Die Synchronsysteme von Schwerlastgetrieben arbeiten unter hoher Last, bei häufigen Schaltvorgängen und thermischen Veränderungen. Sie gleichen die Drehzahl der rotierenden Teile vor dem Eingriff an, wodurch Schaltrucke und Zahnverschleiß minimiert werden. Der Konusring, insbesondere der Synchronring, bildet die Reibfläche, die diese Drehzahlanpassung ermöglicht.
Da das Motordrehmoment von Nutzfahrzeugen steigt und die Laufleistungen zunehmen, muss der Synchronring ein gleichmäßiges Reibungsdrehmoment aufweisen, verschleißfest sein und maßgenau bleiben. Herkömmliche geschmiedete Stahlringe erfordern oft eine aufwendige Bearbeitung und können lastabhängige Leistungseigenschaften aufweisen. Die Pulvermetallurgie (PM) ist ein alternatives Fertigungsverfahren zur Herstellung komplexer Bauteile mit kontrolliertem Dichtegradienten und guten mechanischen Eigenschaften für anspruchsvolle Anwendungen.
Inhalte
Funktionsmerkmale des Synchronisator-Kegelrings
Das Reibungsmoment entsteht durch den Synchronring, der zwei Zahnräder mit gleicher Drehzahl verbindet. Seine konische Oberfläche berührt das Gegenstück und muss dieses mit hoher Kraft anpressen.
Zyklische Gleitbelastung, schnelle Temperaturänderungen und zeitabhängige Belastungen erfordern einen Kompromiss zwischen Härte, Zähigkeit und Dimensionsstabilität. Wird die Struktur viskos, verformt sie sich in einigen Bereichen oder weist sie eine verminderte Reibungsgleichmäßigkeit auf, kann das Schalten mit dem Synchronisator erschwert sein, zu hohe Drehmomente können nicht abgebaut werden und es kann frühzeitig zu Verschleiß kommen. Daher sind eine stabile Mikrostruktur und ebene Oberflächeneigenschaften erforderlich.
Metallpulver für Synchronringe
Typischerweise wird in PM-Synchronringen eine Fe-Mo-Ni-Cu-Pulvermischung in Form von gesinterten diffusionslegierten Werkstoffen verwendet. Ein übliches System enthält Molybdän für die Härtbarkeit, Nickel für die Zähigkeit, Kupfer aufgrund des Sinterverhaltens und Graphitzusätze zum Ausgleich des Kohlenstoffgehalts. Eine geringe Menge an internem Schmierstoff verbessert die Fließfähigkeit und das Auswerfen aus der Form. Die Legierungselemente diffundieren während des Sinterprozesses gleichmäßig und bilden eine feine Perlitmatrix im Ringkörper. Diese Formgebung gewährleistet Dimensionsstabilität und ermöglicht die Härtung bestimmter Bereiche, die bei der Wärmebehandlung martensitische Strukturen bilden.
Pulvermetall-Herstellungsverfahren für Synchronringe
Die pulvermetallurgisches Herstellungsverfahren Die Synchronringe durchlaufen eine Reihe kontrollierter Verarbeitungsschritte.
Pulvermischung
Der Herstellungsprozess besteht darin, zunächst das diffusionslegierte Eisenpulver mit Graphit (ca. 0.8 Gew.-%) und einem Schmierstoff (ca. 0.3 Gew.-%) zu vermischen. Die homogene Mischung der Legierungselemente gewährleistet eine gleichbleibende Dichte und Wärmebehandlung.
Verdichtung
Verdichtungsprozess Das Verfahren wird mit einer Hochleistungspresse und einem Mehrkörper-Schwimmwerkzeugsystem durchgeführt. Die Kegeloberfläche, die Vertiefungen und die zentrale Bohrung werden während des Pressvorgangs in diesem Werkzeugsystem erzeugt. Das Werkzeug kann bis zu einer Tiefe von ca. 42 mm gefüllt werden, und die vibrationsunterstützte Zuführung fördert eine gleichmäßige Packung. Der Pressdruck liegt üblicherweise im Bereich von 600–700 MPa. Auf diese Weise erreicht die Rohdichte im Ringkörper ca. 6.80–6.90 g/cm³ und an Stellen mit vergleichsweise höherer Tragfähigkeit ca. 6.85–6.95 g/cm³.
Sintern
Das Werkstück durchläuft beim Sintern in inerter Atmosphäre einen stufenweisen Wärmezyklus. Bindemittel und Schmierstoffe verbrennen bei etwa 680 °C. Anschließend werden die Ringe bei einer Temperatur von rund 900 °C vorgesintert, bevor sie die Hauptsinterplateautemperatur von etwa 1120 °C erreichen. Bei dieser Temperatur bilden sich innerhalb des Rings Bereiche für die Infiltration von geschmolzenem Kupfer, wodurch die lokale Dichte auf etwa 7.45–7.55 g/cm³ erhöht wird. Diese selektive Verdichtung verstärkt die Bereiche, die im Synchronisator der maximalen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt sind.
