DE102017121942A1

DE102017121942A1 - Kugelgewindetrieb

Info

Publication number: DE102017121942A1
Application number: DE102017121942.0A
Authority: DE
Inventors: Sigurd Wilhelm; Dieter Adler; Ernst Strian
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2019-03-21
Also published as: US20200224753A1; KR20200056388A; WO2019057234A1; US11313444B2; CN111051556A

Abstract

Gewindemutter (2) eines Kugelgewindetriebes, mit einer am Innenumfang ausgebildeten, schraubenförmig um eine Spindelachse des Kugelgewindetriebes gewundenen Kugelrille (9), und mit einer am Außenumfang ausgebildeten zylinderförmigen Dichtfläche (5), wobei die Gewindemutter (2) aus einem in Bezug auf Bremsflüssigkeit nicht rostenden martensitisch gehärteten Stahl gebildet ist, der als Legierungselement in Gewichtsprozent ausgedrückt Chrom mit wenigstens 12% enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb. Derartige Getriebe wandeln eine rotative in eine translatorische Bewegung um. Die Erfindung betrifft auch elektrohydraulische Bremsen und Bremskraftverstärker, in denen derartige Kugelgewindetriebe zum Erzeugen eines hydraulischen Arbeitsdrucks eingesetzt werden. Kugelgewindetriebe werden bevorzugt elektromotorisch betätigt. Wahlweise werden die Gewindemutter oder die Gewindespindel drehangetrieben.
Aus DE102012217092 A1 ist ein Bremskraftverstärker bekannt geworden, der einen Kugelgewindetrieb gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweist. Die Gewindemutter des Kugelgewindetriebs ist als Kolben ausgeführt, dessen äußere Mantelfläche als äußere zylinderförmige Dichtfläche ausgebildet ist. Als Kolbenelement muss die Gewindemutter auch die Dichtfunktion übernehmen und korrosionsbeständig sein gegen aggressive Medien wie Bremsflüssigkeit. Außerdem muss sie als Getriebeelement dauerhafte Wälzlagerfunktion (Wälzfestigkeit) aufweisen, um innerhalb einer definierten Lebensdauer unter hoher Beanspruchung das Abwälzen der Kugeln des Kugelgewindetriebes an den Kugelrillen der Gewindemutter und der Gewindespindel zu gewährleisten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine Gewindemutter eines Kugelgewindetriebes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, die sowohl ausreichend wälzfest sowie für den Kontakt mit Bremsflüssigkeit geeignet ist.
Erfindungsgemäß wurde diese Aufgabe durch die Gewindemutter gemäß Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die als hydraulischer Kolben ausgebildete Gewindemutter ist aus der Gruppe der in Bezug auf Bremsflüssigkeit nichtrostenden martensithärtenden Stähle hergestellt und weist einen in Gewichtsprozent ausgedrückten Anteil von Chrom von wenigstens 12 Prozent auf. Diese erfindungsgemäße Gewindemutter weist die für die Anwendung erforderliche Korrosionsbeständigkeit auf. Somit zeichnet sich die aus dem rost- und säurebeständigen Stahl hergestellte und martensitisch gehärtete Gewindemutter durch ihre Korrosionsbeständigkeit gegen Bremsflüssigkeit sowie durch ausreichende Wälzfestigkeit aus.
Prozentangaben zu Legierungen der erfindungsgemäßen Stähle sind nachstehend in Gewichtsprozent angegeben.
