DE102005007878B4

DE102005007878B4 - CVT-Riemen mit Chromnitridbeschichtung

Info

Publication number: DE102005007878B4
Application number: DE102005007878A
Authority: DE
Inventors: Yucong Wang; Sohail A. Khan; Beizhi Zhou; Reuben Sarkar; Michael J. Lukitsch; Yang-Tse Cheng; Anita M. Weiner
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2025-02-22
Also published as: US20050187056A1; DE102005007878A1; US7294077B2

Abstract

Riemen für ein stufenloses Getriebe (CVT), umfassend: zumindest ein durchgehendes Band (44, 44'), das auf einer Kontaktfläche (70, 72) in einem Schlitz gelagert ist, der in jedem einer Vielzahl von Querelementen (12) gebildet ist, wobei das zumindest eine durchgehende Band (44, 44') eine Oberfläche (74, 76) aufweist, die auf der Kontaktfläche (70, 72) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (74, 76) zur Verringerung von Verschleift mit Chromnitrid beschichtet ist, wobei die Chromnitridbeschichtung eine Dicke von annähernd 0,5 bis 2,5 Mikrometer aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen CVT-Riemen, der ein Band mit einer Chromnitridbeschichtung aufweist, um die Verschleißbeständigkeit zu verbessern.
Stufenlose Getriebe (CVT von Continuously Variable Transmission) sind ein Ergebnis des andauernden Bestrebens, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit von Kraftfahrzeugen zu verbessern. Das CVT unterscheidet sich von dem herkömmlichen Automatikgetriebe darin, dass Automatikgetriebe Planetenradsätze verwenden, um Übersetzungsverhältniswechsel vorzunehmen, wohingegen CVT Riemenscheiben und einen Riemen zum Wechsel des Übersetzungsverhältnisses verwenden. Ein herkömmliches Automatikgetriebe verwendet häufig vier, fünf oder sechs feste Übersetzungsverhältnisse oder Gänge, wohingegen ein CVT eine unendliche Anzahl von Übersetzungsverhältnissen bietet, die erzielt werden können, indem der relative Umlaufradius des Antriebsriemens an den treibenden und angetriebenen Riemenscheiben verändert wird.
Der Variator des CVT umfasst zwei Stahlriemenscheiben und einen Stahlriemen. Derartige Riemen für stufenlose Getriebe werden beispielsweise in der US 6,090,004 A oder in der US 2002/0137586 A1 beschrieben. Jede Riemenscheibe besteht aus zwei gegenüberliegenden abgewinkelten Scheiben, und zwar einer beweglichen und einer festen. Die Riemenscheiben können durch eine axiale Bewegung der beweglichen Scheibe in Bezug auf die feste Scheibe geöffnet und geschlossen werden, um zuzulassen, dass der Riemen bei unterschiedlichen Radien umläuft. Wenn die treibende Riemenscheibe vollständig offen ist (kleiner Riemenumlaufradius) und die getriebene Riemenscheibe vollständig geschlossen ist (großer Riemenumlaufradius), werden sehr hohe Drehzahlreduktionsverhältnisse erzielt. Wenn im Gegensatz dazu die treibende Riemenscheibe vollständig geschlossen ist (großer Riemenumlaufradius) und die getriebene Riemenscheibe vollständig offen ist (kleiner Riemenumlaufradius) werden Zunahmen der Abtriebsdrehzahl gegenüber der Antriebsdrehzahl erzielt.
CVT sind in den letzten Jahren zunehmend beliebt geworden, da sie eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit gegenüber einem herkömmlichen automatischen Stufengetriebe, die Fähigkeit, den Motor mit niedrigeren Drehzahlen über einen weiteren Bereich der geplanten Kraftstoffwirtschaftlichkeit, ein gleichmäßiges Schalten, eine effizientere Packung des vorderen Teiles des Fahrzeuges sowie eine Austauschbarkeit mit dem Handschaltgetriebe und eine Vereinbarkeit mit einem Allradantrieb bereitstellen können. Die Anwendung von stufenlosen Getrieben bei Kleintransportern, insbesondere für die zukünftige Verwendung in Verbindung mit Fahrzeugen, die Motoren mit höherer Leistung aufweisen, erfordert es, dass die stufenlosen Getriebe eine höhere Drehmomentkapazität und eine ausgezeichnete Haltbarkeit oder Verschleißbeständigkeit ihrer Bestandteile aufweisen.
