用于带式连续变速传动机构上的滚动轴承.pdf

本发明提供一种即使采用粘性较低同时保持流速较低的CVT流体，也能够具有足够耐用性的轴承，这样就可以提高带式连续变速传动机构的效率。包括外座圈在内的座圈的材料由一种铁基合金制成，该铁基合金含有(重量百分比)0.15％至0.5％的碳、0.1％至1.5％的硅、0.1％至1.5％的锰和0.5％至3.0％的铬。而且这种材料还受到碳氮共渗处理、淬火处理和回火处理并进行回火精加工。位于外座圈4之内周面上的外滚道6之表面部分具有一个碳含量(重量百分比)为0.8％至1.2％、氮含量(重量百分比)为0.05％至0.50％的表面层。

1、  一种用于带式连续变速传动机构上的滚动轴承，其包括：一个外座圈，该外座圈具有一个内周面，该内周面上设置有一个外滚道；一个内座圈，该内座圈具有一个外周面，该外周面上设置有一个内滚道；以及多个可滚动地设置在外滚道和内滚道之间的滚动元件，外座圈被装配并支撑在一个固定部分上，内座圈被装配并支撑在一个能够随带式连续变速传动机构的皮带轮一起转动的部分上，从而使皮带轮可转动地支撑在所述固定部分上，用于带式连续变速传动机构上的滚动轴承的特征在于：至少外座圈由铁基合金材料制成，其中铁基合金材料含有(重量百分比)0.15％至0.5％的碳、0.1％至1.5％的硅、0.1％至1.5％的锰和0.5％至3.0％的铬，而且这种材料还受到碳氮共渗处理、淬火处理和回火处理并进行研磨式精加工，从而使外滚道的表面部分具有一个碳含量(重量百分比)为0.8％至1.2％、氮含量(重量百分比)为0.05％至0.50％的表面层。

2、  根据权利要求1的用于带式连续变速传动机构上的滚动轴承，其特征在于：所述表面层的表面硬度为从Hv720到Hv900；在从外滚道表面到出现最大剪应力的深度位置的部分内，分布和析出有平均颗粒直径为50nm到500nm的碳化物或碳氮化物。

3、  根据权利要求1和2之一的用于带式连续变速传动机构上的滚动轴承，其特征在于：位于外滚道表面下方50微米处的残余奥氏体量(体积百分比)为20％至45％，在外滚道表面下方50微米处的残余压缩应力为150MPa至500MPa。

4、  根据权利要求2的用于带式连续变速传动机构上的滚动轴承，其特征在于：其含有钼和钒中的至少一种，而且钼的重量百分比为0.1％至3.0％，钒的重量百分比为0.1％至3.0％。

5、  一种滚动轴承，其包括一个内座圈、外座圈和多个可滚动地设置在内座圈和外座圈之间的滚动元件，其特征在于：所述内座圈、外座圈和多个滚动元件中的至少一个由合金钢制成，而且该合金钢包含有(重量百分比)：0.60％至1.20％的碳(C)、0.1％至1.5％的硅(Si)、0.1％至1.5％的锰(Mn)和0.5％至3.0％的铬(Cr)，而且该合金钢被加工成规定的形状并受到碳氮共渗处理、淬火处理和回火处理；而且，座圈的滚道和/或滚动元件的滚动接触表面的表面层含有(重量百分比)0.80％至1.30％的碳、0.05％至0.50％的氮；所述表面层的硬度为700Hv到850Hv；残余压缩应力为-100MPa至-500MPa。

6、  根据权利要求5的滚动轴承，其特征在于：残余奥氏体的量(体积百分比)为15％至45％。

7、  根据权利要求5或6的滚动轴承，其特征在于：所述表面层含有碳化物和/或碳氮化物，这些碳化物和/或碳氮化物分布在该表面层内并从该表面层析出；所述碳化物和/或碳氮化物的平均粒度在介于100nm至500nm的范围内。

8、  根据权利要求5和7之一所述的滚动轴承用于支撑皮带轮的转轴，其中用于带式连续变速传动机构上的皮带就围绕该皮带轮延伸。

9、  一种带式连续变速传动机构，其特征在于：所述皮带轮的转轴支撑在根据权利要求5至7之一所述的滚动轴承上，而且一个皮带围绕所述皮带轮延伸。

用于带式连续变速传动机构上的滚动轴承
发明背景
发明领域
本发明涉及到对滚动轴承的改进，这种滚动轴承用于支撑转轴，而转轴例如可以是用于汽车车轮或类似部件上的带式连续变速传动机构(CVT)的皮带轮轴。具体而言，通过使皮带与皮带轮之间的摩擦接合区域内的摩擦系数保持稳定，就能够保持足够的稳定性，即使为了降低燃料消耗而采用低粘性的CVT流体(结合用作ATF油)。
