DE69203468T2

DE69203468T2 - Zahnrad für Gebrauch in luftleerem Raum.

Info

Publication number: DE69203468T2
Application number: DE69203468T
Authority: DE
Inventors: Toshio Honda
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: NEC Space Technologies Ltd
Priority date: 1991-01-30
Filing date: 1992-01-30
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2012-01-31
Also published as: EP0497348A1; EP0497348B1; JPH04244653A; DE69203468D1; US5203224A; JPH07113401B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zahnrad für Verwendung oder Gebrauch bei in einer Vakuumumgebung, wie im (luftleeren) Raum, (ein) gebauten Zahnradübertragungs- oder -getriebesystemen.
Bei einem für Verwendung in einer Vakuumumgebung vorgesehenen Zahnrad muß dessen Zahnradkörper gewöhnlich aus nichtrostendem Stahl, nitriertem Stahl (Nitrierstahl) o.dgl. einer vergleichsweise langen Betriebslebensdauer auch bei seiner Verwendung mit einem Gegenzahnrad ohne jeden Schmierstoff hergestellt sein. Dies ist deshalb der Fall, weil der Raum, in welchem das Zahnrad eingesetzt wird, ein Vakuum (luftleerer Raum) ist und weil die Verwendung eines etwaigen Schmierstoffs, wie Schmierfett, in diesem Raum schwierig ist. Insbesondere bei seiner Verwendung auf dem Gebiet der Raum(fahrt)entwicklung muß ein fester Schmiermittelfilm, bestehend hauptsächlich aus Gold, Silber, Molybdändisulfid o.dgl., an den Zähnen des Zahnrads geformt sein oder werden, die mit Zähnen seines Gegenzahnrads in Eingriff gelangen, um die Schmierung bei der Drehung der Zahnräder sicherzustellen. Es ist nämlich sehr schwierig, die Zahnräder zu prüfen und zu warten; zudem ist es erforderlich, daß die Zahnräder unter Vakuumbedingungen und gegenüber zusätzlichen (einwirkenden) hohen Belastungen in hohem Maße haltbar oder widerstandsfähig sind und etwaige anderen Bauteile in ihrem Umfangs- oder Umgebungsbereich nicht verunreinigen.
Maschinen und Geräte, die in Raumfahrzeugen in das Weltall geschossen werden, werden derzeit auf dem Gebiet der Raum(fahrt)entwicklung zunehmend größer und größer ausgelegt. Mit zunehmender Größe wird manchmal auch das Zahnrad-Getriebesystem z.B. am Antriebsteil für Raummanipulatoren unerwartet einer höheren zusätzlichen Belastung unterworfen. Es ist daher erforderlich, daß die Zahnräder, die als Bauteile des Getriebesystems im (luftleeren) Raum benutzt werden, auch unter dieser unerwarteten zusätzlichen Belastung über einen langen Zeitraum hinweg zuverlässig betriebsfähig bleiben.
Bei hoher Belastung dieser Zahnräder können sich jedoch ihre Festschmierstoffilme voneinander (von ihnen) ablösen, so daß es schwierig wird, die Zahnräder zuverlässig über einen langen Zeitraum hinweg betriebsfähig zu halten.
Aus Patent Abstract of Japan, Vol. 12, Nr. 312(C523), ist die Verwendung einer Phosphatüberzugsschicht auf einem mit einem Harz ausgezeichneter Dämpfungseigenschaften beschichteten Zahnrad zur Sicherstellung der Bindung zwischen dem Metall des Zahnrads und dem Harz bekannt. Darin ist kein Material, das für den Zahnkörper verwendet werden soll, erwähnt; als Harzüberzug ist eine wärme- und verschleißfeste Fluorharzschicht erwähnt. Schließlich ist darin nicht angegeben, daß die betreffenden Zahnräder im luftleeren Raum eingesetzt werden können.
