DE19728919B4

DE19728919B4 - Zahnräderwechselgetriebe

Info

Publication number: DE19728919B4
Application number: DE19728919A
Authority: DE
Inventors: Volker Dipl.-Ing. Ploetz; Wolfgang Fugel; Leo Müntnich
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1997-07-07
Filing date: 1997-07-07
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2017-07-08
Also published as: WO1999002893A1; DE19728919A1

Abstract

Zahnräderwechselgetriebe mit wenigstens einem über ein Loslager auf einer Getriebewelle (3) gelagerten Zahnrad (7), das über ein Kuppelelement (8) mit der Getriebewelle (3) kuppelbar ist, wobei radial zwischen einer der Getriebwelle (3) zugeordneten inneren Laufbahn (15) und einer einer Nabe des Zahnrads (7) zugeordneten äußeren Laufbahn (14) Nadeln (12) in einem Wälzlagerkäfig (11) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Riffelbildung zumindest die Wälzfläche der Lagernadeln (12) mit einer Phosphatdeckschicht versehen ist, wobei die Phosphatdeckschicht in ihrer Stärke auf das geforderte Radialspiel eingestellt ist und eine Stärke von 1 bis 15 μm aufweist.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Zahnräderwechselgetriebe mit wenigstens einem über ein Loslager auf einer Getriebewelle gelagerten Zahnrad, das über ein Kuppelelement mit der Getriebewelle kuppelbar ist, wobei radial zwischen einer der Getriebewelle zugeordneten inneren Laufbahn und einer einer Nabe des Zahnrades zugeordneten äußeren Laufbahn Nadeln in einem Wälzlagerkäfig angeordnet sind.
Hintergrund der Erfindung
Von derartigen Zahnrädern, die auch als Losräder bezeichnet werden, ist in der Getriebe- und Wälzlagerindustrie das Problem der Riffelbildung bekannt. Diese Zahnräder laufen teils ohne Belastung gegenüber den Wellen um, während sie in einem Betriebszustand, in dem sie ein Drehmoment übertragen, starr mit der Welle gekuppelt sind. In diesem letzteren Betriebszustand, in dem Zahnrad und Nadelkranz mit ähnlichen Umlaufgeschwindigkeiten wie die Welle rotieren, d. h. sie stehen relativ still zueinander, führen die Wälzkörper kaum eine eigene Rotationsbewegung um ihre Achse aus. Es besteht die Gefahr, daß sich die Wälzkörper in ihre Laufbahnen eindrücken und diese damit beschädigen, was zu einem vorzeitigen Lagerausfall führen kann.

Diese sogenannte Riffelbildung versucht man durch Wälzlagerkäfige zu beseitigen, die sich unter Einwirkung ihrer Eigenelastizität aufweiten und dabei spielfrei gegen die Wälzkörper anlegen. Dadurch wird erreicht, daß auch in diesem Betriebszustand die Wälzkörper eine, wenn auch geringe, Abwälzbewegung durchführen. Ein derartiger Käfig ist beispielsweise aus der DE 41 24 838 A1 vorbekannt.

Falls bei solchen Käfigen die Vorspannung nicht ausreicht, um die Riffelbildung mit Sicherheit zu vermeiden, wird die Elastizität der Käfige durch im Schlitzbereich angeordnete Federelemente verstärkt. Solche im Schlitzbereich kompliziert geformte Käfige sind beispielhaft in den deutschen Gebrauchsmusteranmeldungen 77 16 113, 77 32 101 und 90 06 526 vorbeschrieben. Derartige Federn erhöhen aber den Herstellungsaufwand für einen solchen Käfig und lösen das Problem der Riffelbildung nicht hundertprozentig. Insbesondere dann, wenn im Zahnräderwechselgetriebe schrägverzahnte Losräder verwendet werden, tritt eine verstärkte Riffelbildung auf, die ihre Ursache in dem bei wechselnder Last auftretenden axialen Mikrobewegungen der Losräder hat.