对背景技术的说明
过去，人们一直将各种带式连续变速传动机构(例如在日本专利未审查公报第H08-30526公开的那种机构)视为汽车自动传动机构的传动单元，而且某些传动机构仍然在使用。图1示出了这种带式连续变速传动机构的基本结构。这种带式连续变速传动机构包括一个位于输入侧的转轴1和一个位于输出侧的转轴2，而且转轴1和2按照相互平行的方式设置。这些转轴1、2分别支承在一对滚珠轴承3上，而滚动轴承3又设置在传动机构的外壳(未在附图中示出)内。
具体如图2所示，每个滚动轴承3都设置有一个外座圈4和一个内座圈5，而且该外座圈和内座圈同心设置。当然，外座圈4在其内周面上设置有一个外滚道6，而内座圈5在其外周面上设置有一个内滚道7。多个滚动元件8就设置在外滚道6和内滚道7之间，而且这些滚动元件按照能够使其自由滚动的方式支撑在一个保持器9内。这样制成的每个滚动轴承3的外座圈4都被装配并固定到传动机构外壳的某一部分中，内座圈5被安装并固定到位于输入侧的转轴1或位于输出侧的转轴2上。而且，利用这种结构，就能够使转轴1、2以能够自由转动的方式支撑在该传动机构外亮内。在现有技术中，设置有外座圈4、内座圈5和多个滚动元件8的轴承被用作滚动轴承3，其中滚动元件8由SUJ2轴承钢制成。
在转轴1、2中，位于输入侧的转轴1通过转矩变换器的起动离合器18或螺线管式离合器而被一个驱动源10(例如发动机)旋转驱动。而且，驱动侧皮带轮11也设置在位于那对滚动轴承3之间的部分上，而这对滚动轴承又被设置在输入侧转轴1地中间部分上；该驱动侧皮带轮11和输入侧转轴1同步旋转。介于驱动侧皮带轮11的那对驱动侧皮带轮板12a、12b之间的空间可以利用驱动侧致动器13使驱动侧皮带轮板12a(在图1中位于左侧的那个板)沿轴向移动来进行自由地调节。换言之，驱动侧皮带轮11的沟槽宽度可以通过驱动侧致动器13而自由加宽或变窄。
另一方面，从动侧皮带轮14设置在一个介于一对滚珠轴承3之间的部分上，而这对滚动轴承又位于输出侧转轴2的中间部分上；该从动侧皮带轮14与输出侧转轴2同步转动。该从动侧皮带轮14的那对从动侧皮带轮板15a、15b之间的空间可通过利用从动侧致动器16而使从动侧皮带轮板15a(在图1中右侧那个皮带轮板)沿轴向移动的方式而得以自由调节。换言之，从动侧皮带轮14上的沟槽宽度可以通过从动侧致动器16而被加宽或变窄。而且，一个环形皮带17围绕该从动侧皮带轮14和驱动侧皮带轮11延伸。一个金属皮带被用作该环形皮带17。
在按照上述方式制成的带式连续变速传动机构中，通过起动离合器18将来自驱动源10的动力传递给输入侧转轴1，而且动力继续通过环形皮带17从驱动侧皮带轮11传递给从动侧皮带轮14。沿受推方向传递动力的皮带和沿受拉方向传递动力的皮带就是通常所说的环形皮带17。无论在哪种情况下，传递给从动侧皮带轮14的动力都是通过一个减速齿轮系19和差速齿轮20由输出侧转轴2传递给传动轴21的。当输入侧转轴1和输出侧转轴2之间的传动比发生变化时，皮带轮11的沟槽宽度也要相对加宽或变窄。
例如，当输入侧转轴1和输出侧转轴2之间的减速比增加时，驱动侧皮带轮11的沟槽宽度就会变大，而从动侧皮带轮14的沟槽宽度则变小。这样，在环形带17围绕皮带轮11、14进行移动的那些部分上，位于驱动侧皮带轮11部分上的直径就较小，而位于从动侧皮带轮14部分上的直径就较大，而且将在输入侧转轴1和输出侧转轴2之间产生减速度。另一方面，当输入侧转轴1和输出侧转轴2之间的加速比增加(减速比减小)时，驱动侧皮带轮11的沟槽宽度将减小和从动侧皮带轮14的沟槽宽度将增加。这样，在环形皮带17围绕皮带轮11、14延伸的那些部分上，位于驱动侧皮带轮11部分上的直径变大，而位于从动侧皮带轮14部分上的直径则变小，而且将在输入侧转轴1和输出侧转轴2之间产生加速度。
