DE19817037C2

DE19817037C2 - Synchronisierring

Info

Publication number: DE19817037C2
Application number: DE19817037A
Authority: DE
Inventors: Yoshikatsu Nakamura; Tetsuo Masuyama; Takao Omiya; Hiroshi Takiguchi
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2018-04-18
Also published as: GB2324803A; JPH10306353A; GB9806332D0; US6261389B1; DE19817037A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Synchronisierring gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 oder 2 und dabei speziell auf einen Synchronisierring zur Verwendung in dem Synchronisierer eines Gangwechselgetriebes, und zwar speziell auf einen Synchronisierring, der als Sinter-Körper aus Eisen mit weiteren Legierungsbestandteilen hergestellt ist und sich durch besonders hohe Festigkeit und besonders gute Eigenschaften gegen Abrieb auszeichnet.

Es ist üblich, bei Gangwechselgetrieben einen Synchronisierer zu verwenden, um die Umfangsgeschwindigkeit von miteinander zusammenwirkenden bzw. in einander eingreifenden Zahnrädern bei deren Eingriff zu synchronisieren, da ohne eine solche Synchronisation eines der miteinander in Eingriff kommenden Zahnräder mit dem anderen Zahnrad in der Umlauf- oder Umfangsgeschwindigkeit Geräusche bei Schalten des Getriebes auftreten und auch Beschädigungen des Getriebes bzw. der Zahnräder nicht vermeidbar sind.

Ein Beispiel einer solchen Synchronisiereinrichtung ist in der Fig. 2 dargestellt, wobei die Drehachse mit einer strichpunktierten Linie angedeutet ist. Wird ein nicht dargestellter Schalthebel betätigt, so wird eine rotierende Hülse 2 in einer durch den Pfeil S angegebenen Richtung axial bewegt. Hierdurch kommt ein Synchronisierkeil oder -Ansatz 3 gegen den Synchronisierring 4 zur Anlage, um diesen zu verschieben und die innere geneigte oder konische Fläche 40 des Synchronisierringes 4 in Eingriff mit einem konischen Abschnitt 50 eines Klauen- oder Kupplungsrades 5 zu bringen, so daß das Rad 5 durch Reibungskraft mitgedreht wird. Eine weitere axiale Bewegung der Hülse bzw. des Ringes 2 in Richtung des Pfeiles S verursacht eine zunehmende Reibungskraft, so daß die Umlaufgeschwindigkeit der Hülse 2 gleich oder im wesentlichen gleich der Umlaufgeschwindigkeit des Rades 5 ist. Ist die Synchronisation abgeschlossen, d. h. liegt aus diesem Grunde keine Differenzgeschwindigkeit zwischen der Hülse 2 und dem Zahnrad 5 vor, kommt bei einem weiteren axialen Bewegen der Hülse 2 in Richtung des Pfeiles S der Keil 21 der Hülse 20 mit einem Keilabschnitt oder Vorsprung 51 des Rades 5 in Eingriff, um so eine Schaltung des Ganges zu bewirken.

Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, ist der Synchronisierring 4 an der äußeren Umfangsfläche mit einem Synchronisierabschnitt 41 versehen, und zwar für den Eingriff mit dem Keil 21 der Hülse 2, und an der inneren geneigten oder konischen Fläche mit Vorsprüngen 42 mit einer abwechselnden konkaven und konvexen Formgebung versehen, die die Reibungskraft zur Erzielung der Synchronisation bewirken.

Normalerweise ist der Synchronisierring aus einem Metall der Gruppe Messing oder Bronze, d. h. aus Messing oder Bronze oder einer Legierung hiervon hergestellt. Neuere kleinere Synchronisierer mit geringerem Gewicht, benötigen eine erhöhte Anpreß- oder Kontaktkraft zwischen dem konischen Abschnitt des Zahnrades und den Vorsprüngen an der inneren, konischen Fläche des Synchronisierringes, um die Synchronisation zu erreichen. Dies führt zu starken Abnutzungen der entsprechenden Elemente.

