Oxid- oder Carbonitridpartikel zu verhindern.
Um bei der Carburierungs- oder Kabonitrierungsbehandlung eine vorbestimmte Carburierungstiefe zu erreichen, sollte die Carburierungsbehandlung bei hoher Temperatur erfolgen, und je höher die Bearbeitungstemperatur ist, umso kürzer wird die Bearbeitungszeit. Allerdings erhöht die Hochtemperaturcarburierungsbehandlung die Kristallkorngröße und senkt das Verhältnis der Korngrenzen zum Mikrogefüge. Dementsprechend entstehen die Carbide und Carbonitride konzentriert an der Korngrenze. Da die Carbide und Carbonitride deshalb mühelos wachsen können, kann die Ermüdungsfestigkeit herabgesetzt werden. Unter diesen Umständen werden die Scheiben und Antriebswalzen des stufenlosen Toroidgetriebes aus dem Stand der Technik so hergestellt, dass die Carburierungs- oder Kabonitrierungsbehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 930 bis 960°C durchgeführt wird, weil eine Bearbeitung bei einer Temperatur in diesem Bereich frei von den vorstehenden Problemen, wenn auch vor dem Hintergrund des Wirkungsgrads der Wärmebehandlung mit Nachteilen behaftet ist.
Die vorliegenden Erfinder entdeckten jedoch, dass sich winzige Carbidpartikel bildeten, wenn die Bearbeitungstemperatur, um die Bearbeitungszeit zu verkürzen, auf 1.000°C oder darüber eingestellt wurde und der Mo-Gehalt im legierten Stahl, um die Entstehung von Carbid und Carbonitrid zu unterdrücken, auf einen vorbestimmten Wert gesetzt wurde. Man ging allgemein davon aus, dass Mo ein carbidbildendes Element sei und die Carbidkorngröße anheben würde. Die vorliegenden Erfinder fanden jedoch heraus, dass die Durchführung der Carburierung bei 1.000°C oder darüber winzige Carbidpartikel entstehen ließ. Dieses Phänomen wird der Tatsache zugeschrieben, dass Mo eine starke Affinität zu C (Kohlenstoff hat und Mo in der Nachbarschaft der Korngrenzen dazu dient, Carbid oder Carbonitrid in das Innere der Partikel aufzunehmen, was zu einer Abnahme der Carbid- und Carbonitridpartikelgröße führt.
Herkömmlicher Weise ging man davon aus, dass sich Ammoniak bei einer Temperatur von 1.000°C oder darüber rasch zersetzt und eine Nitrierungsbearbeitung bei einer solch hohen Temperatur schwer durchzuführen ist. Man fand jedoch heraus, dass der Einschluss von 0,15 bis 2,0 Gew.-% Mo in die Legierung die Nitrierungsbearbeitung ermöglicht.
Der in der Legierung verteilte Stickstoff erzeugt Carbonitrid, dieses liegt jedoch in Form von winzigsten Partikeln vor. Im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Carburierung bei 1.000°C oder darüber durchgeführt wird, sind die Carbid- oder Carbonitridpartikel sehr klein. Dieses Phänomen ist der Tatsache zuzusprechen, dass das Carbid- oder Carbonitridwachstum, wenn unterschiedliche Arten von Elementen (wie etwa C und N) vorhanden sind, langsamer vonstatten geht als beim Vorhandensein nur eines einzigen Elements (nämlich C).
Die bei hohen Temperaturen durchgeführte Carburierung erzeugt tendenziell ein Korngrenzenoxid in der Oberflächenschicht. Da jedoch der vorhandene Stickstoff dazu dient, die Sauerstoffaktivität zu senken, wird die Entstehung des Korngrenzenoxids in der Praxis unterdrückt.
Wie aus dem Vorstehenden zu sehen ist, wobei die Carburierungs- oder Carbonitrierungsbearbeitung bei 1.000°C oder darüber im Beisein von Mo durchgeführt wird, dient Mo dazu, winzige Carbid- oder Carbonitridpartikel im Oberflächenabschnitt entstehen zu lassen. Von daher ist es möglich, Scheiben und Antriebswalzen herzustellen, die eine verbesserte Ermüdungsbeständigkeit haben. Die Ermüdungsbeständigkeit kann noch mehr verbessert werden, wenn die Korngröße des Oberflächenabschnitts auf 8 (JIS – Japanese Industrial Standard eingestellt wird. Die Carburierungstemperatur sollte nicht höher sein als 1.100°C, da eine Carburierung, die bei einer höheren Temperatur als dieser durchgeführt wird, große Kristallkörner erzeugt, die sich negativ auf die Ermüdungsbeständigkeit auswirken.
