DE102012223018A1

DE102012223018A1 - Langlebige Getrieberadwelle und Verfahren zum Herstellen derselben

Info

Publication number: DE102012223018A1
Application number: DE102012223018.1A
Authority: DE
Inventors: Min-Woo Kang
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2014-01-09
Also published as: KR20140005440A; CN103527612A; US20140007636A1

Abstract

Offenbart ist eine langlebige Getrieberadwelle mit verbesserter Haltbarkeit, bei der ein Außendurchmesserteil aus einem legierten Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff und ein Innendurchmesserteil aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff gebildet ist. Der legierte Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff ist insbesondere ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: einem Lagerstahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff und Chrom; einem Schnellarbeitsstahl; einem legierten Werkzeugstahl; und/oder einem legierten Kohlenstoffstahl.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Gemäß 35 U. S. C. §119 beansprucht die Anmeldung die Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2012-72608 , die am 4. Juli 2012 beim Koreanischen Patentamt eingereicht wurde und auf deren gesamte Offenbarung hierin vollinhaltlich Bezug genommen wird.
Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Getrieberadwelle und ein Verfahren zum Herstellen derselben und, genauer gesagt, eine Getrieberadwelle, die in die Mitte eines Zahnrads eingeführt und mit einem Träger verbunden wird. Die Getrieberadwelle weist eine verbesserte Haltbarkeit („Langlebigkeit”) auf, die insbesondere dadurch bereitgestellt wird, dass ein Außendurchmesserteil der Getrieberadwelle aus einem legierten Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff, der einige zusätzliche Atome enthält, gebildet wird, und ein Innendurchmesserteil der Getrieberadwelle aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff gebildet wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Allgemein stellen Planetengetriebe ein Getriebesystem dar, das ein Paar ineinandergreifende Zahnräder umfasst, so dass jedes der beiden Zahnräder entsprechend rotiert, wenn ein Zahnrad/die Zahnräder sich um die Achse des anderen Zahnrades herum drehen.
Diese Planetengetriebe werden vorwiegend in einer Übersetzungsvorrichtung für die automatische Übersetzung bei Baumaschinen oder Baufahrzeugen verwendet und sie schließen allgemein ein: ein Sonnenrad; einen Zahnkranz, welcher konzentrisch um das zentrale Sonnenrad herum angeordnet ist; zwei oder mehr Zahnräder, die mit dem zentralen Sonnenrad und dem Zahnkranz in Eingriff stehen und die sich um das zentrale Sonnenrad herum drehen; und einen Träger, der konzentrisch um das zentrale Sonnenrad und den Zahnkranz herum angeordnet ist und die Rotation des Zahnrads unterstützt.
Daneben ist eine Getrieberadwelle, die mit dem Träger verbunden ist, durch die Mitte des Zahnrads eingeführt. Ferner ist ein Nadellager, das aus mehreren Wälzkörpern besteht, zwischen dem Zahnrad und der Getrieberadwelle eingebaut. Das Nadellager bezeichnet ein Lager, bei welchem dünne und lange zylindrische Walzen eingesetzt werden.
Die Getrieberadwelle spielt dabei die Rolle, das Zahnrad zu stützen. Hierfür benötigt die Getrieberadwelle eine hohe Formstabilität, eine lange Haltbarkeit und lange Lebensdauer. Zur Herstellung einer Getrieberadwelle wird allgemein eine Wärmebehandlung unter Verwenden von Lagerstahl durchgeführt. Während des Wärmebehandlungsprozesses werden im Inneren des Materials eine Martensit- sowie eine Abschreck- oder Restaustenitstruktur gebildet.
Durch eine häufige Verwendung der Getrieberadwelle verändern sich deren Abmessungen. Die Formänderung durch die Verwendung der Getrieberadwelle wird durch eine stufenweise erfolgende Volumenzunahme der Getrieberadwelle verursacht, da der im Material enthaltene Restaustenit durch eine äußere Kraft und Wärme zersetzt wird. Dies ist ein unvermeidbares Phänomen, solange noch Restaustenit im Material vorhanden ist.
Da die Getrieberadwelle so an dem Träger befestigt ist, dass keine Rotation zwischen diesen beiden erfolgt, wird, wenn sich der Träger dreht, insbesondere eine in eine bestimmte Richtung gerichtete Kraft, wie eine Zentrifugalkraft, auf die Getrieberadwelle ausgeübt. Als Folge davon kann die Getrieberadwelle durch eine lokale Zersetzung des Restaustenits, d. h. aufgrund einer Volumenzunahme, verbogen werden.
Wenn die Getrieberadwelle verbogen wird, führt der ungleichmäßige Kontakt zwischen dem Nadellager und der Getrieberadwelle zu der Erzeugung einer Randbelastung. Dies kann zu einer Beschädigung und zu einem Abschälen oder Abblättern der Oberfläche der Getrieberadwelle führen.
