DE19728919A1

DE19728919A1 - Zahnräderwechselgetriebe

Info

Publication number: DE19728919A1
Application number: DE19728919A
Authority: DE
Inventors: Volker Dipl Ing Ploetz; Wolfgang Fugel; Leo Muentnich
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1997-07-07
Filing date: 1997-07-07
Publication date: 1999-01-14
Anticipated expiration: 2017-07-08
Also published as: WO1999002893A1; DE19728919B4

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Zahnräderwechselgetriebe mit wenigstens einem über ein Nadellager auf einer Getriebewelle gelagerten Zahnrad, das über ein Kup pelelement mit der Getriebewelle kuppelbar ist, wobei radial zwischen einer der Getriebewelle zugeordneten inneren Laufbahn und einer einer Nabe des Zahnrades zugeordneten äußeren Laufbahn Nadeln in einem Wälzlagerkäfig angeordnet sind.

Hintergrund der Erfindung

Von derartigen Zahnrädern, die auch als Losräder bezeichnet werden, ist in der Getriebe- und Wälzlagerindustrie das Problem der Riffelbildung bekannt. Diese Zahnräder laufen teils ohne Belastung gegenüber den Wellen um, während sie in einem Betriebszustand, in dem sie ein Drehmoment übertragen, starr mit der Welle gekuppelt sind. In diesem letzteren Betriebszustand, in dem Zahnrad und Nadelkranz mit ähnlichen Umlaufgeschwindigkeiten wie die Welle rotieren, d. h. sie stehen relativ still zueinander, führen die Wälzkörper kaum eine eigene Rotationsbewegung um ihre Achse aus. Es besteht die Gefahr, daß sich die Wälzkörper in ihre Laufbahnen eindrücken und diese damit beschädigen, was zu einem vorzeitigen Lagerausfall führen kann.

Diese sogenannte Riffelbildung versucht man durch Wälzlagerkäfige zu beseiti gen, die sich unter Einwirkung ihrer Eigenelastizität aufweiten und dabei spiel frei gegen die Wälzkörper anlegen. Dadurch wird erreicht, daß auch in diesem Betriebszustand die Wälzkörper eine, wenn auch geringe, Abwälzbewegung durchführen. Ein derartiger Käfig ist beispielsweise aus der DE 41 24 838 A1 vorbekannt.

Falls bei solchen Käfigen die Vorspannung nicht ausreicht, um die Riffelbildung mit Sicherheit zu vermeiden, wird die Elastizität der Käfige durch im Schlitz bereich angeordnete Federelemente verstärkt. Solche im Schlitzbereich kom pliziert geformte Käfige sind beispielhaft in den deutschen Gebrauchsmusteran meldungen 77 16 113, 77 32 101 und 90 06 526 vorbeschrieben. Derartige Federn erhöhen aber den Herstellungsaufwand für einen solchen Käfig und lösen das Problem der Riffelbildung nicht hundertprozentig. Insbesondere dann, wenn im Zahnräderwechselgetriebe schrägverzahnte Losräder verwendet wer den, tritt eine verstärkte Riffelbildung auf, die ihre Ursache in dem bei wech selnder Last auftretenden axialen Mikrobewegungen der Losräder hat.

