DE102022200948A1 - Verfahren zum Herstellen einer Laufbahn eines Wälzlagers auf einer Welle - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Laufbahn (6) eines Wälzlagers auf einer Welle (2), insbesondere einer Laufbahn (6) eines Wälzlagers (3) auf einer Welle (2) eines Fahrzeuggetriebes (1) beschrieben. Mittels Schmieden wird aus einem Vergütungsstahl ein Schmiederohling der Welle (2) hergestellt, der anschließend mittels eines Drehprozesses spanabhebend bearbeitet und dessen Oberflächenverschleißfestigkeit mittels Einsatzhärten erhöht wird. Die Oberfläche der Welle (2) wird nach dem Einsatzhärten im Bereich der Laufbahn (6) mittels Schleifen geglättet. Nach dem Schleifen der Laufbahn (6) werden zumindest in dem Oberflächenbereich der Welle (2), in dem die Laufbahn (6) vorgesehen ist, mittels eines mechanischen Oberflächenverfestigungsprozesses Druckeigenspannungen erzeugt. Die Oberfläche der Laufbahn (6) wird anschließend mittels chemischem Glattschleifen bearbeitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Laufbahn eines Wälzlagers auf einer Welle gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
  • Aus der Praxis sind Fahrzeuggetriebe, wie Handschalt- oder Doppelkupplungsgetriebe, bekannt, die beispielsweise eine sogenannte Vorgelegebauweise aufweisen. Die Fahrzeuggetriebe stehen getriebeeingangsseitig mit Antriebsmaschinen in Wirkverbindung und führen deren Antriebsmomente über Getriebewellen von einem Getriebeeingang zu einem Getriebeausgang. Dabei werden die Antriebsmomente betriebszustandsabhängig über verschiedene in den Fahrzeuggetrieben einstellbare Übersetzungen gewandelt und aus dem Getriebe ausgeleitet. Die Getriebewellen sind in den gehäusefesten Bauteilen eines Fahrzeuggetriebes mittels unterschiedlicher Lagerungsanordnungen bzw. Lagerungskonzepte drehbar gelagert.
  • Ein solches Lagerungskonzept stellt beispielsweise die sogenannte Fest-Los-Lagerung dar, bei der die Aufnahme der axialen Kräfte in beide Richtungen durch ein Lager, das sogenannte Festlager übernommen wird. Die Funktion des Festlagers ist es, die Welle in axialer Richtung eindeutig zu positionieren. Das Festlager muss also sowohl Radialkräfte als auch Axialkräfte aufnehmen und in die umgebende Konstruktion leiten können. Diese Funktion kann grundsätzlich von einem einzigen Lager erfüllt werden. Bei sehr hohen Axial- oder Radialbelastungen werden häufig zwei Lager verwendet, um die Festlagerfunktion zu erfüllen.
  • Eine vielfach eingesetzte Lagerbauart stellen sogenannte Wälzlager dar, bei welchen Wälzkörper, wie Kugeln, Zylinderrollen, Kegelrollen und dergleichen, zwischen einer äußeren Laufbahn und einer inneren Laufbahn eines solchen Wälzlagers angeordnet sind. Bei herkömmlichen Wälzlagern sind die Wälzkörper zwischen einem Lagerinnenring und einem Lageraußenring angeordnet. Die Wälzkörper rollen jeweils im Lagerinnenring und im Lageraußenring auf gehärteten Stahlflächen mit optimierter Schmierung ab.
  • Für die Gestaltung der Lagerringe eines Wälzlagers werden üblicherweise sogenannte Wälzlagerstähle, wie 100Cr6, verwendet. Wälzlagerstähle sind durch eine hohe Beständigkeit gekennzeichnet und können zusätzlich zur Robustheitssteigerung Sonderwärmebehandlungen, wie einer Karbonitrierung, unterzogen werden.
