專利名稱：金屬帶用金屬環(huán)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種為了增加帶式無級變速器的金屬帶的金屬環(huán)的疲勞壽命而設定切斷金屬環(huán)時的自由狀態(tài)半徑的金屬帶用金屬環(huán)。
背景技術：
帶式無級變速器用的金屬帶，是沿層疊多個金屬環(huán)的金屬環(huán)集合體支撐多個金屬零件而構(gòu)成的。各個金屬環(huán)上除了基于張力產(chǎn)生的拉伸應力外還作用有基于彎曲產(chǎn)生的拉伸應力及壓縮應力。即在將金屬環(huán)纏繞在帶輪上的纏繞部，金屬環(huán)外周面被拉伸而作用拉伸應力、同時內(nèi)周面被壓縮而作用壓縮應力，在金屬環(huán)離開帶輪的弦部，金屬環(huán)外周面被壓縮而作用壓縮應力、同時內(nèi)周面被拉伸而作用拉伸應力。這樣，隨著金屬環(huán)旋轉(zhuǎn)、內(nèi)周面及外周面的應力發(fā)生周期性變化，這是降低金屬環(huán)疲勞壽命降低的原因。
為此，下述專利文獻1所述的方案，是在金屬環(huán)受到最過于苛刻負載的TOP比例(ratio)狀態(tài)，設定金屬環(huán)的自由狀態(tài)半徑Ro，以使由金屬環(huán)外周面的應力振幅σao及應力中心σmo算出的外周面的矯正應力振幅σao′(應力中心σmo＝0時的應力振幅σao)和由金屬環(huán)內(nèi)周面的應力振幅σai及應力中心σmi算出的內(nèi)周面的矯正應力振幅σai′(應力中心σmi＝0時的應力振幅σai)一致，因而謀求延長金屬環(huán)的疲勞壽命。
專利文獻1特開2003-126933號公報不過，層疊的金屬環(huán)中最內(nèi)層的金屬環(huán)內(nèi)周面，與作為金屬帶橫剖元件的金屬零件的鞍形面抵接，因而作用于那部分的壓縮應力(接觸應力)的分量使金屬環(huán)內(nèi)周面的最大壓縮應力增加。從而，如果在帶式無級變速器的運轉(zhuǎn)中，由于氮化處理產(chǎn)生的金屬環(huán)的壓縮殘余應力、由于彎曲產(chǎn)生的應力及由于與金屬零件的鞍形面接觸產(chǎn)生的接觸應力的相加值過大，超過彈性變形界限，則金屬環(huán)有塑性變形而破損的可能性。不過，上述專利文獻1所述的方案，沒有考慮作用于最內(nèi)層金屬環(huán)內(nèi)周面的由于與鞍形面接觸產(chǎn)生的接觸應力，而且沒有考慮金屬環(huán)的最大應力和彈性變形界限的關系，因此，擔心不會如愿地延長金屬環(huán)的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明即是鑒于上述事情而產(chǎn)生的，其目的在于一種適當設定金屬帶用金屬環(huán)的自由狀態(tài)半徑從而最大限地增加其壽命。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)第1發(fā)明，提出一種金屬帶用金屬環(huán)，為了增加帶式無級變速器的金屬帶的金屬環(huán)的疲勞壽命而設定切斷金屬環(huán)時的自由狀態(tài)半徑，這種金屬帶用金屬環(huán)其特征在于以帶式無級變速器工作中的、由金屬環(huán)外周面及內(nèi)周面的應力變動決定的、金屬環(huán)外周面及內(nèi)周面的應力振幅及應力中心不超過金屬環(huán)的彈性變形界限為條件，設定金屬環(huán)的上述自由狀態(tài)半徑。
另外，根據(jù)第2發(fā)明，提出一種金屬帶用金屬環(huán)，為了增加帶式無級變速器的金屬帶的金屬環(huán)疲勞壽命而設定切斷金屬環(huán)時的自由狀態(tài)半徑，這種金屬帶用金屬環(huán)其特征在于以帶式無級變速器工作中的、由考慮了金屬環(huán)與橫剖元件接觸時產(chǎn)生的接觸應力的金屬環(huán)外周面及內(nèi)周面的應力變動決定的、金屬環(huán)外周面及內(nèi)周面的應力振幅及應力中心不超過母材彈性變形界限加上由熱處理產(chǎn)生的壓縮殘余應力的金屬環(huán)的彈性變形界限為條件，設定金屬環(huán)的上述自由狀態(tài)半徑。
另外，根據(jù)第3發(fā)明，提出一種金屬帶用金屬環(huán)，除第1或第2發(fā)明的構(gòu)成外，其特征在于以由于上述熱處理產(chǎn)生的金屬環(huán)的壓縮殘余應力為x[MPa]、軸間距離為d、自由狀態(tài)半徑為Ro時，-1300≤x＜-1000Ro＜4.93d-557.4Ro＜0.33d-4.7同時成立。
另外，根據(jù)第4發(fā)明，提出一種金屬帶用金屬環(huán)，除第1或第2發(fā)明的構(gòu)成外，其特征在于以金屬環(huán)的自由狀態(tài)半徑/最小纏繞半徑為y，以由于熱處理產(chǎn)生的金屬環(huán)的壓縮殘余應力為x[MPa]時，x＜-1300y＜0.000026x2+0.084x+70.5y＞0.000003x2+0.007x+5.0同時成立。