Um diese Probleme zu lösen, wurden verschiedene Versuche unternommen, und zwar insbesondere auch hinsichtlich einer Härtung der Vorsprünge, die sich besonders stark abnutzen, und zwar durch Aufbringen einer Schicht aus Mo. Al-Si usw., oder aber dadurch, daß eine Kunststoffbeschichtung auf die innere, konische Fläche des Synchronisierringes aufgebracht wird. Für die Verbesserung der Festigkeit wurden auch bereits Versuche, wie Sinter-Schmieden oder dergleichen unternommen, wobei aber alle diese Versuche mit Nachteilen insbesondere hinsichtlich hoher Kosten verbunden sind.

Bekannt ist ein gesintertes Maschinenteil (DE 40 31 408) mit guter Festigkeit, insbesondere auch Schlagfestigkeit und Verschleiß- und Abriebbeständigkeit ohne Wärmebehandlung des Sinterteils aus 0,1-0,8 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 2-6 Gewichtsprozent Nickel und 0,6-1,6 Gewichtsprozent Molybden, 1,0-3,0 Gewichtsprozent Kupfer und Rest Eisen. Hergestellt ist dieses Maschinenteil aus einem Pulvergemisch bestehend aus einem partiell defundierten Legierungspulver mit 2-6 Gewichtsprozent Nickel, 0,4-6 Gewichtsprozent Molybden, 1,0-3,0 Gewichtsprozent Kupfer und Rest Eisen mit 0,1-0,8 Gewichtsprozent Grafit und aus 0,2-1,0 Gewichtsprozent Molybdenpulver. Angestrebt ist hierbei ein metallographisches Gefüge, welches Bainit, Martensit und Austenit sowie zusätzlich auch eine Ferritphase und eine Phase aus Pearlit und Sorbit umfaßt.

Bekannt ist weiterhin ein molybdänhaltiges Eisenpulver zur Herstellung von Sinterkörpern mit hoher Zähigkeit (DE 43 31 938).

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Synchronisierring aufzuzeigen, der die Probleme bekannter Synchronisierringe vermeidet und eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb und Abnutzung mit einer hohen Festigkeit verbindet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Synchronisierring entsprechend dem Patentanspruch 1 oder 2 ausgebildet.

Entsprechend der Erfindung enthält die Basiszusammensetzung (Matrix) 57-80 Volumenprozent Martensit, 17-40 Volumenprozent Bainit und 8 oder weniger Volumenprozent Austenit.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung ein Beispiel eines Synchronisier-Ringes;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch den Synchronisier-Ring in einer Synchronisiereinrichtung.

Nachstehend werden nun die Gründe für die Festlegung der Zusammensetzung der Sinterlegierung des erfindungsgemäßen Synchronisierringes näher erläutert:

C: 0,2-1,0

Kohlenstoff ist ein notwendiges Element, um eine bestimmte Zusammensetzung oder ein bestimmtes Gefüge zu erhalten. Weiterhin dient Kohlenstoff auch dazu, die Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb zu verbessern.

Wenn aber der Anteil an Kohlenstoff 1,0% übersteigt, ergibt sich sowohl eine Reduzierung der Festigkeit, als auch eine Reduzierung der Eigenschaften gegen Abrieb. Falls aber der Kohlenstoffanteil unter 0,2% liegt, lassen sich die gewünschte Festigkeit sowie auch die erwünschte Abriebfestigkeit nicht mehr erreichen. Aus diesem Grunde ist der Anteil an Kohlenstoff auf dem Bereich zwischen 0,2 bis 1% begrenzt.

Ni: 1,0-6,0%

Nickel verbessert die Härte und außerdem die Funktionen zur Umformung der Legierung zu Martensit und Bainit. Weiterhin verbessert Nickel die Festigkeit. Falls der Anteil an Nickel kleiner als 1% ist, können diese Effekte nicht festgestellt werden. Übersteigt der Anteil an Nickel aber 6%, so verschlechtern sich die Eigenschaften gegen Abrieb. Aus diesem Grunde liegt der Nickelanteil im Bereich zwischen 0,1-6,0%.

