DE102006040464A1

DE102006040464A1 - Synchronisierungseinrichtung mit Stahl- und Messingelementen in Verbindung mit einem Reibbelag

Info

Publication number: DE102006040464A1
Application number: DE102006040464A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Ing. Folk (FH); Josef Dipl.-Ing. Schwuger
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2008-03-06
Also published as: WO2008025585A1

Abstract

Synchronisierungseinrichtung (10) für ein Schaltgetriebe, vorzugsweise für ein manuell schaltbares Zahnräderwechselgetriebe für Fahrzeuge, mit einem Innensynchronring (20) mit einer Außenfläche (21), einem Außensynchronring (30) mit einer Innenfläche (31) und einem konischen Synchronzwischenring (40) mit einer Innenkonusfläche (41) und einer Außenkonusfläche (42), wobei der Innensynchronring (20) ein Messingmaterial und der Außensynchronring (30) ein Stahlmaterial umfasst, wobei zumindest die Innenfläche (31) des Außensynchronringes (30) einen Karbonbelag (32) aufweist. Somit wird eine Synchronisationseinrichtung (10) geschaffen, welche durch eine gezielte Materialwahl der Synchronisationsringe sowie mittels eines geeigneten Reibbelages an wenigstens einem Synchronisationsring eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist und durch gute Notlaufeigenschaften gekennzeichnet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Synchronisierungseinrichtung für ein Schaltgetriebe, vorzugsweise für ein manuell schaltbares Zahnräderwechselgetriebe für Fahrzeuge, mit einem Innensynchronring mit einer Außenfläche, einem diesen umgehenden Außensynchronring mit einer Innenfläche und einem dazwischen angeordneten konischen Synchronzwischenring mit einer Innenkonusfläche und einer Außenkonusfläche.
Synchronisierungseinrichtungen der hier interessierenden Art dienen zum Synchronisieren der Drehzahl einer Motorwelle und einer Antriebswelle in einem Schaltgetriebe, beispielsweise in dem Schaltgetriebe eines Kraftfahrzeuges. Die Synchronringe sind dazu vorgesehen, vor einem Schaltvorgang die Drehgeschwindigkeit der Motorwelle an diejenige der Antriebswelle anzupassen. Betreffend die vorgeschlagene Synchronisierungseinrichtung werden drei miteinander arbeitende Synchronringe, nämlich ein Innensynchronring, ein Außensynchronring sowie ein dazwischen angeordneter Synchronzwischenring vorgesehen. Diese Ringe werden derart axial aufeinander zugeführt, dass das Herbeiführen der gewünschten Synchronisation vor einem Schaltvorgang im Abbremsen der jeweiligen Synchronringe erfolgt.
Bevorzugte Werkstoffe zur Herstellung von Synchronisierungsringen sind metallische Werkstoffe, welche beispielsweise durch Umformen aus Blech oder als Schmiedekörper hergestellt werden. Die Synchronisierungsringe umfassen kegelstumpfförmige Ringkörper, dessen Oberflächen mit einem reibungs- und/oder verschleißoptimierten Belag beschichtet sein können.
Beschichtungen für Außen- und/oder Zwischen- und/oder Innensynchronringe werden beispielsweise mittels eines Flammspritzens oder eines Streusinterns aufgebracht. Ferner sind organische Gelage bekannt, die auf den Synchronisierungsringen aufgebracht werden. Diese können entweder im bereits ausgehärteten Zustand auf den Ringkörper aufgebracht werden, oder werden erst gemeinsam mit dem Ringkörper verbunden und dann in einem anschließenden Fertigungsprozess gehärtet.
Aus der DE 20 2005 012 025 U1 ist beispielsweise ein Synchronisierungsring mit einer durch einen reib- und/oder verschleißoptimierten Belag gebildeten Lagerfläche bekannt, wobei die Lagerfläche durch wenigstens zwei, in Drehrichtung der Mantelfläche der Lagerfläche voneinander beabstandete Belagsegmente gebildet ist. Der Belag muss dabei in Umfangsrichtung der Ringe nicht durchgehend ausgebildet sein. Dabei sind die Belagsegmente organische Belagsegmente.
Aus der DE 34 17 813 C1 ist eine Verwendung von Streusinter-Reibbelägen in Reibkupplungen oder Reibbremsen bekannt. Diese weisen geschmierte, nicht ebene Reibflächen auf. In der 1 ist ein Synchronisierring mit einem dazugehörigen Gleichlaufring offenbart. Die kegelförmige Reibfläche des Synchronisierungsringes und die Reibfläche des Gleichlaufringes weisen einen Abstand zueinander auf, wobei sie sich nicht im Kraftfluss befinden. Der Reibkörper ist in Gestalt eines Streusinterreibbelages angebracht und besitzt einen nicht als Reibfläche verwendeten Bund und ist über eine Ring-Schweißnaht mit dem Basiskörper stoffschlüssig verbunden.
