DE10223548A1 - Planetenträger - Google Patents

Abstract

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Planetenträger bereitgestellt, der Ritzel eines Planetengetriebesatzes durch Ritzelwellen hält. Die Ritzelwellen haltende Halterungsabschnitte weisen jeweils eine flache gehärtete Oberfläche auf, die durch Ultrahochfrequenz-Induktionshärten gehärtet sind. Dadurch kann die Haltbarkeit der die Ritzelwellen tragenden Öffnungen eines kaltumgeformten gepreßten Werkstücks ohne Wärmespannung verbessert werden.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Planetengetriebesatz zur Verwendung in verschiedenen Kraftübertragungsvorrichtungen, z. B. in Automatikgetrieben und ähnlichen Vorrichtungen. Die Erfindung betrifft insbesondere die Struktur eines Trägers, der Ritzel des Planetengetriebesatzes trägt und hält.
• Ein Planetenträger in einem Planetengetriebesatz bildet bekanntermaßen ein Element, das Drehbewegungen von Ritzeln überträgt, die sich in Eingriff mit einem Sonnenrad und einem Hohlrad drehen. Die Ritzel werden auf dem Planetenträger durch eine Struktur drehbar gehalten, gemäß der die Ritzel auf Ritzelwellen drehbar gehalten werden, die auf dem Planetenträger durch Buchsen oder ähnliche Elemente nicht-drehbar gehalten werden. Ritzelwellenhalterungsabschnitte des Planetenträgers erfahren Torsionsverformungen, die durch Belastungen oder Beanspruchung verursacht werden, die in Verbindung mit der Kraftübertragung über die Ritzel verursacht werden, so daß aufgrund einer geringfügigen Gleitbewegung zwischen Umfangsflächen der Wellen und den Halterungsabschnitten Reibung auftritt. Um hinsichtlich der vorstehend erwähnten Reibung eine geeignete Dauerfestigkeit oder Haltbarkeit zu gewährleisten, werden Planetenträger herkömmlich durch Bearbeiten warmgeschmiedeter oder warmumgeformter Werkstücke hergestellt, obwohl warmumgeformte Werkstücke eine höhere Härte haben und daher schlechter bearbeitbar sind als kaltumgeformte und gepreßte Werkstücke.
• Die Verwendung eines warmumgeformten Werkstücks als Material eines Planetenträgers führt jedoch aufgrund der geringen Produktivität und der schlechten Material- oder Werkstoffausnutzung im Schritt zum Bearbeiten des warmumgeformten Werkstücks zu wesentlich höheren Fertigungskosten. Hinsichtlich dieses Problems ist es vorstellbar, als Planetenträgermaterial ein kaltumgeformtes Werkstück zu verwenden, das gut bearbeitbar ist und eine gute Werkstoffausnutzung gewährleistet, oder ein gepreßtes Werkstück, durch das eine hohe Produktivität ermöglicht wird, und lediglich Wellenhalterungsabschnitte des Werkstücks, die abriebfest sein müssen, zu härten. In diesem Verfahren wird die Wärmebehandlung jedoch im Anschluß an einen Fertigbearbeitungsprozeß des Wellenhalterungsabschnitts ausgeführt, der normalerweise ein Bohrprozeß ist, dem aufgrund hoher Anforderungen bezüglich der Positionsgenauigkeit und der Parallelität ein Reibbearbeitungsprozeß folgt. Daher wird durch einen herkömmlichen Härtungsprozeß mit einer großen Einhärte- oder Einwärmtiefe eine wesentliche Wärmespannung in den Wellenhalterungsabschnitten erzeugt. Dieses Problem ist im Fall gepreßter Werkstücke aufgrund ihrer großen Anfälligkeit für thermische oder Wärmespannungen besonders nachteilig.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Haltbarkeit von Halterungsabschnitten eines Planetenträgers zu verbessern, die Ritzel eines Planetengetriebes über Ritzelwellen halten, indem ein Härtungsprozeß mit verminderten thermischen Effekten verwendet wird.
• Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, den thermischen Effekt beim Härten der Halterungsabschnitte zu reduzieren, indem hinsichtlich der Lastaufnahmecharakteristik des Planetenträgers eine Richtungscharakteristik für den Härtungsprozeß bereitgestellt wird.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.
• Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht, in denen ähnliche Bezugszeichen verwendet werden, um ähnliche Elemente zu bezeichnen; es zeigen:
• Fig. 1 eine Querschnittansicht in Richtung einer Achse zum Darstellen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Planetengetriebesatzes;
• Fig. 2A und 2B schematische Diagramme zum Darstellen eines Verfahrens eines Ultrahochfrequenz-Induktionshärtungsprozesses;
• Fig. 3 einen Graphen zum Darstellen einer Beziehung zwischen der Induktionsfrequenz und der durch das Induktionshärten erzielten Einhärte- oder Einwärmtiefe;
• Fig. 4 einen Graphen zum Darstellen einer durch das Hochfrequenz-Induktionshärten erhaltenen Härteverteilung im Vergleich zu einer durch einen normalen Härtungsprozeß erhaltenen Härteverteilung; und
• Fig. 5 eine Draufsicht zum Darstellen einer Beziehung zwischen der Positionseinstellung von im Induktionshärtungsprozeß verwendeten Induktionsspulen und einem hinteren Träger.
• Fig. 1 zeigt einen Planetengetriebesatz, auf den die vorliegende Erfindung angewendet wird, in einer Querschnittansicht entlang einer Achse des Planetengetriebesatzes. In dieser Ansicht ist der Planetengetriebesatz in einem Automatikgetriebe angeordnet. Diese Ausführungsform eines Planetengetriebesatzes ist ein Vier-Elemente-Planetengetriebesatz, der gebildet wird durch ein Sonnenrad S, einen Satz abgestufter Ritzel P1 (vier in einer Umfangsrichtung angeordnete Ritzel (nicht dargestellt)), dessen Zahnräder 11 mit großem Durchmesser mit dem Sonnenrad S in Eingriff stehen, ein Hohlrad R1 mit kleinem Durchmesser, das mit Zahnrädern 12 mit kleinem Durchmesser des abgestuften Ritzels P1 in Eingriff steht, einen Satz kurzer Ritzel P2 (vier in einer Umfangsrichtung angeordnete Zahnräder), der mit den Zahnrädern 11 mit großem Durchmesser der abgestuften Ritzel P1 in Eingriff steht, ein Hohlrad R2 mit großem Durchmesser, das mit den kurzen Ritzeln P2 in Eingriff steht, und einen gemeinsamen Planetenträger C gebildet, der die beiden Ritzelsätze hält, d. h. die abgestuften Ritzel P1 und die kurzen Ritzel P2. In dieser Ausführungsform weisen Außenumfangsflächen des Hohlrades R1 mit kleinem Durchmesser und des Hohlrades R2 mit großem Durchmesser Keilverzahnungen für einen Eingriff mit und zum Halten von Reibungselementen von Mehrscheibenkupplungen (nicht dargestellt) auf, und die beiden Hohlräder R1, R2 dienen außerdem als Naben von Mehrscheibenkupplungen.
• In dieser Ausführungsform des Planetengetriebesatzes wird der Planetenträger C gebildet durch einen vorderen Träger C1 mit einem Flanschabschnitt 22, der sich von einem Ende eines sich in Richtung seiner Achse erstreckenden zylinderförmigen Vorsprungabschnitts 21 radial erstreckt, eine schalenförmige Trägerabdeckung 2, deren Öffnungsseite mit einem Außenumfang des Flanschabschnitts 22 des vorderen Trägers C1 verbunden ist, und einen schalenförmigen hinteren Träger C3, dessen Öffnungsseite mit einem Innenumfang der Trägerabdeckung C2 verbunden ist. Der Flanschabschnitt 22 des vorderen Trägers C1 weist Wellenöffnungen 23, 24 (Halterungsabschnitte) auf, in die erste Seitenendabschnitte von Ritzelwellen 31, 32 der abgestuften Ritzel P1 und der kurzen Ritzel P2 eingepaßt sind. Ein unterer Abschnitt der Trägerabdeckung C2 weist Wellenöffnungen 25 (Halterungsabschnitte) auf, in die zweite Seitenendabschnitte der Ritzelwellen 32 der kurzen Ritzel P2 eingepaßt sind. Ein unterer Abschnitt des schalenförmigen hinteren Trägers C3 weist Wellenöffnungen 26 (Halterungsabschnitte) auf, in die zweite Seitenendabschnitte der Ritzelwellen 31 der abgestuften Ritzel P1 eingepaßt sind.