Ein weiterer Nachteil von wälzkörpergeführten Käfigen besteht darin, daß bei hohen Differenzdrehzahlen zwischen Zahnrad und Weile große Fliehkräfte entstehen, wobei durch die Abstützung des Käfigs an den Wälzkörpern über die Innenhalterung die Wälzkörper festgeklemmt werden und am Abrollen gehindert sind, so daß unerwünschte Schlupfzustände entstehen. Ebenso wird der Schmierfilm an den Kontaktstellen zwischen Käfig und Wälzkörper unterbrochen. Dies führt zu Spuren am Wälzkörper und zu Verschleiß an den Laufbahnen.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Zahnräderwechselgetriebe die Riffelbildung auf eine neue, bisher nicht bekannte Art zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass zur Vermeidung von Riffelbildung zumindest die Wälzfläche der Lagernadeln mit einer Phosphatdeckschicht versehen ist, wobei die Phosphatdeckschicht in ihrer Stärke auf das geforderte Radialspiel eingestellt ist und eine Stärke von 1 bis 15 μm aufweist.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung, daß durch die Phosphatdeckschicht im gekuppelten Zustand von Getriebewelle und Losrad die Riffelbildung vermieden bzw. im erheblichen Umfang reduziert wird. Die Phosphatdeckschichten werden in Verbindung mit einem geeigneten Schmiermittel angewandt und unterbinden auch im Falle eines Aufreißens des Schmierfilms den direkten metallischen Kontakt zwischen Lagernadeln und zugehörigen Laufbahnen, so daß sich die Lagernadeln nicht in die Laufbahn eingraben können und ermöglichen so ein besseres Gleit- und Abrollverhalten.

Die Einstellung der Phosphatdeckschicht auf das geforderte Radialspiel bedeutet, dass im Montagezustand durch die zusätzliche Phosphatdeckschicht ein viel geringeres Lagerspiel eingestellt ist, als im späteren Betrieb gewünscht. Dabei ist berücksichtigt, daß mit zunehmender Dauerbeanspruchung die Phosphatdeckschicht allmählich abgetragen wird, so daß sich erst nach einer gewissen Laufzeit das gewünschte Lagerspiel einstellt. Nach dieser Laufzeit sind dann die beteiligten Lagerbestandteile wie Laufbahnen und Wälzkörper so aufeinander eingelaufen, daß auf die trennende Wirkung der Phosphatdeckschicht gegebenenfalls verzichtet werden kann und die Gleitwirkung des Schmiermittels im allgemeinen allein ausreichend ist.

Aus Anspruch 2 geht hervor, dass der Wälzlagerkäfig ebenfalls mit einer Phosphatdeckschicht versehen sein soll.

Dies ist insbesondere für wälzkörpergeführte Käfige von Bedeutung, da oftmals an den Kontaktstellen zwischen Käfig und Wälzkörper der Schmierfilm unterbrochen ist und so ein Verschleiß begünstigt wird. In diesem Fall wirkt die Phosphatdeckschicht wiederum als eine die Reibung vermindernde Schicht zwischen Wälzkörper und Käfig, so daß bei hohen Fliehkräften der Käfig sich an den Wälzkörpern über seine Innenhalterung abstützen kann ohne jedoch die Wälzkörper festzuklemmen bzw. am Abrollen zu hindern. Auf diese Weise werden die unerwünschten Schlupfzustände des Lagers verhindert.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 3 soll die Phosphatdeckschicht als eine Zink- oder eine Manganphosphatschicht ausgebildet sein, wobei auf gleitende oder abwälzende Reibung beanspruchte Maschinenteile vorzugsweise mit einer aus Manganphosphat bestehenden Schicht überzogen werden.

Schließlich ist nach Anspruch 4 vorgesehen, daß die Lagernadeln und der Lagerkäfig vor dem Phosphatieren einer Vorbehandlung unterworfen sind.