Die EP 0 292 468 B1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Reib- bzw. Gleitkörpers. Gemäß des hierin gewählten Ausführungsbeispiels entspricht der Reibkörper einem Synchronring, welcher auf der Innen- und Außenseite mit einem Streusinterbelag versehen ist. Der Ringkörper ist hierbei als Teil eines Kegelmantels ausgeführt und als Blechpressteil hergestellt. Dabei ist eine Sinterform erforderlich, um den Streusinterbelag auf den Reibkörper aufzubringen. Der Ringkörper entspricht dabei einem Synchronzwischenring, welcher sowohl an der Innenkonusfläche als auch an der Außenkonusfläche den Streusinterbelag aufweist.
Ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines Reibkörpers ist aus der Patentschrift DE 195 48 124 C2 bekannt. Der Reibkörper besteht aus einem Grundkörper, welcher gemäß des hierin offenbarten Ausführungsbeispiels als Synchronring für eine Synchronisierungseinrichtung ausgeführt ist. Der Grundkörper wird durch ein thermisches Spritzen mit einer Kupferlegierung beschichtet, wobei die Kupferlegierung 10-45 Gew.-% mindestens eines Elementes der aus Zinn und Zink gebildeten Gruppe, 2-10 Gew.-%, mindestens eines Elementes der aus Aluminium und Silizium gebildeten Gruppe, 2-6 Gew.-% mindestens eines Elements der aus Eisen, Kobalt und Nickel gebildeten Gruppe, 0,5-3 Gew.-% eines Elements der aus Titan, Zirkon, Chrom, Vanadium und Molybdän gebildeten Gruppe sowie Kupfer als Rest mit zufälligen Verunreinigungen enthält. Die Schichtdicke ist dabei mit 0,1-0,2 mm vorgesehen und wird durch thermisches Spritzen oder durch Prägen nachbehandelt.
Die bekannten Ausgestaltungen verschiedener Synchronisationssysteme sind lediglich auf eine einzige Materialauswahl beschränkt, so dass der Innensynchronring, der Synchronzwischenring sowie der Außensynchronring aus einem Stahlwerkstoff hergestellt sind. Die Fertigung erfolgt häufig aus einem Blechpressteil, was insbesondere als bevorzugte Fertigungsmöglichkeit des Synchronzwischenringes angewendet wird. Zur Optimierung des Reib- und Ver schleißverhaltens zwischen den einzelnen Ringen ist der Synchronzwischenring mittels verschiedener Beschichtungen versehen. Der Synchronzwischenring umfasst eine Innenkonusfläche und eine Außenkonusfläche, wobei beide Konusflächen als Reibflächen zum Einsatz kommen. Daher wird gemäß des Standes der Technik häufig der Reibbelag in einem Arbeitsgang am Synchronzwischenring sowohl auf der Innenkonusfläche als auch auf der Außenkonusfläche aufgebracht. Der Innensynchronring bildet häufig mit einer axialen Anlauffläche eine Reibpaarung mit einem Schaltrad, wobei die Reibung einen Verschleiß am Innensynchronring verursacht, welcher wünschenswerterweise ebenfalls minimiert werden soll.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Synchronisationseinrichtung zu schaffen, welche durch eine gezielte Materialwahl der Synchronisationsringe sowie mittels eines geeigneten Reibbelages an wenigstens einem Synchronisationsring eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist und durch gute Notlaufeigenschaften gekennzeichnet ist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Synchronisationseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Innensynchronring ein Messingmaterial und der Außensynchronring ein Stahlmaterial umfasst, wobei zumindest die Innenfläche des Außensynchronringes einen Karbonbelag aufweist.
Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, eine Synchronisierungseinrichtung zu schaffen, welche durch eine gezielte Wahl der Materialien der einzelnen Synchronringe sowie durch eine gezielte Anwendung eines Reibbelages den Wirkungsgrad, die Leistungsfähigkeit, die Verschleißfestigkeit, die Temperaturbeständigkeit oder auch die Notlaufeigenschaften verbessert. Die Auswahl eines Karbonbelags als Reibbelag hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da ein Karbonbelag den Wirkungsgrad sowie die Leistungsfähigkeit und die Verschleißfestigkeit der Synchronisierungseinrichtung maßgeblich verbessert. Der Karbonbelag wird auf der Innenfläche des Außensynchronringes aufgebracht, so dass die Außenkonusfläche des Synchronzwischenringes mit dem Karbonbelag eine Reibpaarung bildet. Eine Reibpaarung zwischen einem Stahlwerkstoff und einem Karbonbelag erweist sich insbesondere als besonders vorteilhaft, wobei der Karbonbelag als einzelnes Belagelement auf die Innenfläche des Außensynchronringes aufgebracht werden kann. Ebenso ist es möglich, den Karbonbelag direkt auf der Innenfläche des Außensynchronringes aufzubauen. Derartige Karbonbeläge können aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff stehen, der sich durch höchste Verschleißfestigkeit auszeichnet.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung weist die Außenfläche des Innensynchronringes einen Karbonbelag auf. Damit ist der Reibbelag am jeweiligen Außensynchronring sowie am Innensynchronring angeordnet und reibt gegen die Konusflächen des Synchronzwischenringes. Die Herstellung des Synchronzwischenringes kann sich dadurch auf den Umformprozess und die mögliche Nachbearbeitung der Innenkonusfläche sowie der Außenkonusfläche beschränken, wobei der Synchronzwischenring vorteilhafterweise als Blechpressteil hergestellt ist. Der Außensynchronring umfasst vorteilhafterweise einen Stahlwerkstoff, da dieser auf dem Außenumfang mehrer sogenannte Dachwinkel aufweist. Diese radial sich nach außen erstreckenden Anformungen dienen zur Krafteinleitung in den Außensynchronring, so dass dieser vorteilhafterweise einen Stahlwerkstoff umfassen sollte.
Der Innensynchronring kann jedoch ein Messingmaterial umfassen, so dass dieser beispielsweise mittels eines spanenden Verfahrens hergestellt oder zumindest nachbearbeitet wird. Zwar bietet die Reibpaarung zwischen einem Messingmaterial und einem Stahlwerkstoff vorteilhafte Eigenschaften, jedoch wird gemäß der vorgeschlagenen Ausführung ein Karbonbelag auf die Außenfläche des Innensynchronringes aufgebracht. Die vorteilhaften Eigenschaften einer Messing-Stahl-Reibpaarung kann jedoch dennoch genutzt werden, da die Synchronisationseinrichtung ferner ein Schaltrad umfasst, und der Innensynchronring eine axiale Anlauffläche in Richtung des Schaltrads aufweist. Die axiale Anlauffläche am Innensynchronring läuft gegen das Schaltrad an, bzw. das stützt das Schaltrad an der axialen Anlauffläche ab. Dabei entstehen Relativbewegungen zwischen dem Innensynchronring und dem Schaltrad, welche synchronisiert werden müssen. Somit bietet das Messingmaterial des Innensynchronringes auch bei Anwendung einer Karbonbeschichtung zur Reibung gegen den Synchronzwischenring eine besonders vorteilhafte Auswahl.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist die Innenkonusfläche und/oder die Außenkonusfläche des Synchronzwischenrings reibbelagfrei ausgebildet. Jedoch besteht ebenfalls die Möglichkeit, sowohl die Innenkonusfläche als auch die Außenkonusfläche des Synchronzwischenringes mittels eines Karbonbelags zu bestücken, wobei zumindest die Außenfläche des Innensynchronrings gegen die Innenkonusfläche des Synchronzwischenringes anläuft. Dabei kann zwischen dem Synchronzwischenring und dem Innensynchronring der Karbonbelag vorgesehen sein, wobei dieser sowohl an der Innenkonusfläche des Synchronzwischenringes als auch an der Außenfläche des Innensynchronringes befestigt sein kann.
Zur Verbesserung der Reib- und Verschleißeigenschaften der axialen Anlauffläche des Innensynchronringes wird ferner vorgeschlagen, dass die axiale Anlauffläche eine Oberflächenstrukturierung umfasst. Die Oberflächenstrukturierung kann die tribologischen Eigenschaften zwischen der axialen Anlauffläche und dem Gegenbauteil, welches beispielsweise das Schaltrad der Synchronisierungseinrichtung betreffen kann, verbessern.
Aus konstruktiven Gründen wird vorgeschlagen, dass die Oberflächenstrukturierung der axialen Anlauffläche wenigstens eine Ölnut umfasst. Derartige Ölnuten oder Öldrainagen dienen zur Bereitstellung eines Schmiermittels im Schmierspalt, so dass der Schmierspalt über die Öldrainage mit Öl versorgt wird. Vorteilhafterweise können mehrere Ölnuten auf dem Umfang verteilt als Oberflächenstrukturierung in die axiale Anlauffläche des Innensynchronrings eingebracht werden. Die Oberflächenstrukturierung kann dabei alternativ zu den sogenannten Ölnuten auch fertigungsbedingte Konturen, Vertiefungen, Radien und dergleichen umfassen, welche über den Umfang verteilt auf der axialen Anlauffläche eingebracht werden.