Durch Verwendung des korrosionsbeständigen Werkstoffes entfällt die Notwendigkeit, einen Korrosionsschutz durch chem. und galvanische Dünnschicht-Korrosionsschutzsysteme aufzubringen. Diese Gewindemutter zeigt somit keinen Eigenschaftsgradienten, sondern ein gleichmäßiges Eigenschaftsprofil, was vorteilhaft für nach der Wärmebehandlung statt findende formgebende Arbeitsgänge ist. Durch die entfallenden galvanischen oder chemischen Beschichtungsprozesse unterbleibt eine Wasserstoffaufnahme. Somit besteht keine Gefahr der Wasserstoffversprödung.
Die erfindungsgemäße Gewindemutter ist mit einer am Innenumfang ausgebildeten, schraubenförmig um eine Spindelachse des Kugelgewindetriebes gewundenen Kugelrille versehen und als hydraulischer Kolben ausgebildet. Dieser hydraulische Kolben kann beispielsweise Bestandteil eines elektrohydraulischen Bremskraftverstärkers sein und mit einem Zylinder zusammenwirken.
Der erfindungsgemäße Stahl gewährleistet einerseits die geforderte Wälzfestigkeit mit Blick auf das Abwälzen der Kugeln an der Kugelrille. Andererseits ist eine ausreichend Korrosionsbeständigkeit gegen Bremsflüssigkeit gegeben, der die Gewindemutter in ihrer Funktion als Hydraulikkolben vorzugsweise eines Bremskraftverstärkers ausgesetzt ist. Besondere Beschichtungen der Gewindemutter als Korrosionsschutz können entfallen.
Vorzugsweise ist bei einem erfindungsgemäßen Stahl aus der Gruppe der martensitisch härtbaren Rost- und säurebeständigen Stähle nach einer Wärmebehandlung ein martensitisch gehärteter Stahl mit einer Mindesthärte von 55 HRC sichergestellt.
Vorzugsweise wird die Gewindemutter aus einem Stahl hergestellt, der in Gewichtsprozent ausgedrückt folgende Bestandteile aufweist: Kohlenstoff C mit wenigstens 0,4% und bis zu 1,3%, sowie Silicium Si mit bis zu 2%, sowie Mangan Mn mit bis zu 2%, sowie Chrom Cr mit wenigstens 12% und bis zu 20,0%, sowie Phosphor P und Schwefel S gemeinsam mit weniger als 0,015%, der Rest Eisen und gegebenenfalls erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Anwendungsbezogen kann die Beimischung der folgenden Stoffe zu dem vorstehend beschriebenen Stahl günstig sein: Molybdän Mo mit bis zu 2,0%, sowie Vanadium V mit bis zu 0,2%, sowie Nickel Ni mit bis zu 3,0%.
Der oxidische und sulfidische Reinheitsgrad ist bei Verwendung erfindungsgemäßer Stähle für Wälzlageranwendungen gewährleistet.
Der erfindungsgemäße Stahl kann aus der Reihe der rost- und säurebeständigen Stähle stammen: Basierend auf dem Bezeichnungssystem der Stähle nach EN 10027 insbesondere aus den Reihen 1.40xx und 1,41xx und 1.45xx als auch aus der Reihe der korrosionsbeständigen Wälzlagerstähle der Reihe 1.35xx. Hier sind insbesondere die folgenden Stähle für die Herstellung der Gewindemutter vorteilhaft: 1.3541, 1.3543, 1.3549, 1.404, 1.4109, 1.4110, 1.4111, 1.4112, 1.4116, 1.4117, 1.4125, 1.4535.
Unter dem Handelsnamen „Cronidur“ ist der Stahl mit der Nummer 1.4108 für die Herstellung der erfindungsgemäßen Gewindemutter geeignet. Dieser Werkstoff hat den Vorteil auch für Anwendungssysteme geeignet zu sein, die zu den so genannten White Etching Crack Schäden (WEC) führen. Im Gegensatz zu den Standardstählen mit min 0,4% C ist der Werkstoff 1.4108 neben Kohlenstoff (im Mittel 0,25%) zusätzlich mit Stickstoff (im Mittel 0,4%) versehen.
