DE19581791B4

DE19581791B4 - Reibpaarung für eine Synchronisiereinrichtung in Zahnräderwechselgetrieben

Info

Publication number: DE19581791B4
Application number: DE19581791T
Authority: DE
Inventors: Karl-Ludwig Grell
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1995-12-14
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2015-12-15
Also published as: DE19581791D2; DE4445898A1; KR100298848B1; BR9510208A; KR980700527A; WO1996019681A1

Abstract

Reibpaarung für eine Synchronisiereinrichtung in Zahnräderwechselgetrieben, bei der zur Erzielung eines Gleichlaufs miteinander formschlüssig kuppelbarer Antriebsmittel ein Synchronring (1) und ein Kuppelring (2) unmittelbar oder über einen zwischen ihnen angeordneten Reibring an ihren jeweils kegelförmigen Reibflächen (5, 6) eine reibschlüssige Verbindung eingehen, wobei beide Reibpartner aus einem Eisenwerkstoff mit verschleißfester Randzone bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Reibpartner ein hochchromhaltiger ferritischer oder austenitischer Stahl mit einer mindestens 20 μm starken karbidreichen Zone mit mindestens 30 Vol.-% Karbiden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Reibpaarung für eine Synchronisiereinrichtung in Zahnräderwechselgetrieben, bei der zur Erzielung eines Gleichlaufs miteinander formschlüssig kuppelbarer Antriebsmittel ein Synchronring und ein Kuppelring unmittelbar oder über einen zwischen ihnen angeordneten Reibring an ihren jeweiligen kegelförmigen Reibflächen eine reibschlüssige Verbindung eingehen.
Bei synchronisierten Schalt- oder Wechselgetrieben in Kraftfahrzeugen wird beim Schalten das auf der Welle frei drehbare Zahnrad durch axiales Anpressen eines Synchronringes an einen dem Zahnrad zugeordneten Kuppelring in Gleichlauf mit der Welle gebracht, wobei die Übertragung der Kräfte von einer auf der Welle drehfesten, aber axial verschiebbaren Schiebemuffe über eine axiale oder radiale Sperr- und/oder Mitnehmerverzahnung auf den Synchronring erfolgt. Anschließend wird das Zahnrad, durch weiteres axiales Verschieben der Schiebemuffe, die dann in eine Mitnehmerverzahnung des Kuppelringes eingreift, formschlüssig mit der Welle verbunden. Zur Erreichung des Gleichlaufs zwischen Synchronring und Zahnrad weist der Synchronring außenkonische oder innenkonische Reibflächen auf, die beim axialen Anpressen des Synchronringes mit entsprechenden Gegenflächen am Kuppelring in Kontakt kommen und durch den auftretenden Reibschluß den zum Durchschalten der formschlüssigen Kupplung erforderlichen Gleichlauf herstellen. Darüberhinaus kann bei einer sogenannten Doppelkonussynchronisierung zwischen diesen Reibflächen ein Reibring angeordnet sein.
Als bekannte technische Lösungen werden in Synchronisiereinrichtungen, in denen kegelförmige Reibflächen aufeinanderwirken, Reibpaarungen mit verschiedenen Gleitreibwerkstoffen verwendet, wie z. B. Sondermessinge, Bronzen, molybdänbeschichtete, oxydbeschichtete oder mehrstoffbeschichtete Oberflächen sowie Kunststoffe, die gegen eine gehärtete Stahlfläche reiben. So ist beispielsweise aus der DE 25 38 882 A1 eine Synchronisiereinrichtung bekannt, deren eine Reibfläche aus einer aufgespritzten Molybdänschicht besteht, während auf die Gegenreibfläche eine Auflage aus manganlegiertem Kohlenstoffstahl aufgespritzt ist.
Der Nachteil derartiger Reibpaarung besteht darin, dass Sondermessinge und Bronzen sehr teure Reibflächen sind, bei oxyd- oder mehrstoffbeschichteten Oberflächen ein hoher Fertigungsaufwand erforderlich ist, Kunststoffe eine geringe Temperatur- und Formbeständigkeit aufweisen, bei oxyd-, hartstoff- und molybdänbeschichteten Oberflächen ein hoher Verschleiß an der Gegenreibfläche entsteht.
In diesem Zusammenhang ist zwar aus der DE 38 08 460 A1 eine Sinterlegierung auf Eisen-Basis und aus dieser Legierung bestehender Synchronring bekannt. Die Herstellung dieser Legierung auf pulvermetallurgischem Weg ist jedoch äußerst aufwändig, da erstens das Pulver hergestellt, zweitens das Pressen mittels Stahlformen realisiert und drittens das Sintern erfolgt. Darüber hinaus sind dieser Vorveröffentlichung keinerlei Angaben über Karbide entnehmbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Reibpaarung zu entwickeln, bei der während des Reibvorganges nahezu kein Verschleiß entsteht, der Gleitreibwerkstoff leicht bearbeitbar ist und geringe Materialkosten verursacht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 gelöst.