当按照上述方式进行制造和操作的带式连续变速传动机构处于操作状态下时，润滑油被输送到所有的活动部件上，目的是对这些活动部件进行润滑。CVT流体(组合起来被用作为ATF油)被用作带式连续变速传动机构的润滑油。其原因在于增加金属环带17和驱动、从动侧皮带轮11、14的摩擦接合区域内的摩擦系数并使该摩擦系数保持稳定。另外，CVT流体以300毫升/分钟或更高的流速在该摩擦区域内循环流动，以对该摩擦区域进行润滑。此外，部分CVT流体(例如以20毫升/分钟或更高的流速)从滚动轴承3的内部流过，以对滚动轴承3的滚动接触区域进行润滑。因此，一些异物，例如由于金属环带17和皮带轮11、14之间的摩擦而产生的磨蚀性材料，或者由于在减速齿轮系19内的摩擦而产生的齿轮碎末，就极有可能进入CVT流体内并与CVT流体混在一起。这些异物会损坏滚动轴承3的滚动接触区域并使这些轴承的使用寿命缩短。因此，在现有技术中，或者通过将滚动轴承3的尺寸放大，或者通过增加滚动元件8的直径(滚珠直径)，来提高滚动轴承3的基本额定动载荷，从而使这些滚动轴承3具有更长的使用寿命。
在按照上述方式制成的皮带中，振动频率(f：Hz)由摩擦部件的数量(Zb)和皮带的转数(Nb：rpm)表示为“f＝Zb×(Nb/60)”。一般情况下，摩擦部件的数量为250至400个，在这种情况下，当发电机的转数从600rpm变化为7000rpm时，在初级皮带上产生的振动频率的第一分量在减速过程中为1000Hz至3000Hz，在加速过程中为10000Hz至35000Hz。
该频率高于当齿轮在手动传动(MT)或正常的自动变速传动(AT)状态(除了连续变速传动状态之外)下相互啮合时所产生的振动频率。可以认为其原因在于：对于带式CVT而言，摩擦部件的数量为250至400个，该数量大于在MT和AT状态下相互啮合的齿轮齿之数量，具体而言，该数量比相互啮合的齿轮齿数大50左右。
而且，当汽车处于操作状态下时，要反复进行加速和减速，这样就可能使皮带的振动和车体的振动产生共振。此外，在车体上将产生不同频率的振动，这样就经常会很容易地与皮带产生共振。这样，就容易在带式CVT滚动轴承内产生大型振动。
另一方面，对于带式CVT而言，需要提高皮带的传动效率，控制皮带传动的噪音，抑制皮带轮和皮带之间的摩擦，就这些方面而言，最好采用流动性良好(粘度低)的润滑油。
近年来，为了使带式连续变速传动机构保持高效率，使操作过程中产生的噪音最小，并减小驱动侧皮带轮11、从动侧皮带轮14与环形皮带17之间的摩擦，而采用了粘性极低的CTV流体，这种流体被视为润滑油。在这种情况下，当将标准轴承用作能够对输入侧转轴1和输出侧转轴2进行支撑的滚动轴承3时，应该考虑到：由于没有形成足够的油层而产生过早剥落的可能性要大于由于异物混入润滑油中而在凹入处开始剥落的可能性。换言之，由于用于支撑皮带轮转轴的滚动轴承设置在皮带轮的侧面上，因此很难进送润滑剂；而且，当采用粘性较低的CVT流体时，由于当皮带变化时，振动将作用于径向和轴向上，因此在外滚道6、内滚道7与滚动元件8的滚动接触区域内形成的油层就不充足。而且，在这些滚动接触区域内，由于打滑而出现过早剥落的可能性也会增加。
换言之，当滚动轴承3包括一个外座圈4、内座圈5和多个由常规轴承钢(例如SUJ2)制成的滚动元件8时，可以认为：当采用粘性较低的CVT流体时，由于打滑而产生过早剥落的可能性就会变大，其中在这种CVT流体中，原油的动粘度在40℃时为40毫米²/秒或更低(40×10^-6米²/秒或更低)，在100℃时为10毫米²/秒或更低。在这种情况下，在带式连续变速传动机构的操作过程中，当滚动轴承3的温度超过100℃时，进入到滚动轴承3内用于对滚动接触区域进行润滑的CVT流体之粘度就为一个很低的数值10毫米²/秒或更小。这样，存在于滚动接触区域内的油膜之强度就会下降，而且滚动接触区域内的油膜也易于在差速运动、旋转或转动的作用下而破裂。当油膜破裂时，将在该滚动接触区域内产生金属接触，这种金属接触将使表面层产生疲劳并出现过早剥落的问题。当然，可通过提高滚动轴承3的基本额定动载荷并延长滚动轴承3的使用寿命，来保持所需的耐用性，但是，由于轴承尺寸的增加将导致其重量和滚动阻力增加，这并非是我们所需要的。另外，通过增加从滚动轴承3流过的CVT流体的流速也可以防止油膜破裂，而且还可以提高耐用性。但是，由于大量CVT流体循环流动将产生泵送损失，因此这种方法将导致整个带式连续变速传动机构的效率降低，这也不是我们所需要的。
