DE102012223492A1

DE102012223492A1 - Kupplungskörper und Verfahren zu seiner Fertigung

Info

Publication number: DE102012223492A1
Application number: DE201210223492
Authority: DE
Inventors: Johannes Utz; Reiner Martin
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2014-06-18

Abstract

Ein Fertigungsverfahren für einen als tiefgezogenes Bauteil vorliegenden Kupplungskörper wird angegeben, welches eine besonders kostengünstige aber dennoch präzise Herstellung desselben ermöglicht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kupplungskörper einer Synchronisiereinrichtung eines Kraftfahrzeuggetriebes. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Fertigungsverfahren für einen solchen Kupplungskörper.
Hintergrund der Erfindung
Ein Kraftfahrzeuggetriebe umfasst normalerweise eine Synchronisiereinrichtung, die dazu dient, vor dem Schalten die Drehzahlen einer Getriebewelle und eines zu einem bestimmten Gang gehörigen Getriebezahnrades anzugleichen. Anschließend kann mithilfe einer Schaltmuffe eine formschlüssige (verzahnte) Kraftübertragung zwischen Getriebewelle und Getriebezahnrad erfolgen.
Zur Synchronisierung der Drehzahlen umfasst die Synchronisiereinrichtung üblicherweise Synchronringe, die dem Zahnrad und der Schaltmuffe zwischengeschaltet sind. Häufig umfasst die Synchronisiereinrichtung dabei einen Innensynchronring, sowie einen Außensynchronring, welche der Schaltmuffe zugeordnet sind, sowie einen radial zwischen dem Außen- und dem Innensynchronring angeordneten Zwischensynchronring, welcher dem Getriebezahnrad zugeordnet ist. Jeder Synchronring ist mit mindestens einer – meist konischen – Reibfläche versehen, mit welcher er beim Schalten mit der Reibfläche eines anderen Synchronring über Gleitreibung einen Kraftschluss bildet, sodass sich die Drehzahlen der den jeweiligen Synchronringe zugeordneten Wellen angleichen.
Zur formschlüssigen Verbindung der Schiebemuffe mit dem Gangrad ist häufig ein drehfest mit dem Gangrad gekoppelter Kupplungskörper angeordnet, der eine radiale Verzahnung aufweist, in die nach Erreichen des Gleichlaufs die Zähne der Schiebemuffe axial in Eingriff bringbar sind. Ein derartiger Kupplungskörper kann mit einer Reibkonusfläche versehen sein, die mit einem Synchronring zunächst im Reibschluss steht, bevor nach dem Durchschalten eine formschlüssige Verbindung hergestellt wird.
Ein solcher Kupplungskörper kann in einem herkömmlichen Verfahren als tiefgezogenes Bauteil aus einem Stahlblech vorgefertigt, anschließend gehärtet, geschliffen, und abschließend gehont werden. Dies stellt ein relativ aufwändiges und damit vergleichsweise kostenintensives Fertigungsverfahren dar.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fertigungsverfahren für einen als tiefgezogenes Bauteil vorliegenden Kupplungskörper anzugeben, welches eine besonders kostengünstige, aber dennoch präzise Herstellung desselben ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen Kupplungskörper anzugeben, der besonders kostengünstig und präzise herstellbar ist.
Lösung der Aufgabe
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach ist ein Fertigungsverfahren für einen in einem Vorfertigungszustand als tiefgezogenes Bauteil vorliegenden Kupplungskörper vorgesehen, wobei in dem Fertigungsverfahren explizit kein Schleifschritt eingesetzt wird, wobei also die Oberflächenbehandlung des Kupplungskörpers ohne Schleifen erfolgt.
Optional umfasst das Herstellungsverfahren einen Härteschritt. Mit Härteschritt ist dabei ein Verfahrensschritt bezeichnet, in welchem das Gefüge (die Mikrostruktur) eines Werkstoffes (des Kupplungskörpers) gezielt verändert wird, um seine mechanische Widerstandsfähigkeit zu erhöhen.