Ein weiterer Nachteil von wälzkörpergeführten Käfigen besteht darin, daß bei hohen Differenzdrehzahlen zwischen Zahnrad und Welle große Fliehkräfte entstehen, wobei durch die Abstützung des Käfigs an den Wälzkörpern über die Innenhalterung die Wälzkörper festgeklemmt werden und am Abrollen gehin dert sind, so daß unerwünschte Schlupfzustände entstehen. Ebenso wird der Schmierfilm an den Kontaktstellen zwischen Käfig und Wälzkörper unterbro chen. Dies führt zu Spuren am Wälzkörper und zu Verschleiß an den Laufbah nen.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Zahnräderwechsel getriebe die Riffelbildung auf eine neue, bisher nicht bekannte Art zu vermei den.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dadurch gelöst, daß zumindest die Wälzfläche der Lagernadeln mit einer Phosphatdeckschicht versehen ist.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung, daß durch die Phosphatdeckschicht im gekuppelten Zustand von Getriebewelle und Losrad die Riffelbildung vermieden bzw. im erheblichen Umfang reduziert wird. Die Phosphatdeckschichten werden in Verbindung mit einem geeigneten Schmier mittel angewandt und unterbinden auch im Falle eines Aufreißens des Schmier films den direkten metallischen Kontakt zwischen Lagernadeln und zugehörigen Laufbahnen, so daß sich die Lagernadeln nicht in die Laufbahn eingraben können und ermöglichen so ein besseres Gleit- und Abrollverhalten.

Aus Anspruch 2 geht hervor, daß der Wälzlagerkäfig ebenfalls mit einer Phosphatdeckschicht versehen sein soll.

Dies ist insbesondere für wälzkörpergeführte Käfige von Bedeutung, da oftmals an den Kontaktstellen zwischen Käfig und Wälzkörper der Schmierfilm unter brochen ist und so ein Verschleiß begünstigt wird. In diesem Fall wirkt die Phosphatdeckschicht wiederum als eine die Reibung vermindernde Schicht zwischen Wälzkörper und Käfig, so daß bei hohen Fliehkräften der Käfig sich an den Wälzkörpern über seine Innenhalterung abstützen kann ohne jedoch die Wälzkörper festzuklemmen bzw. am Abrollen zu hindern. Auf diese Weise werden die unerwünschten Schlupfzustände des Lagers verhindert.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 3 ist vorgesehen, daß die Phosphatdeckschicht in ihre Stärke auf das geforderte Radialspiel eingestellt ist, wobei diese nach Anspruch 4 eine Dicke im Bereich von 1 bis 15 µm aufweisen soll.

Dies bedeutet, daß im Montagezustand durch die zusätzliche Phosphatdeck schicht ein viel geringeres Lagerspiel eingestellt ist, als im späteren Betrieb gewünscht. Dabei ist berücksichtigt, daß mit zunehmender Dauerbeanspru chung die Phosphatdeckschicht allmählich abgetragen wird, so daß sich erst nach einer gewissen Laufzeit das gewünschte Lagerspiel einstellt. Nach dieser Laufzeit sind dann die beteiligten Lagerbestandteile wie Laufbahnen und Wälz körper so aufeinander eingelaufen, daß auf die trennende Wirkung der Phosphatdeckschicht gegebenenfalls verzichtet werden kann und die Gleitwir kung des Schmiermittels im allgemeinen allein ausreichend ist.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 5 soll die Phosphatdeckschicht als eine Zink- oder eine Manganphosphatschicht ausgebil det sein, wobei auf gleitende oder abwälzende Reibung beanspruchte Maschi nenteile vorzugsweise mit einer aus Manganphosphat bestehenden Schicht überzogen werden.

Schließlich ist nach Anspruch 6 vorgesehen, daß die Lagernadeln und der Lagerkäfig vor dem Phosphatieren einer Vorbehandlung unterworfen sind.