Obwohl eine Verringerung der Menge des in dem Material enthaltenen Restaustenits ein Verbiegen der Getrieberadwelle verhindern könnte, stellt der Restaustenit eine wichtige Struktur in der Getrieberadwelle dar, da er die Haltbarkeit verbessert und die Lebensdauer verlängert, da er dem Material Zugfestigkeit verleiht und das Auswachsen von Rissen bei einer Kontaktermüdung unterbindet.
Basierend auf einer Analyse des Zusammenhangs zwischen der Menge an Restaustenit und der Lebensdauer der Getrieberadwelle wurde festgestellt, dass, je kleiner die Menge an Restaustenit im tiefen Teil der Getrieberadwelle ist und je größer die Menge an Restaustenit in der Außenschicht der Getrieberadwelle ist, die Lebensdauer der Getrieberadwelle umso langer ist.
Ausgehend von diesem Zusammenhang wurden viele Ansätze untersucht, die Lebensdauer der Getrieberadwelle durch eine Verbesserung der Haltbarkeit derselben zu verlängern. Ein vorgeschlagenes Verfahren beinhaltet die Anwendung vieler Wärmebehandlungsprozesse, um die Außenschicht entsprechend mit 15%–40% Restaustenit zu versehen und die Menge an Restaustenit im tiefen Teil der Getrieberadwelle zu minimieren.
Dieses Verfahren weist jedoch den Nachteil einer geringen Produktivität aufgrund der komplizierten Herstellungsprozesse auf und steigert ferner die Produktionskosten.
Neben dem Erfordernis, das Problem des Verbiegens der Getrieberadwelle zu lösen, muss die Getrieberadwelle auch aus einem Material mit einer hohen Haltbarkeit hergestellt werden. Der Lagerstahl, der für die Getrieberadwelle verwendet wurde, erfüllt jedoch diese Anforderungen nicht. Der Grund hierfür sind insbesondere die Anforderungen in der Fahrzeugindustrie zur Herstellung leichter Fahrzeuge mit hoher Kraftstoffeffizienz, die eine möglichst kleine und automatische Hochleistungsübersetzung haben und ein niederviskoses Getriebeöl verwenden.
Zur Verbesserung der Festigkeit und der Haltbarkeit wurden dementsprechend Materialien vorgeschlagen, denen Silizium, Nickel, Molybdän, Vanadium und dergleichen zugesetzt worden waren. Dieser Ansatz erhöht jedoch aufgrund der Verwendung dieser teuren zugesetzten Atome die Produktionskosten.
Die vorstehend als Stand der Technik zur vorliegenden Erfindung angegebene Beschreibung soll lediglich den Hintergrund der vorliegenden Erfindung verstehen helfen und soll nicht als Teil des Standes der Technik ausgelegt werden, wie er einem Fachmann bereits bekannt ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine Getrieberadwelle mit einer dauerhafteren Haltbarkeit (längeren Lebensdauer) und ein Verfahren zum Herstellen derselben bereit. Insbesondere gewährleistet die vorliegende Erfindung die Haltbarkeit und Formstabilität und unterbindet gleichzeitig ein Verbiegen der Getrieberadwelle, indem ein Außendurchmesserteil der Getrieberadwelle aus einem legierten Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff gebildet wird und ein Innendurchmesserteil der Getrieberadwelle aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff gebildet wird. Vorzugsweise wird der gesamte Teil des Außendurchmessers (Außenschicht, entlang der gesamten Länge der Getrieberadwelle) aus dem legierten Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff gebildet und der gesamte Teil des Innendurchmessers (Innenschicht, entlang der gesamten Länge der Getrieberadwelle) wird aus dem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff gebildet. Es ist jedoch auch möglich, wenn auch nicht bevorzugt, nur einen Anteil des Außendurchmesserteils und/oder des Innendurchmesserteils aus den genannten Materialien zu bilden (z. B. durch Bilden des Innendurchmesserteils aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff entlang nur eines Abschnitts der Länge der Getrieberadwelle).
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden eine Getrieberadwelle und ein Verfahren zum Herstellen derselben bereitgestellt, mittels welchem die Effektivität der Verarbeitung von Öl- oder Schmierlöchern und dergleichen erhöht wird und gleichzeitig die Produktionskosten gesenkt werden, indem ein Innendurchmesserteil der Getrieberadwelle aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff gebildet wird. Die vorliegende Erfindung behält ferner die niedrigen Materialkosten bei, selbst wenn Atome zugesetzt werden können, um die dauerhafte Haltbarkeit zu verbessern, indem ein hydrostatischer Extrusionschritt und einer einziger Wärmebehandlungsschritt im Herstellungsprozess angewendet werden.
Die von der vorliegenden Erfindung zu lösenden technischen Probleme sind nicht auf die vorstehend beschriebenen technischen Probleme beschränkt und Fachleute können aus der folgenden Beschreibung weitere technische Probleme erkennen.
Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine langlebige Getrieberadwelle bereit, die mit einem Träger verbunden ist und durch die Mitte eines Zahnrads eingeführt ist. Die Getrieberadwelle wird so gebildet, dass ein Außendurchmesserteil aus einem legierten Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff gebildet ist und ein Innendurchmesserteil aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff gebildet ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist der legierte Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff aus einem oder mehreren beliebigen Materialien gebildet, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus: einem Lagerstahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff und Chrom, wie beispielsweise SUJ1, SUJ2, SUJ3, SUJ4 und SUJ5; einem Schnellarbeitsstahl, wie beispielsweise SKH2, SKH3, SKH4, SKH10 und SKH51 bis SKH59; einem legierten Werkzeugstahl, wie beispielsweise SKS2, SKS3, SKS4, SKS5, SKS7, SKS8, SKS11, SKS21, SKS31, SKS41, SKS43, SKS44, SKS51, SKS93, SKS94, SKS95, SKD1, SKD11 und SKD12; und einem legierten Kohlenstoffstahl, der etwa 0,8–1,3 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,5–2,0 Gew.-% Mangan, etwa 1,0–3,0 Gew.-% Silizium, etwa 0,5–3,0 Gew.-% Chrom, etwa 0,3–2,0 Gew.-% Nickel, etwa 0,05–0,3 Gew.-% Molybdän und etwa 0,05–1,0 Gew.-% Vanadium enthält.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform enthält der Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff etwa 0,45 Gew.-% bis etwa 0,55 Gew.-% Kohlenstoff.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer langlebigen Getrieberadwelle zum Einführen durch die Mitte eines Zahnrads bereit, welches die folgenden Schritte umfasst: Einführen eines Rundstabs aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff in ein Stahlrohr aus einem legierten Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff und anschließendes Schweißen und Abdichten unter Bilden eines Rohlings; hydrostatisches Extrudieren des Rohlings zum Verbinden der Materialien desselben (die Materialien mit dem mittelmäßig hohen und dem hohen Anteil an Kohlenstoff) bei einer hohen Temperatur und einem hohen Druck; Weichglühen des hydrostatisch extrudierten Rohlings; Schneiden und Bearbeiten des geglühten Rohlings; Wärmebehandeln des geschnittenen und bearbeiteten Rohlings; und Polieren des wärmebehandelten Rohlings zum Bilden einer Getrieberadwelle.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform besteht der Schritt der Wärmebehandlung aus einer einzigen Wärmebehandlung durch Abschrecken oder Carbonitrieren des geschnittenen und bearbeiteten Rohlings und anschließendem Anlassen desselben.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die vorstehend angegebenen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen derselben ausführlich beschrieben, die in den beigefügten Figuren veranschaulicht sind, welche hierin lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung angegeben sind und die vorliegende Erfindung daher in keiner Weise einschränken sollen. In den Figuren gilt:
1 zeigt Draufsichten auf Planetengetriebe und ein Zahnrad gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine Querschnittansicht des Zahnrads gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen der Menge an Restaustenit und der dauerhaften Haltbarkeit der Getrieberadwelle zeigt.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht der langlebigen Getrieberadwelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm, welches die Schritte der Herstellung der langlebigen Getrieberadwelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 zeigt eine beispielhafte Ansicht, die eine hydrostatische Extrusion gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Bezugszeichenliste

100: Planetengetriebe
110: Sonnenrad
120: Zahnkranz
200: Zahnrad
210: Nadellager
300: Getrieberadwelle
310: Außendurchmesserteil
320: Innendurchmesserteil
330: Schmierloch
400: Rohling
410: Stahlrohr aus einem Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff
420: Rundstab aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff
A: Belastungsbereich
B: Zentrifugalkraft
C: gewünschter Bereich der vorliegenden Erfindung

Es sollte verstanden werden, dass die beigefügten Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, sondern eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugter Merkmale zeigen, welche die zugrunde liegenden Prinzipien der Erfindung veranschaulichen.
Spezielle Merkmale der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich von zum Beispiel bestimmten Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen, werden zum Teil durch die Bedingungen und Umstände der speziell angestrebten Anwendung und Verwendung bestimmt werden.
In allen Figuren bezeichnen die Bezugszeichen jeweils gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben.
Es soll verstanden werden, dass der Begriff „Fahrzeug” oder „Fahrzeug-” oder ein weiterer ähnlicher Begriff, wie er hierin verwendet wird, Kraftfahrzeuge allgemein, wie beispielsweise Personenkraftwagen, einschließlich Geländewagen (sports utility vehicles, SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen sowie Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, umsteckbare Hybrid-Elektro-Fahrzeuge, mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge und weitere Fahrzeuge, die mit alternativen Kraftstoffen betrieben werden (z. B. Kraftstoffen, die aus einer anderen Quelle als Erdöl stammen), einschließt. Wie es hierin verwendet wird, bezeichnet ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das über zwei oder mehr Antriebsquellen verfügt, wie zum Beispiel ein Fahrzeug, das sowohl mit Benzin als auch mit Strom betrieben wird.
