CN104350309A - 具有可相对运动的元件的设备、优选为行星齿轮传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有可相对运动的元件(2，3，4，5，6，8，16)的设备(1)，其中至少一个第一元件(3)在至少一个支承部位上可转动地或可枢转地安装在第二元件(6)上，其中第二元件(6)距设备(1)的中轴线(17)以一定径向间距安装在可围绕设备(1)的中轴线(17)旋转的第三元件(4)上，并且其中支承部位具有至少一个第四元件(8)，所述第四元件在至少一个滑动接触区中与这些元件中的一个元件至少暂时滑动接触，其中在滑动接触区中，设备的这些元件中的至少一个元件上的至少一个表面部段具有至少一个由镍-磷酸盐合金构成的层，其中在层中分布有至少一种固态润滑剂的颗粒(17)。

Description

具有可相对运动的元件的设备、优选为行星齿轮传动装置

技术领域

本发明涉及一种具有可相对运动的元件的设备、优选为行星齿轮传动装置，其中至少一个第一元件在至少一个支承部位上可转动地或可枢转地安装在第二元件上，其中第二元件距设备的中轴线以一定径向间距安装在可围绕设备的中轴线旋转的第三元件上，并且其中支承部位具有至少一个第四元件，所述第四元件在至少一个滑动接触区中至少暂时地与这些元件中的一个元件滑动接触。

背景技术

这种设备是偏心轮传动装置，例如行星齿轮传动装置。

在行星齿轮传动装置中，在相应的支承部位中，各一个行星齿轮借助于至少一个滚动轴承可转动地安装在行星销上。行星销距行星齿轮传动装置的中轴线以一定径向间距固定在行星架上。如果行星架围绕中轴线旋转，那么行星销和相应的行星齿轮借助滚动轴承在圆形的环绕轨道上围绕中轴线环绕运行。环绕轨道的半径相应于行星销的销轴线与中轴线的径向间距。

在行星齿轮的支承部位中设有滑动轴承或滚动轴承作为径向轴承并且通常设有滑动轴承作为轴向轴承。

这种布置的特征是，滚动轴承在相应的设备运行期间不仅通过通常的支承负荷负载，而且也承受离心力的影响。离心力从安装在销或栓上的元件和可能与所述元件连接的其他元件的质量以及滚动轴承的元件的质量得出。所述离心力的大小取决于环绕轨道的半径和行星架的转速。

行星齿轮传动装置在技术方面广泛传播。借助本发明特别关注车辆变速器中的行星齿轮传动装置。对行星齿轮的支承部位的要求由于现今的变速器的行星架所承受的提高的转速是非常高的。

在现今的自动变速器的行星齿轮传动装置中，行星齿轮与中轴线的径向间距是相对大的或者转速是相对高的。借助于转动轴承支撑的元件和转动轴承的元件所承受的加速度的由这两个影响因素造成的数值能够完全达到重力加速度的5000倍。这种高的加速度造成支承部位中的高的力，所述力是由行星齿轮的重量和滚动轴承的滚动造成的离心力。所述力能够与由通常的功率输入得到的在滚动轴承中的支承负荷相加。

高负荷的元件在滚动轴承中尤其为滚动体和保持架，在所述保持架中引导滚动体。梯子状构成的保持架是承受尤其高负荷的，因为其侧边缘和横向连接部与主尺寸横截面和宽度相比具有相对小的横截面从而在高的负荷和离心力下弹性变形。由于持续的弯曲交变负荷而缓慢进行的疲劳过程引起材料疲劳并且最终引起裂纹，通过所述裂纹，保持架过早失效。凹陷部的角中的相对尖锐的棱边是在机械交变负荷下具有相应的切口效应的潜在的切口。因此，滚动轴承专业技术人员持久地致力于优化保持架几何形状并且寻找改进保持架的强度的其他措施。因此，从DE 10 2010 009 391 A1中已知，行星齿轮支承装置的保持架的疲劳强度能够通过用颗粒喷射、通过所谓的“珠击法”来改进。然而，这种预防措施并非始终是足够的。

