WO2009068123A2 - Schaltgabel für ein schaltgetriebe eines kraftfahrzeugs und verfahren zum herstellen einer schaltgabel - Google Patents

Schaltgabel für ein schaltgetriebe eines kraftfahrzeugs und verfahren zum herstellen einer schaltgabel Download PDF

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WO2009068123A2
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ceramic
motor vehicle
coating
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Andreas Kopf
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Daimler Ag
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    • F16H2063/324—Gear shift yokes, e.g. shift forks characterised by slide shoes, or similar means to transfer shift force to sleeve
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16H63/30—Constructional features of the final output mechanisms
    • F16H63/32—Gear shift yokes, e.g. shift forks
    • F16H2063/325—Rocker or swiveling forks, i.e. the forks are pivoted in the gear case when moving the sleeve

Definitions

  • the invention relates to a shift fork for a manual transmission of a motor vehicle specified in the preamble of claim 1 and a method for producing a shift fork specified in the preamble of claim 10.
  • Such a shift fork is for example already known from DE 10 2004 022 652 Al as known and is used in mechanical transmissions for the axial positioning of sliding sleeves on respective transmission shafts.
  • they are coated by a flame spraying process with a tribological surface coating made of brass.
  • Object of the present invention is to provide a shift fork of the type mentioned, which has an improved wear resistance and is cheaper to produce.
  • the invention provides that the material of the surface coating comprises a ceramic material and / or a solid lubricant. This allows optimum adjustability of the sliding and wear properties of the sliding area using inexpensive materials.
  • the ceramic materials and solid lubricants can be thermally deposited directly from the gas phase or by injection processes on the shift fork.
  • both a wear-resistant oxide ceramic such as titanium dioxide and a non-oxide ceramic such as titanium carbide can be used, each having a high abrasion and wear resistance, low thermal expansion and a durable corrosion resistance with high dimensional stability and low Have raw material costs.
  • Other well-suited ceramics include SiC, Si 3 / N 4 TiC / TiN, Al 2 O 3 , and / or WC.
  • adhesive layers or transition layers are first applied to the surface of the shift fork in order to achieve a good adhesion and a compensation of the thermal expansion between the metallic shift fork and ceramic material.
  • a preferred embodiment of the invention provides for the production of ceramic materials pre-ceramic polymers.
  • These include in particular polycarbosilanes having the general formula (-SiR 2 -CH 2 -SiR 2 -CH 2 -SiR 2 -) n where R is for an aliphatic, aromatic and / or hydrogen radical.
  • polysilazanes with a high N content preferred, which ceramics siNC or SiC / Si 3 N 4 - form mixed ceramics further preferred are polysiloxanes, in particular RsSiO [R 2 SiO] n SiRa, in particular poly (dimethyl siloxane), which constitute "SiOC ceramics The Si listed.
  • prepolymeric polymers may also be suitably modified by Ti or Zr in which the radicals R form respective Ti or Zr-organic groups, or the Si is partially substituted by Ti or Zr.
  • the application of the preceramic polymers is carried out in a known manner by dip coating or
  • a subsequent heat process leads to the partial or complete pyrolysis or ceramization of the preceramic polymers. If necessary, the preceramic polymers are cured before pyrolysis in a known way.
  • the pyrolysis can be carried out in air or under protective gas, depending on the target composition.
  • amorphous ceramic also contains organic components.
  • Such teilkeraminstrumente preceramic polymers are typically recovered at lower pyrolysis temperatures, which are in the range from 700 to 1200 0 C.
  • the maximum pyrolysis temperature is predetermined in particular by the substrate.
  • the low pyrolysis temperature is preferably about 700 to 900 ° C.
  • the coating may in particular comprise metallic components.
  • the metal is particularly well suited as a matrix material for the other ceramic components.
  • Metals also have good sliding properties as well.
  • One embodiment provides, for example, Cu or its alloys, in particular brass or bronze as a metallic component, in addition to wear-resistant ceramic materials and optionally further solid lubricants.
  • the shift fork according to the invention has in this way an adjustable temperature resistance up to about 800 0 C.
  • the material of the surface coating may also comprise a solid lubricant, which may be chosen, for example, from the group consisting of calcium fluoride, hexagonal boron nitride, graphite, lead and / or molybdenum sulfide and also enables an improvement in wear resistance at reduced production costs.
  • Cheap mixed ceramic and solid lubricant compositions include Si or Ti carbides, BN and / or graphite.
  • the favorable compositions include teilkeraminstrumente or pyrolyzed at lower temperatures preceramic polymers.
  • Another aspect of the invention relates to a method for producing a shift fork for a manual transmission of a motor vehicle, wherein according to the invention it is provided that a ceramic material and / or a solid lubricant are used as the material of the surface coating.
  • This allows the production of shift forks, which have an improved wear resistance and are cheaper to produce due to the lower cost materials and shorter process chains.
