DE19916037C1 - Verfahren zur Herstellung von leistungsführenden Getriebeteilen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von leistungsführenden Getriebeteilen, insbesondere von Lamellenträgern für eine Lamellenkupplung. Die leistungsführenden Getriebeteile weisen dabei Halteeinrichtungen auf, welche eine formschlüssige Verbindung mit weiteren leistungsführenden Getriebeteilen ermöglichen. Das Verfahren beinhaltet folgende Verfahrensschritte: DOLLAR A In einem ersten Schritt erfolgt ein Urformen des leistungsführenden Getriebeteiles aus einem Leichtmetall. In einem zweiten Schritt werden die Getriebeteile-Rohlinge auf ihre endgültige geometrische Abmessung fertig bearbeitet. DOLLAR A In einem dritten Schritt werden zumindest die Oberflächen der Halteelemente der Getriebeteile mit einer Oberflächenschicht beschichtet. Die Oberflächenschicht besteht dabei aus einem Werkstoff, welcher in seiner Härte wenigstens annähernd der Härte der mit den Halteelementen formschlüssig verbundenen Bauteile entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von leistungsführenden Getriebeteilen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Leistungsführende Getriebeteile, insbesondere Kupp­ lungsbauteile, werden zunehmend in Form von komplexen Bauteilen ausgeführt, um Bauraum im Getriebe einzuspa­ ren. Dabei ist es allgemein üblich diese Teile, z. B. wie die Lamellenträger von Lamellenkupplungen, aus Blechen aufzubauen, wobei die Lamellenverzahnung durch verschiedene Verfahren, z. B. Rollieren oder Umformen auf der Stufenpresse, hergestellt wird. Aus den ein­ zelnen Blechen, in der Praxis normalerweise aus Stahl­ blech, werden die gewünschten, komplexen, integrierten Bauteile zusammengefügt.

Diese Bauteile sind sehr aufwendig in ihrer Herstel­ lung und durch den Einsatz von Stahlblech relativ schwer. Da diese Bauteile in dem Getriebe häufigen Beschleunigungsänderungen ausgesetzt sind, wirkt sich die relativ hohe Masse der Bauteile negativ auf den Energiebedarf und damit auf den Wirkungsgrad eines solchen Getriebes aus.

Derzeit lassen sich Gewichtseinsparungen nur durch die Verwendung sehr teurer und sehr aufwendiger Verfahren bzw. Werkstoffe erreichen. Als Beispiel sei hier ein in der WO 93 22 578 A1 beschriebener Aufbau von Kupp­ lungslamellen aus Kohlefaserverbundwerkstoff genannt. Dabei werden die Kupplungslamellen aus diesem Leicht­ bauwerkstoff hergestellt und im Bereich ihrer form­ schlüssigen Verbindung mit den Lamellenträgern durch eine Metallbeschichtung vor übermäßigem Verschleiß geschützt.

Dieser Aufbau verspricht zwar eine Optimierung der Kupplungselemente, insbesondere bezüglich ihres Ge­ wichts, ist aber durch verursachte Kosten und Aufwand im Bereich der Großserienfertigung sicherlich nicht interessant. Er wird deshalb auch weiterhin nur in speziellen Einsatzgebieten wie z. B. dem Motorrennsport Bedeutung haben.

In der DE 36 05 558 C2 sind Kupplungsscheiben für eine Flüssigkeitsreibungskupplung und Verfahren zu deren Herstellung beschrieben. Im Anschluß an die Bearbei­ tung der Kupplungsscheiben soll dabei noch ein Ver­ schleißschutz in Form einer Nickel-Phosphor- Beschichtung vorgesehen werden, wobei die Beschichtung auf außenstromlosem Wege aufgebracht und in einer an­ schließenden Wärmebehandlung einem Tempern unterzogen wird. Dabei wird die Schichtdickenabstimmung so vorge­ nommen, daß die bei der Herstellung der Kupplungs­ scheiben in die Oberflächen des dafür verwendeten Stahlblechs eingebrachten Oberflächenstrukturen der Kupplungsscheiben nicht wesentlich verändert werden. Diese Möglichkeit ergibt sich vor allem durch das stromlose Beschichtungsverfahren.

