DE102012203113A1

DE102012203113A1 - Planeten-Wälz-Getriebespindel

Info

Publication number: DE102012203113A1
Application number: DE201210203113
Authority: DE
Inventors: Dietmar Rudy; Horst Gredy
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-08-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Planeten-Wälz-Getriebespindel (1), umfassend eine mit einer Innenprofilierung (2) versehene Mutter (3), eine mit einer Außenprofilierung (4) versehene Spindel (5) und einer Anzahl Planeten (6), die radial zwischen der Mutter (3) und der Spindel (5) angeordnet sind und die eine Außenprofilierung (7) zum formschlüssigen Eingriff mit der Innenprofilierung (2) der Mutter (3) und der Außenprofilierung (4) der Spindel (5) aufweisen. Um die Ermüdungs- bzw. Verschleißfestigkeit der genannten Profilierungen zu erhöhen, sieht die Erfindung vor, dass die Innenprofilierung (2) der Mutter (3), die Außenprofilierung (4) der Spindel (5) und/oder die Außenprofilierung (7) der Planeten (6) carbonitriert sind. Alternativ oder additiv können die Profilierungen mit einer amorphen Kohlenstoffbeschichtung versehen sein.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Planeten-Wälz-Getriebespindel, umfassend eine mit einer Innenprofilierung versehene Mutter, eine mit einer Außenprofilierung versehene Spindel und einer Anzahl Planeten, die radial zwischen der Mutter und der Spindel angeordnet sind und die eine Außenprofilierung zum formschlüssigen Eingriff mit der Innenprofilierung der Mutter und der Außenprofilierung der Spindel aufweisen.
Hintergrund der Erfindung
Eine Planeten-Wälz-Getriebespindel ist beispielsweise in der DE 195 43 098 C2 offenbart. Die Planeten-Wälz-Getriebespindel dient zur Umwandlung einer Drehbewegung der Mutter in eine axiale Vorschubbewegung, d. h. in eine translatorische Bewegung der Spindel. Die Planeten rollen dabei einerseits auf den Innenrillen (Innenprofilierung) der Mutter ab. Andererseits rollen sie auch auf dem Gewinde (Außenprofilierung) der Spindel ab und erzeugen dabei die Vorschubbewegung der Spindel.
Die Planeten sind weitgehend rotationssymmetrisch aufgebaut und unterliegen im Betrieb der Planeten-Wälz-Getriebespindel einer dreiachsigen Belastung. Eine axiale Last ergibt sich durch die Einleitung der axialen Vorschubkraft der Spindel über axial mittig angeordnete Vorschubrillen und die Ableitung der Kraft durch axial endseitig angeordnete Führungsrillen. Eine radiale Last ergibt sich durch die Einleitung der Radialkraft durch die Spindel über die Vorschubrillen und die Ableitung der Kraft durch die Führungsrillen. Weiterhin liegt auch noch eine tangentiale Reibkraft vor, die das Abwälzen der Planeten bewirkt. Diese ist allerdings verglichen mit der Axial- und Radialkraft relativ gering. Auch die Spindel und die Mutter unterliegen einer dreiachsigen Belastung. Die Kräfte ergeben sich aus den Reaktionskräften der genannten Planetenkräfte.
Die genannten Kräfte führen zu einer Beanspruchung der Bauteile aufgrund der vorliegenden Hertzschen Pressung und führen zu einer Ermüdung der Bauteile durch die zu übertragenden Kräfte zwischen Planeten und Spindel bzw. Mutter. Ferner ergibt sich durch die Gleitbewegungen – wiederum zwischen Planeten und Spindel bzw. Mutter – ein Verschleiß.
Als Werkstoff für die genannten Bauteile kommen zumeist Einsatzstähle zur Anwendung. Um die Oberflächen der Profilierungen haltbar und resistent zu machen, wird in der Regel eine Einsatzhärtung vorgenommen.