  • it is not necessary to form the shift fork in several parts and to provide additional sliding blocks, so that further cost reductions are possible due to the reduction of the required items.
  • a flame spraying method in particular a high-speed and / or wire flame spraying method, and / or a wire arc spraying method, also referred to as LDS and / or a plasma coating method and / or laser sintering method and / or a kinetic Kaltgaskompakt michsvon is used .
  • Such thermal coating methods allow, in particular when using the ceramic material, a particularly simple adjustment of the hardness and degree of wear of the surface coating.
  • the coating processes using preceramic polymers permit this by adjusting the ceramization stage and the morphology of the material through the heating and coating process.
  • Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of a
  • Gearbox of a motor vehicle with a shift fork according to an embodiment
  • Fig. 2 is a schematic longitudinal sectional view of the shift transmission shown in Fig. 1;
  • Fig. 3 is a schematic perspective view of the shift fork according to another embodiment
  • 4 shows a schematic representation of the microstructure of a ceramic material as a function of the temperature
  • 5 shows a sectional view of the shift fork with a surface coating comprising a titanium oxide ceramic
  • FIG. 6 is a sectional view of the shift fork with a surface coating comprising a titanium carbide ceramic
  • Fig. 7 is a schematic frontal view of the shift fork shown in Fig. 3;
  • FIG. 8 shows a schematic sectional view of the shift fork according to the sectional plane VIII - VIII shown in FIG. 7;
  • FIG. 8 shows a schematic sectional view of the shift fork according to the sectional plane VIII - VIII shown in FIG. 7;
  • FIG. 9 shows a schematic sectional view of the shift fork according to the sectional plane IX-IX shown in FIG. 7;
  • FIG. 10 is a schematic perspective view of a
  • Push rod on which two shift forks are arranged
  • Figure 11 is a schematic side view of the push rod shown in Figure 10 with the two shift forks.
  • Fig. 12 is a schematic sectional view of the provided with the two shift forks push rod according to the sectional plane shown in Fig. 11 XII-XII.
  • Fig. 1 shows a schematic cross-sectional view of a gearbox 10 for a car or LWK (not shown) with a shift fork 12 according to an embodiment and will be explained in conjunction with Fig. 2, in which a schematic longitudinal sectional view of the shift transmission 10 shown in Fig. 1 is shown.
  • the shift fork 12 in this case comprises a pivot bearing device 14 and is pivotally mounted about two bolts 16a, 16b.
  • the bolts 16 a, 16 b are fixedly connected to a transmission housing 18 of the gearbox 10.
  • a push rod 20 is axially displaced according to arrow IIb.
  • the task of the shift fork 12 is to transmit the torque from the rotating drive shaft 24 to either the gear 26a or the gear 26b.
  • the gears 26a, 26b are mounted freely rotatable on needle-shaped rolling elements 28 on the drive shaft 24 and secured with locking rings 30 against axial displacement.
  • the shift fork 12 engages with its fork-shaped end portions 32a, 32b in a shift sleeve 34 which is slidably mounted on the drive shaft 24.
  • the drive shaft 24 has a serration 36 in the region of its largest cross section on the outer diameter.
  • the shift sleeve 34 in turn has complementary to the serration 36 internal teeth 38 such that both teeth 36, 38 engage with play for axial displacement into each other and thus the torque is transmitted from the drive shaft 24 to the shift sleeve 34.
  • the toothed wheels 26a, 26b are also provided with serrations (not shown) at their lateral outside diameters on the mutually facing sides, which geometrically resemble the serrations 36 on the drive shaft 24.
  • the internal teeth 38 of the shift sleeve 34 now transmits the torque from the serration 36 of the drive shaft 24 to the serrations of the gear 26a and 26b.
  • the gear 26a or 26b is thereby positively connected to the drive shaft 24.
  • no torque is transmitted from the drive shaft 24 to the gears 26a, 26b.
  • the middle position therefore represents the idle state of the gearbox 10.
  • sliding portions 40 of the shift fork 12 are claimed by sliding friction. Instead of sliding blocks used in the prior art or
  • the material of the surface coating of the sliding portion 40 in the present case comprises a ceramic material and / or a solid lubricant, which are applied by means of a coating process to a base 42 of the shift fork 12. This allows an optimal adaptation of the sliding and wear properties of the shift fork 12 and also leads to a significant increase in the life and performance of the
  • gearbox 10 an oxide ceramic and / or a carbide ceramic and / or a nitride ceramic can be used as the ceramic material.
  • the main body 42 of the shift fork 12 consists at least predominantly of a steel and / or a cast iron, in particular lamellar graphite and / or vermicular graphite and / or spheroidal graphite, and can be forged or cast.
  • a coating method for example, thermal spraying methods by means of which the surface coating can be formed particularly simple and inexpensive.
  • the thickness of the surface coating can be selected variably and, if desired, a porous surface structure can be produced, which without further Post-processing the representation of lubricant channels and thus an improved uptake of lubricants or the solid lubricant allows.
