DE19837583C1

DE19837583C1 - Synchronisiereinrichtung für ein Schaltgetriebe

Info

Publication number: DE19837583C1
Application number: DE1998137583
Authority: DE
Inventors: Winfried Maier
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: MAIER, WINFRIED, DIPL.-ING. (FH), 76135 KARLSR, DE
Priority date: 1998-08-19
Filing date: 1998-08-19
Publication date: 2000-03-30
Anticipated expiration: 2018-08-20
Also published as: WO2000011367A1

Abstract

Eine Synchronisiereinrichtung für ein Schaltgetriebe ist mit wenigstens einem äußeren und einem inneren Gleichlaufring und gegebenenfalls wenigstens einem Zwischenring, versehen. Die Gleichlaufringe und der Zwischenring weisen jeweils Kegelflächen auf, über welche sie wenigstens mittelbar miteinander in Verbindung stehen. Wenigstens einer der Gleichlaufringe und/oder der Zwischenring besteht aus einem metallischen Grundwerkstoff. Wenigstens einer der des aus dem metallischen Grundwerkstoff bestehenden Gleichlaufringe und/oder der Zwischenring ist derart nitriergehärtet, daß durch Einstellen von Prozeßparametern beim Nitrierhärten sich an der Kegelfläche des Gleichlaufrings und/oder an der Kegelfläche des Zwischenrings eine nichtmetallische gamma'Verbindungsschicht und/oder eine nichtmetallische epsilon-Verbindungsschicht ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Synchronisiereinrichtung für ein Schaltgetriebe mit wenigstens einem äußeren und einem inneren Gleichlaufring und wenigstens einem Zwischenring.

Aus der JP-2-304220 A ist ein Synchronisiermechanismus für ein Getriebe bekannt, bei welchem ein Element aus Sinterstahl hergestellt und mit Wasserdampf und an schließendem Nitrieren behandelt wird.

Die DE 44 45 898 A1 beschreibt eine Reibpaarung für eine Synchronisiereinrichtung, bei welcher beide Reib partner aus einem Eisenwerkstoff mit verschleißfester Randzone bestehen. Als Werkstoff kann ein austentiti scher oder ferritischer Stahl eingesetzt werden, der einer Aufkohlung und Nitrierung, einer Nitrierung oder einer Nitrocarburierung unterworfen wird.

Wenn, wie dort beschrieben, beide Reibpartner aus ei nem Eisenwerkstoff mit verschleißfester Randzone be stehen, so mag hierdurch zwar die Verschleißfestigkeit verbessert werden, bezüglich der Reibwerte ergibt sich jedoch eine derartige Verschlechterung, daß solche Synchronisiereinrichtungen nur in speziellen Anwen dungsfällen verwendbar sind. Darüber hinaus sind die genannten austenitischen und ferritischen Stähle sehr teuer und aus diesem Grund wirtschaftlich nicht ein setzbar.

Die FR-PS 15 21 621 beschreibt einen Synchronisier ring, dessen Oberflächen gehärtet, insbesondere ni triert sind.

Aus dem Handbuch der Fertigungstechnik von G. Spur, Band 4/2, Wärmebehandeln, erschienen im Carl Hanser Verlag München Wien 1987, Seite 856 sind γ'- bzw. ε- Verbindungsschichten bei nitriergehärteten Stählen beschrieben.

Aus der DE 31 22 522 A1 ist eine weitere Synchroni siereinrichtung bekannt. Auf einen der Reibpartner, nämlich entweder auf einen Gleichlaufring oder auf einen Synchronisierring, wird dabei ein Reibbelag aus einem nichtmetallischen, anorganischen Werkstoff auf gebracht, welcher die Reibungseigenschaften zwischen den Reibpartnern verbessern soll.

Das Verfahren zur Herstellung dieser Synchronisierein richtung ist jedoch nachteiligerweise sehr teuer und der aufgebrachte Reibbelag muß entweder äußerst sorg fältig aufgebracht werden oder nach dem Aufbringen nachbearbeitet werden. Dies führt zu komplizierten Fertigungsabläufen und darüber hinaus kann der Reibbe lag bei der Nachbehandlung beschädigt werden.

