Bezeichnung der Erfindung

Gleitscheibe in einer Klemmkörper-Freilaufkupplung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Gleitscheibe aus Stahlblech zur Anordnung zwi- sehen einem Innenring und einem Außenring einer Klemmkörper- Freilaufkupplung mit einem radial verlaufenden Abschnitt sowie an dessen inneren Rand und äußeren Rand anschließenden axialen Abschnitten, mit jeweils einer Innenfläche und einer Außenfläche. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Gleitscheibe und die Verwendung verschiedener Stahlsorten für die Gleitscheibe.

Hintergrund der Erfindung

Eine Gleitscheibe der eingangs erwähnten Art ist beispielsweise aus der DE 10 2005 046 799 A1 bekannt. Diese Gleitscheibe weist eine Nickel-Phosphor- Beschichtung auf, wodurch sehr gute Verschleißeigenschaften erreicht werden, wobei wegen der Verwendung von Stahl als Grundwerkstoff der Gleitscheibe der gleiche Ausdehnungskoeffizient wie für die übrigen Stahlbestandteile der Klemmkörper-Freilaufkupplung gegeben ist. Diese Nickel-Phosphor- Beschichtung hat sich bewährt, ist aber in der Herstellung kostenintensiv, wenn auch kostengünstiger als die Herstellung von Gleitscheiben aus einer Kupferlegierung, die beispielsweise in der DE 299 04 524 U1 beschrieben ist.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Gleitscheibe für eine Freilauf-Kupplung, die unter wechselnden Bedingungen, insbesondere schwankenden Temperaturen, betrieben wird, hinsichtlich der Herstell kosten zu verbessern.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gleitscheibe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10, sowie durch die Verwendung von bestimmten Stahlsorten zur Herstellung der Gleitscheibe gemäß dem Anspruch 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9 so- wie 11 und 12.

Erfindungsgemäß sind wenigstens die Außenflächen der sich am inneren Rand und äußeren Rand des radial verlaufenden Abschnitts anschließenden axialen Abschnitt der Gleitscheibe mit einer durch Nitrocarburieren erzeugten, mit Stickstoff und Kohlenstoff angereicherten, verschleiß- und korrosionsfesten Randschicht versehen.

Das Nitrocarburieren ist ein thermochemisches Verfahren zum Anreichern der Randschicht eines Werkstücks mit Stickstoff und Kohlenstoff. Es entsteht dabei eine Nitrierschicht, bestehend aus Verbindungsschicht und Diffusionsschicht. Das Anreichern der Randschicht eines Werkstücks mit Stickstoff und Kohlenstoff lässt sich mittels Gas-Nitrucarburieren, Salzbad-Nitrocarburieren oder Plasma-Nitrocarburieren durchführen. Das Gas-Nitrocarburieren wird bei Temperaturen zwischen 500° C und 600° C in einem Gasgemisch, das Stickstoff (z.B. Ammoniak) und Kohlenstoff (z.B. Kohlendioxid) abgeben kann, durchgeführt. Ziel ist es, die Verschleißfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit von niedrig- bis mittel legierten Stählen zu verbessern. Beim Salzbad- Nitrocarburieren werden Bauteile aus niedrig- bis mittellegierten Stählen und Gusseisen in einer Salzschmelze bei Temperaturen von 550° C bis 630° C behandelt. Als Vorteile des Verfahrens gelten die kurze Behandlungsdauer sowie die hohe erzeugte Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Als Salzbadkomponenten dienen Alkalicyanate sowie Alkalicarbonate, die verbrauchten Salze können während der Reaktion nachdosiert werden. Mittels des Plasma-Nitrocarburieren lassen sich auch hoch legierte Stähle in der Randschicht härten. Die Bauteile werden bei Temperaturen von 350° C bis 600° C mit ionisiertem Gas behandelt. In der Regel ist keine mechanische Nachbehandlung der Teile erforderlich.

