DE102008017029B4

DE102008017029B4 - Kraftschlüssig miteinander verbindbare Bauteile

Info

Publication number: DE102008017029B4
Application number: DE102008017029A
Authority: DE
Inventors: Maik Dr. Broda; Clemens Dr. Verpoort; Andreas Dr. Müschen
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2008-04-03
Filing date: 2008-04-03
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2028-04-04
Also published as: CN101555938A; DE102008017029A1; CN101555938B

Abstract

Kraftschlüssig miteinander verbindbare Bauteile (1, 5, 6, 7), mit flächig gegeneinander fügbaren Verbindungsflächen (9, 10, 11), wobei mindestens eine der Verbindungsflächen (2, 2', 2'') der Bauteile als eine reibungserhöhende Schicht ausgebildet ist, wobei die reibungserhöhende Schicht auf einem Bauteil (1) erhältlich ist durch Aufschleudern von Hartstoffpartikeln (3) auf die als Verbindungsfläche (2) des Bauteils (1) dienende Oberfläche derart, dass die Hartstoffpartikel (3) in die Verbindungsfläche (2) des Bauteils (1) eingebracht sind, aber aus dieser hervorstehen, wobei entweder die gesamte oder nur Teile der Oberfläche der Hartstoffpartikel (3) mit dem Material des Bauteils (1) einen stofflichen Kontakt bilden und die Verbindungsfläche (2) des Bauteils (2) unvollständig mit Hartstoffpartikeln (3) bedeckt ist, und wobei die Schicht durch ein thermisches Spritzverfahren hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisches Spritzverfahren das Kaltgasspritzen verwendet wird und die Verbindungsfläche (2) des Bauteils (2) kleiner gleich 30% mit Hartstoffpartikeln (3) bedeckt ist.

Description

Die Erfindung betrifft kraftschlüssig miteinander verbindbare Bauteile gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem Verbrennungsmotor mit obenliegender Nockenwelle wird die Verbindung und Steuerung des Ventiltriebs durch einen Zahnriemen oder eine Kette hergestellt. Dazu wird auf der Stirnseite der Kurbelwelle eine Riemenscheibe bzw. ein Kettenrad aufgeschraubt. An diese Befestigung werden hohe Anforderungen gestellt, da sich die Verbindung nach der Positionierung und Fixierung nicht mehr lösen darf. Weiterhin soll die Verbindung ein hohes Reibtorsionsmoment von 380–400 Nm übertragen können.
Während für niedriger belastete Motoren eine einfache Schraubverbindung ausreichend ist, wird für dynamisch hoch belastete Motoren eine Reibverbindung mit höherer Sicherheit gegen Lösen der Verbindung benötigt. Dazu wird heute üblicherweise eine 0,1 mm dicke Stahlunterlegescheibe auf beiden Seiten der Riemenscheibe verwendet. Diese Unterlegscheiben sind mit einer 50 μm dicken galvanisch abgeschiedenen Ni-Schicht versehen, die zwischen 5 und 20% an scharfen Diamanten enthält. Nachteil dieser Methode sind die vergleichsweise hohen Herstellkosten verbunden mit der Lagerhaltungsproblematik für die Ni-Diamant-Unterlegscheiben. Außerdem müssen in der Montage 2 zusätzliche Bauteile montiert werden. Darüber hinaus lassen sich mit den Ni-Diamantunterscheiben abhängig von der Geometrie und den eingesetzten Werkstoffkombinationen der Kurbelwelle und des Antriebsrades nur max. Reibtorsionsmomente von ca. 350 Nm erzielen, die nicht in allen Fällen zur sicheren Übertragung des anliegenden Drehmomentes ausreichen.
Eine Lösung für diese Probleme besteht darin, die Funktion der Erzeugung der hohen Reibwirkung auf die Zahnriemenscheibe/das Kettenrad selbst zu übertragen ohne Einsatz von Unterlegscheiben.
Dies wird bisher dadurch erreicht, dass scharfkantige Karbide oder Oxide auf die beidseitigen Anlageflächen der Zahnriemenscheibe eingebracht werden. Unter anderem sind folgende Möglichkeiten bekannt, um hohe Reibtorsionsmomente zu realisieren.