  • Wälzlager werden jedoch aufgrund der vergleichsweise hohen Herstellkosten und des großen Bauraumbedarfes auch als sogenannte Direktlagerungen für Wellen ausgeführt. Bei den Direktlagerungen wälzen die Wälzkörper eines Wälzlagers nicht auf Laufbahnen von separaten Lagerringen ab, sondern jeweils auf Laufbahnen, die direkt auf einer Außenseite einer Welle oder direkt an einer Innenseite eines Gehäuses vorgesehen sind.
  • Problematisch dabei ist jedoch, dass insbesondere Wellen aus sogenannten Einsatzstählen, wie 16MnCr5 und dergleichen, hergestellt werden, um die jeweils an sie gestellten Anforderungen erfüllen zu können. Einsatzstähle sind im Vergleich zu Wälzlagerstählen insbesondere während sogenannter Mischreibungszustände durch eine geringere Beständigkeit ausgeführt. Damit weisen Direktlagerungen, bei den die Wälzkörper direkt auf der Außenseite der Welle abwälzen, im Vergleich zu Wälzlagern mit Lagerinnenringen, die aus einem Wälzlagerstahl hergestellt sind, eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit auf.
  • Die zur Verbesserung der Robustheit von Lagerringen aus Wälzlagerstählen bekannten Sonderwärmebehandlungsprozeduren werden aufgrund wirtschaftlicher Gesichtspunkte nicht zur Verbesserung der Beständigkeit bzw. Robustheit von Laufbahnen von Direktlagerungen auf Wellen oder in Gehäusen vorgesehen.
  • Es ist eine bevorzugte Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Laufbahn eines Wälzlagers auf einer Welle, insbesondere einer Laufbahn auf einer Welle eines Fahrzeuggetriebes bereitzustellen, das hinsichtlich mindestens der folgenden Faktoren verbessert ist: Durchführbarkeit, Herstellungszeit, Herstellungskosten, Komplexität der Herstellung, Bauraumausnutzung, Betriebssicherheit, Nachhaltigkeit und/oder Bauteilzuverlässigkeit. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben.
  • Eine besonders bevorzugte Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird darin gesehen, ein Verfahren anzugeben, mittels dem ein Direktlagersitz eines Wälzlagers auf einer Welle mit einer hohen Robustheit herstellbar ist.
  • Aus verfahrenstechnischer Sicht erfolgt eine Lösung dieser Aufgabe/n ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspruches 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen.
  • Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Direktlagersitzes bzw. einer Laufbahn eines Wälzlagers vorgeschlagen, in deren Bereich Wälzkörper des Wälzlagers direkt auf einer Welle laufen. Dabei kann die Laufbahn direkt auf einer Welle eines Fahrzeuggetriebes vorgesehen sein. Zunächst wird aus einem Vergütungsstahl mittels Schmieden ein Schmiederohling der Welle, vorzugsweise aus 16MnCr5 hergestellt. Nach dem Schmieden wird der Schmiederohling mittels eines spanabhebenden Drehprozesses und einem sich daran anschließenden Einsatzhärten weiter fertigungstechnisch bearbeitet. Mittels des Einsatzhärtens wird die Oberflächenverschleißfestigkeit der Welle erhöht. Nach dem Einsatzhärten wird die Oberfläche der Welle im Bereich der Laufbahn mittels Schleifen geglättet.
  • Erfindungsgemäß werden nach dem Schleifen der Laufbahn zumindest in dem Oberflächenbereich der Welle, in dem die Laufbahn vorgesehen ist, mittels eines mechanischen Oberflächenverfestigungsprozesses Druckeigenspannungen erzeugt. Anschließend wird die Oberfläche der Laufbahn auf der Welle mittels chemischem Glattschleifen bearbeitet, um die gewünschte Oberflächengüte zu erreichen.