行星齿轮支承装置的滚动体是滚柱。滚柱在轮廓中是外部柱形的元件，其侧面和端侧也能够是凹球形的或凸球形的。滚柱在与行星齿轮支承装置相关时也称作为滚针。滚针是下述滚柱，所述滚柱的轴向长度与其标称直径的比值大于或等于数值3。柱形滚柱和圆筒滚柱是下述滚柱，在所述滚柱中，所述比值小于数值3。保持架的轮廓是空心柱形的并且其结构梯子状地由沿环周方向伸展的侧边缘中断，所述侧边缘轴向地通过横向连接部彼此连接。横向连接部沿环周方向上在保持架的凹陷部上相对置。在凹陷部中容纳滚柱。

在行星齿轮旋转时，相应的滚动轴承一起旋转。滚柱依次经过负荷区并且在此借助于保持架带动在负荷区之外滚动的滚动体。没有穿过滚动轴承的负荷区的滚柱由于打滑并且由于其惯性相对于下述滚柱保持，所述滚柱向回穿过负荷区并且在此沿环周方向支撑在横向连接部上的凹陷部中。负荷区中的滚动体由于其牵引保持架，并且其他的滚动体经由保持架牵引直至所述滚动体运行到负荷区中。滚动体的惯性并且附加地在开始描述的离心力的影响尤其作用于保持架的横向连接部和保持架的侧边缘，滚柱支撑在所述横向连接部上，并且横向连接部从所述侧边缘以横梁状的方式伸出。因为滚动体依次穿过负荷区，保持架在旋转时持续交替地由拉力和压力负载并且在此变形。此外，保持架在离心力的方向上变形。

滚动体和相应的保持架之间的接触是滚动体和保持架的相互撞击的表面部段上的滑动接触区中的滑动接触。此外，保持架在加速度高的情况下由于其自重和由此造成的离心力变形，这也能够引起滚柱和保持架之间的滑动接触。

行星齿轮传动装置的保持架在相应的滚动体在其保持架凹陷部中的凹陷部间隙足够的前提下在行星架旋转的情况下通过离心力向外压靠外部滚道或压靠外部滚道侧面的部段并且支撑在那里。如果滚动轴承同时旋转，那么相应的保持架相对于行星齿轮围绕行星销环绕运行并且在外部在行星齿轮上引导，由此保持架的表面部段相对于行星齿轮的表面部段在滑动接触区中滑动地彼此靠近地行进。

在理想的滚动接触的情况下，滚柱的旋转轴线平行于行星销的旋转轴线取向。支承部位中的不规则性，例如栓或保持架的变形、离心力和间隙能够引起滚柱的倾斜位置，使得其旋转轴线不再平行于栓的旋转轴线取向。得到沿轴向方向的推力，所述推力引起滚柱的所谓的拧紧。在此，滚柱能够轴向地在保持架上行进，所述保持架由此本身轴向地压靠周围环境。所述周围环境在行星齿轮传动装置中通过行星架的表面部段或通常通过滑动盘形成。保持架围绕行星销的旋转使所述行星销相对于行星架或滑动盘相对运动，使得保持架的端侧的表面部段与滑动接触区中的周围环境处于滑动接触。

滑动接触区隐藏过早磨损的可能性，因为通常不能够将足够的润滑剂引入到滑动接触区中，因为滑动接触区中的摩擦配合物的表面是粗糙的和/或因为润滑膜撕裂。此外，在此出现的摩擦力引起能量损耗。从US 5,482,385 A中已知一种滚动轴承，所述滚动轴承的保持架在用于可能的滑动接触的表面部段上设有滚柱并且在周围环境上设有覆层。磨损保护和滑动层由镍和磷组成，并且固体润滑剂的组成部分包括PTFE。

