DE3132363C1 - Verfahren zum partiellen Oberflaechenhaerten - Google Patents

Verfahren zum partiellen Oberflaechenhaerten

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum partiellen Oberflächenhärten des inneren und/oder äußeren Gelenkkörpers sowie des Käfigs eines Kugelgelenkes, wobei die Außenfläche des inneren Gelenkkörpers und die Innenfläche des äußeren Gelenkkörpers mit den Kugellaufbahnen zur Aufnahme von den das Drehmoment übertragenden Kugeln vorgesehen sind und die Kugeln im Käfig geführt werden.
Es sind bereits Verfahren zum Härten von Gelenkringen bei Wellengelenken bekannt (z. B. DE-OS 28 17 167). Es ist üblich, daß symmetrische Induktoren verwendet werden. Hierbei ist von Nachteil, daß je kleiner der Abstand des Induktors vom Werkstück ist, eine größere Einhärtetiefe vorhanden ist. Bei großem Abstand zwischen Induktor und Werkstück ist folglich eine kleine Tiefe zu verzeichnen. Dieses Verhalten ist genau umgekehrt wie es die Funktion eines Gelenkes erfordert. In der Kugellaufbahn entstehen hohe Hertz'sche Pressungen; es liegt jedoch nur eine kleine Einhärtetiefe im Verhältnis zur Käfigbahn vor.
Darüber hinaus ist aus der DD-PS 69 622 ein Verfahren und eine Einrichtung bekannt, die der induktiven Erwärmung rotationssymmetrischer Werkstücke dient. Da es sich um kurze axiale Härtelängen handelt, ermöglicht diese Einrichtung eine kontinuierliche Durchführung durch die Induktionsspule. Bei Kugelgelenken ist eine derartige Vorrichtung nicht brauchbar.
Bei einem Kugelgelenk tritt in den Bahnen zwischen der Kugel und den Kugellaufbahnen durch die Punktberührung eine sehr hohe Punktbelastung auf. Es sind Spitzenbelastungen von 4000 Nm/mm2 aufzufangen, so daß die Gefahr besteht, daß durch Grübchenbildung (Pittings) ein Ausfall des gesamten Gelenkes hervorgerufen wird.
Bei den Berührungsstellen zwischen dem Käfig und den Führungsflächen des inneren oder äußeren Gelenkkörpers ist eine hohe Reibung und eine Belastung über die gesamte Fläche aufzufangen. Durch diese Flächenbelastung tritt eine kleine Flächenpressung auf, als Folge davon erhält man nur einen Verschleiß in Form eines abrasiven Abriebes (Schmirgeleffekt).
Bei den heutigen Gelenken werden diese Nachteile dadurch aufgefangen, daß nicht nur das Gelenkinnenteil, sondern auch das Gelenkaußenteil in massiver Bauweise ausgeführt wird. Nachteilig ist hierbei, daß durch die Verarbeitung von massivem und kompakten Material das Gelenk insgesamt teuer und im Gewicht zu schwer wird; außerdem sind die ungefederten Massen groß. Gerade im Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges soll Gewicht eingespart werden. Auch muß aufgrund der großen Härteverzüge eine Schleifbearbeitung erfolgen.
Beim dünnwandigen Käfig führt eine allseitige tiefe
Einhärtung dazu, daß der zähe Kernquerschnitt nur sehr klein ist. Darunter leidet die Gesamtzähigkeit des Bauteiles.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Härteverfahren für dünnwandige Teile bzw. für Teile, die nach dem Härten nicht weiterbehandelt werden sollen, zu schaffen, welches geringe Verzüge und gerade eben erforderliche Härtetiefen gewährleistet, so daß die in einem Gelenk auftretenden unterschiedlichen Belastungen aufgefangen werden können, so daß Härteverzüge verringert werden und dünnwandige Teile nicht durchgehärtet werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nur die Kontaktstellen zwischen den Kugeln und den Kugellaufbahnen bzw. und dem Käfig induktiv mit Hilfe eines Forminduktors mindestens 0,5 mm tief eingehärtet werden, wobei die Härtetiefe zumindest dreimal so tief ist wie die Dicke der verschleißfesten Schicht zwischen dem Käfig und dem inneren bzw. äußeren Gelenkkörper, während diese verschleißfeste Schicht entweder durch ein Härteverfahren für geringe Härtetiefen oder durch eine Beschichtung erzeugt wird.
Beim partiellen Härten ist von Vorteil, daß lediglich geringe Härteverzüge zu erwarten sind. Die Gefahr der Durchhärtung bei dünnwandigen Werkstücken wird verhindert, so daß die Gefahr des Aufplatzens besonders des äußeren Gelenkkörpers während der hohen Beanspruchung im Fahrbetrieb verhindert wird.
Der Käfig erhält bei diesem Verfahren eine bessere Gesamtzähigkeit. Eine Nachbearbeitung durch Schleifen kann entfallen.
