DE10006168A1

DE10006168A1 - Reibpaarung für eine Synchronisiereinrichtung in Zahnräderwechselgetrieben

Info

Publication number: DE10006168A1
Application number: DE2000106168
Authority: DE
Inventors: Werner Kreiss; Josef Schwuger; Thomas Wiesneth
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Priority date: 2000-02-11
Filing date: 2000-02-11
Publication date: 2001-08-23

Abstract

Ein Synchronring (1) aus einem Eisenwerkstoff ist an seinem Innenkonus mit einer Molybdänschicht (5) versehen, so dass dessen Reibfläche (6) gebildet ist. Dieser Synchronring wird einem Nitrier- oder einem Nitrocarburiervorgang unterworfen, so dass eine Verbindungsschicht (8) gebildet ist, die auf der unbeschichteten Oberfläche des Synchronringes (1) und zwischen Oberfläche des Synchronringes (1) und der Molybdänschicht (5) angeordnet ist. DOLLAR A Damit ist sichergestellt, dass einerseits durch die Molybdänschicht (5) ein sehr günstiges Reibungsverhalten und andererseits durch die Verbindungsschicht (8) außerhalb der beschichteten Bereiche gute mechanische Eigenschaften erzielt werden.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Reibpaarung für eine Synchronisiereinrichtung in Zahnräderwechselgetrieben, bei der zur Erzielung eines Gleichlaufs miteinan der formschlüssig kuppelbare Antriebsmittel ein Synchronring und ein Kuppel ring an ihren jeweils kegelförmigen Reibflächen einer reibschlüssigen Verbin dung eingehen, wobei wenigstens einer der Ringe aus einem Eisenwerkstoff besteht, dessen kegelförmige Reibfläche mit Molybdän oder einer Legierung dieses Metalls beschichtet ist. Außerdem betrifft die Erfindung zugehörige Verfahren zur Herstellung der Reibpaarung.

Hintergrund der Erfindung

Bei synchronisierten Schalt- oder Wechselgetrieben in Kraftfahrzeugen wird beim Sehalten das auf der Welle frei drehbare Zahnrad durch axiales Anpres sen eines Synchronringes an einen dem Zahnrad zugeordneten Kuppelring in Gleichlauf mit der Welle gebracht, wobei die Übertragung der Kräfte von einer auf der Welle drehfesten, aber axial verschiebbaren Schiebemuffe über eine axiale oder radiale Sperr- und/oder Mitnehmerverzahnung auf den Synchron ring erfolgt. Anschließend wird das Zahnrad durch weiteres axiales Verschie ben der Schiebemuffe, die dann in eine Mitnehmerverzahnung des Kuppelrin ges eingreift, formschlüssig mit der Welle verbunden. Zur Erreichung des Gleichlaufs zwischen Synchronring und Zahnrad weist der Synchronring au ßenkonische oder innenkonische Reibflächen auf, die beim axialen Anpressen des Synchronringes mit entsprechenden Gegenflächen am Kuppelring in Kon takt kommen und durch den auftretenden Reibschluß den zum Durchschalten der formschlüssigen Kupplung erforderlichen Gleichlauf herstellen. Darüber hinaus kann bei einer sogenannten Doppel- oder Mehrfachkonussynchronisie rung zwischen diesen Reibflächen ein Reibring angeordnet sein.

Als bekannte technische Lösung werden in Synchronisiereinrichtungen, in de nen kegelförmige Reibflächen aufeinanderwirken, Reibpaarungen mit ver schiedenen Gleitreibwerkstoffen verwendet, wie z. B. Sondermessinge, Bron zen, molybdänbeschichtete, oxidbeschichtete oder mehrstoffbeschichtete Oberflächen sowie Kunststoffe, die gegen eine gehärtete Stahlfläche reiben.

So ist beispielsweise aus der DE-OS 25 38 882 eine Synchronisiereinrichtung bekannt, deren eine Reibfläche aus einer aufgespritzten Molybdänschicht be steht, während auf die Gegenreibfläche eine Auflage aus manganlegiertem Kohlenstoffstahl aufgespritzt ist. Molybdänschichten werden deshalb als Ober flächenschutzschichten aufgebracht, da sie einen hohen Widerstand gegen über der Adhäsion bei der Paarung mit Stahl aufweisen sowie einen konstan ten Reibwert über die gesamte Lebensdauer besitzen. Die Nachteile von mit Molybdän beschichteten Synchronisierringen liegen insbesondere darin, dass die unbeschichteten Bereiche, d. h. exponierte Stellen, wie z. B. Nocken oder Zähne, nicht genügend verschleißfest sind. Außerdem erfordern mit Molybdän beschichtete Ringe einen hohen Bearbeitungsaufwand, da diese gehärtet, ge schliffen und anschließend mit Molybdän beschichtet werden müssen.

