DE10215881A1

DE10215881A1 - Zahnrad zur Verwendung bei einer Verzahnung

Info

Publication number: DE10215881A1
Application number: DE2002115881
Authority: DE
Inventors: Karl Benkler
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2002-04-11
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2003-10-23

Abstract

Es wird ein Zahnrad zur Verwendung bei einer Verzahnung mit mehreren ineinander greifenden Zahnrädern vorgeschlagen, wobei das Zahnrad eine geeignete Beschichtung aufweist, sodass ein Trockenlauf möglich ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zahnrad zur Verwendung bei einer Verzahnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Zahnräder sind aus der Getriebetechnik hinreichend bekannt. Bei einer aus mehreren ineinander greifenden Zahnrädern bestehenden Verzahnung werden geeignete Schmiermittel verwendet, um insbesondere die Reibwerte zwischen den Zähnen der Zahnräder möglichst gering zu halten. Ferner können die Zahnräder der Verzahnung auch beschichtet werden, um zusätzlich die Reibung an den Zahnrädern zu reduzieren.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei Verlust des Schmiermittels, beispielsweise durch Leckage, die Reibwerte bei der Verzahnung auch bei beschichteten Zahnrädern derart ansteigen, dass durch erhöhten Verschleiß nach einer gewissen Zeit eine Zerstörung der Verzahnung bzw. der Zahnräder eintritt. Darüber hinaus werden auch die Laufgeräusche der Verzahnung erhöht. Folglich ist mit den bekannten Zahnrädern kein Trockenlauf, also ein Betrieb ohne Verwendung eines Schmiermittels, der Verzahnung möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zahnrad zur Verwendung bei einer Verzahnung der eingangs genannten Gattung vorzuschlagen, mit dem ein Trockenlauf ermöglicht wird, ohne dabei insbesondere den Verschleiß und die Laufgeräusche zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Demnach wird ein Zahnrad vorgeschlagen, welches eine Beschichtung mit unterschiedlichen Schichten aufweist. Bei Verzahnungen mit erfindungsgemäßen Zahnrädern wird in vorteilhafter Weise die Verschleißfestigkeit erhöht. Ferner wird die sogenannte Fresstragfähigkeit verbessert und auch der Reibungskoeffizient reduziert sowie die Laufgeräusche verringert. Des weiteren wird der Korrosionsschutz bei den Zahnrädern durch die Beschichtung erhöht. Auf diese Weise kann bei einer Verzahnung mit mehreren ineinander greifenden erfindungsgemäßen Zahnrädern ein Trockenlauf durchgeführt werden, sodass kein Schmiermittel erforderlich ist.

Besonders vorteilhaft ist es, dass in Fällen, in denen kein Schmiermittel verwendet werden darf, eine Verzahnung mit den erfindungsgemäßen Zahnrädern eingesetzt werden kann. Möglich Einsatzgebiete können beispielsweise in der Vakuumtechnik oder in der Lebensmittelindustrie liegen. Ferner können die erfindungsgemäßen Zahnräder zur Kombination von Stirnkupplungen und Laufverzahnungen verwendet werden.

Im Rahmen einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Beschichtung zumindest eine harte Schicht und wenigstens eine weiche Schicht aufweist. Vorzugsweise ist die harte Schicht als Substrat bzw. Grundschicht vorgesehen. Es sind auch andere geeignete Schichtkombinationen bei der Beschichtung des erfindungsgemäßen Zahnrades möglich.

Die harte Schicht kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung Nitride und/oder Carbide und/oder Oxide der Metalle der Gruppen 3 und/oder 4A und/oder 5A und/oder 6A des Periodensystems und/oder Siliciumdioxid und/oder Siliciumcarbid umfassen. Vorzugsweise können für die harte Schicht Titancarbid TiN oder Tantalnitrid TaN oder kubisches Bornitrid cBN oder Titancarbid TiC oder Wolframcarbid WC oder Aluminiumoxid Al₂O₃ oder Siliciumdioxid SiO₂ oder Siliciumcarbid SiC oder Diamant oder modifizierter Kohlenstoff DLC verwendet werden. Es ist möglich, dass die genannten Verbindungen auch beliebig miteinander kombiniert werden, um ein Substrat zu bilden.

Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung kann die weiche Schicht Sulfide und/oder Selenide der Metalle der Gruppen 5A und/oder 6A des Periodensystems umfassen. Bevorzugt können für die weiche Schicht Molybdändisulfid MoS₂ oder Wolframsulfid WS₂ oder Niobselinid NbSe₂ verwendet werden. Es ist auch möglich, dass die genannten Verbindungen beliebig miteinander kombiniert werden, um eine weiche Schicht zu bilden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorsehen, dass das Anbringen einer Beschichtung mit einer geeigneten Verzahnungsauslegung insbesondere für hohe Reibwerte kombiniert wird. Auf diese Weise können die Bedingungen beim Trockenlauf der Verzahnung weiter verbessert werden. Mit einer speziellen Auslegungen der Zahnräder für hohe Reibwerte können bei geringen Sicherheitsanforderungen Verzahnungen auch ohne Beschichtungen betrieben werden.

