DE102011079180A1

DE102011079180A1 - Betätigungselement eines Kraftfahrzeuggetriebes

Info

Publication number: DE102011079180A1
Application number: DE201110079180
Authority: DE
Inventors: Stanislav Massini; Lasse Ilbert
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2013-01-17
Also published as: WO2013007419A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Betätigungselement (15) eines Kraftfahrzeugwechselgetriebes zur Verstellung eines Schaltelements (16), mit dem es lösbar in Kontakt bringbar ist, wobei diejenigen Gleitabschnitte (17) des Betätigungselements (15), welche das Schaltelement (16) beim Verstellen in kontaktieren, ein Gleitmaterial aufweisen wobei das Gleitmaterial PTFE enthält.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Betätigungselement eines Kraftfahrzeugwechselgetriebes zur Verstellung eines Schaltelements, mit dem es lösbar in Kontakt bringbar ist, wobei das Betätigungselement Gleitabschnitte mit einem Gleitmaterial aufweist, welche das Schaltelement beim Verstellen kontaktieren.
Hintergrund der Erfindung
Mittels Betätigungselementen von Schalteinrichtungen handgeschalteter Getriebe in Kraftfahrzeugen werden Schaltelemente direkt oder indirekt zur Gangwahl betätigt. Dabei müssen auch Bauteile zueinander verschoben werden, während diese sich bewegen. Ein Beispiel einer derartigen Schalteinrichtung sind Schaltgabeln, die als Betätigungselemente mit Gleitschuhen in eine Nut einer Schiebemuffe eingreifen. Die Schiebemuffe dreht sich in der Regel beim Schalten unter reibendem Kontakt zum Gleitschuh relativ zur Schaltgabel. Bei Schaltvorgängen wird über die Gleitschuhe eine Verschiebekraft von der Schaltgabel auf die Schiebemuffe übertragen. Die Belastung der Gleitschuhe wird verstärkt, wenn zur Verschiebekraft noch Schaltstöße hinzukommen. Die Schaltstöße entstehen durch Fehler beim Schalten oder beim Betätigen der Kupplung des Kraftfahrzeuges bzw. durch Verschleiß der Synchronisiereinrichtung.
Gleitschuhe aus Kunststoff sind in der Regel relativ verschleißfest und weisen akzeptable Selbstschmier- oder Gleiteigenschaften auf. Sie sind einfach und kostengünstig herzustellen und haben ein geringes Gewicht. Trotz teilweiser mangelhafter Festigkeitseigenschaften werden sie zunehmend in modernen Schaltgetrieben eingesetzt. Damit derartige Gleitschuhe trotz der hohen Belastungen zum Einsatz kommen können, werden nach dem bisherigen Erkenntnisstand zwei Konzepte bei deren Anwendung verfolgt, wobei jedes Konzept für sich, mit Sicht auf die gestellten Anforderungen, nur eine Kompromisslösung darstellt.
Das eine Konzept sieht vor, den Gleitschuh zum Schaltelement auswechselbar zu gestalten. So ist z. B. in DE 195 39 967 A1 eine Kunststoffgleitbacke beschrieben, die auf ein Schaltgabelende aufgesteckt wird und die im Bedarfsfall gegen eine neue ausgetauscht werden kann. Ist der Gleitschuh infolge hoher Belastung zerbrochen oder abgeschert, wird er ausgewechselt. Der Einsatz von auswechselbaren Gleitschuhen ist an sich vorteilhaft. Im Falle einer Reparatur muss dann beispielsweise nicht das gesamte Schaltelement, sondern nur ein relativ billiger Gleitschuh ausgewechselt werden. Die mit dem Wechsel des Gleitschuhes verbundenen Reparaturarbeiten sind allerdings sehr kostenintensiv, da das Getriebe geöffnet werden muss. Mit Sicht auf den Einsatz von wartungsfreien Getrieben, der zunehmend an Bedeutung gewinnt, ist eine derartige Lösung nicht zufriedenstellend.
Das zweite Konzept sieht vor, derartige Gleitschuhe in die Wandung oder den Körper des Schaltelementes einzubetten. In DE 40 17 955 A1 ist z. B. eine Schaltgabel beschrieben, bei deren Fertigung die Gleitschuhe in den Werkstoff des Grundkörpers eingebettet werden. Der Gleitschuh ist somit zumindest teilweise, insbesondere seitlich, von Metall umgeben und damit widerstandsfähiger gegen Belastung. Der Fertigungsaufwand für die Herstellung von Schaltelementen mit eingebetteten Gleitschuhen ist entsprechend höher und somit wird die Fertigung des Schaltelementes teurer.
