DE10247330A1

DE10247330A1 - Pulvermetallurgisch hergestellte Schaltmuffe

Info

Publication number: DE10247330A1
Application number: DE10247330A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Rau; Thomas Kalchschmid; Lorenz Dr. Sigl
Original assignee: Sinterstahl GmbH
Current assignee: PMG Fuessen GmbH
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-11
Also published as: DE10247330B4; US20040079611A1; US6974012B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltmuffe mit Klaueninnenverzahnung, wobei die einzelnen Zähne Nebenflächen besitzen, die als Mantelflächen eines Kegelsegmentes oder als Mantelflächen eines Kegelsegmentes und ein oder mehrerer Kegelstumpfsegmente ausgebildet sind. DOLLAR A Mittels der erfindungsgemäßen Geometrie der sich vom Fußkreis nach außen erstreckenden Nebenflächen ergeben sich sowohl fertigungstechnische als auch funktionale Vorteile gegenüber Schaltmuffen mit bekannten Zahngeometrien.

Description

Die Erfindung betrifft eine pulvermetallurgisch hergestellte Schaltmuffe für eine Synchronisiereinrichtung eines Schaltgetriebes, bestehend aus einem Muffenkörper mit Klaueninnenverzahnung, Stirnflächen und mit zumindest über eine Stirnfläche überstehenden Zähnen mit Dachfirsten, Dachschrägen und Nebenflächen, wobei die Dachfirste und Dachschrägen in radialer Richtung nach außen bis maximal zum Fußkreis reichen.
Schaltmuffen, oft auch als Schiebemuffen bezeichnet, benötigt man zum Gangwechsel in handgeschalteten Getrieben, insbesondere in KfZ-Schaltgetrieben. Mit dem Schaltvorgang wird eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Getriebehauptwelle und dem jeweiligen Gangrad hergestellt. Ringförmige Schaltoder Schiebemuffen werden axial von je einer Stirnfläche begrenzt und weisen im Ringinneren eine Klauenverzahnung auf, über welche die Schiebemuffe mit dem Kupplungskörper des Gangrads nach Abschluss des Schaltvorganges kraftschlüssig verbunden ist. Die stirnseitigen Bereiche der Zähne müssen über entsprechende Formgebung funktionstechnisch so ausgestaltet sein, dass das axiale Ineinandergreifen von Synchronring und Schiebemuffe beim Schaltvorgang störungsfrei und leichtgängig erfolgt. Entsprechend ist die Formgebung des stirnseitigen Bereiches eines Zahnes der Schiebemuffe im gegenüber dem Zahnfußkreis radial innenliegenden Bereich konstruktiv vorgegeben. Üblicherweise ist bei Schiebemuffen auch nur dieser stirnseitige Zahnbereich spezifisch ausgestaltet, d.h. dieser stirnseitige Zahnbereich hebt sich geometrisch gegen die im übrigen ebene stirnseitige Fläche der Schaltmuffe ab.
Schaltmuffen wurden bis vor wenigen Jahren aus geschmiedeten Stahlronden bzw. Stahlringen mittels aufwendiger spanabhebender Bearbeitung geformt. In jüngster Zeit werden derartige Schaltmuffen auch mittels pulvermetallurgischer Verfahren als Sinterformteile gefertigt. Dabei stellt die designmäßig vorgegebene geometrische Ausformung der stirnseitigen Zahnbereiche hohe presstechnische Anforderungen, die bis heute nicht ausreichend erfüllt sind. Die bekannten technischen Umsetzungen stellen jeweils starke Kompromisse dar.
Getriebe- und im speziellen Verzahnungskomponenten müssen eine ausreichend hohe Festigkeit gegen Ermüdung und Hertzsche Flächenpressung aufweisen. Neben Härte und weiteren mikrostrukturellen Eigenschaften kommt dabei der Restporosität ein entscheidender Einfluss zu. Es wird angestrebt, eine vorteilhaft niedrige Restporosität bereits durch eine hohe Dichte des gepressten Formteils bei moderatem Sinterschwund einzustellen, da ein hoher Sinterschwund das Erzielen enger Toleranzen erschwert.