Ein Problem, das mit gegenwärtigen Konstruktionen auftreten kann, resultiert aus internen Riemenschwingungen, die sich als ”Riemenzittern” oder ”Kratzen” zeigen können. Riemenzittern ist eine störende Vibration, die bei bestimmten CVT-Anordnungen festgestellt worden ist. Diese Art von Vibration beginnt bei relativ niedrigen Kilometerleistungen aufzutreten und ist für den Handel kaum akzeptabel. Riemenzittern tritt gewöhnlich während Parkiermanövern mit geringer Last auf, d. h. unter Bedingungen, unter denen eine Drosselklappeneinstellung von weniger als 10% Öffnung angewandt wird, wenn die Drehzahl im Bereich von 1400 bis 2200 U/min liegt. Es tritt gewöhnlich bei einer Temperatur unter 80°C auf. Riemenzittern wird durch eine Ruck-Gleit-Erscheinung hervorgerufen, die zwischen dem inneren Band und der Elementschulter des CVT-Riemens auftritt. Riemenzittern tritt gewöhnlich auf, wenn die kreuzschraffierte Oberfläche des inneren Bandes infolge von Verschleiß abgeschliffen ist. Das Riemenzittem tritt an dem Übergangspunkt auf, an dem sich der Riemen von einem Zugdrehmomentübertragungsmechanismus zu einem Druckdrehmomentübertragungsmechanismus verändert.
Aus der US 5,449,547 A ist es beispielsweise bekannt, die Verschleißbeständigkeit eines kompakten Körpers wie beispielsweise eines Kolbenrings durch Aufbringen einer Chromnitridbeschichtung mit einer Dicke von 10 bis 70 Mikrometern zu verbessern. Allerdings ist eine derartige Chromnitridbeschichtung sprödbruchanfällig und neigt somit zum Abblättern.
Die beiden vorwiegenden Verfahren zum Verringern des Aufkommens von Riemenzittem sind eine Kalibrierungsstrategie und eine Fluidentwicklung. Kalibrierung hilft, Bereiche oder Zustände zu vermeiden, unter denen Riemenzittern auftritt. Eine richtige Kalibrierung verringert den Druck während des Überganges von Druck nach Zug, um mit dem Problem vernünftig umzugehen (engl. ”ratio around”). Fluid mit richtig entworfenen Reibungseigenschaften kann helfen, die Ruck-Gleit-Erscheinung zu verhindern. Die gewünschten Reibungseigenschaften umfassen einen Reibungskoeffizienten mit positivem Anstieg über die Gleitgeschwindigkeit oder höhere dynamische Reibung als statische Reibung. Dies stellt eine signifikante technische Herausforderung dar, wenn versucht wird, ein Gleichgewicht mit den Notwendigkeiten anderer Getriebeanforderungen zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Verschleißbeständigkeit eines Bandes eines CVT-Riemens zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch einen Riemen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Die vorliegende Erfindung stellt einen CVT-Riemen mit einer verbesserten Verschleißbeständigkeit bereit, indem eine Chromnitridbeschichtung mit einer Dicke von 0,5 bis 2,5 Mikrometer auf einer Kontaktoberfläche des durchgehenden Bandes des Riemens, die mit dem Querelement in Kontakt steht, bereitgestellt wird, wodurch Riemenzittern verringert oder beseitigt wird.
Im Besonderen stellt die Erfindung einen Riemen für ein stufenloses Getriebe (CVT) bereit, der zumindest ein durchgehendes Band umfasst, das auf einer Kontaktfläche in einem Schlitz gelagert ist, der in jedem einer Vielzahl von Querelementen ausgebildet ist. Das durchgehende Band weist eine Oberfläche auf, die auf der Kontaktfläche angeordnet ist. Diese Oberfläche ist mit Chromnitrid beschichtet, um Verschleiß zu verringern. Die Beschichtung wird vorzugsweise durch PVD wie etwa reaktives Gas-Sputtern oder Lichtbogenverdampfung erreicht. Die Dicke der Nitridbeschichtung beträgt zwischen annähernd 0,5 und 2,5 Mikrometer. Im Besonderen beträgt die Dicke der Nitridbeschichtung annähernd 1,3 bis 1,8 Mikrometer und vorzugsweise annähernd 1,7 Mikrometer.
Das durchgehende Band ist aus einem Maraging-Stahl mit einer Nitrid-Oberflächenwärmebehandlung gebildet. Nachdem die Nitridbeschichtung aufgebracht worden ist, weist die Oberfläche eine Vickers-Härte von annähernd 1500 bis 3000 Hv auf.