Bei der Auslegung der Verzahnungen kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Eingriffsstrecke möglichst symmetrisch zum Wälzpunkt ausgestaltet werden. Bei trockenlaufenden Verzahnungen kann z. B. die Eintrittseingriffsstrecke verkleinert und die Austrittseingriffsstrecke vergrößert werden.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Hart- Weich-Beschichtung bei dem erfindungsgemäßen Zahnrad. Bevorzugt wird plasma-nitrierter-Stahl als Substrat bzw. als harte Schicht vorgesehen. Für die weiche Schicht kann mit besonderem Vorteil ein modifiziertes Wolframsulfid verwendet werden. Diese Schicht weist eine gute Haftung durch eine molekulare Bindung mit dem Substrat auf. Ferner wird eine erhebliche Reduzierung des Reibwertes erreicht. Des weiteren wirkt das modifizierte Wolframsulfid quasi wie ein Schmiermittel bzw. ein Ölfilm.

Das progressive Reibsystem am Eintrittsbeginn, welches auch stemmendes Gleiten genannt wird, hat bei einem Trockenlauf die Tendenz, die Flanken der Zahnräder aufzurauhen. Im Wälzpunkt herrscht dann reines Wälzen; hier wechselt das Reibsystem vom Typ progressiv zum Typ degressiv. Beim degressiven Reibsystem am Zahnaustritt, welches auch ziehendes Gleiten genannt wird, werden die Flanken der Zahnräder bei einem Trockenlauf geglättet.

Bei weit entfernt von dem Wälzpunkt liegenden Punkten auf der Eingriffsstrecke gleitet ein hoher Abschnitt der Gegenzahnkopfkante an einem kleinen Abschnitt der Zahnfussflanke vorbei. Die Pressung steigt in diesem Bereich aufgrund des kleinen Ersatzkrümmungsradiusses ebenfalls stark an. Bei großen Reibungswinkeln, also bei großen Reibwerten und großem Abstand zum Wälzpunkt zeigt die resultierende Kraft nicht mehr unterhalb des Drehpunktes; es besteht die Gefahr des Klemmens. Demnach wird bei Zahnrädern mit kleinen Zähnezahlen eine große Profilverschiebung am treibenden Zahnrad vorgesehen, sodass eine geringe Eintrittseingriffsstrecke und eine große Austrittseingriffsstrecke realisiert wird.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert.
In der einzigen Figur wird eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Zahnrades dargestellt. Das Zahnrad weist bei diesem Ausführungsbeispiel als harte Schicht ein plasma-nitrierten-Stahl als Substrat auf. Als weiche Schicht sind mehrere Schichten beispielsweise aus Wolframsulfid und anderen Verbindungen vorgesehen.

Claims

1. Zahnrad, zur Verwendung bei einer Verzahnung mit mehreren ineinander greifenden Zahnrädern, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad eine Beschichtung mit unterschiedlichen Schichten aufweist, sodass Trockenlauffähigkeit gegeben ist.

2. Zahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung zumindest eine harte Schicht und wenigstens eine weiche Schicht aufweist.

3. Zahnrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die harte Schicht als Substrat vorgesehen ist.

4. Zahnrad nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die harte Schicht Nitride und/oder Carbide und/oder Oxide der Metalle der Gruppen 3 und/oder 4A und/oder 5A und/oder 6A des Periodensystems und/oder Siliciumdioxid und/oder Siliciumcarbid umfasst.

5. Zahnrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die harte Schicht aus Titancarbid (TiN) oder Tantalnitrid (TaN) oder kubischen Bornitrid (cBN) oder Titancarbid (TiC) oder Wolframcarbid (WC) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Siliciumdioxid (SiO₂) oder Siliciumcarbid (SiC) oder Diamant oder modifiziertem Kohlenstoff (DLC) besteht.

6. Zahnrad nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weiche Schicht Sulfide und/oder Selenide der Metalle der Gruppen 5A und/oder 6A des Periodensystems umfasst.

7. Zahnrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weiche Schicht aus Molybdändisulfid (MoS₂) oder Wolframsulfid (WS₂) oder Niobselinid (NbSe₂) besteht.

8. Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingriffsstrecke möglichst nicht symmetrisch zum Wälzpunkt vorgesehen ist, wobei die Eintrittseingriffsstrecke verringert und die Austrittseingriffsstrecke vergrößert ist.

9. Zahnrad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Zahnrädern mit geringen Zähnezahlen eine große Profilverschiebung an dem treibenden Zahnrad vorgesehen ist, um eine kleine Eintrittseingriffsstrecke und eine große Austrittseingriffsstrecke zu ermöglichen.