DE10035489A1

DE10035489A1 - Reibpaarung

Info

Publication number: DE10035489A1
Application number: DE10035489A
Authority: DE
Inventors: Josef Schwuger; Frank Straub; Bernd Helm; Stefan Dressler
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2002-01-31
Anticipated expiration: 2020-07-22
Also published as: FR2812050A1; FR2812050B1; DE10035489B4

Abstract

Eine Reibpaarung wenigstens einem Reibkörper und einem Gegenkörper, wobei wenigstens ein Reibkörper aus einem Grundkörper (2) und einem Reibbelag (3) besteht, der mit dem Grundkörper (2) verbunden ist, zeichnet sich dadurch aus, dass der Reibbelag (3) eine Chrom-Eisen-Legierung ist. Dadurch wird eine kostengünstige, in dünnen Schichten aufbringbare, gut haftfähige und temperaturbeständige Reibpaarung mit geringer Fressneigung erreicht.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Reibpaarung mit wenigstens einem Reibkörper und einem Gegenkörper, wobei wenigstens ein Reibkörper aus einem Grundkörper und einem Reibbelag besteht, der mit dem Grundkörper verbunden ist.

Hintergrund der Erfindung

Wird eine derartige Reibpaarung in synchronisierten Schalt- oder Wechselge trieben in Kraftfahrzeugen eingesetzt, so wird beim Schalten das auf der Welle frei drehbare Zahnrad durch axiales Anpressen 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 Synchronring erfolgt. Anschließend wird das Zahnrad durch weiteres axiales Verschieben der Schiebemuffe, die dann in eine Mitnehmerverzahnung des Kuppelringes eingreift, formschlüssig mit der Welle verbunden. Zur Erreichung des Gleichlaufs zwischen Synchron ring und Zahnrad weist der Synchronring außenkonische oder innenkonische Reibflächen auf, die beim axialen Anpressen des Synchronringes mit entspre chenden Gegenflächen am Kuppelring in Kontakt kommen und durch auftre tenden Reibschluß den zum Durchschalten der formschlüssigen Kupplung er forderlichen Gleichlauf herstellen. Darüber hinaus kann bei einer sogenannten Doppelkonussynchronisierung zwischen diesen Reibflächen ein Reibring an geordnet sein.

Als bekannte technische Lösungen werden in Synchronisiereinrichtungen, in denen 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 in diesem Zusammenhang aus der DE 42 40 157 A1 ein Synchronisier ring bekannt, der einen Ringkörper mit einem Gleitbereich umfasst, auf den durch Spritzbeschichtung ein Film aufgebracht ist. Der Film ist hergestellt aus einer Messinglegierung, die Kupfer, Zink und wenigstens ein Element umfasst, das ausgewählt aus der Gruppe, die aus Aluminium, Mangan, Eisen, Nickel, Silizium, Kobalt, Chrom, Titan, Niob, Vanadin, Zirkon und Molybdän besteht. Der Film ist durch eine Spritzbeschichtung aufgebracht. Die Messinglegierung soll ein Struktur besitzen, die aus einer Matrix und einer intermetallischen Ver bindung besteht, die härter als die Matrix ist. Dabei besteht die Gefahr, dass Teile der intermetallischen Verbindung gelöst werden und durch das Öl ab transportiert werden und so den Verschleiß am Gegenkegel erhöhen. Weiter ist von Nachteil, das Messinglegierungen sehr ölempfindlich sind. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei Messinglegierungen der Reibwert sehr tempe raturabhängig ist und diese zum Fressen neigen. Außerdem sind die Mes singlegierungen in der Anschaffung ziemlich teuer, das insbesondere beim Spritzen ins Gewicht fällt, da die Hälfte des Materials verspritzt wird und dem zufolge in aufwendiger Weise zurückgewonnen werden muss.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Reibpaarung zu entwic keln, bei der während des Reibvorganges ein geringer Verschleiß entsteht und die geringere Materialkosten verursacht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Reibbelag eine Chrom-Eisen-Legierung ist.