Die DE-AS 11 57 888 beschreibt ein Verfahren zum Her­ stellen eines topfförmigen Außenkörpers für Lamellen­ reibungskupplungen der aus einem das Drehmoment von oder zu einer Welle oder dergleichen leitenden Boden und axial gerichteten, die Lamellen mitnehmenden, an ihren Flanken gehärteten Fingern besteht. Die Finger sind an der Wurzel mit Ausrundungen in den Boden über­ gehend, wobei aus einem runden Ausgangswerkstück im Gesenk ein topfförmiger Rohling mit einem mittigen Bodenloch auf Fertigmaß - gegebenenfalls mit einer geringen Bearbeitungszugabe - geschmiedet wird. An das Fertigschmieden schließen sich die nachfolgenden Bear­ beitungsstufen an. In dem zylindrischen Mantel des Topfs werden Löcher ausgeschnitten oder gebohrt, von denen ein Wandungsteil die Ausrundung bildet. Der zwi­ schen den Löchern für zwei benachbarte Finger liegende Teil des Mantels wird in einer geringeren Breite, als sie durch den Lochdurchmesser bestimmt ist, ausge­ schnitten, wobei der ausgeschnittene Streifen symme­ trisch zur Verbindungslinie der Mittelpunkte der bei­ den Löcher liegt. Die Finger werden in einer Breite, die größer ist als der gegenseitige Abstand der Wan­ dungen der beiden zu einem Finger gehörenden Ausrun­ dungen, durch zwei in diesem Abstand parallel zueinan­ der arbeitende, feinzahnige Fräs- oder Trennwerkzeuge im Bereich zwischen dem Rand des Mantels und den Lö­ chern ausgearbeitet, wobei die gemeinsame Achse der Werkzeuge etwa auf halbem Abstand des Mantelrandes von den Löchern senkrecht zur Mantelwand geführt wird. Die Flanken der Finger werden höchstens so tiefgehend ge­ härtet, z. B. durch Brenn- oder Induktionsverfahren, daß die Grenze der Härteschicht eine Tangente an die Ausrundung ist.

In der DE 40 27 885 A1 ist ein Synchronisierring für eine Synchronisiereinrichtung einer Schaltkupplung eines Fahrzeuggetriebes mit einer konischen Bohrung beschrieben. Dabei weist dieser Konus eine Verschleiß­ schicht auf. Diese Verschleißschicht oder Reibfläche wirkt in Verbindung mit einer konischen Fläche, die an unterschiedlichsten Elementen der Schaltkupplung ange­ ordnet sein kann. Der Rohling des Synchronisierungs­ ringes wird im Bereich des Reiblagers und des Konus in einem abschließenden Arbeitsgang am Konus geglättet und verdichtet. Der Rohling des Synchronisierringes wird in Bezug auf die konische Bohrung so bemessen, daß der Synchronisierring über eine bleibende Umfor­ mung maß-, plan- und rundlaufkalibriert wird. Der Syn­ chronisierring kann dabei mindestens an der innenlie­ genden konischen Reibfläche beschichtet sein.

In der EP 0 933 441 A1 ist ein Verfahren zur Herstel­ lung eines Bauteils aus einer Aluminiumlegierung durch Druckgießen beschrieben. Bei einem derartigen Verfah­ ren zur Herstellung eines Bauteils, aus einer durch Ausscheidungen von Mg₂Si aushärtbaren Aluminiumlegie­ rung mit Si- und/oder Mg₂Si-Eutektikum durch Druckgie­ ßen, wird das Bauteil nach dem Druckgießen zur Erhö­ hung der Duktilität auf das gewünschte Maß in einem Temperaturbereich von 320 bis 410° während einer Zeit­ dauer von 320 bis 10 Minuten einer Heterogenisierungs­ glühung unterworfen. Vor der Heterogenisierungsglühung wird das Bauteil zur Einstellung des gewünschten Fe­ stigkeitsniveaus im Temperaturbereich der Ausschei­ dungshärtung von Mg₂Si im abfallenden Teil der Härte­ kurve ausgehärtet. Mit einer gezielten Heterogenisie­ rungsglühung kann ein optimales Verhältnis von Streck­ grenze und Bruchdehnung ohne Durchführung einer Hoch­ glühung mit einer nachfolgenden Wasserabschreckung eingestellt werden.

