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Die Erfindung betrifft ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Die
DE 101 23 548 A1 beschreibt Umlaufgetriebe, umfassend zumindest Komponenten wie Gehäuse, Gehäuseteil, Lager, eine Innenverzahnung aufweisende Komponente, ein- und abtreibende Weile, mindestens ein Umlaufrad und ein Sonnenrad oder einen Exzenter, wobei das Umlaufgetriebe ein- oder mehrstufig aufgebaut ist, und wobei zumindest eine Komponente aus einem austenitisch-bainitischem Gusseisen und/oder ADI (Austempered Ductile Iron) gefertigt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes, insbesondere haltbareres, leiseres und kostengünstigeres Getriebe für ein Kraftfahrzeug anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei einem Getriebe für ein Kraftfahrzeug mit zumindest zwei in einem direkten Eingriff miteinander befindlichen Zahnrädern ist ein erstes Zahnrad, welches einen im Vergleich zu einem zweiten Zahnrad verringerten Umfang aufweist, erfindungsgemäß aus einem hochfesten und hochlegierten Einsatzstahl gefertigt und das zweite Zahnrad ist aus einem austenitisch-ferritischen Gusseisen mit Kugelgraphit oder einem bainitischen Gusseisen gefertigt, wobei eine Zahnflankengeometrie der Verzahnung des zweiten Zahnrads mittels eines Verfestigungsverfahrens verfestigt ist. Dadurch ist ein Verschleiß am ersten Zahnrad verringert und dessen Lebensdauer verlängert.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Lebensdauer und/oder ein Verschleißverhalten des ersten Zahnrads an eine Lebensdauer und/oder ein Verschleißverhalten des zweiten Zahnrads anpassbar, so dass ein vorzeitiger Ausfall des ersten Zahnrads sicher verhindert ist.
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Vorteilhafterweise reduziert ein im Vergleich zu einem herkömmlichen Werkstoff kleinerer E-Modul des Werkstoffs des zweiten Zahnrads eine so genannte Hertzsche Pressung zwischen dem ersten und dem zweiten Zahnrad um ca. 12%. Als Hertzsche Pressung wird die höchste Spannung, welche in der Mitte der Berührungsfläche zweier Körper mit gewölbter Oberfläche anliegt, bezeichnet.
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In besonders vorteilhafter Weise reduziert eine im Vergleich zu einem herkömmlichen Werkstoff geringere Dichte des Werkstoffs des zweiten Zahnrads dessen Gewicht, woraus ein verringertes Gewicht des gesamten Getriebes und des Fahrzeugs resultiert.
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Durch die Verwendung von austenitisch-ferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit oder bainitischem Gusseisen als Werkstoff des zweiten Zahnrads sind belastungs- und gewichtsoptimierte Gestaltungsmöglichkeiten ermöglicht.
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Durch die unterschiedlichen Werkstoffe von erstem und zweitem Zahnrad und die daraus resultierende Werkstoffpaarung sind signifikante Vorteile bei der Geräuschentwicklung und dem Wirkungsgrad des Getriebes erzielbar.
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Die tribologischen Parameter der unterschiedlichen Werkstoffe von erstem und zweitem Zahnrad sind derart geeignet wählbar, dass vorteilhafterweise weniger oder kein Schmierstoff im Getriebe notwendig ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine aus einem ersten Zahnrad und einem zweiten Zahnrad gebildete Zahnradpaarung eines Getriebes, und
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2 schematisch einen Rädertrieb eines Verbrennungsmotors mit einer Vielzahl von Zahnrädern.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch eine aus einem ersten Zahnrad 1 und einem zweiten Zahnrad 2 gebildete Zahnradpaarung 3 eines nicht näher dargestellten Getriebes abgebildet.
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Das Getriebe ist als herkömmliches Hinterachsgetriebe eines Kraftfahrzeugs ausgeformt und umfasst ein nicht dargestelltes Getriebegehäuse und die beiden innerhalb des Getriebegehäuses angeordneten Zahnräder 1, 2. Die beiden Zahnräder 1, 2 stehen mittels ihrer jeweiligen Verzahnungen 1.1 und 2.1 miteinander im Eingriff.
