WO1999002893A1

WO1999002893A1 - Zahnräderwechselgetriebe

Info

Publication number: WO1999002893A1
Application number: PCT/EP1998/004063
Authority: WO
Inventors: Volker Ploetz; Wolfgang Fugel; Leo Müntnich
Original assignee: INA Wälzlager Schaeffler oHG
Priority date: 1997-07-07
Filing date: 1998-07-01
Publication date: 1999-01-21
Also published as: DE19728919A1; DE19728919B4

Abstract

Ein Zahnräderwechselgetriebe mit wenigstens einem über ein Nadellager auf einer Getriebewelle (3) gelagerten Zahnrad (7), das über ein Kuppelelement (8) mit der Getriebewelle (3) kuppelbar ist, wobei radial zwischen einer der Getriebewelle (3) zugeordneten inneren Laufbahn (15) und einer einer Nabe des Zahnrades (7) zugeordneten äußeren Laufbahn (14) Nadeln (12) in einem Wälzlagerkäfig (11) angeordnet sind, zeichnet sich dadurch aus, daß zumindest die Wälzfläche der Lagernadeln (12) mit einer Phosphatdeckschicht versehen ist. Durch die auf der Wälzfläche der Lagernadeln (12) ausgebildeten Phosphatdeckschichten wird die Riffelbildung vermieden.

Description

Zahnräderwechselgetriebe

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Zahnräderwechselgetriebe mit wenigstens einem über ein Nadellager 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 beseiti- gen, 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 AI 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 1 6 1 1 3, 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 Welle 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 zumindest die Wälzfläche der Lagernadeln mit einer Phosphatdeckschicht versehen ist. 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 Schmier- mittel 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.

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 unter- brochen 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 weiteren Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 3 ist vorgesehen, daß die Phosphatdeckschicht in ihre Stärke auf das geforderte Radialspiel eingestellt ist, wobei diese nach Anspruch 4 eine Dicke im Bereich von 1 bis 15 μm aufweisen soll.

Dies 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 Dauerbeanspru- chung 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.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 5 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 6 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 gleich- mäßig 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:

Figur 1 einen Längsschnitt durch ein teilweise dargestelltes Zahnräderwechselgetriebe für ein Kraftfahrzeug;

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung eines teilsweisen Längsschnittes durch eine Losradlagerung und

Figur 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Querschnitt durch eine Losradlagerung gemäß Figur 2.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Das in Figur 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 1 1 und in diesem angeordneten Nadeln 12 bestehen, auf der Getriebewelle 3 gelagert. Zwischen Nadelkranz und dem Losrad 7 ist eine Hülse 1 3 vorgesehen, so daß die Nadeln 12 an Laufbahnen 14 und 1 5 abwälzen, die einerseits an der inneren Mantelfläche 16 der Hülse 1 3 und andererseits an der Getriebewelle 3 ausgebildet sind.

Zur Verdeutlichung der Erfindung wird auf Figur 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 1 3 angeordnet ist. Die Lagernadeln 12 des Nadelkranzes 10 wälzen auf den zugehörigen Laufbahnen 14 und 1 5 ab.

Wie aus Figur 3 erkennbar, ist der Wälzlagerkäfig 1 1 durch die Lagernadein 1 2 geführt und weist einen radial verlaufenden Spalt 1 7 auf, so daß er in Umfangs- richtung 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 1 2 und dem Wälzlagerkäfig 1 1 bestehende Nadelkdranz 10 eingebracht. Dieser wurde dabei solange im Bad belassen, bis die Zinkphosphatdeckschicht auf der Stahloberfläche eine Dicke von 1 5 μm erreicht hatte. Der Figur 3 ist auch entnehmbar, daß über die Dicke der Zinkphosphatdeckschicht auf den Lagernadeln 1 2 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 Figur 3 ist weiter entnehmbar, daß die Zinkphosphatdeckschicht insbesondere für die Innenhalterung des Käfigs 1 1 von Bedeutung ist, da bei Wirksamwerden großer Fliehkräfte der Käfig 1 1 in Richtung Laufbahn 14 auffedert und es so zu einem Abreißen des Schmierfilms zwischen dem Käfig 1 1 und Lagerna- del 12 kommen kann. In diesem Fall übernimmt die Schmierung die auf der Innenhalterung des Käfigs 1 1 vorhandene Phosphatdeckschicht.

Natürlich ist die erfindungsgemäße Lösung nicht auf Zahnräderwechselgetriebe beschränkt. Denkbar sind allgemein Anwendungsfälle mit Wälzkörperschlupf, so beispielsweise Kurbelzapfen- oder Planetenradanwendungen.

Bezugszeichen

I KFZ-Getriebe 2 Gehäuse

3 Getriebewelle Vorgelegewelle

5 Wälzlager

6 Wälzlager 7 Losrad

8 Schaltkupplung

9 Zahnrad

10 Nadelkranz

I I Wälzlagerkäfig 1 2 Nadel

1 3 Hülse

14 Laufbahn

1 5 Laufbahn

16 innere Mantelfläche 1 7 Spalt

Claims

Patentansprüche

1 . Zahnräderwechselgetriebe mit wenigstens einem über ein Nadellager 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 (1 5) und einer einer Nabe des Zahnrads (7) zugeordneten äußeren Laufbahn (14) Nadeln (12) in einem Wälzlagerkäfig (1 1 ) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Wälzfläche der Lagernadeln (12) mit einer Phosphatdeckschicht versehen ist.

2. Zahnräderwechselgetriebe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzlagerkäfig (1 1 ) mit einer Phosphatdeckschicht versehen ist.

3. Zahnräderwechselgetriebe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphatdeckschicht in ihrer Stärke auf das geforderte Radialspiel eingestellt ist.

4. Zahnräderwechselgetriebe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphatdeckschicht eine Stärke von 1 bis 15 μm besitzt.

5. Zahnräderwechselgetriebe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Phosphatdeckschicht als Zink- oder als Manganphosphatschichten ausgebildet ist.

6. Zahnräderwechselgetriebe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagernadeln (12) und der Lagerkäfig (1 1 ) vor dem Phosphatie- ren einer Vorbehandlung unterworfen sind.