Dem Fachmann ist in diesem Zusammenhang bekannt, daß durch Vorbehandlungen oder mechanische Einflüsse in vielfältiger Weise auf die Bildung der Phosphatdeckschichten eingewirkt werden kann. So ist es bespielsweise bekannt, daß ein Schleifen oder Strahlen mit Sand- oder Stahlkorn ideale Vorbedingungen für das Aufwachsen der Schicht schaffen. Die Oberfläche ist in diesem Fall mit einer Vielzahl aktiver Zentren bedeckt, so daß der die Schichtbildung einleitende Beizangriff und das Aufwachsen des Überzuges sehr gleichmäßig erfolgen. Durch die Anwendung von Säuren wie Salzsäure, Schwefelsäure und Phosphorsäure wird die Zahl der auf der Metalloberfläche für den Schichtaufbau vorhandenen Kristallisationskeime verringert, so daß nach diesen Behandlungen grobkristalline, dicke Überzüge entstehen. Im allgemeinen ist es so, daß bei einer Metalloberfläche mit vielen Keimen die Kristallisation an vielen Stellen beginnt, so daß sich die Phosphatkristalle nach kurzer Zeit auf der Oberfläche vereinen. Die Dicke der Schicht, ihre Rauhigkeit und ihre Zeit bis zu ihrer vollständigen Ausbildung bleiben gering. Bei Metalloberflächen mit wenig Keimen ergibt sich eine dicke, grobkristalline Schicht, wobei die Zeit bis zur vollständigen Ausbildung wesentlich länger ist.

Dem Fachmann ist auch bekannt, daß sich die Phosphatschichten durch ein spezielles Vorspülen beeinflussen lassen. Durch kurzzeitige Berührung der Metalloberflächen mit Vorspüllösungen werden die schichtvergrößerenden und schichtverdickenden Effekte eines Beizens in Säuren wieder aufgehoben. Es entstehen wieder dünne, feinkristalline Deckschichten, wobei gleichzeitig zumindest die Phosphatierzeit abnimmt. Ähnlich wie diese aktivierenden Vorspülungen wirkt ein Abbürsten oder Abreiben der Metalloberfläche vor dem Phosphatieren. In diesem Fall werden wieder besonders dünne, feinkristalline Schichten erzeugt.

Ein anderes bekanntes mechanisches Mittel zur Beeinflussung der Schichtausbildung besteht in der Art, wie die Metalloberfläche mit der Phosphatierlösung in Berührung gebracht wird. Im allgemeinen nimmt die Dicke des gebildeten Überzugs mit zunehmender Relativgeschwindigkeit zwischen Metalloberfläche und Phosphatierungslösung ab.

Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch ein teilweise dargestelltes Zahnräderwechselgetriebe für ein Kraftfahrzeug;
2 eine vergrößerte Darstellung eines teilsweisen Längsschnittes durch eine Losradlagerung und
3 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Querschnitt durch eine Losradlagerung gemäß 2.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in 1 dargestellte KFZ-Getriebe 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem eine Getriebewelle 3 und eine Vorgelegewelle 4 über Wälzlager 5 und 6 gelagert sind. Auf der Getriebewelle 3 sind frei drehbare Zahnräder 7, sogenannte Losräder angeordnet, und Schaltkupplungen 8, über die die Losräder 7 formschlüssig mit der Getriebewelle 3 verbunden werden. Die Losräder 7 greifen in Zahnräder 9 ein, die auf der Vorgelegewelle 4 angeordnet sind. Die Losräder 7 sind über Nadelkränze 10, die jeweils aus einem Wälzlagerkäfig 11 und in diesem angeordneten Nadeln 12 bestehen, auf der Getriebewelle 3 gelagert. Zwischen Nadelkranz und dem Losrad 7 ist eine Hülse 13 vorgesehen, so daß die Nadeln 12 an Laufbahnen 14 und 15 abwälzen, die einerseits an der inneren Mantelfläche 16 der Hülse 13 und andererseits an der Getriebewelle 3 ausgebildet sind.
Zur Verdeutlichung der Erfindung wird auf 2 verwiesen, die ein teilweise dargestelltes Losrad 7 zeigt, das über den Nadelkranz 10 auf der Getriebwelle 3 gelagert ist. Eine nicht näher bezeichnete Nabe des Losrades 7 weist eine zylindrische Aufnahme auf, in der die Hülse 13 angeordnet ist. Die Lagernadeln 12 des Nadelkranzes 10 wälzen auf den zugehörigen Laufbahnen 14 und 15 ab.
Wie aus 3 erkennbar, ist der Wälzlagerkäfig 11 durch die Lagernadeln 12 geführt und weist einen radial verlaufenden Spalt 17 auf, so daß er in Umfangsrichtung auffedern kann.
In einem Zinkphosphatierbad mit den üblichen Gehalten an Phosphorsäure, Zinkoxid, Natriumnitrat, Eisen, Nickel, Oxalaten und organischem Beschleuniger auf Basis Nitrobenzolsulfonsäure wurde zur Erzeugung einer Zinkphos phatdeckschicht der aus Lagernadeln 12 und dem Wälzlagerkäfig 11 bestehende Nadelkdranz 10 eingebracht. Dieser wurde dabei solange im Bad belassen, bis die Zinkphosphatdeckschicht auf der Stahloberfläche eine Dicke von 15 μm erreicht hatte. Der 3 ist auch entnehmbar, daß über die Dicke der Zinkphosphatdeckschicht auf den Lagernadeln 12 die Lagerluft des Lagers bestimmt ist. Im Montagezustand wird das radiale Spiel wesentlich geringer sein als nach einigen Betriebsstunden, da, wie bereits vorstehend beschrieben, mit zunehmender Dauerbeanspruchung die Phosphatdeckschicht allmählich abgetragen wird, d. h. das Lagerspiel nimmt zu, bis es den gewünschten Wert erreicht.
Der 3 ist weiter entnehmbar, daß die Zinkphosphatdeckschicht insbesondere für die Innenhalterung des Käfigs 11 von Bedeutung ist, da bei Wirksamwerden großer Fliehkräfte der Käfig 11 in Richtung Laufbahn 14 auffedert und es so zu einem Abreißen des Schmierfilms zwischen dem Käfig 11 und Lagernadel 12 kommen kann. In diesem Fall übernimmt die Schmierung die auf der Innenhalterung des Käfigs 11 vorhandene Phosphatdeckschicht.
Natürlich ist die erfindungsgemäße Lösung nicht auf Zahnräderwechselgetriebe beschränkt. Denkbar sind allgemein Anwendungsfälle mit Wälzkörperschlupf, so beispielsweise Kurbelzapfen- oder Planetenradanwendungen.

1: KFZ-Getriebe
2: Gehäuse
3: Getriebewelle
4: Vorgelegewelle
5: Wälzlager
6: Wälzlager
7: Losrad
8: Schaltkupplung
9: Zahnrad
10: Nadelkranz
11: Wälzlagerkäfig
12: Nadel
13: Hülse
14: Laufbahn
15: Laufbahn
16: innere Mantelfläche
17: Spalt

Claims

Zahnräderwechselgetriebe mit wenigstens einem über ein Loslager auf einer Getriebewelle (3) gelagerten Zahnrad (7), das über ein Kuppelelement (8) mit der Getriebewelle (3) kuppelbar ist, wobei radial zwischen einer der Getriebwelle (3) zugeordneten inneren Laufbahn (15) und einer einer Nabe des Zahnrads (7) zugeordneten äußeren Laufbahn (14) Nadeln (12) in einem Wälzlagerkäfig (11) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Riffelbildung zumindest die Wälzfläche der Lagernadeln (12) mit einer Phosphatdeckschicht versehen ist, wobei die Phosphatdeckschicht in ihrer Stärke auf das geforderte Radialspiel eingestellt ist und eine Stärke von 1 bis 15 μm aufweist.
Zahnräderwechselgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzlagerkäfig (11) mit einer Phosphatdeckschicht versehen ist.
Zahnräderwechselgetriebe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Phosphatdeckschicht als Zink- oder als Manganphosphatschichten ausgebildet ist.
Zahnräderwechselgetriebe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagernadeln (12) und der Lagerkäfig (11) vor dem Phosphatieren einer Vorbehandlung unterworfen sind.