JP4929276B2 - プッシュベルト製造工程における品質監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、プッシュベルト、特にプッシュベルトのリング部分の製造工程の品質を監視する方法に関する。そのようなプッシュベルトは、主に自動車に使用される周知な連続可変変速機の２個の調整可能なプーリ間の動力伝達手段として広範囲に使用される。

プッシュベルトは一般的に知られており、各々入れ子に組み合わされる平坦金属リング、或いは通称バンドの１組から構成される１つ以上の積層無端引張り要素上に滑動可能に組込まれる多数の比較的に薄い横断金属要素から構成される。そのようなリングは、通常マルエージング鋼から製造され、それは、大きな引張り強度と引張り応力および曲げ疲労に対する好ましい抵抗性を併せ持ち、シート材料から鋼を処理して最終製品リングの所望の形状と材料特性に向けて加工する好適な加工特性を有する。最終製品リングの所望の形状と材料特性は、好適にはリングの全周に亘って不変である。

これらの望ましい材料特性は、リングのコア材料における大きい引張り強度と、リングの長さ方向の曲げを許容するための十分な弾性を併せ持つ特性と、リング外表面の摩耗抵抗を提供するための極度に堅い特性から構成される。好ましくは、外表面層は、金属疲労に対して高い抵抗を提供するための残留圧縮応力を有する。このことは、リングがベルトの寿命期間中数多くの負荷−曲げサイクルを受けるため、重要な特徴である。

さて、数十年間に亘り、出願人により出願されたように、そのようなベルト、少なくともベルトの金属リング部分の一般的な製造方法の工程段階は、この分野で周知となっている。リング自体は、基板材料から形成され、基板材料は円筒形状または筒に曲げられて溶接され、熱処理され、すなわち、元の材料特性に戻し、すなわち、曲げや溶接により導入された内部変化を大部分、除去するために焼鈍される。それから、筒はいくつかのフープに切断され、これらのフープは続いて圧延され、最終製品で典型的には約０．１８５ｍｍの要求厚さに伸長される。圧延後、フープは、通常、リングまたはバンドと称される。さらに、リングは、圧延中に導入される内部応力を除去するために焼鈍段階に向けられる。

その後、リングは較正され、すなわち、２個の回転ローラ間に装着され、所定の周長に拡張される。この工程段階で、また、内部応力分配がリングに課せられ、これは、ヨーロッパ特許出願ＥＰ−Ａ−１４０３５５１号で詳細に説明されているように、いわゆるリングのカーリング半径を画定する。最後に、リングは析出硬化され、すなわち、窒素大気内でより高温でエージングされ、続いて、または、同時に、所定のアンモニア濃度を含む大気内でより高温でガス窒化され、追加の硬化並びにリングの外表面に対し圧縮応力を与える。後者の工程段階は「表面硬化」とも称される。引張り手段は、これらの多数の処理されたリングから、半径方向に入れ子にする、即ち、目的を持って選択された多くのリングを本質的に同心に配置する、ことにより形成される。そのため、引張り手段の隣接するリング間には、正または負の小さな遊びだけが許容される。

プッシュベルトリング部品の上記の全体的な処理工程における重要な工程は、堅い表面層を得るための窒化工程である。それは、窒化された表面は、窒化されない表面より有意に高い摩耗および疲労に対する抵抗を有するからである。逆に、硬化された表面層の厚さは無制限ではない。なぜなら、厚くなるとリングは砕け易くなり、および／または、生産費が不必要に高くなるからである。このように、プッシュベルトの所要の、即ち、最適な寿命は、リング製造工程において実現できる。

リングの窒化表面はプッシュベルト最終製品の品質に対し重要であるため、プッシュベルトリング部分の生産工程において、少なくとも一定で、好適には最適な窒化層厚さを維持することが重要である。それ故、少なくとも、生産サンプルの窒化層表面の厚さを測定することにより、生産されたリングの品質を監視することは、必須であると一般的に考えられている。特定のサンプルリングのそのような厚さが、事前に設定された基準からずれると、リングの当該ロットはベルト組立てには使用されず、および／または窒化工程の工程設定が、所望の窒化層厚さを実現するため細かく調整される。