Die Scheiben und Antriebswalzen der vorliegenden Erfindung werden nun im Einzelnen im Hinblick auf den Kohlenstoffgehalt, Stickstoffgehalt und die Arten von legiertem Stahl beschrieben.
Der Oberflächenkohlenstoffgehalt muss 0,8% oder darüber betragen, um die Spurführungsflächen der Scheiben und Antriebswalzen mit einer langen, gegen Wälzermüdung gewappneten Nutzungsdauer auszustatten. Uberschreitet der Oberflächenkohlenstoffgehalt 1,4%, werden die Carbidpartikel an den Korngrenzen in der Oberflächenschicht unweigerlich groß, vor allem in dem Abschnitt der Oberflächenschicht, auf der die Wälzlast aufliegt.
Der Oberflächenstickstoffgehalt hängt mit dem Vorteil zusammen, winzige Carbid- oder Carbonitridpartikel zu erzeugen, wenn die Carbonitrierbehandlung bei 1.000°C oder darüber durchgeführt wird. Der Oberflächenstickstoffgehalt hängt auch mit dem Vorteil zusammen, die Entstehung einer Korngrenzenoxidschicht zu unterdrücken. Um diese Vorteile zu erzielen, muss der Oberflächenstickstoffgehalt 0,04% oder darüber betragen. Er sollte aber nicht höher sein als 0,3%, weil ein Stickstoffgehalt, der höher als dieser ist, die Bearbeitbarkeit negativ beeinflusst und die sich ergebende Zunahme in der Menge an C und N groß bemessene Carbonitridpartikel entstehen lässt und darüber hinaus die Ermüdungsfestigkeit herabsetzt.
Mo, das ein Bestandteil des legierten Stahls ist, hängt mit dem Vorteil zusammen, winzige Carbid- und Carbonitridpartikel herzustellen, wenn die Carburier- oder Carbonitrierbehandlung bei 1.000°C oder darüber erfolgt. Mo hängt auch mit dem Vorteil zusammen, die Nitrierungsbearbeitung zu ermöglichen, die sich im Stand der Technik bei 1.000°C oder darüber schwer durchführen lässt. Um diese Vorteile zu erzielen, sollte die Menge an enthaltenem Mo 0,15 Gew.-% oder darüber betragen.
Beträgt der Mo-Gehalt weniger als 0,15 Gew.-%, sind keine winzigen Carbid- oder Carbonitridpartikel zu erwarten. Überschreitet jedoch der Mo-Gehalt 2,0 Gew.-%, nimmt die Größe der Carbid- und Carbonitridpartikel tendenziell zu. Unter Berücksichtung des Gleichgewichts zwischen diesen, sollte der Mo-Gehalt vorzugsweise im Bereich von 0,15 bis 0,35 Gew.-% liegen.
Der C-Gehalt im legierten Stahl, mit dem die Scheiben und Antriebswalzen hergestellt werden sollen, sollte nicht unter 0,3% betragen. Falls nicht, lässt sich ein unerwartet auftretender nichtmetallischer Partikel auf Oxidbasis, der eine negative Auswirkung auf die Beständigkeit gegen Biegeermüdung hat, bei der Herstellung nur schwer entfernen. Der C-Gehalt sollte nicht über 0,5% liegen. Tut er es doch, wird die Ermüdungsrisszunahmerate hoch, so dass es sein kann, dass die Beständigkeit gegen Ermüdungsrissbildung negativ beeinflusst wird.
Der legierte Stahl, mit dem die Scheiben und Antriebswalzen hergestellt werden sollen, sollte nicht nur das vorstehend beschriebene Mo und Co enthalten, sondern auch Si, Mn und Cr in vorbestimmten Mengen, wie nachstehend noch beschrieben wird.
Da Si bei der Stahlherstellung als Desoxidations- oder Reduktionsmittel gebraucht wird, wird es in einer Menge von 0,1% oder darüber zugesetzt. Wird aber eine zusätzliche Menge an Si zugesetzt, tritt der Effekt Sättigung auf und Schmiede- und Schleiffähigkeit werden negativ beeinflusst. Aus diesem Grund beträgt der Si-Gehalt vorzugsweise nicht mehr als 2,0%.