Aus der EP-A-250 283 ist ferner die Ausbildung eines Festschmierstoffilms auf den Zähnen eines Zahnrads in einem harmonischen Antrieb (harmonic drive), der in einem Vakuum einsetzbar ist und ein Lager enthält, bekannt. Gemäß diesem Dokument werden die Zähne von Ringzahnrädern mit PTFE beschichtet. Lediglich für die Beschichtung der Kugeln des Lagers wird Molybdändisulfid verwendet. Gemäß diesem Dokument wird somit Molybdändisulfid absichtlich nicht für ineinandergreifende Zähne benutzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines für Verwendung im luftleeren Raum geeigneten Zahnrads, das mit einem Festschmierstoffilm versehen ist, der sich nicht von dem an einem anderen, mit ihm in Eingriff stehenden Zahnrad vorgesehenen Festschmierstoffilm trennt bzw. ablöst und zum Schmieren der Zahnräder dient, so daß diese auch unter einem unerwarteten zusätzlichen hohen Belastung im luftleeren Raum über einen längeren Zeitraum haltbar oder widerstandsfähig sind.
Diese Aufgabe wird mit einer Ausführungsform nach Anspruch 1 und einer anderen Ausführungsform nach Anspruch 2 gelöst.
Erfindungsgemäß ist oder wird der Zahnradkörper aus legiertem Werkzeugstahl geformt, wobei die Manganphosphatschicht und der Molybdändisulfid-gebundene Film nacheinander auf der Oberfläche des Zahnradkörpers ausgebildet werden. Das Zusammenwirken zwischen dem legierten Stahl und der Manganphosphatschicht resultiert in einer hohen Haltbarkeit, d.h. Widerstandsfähigkeit des Molybdändisulfid-gebundenen Films. Gleichzeitig ist die Halftungs- oder Einbindungskraft (taking-in force) des Festschmierstoffilms an seiner Oberfläche verbessert, während auch seine Bindungsfestigkeit erhöht ist. Der Festschmierstoffilm am Zahnradkörper kann daher an einer Trennung oder Ablösung von dem an einem anderen, mit ersterem in Eingriff stehenden Zahnradkörper gehindert sein, so daß diese Filme für eine längere Zeit haltbarer oder widerstandsfähiger sind.
Ein besseres Verständnis dieser Erfindung ergibt sich aus der folgenden genauen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung von miteinander in Eingriff stehenden Zahnrädern, von denen jedes Zahnrad einer Ausführungsform dieser Erfindung entspricht und für Verwendung in einer Vakuumumgebung vorgesehen ist,
Fig. 2 eine graphische Kennliniendarstellung der Schmierfähigkeiten der Zahnräder nach Fig. 1,
Fig. 3 eine graphische Kennliniendarstellung der Schmierfähigkeiten von zwei miteinander kämmenden Zahnrädern, von denen das eine aus nitriertem Stahl und das andere aus nichtrostendem Stahl besteht und beide Zahnräder eine erste Manganphosphatschicht und einen zweiten, auf der ersten Schicht geformten Festschmierstoffilm aufweisen, wobei jedoch ihre zweiten Festschmierstoffilme verschiedene Zusammensetzungen besitzen, und
Fig. 4 eine graphische Kennliniendarstellung der Schmierfähigkeiten von miteinander kämmenden Zahnrädern, die jeweils aus nichtrostendem Stahl bestehen und die jeweils die erste Manganphosphatschicht und den auf der ersten Schicht geformten zweiten Festschmierstoffilm aufweisen, wobei jedoch die zweiten Festschmierstoffilme verschiedene Zusammensetzungen besitzen.
Im folgenden sind einige Ausführungsformen dieser Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben.
