Bereich der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Synchronring, der in einem Getriebe zum
Synchronisieren von zwei Zahnrädern eingebaut ist, die stoßfrei in Eingriff miteinander zu
bringen sind, wenn ein Gangwechselvorgang des Getriebes erfolgt.
Hintergrund der Erfindung '
-
Herkömmlicherweise besitzt ein Synchronring eine ringartige Struktur, wobei er drehbar und
in einer Schubrichtung bewegbar zwischen zwei Zahnrädern gehalten ist, die durch eine
ringartige Hülse bei einem Gangwechselvorgang eines Getriebes, das mit einer Kupplung
verbunden ist, in Eingriff miteinander gebracht werden sollen. Die Hülse weist auf ihrer inneren
Umfangsfläche Zähne auf und wird stets in Eingriff mit einem der beiden Zahnräder gehalten.
Wenn die Hülse in der Schubrichtung durch eine externe Betätigung bewegt wird, kommt die
Hülse in Eingriff mit dem anderen Zahnrad und überträgt dadurch ein Drehmoment zwischen,
den beiden Zahnrädern.
-
Der Synchronring funktioniert so, daß das andere Zahnrad, das aufgrund seiner Trägheit leer
läuft, wenn die Kupplung vollständig getrennt worden ist, um die Antriebskraft von einem
Motor abzutrennen, abgebremst wird, und die Hülse stoßfrei in Eingriff mit dem anderen
Zahnrad gebracht wird, so daß sich das andere Zahnrad mit dem einen Zahnrad mit der
gleichen Drehzahl dreht (synchrone Drehung), wodurch der Gangwechselvorgang des Getriebes
stoßfrei ausgeführt wird.
-
Der Synchronring führt die folgende Abfolge von Arbeitsvorgängen aus, um das andere
Zahnrad synchron mit dem einen Zahnrad zu drehen und die Hülse stoßfrei in Eingriff mit
dem anderen Zahnrad zu bringen.
-
Zunächst wird der Synchronring angedrückt, um durch die Hülse in der Schubrichtung durch
eine externe Betätigung bewegt zu werden, die beim Gangwechselvorgang des Getriebes
erfolgt, und kommt nahe an das andere Zahnrad, das aufgrund seiner Trägheit leer läuft.
-
Der Synchronring weist eine konisch zulaufende innere Umfangsfläche auf, die mit einer
Lage eines Reibungselements versehen ist. Die Lage des Reibungselements wird auf die äußere
Umfangsfläche eines gegenüberstehenden Teils gedrückt, die einheitlich mit dem anderen
Zahnrad ausgebildet ist, und kommt somit in Reibungseingriff mit dem gegenüberstehenden
Teil, um dadurch das gegenüberstehende Teil abzubremsen. Das gegenüberstehende Teil wird
auf diese Weise abgebremst, um allmählich die Drehzahl des anderen Zahnrades zu erreichen,
bis das andere Zahnrad eine synchrone Drehung mit dem anderen Zahnrad erreicht.
-
Ein Synchronring dieser Bauart ist in der europäischen Patentanmeldung 0 122 562
beschrieben. Der in diesem Dokument beschriebene Synchronring weist einen Ringkörper mit einer
Kupplungsfläche auf, das von einer durch ein Harz gebildeten Schicht bedeckt ist, die
glasartige Substanzen enthält. Diese aus Harz gebildete Schicht ist mit einer Nut versehen, die in
der Umfangsrichtung verläuft, und mit Nuten, die in einer axialen Richtung verlaufen und die
Umfangsnut kreuzen.
-
Wenn eine Relativgeschwindigkeit der beiden Zahnräder nahezu Null wird, wird die Hülse
durch die externe Betätigung weiter in der Schubrichtung bewegt, um über den Synchronring
hinwegzugehen und in Eingriff mit dem anderen Zahnrad zu kommen, so daß schließlich ein
Drehmoment zwischen den beiden Zahnrädern übertragen wird.