Besonders vorteilhaft läßt sich ein solches Verfahren bei Gelenken mit hinterschnittfreien Kugellaufbahnen anwenden, da der Forminduktor axial in das Außenteil bzw. über das Gelenkinnenteil gebracht werden kann. Eine partielle Härtung läßt sich kostensparend mit einem geringen Energieaufwand und außerdem durch geringe Nachbearbeitung durchführen.
Des weiteren ist vorgesehen, daß die verschleißfeste Schicht durch Laser- oder Elektronenstrahlhärtung erzeugt wird.
Durch Verwendung eines derartigen Dünnschichtverfahrens wird eine längere Lebensdauer ermöglicht, da an diesen Werkstücken die Verschleißerscheinungen durch eine erhöhte Reibung vermindert wird. Die Teile können entweder aus einem Werkstoff oder als Verbundkonstruktion ausgeführt werden, je nach
Anforderungsprofil an das Maschinenteil. Als Beschichtung kommt z. B. Haftverchromen, Vernickeln, Kunststoffbeschichtung oder ein Überzug aus Nichtmetall in Frage. Bei Nichtmetallen handelt es sich entweder um einen organischen (z. B. Kunststoff) oder anorganischen Überzug (z. B. Siliciumkarbid).
Beim Randschichthärten bietet sich Induktionshärten, Flammhärten, Impulshärten, Elektronenstrahlhärten oder Laserhärten an. Als thermo-chemische Oberflächenbehandlung versteht man borieren, chromieren, nitrieren, oder auch zementieren. Die thermo-chemische Diffusionsbehandlungen bieten den Vorteil, daß das Gesamtteil verschleißfest gemacht wird, so z. B. Verzahnungen oder sonstige Teile, die sich ebenfalls in diesem Werkstück befinden.
Damit lediglich dort eine Bearbeitung erfolgt, die aus funktionstechnischen Gründen erforderlich ist, ist die dünne, verschleißfeste Schicht partiell nur auf den beanspruchten Teilen der Anlageflächen z.B. durch Laserstrahlhärtung, Elektronenstrahlhärtung, Aufspritzen, Kunststoff-Beschichtung oder einer anorganischen Schicht aufgebracht.
Des weiteren ist vorgesehen, daß die verschleißfeste Schicht durch eine thermo-chemische Oberflächenbehandlung, durch eine Kunststoffbeschichtung oder durch eine anorganische Beschichtung erzeugt wird.
Da es sich bei diesem Verfahren besonders um ein Verfahren für dünnwandige Bauteile handelt, versteht man unter tiefeingehärteten Partien solche Partien, die mindestens 0,5 mm betragen, so daß sich die Dünnschichtverfahren in einem Größenbereich von mindestens 0,05 aufwärts bewegen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele nach der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt. Es zeigt
F i g. 1 ein Gelenk mit Käfig im Schnitt, Fig.2 einen Teil eines Querschnittes des äußeren Gelenkkörpers mit Kugellaufbahnen,
Fig.3 einen Teil eines Querschnittes eines inneren Gelenkkörpers mit den entsprechenden Kugellaufbahnen,
F i g. 4 ein vereinfachter Schnitt des in F i g. 1 dargestellten Gelenkes mit der Andeutung der Härtezonen,
F i g. 5 und 6 einen Käfig als Einzelteil.
Das in F i g. 1 gezeigte Gleichlaufdrehgelenk besteht im wesentlichen aus dem äußeren Gelenkkörper 1 und dem inneren Gelenkkörper 2. Sowohl im äußeren 1 wie auch im inneren Gelenkkörper 2 sind Kugellaufbahnen 3 und 4 zur Aufnahme der das Drehmoment übertragenden Kugeln 5 vorgesehen. Zwischen dem äußeren Gelenkkörper 1 und dem inneren Gelenkkörper 2 ist ein Käfig 6 geführt, in dessen Fenster 7 die Kugeln 5 gehalten werden.
Die Kugellaufbahnen 3 und 4 verlaufen im Längsschnitt gesehen, hinterschnittfrei. Der äußere Gelenkkörper 1 ist aus Blech spanlos hergestellt Die Mittelbohrung 8 des inneren Gelenkkörpers 2 dient der Aufnahme der Antriebswelle und die Verzahnung 9 sowie die Bohrung 10 des äußeren Gelenkkörpers 1 ist ebenfalls zur Befestigung an einem entsprechenden Bauteil vorgesehen. Zur Abdichtung des Gelenkinnenraumes dient ein Faltenbalg, der der Einfachheit halber nicht dargestellt wurde.
In F i g. 2 ist ein Teil des äußeren Gelenkkörpers 1 im Schnitt dargestellt, wobei die Kugellaufbahnen 2 zur Aufnahme der drehmomentübertragenden Kugel 5 dienen. Bei den schraffierten Flächen handelt es sich um die tief eingehärteten Kontaktstellen 11, an denen die Kugel 5 sich während des Betriebes an den Kugellaufbahnen 3 abstützt. Diese Flächen sind tief eingehärtet, da hier sehr hohe Flächenpressungen bedingt durch die Punktberührung einer Kugel mit der Kugellaufbahn auftreten.
