DE19817037A1 - Synchronisierring - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Synchronisierring zur Verwendung in
dem Synchronisierer eines Gangwechselgetriebes, und zwar speziell auf einen
Synchronisierring, der aus einer Eisen-Sinter-Legierung hergestellt ist, die sich durch
besonders hohe Festigkeit und besonders gute Eigenschaften gegen Abrieb auszeichnet.
Es ist üblich, bei Gangwechselgetriebes einen Synchronisierer zu verwenden, um die
Umfangsgeschwindigkeit von miteinander zusammenwirkenden bzw. in einander
eingreifenden Zahnrädern bei deren Eingriff zu synchronisieren, da ohne eine solche
Synchronisation eines der miteinander in Eingriff kommenden Zahnräder mit dem
anderen Zahnrad in der Umlauf- oder Umfangsgeschwindigkeit Geräusche bei Schalten
des Getriebes auftreten und auch Beschädigungen des Getriebes bzw. der Zahnräder
nicht vermeidbar sind.
Ein Beispiel einer solchen Synchronisiereinrichtung ist in der Fig. 2 dargestellt, wobei
die Drehachse mit einer strichpunktierten Linie angedeutet ist. Wird ein nicht
dargestellter Schalthebel betätigt, so wird eine rotierende Hülse 2 in einer durch den Pfeil
S angegebenen Richtung axial bewegt. Hierdurch kommt ein Synchronisierkeil oder -
Ansatz 3 gegen den Synchronisierring 4 zur Anlage, um diesen zu verschieben und die
innere geneigte oder konische Fläche 40 des Synchronisierringes 4 in Eingriff mit einem
konischen Abschnitt 50 eines Klauen- oder Kupplungsrades 5 zu bringen, so daß das Rad
5 durch Reibungskraft mitgedreht wird. Eine weitere axiale Bewegung der Hülse bzw. des
Ringes 2 in Richtung des Pfeiles S verursacht eine zunehmende Reibungskraft, so daß die
Umlaufgeschwindigkeit der Hülse 2 gleich oder im wesentlichen gleich der
Umlaufgeschwindigkeit des Rades 5 ist. Ist die Synchronisation abgeschlossen, d. h. liegt
aus diesem Grunde keine Differenzgeschwindigkeit zwischen der Hülse 2 und dem
Zahnrad 5 vor, kommt bei einem weiteren axialen Bewegen der Hülse 2 in Richtung des
Pfeiles S der Keil 21 der Hülse 20 mit einem Keilabschnitt oder Vorsprung 51 des Rades 5
in Eingriff, um so eine Schaltung des Ganges zu bewirken.
Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, ist der Synchronisierring 4 an der äußeren
Umfangsfläche mit einem Synchronisierabschnitt 41 versehen, und zwar für den Eingriff
mit dem Keil 21 der Hülse 2, und an der inneren geneigten oder konischen Fläche mit
Vorsprüngen 42 mit einer abwechselnden konkaven und konvexen Formgebung
versehen, die die Reibungskraft zur Erzielung der Synchronisation bewirken.
Normalerweise ist der Synchronisierring aus einem Metall der Gruppe Messing oder
Bronze, d. h. aus Messing oder Bronze oder einer Legierung hiervon hergestellt. Neuere
kleinere Synchronisierer mit geringerem Gewicht, benötigen eine erhöhte Anpreß- oder
Kontaktkraft zwischen dem konischen Abschnitt des Zahnrades und den Vorsprüngen an
der inneren, konischen Fläche des Synchronisierringes, um die Synchronisation zu
erreichen. Dies führt zu starken Abnutzungen der entsprechenden Elemente.
Um diese Probleme zu lösen, wurden verschiedene Versuche unternommen, und zwar
insbesondere auch hinsichtlich einer Härtung der Vorsprünge, die sich besonders stark
abnutzen, und zwar durch Aufbringen einer Schicht aus Mo. Al - Si usw., oder aber
dadurch, daß eine Kunststoffbeschichtung auf die innere, konische Fläche des
Synchronisierringes aufgebracht wird. Für die Verbesserung der Festigkeit wurden auch
bereits Versuche, wie Sinter-Schmieden oder dergleichen unternommen, wobei aber alle
diese Versuche mit Nachteilen insbesondere hinsichtlich hoher Kosten verbunden sind.
