DE102004060016A1

DE102004060016A1 - Reibpaarung mit wenigstens einem ersten Reibkörper als Gegenkörper

Info

Publication number: DE102004060016A1
Application number: DE200410060016
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Schuster; Jürgen Dr.-Ing. Gierl; Dieter Dipl.-Ing. Eckert; Novia Dipl.-Ing. Nurrohmah; Bernd Dipl.-Ing. Helm
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2006-06-22
Also published as: JP2006170445A; FR2879271B1; FR2879271A1; CN1789754A; CN1789754B

Abstract

Reibpaarung mit wenigstens einem ersten Reibkörper und einem zweiten Reibkörper als Gegenkörper, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein wesentlicher Anteil der Oberfläche (15) des ersten Reibkörpers (17) einen Titandioxidanteil aufweist und die Oberfläche (16) des zweiten Reibkörpers (18) aus einem randzonenmodifizierten Eisenwerkstoff ausgebildet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Reibpaarung mit wenigstens einem ersten Reibkörper und einem zweiten Reibkörper als Gegenkörper.

Hintergrund der Erfindung

Eine derartige Reibpaarung wird beispielsweise in synchronisierten Schalt- oder Wechselgetrieben in Kraftfahrzeugen verwendet, bei der beim Schalten ein auf einer Welle frei drehbares Zahnrad durch axiales Anpressen eines Synchronrings an einen dem Zahnrad zugeordneten Kuppelring in Gleichlauf mit der Welle gebracht wird. Die Übertragung der Kräfte von einer auf der Welle drehfesten, aber axial verschiebbaren Schiebemuffe erfolgt über eine axiale oder radiale Sperr- und/oder Mitnehmerverzahnung auf den Synchronring. 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 eines Gleichlaufs zwischen Syn chronring und Zahnrad weist der Synchronring außen- oder innenkonische Reibflächen auf, die beim axialen Anpressen des Synchronringes mit entsprechenden Gegenflächen am Kuppelring in Kontakt kommen und durch auftretenden Reibschluss den zum Durchschalten der formschlüssigen Kupplung erforderlichen Gleichlauf herstellen. Darüber hinaus kann bei einer sogenannten Doppelkonussynchronisierung zwischen diesen Reibflächen ein Reibring angeordnet sein.

Als bekannte technische Lösungen werden in Synchronisiereinrichtungen, in denen kegelförmige Reibflächen aufeinander wirken, Reibpaarungen mit verschiedenen Gleitreibwerkstoffen verwendet wie z. B. Sondermessinge, Bronzen, molybdän-, oxid- oder mehrstoffbeschichtete Oberflächen, die gegen eine gehärtete Stahlfläche reiben.

So ist in diesem Zusammenhang aus der DE 42 40 157 A1 ein Synchronisierring bekannt, der einen Ringkörper mit einem Gleitbereich umfasst, auf den durch Spritzbeschichtung eine Schicht aufgebracht ist. Die Schicht ist aus einer Messinglegierung, die aus Kupfer, Zink und wenigstens einem Element der Gruppe Aluminium, Mangan, Eisen, Nickel, Silizium, Kobalt, Chrom, Titan, Niob, Vanadium, Zirkon und Molybdän besteht. Er ist durch eine Spritzbeschichtung aufgebracht. Die Messinglegierung soll eine Struktur besitzen, die aus einer metallischen Matrix und einer intermetallischen Verbindung besteht, die härter als die Matrix ist. Dabei besteht die Gefahr, dass Teile der intermetallischen Verbindung gelöst und durch das Öl abtransportiert werden und so den Verschleiß am Gegenkegel erhöhen. Weiter ist von Nachteil, dass Messinglegierungen sehr ölempfindlich sind. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei Messinglegierungen der Reibwert sehr temperaturabhängig ist und diese zum Fressen neigen. Außerdem sind die Messinglegierungen in der Anschaffung relativ teuer, was insbesondere beim Spritzen ins Gewicht fällt, da lediglich die Hälfte des Materials verspritzt wird und demzufolge die andere Hälfte in aufwändiger Weise zurück gewonnen werden muss. Kostengünstige, verschleißbeständige Beläge aus Oxidkeramiken wie beispielsweise Dialuminiumtrioxid führen zu starkem abrasiven Verschleißen des Reibpartners mit der Folge einer geringen Haltbarkeit.