Mo: 0,6-3,0%

Molybden ist in der Grund- oder Basiszusammensetzung gelöst, fällt als Karbid aus und verbessert die Festigkeit sowie Widerstandsfähigkeit der Basismaterials gegen Abrieb. Weiterhin dient es zur Verbesserung der Härte beim Sintern. Ist der Anteil an Molybden allerdings kleiner als 0,6%, können diese Effekte nicht festgestellt werden. Übersteigt der Anteil an Molybden 3,0%, so läßt sich eine Wirkung, die vergleichbar ist mit dem mit dem vorgeschlagenen Anteil erzielbaren Effekt, nicht erreichen. Aus diesem Grunde ist der Anteil an Mo auf den Bereich zwischen 0,6-3,0% festgelegt.

Cu: 1,0-4,0%

Kupfer löst sich in der Basiszusammensetzung und fällt in dieser aus und bewirkt eine Verbesserung der Festigkeit des Materials. Ist der Anteil an Kupfer allerdings kleiner als 1%, so werden diese Effekte nicht festgestellt. Ein Kupferanteil größer als 4,0% verursacht eine Expansion beim Sintern, so daß die Basiszusammensetzung dann sehr brüchig wird. Aus diesem Grunde ist der Anteil an Kupfer auf dem Bereich zwischen 0,1-4,0% beschränkt.

Der Rest besteht aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen. Bezüglich der unvermeidlichen Verunreinigungen sind 0,03% oder weniger von S und 0,03% oder weniger von Mn zulässig. Auch beim Synchronisierring gemäß der Erfindung bildet die Basis der Sinterlegierung hauptsächlich Martensit und Bainit. Falls Ferrit oder Pearlit Strukturen in der Basis bzw. Matrix entstehen, verschlechtern sich die Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Abrieb. Aus diesem Grunde wird eine Legierung mit einem Gefüge hauptsächlich von Martensit und Bainit angestrebt, was die Bildung von Ferrit und Pearlit-Gefügen verhindert. Geringe Mengen an Austenit sind zulässig.

Der Anteil von Martensit im Basismetall beträgt vorzugsweise 57-80 Volumenprozent. Falls das Verhältnis unter 57% liegt, steigt der Anteil an Bainit an und die Härte nimmt ab. Weiterhin nimmt bei einem Anstieg an Austenit die thermische Leitfähigkeit ab, was leicht zu einer thermische Überlastung oder Abnutzung führt. Entsprechend liegt der Anteil an Bainit im Bereich zwischen 17-40 Gewichtsprozent.

Austenit kann in einem Anteil von 8% oder weniger zusätzlich zu Martensit und Bainit in der Basis enthalten sein. Falls die Menge an Austenit in der Basiszusammensetzung 8% übersteigt, führt dies zu einer Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit, was wiederum leicht zu einer Abnutzung führen kann. Aus diesem Grunde liegt der Anteil an Austenit vorzugsweise bei 8% oder weniger.

Um eine Sinterlegierung gemäß der Erfindung zu erhalten, wird ein feinpulvriges Stahllegierungspulver, welches als Legierungselemente die oben beschriebene Zusammensetzung mit Ausnahme von Kohlenstoff enthält, mit Graphitpulver und einer Flüssigkeit oder einem Schmiermittel gemischt. Im Anschluß daran wird diese Mischung unter Druck in einer Form, die vorgegebene Abmessungen aufweist, zu einem grünen Rohling geformt, der dann anschließend gesintert wird. Die Korngröße des verwendeten Pulvers liegt vorzugsweise unter 200 µm.