Der entscheidende Vorteil der erfindungsgemäßen Legierung liegt darin, dass diese sehr temperaturbeständig ist, d. h. die Reibwirkung bleibt bis zu Tempe raturen von 700°C erhalten. Die Legierung weist eine geringe Neigung zum Fressen auf und arbeitet auch bei hohen Flächenbelastungen einwandfrei. Es ist weiter von Vorteil, dass diese Chrom-Eisen-Legierung bei Einhaltung eines günstigen Reibwertes µ im Bereich von 0,06 bis 0,2 im Vergleich zu anderen Legierungen sehr preisgünstig ist.

Zweckmäßiger Weise wird der Reibbelag auf den Grundkörper durch thermi sches Spritzen aufgebracht. Die Haftfestigkeit des aufgespritzten Reibbelages auf den Grundkörper ist als sehr gut zu bezeichnen. Auch wird ein genaues Spritzen ermöglicht, da die Legierung während des Verspritzens nicht zur Klumpenbildung neigt. Durch die Abscheidung des Reibbelages als dünnwan diger Film wird Einbauraum gespart. Außerdem ermöglicht diese Chrom-Eisen- Legierung ein gezieltes Spritzen hinsichtlich der gewünschten Rauheit des Reibbelages.

Neben dem thermischen Spritzen sind auch andere Verbindungsarten zwi schen Reibbelag und Grundkörper möglich. So kann die Chrom-Eisen- Legierung in Form einer Folie am Grundkörper angeschweißt oder angeklebt werden. Auch eine formschlüssige Befestigung der Folie am Grundkörper ist möglich. Weitere Varianten sind das Aufsintern der Chrom-Eisen-Legierung und das Befestigen von Chrom-Eisen-Pulver am Grundkörper mittels Klebstoff komponenten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprü chen 2 bis 11 beschrieben.

So ist nach Anspruch 2 vorgesehen, dass die Chrom-Eisen-Legierung 10 bis 60% Chrom, 0,3 bis 0,5% Kohlenstoff und den Rest Eisen enthält. Nach An spruch 3 kann die erfindungsgemäße Legierung zusätzlich 3 bis 25% Mo lybdän, 0,4 bis 3,5% Bor, 3 bis 18% Aluminium, 4 bis 12% Silizium, 0,5 bis 6% Vanadin und 0,5 bis 6% Niob enthalten. Durch das thermische Spritzen lässt sich die gewünschte Stärke des Reibbelages einstellen, der nach An spruch 4 eine Ausdehnung von 10 bis 200 µm aufweisen kann. Aus Anspruch 5 geht hervor, dass der Reibkörper einer Nitrier- oder einer Nitrocarbu rierbehandlung unterworfen sein soll. Dabei entstehen (Misch-)Nitride bzw. (Misch-)Karbonitride, die bevorzugt in der Randschicht angereichert sind. Durch diese auch Verbindungsschicht genannte Schicht wird der metallische Charakter der Oberfläche nochmals verändert, so dass der Reibbelag äußeren mechanischen Angriffen einen größeren Widerstand leisten kann. Dabei wird der Reibungskoeffizient erniedrigt, die Adhäsion zum Verschleißpartner verrin gert und die Abriebsfestigkeit erhöht.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 6 ist vorgese hen, dass der Reibkörper vor dem Beschichten eine Oberflächenrauheit Ra von < 0,5 µm aufweisen soll. Dies kann beispielsweise durch Kugelstrahlen erfolgen. Unter Strahlen ist dabei in fachmännischer Weise ein Fertigungsver fahren zu verstehen, bei denen Strahlmittel in Strahlgeräten unterschiedlicher Systeme beschleunigt und zum Aufprall auf die zu bearbeitenden Oberfläche gebracht werden. Das Kugelstrahlen erfolgt speziell mit runden oder zumindest gerundeten Strahlmittelkörnern. Dazu können unterschiedliche Anlagen einge setzt werden, so z. B. Schleuderradstrahlanlagen, in denen das Strahlmittel in einer oder mehreren Schleuderradeinrichtungen durch Zentrifugalkräfte auf die gewünschte Geschwindigkeit beschleunigt wird. Aber auch pneumatisch be triebene Druckstrahlanlagen unterschiedlicher Bauarten sind denkbar. Als Strahlmittel könnten beispielsweise Glaskugeln, Stahlkugeln oder auch Kor- undkugeln eingesetzt werden. Ziel dieser Kugelstrahlbehandlung ist eine Auf rauhung und Aktivierung der Oberfläche des Grundkörpers, die zu einem bes seren Haften des aufzuspritzenden Reibbelages führen soll. Zur Aufrauhung der Oberfläche sind in diesem Zusammenhang sämtliche dem Fachmann be kannte Lösungen denkbar, so z. B. auch ein Bürsten der Oberfläche oder eine Strukturierung durch eine Laserbehandlung.

