DE4227447C2 - Zahnräder für Fahrzeugachsen - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit Zahnräder für Fahrzeugachsen.

Achsen sind an sich bekannte Bauelemente auf dem Gebiet des Fahrzeugbaus. Achsen umfassen eine Anzahl von Komponenten, die dazu dienen, eine Drehmoment von einem Motor eines Fahrzeuges auf ein Räderpaar zu übertragen, die auf Untergrund laufen. In typischer Weise umfaßt eine Achsanordnung ein Differential, das in einem Gehäuse eingebaut ist, das an einem Träger drehbar gelagert ist. Das Differential ist zwischen einer Eingangsantriebswelle (die vom Fahrzeugmotor kommt) und einem Paar Ausgangs-Achswellen angeordnet, die zu den Fahrzeugrädern führen. In an sich bekannter Weise wird durch die Rotation des Differentialgehäuses, das durch die Eingangswelle angetrieben wird, eine entsprechende Rotation der Ausgangs-Achswellen bewirkt. Das Differential verteilt das Drehmoment von der Eingangswelle auf die beiden Ausgangswellen, welche jedoch unter bestimmten Bedingungen mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren können. Als Folge hiervon wird ein Drehmoment auf beide Räder des Fahrzeuges übertragen, wenn es eine Kurve fährt, wobei jedoch das äußere Rad sich schneller drehen kann als das innere Rad.

Die Antriebsverbindung zwischen der Antriebswelle und dem Differentialgehäuse erfolgt gewöhnlich durch ein Paar ineinandergreifender Zahnräder. Ein Ritzel-Zahnrad ist an einem Ende der Antriebswelle befestigt zur Drehung mit dieser, während ein Ring-Zahnrad am Differentialgehäuse zur Drehung mit diesem befestigt ist. Das Ritzel-Zahnrad und das Ring-Zahnrad kämmen miteinander, so dass die Drehung der Antriebswelle eine entsprechende Drehung des Differentiales bewirkt. Unter "Achsen- Zahnräder" ist nachfolgend die Paarung von Ritzel-Zahnrad und Ring-Zahnrad zu Im Differentialgehäuse ist gewöhnlich eine Querwelle eingebaut zur Drehung mit dem Gehäuse. Ein Paar Zahnräder ist drehbar an den Enden der Querweile gelagert. Die Zahnräder arbeiten zusammen mit einem Paar Tellerräder, die auf die Achswellen aufgekeilt sind. Wenn somit das Gehäuse rotiert, bewirken diese Zahnräder eine Drehung der Tellerräder und damit eine Drehung der Achswellen. Wie bekannt, drehen sich diese Zahnräder und die Tellerräder nicht relativ zueinander, wenn das Fahrzeug geradeaus fährt. Wenn jedoch das Fahrzeug eine Kurve fährt, rotieren die Zahnräder und die Tellerräder geringfügig relativ zueinander, damit das äußere Fahrzeugrad sich schneller drehen kann als das innere Fahrzeugrad. Unter der Bezeichnung "Differential-Zahnräder" ist nachstehend die Anordnung aus Ritzel- Zahnrädern und Tellerrädern zu verstehen.

Auf dem Gebiet der Zahnradherstellung ist es bekannt, Zahnräder auf unterschiedliche Weise zu behandeln, um diesen bestimmte, gewünschte Eigenschaften zu verleihen. Eine bekannte Behandlungsmethode für verschiedene Arten von Zahnrädern ist das Einsatzhärten. Im allgemeinen zeichnen sich einsatzgehärtete Zahnräder durch eine relativ dünne äußere harte Schicht (Mantel) und einen weicheren inneren Bereich (Kern) aus. Einsatzgehärtete Zahnräder haben daher einen harten Mantel, der der Kontur der Zähne des Zahnrades folgt, jedoch nicht tief in den Kern eindringt.

Die Aufkohlung ist eine häufig angewendete Behandlungsweise für einsatzgehärtete Zahnräder. Allgemein bedeutet die Aufkohlung, dass das Zahnrad auf eine relativ hohe Temperatur in der Anwesenheit einer mit Kohlenstoff angereicherten Atmosphäre erhitzt und dann gekühlt wird. Das Erhitzen und Kühlen des Zahnrades bewirkt, dass das gesamte Zahnrad (sowohl der Mantel wie auch der Kern) gehärtet werden. Das Maß der Kernhärtung ist unter anderem abhängig von dem Anfangsgehalt von Kohlenstoff im Stahl, der Temperatur, auf die das Zahnrad erhitzt wird und der Kühl-Rate. Bezüglich des Mantels jedoch bewirkt die hohe Temperatur, dass Kohlenstoff aus der Atmosphäre in die Oberfläche eines Zahnrades hineindiffundiert. Diese Kohlenstoffdiffusion bewirkt, dass der Mantel des Zahnrades stärker gehärtet wird als der Kern des Zahnrades, wenn dieses nachfolgend gekühlt wird. Die Tiefe der Kohlenstoffeindringung in das Zahnrad (und damit die Tiefe des gehärteten Mantels) ist direkt proportional zu der Höhe der Temperatur, auf welche das Zahnrad erhitzt wird sowie der Dauer dieser Behandlung.