Es besteht weiterhin auch die Möglichkeit, Eisenpulver, welches mit Mo in dem oben beschriebenen Anteil vorlegiert ist, mit Ni-Pulver und Cu-Pulver zu mischen, um so die oben erwähnte Zusammensetzung zu erhalten. Anschließend erfolgt ein Glühen oder Tempern, insbesondere Diffusionsglühen oder -tempern, so daß Nickel und Kupfer teilweise legiert sind. Es erfolgt dann eine Beimischung von Graphitpulver und einem Gleitmittel, um so unter Druck einen grünen Rohling zu formen, der schließlich gesintert wird. Es besteht weiterhin auch die Möglichkeit, Eisenpulver mit Mo-Pulver, Ni-Pulver, Cu-Pulver, Graphitpulver und einem Gleitmittel zu mischen und hieraus unter Druck den grünen Rohling zu formen, der anschließend gesintert wird. Das beigemischte Graphitpulver wird zugegeben für den oben erwähnte C-Anteil in der gesinterten Legierung.

Der Sintervorgang wird vorzugsweise in einer Vakuum-Atmosphäre bei 1100-1300°C durchgeführt. Falls die Sintertemperatur 1300°C übersteigt, führt dies zu einer Reduzierung der Genauigkeit in den Abmessungen des Produktes, während eine Sintertemperatur unter 1100°C eine Reduzierung der Festigkeit zu Folge hat.

Nach dem Sintervorgang wird das gesinterte Produkt mit einer Kühlrate oder Kühlgeschwindigkeit von 2,5-0,25°C/s abgekühlt. Falls die Kühlgeschwindigkeit 2,5° C/s übersteigt, können leicht Verformungen auftreten, die die Formgebung beeinträchtigen, insbesondere auch die Ebenheit und Kreisförmigkeit des Produktes. Liegt hingegen die Kühlgeschwindigkeit unter 0,25°C/s, so steigt der Anteil an Bainit an, was zu einer Reduzierung der Härte und zu einer Verschlechterung der Eigenschaften gegen Abrieb führt. Weiterhin wurde bei einer Kühlgeschwindigkeit unter 0,25°C/s auch die Bildung von Ferrit festgestellt, was ebenfalls eine Reduzierung der Festigkeit zur Folge hat.

Gemäß der Erfindung erfolgt die Formgebung unter Druck auf einmal und auch der Sintervorgang wird auf einmal durchgeführt. Falls das Formen zweifach oder mehrfach durchgeführt wird, ergeben sich hohe Kosten für das Sinter-Schmieden. Dementsprechend erfolgt ein einmaliges Formen unter Druck.

Bei einem einmaligen Formvorgang unter Druck und einen einmaligen Sintervorgang beträgt die Porenrate der gesinterten Legierung 7-13 Volumenprozent. Nach dem Sintern wird der Rohling zu dem gewünschten Produkt verarbeitet, beispielsweise durch materialabhebende Bearbeitung oder auf andere geeignete Weise.

Um die Eigenschaften hinsichtlich der Abriebfestigkeit zu verbessern, wird vorzugsweise eine Dampfbehandlung als Oberflächenbehandlung angewandt. Durch diese Dampfbehandlung, bei der eine Erhitzung in einer Dampfatmosphäre erfolgt, wird die Oberfläche mit einer Oxidschicht versehen, wodurch die Eigenschaften gegen Abrieb verbessert und auch die Oberflächenrauhigkeit geändert wird, um hierdurch einen bestimmten Reibungskoeffizienten zu erhalten oder zu erhöhen.

Nachstehend werden nun einige Beispiele erläutert. Fe-Mo-Pulver, Ni-Pulver und Cu- Pulver werden zu der Zusammensetzung gemäß Tabelle 1 kombiniert, wodurch eine Oberflächen-Diffusions-Bindung zwischen dem Ni-Pulver, dem Cu-Pulver und dem Fe- Mo-Pulver eintritt, was zu einem Stahl-Pulver führt. Dieses Stahl-Pulver mit einem Gewichtsanteil von 100 wurde mit Graphitpulver mit einem Gewichtsanteil von 0,4-0,6 und mit Zink-Stearinsäure mit einem Gewichtsanteil von 1 kombiniert und gemischt. Im Anschluß daran werden unter Druck grüne Rohlinge oder Körper hergestellt, und zwar mit vorgegebenen Abmessungen. Diese grünen Rohlinge wurden dann in einer Vakuumatmosphäre bei 1140°C zu Sinter-Rohlingen gesintert, die im Anschluß daran zu den Produkten, d. h. Synchronisierringen mit den vorgegebenen Abmessungen (Innendurchmesser 71 mm - Dicke 9 mm) verarbeitet wurden.

