本公开涉及一种根据权利要求1的前序部分的、用于无级变速器的传动带的横向元件部件。这种特殊类型的传动带和其通常所应用于的变速器在本领域中是公知的，例如分别从欧洲专利ep-a-0626526和ep-a-1167829获知。
背景技术：
已知的传动带包括多个这种横向元件，其由钢制成且相对于环形拉伸元件的周边可滑动地包括在传动带中，所述环形拉伸元件主要具有限制和引导横向元件部件的功能。通常，环形拉伸元件由两组相互嵌套的、即径向堆叠的柔性金属环组成。通常，横向元件每个都设有槽，其中容纳环形拉伸元件的一部分。
在已知的变速器中，驱动功率借助于传动带从其一个带轮传递，传动带在带轮之间并围绕带轮布置，且同时被夹持在每个带轮的两个圆锥盘之间。每个带轮的至少一个这种带轮盘设置成能够借助于其致动器在带轮的轴上相对于相应的另一个带轮盘轴向移动。因此，传动带、特别是其横向元件部件可被夹持在两个带轮的带轮盘之间，以使得第一或驱动带轮的旋转经由传动带传递至第二或从动带轮。每个带轮与传动带之间的驱动功率的传递借助于摩擦进行，为此，横向元件在其任一侧向侧、即轴向侧上设有与带轮盘进行接触的接触面。横向元件的接触面以一角度相互定向，该角度基本上与每个带轮的锥形盘之间所限定的v形凹槽的角度匹配。通常，接触面设置有低洼区域，例如用于接收润滑和/或冷却流体的凹槽或孔，该润滑和/或冷却流体通常施加在已知的变速器中且被迫从在变速器运行期间达成物理摩擦接触的、接触面的(较高)部分和带轮盘之间排出。横向元件耐磨以及耐疲劳(断裂)对于变速器的正确功能和耐久性是非常必要的。
横向元件的疲劳强度由其形状决定，该形状通常根据在传动带运行期间出现的应力水平和应力幅度而优化。此外，在将横向元件从基材切割并淬火硬化后，通过使它们经受已知的振动研磨去毛刺处理，可在横向元件的表面层中施加压缩残余应力。通过这种压缩残余应力，已知的是，来自特别是表面缺陷的微裂纹的引发和/或生长被抑制，从而提高其疲劳强度。
此外，为了将横向元件的接触面的磨损率在变速器的典型汽车应用中限制在合适的或至少可接受的水平，已知横向元件的材料硬度至少为58罗克韦尔硬度c级(hrc)。该硬度值通过用含碳钢基材制造横向元件并通过将钢淬火硬化作为横向元件制造处理的一部分来实现。欧洲专利公开ep-a-1233207提供了这种已知制造处理的示例。钢基材的碳含量通常在以重量计0.6-1.2％(wt.％)的范围内。例如，din1.2003、即75cr1钢经常被用作横向元件的基材。
传统的硬化处理包括步骤：将钢加热到它的所谓的奥氏体化温度以上(例如在din1.2003钢的情况下高于±780℃)，以将其晶体结构从铁素体转变成奥氏体；以及随后快速冷却、即淬火，以至少部分地将奥氏体相转变成马氏体相。此后，通常使钢经历回火的进一步处理步骤，即将钢加热至适度温度(例如约200℃)，以增加其延展性和韧性，并由此使淬火硬化钢的疲劳强度处于要求的水平。由于回火处理步骤，与紧接着淬火处理步骤之后的硬度值相比，硬度降低。如此硬化的钢具有主要为马氏体相的微晶体或晶体结构，其中也存在一些残余奥氏体，然而通常仅存在少量少于20％体积(vol.％)的残余奥氏体。
应注意到，在工业上，大量制造的工件、例如当前的横向元件，奥氏体化中的实际处理温度被设定为明显高于所述奥氏体化温度的值，以便相对较快地完完全全加热和奥氏体化工件，尤其在工件在气体填充的炉或熔炉内分批处理(即奥氏体化)的情况下。例如，在这种处理中，对于由din1.2003钢制成的横向元件的奥氏体化通常施加高于870℃的处理温度。