Nachteilig ist, dass es trotz der erläuterten Herstellung und Einsatzhärtung bei entsprechenden Lasten und der Ermüdung des Materials bzw. durch Verschleiß zu Bauteilversagen, insbesondere zu Pittingbildung, kommt. Demgemäß weisen die Mutter, die Spindel bzw. die Planeten im Bereich ihres Wälz-Gleitkontakts zu benachbarten Bauteilen Schäden auf, die zum Versagen der Planeten-Wälz-Getriebespindel führt.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Planeten-Wälz-Getriebespindel der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass die genannten Nachteile vermieden oder jedenfalls stark reduziert werden. Demgemäß soll die Ermüdungs- bzw. Verschleißfestigkeit der Profilierungen der Mutter, der Spindel bzw. der Planeten erhöht werden. Hierbei soll durch eine möglichst harte Oberfläche eine hohe Verschleißfestigkeit sichergestellt werden. Ferner soll durch hohe Druckeigenspannungen im Material eine hohe Ermüdungsfestigkeit erreicht werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Innenprofilierung der Mutter, die Außenprofilierung der Spindel und/oder die Außenprofilierung der Planeten carbonitriert sind. Alternativ können die genannten Profilierungen mit einer amorphen Kohlenstoffbeschichtung versehen sein.
Eine bevorzugte Ausgestaltung stellt darauf ab, dass auf die carbonitrierte Profilierung die amorphe Kohlenstoffbeschichtung aufgebracht ist.
Die amorphe Kohlenstoffbeschichtung enthält bevorzugt Wasserstoff. Der Wasserstoffanteil in der Beschichtung beträgt dabei bevorzugt mindestens 25 %. Die Beschichtung kann weiterhin mit mindestens einem Metall dotiert sein. Ferner ist es möglich, dass die Beschichtung weiterhin mit mindestens einem der Elemente Silizium (Si), Sauerstoff (O) oder Stickstoff (N) dotiert ist.
Die amorphe Kohlenstoffbeschichtung kann mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) oder mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebracht sein.
Die Innenprofilierung der Mutter, die Außenprofilierung der Spindel und/oder die Außenprofilierung der Planeten werden bevorzugt spanlos hergestellt, d. h. es werden zur Herstellung der Profilierungen umformende Verfahren ohne spanende Nachbearbeitung eingesetzt.
Die erfindungsgemäß ausgeführten Bauteile der Planeten-Wälz-Getriebespindel weisen eine erhöhte Oberflächenhärte auf, was zu einer verbesserten Verschleißfestigkeit führt. Weiterhin sind die Druckeigenspannungen im Material der Bauteil groß, so dass eine hohe Ermüdungsfestigkeit vorliegt.
Das vorgeschlagene Carbonitrieren erhöht sowohl die Verschleißfestigkeit als auch die Ermüdungsfestigkeit. Nicht zwingend ist es dabei, dass alle Kontaktflächen der beteiligten Bauteile erfindungsgemäß ausgeführt sind. Es ist auch möglich, beispielsweise nur die Planeten erfindungsgemäß auszugestalten.
Das Versehen der Profilierungen mit einer amorphen Kohlen-Wasserstoff-Schicht verringert den Reibungskoeffizienten deutlich, was sich insbesondere bei vorliegender Bohrreibung positiv auswirkt. Auch hier müssen nicht alle Reib- bzw. Kontaktpartner entsprechend ausgeführt sein. Bevorzugt werden entweder nur die Planeten oder die Mutter bzw. die Spindel entsprechend beschichtet.
Besonders positiv ist die Kombination der genannten Maßnahmen, d. h. die Beschichtung der carbonitrierten Oberfläche.
Eine andere Möglichkeit ist es, nur die Profilierungen mit einer Beschichtung zu versehen, die nicht carbonitriert sind. So können insbesondere die Mutter und die Spindel carbonitriert sein, während die Planeten mit der genannten Beschichtung versehen sind.
Da die Verschleißfestigkeit in besonderem Maße die Gebrauchsdauer einer Planeten-Wälz-Getriebespindel bestimmt, ergibt sich durch die vorgeschlagenen Maßnahmen eine wesentliche Verbesserung, da die Verschleißfestigkeit in der Kontaktzone zwischen zwei Bauteilen (Mutter, Spindel, Planeten) nunmehr größer als bei vorbekannten Lösungen ist. Der Verschleiß ergibt sich vorliegend vor allem durch die Bohrreibung. Durch die Steigerung der Oberflächenhärte nimmt der Verschleiß entsprechend ab.
Demgemäß hat die vorgeschlagene Veredlung der Oberfläche der in Rede stehenden Bauteile die positive Veränderung der Verschleißfestigkeit und der Ermüdungsfestigkeit zur Folge.