Diese hinreichend hohe Pressdichte in den presstechnisch kritischen stirnseitigen Zahnrandbereichen wird nur bei Anwendung eines hohen Pressdruckes erzielt, was wiederum zu einem sehr hohen Flächenpressdruck in ausgesetzten Pressstempelbereichen und zum frühzeitigen Ausfall derartiger Pressstempel führt. Bei hochbelasteten Schaltmuffen kann eine ausreichend hohe Ermüdungsfestigkeit nur dann erreicht werden, wenn die spezifische Dichte in oberflächennahen Randbereichen der Zähne bei über 7,2 g/cm³ liegt. Dies bedingt ein selektives Nachverdichten der Zahnflanken durch einen, dem Sintern folgenden zweiten Pressvorgang. Die Kerndichte kann im Vergleich zur Oberflächendichte etwas niedriger sein. Es muss jedoch eine ausreichende Biegefestigkeit und Steifigkeit im Bereich des Zahngrundes und eine hohe Wälzfestigkeit im Zahnspitzen- und Zahnflankenbereich (Hertzsche Pressung) gewährleistet sein.
Die österreichische Patentanmeldung mit der Anmeldenummer A 1734/2000 beschreibt eine gesinterte Schaltmuffe der eingangs genannten Art, welche laut Aufgabe den bei bekannten Zahngeometrien unzulässig hohen Pressdruck und die hohe mechanische Belastung des Presswerkzeuges vermeiden und gleichzeitig Bauformen für Pressstempel ohne filigrane Stempelbereiche im Presswerkzeug erlauben soll.
Dies wird über die Ausgestaltung der Zähne erreicht, die um einen axialen Erstreckungsbereich der Dachschrägen, bzw. dachförmigen Zahnflanken über die Stirnflächen des Muffenkörpers überstehen und im Bereich des Überstandes längs einer über den Fußkreis radial nach außen verlängerten Strecke, bzw. Höhe. eine über diese Höhe durchgehende Dachschräge aufweisen.
Die Zahngeometrie der Muffe gemäß der A 1734/2000 erlaubt infolge der niedrigen Bruchzähigkeit der für Presswerkzeuge üblicherweise verwendeten Werkstoffe bei Gewährleistung einer ausreichend hohen Standzeit nicht die Anwendung eines ausreichend hohen Pressdruckes, sodass die gepressten Teile nicht in allen Zonen eine ausreichend hohe Dichte aufweisen. Eine nicht ausreichend hohe Dichte in lokalen Bereichen ist damit auch nach dem Sintervorgang gegeben. Daher ist ein selektives Nachverdichten der stirnseitigen Zähne nach dem Sinterprozess erforderlich. Durch die große nachzuverdichtende Fläche und die nicht ausreichend gegebene Möglichkeit die Zähne beim Nachpressen durch das Presswerkzeug zu umschließen, ist die Dichteerhöhung im Zahnbereich zu gering. Dies wirkt sich sowohl ungünstig auf die Ermüdungseigenschaften, als auch statischen Festigkeitseigenschaften aus. Zudem hat die Zahnform gemäß der A 1734/2000 strömungstechnische Nachteile. Die Schaltmuffe ist von Getriebeöl umgeben. Durch die schaufelradförmige Zahnform ist auf Grund eines erhöhten Strömungswiderstandes auch der Drehwiderstand erhöht.
Weiters mangelt es Schaltmuffen gemäß der A 1734/2000, wenn diese Zähne mit durchgehenden Dachschrägen aufweisen, an einer geeigneten Bezugsfläche, wie sie vor allem für die verschiedenen Bearbeitungsschritte im Zuge der Muffenfertigung höchst wünschenswert und vorteilhaft ist. Ein weiterer Nachteil ist die ungeschützte Lage der stirnseitig überstehenden Zähne, wodurch es sowohl im gepressten, im gepresst/gesinterten und im gepresst/gesinterten und nachverdichteten Zustand zu Beschädigungen der Zähne kommen kann.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, die vorgeschilderten Nachteile zu vermeiden und eine Ausgestaltung der stirnseitigen Randbereiche einer Klaueninnenverzahnung vorzuschlagen, welche den Bau von Pressstempeln ohne bruchgefährdete Stempelbereiche ermöglicht. Gleichzeitig soll die Schaltmuffe eine Geometrie aufweisen, welche sowohl ein Pulverpressen ohne nachteilig hohe Pressdrucke bei weitgehend gleichmäßig verdichtetem Pulver, als auch ein möglichst wirkungsvolles Nachverdichten des gesinterten Körpers erlaubt.