-
Das Reibungselement des Synchronrings besteht herkömmlicherweise aus einer
Kupferlegierung wie bspw. MBA-2 und MBA-5. In diesem Fall ist die Lage des Reibungselements
integral bzw. einheitlich mit der ringartigen Struktur ausgebildet. In einigen wenigen Fällen wird
auch ein Papiermaterial verwendet. In manchen Fällen wird Molybden auf der inneren
Umfangsfläche des Synchronrings durch thermisches Aufsprühen fixiert.
-
Bei einem Synchronring sind die folgenden Eigenschaften erforderlich:
-
(1) Der Koeffizient der dynamischen Reibung in Bezug auf das gegenüberliegende Element
muß groß sein, da der Synchronring in Reibungseingriff mit dem gegenüberliegenden Teil
gebracht werden muß, um die beiden Zahnräder zu synchronisieren.
-
(2) Der Reibungskoeffizient bei einer relativen Geschwindigkeit in der Nähe von Null darf
nicht groß sein, damit ein Stoß beim Eingreifen zwischen der Hülse und dem anderen
Zahnrad verhindert wird.
-
(3) Der Synchronring darf durch die Reibungswärme, die beim Abbremsen des
gegenüberliegenden Teils erzeugt wird, nicht verbrannt werden. Insbesondere darf der Synchronring durch
eine derartige Bremsreibungswärme, die bei einer Fehlbedienung eines
Kupplungsausrückhebels erzeugt wird, nicht verbrannt werden.
-
Die Fehlbedienung des Kupplungsausrückhebels bedeutet eine Bedienung bzw. Betätigung
des Kupplungsausrückhebels in einem solchen Zustand, daß ein Kupplungspedal nicht richtig
bzw. vollständig niedergedrückt wird. Bei einer solchen Fehlbedienung wird das Drehmoment
des Motors weiterhin an das andere Zahnrad übertragen, so daß das andere Zahnrad durch ein
Drehmoment gedreht wird, das größer ist als dasjenige, das beim Leerlaufen nach einem
vollständigen Ausrücken der Kupplung vorhanden ist. Dementsprechend wird eine große
Wärmebelastung in dem Synchronring erzeugt, die mehrere 10-fache des normalen Werts
betragen kann. Als Ergebnis davon erreicht das Reibungselement eine sehr hohe Temperatur
aufgrund der Bremsreibungswärme, was zur Möglichkeit einer Carbonisierung und eines
abnormen Verschleißes des Reibungselements führt, wodurch wiederum die
Synchronisierungsfunktion des Synchronrings in Frage gestellt ist.
-
Die Eigenschaft (3) der vorstehend genannten drei Eigenschaften hat tendenziell Priorität, so
daß häufig eine Kupferlegierung verwendet wird. Da allerdings eine Kupferlegierung einen
Koeffizienten der dynamischen Reibung aufweist, der kleiner ist als von irgendeinem der
anderen Materialien, ist eine Kupferlegierung schlechter hinsichtlich der Eigenschaften (1) und
(2).
-
Es wird versucht, die Eigenschaft (1) dadurch zu verbessern, daß eine Reibungsfläche aus
einer Kupferlegierung in Form mehrerer Lagen bzw. Schichten ausgebildet wird, bspw. mit
zwei oder drei Schichten, um die Fähigkeit zum Absorbieren der Bremsreibungswärme zu
vergrößern und dadurch den Koeffizienten der dynamischen Reibung zu vergrößern.
-
Solche mehrfachen Lagen der Reibungsfläche bringen allerdings ein anderes Problem mit
sich, nämlich daß der Mechanismus des Getriebes kompliziert wird, größere Abmessungen
aufweist und teurer wird.
-
Auf der anderen Seite weist ein Papiermaterial als ein anderes Reibungsmaterial die
Eigenschaften (1) und (2) auf, wobei dieses Material allerdings ein Problem dahingehend aufweist,
daß die Möglichkeit eines Verbrennens besteht, aufgrund der Bremsreibungswärme, die bei
einer Fehlbetätigung des Kupplungsausrückhebels erzeugt wird.