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Das erste Zahnrad 1 ist als herkömmliches Ritzel ausgeformt und mittels einer nicht dargestellten Kardanwelle antreibbar.
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Das zweite Zahnrad 2 ist als herkömmliches Tellerrad ausgebildet und weist einen Umfang auf, welcher im Vergleich zu einem Umfang des ersten Zahnrads 1 vergrößert ist.
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Das erste Zahnrad 1 ist aus einem hochfesten und hochlegierten Einsatzstahl. Als Einsatzstahl wird ein einsatzgehärteter Stahl bezeichnet. Ziel des Einsatzhärtens ist ein weicher und zäher Kern bei gleichzeitig harter Oberfläche des Werkstoffs. Eine Randschicht des Werkstücks wird in einem geeigneten Aufkohlungsmedium mit Kohlenstoff angereichert. Durch die Diffusion des Kohlenstoffs von der angereicherten Randschicht in den Kern des Werkstücks stellt sich ein Kohlenstoffprofil ein, das typischerweise einen mit zunehmendem Randabstand zum Kern hin abnehmenden Verlauf des Kohlenstoffgehaltes im Werkstück aufweist. Im Anschluss an die Aufkohlung wird ein Härten und Anlassen durchgeführt. Hierdurch wird eine Randhärte und Einsatzhärtungstiefe des Werkstücks eingestellt. Das Ergebnis ist ein Werkstück, das in einem Inneren eine hohe Zähigkeit und auf einer Oberfläche erheblich größere Härte und somit eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß aufweist.
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Als hochlegiert wird ein Einsatzstahl bezeichnet, dessen Gehalt eines der Legierungselemente mindestens 5% beträgt. Ein hochfester Einsatzstahl wird dadurch erhalten, dass durch Zugabe von entsprechenden Legierungselementen, beispielsweise Mangan, Silizium, Chrom, Kupfer, Nickel oder Molybdän, ein besonders feinkörniges Gefüge im Werkstoff ausgebildet wird, wodurch die Streckgrenze des Werkstoffs vorteilhaft erhöht ist.
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Als Legierungselemente sind beispielsweise Chrom und Molybdän (chrom/molybdän) oder Chrom und Mangan (chrom/mangan) einsetzbar. Ein solcher Einsatzstahl weist einen Härtegrad an seiner Oberfläche von zumindest 61 HRC (Härte nach Rockwell) auf, wobei für die Härtemessung für einen derartig harten, insbesondere Randschicht gehärteten, Werkstoff die Härtemessung nach Rockwell und die Angabe in der Einheit HRC gebräuchlich ist.
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Das zweite Zahnrad 2 ist aus einem austenitisch-ferritischen Gusseisen mit Kugelgraphit oder einem bainitischen Gusseisen, im Folgenden auch als ADI (Austempered Ductile Iron) abgekürzt bezeichnet, gefertigt.
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Das austenitisch-ferritische Gusseisen mit Kugelgraphit oder ADI eignet sich besonders gut als Werkstoff für das zweite Zahnrad 2, da dieser Werkstoff eine günstige Kombination von Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit aufweist. Die mit diesem Werkstoff hergestellten zweiten Zahnräder 2 und insbesondere deren Verzahnung 2.1 weisen eine hohe Zahnfußfestigkeit und eine hohe Verschleißfestigkeit auf. Somit sind hohe Drehmomente mittels des zweiten Zahnrads 2 übertragbar.
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Da austenitisch-ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit oder ADI besonders gut gießbar ist, ist eine kostengünstige und schnelle Herstellung und Bearbeitung des zweiten Zahnrads 2 ermöglicht.
