(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の試験部材（５３）の疲労特性を測定する方法において、
前記試験部材（５３）を、リング形状で提供し、前記試験部材（５３）及びばね（５４）の一方に接続されたリニアアクチュエータ（５１）で前記ばね（５４）に取り付け、前記試験部材（５３）および前記ばね（５４）の全体を、少なくとも前記試験部材（５３）と前記ばね（５４）とを含む試験システム（５３，５４）の共振周波数に合致する周波数で、周期的に圧縮および伸張させることにより振動させることを特徴とする、金属の試験部材（５３）の疲労特性を測定する方法。
【請求項２】
前記試験システム（５３，５４）は、別個の質量（５５）をさらに含み、該質量（５５）は、前記試験部材（５３）と前記ばね（５４）との間に取り付けられておりかつ前記試験部材（５３）と前記ばね（５４）とを互いに接続している、請求項１記載の金属の試験部材（５３）の疲労特性を測定する方法。
【請求項３】
前記ばね（５４）は、リング形状でありかつ金属から形成されている、請求項１または２記載の金属の試験部材（５３）の疲労特性を測定する方法。
【請求項４】
前記ばね（５４）は、そのサイズおよび組成において前記試験部材（５３）に適合する、請求項３記載の金属の試験部材（５３）の疲労特性を測定する方法。
【請求項５】
前記疲労特性は、曲げ疲労強度である、請求項１から４のいずれか１項記載の金属の試験部材（５３）の疲労特性を測定する方法。
【請求項６】
前記測定する方法は、少なくとも偶然におよび／または無作為に、無段変速機用の駆動ベルト（３）の製造方法の一部においてまたは無段変速機用の駆動ベルト（３）の製造方法の一部として、適用され、前記駆動ベルト（３）は、少なくとも一つの無端のフレキシブルな金属バンド（３０）を含み、前記金属の試験部材（５３）は、前記無端のフレキシブルな金属バンド（３０）の半完成品である、請求項１から５までのいずれか１項記載の金属の試験部材（５３）の疲労特性を測定する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、無端のフレキシブルな金属バンドのための原材料の疲労特性を測定する方法に関する。このような金属バンドは、主に自動車において適用される公知の無段変速機の２つの調節可能なプーリの間の動力伝達のための駆動ベルトにおける適用から公知である。このタイプの駆動ベルトは、例えば欧州特許出願公開第１８１５１６０号明細書から公知である。駆動ベルトは、複数の板状の横断エレメントから成り、横断エレメントは、駆動ベルトの少なくとも１つの積層された無端引張り手段において駆動ベルトに摺動可能に組み込まれている。積層された無端引張り手段は、互いに重ね合わされた無端でフレキシブルな金属バンドのセットから成る。
【０００２】
前記変速機における作動の間、駆動ベルトは、変速機のプーリによって変速機のプーリの周囲を回転させられる。その結果、駆動ベルトの金属バンドは、交互に曲げられたり、伸ばされたりし、また、典型的には、変速機における駆動ベルトの寿命の間、多数の応力サイクルにおいて様々な程度に緊張させられる。これにより、金属バンドの疲労破壊に対する抵抗性、すなわち疲労強度は、金属バンドの重要な特性である。典型的には、金属バンドは、これにより、マルエージング鋼原材料から製造される。マルエージング鋼原材料は、好適には、高い疲労強度の特性を、析出硬化および表面窒化のプロセスステップを含む、原材料を、最終製品である無端でフレキシブルな金属バンドに加工するための比較的好適な可能性と組み合わせる。
【０００３】
駆動ベルトの製造プロセスの一部として、すなわち、駆動ベルト品質保証の一部として、少なくとも前記原材料の曲げ疲労強度が規則的に測定され、そのための所定の必要条件と比較される。さらに、このような曲げ疲労試験は、駆動ベルトの開発において、特に、駆動ベルトの金属バンド構成部品の（新規の）原材料および／または駆動ベルトの製造において使用されるプロセスステップの選択および最適化において、重要な役割を果たす。
【０００４】