Bei der strichpunktierten Linie handelt es sich um die Kontaktfläche 12 des äußeren Gelenkkörpers 3, an der der Käfig 6 geführt ist. Diese Kontaktfläche 12 besteht aus einer dünnen verschleißfesten Schicht. Diese Kontaktfläche 12 wird mit einer erhöhten Reibung beaufschlagt, da der Käfig hier eine Flächenberührung erhält, so daß die Flächenpressung gering ist, jedoch die Reibung groß. In F i g. 3 ist der innere Gelenkkörper 2 dargestellt mit seinen Kugellaufbahnen 4, die der Aufnahme der Kugeln 5 dienen. Die schraffierten Flächen stellen ebenfalls die tief eingehärteten Kontaktstellen 11 dar, denn hier wird die Kugel punktförmig abgestützt und die Flächenpressung ist in diesem Bereich sehr hoch. Die strichpunktierte Linie zeigt die Kontaktfläche 12 des inneren Gelenkkörpers 1 mit der die Innenfläche des Käfigs 6 auf dieser Kontaktfläche 12 geführt wird. Die Kontaktfläche 12 besitzt ebenfalls eine geringere Flächenpressung als die Kontaktflächen 11, jedoch aufgrund der Führung des Käfigs eine erhöhte Reibung.
F i g. 4 zeigt einen vereinfachten Schnitt durch das in F i g. 1 gezeigte Gelenk. Der äußere Gelenkkörper 1 zeigt in der Kugellaufbahn 3 eine schraffierte Fläche, die der tief eingehärteten Kontaktstelle 11 entspricht. Sie verläuft über die gesamte axiale Länge der Kugellaufbahn 3. Weiter zeigt die F i g. 4 schematisch eingedeutet die Kugel 5. Im inneren Gelenkkörper 2 sind ebenfalls in den Kugellaufbahnen 4 die tief eingehärteten Kontaktstellen 11 über die gesamte axiale Länge angeordnet. Bei den strichpunktierten Bereichen handelt es sich um die Kontaktflächen 12 des inneren 2 und äußeren Gelenkkörpers 1, an denen der Käfig geführt wird. Der Käfig ist hier nicht gezeigt.
F i g. 5 zeigt einen Käfig 6 als Einzelteil, bei dem im Längsschnitt gesehen wiederum Kontaktstellen 11 mit großer Einhärtetiefe vorhanden sind, außerdem sind die dünnen verschleißfesten Kontaktflächen 12 sowohl auf der Innen- wie auch auf der Außenseite des Käfigs 6 vorhanden. In F i g. 6 ist ein Ausschnitt eines Käfigs 6 in Abwicklung dargestellt, dessen Fenster 7 mit tief eingehärteten Kontaktstellen 11 versehen sind, wie dies auch in Fig.5 im Längsschnitt gezeigt ist. Die Außenfläche des Käfigs 6 ist als Kontaktfläche 12 ausgebildet
Bezugszeichenliste äußerer Gelenkkörper
1 innerer Gelenkkörper
2 Kugellaufbahn des äußeren Gelenkkörpers
3 Kugellaufbahn des inneren Gelenkkörpers
4 Kugeln
5 Käfig
6 Fenster
7 Mittelbohrung
8 Verzahnung
9 Bohrung
10 tief eingehärtete Kontaktstellen
11 Kontaktfläche
12
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum partiellen Oberflächenhärten des inneren und/oder äußeren Gelenkkörpers sowie des Käfigs eines Kugelgelenkes, wobei die Außenfläche des inneren Gelenkkörpers und die Innenfläche des äußeren Gelenkkörpers mit den Kugellaufbahnen zur Aufnahme von den das Drehmoment übertragenden Kugeln vorgesehen sind und die Kugeln im Käfig geführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Kontaktstellen (11) zwischen den Kugeln (5) und den Kugellaufbahnen (3) bzw. und dem Käfig (6) induktiv mit Hilfe eines Forminduktors mindestens 0,5 mm tief eingehärtet werden, wobei die Härtetiefe zumindest dreimal so tief ist wie die Dicke der verschleißfesten Schicht (12) zwischen dem Käfig (6) und dem inneren (2) bzw. äußeren Gelenkkörpers (1), während diese verschleißfeste Schicht (12) entweder durch ein Härteverfahren für geringe Härtetiefen oder durch eine Beschichtung erzeugt wird.
2. Verfahren zum Härten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Schicht (12) durch Laser- oder Elektronenstrahlhärtung erzeugt wird.
3. Verfahren zum Härten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Schicht (12); durch eine thermq-chemische Oberflächenbehandlung, durch eine Kunststoffbeschichtung oder durch eine anorganische Beschichtung erzeugt wird.
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