上述已知的处理为横向元件提供了相当大的耐磨性以及相当大的疲劳强度。但是，本领域一直仍然希望进一步减少横向元件的磨损和/或进一步增加疲劳强度。一方面，由此可提高变速器整体的坚固性和使用寿命，另一方面可提高由变速器传递的驱动功率和/或使变速器小型化。
尽管横向元件的耐磨性原则上可通过增加横向元件的硬度、例如通过细调钢基材的组成或淬火硬化处理的处理参数来进一步提高，但这种附加的硬度伴随有横向元件的延展性以及最终与疲劳强度的不利的减小。通常认为硬度值在62到64hrc之间代表了这些方面的最佳情况。
技术实现要素：
根据本公开，发现通过以意想不到的方式改进硬化处理，可有利地提高横向元件的疲劳强度。尤其地，根据本公开，将抑制在奥氏体化的硬化处理步骤中通常产生的碳化铁颗粒(例如fe3c，fexcryc)的分解。这种碳化铁存在于整个基材的钢基体中，但在例如在奥氏体化过程中施加高的温度下分解并产生填隙碳原子。通常，碳化铁的分解是硬化处理的目的之一，因为分解的碳稳定了淬火后的马氏体相并为钢、即为横向元件提供附加硬度。此外，根据本公开，由于横向元件的耐磨性仍然需要这种附加硬度，所以其表面材料在一定程度上由与碳化铁的分解不同的另一来源的碳来充实，即从外部、例如从奥氏体化所应用的气氛来充实。
由于上述两个措施，即通过很大程度上避免横向元件的材料主体中碳化铁的分解，同时向其表面材料中引入附加的碳原子，该横向元件不仅被提供有硬且耐磨的表面，但有利地也具有分解的碳的明显的浓度梯度，该浓度从横向元件的表面朝着芯部减小。然而，这种碳浓度梯度在传统的硬化处理中以及在已知的渗碳处理中都并不一定寻求，在横向元件的情况下——且如果适当地控制——发现通过在横向元件的表面层中产生压缩残余应力来提高其疲劳强度。压缩残余应力的合适值的范围在负30至负80n/mm2之间，例如，大约-50n/mm2。
该后者疲劳强度的提高是出乎意料的，因为通过已知的振动研磨过程通常已经实现了类似大小和效果的压缩残余应力。然而，根据本公开，振动研磨的磨石通常太大而不容易进入横向元件的槽内。因此，横向元件的限定槽的表面部分与其它表面部分相比受到的振动磨石的冲击程度较小，且在振动研磨过程中在其中几乎不产生任何压缩残余应力。特别是在这些在后的表面部分中，根据本公开，分解的碳的所述浓度梯度仍然产生有利的压缩残余应力。
值得注意的是，所述碳浓度梯度和所述残余应力水平都不能容易地直接测量，至少不能以高精度直接测量。但是，可将分解的碳的所述(局部)浓度与横向元件的、即制成横向元件的钢的(局部)硬度相联系。尤其地，碳浓度的变化可关联于钢的硬度值的测量变化。在本公开内容的范围内，横向元件在其表面处和其芯部处的硬度的合适差达到至少60hv0.1(即，施加100克重量时所测量的所谓的维氏硬度)，特别是值的范围在60至90hv0.1之间，更特别地达到大约75hv0.1。
还应注意，用来自外部源的碳来充实钢工件的表面材料的处理如已知的那样，特别是以渗碳的名义。在渗碳处理中，工件在含有含碳吸(-热)(endo(-thermic))气体、比如一氧化碳的气氛下奥氏体化。通常，将气氛的碳势控制在显著高于所涉及的工件的碳势的值，以在短时间内实现高效渗碳。
因此，在这种已知的渗碳处理中，分解的碳的浓度梯度将通过将碳原子从处理气氛引入到表面层中而产生。然而，根据本公开的技术思想，即使鉴于通过碳化铁颗粒的所述分解而释放到微结构中的相当大量的碳，这后一现象也不相关和/或几乎不可察觉。因此，已知的浓度梯度可被认为是不重要的，且尤其地不会为表面层提供本公开所针对的压缩残余应力。根据本公开，与这种已知的渗碳处理相比，为了实现目前所期望的效果，通过施加具有比所涉及的钢的碳势高15至25％(表示为以重量计的碳含量百分比)、尤其是比后一碳势高大约20％的相对较低碳势的处理气氛，在横向元件上进行相对温和的渗碳处理。
