无级变速器的金属带用元件的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种无级变速器的金属带用元件，其在金属带驱动时能够恰到好处地减少在元件的颈根部产生的应力而提升重复疲劳强度，由此能够提升无级变速器的扭矩传递容量，并且能够提升超速比区域附近的无级变速器的动力传递效率。使用含碳量在0.61％以上且0.71％以下的钢材作为元件的钢材来制作元件。此时，通过彼此平滑地连接并且满足R1＜R2＜R3且D/R2≤0.3的关系的3个曲面而构成连接鞍型面和颈侧面的颈根部的形状，所述3个曲面分别为朝下呈凸状的曲面(PA-PB(R1))、朝下呈凸状的曲面(PB-PD(R2))以及朝上呈凸状的曲面(PD-PE(R3))。另外，在各连接部处平滑地连接以共有同一切平面(切线)的方式相邻的曲面。
【专利说明】
无级变速器的金属带用元件
技术领域
[0001]本发明涉及无级变速器的金属带用元件，更具体而言涉及这样的无级变速器的金属带用元件:在金属带驱动时能够恰到好处地减少在元件的颈根部产生的应力而提升重复疲劳强度，由此能够提升无级变速器的扭矩传递容量，并且能够提升超速比区域附近的无级变速器的动力传递效率。
【背景技术】
[0002]作为无级变速器的金属带用元件，如图8所示，具有:大致梯形状的元件的元件主体;在中间具有供金属环集合体嵌合的左右一对环缝的颈部；以及隔着颈部而形成于主体上部的大致三角形状的耳部。元件主体的左右方向两端部形成有能够与驱动带轮(未图示)和从动带轮(未图示)的V面抵接的一对抵接面。另外，在元件的行进方向前侧和后侧分别形成有与相邻的元件抵接的主面，此外，在行进方向前侧的主面的下部隔着在左右方向上延伸的锁定边沿而形成有倾斜面。进一步地，为了结合前后相邻的元件，在耳部的前后面上分别形成有能够彼此嵌合的凸头部和孔部(图9的(b))。而且，在左右的环缝的下缘形成有支承金属环集合体的内周面(最内周的金属环的内周面)的鞍型面。
[0003]而且，由上述金属环集合体和上述元件构成的金属带被卷绕于一对带轮(驱动带轮、从动带轮)之间，元件的两个抵接面被按压在带轮的V面上，通过该抵接面与带轮的V面之间的摩擦力而将来自发动机的旋转动力从驱动带轮传递至从动带轮。这样，元件在金属带的旋转时其鞍型面被金属环集合体向下方按压，且两个抵接面被带轮的V面按压。进而，在元件对驱动带轮和从动带轮转达传递扭矩时，根据扭矩的传递方向而使得在前后方向上的弯曲力矩作用于元件主体上。因此，应力集中于元件的颈部、尤其是集中于作为与鞍型面的交叉部的颈根部(图中的虚线圆部)。
[0004]在上述颈根部形成有从颈侧面起到鞍型面平滑地凹陷的圆弧凹部。已知如下的元件，其特征在于，该圆弧凹部的截面形状由与颈侧面连续的曲率半径Rl的第I圆弧、以及与第I圆弧连续并形成底部的曲率半径R2的第2圆弧构成，曲率半径Rl大于曲率半径R2(例如，参照专利文献I)。
[0005]此外，还已知如下的元件，其特征在于，圆弧凹部由曲率半径为R1、R2、R3、R4的4个圆弧构成，这些曲率半径之中形成底部的第2圆弧的曲率半径R2是最大值(例如，参照专利文献2)。
[0006]此外，还已知如下的元件，其特征在于，从鞍型面起的圆弧深度D与曲率半径R之比D/R处于0.3至0.75的范围内(例如，参照专利文献3)。
[0007]另一方面，已知元件材料的含碳量(含有C%)对颈根部的应力集中具有较大的影响。已知在通过含碳量(含有C% )为0.50?0.70%的钢材制作元件的情况下，能够提升元件的耐磨损性和耐疲劳性(例如，参照专利文献4)。
[0008]现有技术文献
[0009]专利文献
[0010]专利文献1:日本专利第4766064号
[0011]专利文献2:日本专利第3975791号