Vergleichbare oder für die oben angeführten Werkstoffe einsetzbare Stähle können andere Bezeichnungen in weiteren nationalen und internationalen Normensystemen tragen. Gemeinsam ist ihnen allen, dass sie bei einer zur Erfüllung der Funktion erforderlichen Härte einen ausreichenden Schutz vor der Korrosion in Bremsflüssigkeiten haben. Aus dem Bezeichnungssystem AMS kann vorzugsweise der Stahl 5898 für die Herstellung der erfindungsgemäßen Gewindemutter eingesetzt werden.
Für einen erfindungsgemäßen Stahl ist sichergestellt, dass von fallweise vorliegenden Primärkarbiden keine negative Beeinträchtigung der Wälzfestigkeit, vergleichbar dem Einfluss des oxidischen und sulfidischen Reinheitsgrades, ausgeht.
Für eine erfindungsgemäße Gewindemutter ist auch ein Stahl geeignet, der in ausgedrückt Kohlenstoff C 0,2% sowie Chrom Cr mit 13% aufweist. Insbesondere sind hier die Stähle X20 Cr 13 oder 1.4034 vorteilhaft. Ein derartiger Stahl kann durch gezieltes Aufsticken eine sowohl für den Wälzkontakt tragfähige Randzone und die geforderte Korrosionsbeständikeit erreichen. Derartige Wärmbehandlungsverfahren sind unter dem Markennamen „Solnit“ bekannt. Stickstoff wird im Wärmebehandlungsprozess vor dem Härten zugeführt, der in die Randzone der Gewindemutter eindiffundiert. Das Aufsticken erfolgt im Gefüge der Randzone bei Temperaturen von 1050 bis 1150 Grad Celsius, und anschließendem schnellen Abschrecken. Die aus dieser Stahl gemäß dem beschriebenen Verfahren hergestellte Gewindemutter weißt ebenfalls die geforderte Korrosionsbeständigkeit gegen Bremskraftflüssigkeit bei gleichzeitiger Tragfähigkeit der abgestimmten aufgehärteten Randschicht auf.
Ein erfindungsgemäßer Kugelgewindetrieb ist mit der erfindungsgemäßen Gewindemutter versehen, wobei zwischen einer Gewindespindel und der Gewindemutter Kugeln angeordnet sind, die an Kugelrillen der Gewindespindel und der Gewindemutter abwälzen, wobei die Gewindemutter als hydraulischer Kolben zum Zusammenwirken mit einem Zylinder ausgebildet ist.
Die Erfindung betrifft insbesondere einen Bremskraftverstärker mit diesem Kugelgewindetrieb, dessen Gewindemutter in dem Zylinder längsverschieblich zur Verrichtung von Kolbenhüben angeordnet ist, und dessen Gewindespindel drehangetrieben ist.
Eine äußere Mantelfläche der Gewindemutter kann als äußere zylinderförmige Dichtfläche ausgeführt sein. An dieser Dichtfläche kann beispielsweise eine Dichtung anliegen, die die Gewindemutter umgreift. Diese Dichtung kann als Dichtring ausgeführt sein.
Es kann zweckmäßig sein die Gewindespindel ebenfalls aus einem der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Stähle herzustellen. Dies kann insbesondere dann angezeigt sein, wenn auch die Gewindespindel in Kontakt mit Bremsflüssigkeit kommt.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von zwei in insgesamt vier Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb in einer ersten Lage,
2 einen Längsschnitt durch den Kugelgewindetrieb aus 1 in einer zweiten Lage,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebes in perspektivischer Darstellung und aufgebrochen und
4 in schematischer Darstellung einen Ausschnitt einer Bremsanlage eines Kraftfahrzeuges mit Bremskraftverstärker.