Mit der Anwendung der vorgenannten Konzepte wird der Kostenvorteil, der bei der Herstellung entsteht, durch die entstehenden Kosten bei Reparaturen oder bei der weiteren Fertigung der Schaltelemente, zumindest teilweise zunichte gemacht.
Die Anforderungen, die an die Koppelstelle Betätigungselement mit dem Schaltelement gestellt werden, insbesondere ihre Verschleißfestigkeit und die Ausstattung mit Selbstschmier- oder Gleiteigenschaften, sind teilweise gegensätzlich zu einer einfachen und kostengünstigen Herstellung insbesondere in der Massenfertigung, ihrem sicheren Anhaften an dem Betätigungselement oder Schaltelement, dem Auffangen von Stoß- und Scherbelastungen und ihrer Langzeitstabilität.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Betätigungselement zu schaffen, das die vorstehend genannten Eigenschaften optimal in sich vereint.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Unter einem Betätigungselement wird ein Getriebebauteil verstanden, das während eines Schaltvorgangs in Kontakt mit einem sich bereits bewegenden, in der Regel rotierenden Schaltelement bringbar ist. In einer anderen Stellung steht das Betätigungselement vorzugsweise nicht in Kontakt mit dem Schaltelement, um das Gleitmaterial zu schonen. Das Schaltelement ist ein Getriebebauteil, das durch das Betätigungselement in seiner Lage unabhängig von seiner bisherigen Bewegung räumlich verschieben lässt.
Erfindungsgemäß weist das Betätigungselement ein Gleitmaterial auf, das Polytetrafluorethylen enthält. In Versuchen hat sich herausgestellt, dass PTFE gerade in Kombination mit gehärteten Gegenbauteilen eine ausreichende Langzeitstabilität aufweist. PTFE ist als eine der reaktionsträgsten Substanzen bekannt. Die starken chemischen Fluor-Kohlenstoffverbindungen lassen sich auch durch aggressive Substanzen nicht aufbrechen, was der Langzeitstabilität der Schaltgabelbeschichtung zugute kommt. Ferner weist PTFE dadurch extrem niedrige Reibkoeffizienten auf.
Aufgrund seiner guten Gleiteigenschaften wird relativ wenig Rotationsenergie in Wärmeenergie umgewandelt, so dass die Beschichtung zudem sehr dünn ausfallen kann. Dies ermöglicht neue Konzepte für Art des Aufbringens des Gleitwerkstoffs. Alternativ werden separat Gleitsteine aus dem PTFE-Gleitmaterial gefertigt, die mit dem Betätigungselement verbunden werden.
PTFE wird schlecht von dem Getriebeöl benetzt. Aufgrund seines geringen Reibungskoeffizienten eignet es sich aber als guter Trockenschmierstoff, so dass eine Verschiebung des Schaltelements möglich ist, ohne viel Rotationsenergie durch Reibung in Wärme umzuwandeln und damit die Lebensdauer des Betätigungselements bzw. der Beschichtung zu sehr herabzusetzen.
In einer Ausführungsform ist der Gleitwerkstoff auf Polyamidbasis ausgebildet. Beschichtungen auf Polyamidbasis sind sehr reibresistent und können trotzdem gut auf einen metallenen Grundkörper aufgebracht werden.
Als Beschichtung von Betätigungselementen und/oder Schaltelementen hat sich Durotect P716, ein Polyamidgleitlack, der PTFE enthält, als besonders geeignet herausgestellt. Diese Beschichtung auf PTFE-Basis dient zwar auch dem Korrosionsschutz und dem Verschleißschutz; ihre Hauptfunktion ist es aber, die Reibung zwischen den Reibpartnern zu reduzieren, so dass beim Schaltvorgang möglichst wenig Reibungshitze erzeugt wird.
In einer ersten Anwendung der Erfindung handelt es sich bei dem Betätigungselement um eine Schaltgabel und bei dem rotierenden Schaltelement um eine Schiebemuffe. Die Schaltgabel kann an ihren Gabelenden Gleitschuhe aufweisen, die entweder mit dem PTFE-enthaltenden Gleitmaterial beschichtet sind oder ganz aus diesem bestehen. Die PTFE-enthaltenden Gleitschuhe können dünnwandig ausgebildet werden. Das Betätigungselement kann auch als eine Schaltschwinge ausgebildet sein.