顺便说一句，对于安装在带式连续变速传动机构内的滚动轴承3而言，作用于这些滚动轴承3上的大部分载荷都是由环形皮带17施加的径向载荷，这些径向载荷的方向总是恒定不变的。而且，在滚动轴承3的滚动接触区域内，内滚道7和滚动元件8的滚动接触表面将旋转，而外滚道6则不旋转。因此，表面层的疲劳大部分都将移至外滚道6的一个特定部分(支撑着径向载荷的那个部分)上。换言之，在滚动疲劳寿命内，外滚道6处于最恶劣的条件下。因此，从保持滚动轴承3的整体耐用性方面考虑，保持外滚道6的滚动疲劳寿命是很重要的。
例如，图3(A)和3(B)示出了当将粘度较低的CVT流体用作润滑油时，滚动接触区域内的疲劳水平，这些结果是通过对常规齿轮式传动机构和带式连续变速传动机构进行疲劳分析后得出的。疲劳分析是一种已经在日本专利审查公报第S63-34423中公开的测量方法，该方法用于对由于滚动接触疲劳而产生的疲劳水平进行分析，而且该疲劳水平可被表示为F＝ΔB+K·ΔR(其中ΔB为对马氏体相进行X射线衍射时其半值宽度的减小量；K为因材料的不同而不同的常数；ΔR为残余奥氏体的减少量)。换言之，为找到疲劳水平F，在金属材料间的滚动接触区域内达到滚动疲劳前后，对X射线衍射的半值宽度和残余奥氏体的量(体积百分比)进行测定。此外，将为这种材料而指定的常数设定为K，将疲劳状态前残留奥氏体的量与疲劳状态下残留奥氏体的量之差设定为ΔR。将疲劳状态前马氏体相的X射线衍射半值宽度与疲劳状态下马氏体相的X射线衍射半值宽度之差设定为ΔB。这样，就可以通过将马氏体相内的X射线衍射半值宽度减小量ΔB和残留奥氏体的减少量ΔR带入等式F＝K·ΔR+ΔB中而得到疲劳水平F。而且，可利用与每个滚动接触位置相对应并预先生成的基准值对该疲劳水平F进行修正和评价，从而测定出每个位置上的疲劳水平。
在图3(A)和3(B)的状态下所进行的疲劳分析结果中，图3(A)示出了安装在一个常规齿轮式传动机构中的滚动轴承的外滚道之疲劳水平；而图3(B)则示出了安装在一个带式连续变速传动机构中的滚动轴承的外滚道之疲劳水平。疲劳水平的数值越高，那么疲劳越严重，这表明剥落寿命开始变短。在图3(A)中，安装在常规齿轮式传动机构上的滚动轴承之外滚道的疲劳水平为1.4，而在图3(B)中，安装在带式连续变速传动机构上的滚动轴承之外滚道的疲劳水平为2.8或高达其两倍。
从图3(A)和3(B)中可以清楚地看出：当粘度较低的CVT流体被用作带式连续变速传动机构的润滑油时，容易在带式连续变速传动机构的旋转支撑单元的滚动轴承之外滚道上产生过早的剥落现象。
当将上述因素纳入考虑范围内时，为使带式连续变速传动机构具有良好的传动效率和足够的耐用性，本发明提供一种用于带式连续变速传动机构上的滚动轴承，即使将粘度较低的CVT流体用作润滑油，这种滚动轴承也很难损坏，例如在滚动轴承3的外滚道6上产生过早剥落问题，其中滚动轴承3用于以可自由转动的方式支撑着皮带轮。
发明内容
与用于带式连续变速传动机构上的传统公知型滚动轴承相似，根据本发明，用于带式连续变速传动机构上的滚动轴承包括：一个外座圈、内座圈和多个滚动元件。
在这些部件中，外座圈在其内周面上设置有一个外滚道。
内座圈在其外周面上设置有一个内滚道。
那些滚动元件以能够自由滚动的方式设置在外滚道和内滚道之间。
此外，外座圈被装配并支撑在传动机构壳体的固定部分上，内座圈被装配并支撑在输入和输出侧的转轴的端部或中部上，而转轴则与带式连续变速传动机构的皮带轮一起转动；皮带轮以能够自由转动的方式支撑在该固定部分上。
具体而言，在根据本发明用于带式连续变速传动机构上的滚动轴承之实施例，至少外座圈由铁基合金制成，而该铁基合金又包含有(重量百分比)：0.15％至0.5％的C，0.1％至1.5％的Si，0.1％至1.5％的Mn和0.5％至3.0％的Cr，而且受到碳氮共渗、淬火和回火处理，最终通过研磨完成精加工。
外滚道的表面还设置有一个表面层，该表面层含有0.8％至1.2％的C和0.05％至0.50％的N。
此外，该表面层的表面硬度最好为Hv720至Hv900，而且从外滚道的表面到出现最大剪应力的深度部分散布和沉淀有颗粒平均直径为50nm至500nm的碳化物或碳氮化物(M₃C，M₇C₃)。