窒化表面の厚さを監視する従来の方法は、ある時間または数量間隔で、生産工程の流れからリングサンプルを取り上げることによりサンプル採取し、そのリングを切断し、切断表面を研磨し、最後に研磨表面を特別に提供されるエッチング液成分でエッチングした。この従来の方法によると、窒化表面層はリングのコア材料に対して見ることができ、窒化表面層の厚さは、例えば、顕微鏡を使用して測定できる。出願人は多年に亘り、満足する結果により、この周知な方法を使用したけれども、しかしながら、それは、労働集約的であり、時間がかかると考えた。さらに、この方法は、測定された窒化層を所定標準と比較するためには完全に適合するが、例えば窒化層の絶対厚さ値や、マルエージング鋼基板内の窒素濃度等の、窒化層自体の明確に定義された特性づけを提供しない。

本発明の目的は、品質を監視する方法として、使用されるプッシュベルトリング部分の窒化表面層の厚さを測定する、新規な方法を提供することである。詳細には、従来の方法と比較して労働集約と時間消費が少ない方法を提供することを狙いとしている。

本発明によると、プッシュベルトリング部分の窒化表面層の厚さを測定するそのような新規な方法は、本願請求項１により提供される。この新規な方法の主な改良は、測定を実施するために必要とされる労働能力および時間能力の有意の減少と、並びに、そのような測定により提供される情報内容と情報の精度である。

グロー放電光放出分光学（ＧＤＯＥＳ）の技術は、バルク固体の直接的成分分析並びに、薄膜および工業用被覆組成の深さ予測の分野で十分に知られた技術である。しかしながら、本発明によると、この技術は、プッシュベルトリング部分の窒化層の厚さを決定する本発明の技術分野でも適用できる。本発明によると、ＧＤＯＥＳ技術は、驚くべきことに、外部リング表面からのサンプル深さに関係して、リングのマルエージング鋼基板内の窒素濃度を正確に測定するのに適していることが分かった。本発明によれば、この深さと測定窒素濃度の特性に基づいて、窒化表面層の厚さが決定される。

ＧＤＯＥＳ測定では、原子はサンプル表面からスパッタリングされる。これは、スパッタリングプローブの形状に依存して数ｍｍの直径を持つクレータと、１ミクロンの数１０分の１の深さを形成する。この工程において、プローブ（陽極）と金属性サンプル（陰極）との間で強力な電界が発生され、スパッタリングは低圧アルゴンガスプラズマ雰囲気内での放電により実現される。これにより、原子は、放電プラズマの不活性ガス（例えば、アルゴン）の衝撃により、サンプル表面から連続的に跳ね飛ばされ（浸食）される。跳ね飛ばされた原子は、続いて、主に電子との衝突により、プラズマの負グローで励起またはイオン化され、特性光放出の形でエネルギーを放出する。これらは、対象元素、ここでは、窒素の特定波長で放出される光の強度を測定する分光計により分析される。
測定された光強度を、実際の窒素濃度に対し、並びに電気スパッタリング電流および処理時間を実際のサンプル深さに対し、正しく、正確に対応させることが出来るように、ＧＤＯＥＳ測定装置は、予め較正され、その較正処理は、好ましくは、任意の変動に対し修正するため規則的に繰り返される。あるいは、測定中の実際のサンプル深さの徐々の増加は、バルク材料内に均一に分布する鉄の元素の測定量（測定された濃度の時間累計）に関係づけられる。