Gemäß eines weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiels besteht die Möglichkeit, auf der axialen Anlauffläche einen Reibbelag vorzusehen. Dieser wird wie auch bei der Anwendung auf der Außenfläche des Innensynchronrings bzw. auf der Innenfläche des Außensynchronringes auf die axiale Anlauffläche aufgebracht. Damit kann das Schaltrad gegen den axialen Karbonbelag anlaufen, wobei der Reibbelag als Karbonbelag, als Molybdänbelag, als Phosphatbelag oder als ein Gleitlack ausgebildet sein kann.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt
1 eine schematische Darstellung einer Synchronisierungseinrichtung, wobei der Innensynchronring, der Außensynchronring sowie der Synchronzwischenring jeweils im Querschnitt dargestellt ist;
2 die Synchronisierungseinrichtung gemäß 1, wobei ferner zwischen dem Synchronzwischenring und dem Innensynchronring ein Karbonbelag vorgesehen ist;
3 die Synchronisierungseinrichtung gemäß der 1, wobei der Innensynchronring eine axiale Anlauffläche mit einer Ölnut aufweist, um gegen ein Schaltrad anzulaufen; und
4 eine Synchronisierungseinrichtung gemäß der 3, wobei die axiale Anlauffläche des Innensynchronringes zum axialen Anlauf gegen das Schaltrad einen Reibbelag umfasst.
In den 1 bis 4 ist eine Synchronisierungseinrichtung 10 gezeigt, wobei diese im Querschnitt dargestellt ist. Im Wesentlichen besteht die Synchronisierungseinrichtung 10 aus einem Innensynchronring 20, einem Außensynchronring 30 sowie einem konischen Synchronzwischenring 40. Die jeweiligen Synchronringe 20, 30 und 40 rotieren um eine gemeinsame Rotationsachse 11. Die Synchronisierungsringe dienen zum Herbeiführen einer Synchronisierung der Drehzahlen der jeweiligen Ringe, welche sowohl mit der Motorwelle als auch mit der Antriebswelle eines Schaltgetriebes verbunden sind. Dabei wird der Außensynchronring 30 axial verschoben, so dass dieser auf den Innensynchronring 20 aufläuft, wobei zwischen dem Innensynchronring 20 und dem Außensynchronring 30 der konische Synchronzwischenring 40 angeordnet ist. Aufgrund der unterschiedlichen Drehzahlen der verschiedenen Ringe bildet sich eine Relativbewegung an den jeweiligen Oberflächen der Ringe aus. Der Innensynchronring 20 umfasst eine Außenreibfläche 21, welche gegen die Innenkonusfläche 41 des Synchronzwischenringes 40 reibt. Hingegen reibt die Außenkonusfläche 42 des Synchronzwischenringes 40 gegen die Innenreibfläche 31 des Außensynchronringes 30.
Ferner umfasst der Innensynchronring 20 eine axiale Anlauffläche 23, um beispielsweise gegen ein Schaltrad 50 anzulaufen und eine Synchronisation der jeweiligen Drehzahlen zu schaffen.
In 1 ist ein Karbonbelag 32 gezeigt, welcher gemäß der vorliegenden Erfindung an der Innenreibfläche 31 des Außensynchronringes 30 angebracht ist. Somit bildet der Karbonbelag 32 den Reibkontakt zwischen dem Außensynchronring 30 und dem konischen Synchronzwischenring 40.
In 2 ist neben dem Karbonbelag 32 zwischen dem Außensynchronring 30 und dem konischen Synchronzwischenring 40 ein weiterer Karbonbelag 22 auf der Außenreibfläche 21 des Innensynchronringes 20 dargestellt. Der Karbonbelag 22 ist haftend auf der Außenreibfläche 21 des Innensynchronringes 20 aufgebracht und wird durch diese gehalten. Somit läuft der Innensynchronring 20 über den Karbonbelag 22 gegen die Innenkonusfläche 41 des Synchronzwischenringes 40 an.