• Der gemäß der vorstehenden Beschreibung konstruierte Planetenträger C wird an einem Endabschnitt (am in der Zeichnung rechts dargestellten vorderen Träger C1) auf einer Sonnenradwelle 10 gehalten, die mit dem Sonnenrad S auf in einer radialen Richtung freitragende Weise integral ausgebildet ist. Die Trägerabdeckung C2 wird durch den vorderen Träger C1 gehalten, und der hintere Träger C3 wird über die Trägerabdeckung C2 durch den vorderen Träger C1 gehalten. Daher tritt, wenn während der Kraft- oder Leistungsübertragung zwischen dem Hohlrad R1 mit kleinem Durchmesser und den abgestuften Ritzeln P2 eine derartige Kraft auftritt, daß die Achse des Zahnrades 12 mit kleinem Durchmesser des abgestuften Ritzels P1 von der Achse des Zahnrades 11 mit großem Durchmesser des abgestuften Ritzels P1 in einer Umfangsrichtung verschoben wird, eine Torsionsverformung der die abgestuften Ritzel P1 tragenden Ritzelwellen 31 um die Sonnenradwelle 10 auf. Die Torsionsverformung kann aufgrund der langen Halterungsspanne der Ritzelwellen 31 sehr groß werden. Daher tritt zwischen den Umfangsflächen der Ritzelwellen 31 und den Umfangsflächen der Wellenöffnungen 26 Reibungsabrieb auf, so daß die Haltbarkeit abnimmt.
• Um diesen Reibungsabrieb zu unterdrücken, werden in den Umfangsflächen der Wellenöffnungen 26 als die Halterungsabschnitte, die unter den vorstehend erwähnten Halterungsabschnitten abriebfest sein müssen, erfindungsgemäß durch Induktionshärten gehärtete Oberflächen erzeugt. Die Fig. 2A und 2B zeigen schematisch ein erfindungsgemäßes Induktionshärtungsverfahren. Nachdem der vordere Träger C1, die Trägerabdeckung C2 und der hintere Träger C3 zusammengesetzt sind, werden vier Wellenöffnungen 26 ausgebildet, und die Öffnungswandflächen der Wellenöffnungen werden durch eine Reibbearbeitung fertigbearbeitet. Die Trägeranordnung wird dann mit dem hinteren Träger 3 nach oben angeordnet, und eine Induktionsspule U wird in eine Wellenöffnung 26 eingesetzt, wobei von der Umfangswandfläche der Wellenöffnung 26 ein vorgegebener Abstand eingehalten wird, wie in Fig. 2B dargestellt. Daraufhin wird veranlaßt, daß für eine sehr kurze Zeit Ultrahochfrequenzströme fließen. Die elektrischen Stromflüsse sind in der Zeichnung durch Pfeile dargestellt. Strom fließt von einem Ende der Spule U im Uhrzeigersinn für etwa eine vollständige Runde entlang der Öffnungswand durch die Spule U und verursacht Induktionsströme, d. h. Wirbelströme, in einer vorgegebenen Tiefe von der Umfangswandfläche der Wellenöffnung (eine Beziehung zwischen der Tiefe und der Induktionsfrequenz wird nachstehend beschrieben). Durch diese Hochfrequenz- oder Wirbelstromerwärmung wird ein Induktionshärtungsprozeß ausgeführt.