Mn fungiert bei der Stahlherstellung als Desoxidationsmittel. Zusätzlich dazu ist es ein Element, das die Warmbearbeitbarkeit von Stahl verbessert und zuverlässige Abschreckeigenschaften sicherstellt. Um die Warmbearbeitbarkeit von Stahl zu verbessern und zuverlässige Abschreckeigenschaften sicherzustellen, wird Mn deshalb in einer Menge von 0,5% oder darüber zugesetzt. Wird jedoch eine überschüssige Menge an Mn zugegeben, verschlechtert sich die Schleifbarkeit des Rohmaterials, und es kann nicht ohne Mühe zu einem Wälzteil geformt oder gestaltet werden. Aus diesem Grund ist die Obergrenze des Mn-Gehaltsbereichs 2,0%.
Cr ist ein Element, das die Menge an Carbid oder Carbonitrid erhöht, das bei der Carburier- oder Carbonitrierungsbehandlung abgeschieden wird. Wird Cr in einer Menge von 0,5% oder darüber zugesetzt, nimmt die Menge an abgeschiedenem Carbid zu, die Härte der äußersten Schicht nimmt zu, und die Beständigkeit gegen Wälzermüdung verbessert sich unter der Voraussetzung, dass ein Fremdstoff eingeschlossen ist. Wird jedoch eine überschüssige Menge an Cr zugesetzt, wird die Bearbeitbarkeit negativ beeinflusst. Aus diesem Grunde beträgt die Obergrenze des Cr-Gehalts 2,0%.
Nun werden Beispiele beschrieben, die der vorliegenden Erfindung entsprechen.
(Beispiele 1–51)
Der Grundaufbau des stufenlosen Toroidgetriebes nach der vorliegenden Erfindung entspricht dem in 1 gezeigten Aufbau. Und zwar ist die Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe und/oder die Antriebswalze und/oder der Außenring des Antriebswalzenlagers aus einem legierten Stahl hergestellt, der 0,15 bis 2,0 Gew.-% Mo enthält und einer Carburierungs- oder Carbonitrierbehandlung unterzogen wird, die bei einer Temperatur nicht unter 1.000°C durchgeführt wird. Der Stickstoffgehalt im Oberflächenabschnitt des fertigen Produkts ist größer oder gleich 0,04 und beträgt weniger als 0,3%.
Die Eingangsscheiben, Ausgangsscheiben, Antriebswalzen und Außenringe der Antriebswalzenlager wurden unter Verwendung von SCM415, SCM420, SCM430, SCM435, SCM440, SCM445, SCM445 mit einem erhöhten Kohlenstoffgehalt von 0,6% und SCM435 mit variierenden Mo-Gehalten hergestellt.
Davon wurden die Rohmaterialteile zugeschnitten und geschliffen, die zu Eingangsscheiben verarbeitet werden sollten und unterschiedliche Kohlenstoffgehalte hatten. Um nichtmetallische Einschlüsse zu untersuchen, wurden unerwartet auftretende größte Partikel auf Grundlage des statistischen Extremwertverfahrens geschätzt. Ein geschätzter unerwartet auftretender größter Partikel wurde auf einer Fläche von 100 mm² ermittelt, und es wurden 30 Proben unter Verwendung eines Mikroskops untersucht. Anders ausgedrückt wurde der Durchmesser eines geschätzten unerwartet auftretenden größten Partikels auf Grundlage einer Gesamtfläche von 30.000 mm² ermittelt. 10 zeigt die Durchmesser geschätzter unerwartet auftretender größter Partikel, die aus den Kohlenstoffgehalten der Rohmaterialien auf Grundlage des statistischen Extremwertverfahrens berechnet wurden. Wie zu sehen ist, werden die unerwartet auftretenden Partikel kleiner, wenn der Kohlenstoffgehalt von 0,2% auf 0,3% erhöht wird.