In diesem Zusammenhang ist auch aus der DE 44 45 898 A1 eine Reibpaarung aus einem Eisenwerkstoff bekannt, der einer Nitrierung oder einer Nitrocarbu rierung unterworfen ist. Die Nachteile von nitrierten bzw. nitrocarburierten Rin gen liegen insbesondere darin, dass der Reibwert über die gesamte Lebens dauer der Synchronisiereinrichtung nicht konstant ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Reibpaarung zu entwic keln, die sich insbesondere problemlos herstellen lässt, ein günstiges und kon stantes Reibverhalten aufweist und sehr verschleißbeständig ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Synchronring und/oder der Kuppelring einer Nitrier- oder einer Nitrocarburierbehandlung unterworfen ist, so dass eine Verbindungsschicht gebildet ist, die auf der unbeschichteten Oberfläche des Eisenwerkstoffes und zwischen Eisenwerkstoff und Molybdänschicht angeord net ist. An dieser Stelle wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass sich die Erfindung nicht auf die vorstehend genannten Ringe beschränkt, sondern ganz allgemein Synchronisierteile mit Reibflächen umfassen soll.

Die erfindungsgemäße Reibpaarung zeichnet sich durch folgende Vorteile aus: Durch das Auftragen der Molybdänschicht im Bereich der Reibfläche wird ein hoher Widerstand gegenüber dem Adhäsionsverschleiß bei der Paarung mit Stahl, Messing oder Gusseisen erzielt. Unter Adhäsion ist dabei in bekannter Weise der Verschleißmechanismus zu verstehen, bei dem in der Kontaktfläche sich berührender Körper atomare Bindungen in Form von Mikroverschweißun gen gebildet und wieder getrennt werden. Dabei erfolgt die Trennung häufig nicht in der ursprünglichen Kontaktfläche, sondern im Volumen des anderen Partners. Es haftet dann Material an dem anderen Partner. Diese Erscheinung wird auch als Materialübertrag bezeichnet, der durch die Schutzschicht aus Molybdän bzw. durch die Schutzschicht aus einer Molybdänlegierung verhin dert ist.

Durch das Nitrieren, d. h. einem thermochemischen Verfahren zum Anreichern der Randschicht eines Werkstückes mit Stickstoff und durch das Nitrocarburie ren, d. h. einem thermochemischen Verfahren zum Anreichern der Randschicht eines Werkstückes mit Stickstoff und Kohlenstoff unter Bildung einer Verbin dungsschicht, soll der metallische Charakter der Oberfläche soweit verändert werden, dass der Ring äußeren mechanischen bzw. auch chemischen Angrif fen besser Widerstand leisten kann. Dies wird insbesondere durch die Bildung von unterschiedlichen Nitriden erreicht, so dass der Reibungskoeffizient er niedrigt wird, die Adhäsion zum Verschleißpartner verringert ist und die Ab riebsfestigkeit erhöht ist. Dies ist insbesondere für die nicht mit Molybdän be schichteten Teilbereiche der Ringe, wie z. B. Nocken und Zähne, von Bedeu tung, da diese erhöhten mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Es erüb rigt sich an dieser Stelle ausführlich auf die Entstehung, Bildung und Wirkung dieser aus unterschiedlichen Nitriden bestehenden Schichten einzugehen, da dies dem Fachmann bereits bekannt ist. So kann über diese Problematik bei spielsweise im Sonderdruck 447 "Nitrieren und Nitrocarburieren" der Bera tungsstelle für Stahlverwendung, Düsseldorf, 2. Auflage 1983, nachgelesen werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 9 beschrieben.

So ist nach Anspruch 2 vorgesehen, dass die Verbindungsschicht eine Stärke von 2 bis 30 µm aufweisen soll. Die Stärke richtet sich nach der entsprechen den Nitrier- bzw. Nitrocarburierbehandlung und wird anhand der auftretenden Belastungsverhältnisse ausgelegt werden müssen.