  • the improved lubrication of the shift fork 12 allows a further increase in the comfort behavior of the gearbox 10.
  • the sliding surfaces of the pivot bearing device 14 are also provided with such a surface coating, which otherwise required plain bearings or bushings can be omitted and appropriate parts and weight savings.
  • additional heat treatments for surface hardening so that additional time and cost advantages are given.
  • the surface coating also allows new design options. Alternatively, however, alternative coating methods such as high speed flame spraying,
  • Wire flame spraying method wire arc spraying method, plasma coating method, laser sintering method or cold gas compacting method can be used.
  • Fig. 3 shows a schematic perspective view of the shift fork 12 according to another embodiment.
  • this fork is designed as a shift shift fork and comprises a shift bearing device 44 and a shift fork 46.
  • the shift fork 12 furthermore comprises a plurality of sliding regions 40a-e with a tribological surface coating of one or more of the above described ceramic materials or solid lubricants.
  • the sliding areas 40a, 40b at the ends of the base body 42 there is another sliding area 40c in the middle of the main body 42.
  • the guide surfaces of the sliding fork 46 and the sliding surfaces of the sliding device 44 are also provided with sliding areas 4Od and 4Oe. In this way, additional sliding bearing components and associated process steps account for surface hardening, which in this case, in addition to the partial reduction achieved higher performance with adjustable sliding and wear properties of the shift fork 12 is made possible.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the Gef ⁇ ge für of a ceramic material as a function of temperature T.
  • room temperature RT here is a preceramic polymer without remote ordering.
  • polycarbosilanes for producing SiC ceramics, polysilazanes for producing SiNC ceramics or polysiloxanes for producing SiOC ceramics can be used as preceramic polymers.
  • Increasing the temperature T to about 200 ° C. leads to the formation of a polymer network with covalent bonds.
  • By further increase in temperature to 200-900 0 C is obtained depending on the used preceramic polymer an amorphous composite material, which is finally converted when heated above 900 0 C to a ceramic material with the appropriate long-range order. Therefore, the desired ceramization step can be easily adjusted by controlling the temperature T and has effects on the sliding and
  • FIG. 5 shows a sectional view of the shift fork with a surface coating comprising a titanium oxide ceramic.
  • Fig. 6 shows a sectional view of the shift fork with a surface coating comprising a titanium carbide ceramic. Both surface coatings were applied by means of a thermal spraying process on the base body 42 of the shift fork 12, wherein the layer thicknesses of the two surface coatings between 100-300 microns are selected. Vickers hardnesses of about 800 HVO, 3 are achieved for the titanium oxide ceramic.
  • brass materials or Co / Cr-based hard alloys are also applied to the shift fork 12 by means of the thermal coating method.
  • FIG. 7 shows a schematic frontal view of the shift fork 12 shown in FIG. 3.
  • the sliding regions 40a-c provided on the main body 42 can be seen, which comprise the tribological surface coating of the ceramic material and / or the solid lubricant.
  • FIG. 10 shows a schematic perspective view of a push bar 20 on which two shift forks 12a, 12b are arranged.
  • the shift fork 12a which is used for switching the first gear and the reverse gear of the associated gearbox 10 (not shown), connected via rivet 50 fixed to the push rod 20.
  • the second shift fork 12b comprises the slide bearing device 44 already described and is movable along the push rod 20 for switching the second and third gears.
  • FIG. 11 shows a schematic side view of the push rod 20 shown in FIG. 10 with the two shift forks 12 a, 12b and 12b in conjunction with FIG. 12, which shows a schematic sectional view of the push rod 20 provided with the two shift forks 12a, 12b in accordance with the sectional plane XII-XII shown in FIG.
  • a shift segment 52 fixed to the push rod 20 via rivet connections 50 can be seen, which limits the mobility of the second shift fork 12b along the push bar 20.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltgabel (12) für ein Schaltgetriebe (10) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, welche wenigstens einen Gleitbereich (40) mit einer tribologischen Oberflächenbeschichtung aus einem verschleißfesten Material umfasst, wobei das Material der Oberflächenbeschichtung einen keramischen Werkstoff und/oder einen Festschmierstoff umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Schaltgabel (12) für ein Schaltgetriebe (10) eines Kraftfahrzeugs.

Description

Schaltgabel für ein Schaltgetriebe eines Kraftfahrzeugs und Verfahren zum Herstellen einer Schaltgabel
Die Erfindung betrifft eine Schaltgabel für ein Schaltgetriebe eines Kraftfahrzeugs der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Schaltgabel der im Oberbegriff des Patentanspruchs 10 angegebenen Art .