• Wenn die Elektrifizierungszeit etwa 0,8 s beträgt, erfolgt die Elektrifizierung in einem Zustand, in dem die Trägeranordnung in Wasser eingetaucht ist, um nach der Wirbelstromerwärmung eine schnelle Wärmeabstrahlung oder -dissipation zu ermöglichen. Die Elektrifizierungszeit kann auf etwa 0,2 s reduziert werden. Es hat sich gezeigt, daß, wenn die Elektrifizierungszeit etwa 0,2 s beträgt, während die Trägeranordnung anstatt in Wasser in der Atmosphäre angeordnet ist, die Wärmeabstrahlung oder -dissipation nach der Wirbelstromerwärmung geeignet und ausreichend ist.
• Fig. 3 zeigt eine Beziehung zwischen der Induktionsfrequenz und der durch das vorstehende Induktionshärten erreichten Einwärmtiefe. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist die durch Induktionsfrequenzen von 3 bis 400 kHz, d. h. für Wirbelstromerwärmung typischerweise verwendete Frequenzen, erreichte Einwärmtiefe relativ groß, d. h. sie beträgt z. B. bei 10 kHz 0,2 mm und bei 100 kHz etwa 0,05 mm. Im bei einer Frequenz von mindestens 400 kHz ausgeführten erfindungsgemäßen Induktionshärtungsprozeß beträgt die Einwärmtiefe etwa 0,02 mm (wie durch ein sternähnliches Zeichen dargestellt), d. h., die Wirkung des Induktionshärtens ist auf einen sehr flachen Oberflächenbereich jeder Wellenöffnung beschränkt. Daher ist offensichtlich, daß die durch das erfindungsgemäße Ultrahochfrequenz-Induktionshärten im Planetenträger verursachten Wärmespannungen sehr klein sind.
• Fig. 4 zeigt eine durch das erfindungsgemäßen Ultrahochfrequenz-Induktionshärtungsverfahren erhaltene Härteverteilung im Vergleich zu einer durch einen normalen Induktionshärtungsprozeß erhaltenen Härteverteilung. Wie durch das Symbol "□" dargestellt ist, wird durch den normalen Induktionshärtungsprozeß in einem Bereich, der sich über etwa 2 mm von der Oberfläche erstreckt, eine Vickershärte (Hv) von etwa 380 erhalten. Im durch das Symbol "♦" dargestellten erfindungsgemäßen Ultrahochfrequenz-Induktionshärtungsverfahren erstreckt sich ein Bereich mit einer Vickershärte von mehr als 400 über etwa 0,7 mm von der Oberfläche, d. h. der Bereich ist sehr flach. Außerdem wird ein thermisch beeinflußter Bereich im Vergleich zu 2,5 mm im Fall des normalen Induktionshärtungsprozesses auf etwa 1 mm oder etwas mehr von der Oberfläche begrenzt.
• Die vorstehend erwähnte bogenförmige Induktionsspule weist einen Isolierschlitz zwischen den beiden Umfangsenden der Spule auf, d. h. der Schlitz unterbricht die Umfangskontinuität der kreisförmigen Spule. Dadurch wird, wenn diese Spule zum Härten einer Wellenöffnung verwendet wird, ein dem Isolierschlitz der Spule zugewandter Abschnitt der Öffnungswand nicht durch Wirbelstromerwärmung erwärmt, so daß dieser Abschnitt nicht wunschgemäß gehärtet wird. Daher ist eine derartige Spule nicht in der Lage, den gesamten Umfang der Wellenöffnung zu härten. Um diesen Nachteil zu eliminieren, wird die Ausrichtung der Induktionsspule erfindungsgemäß eingestellt.
• Fig. 5 zeigt Beziehungen zwischen einer Draufsicht des Planetenträgers und den Installationsrichtungen von für das Induktionshärten vorgesehenen Induktionsspulen. Wie gemäß Fig. 5 ersichtlich ist, ist jede Induktionsspule U so angeordnet, daß der Isolierschlitz G der Spule in einer spezifischen Richtung bezüglich einer Mittelöffnung 27 ausgerichtet ist, durch die die Sonnenradwelle sich erstreckt. Daher wird in einem Wandabschnitt jeder Wellenöffnung 26, der vom Isolierschlitz G der in der Wellenöffnung 26 angeordneten bogenförmigen Spule U abgewandt ist, eine gehärtete Fläche H erzeugt, wie in Fig. 5 durch eine Schraffur dargestellt ist (die einen gehärteten Zustand in einer stark übertriebenen Darstellung zeigt).