Ein Verfahren zum Herstellen des Bandes, das das Aufbringen einer Chromnitridbeschichtung umfasst, kann auch ein Ultraschallentfetten des Riemens, eine Innenreinigung des Riemens in einer Argonplasmaatmosphäre und ein Aufbringen der Beschichtung durch reaktives Gas-Sputtern in einem Closed Field Unbalanced Magnetron Sputter-System umfassen.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigt:
1 eine Teilperspektivansicht eines CVT-Riemens zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen CVT-Riemens; und
3 ein Schaubild, das eine prozentuale Rpk-Abnahme für unterschiedliche Testbauteile unter unterschiedlichen Testlasten veranschaulicht.
1 zeigt eine Teilperspektivansicht eines CVT-Riemens 10 zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung. Der CVT-Riemen 10 umfasst wie gezeigt mehrere Querelemente 12, die voneinander abgewandte Schlitze 14, 16 zur Aufnahme von Stahlbändern 18, 20 aufweisen. Der Ring 20 umfasst wie gezeigt zwölf durchgehende Stahlbänder 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44. Die durchgehenden Stahlbänder 22–44 sind aus einem martensit-aushärtenden oder Maraging-Stahl mit einer Nitrid-Oberflächenwärmebehandlung gebildet. Wie es in 1 zu sehen ist, ist die obere Oberfläche jedes Bandes 22–44 glatt gefertigt, und die untere Oberfläche ist mit einem Kreuzschraffurmuster gefertigt. Jedes Maraging-Stahlband 22–44 weist eine chemische Zusammensetzung auf von (in Gewichtsprozent): Ni: 18,5%; Co: 8,9%; Mo: 4,8%; Ti: 0,39% und Fe: Rest.
2 zeigt eine schematische vertikale Querschnittsansicht des CVT-Riemens 10 von 1, wobei der Einfachheit halber nur drei der Bänder 22–44 gezeigt sind. Die Bänder sind durch Bezugszeichen 22, 32, 44, 22, 32', 44' dargestellt. Das in 2 gezeigte Querelement 12 ist ein Bauelement aus kohlenstoffarmem Stahl, das eine Basis 46, einen Hals 48 und einen Kopf 50 aufweist. Die Basis 46 weist Seitenflächen 52, 54 auf, die so angeordnet sind, dass sie jeweils mit den Riemenscheiben 56 bzw. 58 in Kontakt stehen. Jedes Querelement 12 umfasst auch eine Ausrichtungseinrichtung 60, wie einen Vorsprung, um eine Ausrichtung mit benachbarten Querelementen 12 zu erleichtern.
Offene Schlitze 62, 64 sind jeweils zwischen dem Kopf 50 und den jeweiligen Schultern 66 bzw. 68 des Elements 12 gebildet. Die Schlitze 62, 64 nehmen jeweils die Ringe 20 bzw. 18 auf. Die Schulter 66 weist eine Kontaktfläche 70 auf, die mit der unteren Oberfläche 74 des durchgehenden Bandes 44 in Eingriff steht, und die Schulter 68 weist eine Kontaktfläche 72 auf, die mit der unteren Oberfläche 76 des durchgehenden Bandes 44' in Eingriff steht.
Ein Reiben der Kontaktfläche 70 an der unteren Oberfläche 74 und der Kontaktfläche 72 an der unteren Oberfläche 76 kann zu Verschleiß der unteren Oberflächen 74, 76 führen, wodurch sich Riemenzittern ergeben kann, wie es zuvor beschrieben wurde. Dementsprechend sind die unteren Oberflächen 74, 76 der jeweiligen Bänder 44, 44' mit Chromnitrid über PVD (Physical Vapor Depositon) beschichtet, um die Verschleißbeständigkeit zu verbessern.
Die Bänder 44, 44 werden mit Ultraschall gereinigt, bevor sie in eine PVD-Maschine wie etwa ein Unbalanced Magnetron Sputtering-System (das von Teer Ltd. aus England oder Hauzer aus Holland erhältlich ist) geladen werden, oder sie werden durch Lichtbogenverdampfung gereinigt. Die Dicke der Beschichtung beträgt vorzugsweise 1,7 Mikrometer oder zwischen 0,5 und 2,5 Mikrometer. Die Abscheidungstemperatur liegt unter 180°C. Lichtbogenverdampfungs-PVD-Maschinen sind von Ionbond aus Madison Heights, Michigan erhältlich.