Aufgabe der Erfindung ist es einen Synchronisierring aufzuzeigen, der die obigen
Probleme in vorteilhafter Weise vermeiden und eine verbesserte Widerstandsfähigkeit
gegen Abrieb und Abnutzung mit einer hohen Festigkeit verbindet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Synchronisierring hergestellt aus einer Eisen-Sinter-
Legierung und zur Verwendung in der Synchronisiereinrichtung eines
Gangwechselgetriebes, vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der
Synchronisierring bzw. dessen Legierung enthält
C: 0,2-1,0 Gewichtsprozent
Ni: 1,0-6,0 Gewichtsprozent
Mo: 0,6-3,0 Gewichtsprozent
Cu: 1,0-4,0 Gewichtsprozent
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen,
und daß der Synchronisierring aus einer Eisen-Sinter-Legierung hergestellt ist, deren Basiszusammensetzung oder -komposition hauptsächlich Martensit und Bainit umfaßt.
C: 0,2-1,0 Gewichtsprozent
Ni: 1,0-6,0 Gewichtsprozent
Mo: 0,6-3,0 Gewichtsprozent
Cu: 1,0-4,0 Gewichtsprozent
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen,
und daß der Synchronisierring aus einer Eisen-Sinter-Legierung hergestellt ist, deren Basiszusammensetzung oder -komposition hauptsächlich Martensit und Bainit umfaßt.
Zur Lösung der Aufgabe wird weiterhin ein Synchronisierring hergestellt aus einer Eisen-
Sinter-Legierung und zur Verwendung in der Synchronisiereinrichtung eines
Gangwechselgetriebes, vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der
Synchronisierring bzw. dessen Legierung enthält
C: 0,2-1 Gewichtsprozent
Ni: 1,0-6,0 Gewichtsprozent
Mo: 0,6-3,0 Gewichtsprozent
Cu: 1,0-4,0 Gewichtsprozent
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, und
daß der Ring für seine Herstellung einer einmaligen Formbehandlung und einer einmaligen Sinterbehandlung unterzogen wurde und aus einer Eisen-Sinter-Legierung besteht, deren Basiszusammensetzung oder -komposition hauptsächlich Martensit und Bainit umfaßt.
C: 0,2-1 Gewichtsprozent
Ni: 1,0-6,0 Gewichtsprozent
Mo: 0,6-3,0 Gewichtsprozent
Cu: 1,0-4,0 Gewichtsprozent
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, und
daß der Ring für seine Herstellung einer einmaligen Formbehandlung und einer einmaligen Sinterbehandlung unterzogen wurde und aus einer Eisen-Sinter-Legierung besteht, deren Basiszusammensetzung oder -komposition hauptsächlich Martensit und Bainit umfaßt.
Entsprechend der Erfindung enthält die Basiszusammensetzung (Matrix) vorzugsweise
57-80 Volumenprozent Martensit, 17-40 Volumenprozent Bainit und 8 oder weniger
Volumenprozent Austenit.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung ein Beispiel eines Synchronisier-Ringes;
Fig. 2 einen Teilschnitt durch den Synchronisier-Ring in einer Synchronisiereinrichtung.
Nachstehend werden nun die Gründe für die Festlegung der Zusammensetzung der
Sinterlegierung des erfindungsgemäßen Synchronisierringes näher erläutert:
Kohlenstoff ist ein notwendiges Element, um eine bestimmte Zusammensetzung oder ein
bestimmtes Gefüge zu erhalten. Weiterhin dient Kohlenstoff auch dazu, die Eigenschaften
hinsichtlich Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb zu verbessern.
Wenn aber der Anteil an Kohlenstoff 1,0% übersteigt, ergibt sich sowohl eine
Reduzierung der Festigkeit, als auch eine Reduzierung der Eigenschaften gegen Abrieb.
Falls aber der Kohlenstoffanteil unter 0,2% liegt, lassen sich die gewünschte Festigkeit
sowie auch die erwünschte Abriebfestigkeit nicht mehr erreichen. Aus diesem Grunde ist
der Anteil an Kohlenstoff auf dem Bereich zwischen 0,2 bis 1% begrenzt.
Nickel verbessert die Härte und außerdem die Funktionen zur Umformung der Legierung
zu Martensit und Bainit. Weiterhin verbessert Nickel die Festigkeit. Falls der Anteil an
Nickel kleiner als 1% ist, können diese Effekte nicht festgestellt werden. Übersteigt der
Anteil an Nickel aber 6%, so verschlechtern sich die Eigenschaften gegen Abrieb. Aus
diesem Grunde liegt der Nickelanteil im Bereich zwischen 0,1-6,0%.