[0012]专利文献3:日本专利第4321119号
[0013]专利文献4:日本专利第5594521号
[0014]上述专利文献I和2是用于通过用平滑的圆弧(曲面)连接鞍型面和颈侧面而减少在颈根部产生的应力的手法。亦即，是用于在不变更元件整体的形状的情况下，通过增大圆弧的曲率半径R而减少在颈根部产生的应力的手法。
[0015]然而，根据强度解析可知，对于在颈根部产生的应力，相比曲率半径R而言，从鞍型面到圆弧最下部为止的距离(深度)D的影响更大。上述专利文献I和2中并未考虑从鞍型面到圆弧最下部为止的距离(D)。
[0016]图10表示通过强度解析求出如图9的(a)所示在元件被限制住的状态下对元件的鞍型面上施加了朝下的荷重时在颈根部产生的应力时的解析结果。此外，图11表示通过强度解析而求出如图9的(b)所示在元件被限制住的状态下对处于鞍型面和锁定边沿之间的中间位置的背面从孔部侧起向凸头部侧施加了荷重时在颈根部产生的应力时的解析结果。根据图 10 的(a)、(b)和图 11的(a)、(b)可知，即使处于 R1<R2(R1/R2<1)且 R3<R2(R3/R2<I)的关系时，所产生的应力仍为高值且大幅离散。因此，上述专利文献I和2关于减少颈根部的应力而言未必具有较大的效果。
[0017]另外，在上述专利文献3中，考虑了从鞍型面到圆弧最下部为止的距离(D)。
[0018]然而，根据图10的(C)和图11的(C)可知，在0.3 <D/R< 0.75时会在颈根部产生很高的应力。因此，上述专利文献3关于减少颈根部的应力而言也未必具有很大的效果。
【发明内容】
[0019]于是，本发明就是鉴于上述现有技术的问题而完成的，其目的在于提供一种无级变速器的金属带用元件，其在金属带驱动时能够恰到好处地减少在元件的颈根部产生的应力而提升重复疲劳强度，由此能够提升无级变速器的扭矩传递容量，并且能够提升超速比区域附近的无级变速器的动力传递效率。
[0020]关于用于达成上述目的的本发明的无级变速器的金属带用元件，多个该元件通过层叠多个带状的金属环而成的金属环集合体而对齐相位并沿着该金属环集合体呈环状地层叠，并且该元件具有支承该金属环集合体的鞍型面和从该鞍型面向上方延伸设置的颈部，该元件的特征在于，
[0021]在所述鞍型面与所述颈部交叉的颈根部处形成有向该鞍型面侧凹陷的凹部，该凹部由以下部分构成:平滑地连接于所述颈部的侧面且形成在未到达所述凹部的底面部分的范围的朝下呈凸状的第I曲面(Rl);平滑地连接于该第I曲面(Rl)且形成所述底面部分的朝下呈凸状的第2曲面(R2);以及平滑地连接于该第2曲面和所述鞍型面双方的朝上呈凸状的第3曲面(R3)，所述第I曲面(Rl)、所述第2曲面(R2)和所述第3曲面(R3)各自的曲率半径按照所述第I曲面(Rl)、所述第2曲面(R2)和所述第3曲面(R3)的顺序而变大，并且所述第2曲面的深度(D)与所述第2曲面的曲率半径(R2)之比是小于等于0.3的值。
[0022]在上述结构中，鞍型面与颈部交叉的颈根部(角部)构成为，其曲率半径从颈部到鞍型面依次变大且形成底面部分的曲率半径依赖于从鞍型面起的深度的3个上述各曲面(圆弧)平滑地连接。即，在设与颈侧面连接的第I曲面的曲率半径为R1，形成底面部分的第2曲面的曲率半径为R2，与鞍型面连接的第3曲面的曲率半径为R3，以鞍型面为基准的第2曲面的深度为D时，通过满足R1<R2<R3且D/R2 < 0.3的3个上述各曲面(圆弧)而构成鞍型面与颈部交叉的颈根部(角部)。特别地，通过使曲率半径依次增大，同时使形成底面部分的曲率半径R2依赖于从鞍型面起的深度D，从而能够恰到好处地减少在颈根部产生的应力。