DE 39 23 404 A1 zeigt ein Verfahren zum Ausbilden eines oberflächengehärteten Zahnrads. Dabei werden die Zähne so gehärtet, dass der Außenbereich (Mantel) der Zähne eine Härte zwischen 52 HRC und 65 HRC hat und der Kern der Zähne eine Härte zwischen 25 HRC und 45 HRC hat. Die DE 39 23 404 A1 enthält keine explizite Offenbarung bezüglich der Dicke Mantels. Aus dieser Druckschrift sind Zahnräder der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art bekannt.

DE 33 21 327 A1 zeigt Zahnräder, bei welchen die Tiefe der Härtungsschicht kleiner oder nahezu gleich halb so groß wie die Zahnkopfbreite ist. Somit kann die Härtungsschicht relativ dick sein. DE 33 21 327 A1 zeigt insbesondere Zahnräder zum Einsatz in Getrieben für die Antriebe von Walzgerüsten, von Zementmühlen, von Großbaggern und von der Schienenförderung für den Kohlentagebau.

DE 33 11 696 A1 zeigt ein Verfahren zum Oberflächenhärten von Stahlteilen. Ein Härten eines Mantels bei Zahnrädern und insbesondere bei Zahnrädern für Fahrzeugachsen ist nicht Gegenstand der DE 33 11 696 A1.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Zahnräder für Fahrzeugachsen bereitzustellen, welche eine verbesserte Zahnbiegefestigkeit, einen höheren Stoßwiderstand, eine längere Lebensdauer und eine geringere Ermüdung haben.

Nach der Erfindung wird hierzu ein Zahnrad für Fahrzeugachsen bereitgestellt, dessen Merkmale im Patentanspruch 1 aufgeführt sind.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.

Ausgehend von einem Ausgangsmaterial in Form eines Stangenmaterials aus einer härtbaren Kohlenstofflegierung wird die Grundform des Zahnrads erstellt. Danach wird das Zahnrad durch Aufkohlung einsatzgehärtet, wobei es einer mit Kohlenstoff angereicherten Atmosphäre bei relativ hoher Temperatur über eine vorgegebene Zeitspanne ausgesetzt wird. Dann wird das Zahnrad abgeschreckt und angelassen. Das so hergestellte Zahnrad hat einen äußeren harten Mantel mit einer Härte in einem Bereich von 58 HRC bis 63 HRC, welcher eine Dicke hat, die in einem Bereich von 2,5% bis 4,5% der an der Übergangsstelle zum Fußradius gemessenen Dicke liegt. Somit ist der Mantel relativ dünn bemessen. Der weichere Kern hingegen hat eine Härte in einem Bereich von 35 HRC bis 50 HRC. Durch die relativ dünne Auslegung des harten Mantels in Kombination mit den entsprechenden Härten von Mantel und Kern läßt sich die Biegebelastungsfähigkeit des Zahnrads wesentlich erhöhen, ohne eine ungünstigere Flächenbelastung oder einen stärkeren Oberflächenverschleiß. Hierdurch erhält man somit Zahnräder mit wesentlich günstigeren Gebrauchseigenschaften.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin gilt:

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Zahns eines Zahnrades mit hartem Mantel, der einen weichen Kern umgibt;

Fig. 2 ist ein Flußdiagramm zur Verdeutlichung der Behandlungs- und Herstellungs­ schritte für ein Zahnrad; und

Fig. 3 ist ein Diagramm zur Verdeutlichung der wesentlichen Merkmale eines Zahnrads nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Zahnrad 10, das repräsentativ für den allgemeinen Aufbau eines einsatzgehärteten Zahnrades ist. Das Zahnrad 10 weist einen Grundkörper mit einer Mehrzahl von Zähnen 11 (von denen nur einer dargestellt ist) längs seines Umfanges auf, die jede gewünschte Gestalt oder Anordnung haben können. Das Zahnrad 10 hat einen äußeren harten Mantel 12, der einen weichen inneren Kern 13 umgibt. Der Mantel 12 hat eine Dicke 14, die längs der Kontur des Zahns 11 gemessen wird. Der Zahn 11 hat eine Dicke 15, die an der Übergangsstelle der Kontur zu einem Fußradius gemessen wird.

In Fig. 2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Zahnrades für Fahrzeugachsen gezeigt. Zunächst wird ein Ausgangsmaterial aus einer härtbaren Stahllegierung beispielsweise in Form eines Stangenmaterials ausgewählt, z. B. SAE 8625 oder SAE 4320. Vorzugsweise ist das Material so ausgewählt, daß man höhere Härten erzielt, beispielsweise (mittels eines höheren Legierungs- oder Kohlenstoffgehalts). Ein Grundkörper wird von dem Stangenmaterial abgeschnitten und zu einem Zahnrad-Rohling geschmiedet. Der geschmiedete Rohling wird dann bearbeitet, um ihm die gewünschte Gestalt für das Zahnrad zu geben. In einigen Fällen kann das Zahnrad direkt aus dem Ausgangsmaterial erstellt werden. In jedem Fall werden dann Zähne in das Zahnrad eingeschnitten. Das Zahnrad kann z. B. eine geradlinige Kegelverzahnung, eine Spiral-Kegelverzahnung oder eine Hypoid- Verzahnung haben.