Nach den Ansprüchen 3 und 4 soll der Eisenwerkstoff ein Vergütungsstahl oder ein Einsatzstahl sein, wobei ein Stahl der Marke 80 Cr 3 bzw. ein Stahl der Marke 16 Mn Cr 5 vorgesehen ist.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 5 ist vorgese hen, dass der Eisenwerkstoff vor dem Beschichten mit Molybdän eine Oberflä chenrauhheit Ra < 0,5 µm aufweist. Dies kann beispielsweise durch Kugel strahlen erfolgen. Unter Strahlen ist dabei in erfindungsgemäßer Weise ein Fertigungsverfahren zu verstehen, bei denen Strahlmittel in Strahlgeräten un terschiedlicher Strahlsysteme beschleunigt und zum Aufprall auf die Oberflä che der zu bearbeiteten Ringe gebracht werden. Das Kugelstrahlen erfolgt speziell mit runden oder zumindest gerundeten Strahlmittelkörnern. Dazu kön nen unterschiedliche Anlagen eingesetzt werden, so z. B. Schleuderradstrahl anlagen, in denen das Strahlmittel in einer oder mehreren Schleuderradein heiten durch Zentrifugalkräfte auf die gewünschte Geschwindigkeit beschleu nigt wird, aber auch pneumatisch betriebene Druckstrahlanlagen unterschiedli cher Bauarten sind denkbar. Als Strahlmittel könnten beispielsweise Glasku geln, Stahlkugeln oder auch Korundkugeln eingesetzt werden. Ziel dieser Ku gelstrahlbehandlung ist eine Aufrauhung und Aktivierung der Oberfläche der Ringe, die zu einem besseren Haften der später aufzubringenden Molybdän schicht führen soll. Zur Aufrauhung der Oberfläche sind in diesem Zusammen hang sämtliche dem Fachmann bekannte Lösungen denkbar, so z. B. ein Bür sten der Oberfläche oder eine Strukturierung durch eine Laserbehandlung.

Aus Anspruch 6 geht hervor, dass die Molybdänschicht eine Stärke von < 500 µm aufweisen soll, wobei auch wiederum in diesem Falle die Stärke entspre chend den vorherrschenden Belastungsverhältnissen angeglichen ist.

Schließlich ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 7 vorgesehen, dass die Molybdänschicht eine mittlere Rauhtiefe Rz von 20 bis 70 µm besitzt. Diese Rauhtiefe wirkt sich insbesondere günstig für das Rück halten von Schmiermittel aus, so dass das Einbringen von Schmiermittelnuten entbehrlich ist.

Nach dem in Anspruch 8 beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Reib paarung soll der Synchronring und/oder der Kuppelring durch ein spanloses Formgebungsverfahren hergestellt sein, anschließend ein Aufrauhen oder Strukturieren der Oberfläche erfolgen, danach soll die Molybdänschicht aufge bracht werden, bevor abschließend die Nitrier- oder Nitrocarburierbehandlung durchgeführt wird. Das in Anspruch 9 beschriebene Verfahren unterscheidet sich von dem in Anspruch 8 dadurch, dass die Nitrier- oder Nitrocarburierbe handlung vor dem Beschichten der Ringe mit Molybdän ausgeführt ist.

Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 einen abschnittsweise dargestellten Querschnitt durch eine Reibpaarung und

Fig. 2 das Schliffbild eines mit Molybdän beschichteten Syn chronringes.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Nach der Fig. 1 ist der im Schnitt dargestellte Synchronring mit 1 und der ebenfalls im Schnitt dargestellte Kuppelring mit 2 bezeichnet. Der Synchronring 1 ist radial mit der Mitnehmerverzahnung 3 versehen, über die er über eine nicht dargestellte Schiebemuffe mit einer Welle drehfest, aber axial verschieb lich verbunden ist. In die radiale Mitnehmerverzahnung 4 des Kuppelringes 2 greift eine ihr entsprechende Verzahnung der Schiebemuffe zur formschlüssi gen Verbindung von Welle und Kuppelring 2. Den zum formschlüssigen Ver binden erforderlichen Gleichlauf zwischen Synchronring 1 und Kuppelring 2 stellt eine Konuskupplung her, d. h. der Synchronring 1 ist mit einem Innenko nus und der Kuppelring 2 mit einem Außenkonus versehen, die die entspre chenden Reibflächen 6 und 7 besitzen, wobei die Reibfläche 6 durch die Mo lybdänschicht 5 gebildet ist.