Molybden ist in der Grund- oder Basiszusammensetzung gelöst, fällt als Karbid aus und
verbessert die Festigkeit sowie Widerstandsfähigkeit der Basismaterials gegen Abrieb.
Weiterhin dient es zur Verbesserung der Härte beim Sintern. Ist der Anteil an Molybden
allerdings kleiner als 0,6%, können diese Effekte nicht festgestellt werden. Übersteigt der
Anteil an Molybden 3,0%, so läßt sich eine Wirkung, die vergleichbar ist mit dem mit
dem vorgeschlagenen Anteil erzielbaren Effekt, nicht erreichen. Aus diesem Grunde ist
der Anteil an Mo auf den Bereich zwischen 0,6-3,0% festgelegt.
Kupfer löst sich in der Basiszusammensetzung und fällt in dieser aus und bewirkt eine
Verbesserung der Festigkeit des Materials. Ist der Anteil an Kupfer allerdings kleiner als
1%, so werden diese Effekte nicht festgestellt. Ein Kupferanteil größer als 4,0% verursacht
eine Expansion beim Sintern, so daß die Basiszusammensetzung dann sehr brüchig wird.
Aus diesem Grunde ist der Anteil an Kupfer auf dem Bereich zwischen 0,1-4,0%
beschränkt.
Der Rest besteht aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen. Bezüglich der
unvermeidlichen Verunreinigungen sind 0,03% oder weniger von S und 0,03% oder
weniger von Mn zulässig. Auch beim Synchronisierring gemäß der Erfindung bildet die
Basis der Sinterlegierung hauptsächlich Martensit und Bainit. Falls Ferrit oder Pearlit
Strukturen in der Basis bzw. Matrix entstehen, verschlechtern sich die Eigenschaften
hinsichtlich Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Abrieb. Aus diesem Grunde
wird eine Legierung mit einem Gefüge hauptsächlich von Martensit und Bainit angestrebt,
was die Bildung von Ferrit und Pearlit-Gefügen verhindert. Geringe Mengen an Austenit
sind zulässig.
Der Anteil von Martensit im Basismetall beträgt vorzugsweise 57-80 Volumenprozent.
Falls das Verhältnis unter 57% liegt, steigt der Anteil an Bainit an und die Härte nimmt
ab. Weiterhin nimmt bei einem Anstieg an Austenit die thermische Leitfähigkeit ab, was
leicht zu einer thermische Überlastung oder Abnutzung führt. Entsprechend liegt der
Anteil an Bainit im Bereich zwischen 17-40 Gewichtsprozent.
Austenit kann in einem Anteil von 8% oder weniger zusätzlich zu Martensit und Bainit in
der Basis enthalten sein. Falls die Menge an Austenit in der Basiszusammensetzung 8%
übersteigt, führt dies zu einer Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit, was wiederum
leicht zu einer Abnutzung führen kann. Aus diesem Grunde liegt der Anteil an Austenit
vorzugsweise bei 8% oder weniger.
Um eine Sinterlegierung gemäß der Erfindung zu erhalten, wird ein feinpulvriges
Stahllegierungspulver, welches als Legierungselemente die oben beschriebene
Zusammensetzung mit Ausnahme von Kohlenstoff enthält, mit Graphitpulver und einer
Flüssigkeit oder einem Schmiermittel gemischt. Im Anschluß daran wird diese Mischung
unter Druck in einer Form, die vorgegebene Abmessungen aufweist, zu einem grünen
Rohling geformt, der dann anschließend gesintert wird. Die Korngröße des verwendeten
Pulvers liegt vorzugsweise unter 200 µm.
Es besteht weiterhin auch die Möglichkeit, Eisenpulver, welches mit Mo in dem oben
beschriebenen Anteil vorlegiert ist, mit Ni-Pulver und Cu-Pulver zu mischen, um so die
oben erwähnte Zusammensetzung zu erhalten. Anschließend erfolgt ein Glühen oder
Tempern, insbesondere Diffusionsglühen oder -tempern, so daß Nickel und Kupfer
teilweise legiert sind. Es erfolgt dann eine Beimischung von Graphitpulver und einem
Gleitmittel, um so unter Druck einen grünen Rohling zu formen, der schließlich gesintert
wird. Es besteht weiterhin auch die Möglichkeit, Eisenpulver mit Mo-Pulver, Ni-Pulver,
Cu-Pulver, Graphitpulver und einem Gleitmittel zu mischen und hieraus unter Druck den
grünen Rohling zu formen, der anschließend gesintert wird. Das beigemischte
Graphitpulver wird zugegeben für den oben erwähnte C-Anteil in der gesinterten
Legierung.