Diese Aufgabe wird für eine Schaltmuffe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zahnnebenflächen als Mantelflächen eines Kegelsegmentes oder als Mantelflächen eines Kegelsegmentes und ein oder mehrerer Kegelstumpfsegmente ausgebildet sind. Diese Kegel- bzw. Kegelstumpfsegmente können als Grundflächen sowohl Kreis- als auch Ellipsensegmente aufweisen. Der in radialer Richtung zwischen Dachfirst und anschließendem Kegelsegment innenliegende Winkel β beträgt bevorzugt (α/2 + 70°) ≤ β ≤ (α/2 + 110°), wobei α der von den Dachschrägen eingeschlossene Zahnspitzenwinkel ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Schaltmuffe besteht darin, dass im Bereich der Stirnfläche zumindest einseitig Abstandhalter ausgeführt sind, die in axialer Richtung die Zahndachfirste überragen oder zumindest die gleiche Höhe wie diese aufweisen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Zähne mit Aufmaß gepresst und gesintert und erst beim Nachverdichten auf Sollmaß gepresst werden, wobei die Form des Press- bzw. Nachverdichtwerkzeuges so gestaltet ist, dass durch den Nachverdichtvorgang der Zahnspitzenwinkel um 5 bis 25° vergrößert wird. Des weiteren ist es vorteilhaft, wenn zumindest Bereiche der Dachschrägen nach außen gewölbt sind.

Die vorliegende Erfindung weist gegenüber dem eingangs genannten nächstliegenden Stand der Technik eine Reihe wesentlicher Vorteile auf.

Im Unterschied zum Stand der Technik sind bei der erfindungsgemäßen Ausformung der Zahnnebenflächen die im Presswerkzeug auftretenden mechanischen Spannungen vergleichsweise klein. Damit ist die Bruchgefahr für den Pressstempel deutlich verringert.

Weiters ist es durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Zahnnebenflächen möglich, den Zahn beim Nachverdichten durch ein entsprechend gestaltetes Werkzeug in radialer Richtung zu umschließen. Dies führt zu einer deutlich verringerten Porosität und zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist der Zahnspitzenwinkel im nachverdichteten Zustand größer, als der des nur gesinterten Körpers. Wird nun das Nachverdichten so ausgeführt, dass der Verdichtungsvorgang nur den oberen Zahnbereich umfasst, entsteht eine gestufte Dachschräge. Dies wirkt sich günstig auf das Getriebeschaltverhalten aus. Eine zusätzliche Verbesserung des Getriebeschaltverhaltens wird erzielt, wenn die Dachschrägen nach außen gewölbt sind.

Mit der Ausgestaltung der Stirnfläche anschließend an die Zahnnebenflächen wird eine Bezugs- bzw. Referenzebene geschaffen, welche die Handhabung der Schaltmuffen bei der weiteren Bearbeitung, insbesondere auch für die Anbringung der Hinterschneidungen in der Innenverzahnung zum Zweck der Auszugssicherung, ganz wesentlich vereinfacht.

Sind Abstandhalter – gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung – ausgeführt, die in axialer Richtung die Zahndachfirste überragen oder zumindest die gleiche Höhe aufweisen, führt dies zum Schutz der Zahnfunktionsflächen und ermöglicht eine wesentlich vereinfachte und kostensparende Handhabung des Muffengrünlings während der Fertigung.

Schaltmuffen werden ganz allgemein bei handgeschalteten Getrieben eingesetzt. Ein bevorzugtes Einsatzgebiet sind KfZ-Schaltgetriebe. Aber die Einsatzmöglichkeit erstreckt sich auch auf Werkzeugmaschinen und maschinelle Förder- bzw. lokale Transporteinrichtungen.

In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand beispielhaft dargestellt.