[0023]本发明的无级变速器的金属带用元件的第2特征在于，构成所述元件的钢材至少含有碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)和铬(Cr)来作为添加物，所述碳的含有量(％)是0.61%以上且0.71%以下。
[0024]在上述结构中，通过使用上述含碳率的钢材，从而与上述圆弧凹部的形状的特征相互作用，既能够适当降低在颈根部产生的应力，又能够提升元件的重复疲劳强度。
[0025]发明的效果
[0026]根据本发明的元件，颈根部的上述形状方面的特征与构成元件的钢材的上述材料方面的特征相互作用，而能够恰到好处地减少在元件的颈根部产生的应力，并且能够提升元件的重复疲劳强度。此外，在本发明的元件中，从鞍型面起到底面部分的距离(D)较小、在颈根部产生的应力小，因此能够使锁定边沿向鞍型面侧移动。由此，在超速比区域附近，能够减少在环与鞍型面之间产生的打滑而造成的扭矩损失，能够有助于无级变速器的动力传递效率的提升。
【附图说明】
[0027]图1中(a)、(b)是表示本发明的元件的颈根部的要部剖视说明图。
[0028]图2中(a)、(b)是表示通过强度解析求出对本发明的元件的鞍型面上施加了朝下的荷重(B卩，荷重来自上方)时在颈根部产生的应力时的解析结果的图表。
[0029]图3中(a)、(b)是表示通过强度解析求出对本发明的元件的处于鞍型面和锁定边沿的中间位置的背面从孔部侧起向凸头部侧施加了荷重(即，荷重来自后方)时在颈根部产生的应力时的解析结果的图表。
[0030]图4是表示钢材、颈根部形状和重复疲劳强度的相关的图表。
[0031]图5是表示含碳量、颈根部形状和重复疲劳强度的相关的图表。
[0032]图6是表示本发明的元件的锁定边沿的说明图，左侧表示现有的元件形状，右侧表示本发明的元件形状。
[0033]图7是表示使用本发明的元件的无级变速器的动力传递效率的说明图。
[0034I图8是表示现有元件的立体图。
[0035]图9中(a)、(b)是表示对元件施加的荷重的朝向的说明图。
[0036]图10中(a)、(b)、(C)是表示通过强度解析求出对现有元件的鞍型面上施加了朝下的荷重(B卩，荷重来自上方)时在颈根部产生的应力时的解析结果的图表。
[0037]图11中(a)、(b)、(c)是表示通过强度解析求出对现有元件的处于鞍型面和锁定边沿的中间位置的背面从孔部侧起向凸头部侧施加了荷重(即，荷重来自后方)时在颈根部产生的应力时的解析结果的图表。
[0038]图12是说明图4和图5的“重复数1.0E+5次的疲劳强度的相当荷重”的S-N线图。
[0039]标号说明
[0040]100:元件，(:1、02工3、04:圆弧中心儿1、1^2、1^3、1^4、1^5:切线，111、112、113、114、115:法线，PA、PB、PD、PE:连接点，PC:最深点，PF:鞍型面上端，PA-PB、PB-PD、PD-PE:曲面(圆弧)，Rl、R2、R3:曲率半径，D:从鞍型面上端到最深点的距离(深度)，W:从颈侧面到鞍型面的R开始点的距离。
【具体实施方式】
[0041 ]以下，通过附图所示的实施方式进一步详细说明本发明。
[0042]图1是表示本发明的无级变速器的金属带用元件(以下，称作“元件”)100的颈根部的要部剖视说明图。另外，图1的(b)是表示各曲率半径R与深度D的相关的图表。此外，标号D是从鞍型面上端到最深部(点)PC的深度(距离)，标号W是从颈侧面到鞍型面的R开始点PE的距离。
[0043]在该元件100中，平滑地连接鞍型面和颈侧面的颈根部处的连接面由曲率半径从颈侧面到鞍型面依次变大且形成底面部分的曲率半径R2依赖于从鞍型面起的深度D的3个曲面(圆弧)平滑地连接而构成，该3个曲面分别为朝下呈凸状的曲面(圆弧)PA-PB、朝下呈凸状的曲面(圆弧)PB-PD以及朝上呈凸状的曲面(圆弧)PD-PE。此外，具体情况将在后面叙述，而作为构成本元件100的钢材使用含碳量(质量％)为0.61?0.71%的钢材。另外，这里为了便于说明，使用曲面和圆弧表示相同意义。