另外，根據(jù)第5發(fā)明，提出一種金屬帶用金屬環(huán)，除第1或第2發(fā)明的構(gòu)成外，其特征在于以金屬環(huán)的自由狀態(tài)半徑/最小纏繞半徑為y，以由于上述熱處理產(chǎn)生的金屬環(huán)的壓縮殘余應力為x[MPa]時，x＜-1300y＜0.000026x2+0.084x+70.5y＞0.000003x2+0.007x+5.0同時成立，或者y＜5.0y＞1.5-1300≤x＜-1000同時成立。
另外，根據(jù)第6發(fā)明，提出一種金屬帶用金屬環(huán)，除第1或第2發(fā)明的構(gòu)成外，其特征在于利用金屬環(huán)周長的修正進行金屬環(huán)的自由狀態(tài)半徑的設定，在正圓狀態(tài)下進行修正了周長后的時效硬化處理，在橢圓狀態(tài)下進行時效硬化處理后的氮化處理。
另外，根據(jù)第7發(fā)明，提出一種金屬帶用金屬環(huán)，除第6發(fā)明的構(gòu)成外，其特征在于將在使用狀態(tài)下相互不接觸的多數(shù)金屬環(huán)配置成同心狀而進行上述時效硬化處理。
還有，實施例的金屬零件32與本發(fā)明的橫剖元件對應，實施例的壓縮側(cè)彈性界限線L4與本發(fā)明的彈性變形界限對應。
發(fā)明的效果根據(jù)第1發(fā)明的構(gòu)成，算出金屬環(huán)外周面及內(nèi)周面的應力振幅及應力中心，以金屬環(huán)的壓縮應力不超過彈性變形界限為條件，設定金屬環(huán)的上述自由狀態(tài)半徑，因此，能夠防止壓縮應力過大并超過彈性變形界限，確實地增加金屬環(huán)的壽命。
根據(jù)第2發(fā)明的構(gòu)成，考慮金屬環(huán)與橫剖元件接觸時產(chǎn)生的接觸應力，算出金屬環(huán)外周面及內(nèi)周面的應力振幅及應力中心，以金屬環(huán)的壓縮應力不超過母材的彈性變形界限加上由于熱處理而產(chǎn)生的殘余應力的彈性變形界限為條件，設定金屬環(huán)的上述自由狀態(tài)半徑，因此，能夠防止壓縮應力過大并超過彈性變形界限，確實地增加金屬環(huán)的壽命。
根據(jù)第3發(fā)明的構(gòu)成，以由于熱處理產(chǎn)生的金屬環(huán)的壓縮殘余應力為x[MPa]、軸間距離為d、自由狀態(tài)半徑為Ro時，-1300≤x＜-1000Ro＜4.93d-557.4Ro＜0.33d-4.7同時成立，因此，在整個軸間距離上金屬環(huán)的總的壓縮應力不超過變形界限，同時能夠確保由壓縮殘余應力產(chǎn)生的金屬環(huán)的必要最小限的耐磨損性。
根據(jù)第4發(fā)明的構(gòu)成，以金屬環(huán)的自由狀態(tài)半徑/最小纏繞半徑為y，以由于上述熱處理產(chǎn)生的金屬環(huán)的壓縮殘余應力為x[MPa]時，x＜-1300y＜0.000026x2+0.084x+70.5y＞0.000003x2+0.007x+5.0同時成立，因此，金屬環(huán)的總的壓縮應力不超過變形界限，同時能夠確保由壓縮殘余應力產(chǎn)生的金屬環(huán)的必要最小限的耐磨損性。
根據(jù)第5發(fā)明的構(gòu)成，以金屬環(huán)的自由狀態(tài)半徑/最小纏繞半徑為y，以由于上述熱處理產(chǎn)生的金屬環(huán)的壓縮殘余應力為x[MPa]時，y＜5.0y＞1.5-1300≤x＜-1000同時成立，因此，除了第2發(fā)明的作用效果，還能夠確保由壓縮殘余應力產(chǎn)生的金屬環(huán)的必要最小限的耐磨損性，且避免隨著運轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的金屬環(huán)的壓縮應力過大。
根據(jù)第6發(fā)明的構(gòu)成，在正圓狀態(tài)下進行利用修正金屬環(huán)周長而設定自由狀態(tài)半徑后的時效硬化處理，因此，能夠利用周長的修正不破壞被均勻賦予的自由狀態(tài)半徑而進行時效硬化處理，另外，在橢圓狀態(tài)下進行不對金屬環(huán)的自由狀態(tài)半徑造成影響的氮化處理，因此，能夠削減用以進行氮化處理的間隙。
根據(jù)第7發(fā)明的構(gòu)成，使金屬環(huán)呈正圓狀態(tài)進行時效硬化處理時，將在使用狀態(tài)下相互不接觸的多數(shù)金屬環(huán)配置成同心狀，因此，能夠防止多個金屬環(huán)相互干涉、且削減用以進行時效硬化處理的間隙。


圖1是搭載了帶式無級變速器的車輛動力傳遞系統(tǒng)的框架圖。
圖2是金屬帶的部分斜視圖。
圖3是作用于金屬環(huán)的拉伸應力的說明圖。
圖4是表示作用于金屬環(huán)內(nèi)周面的應力變化的圖。
圖5是表示作用于金屬環(huán)外周面的應力變化的圖。