本発明は、さらに、添付図面を参照して説明される本発明の新出願に関するＧＤＯＥＳ技術のいくつかの一層の開発に関する。
（図面の簡単な説明）
図１は、プッシュ型駆動ベルトと２個のプーリを備えた周知な連続可変変速機の概略斜視図である。
図２は、周知のプッシュベルトの長手方向断面図である。
図３は、プッシュベルトに使用される金属リングを作るための周知な製造方法の工程段階を図式的に示す図である。
図４は、表面硬化表面層および測定ピットの表示を含む、積層した引張り手段の１つのリングの断面の概略巨視図である。
図５は、そのようなリングの測定窒素濃度特性の概要グラフである。

図１は、エンジンと駆動輪との間で自動車の駆動ラインに通常適用される、周知な連続可変変速機の中央部分を示す。この変速機は、２個のプーリ１、２を備え、各プーリは２個のプーリ円板４、５を備え、プーリ円板間で、プッシュ型駆動ベルト３は、一方のプーリ１、２から他方のプーリ２、１へ回転運動Ｍと回転運動に伴うトルクを伝達するために存在する。プーリ円板４、５は全体として円錐形状であり、少なくとも一方のプーリ円板４は、両方の円板４、５が配置される、それぞれのプーリ軸６、７に沿って軸方向移動が可能なように変速機内に組み入れられる。変速機は通常、プッシュベルト３が両方の円板の間でクランプされるように、それぞれ他方のプーリ円板５に配向する軸方向クランプ力を、前記少なくとも１つの可動円板４に印加する、駆動手段も備える。

プッシュベルト３は、無端引張手段３１と、プッシュベルトの長手方向に沿って移動可能に無端引張手段３１上に設けられる、プッシュベルトに対してほぼ横断方向に向く多数の比較的薄い横断要素３２からなる。横断要素３２は、前記クランプ力を受け取り、駆動プーリ１の回転において、円板４、５とプッシュベルト３との間の摩擦が、要素３２が前記運動方向Ｍ方向に駆動プーリ１から被駆動プーリ２へ押されそして戻る原因となり、それにより、引張手段３１により案内され、支持される。変速機の幾何学的な伝達比は、被駆動プーリ２でのプッシュベルト３の有効接触半径Ｒ２と、駆動プーリ１でのプッシュベルト３の有効接触半径Ｒ１との商により決定され、伝達比は値の範囲で連続的に変化可能である。

図２は、周知なプッシュベルトのベルト３の長手方向断面図を示す。図２において、ベルト３の横断要素部分３２は前方正面図で示される。要素３２は、プッシュベルトの無端引張手段３１上に装着されてプッシュベルト３内に組込まれる。
無端引張手段は、少なくとも、この例では、２つの積層部分から成り、各積層部分は、半径方向に互いに入れ子となったいくつかの薄く平坦な金属リング３０から構成され、それぞれの積層部分は、横断要素３２のそれぞれの開口３３内に収容される。さらに、突出部３９が横断要素３２の前方主面４０に設けられ、突出部３９は隣接する横断要素３２の後方主面４１内に設けられる孔（見えない）内に収容される。突出部３９と孔は、動作中にプッシュベルト３の隣接する横断要素３２と相互に連結し、変速機内に整列するために設けられる。いわゆる傾斜縁３６の下の横断要素３２の下側３５は、プーリ１、２の円板４、５間でクランプされる時に、隣接する要素３２が軸方向の周りに相互に傾斜できるように、楔形状にされる。

図３は、上記のプッシュベルト３の周知な製造方法の現在関連する部分を図示し、その部分は、リング部分３０の製造に関する。第１工程段階Ｉで基材１１のシートは円筒形に曲げられ、それにより、相互に接するシート端部１２は、第２工程段階ＩＩで共に溶接されて筒３を形成する。工程の第３段階ＩＩＩで筒１３は焼鈍される。その後、第４工程段階ＩＶで筒１３はいくつかのフープ３０に切断され、これらのフープは、その後、工程段階Ｖで圧延されて必要な厚さに引き延ばされ、その厚さは、典型的には最終製品で約０．１８５ｍｍである。圧延後、フープ３０は通常、リング３０またはバンド３０と称される。