而且，在外滚道的表面下方50微米处，残留奥氏体的量(体积百分比)为20％至45％；位于外滚道表面下方50微米处，残留压缩应力为150MPa至500MPa。
此外，最好还含有(重量百分比)0.1％至3.0％的Mo和/或0.1％至3.0％的V。
残留氧的浓度最好为9ppm或更小，P的含量(重量酉分比)为0.02％或更少，S的含量(重量酉分比)为0.02％或更少。而且，可以认为本发明能够应用到处于滚动疲劳最严重状态下的外滚道上。但是，除了外滚道外，最弱的部分就是内滚道或滚动元件，因此为了达到所需的寿命要求，最好还将本发明应用到内滚道和滚动元件上。
对于根据本发明按照上述方式制成的用于带式连续变速传动机构上的滚动轴承而言，即使采用粘度较低的CVT流体，而且由于粘度较低而不能使位于滚动接触区域内的油膜充分保持强度的情况下，也能够充分保持剥落寿命。
首先，通过对能够形成合适的表面层并具有合适组分的材料进行适当的表面处理，就可以使在使用过程中处于最恶劣条件下的外滚道保持其滚动疲劳寿命。
具体而言，当表面层的表面硬度从Hv720到Hv900，而且在一个规定的部分内分布和沉淀有平均颗粒尺寸为50nm到500nm的碳化物或碳氮化物时，就能够更有效地保持滚动疲劳寿命。换言之，当采用粘度较低的CVT流体，而且由于在100℃或更高温度下进行操作而使粘度进一步下降，从而使位于滚动接触区域内的油膜强度变小并产生局部金属接触时，仍然可以延缓表面疲劳在滚动接触区域内的推进。
另外，通过使指定位置上的残留奥氏体量保持为一个合适的数值，即使发生上述的局部金属接触，也可以减缓在位于滚动接触区域内的表面上产生微小剥落和刮擦的可能性。另外，通过使上述特定部分处的残留压缩应力保持在一个合适的值，即使在位于滚动接触区域内的表面上出现了微小的裂纹或剥落部分，也仍然可以抑制裂纹或剥落现象扩散并可进一步提高防过早剥落的效果。
此外，通过使材料含有0.1％至3.0％的Mo和/或0.1％至3.0％的V(重量百分比)，就可以对上述碳化物或碳氮化物的颗粒尺寸进行控制，而且还可以使沉淀出的碳化物或碳氮化物为微小的颗粒。而且，还可以降低基体中的含碳量。
用于本发明之带式连续变速传动机构中的滚动轴承按照上述方式进行操作，而且即使在某些条件下，例如当位于滚动接触区域内的油膜强度变弱时和出现局部金属接触时，仍然可以保持滚动疲劳寿命。因此，无需为了保持所需的耐用性而将基本额定动载荷很大的大型轴承用作滚动轴承。因此，就可以使位于输入侧和输出侧的转轴的旋转支撑部分更加紧凑、重量也更轻，而且还可以保持足够的耐用性，同时具有较低的旋转阻力。这样，也就无需使大量润滑油(例如以远大于20毫升/分钟的流速)从滚动轴承的内部流过。
这样，不仅可以使轴承结构紧凑、重量轻，而且还可以确保滚动阻力较小的滚动轴承具有足够的滚动疲劳寿命，因此，不仅可以使带式连续变速传动机构更加紧凑、重量轻，而且还可以提高传动效率。
下面，对将每种元素添加到用于制造根据本发明之带式连续变速滚动轴承的铁基合金中的原因、设定规定值(包括所含每种元素的数量)的原因进行说明。
首先，在该材料所含的元素中，包括有用于进行碳氮共渗工艺的C(碳)，而这种碳氮共渗工艺用于将表面硬度提高至所需的数值(例如从Hv720提高至Hv900)，目的在于保持滚道表面的滚动疲劳寿命。为了使这种碳氮共渗工艺的处理时间不要过长，就需要使该材料含有重量百分比为0.15％或更多的碳。另一方面，如果C含量(重量百分比)超过0.50％，那么该材料的韧性就会下降，而且由该材料制成的座圈的裂缝强度也会下降，这样就很难在高温下保持尺寸稳定性。因此，该材料中的碳含量(重量百分比)应介于0.15％至0.50％的范围内。
Si(硅)具有延缓变成白色结构的作用，而白色结构可在处于滚动疲劳状态下的座圈内看到，为提高硬化程度，还需加入硅。但是，当添加的硅量(重量百分比)小于0.1％时，回火软化阻力就会不足，而且在热处理后，很难适当地保持外滚道的表面硬度。另一方面，当该材料中的硅含量(重量百分比)大于1.5％时，该材料的可加工性就会急剧下降。因此，该材料中的硅含量(重量百分比)应介于0.1％至1.5％之间。