圖6是金屬環(huán)的非使用狀態(tài)(環(huán)形狀態(tài))及使用狀態(tài)的形狀的說明圖。
圖7是表示鞍形面的邊緣的曲率半徑和應力集中系數(shù)的關系的圖。
圖8是表示金屬環(huán)的等壽命線的圖。
圖9是說明金屬環(huán)的自由狀態(tài)半徑的定義的圖。
圖10是表示軸間距離及自由狀態(tài)的適當區(qū)域的圖。
圖11是表示壓縮殘余應力及量綱為1的自由狀態(tài)半徑的適當區(qū)域的圖。
圖12是將圖4及圖5的最大壓縮應力相對于各自由狀態(tài)作成圖表、表示金屬環(huán)的自由狀態(tài)半徑和最大壓縮應力的關系的圖(軸間距離為170mm的情況)。
圖13是將圖4及圖5的最大壓縮應力相對于各自由狀態(tài)作成圖表、表示金屬環(huán)的自由狀態(tài)半徑和最大壓縮應力的關系的圖(軸間距離為143mm的情況)。
圖14是金屬環(huán)的時效硬化處理及氮化處理的方法的說明圖。
圖15是表示金屬環(huán)氮化時所使用的保持夾具的圖。
圖中，9-金屬帶；32-金屬零件(橫剖元件)；33-金屬環(huán)；L4-壓縮側(cè)彈性界限線(彈性變形界限)；Ro-自由狀態(tài)半徑；T-帶式無級變速器；σai-應力振幅；σao-應力振幅；σmi-應力中心；σmo-應力中心；σCDR-接觸應力；σCDN-接觸應力。
具體實施例方式
以下，根據(jù)附圖所示的本發(fā)明的實施例對本發(fā)明的實施方式進行說明。
圖1～圖15表示本發(fā)明的一實施例，圖1是搭載了帶式無級變速器的車輛動力傳遞系統(tǒng)的框架圖，圖2是金屬帶的部分斜視圖，圖3是作用于金屬環(huán)的拉伸應力的說明圖，圖4是表示作用于金屬環(huán)內(nèi)周面的應力變化的圖，圖5是表示作用于金屬環(huán)外周面的應力變化的圖，圖6是金屬環(huán)的非使用狀態(tài)(環(huán)形狀態(tài))及使用狀態(tài)的形狀的說明圖，圖7是表示鞍形面的邊緣的曲率半徑和應力集中系數(shù)的關系的圖，圖8是表示金屬環(huán)的等壽命線的圖，圖9是說明金屬環(huán)的自由狀態(tài)半徑的定義的圖，圖10是表示軸間距離及自由狀態(tài)的適當區(qū)域的圖，圖11是表示壓縮殘余應力及量綱為1的自由狀態(tài)半徑的適當區(qū)域的圖，圖12是將圖4及圖5的最大壓縮應力相對于各自由狀態(tài)作成了圖表、表示金屬環(huán)的自由狀態(tài)半徑和最大壓縮應力的關系的圖(軸間距離為170mm的情況)，圖13是將圖4及圖5的最大壓縮應力相對于各自由狀態(tài)作成了圖表、表示金屬環(huán)的自由狀態(tài)半徑和最大壓縮應力的關系的圖(軸間距離為143mm的情況)，圖14是金屬環(huán)的時效硬化處理及氮化處理的方法的說明圖，圖15是表示金屬環(huán)氮化時所使用的保持夾具。
還有，本實施例中采用的金屬零件或金屬環(huán)的前后方向、寬度方向、徑向的定義如圖2所示。徑向被定義為其金屬零件所抵接的帶輪的徑向，接近帶輪的軸的一側(cè)為徑向內(nèi)側(cè)，遠離帶輪的軸的一側(cè)為徑向外側(cè)。另外，寬度方向被定義為沿金屬零件所抵接的帶輪的軸的方向，前后方向被定義為沿金屬零件的車輛前進行駛時的行進方向。
如圖1所示，車輛用的帶式無級變速器T具備平行配置的驅(qū)動軸1及從動軸2，發(fā)動機E的曲軸3左端介由減震器4與驅(qū)動軸1右端連接。
由驅(qū)動軸1支撐的驅(qū)動帶輪5具備相對于該驅(qū)動軸1相對旋轉(zhuǎn)自由的固定側(cè)帶輪半體5a、和相對于該固定側(cè)帶輪半體5a軸方向滑動自由的可動側(cè)帶輪半體5b?？蓜觽?cè)帶輪半體5b，基于作用在工作油室6的油壓而使其與固定側(cè)帶輪半體5a間的槽寬可變。由從動軸2支撐的從動帶輪7，具備一體形成在該從動軸2上的固定側(cè)帶輪半體7a、和相對于該固定側(cè)帶輪半體7a軸方向滑動自由的可動側(cè)帶輪半體7b?？蓜觽?cè)帶輪半體7b，基于作用在工作油室8的油壓而使其與固定側(cè)帶輪半體7a間的槽寬可變。并且在驅(qū)動帶輪5和從動帶輪7之間，纏繞著2根將多個金屬零件安裝在金屬環(huán)集合體上的金屬帶9。
在驅(qū)動軸1的左端具備在確立前進變速級時卡合而將驅(qū)動軸1的旋轉(zhuǎn)同方向傳遞給驅(qū)動帶輪5的前進離合器10和在確立后退變速級時卡合而將驅(qū)動軸1的旋轉(zhuǎn)反方向傳遞給驅(qū)動帶輪5的倒車制動器11，設有由單小齒輪式的行星齒輪機構(gòu)構(gòu)成的前進后退切換機構(gòu)12。前進后退切換機構(gòu)12的中心齒輪27固定在驅(qū)動軸1上，行星齒輪28經(jīng)由倒車制動器11而能夠由殼體限制，齒環(huán)29經(jīng)由前進離合器10而能夠與驅(qū)動帶輪5連接。