Der Synchronring 1 aus 80 Cr 3, d. h. mit 0,8% Kohlenstoff und 0,75% Chrom wird auf einem geeigneten Formgebungsaggregat spanlos hergestellt. Dieser Vorgang, beispielsweise ein Ziehvorgang, kann so präzise erfolgen, dass ein Schleifen zur Einstellung einer bestimmten Höhe entbehrlich ist. Nach dem Entfetten bzw. Reinigen dieses weichen Synchronringrohlinges wird dieser in einem geeigneten Aggregat problemlos mit einem Strahlmittel aus Korund be aufschlagt, so dass seine Oberfläche eine Rauhheit Ra < 0,5 µm aufweist. Nach dem Strahlen müssen die eingesetzten Reststrahlmittel vor dem Beschichten der Reibfläche mit Molybdän weitestgehend entfernt sein. Das Strahlen zur Erzielung der genannten Rauhtiefe oder Rauhheit ist erforderlich, damit die Molybdänschicht ein gutes Haftvermögen auf dem Synchronring 1 aufweist. Als zusätzlicher Vorteil des Strahlens ist zu sehen, dass die Rand schicht des Synchronringes 1 verfestigt und somit eine Erhöhung der Dauer schwingfestigkeit erreicht wird. Durch das Strahlen mit Korund, Siliziumkarbid oder anderen Strahlmitteln wird die Oberfläche gereinigt, aufgerauht und akti viert. Um eine erneute Verschmutzung bzw. Oxidation zu vermeiden, sollte das Aufbringen der Molybdänschicht 5, die die Reibfläche 6 bildet, sofort nach dem Strahlen erfolgen. Im vorliegenden Fall ist das Molybdän durch thermisches Spritzen aufgebracht worden. Bei diesem Beschichtungsverfahren wird ein Spritzwerkstoff in Form von Draht oder Pulver innerhalb oder außerhalb eines Spritzgerätes aufgeschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberflä che, d. h. auf die Innenkonusfläche des Synchronringes 1 gespritzt. Die Ober fläche des Synchronringes 1 wird dabei nicht an- oder aufgeschmolzen, son dern dieser erwärmt sich während des Spritzens nur wenig, so dass auch kein Verzug zu befürchten ist.

Der auf diese Weise mit der Molybdänschicht 5 versehene Synchronring 1 wird nun in bekannter Weise einer Nitrocarburierung unterzogen, d. h. dessen Randschicht wird mit Stickstoff und Kohlenstoff unter Bildung einer Verbin dungsschicht angereichert, wobei sich unterhalb der Verbindungsschicht eine vor allem mit Stickstoff angereicherte Diffusionsschicht bildet. Auf die Bildung und den Schichtaufbau dieser Schichten braucht an dieser Stelle nicht einge gangen zu werden, da sie dem Fachmann hinreichend bekannt sind. Die durch Nitrieren bzw. Nitrocarburieren erzeugten Metallnitride erzeugen eine natur harte Oberfläche, die insbesondere die restlichen Funktionsflächen, wie bei spielsweise die Mitnehmerverzahnung 3 verschleißfest machen, wobei sich beide Verfahren in vorteilhafter Weise durch einen geringen Wärmeverzug auszeichnen.

Das in Fig. 2 gezeigte Schliffbild mit 220-facher Vergrößerung zeigt einen Ausschnitt aus dem Synchronring 1, dessen Oberfläche durch einen Strahlvorgang aufgerauht wurde, was in der linken Bildhälfte durch die dargestellte Ein dellung ersichtlich ist. Danach wurde dieser Synchronring 1 einem Nitrocarbu rierverfahren unterworfen, so dass auf seiner Oberfläche die mit 8 bezeichnete und aus Metallnitriden bestehende Verbindungsschicht angeordnet ist. Im Be reich von seiner Reibfläche 6 ist diese Verbindungsschicht mit einer aufge spritzten Molybdänschicht 5 versehen, die, wie das Schliffbild zeigt, sehr porös ausgefallen ist. Im vorliegenden Fall weist die poröse Molybdänschicht 5 eine Stärke von 100 µm aus, während die darunterliegende Verbindungsschicht 8 eine Stärke von etwa 15 µm hat. Wird das Nitrocarburieren bzw. Nitrieren des Synchronringes 1 in Abweichung von der allgemeinen Verfahrensweise nach dem Aufbringen der Molybdänschicht vorgenommen, so bildet die Molybdän schicht 5 auch kein Hindernis für die Entstehung der Verbindungsschicht 8, d. h. die bei der Nitrocarburierung bzw. Nitrierung verwendeten Gase diffundie ren durch die vorher aufgebrachte Molybdänschicht 5 hindurch.