-
Weiterhin ist Molybden als ein anderes Reibungsmaterial gegenüber der
Bremsreibungswärme bei Fehlbedienung des Kupplungsausrückhebels widerstandsfähiger als eine
Kupferlegierung, wobei dieses Material allerdings hinsichtlich der Eigenschaften (1) und (2) schlechter
ist.
-
Es ist demgemäß wünschenswert, einen Synchronring zu schaffen, der sowohl das Merkmal
einer schnellen Synchronisierung der beiden Zahnräder als auch das Merkmal aufweist, daß ·
kein Verbrennen auftritt.
-
Es ist weiterhin notwendig, daß das Reibungselement mit einer Anzahl von Poren ausgebildet
ist, um gute Reibungseigenschaften des Synchronrings bereitzustellen. Das Vorhandensein
von zahlreichen Poren in dem Reibungselement bietet einen Vorteil dahingehend, daß wenn
der Synchronring in Kontakt mit dem gegenüberliegenden Teil kommt, kaum ein Ölfilm auf
der Reibungsfläche ausgebildet wird, wodurch der Koeffizient der thermischen Reibung
vergrößert wird.
-
Weiterhin muß das Reibungselement Hitzebeständigkeit, Verschleißbeständigkeit und einen
Widerstand gegenüber An- bzw. Festfressen aufweisen, damit ein Verbrennen vermieden
wird.
-
Wie vorstehend erläutert, ist die Wärmebelastung, die auf den Synchronring bei einer
Fehlbetätigung des Kupplungsausrückhebels aufgebracht wird, sehr groß. Es ist daher fast
unmöglich, ein Verbrennen des Reibungselements zu verhindern, wenn ein Reibungsmaterial
aus Papier verwendet wird, das im wesentlichen aus organischen Materialien besteht. Um ein
Verbrennen des Reibungselements zu verhindern, wird ein metallisches Material als
Reibungselement verwendet, wobei allerdings das metallische Material nicht zahlreiche Poren
aufweist.
-
Das höchst zweckmäßige Material für das Reibungselement des Synchronrings ist somit ein
Material, welches Porosität, Verschleißbeständigkeit und Widerstand gegenüber Anfressen
aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung, deren Aufgabe darin besteht, die vorgenannten Probleme
zu lösen, wird ein Synchronring bereitgestellt, der eine ringartige Struktur mit einer konisch
zulaufenden inneren Umfangsfläche aufweist sowie eine Lage eines Reibungselements, die
auf der inneren Umfangsfläche der ringartigen Struktur ausgebildet ist, dadurch
gekennzeichnet, daß das Reibungselement aus Holzkeramik ausgebildet ist, dadurch erhalten, daß ein
Holzmaterial mit einer porösen Struktur mit einem Phenolharz imprägniert wird, das
Phenolharz ausgehärtet wird und anschließend das Holzmaterial und das Phenolharz carbonisiert
werden.
-
Vorzugsweise besteht (1) die Lage des Reibungselements aus einer ringartigen Schicht, (2)
die Lage des Reibungselements aus einer Anzahl von Stückchen, (3) die Lage des
Reibungselements aus einer Lage, die dadurch ausgebildet ist, daß ein Holzkeramik-Vorläufermaterial
an der ringartigen Struktur fixiert wird und anschließend carbonisiert wird, um das
Holzkeramik-Vorläufermaterial einzubrennen, oder (4) die Schicht des Reibungselements aus einer
Schicht, die durch Aushärten eines Holzkeramik enthaltenden Films auf der Struktur, um
dadurch den Film mit der Struktur zu integrieren, ausgebildet ist.
-
Die Holzkeramik ist ein carbonisiertes zusammengesetztes Material, welches dadurch
erhalten wird, daß ein Holzmaterial wie bspw. Holz, Papier, Späne und ähnliches mit einem
Phenolharz imprägniert wird, das Phenolharz ausgehärtet wird und anschließend carbonisiert
wird, um das Holzmaterial auszuheizen bzw. einzubrennen, wie bspw. in der japanischen
Patentauslegezeitschrift Nr. 164806/1992 beschrieben ist.