  • Mit anderen Worten sieht die erfindungsgemäße Vorgehensweise robustheitssteigernde Maßnahmen für die Lagerlaufbahn auf der Welle vor, während den in einem oberflächennahen Randbereich der Welle jeweils Druckeigenspannungen eingebracht werden und die mit geringen Fertigungskosten durchführbar sind. Durch die eingebrachten Druckeigenspannungen wird die Festigkeit der Laufbahn mit geringem fertigungstechnischen Aufwand erhöht und eine Wahrscheinlichkeit für Ausfälle und Schäden im Bereich eines Direktlagersitzes der Welle insbesondere während Mischreibungszuständen reduziert. Dadurch wird eine Lebensdauer einer Direktlagerung einer Welle auf einfache Art und Weise verlängert.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Oberfläche der Welle im Bereich der Laufbahn nach dem Schleifen und vor dem mechanischen Oberflächenverfestigungsprozesses mittels eines Finish-Prozesses, vorzugsweise mittels eines Band- und/oder Steinfinish-Prozesses bearbeitet werden.
  • Solche Finish-Prozesse werden üblicherweise auch als Finishen oder als Superfinish bzw. als Microfinish bezeichnet, die jeweils ein hoch präzises Verfahren zur Verbesserung von Werkstückoberflächen bezeichnen. Mittels einer Rotation des Werkstückes bei gleichzeitiger Oszillation des Finish-Werkzeuges wird eine optimale Werkstückoberfläche erzeugt. Dabei werden beispielsweise zylindrische und konische Komponenten im Einstech- oder Durchlaufverfahren bearbeitet. Die Werkzeuge oszillieren linear und das Werkstück rotiert. Zusätzlich ist es auch bekannt, Laufbahnen von Kugellagern und andere ähnliche Profile mit Werkzeugen zu bearbeiten, die radial oszillieren, während das Werkstück rotiert. Die Kombination aus der Bewegung des Werkzeugs und der Drehung des Bauteils führt wiederum zu einer angestrebten glatten Werkstückoberfläche.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Druckeigenspannungen in die Oberfläche der Welle im Bereich der Laufbahn während des mechanischen Oberflächenverfestigungsprozesses auf kostengünstige Art und Weise mittels Kugelstrahlen und/oder mittels Festwalzen eingebracht werden.
  • Eine Rauheit der Oberfläche der Welle im Bereich der Laufbahn kann mittels eines chemischen Schleifprozesses auf Werte der gemittelten Rautiefe Rz kleiner gleich 1 und des Mittenrauwertes Ra kleiner gleich 0,2 erzeugt werden, der sich an den mechanischen Oberflächenverfestigungsprozess anschließt.
  • Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des unabhängigen Patentanspruches oder der hiervon abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels oder unmittelbar aus der Zeichnung hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnungen durch Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.
  • Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine stark schematisierte Teillängsschnittansicht eines Fahrzeuggetriebes mit einer Getriebewelle, die über ein Wälzlager in einem Getriebegehäuse gelagert ist, wobei ein Direktlagersitz des Wälzlagers direkt auf der Welle vorgesehen ist.
  • In der Figur ist eine Teillängsschnittansicht eines Fahrzeuggetriebes 1 mit einer Welle 2 gezeigt. Die Welle 2 ist über ein Wälzlager 3 in einem Getriebegehäuse 4 drehbar gelagert. Das Wälzlager 3 ist Teil einer sogenannten Fest-Los-Lagerung der Welle 2 und vorliegend als Zylinderrollenlager ausgeführt. Dabei ist das Wälzlager 3 ohne Innenring ausgeführt. Wälzkörper 5 des Wälzlagers 3 laufen direkt auf einer Lauffläche bzw. Laufbahn 6 des Wälzlagers 3, die an einer Außenseite der Welle 2 vorgesehen ist.
  • Während eines Herstellprozesses der Welle 2 wird zunächst mittels Schmieden ein sogenannter Schmiederohling hergestellt, der anschließend mittels Drehen weiter spanabhebend bearbeitet wird. Im Anschluss daran wird der drehend bearbeitete Schmiederohling mittels eines sogenannten Einsatzhärtungs-Prozesses gehärtet. Daran anschließend erfolgt eine sogenannte Hart-Endbearbeitung, während der das gehärtete Werkstück bzw. die Welle 2 an ihrer Außenseite mittels Schleifen bearbeitet wird, um eine gewünschte Oberflächengüte zu erreichen. Optional folgt auf das Schleifen der Oberfläche der Welle 2 ein sogenanntes Bandfinishen, während dem beispielsweise ein flexibler Riemen um die Lagerfläche bzw. um den Oberflächenbereich der Welle 2 gelegt wird, der die Lauffläche 6 bildet. Über das Bandfinishen wird eine noch feinere Oberfläche der Welle im Bereich der Lauffläche 6 erzielt, als dies mittels des Schleifprozesses umsetzbar ist. Anstelle des sogenannten Bandfinishen besteht auch die Möglichkeit, die Lauffläche 6 der Welle 2 zur Verbesserung der Oberflächengüte mittels Steinfinishen zu bearbeiten.