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck, bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben und soll die Erfindung daher in keiner Weise einschränken. Wie sie hierin verwendet werden, sollen die Singularformen „ein, eine, eines” und „der, die, das” auch die Pluralformen umfassen, solange aus dem Kontext nicht klar etwas anderes ersichtlich ist. Weiter soll verstanden werden, dass die Begriffe „umfasst” und/oder „umfassend”, wenn sie in der vorliegenden Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein der genannten Merkmale, Zahlen, Schritte, Arbeitsvorgänge, Elemente und/oder Komponenten/Bestandteile angeben, jedoch nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung eines oder mehrerer weiterer Merkmale, Zahlen, Schritte, Arbeitsvorgänge, Elemente, Komponenten/Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen. Wie er hierin verwendet wird, schließt der Begriff „und/oder” jegliche und alle Kombinationen eines oder mehrerer der damit verbundenen aufgelisteten Punkte ein.
Soweit nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich ist, soll der Begriff „etwa”, wie er hierin verwendet wird, als innerhalb eines Bereichs mit in der Wissenschaft normalen Toleranzgrenzen liegend verstanden werden, zum Beispiel als innerhalb von 2 Standardabweichungen vom Mittelwert liegend. „Etwa” kann verstanden werden als innerhalb von 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% vom angegebenen Wert liegend. Soweit es aus dem Kontext nicht anderweitig klar hervorgeht, gelten alle hierin angegebenen Zahlenwerte als um den Begriff „etwa” erweitert.
1 zeigt Draufsichten auf die Planetengetriebe und das Zahnrad gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Insbesondere zeigt der linke Teil der 1 Planetengetriebe 100, die aufweisen: ein Sonnenrad 110; einen Zahnkranz 120, der konzentrisch um das Sonnenrad 110 herum angeordnet ist; und zwei oder mehr Zahnräder 200, die in das Sonnenrad 110 und den Zahnkranz 120 eingreifen und so aufgebaut sind, dass sie sich um das Sonnenrad 110 herum drehen. In der Figur sind vier Zahnräder 200 gezeigt. Es soll jedoch verstanden werden, dass jede beliebige andere Anzahl an Zahnrädern 200 in geeigneter Weise in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Die Planetengetriebe 100 weisen ein Getriebesystem auf, dass so aufgebaut ist, dass sich ein Zahnrad um die Achse des anderen Zahnrads herum dreht. Planetengetriebe werden vorwiegend in Übersetzungsvorrichtungen zur automatischen Übersetzung und insbesondere in Baumaschinen und -fahrzeugen, eingesetzt.
Der rechte Teil der 1 zeigt ein Zahnrad 200. Das Zahnrad 200 steht durch Paarung der Zähne entlang ihres äußeren Umfangs mit dem Sonnenrad 110 und dem Zahnkranz 120 in Eingriff und dreht sich um das Sonnenrad 110 herum.
Wie in der 1 gezeigt ist, weist das Zahnrad 200 auf: eine Getrieberadwelle 300, die in der Mitte des Zahnrads 200 angeordnet ist; und ein Nadellager 210, das um den Umfang der Getrieberadwelle 300 herum angeordnet ist.
Die Getrieberadwelle 300 spielt hierbei die Rolle, das Zahnrad 200 zu stützen. Entsprechend herkömmlicher Verfahren wird die Getrieberadwelle 300 so gebildet, dass während der Wärmebehandlung eine Martensitstruktur und eine Restaustenitstruktur in dem Material der Getrieberadwelle 300 gebildet werden. Das Restvolumen des Austenits nimmt während der Verwendung zu, da es durch äußere Kraft und Wärme zersetzt wird. Da die Getrieberadwelle 300 während der Rotation nicht an dem Träger befestigt ist, wird nämlich durch die Drehung des Trägers eine Zentrifugalkraft B (siehe 1 und 2) erzeugt, und wenn sich der Restaustenit zersetzt, ruft dies eine Volumenzunahme hervor. Als Folge davon verbiegt sich die Getrieberadwelle 300.
Bei solch herkömmlichen Getrieberadwellen wird lokal ein Belastungsbereich A gebildet, auf welchem eine äußere Kraft auf einen Teil der Getrieberadwelle 300 und das Nadellager 210 um diesen Teil herum aufgebracht wird.
Die 2 zeigt eine Querschnittansicht des Zahnrads 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die gestrichelten Linien zeigen, wie sich eine herkömmliche Getrieberadwelle durch die Verwendung gewöhnlich verbiegt. Insbesondere wenn eine äußere Kraft (d. h. eine Zentrifugalkraft B) lokal auf den Belastungsbereich A einer herkömmlichen Getrieberadwelle aufgebracht wird, nimmt das Volumen des Restaustenits in der Getrieberadwelle aufgrund der Zersetzung des Restaustenits zu. Dies führt zu einem Verbiegen der Getrieberadwelle.