-
Die Holzkeramik hat die folgenden Eigenschaften.
-
(1) Aufgrund des, Holzmaterials sind zahlreiche Poren vorhanden.
-
(2) Die Wärmebeständigkeit ist ausgezeichnet, da dieses Material ein Carbonmaterial ist.
-
(3) Kosten und Gewicht können reduziert werden, da das Holzmaterial als Rohstoff
verwendet wird und ein Herstellungsverfahren einfach ist.
-
Das Reibungselement des Synchronrings nach der vorliegenden Erfindung wird aus
Holzkeramik hergestellt. Demgemäß kann die Porosität, die Verschleißbeständigkeit, die
Wärmebeständigkeit und der Widerstand gegenüber Anfressen gewährleistet werden, und das Gewicht
kann auch reduziert werden.
-
Wenn ein Reibungselement des Synchronrings nach der vorliegenden Erfindung auf ein
gegenüberliegendes Teil gedrückt wird, wird aufgrund der Porosität des Reibungselements
kaum ein Ölfilm an der Reibungs-Zwischenfläche ausgebildet. Daher weist das
Reibungselement nach der vorliegenden Erfindung einen großen Koeffizienten der dynamischen Reibung
auf.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Fig. 1 zeigt eine auseinandergezogene, perspektivische Darstellung eines Synchronrings, der
aus einer Struktur und aus einem ringartigen Reibungselement besteht, gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
Fig. 2 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Synchronrings, der
aus einer Struktur und aus stückchenartigen Reibungselementen besteht, gemäß einer
weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
Fig. 3 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Synchronrings, der aus
einer Struktur und einem ringartigen Holzkeramik-Vorläufermaterial besteht, das
einzubrennen ist, nachdem es in der Struktur fixiert ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
-
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht, in der ein Herstellungsverfahren für einen
Synchronring nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
wobei eine Schicht aus Holzkeramik auf der inneren Umfangsfläche einer Struktur
einzubrennen und mit dieser integriert wird.
-
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die einen Vergleich der Größe des Verschleißes
zwischen Holzkeramik und anderen Materialien zeigt; und
-
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die die Koeffizienten der dynamischen Reibung von
Holzkeramik, Kupferlegierung und eines Papiermaterials zeigt.
Ausführungsformen
-
Einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter
Bezugnahme auf Fig. 1 bis 6 beschrieben.
-
Ein Synchronring 10, der in Fig. 1 dargestellt ist, besteht aus einer ringartigen Struktur 11, die
eine konisch zulaufende bzw. konische innere Umfangsfläche 21 aufweist, sowie ein
ringartiges Reibungselement 12, das aus Holzkeramik besteht und eine konisch zulaufende bzw.
konische äußere Umfangsfläche 22 aufweist, deren Konuswinkel der gleiche ist wie der der
konisch zulaufenden inneren Umfangsfläche 21 der ringartigen Struktur 11. Die konisch
zulaufende äußere Umfangsfläche 22 des ringartigen Reibungselements 12 steht im Eingriff mit der
konisch zulaufenden inneren Umfangsfläche 21 der ringartigen Struktur 11 und ist damit
verbunden. Auf diese Weise ist eine Schicht bzw. Lage des Reibungselements 12 in der Struktur
11 ausgebildet.
-
Eine innere Umfangsfläche 23 des Reibungselements 12 ist geschliffen und in konisch
zulaufender Weise fertig bearbeitet, so daß sie in engen Kontakt mit einer konisch zulaufenden
äußeren Umfangsfläche eines gegenüberliegenden Teils kommen kann, d. h. mit einer
Verjüngung. Die konisch zulaufende innere Umfangsfläche 23 des Reibungselements 12 dient als
eine Reibungsfläche.
-
Die innere Umfangsfläche 23 ist mit nicht dargestellten Nuten versehen, um Schmieröl
abzuführen bzw. zu entfernen.