Insbesondere ist die erfindungsgemäße Gleitscheibe aus nitrocarburiertem Stahlblech günstiger herstellbar als eine Gleitscheibe aus bronzeplattiertem Stahlblech, nickelphosphorbeschichteten Stahlblech oder Vollbronze.

Vorzugsweise weist die aus einer Verbindungsschicht und einer Diffusionsschicht bestehende Randschicht eine Dicke von ca. 10 μm auf, durch die eine verschleißfeste Verbundschicht gebildet wird, welche eine Härte von mindestens 400 HV aufweist und einen Massenanteil von ca. 1 % Kohlenstoff und ca. 10 - 15 % Stickstoff enthält. Da das Nitrocarburieren bei einer Temperatur von vorzugsweise 550° C erfolgt, ist der Verzug der Gleitscheibe nur minimal.

Der hohe Stickstoffgehalt sorgt für sehr gute Verschleiß- und Reibeigenschaften, wie sich aus Schwingungsreibverschleißuntersuchungen an Proben der Gleitscheiben aus unterschiedlichen Werkstoffen ergeben hat. Die nitrocarbu- rierten Proben aus der Stahlsorte C16M bzw. 16MnCr5 weisen im Vergleich zu Gleitscheiben aus Messing oder Bronze kaum Verschleiß auf. Darüber hinaus ist das Laufverhalten konstant ohne Anlauf- bzw. Fresserscheinungen.

Die Gleitscheiben weisen nach der Fertigung in der Regel leicht konische Au- ßenflächen der sich an den radial verlaufenden Abschnitt anschließenden axialen Abschnitte auf. Leerlaufverschleißversuche an derartigen Gleitscheiben zeigen, dass die Konizität eine Schmierfilmunterbrechung bewirken kann. In diesem Fall herrscht in der Lastzone ein Mischreibungszustand, der zum Temperaturanstieg und zu einer Zunahme des Verschleißes führt. Da das Öl in Freilauf beim Kontakt mit einer rotierenden Gleitscheibe nach radial außen geschleudert wird, kann die Gleitscheibe in der Lastzone trocken laufen, wodurch ein weiterer Temperaturanstieg und eine Zunahme des Verschleißes eintreten. Um dies zu vermeiden, ist wenigstens die Außenfläche des sich am inneren Rand des radialen Abschnitts anschließenden axialen Abschnitts mit einer Mehrzahl vorzugsweise gleichmäßig beabstandeter, axial verlaufender Ölrillen versehen, wobei sich die Anzahl der Ölrillen daraus ergibt, dass in einer Zone der Gleitscheibe mit minimaler Last wenigstens drei Ölrillen vorhanden sind. Dies bedeutet, dass neun Ölrillen für Gleitscheiben mit einem für übliche Klemmkörper-Freilaufkupplungen geeigneten Durchmesser in der Regel ausreichend sind, wodurch die Flächenpressung in den übrigen Bereichen der Gleitscheibe nicht wesentlich zunimmt.

Die Breite der Ölrillen kann ca. 3 mm und deren Tiefe ca. 0,6 mm betragen, wodurch eine ausreichende Ölversorgung der Kontaktfläche in der Lastzone und ein hydrodynamischer Schmierfilmaufbau gewährleistet sind. Dieses Öl bewirkt auch eine ausreichende Kühlung der hoch beanspruchten Innenlauffläche der Gleitscheibe.

Die Herstellung der Schmierrillen lässt sich auf einfache Weise und kostenneutral durch Ausbildung von zugeordneten Stegen in das Tiefziehwerkzeug integrieren, wobei durch einen kreissegmentförmigen Querschnitt der Ölrillen der Verschleiß des Tiefziehwerkzeugs minimiert wird.

Die Gleitscheibe mit den vorstehend aufgeführten Merkmalen lässt sich vorteilhafterweise durch Tiefziehmittel eines Tiefziehwerkzeugs aus einer Stahlblech- ronde herstellen, wonach anschließend das Nitrocarburieren durchgeführt wird.