Die 3 zeigt einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen der Menge an Restaustenit und der dauerhaften Haltbarkeit einer Getrieberadwelle zeigt.
Wie in der 3 gezeigt ist, ist es so, dass je kleiner die Menge an Restaustenit im tiefen Teil der Getrieberadwelle 300 ist und je größer die Menge an Restaustenit in der Außenschicht der Getrieberadwelle 300 ist, desto langer die Lebensdauer der Getrieberadwelle 300 ist.
Dementsprechend zeigt ein Bereich „C” des Graphen den gewünschten Bereich der vorliegenden Erfindung, in der die Menge an Restaustenit im tiefen Teil der Getrieberadwelle 300 klein ist und in der Außenschicht der Getrieberadwelle 300 groß ist.
Die 4 zeigt eine perspektivische Ansicht der langlebigen Getrieberadwelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Um die Menge an Restaustenit so zu steuern, dass die Lebensdauer der Getrieberadwelle 300 verlängert wird, besteht das Außendurchmesserteil 310 der Getrieberadwelle 300 gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem legierten Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff; und die Innendurchmesserseite 320 der Getrieberadwelle 300 besteht aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der legierte Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff eines oder mehrere Materialien enthalten, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus: Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Phosphor, Schwefel, Chrom, Nickel, Molybdän, Vanadium und Wolfram. Indem die Getrieberadwelle 300 mit der genannten Struktur und Zusammensetzung versehen wird, wird die Haltbarkeit der Getrieberadwelle 300 verbessert.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ferner das Leistungsvermögen der Walzenkontaktermüdung verbessert, indem das Außendurchmesserteil 310 der Getrieberadwelle 300 aus einem legierten Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff, der ferner zusätzliche Atome enthält, gebildet wird, um die Haltbarkeit zu verbessern. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Haltbarkeit der Getrieberadwelle 300 verbessert, während gleichzeitig eine Zunahme der Materialkosten minimiert wird.
Wie er hierin bezeichnet wird, kann ein legierter Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff, der als Material zum Bilden des Außendurchmesserteils 310 verwendet wird, irgendeines oder mehrere Materialien sein, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus: einem Lagerstahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff und Chrom, wie beispielsweise SUJ1, SUJ2, SUJ3, SUJ4 und SUJ5; einem Schnellarbeitsstahl, wie beispielsweise SKH2, SKH3, SKH4, SKH10 und SKH51 bis SKH59; einem legierten Werkzeugstahl, wie beispielsweise SKS2, SKS3, SKS4, SKS5, SKS7, SKS8, SKS11, SKS21, SKS31, SKS41, SKS43, SKS44, SKS51, SKS93, SKS94, SKS95, SKD1, SKD11 und SKD12; und einem legierten Kohlenstoffstahl, der etwa 0,8–1,3 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,5–2,0 Gew.-% Mangan, etwa 1,0–3,0 Gew.-% Silizium, etwa 0,5–3,0 Gew.-% Chrom, etwa 0,3–2,0 Gew.-% Nickel, etwa 0,05–0,3 Gew.-% Molybdän und etwa 0,05–1,0 Gew.-% Vanadium enthält.
Der SUJ ist ein Lagerstahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff und Chrom und seine Nummer gemäß JIS-Standard lautet G4805.
Der SUJ1 ist ein Lagerstahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff und Chrom, der etwa 0,95–1,10 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,15–0,35 Gew.-% Silizium, etwa 0,50 Gew.-% oder weniger Mangan, etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Phosphor, etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Schwefel, etwa 0,90–1,20 Gew.-% Chrom, etwa 0,08 Gew.-% oder weniger Molybdän, etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Kupfer und etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Nickel enthält. Es wird angemerkt, dass die vorstehend angegebenen Gew.-%, wenn sie sich auf Gew.-% „oder weniger” beziehen, allgemein eine Menge bezeichnen, die größer als null Gew.-% ist.
Der SUJ2 ist ein Lagerstahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff und Chrom, der etwa 0,95–1,10 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,15–0,35 Gew.-% Silizium, etwa 0,50 Gew.-% oder weniger Mangan, etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Phosphor, etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Schwefel, etwa 1,30–1,60 Gew.-% Chrom, etwa 0,08 Gew.-% oder weniger Molybdän, etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Kupfer und etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Nickel enthält. Es wird erneut angemerkt, dass die vorstehend angegebenen Gew.-%, wenn sie sich auf Gew.-% „oder weniger” beziehen, allgemein eine Menge bezeichnen, die größer als null Gew.-% ist.
Der SUJ3 ist ein Lagerstahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff und Chrom, der etwa 0,95–1,10 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,40–0,70 Gew.-% Silizium, etwa 0,90–1,15 Gew.-% Mangan, etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Phosphor, etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Schwefel, etwa 0,90–1,20 Gew.-% Chrom, etwa 0,08 Gew.-% oder weniger Molybdän, etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Kupfer und etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Nickel enthält. Es wird erneut angemerkt, dass die vorstehend angegebenen Gew.-%, wenn sie sich auf Gew.-% „oder weniger” beziehen, allgemein eine Menge bezeichnen, die größer als null Gew.-% ist.