Somit ergibt sich eine Erhöhung der Tragfähigkeit und/oder der Gebrauchsdauer der Planeten-Wälz-Getriebespindel. Dies wiederum führt vorteilhafter Weise zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Planeten-Wälz-Getriebespindel, weil die Möglichkeit eröffnet ist, weniger Planeten einzusetzen bzw. weil generell die Reibung verringert ist. Eine weitere Möglichkeit, die sich hierdurch ergibt, ist die Reduktion der Baumaße der Planeten-Wälz-Getriebespindel bei gleicher Tragfähigkeit. Demgemäß kann so die Leistungsdichte der Planeten-Wälz-Getriebespindel erhöht werden.
Vorteilhaft ist auch folgender Aspekt: Durch die vorgeschlagene Carbonitrierung bzw. Beschichtung mit amorphem Kohlenstoff können gegebenenfalls neue Anwendungsbereich erschlossen werden, insbesondere im Bereich des Kraftfahrzeugbaus. In diversen Anwendungen muss mit einer Einmalbefettung bei definierten Betriebstemperaturen (z. B. zwischen –40 °C und +140 °C) gearbeitet werden. Die vorgeschlagene Lösung erlaubt eine Verbesserung auch der tribologischen Gegebenheiten. Insoweit können erfindungsgemäß ausgestaltete Planeten-Wälz-Getriebespindeln auch in anderen bisher nicht möglichen Anwendungen eingesetzt werden.
Zur genannten Technologie des Carbonitrierens sei folgendes angemerkt:
Das Carbonitrieren ist eine spezielle Einsatzhärtung, die zumeist mit geringen bzw. mittleren Einhärtungstiefen arbeitet. Beim Carbonitrieren wird neben Kohlenstoff gleichzeitig in geringeren Mengen Ammoniak (Stickstoff und Wasserstoff) in die Randschicht eindiffundiert. Der Stickstoff wirkt als Legierungselement im Randbereichen der Profilierung, wodurch die Randhärtbarkeit verbessert wird. Es ist daher generell möglich, preiswertere Stähle (z. B. unlegierte oder niedrig legierte Stähle, Automatenstähle und Tiefziehstähle) für eine Härtung zu verwenden.
Das Carbonitrieren findet meist bei Temperaturen zwischen 750 °C und 930 °C statt. Die dabei erzeugten Carbonitriertiefen liegen meist zwischen 0,06 mm und 0,60 mm. Die Tiefe hängt wesentlich von der gewählten Temperatur ab (im oberen Temperaturbereich ist die Stickstoffaufnahme geringer als im unteren), weshalb die Temperatur entsprechend der gewünschten Eigenschaft gewählt wird. Im oberen Temperaturbereich empfiehlt sich die Carbonitrierung, wenn vor allem auf die Härte der Randschicht Wert gelegt wird; im unteren Temperaturbereich werden vor allem die Gebrauchseigenschaften durch eine Anreicherung der Randschicht mit Stickstoff verbessert. Meist werden carbonitrierte Teile nach dem Abschrecken angelassen. Dies erfolgt zumeist bei Temperaturen zwischen 150°C bis 200°C, abhängig vom Legierungsstatus.
Der Reibverschleißwiderstand sowie die Notlaufeigenschaften der mit Stickstoff angereicherten Randschicht sind besser und die Anlassbeständigkeit ist höher, als dies im Falle der Einsatzhärtung der Fall ist. Je höher der Stickstoffgehalt der Einsatzschicht ist, desto höher kann die Anlasstemperatur gewählt werden.
Zur genannten Beschichtungstechnologie mit amorphem Kohlenstoff sei folgendes angemerkt:
Die amorphen Kohlenstoffschichten sind dünne Schichten, die oft als DCL-Schichten bezeichnet werden (DCL: diamond-like carbon). Vorliegend kommen bevorzugt wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten zum Einsatz. Metallhaltige wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten bilden durch Dotieren mit Metallen einen Verbund der Kohlenstoffmatrix mit einem Metallkarbid. Eine solche Schicht besitzt eine hohe Verschleißfestigkeit, einen geringen Reibkoeffizienten sowie eine gute Haftung der Schicht. Durch Veränderung des Metallgehaltes lassen sich die Materialeigenschaften stark beeinflussen.
Durch Dotierung mit Elementen wie Si, O, N, F und B können amorphe Kohlenstoffschichten je nach gewünschten Eigenschaften stark modifiziert werden. Beispielsweise erhöhte Silizium die Temperaturbeständigkeit in sauerstoffhaltiger Umgebung.
Kurze Beschreibung der Figur
Die einzige Figur zeigt in perspektivischer Darstellung eine Planeten-Wälz-Getriebespindel, teilweise geschnitten dargestellt.