Wie bereits erwähnt, lassen sich die Ölrillen beim Tiefziehen durch das Tiefziehwerkzeug in die Außenfläche des sich am inneren Rand des radialen Abschnitts anschließenden, axialen Abschnitts einbringen, wodurch sich die Werkzeug kosten zwar geringfügig erhöhen, nicht jedoch die Herstell kosten.

Das Nitrocarburieren der Gleitscheibe lässt sich auch mit dem Carbonitrieren kombinieren, wodurch die Verschleiß- und Reibeigenschaften weiter verbessert werden.

Auch das Carbonitrieren zählt zu den thermochemischen Verfahren, durch das die Randschicht von Bauteilen mit Kohlen- und Stickstoff angereichert und die mechanischen Eigenschaften der Bauteilrandschicht verbessert werden. Die Temperaturen bei der Carbonitrierhärtung liegen im Allgemeinen zwischen 760° C und 900° C, d.h. höher als beim Nitrocarbuheren. Die Wirkung der Car- bonitrierung beruht auf Kohlenstoffdiffusion und gleichzeitig Stickstoffdiffusion. Durch Anreicherung von Stickstoff werden die Härtetemperatur und die kriti- sehe Abkühlgeschwindigkeit herabgesetzt, so dass milder abgeschreckt werden kann. Beide Faktoren verringern das Risiko des Verzugs. Mit einer anschließenden Anlassbehandlung wird die gewünschte Oberflächenhärte eingestellt. Für das Carbonitrieren eignen sich unlegierte und niedrig legierte Einsatzstähle sowie Automatenstähle und Baustähle. Dies sind im allgemeinen Stähle mit Kohlenstoffgehalten unter 0,2 %. Das Carbonitrieren dient dazu, der Randschicht von Werkstücken und Werkzeugen aus Stahl eine wesentlich höhere Härte und den Werkstücken bzw. Werkzeugen bessere mechanische Eigenschaften zu verleihen. Durch das Carbonitrieren entsteht ein erhöhter Verschleißwiderstand unter gleichzeitiger Verzugsarmut.

Dementsprechend lassen sich die Stahlsorten DC03, DC04, C16M, 16MnCr5 besonders vorteilhaft zur Herstellung einer Gleitscheibe mit einer mit Stickstoff und Kohlenstoff angereicherten, verschleiß- und korrosionsfesten Randschicht verwenden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeich- nung näher erläutert. Hierin zeigt

Fig. 1 in einer Explosionsdarstellung eine Klemmkörper-Freilaufkupplung, Fig. 2 eine Schnittansicht einer Gleitscheibe der Klemmkörper- Freilaufkupplung gemäß Fig. 1 , und

Fig. 3 eine Vorderansicht der Gleitscheibe gemäß Fig. 2.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

In Fig. 1 sind wesentliche Funktionselemente einer Klemmkörper- Freilaufkupplung 1 mit Ausnahme eines Innenrings sowie eines Außenrings sichtbar. Eine Mehrzahl von Klemmkörpern 2 ist im ringförmigen Spaltraum zwischen dem Außenring und dem Innenring bzw. einer Welle angeordnet. Der Führung der Klemmkörper 2 dient ein aus Kunststoff gefertigter Käfig 3 mit Aussparungen 4 für jeweils einen Klemmkörper 2. Radial innerhalb des Käfigs 3 befindet sich ein gegen diesen vorgespanntes Federband 5 mit Federzungen 6, welche die einzelnen Klemmkörper 2 anfedern. Dabei wird jeder Klemmkörper 2 mit einer Kraft in Richtung zu dessen Klemmposition beaufschlagt.

Auf umlaufende Borde 7 des Käfigs 3 ist jeweils eine Gleitscheibe 8 aufschnappbar. Die Gleitscheibe 8 dient der Herstellung einer Gleitlagerung zwi- sehen dem Innenring und dem Außenring der Klemmkörper-Freilaufkupplung 1 und ist als durch Tiefziehen geformtes Stahlblechteil ausgebildet.