Danach wurden die hergestellten Teile, nämlich die Eingangsscheiben, Ausgangsscheiben, Antriebswalzen und Außenringe einer Wärmebehandlung wie einer Carbonitrierbearbeitung unterzogen. Bei der Wärmebehandlung handelt es sich um eine wie in 11 gezeigte Hochtemperaturcarbonitrierbearbeitung, die bei 1.050°C durchgeführt wird. In 11 ist Schritt A die Carbonitrierbearbeitung, die unter den Bedingungen durchgeführt wird, bei denen Rx-Gas 18 m³/Std. beträgt, die Kohlenstoffmenge 1,0 bis 1,2% beträgt, und die übrige Menge an Ammoniak 0,01 bis 0,1% beträgt. Schritt B ist der Härtevorgang, und Schritt C der Glühvorgang. Nach der Wärmebehandlung wurden die Oberflächen der hergestellten Teile durch mechanisches Bearbeiten wie Schleifen poliert.
Es erübrigt sich, zu erwähnen, dass die der im Hinblick auf die Rohmaterialteile geschätzten unerwartet auftretenden größten Partikel berechneten Durchmesser auch auf die fertiggestellten Produkte zutreffen.
Da das Schätzungsverfahren ausführlich in Akinobu [transkribiert] Murakami, Effects by Minute Defects and Intervening Objects, (Japan: K. K. Youken-Doh [transkribiert], 8. März 1993) beschrieben ist, unterbleibt hier der Bezug auf das Verfahren.
Unter Verwendung der wie vorstehend beschriebenen Eingangsscheiben, Ausgangsscheiben, Antriebswalzen und Außenringe wurden CVTs (stufenlose Getriebe) zusammengebaut und einer Dauerprüfung unterzogen. Die Eingangswellen wurden durch ein Dynamometer in Drehung versetzt, und ein Drehmoment wurde durch das mit den Ausgangswellen verbundene Dynamometer angelegt. Die Testbedingungen waren wie folgt:
(Testbedingungen)

• Drehgeschwindigkeit: 4.000 U/min
• Ausgangsdrehmoment: 500 Nm
• Schmierung: Traktionsgetriebeöl
• Öltemperatur: 100°C
• Geschwindigkeitswechselhältnis: 2,0
• Außendurchmesser: 140 ϕ.

Beim Test wurde die Schwingung der CVT-Einheiten überwacht und der Test so lange fortgesetzt, bis die Schwingung den vorbestimmten Pegel überschritt. Was die CVT-Einheiten anbelangt, deren Schwingung nicht zunahm, wurde der Test nach Ablauf von 800 Stunden beendet. Nach dem Test wurden die Scheiben und Antriebswalzen untersucht, um die Beschädigungszustände zu überprüfen. Die Testergebnisse sind in den nachstehenden Tabellen 1 und 2 dargestellt. In Tabelle 2 sind die Vergleichsbeispiele 1–9 im Hinblick auf ihre Materialien, Mo-Gehalte, Oberflächenstickstoffgehalte, Prüfzeiten, gebrochene Teile, Bruchzustände und Durchmesser von am Ausgangspunkt vorhandenen unerwarteten Partikeln gezeigt.
Wie aus den Tabellen 1 und 2 klar wird, zeigen die Beispiele der vorliegenden Erfindung zufriedenstellende Versuchsergebnisse. Im Falle der Vergleichsbeispiele waren die zugesetzten Mengen an Mo gering, und selbst wenn die Carbonitrierbehandlung bei 1.050°C durchgeführt wurde, führte dies nicht zu zufriedenstellenden Oberflächenstickstoffgehalten und die Nutzdauern waren deutlich herabgesetzt.
Im Falle von SCM415 und SCM420, bei denen die Kohlenstoffgehalte in den Ausgangsmaterialien niedrig sind (diese Materialien liegen in den Bereichen der vorliegenden Erfindung), hießen die Beschädigungszustände des Beständigkeitstests alle "Bruch". Die Oberflächen der kaputten Produkte wurden beobachtet, und man fand heraus, dass ein nichtmetallischer, unerwartet auftretender Partikel an jeder Rissausgangsstelle vorhanden war. Die unerwartet auftretenden Partikel, von denen aus Rissbildung stattfand, wurden mit einem Raster-Elektronenmikroskop beobachtet. Ihre Größe lag im Bereich von 62 bis 78 μm. Dieses Phänomen lässt sich der Tatsache zuschreiben, dass die niedrigen Kohlenstoffgehalte in den Rohmaterialien das Auftreten von unerwarteten Partikeln erhöht.