Zur Lösung dieser Probleme schlägt die DE 100 35 489 A1 vor, einen Reibbelag aus einer Chrom-Eisen-Legierung zu verwenden. Ein derartiger Reibbelag ist prinzipiell gut geeignet, in seiner Leistungsfähigkeit allerdings limitiert. Die gewünschten Eigenschaften wie Temperaturbeständigkeit, geringer Verschleiß und eine hohe Flächenbelastbarkeit können gleichzeitig nur unter der Zugabe von Zusatzstoffen realisiert werden. Diese Zusatzstoffe sind im Wesentlichen Molybdän, Bor, Aluminium, Silizium, Vanadium und Niob. Diese Inhaltsstoffe sind nur begrenzt verfügbar und verteuern daher die Reibbelagherstellung ganz erheblich.

Weiterhin wurde in der Vergangenheit, beispielsweise in der US 6,130,176 , vorgeschlagen, Gewebe aus Karbon auf Synchronringe aufzukleben. Diese sind allerdings mit hohen Kosten, sowohl durch ihre Herstellung als auch durch ihre aufwändigen Verarbeitung, verbunden.

Reibpaarungen, bei denen beide Reibpartner aus einem Eisenwerkstoff mit einer verschleißfesten Randzone bestehen, wie beispielsweise in DE 44 45 898 A1 vorgeschlagen, führen zu adhäsivem Verschleiß, bzw. weisen keinen konstanten Reibwert über die Lebensdauer auf. Das gleiche Problem ergibt sich, wenn – wie in der DE 100 06 168 A1 vorgeschlagen – lediglich einer der beiden Reibpartner einer Nitrierbehandlung unterzogen werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine leistungsfähige und gleichzeitig kostengünstige Reibpaarung zu entwickeln, welche einen geringen adhäsiven und abrasiven Verschleiß aufweist und sich dabei einfach herstellen lässt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zumindest die Oberflächen des ersten Reibkörpers einen Titandioxidanteil aufweist und dass die des zweiten Reibkörpers aus einem randzonenmodifiziertem Eisenwerkstoff ausgebildet ist.

Für die Randzonenmodifizierung eignen sich besonders thermische Diffusionsverfahren. Dabei wird erfindungsgemäß vorzugsweise eine Nitrier-, Nitrocarburier- oder Carbonitrierbehandlung eingesetzt. Durch diese Behandlung entstehen Nitride bzw. Carbonitride, die bevorzugt in der Randschicht angereichert sind. Durch diese auch Verbindungsschicht und im folgenden Reibschicht genannte Schicht wird der metallische Charakter der Oberfläche nochmals verändert, so dass dieser zweite Reibkörper äußeren mechanischen Angriffen einen größeren Widerstand entgegensetzen kann. Die zweite Randschicht weist in besonders vorteilhafter Weise im Falle des Nitrierens oder Nitrocarburierens eine Dicke von 5 bis 20 Mikrometern und im Falle des Carbonitrierens eine Dicke von 100 bis 500 Mikrometern auf.

Erfindungsgemäß weist die Kombination des ersten und zweiten Reibkörpers einen für die Anwendung geeigneten Reibungskoeffizienten auf. Es wird die Adhäsion zum Verschleißpartner verringert und die Abriebfestigkeit erhöht. Wie aus Anspruch 6 hervorgeht, eignen sich dafür besonders Nitrierstähle wie beispielsweise 34CrAr6, 34CrAlNi7, 31CrMo12, 31CrMoV9, 39CrMoV13-9, 34CrAlMo5, 41CrAlMo7 und 15CrMoV5-9, aber auch 1000r6, 80Cr2 und 16MnCr5.