Das in dem Honschritt durchgeführte Honen bezeichnet ein zerspanendes Feinbearbeitungsverfahren, wobei mithilfe eines Schleifmittels, welches in Form von Schleifkörnern in einem sogenannten Honstein gebunden ist, die Maß- und Formgenauigkeit, vorwiegend jedoch die tribologischen Eigenschaften des Werkstoffes (des Kupplungskörpers) – positiv – beeinflusst werden. Beim Honen wird insbesondere mit vergleichsweise geringem Anpressdruck (bevorzugt zwischen 10 und 100 N/cm²) und relativ niedriger Schnittgeschwindigkeit (bevorzugt bis max. 5 m/s) des Honsteins gearbeitet, sodass in den Randbereichen des Kupplungskörpers kaum Druck- oder Wärmeeinflüsse (max. 100°C) entstehen. Somit ändert sich beim Honen das oberflächennahe Randzonengefüge des Kupplungskörpers vergleichsweise wenig.
In Abgrenzung zum Honen wird unter Schleifen zwar auch ein zerspanendes Bearbeitungsverfahren durch gebundene Schleifkörner verstanden, allerdings werden beim Schleifen deutlich höhere Schnittgeschwindigkeiten, beispielsweise von 20 m/s bis zu 120 m/s, erreicht. Hierdurch entstehen beim Schleifen entsprechend hohe Randzonentemperaturen, wodurch das Randzonengefüge des Kupplungskörpers im Vergleich zum Honen stärker beeinflusst wird.
Durch den Verzicht auf einen zusätzlichen Schleifschritt stellt das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren eine besonders kostengünstige Herstellungsmethode für einen Kupplungskörper dar. Dass dabei auf das Schleifen verzichtet wird, ist an dem fertigen Kupplungskörper durch seine Oberflächenstruktur deutlich nachweisbar. Insbesondere weist der Kupplungskörper keine Schleifspuren, sondern lediglich eine für das Honen typische Oberflächenstruktur auf. Diese entsteht durch eine periodisch wechselnde Hubbewegung des Honsteins, welche mit einer Drehbewegung verbunden ist, sodass sich die entstehenden Bearbeitungsriefen typsicherweise etwa in einem Rautenmuster unter einem bestimmten Winkel kreuzen.
Durch den in dem Verfahren vorgesehenen Honschritt ist trotz des Verzichts auf den Schleifschritt dennoch eine präzise Herstellung des Kupplungskörpers gegeben. Insbesondere ist eine geforderte Rundheit des Kupplungskörpers von maximal 0,07 mm erreichbar. Die Rundheit ist definiert durch die Breite eines Toleranzringes, in welchem das runde Bauteil mit seinem Umfang eingeschrieben werden kann.
In einer ersten Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass der als tiefgezogenes Bauteil vorliegende Kupplungskörper zunächst in dem Härteschritt wärmebehandelt und anschließend gehont wird. Als Wärmebehandlung ist dabei insbesondere das sogenannte Einsatzhärten vorgesehen, wobei der Kupplungskörper zunächst (zur Erhöhung des Randkohlenstoffgehalts) bei einer hohen Temperatur (ca. 900 °C) aufgekohlt und anschließend gehärtet („abgeschreckt“) und angelassen wird. Insbesondere wird hierbei nur ein oberflächennaher Bereich des Kupplungskörpers gehärtet, sodass der Kupplungskörper durch das Einsatzhärten vorteilhafterweise einen vergleichsweise duktilen Kern, bei einer gleichzeitig harten Oberfläche erhält. Alternativ hierzu ist in dieser ersten Verfahrensvariante auch denkbar, dass der Kupplungskörper durchgehärtet wird.
In einer zweiten Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass der als tiefgezogenes Bauteil vorliegende Kupplungskörper zuerst gehont wird, also insbesondere im nicht gehärteten Zustand „weich“-gehont wird, und anschließend in dem Härteschritt nitrocarburiert wird. Beim sogenannten Nitrocarburieren wird in einem thermochemischen Verfahren (bei etwa 600°C) insbesondere die oberflächennahe Randschicht des Kupplungskörpers mit Stickstoff und Kohlenstoff angereichert. Da dem Nitrocarburieren normalerweise kein (mit einer Gefügeveränderung verbundenes) Abschrecken nachgeschaltet ist, wird dabei die durch das Honen erzeugte Oberflächenbeschaffenheit des Kupplungskörpers nicht wesentlich verändert.
Bevorzugt wird der vorgesehene Härteschritt derart durchgeführt, dass eine Oberflächenhärte von 300 bis 800 HV (Vickershärte) des Kupplungskörpers erreicht wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Kupplungskörper nur abschnittsweise dem Härteschritt unterzogen. Insbesondere ist vorgesehen, nur die Teile des Kupplungskörpers zu härten, die nicht am Reibschluss teilnehmen.