In den Beispielen der vorliegenden Erfindung, in denen die Kohlenstoffgehalte in den Rohmaterialien nicht weniger als 0,3% und nicht mehr als 0,6% betrugen, wurde das Ablösen unterdrückt, und die Beschädigungszustände hießen "Ablösen" der Ausgangsoberflächen. An der Ablösestelle wurde kein unerwartet auftretender Partikel beobachtet. Bei SCM445 mit einem erhöhten Kohlenstoffgehalt von 0,6% stieg die Ermüdungsrisszunahmerate jedoch erheblich an, und es trat Rissbildung mit einem relativ kleinen unerwartet auftretenden Partikel von 54 μm als Ausgangspunkt auf.
Angesichts des Vorstehenden ist es wünschenswert, dass die Kohlenstoffgehalte in den Ausgangsmaterialien 0,3% oder darüber oder 0,5% oder darunter betragen.
Wie vorstehend nach den Beispielen 1–51 im Einzelnen aufgeführt, wird/werden die Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe und/oder die Antriebswalze und/oder der Außenring aus einem Material hergestellt, das 0,15 bis 2,0 Gew.-% Mo enthält, und einer Carbonitrierbearbeitung unterzogen wird, die bei einer Temperatur nicht unter 1.000°C erfolgt, und der Oberflächenstickstoffgehalt des Fertigprodukts größer oder gleich 0,04% und kleiner als 0,3% ist. Mit diesem Aufbau wird ein Ablösen der Wälzflächen des Antriebswalzenlagers und der Eingangs- und Ausgangsscheiben verhindert, und sie haben eine verbesserte Beständigkeit gegen Rissbildung, und diese Eigenschaften lassen sich in Bezug auf Produktivität und Herstellungskosten bestimmen. Von daher durchsteht das stufenlose Toroidgetriebe langfristigen Einsatz.
(Beispiel 52)
Nach dem Beispiel 52 sowie den später noch zu beschreibenden Beispielen 53 und 54 unterscheidet/unterscheiden sich die Eingangsscheibe, Ausgangsscheibe und/oder Antriebswalze von der-/denjenigen des herkömmlichen Getriebes. Zuerst wurden die in der nachstehenden Tabelle 3 aufgelisteten Materialien geschmolzen. Das in Tabelle 3 aufgeführte Material c wurde zu einer Scheibe geschmiedet und geschliffen, und dann wurde die in 2 gezeigte Wärmebehandlung durchgeführt. Genauer ausgedrückt lag die Carburier- oder Carbonitrierbehandlungstemperatur im Bereich von 920 bis 1060°C, und wurde so eingestellt, dass die tatsächliche gehärtete Schicht (Hv 653) eine Dicke von 3 mm haben würde. Nachdem das abschließende Polieren durchgeführt worden war, wurde die Metallstruktur in einem Querschnitt untersucht und der Durchmesser der größten Carbid- oder Nitridpartikel im Oberflächenabschnitt gemessen. Der Durchmesser wurde unter Verwendung eines Mikroskops (Vergrößerung: 400) gemessen und eine Bildverarbeitung durchgeführt. Eine Fläche wurde berechnet und in einen Wert eines Kreises umgerechnet. Dann wurde der Durchmesser des Carbid- oder Nitridpartikels erhalten.
Tabelle 3
3 zeigt, in welchem Verhältnis eine Carburiertemperatur (eine Carbonitrierbearbeitungstemperatur) zum Durchmesser der größten Carbid- oder Carbonitridpartikel steht. In 3 stellen die Kurvenlinien A die Carbonitrierbearbeitung dar, die Kurvenlinien B stellen die Carburierung dar. Wie aus 3 zu sehen ist, ist der Durchmesser der größten Carbidpartikel in dem Fall, bei dem die Temperatur 1.000°C überschreitet, unter 30 μm klein. Gleichermaßen ist der Durchmesser der größten Carbonitridpartikel in dem Fall, bei dem die Temperatur 1.000°C überschreitet, unter 16 μm klein.