[0044]此外，这里所谓的“平滑地”指的是相邻的曲面(圆弧)以同一切平面(切线)连接的情况。因此，各圆弧的中心被作为两连接点处的各法线的交点而求出，其曲率半径被作为从该圆弧中心到连接点为止的距离而求出。反之，在各曲面的圆弧中心和曲率半径已知的情况下，连结2个圆弧中心的直线成为法线，通过该法线和曲率半径而自动求出连接点的位置，根据连接点的位置而自动确定圆弧的长度。例如，关于圆弧PB-PD的连接点PB、PD的位置，可通过连结圆弧中心Cl与C2的法线n2、连结圆弧中心C2与C3的法线n3、以及曲率半径R2而自动求出，并根据连接点PB、PD的位置而自动确定圆弧PB-PD的长度。
[0045]圆弧PA-PB在连接点PA处与颈侧面平滑地连接，并且在未到达最深部PC的连接点PB处与圆弧PB-PD平滑地连接。圆弧PA-PB是曲率半径为Rl且圆弧中心Cl位于面外的朝下呈凸状的圆弧。此外，圆弧PA-PB同颈侧面和圆弧PB-Η)切线连接，因而具有公共的切线L1、L2，因此圆弧中心Cl被作为与连接点PA、PB处的公共切线L1、L2对应的各法线nl、n2的交点而被求出。此外，作为圆弧PA-PB的开始点的连接点PA的高度位置，在本实施例中与鞍型面上端PF—致，然而优选位于从鞍型面上端PF起在上下距离环(图8)的板厚的一半以内、即±1/2△以内的位置。
[0046]圆弧I3B-PD在连接点I3B处与圆弧PA-13B平滑地连接且形成于从连接点I3B到达连接点ro的包括最深点PC的范围内，而且是圆弧中心C2位于面上而曲率半径为R2的朝下呈凸状的圆弧。此外，圆弧PB-PD切线连接于圆弧PA-13B和圆弧PD-PE双方，因而具有公共切线L2、L3，因此圆弧中心C2被作为与连接点I3B、H)处的公共切线L2、L3对应的各法线n2、n3的交点而求出。此外，如后所述，从鞍型面上端PF到达最深点PC的深度D和半径R2相互依赖，具有D/R2 <0.3的关系。
[0047]圆弧ro-PE在连接点ro处与圆弧ro-ro平滑地连接，并且在连接点PE处与鞍型面平滑地连接，而且是圆弧中心C3位于面内且曲率半径为R3的朝上呈凸状的圆弧。圆弧ro-PE切线连接于圆弧I3B-13D和鞍型面，因而具有公共的切线L3、L4，因此圆弧中心C3被作为与连接点ro、PE处的公共切线L3、L4对应的各法线n3、n4的交点而求出。
[0048]此外，关于从颈侧面起到鞍型面的R开始点为止的距离W，如果其变大，则环与鞍型面的接触面会变小，对环动作会带来不良影响，因而优选为1.6?1.7_。
[0049]关于各曲率半径町、1?2、1?3，如图1的(13)所示，具有1?1<1?2<1?的关系，同时仅曲率半径R2依赖于上述深度D，且具有D/R2 < 0.3的关系。因此，在固定了连接点PA和连接点PE的情况下，如果确定了深度D，则可根据D/R2 <0.3的关系确定曲率半径R2。同时，还自动确定了圆弧中心C2(因为圆弧中心C2位于在与最深点PC处的切线L5对应的法线n5上与最深点PC相距距离R2的位置上)。接着，根据R1<R2的关系和切线连接(圆弧中心位于通过连接点的法线上)这一限制条件，圆弧中心Cl、曲率半径Rl和连接点PB分别被自动确定。同样地，根据R2<R3的关系和切线连接这一限制条件，圆弧中心C3、半径R3和连接点PD也分别被自动确定。这样，在本发明的元件100中，如果确定了深度D和曲率半径R2，则会自动确定(平滑地连接圆弧PA-PB、圆弧PB-13D和圆弧ro-PE而成的)颈根部形状。