Aus Anspruch 7 geht hervor, dass der Reibkörper nach dem Beschichten eine mittlere Rauhtiefe Rz von 20 bis 100 µm aufweisen soll.

In den Ansprüchen 8 bis 11 ist der als zweiter Reibpartner wirkende Gegen körper näher beschrieben. Danach kann dieser aus einer Stahllegierung, aus einem Gußwerkstoff, aus einer Kupferlegierung oder aus einem Sinterwerkstoff gefertigt sein. Als Stahllegierung ist dabei ein Stahl der Marke 16MnCr5, 100Cr6, C45, 80Cr2 oder C15 einsetzbar. Der Gegenkörper kann im Falle ei nes Gußwerkstoffes aus einer Stahlgußlegierung der Marke GG20 hergestellt sein. Ist er als Sinterwerkstoff hergestellt, so kann dies eine Sinterlegierung auf Eisen- oder auf Bronzebasis sein.

In den beiden letzten Ansprüchen 12 und 13 ist die bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Reibpaarung beschrieben. Nach Anspruch 12 soll diese in einer Synchronisiereinrichtung für ein Zahnräderwechselgetriebe eingesetzt sein, bei der zur Erzielung eines Gleichlaufs miteinander formschlüssige kup pelbare Antriebsmittel ein Synchronring und ein Kuppelring unmittelbar oder über einen zwischen ihnen angeordneten Reibring an ihren jeweils kegelförmi gen Reibflächen eine reibschlüssige Verbindung eingehen. Nach Anspruch 13 schließlich soll die Reibpaarung in einer Lamellenkupplung eingesetzt sein, bei der mit einer ersten Welle verbundene plangeschliffene Außenlamellen in mit einer zweiten Welle verbundene sinusförmige Innenlamellen kammartig ein greifen, wobei der Reibschluß zwischen den Lamellen durch deren Aneinan derpressen hergestellt ist.

Die Erfindung wird an nachstehenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 einen abschnittsweise dargestellten Querschnitt einer Reibpaarung in einer Synchronisiereinrichtung für Zahnrä derwechselgetriebe,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Lamellenkupplung,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung der Lamellen im entkuppelten Zustand,

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung der Lamellen im gekuppelten Zustand und

Fig. 5 Darstellung des Reibkoeffizienten in Abhängigkeit vom Schaitzyklus.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Nach der Fig. 1 ist der im Schnitt dargestellte Synchronring mit 1 und der ebenfalls im Schnitt dargestellte Kuppelring mit 6 bezeichnet. Der Synchron ring 1 weist den Grundkörper 2 auf, der an seiner inneren konischen Mantelflä che mit dem Reibbelag 3 versehen ist. Der Synchronring 1 ist radial mit der Mitnehmerverzahnung 4 versehen, über die er über eine nicht dargestellte Schiebemuffe mit einer Welle drehfest, aber axial verschieblich verbunden ist. In die radiale Mitnehmerverzahnung 7 des Kuppelringes 6 greift eine ihr ent sprechende Verzahnung der Schiebemuffe zur formschlüssigen Verbindung von Welle und Kuppelring 6. Dem zum formschlüssigen Verbinden erforderli chen Gleichlauf zwischen Synchronring 1 und Kuppelring 6 stellt eine Ko nuskupplung her, d. h. der Synchronring 1 ist mit einem Innenkonus und der Kuppelring 6 mit einem Außenkonus versehen, die die entsprechenden Reib flächen 5 und 8 besitzen, wobei die Reibfläche 5 durch den Reibbelag 3 gebil det ist.