Erfindungsgemäß wirkt der so behandelte zweite Reibkörper mit dem ersten Reibkörper zusammen. Letzterer ist aus Titandioxid bzw. weist an seiner Oberfläche eine erste Reibschicht aus Titandioxid auf. Die erste Reibschicht kann mit herkömmlichen thermischen Spritzverfahren hergestellt werden. Er ist vorzugsweise spritzrau, und die Oxidkeramik ist nicht mit weiteren Bestandteilen versetzt. Es entfällt einerseits ein aufwändiges Anfertigen einer Legierung und andererseits ist das Herstellverfahren sehr einfach, weil der Arbeitsgang des Glättens und Kalibrierens eingespart wird. Dadurch sind Material und Herstel lungsverfahren sehr kostengünstig.

Die Titandioxid-Reibschicht in Kombination mit ihrem Reibpartner weist eine sehr geringe Verschleißneigung auf, gleichzeitig zeigt sie einen konstanten Reibwert über die Lebensdauer. Im Gegensatz zu der aus DE 44 45 898 bekannten Reibpaarung ändert sich der Reibwert dieser Reibpaarung über die gesamte Lebensdauer nicht.

Die Titandioxidschicht wird vorzugsweise durch ein thermisches Spritzverfahren aufgebracht. In Frage kommen Spritzverfahren wie Plasmaspritzen, Flammspritzen, Drahtlichtbogenspritzen oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren. Neben dem thermischen Spritzen sind auch andere Verbindungsarten zwischen Reibschicht und Grundkörper möglich. So kann die Reibschicht auch auf den Grundkörper aufgeklebt oder aufgesintert werden. In besonders vorteilhafter Ausführung weist die Titandioxidschicht eine Dicke von 20 bis 100 Mikrometern, eine Rauigkeit von 10 bis 50 Mikrometern und eine Härte von 600 bis 1000 HV auf.

Die Beschichtung ist besonders einfach zu realisieren, weil außer Titandioxid keine zusätzlichen Komponenten erforderlich sind. Dabei muss das Titandioxid nicht chemisch rein sein, was die Kosten nur unnötig erhöhen würde, sondern kann beispielsweise metallische, oxidische oder karbidische Verunreinigungen aufweisen. Eine definierte Zusatzkomponente neben dem Titandioxid ist für die erste Reibschicht jedenfalls nicht erforderlich.

Optimal für das Reibverhalten ist ein möglichst hoher Anteil des Titandioxids in der ersten Reibschicht. Gleichwohl kann die erste Reibschicht auch einen wesentlich geringeren Anteil an Titandioxid aufweisen. Solange der Titandioxidanteil mindestens 30% beträgt, weist die Reibkupplung durch das Zusammenwirken mit der zweiten nitrierten, nitrocarburierten oder carbonitrierten Reibschicht immer noch vorteilhafte Reibeigenschaften auf.