Vor der PVD werden die Bänder über Ultraschall in einer 5%igen Lösung eines industriellen Entfetters, wie etwa Blue Gold, und einer 5%igen Lösung eines industriellen Reinigers, wie etwa Contrad 70, entfettet, während sie auf 55°C erwärmt werden. Die Bänder werden nach jedem 30-minütigen Reinigungsschritt in deionisiertem Wasser gespült. Ein abschließendes Reinigen wird mit einem Spülen mit kopiösem Methanol erzielt.
Nach dem chemischen Reinigen wird die Chromnitridabscheidung erzielt, indem eine erste Innenreinigung der Oberfläche der Bänder 30 Minuten lang in einer Argonplasmaatmosphäre und mit einer Substratvorspannung von –400 V, die mit einer Frequenz von 250 kHz und einer Impulsbreite von 500 ns gepulst ist, durchgeführt wird. Eine Chromzwischenschicht mit 100 nm wird in etwa vier Minuten als eine Bindungsbeschichtung bei einer ähnlich gepulsten Vorspannung von 100 V zur Verbesserung der Anhaftung abgeschieden. Hierzu wird ein Chrom-Target mit einer Reinheit von 99,99% in einer Stickstoff enthaltenden Argonumgebung verwendet. Der Basisdruck des Systems beträgt ungefähr 1,3·10^–4 Pa (1.3 exp (–4) Pa), und der Druck während der Abscheidung beträgt ungefähr 0,13 Pa. Das Gas ist ein Gemisch aus Argon mit einer Reinheit von 99,999% und Stickstoff mit einer Reinheit von 99,99%. Die Stickstoffströmungsrate wird zwischen 10 und 75 Normkubikzentimetern pro Minute (sccm) verändert, um Dünnfilme mit unterschiedlichem Cr/N-Verhältnis bereitzustellen. Die CrN-Dünnfilme werden auf die Bänder durch reaktives Gas-Sputtern in dem Closed Field Unbalanced Magnetron-Sputter-System abgeschieden. Die CrN-Abscheidungen werden in 40 bis 120 Minuten abgeschlossen, während sie bei einer Vorspannung von 150 V ähnlich gepulst werden. Hunderte oder Tausende von Bändern könnten gemeinsam in einem solchen Prozess in einer Massenproduktionsumgebung gleichzeitig behandelt werden.
Bei einem Testobjekt betrug die Rauheit der Bandoberfläche annähernd 675 nm Ra bei einer zehnfachen Vergrößerung. Dementsprechend änderte sich der Mittenrauwert infolge der PVD nicht wesentlich.
Die Beschichtungshärte des Endproduktes liegt im Bereich von 1500 bis 3000 Hv (Vickers-Härte), die viel härter ist als die des ursprünglichen Maraging-Stahlbandes mit der Nitrid-Oberflächenwärmebehandlung. Da die Beschichtung sehr dünn ist und über Sputtern oder Lichtbogenverdampfung abgeschieden ist, weist sie eine viel stärkere Bindung an das Substrat auf als jegliche andere Beschichtungsarten, wie etwa durch Galvanisieren oder thermische Spritzbeschichtung erzeugte. Zusätzlich weist eine Chromnitridbeschichtung eine bessere Anhaftung an das Substrat als andere Beschichtungsmaterialien wie etwa Titannitrid und Chromkarbid auf. Die Bindung der Beschichtung mit dem Substrat löst sich selbst unter rauen Temperaturwechselbedingungen nicht leicht.