金属の曲げ疲労強度を測定、すなわち定量化するために複数の試験方法が公知技術において利用可能である。典型的には、それぞれのこのような試験方法において、ストリップ状の、すなわち矩形の試験片は、適用された曲げ応力の平均値および振幅に依存して疲労破壊による破損が決定されるまで、周期的に変化する曲げ応力および複数の応力サイクルに曝される。しかしながら、公知の試験方法は、曲げ応力が試験片に導入される形式において異なる。このような公知の試験方法のうちの１つにおいて、ストリップ状の試験片は、その長さに沿って曲げられ、このような曲げられた試験片の第１の一方の遠位端部は固定されるのに対し、試験片の他方の遠位端部は、リニアアクチュエータによって前記第１の一方の遠位端部に対して近づいたり離れたりするように振動させられる。この後者の試験方法が好ましい。なぜならば、最大曲げ応力（ひいては試験片の極限疲労破壊）は、試験片に適用される曲げの十分に規定された支点において生じるからである。さらに、この後者の試験方法において、前記最大曲げ応力は、リニアアクチュエータによって試験片の前記他方の遠位端部に課される変位の大きさに直接に関連させられる。
【０００５】
曲げ疲労強度を測定するこの後者の試験方法およびその他の公知の試験方法の典型的に生じる制限は、この方法において得られる応力振動の周波数が約５０Ｈｚ程度であり、この応力振動周波数は、少なくとも典型的には工業において破断までに必要とされる曲げ応力の応力サイクルの回数を考慮すると、かなり制限されている。特に、試験片に適用される曲げ応力の平均値および振幅が、原材料の現在考慮されている駆動ベルト適用において生じる曲げ応力の平均値および振幅に対応するように設定されている場合、試験片の曲げ疲労強度の一回の測定でさえも、完了するのに容易に数週間かかる可能性がある。さらに、このような測定の間、かなりの電力がリニアアクチュエータによって消費され、測定を完了するための２５０ｋＷｈの合計電力消費は、珍しくない。
【０００６】
本開示は、少なくとも前記合計電力消費の減少の観点から、しかしながら好適にはまたそれと共に達成可能な応力振動の前記周波数の増大の観点から、特に、前記後者の公知の試験方法を改良することを目的とする。さらに、試験片は、好適には、同じ（試験）応力に曝され、これにより、測定結果は、別の測定結果に相関させられ続けることができる。
【０００７】
本開示によれば、駆動ベルトリングのフレキシブルな金属バンドのための原材料の疲労特性を測定する新規の方法は、無端の、すなわち円形またはリング状の原材料の試験片と、このような試験リングに取り付けられたばねとを提供することを含み、試験リングおよびばねのこの試験システムは、例えば試験リングの疲労破壊が生じるまで、疲労強度測定を行うために、システムの共振周波数にほぼ合致するサイクル時間または周波数で周期的に圧縮および伸張、すなわち励起させられる。このような試験システムをその共振周波数で励起させることによって、曲げ疲労強度の作動のために必要な電力、すなわち試験リングにおける曲げ応力の振動のために必要な電力が、特に前記後者の公知の試験方法よりも、好適には減じられる。
【０００８】
試験システムのばねは、好適には、単にばね（力）定数を適応させることによって前記共振周波数が影響されることを可能にする。さらに、ばねは、単に振動の前にばねおよび試験片のシステムにプレストレスをかけることによって曲げ応力の前記平均値が影響されることを可能にする。加えて、この新規の疲労試験方法では、前記後者の公知の試験方法におけるように前と同じまたは類似のリニアアクチュエータを使用することができる。
【０００９】
上記新規の疲労試験方法の第１の詳細において、試験システムの試験リングおよびばねとは別個に、好適には試験リングとばねとの間において、試験システムに付加的な質量が設けられている。実際には、このような質量は、金属クランプなどの、試験リングとばねとの間に設けられ試験リングとばねとを接続したコネクタの形式であることができる。質量を適用することによって、試験片に適用される曲げ応力の振幅を増大させることができる。他方では、試験システムの質量を付加することによって試験片の共振周波数は減じられるが、この効果は、より剛性のばねを適用することによっておよび／または試験片の剛性を高めることによって打ち消され得る。
【００１０】
上記新規の疲労試験方法の第２の詳細において、ばねはリング状である。新規の疲労試験方法のこの構成は、好適には、一回の疲労強度測定において２つの同じ試験片が使用、すなわち試験されることを可能にし、これにより、試験片のうちの一方が破損したときでも、他方の試験片は、曲げ応力の同じ回数（およびサイズ）の振動に曝されているので、このような他方の試験片を用いた第２の重複測定もしくは確認測定を、通常は迅速に完了することができる。これに代えて、試験システムの前記共振周波数に影響を与えて試験システムのための好適な値と一致させるように、リング状ばねのサイズは、すなわちその厚さ、幅および／または直径の観点から、比較的容易に適応させることができる。
