DE19940788A1 - Differential mit lasergehärtetem Gehäuse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten der Getrieberadaussparungen (64, 66) eines Differentialgehäuses (40) mittels Laserenergie. Damit entstehen mehrere gehärtete Bahnen (80) an der Wandoberfläche jeder Getrieberadaussparung (64, 66). Die lasergehärteten Bahnen (80) reduzieren den Zerstörungseffekt infolge von Abnutzungsvorgängen zwischen der Wandoberfläche der Getrieberadaussparungen (64, 66) und der darin drehbar montierten Getrieberäder (72, 74).

Description

Die Erfindung betrifft Differentiale für den Antrieb in einem Kraftfahrzeug. Insbe­ sondere ist die Erfindung auf eine Differentialanordnung ausgerichtet, deren Diffe­ rentialgehäuse lasergehärtete Getrieberadaussparungen hat.

Bekanntlich haben Kraftfahrzeuge Antriebssysteme, die mit Differentialen ausge­ stattet sind, um rotatorische Geschwindigkeitsunterschiede zwischen zwei rotato­ rischen Komponenten, beispielsweise ein Paar Antriebswellen, auszugleichen. Üblicherweise besteht das Differential aus einem Gehäuse, einem Paar Abtriebs­ wellen und einem im Gehäuse montierten Räderwerk, welches Drehvermögen, beispielsweise ein Antriebsdrehmoment, vom Differentialgehäuse zu den Ab­ triebswellen übertragen kann, indem es Drehzahlunterschiede zwischen den Ab­ triebswellen zuläßt.

In Parallelachsschrägzahndifferentialen enthält das Räderwerk ein Paar für die Drehung mit den Abtriebswellen fixierte Seitenräder und mindestens zwei Sätze miteinander in Eingriff stehender Ritzel, die in Getrieberadaussparungen des Dif­ ferentialgehäuses montiert sind. Insbesondere enthält jeder Ritzelsatz ein in einer ersten Getrieberadaussparung drehbar angeordnetes erstes Ritzel, welches im Eingriff mit einem in einer zweiten Aussparung drehbar montierten zweiten Ritzel steht. Das erste Ritzel steht auch im Eingriff mit einem der Seitenräder, während das zweite Ritzel mit den anderen Seitenrädern im Eingriff steht. Die Aussparun­ gen sind in Richtung der Längsachse umlaufend angeordnet, so daß jedes Ritzel um seine eigene Achse, parallel zur Rotationsachse des Gehäuses und der Ab­ triebswellen rotiert. Bei auftretenden Drehzahlunterschieden zwischen den Ab­ triebswellen rotiert jedes Ritzel um seine eigene Achse und wird zu einer reib­ schlüssigen Verbindung mit der inneren Oberfläche der Aussparung gezwungen, um eine ausgleichsbegrenzende Kraft zu erzeugen. Eine übliche Differen­ tialanordnung des dargestellten Typs ist beispielsweise in US-A 5 556 351 ge­ zeigt.

Um die Abnutzung zwischen den Ritzeln und der Aussparungsoberfläche zu redu­ zieren, wurden verschiedene Methoden zur Oberflächenhärtung angewendet. Üb­ licherweise sind die Aussparungen im Differentialgehäuse einsatz- (karburiert) oder induktionsgehärtet. Bekanntlich erfordern solche örtlich begrenzten Oberflä­ chenhärtungsprozesse, daß bestimmte Teile des Differentialgehäuses abgedeckt werden müssen, um eine Härtung zu vermeiden. Weiterhin kann der darauffol­ gende Kühlungsvorgang eine Verformung des Differentialgehäuses verursachen, was dann unweigerlich einen Endschleifprozeß erfordern würde, um die Verfor­ mung zu korrigieren. Es ist hervorzuheben, daß die Anwendung der Karburie­ rungsmethode zur Härtung von Differentialgehäusen sowohl energie- als auch ar­ beitsintensiv und damit sehr teuer ist. Darüberhinaus erfordert der Karburierungs­ prozess eine umfangreiche Ausrüstung wie einen Brennofen, Abkühlwerkzeuge für jedes Differentialgehäuse sowie Abdeck- und Schleifausrüstung.