In einer Variante weist nur das Betätigungselement, in einer anderen Variante weisen sowohl das Betätigungselement als auch das Schaltelement das Gleitmaterial auf. Es können sowohl nur die Bereiche der beiden Bauteile mit dem Gleitmaterial versehen sein, die beim Schalten miteinander in unmittelbarem Kontakt stehen als auch die ganzen Bauteile, was ggf. leichter in der Herstellung ist. Insbesondere zwei aufeinander treffende PTFE-Schichten gleiten sehr gut aneinander.
In einer nächsten Ausführungsform ist das Betätigungselement aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet, der tauchlackiert ist. Dazu wird es beispielsweise in Umformtechnik hergestellt und anschließend in einem Tauchbad mit einer Lackierung in Kontakt gebracht, die zumindest Teile des Betätigungselements benetzt.
Durch das Tauchlackieren kann im Vergleich zum Umspritzen die erforderliche Genauigkeit leichter eingehalten werden, da die Schaltgabel hinreichend genau geformt werden kann und der Lack eine vergleichsweise dünne und gleichmäßige Beschichtung bildet. Die für das Umspritzen mit der erforderlichen Genauigkeit erforderlichen hohen Werkzeugkosten entfallen. Auch müssen keine Gleitsteine an den Schaltgabeln montiert oder verschweißt werden.
Das Beschichten durch Tauchlackieren geschieht sehr prozesseffizient. So entfällt ein Aufstecken einzelner Gleitssteine, und es können mehrere Schaltgabeln gleichzeitig in ein Tauchbad gefahren werden. Insbesondere für die Großserienherstellung stellt das Tauchlackieren ein sehr effizientes Beschichtungsverfahren dar.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Tauchlackierung im Vergleich zu den Gleitsteinen eine sehr dünne Schicht ist. Während die Gleitsteine gewisse axiale Mindestdicke aufweisen müssen, um sicher an den Gabelenden befestigt zu werden und die erforderlichen Kräfte aufzunehmen, bildet die durch das Tauchlackieren aufgebrachte Gleitbeschichtung eine gleichmäßige Schicht von geringer Stärke. Dadurch kann der axiale Bauraum der Schaltgabel weiter verkürzt werden, was eine schmalere Nut der Schiebemuffe und letztlich ein kürzer bauendes Getriebe ermöglicht.
Im Idealfall ist es durch den Verzicht auf die verhältnismäßig dicken Gleitsteine möglich, das Flankenspiel zwischen der tauchlackierten Schaltgabel und den Nutwänden der Schiebemuffe auf eine Breite zu reduzieren, die nicht nur deutlich kleiner als im Stand der Technik ist, sondern auch kleiner als die verwendete Blechdicke der Schaltgabel ist.
Bevorzugt ist eine Dicke der durch die Tauchlackierung aufgebrachten Beschichtung von 10 μm–20 μm vorgesehen.
Die Temperatur des Tauchbads und die Dauer des Eintauchens werden durch die Lackierung und den für die Schaltgabel verwendeten Werkstoff bestimmt.
Die Schaltgabel als zu beschichtendes Substrat kann mechanisch wie durch Schleifen oder Strahlen oder chemisch vorbehandelt werden, um eine gleichmäßige Haftung und gute Beständigkeit der Tauchlackierung zu gewährleisten. Alternativ dient ein Haftvermittler zur besseren Haftung aufgrund zueinander wenig kompatibler Grenzflächenschichten.
In besonders vorteilhafter Weise eignet sich die Tauchlackierung für profilierte Dünnblechschaltgabeln. Durch das gute Umgriffsverhalten der Tauchlackierung können U-förmige Profile von Schaltgabeln, die in eine Ringnut einer Schiebemuffe eingreifen oder einen Ring umgreifen, und auch sehr komplex geformte Schaltgabeln sicher beschichtet werden. Somit lassen sich auch masse- und belastungsoptimierte und daher komplizierter geformte Schaltgabeln gut beschichten.
Vorzugsweise wird die Tauchlackierung in ihrer Variante als kathodische Tauchlackierung genutzt.