Der SUJ4 ist ein Lagerstahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff und Chrom, der etwa 0,95–1,10 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,15–0,35 Gew.-% Silizium, etwa 0,50 Gew.-% oder weniger Mangan, etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Phosphor, etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Schwefel, etwa 1,30–1,60 Gew.-% Chrom, etwa 0,10–0,25 Gew.-% Molybdän, etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Kupfer und etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Nickel enthält. Es wird erneut angemerkt, dass die vorstehend angegebenen Gew.-%, wenn sie sich auf Gew.-% „oder weniger” beziehen, allgemein eine Menge bezeichnen, die größer als null Gew.-% ist.
Der SUJ5 ist ein Lagerstahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff und Chrom, der etwa 0,95–1,10 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,40–0,70 Gew.-% Silizium, etwa 0,90–1,15 Gew.-% Mangan, etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Phosphor, etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Schwefel, etwa 0,90–1,20 Gew.-% Chrom, etwa 0,10–0,25 Gew.-% Molybdän, etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Kupfer und etwa 0,025 Gew.-% oder weniger Nickel enthält. Es wird erneut angemerkt, dass die vorstehend angegebenen Gew.-%, wenn sie sich auf Gew.-% „oder weniger” beziehen, allgemein eine Menge bezeichnen, die größer als null Gew.-% ist.
Von den weiteren Materialien, die zum Bilden des Außendurchmesserteils 310 verwendet werden können, ist der SKH ein Schnellarbeitsstahl, dessen Nummer gemäß JIS-Standard G4403 lautet, und der SKS und der SKD sind legierte Werkzeugstähle, deren Nummer gemäß JIS-Standard G4404 lautet. SKH, SKS und SKD kennzeichnen sich jeweils dadurch aus, dass sie etwa 0,75 Gew.-% oder mehr Kohlenstoff enthalten, wobei der Rest von Chrom, Nickel, Molybdän, Wolfram und Vanadium gebildet wird.
Es ist auch möglich, andere Atome neben den vorstehend angegebenen Atomen zuzusetzen. Es ist jedoch bevorzugt, die Atome in einer Menge von etwa 0,25 Gew.-% oder weniger zuzusetzen. Obwohl es möglich ist, die Atome nicht zuzusetzen (so dass diese damit 0 Gew.-% ausmachen), ist bevorzugt, dass die Menge der Atome mehr als 0 Gew.-% beträgt.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der Innendurchmesserteil 320 der Getrieberadwelle 300 aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff gebildet. Dies verringert die Menge an Restaustenit im tiefen Teil der Getrieberadwelle 300, wodurch eine Verformung unterbunden wird. Durch Verwenden des Stahlmaterials mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff können daneben die Effektivität der Verarbeitung von Schmierlöchern 330 und dergleichen verbessert werden und die Produktionskosten können reduziert werden.
Hierbei ist bevorzugt, dass ein Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff, der als Material für den Innendurchmesserteil 320 verwendet wird, etwa 0,45 Gew.-% bis etwa 0,55 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
Die 5 zeigt ein Ablaufdiagramm, das die Schritte zum Herstellen der langlebigen Getrieberadwelle 300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie gezeigt ist, umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: Einführen eines Rundstabs 420 aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff in ein Stahlrohr 410 aus einem legierten Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff und anschließendes Schweißen und Abdichten unter Bilden eines Rohlings 400 (S1); hydrostatisches Extrudieren des Rohlings 400 zum Verbinden der Materialien desselben bei einer hohen Temperatur und einem hohen Druck (S2); Weichglühen des hydrostatisch extrudierten Rohlings 400 (S3); Schneiden und Bearbeiten des geglühten Rohlings 400 (S4, S5, S6); Wärmebehandeln des geschnittenen und bearbeiteten Rohlings 400 (S7); und Polieren des wärmebehandelten Rohlings 400 zum Bilden einer Getrieberadwelle 300 (S8).
Wie in der 6 gezeigt ist, wird der Rundstab 420 aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff in das Stahlrohr 410 aus einem legierten Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff eingeführt und anschließend wird dieses geschweißt und abgedichtet, um den Rohling 400 zu bilden (S1). Wie er hierin verwendet wird, bezeichnet der Rohling 400 einen Flachstahl vor dem Walzen desselben zu einem Form- oder Profilstahl und ist ein Material, das in der vorliegenden Erfindung anschließend hydrostatisch extrudiert wird.