Es wäre deshalb eine preiswertere und weniger zeitintensive Härtungsmethode für die Aussparungen und/oder andere Teile des Differentialgehäuses günstig.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine auf der Nutzung der Laserenergie basierende Härtungsmethode für die Aussparungen von Differentialgehäusen anzugeben, die diese Anforderungen erfüllt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, 8 oder 15. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand jeweiliger Unteransprü­ che.

Im Ergebnis des Laserhärtungsprozesses nach der Erfindung entsteht auf der Aussparungsoberfläche eine Vielzahl von gehärteten Bahnen. Die lasergehärteten Bahnen reduzieren den durch Reibung verursachten Zerstörungseffekt zwischen den Aussparungen und den Ritzeln. Gemäß dem Gegenstand der Erfindung be­ sitzt die Differentialanordnung ein Differentialgehäuse, das Aussparungen mit mindestens einer lasergehärteten Bahn hat.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnun­ gen näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Kraftfahrzeu­ gantriebsstranges mit integrierter Differentialanordnung nach vorlie­ gender Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Differentialanordnung nach vorliegender Erfindung,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Differentialgehäuses der Diffe­ rentialanordnung nach Fig. 2,

Fig. 4 einen Querschnitt des Gehäuses nach Fig. 3, der die lasergehärte­ ten Getrieberadaussparungen als Ausführungsbeispiel veranschau­ licht,

Fig. 5 einen Querschnitt des Gehäuses mit den lasergehärteten Getrie­ beradaussparungen als weiteres Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 einen Querschnitt weiterer Ausführungsbeispiele der lasergehärteten Bahnen in den Getrieberadaussparungen.

Die Erfindung betrifft ein Differentialgehäuse für eine Differentialanordnung in An­ triebssträngen von Kraftfahrzeugen. Das Differentialgehäuse nach der Erfindung beinhaltet oberflächengehärtete Getrieberadaussparungen mit verbesserter Ver­ schleißfestigkeit, ohne Änderungen anderer Komponenten der Differentialanord­ nung zu erfordern. Ein Differentialgehäuse nach der Erfindung kann in verschie­ densten Differentialanordnungen eingesetzt werden, und die im folgenden be­ schriebene Anwendung soll nicht einschränkend verstanden werden.

Fig. 1 zeigt einen Antriebsstrang 10 für ein beispielhaftes Kraftfahrzeug, der einen Motor 12, ein Getriebe 14 mit einer Abtriebswelle 16 und eine Kardanwelle 18 hat, welche die Abtriebswelle 16 mit einer Ritzelwelle 20 der Hinterachsanordnung 22 verbindet. Die Hinterachsanordnung 22 hat ein Achsengehäuse 24, eine im Ach­ sengehäuse 24 gelagerte Differentialanordnung 26 und ein Paar Antriebswellen 28 und 30, die jeweils mit dem rechten bzw. dem linken Rad 32 und 34 verbunden sind. Die Ritzelwelle 20 trägt ein Ritzel 36 derart, daß es ein Schrägzahnkegelrad 38 antreibt, welches am Differentialgehäuse 40 der Differentialanordnung 26 be­ festigt ist. Ein im Differentialgehäuse 40 gelagertes Räderwerk 41 überträgt eine Drehbewegung vom Gehäuse 40 zu den Abtriebswellen 42 und 44, die jeweils mit der Antriebswelle 28 bzw. 30 verbunden sind, und erleichtert eine Relativrotation, d. h. den Differentialausgleich, zwischen ihnen. Die Drehbewegung vom Motor 12 wird also mittels des Getriebes 14, der Kardanwelle 18, der Ritzelwelle 20, des Differentialgehäuses 40 und des Räderwerks 41 zu den Abtriebswellen 42 und 44 übertragen, um die Hinterräder 32 und 34 anzutreiben. Obwohl die Differen­ tialanordnung 26 in einer Anwendung für den Hinterradantrieb dargestellt ist, kann die Erfindung in Differentialanordnungen benutzt werden, die in Hinterachsen, in Zwischenachsen für frontgetriebene Fahrzeuge, in Verteilergetrieben für allradge­ triebene Fahrzeuge und/oder in irgendeiner anderen bekannten Anordnung für Fahrzeugantriebe eingebaut sind.