• Nachstehend wird die Richtungscharakteristik des Härtungsvorgangs beschrieben. Wenn in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eines Planetengetriebesatzes eine Kupplung, deren nabenseitiger Abschnitt in Fig. 1 dargestellt ist, für eine Drehmomentübertragung zwischen dem Hohlrad R1 mit kleinem Durchmesser und den abgestuften Ritzeln P1 eingerückt ist, tritt eine Belastung in einer derartigen Richtung auf, daß die abgestuften Ritzel P1 sich um die Sonnenradwelle 10 drehen. Nachstehend wird das Verformungsverhalten des Planetenträgers C in Verbindung mit der vorstehend erwähnten Belastung betrachtet. Ein Abschnitt des Planetenträgers an der Seite des vorderen Trägers C1 hat eine hochgradig steife Struktur, gemäß der der zylindrische Vorsprungabschnitt 21 sich vom radial inneren Abschnitt des Flanschabschnitts 22 erstreckt, der vollkommen kreisscheibenförmig ausgebildet ist und keinen Schlitz und keine Unterbrechung aufweist. Die schalenförmige Trägerabdeckung C2 des Planetenträgers C weist dagegen eine Öffnung auf, durch die die kurzen Ritzel P2 freigelegt werden. Ähnlicherweise weist der schalenförmige hintere Träger C3 eine Öffnung auf, durch die die Zahnräder 12 mit kleinem Durchmesser der abgestuften Ritzel P1 freigelegt werden. Daher ist die Steifigkeit des Abschnitts an der Seite des hinteren Trägers C3 des Planetenträgers C relativ gering, wenn der gesamte Träger C betrachtet wird. Dadurch wird, wenn eine Belastung auftritt, wie vorstehend erwähnt, jede Ritzelwelle 31 der abgestuften Ritzel P1 um einen Halterungsabschnitt, dessen Drehbewegung durch einen an einer Seite des vorderen Trägers C1 angeordneten Stift 30 verhindert wird, in einer Umfangsrichtung bezüglich der Sonnenradwelle 10 als Mittelpunkt geneigt, wodurch eine Torsionsverformung eines Abschnitts an der Seite des hinteren Trägers C3 verursacht wird. Aufgrund der Neigung der Ritzelwellen 31 tritt zwischen den Außenumfangsflächen der Ritzelwellen 31 und den Öffnungswandflächen der Wellenöffnungen 26 eine Gleitbewegung auf, obgleich die Gleitbewegung gering ist. In diesem Fall stimmt die Gleitebene mit der Belastungsrichtung überein.
• Die Belastungsrichtung verläuft für diese Ausführungsform des Planetenträgers C von einer am Mittelpunkt der Wellenöffnungen gebildeten Tangente eines sich durch die Mitten der Wellenöffnungen 26 in Fig. 5 erstreckenden Kreises etwa 45° nach innen. Daher wird die Richtungscharakteristik des Induktionshärtungsprozesses entsprechend der Belastungsrichtung geeignet so eingestellt, daß die gehärteten Oberflächen H nach Wunsch durch kreisförmige Induktionsspulen ausgebildet werden können. Das bedeutet auch, daß es möglich ist, den Härtungsbereich sowohl in der Umfangsrichtung als auch in der Tiefenrichtung zu begrenzen.
• Wie gemäß der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, ermöglicht die Konstruktion dieser Ausführungsform eine Verbesserung der Abriebfestigkeit der Halterungsabschnitte, während die durch Wärmespannung verursachte Verformung aufgrund des flachen Induktionshärtungsprozesses reduziert wird. Dadurch kann ein Planetenträger von einem gut bearbeitbaren, gepreßten, weichen unlegierten Stahlwerkstück hergestellt werden. Außerdem werden von den Halterungsabschnitten 23, 26 zum Halten der Ritzelwellen 31 an ihren ersten und zweiten Seitenendabschnitten nur die Halterungsabschnitte 26 an einer Seite, d. h. nur die Abschnitte, die abriebfest sein müssen, induktionsgehärtet. Dadurch ist die Anzahl der zu härtenden Halterungsabschnitte auf eine minimale Anzahl begrenzt, so daß die Haltbarkeit bei einer geringen Anzahl von Arbeitsstunden effizient verbessert werden kann.