-
Ein Synchronring 110, der in Fig. 2 dargestellt ist, besteht aus einer ringartigen Struktur 111,
die eine konisch zulaufende innere Umfangsfläche 121 aufweist, und aus einer Anzahl von
Reibungselementen 112 in Form kleiner Stückchen, die aus Holzkeramik ausgebildet sind.
-
Die Reibungselemente 112 in Form kleiner Stückchen sind in Form eines Rings angeordnet ·
und an der inneren Umfangsfläche 121 der Struktur 111 befestigt. Auf diese Weise wird eine
Lage des Reibungselements 112 in der Struktur 111 ausgebildet. Eine innere Umfangsfläche
123 des Reibungselements 112, das an der inneren Umfangsfläche 121 der Struktur 111
befestigt ist, ist geschliffen und in konisch zulaufender Weise fertig bearbeitet, so daß eine
Reibungsfläche gebildet wird.
-
Die innere Umfangsfläche 123 ist mit nicht dargestellten Nuten versehen, um Schmieröl
abzuführen bzw. zu entfernen.
-
Ein Synchronring 210, der in Fig. 3 dargestellt ist, besteht aus einer ringartigen Struktur 211,
die eine innere Umfangsfläche 221 aufweist, und einer Holzkeramikschicht 212 eines
Reibungselements, die mit der Struktur 211 integriert ist. Die Holzkeramikschicht 212 ist
dadurch gebildet, daß an der inneren Umfangsfläche 221 der Struktur 211 ein ringartiges
Vorläuferteil bzw. eine Vorstufe 225 aus Holzkeramik befestigt wird, die mit einem Phenolharz
getränkt und dann ausgehärtet ist, wonach dann das Vorläuferteil 225 aus Holzkeramik
carbonisiert und eingebrannt wird. Eine innere Umfangsfläche 223 der Lage bzw. Schicht 212
aus Holzkeramik wird geschliffen und in konisch zulaufender Weise fertig bearbeitet, so daß
eine Reibungsfläche gebildet wird. Die innere Umfangsfläche 223 wird mit nicht dargestellten
Nuten versehen.
-
Ein Synchronring 310, der in Fig. 4 dargestellt ist, besteht aus einer ringartigen Struktur 311,
die eine konisch zulaufende innere Umfangsfläche 321 aufweist sowie eine
Holzkeramikschicht 312 eines Reibungselements, das in der Struktur 311 integriert ist. Die Holzkeramikschicht
312 wird dadurch gebildet, daß die Struktur 311 in eine Form A eingesetzt wird, auf
die innere Umfangsfläche 321 der Struktur 311 mit einer gleichmäßigen Dicke ein Phenolharz
(oder Kautschuk) 330 aufgebracht wird, das pulverförmige Holzkeramik mit einer
gleichmäßigen Partikelgröße enthält, und die Form A aufgeheizt wird, um dadurch den Film aus
Phenolharz 330, der die Holzkeramik enthält, auf bzw. in die innere Umfangsfläche 321 der
Struktur 311 einzubrennen.
-
Eine innere Umfangsfläche 323 der Holzkeramikschicht 312 wird geschliffen und in konisch
zulaufender Weise fertig bearbeitet, so daß eine Reibungsfläche gebildet wird. Die innere
Umfangsfläche 323 wird mit nicht dargestellten Nuten versehen. Die Eigenschaften des
Synchronrings nach der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend auf der Basis von Testdaten ·
beschrieben.
-
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die einen Vergleich bezüglich der Größe des
Verschleißes zwischen Holzkeramik und anderen Materialien in einer Untersuchung zeigt, in der
jedes Muster aus Kupferlegierung, einem Papiermaterial und Holzkeramik als
Reibungsmaterialien unter einem Oberflächendruck von 3,04 bis 3,17 MPa auf eine nicht dargestellte
Scheibe gedrückt wurden, die Scheibe dann bei einer relativen Bewegungsgeschwindigkeit
von 7,36 bis 7,40 m/sec. eines jeden Musters relativ zu der Scheibe gedreht wurde, und eine
Verschleißgröße bei einem relativen Bewegungsweg von 494 bis 918 m eines jeden Musters
relativ zu der Scheibe gemessen wurde.