发明内容

本发明的目的是，提供一种这种类型的设备，所述设备的处于摩擦接触的元件具有改善的磨损和滑动特性。

所述目的根据权利要求1的主题来实现。

本发明尤其涉及一种行星齿轮传动装置，所述行星齿轮传动装置具有可相对运动的元件，其中至少一个构成为行星齿轮的第一元件在至少一个支承部位上可转动地或可枢转地安装在构成为行星销的第二元件上，其中行星销距行星齿轮传动装置的中轴线以一定径向间距安装在可围绕行星齿轮传动装置的中轴线旋转的行星架上，并且其中支承部位具有至少一个构成为保持架、起动盘或行星架的第四元件，所述第四元件在至少一个滑动接触区中至少暂时地与这些元件中的一个元件滑动接触，其中在滑动接触区中，在设备的这些元件中的至少一个元件上的至少一个表面部段具有至少一个由镍-磷合金构成的层，其中在层中分布有至少一种固态润滑剂的颗粒。

表面部段的金属粗糙的表面的优选在用层覆层之前的表面粗糙度R_a与覆层的垂直于表面测量的层厚度S的比值V在用层对表面部段覆层之后具有至少为0.0008至3的数值。

$0.0008\≤V=\frac{R_a}{S}\≤3$

表格1示出所述比值与在设备的一个或多个处于滑动接触的元件上用于滑动接触的不同的典型的表面部段的关联性。

表格1

粗糙度表示元件的表面高度的不平整性并且例如根据DIN 4760来定义。技术表面的粗糙度借助表面粗糙度说明、例如借助R_a来说明。

平均粗糙度R_a说明表面上的测量点与中线M的以μm为单位的平均距离(图6)。中线M在固定的参考路段B之内在根据图6的之字线Z上的接触面上与实际的粗糙轮廓相交，使得关于中线的轮廓偏差的和最小。实际的粗糙轮廓特点在于粗糙深度中的最深点和垂直于表面的粗糙尖部的最高点之间的间距。因此，平均粗糙度对应于从中线到深度和到高度的偏差的算术平均值进而对应于粗糙轮廓的全部轮廓数值的算术平均值。

金属材料的光滑的无缺陷的表面是无缺陷的均匀的涂层的前提条件。高的粗糙度能够造成在大的粗糙凹处中留下由预处理溶剂、研磨剂、磨光剂或喷射剂构成的不可溶的残余物并且所述残余物“堵塞”连接层。然而，缺点是，粗糙值的降低通常造成较高的制造成本。

本发明的一个设计方案提出，具有带有根据本发明的特性的滑动覆层的至少一个元件是保持架。保持架由钢板和由板条或板管冷成型，从所述钢板和板条或板管中冲出凹陷部并且通过成型构成用于滚动体的支架。

表格2示出在覆层之前的用于滑动接触的保持架的典型的表面部段的粗糙度，所述覆层在侧边缘和横向连接部上、在保持架和滚柱之间的接触面上或者在保持架的端侧上的朝向外的面(侧面)上构成。用粗糙度描述的表面从在表格中实施的处理步骤或处理状态中得到。在表格2中仅描述可能的处理的示例。列举不是完全的。因此，例如术语颗粒喷射代表全部可考虑的表面方法，其中由不同的可能的材料构成的以球或谷粒的形式的颗粒状的喷射剂以高的速度喷射到要处理的表面上。

其他用滑动层覆层的元件或元件的表面部段是齿轮(行星齿轮)、行星架并且优选为起动盘，所述起动盘轴向地设置在滚动轴承的保持架和行星架之间和/或设置在行星齿轮和行星架之间。也提出，两个在设备中彼此靠近滑动的表面部段设有相同的或组成不同的层。