Ein weiteres Druckgußteil mit einem spezifisch niedri­ gen Gewicht beschreibt auch die DE 39 22 593 A1. Dabei soll eine Lösung geschaffen werden, mit der eine so­ wohl im Kaltkammer- wie im Warmkammerdruckgußverfahren verarbeitbare leichte Legierung erreicht wird, die gleichwohl hohen Festigkeitsanforderungen gerecht wird. Dies wird dadurch erreicht, daß das Druckgußteil aus einer Magnesium-Lithium-Legierung mit einem Lithi­ um-Anteil von bis zu 10 Gew.-% besteht.

Erich Münkel beschreibt in seinem Artikel "Fertigen von Kupplungslagerringen vom Band minimiert Nachbear­ beitung" aus Maschinenmarkt, Würzburg 104 (1998) 1/2 Seiten 18 bis 21 ein für die Fließfertigung geeignetes Herstellungsverfahren, welches in mehreren Verfahrens­ schritten die Herstellung eines Kupplungslager- Außenrings durch Vorziehen, Beschneiden, Durchziehen, Aufweiten, Stauchen, Lochen und Prägen ermöglicht.

Es ist die Aufgabe der Erfindung ein für eine Großse­ rienfertigung geeignetes Verfahren zur Herstellung von leistungsführenden Getriebeteilen zu schaffen, welches in der Lage ist, sehr komplexe Geometrien bei minima­ lem Gewicht, minimalen Kosten und maximal möglichem Verschleißschutz zu erreichen.

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

Durch das Urformen des leistungsführenden Getriebe­ teils aus einem Leichtmetall in dem ersten Verfahrens­ schritt, wird durch die bei Leichtmetallen zur Verfü­ gung stehenden Fertigungstechnologien bei gleichzeitig vergleichsweise geringen Kosten die Fertigung sehr komplexer Geometrien möglich. Dadurch lassen sich auch hochintegrierte Bauteile fertigen, welche gleichzeitig mehrere Funktionen übernehmen und die bei weitem nicht den Bauraum beanspruchen, den vergleichbare Teile be­ anspruchen würden, wenn sie in der herkömmlichen Tech­ nik aus Stahlblechpaketen aufgebaut würden. Weiterhin bietet das Leichtmetall den entscheidenden Vorteil gegenüber den Stahlkonstruktionen Gewicht einzusparen.

In dem nachfolgenden, zweiten Verfahrensschritt werden die Rohlinge auf ihre endgültigen geometrischen Abmes­ sungen und Oberflächenqualitäten weiterbearbeitet. Dieser Schritt kann praktisch schon eine Fertigbear­ beitung enthalten, da die im nachfolgenden aufgebrach­ te Oberflächenscht so dünn ausgeführt werden kann, daß sie die geometrischen Abmessungen nicht entschei­ dend beeinflußt.

In einem dritten Verfahrensschritt werden nun in sehr vorteilhafter Art und Weise die Oberflächen der aus Leichtmetall hergestellten leistungsführenden Getrie­ beteile mit einer härteren Oberflächenschicht verse­ hen. Dabei können in besonders vorteilhafter Weise nur die wirklich hochbelasteten Oberflächen von form­ schlüssigen Verbindungen beschichtet werden. Die an der Leistungsübertragung nicht beteiligten Oberflächen müssen nicht mitbeschichtet werden, was wiederum Ko­ sten und Material einspart.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die leistungsführenden Getriebeteile aus einem aluminiumhaltigen Werkstoff hergestellt, welcher in einem besonders kostengünstigen und verfah­ renstechnisch sehr sicher zu beherrschenden Druckgieß­ verfahren verarbeitet werden kann.