接着，加入锰(Mn)，目的在于提高钢材(钢合金)的淬火性能。但是，当添加的锰含量(重量百分比)小于0.1％时，就难以保持足够的淬火性能。另一方面，当添加的锰(重量酉分比)超过1.5％时，该材料的可加工性就会下降。因此，该材料中的锰含量(重量百分比)应介于0.1％至1.5％之间。
然后，加入铬(Cr)，目的在于提高淬火性能并促使碳化物球化。为实现这些作用，就需要使该材料中的铬含量(重量百分比)为0.5％或更多。另一方面，当铬含量(重量百分比)超过3.0％时，该材料的可加工性(切割的容易程度)就会下降，而且对外滚道的加工也会很麻烦。因此，该材料中的铬含量(重量百分比)应介于0.5％至3.0％之间。
此外，在材料中还可选择性地含有钼(Mo)(这不是实现本发明的必要技术特征)。当该材料中含有钼时，它可以提高回火软化阻力，而且由于微小的碳化物在该材料中的分布作用，使其能够提高该材料的硬度和由该材料制成的外座圈的硬度并提高高温强度。当为实现该作用而加入钼时，钼的添加量(重量百分比)必须为0.1％或更多。其原因在于：通过添加钼，会使溶解在基体中的碳量减少，而且会有微小的钼基碳化物析出。另一方面，当钼的添加量(重量百分比)超过3.0％时，固溶体就会不足，这样，钼基碳化物就不会是微小的，而且有可能使加工性更差。因此，当在材料中含有钼时，其含量(重量百分比)应介于0.1％至3.0％之间。
在该材料中还可选择性地加入钒(V)(但这不是实施本发明的必要技术特征)。包含在该材料中的钒会在晶粒边界处析出，这样就可以防止晶体微粒变粗糙，而且它将与钢中的碳相结合形成微小的碳化物。另外，添加钒还可提高外座圈的表面硬度，从而提高耐磨性。此外，由于其具有固氢(hydrogen trap)作用，因此可具有延缓向白色结构变化的作用。当材料中所含的钒量(重量百分比)为0.1％或更多时，这种作用就会非常明显。另一方面，当材料中所含的钒量(重量百分比)超过3.0％时，就会有大量钒的碳化物在晶粒界面处析出，从而使粘合效应降低，而且材料的可加工性及机械性能也会变得更差。因此，当将钒添加到材料中时，其含量(重量百分比)应保持在0.1％至3.0％之间。
通过对钼和/或钒进行溶解处理，就可以控制钼基和钒基碳化物(M₃C，M₇C₃)的颗粒尺寸，这样就可以使微小的碳化物散布并析出，这样就可能降低基体中的碳含量。因此，这样就可以延缓在基体疲劳时由于碳的扩散而产生的结构变化，从而提高滚动疲劳寿命。这种扩散和析出作用包括抑制裂缝蔓延的作用、提高耐磨性的作用和用于控制氢脆化阻力的固氢作用。
换言之，通过对具有上述组分的铁基合金材料进行适当的热处理，就可以在每10μm²内散布和析出10或更多的碳化物或碳氮化物(M₃C，M₇C₃)。此外，还可通过按照上述方式对钼和/或钒进行溶解处理来控制钼基或钒基碳化物(M₃C，M₇C₃)的粒度，这样就能够在每10μm²内散布和析出40或更多的碳化物并使耐用性更好。
下面，将对滚道表面之表面层内的碳和氮加以说明。
首先，表面层内含碳的目的在于达到所需的硬度，这样，在对座圈进行碳氮共渗处理并对滚道表面进行研磨和精加工后，就能够保持滚道的滚动疲劳寿命。为使表面层具有所需的硬度(Hv720或更多)，以充分保持滚道表面层的滚动疲劳寿命，表面层内的含碳量(重量百分比)为0.8％或更高。但是，当含量(重量百分比)超过1.2％时，就容易在表面层上产生较大的碳化物，而较大的碳化物又容易成为损坏(例如裂缝)的起点。因此，就应在0.8％至1.2％(重量百分比)的范围内调整表面层内的含碳量。
而且，在表面层中还含有氮，目的是提高该表面层的回火阻力，并使碳化物和/或氮化物散布并析出以提高强度。为达到这些效果，表面层中的氮含量(重量百分比)必须为0.05％或更高。但是，当氮含量(重量百分比)超过0.5％时，耐磨性就会急剧升高，这样不仅难以在精加工时对外滚道进行研磨，而且还会降低表面层抗脆裂强度。因此，应该在0.05％至0.5％(重量百分比)的范围内对氮的含量进行调节。
为方便起见，上面的内容仅针对将本发明应用于外座圈上的情形作出了说明，但是，即使除了外座圈之外，当还将本发明应用到内座圈或滚动元件上时，仍然能够以相同的方式提高滚动疲劳寿命。