Ein weiteres Problem dieser bekannten Synchroni siereinrichtung ist, daß sich in der aufgebrachten Reibschicht reibwertreduzierende Partikel, wie z. B. Schwefelpartikel, welche im Getriebeöl enthalten sind, festsetzen können. Durch diese Schwefelpartikel wird der Reibwert zwischen den Reibpartnern verringert und somit das aufbringbare Synchronisiermoment bzw. die Synchronisierleistung des Schaltgetriebes herabge setzt. Letztendlich kann dies zu schwerwiegenden Fehl funktionen des Getriebes führen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Syn chronisiereinrichtung für ein Schaltgetriebe zu schaf fen, welche zwischen den Reibpartnern gleichbleibende Reibungsverhältnisse sicherstellt und welche gleich zeitig einfach und kostengünstig herzustellen ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch das erfindungsgemäße Plasmanitrierhärten des aus einem Sinterwerkstoff oder einem Sinterschmiedewerk stoff bestehenden Gleichlaufrings, durch welches sich an der Kegelfläche eine nichtmetallische γ'-Verbin dungsschicht und/oder eine nichtmetallische ε-Verbin dungsschicht ausbildet, ergibt sich für jeweils einen der Reibpartner eine äußere Reibfläche, welche einen konstant bleibenden Reibwert auf einem gewünschten hohen Niveau besitzt. Die nitrierte Oberfläche weist dabei gleichzeitig eine hohe Härte und eine damit ver bundene hohe Verschleißfestigkeit auf. Des weiteren verbleibt durch das Plasmanitrierhärten ein ungehärte ter und somit zäher Kern, der die Festigkeit des je weiligen Bauteils gewährleistet.

Erfindungsgemäß können nunmehr Schwefelpartikel und andere reibwertreduzierende Additive nicht mehr in die dichte und homogene, als Blockierschicht wirkende γ'- Verbindungsschicht bzw. ε-Verbindungsschicht eindrin gen, wodurch der konstante Reibwert der Oberflächen der beiden Gleichlaufringe und damit ein gleichmäßig hohes Synchronisationsmoment sichergestellt ist. Zur Ausbildung der genannten Verbindungsschichten sind lediglich bestimmte Prozeßparameter beim Plasmani trierhärten zu verändern, so daß sich diese Schicht ohne einen zusätzlichen Verfahrensschritt ausbildet. Eine Nachbearbeitung der entsprechenden Verbindungs schicht ist vorteilhafterweise nicht mehr notwendig. Es ergibt sich somit eine sehr einfache und kostengün stige Herstellung der Synchronisiereinrichtung.

Die γ'-Verbindungsschicht bzw. ε-Verbindungsschicht ist dabei fest mit dem Grundwerkstoff des Gleich laufrings bzw. des Zwischenrings verbunden, da es sich nicht um eine aufgespritzte oder in anderer Form auf gebrachte Schicht handelt, sondern um eine durch Stoffumwandlung aus dem Grundwerkstoff des Bauteils hergestellte Schicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildung der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dar gestellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung eines Teils eines Schaltgetriebes mit einer erfin dungsgemäßen Synchronisiereinrichtung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen äußeren Gleich laufring der Synchronisiereinrichtung aus Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III aus Fig. 2;

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen inneren Gleich laufring der Synchronisiereinrichtung aus Fig. 1; und

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V aus Fig. 4.

Fig. 1 zeigt ein Schaltgetriebe, beispielsweise zur Verwendung in Lastkraftwagen oder Personenkraftwagen, welches in seiner Gesamtheit nicht dargestellt ist. Das Schaltgetriebe weist in an sich bekannter Weise eine Synchronisiereinrichtung 1, eine Hauptwelle 2 und ein an der Hauptwelle 2 angebrachtes Zahnrad 3 auf. Selbstverständlich sind an der Hauptwelle 2 noch wei tere Zahnräder angebracht, da diese jedoch nicht er findungsrelevant sind, werden sie im folgenden nicht näher beschrieben. Auch eine bei Schaltgetrieben übli che Vorgelegewelle ist in Fig. 1 nicht dargestellt. Auf der Hauptwelle 2 befindet sich außer dem Zahnrad 3 noch ein Gleichlaufkörper 4, der mit einer Schiebega bel 5 über eine Schiebemuffe 6 und einen Druckstift 7 verbunden ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, die auf der Hauptwelle 2 sich befindlichen Bauteile auf der Vorgelegewelle anzubringen.