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Das austenitisch-ferritische Gusseisen mit Kugelgraphit oder ADI und das daraus gefertigte zweite Zahnrad 2 weist vorzugsweise einen Härtebereich von 350 bis 450 HB (Härte nach Brinell) auf. Dabei ist anzumerken, dass hierbei üblicherweise die Härte des Gusswerkstoffs, insbesondere ADI, nach Brinell gemessen und angegeben wird, da aufgrund des dabei verwendeten, relativ großflächigen Prüfkörpers einer Kugel die lokalen Inhomogenitäten des Gussgefüges weitaus weniger Einfluss auf das Messergebnis aufweisen. Dies gilt insbesondere für Gussmaterialien mit einem hohen Graphitanteil im Gefüge, wie z. B. ADI oder Gusseisen mit Kugelgraphit.
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Vorteilhafterweise reduziert eine im Vergleich zu einem herkömmlichen Werkstoff geringere Dichte des Werkstoffs des zweiten Zahnrads 2 dessen Gewicht, woraus ein verringertes Gewicht der Zahnradpaarung 3, des gesamten Getriebes und des Fahrzeugs resultiert.
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Eine Zahnflankengeometrie der Verzahnung 2.1 des zweiten Zahnrads 2 ist mittels eines herkömmlichen Verfestigungsverfahrens verfestigt. Solche Verfestigungsverfahren sind beispielsweise so genanntes Kugelstrahlen, Ultraschallkugelstrahlen und/oder Laserpeening.
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Bei einem solchen Verfestigungsverfahren werden Fehlstellen ins Atomgitter des zu bearbeitenden Werkstücks eingebracht, wobei die Fehlstellen eine Volumenvergrößerung und damit Druckeigenspannungen hervorrufen. Das Verfestigungsverfahren wird auf der Verzahnung 2.1 des zweiten Zahnrads 2, insbesondere an den so genannten Zahnfüßen und den Zahnflanken, angewendet, um Druckeigenspannungen zu erzeugen, die dann wiederum den im Betrieb des zweiten Zahnrads 2 entstehenden Zugspannungen entgegenwirken. Durch die Einbringung von Fehlstellen zur Erzeugung von Druckeigenspannungen wird vorteilhafterweise die Dauerfestigkeit des zweiten Zahnrads 2 und somit der Verzahnung 2.1 gesteigert.
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Die Zahnflankengeometrie der Verzahnung 2.1 des zweiten Zahnrads 2 ist vorteilhafterweise derart an eine Zahnflankengeometrie der Verzahnung 1.1 des ersten Zahnrads 1 angepasst, dass der Verschleiß hauptsächlich an der Verzahnung 2.1 des zweiten Zahnrads 2 auftritt. Ein Ausmaß dieses Verschleißes an der Verzahnung 2.1 des zweiten Zahnrads 2 ist von einer Oberflächengüte der Verzahnung 1.1 des ersten Zahnrads 1 abhängig. Auf diese Weise ist ein vorzeitiger Verschleiß des umfangskleineren ersten Zahnrads 1, wie er üblicherweise in Getrieben nach dem Stand der Technik auftritt, sicher vermieden und die Lebensdauer und/oder ein Verschleißverhalten des ersten Zahnrads 1 ist an eine Lebensdauer und/oder ein Verschleißverhalten des zweiten Zahnrads 2 angepasst.
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Durch die angepasste Zahnflankengeometrie der Verzahnung 2.1 des zweiten Zahnrads 2 und die Verwendung von austenitisch-ferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit und/oder bainitischem Gusseisen als Werkstoff des zweiten Zahnrads 2 sind belastungs- und gewichtsoptimierte Gestaltungsmöglichkeiten der Zahnradpaarung 3 ermöglicht.
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Besonders vorteilhafterweise kann die herkömmliche Zahnflankengeometrie der Verzahnung 1.1 des ersten Zahnrads 1 verwendet werden. Somit können geometrische Veränderungen der Zahnflankengeometrie der Verzahnung 1.1 des ersten Zahnrads 1 wie beispielsweise eine Verlagerung des Tragbilds nach außen zur Verschleißminderung entfallen und herkömmliche Ritzel sind weiterverwendbar.