設置在從動軸2右端的起步用離合器13，使相對旋轉(zhuǎn)自由地支撐在從動軸2的第1中間齒輪14與該從動軸2連接。在與從動軸2平行配置的中間軸15上設置與上述第1中間齒輪14嚙合的第2中間齒輪16。設置在差速齒輪17的齒輪箱18中的輸入齒輪19上，嚙合著設置在上述中間軸15上的第3中間齒輪20。介由小齒輪軸21、21支撐在齒輪箱18上的一對小齒輪22、22上，嚙合著設置在相對旋轉(zhuǎn)自由地支撐在齒輪箱18上的左車軸23及右車軸24前端的半軸齒輪25、26。在左車軸23及右車軸24前端分別連接驅(qū)動輪W、W。
不過，若用檔把選擇前進檔，則根據(jù)利用電子控制單元U1動作的油壓控制單元U2發(fā)出的指令，首先是前進離合器10卡合，其結(jié)果驅(qū)動軸1與驅(qū)動帶輪5連接成一體。接下來，起步離合器13卡合，發(fā)動機E的轉(zhuǎn)矩經(jīng)驅(qū)動軸1、驅(qū)動帶輪5、金屬帶9、從動帶輪7、從動軸2及差速齒輪17傳遞給驅(qū)動輪W、W，車輛前進起步。若檔把選擇后退檔，則根據(jù)油壓控制單元U2發(fā)出的指令，倒車離合器11卡合而使驅(qū)動帶輪5向與驅(qū)動軸1旋轉(zhuǎn)方向相反方向被驅(qū)動，從而，利用起步離合器13的卡合，車輛倒檔起步。
這樣若車輛起步，則在油壓控制單元U2發(fā)出的指令下，向驅(qū)動帶輪5的工作油室6供給的油壓增加，驅(qū)動帶輪5的可動側(cè)帶輪半體5b接近固定側(cè)帶輪半體5a，有效半徑增加，同時，向從動帶輪7的工作油室8供給的油壓減少，驅(qū)動帶輪7的可動側(cè)帶輪半體7b遠離固定側(cè)帶輪半體7a，有效半徑減小，從而，帶式無級變速器T的比例從LOW比例(最大比例)狀態(tài)向OD比例(最小比例)狀態(tài)連續(xù)變化。
如圖2所示，金屬帶9是在左右一對金屬環(huán)集合體31、31上支撐多個金屬零件32...，各個金屬環(huán)集合體31層疊多個(實施例中為12個)金屬環(huán)33...而構(gòu)成的。由金屬板材沖裁成形的金屬零件32，具備零件主體34、位于卡合金屬環(huán)集合體31、31的左右一對環(huán)形槽35、35間的頸部36、介由頸部36與上述零件主體34徑向外側(cè)連接的大致三角形耳部37。在零件主體34的左右方向兩端部形成能夠與驅(qū)動帶輪5及從動帶輪7的V面抵接的一對帶輪抵接面39、39。另外，在金屬零件32的行進方向前側(cè)及后側(cè)，分別形成相互抵接的主面40，另外，在行進方向前側(cè)的主面40下部介由向左右方向延伸的鎖止邊緣41形成傾斜面42。再有，為了連接前后相鄰的金屬零件32、32，而在耳部37前后面形成能夠相互配合的凹凸部43。并且，在左右一對環(huán)形槽35、35下緣形成支撐金屬環(huán)集合體31、31內(nèi)周面的鞍形面44、44。
圖3表示車輛處于最高速度行駛狀態(tài)(TOP比例的狀態(tài))、驅(qū)動帶輪5的有效半徑大于從動帶輪7的有效半徑的狀態(tài)，該圖中金屬帶9的厚度模式性表示由該金屬帶9的張力引起的各金屬環(huán)33...的拉伸應力的大小。也如圖4及圖5中虛線所示，在金屬帶9從從動帶輪7回到驅(qū)動帶輪5的返回側(cè)的弦部(A區(qū)域)，上述應力為一定值σTLOW，在金屬帶9從驅(qū)動帶輪5送向從動帶輪7的出去側(cè)的弦部(C區(qū)域)，上述應力為一定值σTHIGH。A區(qū)域的應力σTLOW小于C區(qū)域的應力σTHIGH，在金屬帶9纏繞在驅(qū)動帶輪5上的部分(B區(qū)域)，從其入口側(cè)到出口側(cè)應力從σTLOW增加到σTHIGH，在金屬帶9纏繞在從動帶輪7上的部分(D區(qū)域)，從其入口側(cè)到出口側(cè)應力從σTHIGH減少到σTLOW。
基于上述金屬帶9的張力產(chǎn)生的金屬環(huán)33的拉伸應力，在其厚度方向為一定。即，如圖4及圖5中虛線所示，最內(nèi)層的金屬環(huán)33內(nèi)面的拉伸應力及外周面的拉伸應力相同。
金屬環(huán)33上除了基于上述張力產(chǎn)生的拉伸應力外，還作用有基于金屬環(huán)33的彎曲產(chǎn)生的拉伸應力。如圖(A)～(C)所示，切斷時的金屬環(huán)的半徑為一定的Ro(自由狀態(tài)半徑)，不過，使用狀態(tài)的金屬環(huán)會變形為具有上述A區(qū)域～D區(qū)域的形狀。在返回側(cè)弦部(A區(qū)域)及出去側(cè)弦部(C區(qū)域)自由狀態(tài)Ro的曲率半徑增加為∞，在纏繞在大徑側(cè)的驅(qū)動帶輪5的B區(qū)域)自由狀態(tài)Ro的曲率半徑變化為RDR，在纏繞在小徑側(cè)的從動帶輪7的D區(qū)域)自由狀態(tài)Ro的曲率半徑變化為RDN。金屬環(huán)33的自由狀態(tài)徑Ro通過環(huán)周長修正工序賦予。