Wie aus den Figuren 2 und 3 näher ersichtlich, weist die Gleitscheibe 8 einen radial verlaufenden Abschnitt 9 sowie an diesen anschließende, axial verlau- fende Abschnitten 10 und 11 auf. Insgesamt hat die Gleitscheibe 8 im Längsschnitt damit die Form eines zu einem Kreis gebogenen U-Profils.

Der axial verlaufende, radial innere Abschnitt 10 weist eine Innenfläche 13 und eine Außenfläche 14 auf, während der radial äußere axiale Abschnitt 11 eine Innenfläche 15 und eine Außenfläche 16 aufweist. Die Außenfläche 14 bewirkt eine Gleitlagerung zum Innenring und die Außenfläche 16 eine Gleitlagerung zum Außenring der Klemmkörper-Freilaufkupplung 1. Die radial nach innen weisende Außenfläche 14 ist die hoch beanspruchte Innenlauffläche der Gleitscheibe, die einer besonderen Schmierung und Kühlung bedarf. Aus diesem Grund weist die Außenfläche 14 regelmäßig beabstandete, axial verlaufende Ölrillen 12 auf, deren Anzahl danach bemessen wird, dass mindestens drei Rillen in der Zone mit der minimalen Last vorhanden sind, um die Kontaktfläche mit Öl zu versorgen, den hydrodynamischen Schmierfilmaufbau zu unterstützen und die hoch beanspruchte Innenlauffläche der Gleitscheibe zu kühlen. Die Breite der Ölrillen beträgt ca. 3 mm und die Tiefe ca. 0,6 mm.

Mindestens die Außenflächen 14 und 16 der axialen Schnitte 10 und 11 , vorzugsweise die gesamte Oberfläche der Gleitscheibe, sind durch Nitrocarburie- ren mit einer mit Stickstoff und Kohlenstoff angereicherten, verschleiß- und korrosionsfester Randschicht versehen. Diese Randschicht weist eine Härte von mindestens 400 HV und einen Masseanteil von ca. 1 % Kohlenstoff und 10 bis 15 % Stickstoff auf.

Das Nitrocarburieren (Normbezeichnung M6) lässt sich auch mit dem Carbo- nitrieren (Normbezeichnung X6) kombinieren, um die Verschleiß- und Reibei- genschaften noch weiter zu verbessern, ohne dass durch diese thermochemi- sche Behandlung ein nennenswerter Verzug der Gleitscheibe 8 eintritt. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Gleitscheibe 8 lassen sich vorzugsweise die Stahlsorten DC03, DC04, C16N, 16MnCr5 verwenden.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine im Längsschnitt C-förmige Gleitscheibe 8, jedoch ist auch die optimierte Gleitscheibe für einen Klemmkörper-Freilauf in Sigma-Form, die in der DE 10 2006 023 564 A1 der gleichen Anmelderin beschrieben ist, sehr gut als erfindungsgemäße Gleitscheibe geeignet, die steifigkeitsoptimiert ist und einen geringeren Verzug durch die ther- mochemische Behandlung aufweist.

Die Ölrillen 12 für den Öldurchtritt am Rand der Gleitscheibe 8 sind hinsichtlich der Schmiermittelversorgung und Kühlung der hochbeanspruchten Innenlauf- fläche der Gleitscheibe 8 optimal, können jedoch eine erhöhte Flächenpressung zur Folge haben. Dies ist aber mit keinem Nachteil verbunden, da die erfindungsgemäße, mit Stickstoff und Kohlenstoff angereicherte Randschicht eine Überbeanspruchung der Gleitscheibe 8 verhindert. Durch die erfindungsgemäße thermo-chemische Behandlung der Gleitscheibe 8 kommen somit die Vorteile der axialen Ölrillen 12 voll zum Tragen.

Bezugszeichen

1 Klemmkörper-Freilaufkupplung

2 Klemm körper

3 Käfig

4 Aussparung

5 Federband

6 Federzunge

7 Bord

8 Gleitscheibe

9 Radialer Abschnitt

10 Axialer Abschnitt

11 Axialer Abschnitt

12 Ölrillen

13 Innenfläche

14 Außenfläche

15 Innenfläche

16 Außenfläche