  • Um die Robustheit der Lauffläche 6 der Welle 2 zu verbessern, wird bei der Endbearbeitung der Lauffläche 6 ein Oberflächenverfestigungsprozess durchgeführt. Während des Oberflächenverfestigungsprozess werden in den oberflächennahen Randbereich der Lauffläche 6 der Welle 2 Druckeigenspannungen eingebracht. Dabei wird die Lauffläche 6 des Wälzlagers 3 der Welle 2 mittels Kugelstrahlen und/oder Festwalzen bearbeitet.
  • Um nach dem Oberflächenverfestigungsprozess der Lauffläche 6 eine gewünscht glatte Oberfläche im Bereich der Lauffläche 6 zu erzielen, wird die Welle 2 im Bereich der Lauffläche 6 mittels chemischem Glattschleifen bearbeitet. Dabei wird das chemische Glattschleifen in einem derartigen Umfang durchgeführt, dass eine Rauheit der Oberfläche der Welle 2 im Bereich der Laufbahn bzw. der Lauffläche 6 auf Werte der gemittelten Rautiefe Rz kleiner gleich 1 und des Mittenrauwertes Ra kleiner gleich 0,2 erzeugt wird und gleichzeitig das Druckniveau der zuvor eingebrachten Druckeigenspannungen möglichst aufrecht erhalten wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Fahrzeuggetriebe
    2
    Welle
    3
    Wälzlager
    4
    Getriebegehäuse
    5
    Wälzkörper
    6
    Laufbahn, Lauffläche

Claims (5)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Laufbahn (6) eines Wälzlagers auf einer Welle (2), insbesondere einer Laufbahn (6) eines Wälzlagers (3) auf einer Welle (2) eines Fahrzeuggetriebes (1), wobei mittels Schmieden aus einem Vergütungsstahl ein Schmiederohling der Welle (2) hergestellt wird, der anschließend mittels eines Drehprozesses spanabhebend bearbeitet wird und dessen Oberflächenverschleißfestigkeit mittels Einsatzhärten erhöht wird, und wobei die Oberfläche der Welle (2) im Bereich der Laufbahn (6) nach dem Einsatzhärten mittels Schleifen geglättet wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schleifen der Laufbahn (6) zumindest in dem Oberflächenbereich der Welle (2), in dem die Laufbahn (6) vorgesehen ist, mittels eines mechanischen Oberflächenverfestigungsprozesses Druckeigenspannungen erzeugt werden, wobei die Oberfläche der Laufbahn (6) anschließend mittels chemischem Glattschleifen bearbeitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Welle (2) im Bereich der Laufbahn (6) nach dem Schleifen und vor dem mechanischen Oberflächenverfestigungsprozesses mittels eines Finish-Prozesses, vorzugsweise mittels eines Band- und/oder Steinfinish-Prozesses bearbeitet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Laufbahn (6) während des mechanischen Oberflächenverfestigungsprozesses mittels Kugelstrahlen Druckeigenspannungen in die Oberfläche der Welle (2) eingebracht werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Laufbahn (6) während des mechanischen Oberflächenverfestigungsprozesses mittels Festwalzen Druckeigenspannungen in die Oberfläche der Welle (2) eingebracht werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rauheit der Oberfläche der Welle (2) im Bereich der Laufbahn (6) mittels des chemischen Schleifprozesses auf Werte der gemittelten Rautiefe Rz kleiner gleich 1 und des Mittenrauwertes Ra kleiner gleich 0,2 erzeugt wird.
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Chemisches Polieren und Entgraten

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