Fig. 1 zeigt miteinander kämmende Zahnräder, von denen jedes einer Ausführungsform dieser Erfindung entspricht und für Verwendung in einer Vakuumümgebung (im luftleeren Raum) vorgesehen ist. Zumindest Zähne 11 eines jeden Zahnradkörpers 10 bestehen aus legiertem Werkzeugstahl einer Zusammensetzung mit jeweils C, Si, Mn, Cr, Mo, P, S und V in (jeweils) vorbestimmter Menge. Auf jedem Zahn 11 des Zahnradkörpers 10 ist eine erste Manganphosphatschicht 13 ausgebildet, auf der wiederum ein zweiter Festschmierstoffilm 13 aus Molybdändisulfid geformt ist. Die erste Manganphosphatschicht 12 wirkt mit dem legierten werkzeugstahl, aus dem die Zähne 11 des Zahnradkörpers 10 bestehen, zur Erhöhung der Einbindungsoder Haftungskraft (taking-in force) des zweiten Festschmierstoffilms 13 zusammen. Folglich kann die Bindung des Festschmierstoffilms 13 an seiner Oberfläche erhöht sein. Die zweiten Festschmierstoffilme 13 auf den zusammengreifenden Zähnen 11 der beiden Zahnradkörper 10 können damit an einer gegenseitigen Trennung bzw. Ablösung gehindert sein.
Dieser Vorteil wurde durch den folgenden Test bestätigt, in welchem das Verschleißverhalten der Zahnräder untersucht wurde. Drei Arten von Molybdändisulfid-gebundenen Filmen A, C und D wurden unter Verwendung von Molybdändisulfid als ihr Hauptschmiermittel, aber unterschiedlicher Zusammensetzung, abhängig von verwendeten organischen Bindemitteln, bereitgestellt. Diese Molybdändisulfid-gebundenen Filme A, C und D dienen als auf der ersten Manganphosphatschicht 12 ausgebildeter zweiter Festschmierstoffilm 13. Die jeweiligen paarigen Zahnräder mit einem dieser Molybdändisulfid-gebundenen Filme A, C und D wurden im Vakuum bei Normaltemperatur (gegeneinander) abgewälzt (rolled) und verschoben, und zwar unter einem Lastflächendruck von 60 kgf bei einer Belastung von 10 kgf, einem Schlupfverhältnis von 10% und einer relativen Schlupfgeschwindigkeit von 0,26 m/s. Die erzielten Ergebnisse sind in Fig. 2 dargestellt. Es wurde festgestellt, daß die gebundenen Filme A, C und D bis zum Bruch oder Platzen jeweils eine Betriebslebensdauer von 245 h, 390 h bzw. 270 h besaßen. Außerdem wurde die Änderung des Reibungsfaktors jedes der paarigen Zahnräder untersucht.
Sodann wurde die Manganphosphatschicht 12 auf jeweils einem herkömmlichen Zahnrad aus nitriertem Stahl geformt; auf je einem Zahnrad aus nichtrostendem Stahl wurde eine chromnitratbehandelte Schicht erzeugt. Ferner wurde jeder der Molybdändisulfid-gebundenen Filme A, C und D als zweiter Festschmierstoffilm 13 auf den Zahnrädern dieser beiden Arten ausgebildet. Die Zahnräder wurden auf oben beschriebene Weise (gegeneinander) abgewälzt und verschoben. Die erzielten Ergebnisse finden sich in Fig. 3. Aus Fig. 3 geht hervor, daß die gebundenen Filme A, C und D jeweils eine Betriebslebensdauer bis zum Bruch von 58 h, 89 h bzw. 123 h besaßen; die jeweilige Betriebslebensdauer ist mithin kürzer als die in Fig. 2 dargestellte. Außerdem ist ersichtlich, daß sich bei den mit den Molybdändisulfid-gebundenen Filmen C und D beschichteten paarigen Zahnrädern (auch) die Reibungsfaktoren in-einem etwas größeren Maße ändern.
Weiterhin wurde dann die Chromnitratschicht auf jeweils aus nichtrostendem Stahl bestehenden Zahnrädern ausgebildet. Ferner wurde jeder der Molybdändisulfid-gebundenen Filme A, C und D als zweiter Festschmierstoffilm 13 auf jedem der paarigen Zahnräder, die miteinander in Eingriff gebracht werden sollten, erzeugt. Diese Zahnradpaare wurden auf oben beschriebene Weise getestet. Die Ergebnisse finden sich in Fig. 4. Aus Fig. 4 geht hervor, daß die gebundenen Filme A, C und D jeweils eine Betriebslebensdauer bis zum Bruch von 46 h, 62 h bzw. 237,5 h besitzen und ihre jeweilige Betriebslebensdauer daher kürzer ist als diejenige nach Fig. 2. Darüber hinaus ist ersichtlich, daß die jeweiligen Zahnradpaare einen instabileren Reibungsfaktor aufweisen.