Eine derartige Schaltgabel ist dabei beispielsweise bereits aus der DE 10 2004 022 652 Al als bekannt zu entnehmen und dient in mechanischen Schaltgetrieben zum axialen Positionieren von Schiebemuffen auf jeweiligen Getriebewellen. Um die Verschleißfestigkeit insbesondere der auf Reibung beanspruchten Gleitbereiche der Schaltgabel zu erhöhen, werden diese durch ein Flammspritzverfahren mit einer tribologischen Oberflächenbeschichtung aus Messing beschichtet. Alternativ ist es auch bekannt, Gleitsteine aus Messing an den Gleitbereichen zu befestigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltgabel der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweist und kostengünstiger herstellbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltgabel für ein Schaltgetriebe eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Schaltgabel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltgabel - soweit anwendbar - als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und umgekehrt anzusehen sind.
Eine Schaltgabel, welche eine verbesserte
Verschleißfestigkeit aufweist und kostengünstiger herstellbar ist, ist erfindungsgemäß dadurch geschaffen, dass das Material der Oberflächenbeschichtung einen keramischen Werkstoff und/oder einen Festschmierstoff umfasst. Dies erlaubt eine optimale Einstellbarkeit der Gleit- und Verschleißeigenschaften des Gleitbereichs unter Verwendung kostengünstiger Materialien.
Unter Kostenaspekten ist dabei von besonderer Bedeutung, dass die keramischen Werkstoffe und Festschmierstoffe aus der Gasphase beziehungsweise durch Spritzprozesse thermisch direkt auf der Schaltgabel abscheidbar sind.
Als keramischer Werkstoff kann dabei sowohl eine verschleißfeste Oxid-Keramik wie beispielsweise Titandioxid als auch eine Nicht-Oxid-Keramik wie beispielsweise Titancarbid verwendet werden, welche jeweils eine hohe Abrieb- und Verschleißfestigkeit, eine geringe thermische Ausdehnung sowie eine dauerhafte Korrosionsbeständigkeit bei hoher Formstabilität und geringen Rohstoffkosten aufweisen. Zu den weiteren gut geeigneten Keramiken zählen SiC, Si3/N4 TiC/TiN, Al2O3, und/oder WC. Gegebenenfalls sind auf der Oberfläche der Schaltgabel zunächst Haftschichten oder Übergangsschichten aufzutragen, um eine gute Anhaftung und einen Ausgleich der thermischen Ausdehnung zwischen metallischer Schaltgabel und keramischem Werkstoff zu erreichen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht zur Herstellung der keramischen Werkstoffe präkeramische Polymere vor. Hierzu zählen insbesondere Polycarbosilane mit der allgemeinen Formel (-SiR2-CH2-SiR2-CH2-SiR2-) n wobei R für einen aliphatischen, aromatischen und/oder einen Wasserstoff- Rest steht. Bevorzugt ist das Fragment durch (-SiH2-CH2-SiHR- CH2-SiH2-Jn gebildet mit R= aliphatischer Rest, insbesondere Cl-, C2-, C3-Alkan. Des weiteren sind Polysilazane mit hohem N-Gehalt bevorzugt, welche SiNC-Keramik bzw. SiC/Si3N4- Mischkeramiken bilden. Weiter bevorzugt sind Polysiloxane, insbesondere RsSiO[R2SiO]nSiRa, insbesondere PoIy (dimethylsiloxan) , welche „SiOC-Keramiken bilden. Die aufgeführten Si-basierten präkeramischen Polymere können auch in geeigneter Weise auch durch Ti oder Zr modifiziert sein, indem die Reste R entsprechende Ti- oder Zr-organische Gruppen bilden, oder das Si teilweise durch Ti oder Zr substituiert ist.
Die Aufbringung der präkeramischen Polymerere erfolgt in bekannter Wiese durch Tauchbeschichtung oder
Lackieren/Spritzen. Ein anschließender Wärmeprozess führt zur teilweisen oder vollständigen Pyrolyse bzw. Keramisierung der präkeramischen Polymere. In bekannter Wiese werden die präkeramischen Polymere vor der Pyrolyse erforderlichenfalls gehärtet. Die Pyrolyse kann je nach Zielzusammensetzung an Luft oder unter Schutzgas durchgeführt werden.
Es kann dabei von Vorteil sein, keine vollständige Keramisierung durchzuführen, so dass das Pyrolyseprodukt neben insbesondere amorpher Keramik auch noch organische Anteile enthält. Dies ist für eine schmierende und gleitunterstützende Wirkung besonders günstig. Derartige teilkeramisierte präkeramische Polymere werden typischerweise bei niedrigeren Pyrolysetemperaturen gewonnen, die etwa im Bereich von 700 bis 12000C liegen. Die maximale Pyrolysetemperatur ist dabei insbesondere durch das Substrat vorgegeben. Bevorzugt liegt die niedrige Pyrolysetemperatur bei ca. 700 bis 9000C.
Neben keramischem Werkstoff und Festschmierstoff kann die Beschichtung insbesondere metallische Komponenten aufweisen. Hierbei eignet sich das Metall besonderes gut als Matrix- Material für die weiteren keramischen Komponenten. Metalle weisen ebenso auch gute Gleiteigenschaften auf. Eine Ausführung sieht beispielsweise Cu oder dessen Legierungen, insbesondere Messing oder Bronze als metallische Komponente neben verschleißfesten keramischen Werkstoffen und gegebenenfalls weiteren Festschmierstoffen vor.