這樣，在金屬環(huán)33的曲率半徑增加的A區(qū)域及C區(qū)域，在該金屬環(huán)33的內(nèi)周面作用拉伸彎曲應力σTST，在外周面作用壓縮彎曲應力σTST。另方面，在金屬環(huán)33的曲率半徑減小的B區(qū)域及D區(qū)域，在該金屬環(huán)33的內(nèi)周面作用彎曲應力σVDR、σVDN，在外周面作用彎曲應力σVDR、σVDN。
在圖4及圖5的圖中，還表示車輛處于圖3中說明的最高速度行駛狀態(tài)時，作用于金屬環(huán)33內(nèi)周面及外周面的彎曲應力的變化。如圖4所示，在金屬環(huán)33內(nèi)周面，在其兩個弦部(A區(qū)域及C區(qū)域)作用一定的拉伸彎曲應力σVST，纏繞在曲率半徑大的驅(qū)動帶輪5上的B區(qū)域，作用彎曲應力σVDR，纏繞在曲率半徑小的從動帶輪7上的D區(qū)域，作用彎曲應力σVDN。另方面，如圖5所示，在金屬環(huán)33外周面，在其兩個弦部(A區(qū)域及C區(qū)域)作用一定的壓縮彎曲應力σVST，纏繞在曲率半徑大的驅(qū)動帶輪5上的B區(qū)域，作用彎曲應力σVDR，纏繞在曲率半徑小的從動帶輪7上的D區(qū)域，作用彎曲應力σVDN。
再有，在最內(nèi)層的金屬環(huán)33內(nèi)周面伴隨著與金屬零件32的鞍形面44接觸而作用壓縮應力(接觸應力)。圖4中，驅(qū)動帶輪5側(cè)的接觸應力以σCDR表示，從動帶輪7側(cè)的接觸應力以σCDN表示。該接觸應力σCDR、σCDN，通過金屬環(huán)33的張力乘以與金屬零件32的鞍形面44的邊緣的曲率半徑相對應的應力集中系數(shù)(一般為30～60左右)而算出。鞍形面44的邊緣的曲率半徑與應力集中系數(shù)的關系如圖7所示。
還有，圖4表示最內(nèi)層金屬環(huán)33的內(nèi)周面的應力，不過，最內(nèi)層以外的金屬環(huán)33的內(nèi)周面的應力不包括接觸應力σCDR、σCDN。究其原因，是因為最內(nèi)層以外的金屬環(huán)33的內(nèi)周面不與金屬零件32的鞍形面44接觸。另外，圖5表示最內(nèi)層金屬環(huán)33的外周面的應力，不過，最內(nèi)層以外的金屬環(huán)33的外周面的應力也與之相同。
還有，在金屬環(huán)33表面，由于為了提高其耐磨損性而進行的氮化處理而賦予壓縮殘余應力。由于氮化處理而賦予的殘余應力，在其內(nèi)周面及外周面為相同符號(只是壓縮應力)。
圖4的實線表示將基于金屬環(huán)33的張力而作用的應力σTLOW、σTHIGH、基于金屬環(huán)33彎曲而作用于該金屬環(huán)33內(nèi)周面的應力σVDR、σVDN、由于與鞍形面44接觸而作用的接觸應力σCDR、σCDN相加所得的作用于金屬環(huán)33內(nèi)周面的總應力變化。另外，圖5的實線表示將基于金屬環(huán)33的張力而作用的應力σTLOW、σTHIGH、基于金屬環(huán)33彎曲而作用于該金屬環(huán)33內(nèi)周面的應力σVDR、σVDN相加所得的作用于金屬環(huán)33外周面的總應力變化。
圖4中，金屬環(huán)33的內(nèi)周面的應力振幅σai，以最大拉伸應力及最大壓縮應力的偏差的2分之1定義，金屬環(huán)33內(nèi)周面的應力中心σmi以應力振幅σai中心的應力定義。同樣，圖5中，金屬環(huán)33的外周面的應力振幅σao，以最大拉伸應力及最大壓縮應力的差的2分之1定義，金屬環(huán)33外周面的應力中心σmo以應力振幅σao中心的應力定義。
圖8橫軸取作最內(nèi)層環(huán)表面的應力中心σm，縱軸取作最內(nèi)層環(huán)表面的應力振幅σa，向右下降的等壽命線L1、L2表示金屬環(huán)33疲勞壽命相等的應力中心σm及應力振幅σa的組合。應力中心σm及應力振幅σa越小、即等壽命線L1、L2越接近原點，金屬環(huán)33的疲勞壽命越長。
圖4所示的最內(nèi)層金屬環(huán)33內(nèi)周面的應力中心σmi及應力振幅σai在A點相互促進的等壽命線L1，在對金屬環(huán)33施予1.5×107的重復彎曲時顯示出破壞。另方面，圖5所示的最內(nèi)層金屬環(huán)33外周面的應力中心σmo及應力振幅σao在B點相互促進的等壽命線L2，在對金屬環(huán)33施予5×107的重復彎曲時顯示出破壞。即，金屬環(huán)33內(nèi)周面的耐久性為外周面的耐久性的3分之1以下，最內(nèi)層的金屬環(huán)33由于疲勞而從內(nèi)周面破壞。
線L3是由金屬環(huán)33的材料決定的彈性界限線，在該線的外側(cè)(右上側(cè))的區(qū)域，由于大的應力振幅σai、σao而使金屬環(huán)33塑性變形。線L4是金屬環(huán)33的壓縮側(cè)彈性界限線，在該線外側(cè)(左上側(cè))的區(qū)域，壓縮應力超過彈性界限，金屬環(huán)33發(fā)生塑性變形。上述線L4，由母材的彈性界限L4′加上熱處理產(chǎn)生的壓縮殘余應力Aσ而決定。