【００１１】
本開示による新規の疲労試験方法の上述の基本的な特徴をここで添付の図面を参照しながら例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】公知の駆動ベルトおよびこのような公知のベルトを組み込んだ変速機の透視図における概略図である。
【図２】複数のフレキシブルな金属バンドの２つのセットと、複数の横断部材とを有する公知の駆動ベルトの一部の概略図である。
【図３】駆動ベルトのフレキシブルな金属バンドの公知の製造方法を象徴的に示している。
【図４】駆動ベルトのフレキシブルな金属バンドの原材料の曲げ疲労強度を測定する公知の方法および構成を概略的に示している。
【図５】第１の実施の形態における駆動ベルトのフレキシブルな金属バンドの原材料の曲げ疲労強度を測定する新規の方法および構成を概略的に示している。
【図６】第２の実施の形態における駆動ベルトのフレキシブルな金属バンドの原材料の曲げ疲労強度を測定する新規の方法および構成を概略的に示している。
【図７】図６の曲げ疲労強度を測定するための構成の２つの写真である。
【００１３】
図１は、エンジンと、エンジンの駆動輪との間の自動車の動力伝達経路において一般的に適用される公知の無段変速機の中央部分を示している。変速機は２つのプーリ１，２を有する。各プーリ１，２には２つのプーリディスク４，５が設けられている。プーリディスク４，５の間には、一方のプーリ１，２から他方のプーリ２，１へ回転運動Ｍおよび付随するトルクを伝達するために、プッシュタイプ駆動ベルト３が存在している。プーリディスク４，５は概して円錐形に形成されており、少なくとも一方のプーリディスク４は、両ディスク４，５が配置されているそれぞれのプーリ軸６，７に沿って軸方向に可動に変速機に組み込まれている。変速機は、通常、作動手段を有する。作動手段は、前記少なくとも１つの可動なディスク４に、それぞれの他方のプーリディスク５に向かって方向付けられた、軸方向に向けられた締付力を加え、これにより、プッシュベルト３がディスク４，５の間に締め付けられる。
【００１４】
プッシュベルト３は、無端引張り手段３１と、複数の比較的薄い横断エレメント３２とを含む。横断エレメント３２は、引張り手段３１の長手方向に沿って可動に引張り手段３１に設けられており、大部分が前記長手方向に対して横方向に向けられている。エレメント３２は前記締付力を受け取り、これにより、駆動プーリ１が回転すると、ディスク４，５とプッシュベルト３との間の摩擦によりエレメント３２は前記運動Ｍの方向へ前記駆動プーリ１から被駆動プーリ２へおよび再びその逆へ推進され、これにより、引張り手段３１によって案内および支持される。変速機の幾何学的な変速比は、非駆動プーリ２におけるプッシュベルト３の有効接触半径Ｒ２と、駆動プーリ１におけるプッシュベルト３の有効接触半径Ｒ１との比によって決定され、この比は、複数の値の範囲において連続的に変化させられてもよい。
【００１５】
図２は、公知のプッシュベルトの断面図を示しており、この断面図はベルト３の長手方向に向けられている。図２において、プッシュベルト３の横断エレメント構成部材３２が正面図で示されている。横断エレメント３２はプッシュベルト３に組み込まれており、プッシュベルト３の無端引張り手段３１に取り付けられている。無端引張り手段３１は、少なくともこの例においては、２つの積層された部材から成る。各部材は、複数の無端のフレキシブルな金属バンド３０によって形成されている。金属バンド３０は、比較的薄くかつ平坦であり、半径方向で一方が他方の周囲に重ね合わされている。各部材は、横断エレメント３２のそれぞれの開口３３に収容されている。さらに、横断エレメント３２の前側主面には突出部３９が設けられている。突出部３９は、隣接する横断エレメント３２の後側主面に設けられた穴（見えていない）に収容される。突出部３９と、穴とは、変速機における作動中にプッシュベルト３の隣接する横断エレメント３２を互いに接続しかつ整列させるために設けられている。いわゆる傾斜エッジ３６の下方の横断エレメント３２の下側部分はくさび形であり、プーリ１，２のディスク４，５の間に締め付けられたときに、隣接するエレメント３２が軸方向を中心にして互いに傾斜することを可能にしている。
【００１６】
図３は、駆動ベルトのフレキシブルな金属バンド構成部材３０の公知の製造方法の関連する部分を示している。この公知の製造方法は、自動車用途のための金属駆動ベルト３の製造のために当該技術分野において一般的に適用される。公知の製造方法の別個のプロセスステップは、ローマ数字によって示されている。