Darüber hinaus besitzt die erfindungsgemäße Schaltgabel auf diese Weise eine einstellbare Temperaturbeständigkeit bis über 8000C.
Alternativ oder zusätzlich zu den verschleißbeständigen Keramiken kann das Material der Oberflächenbeschichtung auch einen Festschmierstoff umfassen, welcher beispielsweise aus der Gruppe Calciumfluorid, hexagonales Bornitrid, Graphit, Blei und/oder Molybdänsulfid gewählt werden kann und ebenfalls eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit bei reduzierten Herstellungskosten ermöglicht. Günstige gemischte Zusammensetzungen aus Keramik und Festschmierstoff umfassen Si- oder Ti-Carbide, BN und/oder Graphit. Zu den günstigen Zusammensetzungen zählen auch teilkeramisierte bzw. bei niedrigeren Temperaturen pyrolysierte präkeramische Polymere.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schaltgabel für ein Schaltgetriebe eines Kraftfahrzeugs, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass als Material der Oberflächenbeschichtung ein keramischer Werkstoff und/oder ein Festschmierstoff verwendet werden. Dies ermöglicht die Herstellung von Schaltgabeln, welche eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweisen und aufgrund der kostengünstigeren Materialien und kürzeren Prozessketten kostengünstiger herstellbar sind. Zudem ist es nicht erforderlich, die Schaltgabel mehrteilig auszubilden und zusätzliche Gleitsteine vorsehen zu müssen, so dass aufgrund der Reduzierung der benötigten Einzelteile weitere Kostensenkungen ermöglicht sind. Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass als Beschichtungsverfahren ein Flammspritzverfahren, insbesondere ein Hochgeschwindigkeits- und/oder Drahtflammspritzverfahren, und/oder ein Drahtlichtbogenspritzverfahren, auch als LDS bezeichnet und/oder ein Plasmabeschichtungsverfahren und/oder Lasersinterverfahren und/oder ein kinetisches Kaltgaskompaktierungsverfahren verwendet wird. Derartige thermische Beschichtungsverfahren erlauben insbesondere bei Verwendung des keramischen Werkstoffs eine besonders einfache Einstellung des Härte- und Verschleißgrads der Oberflächenbeschichtung. Insbesondere die Beschichtungsverfahren unter Verwendung präkeramischer Polymere erlauben dies über die Einstellung der Keramisierungsstufe und der Morphologie des Werkstoffs über den Wärme- und Beschichtungsprozess .
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittansicht eines
Schaltgetriebes eines Kraftfahrzeugs mit einer Schaltgabel gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische Längsschnittansicht des in Fig. 1 gezeigten Schaltgetriebes;
Fig. 3 eine schematische Perspektivansicht der Schaltgabel gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Gefügestruktur eines keramischen Werkstoffs in Abhängigkeit der Temperatur; Fig. 5 eine Schnittansicht der Schaltgabel mit einer eine Titanoxidkeramik umfassenden OberflächenbeSchichtung;
Fig. 6 eine Schnittansicht der Schaltgabel mit einer eine Titancarbidkeramik umfassenden OberflächenbeSchichtung;
Fig. 7 eine schematische Frontalansicht der in Fig. 3 gezeigten Schaltgabel;
Fig. 8 eine schematische Schnittansicht der Schaltgabel gemäß der in Fig. 7 gezeigten Schnittebene VIII- VIII;
Fig. 9 eine schematische Schnittansicht der Schaltgabel gemäß der in Fig. 7 gezeigten Schnittebene IX-IX;
Fig. 10 eine schematische Perspektivansicht einer
Schiebestange, an welcher zwei Schaltgabeln angeordnet sind;
Fig. 11 eine schematische Seitenansicht der in Fig. 10 gezeigten Schiebestange mit den beiden Schaltgabeln; und
Fig. 12 eine schematische Schnittansicht der mit den beiden Schaltgabeln versehenen Schiebestange gemäß der in Fig. 11 gezeigten Schnittebene XII-XII.
Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Schaltgetriebes 10 für einen PKW oder LWK (nicht dargestellt) mit einer Schaltgabel 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel und wird in Zusammenschau mit Fig. 2 erläutert werden, in welcher eine schematische Längsschnittansicht des in Fig. 1 gezeigten Schaltgetriebes 10 abgebildet ist. Die Schaltgabel 12 umfasst dabei eine Schwenklagereinrichtung 14 und ist um zwei Bolzen 16a, 16b schwenkbar gelagert. Die Bolzen 16a, 16b sind fest mit einem Getriebegehäuse 18 des Schaltgetriebes 10 verbunden. Zum Verschwenken der Schaltgabel 12 gemäß Pfeil IIa wird eine Schiebestange 20 axial gemäß Pfeil IIb verschoben. Hierzu greift ein Mitnehmerbolzen 22, der mit der Schaltgabel 12 verbunden ist, in eine Öffnung der Schiebestange 20. Die Schiebestange 20, die ihrerseits im Getriebegehäuse 18 geführt ist, kann je nach Ausführungsart durch manuelle, hydraulische, pneumatische oder elektrische Kraftaufbringung betätigt werden. Die Aufgabe der Schaltgabel 12 besteht darin, das Drehmoment von der rotierenden Antriebswelle 24 entweder auf das Zahnrad 26a oder das Zahnrad 26b zu übertragen. Die Zahnräder 26a, 26b sind auf nadeiförmigen Wälzkörpern 28 frei drehbar auf der Antriebswelle 24 gelagert und mit Sicherungsringen 30 gegen axiales Verschieben gesichert. Die Schaltgabel 12 greift mit ihren gabelförmigen Endbereichen 32a, 32b in eine Schaltmuffe 34 ein, welche verschiebbar auf der Antriebswelle 24 angebracht ist. Die Antriebswelle 24 weist im Bereich ihres größten Querschnitts am Außendurchmesser eine Kerbverzahnung 36 auf. Die Schaltmuffe 34 hat ihrerseits eine zur Kerbverzahnung 36 komplementäre Innenverzahnung 38 dergestalt, dass beide Verzahnungen 36, 38 mit Spiel für die axiale Verschiebbarkeit ineinander greifen und damit das Drehmoment von der Antriebswelle 24 auf die Schaltmuffe 34 übertragen wird. Die Zahnräder 26a, 26b sind an ihren seitlichen Außendurchmessern an den einander zugewandten Seiten ebenfalls mit Kerbverzahnungen (nicht dargestellt) versehen, die der Kerbverzahnung 36 auf der Antriebswelle 24 geometrisch gleichen. Durch die Schwenkbewegung der Schaltgabel 12 gemäß Pfeil. IIa verschiebt sich die Schaltmuffe 34 aus ihrer Mittelposition heraus und kommt entweder mit der Kerbverzahnung des Zahnrads 26a oder der des Zahnrads 26b in Eingriff. Die Innenverzahnung 38 der Schaltmuffe 34 überträgt nun das Drehmoment von der Kerbverzahnung 36 der Antriebswelle 24 auf die Kerbverzahnung des Zahnrads 26a bzw. 26b. Das Zahnrad 26a oder 26b ist dadurch formschlüssig mit der Antriebswelle 24 verbunden. In der in Fig. 2 gezeigten Mittelstellung der Schaltgabel 12 wird kein Drehmoment von der Antriebswelle 24 auf die Zahnräder 26a, 26b übertragen. Die Mittelstellung stellt daher den Leerlaufzustand des Schaltgetriebes 10 dar.
Besonders die Gleitbereiche 40 der Schaltgabel 12 sind dabei durch Gleitreibung beansprucht. Anstelle von im Stand der Technik verwendeten Gleitsteinen oder
Oberflächenbeschichtungen aus Messing, über welche der Anlagekontakt zur Schaltmuffe 34 erfolgt, umfasst das Material der Oberflächenbeschichtung des Gleitbereichs 40 vorliegend einen keramischen Werkstoff und/oder einen Festschmierstoff, welche mittels eines Beschichtungsverfahrens auf einen Grundkörper 42 der Schaltgabel 12 aufgebracht werden. Dies ermöglicht eine optimale Anpassung der Gleit- und Verschleißeigenschaften der Schaltgabel 12 und führt zudem zu einer signifikanten Steigerung der Lebensdauer und Performance des
Schaltgetriebes 10. Als keramischer Werkstoff kann dabei eine Oxidkeramik und/oder eine Carbidkeramik und/oder eine Nitridkeramik verwendet werden. Der Grundkörper 42 der Schaltgabel 12 besteht demgegenüber zumindest überwiegend aus einem Stahl und/oder einem Gusseisen, insbesondere mit lamellarem Graphit und/oder mit vermicularen Graphit und/oder mit Kugelgraphit und kann geschmiedet oder gegossen werden. Als Beschichtungsverfahren eignen sich beispielsweise thermische Spritzverfahren, mittels welchen die Oberflächenbeschichtung besonders einfach und kostengünstig ausgebildet werden kann. Zudem kann durch Wahl geeigneter Prozessparameter die Dicke der Oberflächenbeschichtung variabel gewählt und auf Wunsch eine poröse Oberflächenstruktur erzeugt werden, welche ohne weitere Nachbearbeitung die Darstellung von Schmierstoffkanälen und damit eine verbesserte Aufnahme von Schmierstoffen bzw. dem Festschmierstoff ermöglicht. Die verbesserte Schmierung der Schaltgabel 12 ermöglicht eine weitere Erhöhung des Komfortverhaltens des Schaltgetriebes 10. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Gleitflächen der Schwenklagereinrichtung 14 ebenfalls mit einer derartigen Oberflächenbeschichtung versehen werden, wodurch ansonsten erforderliche Gleitlager bzw. Lagerbuchsen entfallen können und sich entsprechende Teile- und Gewichtseinsparungen ergeben. Weiterhin kann auf diese Weise auf zusätzliche Wärmebehandlungen zur Oberflächenhärtung verzichtet werden, so dass zusätzliche Zeit- und Kostenvorteile gegeben sind. Die Oberflächenbeschichtung ermöglicht zudem neue konstruktive Gestaltungsmöglichkeiten. Alternativ können jedoch auch alternative Beschichtungsverfahren wie etwa Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren,
Drahtflammspritzverfahren, Drahtlichtbogenspritzverfahren, Plasmabeschichtungsverfahren, Lasersinterverfahren oder kinetische Kaltgaskompaktierungsverfahren verwendet werden.