[0050]图2表示通过强度解析而求出与图9的(a)同样地在元件被限制的状态下对元件的鞍型面上施加了朝下的荷重时在颈根部产生的应力时的解析结果。另外，图2的(a)示出不具有D/R2 ^ 0.3这一限制条件的仅Rl <R2<R3的情况，图2的(b)示出具有D/R2 < 0.3这一限制条件的R1<R2<R3的情况。
[0051 ]根据附图可知，在存在D/R2 < 0.3这一限制条件的情况下，相比不存在D/R2 <0.3这一限制条件的情况而言，在颈根部产生的最大应力Smax会进一步减少，而且应力的波动也变小。另外，这里省略了具体情况，但基于D/R2S0.3且R1<R2<R3的关系以及在连接点处的切线连接这一条件，半径R2的值必然被限定于约1.0mm以上的范围内。
[0052]图3表示通过强度解析求出与图9的(b)同样地在元件被限制的状态下对颈部从孔部侧向凸头部侧施加了荷重时在颈根部产生的应力时的解析结果。另外，图3的(a)示出不具有D/R2 ^ 0.3这一限制条件的仅Rl <R2<R3的情况，图3的(b)示出具有D/R2 < 0.3这一限制条件的R1<R2<R3的情况。
[0053]根据附图可知，在存在D/R2<0.3这一限制条件的情况下，相比不存在限制条件的情况而言，在颈根部产生的最大应力Smax减少，而且应力的波动也变小。
[0054]这样，如图2和图3所示，可知D/R2<0.3这一限制条件针对减少在颈根部产生的应力而言具有很大的效果。
[0055]另外，在颈根部的上述形状方面的特征(R1<R2<R3且D/R2S0.3)的基础上增加材料方面的特征(含碳量:0.61 %?0.71 %的范围，优选为0.61 %?0.67 %的范围)的情况下，即，使用含碳量处于上述范围内的钢材制作具备上述形状方面的特征(R1 <R2<R3且D/R2 <0.3)的颈根部的情况下，该元件不仅具备颈根部的应力减少效果，而且针对重复疲劳强度的提升也具有很大的效果。以下，说明本元件100的重复疲劳强度的提升。
[0056]图4表不:对含碳量[%]为0.84的钢材A和0.61的钢材B分别进行同样的淬火.回火处理，使用经过了这些热处理后的钢材A和钢材B加工成颈根部形状不同的(D/R2 =0.298、1.0)合计4种元件，并以与图9的(a)或图9的(b)同样的荷重条件分别进行单体疲劳实验，求出S-N线图并针对上述4种元件分别求出相当于重复数1.0E+5次时的疲劳强度的荷重而得到的结果。另外，作为这里所谓的“相当于重复数1.0E+5次时的疲劳强度的荷重”，如图12所示，指的是对重复数在1.0E+5次以下即破损的实验体的荷重数据进行统计处理而得到的S-N线图中的N= 1.0E+5(cycIe)时的值S。此外，“疲劳强度提升”指的是上述S-N线图整体向上方移动。
[0057]钢材B的C含量少于钢材A，相应地，钢材B富有韧性，材料实验片等的1.0E+5次疲劳强度比钢材A大约高出20%以上。然而，在D/R2 = 1.0的颈根部形状时，比较钢材A和钢材B可知，强度的提升量为5%左右，而几乎未得到材料本身的强度差。这是由于颈根部处的应力集中较高、几乎失去了材料强度差所致。
[0058]另一方面，比较钢材A的结果和钢材B的D/R2= 0.298的结果可知，疲劳强度提升了50%以上。这表示:在使用由钢材B构成的D/R2 = 0.298的颈根形状的情况下，除了上述形状方面的特征(Rl <R2 <R3且D/R2 < 0.3)带来的缓和应力集中的效果之外，还发挥了材料本身的效果，通过形状效果与材料效果的相辅相成效果而使得强度进一步变高。
[0059]如图4所示，可知材料效果带来的疲劳强度的提升会根据颈根部形状、S卩D/R2的值不同而不同。以下，说明颈根部形状与含碳量[% ]的相关。