就加入氧(O)、磷(P)和硫(S)而言，它们不是实现本发明之目的的必要元素，因此，这些元素最好尽可能地少。
首先，氧是一种能够生成氧基杂质的元素，而且氧还可能变成一种非金属杂质，而非金属杂质又会成为损坏(例如在弯曲应力疲劳过程中出现的裂纹)的起点(例如鱼眼纹)，而且还会缩短滚动疲劳寿命。因此，该材料中的氧含量应该尽可能地少(尽可能接近零)。为此，最好使材料中的氧含量低于9ppm。
其次，磷是一种能够降低滚动疲劳寿命和韧性的元素。因此，磷的含量最好尽可能地少。为此，磷的含量(重量百分比)应保持低于0.02％。
此外，硫是一种能够提高机械加工性能的元素，但是硫与锰结合在一起会形成一种能够降低滚动疲劳寿命的硫化物基杂质。另外，还可通过添加一种除硫之外的元素来提高机械加工性能。因此，从保持外座圈的滚动疲劳寿命的角度考虑，硫的含量应该尽可能地少。为此，硫的含量(重量百分比)最好小于0.02％。
在本发明的第二实施例中，一种滚动轴承被设置成包括有多个滚动元件的结构形式，这些滚动元件以能够自由滚动的方式设置在内座圈和外座圈之间，而且内座圈、外座圈和滚动元件中的至少一个满足下述条件(1)至(5)。
(1)材料由一种合金钢制成，这种合金钢包括下述重量百分比：碳(C)：从0.60％至1.20％；硅(Si)：从0.10％至1.5％；锰(Mn)：从0.10至1.5％；铬(Cr)：从0.50％至3.0％，这种材料被加工成一种特定的形状，接着对其进行碳氮共渗、淬火和回火处理。
(2)座圈的滚道表面和/或滚动元件的滚动接触表面的表面层(从表面到深度为50微米的部分)所含有的碳量(重量百分比)为从0.80％至1.3％。
(3)该表面层的含氮量(重量酉分比)为从0.05％至0.50％。
(4)该表面层的硬度为：维氏硬度(Hv)值从700至850。
(5)该表面层内的残余压缩应力介于-100MPa至-500MPa之间。
对于本发明的滚动轴承而言，与利用传统合金钢(轴承钢，例如SUJ2；渗碳钢，例如SCR420或SCM420)制成的轴承相比，通过制成一种具有上述碳含量、氮含量、硬度和残余压缩应力的特殊合金钢并用这种合金钢制造内座圈、外座圈和/或滚动元件中的至少一个，即使将流动性较差(粘度较低)的润滑油用作带式连续变速传动机构的润滑油，也可以延长为皮带轮的转轴提供支撑的滚动轴承的寿命。
本发明的滚动轴承最好还满足下述条件(6)和/或条件(7)。
(6)表面层内的残余奥氏体量(体积百分比)从15％至45％。
(7)平均粒度从100nm至500nm的碳化物或碳氮化物颗粒分布在该表面层内并从该表面层内析出。
这种合金钢的各个组分的平均数量极限值如下：
[该合金钢中的碳(C)含量(重量百分比)为从0.60％至1.2％]
碳是一种能够增加钢材的光洁度并能够以固溶体形式进入基体内、从而增加钢材硬度的元素。另外，它还可与多种元素例如Cr、Mo、V和W结合在一起形成碳化物。为使基体的硬度在热处理后达到Hv650，该材料中的碳含量(重量百分比)必须为0.60％或更多。
当碳含量(重量百分比)超过1.20％时，在对钢材进行加工的过程中，就容易生成粗糙、大粒的共晶碳化物，这样就可能使滚动疲劳寿命和冲击阻力急剧下降。
[该合金钢中的硅(Si)含量(重量百分比)为0.10％至1.5％]
硅具有延缓向白色结构变化的作用，提高淬硬性的作用和提高回火软化阻力的作用，其中白色结构是在滚动疲劳过程中观察到的。
当硅含量(重量百分比)低于0.10％时，就不能充分实现提高回火软化阻力的作用。当硅含量(重量百分比)超过1.5％时，可加工性能就会急剧下降。
[合金钢中的锰(Mn)含量(重量酉分比)为从0.10％至1.5％]
锰具有增加淬火硬化性能的作用，而且当锰的含量(重量百分比)低于0.10％时，实际上已经不可能实现这种功能。当锰的含量(重量百分比)超过1.5％时，可加工性就会急剧下降。
[合金钢中的铬(Cr)含量(重量酉分比)为从0.50％至3.0％]
铬是一种能够以固溶体形式加进基体内并可提高淬火硬化性、增加回火软化阻力和提高耐腐蚀性的元素。而且，铬还是一种能够形成细小碳化物的元素，而且可通过在热处理过程中防止形成粗糙的大粒晶体颗粒来延长滚动疲劳寿命并增加耐磨和耐热性。当铬的含量(重量百分比)小于0.50％时，就不可能充分实现这些功能。