リング３０は、圧延中に導入される内部応力を除去するために、別の焼鈍工程段階ＶＩに向けられる。その後、第７工程段階ＶＩＩでリング３０は補正され、すなわち、リングは２個の回転するローラ間に装着され、所定の円周長さに引っ張られる。また第７工程段階ＶＩＩにおいて、内部応力分布がリング３０に与えられ、それぞれのリング３０のいわゆるカーリング半径を画定する。周知な工程である第８工程段階ＶＩＩＩにおいて、リング３０は、引き続いてまたは同時に２回の熱処理ＶＩＩＩ−ＡとＶＩＩＩ−Ｎを受ける。最初に、リング３０は析出硬化され、すなわち、エージングされ（文字「Ａ」により示される）、第２にリング３０は、リング３０の外表面層に追加の硬化並びに圧縮応力を与えるため、窒化される（文字「Ｎ」で示される）。この後者の熱処理ＶＩＩＩ−Ｎはガスソフト窒化工程として知られ、リング３０の表面硬化を与え、それにより、極度に硬い典型的には２５−３５ミクロンの拡散窒化表面層が形成される。

図３で、さらに示されるように、このように処理された幾つかのリング３０から、引張り手段３１が半径方向に積層される、即ち、幾つかの意図的に選択されたよりリングを入れ子にして形成される。１つの引張り手段３１を形成するために適する必要数のリング３０を得るために、各々処理されたリング３０の代表的な寸法、例えば、その周辺長は、第９工程段階ＩＸで測定され、それにより、リング３０は、そのような長さにより分類されて貯蔵される。続いて、第１０および最終工程段階Ｘで、無端引張り手段３１は、上記分類されたリング３０の貯蔵から、複数の適合した寸法のリング３０を半径方向に入れ子にすることにより組立てられる。

図４は、リング３０の詳細な断面図、すなわち、ベルト３の長手方向または無端方向に対して横方向の断面図を概略で表す。図面から、上記のように処理された後のリング３０は、リングコア材料８の硬度に比べて増加した硬度が特徴の外表面層または表面９を示すことが判る。この増加硬度は、窒化の工程段階ＶＩＩＩ−Ｎにおいて、マルエージング鋼基板内に窒素原子を取込むことにより達成される。プッシュベルト３の最終製品の品質にとって、リング３０の窒化表面層９が重要であるため、プッシュベルトリング部分３０の生産工程において、少なくとも一定の、好ましくは最適な、窒化層厚さＴを持続することが重要である。それ故、少なくとも、製品サンプルの窒化表面層９の厚さＴを測定することにより、生産されたリング３０の品質を監視することは必須であると一般的に考えられている。

本発明は、プッシュベルトの品質の監視法として使用される、プッシュベルトリング部分３０の窒化表面層９の厚さＴを測定する新規で有利な方法を提供する。この方法は、グロー放電光放出分光学（ＧＤＯＥＳ）と称される技術から出発する。ＧＤＯＥＳ技術によると、窒素濃度「Ｎ」は、リング材料のマルエージング鋼基板内で、外部リング表面１６からのサンプル深さＤに関して測定される。その方法は、徐々に小さなピットまたは「クレータ」１４がリング表面１６内に形成されるような制御方法でリング材料を蒸発させ、クレータ１４から放出された蒸気内で窒素濃度「Ｎ」を連続的に測定することによる。
測定された窒素濃度「Ｎ」特性に対するサンプル深さＤの例は、
図５で示される。本発明によると、窒素濃度「Ｎ」は深さＤの増加と共に減少するので、窒化表面層９の厚さＴは、そのような曲線から容易に導出することができる。窒化層９の終わりは、窒素濃度「Ｎ」の比較的急速な減少により示される。