Der Gleichlaufkörper 4 ist mit dem Zahnrad 3 über die Synchronisiereinrichtung 1 verbunden. Hierzu besteht die Synchronisiereinrichtung 1 aus einem äußeren Gleichlaufring 8, einem Zwischenring 9 und einem inne ren Gleichlaufring 10, wobei der äußere Gleichlaufring 8 mit dem Gleichlaufkörper 4 und der innere Gleich laufring 10 mit dem Zahnrad 3 verbunden ist. Dieser Aufbau der Synchronisiereinrichtung 1 ist an sich be kannt und wird auch als Borg-Warner-Doppelkonussyn chronisierung bezeichnet. Da die Synchronisierung der einzelnen Zahnräder des Schaltgetriebes auch bei der vorliegenden Ausführungsform der Synchronisiereinrich tung 1 gleich abläuft wie dies aus dem Stand der Tech nik bekannt ist, wird auf diese Abläufe im folgenden nicht näher eingegangen.

Der in den Fig. 2 und 3 näher dargestellte äußere Gleichlaufring 8 weist an seinem Innendurchmesser eine Kegelfläche 11 auf, wohingegen der in den Fig. 4 und 5 dargestellte innere Gleichlaufring 10 an seinem Außendurchmesser mit einer Kegelfläche 12 versehen ist. Der zwischen dem äußeren Gleichlaufring 8 und dem inneren Gleichlaufring 10 angeordnete Zwischenring 9 ist vollständig kegelförmig ausgebildet, d. h. sowohl sein Außendurchmesser als auch sein Innendurchmesser sind als Kegelflächen 13 und 14 ausgebildet und an die Kegelflächen 11 und 12 der Gleichlaufringe 8 und 10 angepaßt. Die Synchronisiereinrichtung 1 ist dafür vorgesehen, eine Kraft bzw. ein Drehmoment von dem Gleichlaufkörper 4 an das Zahnrad 3 über den äußeren Gleichlaufring 8, den Zwischenring 9 und den inneren Gleichlaufring 10 durch Reibung zwischen den jeweili gen Kegelflächen 11 bis 14 zu übertragen.

Um den gewünschten Reibwert zwischen der Kegelfläche 13 am Außendurchmesser des Zwischenrings 9 und der Kegelfläche 11 am Innendurchmesser des äußeren Gleich laufrings 8 und zwischen der Kegelfläche 14 des Zwi schenrings 9 und der Kegelfläche 12 des inneren Gleichlaufrings 10 zu erreichen, ist zunächst der Zwi schenring 9 an beiden Kegelflächen 13 und 14 mit einer an sich bekannten Reibschicht versehen.

Sowohl der äußere Gleichlaufring 8 als auch der innere Gleichlaufring 10 sind an ihren Kegelflächen 11 bzw. 12 nitriergehärtet. Dieses Nitrierhärten wird durch ein Plasmanitrierverfahren durchgeführt, bei welchem die Prozeßparameter so eingestellt werden, daß sich an den Kegelflächen 11 und 12 nichtmetallische sogenannte γ'-Verbindungsschichten bzw. ε-Verbindungsschichten ausbilden. Hierzu werden der äußere Gleichlaufring 8 und der innere Gleichlaufring 10 in einen nicht darge stellten Nitrierofen eingelegt, in welchem eine Ammo niak-Atmosphäre vorherrscht. Die zur Ausbildung der γ'-Verbindungsschicht bzw. ε-Verbindungsschicht einzu stellenden Prozeßparameter sind hierbei die Temperatur im Nitrierofen, das Gasgemisch innerhalb des Nitrier ofens, bestehend aus Ammoniak, Wasserstoff und Kohlen dioxid, die Zeitdauer der Nitrierbehandlung, der in dem Nitrierofen herrschende Unterdruck sowie das beim Plasmanitrieren erforderliche Plasma, welches über Strom und Spannung gesteuert wird. So entsteht an den Kegelflächen 11 und 12 jeweils eine Schicht, die ei nerseits sehr hart und verschleißfest ist und in wel che sich andererseits keine im Getriebeöl enthaltenen reibwertsenkenden Additive, wie z. B. Schwefelpartikel, einlagern können. Dadurch bleibt für die Kegelflächen 11 und 12 ständig ein konstanter Reibwert erhalten und es kann durch die Synchronisiereinrichtung 1 ein gleichbleibendes Synchronisiermoment übertragen wer den.