Fig. 2 zeigt den Aufbau der Differentialanordnung im Detail. Das Differentialge­ häuse 40 hat eine Trommel 50 und eine Abschlußkappe 52 mit paarigen Radial­ flanschen 50a, 52a und fluchtenden Befestigungsöffnungen 54, 56, durch die Befestigungselemente (nicht dargestellt) geführt sind, um sowohl die Trommel 50 mit der Abschlußkappe als auch das Schrägzahnkegelrad 38 mit dem Gehäuse 40 zu verbinden. Das Gehäuse 40 ist zur Rotation um seine Achse "A" gelagert und besitzt ein Paar Durchführungen 58, 60 für die Antriebswellen 28 und 30, wo­ bei die Durchführungen 58, 60 mit der Zentralkammer 62 innerhalb der Trommel 50 verbunden sind. Die Trommel 50 hat mehrere axiale Bohrungen für Getrie­ beradaussparungen 64 und 66, die untereinander und mit der Kammer 62 ver­ bunden sind. Die Aussparungen 64 und 66 sind parallel zur Rotationsachse "A" des Gehäuses 40 satzweise am Umfang angeordnet. Das in der Trommel 50 ge­ lagerte Räderwerk 41 hat ein erstes und ein zweites schrägverzahntes Seitenrad 68 und 70, drehbar in den Aussparungen 64 gehaltene und mit einem ersten Sei­ tenrad 68 im Eingriff stehende erste Schrägzahnritzel 72 sowie drehbar in den Aussparungen 66 gehaltene und mit einem zweiten Seitenrad 70 in Eingriff ste­ hende zweite Schrägzahnritzel 74. Zusätzlich greift nach der Montage in den Sei­ tenradaussparungen 64 und 66 eines der ersten Ritzel 72 in eines der zweiten Ritzel 74 und diese bilden dann einen im Eingriff stehenden Satz innerhalb der Aussparungen 64 und 66. Die ersten Ritzel 72 haben ein Rungensegment 76, so daß sie nicht mit dem zweiten Seitenrad 70 im Eingriff stehen können. Ebenso haben die zweiten Ritzel 74 ein Rungensegment 78, so daß sie nicht in das erste Seitenrad 68 eingreifen können. Üblicherweise ist das erste Seitenrad 68 drehbar in der Wellendurchführung 58 gelagert und mit der Abtriebswelle 44 verbunden. Ebenso ist das zweite Seitenrad 70 drehbar in der Wellendurchführung 60 gela­ gert und mit der Abtriebswelle 42 verbunden. Um die Abnutzung zwischen den Zähnen der Ritzel 72, 74 und der entsprechenden Oberfläche der Aussparungen 64, 66 zu verringern, ist eine Vielzahl gehärteter Bahnen 80 in die Aussparungen 64 und 66 eingebracht. Die gehärteten Bahnen 80 sind in Fig. 3 und Fig. 4 derart dargestellt, daß sie längs und parallel zueinander verlaufen. Die Bahnen haben jeweils einen Abstand "D" zueinander. Günstig ist ein Seitenabstand "D" zwischen den gehärteten Bahnen im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm, vorzugsweise von un­ gefähr 3 mm. Ebenso ist eine Breite "W" der Bahnen 80 im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm günstig, vorzugsweise von ungefähr 3 mm.