本発明に基づく好ましい実施例では、窒化層厚さＴは測定された曲線の屈折点１６により定められる。その例は図５で提供される。そのような屈折点において、曲線の数学的な２次導関数は０に等しい。本発明によると、リング３０の窒化表面層９の厚さＴを決めるそのような定義や測定方法は、特に、その精度および再現性に関して最適な結果を提供することが発見された。
窒化層厚さＴと同様に、リング３０のリングコア材料８、即ち、窒化表面層９を越えた部分の硬度はプッシュベルト最終製品の品質にとって重要なパラメータであり、プッシュベルトリング部分３０の生産工程中に監視する必要がある。本発明に基づく他の好ましい実施例では、硬度測定は、図４のノッチ１５で示されるクレータ形成後のクレータ１４の底において、例えば、周知なビッカース硬度凹みにより有利に実行される。ここで、クレータ１４が窒化表面層９を通過してリングコア８へ貫通する特徴が利用されるが、リングコアは、この事例のように、コア硬度測定のため特別に露呈される必要はない。
この目的のため、サンプルの低温度を維持しコア硬度値に影響を及ぼさないため、リングサンプル３０はクレータ１４の形成期間中に水冷される。このようにして、ＧＤＯＥＳ測定により発生する熱がクレータ１４内のリングコア材料８の硬度に概念的に影響を及ぼさないようにすることが、本当に実現可能であることを実験で確認した。

プッシュ型駆動ベルトと２個のプーリを備えた周知な連続可変変速機の概略斜視図である。 周知のプッシュベルトの長手方向断面図である。 プッシュベルトに使用される金属リングを作るための周知な製造方法の工程段階を図式的に示す図である。 表面硬化表面層および測定ピットの表示を含む、積層した引張り手段の１つのリングの断面の概略巨視図である。 そのようなリングの測定窒素濃度特性の概要グラフである。

１ プーリ ２ プーリ ３ プッシュベルト ４ プーリ円板
５ プーリ円板 ８ リングコア材料 ９ 窒化表面層
１４ クレータ １５ ノッチ １６ 屈折点 ３０ リング
３１ 無端引張手段

Claims (6)

1. 連続可変変速機用のプッシュベルト（３）のリング部分（３０）を製造する工程の品質を、リング部分（３０）の窒化表面層（９）の厚さ（Ｔ）を測定することにより監視する方法であって、
   前記プッシュベルト（３）は、各々が１組の相互に入れ子になった平坦な金属リング（３０）から構成される１つ以上の積層無端引張手段（３１）上に滑動可能に組込まれる、多数の比較的薄い横断金属要素（３２）から構成される方法において、
   小さいピット（１４）がリング材料を蒸発させることにより前記リング部分（３０）内に形成され、
   蒸発した前記材料内の窒素濃度（「Ｎ」）は前記リング部分（３０）の外表面（１６）に対するピット（１４）の深さ（Ｄ）に関連して測定され、
   そして前記窒化表面層（９）の前記厚さ（Ｔ）は、このような測定されたピットの前記深さ（Ｄ）と前記窒素濃度（「Ｎ」）との関係に関連している、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記リング材料がグロー放電により蒸発させられ、蒸発した原子は放電プラズマ内でその後に励起またはイオン化され、それにより、発光し、前記窒素濃度「Ｎ」は発光した光の分光計により濃度を測定される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも、前記ピット（１４）の直ぐ近くで、前記リング部分（３０）は水冷却される、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記窒化表面層（９）の厚さ（Ｔ）は、前記窒素濃度「Ｎ」と前記ピット（１４）の前記深さ（Ｄ）との間の測定された関係を表す曲線の１つの屈折点（１６）における前記ピット（１４）の前記深さ（Ｄ）により決定される、ことを特徴とする請求項１―３のいずれかに記載の方法。
5. 前記窒化表面層（９）の決定された前記厚さ（Ｔ）が、事前に定義された通常範囲の内にあるか外にあるが監視され、前記厚さ（Ｔ）が前記範囲の外にある場合、前記リング部分（３０）の関連するバッチロットは駆動ベルト（３）の組立てに使用されないか、リング窒化工程（ＶＩＩＩ−Ｎ）の工程設定が変更される、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 硬度測定は、前記ピット（１４）の底で行われる、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。

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