不過，如圖9(A)所示，如果環(huán)形狀態(tài)且半徑為R的金屬環(huán)33上沒有由于周長的差而產(chǎn)生的殘余應力，則切除了其金屬環(huán)33局部、即釋放了殘余應力的狀態(tài)的自由狀態(tài)半徑Ro與環(huán)形狀態(tài)半徑R相等。另方面，如圖9(B)所示，若環(huán)形狀態(tài)的金屬環(huán)33的殘余應力在外周面為壓縮應力、在內(nèi)周面為拉伸應力，則由于切除其局部而使金屬環(huán)33外周面伸展、內(nèi)周面壓縮，從而金屬環(huán)33閉起這樣變形，自由狀態(tài)半徑Ro小于環(huán)形狀態(tài)半徑R。相反，如圖9(C)所示，若環(huán)形狀態(tài)的金屬環(huán)33的殘余應力在外周面為拉伸應力、在內(nèi)周面為壓縮應力，則由于切除其局部而使金屬環(huán)33外周面壓縮、內(nèi)周面伸展，從而金屬環(huán)33打開這樣變形，自由狀態(tài)半徑Ro大于環(huán)形狀態(tài)半徑R。
這樣，通過拉伸金屬環(huán)33的外周面或內(nèi)周面進行周長修正從而能夠賦予任意的自由狀態(tài)半徑Ro。
圖4及圖5實線所示的金屬環(huán)33的總的應力變化特性，由于周長修正產(chǎn)生的彎曲應力而向上下方向平行移動。從而，由于周長修正使金屬環(huán)33的應力振幅σai、σao不變化而應力中心σmi、σmo變化。
不過，通過調(diào)整金屬環(huán)33的自由狀態(tài)半徑Ro、變化彎曲應力而能夠使應力中心σmi、σmo變化，因此，能夠使圖8中等壽命線L1上A點的最內(nèi)層的金屬環(huán)33的應力中心σmi及應力振幅σai中的應力中心σmi向箭頭所示方向移動。即、若增大金屬環(huán)33的自由狀態(tài)半徑Ro，則應力中心σmi及應力振幅σai的組合從等壽命線L1上的A點移動到等壽命線L2上的A′點，能夠增加金屬環(huán)33內(nèi)周面的疲勞強度。
不過，不能使應力中心σmi向箭頭所示方向無限制地移動，以壓縮側(cè)彈性界限線L4(例如壓縮應力＝-700MPa)作為界限。究其原因是若從右向左超過壓縮側(cè)彈性界限線L4，則最內(nèi)層金屬環(huán)33內(nèi)周面的壓縮應力過大而發(fā)生塑性變形，從而金屬環(huán)33破損。壓縮側(cè)彈性界限線L4的位置根據(jù)金屬環(huán)33的氮化處理特性、即根據(jù)在氮化處理中賦予金屬環(huán)33的壓縮殘余應力決定。
圖10是以斜線表示能夠提高最內(nèi)層金屬環(huán)33耐久性的區(qū)域的圖，橫軸為軸間距離d[mm]、縱軸為自由狀態(tài)半徑Ro[mm]。線L5，通過由熱處理產(chǎn)生的壓縮殘余應力為-1300MPa、最大壓縮應力為700MPa的內(nèi)周的自由狀態(tài)半徑a170280mm(參照圖12)和b143147mm(參照圖13)。線L6，通過最大壓縮應力為700MPa的外周的自由狀態(tài)半徑a17052mm(參照圖12)和a14343mm(參照圖13)。
圖10的斜線部、即Ro＜4.93d-557.4Ro＞0.33d-4.7同時成立，若使熱處理產(chǎn)生的壓縮殘余應力x[MPa]為-1300≤x＜1000，則總的壓縮應力不超過2000MPa，在彈性變形界限內(nèi)，且確保金屬環(huán)33的必要最小限的耐磨損性，因此能夠有效地確保金屬環(huán)33的壽命。
圖11是以斜線表示能夠提高最內(nèi)層金屬環(huán)33耐久性的區(qū)域的圖，其橫軸為由氮化處理產(chǎn)生的壓縮殘余應力，其縱軸為以最小纏繞半徑(纏繞在驅(qū)動帶輪5或從動帶輪7上時的最小半徑)量綱為1的金屬環(huán)33的自由狀態(tài)半徑Ro。區(qū)劃上述區(qū)域局部的邊界S1及S2，與最內(nèi)層金屬環(huán)33的應力中心σai及應力振幅σma不超過壓縮側(cè)彈性界限線L4(參照圖8)這樣的條件相對應，另外，邊界S3與用以確保金屬環(huán)33的耐磨損性所必需的氮化處理強度相對應，在金屬環(huán)33的壓縮殘余應力中相當于-1300MPa。
將圖11的縱軸y取作金屬環(huán)33的自由狀態(tài)半徑/最小纏繞半徑、橫軸x取作由熱處理產(chǎn)生的金屬環(huán)33的壓縮殘余應力[MPa]時，邊界S1以y＝0.000026x2+0.084x+70.5表示，邊界S2以y＝0.000003x2+0.007x+5.0表示，邊界S3以x＝-1300表示，邊界S4以x＝-1000表示，邊界S5以y＝1.5表示，邊界S6以y＝5.0表示。