(Beispiel 53)
Die in Tabelle 3 aufgeführten Materialien a bis h wurden zu Scheiben geschmiedet und geschliffen, und dann wurde die in 2 gezeigte Wärmebehandlung durchgeführt. Wo es sich beim Schritt A von 2 um die Carburierbearbeitung handelt, wurde ein Rx-Gas und ein angereichertes Gas verwendet (im Fall der Carbonitrierbearbeitung wurde NH₃-Gas zugesetzt). Beim Schritt B handelt es sich um den Härtevorgang und beim Schritt C um den Glühvorgang. Die Ammoniakmenge, die nach der Carbonitrierbehandlung übrig blieb, lag im Bereich von 0,01 bis 0,2%. In 2 folgt auf die Carburier- oder Carbonitrierbearbeitung eine Erwärmung auf eine Temperatur, die höher ist als der A1-Transformationspunkt. Dieser Wärmehärtungsprozess verursacht eine Rekristallisation, die winzige Kristallpartikel hervorbringt. Carbid und Carbonitrid müssen im vorherigen Schritt, nämlich der Carburier- oder Carbonitrierbearbeitung, in Form winziger Partikel vorliegen. Die Carbonitrierbearbeitung wurde bei 1.000°C durchgeführt, und die Nitrierzeit wurde so bestimmt, dass die tatsächliche gehärtete Schicht (Hv 653) eine Tiefe von 3 mm hat. Nach der anschließenden Endbearbeitung wurde die Metallstruktur in einem Querschnitt untersucht und der Durchmesser der größten Carbid- oder Carbonitridpartikel im Oberflächenabschnitt gemessen.
4 ist eine grafische Darstellung, die zeigt, in welchem Verhältnis ein Mo-Gehalt zum Durchmesser der größten Carbid- oder Carbonitridpartikel steht. Wie aus 4 zu sehen ist, beträgt der Durchmesser der größten Carbid- oder Carbonitridpartikel nicht mehr als 16 μm, wenn der Mo-Gehalt 0,15% überschreitet.
(Ausführungsform 54)
Zuerst wurden die in Tabelle 4 gezeigten Materialien geschmolzen. Nachdem die Rohmaterialien zu Scheiben geschmiedet und geschliffen worden waren, wurde die in 5 gezeigte Wärmebehandlung durchgeführt. Wo es sich beim Schritt A von 5 um die Carburierbearbeitung handelt, wurde ein Rx-Gas und ein angereichertes Gas verwendet (im Fall der Carbonitrierbearbeitung wurde NH₃-Gas zugesetzt). Beim Schritt B handelt es sich um den Härtevorgang und beim Schritt C um den Glühvorgang. Die Ammoniakmenge, die nach der Carbonitrierbehandlung übrig blieb, lag im Bereich von 0,02 bis 0,1%. Dann erfolgte die Endbearbeitung, um stufenlose Toroidgetriebe zusammenzubauen.
Tabelle 4
Die nachstehend aufgeführte Tabelle 5 zeigt Sichtprüfungsergebnisse bei den stufenlosen Toroidgetrieben und stellt die folgenden Punkte tabellenartig auf: Materialien, aus denen die Getriebe hergestellt werden sollen; Wärmebehandlung; Oberflächenkohlenstoffgehalt; Oberflächenstickstoffgehalt; Durchmesser der größten Carbidpartikel; Durchmesser der größten Carbonitridpartikel; Kristallkorngröße im Oberflächenabschnitt; und Dicke einer Oxidschicht an der Korngrenze.
Die zusammengebauten stufenlosen Getriebe wurden einer Dauerprüfung unter den folgenden Bedingungen unterzogen:
(Testbedingungen)

• Drehgeschwindigkeit: 4.000 min^–1
• Ausgangsdrehmoment: 294 Nm
• Schmierung: synthetisches Traktionsgetriebeöl
• Temperatur des zugeführten Öls: 100°C
• Geschwindigkeitswechselhältnis: 2,0
• Scheibenaußendurchmesser: 140 ϕ.

Beim Test wurde die Schwingung der Einheiten überwacht und der Test so lange fortgesetzt, bis die Schwingung den vorbestimmte Pegel überschritt. Nach Ablauf von 1.000 Stunden wurde der Test beendet. Nach dem Test wurden die Beschädigungszustände in Augenschein genommen. Die Ergebnisse sind in der vorstehend aufgeführten Tabelle 5 gezeigt.
6 zeigt die Ergebnisse eines Dauertests, dem stufenlose Toroidgetriebe unterzogen wurden. Die Getriebe wurden unter Verwendung des in Tabelle 4 gezeigten Materials A hergestellt und unter den in 5 gezeigten Wärmebehandlungsbedingungen einer Carburierung unterzogen. Die Getriebe hatten unterschiedliche Oberflächenkohlenstoffgehalte. Jedes Getriebe ging an der Spurführungsfläche der Eingangsscheibe kaputt.