Mit der Verwendung zweier gleichartiger Reibpartner auf Basis von Eisenwerkstoffen mit verschleißfester Oberfläche mit etwa gleicher Härte ergeben sich pro Schaltvorgang relativ geringe Verschleißraten, die die Lebensdauer der Synchronisiereinrichtung positiv beeinflussen. Die Verwendung von reinen Eisenwerkstoffen für Synchronring und Kuppelring bringt gegenüber den bekannten anderen Reibpartnern den Vorteil mit sich, dass aufgrund des hohen Elastizitätsmoduls eine große Steifigkeit und eine geringe Aufweitung der Ringe unter der axialen Anpresskraft gegeben ist. Bei gleichem Konuswinkel führt dies zu einer Verringerung der Schaltwege. Diese Werkstoffkombination weist gegenüber anderen Reibpaarungen den weiteren Vorteil auf, dass bei gleichem Werkstoffvolumen aufgrund der höheren Festigkeiten größere Kräfte übertragen werden können. Es ist weiter von Vorteil, dass aufgrund der gleichartigen Reibpartner die Recyclefähigkeit eines solchen Zahnräderwechselgetriebes steigt. Auch sind die erfindungsgemäß verwendeten Gleitreibstoffe leicht bearbeitbar. Mit der beanspruchten Lösung wird erstmals eine Reibpaarung vorgestellt, deren Reibpartner beide aus einem Eisenwerkstoff mit verschleißfester Randzone bestehen und dennoch nicht festfressen. Damit wird die bisher vorherrschende Meinung, nach der die Reibflächen aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen müssen, widerlegt.
In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass zumindest einer der Reibpartner ein hochchromhaltiger ferritischer oder austenitischer Stahl mit einer mindestens 20 μm starken karbidreichen Zone von mindestens 30 Vol.-% Karbiden ist. Die gegenüberliegende Friktionsfläche kann dann beispielsweise eine normal gehärtete Stahloberfläche sein.
Je nach Menge der vorhandenen Legierungsbestandteile, d. h. je nach Menge von Kohlenstoff und Chrom bilden sich in der Randzone verschiedene Typen von Karbiden, die für die gewünschte verschleißfeste Oberfläche der Reibpartner sorgen. Eine bedeutsame Rolle spielen dabei die Sonderkarbide mit einer vom Zementit abweichenden Gitterstruktur und Zusammensetzung. Beispiele hierfür sind die in Stählen mit mehr als 5 % Chrom auftretenden Chrommischkarbide (Cr, Fe)₇C₃ und (Cr, Fe)₂₃C₆.
Als austenitischer Werkstoff ist ein Stahl der Marke X 5 CrNi 1810 und als ein ferritischer Werkstoff ein Stahl der Marke X 46 Cr13 oder X 6 Cr17 eingesetzt, die einer Aufkohlung und Nitrierung, einer Nitrierung oder einer Nitrocarburierung unterworfen werden. Der Sinn und Zweck dieser thermischen Behandlungsverfahren liegt darin, die Verteilung der Legierungselemente Kohlenstoff und Stickstoff gezielt zu beeinflussen, um die in Anspruch 2 beschriebene Gefügezusammensetzung zu erzielen. Dies erfolgt durch Einlagern von Kohlenstoff und/oder Stickstoff, wobei die beiden Legierungselemente einzeln, nacheinander oder gleichzeitig in die Stahloberfläche eingelagert werden. Durch die Wechselwirkung zwischen Chrom, Kohlenstoff, Stickstoff und Eisen entstehen in der Randschicht die die Härte und Verschleißfähigkeit steigernden Verbindungen Karbide, Nitride, Karbonitride und Chrommischkarbide.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Die einzige Figur zeigt einen teilweisen Längsschnitt durch eine Synchronisiereinrichtung.
Nach der einzigen Figur ist ein abschnittsweise dargestellter Synchronring mit 1 und ein ebenfalls abschnittsweise dargestellter Kuppelring mit 2 bezeichnet. Der Synchronring 1 ist radial mit einer Mitnehmerverzahnung 3 versehen, über die er über eine nicht dargestellte Schiebemuffe mit einer Welle drehfest, aber axial verschieblich verbunden ist. In die radiale Mitnehmerverzahnung 4 des Kuppelringes 2 greift eine ihr entsprechende Verzahnung der Schiebemuffe zur formschlüssigen Verbindung von Welle und Kuppelring 2. Den zum formschlüssigen Verbinden erforderlichen Gleichlauf zwischen Synchronring 1 und Kuppelring 2 stellt eine Konuskupplung her, d. h. der Synchronring 1 ist mit einem Innenkonus und der Kuppelring 2 mit einem Außenkonus versehen, die die entsprechenden Reibflächen 5 und 6 besitzen.
Sowohl ein Synchronring 1 als auch ein Kuppelring 2 wurden aus einem austenitischen Stahl der Marke X 5 CrNi 1810 hergestellt, d. h. der Stahl enthielt 0,05 % Kohlenstoff, 18 % Chrom und 10 % Nickel. Beide Bauteile wurden bei 1050 C° in einer sauerstofffreien Atmosphäre, die CH₄, C₃H₈ und N enthielt, aufgekohlt, so daß der Kohlenstoffgehalt in der oberflächennahen Werkstoffschicht der beiden Ringe 1, 2 ca. 4 % beträgt. Durch diese Wärmebehandlung entsteht in der oberflächennahen Schicht eine Chrommischkarbidzone von etwa 50 μm Stärke mit einer hohen Verschleißfestigkeit, so daß zwischen beiden Teilen der Synchronisiereinrichtung ein nur geringer abrasiver Verschleiß der Reibpaarung eintritt und somit eine lange Lebensdauer der Synchronisiereinrichtung gegeben ist. Ein weiterer Vorteil dieser Lösung ist die beträchtliche Steigerung der Dauerfestigkeit durch die verwendeten Eisenwerkstoffe und der geringe Maßverzug durch die Wärmebehandlung, da keine Abschreckung erfolgt. Auch ist in diesem Zusammenhang das gute Dämpfungsverhalten austenitischer Werkstoffe zu erwähnen.