Der Synchronring 1 ist im Ausführungsbeispiel aus 80Cr2 hergestellt, d. h. er weist einen Kohlenstoffgehalt von 0,8% und einen Chromgehalt von 0,50% auf. Er ist auf einem Formgebungsaggregat spanlos hergestellt. Dieser Vor gang, beispielsweise ein Ziehvorgang, kann so präzise erfolgen, dass ein Schleifen zur Einstellung einer bestimmten Höhe entbehrlich ist. Nach dem Entfetten bzw. Reinigen dieses weichen Synchronrohlinges wird dieser in ei nem geeigneten Aggregat mit einem Strahlmittel aus Korund beaufschlagt, so dass seine Oberfläche eine Rauheit Ra < 0,5 µm aufweist. Nach dem Strahlen werden die eingesetzten Reststrahlmittel vor dem Beschichten mit dem Reib belag entfernt. Das Strahlen zur Erzielung der genannten Rauhtiefe oder Rau heit ist erforderlich, damit der Reibbelag 3 ein gutes Haftvermögen auf dem Grundkörper 2 des Synchronringes 1 aufweist. Als zusätzlicher Vorteil des Strahlens ist zu sehen, dass die Oberflächenwandschicht des Synchronrin ges 1 verfestigt und somit eine Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit erreicht wird. Durch das Strahlen mit Korund, Siliziumkarbid oder anderen Strahimitteln wird die Oberfläche gereinigt, aufgerauht und aktiviert. Um eine erneute Ver schmutzung bzw. Oxidation zu vermeiden, sollte das Aufbringen des Reibbela ges 3, der die Reibfläche 5 bildet, sofort nach dem Strahlen erfolgen. Der Reibbelag 3 ist als Chrom-Eisen-Legierung auf den Innenkonus des Synchron ringes 1 in folgender chemischer Zusammensetzung aufgebracht:
20% Chrom, 3% Niob, 3% Vanadin, 1,5% Kohlenstoff, 1,5% Bor und Rest Eisen.

Das Aufbringen des Reibbelages 3 auf den Synchronring 1 erfolgt durch ther misches Spritzen, d. h. einem Beschichtungsverfahren, bei dem ein Spritz werkstoff in Form von Draht oder Pulver innerhalb oder außerhalb eines Spritzgerätes aufgeschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberflä che bzw. die Konusfläche des zu beschichtenden Synchronringes 1 gespritzt wird. Die zu beschichtende Innenkonusfläche des Synchronringes 1 wird dabei nicht an- oder aufgeschmolzen, d. h. der Synchronring 1 erwärmt sich während des Spritzens nur wenig, so dass auch kein thermischer Verzug auftreten kann. In vorteilhafter Weise hat sich dabei herausgestellt, dass für den vorliegenden Anwendungsfall insbesondere das Flammspritzen und das Lichtbogenspritzen geeignet sind. Beim Flammspritzen wird die Energie zum Schmelzen des Spritzwerkstoffes durch Verbrennung von Gasen und beim Lichtbogenspritzen durch elektrische Energie erreicht. Der zum Synchronring 1 zugehörige Kup pelring 6 ist aus einer Kupferlegierung hergestellt.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung sind die beiden Wellen 9 und 10 durch eine schaltbare Reibungskupplung in Form einer Sinus-Lamellenkupplung mit einander verbunden. Bei dieser trägt die Welle 10 Außenlamellen 11, während die Welle 9 mit Innenlamellen 12 verbunden ist. Die plan geschliffenen Au ßenlamellen 11 greifen kammartig in die sinusförmig gewellten Innenlamellen 12 ein. Der in Fig. 4 gezeigte eingekuppelte Zustand erfolgt durch Verschie ben der Schaltmuffe 13, so dass der Winkelhebel 14 die axial verschiebbaren Lamellen 11, 12 aneinanderpreßt. Beim Ausrücken der Kupplung gemäß Fig. 3 entfällt der Druck auf das Lamellenpaket, so dass Innenlamellen 12 und Au ßenlamellen 11 voneinander getrennt sind. In erfindungsgemäßer Weise ist entweder das Innenlamellenpaket 12 oder das Außenlamellenpaket 11 mit ei ner Chrom-Eisen-Beschichtung versehen.