当有大量的铬存在时，易于生成粗糙的大粒共晶碳化物，而且还可能使滚动疲劳寿命和机械强度急剧下降。具体而言，当铬的含量(重量百分比)超过3.0％时，机械加工性能就可能下降。
[合金钢中的其它合金组分和必然存在的杂质]
氧(O)在基体内生成氧化物基杂质。这些杂质将成为弯曲应力疲劳的起始点(鱼眼纹)，而且会使轴承的寿命缩短。因此，O的含量最好为9ppm或更少。
磷(P)是一种能够降低滚动疲劳寿命和韧性的元素。因此，磷的含量(重量百分比)最好为0.02％或更少。
硫(S)是一种能够提高机械加工性能的元素，但是硫与锰结合在一起会生成硫化物基杂质，这种硫化物基杂质会降低滚动寿命。因此，硫的含量(重量百分比)最好为0.02％或更少。
[表面层中的碳(C)含量(重量百分比)为从0.80％至1.30％]
当座圈(内座圈和/或外座圈)的滚道的表面层和/或滚动元件的滚动接触表面内的碳含量(重量百分比)少于0.8％时，就不能达到所需的硬度，这样也就不能使滚动疲劳寿命足够长。
而且，当碳(C)的含量(重量酉分比)超过1.30％时，就容易生成大粒度的碳化物。这些大粒度的碳化物容易成为裂缝的起点。
[表面层中的氮(N)含量(重量百分比)为从0.05％至0.50％]
当含氮量(重量百分比)多于0.05％时，由于其具有提高回火软化阻力的作用，因此，微小的碳氮化物就容易扩散并析出。当含氮量超过0.50％时，就很难进行研磨，而且抗脆裂强度也会下降。
[表面层硬度从Hv700到Hv850]
当滚道(滚道和/或滚动接触表面)的表面层的硬度(表面硬度)低于Hv700时，就不可能充分提高耐磨性或减轻表面疲劳。而且，在将韧性纳入考虑范围内时，表面硬度的上限可以取为Hv850。
[表面层中的残余压缩应力为从-100MPa到-500MPa]
通过使滚道表面层中的残余压缩应力保持在上述范围内，即使在表面层中出现了微小的裂缝或剥落现象，也可以防止裂缝扩展并可防止过早剥落。
[表面层中的残余奥氏体量(体积百分比)为从15％至45％]
残余奥氏体具有极大地减少表面疲劳的功能，但是对于用于支撑带式连续变速传动机构之皮带轮转轴的滚动轴承而言，当残余奥氏体的量(体积百分比)低于15％时，根本不可能充分实现该功能。滚道等的表面层内的残余奥氏体量(体积百分比)最好高于20％。
当滚道等的表面层内的残余奥氏体量(体积百分比)高于45％时，表面硬度就可能下降，这样，在安装过程中，座圈就会变形。
[分布在表面层中并从表面层中析出的碳化物和/或碳氮化物的平均粒度为从100nm到500nm]
通过使平均粒度保持在上述范围内，就可能达到防止裂缝扩展、提高耐磨性和固氢的作用，从而防止氢脆化。平均粒度的碳化物和/或碳氮化物的存在可利用电子显微镜来加以证实，而且滚道等(滚道和/或滚动接触表面)的丰度(abundance ratio)最好为每10微米²10个或更高。
附图说明
图1为汽车传动系统的剖视图，在该传动系统中安装有一个带式连续变速传动机构，而该带式连续变速传动机构上又设置有本发明的滚动轴承；
图2为滚动轴承的放大剖视图；
图3为一个曲线图，图中示出了由于滚动疲劳而在常规的齿轮式传动机构和带式连续变速传动机构中的疲劳水平；
图4为一个视图，图中示出了外座圈的热处理工艺的两个实例；
图5示出了在另一实施例中所达到的热处理条件。
具体实施方式
本发明的特征涉及到用于对带式连续变速传动机构的输入侧转轴和输出侧转轴进行支撑的滚动轴承的外座圈、内座圈和滚动元件，此外还涉及到通过至少对外座圈进行设计来提高整个滚动轴承的耐用性。在附图中示出的结构，包括图1所示的结构，与用于传统带式连续变速传动机构上的滚动轴承的结构基本相同。因此，不再对用于带式连续变速传动机构上的滚动轴承作详细说明。
[实例]
下面，将对用于证明本发明之效果的试验进行说明。如下面的表1所示，在这些试验中，准备了10种属于本发明技术范围内的试验样本(样本1至10)和8种本发明技术范围以外的试验样本(对比实例1至8)，这样一共准备了18种试验样本，在完成表1所示的热处理后，对每个样本的耐用性(疲劳水平和寿命L10)进行测定。
表1