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Ein so genannter E-Modul des austenitisch-ferritischen Gusseisens mit Kugelgraphit oder ADI ist im Vergleich zu einem herkömmlichen Werkstoff auf 170 GPa reduziert, wodurch eine Hertzsche Pressung zwischen der Verzahnung 1.1 des ersten Zahnrads 1 und der Verzahnung 2.1 des zweiten Zahnrads 2 um ca. 12% verringert ist.
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Die daraus resultierende Verformbarkeit und Kaltverfestigung des Werkstoffs des zweiten Zahnrads 2 verzögern ein Pitting des ersten Zahnrads 1 und erhöhen somit durch den verbesserten Traganteil die Lebensdauer des ersten Zahnrads 1.
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Durch die unterschiedlichen Werkstoffe von erstem und zweitem Zahnrad 1, 2, die daraus resultierende Werkstoffpaarung und die vorteilhafte Kombination unterschiedlicher und aufeinander abgestimmter Werkstoffeigenschaften sind signifikante Vorteile bei der Geräuschentwicklung und dem Wirkungsgrad der Zahnradpaarung 3 und des mittels der Zahnradpaarung 3 gebildeten Getriebes erzielbar.
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Die tribologischen Parameter der unterschiedlichen Werkstoffe von erstem und zweitem Zahnrad 1, 2 sind derart geeignet wählbar, dass vorteilhafterweise weniger oder kein Schmierstoff zum Betrieb der Zahnradpaarung 3 notwendig ist.
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In 2 ist schematisch ein Rädertrieb 4 eines Verbrennungsmotors mit einer Vielzahl von Zahnrädern 5.1 bis 5.7 als alternatives Ausführungsbeispiel abgebildet.
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Ein solcher herkömmlicher Rädertrieb 4 ist an einer Stirnseite eines nicht näher dargestellten Verbrennungsmotors angeordnet und überträgt die Rotationsbewegung einer Kurbelwelle auf die Antriebszahnräder von Nebenaggregaten und Nockenwellen des Verbrennungsmotors. Solche Nebenaggregate sind beispielsweise Einspritzpumpen, Hydraulikpumpen, Generatoren und Klimakompressoren.
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Das Zahnrad 5.1 ist ein stirnseitig an der Kurbelwelle angeordnetes herkömmliches Zahnrad, welches vorzugsweise aus dem Kurbelwellenwerkstoff gefertigt ist.
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Die Zahnräder 5.2 bis 5.4 weisen im Vergleich zu den Zahnrädern 5.5 bis 5.7 einen verringerten Umfang auf und sind aus hochfesten und hochlegierten Einsatzstahl gefertigt.
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Die Zahnräder 5.5 bis 5.7 sind aus austenitisch-ferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit oder ADI gebildet.
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Die Zahnräder 5.1 bis 5.7 sind derart im Rädertrieb 4 angeordnet, dass werkstoffgleiche Zahnräder 5.2 bis 5.4 oder 5.5 bis 5.7 nicht miteinander im Eingriff stehen. Somit stehen nur Zahnräder 5.1 bis 5.7 aus unterschiedlichen Werkstoffen in direktem Eingriff, wodurch die vorstehend beschriebene vorteilhafte Werkstoffpaarung unterschiedlicher Werkstoffe und die daraus resultierenden Vorteile bei der Geräuschentwicklung und dem Wirkungsgrad ermöglicht sind.
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Diese Werkstoffpaarung unterschiedlicher Werkstoffe erfolgt in der in 1 beschriebenen Art und Weise. Somit sind benachbart angeordnete und miteinander im Eingriff stehende Zahnräder 5.1 bis 5.7 aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt, woraus jeweils die in 1 beschriebene Werkstoffpaarung und die vorteilhafte Kombination unterschiedlicher und aufeinander abgestimmter Werkstoffeigenschaften resultiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Zahnrad
- 1.1
- Verzahnung
- 2
- zweites Zahnrad
- 2.1
- Verzahnung
- 3
- Zahnradpaarung
- 4
- Rädertrieb
- 5.1 bis 5.7
- Zahnrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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