表格2

表面上的厚的层通常保证最佳的磨损特性。然而，较厚的层在其强度特性方面也能够表现出缺点。此外，制造较厚的层通常与较高的成本关联，因为沉积时间是覆层时的重要标准。

在实验和计算的范围中得到本发明，不同于之前更确切地说随机地选择用于改进磨损保护和滑动特性的措施，所述实验和计算的结果引起粗糙度Ra和层厚度S的上述比值并且优选地具有下述边界值：

$0.005\≤V=\frac{R_a}{S}\≤1.2$

这种数值例如与分别由钢构成的保持架或起动盘的表面部段相关联，所述表面部段在成型和/或冲压之后硬化并且在硬化之后通过球喷射(珠击法)加固。

本发明的有利的效果是表面的使用特性和其制造成本的最优关系。

本发明的一个设计方案提出，层由化学镍形成。术语“化学镍”表示在无电流的情况下(在70℃和93℃的温度下自动催化化学还原的过程)沉积的覆层，所述覆层的有利的特性首先是均匀的层厚度分布、高的硬度以及磨损强度。自动催化沉积的镍层在覆层时与电镀沉积相比在所述构件交联并且层生长所必需的电解质交换发生的位置更均匀地生长。

化学还原的过程在使用在70℃和93℃之间的温度的条件下以及在4.2至6.5的pH范围中发生。

沉积以质量份额为单位包含：

镍   65％至98％   优选为85％至90％

磷   1至15％      优选为8-10％

PTFE 1-20％       优选为2-5％

PTFE是聚四氟乙烯并且是未分枝的、线性构造的、部分结晶的由氟和碳构成的聚合物。通常，所述塑料通常也用DuPont公司的商品名称“特氟龙”表示。所述材料具有突出的滑动特性，所述滑动特性也在干燥运行时得到保证。对于偏心轮传动装置的元件，借助具有磷和由PTFE构成的固态份额的化学镍层，证实滑动接触时与其他的覆层相比更小的摩擦系数，由此在根据本发明的设备中能够减小摩擦阻力从而减小运行温度。

其他借助本发明的设计方案提出的内容是：一起沉积附加的硬化剂，如碳化硅0.1％至20％、或碳化硼0.1％至20％、或金刚石0.1％至20％。这种层是尤其耐磨的。

所述层的抗腐蚀性是非常好的。所述层相对于碱和强酸、海水、润滑剂、燃油和溶剂是耐久的。相对于润滑剂的耐久性对于用作为根据本发明的滑动覆层是尤其有利的，因为通常偏心轮传动装置在油润滑的情况下运行。所述覆层的其他优点在于，所述覆层在热学再处理的状态下具有表面的高的强度。在190℃下在大约4小时的保持时间的情况下退火之后的表面的强度值位于500至600HV 0.1的范围中。此外，借助通过200℃下的退火的热处理，使元件在表面部段上的金属表面和层之间的连接稳定，这就是说，改进在金属表面上的层的保持能力。

本发明的其他的设计方案提出：

-至少在元件中的一个元件的表面部段上的层具有在至少为65％至90％质量份额的镍、1％至15％的磷和1％至20％的由固态润滑剂构成的颗粒的范围中的组成。

-至少在元件中的一个元件的表面部段上的层具有在至多为85％至90％质量份额的镍、8％至10％的磷和2％至5％的由固态润滑剂构成的颗粒的范围中的组成。

-层具有500至550HV 0.1的表面硬度。

表格3示出优选用于本发明的设计方案的层的特性的概览和用于制造所述层的最重要的工艺变量/参数。

表格3

对硬度HV的说明涉及用于测量维氏硬度的已知的方法，所述方法也用于对薄壁的或表面硬化的工件和边缘区进行硬度检测并且以根据DIN EN ISO 6507-1:2005至-4:2005的标准调整。