Zweckmäßigerweise wird der in dem Fertigungsverfahren vorgesehene Honschritt derart durchgeführt, dass bezüglich der Oberflächenrauigkeit eine gemittelte Rautiefe Rz von 1 bis 5 µm erreicht wird. Dabei wird der Honschritt insbesondere im Bereich einer zur Kraftübertragung vorgesehenen Reibfläche des Kupplungskörpers durchgeführt. Diese Reibfläche darf weder zu rau sein, da dies zu erhöhtem Verschleiß führt, noch darf sie zu glatt sein, da ansonsten ihre Reibwirkung nicht ausreichend hoch ist. Die vorgesehene gemittelte Rautiefe hat sich als ein geeigneter Kompromiss gezeigt.
Vorzugsweise wird als Werkstoff für den Kupplungskörper Stahl, insbesondere ein Einsatzstahl, z.B. 16 Mn Cr5 oder ein Durchhärtestahl, z.B. C80 U, herangezogen.
Weist der Kupplungskörper einen Reibkonus auf, kann dessen Oberfläche durch ein Ätzverfahren modifiziert werden. Durch die Art und Dauer des Ätzverfahrens können die Oberflächeneigenschaften innerhalb gewisser Grenzen mitbestimmt werden. Durch das Ätzverfahren wird die Oberfläche des Reibelements mikroskopisch nicht gleichmäßig abgetragen. Vielmehr wird diese aufgeraut, so dass kleine Kavitäten entstehen und die Oberfläche bei längerem Ätzen auch porös werden kann. Die Kavitäten eignen sich hervorragend zur Zwischenspeicherung des Öls während des Synchronisationsprozesses und erlauben sowohl eine gute Hitzeabfuhr als auch ein gewünschtes zeitliches Verzögern des Synchronisationsvorgangs. Kostenintensive und aufwändige Nachbearbeitungsverfahren wie Honen können entfallen. Vorteilhafterweise wird durch das Ätzverfahren weder Hitze in das Reibmaterial eingebracht noch das Ätzverfahren weder Hitze in das Reibmaterial eingebracht noch wird es verformt, so dass Rundheitsanforderungen leichter einzuhalten sind und eine Nacharbeit teilweise entfallen kann. In seiner Gefügestruktur wird das Material vorteilhaftwerweise nicht verändert. In einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, mit dem Ätzverfahren gezielt eine bestimmte Rautiefe zu erzeugen. Ebenso sind über die Reibfläche gezielt wechselnde Rautiefen und bestimmte Oberflächenstrukturen bis hin zu makroskopisch sichtbaren Nuten denkbar.
Auch wenn das Herstellungsverfahren am Beispiel eines tiefgezonenen Bauteils beschrieben wurde, kann der Kupplungskörper auch anderweitig kaltumformtechnisch hergestellt sein. Ein Kupplungskörper ohne Konuskragen kann beispielsweise aus Drahtmaterial geformt sein.
Bezüglich des Kupplungskörpers wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 8. Danach ist ein Kupplungskörper vorgesehen, welcher gemäß dem oben beschriebenen Fertigungsverfahren hergestellt ist.

Claims

Fertigungsverfahren für einen in einem Vorfertigungszustand als tiefgezogenes Bauteil vorliegenden Kupplungskörper, welches einen Honschritt umfasst, wobei kein zusätzlicher Schleifschritt eingesetzt wird.
Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Bauteil zuerst in dem Härteschritt wärmebehandelt wird, insbesondere einsatzgehärtet wird, und anschließend gehont wird.
Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Bauteil zuerst gehont wird und anschließend in dem Härteschritt nitrocarburiert wird.
Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in dem Härteschritt eine Oberflächenhärte von 300 bis 800 HV erreicht wird.
Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kupplungskörper nur abschnittsweise gehärtet wird.
Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in dem Honschritt bezüglich der Oberflächenrauigkeit eine gemittelte Rautiefe Rz von 1 bis 5 µm erreicht wird.
Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei als Werkstoff für das Bauteil Stahl, insbesondere ein Einsatzstahl, z.B. 16 Mn Cr5 oder ein Durchhärtestahl, z.B. C80 U, herangezogen wird.
Kupplungskörper, welcher nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 gefertigt ist.