Um die gehärteten Bahnen zu erzeugen, werden die Aussparungen 64 und 66 für das nachfolgende Härten zuerst durch spanende Arbeitsgänge, beispielsweise Drehen oder Bohren mit anschließendem Ziehschleifen, vorbereitet. Die Oberflä­ chenrauheit der Aussparungen 64 und 66 kann 0,015 mm ± 0,003 mm betragen. Danach wird ein Absorptionsmittel wie Manganphosphat auf die zu härtende Oberfläche gegeben, um die auftretende Laserreflexion auf wenige Prozent zu verringern. Der nächste Schritt des Prozesses ist das Härten der Aussparungen 64 und 66 entlang der Bereiche der zu härtenden Bahnen 80 mittels eines Laser­ strahls, so daß die Kantenzone ein Martensitgefüge erhält.

Ein typischer Härtungslaser ist ein 5-Kilowatt-Kohlendioxid-Laser, der einen oder mehrere Strahlen) erzeugen kann. Der (die) Laserstrahl(en) wird (werden) so entlang der Wandoberfläche geführt, daß parallele und längsgerichtete gehärtete Bahnen 80 entstehen. Dies wird durch Längszustellung entweder der Trommel oder des Lasers erreicht. Der Laserstrahl wird vorzugsweise in einem Integrator gebündelt, was für eine gehärtete Bahn mit nahezu rechteckigem Querschnitt und ein gleichmäßiges Ausbreitungsprofil der Laserintensität für das Härten sorgt. Die Härtungstiefe kann eingestellt werden und ist vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm bis 1,3 mm.

In Fig. 5 sind gehärtete Bahnen 90 in den Aussparungen 64 und 66 der Trommel 50 umlaufend an einer inneren Radialebene angeordnet. Die gehärteten Bahnen 90 haben zueinander den Abstand "C" und haben eine Breite im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm, vorzugsweise ungefähr 3 mm.

In einer weiteren Ausführungsform nach Fig. 6 sind gehärtete Bahnen 100 in den Aussparungen 64 parallel-spiralförmig und die gehärteten Bahnen 80 und 90 in den Aussparungen 66 kreuzweise angeordnet.

Weiterhin können die gehärteten Bahnen in Kombinationen der bisher gezeigten Anordnungsformen oder in anderen bisher bekannten oder später entwickelten Konfigurationen ausgebildet sein, ohne sich von der Erfindung abzuheben. Die bevorzugte Ausführungsform ist eine günstige Anordnung, um Abnutzung der Rit­ zel und/oder des Differentialgehäuses vorzubeugen.

Entgegen bisherigen Differentialgehäusen, die einsatz- oder induktionsgehärtete Aussparungen nutzen, um für Verschleißfestigkeit zwischen den Schrägzahnrit­ zeln und dem Differentialgehäuse zu sorgen, hat das Differentialgehäuse nach der Erfindung lasergenerierte gehärtete Bahnen, die eine erhöhte Verschleißfe­ stigkeit bei geringerem Kosten- und Zeitaufwand ermöglichen. Ein Vorteil dieser gehärteten Bahnen besteht in der wesentlich geringeren Abnutzung gegenüber den bisher benutzten nichtgehärteten Differentialgehäusen. Ein weiterer Vorteil des lasergehärteten Differentialgehäuses nach der Erfindung ist der geminderte erforderliche Zeit- und Kostenaufwand zum Härten von Differentialgehäusen. Einige der vorgestellten Konfigurationen funktionieren für sich genommen mit ei­ ner gegebenen Differentialanordnung, obwohl eine Konfiguration einer anderen aufgrund vieler Einflußfaktoren vorgezogen werden kann, einschließlich, aber nicht ausschließlich, der obengenannten Konfigurationen.

Claims (22)

1. Differentialgehäuse für eine Differentialanordnung mit einer Trommel mit zentraler Kammer, gekennzeichnet durch mindestens eine mit der Kam­ mer verbundene Aussparung, die zur Aufnahme eines Ritzels dient und eine Wandoberfläche mit mehreren darin angeordneten Bahnen zur Ver­ schleißreduzierung zwischen der Wandoberfläche und dem Ritzel hat, wo­ bei die Härte der Bahnen größer als die Härte der angrenzenden Bereiche der Wandoberfläche ist.

2. Differentialgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärteten Bahnen längs der Aussparung verlaufen.

3. Differentialgehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärteten Bahnen quer zur Achse der Aussparung verlaufen.

4. Differentialgehäuse nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärteten Bahnen eine Breite im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm ha­ ben.

5. Differentialgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gehärteten Bahnen einen Abstand von ungefähr 3 mm haben.

6. Differentialgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bahnen von einem Laserstrahl erzeugt sind.

7. Differentialgehäuse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl von einem Kohlendioxid-Laser mit einer Leistung von ungefähr 5 Kilowatt erzeugt wird.

8. Differentialanordnung mit einem Differentialgehäuse, das einen trommelar­ tigen Bereich mit einer zentralen Kammer hat, einer ersten und einer zwei­ ten Getrieberadaussparung, die untereinander und mit der zentralen Kam­ mer verbunden sind, einem im Differentialgehäuse montierten Räderwerk, das drehbar in der Kammer gelagert ein erstes und ein zweites Seitenrad enthält, einem ersten in der ersten Getrieberadaussparung drehbar gela­ gerten und mit dem ersten Seitenrad im Eingriff stehenden ersten Ritzel, und einem zweiten in der zweiten Getrieberadaussparung drehbar gela­ gerten und mit dem ersten Ritzel und dem zweiten Seitenrad im Eingriff stehenden zweiten Ritzel, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Getrieberadaussparung mehrere Bahnen auf der Wandoberfläche hat, de­ ren Härte größer als die Härte der angrenzenden Bereiche der Wandober­ fläche ist.

9. Differentialanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärteten Bahnen längs der jeweiligen Aussparung verlaufen.

10. Differentialgehäuse nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärteten Bahnen quer zur Achse der jeweiligen Aussparung ver­ laufen.

11. Differentialgehäuse nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gehärteten Bahnen eine Breite im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm haben.

12. Differentialgehäuse nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gehärteten Bahnen einen Abstand von ungefähr 3 mm haben.

13. Differentialgehäuse nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bahnen von einem Laserstrahl erzeugt sind.

14. Differentialgehäuse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl von einem Kohlendioxid-Laser mit einer Leistung von ungefähr 5 Kilowatt erzeugt wird.

15. Verfahren zum Verbessern der Verschleißfestigkeit einer Wandoberfläche eines Differentialgehäuses einer Differentialanordnung mit den Schritten:

• - Einbringen einer Getrieberadaussparung im Differentialgehäuse; Beaufschlagen einer Wandoberfläche der Getrieberadaussparung mit einem Laserstrahl; und
• - Bewegen des Differentialgehäuses und/oder des Laserstrahls derart, daß gehärtete Bahnen in einer gewünschten Konfiguration auf der Wandoberfläche der Getrieberadaussparung erzeugt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewe­ gung des Differentialgehäuses und/oder des Laserstrahls ferner eine Längszuführung des Differentialgehäuses und/oder des Laserstrahls um­ faßt.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Differentialgehäuses und/oder des Laserstrahls ferner eine Querzuführung des Differentialgehäuses und/oder des Laserstrahls umfaßt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärteten Bahnen nacheinander erzeugt werden und zueinander parallel längs der Aussparung des Differentialgehäuses verlaufen.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärteten Bahnen nacheinander erzeugt werden und zueinander parallel um eine radiale Fläche an der Wandfläche der Aussparung des Differentialgehäuses verlaufen.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärteten Bahnen im wesentlichen ein rechteckiges Härtungsprofil haben und die vom Laserstrahl erzeugte Härtungstiefe ungefähr 1,3 mm beträgt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Kanten zweier benachbarter gehärteter Bahnen 3 mm beträgt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite jeder gehärteten Bahn 3 mm beträgt.