进一步根据本公开，且尤其为了保持上述碳浓度梯度并实现上述压缩残余应力、即通过提供具有最少分解的碳化铁的温和渗碳处理，也在横向元件的芯部中，在最低温度下(例如比所涉及的钢的奥氏体温度高2.5至10％，特别是比该奥氏体温度高大约5％)和/或在最短的时间段内(即时长刚好足以完成从铁素体到奥氏体的转变)进行渗碳处理。
在对由75cr1钢制成的横向元件进行分批式气体渗碳处理的特定情况下，合适的渗碳处理温度选择为800至850摄氏度、更特别是835至845摄氏度，和/或处理气氛中的合适的一氧化碳浓度选择为15至25vol.％、更特别是18至20vol.％，以实现仅略微高于所涉及的钢的碳势的所需碳势，和/或合适的处理持续时间选择为5至25分钟，更特别是10至20分钟。
附图说明
现在将在附图中进一步阐明以上讨论的新颖的横向元件的原理和特征及其提出的制造方法，在附图中：
图1提供了具有两个带轮和一个传动带的众所周知的无级变速器的示意性示出的示例；
图2提供了包括钢横向元件和拉伸元件的已知传动带的示意性示出的剖视图；
图3示意性地示出了作为横向元件的整体制造方法的一部分而应用的传统淬火硬化处理的三个阶段；
图4示意性地示出了作为已知淬火硬化处理的一部分的传统渗碳对横向元件的晶体结构的影响；
图5示意性地示出了根据本公开的新颖的横向元件的晶体结构的相关方面；以及
图6提供了与已知的横向元件和根据本公开的横向元件相关的硬度测量结果的图表。
具体实施方式
图1示出了通常在机动车辆的发动机和驱动轮之间应用于机动车辆的传动系的已知无级变速器或cvt的中心部分。该变速器包括两个带轮1，2，每个均设有安装在带轮轴6或7上的一对圆锥形带轮盘4，5，在带轮盘4，5之间限定出大致v形的周向带轮凹槽。每对带轮盘4，5、即每个带轮1，2中的至少一个带轮盘4可沿着相应带轮1，2的带轮轴6，7轴向移动。传动带3缠绕在带轮1，2上、位于其带轮凹槽中，以用于在带轮轴6，7之间传递旋转运动和伴随的扭矩。
变速器通常还包括致动装置，该致动装置在操作期间在每个带轮1，2的所述可轴向运动的带轮盘4上施加轴向定向的夹紧力，该夹紧力指向该带轮1，2的相应的另一个带轮盘5，从而使得传动带3被夹紧在带轮1，2的这些盘4，5之间。这些夹紧力不仅确定了传动带3和相应带轮1，2之间的摩擦力，也确定了传送带3在其带轮盘4，5之间的每个带轮1，2处的径向位置r，所述径向位置r确定了其带轮轴6，7之间的变速器速度比。
在图2中更详细地示出了已知的传动带3的一个示例，其剖视图朝向其周向方向。传动带3并入了成两组扁平且薄的、即带状的柔性金属环44形式的环形拉伸元件31。传动带3还包括沿着拉伸元件31的周向安装在拉伸元件31上的多个横向元件32。在该特定的示例中，环44中的每组容纳在由横向元件32在其侧向侧上、即在横向元件32的中间部分35的任一轴向侧上限定的相应的凹部或槽33中。横向元件32的槽33整体上相对于传动带3的径向方向位于横向元件32的底部部分34和顶部部分36之间。
在横向元件32的所述底部部分34的轴向侧上设有接触面37，以用于与带轮盘4，5形成摩擦接触。每个横向元件32的接触面37以一角度φ相互定向，该角度基本上与v形带轮凹槽的角度匹配。因此，横向元件32承担所述夹紧力，从而使得当输入扭矩施加在所谓的驱动带轮1上时，盘4，5与带3之间的摩擦使得驱动带轮1的旋转通过同样旋转的传动带3被传送到所谓的从动带轮2，反之亦然。