【００１７】
第１のプロセスステップＩでは、約０．４ｍｍの厚さを有するマルエージング鋼基礎材料の薄いシートまたはプレート１１が円筒状に曲げられ、突き合わされたプレート端部１２が第２のプロセスステップＩＩにおいて互いに溶接され、中空の円筒もしくは管１３を形成する。プロセスの第３のステップＩＩＩにおいて、管１３は焼きなましされる。その後、第４のプロセスステップＩＶにおいて、管１３は複数の環状の、すなわち無端のリング１４に切断され、これらのリング１４は、その後、第５のプロセスステップＶにおいて、延伸させられながら、通常は約０．２ｍｍまでその厚さを減じるように、ローリングされる。ローリングの後、リング１４は、ここでは、金属バンド３０と称される。
【００１８】
金属バンド３０は、摂氏６００℃よりもかなり高い温度、例えば約８００℃においてリング材料の回復および再結晶によって、前のローリングプロセスステップの加工硬化の効果を除去するために、別の焼きなましプロセスステップＶＩを受ける。その後、第７のプロセスステップＶＩＩにおいて、金属バンド３０は、金属バンド３０を２つの回転するローラの周囲に取り付け、前記ローラを離反させることによって金属バンド３０を所定の周長まで伸張させることによって、較正される。金属バンド較正のこの第７のプロセスステップＶＩＩにおいて、内部応力もまた金属バンド３０に課される。
【００１９】
その後、金属バンド３０は、組み合わされた時効またはバルク析出硬化および窒化または表面硬化の第８のプロセスステップＶＩＩＩにおいて熱処理される。特に、このような組み合わされた熱処理は、アンモニア、窒素および水素ガスを含む制御されたガス雰囲気を含有するオーブンチャンバに金属バンド３０を保持することを必要とする。オーブンチャンバ、すなわちプロセス雰囲気において、アンモニア分子は金属バンド３０の表面において水素ガスと窒素原子とに分解し、窒素原子は金属バンド３０の金属格子に進入することができる。これらの介在する窒素原子により、摩耗および疲労破壊に対する抵抗性が著しく高められることが知られている。通常、組み合わされた時効および窒化の第８のプロセスステップＶＩＩＩは、金属バンド３０の外面に形成された窒化層または窒素拡散ゾーンが２５〜３５ミクロンの厚さになるまで行われる。複数のこのように加工された無端かつフレキシブルな金属バンド３０は、隣接する金属バンド３０の各対の間に最小限の半径方向遊びもしくは間隙を備えながらこれらの金属バンド３０を半径方向に積層、すなわち同心状に重ね合わせることによって、無端引張り手段３１に組み立てられる。
【００２０】
特に、以下のことが留意される。すなわち、その代わりに、金属バンド較正の第７のプロセスステップＶＩＩの直後に、すなわち、金属バンド３０の組み合わされた時効および窒化の第８のプロセスステップＶＩＩＩの前に、引張り手段３１を複数の個々の金属バンド３０から組み立てることもまた当該技術分野において公知である。さらに、この後者の組み合わされた熱処理（プロセスステップＶＩＩＩ）を択一的に、時効および窒化の２つの別個の前後する段階において行うことができることが当該技術分野において公知である。
【００２１】
金属駆動ベルト３の全体的な製造方法の一部として、金属バンド３０の原材料の品質が、典型的にはランダムに試験される。特に、マルエージング鋼プレート１１のストリップ５０の形式の試験片を使用し、この試験片の曲げ疲労強度を測定することが実践されている。図４は、駆動ベルトのフレキシブルな金属バンド構成部材３０の原材料の曲げ疲労強度を測定するというこのような目的のための公知の構成を概略的に示している。
【００２２】
図４において、試験ストリップ５０はリニアアクチュエータ５１と固定面５２との間に長さ方向に配置される。試験ストリップ５０の曲げ疲労強度の実際の試験のために、リニアアクチュエータ５１および試験ストリップ５０の所定の回数の振動が生じるまでまたは試験ストリップ５０が破損するまで、図４に矢印Ｏによって示したように、リニアアクチュエータ５１が試験ストリップ５０の長さ方向に振動させられる。この公知の試験構成では、リニアアクチュエータ５１は、試験試料を曲げかつ弛緩させる際に、すなわち試験試料に曲げ応力の所要の振動を発生させるために、かなりの量の電力を使用する。
【００２３】
特に試験方法の電力消費の観点から、このような公知の曲げ疲労強度試験方法を改良するために、図５に概略的に示された新規の試験方法が考えられた。
【００２４】