Die 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebes, der eine drehangetriebene Gewindespindel 1 und eine auf der Gewindespindel 1 axial verschieblich angeordnete Gewindemutter 2. 1 zeigt den Kugelgewindetrieb mit eingefahrener Gewindemutter 2 und 2 mit ausgefahrener Gewindemutter 2.
Die Gewindemutter 2 ist als Kolben 3 ausgebildet, der in einen lediglich angedeuteten Zylinder 4 eingreift. Anstelle eines Zylinders kann ein Gehäuse vorgesehen sein. Die äußere Mantelfläche der Gewindemutter 2 ist als zylinderförmige Dichtfläche 5 des Kolbens 3 ausgebildet. Nicht abgebildet ist ein hydraulischer Druckraum, der von dem Kolben 3 und von dem Zylinder 4 begrenzt wird. Dieser Druckraum schließt an das rechts gelegene Ende des Zylinders 4 an. Unter Betätigung des Kugelgewindetriebes - also unter Drehantrieb der Gewindespindel 1 - wird der Kolben 3 axial gegenüber dem Zylinder 4 verlagert und somit der Druckraum vergrößert oder verkleinert.
Der Druckraum ist mit Bremsflüssigkeit gefüllt. Das bedeutet, insbesondere die als hydraulischer Kolben ausgebildete Gewindemutter 2 steht in Kontakt mit der Bremsflüssigkeit. Die erfindungsgemäße Gewindemutter 2 weist neben der geforderten Wälzfestigkeit auch die erforderliche Korrosionsbeständigkeit gegen Bremsflüssigkeit auf. Besondere Beschichtungssysteme als Korrosionsschutz sind nicht erforderlich.
Am Innenumfang des Zylinders 4 sind zwei axial benachbart angeordnete Dichtringe 6 angeordnet, die dichtend an der zylinderförmigen Dichtfläche 5 des Kolbens 3 anliegen und somit den Druckraum hydraulisch abdichten.
Zwischen der Gewindespindel 1 und der Gewindemutter 2 sind Kugeln 7 ( 3) angeordnet, die in mehreren endlosen Kugelkanälen 8 angeordnet sind. Jeder Kugelkanal 8 ist von schraubenförmig um die Spindelachse gewundenen Kugelrillen 9, 10 der Gewindemutter 2 und der Gewindespindel 1 sowie von Umlenkabschnitten 11 gebildet. Die Umlenkabschnitte 11 verbinden jeweils einen Anfang und ein Ende eines Lastabschnitts 12 einer gemeinsamen Windung.
Die Umlenkabschnitte 11 sind jeweils an einem Umlenkstück 13 ausgebildet. Diese Umlenkstücke 13 sind über den Umfang verteilt und axial aufeinander folgend in taschenförmigen Ausnehmungen 14 der Gewindemutter 2 angeordnet. Die Figuren zeigen deutlich die Anordnung der taschenförmigen Ausnehmungen 14 radial innerhalb der Mantelfläche der Gewindemutter 2, also innerhalb der Wanddicke der Gewindemutter 2.
Die taschenförmigen Ausnehmungen 14 durchstoßen demzufolge nicht die zylinderförmige Dichtfläche 5 am Außenumfang der Gewindemutter 2.
Die Figuren zeigen deutlich, dass die zylinderförmige Dichtfläche 5 und die Kugelkanäle 8 axial einander überlappend angeordnet sind.
3 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, das sich von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass die als Kolben 3 ausgebildete Gewindemutter 2 an ihrem einen axialen Ende an ihrem Außenumfang mit zwei koaxial zur Spindelachse und axial benachbart angeordneten Ringnuten 15 zur Aufnahme von nicht abgebildeten Dichtringen versehen ist, wobei die Ringnuten 15 beide axial benachbart zu der zylinderförmigen Dichtfläche 5 angeordnet sind.
Ein weiterer Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die Gewindemutter 2 axial durchgehend geöffnet ist und an ihrem Innenumfang mit einer inneren zylinderförmigen Dichtfläche 16 versehen ist, die axial benachbart zu den Kugelkanälen 8 angeordnet ist. Diese innere zylinderförmige Dichtfläche 16 ist axial überlappend mit den Ringnuten 15 angeordnet. An dieser inneren zylinderförmigen Dichtfläche 16 kann ein nicht abgebildeter innerer Kolben längsverschieblich geführt sein und mit seinen Dichtringen dichtend anliegen.
Ferner ist in 3 am linksseitigen Ende der Gewindespindel 1 ein mit Zähnen versehenes Ritzel 17 ausgebildet, das über ein nicht abgebildetes Antriebsrad angetrieben werden kann. Über das fest mit der Gewindespindel 1 verbundene Ritzel 17 wird die Gewindespindel 1 drehangetrieben.
4 zeigt lediglich schematisch einen Ausschnitt einer Bremsanlage eines Kraftfahrzeuges. In diesem Ausschnitt sind abgebildet: ein Bremskraftverstärker 18 mit dem erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb wie beschrieben, ein Hauptbremszylinder 19 und ein Bremspedal 20. Der in den 1 und 2 angedeutete Zylinder 4 ist Teil des Bremskraftverstärkers 18.
Die hier abgebildete Gewindemutter 2 ist erfindungsgemäß aus einem martensithärtenden Stahl gebildet, der einerseits eine ausreichende Wälzfestigkeit für den Betrieb des Kugelgewindetriebes bietet, und der andererseits korrosionsbeständig gegen Bremsflüssigkeit ist, die üblicherweise in dem beschriebenen elektrohydraulischen Bremskraftverstärker eingesetzt wird. Die Gewindemutter 2 ist gehärtet und weist eine Härte von wenigstens 55 HRC auf.
Im Ausführungsbeispiel ist ein Stahl eingesetzt, der folgende Stoffe in Gewichtsprozent aufweist: Kohlenstoff C mit wenigstens 0,4 % und bis zu 1,3%, sowie Silicium Si mit bis zu 2%, sowie Mangan Mn mit bis zu 2%, sowie Chrom Cr mit wenigstens 12% und bis zu 20,0%, sowie Molybdän Mo mit 0% und bis zu 2,0%, sowie Vanadium V mit 0% und bis zu 0,2%, sowie Nickel Ni mit 0% und bis zu 3,0%, sowie Phosphor P und Schwefel S gemeinsam mit weniger als 0,015%, der Rest Eisen und gegebenenfalls erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Bezugszeichenliste