• Außerdem können die Bereiche, die durch den Härtungsprozeß thermisch beeinflußt werden, auf einen Abschnitt der Umfangsfläche jeder der Wellenöffnungen 26 begrenzt werden, die Halterungsabschnitte bilden. Dadurch kann die Wirkung der Wärmespannung auf die Positionsgenauigkeit und die Parallelität der Wellenöffnungen 26 eliminiert werden. Aus einem anderen Gesichtspunkt bedeutet dies, daß der Nachteil, daß eine für das Induktionshärten verwendete, bogenförmige Härtungs- oder Induktionsspule U nicht in der Lage ist, eine 360°- oder Rundumhärtung zu ermöglichen, d. h. die Eigenschaft, daß ein Abschnitt in der Nähe des Isolierschlitzes G der Spule U nicht gehärtet wird, ausgenutzt wird, um eine gehärtete Oberfläche H durch geeignetes Härten lediglich eines notwendigen Bereichs der Umfangsfläche der Wellenöffnung 26 zu erzeugen, d. h. eines Bereichs in Richtung der vorstehend erwähnten Belastung.
• Außerdem kann durch das Ultrahochfrequenz-Induktionshärten die Einhärte- oder Einwärmtiefe der gehärteten Oberflächenabschnitte H der Halterungsabschnitte wesentlich reduziert werden. Dadurch kann die thermische Wirkung beschränkt werden, und außerdem können Spannungen zuverlässig reduziert oder eliminiert werden. Dadurch kann ein Planetenträger C mit einer sehr hohen Produktivität hergestellt werden. Außerdem kann eine hohe Positionsgenauigkeit und eine hochgradige Parallelität der Wellenöffnungen 26 erhalten werden, während ein gepreßtes Werkstück verwendet wird, das für Wärmespannung anfällig ist.

Claims (7)

1. Planetenträger zum Halten eines Ritzels eines Planetengetriebesatzes durch eine Ritzelwelle, mit:
einem die Ritzelwelle haltenden Halterungsabschnitt; und
einer durch Induktionshärten im Halterungsabschnitt ausgebildeten, flach gehärteten Oberfläche.

2. Planetenträger nach Anspruch 1, wobei der Halterungsabschnitt einen Seitenendabschnitt der Ritzelwelle hält, während ein anderer Seitenendabschnitt der Ritzelwelle am Planetenträger so befestigt ist, daß eine Drehbewegung der Ritzelwelle bezüglich des Planetenträgers im wesentlichen verhindert wird.

3. Planetenträger nach Anspruch 1, wobei der Halterungsabschnitt eine Wellenöffnung ist, in die die Ritzelwelle eingepaßt ist, und wobei die gehärtete Oberfläche ein Abschnitt einer Umfangsfläche der Wellenöffnung ist.

4. Planetenträger nach Anspruch 3, wobei die gehärtete Oberfläche in einem Abschnitt der Umfangsfläche der Wellenöffnung ausgebildet ist, wobei der Abschnitt von einem Isolierschlitz einer in der Wellenöffnung angeordneten bogenförmigen Induktionsspule abgewandt ist.

5. Planetenträger nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei das Induktionshärten bei einer Induktionsfrequenz von mindestens 400 kHz ausgeführt wird.

6. Planetenträger nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei der Planetenträger von einem gepreßten flachen Werkstück hergestellt ist, und wobei die Wellenöffnung ein durch eine Reibbearbeitung endgefertigte Öffnung ist.

7. Planetenträger nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei die gehärtete Oberfläche durch die Induktionsspule hergestellt wird, wobei die Induktionsspule so angeordnet ist, daß der vom Isolierschlitz der bogenförmigen Induktionsspule abgewandte Abschnitt im wesentlichen mit der Richtung einer Belastung übereinstimmt.