Das Wesentliche der Erfindung besteht zusammengefasst in der Verknüpfung des "Beschichtens mit Molybdän" mit dem "Nitrieren, Nitrocarburieren". Die so erzeugten Synchronisierteile weisen einerseits durch die Molybdänbeschich tung eine hohe Adhäsionsbeständigkeit gegenüber Paarungen mit Stahl, Mes sing oder anderen Werkstoffen auf, zeigen über die gesamte Lebensdauer den gewünschten konstanten Reibwert und sind andererseits an den nicht mit Mo lybdän beschichteten Stellen in ihren mechanischen Eigenschaften ebenfalls wesentlich verbessert. Dabei spielt es keine Rolle, welches der Verfahren zu erst eingesetzt wird, da die aufgebrauchte Molybdänschicht keine wesentliche Diffusionsbarriere darstellt. Darüber hinaus weisen die Synchronisierteile auf grund der sehr verzugsarmen thermochemischen Verfahren eine hohe Maßbe ständigkeit auf, so dass mechanische Bearbeitungsverfahren nicht zwangsläu fig sind.

Bezugszeichen

1

Synchronring

2

Kuppelring

3

Mitnehmerverzahnung

4

Mitnehmerverzahnung

5

Molybdänschicht

6

Reibfläche

7

Reibfläche

8

Verbindungsschicht

Claims

1. Reibpaarung für eine Synchronisiereinrichtung in Zahnräderwechselge trieben, bei der zur Erzielung eines Gleichlaufs miteinander formschlüs sig kuppelbarer Antriebsmittel ein Synchronring (1) und ein Kuppel ring (2) an ihren jeweils kegelförmigen Reibflächen (6, 7) eine reib schlüssige Verbindung eingehen, wobei wenigstens einer der Ringe (1, 2) aus einem Eisenwerkstoff besteht, dessen kegelförmige Reibfläche (6, 7) mit Molybdän (5) oder einer Legierung dieses Metalls beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronring (1) und/oder der Kuppelring (2) einer Nitrier- oder einer Nitrocarburierbehandlung unter worfen ist, so dass eine Verbindungsschicht (8) gebildet ist, die auf der unbeschichteten Oberfläche des Eisenwerkstoffes und zwischen Ei senwerkstoff und Molybdänschicht (5) angeordnet ist.

2. Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (8) eine Stärke von 2 bis 30 µm aufweist.

3. Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenwerkstoff ein Vergütungsstahl oder ein Einsatzstahl ist.

4. Reibpaarung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenwerkstoff ein Stahl der Marke 80 Cr 3 oder ein Stahl der Marke 16 Mn Cr 5 ist.

5. Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenwerkstoff vor dem Beschichten mit Molybdän eine Oberflächen rauhheit Ra größer 0,5 µm aufweist.

6. Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Molybdänschicht (5) eine Stärke von kleiner gleich 500 µm aufweist.

7. Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Molybdänschicht (5) eine mittlere Rauhtiefe Rz 20 bis 70 µm aufweist.

8. Verfahren zur Herstellung einer Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronring (1) und/oder der Kuppelring (2) durch ein spanloses Formgebungsverfahren hergestellt sind, anschlie ßend ein Aufrauhen oder Strukturieren der Oberfläche erfolgt, danach die Molybdänschicht (5) aufgebracht wird und abschließend die Nitrier- oder Nitrocarburierbehandlung erfolgt.

9. Verfahren zur Herstellung einer Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronring (1) und/oder der Kuppelring (2) durch ein spanloses Formgebungsverfahren hergestellt sind, anschlie ßend ein Aufrauhen oder Strukturieren der Oberfläche erfolgt, danach die Nitrier- oder Nitrocarburierbehandlung erfolgt und abschließend die Molybdänschicht (5) aufgebracht wird.