In einer Ausbildung der Erfindung werden lediglich die Gabelenden tauchlackiert. Dadurch dass nur die Teile des Gabelgrundkörpers beschichtet werden, die tatsächlich später im Reibkontakt stehen, wird nur wenig Tauchlack benötigt. Stützt sich die Schaltgabel nicht nur an ihren Gabelenden an der Schiebemuffe ab, was aufgrund dessen, dass die Gleitschicht im Vergleich zu Gleitschuhen sehr dünn ist und der Gabelgrundkörper genau geformt werden kann, nunmehr leichter möglich ist, können auch weitere Bereiche tauchlackiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform, insbesondere bei sehr maßhaltig gefertigten Schaltgabeln, ist der gesamte Gabelgrundkörper in den Bereichen, in denen er die Schiebemuffe kontaktiert, tauchlackiert. Die Schaltgabel kann sich dann auch über größere Bereiche abstützen, wodurch die die Schaltgabel weniger verformt wird.
Das Betätigungselement kann zunächst aus einem metallischen Werkstoff ur- oder umgeformt werden. Das in seiner geometrischen Grundstruktur fertig geformte Betätigungselement wird dann in ein Tauchbad mit einer Lackierung getaucht. Nach dem Tauchbad härtet die Beschichtung aus. In Abhängigkeit der gewählten Tauchlackierung kann das Aushärten durch Temperatureinwirkung angestoßen oder beschleunigt werden. Alternativ kann ein Katalysator das Aushärten beschleunigen und die erforderlichen Temperaturen bis auf Raumtemperatur herabsetzten.
Üblicherweise vernetzen sich beim Härten die Moleküle der Tauchlackierung untereinander und bilden eine gemeinsame Struktur.
Das Härten erfolgt vorzugsweise bei konstanter Temperatur. Um das Aushärten anzustoßen oder zu beschleunigen, ist es vorgesehen, die fertig beschichteten Bauteile in einem Ofen zu härten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 die Vorderansicht einer Getriebebaueinheit für eine Schiebemuffe samt Schiebemuffe, die teilweise geschnitten dargestellt ist,
2 die zu 1 entsprechende Draufsicht auf die Getriebebaueinheit,
3 die zu entsprechende Seitenansicht, aus Blickrichtung B gemäß 3 betrachtet,
4 die zu 1 entsprechende Seitenansicht, aus Blickrichtung C gemäß betrachtet, und
5 die Getriebebaueinheit samt Schiebemuffe in perspektivischer Ansicht.
6 eine weitere Getriebebaueinheit mit einer Schaltgabel, die Gleitsteine aufweist.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In den Figuren ist eine Getriebebaueinheit 1 zu sehen, mit der eine Schiebemuffe 2 betätigt werden kann, d. h. mit der die Schiebemuffe 2 in Achsrichtung A verschoben werden kann, um einen Schaltvorgang in einem Zahnräderwechselgetriebe in bekannter Weise durchzuführen. Ein funktionswesentlicher Teil der Getriebebaueinheit 1 ist zunächst die Schaltgabel 5, die einen Schaltgabelgrundkörper 14 mit zwei Armen 3 und 4 aufweist, die in eine Ringnut 12 am Umfang der Schiebemuffe 2 eingreifen. Damit ist eine axiale Verschiebung der Schiebemuffe 2 bei entsprechender Bewegung der Schaltgabel 5 möglich. An der feststehenden Schaltgabel 5 kommt es mit der rotierenden Schiebemuffe 2 zu Gleitreibung. Zum Schutz vor insbesondere bei hohen Differenzgeschwindigkeiten und kurzen Schaltzeiten auftretenden hohen Synchronisationsleistungen und dem damit durch die Gleitreibung einhergehenden Verschleiß sind die Enden 10, 11 der Arme 3, 4 mit PTFE tauchlackiert, und die Ringnut 12 der Schiebemuffe 2 ist gehärtet.
Ferner weist die Getriebebaueinheit 1 mindestens ein Führungselement auf, das im Ausführungsbeispiel durch die beiden Elemente 6 und 7 gebildet ist. Mit diesen stiftförmigen Elementen 6, 7 wird die Getriebebaueinheit 1 in einem nicht dargestellten Getriebegehäuse gelagert und geführt.
Ein weiterer Teil der Getriebebaueinheit 1 ist das Mitnehmerelement 8, das mit einem Betätigungsorgan zusammenwirken kann. Bei dem Betätigungsorgan kann es sich um einen Teil eines Schaltgestänges handeln oder um einen andersartig ausgebildeten Aktuator, mit dem eine gesteuerte Bewegung in Achsrichtung A erzeugt werden kann. Das Mitnehmerelement 8 nimmt also die von dem Betätigungsorgan erzeugte Schaltkraft auf.