-
Die Einheit (mm²/N) der vertikalen Achse der graphischen Darstellung nach Fig. 5 wird als
eine Einheit festgelegt, die dadurch erhalten wird, daß ein Verschleißvolumen (mm³) durch
eine Last (N) und einen Reibungs-Bewegungsweg (m oder mm) dividiert wird. Diese Einheit
wird dazu verwendet, die Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß der vorstehend genannten
Materialien zu vergleichen.
-
Wie sich aus der graphischen Darstellung nach Fig. 5 ergibt, zeigt der Vergleich zwischen
Durchschnittswerten (durch die Balken dargestellt) von Verschleißgrößen der drei
Materialien, daß die Größe des Verschleißes von Holzkeramik wesentlich geringer ist als die von
Papiermaterial und ähnlich ist wie die der Kupferlegierung.
-
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Koeffizienten der
dynamischen Reibung und der Gleitgeschwindigkeit von Holzkeramik, der Kupferlegierung
und des Papiermaterials zeigt.
-
Wie sich aus der graphischen Darstellung nach Fig. 6 ergibt, ist der Koeffizient der
dynamischen Reibung von Holzkeramik wesentlich größer als der der Kupferlegierung und ähnlich
wie der des Papiermaterials.
-
Ferner wurde ein weiterer Test in Bezug auf Fehlbedienung eines Kupplungsausrückhebels
unter den Bedingungen einer Gleitgeschwindigkeit von 8,9 m/s, eines Anpreßdrucks von 690
N und einer Andrückzeit von 2 Sekunden ausgeführt, um das Vorhandensein oder Fehlen von
An- bzw. Festfressen und Abnormen Verschleißes der Reibungsoberfläche zu untersuchen.
Als Ergebnis der Untersuchung trat kein Anfressen an der Holzkeramik und der
Kupferlegierung auf, während Verbrennen und Verschleiß in bemerkenswerter Weise auf dem
Papiermaterial auftrat.
-
Demgemäß wurde bestätigt, daß bei Holzkeramik ein Anfressen kaum auftritt und ein großer
Koeffizient der dynamischen Reibung vorhanden ist, so daß sich dieses Material
ausgezeichnet als Reibungsmaterial für den Synchronring eignet.
Vorteile der Erfindung
-
Der Synchronring nach der vorliegenden Erfindung zeigt die folgenden Wirkungen aufgrund
der Verwendung von Holzkeramik als Reibungselement.
-
(1) Wenn das Reibungselement auf das gegenüberliegende Teil angedrückt wird, wirken
zahlreiche Poren der Holzkeramik dahingehend, daß die Ausbildung eines Ölfilms an der
Reibungs-Zwischenfläche unterdrückt wird, so daß der Koeffizient der dynamischen Reibung des
Synchronrings vergrößert wird. Demgemäß ist der Synchronring in der Lage, zwei Zahnräder
schnell zu synchronisieren.
-
Da der Reibungskoeffizient in einem Zustand, wenn eine Relativgeschwindigkeit zwischen
dem Synchronring und dem gegenüberliegenden Teil nahezu Null ist, nachdem die Synchronisierung
beendet ist, nicht groß ist, kann ein Stoß zu dem Zeitpunkt, wenn ein Zahnrad mit
einer Hülse in Eingriff kommt, um einen Gangwechselvorgang zu vollenden, reduziert
werden.
-
(3) Da die Holzkeramik durch Carbonisieren eine Holzmaterials, das mit einem Phenolharz
getränkt ist, hergestellt wird, kann die Widerstandsfähigkeit gegenüber Verschleiß, Hitze und
Anfressen des Synchronrings vergrößert werden, und Gewicht und Kosten können reduziert
werden.
-
(4) Sowohl die Eigenschaft einer schnellen Synchronisierung zweier Zahnräder als auch die
Eigenschaft, daß kein Verbrennen auftritt, können aufgrund der vorliegenden Erfindung
erreicht werden, was im Stand der Technik nicht der Fall ist.