Dann wird der Rohling 400, der aus den hierin beschriebenen Materialien gebildet ist, bei einer hohen Temperatur und einem hohen Druck hydrostatisch extrudiert, um die Materialien miteinander zu verbinden (um insbesondere den Teil, der aus dem Rundstab aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff gebildet ist, und den Teil, der aus dem Stahlrohr aus einem legierten Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff gebildet ist, miteinander zu verbinden; d. h., um den Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff und den Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff miteinander zu verbinden) (S2). Die hydrostatische Extrusion ist allgemein ein Prozess des Beaufschlagens eines Behälters einer bestimmten Art und mit einer bestimmten Größe, welcher Metallmaterialien enthält, mit einem hohen Druck, und des Ausextrudierens der Materialien. Die hydrostatische Extrusion hat den Effekt, eine Abnahme der Festigkeit an der Grenzfläche zwischen den Materialien zu verhindern. Eine hydrostatische Extrusion gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der 6 gezeigt. Es wird angemerkt, dass eine hydrostatische Extrusion im Stand der Technik allgemein bekannt ist, so dass die Einzelheiten derselben hierin nicht weiter beschrieben werden.
Dann wird ein Weichglühen durchgeführt (S3). Ein Glühen ist allgemein ein Prozess, bei dem die Metallmaterialien auf eine geeignete Temperatur erwärmt werden und anschließend langsam auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Mit diesem Prozess wird die Restspannung im Inneren der ausgehärteten Materialien durch Bearbeiten oder Abschrecken und dergleichen entfernt, und die Weichheit wird durch eine Verfeinerung der Körner erhöht. Ferner ist das Weichglühen ein Prozess, bei dem die Carbide im Stahl eine Ballform erhalten. Wenn Stahl einem Weichglühen unterzogen wird, nimmt dessen Zugfestigkeit zu, die Verarbeitbarkeit desselben wird verbessert und sein Leistungsvermögen als Werkzeug wird erhöht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Schritt S3 des Weichglühens je nach den gewünschten Endergebnissen ausgelassen werden.
Der behandelte Rohling 400 wird dann geschnitten und bearbeitet. Gemäß der gezeigten Ausführungsform umfasst der Bearbeitungsschritt die Bildung von Schmierlöchern 330, die Bearbeitung auf einer Drehbank, die Bearbeitung durch Schneiden und die Bearbeitung mit einem Bohrer (S4, S5, S6).
Nach dem Schneiden und Bearbeiten wird der Rohling wärmebehandelt. Wie in der beispielhaften Ausführungsform gezeigt ist, stellt die Wärmebehandlung einen einzelnen Schritt einer Wärmebehandlung (S7) durch Abschrecken oder Carbonitrieren und einem anschließenden Anlassen dar. Dies stellt das Gegenteil einer herkömmlichen, kombinierten Wärmebehandlung durch Abschrecken oder Carbonitrieren, Anlassen, Hochfrequenzwärmebehandlung mit anschließendem Anlassen dar. Durch Anwendung einer einzigen Wärmebehandlung gemäß der beispielhaften Ausführungsform kann der Herstellungsprozess vereinfacht werden und die Herstellungskosten können reduziert werden. Durch diese Wärmebehandlung können auf der Oberfläche (einem Außenteil) der Getrieberadwelle 300 etwa 20–40% Restaustenit gebildet werden.
Schließlich kann der wärmebehandelte Rohling 400 poliert werden, um die Herstellung der Getrieberadwelle 300 zu beenden (S8).
Die Haltbarkeit der langlebigen Getrieberadwelle 300, wie sie in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, wurde getestet und die Ergebnisse waren folgendermaßen.
Die Kontaktermüdung mit Hilfe von auf einem Zylinder basierenden Walzen wurde getestet, wobei die Kontaktbelastung 5,88 GPa betrug, die Prüfgeschwindigkeit 46.240 Umdrehungen/Minute betrug und das Schmieröl im Test Turbinenöl VG56 war. Es zeigte sich, dass die Haltbarkeit um wenigstens das Dreifache der Haltbarkeit herkömmlicher Getrieberadwellen erhöht war. Insbesondere zeigte eine herkömmliche Getrieberadwelle, die aus SUJ2 bestand, eine B₁₀-Lebensdauer von 6,3 × 10⁷ Zyklen, während die Getrieberadwelle gemäß der vorliegenden Erfindung eine B₁₀-Lebensdauer von 18,5 × 10⁷ Zyklen zeigte (B₁₀-Lebensdauer: Lebensdauer mit einer Zuverlässigkeit von 90%).
Die Getrieberadwelle 300 der vorliegenden Erfindung, bei der der Außendurchmesserteil 310 derselben aus einem legierten Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff (dem zur Verbesserung der Haltbarkeit weitere Atome zugesetzt werden können) hergestellt ist und der Innendurchmesserteil 320 derselben aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff hergestellt ist, stellt in vorteilhafter Weise eine längere Lebensdauer bereit, indem sie eine Haltbarkeit und Formstabilität gewährleistet und ein Verbiegen unterbindet.
Daneben verbessert die vorliegende Erfindung die Effektivität der Bearbeitung, vereinfacht den Herstellungsprozess und reduziert die Material- und Produktionskosten desselben.
Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Getrieberadwelle bereit, deren Außendurchmesserteil aus einem legierten Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff, der zur Verbesserung der Haltbarkeit zugesetzte Atome enthalten kann, und deren Innendurchmesserteil aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff gebildet ist, und die eine verbesserte längere Lebensdauer besitzt. Die vorliegende Erfindung gewährleistet insbesondere die Haltbarkeit und Formstabilität der Getrieberadwelle und unterbindet ferner ein Verbiegen, da eine kleine Menge an Restaustenit im tiefen (inneren) Teil der Getrieberadwelle gebildet ist und eine größere Menge an Restaustenit im Außenteil/in der Außenschicht der Getrieberadwelle gebildet ist.
Ferner verbessert die vorliegende Erfindung das Leistungsvermögen hinsichtlich der Walzenkontaktermüdung, indem ein Außendurchmesserteil der Getrieberadwelle aus einem legierten Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff gebildet wird, und erhöht die Effektivität der Verarbeitung von Schmierlöchern und dergleichen, indem ein Innendurchmesserteil der Getrieberadwelle aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff gebildet wird. Die vorliegende Erfindung stellt des Weiteren eine hohe Festigkeit an der Grenzfläche zwischen den Materialien, die die Außendurchmesser- und die Innendurchmesserteile bilden, bereit.
Die vorliegende Erfindung reduziert zudem die Material- und Produktionskosten für die Getrieberadwelle, indem Innendurchmesserteil aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff, welches ein relativ kostengünstiges Material ist, gebildet wird und indem während des Herstellungsprozesses ein hydrostatischer Extrusionsschritt und ein einziger Wärmebehandlungsschritt verwendet werden.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen derselben ausführlich beschrieben. Fachleute werden jedoch erkennen, dass Änderungen und Modifikationen an den angegebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Geiste der Erfindung, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert ist, abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 10-2012-72608 [0001]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

35 U. S. C. §119 [0001]
JIS-Standard lautet G4805 [0053]
JIS-Standard G4403 [0059]
JIS-Standard G4404 [0059]

Claims

Getrieberadwelle zum Einfügen durch eine Mitte eines Zahnrads, in Kombination mit einem Träger, wobei die Getrieberadwelle aufweist: einen Außendurchmesserteil, welcher aus einem legierten Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff gebildet ist; und einen Innendurchmesserteil, welcher aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff gebildet ist.
Langlebige Getrieberadwelle nach Anspruch 1, wobei der legierte Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff aus einem oder mehreren Materialien ausgewählt ist, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus: einem Lagerstahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff und Chrom; einem Schnellarbeitsstahl; einem legierten Werkzeugstahl; und einem legierten Kohlenstoffstahl.
Langlebige Getrieberadwelle nach Anspruch 1, wobei der Lagerstahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff und Chrom ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus SUJ1, SUJ2, SUJ3, SUJ4 und/oder SUJ5; der Schnellarbeitsstahl ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus SKH2, SKH3, SKH4, SKH10 und/oder SKH51 bis SKH59; der legierte Werkzeugstahl ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus SKS2, SKS3, SKS4, SKS5, SKS7, SKS8, SKS11, SKS21, SKS31, SKS41, SKS43, SKS44, SKS51, SKS93, SKS94, SKS95, SKD1, SKD11 und/oder SKD12; und der legierte Kohlenstoffstahl etwa 0,8–1,3 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,5–2,0 Gew.-% Mangan, etwa 1,0–3,0 Gew.-% Silizium, etwa 0,5–3,0 Gew.-% Chrom, etwa 0,3–2,0 Gew.-% Nickel, etwa 0,05–0,3 Gew.-% Molybdän und etwa 0,05–1,0 Gew.-% Vanadium enthält.
Langlebige Getrieberadwelle nach Anspruch 1, wobei der Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff etwa 0,45 Gew.-% bis 0,55 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
Verfahren zum Herstellen einer Getrieberadwelle zum Einführen durch eine Mitte eines Zahnrads, umfassend die Schritte: Anordnen eines Rundstabs aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff innerhalb eines Stahlrohrs aus einem legierten Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff und anschließendes Schweißen und Abdichten zum Bilden eines Rohlings; hydrostatisches Extrudieren des Rohlings, um den Rundstab aus einem Stahl mit einem mittelmäßig hohen Anteil an Kohlenstoff und das Stahlrohr aus einem legierten Stahl mit einem hohen Anteil an Kohlenstoff bei einer hohen Temperatur und einem hohen Druck miteinander zu verbinden; Weichglühen des Rohlings; Schneiden und Bearbeiten des Rohlings; Wärmebehandeln des Rohlings; und Polieren des Rohlings zum Bilden einer Getrieberadwelle.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Wärmebehandelns eine einzige Wärmebehandlung durch Abschrecken oder Carbonitrieren und anschließendem Anlassen ist.