1: Gewindespindel
2: Gewindemutter
3: Kolben
4: Zylinder
5: zylinderförmige Dichtfläche
6: Dichtring
7: Kugel
8: Kugelkanal
9: Kugelrille
10: Kugelrille
11: Umlenkabschnitt
12: Lastabschnitt
13: Umlenkstück
14: taschenförmige Ausnehmung
15: Ringnut
16: innere zylinderförmige Dichtfläche
17: Ritzel
18: Bremskraftverstärker
19: Hauptbremszylinder
20: Bremspedal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012217092 A1 [0002]

Claims

Gewindemutter (2) eines Kugelgewindetriebes, mit einer am Innenumfang ausgebildeten, schraubenförmig um eine Spindelachse des Kugelgewindetriebes gewundenen Kugelrille (9), wobei die Gewindemutter (2) als hydraulischer Kolben (3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindemutter (2) aus einem in Bezug auf Bremsflüssigkeit nicht rostenden martensitisch gehärteten Stahl gebildet ist, der als Legierungselement in Gewichtsprozent ausgedrückt Chrom Cr mit wenigstens 12% enthält.
Gewindemutter (2) nach Anspruch 1, mit einer Mindesthärte von 55 HRC.
Gewindemutter (2) nach einem der Ansprüche 1 und 2, deren Stahl folgende Stoffe in Gewichtsprozent aufweist: Kohlenstoff C mit wenigstens 0,4 % und bis zu 1,3%, sowie Silicium Si mit bis zu 2%, sowie Mangan Mn mit bis zu 2%, sowie Chrom Cr mit wenigstens 12% und bis zu 20,0%, sowie Molybdän Mo mit 0% und bis zu 2,0%, sowie Vanadium V mit 0% und bis zu 0,2%, sowie Nickel Ni mit 0% und bis zu 3,0%, sowie Phosphor P und Schwefel S gemeinsam mit weniger als 0,015%, der Rest Eisen.
Gewindemutter (2) nach einem der Ansprüche 1 und 2, deren Stahl folgende Stoffe in Gewichtsprozent aufweist: Kohlenstoff C mit 0,2% sowie Chrom Cr mit 13%, wobei die Gewindemutter (2) aufgestickt ist.
Gewindemutter nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, die aus dem Stahl 1.4108 des Bezeichnungssystems EN10027 hergestellt ist.
Kugelgewindetrieb mit einer Gewindemutter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, zwischen dessen Gewindespindel (1) und der Gewindemutter (2) Kugeln (7) angeordnet sind, die an Kugelrillen (9, 10) der Gewindespindel (1) und der Gewindemutter (2) abwälzen, wobei die als hydraulischer Kolben (3) ausgebildete Gewindemutter (2) zum Zusammenwirken mit einem Zylinder (4) ausgebildet ist.
Bremskraftverstärker (18) mit einem Kugelgewindetrieb nach Anspruch 6, dessen Gewindemutter (2) in dem Zylinder (19) längsverschieblich zur Verrichtung von Kolbenhüben angeordnet ist, und dessen Gewindespindel (1) drehangetrieben ist.