MTO表示术语“Metal-turn over”，表示电解质在补充化学制剂的特定的穿透之后的转变，在所述穿透之后，必须重新放置电解质并且清洁设施。

为了实现大于10％的磷含量，优选地提出小于12μm/h的沉积速度。

附图说明

本发明在下文中根据实施例来详细阐述。

具体实施方式

图1以侧视图并且以不按比例的方式示出构成为行星齿轮传动装置1a的设备1，所述设备具有可相对运动的元件2、3、4和5。元件2是太阳轮2a，元件3(第一元件3)是行星齿轮3a，所述行星齿轮与太阳轮2a齿接合。元件5是齿圈5a，行星齿轮3a与所述齿圈齿接合。元件4(第三元件4)是行星架4a。

图2沿着根据图1的线II-II示出设备的细节的剖面图。对于每个行星齿轮3a，在行星架4a上固定有另外的元件6(第二元件6)，所述另外的元件构成为行星销6a。每个行星齿轮3a借助于滚动轴承7以可围绕旋转轴线7a转动的方式安装在行星销6a上(安装在第二元件6上)。每个行星齿轮3a与齿圈5a并且与太阳轮2a齿接合。旋转轴线7a以半径R与行星齿轮传动装置1a的中轴线17间隔。

滚动轴承7具有元件8和9、内部滚道10以及外部滚道11。元件8(第四元件8)是保持架8a并且元件9是滚柱9a。各一个实施成起动盘16的另外的第四元件8轴向地在每个行星齿轮3a和行星架4a的部段之间设置在行星销6a上。元件2、3、4、5、6、8和16可选地全部地或其中仅一个或一些在至少一个表面部段上用根据本发明的层以所说明的比值V覆层。

图3示出行星齿轮支承件12的整体视图。行星齿轮支承件12通过保持架8a和滚柱9a形成。滚柱9a沿环周方向均匀分布地容纳在保持架8a的凹陷部13中。保持架8a由侧边缘14形成，所述侧边缘横向地(轴向地)通过横向连接部15彼此连接。

图4沿着旋转轴线7a示出保持架8a的半部的纵剖图。保持架8a在其中具有所谓的M轮廓，所述M轮廓的特点在于侧边缘14的径向取向的矩形轮廓和在纵剖面中绘制的一个横向连接部15的弯曲部。侧边缘14分别在端侧具有轴向向外定向的端侧的表面14a和在环周侧外部具有外部柱形的表面14b。在横向连接部15上构成两个径向向外定向的表面部段15a，这些表面部段与外部柱形的表面14b位于共同的柱形曲面中并且分别过渡到外部柱形的表面14b中。此外，横向连接部15还具有所谓的支架，在所述支架上在朝向凹陷部13的表面部段15b和15c中构成相应的滚柱9a。本发明也设为用于下述滚动轴承，所述滚动轴承具有多于一排的滚柱进而也具有多于一排的在保持架中的或在多于一个的并排设置的保持架中的凹陷部。

图5示出行星齿轮支承装置的具有保持架8a’(第四元件)的一个替选的设计方案，滚柱9a’分布地容纳在所述保持架中。保持架8a’具有侧边缘14’，所述侧边缘轴向地通过横向连接部15’彼此连接。保持架8a’的半部在沿着旋转轴线7a的纵剖图中示出并且在该视图中具有下述轮廓，所述轮廓特点在于侧边缘14’的正方形的横截面和横梁状构成的横向连接部15’。侧边缘14’分别在端侧具有轴向向外定向的构成为圆形的端侧的表面14a’并且在环周侧外部具有外部柱形的表面14b’。在横向连接部15’上构成两个径向向外定向的表面部段15a’，所述表面部段与外部柱形的表面14b’共同地位于一个曲面中并且所述表面部段分别过渡到外部柱形的表面14b’中。横向连接部15此外还具有所谓的支架，在所述支架上，在朝向凹陷部13’的表面部段15b’和15c’中构成相应的滚柱9a’。