Es zeigen
1 in Schrägansicht eine erfindungsgemäße Schaltmuffe,
2 in Schrägansicht einen Ringabschnitt der 1,
3 in Schrägansicht einen weiteren erfindungsgemäßen Ringabschnitt
4 die Schaltmuffe aus 1 in Stirnansicht,
5 in Stirnansicht einen Zahn der 4,
6 einen Schnitt nach der Linie A-A der 4,
7 eine erfindungsgemäße Schaltmuffe in Schrägansicht mit der vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 5 und
8 in Schrägansicht eine erfindungsgemäße Schaltmuffe mit gestufter Stirnfläche.
Im Einzelnen ist in 1 eine Schaltmuffe mit Muftenkörper (1), Klaueninnenverzahnung (2), Stirnflächen (3) und stirnseitig hervorstehenden Zähnen (4) dargestellt. Dachfirste (5), Dachschrägen (6), sowie die erfindungswesentliche Gestaltung der Nebenflächen (7) der stirnseitigen Zähne sind aus 2 und 3 zu entnehmen. Die Nebenflächen (7) sind dabei als Mantelflächen eines Kegelsegmentes (9) (siehe 2) bzw. eines Kegelsegmentes (9) und Kegelstumpfsegmentes (10) (siehe 3) ausgebildet. Die Grundfläche des Kegelsegmentes (9) bzw. des Kegelstumpfsegmentes (10) bildet dabei jeweils ein Kreissegment. Der in radialer Richtung innenliegende Winkel zwischen Dachfirst (5) und anschließender Mantelfläche des Kegelsegmentes (9) ist mit β bezeichnet und beträgt in diesem Beispiel genau α/2 + 90° (siehe 6), wobei α der von den Dachschrägen eingeschlossene Zahnspitzenwinkel ist. Die Zahntiefe der einzelnen Zähne (4) ist durch den Fußkreis (8) begrenzt. Die sich nach außen erstreckenden Flächen sind plan (1) oder in Abhängigkeit von den spezifischen Anwendungserfordernissen gestuft (12) ausgeführt, wie dies aus 8 zu entnehmen ist. Die in radialer Richtung in Verlängerung des Dachfirstes in Draufsicht projizierte Länge, die in 5 mit – I – bezeichnet ist, ist so gewählt, dass die Bezugsfläche sowohl aus fertigungstechnischen, als auch funktionalen Gründen eine ausreichende Breite aufweist. 7 stellt beispielhaft einen die Dachfirste (5) überragenden Abstandhalter (11) dar. Für die Ausgestaltung dieses Abstandhalters sind jedoch auch andere, pulvermetallurgischen Designregeln entsprechende geometrische Ausführungen möglich.

Claims

Pulvermetallurgisch hergestellte Schaltmuffe für eine Synchronisiereinrichtung eines Schaltgetriebes, bestehend aus einem Muffenkörper (1) mit Klaueninnenverzahnung (2), Stirnflächen (3) und mit zumindest über eine Stirnfläche (3) überstehenden Zähnen (4) mit Dachfirsten (5), Dachschrägen (6) und Nebenflächen (7), wobei die Dachfirste (5) und Dachschrägen (6) in radialer Richtung nach außen bis maximal zum Fußkreis (8) reichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenflächen (7) als Mantelflächen eines Kegelsegmentes (9) oder als Mantelflächen eines Kegelsegmentes (9) und ein oder mehrere Kegelstumpfsegmente (10) ausgebildet sind.
Pulvermetallurgisch hergestellte Schaltmuffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundflächen der Kegelsegmente (9) Kreis- oder Ellipsensegmente sind oder dass die Grundflächen der Kegelsegmente (9) und der Kegelstumpfsegmente (10) Kreis- oder Ellipsensegmente sind.
Pulvermetallurgisch hergestellte Schaltmuffe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in radialer Richtung zwischen Dachfirst (5) und anschließender Mantelfläche des Kegelsegmentes (9) innenliegende Winkel β und der von den Dachschrägen (6) der Zähne (4) eingeschlossene Spitzenwinkel α folgende Beziehung erfüllen: (α/2 + 70°) ≤ β ≤ (α/2 + 110°).
Pulvermetallurgisch hergestellte Schaltmuffe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Stirnfläche zumindest einseitig Abstandhalter (11) ausgeführt sind, die in axialer Richtung zumindest die gleiche Höhe wie die Dachfirste (5) aufweisen.
Pulvermetallurgisch hergestellte Schaltmuffe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dachschrägen (6) zumindest bereichsweise nach außen gewölbt sind.
Verfahren zum Herstellen einer pulvermetallurgisch hergestellten Schaltmuffe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte Pressen, Sintern und Nachverdichten, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (4) mit Aufmaß gepresst und gesintert werden und einen von den Dachschrägen (6) eingeschlossenen Spitzenwinkel α₁ aufweisen und erst beim Nachverdichten auf Sollmaß mit einem Spitzenwinkel α gepresst werden, wobei α₁ und α folgende Beziehung erfüllen: (α₁ + 5°) < α < (α₁ + 25°).