図５の新規の試験方法では、試験片はリング５３の形式で提供され、さらに、ばね５４がこのような試験リング５３に取り付けられる。次いで、このような試験リング５３およびばね５４の試験システム５３，５４の全体をその共振周波数で振動させるために、（図５に示したように）リニアアクチュエータ５１が試験リング５３またはばね５４に接続される。試験システム５３，５４を共振周波数で励起させることによって、曲げ疲労強度の作動、すなわち試験リング５３における曲げ応力の振動のために必要な電力を、実際には、図４の公知の試験方法と比べて大幅に減じることができる。ばね５４に比剛性を提供することによって、新規の試験システム５３，５４の共振周波数に比較的容易に影響することができる。
【００２５】
本開示による新規の試験方法の別の利点は、この試験方法において適用される試験リング５３を別個に製造する必要がなく、単に、好適には、半完成品として製造された無端リング１４の形式で、駆動ベルトのフレキシブルな金属バンド構成部材３０のための上述の一般的に実施される製造方法から得ることができるということである。
【００２６】
図６は、本開示による新規の試験方法の代替的な実施の形態を示している。この代替的な実施の形態では、ばね５４は金属リングの形式で提供されている。この金属リングは、その形状、サイズおよび材料において試験リング５３（１４）に適合することさえでき、ひいては、前記公知の製造方法から得ることもできる。加えて、図６の実施の形態では、別個の質量５５が、試験リング５３（１４）とばね５４（１４）との間において試験システム５３，５４，５５に設けられている。別個の質量５５を適用することによって、試験片５３（１４）に適用される曲げ応力の振幅を増大させることができる。他方では、試験システム５３，５４，５５全体の共振周波数は、別個の質量５５を付加することによって減じられるが、この効果は、より剛性のばね５４（１４）を提供することによっておよび／または試験片５３（１４）自体の剛性を高めることによって打ち消され得る。
【００２７】
図７は、図６による新規の試験方法の物理的な実施の形態の写真である。新規の試験方法のこの物理的な実施の形態では、試験リング５３（１４）およびばね５４（１４）の両方が、無端のフレキシブルな金属バンド３０の一般的に実施される製造方法によって得られた前記中間リング製品１４によって表されている。これらの２つのリング１４は、それぞれの磁石５６によってリニアアクチュエータ５１および固定面５２のそれぞれに対して所定の位置に保持されている。さらに、２つのリング１４は、ナットおよびボルトコネクタ５７によって互いに接続されており、ナットおよびボルトコネクタ５７も、付加的な質量を試験システムに提供し、すなわち、試験システム５３，５４，５５（１４，１４，５７）の前記別個の質量５５として機能する。
【００２８】
実際には、図７において、試験システム５３，５４，５５（１４，１４，５７）が、その作動中において、すなわち、リニアアクチュエータ５１による共振周波数での振動中の２つの瞬間において、示されている。図７から分かることは、試験システム５３，５４，５５（１４，１４，５７）の共振により、試験リング５３の（曲げ）変形を表す別個の質量５７（５５）の変位が、リニアアクチュエータ５１の変位よりも著しく大きいということである。これに対して、図４による曲げ疲労強度を測定するための公知の構成では、試験リング５３の（曲げ）変形は、リニアアクチュエータ５１の変位に相当する。その結果、曲げ疲労強度を測定するための新規の構成では、リニアアクチュエータ５１は大幅に少ない電力を使用する。
【００２９】
本開示は、前記説明の全ておよび添付図面の全ての詳細に加えて、添付の特許請求の範囲の全ての特徴にも関しかつこれらの特徴を含む。請求項における括弧書きの符号は、請求項の範囲を限定するのではなく、単に、それぞれの特徴の拘束しない例として提供されている。請求項に記載された特徴は、場合によって、任意の製品または任意の方法において別々に適用することができるが、これらの特徴のうちの２つ以上のあらゆる組合せを適用することも可能である。
【００３０】
本開示によって提示された発明は、明細書に明示的に言及された実施の形態および／または実施例に限定されるのではなく、その補正、変更および実用的な適用、特に当業者の到達範囲にあるものをも包含する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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