[0060]图5表示:对各种含碳量[%]的钢材进行与上述图4同样的淬火.回火处理，将经过了这些热处理后的钢材加工为颈根部形状不同(0/1?2 = 0.298，0.4，1.0)的各种元件，并分别进行同样的单体疲劳实验，求出S-N线图，并针对各元件分别求出相当于重复数1.0E+5次时的疲劳强度的荷重的结果。
[0061 ]在D/R2 = 0.298时，被缓和了应力的颈根部形状的元件的含碳量[% ]在0.6附近(0.61?0.71)成为最大强度，而含碳量在此以上或以下都会导致强度变低。其原因被认为是在含碳量较低的区域会引起硬度不足导致的强度降低，反之在含碳量较高的区域内会产生韧性降低导致的强度降低。即，符合上述形状方面的特征的含碳量[%]为0.61?0.71，优选具有0.61?0.67的最优值。
[0062]在D/R2= 0.4时，随着含碳量[% ]减少疲劳强度会缓慢上升，而在0.65附近达到峰值状态。其材料效果也小于D/R2 = 0.298的材料效果。
[0063]在D/R2= 1.0时，随着含碳量[% ]减少，疲劳强度非常缓慢地上升，而在0.6附近达到峰值状态。材料效果如图4所述，疲劳强度的上升为5%左右。
[0064]图6是表示本发明的元件的形状与现有元件的形状的比较的说明图。
[0065]本发明的元件的颈根部的深度D小于现有的元件。该差值(变化量)可以用作使锁定边沿无风险地向鞍型面侧移动的裕量(移动量)。
[0066]在锁定边沿接近鞍型面时，如图7所示，在超速(0D,overdrive)比区域附近，能够减少在环与鞍型面之间产生的打滑造成的扭矩损失，由此使得无级变速器的动力传递效率优化提升。
[0067]如上所述，根据本发明的元件100，颈根部的上述形状方面的特征(R1<R2<R3且D/R2 < 0.3)与构成元件的钢材的上述材料方面的特征(含碳量:0.61%?0.71%，优选为
0.61 %?0.67 % )相互作用而能够恰到好处地减少在元件的颈根部产生的应力，并且能够提升元件的重复疲劳强度。其原因在于，如图4和图5所示，疲劳极限和S-N线图整体被提升。由此，能够在不增大元件尺寸的情况下，实现扭矩传递容量的提升。此外，本发明的元件的从鞍型面到底面部分的距离(D)较小，在颈根部产生的应力变小，因此能够使锁定边沿向鞍型面侧移动。由此，在超速比区域附近，能够减少在环与鞍型面之间产生的打滑造成的扭矩损失，能够有助于无级变速器的动力传递效率的提升。
【主权项】
1.一种无级变速器的金属带用元件，多个该元件通过层叠多个带状的金属环而成的金属环集合体而对齐相位并沿着该金属环集合体呈环状地层叠，并且该元件具有支承该金属环集合体的鞍型面和从该鞍型面起向上方延伸设置的颈部，该元件的特征在于， 在所述鞍型面与所述颈部交叉的颈根部处形成有向该鞍型面侧凹陷的凹部，该凹部由以下部分构成:平滑地连接于所述颈部的侧面且形成在未到达所述凹部的底面部分的范围的朝下呈凸状的第I曲面;平滑地连接于该第I曲面且形成所述底面部分的朝下呈凸状的第2曲面；以及平滑地连接于该第2曲面和所述鞍型面双方的朝上呈凸状的第3曲面， 所述第I曲面、所述第2曲面和所述第3曲面各自的曲率半径按照所述第I曲面、所述第2曲面和所述第3曲面的顺序而变大，并且所述第2曲面的深度与所述第2曲面的曲率半径之比是小于等于0.3的值。2.根据权利要求1所述的无级变速器的金属带用元件，其特征在于， 构成所述元件的钢材中至少含有碳、硅、锰和铬作为添加物，所述碳的含有量是0.61%以上且0.71%以下。
【文档编号】F16G5/16GK105889414SQ201610037348
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年1月20日
【发明人】原田雅道, 高田健太郎
【申请人】本田技研工业株式会社