3 verdeutlicht die axiale Anlauffläche 23 des Innensynchronringes 20, welche eine Ölnut 25 umfasst. Die Ölnut 25 erstreckt sich in radialer Richtung entfernt von der Rotationsachse 11 in der axialen Anlauffläche 23, und ist als eine Art Vertiefung bzw. Drainage ausgebildet. Die Ölnut 25 ist im Schnitt dargestellt, wobei auf dem Umfang verteilt auf der axialen Anlauffläche 23 eine Vielzahl von Ölnuten 25 vorgesehen sind. Die axiale Anlauffläche 23 läuft gegen das Schaltrad 50 axial an, um die Drehzahlen zwischen dem Innensynchronring 20 und dem Schaltrad 50 aneinander anzupassen.
In 4 ist eine Ausführungsform des Innensynchronrings 20 dargestellt, in welcher die axiale Anlauffläche 23 einen Reibbelag 24 umfasst. Der Reibbelag 24 ist im Schnitt dargestellt und kann beispielsweise ebenfalls einen Karbonbelag umfassen. Gemäß dieses Ausführungsbeispiels läuft dieses Schaltrad 50 gegen den Reibbelag 24 an, so dass auch bei dieser Reibpaarung ein Optimum zwischen dem Karbonbelag und dem aus Stahl hergestellten Schaltrad erzielbar ist.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Grundsätzlich liegt der Erfindung der Gedanke zu Grunde, dass der Innensynchronring 20 ein Messingmaterial umfasst, wobei hingegen der Außensynchronring 30 aus einem Stahlmaterial hergestellt ist. Die Vorteile eines aus Messing hergestellten Innensynchronringes 20 werden insbesondere dann zur Geltung gebracht, wenn eine Reibpaarung zwischen dem Innensynchronring 20 aus Messing und einem weiteren aus Stahl hergestellten Reibpartner erzeugt wird. Diese Reibpartner betreffen entweder die Innenkonusfläche 41 des Synchronzwischenringes 40 oder das Schaltrad 50. Jedoch besteht ebenso die Möglichkeit, auch den Innensynchronring 20 aus einem Stahlwerkstoff herzustellen, wobei ferner der Außensynchronring 30 ein Messingmaterial umfassen kann. Jedenfalls ist bei einer freien Materialwahl des Innensynchronringes, des Außensynchronringes sowie des Synchronzwischenringes vorzugsweise zwischen einem Stahlwerkstoff und einem Messingwerkstoff eine vorteilhafte Ausführungsform einer Synchronisierungseinrichtung in Kombination mit einem Reibbelag aus Karbon gemäß der vorliegenden Erfindung zu sehen.

10: Synchronisierungseinrichtung
11: Rotationsachse
20: Innensynchronring
21: Außenreibfläche
22: Karbonbelag
23: axiale Anlauffläche
24: Reibbelag
25: Ölnut
30: Außensynchronring
31: Innenreibfläche
32: Karbonbelag
40: konischer Synchronzwischenring
41: Innenkonusfläche
42: Außenkonusfläche
50: Schaltrad

Claims

Synchronisierungseinrichtung (10) für ein Schaltgetriebe, vorzugsweise für ein manuell schaltbares Zahnräderwechselgetriebe für Fahrzeuge, mit einem Innensynchronring (20) mit einer Außenfläche (21), einem diesen umgehenden Außensynchronring (30) mit einer Innenfläche (31) und einem dazwischen angeordneten konischen Synchronzwischenring (40) mit einer Innenkonusfläche (41) und einer Außenkonusfläche (42), dadurch gekennzeichnet, dass der Innensynchronring (20) aus einem Messingmaterial und der Außensynchronring (30) aus einem Stahlmaterial besteht, wobei zumindest die Innenfläche (31) des Außensynchronringes (30) mit einem Karbonbelag (32) versehen ist.
Synchronisierungseinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche (21) des Innensynchronrings (20) einen Karbonbelag (22) aufweist.
Synchronisierungseinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkonusfläche (41) und/oder die Außenkonusfläche (42) des Synchronzwischenringes (40) reibbelagfrei ausgebildet ist.
Synchronisierungseinrichtung (10) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisierungseinrichtung (10) ein Schaltrad (50) umfasst, und der Innensynchronring (20) eine axiale Anlauffläche (23) in Richtung des Schaltrades (50) aufweist.
Synchronisierungseinrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Anlauffläche (23) eine Oberflächenstrukturierung umfasst.
Synchronisierungseinrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Oberflächenstrukturierung der axialen Anlauffläche (23) wenigstens eine Ölnut (25) verläuft.
Synchronisierungseinrichtung (10) nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Anlauffläche (23) einen Reibbelag (24) umfasst.
Synchronisierungseinrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibbelag (24) nach Art eines Karbonbelags oder eines Molybdänbelags oder eines Phosphatbelags oder eines Gleitlacks ausgebildet ist.