Die Nitriertiefe der Kegelflächen 11 und 12 beträgt etwa 200 bis 800 µm und die γ'-Verbindungsschicht bzw. ε-Verbindungsschicht ist ca. 1 bis 20 µm, vorzugsweise ca. 10 µm stark. Bei der γ'-Verbindungsschicht handelt es sich um eine Eisen-Stickstoff-Verbindung mit der chemischen Bezeichnung Fe₄N. Die ε-Verbindungsschicht besteht hingegen aus der Eisen-Stickstoff-Verbindung mit der chemischen Bezeichnung Fe_2,3N.

Der metallische Grundwerkstoff der Gleichlaufringe 8 und 10 bzw. des Zwischenrings 9 ist ein Sinterwerk stoff oder ein Sinterschmiedewerkstoff. Bei diesen Sinterwerkstoffen ist es besonders vorteilhaft, Mo lybdän als Grundlegierungselement einzusetzen, wohin gegen bei der Verwendung von Stahlwerkstoffen die Le gierungsbestandteile Chrom, Molybdän, Aluminium und Mangan zu sehr guten Ergebnissen führen.

Selbstverständlich könnte die Synchronisiereinrichtung 1 statt für eine Borg-Warner-Doppelkonussynchronisie rung auch für eine Drei- bzw. Mehrfachkonussynchroni sierung ausgeführt sein.

Bei einer Dreifachkonussynchronisierung wären zwei Zwischenringe 9 vorzusehen, wobei hier die γ'-Verbin dungsschicht bzw. die ε-Verbindungsschicht sowie die Reibschicht im Sinne der oben genannten Ausführungs formen anzubringen wären. Bei einer Mehrfachkonussyn chronisierung ist eine entsprechend höhere Anzahl an Zwischenringen 9 notwendig.

Claims

1. Synchronisiereinrichtung für ein Schaltgetriebe mit folgenden Merkmalen:

1. 1.1 wenigstens einem äußeren (8) und einem inne ren Gleichlaufring (10),
2. 1.2 wenigstens einem Zwischenring (9),
3. 1.3 die Gleichlaufringe (8, 10) und der Zwischen ring (9) weisen jeweils Kegelflächen (11, 12 bzw. 13, 14) auf, über welche sie wenigstens mittelbar miteinander in Verbindung stehen,
4. 1.4 der Zwischenring (9) ist zwischen dem inne ren Gleichlaufring (10) und dem äußeren Gleichlaufring (8) angeordnet,
5. 1.5 die Kegelflächen (13, 14) des Zwischenrings (9) weisen eine Reibschicht auf,
6. 1.6 die Gleichlaufringe (8, 10) bestehen aus ei nem Sinterwerkstoff oder einem Sinterschmie dewerkstoff,
7. 1.7 die Gleichlaufringe (8, 10) sind derart plas manitriergehärtet, daß durch Einstellen von Prozeßparametern beim Nitrierhärten sich an den Kegelflächen (11, 12) der Gleichlaufringe (8, 10) eine nichtmetallische γ'-Verbindungs schicht und/oder eine nichtmetallische ε- Verbindungsschicht ausbildet und
8. 1.8 an den Gleichlaufringen (8, 10) befindet sich jeweils im äußeren Bereich an den Kegelflä chen (11, 12) die γ'- bzw. ε-Verbindungs schicht.

2. Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die γ'-Verbindungsschicht aus Fe₄N besteht.

3. Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ε-Verbindungsschicht aus Fe_2,3N besteht.

4. Synchronisiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitriertiefe 200 bis 800 µm beträgt.

5. Synchronisiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die γ'-Verbindungsschicht bzw. die ε-Verbindungs schicht 1 bis 20 µm, vorzugsweise ca. 10 µm dick ist.