Der Sintervorgang wird vorzugsweise in einer Vakuum-Atmosphäre bei 1100-1300°C
durchgeführt. Falls die Sintertemperatur 1300°C übersteigt, führt dies zu einer
Reduzierung der Genauigkeit in den Abmessungen des Produktes, während eine
Sintertemperatur unter 1100°C eine Reduzierung der Festigkeit zu Folge hat.
Nach dem Sintervorgang wird das gesinterte Produkt mit einer Kühlrate oder
Kühlgeschwindigkeit von 2,5-0,25°C/s abgekühlt. Falls die Kühlgeschwindigkeit
2,5°C/s übersteigt, können leicht Verformungen auftreten, die die Formgebung
beeinträchtigen, insbesondere auch die Ebenheit und Kreisförmigkeit des Produktes. Liegt
hingegen die Kühlgeschwindigkeit unter 0,25°C/s, so steigt der Anteil an Bainit an, was
zu einer Reduzierung der Härte und zu einer Verschlechterung der Eigenschaften gegen
Abrieb führt. Weiterhin wurde bei einer Kühlgeschwindigkeit unter 0,25°C/s auch die
Bildung von Ferrit festgestellt, was ebenfalls eine Reduzierung der Festigkeit zur Folge
hat.
Gemäß der Erfindung erfolgt die Formgebung unter Druck auf einmal und auch der
Sintervorgang wird auf einmal durchgeführt. Falls das Formen zweifach oder mehrfach
durchgeführt wird, ergeben sich hohe Kosten für das Sinter-Schmieden. Dementsprechend
erfolgt ein einmaliges Formen unter Druck.
Bei einem einmaligen Formvorgang unter Druck und einen einmaligen Sintervorgang
beträgt die Porenrate der gesinterten Legierung 7-13 Volumenprozent. Nach dem Sintern
wird der Rohling zu dem gewünschten Produkt verarbeitet, beispielsweise durch
materialabhebende Bearbeitung oder auf andere geeignete Weise.
Um die Eigenschaften hinsichtlich der Abriebfestigkeit zu verbessern, wird vorzugsweise
eine Dampfbehandlung als Oberflächenbehandlung angewandt. Durch diese
Dampfbehandlung, bei der eine Erhitzung in einer Dampfatmosphäre erfolgt, wird die
Oberfläche mit einer Oxidschicht versehen, wodurch die Eigenschaften gegen Abrieb
verbessert und auch die Oberflächenrauhigkeit geändert wird, um hierdurch einen
bestimmten Reibungskoeffizienten zu erhalten oder zu erhöhen.
Nachstehend werden nun einige Beispiele erläutert. Fe-Mo-Pulver, Ni-Pulver und Cu-
Pulver werden zu der Zusammensetzung gemäß Tabelle 1 kombiniert, wodurch eine
Oberflächen-Diffusions-Bindung zwischen dem Ni-Pulver, dem Cu-Pulver und dem Fe-
Mo-Pulver eintritt, was zu einem Stahl-Pulver führt. Dieses Stahl-Pulver mit einem
Gewichtsanteil von 100 wurde mit Graphitpulver mit einem Gewichtsanteil von 0,4-0,6
und mit Zink-Stearinsäure mit einem Gewichtsanteil von 1 kombiniert und gemischt. Im
Anschluß daran werden unter Druck grüne Rohlinge oder Körper hergestellt, und zwar
mit vorgegebenen Abmessungen. Diese grünen Rohlinge wurden dann in einer
Vakuumatmosphäre bei 1140°C zu Sinter-Rohlingen gesintert, die im Anschluß daran zu
den Produkten, d. h. Synchronisierringen mit den vorgegebenen Abmessungen
(Innendurchmesser 71 mm-Dicke 9 mm) verarbeitet wurden.
Von den erhaltenen Synchronisierringen wurden die Anteile der jeweiligen
Zusammensetzungen bzw. Gefüge mikroskopisch festgestellt. Weiterhin wurden Härte
und Dehnungsfestigkeit gemessen und es wurden außerdem auch Abriebsversuche
durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 zusammengefaßt.