Dem Fachmann ist in diesem Zusammenhang bekannt, daß durch Vorbehand lungen oder mechanische Einflüsse in vielfältiger Weise auf die Bildung der Phosphatdeckschichten eingewirkt werden kann. So ist es bespielsweise be kannt, daß ein Schleifen oder Strahlen mit Sand- oder Stahlkorn ideale Vor bedingungen für das Aufwachsen der Schicht schaffen. Die Oberfläche ist in diesem Fall mit einer Vielzahl aktiver Zentren bedeckt, so daß der die Schicht bildung einleitende Beizangriff und das Aufwachsen des Überzuges sehr gleich mäßig erfolgen. Durch die Anwendung von Säuren wie Salzsäure, Schwefelsäu re und Phosphorsäure wird die Zahl der auf der Metalloberfläche für den Schichtaufbau vorhandenen Kristallisationskeime verringert, so daß nach diesen Behandlungen grobkristalline, dicke Überzüge entstehen. Im allgemeinen ist es so, daß bei einer Metalloberfläche mit vielen Keimen die Kristallisation an vielen Stellen beginnt, so daß sich die Phosphatkristalle nach kurzer Zeit auf der Oberfläche vereinen. Die Dicke der Schicht, ihre Rauhigkeit und ihre Zeit bis zu ihrer vollständigen Ausbildung bleiben gering. Bei Metalloberflächen mit wenig Keimen ergibt sich eine dicke, grobkristalline Schicht, wobei die Zeit bis zur vollständigen Ausbildung wesentlich länger ist.

Dem Fachmann ist auch bekannt, daß sich die Phosphatschichten durch ein spezielles Vorspülen beeinflussen lassen. Durch kurzzeitige Berührung der Metalloberflächen mit Vorspüllösungen werden die schichtvergrößerenden und schichtverdickenden Effekte eines Beizens in Säuren wieder aufgehoben. Es entstehen wieder dünne, feinkristalline Deckschichten, wobei gleichzeitig zumindest die Phosphatierzeit abnimmt. Ähnlich wie diese aktivierenden Vorspülungen wirkt ein Abbürsten oder Abreiben der Metalloberfläche vor dem Phosphatieren. In diesem Fall werden wieder besonders dünne, feinkristalline Schichten erzeugt.

Ein anderes bekanntes mechanisches Mittel zur Beeinflussung der Schichtausbil dung besteht in der Art, wie die Metalloberfläche mit der Phosphatierlösung in Berührung gebracht wird. Im allgemeinen nimmt die Dicke des gebildeten Überzugs mit zunehmender Relativgeschwindigkeit zwischen Metalloberfläche und Phosphatierungslösung ab.

Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein teilweise dargestelltes Zahnrä derwechselgetriebe für ein Kraftfahrzeug;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines teilsweisen Längsschnit tes durch eine Losradlagerung und

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Querschnitt durch eine Losradlagerung gemäß Fig. 2.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Das in Fig. 1 dargestellte KFZ-Getriebe 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem eine Getriebewelle 3 und eine Vorgelegewelle 4 über Wälzlager 5 und 6 gelagert sind. Auf der Getriebewelle 3 sind frei drehbare Zahnräder 7, sogenannte Losräder angeordnet, und Schaltkupplungen 8, über die die Losräder 7 form schlüssig mit der Getriebewelle 3 verbunden werden. Die Losräder 7 greifen in Zahnräder 9 ein, die auf der Vorgelegewelle 4 angeordnet sind. Die Losräder 7 sind über Nadelkränze 10, die jeweils aus einem Wälzlagerkäfig 11 und in diesem angeordneten Nadeln 12 bestehen, auf der Getriebewelle 3 gelagert. Zwischen Nadelkranz und dem Losrad 7 ist eine Hülse 13 vorgesehen, so daß die Nadeln 12 an Laufbahnen 14 und 15 abwälzen, die einerseits an der inneren Mantelfläche 16 der Hülse 13 und andererseits an der Getriebewelle 3 ausgebildet sind.

Zur Verdeutlichung der Erfindung wird auf Fig. 2 verwiesen, die ein teilweise dargestelltes Losrad 7 zeigt, das über den Nadelkranz 10 auf der Getriebwel le 3 gelagert ist. Eine nicht näher bezeichnete Nabe des Losrades 7 weist eine zylindrische Aufnahme auf, in der die Hülse 13 angeordnet ist. Die Lagernadeln 12 des Nadelkranzes 10 wälzen auf den zugehörigen Laufbahnen 14 und 15 ab.