Fig. 3 zeigt eine schematische Perspektivansicht der Schaltgabel 12 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zur in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Schaltgabel 12 ist diese vorliegend als Schiebeschaltgabel ausgebildet und umfasst eine Schiebelagereinrichtung 44 sowie eine Schiebegabel 46. Die Schaltgabel 12 umfasst weiterhin mehrere Gleitbereiche 40a-e mit einer tribologischen Oberflächenbeschichtung aus einem oder mehreren der zuvor beschriebenen keramischen Werkstoffe bzw. Festschmierstoffe. Zusätzlich zu den Gleitbereichen 40a, 40b an den Enden des Grundkörpers 42 befindet sich ein weiterer Gleitbereich 40c in der Mitte des Grundkörpers 42. Weiterhin sind auch die Führungsflächen der Schiebegabel 46 sowie die Schiebeflächen der Schiebeeinrichtung 44 mit Gleitbereichen 4Od bzw. 4Oe versehen. Auf diese Weise können zusätzliche Gleitlagerbauteile sowie damit verbundene Verfahrensschritte zur Oberflächenhärtung entfallen, wodurch auch in diesem Fall neben der erzielten Teilereduktion eine höhere Performance bei einstellbaren Gleit- und Verschleißeigenschaften der Schaltgabel 12 ermöglicht ist.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der Gefϋgestruktur eines keramischen Werkstoffs in Abhängigkeit der Temperatur T. Bei Raumtemperatur RT liegt hierbei ein präkeramisches Polymer ohne Fernordnung vor. Als präkeramische Polymere können beispielsweise Polycarbosilane zur Herstellung von SiC-Keramiken, Polysilazane zur Herstellung von SiNC- Keramiken oder Polysiloxane zur Herstellung von SiOC- Keramiken verwendet werden. Eine Erhöhung der Temperatur T auf etwa 2000C führt zur Ausbildung eines Polymer-Netzwerks mit kovalenten Bindungen. Durch weitere Temperaturerhöhung auf 200-9000C erhält man in Abhängigkeit des eingesetzten präkeramischen Polymers einen amorphen Verbundwerkstoff, der schließlich beim Erhitzen über 9000C zu einem keramischen Werkstoff mit der entsprechenden Fernordnung umgewandelt wird. Die gewünschte Keramisierungsstufe kann daher einfach durch Steuerung der Temperatur T eingestellt werden und besitzt Auswirkungen auf die Gleit- und
Verschleißeigenschaften der Oberflächenbeschichtung der Schaltgabel 12. Ein weiterer Vorteil des keramischen Werkstoffs besteht darin, dass die Oberflächenbeschichtung frei von unerwünschten Schwermetallen wie Pb oder Cr ausgebildet werden kann.
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht der Schaltgabel mit einer eine Titanoxidkeramik umfassenden Oberflächenbeschichtung. Zum Vergleich zeigt Fig. 6 eine Schnittansicht der Schaltgabel mit einer eine Titancarbidkeramik umfassenden Oberflächenbeschichtung. Beide Oberflächenbeschichtungen wurden dabei mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf den Grundkörper 42 der Schaltgabel 12 aufgebracht, wobei die Schichtdicken der beiden Oberflächenbeschichtungen zwischen 100-300 μm gewählt sind. Für die Titanoxidkeramik werden dabei Vickers-Härtegrade von etwa 800 HVO, 3 erreicht. Die Verwendung einer Titancarbidkeramik als
Oberflächenbeschichtung ermöglicht demgegenüber Härtegrade von 1000-1200 HVO, 3. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass mittels des thermischen Beschichtungsverfahrens auch Messingwerkstoffe oder Hartlegierungen auf Co/Cr-Basis auf die Schaltgabel 12 aufgebracht werden.
Fig. 7 zeigt eine schematische Frontalansicht der in Fig. 3 gezeigten Schaltgabel 12. Dabei sind insbesondere die am Grundkörper 42 vorgesehenen Gleitbereiche 40a-c erkennbar, welche die tribologische Oberflächenbeschichtung aus dem keramischen Werkstoff und/oder den Festschmierstoff umfassen.