從而，將最內(nèi)層金屬環(huán)33由于氮化處理產(chǎn)生的壓縮殘余應力及量綱為1的自由狀態(tài)半徑Ro，設定在圖11的由邊界S1～S3圍繞的最適當區(qū)域，能夠避免金屬環(huán)33的應力超過壓縮側(cè)彈性界限線L4，充分確保金屬環(huán)33的耐磨損性，且考慮與金屬零件32的鞍形面44的接觸應力并最大限地提高相對于重復彎曲的耐久性。
在此，由邊界S3(壓縮殘余應力x＝-1300MPa)規(guī)定的條件，能夠用對金屬零件32的鞍形面44進行編碼處理、或降低鞍形面44的硬度、或提高鞍形面44的保油性等方法克服，因此，能夠?qū)⑦吔鏢3擴展到邊界S4(壓縮殘余應力x＝-1000MPa)。而在邊界S3、S4所夾持的區(qū)域，量綱為1的自由狀態(tài)半徑Ro被限制在y從1.5(邊界S5)到5.0(邊界S6)的范圍。以下，對由邊界S5、S6限制的金屬環(huán)33的自由狀態(tài)半徑Ro的意思進行說明。
圖12及圖13是表示TOP比例狀態(tài)下的金屬環(huán)33的自由狀態(tài)半徑Ro和最大壓縮應力關系的圖，分別與軸間距離(驅(qū)動軸1及從動軸2間的距離)為170mm的情況和143mm的情況相對應。若自由狀態(tài)半徑Ro增加，則金屬環(huán)33內(nèi)周側(cè)的最大壓縮應力的絕對值變大，若自由狀態(tài)半徑Ro減小，則金屬環(huán)33外周側(cè)的最大壓縮應力的絕對值變大。
由氮化處理產(chǎn)生的壓縮殘余應力為-1300MPa時，圖12及圖13的最大壓縮應力必須大于-700MPa(以總計大于2000MPa)。即，自由狀態(tài)半徑Ro在圖12中必須在a170(52mm)～b170(280mm)間，在圖13中必須在a143(43mm)～b143(147mm)間。若以軸間距離為170mm時的最小纏繞半徑為r170，以軸間距離為143mm時的最小纏繞半徑為r143，則a170/r170＝1.3、b170/r170＝9.2、a143/r143＝1.5、b143/r143＝5.0。
從而，若將y設定在軸間距離為143mm的范圍1.5(邊界S5)～5.0(邊界S6)，則在實用范圍(軸間距離143mm～170mm)內(nèi)，能夠獲得耐磨損性、相對于重復彎曲的耐久性高的金屬環(huán)33。另外，壓縮殘余應力的絕對值大于1300MPa的適當范圍，同樣為邊界S1及邊界S2所夾的范圍。圖11的邊界S1′、S2′、S5′、S6′與軸間距離為170mm時的邊界S1、S2、S5、S6相對應。再有，壓縮殘余應力的絕對值小于1300MPa時，根據(jù)圖12及圖13外周的曲線S2S5。另外，邊界S1的延長線隨著壓縮殘余應力的絕對值的減小而增加，從而，擔心看錯圖11中y相對x的值。因此，在該范圍，y設定在邊界S6。
而根據(jù)由于氮化處理而對金屬環(huán)33施予的壓縮殘余應力，設定金屬環(huán)33的適當?shù)淖杂蔂顟B(tài)半徑Ro以使其收納在圖11的斜線區(qū)域內(nèi)，也就是說，考慮最內(nèi)層金屬環(huán)33從金屬零件32的鞍形面44受到的接觸應力和金屬環(huán)33的彈性變形界限而設定自由狀態(tài)半徑Ro，能夠有效地延長金屬環(huán)33的疲勞壽命，同時能夠?qū)⑦\轉(zhuǎn)中作用于金屬環(huán)33的壓縮應力和壓縮殘余應力抑制在材料的彈性變形界限應力(例如2000MPa)以下，確實地防止金屬環(huán)33的破損。
在此，用以設定金屬環(huán)33的自由狀態(tài)半徑Ro的周長修正工序包括作為其前工序的固溶處理和作為其后工序的時效硬化處理。進行該時效硬化處理時，若金屬環(huán)33的形狀歪斜則對自由狀態(tài)半徑Ro造成影響，因此，如圖14(A)所示，必須使金屬環(huán)33保持正圓狀態(tài)進行時效硬化處理。
不過，要使多個金屬環(huán)33保持正圓狀態(tài)，而必需較多的間隙，因此，對構(gòu)成金屬環(huán)集合體31的12金屬環(huán)33從內(nèi)周側(cè)向外周側(cè)編成#1～#12時，如圖14(B)所示，將每隔3個的#1、#4、#7、#10進行定位，從最小徑的#1到最大徑的#10配置成同心狀，因而能夠避免相互干涉且以狹小間隙進行時效硬化處理。同樣，分別定位#2、#5、#8、#11這4個和#3、#6、#9、#12這4個，進行時效硬化處理。還有，也可以取代定位每隔3個的金屬環(huán)33而定位每隔2個或每隔4個的金屬環(huán)。
另方面，由于在周長修正工序結(jié)束后進行的氮化處理工序中，金屬環(huán)33的保持形狀不會對自由狀態(tài)半徑Ro造成影響，因此，如圖14(C)所示，將金屬環(huán)33壓垮成橢圓形狀進行氮化處理。這樣，通過使金屬環(huán)33成為橢圓形狀，從而，與使其成為正圓形狀的情況相比較能夠削減必要的間隙。再有，如圖15(A)～(C)所示，若減少氮化時的保持夾具45與金屬環(huán)33端部的接觸面積，則能夠更完全地排除保持夾具45的影響。