Die Erfindung wird an nachstehenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 einen abschnittweise dargestellten Querschnitt einer Reibpaarung in einer Synchronisiereinrichtung für Zahnräderwechselgetriebe;
2 einen Querschnitt durch eine Lamellenkupplung;
3 eine vergrößerte Darstellung der Lamellen im entkuppeltem Zustand;
4 eine vergrößerte Darstellung der Lamellen im gekuppeltem Zustand.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In 1 sind ein Synchronring 1 als erster Reibkörper 17 und ein Kuppelring mit 6 als zweiter Reibkörper 18 jeweils im Schnitt dargestellt. Der Synchronring 1 weist einen ersten Grundkörper 2 auf, der an seiner inneren konischen Mantelfläche mit einer Reibschicht 3 versehen ist. Der Synchronring 1 ist radial mit einer Mitnehmerverzahnung 4 versehen, über die er über eine nicht dargestellte Schiebemuffe mit einer Welle drehfest, aber axial verschieblich verbunden ist. In eine radiale Mitnehmerverzahnung 7 des Kuppelringes 6 greift eine ihr entsprechende Verzahnung der Schiebemuffe zur formschlüssigen Verbindung von der Welle und dem Kuppelring 6. Dem zum formschlüssigen Verbinden erforderlichen Gleichlauf zwischen Synchronring 1 und Kuppelring 6 stellt eine Konuskupplung her, d. h. der Synchronring 1 ist mit einem Innenkonus und der Kuppelring 6 mit einem Außenkonus versehen, die entsprechende Reibflächen 5 und 8 besitzen, wobei die Reibfläche 5 durch die Reibschicht 3 gebildet 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 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 Synchronrohlinges wird dieser in einem geeigneten Aggregat mit einem Strahlmittel beaufschlagt, so dass seine Oberfläche eine gewisse Rauheit aufweist. Nach dem Strahlen werden die eingesetzten Reststrahlmittel vor dem Beschichten mit der Reibschicht 3 entfernt. Das Strahlen zur Erzielung einer definierten Rautiefe oder Rauheit ist erforderlich, damit die Reibschicht 3 ein gutes Haftvermögen auf dem ersten Grundkörper 2 des Synchronringes 1 aufweist. Als zusätzlicher Vorteil des Strahlens ist zu sehen, dass die Oberflächenschicht des Synchronringes 1 verfestigt und somit eine Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit erreicht wird. Durch das Strahlen mit Korund, Siliziumkarbid oder anderen Strahlmitteln wird die Kontaktfläche gereinigt, aufgeraut und aktiviert. Um eine erneute Verschmutzung bzw. Oxidation zu vermeiden, sollte das Aufbringen der Reibschichts 3, der die Reibfläche 5 bildet, sofort nach dem Strahlen erfolgen. Die die Oberfläche 15 bildende Reibschicht 3 ist auf den Innenkonus des Synchronringes 1 als Titandioxidschicht aufgebracht.
Das Aufbringen der Reibschicht 3 auf den Synchronring 1 erfolgt durch thermisches Spritzen, d. h. einem Beschichtungsverfahren, bei dem der Spritzwerkstoff Titandioxid innerhalb oder außerhalb eines Spritzgerätes aufgeschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit auf die Kontaktfläche 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 Hochgeschwindigkeitsflammspritzen geeignet ist. Beim Flammspritzen wird die Energie zum Schmelzen des Spritzwerkstoffs durch Verbrennung von Gasen oder Flüssigkeiten erreicht.
Der Kuppelring 6 ist im Ausführungsbeispiel durch ein spanloses Formgebungsverfahren hergestellt und bildet den zweiten Grundkörper 20, wodurch eine zweite Reibschicht 21 ausgebildet wird. Diese kann aufgeraut oder strukturiert werden. Auch kann der Kuppelring 6 durch ein Härteverfahren wie Einsatzhärten behandelt sein. Dann erst erfolgt dessen Nitrierung oder Nitrocarburierung oder Carbonitierung.
Welcher der beiden Oberflächen 15, 16 auf dem Synchronring 1 angeordnet und welcher auf dem Kuppelring 6 angeordnet ist, ist für die Funktion der Reibpaarung 19 nicht von Belang.
Bei der in 2 gezeigten Anordnung sind zwei Wellen 9 und 10 durch eine schaltbare Reibpaarung 19' in Form einer Sinus-Lamellenkupplung miteinander verbunden. Bei dieser trägt die Welle 10 Außenlamellen 11, während die Welle 9 mit Innenlamellen 12 verbunden ist. Die plan geschliffenen Außenlamellen 11 greifen kammartig in die sinusförmig gewellten Innenlamellen 12 ein. Der in 4 gezeigte eingekuppelte Zustand erfolgt durch Verschieben einer Schaltmuffe 13, so dass ein Winkelhebel 14 die axial verschiebbaren Lamellen 11, 12 aneinanderpresst. Beim Ausrücken der Kupplung gemäß 3 entfällt der Druck auf das Lamellenpaket, so dass Innenlamellen 12 und Außenlamellen 11 voneinander getrennt sind. Das Innenlamellenpaket 12 und das Außenlamellenpaket 11 bilden als erster und zweiter Reibkörper die Reibkupplung 19' mit den entsprechenden, erfindungsgemäßen Oberflächen 15, 16.