Beim erfindungsgemäßen Zahnrad, das für Verwendung in einer Vakuumumgebung vorgesehen ist, bestehen zumindest Zähne 11 seines Zahnradkörpers 10 aus legiertem werkzeugstahl, und es weist zudem die erste Manganphosphatschicht 12 und den auf letzterer erzeugten zweiten Festschmierstoffilm 13 auf. Der legierte Werkzeugstahl, aus dem die Zähne 11 des Zahnradkörpers 10 hergestellt sind, kann daher mit der Manganphosphatschicht 12 zur Einwirkung (to act on) auf den zweiten Festschmierstoffilm 13 zusammenwirken. Demzufolge kann die Haftungs- oder Einbindungskraft (taking-in force) des Festschmierstoffilms 13 an seiner Oberfläche erhöht sein, und seine Bindungsfestigkeit kann ebenfalls vergrößert sein. Die Festschmierstoffilme 13 auf den Zähnen 11 der beiden miteinander kämmenden Zahnräder 10 können daher an einer gegenseitigen Trennung oder Ablösung (separating from each other) gehindert sein, so daß ihre jeweilige Betriebslebensdauer entsprechend verlängert ist.
Obgleich in den oben beschriebenen Fällen die Zähne 11 des Zahnradkörpers 10 aus legiertem Werkzeugstahl hergestellt und zunächst mit der Manganphosphatschicht 12 und sodann (auf dieser) mit dem Festschmierstoffilm 13 beschichtet wurden, kann auch das (ganze) Zahnrad selbst aus legiertem Werkzeugstahl hergestellt und auf seiner Oberfläche mit der Manganphosphatschicht 12 und sodann (bzw. darauf) mit dem Festschmierstoffilm 13 beschichtet werden. Mit anderen Worten: diese Erfindung vermag die gleichen Vorteile zu gewährleisten, wenn nur die miteinander in Eingriff zu bringenden Abschnitte der Zähne des Zahnrads aus legiertem Werkzeugstahl hergestellt und mit der Manganphosphatschicht 12 und sodann (auf dieser) mit dem Festschmierstoffilm 13 beschichtet werden.
Wahlweise können nur das Zahnrad selbst aus legiertem Werkzeugstahl hergestellt und nur die Teile seiner Zähne, die mit den Zähnen des anderen Zahnrads in Eingriff gelangen sollen, mit der Manganphosphatschicht 12 und sodann (auf dieser) mit dem Festschmierstoffilm 13 beschichtet werden.

Claims

1. Zahnrad für Gebrauch im luftleeren Raum, das mit einem anderen Zahnrad zur Übertragung einer Rotationskraft in Eingriff zu bringen ist, welches Zahnrad dadurch gekennzeichnet ist, daß sein Zahnradkörper (10) aus legiertem Werkzeugstahl hergestellt und mit einer Manganphosphatschicht (12) und sodann (bzw. auf dieser) mit einem hauptsächlich aus Molybdändisulfid bestehenden Festschmierstoffilm (13) beschichtet ist.

2. Zahnrad für Gebrauch im luftleeren Raum, das mit einem anderen Zahnrad zur Übertragung einer Rotationskraft in Eingriff zu bringen ist, welches Zahnrad dadurch gekennzeichnet ist, daß zumindest die Teile von Zähnen (11) seines Zahnradkörpers (10), die mit den Zähnen des anderen Zahnrads in Eingriff zu bringen sind, aus legiertem Werkzeugstahl hergestellt und mit einer Manganphosphatschicht (12) und sodann (bzw. auf dieser) mit einem hauptsächlich aus Molybdändisulfid bestehenden Festschmierstoffilm (13) beschichtet sind.