在cvt的操作期间，传动带3的横向元件32部件轮换地夹紧在带轮1，2的相应成对的带轮盘4，5之间。尽管这种夹紧显然导致横向元件32的底部部分34的压缩，但也在其中、特别是在其底部部分34和中心部分35之间的过渡区域中产生拉伸力。因此，横向元件32不仅经受磨损，而且由于所述轮换夹紧也导经受金属疲劳载荷。
众所周知，通常由钢(比如75cr1(din1.2003)钢)来制造横向元件32，且作为传动带3的整个制造过程的一部分对钢进行淬火硬化。传统的淬火硬化处理步骤包括图3中示意性示出的三个阶段i，ii和iii。在阶段i中，将一批(可能仅部分地)预切的横向元件32在炉室60中加热至基本上高于所涉及的钢的奥氏体化温度的温度，以便为它们提供奥氏体的晶体结构。在该阶段i中，通常将横向元件32放置在中性气氛中，比如具有氢气和一些一氧化碳的氮气。一氧化碳的量选择成：使处理气氛的所谓的碳势基本上等于待处理的钢的碳含量，从而使得待处理的钢在其表面处既不充实碳也不耗减碳。在阶段ii中，将该批横向元件32淬火、即快速冷却，以形成主要由过饱和马氏体晶体组成的(亚稳态)微结构。在该阶段ii中，对横向元件32的冷却通常通过将横向元件32浸入油浴70中来实现。之后，在阶段iii中，将该批横向元件32在炉室80中再加热，以增加其延展性和韧性。在该阶段iii中施加的温度远低于阶段i中的温度，例如，在大约200摄氏度，从而它可在没有任何保护气氛的情况下、即在空气中进行。
在钢的热处理技术领域中，还已知在奥氏体化阶段i期间在炉室60中的气氛中包括含碳气体，即所谓的渗碳处理。由此，钢加工产品40的表面层被充实碳原子，由此提高其耐磨性。该在后的渗碳处理在图4中以图示方式示出。图4的左侧反映了在这种处理开始时的状态：由黑色点和白色点的点对表示的一氧化碳分子co存在于气氛中，且由单个黑色点表示的铁原子ia和由白色点组表示的碳化铁颗粒ic的晶体构成加工产品40的总体晶体结构。
渗碳处理结束的情况在图4的右侧示出。从图4可看出，在渗碳处理中，存在的一氧化碳气体分子co中的至少一些已经分解成碳和氧，其中碳原子ca进入并成为加工产品40的微观结构的一部分，且氧原子与氢气分子结合以形成水蒸气h2o，由两个白色点和一个黑色点的三元组表示。此外，碳化铁颗粒ic逐渐大量分解，由此，附加的碳原子ca被释放到加工产品40的微结构中。当然，通过在渗碳处理中施加热量和经历时间，其中布置有加工产品40的铁原子ia的的晶体结构从铁素体变为奥氏体，然而，该特定方面未反映在图4中。
当如此处理的加工产品40随后淬火时，碳原子在过饱和马氏体晶体中被捕获为填隙物。因此，加工产品40的、特别是其外表面的硬度和耐磨性显著增加，然而，其脆性也显著增加，使加工产品40也不适合应用于需要相当大疲劳强度的应用场合，比如作为传动带3的横向元件32。
根据本公开，上述已知的渗碳处理可出乎意料被调整，以适合于横向元件32，甚至调整到使其疲劳强度增加而不是减小的程度。特别是根据本公开，抑制了碳化铁在横向元件32的主体材料中的分解，从而使得从横向元件32的表面朝着其主体或芯部材料实现了分解的碳的浓度的小而实质性的梯度。由于这种分解的碳浓度梯度，在横向元件32的表面材料中实现了压缩残余应力，由此抑制了由表面缺陷引起的疲劳断裂。此外，分解的碳的这种浓度梯度使横向元件32的材料硬度从其表面或表面附近处的较高值变化到其芯部处较低的值，这可相对容易地测量。