1: Synchronring
2: erster Grundkörper
3: erste Reibschicht
4: Mitnehmerverzahnung
5: Reibfläche
6: Kuppelring
7: Mitnehmerwerzahnung
8: Reibfläche
9: Welle
10: Welle
11: Außenlamelle
12: Innenlamelle
13: Schaltmuffe
14: Winkelhebel
15: Oberfläche
16: Oberfläche
17: erster Reibkörper
18: zweiter Reibkörper
19: Reibpaarung
19': Reibpaarung
20: zweiter Grundkörper
21: zweite Reibschicht

Claims

Reibpaarung mit wenigstens einem ersten Reibkörper und einem zweiten Reibkörper als Gegenkörper, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein wesentlicher Anteil der Oberfläche (15) des ersten Reibkörpers (17) einen Titandioxidanteil aufweist und die Oberfläche (16) des zweiten Reibkörpers (18) aus einem randzonenmodifiziertem Eisenwerkstoff ausgebildet ist.
Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (16) des zweiten Reibkörpers (18) mittels eines thermochemischen Diffusionsverfahrens behandelt ist.
Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Reibkörper (17) aus einem ersten Grundkörper (2) und einer ersten Reibschicht (3) besteht, wobei die erste Reibschicht (3) thermisch aufgespritzt und spritzrau ist.
Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Reibkörper (17) aus einem ersten Grundkörper (2) und einer ersten Reibschicht (3) besteht, wobei die erste Reibschicht (3) aus Titandioxid ausgebildet ist.
Reibpaarung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Reibschicht (3) durch Flamm-, Plasma-, Drahtlichtbogenspritzen oder ein Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren aufgebracht ist.
Reibpaarung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Reibschicht (3) eine Dicke zwischen 20 und 100 Mikrometer aufweist.
Reibpaarung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Reibschicht (3) eine Rauigkeit von 10 bis 50 Mikrometer aufweist.
Reibpaarung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Reibschicht (3) eine Härte von 600 bis 1000 HV aufweist.
Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Reibkörper (18) aus einem zweiten Grundkörper (20) und einer zweiten Reibschicht (21) besteht, wobei die zweite Reibschicht (21) aus einem nitrierten oder nitrocarborierten oder carbonitrierten Eisenwerkstoff besteht.
Reibpaarung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenwerkstoff 34CrAl6, 34CrAlNi7, 31 CrMo12, 31CrMoV9, 39CrMoV13-9, 34CrAlMo5, 41 CrAlMo7, 15CrMoV5-9, 100Cr6, 80Cr2 oder 16MnCr5 ist.
Reibpaarung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenwerkstoff gehärtet ist.
Reibpaarung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Reibschicht (21) nitriert oder nitrocarbuiriert ist und eine Dicke zwischen 5 und 20 Mikrometer aufweist.
Reibpaarung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Reibschicht (21) carbonitriert ist und eine Dicke zwischen 100 und 500 Mikrometer aufweist.
Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibpaarung (19) in einer Synchronisiereinrichtung für ein Zahnräder wechselgetriebe eingesetzt ist, bei der zur Erzielung eines Gleichlaufs miteinander formschlüssig 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.
Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibpaarung (19') in einer Lamellenkupplung eingesetzt ist, bei der mit einer ersten Welle (10) verbundene plangeschliffene Außenlamellen (11) in mit einer zweiten Welle (9) verbundene sinusförmige Innenlamellen (12) kammartig eingreifen, wobei der Reibschluss zwischen den Lamellen (11, 12) durch deren Aneinanderpressen hergestellt ist.