Ausführliche Beschreibung der Figur
In der Figur ist eine Planeten-Wälz-Getriebespindel 1 zu sehen, die konzeptionell in vorbekannter Weise aufgebaut ist. Eine Mutter 3 mit einer Innenprofilierung 2 ist konzentrisch zu einer Spindel 5 mit einer Außenprofilierung 4 in Form eines Gewindes angeordnet. Radial zwischen der Mutter 3 und der Spindel 5 sind Planeten 6 angeordnet, und zwar mehrere über den Umfang verteilt. Die Planeten 6 weisen eine Außenprofilierung 7 auf. Die Profilierungen der Mutter und der Planeten sind rillenförmig ausgebildet; indes ist die Profilierung der Spindel 5 als Außengewinde ausgebildet.
Bei einer Rotation R der Mutter 3 erfolgt demgemäß eine Translation T der Spindel 5.
Wesentlich ist, dass die Innenprofilierung 2 der Mutter 3, die Außenprofilierung 4 der Spindel 5 und/oder die Außenprofilierung 7 der Planeten 6 carbonitriert sind. Alternativ oder additiv kann auch für die genannten Profilierungen vorgesehen sein, dass sie mit einer amorphen Kohlenstoffbeschichtung versehen sind.
Die Technologien des Carbonitrierens bzw. der Aufbringung einer amorphen Kohlenstoffschicht sind als solche im Stand der Technik bekannt, so dass auf sie nicht weiter eingegangen werden muss.
Im Ergebnis ergeben sich verbesserte Oberflächenhärten und Verschleißbeständigkeiten der entsprechend ausgebildeten Bauteile.
Bezugszeichenliste

1: Planeten-Wälz-Getriebespindel
2: Innenprofilierung
3: Mutter
4: Außenprofilierung
5: Spindel
6: Planet
7: Außenprofilierung
R: Rotation
T: Translation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19543098 C2 [0002]

Claims

Planeten-Wälz-Getriebespindel (1), umfassend eine mit einer Innenprofilierung (2) versehene Mutter (3), eine mit einer Außenprofilierung (4) versehene Spindel (5) und einer Anzahl Planeten (6), die radial zwischen der Mutter (3) und der Spindel (5) angeordnet sind und die eine Außenprofilierung (7) zum formschlüssigen Eingriff mit der Innenprofilierung (2) der Mutter (3) und der Außenprofilierung (4) der Spindel (5) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenprofilierung (2) der Mutter (3), die Außenprofilierung (4) der Spindel (5) und/oder die Außenprofilierung (7) der Planeten (6) carbonitriert sind.
Planeten-Wälz-Getriebespindel (1), umfassend eine mit einer Innenprofilierung (2) versehene Mutter (3), eine mit einer Außenprofilierung (4) versehene Spindel (5) und einer Anzahl Planeten (6), die radial zwischen der Mutter (3) und der Spindel (5) angeordnet sind und die eine Außenprofilierung (7) zum formschlüssigen Eingriff mit der Innenprofilierung (2) der Mutter (3) und der Außenprofilierung (4) der Spindel (5) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenprofilierung (2) der Mutter (3), die Außenprofilierung (4) der Spindel (5) und/oder die Außenprofilierung (7) der Planeten (6) mit einer amorphen Kohlenstoffbeschichtung versehen sind.
Planeten-Wälz-Getriebespindel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf die carbonitrierte Profilierung (2, 5, 7) die amorphe Kohlenstoffbeschichtung aufgebracht ist.
Planeten-Wälz-Getriebespindel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenstoffbeschichtung Wasserstoff enthält.
Planeten-Wälz-Getriebespindel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffanteil in der Beschichtung mindestens 25 % beträgt.
Planeten-Wälz-Getriebespindel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung weiterhin mit mindestens einem Metall dotiert ist.
Planeten-Wälz-Getriebespindel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung weiterhin mit mindestens einem der Elemente Silizium (Si), Sauerstoff (O) oder Stickstoff (N) dotiert ist.
Planeten-Wälz-Getriebespindel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenstoffbeschichtung mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) aufgebracht ist.
Planeten-Wälz-Getriebespindel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenstoffbeschichtung mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebracht ist.
Planeten-Wälz-Getriebespindel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenprofilierung (2) der Mutter (3), die Außenprofilierung (4) der Spindel (5) und/oder die Außenprofilierung (7) der Planeten (6) spanlos hergestellt ist.