In Fig. 8, welche eine schematische Schnittansicht der Schaltgabel 12 gemäß der in Fig. 7 gezeigten Schnittebene VIII-VIII zeigt, sind sowohl die Schiebelagereinrichtung 44 mit dem Gleitbereich 4Oe als auch die Schiebegabel 46 mit dem Gleitbereich 4Od zu erkennen. Fig. 9 zeigt eine schematische Schnittansicht der Schaltgabel 12 gemäß der in Fig. 7 gezeigten Schnittebene IX-IX.
Fig. 10 zeigt eine schematische Perspektivansicht einer Schiebestange 20, an welcher zwei Schaltgabeln 12a, 12b angeordnet sind. Hierbei ist die Schaltgabel 12a, welche zum Schalten des ersten Gangs sowie des Rückwärtsgangs des zugeordneten Schaltgetriebes 10 (nicht abgebildet) dient, über Nietverbindungen 50 fest mit der Schiebestange 20 verbunden. Die zweite Schaltgabel 12b umfasst hingegen die bereits beschriebene Schiebelagereinrichtung 44 und ist zum Schalten des zweiten und dritten Gangs entlang der Schiebestange 20 bewegbar.
Fig. 11 zeigt eine schematische Seitenansicht der in Fig. 10 gezeigten Schiebestange 20 mit den beiden Schaltgabeln 12a, 12b und wird in Zusammenschau mit Fig. 12 erläutert, welche eine schematische Schnittansicht der mit den beiden Schaltgabeln 12a, 12b versehenen Schiebestange 20 gemäß der in Fig. 11 gezeigten Schnittebene XII-XII zeigt. Hierbei ist insbesondere ein an der Schiebestange 20 über Nietverbindungen 50 festgelegtes Schaltsegment 52 erkennbar, welches die Bewegbarkeit der zweiten Schaltgabel 12b entlang der Schiebestange 20 begrenzt.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltgabel (12) für ein Schaltgetriebe (10) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, welche wenigstens einen Gleitbereich (40) mit einer tribologischen Oberflächenbeschichtung aus einem verschleißfesten Material umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Oberflächenbeschichtung einen verschleißfesten keramischen Werkstoff und/oder einen Festschmierstoff umfasst.
2. Schaltgabel (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil des Festschmierstoffs am Material der Oberflächenbeschichtung zwischen 5-45, und vorzugsweise zwischen 10-40, Gewichtsprozent liegt.
3. Schaltgabel (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Oberflächenbeschichtung ein Metall mit einem Anteil von 5 bis 55 Gewichtsprozent aufweist.
4. Schaltgabel (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff eine Oxidkeramik und/oder eine Carbidkeramik und/oder eine Nitridkeramik umfasst.
5. Schaltgabel (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff ein teilkeramisiertes präkeramisches Polymer ist.
6. Schaltgabel (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff eine überwiegend amorphe SiC, Si3N4 ,SiOC- und/oder TiC-Mischkeramik ist.
7. Schaltgabel (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Schwenklagereinrichtung (14) mit einem Schwenkgleitbereich (40) und/oder eine Schiebelagereinrichtung (44) mit einem Schiebegleitbereich (4Oe) umfasst.
8. Schaltgabel (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung eine Dicke von 3-350 μm, und vorzugsweise zwischen 5-50 μm und/oder zwischen 100- 300 μm, besitzt.
9. Schaltgabel (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grundkörper (42) der Schaltgabel (12) zumindest überwiegend aus einem Stahl und/oder einem Gusseisen, insbesondere mit lamellarem Graphit und/oder mit vermicularen Graphit und/oder mit Kugelgraphit, besteht.
10. Verfahren zum Herstellen einer Schaltgabel (12) für ein Schaltgetriebe (10) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, bei welchem wenigstens ein Gleitbereich (40) mit einer tribologischen Oberflächenbeschichtung aus einem verschleißfesten
Material mittels eines Beschichtungsverfahrens auf die
Schaltgabel (12) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Material der Oberflächenbeschichtung ein keramischer
Werkstoff und/oder ein Festschmierstoff verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtungsverfahren ein Flammspritzverfahren, insbesondere ein Hochgeschwindigkeits- und/oder Drahtflammspritzverfahren, und/oder ein Drahtlichtbogenspritzverfahren und/oder ein Piasmabeschichtungsverfahren und/oder Lasersinterverfahren und/oder ein kinetisches Kaltgaskompaktierungsverfahren verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Oberflächenbeschichtung zunächst ein präkeramisches Polymer aufgebracht, dieses erforderlichenfalls gehärtet und darauf pyrolysiert wird,
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für die Pyrolyse des präkeramischen Polymers bei einer Temperatur zwischen 700 und 9000C erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltgabel (12) nach dem Beschichtungsverfahren zerspanend feinbearbeitet wird.
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