以上，說明了本發(fā)明的實施例，不過，本發(fā)明并不限定于上述實施例，不脫離權利要求范圍所述的本發(fā)明，能夠進行各種設計變更。
權利要求
1.一種金屬帶用金屬環(huán)，為了增加帶式無級變速器(T)的金屬帶(9)的金屬環(huán)(33)的疲勞壽命而設定切斷金屬環(huán)(33)后的自由狀態(tài)半徑(Ro)，其特征在于以帶式無級變速器(T)工作中的、由金屬環(huán)(33)的外周面及內(nèi)周面的應力變動決定的、金屬環(huán)(33)的外周面及內(nèi)周面的應力振幅(σai、σao)及應力中心(σmi、σmo)不超過金屬環(huán)(33)的彈性變形界限(L4)為條件，來設定金屬環(huán)(33)的上述自由狀態(tài)半徑(Ro)。
2.一種金屬帶用金屬環(huán)，為了增加帶式無級變速器(T)的金屬帶(9)的金屬環(huán)(33)的疲勞壽命而設定切斷金屬環(huán)(33)后的自由狀態(tài)半徑(Ro)，其特征在于以帶式無級變速器(T)工作中的、由考慮了金屬環(huán)(33)與橫剖元件(32)接觸時產(chǎn)生的接觸應力的金屬環(huán)(33)的外周面及內(nèi)周面的應力變動決定的、金屬環(huán)(33)的外周面及內(nèi)周面的應力振幅(σai、σao)及應力中心(σmi、σmo)不超過金屬環(huán)(33)的彈性變形界限(L4)為條件，來設定金屬環(huán)(33)的上述自由狀態(tài)半徑(Ro)，其中金屬環(huán)(33)的彈性變形界限(L4)是該母材的彈性變形界限與由熱處理產(chǎn)生的壓縮殘余應力的加和。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的金屬帶用金屬環(huán)，其特征在于在以由于上述熱處理產(chǎn)生的金屬環(huán)(33)的壓縮殘余應力為x[MPa]、軸間距離為d、自由狀態(tài)半徑為Ro時，-1300≤x＜-1000Ro＜4.93d-557.4Ro＜0.33d-4.7同時成立。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的金屬帶用金屬環(huán)，其特征在于在以金屬環(huán)(33)的自由狀態(tài)半徑/最小纏繞半徑為y，以由于熱處理產(chǎn)生的金屬環(huán)(33)的壓縮殘余應力為x[MPa]時，x＜-1300y＜0.000026x2+0.084x+70.5y＞0.000003x2+0.007x+5.0同時成立。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的金屬帶用金屬環(huán)，其特征在于在以金屬環(huán)(33)的自由狀態(tài)半徑/最小纏繞半徑為y，以由于上述熱處理產(chǎn)生的金屬環(huán)(33)的壓縮殘余應力為x[MPa]時，x＜-1300y＜0.000026x2+0.084x+70.5y＞0.000003x2+0.007x+5.0同時成立，或者y＜5.0y＞1.5-1300≤x＜-1000同時成立。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的金屬帶用金屬環(huán)，其特征在于利用金屬環(huán)(33)周長的修正來進行金屬環(huán)(33)的自由狀態(tài)半徑(Ro)的設定，在正圓狀態(tài)下進行修正了周長后的時效硬化處理，在橢圓狀態(tài)下進行時效硬化處理后的氮化處理。
7.根據(jù)權利要求6所述的金屬帶用金屬環(huán)，其特征在于將在使用狀態(tài)下相互不接觸的多數(shù)金屬環(huán)(33)配置成同心狀而進行上述時效硬化處理。
全文摘要
通過適當設定金屬帶用金屬環(huán)的自由狀態(tài)半徑從而最大限地增加其壽命的金屬帶用金屬環(huán)。對與金屬零件鞍形面接觸而受到接觸負載的最內(nèi)層金屬環(huán)進行氮化處理而施予的壓縮殘余應力、與以最小纏繞半徑量綱為1的金屬環(huán)的自由狀態(tài)半徑的關系，設定在斜線區(qū)域。斜線區(qū)域的邊界S1、S2，根據(jù)作用于金屬環(huán)內(nèi)周面的壓縮殘余應力、由于彎曲產(chǎn)生的壓縮應力及接觸應力的相加值不超過金屬環(huán)的彈性變形界限這樣的條件決定。邊界S5、S6，根據(jù)金屬環(huán)的最大壓縮應力不過大這樣的條件決定。邊界S4，根據(jù)確保金屬環(huán)表面的耐磨損性而決定。
文檔編號C21D9/52GK1786512SQ20051011644
公開日2006年6月14日 申請日期2005年10月21日 優(yōu)先權日2004年12月8日
發(fā)明者金原茂, 矢崎徹 申請人:本田技研工業(yè)株式會社