1: Synchronisierring
2: Kuppelring
3: Mitnehmerverzahnung
4: Mitnehmerverzahnung
5: Reibfläche
6: Reibfläche

Claims

Reibpaarung für eine Synchronisiereinrichtung in Zahnräderwechselgetrieben, bei der zur Erzielung eines Gleichlaufs miteinander formschlüssig kuppelbarer Antriebsmittel ein Synchronring (1) und ein Kuppelring (2) unmittelbar oder über einen zwischen ihnen angeordneten Reibring an ihren jeweils kegelförmigen Reibflächen (5, 6) eine reibschlüssige Verbindung eingehen, wobei beide Reibpartner aus einem Eisenwerkstoff mit verschleißfester Randzone bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Reibpartner ein hochchromhaltiger ferritischer oder austenitischer Stahl mit einer mindestens 20 μm starken karbidreichen Zone mit mindestens 30 Vol.-% Karbiden ist.
Reibpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als austenitischer Werkstoff ein Stahl der Spezifikation X 5 CrNi 1810 und als ein ferritischer Werkstoff ein Stahl der Spezifikation X 46 Cr 13 oder X6 Cr 17 eingesetzt werden, die einer Aufkohlung und Nitrierung, einer Nitrierung oder einer Nitrocarburierung unterworfen werden.