保持架8a、8a’或者完全地或在表面部段14a、14a’、15a、15a’、15b、15b’和15c或13c’中或者完全地或部分地用根据本发明的层以提出的比值V覆层。

图6示出贯穿在保持架、起动盘或行星架上的沿着固定的参考路段B的用根据本发明的层厚度为S的层覆层的表面部段的表面的垂直剖面，在所述层中分布有由PTFE构成的颗粒18。

Claims (12)

1.一种具有能相对运动的元件(2，3，4，5，6，8，16)的设备(1)，所述元件中的至少一个第一元件(3)在至少一个支承部位上能转动地或能枢转地安装在第二元件(6)上，其中所述第二元件(6)距所述设备(1)的中轴线(17)以一定径向间距安装在能围绕所述设备(1)的所述中轴线(17)旋转的第三元件(4)上，并且其中所述支承部位具有至少一个第四元件(8)，所述第四元件在至少一个滑动接触区中至少暂时地与所述元件中的一个元件处于滑动接触，其中在所述滑动接触区中，在所述设备的所述元件中的至少一个元件上的至少一个表面部段具有至少一个由镍-磷酸盐合金构成的层，其中在所述层中分布有至少一种固态润滑剂的颗粒(17)，

其特征在于，所述表面部段的金属粗糙的表面的表面粗糙度(R_a)与所述层的层厚度(S)的比值(V)具有至少为0.0008至3的数值。

2.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述层粘附在所述表面部段的金属粗糙的表面上，其中所述比值V具有至多为0.005至1.2的数值。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备在所述支承部位中具有至少一个滚动轴承(7)，借助所述滚动轴承，所述第一元件(3)安装在所述第二元件(6)上，其中所述滚动轴承(7)具有至少一排在环周侧围绕所述第二元件(6)设置的滚柱(9a)并且至少具有带有所述表面部段的所述第四元件(8)。

4.根据权利要求1、2或3所述的设备，其特征在于，所述第四元件(8)是至少一个保持架(8a)，在所述保持架中引导所述滚柱(9a)。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备(1)在所述支承部位上具有至少一个起动盘(16)，在所述起动盘上，所述第一元件(3)和/或所述第四元件(8)开始轴向运行。

6.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备在所述支承部位上具有至少一个起动盘(16)，在所述起动盘上，至少所述第一元件(3)开始轴向运行，其中所述起动盘(16)是所述第四元件(8)。

7.根据权利要求1、2或3所述的设备，其特征在于，所述第一元件(3)是能转动地安装在所述第二元件(6)上的行星齿轮(3a)，其中所述第二元件(6)是行星销(6a)，所述行星销保持在构成为行星架(4a)的第三元件(4)上，其中所述行星架(4a)设置成能围绕所述中轴线(17)旋转。

8.根据权利要求1、2或3所述的设备，其特征在于，所述层在所述元件(2，3，4，5，6，8，16)中的一个元件的至少一个所述表面部段上具有从所述表面部段的金属表面开始的为0.5μm-100μm的层厚度(S)。

9.根据权利要求1、2或3所述的设备，其特征在于，至少一种所述固态润滑剂是PTFE。

10.根据权利要求1、2或3所述的设备，其特征在于，所述层至少在所述元件(2，3，4，5，6，8，16)中的一个元件的表面部段上具有在至少65％至90％重量百分比的镍、1％至15％的磷和1％至20％的由固态润滑剂构成的颗粒(18)的范围中的组成成分。

11.根据权利要求1、2或3所述的设备，其特征在于，所述层至少在所述元件(2，3，4，5，6，8，16)中的一个元件的表面部段上具有在至多85％至90％重量百分比的镍、8％至10％的磷和2％至5％的由固态润滑剂构成的颗粒(18)的范围中的组成成分。

12.根据权利要求1、2或3所述的设备，其特征在于，所述层具有500HV至550HV的表面硬度。