Das bearbeitete Zahnrad 10 wird dann mittels Aufkohlung einsatzgehärtet. Diese Aufkohlung wird ausgeführt durch Erwärmen des Zahnrades 10 in einer mit Kohlenstoff angereicherten Atmosphäre auf eine Temperatur von etwa 838°C über eine Zeitdauer von etwa 8 Stunden, wobei jedoch die Temperatur und die Zeit abhängig von der Größe des Zahnrades variieren. Dieses Erwärmen bewirkt, dass Kohlenstoff in die Oberfläche des Zahnrades 10 diffundiert, so daß sich Mantel 12 und der Kern 13 bilden. Das Erwärmen des Zahnrades 10 bewirkt ferner, dass das Metall im Kern 13 in den Austenit-Zustand übergeführt wird. Danach wird das aufgekohlte Zahnrad 10 schnell gekühlt durch Abschrecken in einem Ölbad. Diese schnelle Abkühlung bewirkt, dass das Metall des Zahnrades 10 aus dem Austenit-Zustand in einen Martensit-Zustand umgewandelt wird. Schließlich werden innere Spannungen, die im Zahnrad 10 durch das Abschrecken entstanden sind, abgebaut durch Anlassen bei etwa 177°C über eine Zeitdauer von 1,5 Stunden.

Als Folge dieses Aufkohlungsprozesses werden der Mantel 12 und der Kern 13 des Zahnrades 10 gehärtet. Der Mantel 12 hat eine Härte im Bereich von 58 HRC bis 63 HRC. Da das zur Herstellung des Zahnrades gewählte Ausgangsmaterial etwas stärker härtbar ist als das bekannte Material, wird der Kern 13 gehärtet auf einen Bereich zwischen 35 HRC bis 50 HRC. Da ferner die Aufkohlungstemperatur etwas niedriger war als die bisher angewendete Aufkohlungstemperatur ist die Eindringtiefe des Kohlenstoffes in das Zahnrad 10 (und damit die Dicke 14 seines Mantels 12) etwas geringer als bei bekannten Zahnrädern. Als Folge hiervon liegt die Dicke 14 des Mantels 12 im Bereich von 2,5% bis 4, 5% der der an der Übergangsstelle zum Fußradius gemessenen Zahndicke 15 des Zahns 11. Das so hergestellte Zahnrad 10 hat somit einen relativ dünnen äußere harten Mantel 12, der einen weicheren Kern 13 umgibt. Fig. 3 zeigt die wesentlichen Merkmale des Zahnrades 11 in einer schematischen Übersicht.

Der Mantel 12 des Zahnrades 10 ist dünner als der Mantel eines üblichen Zahnrades. Der Kern 13 des Zahnrades 10 ist aber härter als der Kern von üblichen Zahnrädern. Die Biege-Belastungsfähigkeit des Zahnes 11 werden hierdurch verbessert. Diese Verbesserung wird erreicht, ohne die Flächenbelastung oder den Oberflächen­ verschleiß des Zahnes 11 zu verschlechtern. Das Zahnrad 10 nach der Erfindung hat somit eine deutlich verbesserte Zahnbiegefestigkeit, einen höheren Stoßwiderstand, eine höhere Lebensdauer und eine geringere Ermüdung, wobei dies alles erreicht wird ohne merkliche Änderung der Kontaktbelastung oder des Widerstandes gegen einen Oberflächenverschleiß des Zahnes 11.

Claims (5)

1. Zahnrad für Fahrzeugachsen mit
einem Körper mit einer Vielzahl von Zähnen (11), weiche einen äußeren harten Mantel (12) haben, welcher einen weicheren Kern (13) umgibt, wobei jeder Zahn (11) eine in einen Fußradius übergehende Kontur und eine an der Übergangsstelle gemessene Zahndicke (15) hat,
gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
daß der Mantel (12) eine Härte in einem Bereich von 58 HRC bis 63 HRC, der Kern eine Härte in einem Bereich von 35 HRC bis 50 HRC und der Mantel (12) eine Dicke (14) in einem Bereich von 2,5% bis 4,5% der an der Übergangsstelle gemessenen Zahndicke (15) hat.

2. Zahnrad für Fahrzeugachsen nach Anspruch 1, wobei das Zahnrad für Fahrzeugachsen ein Ritzel-Zahnrad ist.

3. Zahnrad für Fahrzeugachsen nach Anspruch 1, wobei das Zahnrad für Fahrzeugachsen ein Ring-Zahnrad ist.

4. Zahnrad für Fahrzeugachsen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Mantel (12) eine gleichmäßige Dicke hat.

5. Zahnrad für Fahrzeugachsen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Zahnrad für Fahrzeugachsen aus einem Stahlstangen-Ausgangs­ material ausgebildet ist, das aus der Gruppe umfassend Stahl SAE 8625 und SAE 4320 ausgewählt ist.