In einer weiteren besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Beschichtung der Oberflächen durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Dieses an sich bekannte Verfahren ermöglicht es, Stahl als Be­ schichtungswerkstoff einzusetzen. Wobei die Herstel­ lung einer Beschichtung aus überwiegend eisenhaltigem Werkstoff oder aus Stahl auf dem Grundmaterial aus Aluminium erst durch dieses spezielle Verfahren mög­ lich wird. Der Stahlwerkstoff bietet dabei praktisch als einziger Werkstoff die Möglichkeit die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit und Härte zu erreichen.

Insbesondere bei den Lamellenträgern für eine Lamel­ lenkupplung ist es sehr wichtig, daß die Oberfläche des Lamellenträgers, hier des stahlbeschichteten Alu­ miniumbauteils, wenigstens annähernd die gleiche Härte wie die Lamellen, hier werden üblicherweise kostengün­ stig und schnell zu fertigende Stahllamellen einge­ setzt, aufweist. Nur wenn das Verhältnis der Härte der Lamelle zur Härte der Oberflächenschicht kleiner als ca. 1,6 bleibt, läßt sich der gefürchtete Prallver­ schleiß im Bereich der formschlüssigen Halteelemente zwischen Lamellenträger und Lamelle vermeiden.

Unter dem Prallverschleiß versteht man dabei eine Ver­ schleißart, bei der durch stoßartige Belastungen der Verbindung die Oberfläche zunächst verdichtet und da­ mit verhärtet wird und bei dem dann durch weitere stoßartige Belastungen Teile der Oberfläche abgetragen werden können. Diese Mikropartikel können sich dann im Getriebe verteilen, da sie durch den Schmierölstrom zu anderen Getriebeelementen weitergetragen werden. Dort können sie zu weiteren Schäden und weiterem Verschleiß führen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und dem nachfolgend anhand der Zeichnungen prinzipmäßig darge­ stellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigen

Fig. 1 eine dreidimensionale Ansicht eines inneren und eines äußeren Lamellenträgers mit jeweils einer Lamelle;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen hochinte­ grierten Lamellenträger aus Leichtmetall; und

Fig. 3 eine Detailansicht der formschlüssigen Ver­ bindung zwischen Lamelle und Lamellenträger.

Fig. 1 zeigt einen Innenlamellenträger 1 und einen Außenlamellenträger 2. In diese Lamellenträger 1, 2 sind jeweils wechselseitig Innenlamellen 3 und Außen­ lamellen 4 eingesetzt. In der schematischen Darstel­ lung ist dabei nur jeweils eine Außenlamelle 4 und eine Innenlamelle 3 erkennbar. Im zusammengebauten Zustand der Lamellenkupplung liegen jedoch mehrere Lamellen 3, 4 jeweils wechselseitig gegeneinander.

Zur Betätigung der Lamellenkupplung wird über eine Betätigungseinrichtung (nicht dargestellt) eine axiale Kraft auf dieses Lamellenpaket ausgeübt. Dadurch kann durch den Reibschluß der einzelnen Lamellen 3, 4 Leis­ tung zwischen den Lamellenträgern 1, 2 übertragen wer­ den.

Die Lamellenträger 1, 2 sind dann mit weiteren Elemen­ ten des Getriebes (nicht dargestellt) verbunden. Um eine möglichst gleichmäßige Aufteilung der Kräfte auf die einzelnen Lamellen 3, 4, sowie eine gezielte Un­ terbrechung des Leistungsflusses in dem Getriebe zu ermöglichen, sind die Lamellen 3, 4 jeweils in Halte­ elementen 5, hier insbesondere Mitnahmeverzahnungen 5, geführt.