Ein Testen von chromnitridbeschichteten Bändern hat gezeigt, dass die beschichteten Bänder im Vergleich mit nicht beschichteten Bändern, die einen beträchtlichen Verschleiß aufgrund eines Abschleifens erfahren, wenig oder keinen Verschleiß aufwiesen. Dieses Ergebnis ist in 3 veranschaulicht. 3 veranschaulicht die prozentuale Abnahme von Rpk, nachdem ein Testzyklus durchlaufen wurde, um Verschleiß einzuleiten. Rpk ist das Maß der Spitzenhöhen über die nominelle/Kern-Rauheit. Wie es in 3 gezeigt ist, erfuhr ein Band ohne Beschichtung bei einer Testlast von 100 Newton eine Abnahme der Rpk von 67%, während ein Band mit einer dünnen (0,7 Mikrometer) Chromnitridbeschichtung nur eine prozentuale Abnahme der Rpk von 49% erfuhr. Überraschenderweise erfuhr ein Band mit einer dicken (1,7 Mikrometer) Chromnitridbeschichtung nur eine prozentuale Abnahme der Rpk von 10%. Ähnlich erfuhr das nicht beschichtete Band unter einer Testlast von 175 Newton eine Abnahme der Rpk von 56%, das Band mit der Chromnitridbeschichtung mit 0,7 Mikrometern erfuhr eine Abnahme der Rpk von 52%, und das Band mit einer Chromnitridbeschichtung mit 1,7 Mikrometern erfuhr lediglich eine Abnahme der Rpk von 14%. Diese Unterschiede sind beträchtlich und setzen sich direkt in eine Verringerung oder Beseitigung eines Riemenzitterns um, da die Rauigkeit der Oberfläche des Riemens, die mit dem Element in Kontakt steht, aufgrund der Chromnitridbeschichtung aufrechterhalten wird. Die Rauheitsstabilität beseitigt die Ruck-Gleit-Erscheinung.
Eine unterstützende Offenbarung, die mit CVT-Riemen in Beziehung steht, ist in den US-Patenten Nummern 6,464,606 ; 6,497,633 ; 6,254,503 ; 6,337,309 und 6,451,745 zu finden, deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme vollständig mit eingeschlossen ist.
Zusammengefasst umfasst ein Riemen für ein stufenloses Getriebe (CVT) zumindest ein durchgehendes Band, das auf einer Kontaktfläche in einem Schlitz gelagert ist, der in jedem einer Vielzahl von Querelementen des CVT ausgebildet ist. Das Band weist eine Oberfläche auf, die auf der Kontaktfläche angeordnet ist. Diese Oberfläche ist zur Verringerung von Verschleiß durch PVD mit Chromnitrid mit einer Dicke von annähernd 0,5 bis 2,5 Mikrometer beschichtet.

Claims

Riemen für ein stufenloses Getriebe (CVT), umfassend: zumindest ein durchgehendes Band (44, 44'), das auf einer Kontaktfläche (70, 72) in einem Schlitz gelagert ist, der in jedem einer Vielzahl von Querelementen (12) gebildet ist, wobei das zumindest eine durchgehende Band (44, 44') eine Oberfläche (74, 76) aufweist, die auf der Kontaktfläche (70, 72) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (74, 76) zur Verringerung von Verschleift mit Chromnitrid beschichtet ist, wobei die Chromnitridbeschichtung eine Dicke von annähernd 0,5 bis 2,5 Mikrometer aufweist.
Riemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromnitridbeschichtung eine Dicke von annähernd 1,3 bis 1,8 Mikrometer aufweist.
Riemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromnitridbeschichtung eine Dicke von annähernd 1,7 Mikrometer aufweist.
Riemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromnitridbeschichtung durch PVD aufgebracht ist.
Riemen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD reaktives Gas-Sputtern umfasst.
Riemen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD Lichtbogenverdampfung umfasst.
Riemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine durchgehende Band Maraging-Stahl mit einer Nitrid-Oberflächenwärmebehandlung umfasst.
Riemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromnitridbeschichtung eine Vickers-Härte von annähernd 1500 bis 3000 Hv aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Bandes für einen Riemen eines stufenlosen Getriebes (CVT), das auf einer Kontaktfläche (70, 72) jedes Querelements des Riemens gelagert sein soll, wobei das Verfahren umfasst, dass: das Band (44, 44') aus Maraging-Stahl mit einer Nitrid-Oberflächenwärmebehandlung gebildet wird, wobei das Band (44, 44') eine Oberfläche (74, 76) aufweist, die auf der Kontaktfläche (70, 72) jedes Querelements angeordnet sein soll; dadurch gekennzeichnet, dass eine Chromnitridbeschichtung mit einer Dicke von annähernd 0,5 bis 2,5 Mikrometer auf der Oberfläche (74, 76) durch PVD aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD reaktives Gas-Sputtern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD Lichtbogenverdampfung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbringungsschritt ferner umfasst, dass: das Band (44, 44') über Ultraschall entfettet wird, eine Ionenreinigung des Bandes (44, 44') in einer Argonplasmaatmosphäre durchgeführt wird, und die Beschichtung durch ein reaktives Gas-Sputter-System in einem Closed Field Unbalanced Magnetron Sputter-System aufgebracht wird.