Wie sich aus der Tabelle 2 ergibt, besitzen die Muster gemäß der Erfindung eine höhere
Festigkeit und Härte als solche nach dem Stand der Technik. Weiterhin zeigen die Muster
gemäß der Erfindung eine geringere Abnutzung und besitzen wesentlich bessere
Eigenschaften hinsichtlich der Abriebfestigkeit.
Ein Synchronisierring gemäß der Erfindung verbindet somit eine hohe Festigkeit und
exzellente Eigenschaften gegen Abrieb, kann mit geringen Abmessungen und geringem
Gewicht hergestellt werden, und zwar auch mit erheblichen Vorteilen für die Wirtschaft.
Die Erfindung wurde voranstehend an beschrieben. Es versteht sich für einen Fachmann,
daß zahlreiche Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden, ohne daß
hierdurch der die Erfindung tragende Gedanke verlassen wird.
Der gesamte Offenbarungsinhalt der japanischen Anmeldung Nr. 1 12 476/1997 vom
30. April 1997, einschließlich der Beschreibung, Ansprüche, Zeichnungen und
Zusammenfassung sind ebenfalls Gegenstand dieser Anmeldung.
Tabelle 1
Tabelle 2
1
Synchronisierer oder Synchronisiereinrichtung
2
Hülse oder Ring
3
Synchronisierkeil
4
Synchronisierring
5
Rad
21
Keil
40
innere geneigte oder konische Umfangsfläche
41
Synchronisierabschnitt
50
konischer Abschnitt
51
Keilabschnitt
Claims (3)
1. Synchronisierring, hergestellt aus einer Eisen-Sinter-Legierung und zur Verwendung in
der Synchronisiereinrichtung eines Gangwechselgetriebes, dadurch gekennzeichnet,
daß der Synchronisierring bzw. dessen Legierung enthält
C: 0,2-1,0 Gewichtsprozent
Ni: 1,0-6,0 Gewichtsprozent
Mo: 0,6-3,0 Gewichtsprozent
Cu: 1,0-4,0 Gewichtsprozent
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen,
und daß der Synchronisierring aus einer Eisen-Sinter-Legierung hergestellt ist, deren Basiszusammensetzung oder -komposition hauptsächlich Martensit und Bainit umfaßt.
C: 0,2-1,0 Gewichtsprozent
Ni: 1,0-6,0 Gewichtsprozent
Mo: 0,6-3,0 Gewichtsprozent
Cu: 1,0-4,0 Gewichtsprozent
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen,
und daß der Synchronisierring aus einer Eisen-Sinter-Legierung hergestellt ist, deren Basiszusammensetzung oder -komposition hauptsächlich Martensit und Bainit umfaßt.
2. Synchronisierring hergestellt aus einer Eisen-Sinter-Legierung für die Verwendung in
der Synchronisiereinrichtung eines Gangwechselgetriebes, dadurch gekennzeichnet,
daß der Synchronisierring bzw. dessen Legierung enthält
C: 0,2-1 Gewichtsprozent
Ni: 1,0-6,0 Gewichtsprozent
Mo: 0,6-3,0 Gewichtsprozent
Cu: 1,0-4,0 Gewichtsprozent
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, und
daß der Ring für seine Herstellung einer einmaligen Formbehandlung und einer einmaligen Sinterbehandlung unterzogen wurde und aus einer Eisen-Sinter-Legierung besteht, deren Basiszusammensetzung oder -komposition hauptsächlich Martensit und Bainit umfaßt.
C: 0,2-1 Gewichtsprozent
Ni: 1,0-6,0 Gewichtsprozent
Mo: 0,6-3,0 Gewichtsprozent
Cu: 1,0-4,0 Gewichtsprozent
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, und
daß der Ring für seine Herstellung einer einmaligen Formbehandlung und einer einmaligen Sinterbehandlung unterzogen wurde und aus einer Eisen-Sinter-Legierung besteht, deren Basiszusammensetzung oder -komposition hauptsächlich Martensit und Bainit umfaßt.
3. Synchronisierring hergestellt aus einer Sinterlegierung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszusammensetzung oder -komposition 57-80
Volumenprozent Martensit, 17-40 Gewichtsprozent Bainit und 8 Gewichtsprozent
oder weniger Austenit umfaßt.
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