Wie aus Fig. 3 erkennbar, ist der Wälzlagerkäfig 11 durch die Lagernadeln 12 geführt und weist einen radial verlaufenden Spalt 17 auf, so daß er in Umfangs richtung auffedern kann.

In einem Zinkphosphatierbad mit den üblichen Gehalten an Phosphorsäure, Zinkoxid, Natriumnitrat, Eisen, Nickel, Oxalaten und organischem Beschleuni ger auf Basis Nitrobenzolsulfonsäure wurde zur Erzeugung einer Zinkphos phatdeckschicht der aus Lagernadeln 12 und dem Wälzlagerkäfig 11 bestehende Nadelkdranz 10 eingebracht. Dieser wurde dabei solange im Bad belassen, bis die Zinkphosphatdeckschicht auf der Stahloberfläche eine Dicke von 15 µm erreicht hatte. Der Fig. 3 ist auch entnehmbar, daß über die Dicke der Zink phosphatdeckschicht auf den Lagernadeln 12 die Lagerluft des Lagers bestimmt ist. Im Montagezustand wird das radiale Spiel wesentlich geringer sein als nach einigen Betriebsstunden, da, wie bereits vorstehend beschrieben, mit zuneh mender Dauerbeanspruchung die Phosphatdeckschicht allmählich abgetragen wird, d. h. das Lagerspiel nimmt zu, bis es den gewünschten Wert erreicht.

Der Fig. 3 ist weiter entnehmbar, daß die Zinkphosphatdeckschicht insbeson dere für die Innenhalterung des Käfigs 11 von Bedeutung ist, da bei Wirksam werden großer Fliehkräfte der Käfig 11 in Richtung Laufbahn 14 auffedert und es so zu einem Abreißen des Schmierfilms zwischen dem Käfig 11 und Lagerna del 12 kommen kann. In diesem Fall übernimmt die Schmierung die auf der Innenhalterung des Käfigs 11 vorhandene Phosphatdeckschicht.

Natürlich ist die erfindungsgemäße Lösung nicht auf Zahnräderwechselgetriebe beschränkt. Denkbar sind allgemein Anwendungsfälle mit Wälzkörperschlupf, so beispielsweise Kurbelzapfen- oder Planetenradanwendungen.

Bezugszeichenliste

1

KFZ-Getriebe

2

Gehäuse

3

Getriebewelle

4

Vorgelegewelle

5

Wälzlager

6

Wälzlager

7

Losrad

8

Schaltkupplung

9

Zahnrad

10

Nadelkranz

11

Wälzlagerkäfig

12

Nadel

13

Hülse

14

Laufbahn

15

Laufbahn

16

innere Mantelfläche

17

Spalt

Claims

1. Zahnräderwechselgetriebe mit wenigstens einem über ein Nadellager auf einer Getriebewelle (3) gelagerten Zahnrad (7), das über ein Kuppelelement (8) mit der Getriebewelle (3) kuppelbar ist, wobei radial zwischen einer der Ge triebwelle (3) zugeordneten inneren Laufbahn (15) und einer einer Nabe des Zahnrads (7) zugeordneten äußeren Laufbahn (14) Nadeln (12) in einem Wälz lagerkäfig (11) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Wälzfläche der Lagernadeln (12) mit einer Phosphatdeckschicht versehen ist.

2. Zahnräderwechselgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzlagerkäfig (11) mit einer Phosphatdeckschicht versehen ist.

3. Zahnräderwechselgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphatdeckschicht in ihrer Stärke auf das geforderte Radialspiel eingestellt ist.

4. Zahnräderwechselgetriebe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Phosphatdeckschicht eine Stärke von 1 bis 15 µm besitzt.

5. Zahnräderwechselgetriebe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Phosphatdeckschicht als Zink- oder als Manganphosphat schichten ausgebildet ist.

6. Zahnräderwechselgetriebe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lagernadeln (12) und der Lagerkäfig (11) vor dem Phosphatie ren einer Vorbehandlung unterworfen sind.