Die Abkühlung wird kontrolliert, um thermische Verformungen zu vermeiden und das Material für die weitere Härtung vorzubereiten. Ein kurzes Halten bei etwa 860 °C trägt dazu bei, eine homogene Temperaturverteilung im Ring unmittelbar vor der endgültigen Abkühlung zu gewährleisten.
Nachbehandlung
Wärmebehandlung
Die Reibungsfläche wird durch Induktionswärmebehandlung gehärtet. Der Ring rotiert mit 40 U/min und wird einem kurzen, hochenergetischen Stromimpuls von ca. 600 A für ca. 3 s ausgesetzt, gefolgt von einer aktiven Abkühlung. Dadurch entsteht eine 0.6–0.8 mm tiefe martensitische Schicht mit einer Oberflächenhärte von etwa HRC 27 bis 35.
CNC Dienstleister
Die Maßtoleranzen an der Kegelfläche, den Stiftlöchern und den Stirnflächen werden durch die Endbearbeitung bestimmt. Die Montage wird durch Aufbringen einer Kohlefaser-Reibungsauflage mit einer Dicke von ca. 0.65 Millimetern auf die äußere Kegeloberfläche abgeschlossen.
Dampfbehandlung
Nach dem Sintern und der kontrollierten Abkühlung Dampfbehandlung wird auf die Oberfläche des Synchronrings aufgetragen. Das Bauteil wird bei erhöhter Temperatur überhitztem Dampf ausgesetzt, wodurch sich eine dünne und dichte Eisenoxidschicht bildet. Diese Oxidschicht verbessert die Oberflächenstabilität, die Verschleißfestigkeit und die Reibungsgleichmäßigkeit und bietet gleichzeitig einen grundlegenden Korrosionsschutz.
Mechanische und physikalische Eigenschaften
PM-Synchronringe verfügen über einen Dichtegradienten, der auf eine optimale Lastverteilung ausgelegt ist. Durch die Induktionsbehandlung entsteht ein perlitischer Kern mit martensitischen Bereichen in den behandelten Zonen. Diese Bereiche sind für die hohen Drehmomente in Kombination mit den für Nutzfahrzeuge typischen, wiederholten Eingriffsbelastungen ausgelegt.
Die folgende Tabelle zeigt die mechanischen Eigenschaften von PM-Synchronringen.
| Immobilien | Typischer Wert |
|---|---|
| Dichte (Körper) | 7.47 g / cm³ |
| Oberflächenhärte | ~HRC 30 |
| Höchste Zugfestigkeit | ~ 619 MPa |
| Matrix Struktur | Feine perlitische Diffusionslegierung |
| Tiefe der gehärteten Zone | ~0.6–0.8 mm |
PM-Synchronringe gewährleisten eine zuverlässige Leistung unter der zyklischen Belastung beim Schalten. Ihre gehärtete Oberfläche behält ihre Reibungseigenschaften und ist polierbeständig.
Kupferimprägnierte Bereiche verformen sich auch unter starker Belastung nicht. Die Dimensionsstabilität bleibt nach Temperaturwechseln erhalten, wodurch ein gleichbleibender Kegeleingriff gewährleistet wird.
Der Verdichtungsgradient und die präzise gesteuerte Wärmebehandlung bei der PM-Verarbeitung verhindern Versagensmechanismen, die bei herkömmlichen Ringen auftreten, wie z. B. lokales Verbiegen oder Erweichen.
Vergleich mit konventioneller Fertigung
Synchronringe aus 40Cr-Stahl, hergestellt durch Schmieden oder Drehen, erfordern zahlreiche Bearbeitungsschritte, die mit mehr Abfall und höheren Kosten verbunden sind. Ihre Mikrostrukturen können von Charge zu Charge erheblich variieren, was sich auf das Langzeitverhalten der Synchronringe auswirkt.
Gesinterte Synchronringe nutzen ihre Geometrie jedoch optimal für den Verdichtungsprozess. Dadurch werden Bearbeitungszeiten minimiert, die Maßgenauigkeit verbessert und die Dichte in den leistungskritischsten Bereichen individuell angepasst. Diese Vorteile machen das Pulvermetallurgieverfahren besonders effektiv für die Serienfertigung von Schwerlastgetrieben.
Die Leistungsfähigkeit von PM-Synchronringen basiert auf der Legierungszusammensetzung, gezielter Verdichtung und kontrollierter Wärmebehandlung. Eine hohe Dichte in kritischen Zonen erhöht die Belastbarkeit, und ein perlitischer Kern minimiert Formveränderungen im Langzeitbetrieb. Die induktive Härtung sorgt für eine zähe Reibfläche, die eine lange Lebensdauer und reibungslose Synchronisation gewährleistet.
Die Pulvermetallurgie ist ein zuverlässiges, kosteneffizientes und bewährtes Verfahren zur Herstellung von Synchronringen, wie sie beispielsweise in Schwerlastgetrieben eingesetzt werden.