7 zeigt die Ergebnisse eines Dauertests, dem stufenlose Toroidgetriebe unterzogen wurden. Die Getriebe wurden unter Verwendung des in Tabelle 4 gezeigten Materials A hergestellt und unter den in 5 gezeigten Wärmebehandlungsbedingungen einer Carbonitrierbehandlung unterzogen. Die Oberflächenkohlenstoffgehalte lagen im Bereich von 1,0 bis 1,1%. Nach Ablauf von 1.500 Stunden wurde der Test beendet. In den Fällen, bei denen Bruch auftrat, stellte sich ausnahmslos ein Ablösen an den Spurführungsflächen der Eingangsscheiben ein.
Die vorliegende Erfindung lässt sich nicht nur auf die Innenringe von Antriebswalzenlagern anwenden, die in Wälzkontakt mit Eingangs- und Ausgangsscheiben stehen, sondern auch auf deren Außenringe.
Wie vorstehend im Einzelnen aufgeführt, entstehen bei den Beispielen 52–54 keine großen Partikel eines Carbids im Metallgefüge von Scheibe und Antriebswalze. Deshalb können die Beispiele 52–54 stufenlose Toroidgetriebe bereitstellen, die bei der Beständigkeit gegen Ermüdung verbessert sind und zu niedrigen Kosten hergestellt werden können.

Claims

Stufenloses Toroidgetriebesystem, das Folgendes umfasst: eine Eingangsscheibe und eine Ausgangsscheibe, die Traktionsflächen zwischen einem Abschnitt geringen Durchmessers und einem Abschnitt großen Durchmessers ausgebildet haben, und die einen bogenförmigen konkaven Abschnitt aufweisen und koaxial so angeordnet sind, dass die Traktionsflächen einander zugewandt sind; und Antriebswalzen, die in Reibungseingriff mit den Traktionsflächen der Eingangs- und Ausgangsscheiben sind und eine Antriebskraft übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe und/oder die Antriebswalzen aus einem legierten Stahl besteht/bestehen, der 0,15 bis 2,0 Gew.-% Mo enthält, der zuerst einer Karburierungs- oder Karbonitrierbehandlung, die bei einer Temperatur von nicht weniger als 1.000°C durchgeführt wird, und dann einem Härten und Vergüten unterzogen wird, und der einen Oberflächenkohlenstoffgehalt von 0,8 bis 1,4% aufweist.
Stufenloses Toroidgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oberflächenstickstoffgehalt im Bereich von 0,04 bis 0,3% liegt.
Stufenloses Toroidgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe und/oder die Antriebswalzen und/oder ein Außenring eines Antriebswalzenlagers einen Kohlenstoffgehalt größer oder gleich 0,3% und kleiner oder gleich 0,5% aufweist/aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines stufenlosen Toroidgetriebes, Folgendes umfassend: eine Eingangsscheibe und eine Ausgangsscheibe, die Traktionsflächen zwischen einem Abschnitt geringen Durchmessers und einem Abschnitt großen Durchmessers ausgebildet haben, und die einen bogenförmigen konkaven Abschnitt aufweisen und koaxial so angeordnet sind, dass die Traktionsflächen einander zugewandt sind; und Antriebswalzen, die in Reibungseingriff mit den Traktionsflächen der Eingangs- und Ausgangsscheiben sind und eine Antriebskraft übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: Ausbilden der Eingangsscheibe, der Ausgangsscheibe und/oder der Antriebswalzen unter Verwendung eines legierten Stahls, der 0,15 bis 2,0 Gew.-% Mo enthält; Durchführen einer Karburierungs- oder Karbonitrierbehandlung bei einer Temperatur von nicht weniger als 1.000°C, und dann Durchführen eines Härtens und Vergütens, so dass ein Oberflächenkohlenstoffgehalt im Bereich von 0,8 bis 1,4% liegt.
Verfahren zur Herstellung eines stufenlosen Toroidgetriebes, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oberflächenstickstoffgehalt im Bereich von 0,04 bis 0,3% liegt.
Verfahren zur Herstellung eines stufenlosen Toroidgetriebes, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsscheibe, die Ausgangsscheibe und/oder die Antriebswalzen und/oder ein Außenring eines Antriebswalzenlagers einen Kohlenstoffgehalt größer oder gleich 0,3% und kleiner oder gleich 0,5% aufweist/aufweisen.