Alle drei beschriebenen Teile der Schaltgabel 5, also die beiden Arme 3, 4, das Führungselement 6, 7 und das Mitnehmerelement 8, sind einteilig bzw. einstückig ausgebildet. Die Getriebebaueinheit 1 ist dazu aus einem ebenen Blech geformt, das im Ausgangszustand, also vor dem Beginn der Blechumformung, eine ebene Kontur hat und eine konstante Blechdicke d aufweist.
Aus dem ebenen Blech wird durch Abkanten, Stanzen, Biegen und ggf. Tiefziehen die Schaltgabel 5 spanlos hergestellt, d. h. so umgeformt, wie es in den Figuren zu sehen ist. Hierzu wird zunächst ein Teil aus einer Blechtafel so ausgestanzt, dass sich die benötigte abgewickelte Kontur der Getriebebaueinheit ergibt. Dieses ausgestanzte Teil wird dann weiter spanlos umgeformt. Nach dem Umformen erfolgt das Tauchlackieren und das Härten.
Ferner ist vorgesehen, dass sich insbesondere der Arm 3 der Schaltgabel 5 von der Basis 9 aus in Richtung des Endes 10 des Arms 3 verjüngt. Im Endbereich 10 des Arms 3 weist dieser, genauso wie der Arm 4, nur noch eine Breite in Achsrichtung A auf, die derjenigen der Ringnut 12 entspricht bzw. mit Spiel in dieser läuft.
6 zeigt eine Schaltgabel 5 mit Gleitsteinen 18, die an deren Gabelenden 10, 11 angeordnet sind. Der Gleitstein 18 ist mit einer Armierung 20 versehen und steckt mit einem Steckelement 19 in einem Durchgangsloch 21 der Schaltgabel 5. Die Armierung 10 bildet den Kern des Steckelementes 19. Der Gleitstein 18 stützt sich über die Armierung 20 und das Steckelement 19 unter Last in dem Durchgangsloch 21 ab und ist in axialer Richtung mittels eines umlaufenden Wulstes 22 gegen Verlieren gesichert. Der Wulst 22 ist an dem freien Ende des Steckelements 19 ausgebildet und hintergreift in radialer Richtung die Wandung der Schaltgabel 5. Der Gleitstein 18 ist auf der Armierung 20 mit PTFE beschichtet.
Bezugszeichenliste

1: Getriebebaueinheit
2: Schiebemuffe
3: Arm
3': Teil des Arms
3'': Teil des Arms
4: Arm
5: Schaltgabel
6: Führungselement
7: Führungselement
8: Mitnehmerelement
9: Basis der Schaltgabel
10: Ende des Arms
11: Ende des Arms
12: Ringnut
13: streifenförmige Kontur
14: Schaltgabelgrundkörper
15: Betätigungselement
16: Schaltelement
17: Gleitabschnitt
18: Gleitstein
19: Steckelement
20: Armierung
21: Durchgangsloch
22: Wulst
A: Achsrichtung
d: Dicke des Blechs

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19539967 A1 [0004]
DE 4017955 A1 [0005]

Claims

Betätigungselement (15) eines Kraftfahrzeugwechselgetriebes zur Verstellung eines Schaltelements (16), mit dem es lösbar in Kontakt bringbar ist, wobei das Betätigungselement (15) Gleitabschnitte (17) mit einem Gleitmaterial aufweist, welche das Schaltelement (16) beim Verstellen kontaktieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitmaterial PTFE enthält.
Betätigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitmaterial aus PTFE besteht.
Betätigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitmaterial aus einem PTFE enthaltenden Polyamidgleitlack besteht.
Betätigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitmaterial als eine tauchlackierte Beschichtung ausgebildet ist.
Betätigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitmaterial in Form von vorgefertigten Gleitsteinen (18) mit dem Betätigungselement (15) verbunden ist.
Betätigungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung das Betätigungselement (15) als eine Schaltgabel (5) oder eine Schaltschwinge ausgebildet ist.
Betätigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (15) als eine Schiebemuffe (2) ausgebildet ist.
Verwendung von PTFE-enthaltenden Stoffen zur Beschichtung eines Betätigungselements (15) einer Getriebebaueinheit (1).