Fig. 2 zeigt nun einen Querschnitt durch einen hochin­ tegrierten Lamellenträger 6. In dem Lamellenträger 6 sind mehrere Mitnahmeverzahnungen 5a, 5b für jeweils verschiedene Kupplungen erkennbar. Am beispielhaft dargestellten Lamellenträger 6 soll nun Leistung von einer Lamellenkupplung zu einer anderen in einem ein­ zigen Bauteil übertragen werden. Zudem weist der La­ mellenträger 6 einen Durchbruch 7 auf, der zur Aufnah­ me der Lagerung weiterer Getriebebauteile, hier insbe­ sondere von Planetenrädern (nicht dargestellt) vorge­ sehen ist. Im Bereich der einen Mitnahmeverzahnung 5a des Getriebebauteils 6 ist ein Bereich 8 zur Aufnahme der Lagerung eines Hohlrades (nicht dargestellt) vor­ gesehen.

Die Flanken 9a, 9b der Mitnahmeverzahnungen 5a, 5b sind dabei mit einer dünnen durch Hochgeschwindig­ keitsflammspritzen aufgebrachten Stahlbeschichtung 10 versehen.

In Fig. 3 ist die Stahlbeschichtung 10 (in stark ver­ größerter Darstellung) in einer Draufsicht auf einen Teil einer der Mitnahmeverzahnungen 5 nochmals erkenn­ bar. Je nach Ausführungsform des hochintegrierten La­ mellenträgers 6 kann es sinnvoll sein, beide Flanken 9a, 9c jedes Zahns 11 der Mitnahmeverzahnung 5 zu be­ schichten.

Durch die, durch das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen ermöglichten, einfach zu steuernden Verfahrensparame­ ter, ist es beispielsweise auch möglich, die gegen­ überliegenden Flanken 9a, 9c mit unterschiedlich dic­ ken Stahlbeschichtungen 10 und/oder Beschichtungen 10 aus verschiedenen Materialien, z. B. belastungsabhän­ gig, auszuführen.

Weiterhin können durch das Hochgeschwindigkeitsflamm­ spritzen auch nur partielle Bereiche des hochinte­ grierten Lamellenträgers 6 beschichtet werden, so daß hier je nach Belastung der einzelnen Bereiche eine Beschichtung erfolgt oder die Aluminiumoberfläche un­ beschichtet belassen wird, um Fertigungszeit, Ferti­ gungskapazität und Fertigungskosten einzusparen. An der Herstellung und Bearbeitung des Aluminiumteils än­ dert sich dabei nichts.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von leistungsführenden Getriebeteilen, insbesondere von Lamellenträgern für eine Lamellenkupplung, wobei die leistungsfüh­ renden Getriebeteile Halteeinrichtungen aufweisen, welche eine formschlüssige Verbindung mit weiteren Getriebeteilen ermöglichen, wobei die leistungs­ führenden Getriebeteile zuerst als Getriebeteil- Rohlinge urgeformt werden, wonach die Getriebe­ teil-Rohlinge auf ihre endgültige geometrische Ab­ messung weiterbearbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebeteil-Rohlinge aus einer überwiegend leichtmetallhaltigen Legierung urgeformt werden, wobei nach der Weiterbearbeitung auf deren endgül­ tige geometrische Abmessungen zumindest die Ober­ flächen der Halteelemente (5) der Getriebeteile (1, 2, 6) mit einer Oberflächenschicht (10) be­ schichtet werden, die aus einem Werkstoff besteht, welcher in seiner Härte wenigstens annähernd der Härte der Oberflächen der mit den Halteelementen (5) formschlüssig zusammenwirkenden Bauteile (Lamellen 3, 4) entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leistungsführenden Getriebeteile (1, 2, 6) aus einer überwiegend aluminiumhaltigen Werkstoffle­ gierung urgeformt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leistungsführenden Getriebeteile (1, 2, 6) durch ein Druckgieß-Verfahren urgeformt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung der Oberflächen durch Hochge­ schwindigkeitsflammspritzen erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschichtung der Oberflächen eine überwiegend eisenhaltige Legierung, insbesondere Stahl, einge­ setzt wird.