In Fig. 5 schließlich ist der Verlauf des Reibkoeffizienten in Abhängigkeit vom Schaltzyklus der erfindungsgemäßen Chrom-Eisen-Legierung gezeigt. Es ist erkennbar, dass mit wachsenden Schaltvorgängen der Reibungskoeffizient nur geringfügig abnimmt. Dieser Abfall ist auf das Einlaufverhalten der beiden Reibflächen 3, 5 zurückzuführen. Durch Optimierung der Zusammensetzung können mit der Beschichtung Reibwerte zwischen 0,12-0,1 bei bis zu 150 000 Schaltzyklen unabhängig von der verwendeten Getriebeölsorte erreicht werden.

Bezugszeichen

1

Synchronring

2

Grundkörper

3

Reibbelag

4

Mitnehmerverzahnung

5

Reibfläche

6

Kuppelring

7

Mitnehmerverzahnung

8

Reibfläche

9

Welle

10

Welle

11

Außenlamelle

12

Innenlamelle

13

Schaltmuffe

14

Winkelhebel

Claims

1. Reibpaarung mit wenigstens einem Reibkörper und einem Gegenkörper, wobei wenigstens ein Reibkörper aus einem Grundkörper (2) und einem Reibbelag (3) besteht, der mit dem Grundkörper (2) verbunden ist, da durch gekennzeichnet, dass der Reibbelag (3) eine Chrom-Eisen- Legierung ist.

2. Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Chrom-Eisen-Legierung 10-60% Cr, 0,3-0,5% C und Rest Fe enthält.

3. Reibpaarung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Chrom-Eisen-Legierung zusätzlich 3-25% Mo, 0,4-3, 5% B, 3-18% Al, 4-12% Si, 0,5-6% V und 0,5-6% Nb enthält.

4. Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibbelag (3) eine Stärke von 10-200 µm aufweist.

5. Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibkörper einer Nitrier- oder einer Nitrokarburierbehandlung unterwor fen ist.

6. Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) vor dem Beschichten eine Oberflächenrauhigkeit Ra < 0,5 µm aufweist.

7. Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibkörper nach dem Beschichten eine mittlere Rauhtiefe Rz von 20-100 µm aufweist.

8. Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkörper aus einer Stahllegierung, aus einem Gußwerkstoff, aus ei ner Kupferlegierung oder aus einem Sinterwerkstoff gefertigt ist.

9. Reibpaarung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahllegierung ein Stahl der Marke 16MnCr5, 100Cr6, C45, 800r2 oder C15 ist.

10. Reibpaarung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Gußwerkstoff eine Stahlgußlegierung der Marke GG20 eingesetzt ist.

11. Reibpaarung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterwerkstoff eine Sinterlegierung auf Eisenbasis oder auf Bronzeba sis ist.

12. Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einer Synchronisiereinrichtung für ein Zahnräderwechselgetriebe einge setzt ist, bei der zur Erzielung eines Gleichlaufs miteinander formschlüs sig kuppelbarer Antriebsmittel ein Synchronring (1) und ein Kuppelring (6) unmittelbar oder über einen zwischen ihnen angeordneten Reibring an ihren jeweils kegelförmigen Reibflächen (5, 8) eine reibschlüssige Verbindung eingehen.

13. Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einer Lamellenkupplung eingesetzt ist, bei der mit einer ersten Welle (10) verbundene plangeschliffene Außenlamellen (11) in mit einer zwei ten Welle (9) verbundene sinusförmige Innenlamellen (12) kammartig eingreifen, wobei der Reibschluß zwischen den Lamellen (11, 12) durch deren Aneinanderpressen hergestellt ist.