Von den erhaltenen Synchronisierringen wurden die Anteile der jeweiligen Zusammensetzungen bzw. Gefüge mikroskopisch festgestellt. Weiterhin wurden Härte und Dehnungsfestigkeit gemessen und es wurden außerdem auch Abriebsversuche durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 zusammengefaßt.

Wie sich aus der Tabelle 2 ergibt, besitzen die Muster gemäß der Erfindung eine höhere Festigkeit und Härte als solche nach dem Stand der Technik. Weiterhin zeigen die Muster gemäß der Erfindung eine geringere Abnutzung und besitzen wesentlich bessere Eigenschaften hinsichtlich der Abriebfestigkeit.

Ein Synchronisierring gemäß der Erfindung verbindet somit eine hohe Festigkeit und exzellente Eigenschaften gegen Abrieb, kann mit geringen Abmessungen und geringem Gewicht hergestellt werden, und zwar auch mit erheblichen Vorteilen für die Wirtschaft.

Die Erfindung wurde voranstehend an beschrieben. Es versteht sich für einen Fachmann, daß zahlreiche Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden, ohne daß hierdurch der die Erfindung tragende Gedanke verlassen wird.

Der gesamte Offenbahrungsinhalt der japanischen Anmeldung Nr. 112476/1997 vom 30. April 1997, einschließlich der Beschreibung, Ansprüche, Zeichnungen und Zusammenfassung sind ebenfalls Gegenstand dieser Anmeldung.

Tabelle 1

Tabelle 2

Bezugszeichenliste

1

Synchronisierer oder Synchronisiereinrichtung

2

Hülse oder Ring

3

Synchronisierkeil

4

Synchronisierring

5

Rad

21

Keil

40

innere geneigte oder konische Umfangsfläche

41

Synchronisierabschnitt

50

konischer Abschnitt

51

Keilabschnitt

Claims

1. Synchronisierring, hergestellt aus Eisen mit weiteren Legierungsbestandteilen und zur Verwendung in der Synchronisiereinrichtung eines Gangwechselgetriebes, wobei der Synchronisierring als Legierungsbestandteile enthält
C: 0,2-1,0 Gewichtsprozent
Ni: 1,0-6,0 Gewichtsprozent
Mo: 0,6-3,0 Gewichtsprozent
Cu: 1,0-4,0 Gewichtsprozent
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen,
und wobei Basiszusammensetzung der Legierung hauptsächlich Martensit und Bainit umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchronisierring aus einer Eisen- Sinter-Legierung besteht, deren Basiszusammensetzung Martensit, Bainit und Austenit in folgenden Volumen-Anteilen umfaßt:
Martensit 57-80,
Bainit 17-40 und
Austenit 8 oder weniger.

2. Synchronisierring, hergestellt aus Eisen mit weiteren Legierungsbestandteilen und zur Verwendung in der Synchronisiereinrichtung eines Gangwechselgetriebes,
wobei der Synchronisierring als Legierungsbestandteile enthält
C: 0,2-1 Gewichtsprozent
Ni: 1,0-6,0 Gewichtsprozent
Mo: 0,6-3,0 Gewichtsprozent
Cu: 1,0-4,0 Gewichtsprozent
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen,
wobei der Ring für seine Herstellung einer einmaligen Formbehandlung und einer einmaligen Sinterbehandlung unterzogen wurde und aus einer Eisen-Sinter- Legierung besteht, deren Basiszusammensetzung oder -komposition hauptsächlich Martensit und Bainit umfaßt
dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszusammensetzung der Legierung Martensit, Bainit und Austenit in folgenden Volumen-Anteilen umfaßt:
Martensit 57-80,
Bainit 17-40 und
Austenit 8 oder weniger.