图5中示出了根据本公开的渗碳处理的新颖设置。图5的左侧对应于图4的左侧且反映了渗碳处理开始时的条件。然而，根据本公开，以如下方式进行渗碳：在渗碳处理期间，相对于传统渗碳，碳化铁颗粒ic的分解减少，如图5的右侧所示。通过该措施，且通过从气氛向横向元件32的表面层sl中引入碳原子ca，建立的所述碳浓度梯度是由所述表面层sl中的较高碳原子浓度至其芯部材料cm中的较低碳原子浓度。
这种碳浓度梯度的存在可通过测量和比较横向元件32在其表面处和更靠近其芯部处、即相对于与外表面的距离而言的硬度hv(以测量深度md表示)来证明。毕竟，众所周知，分解的(原子)碳的存在会增加钢的硬度。图6总结了三种横向元件32的这种硬度测量的结果，这三种横向元件32都由75cr1钢制成，但是被不同地处理，对于每个这种不同处理的横向元件32均具有3个硬度测量值：一个在其表面处(md＝0)，一个在外表面以下200微米处(md＝200微米)，最后一个在850微米深度处(md＝850微米)。
在图6中，三个三角形标记表示在传统处理的横向元件32上、即在870℃下在中性气氛(即在75cr1钢的情况下具有0.75％的碳势)中奥氏体化的横向元件32上测得的硬度值hv。由此测得的硬度hv相对较高(>735hv0.1)，该硬度值hv由于存在通过分解碳化铁而释放到原子铁晶格中的分解的碳的存在而存在。然而，由于这种分解随着横向元件32在奥氏体化炉中加热而基本上发生在整个横向元件32中，因此，所测量的硬度hv在表面处和850微米深度处之间没有显示出大的差异，即大约25δhv0.1。
在图6中，三个方形标记表示在渗碳横向元件32上测得的硬度值hv，即在870℃下且在具有高于所涉及的钢的碳势的碳势(即0.9％)的气氛中奥氏体化的横向元件32上测得的硬度值hv。如此测量的芯部硬度hv(例如在外表面以下850微米处测量)与传统处理的横向元件32的芯部硬度hv相当，但所测量的表面硬度hv通过引入和扩散来自气氛的附加碳原子而显著增加。尤其地，观察到在外表面处和850微米深度处的硬度hv的差为大约50δhv0.1。
在图6中，三个菱形标记表示在根据本公开的横向元件32上测量的硬度值hv，特别是具有高于所涉及的钢的碳势的碳势(即0.9％)的气氛中、然而仅在820℃的相对较低的温度下奥氏体化的横向元件32上测量的硬度值hv。如此测量的芯部硬度hv(例如在外表面以下850微米处测量)远低于传统处理的横向元件32且远低于渗碳横向元件32，该较低硬度值hv是由于通过明显降低的奥氏体化温度抑制了碳化铁分解，而通过引入和扩散来自气氛的附加碳原子使得所测量的表面硬度hv与渗碳横向元件32的表面硬度hv相当。尤其地，观察到在外表面处和850微米深度处的硬度hv的差为大约72δhv0.1。
根据本公开，如此测量的硬度hv代表了在根据本公开的横向元件32的情况下因此观察到的分解的碳的浓度从横向元件32的表面材料朝着其芯部显示相当大的负梯度。此外，根据本公开，通过这种梯度，横向元件32的表面材料受到压应力，由此其疲劳强度有利地增加。尤其地，横向元件32的那些未经振动研磨的部分(或与其他部分相比振动研磨程度较低的部分)将受益于这种改进。
除了前面的全部描述和附图的所有细节之外，本公开还涉及且包括权利要求的所有特征。权利要求中的附图标记不限制其范围，而仅仅作为相应特征的非约束性示例来提供。根据情况，所要求保护的特征可在给定产品或给定过程中单独应用，但是也可在其中应用两个或更多个这种特征的任何组合。
由本公开表示的本公开不限于在此明确提及的实施例和/或示例，而是还包括其改正、修改和实际应用，特别是本领域技术人员可想到的那些改正、修改和实际应用。