• Es wird ein Klebstoff auf der Anlagenfläche aufgebracht wird, auf den dann scharfkantige Karbide/Oxide aufgestreut oder geblasen werden.
• Es wird ein doppelseitiges Klebeband aufgebracht und mit den scharfkantigen Karbiden/Oxiden bestreut.
• Durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen wird eine WC-Co-Spritzschicht mit harten Partikeln auf die Zahnriemenscheibe beidseitig aufgetragen.
• Durch Lichtbogendrahtspritzen wird eine Spritzschicht unter Verwendung eines Fülldrahtes auf die Zahnriemenscheibe beidseitig aufgetragen, wobei die Schicht harte, scharfkantige Boride, Oxide oder Karbide enthalten kann.

Der Nachteil dieser Maßnahmen liegt darin, dass die Pulverschüttung nicht genau genug aufgetragen werden kann. Manchmal liegen mehrere Lagen von Pulvern übereinander. Dies kann dazuführen, dass sich die Verbindung unter dynamischer Beanspruchung frühzeitig setzen bzw. sogar lösen kann.
Das Aufkleben der Partikel führt zu weiteren Problemen: Falls die Zahnriemenscheiben im Motorinnenraum im Öl eingesetzt werden, kann der Klebstoff im Betrieb gelöst werden und Partikel ausgewaschen werden, wodurch es zu erhöhtem Motorverschleiß kommt. Wenn andererseits so behandelte Zahnriemenscheiben für längere Zeit als Ersatzteil gelagert und dann verarbeitet werden, kann der Klebstoff aushärten und die Partikel können beim Transport aus der Klebung herausgelöst werden.
Die HGFS- bzw. LDS-Spritzschichten führen zwar zu einer Reibverbindung mit sehr hohem Torsionsmoment, die Kosten sind jedoch sehr hoch aufgrund der verwendeten Spritzwerkstoffe.
Aus der EP 1 215 400 A2 sind kraftschlüssig miteinander verbindbare Bauteile bekannt, die flächig gegeneinander verfügbare Verbindungsflächen umfassen, zwischen denen im Fügespalt Formschlussmittel einbringbar sind, die eine höhere Härte und Festigkeit haben als der Grundwerkstoff der Bauteile, wobei die Formschlussmittel eine auf zumindest einer Verbindungsfläche eines Bauteils aufgebrachte kristalline Hartstoffschicht mit aus der Schichtoberfläche vorstehenden Kristalliten sind.
Aus den Schriften DE 10250788 A1 , DE2364275 A1 und DE 19921890 C1 sind Reibschichten mit Hartpartikeln bekannt, die durch thermische Spritzverfahren hergestellt sind. Da die beim thermischen Spritzen aufgetragenen Partikel im flüssigen Zustand auf die Werkstückoberfläche auftreffen, verbinden sich die Partikel untereinander und mit der Werkstückoberfläche. Damit eine gleichmäßige Reibschicht entsteht, muß mindestens eine konstante, durchgehende Reibschicht mit den Hartpartikeln aufgetragen werden. Damit ist die Herstellung der Reibschicht zeit- und kostenaufwendig.
Aus der DE 103 00 966 B4 ist eine Gleitschicht, deren Verwendung und ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt. Die Gleitschicht ist durch Kaltgaskompaktieren von Werkstoffpartikeln auf eine Gleitfläche erhältlich, wobei die Werkstoffpartikel teils auf der Fläche und teils in der Fläche auf- bzw. eingebracht sind. Die Werkstoffpartikel können aus Hartstoffen bestehen, ausgewählt aus Metallen, intermetallischen Phasen oder den Carbiden oder Nitrid-Keramiken der Elemente Si, Cr, Mo, W, Ti und/oder Al.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine alternative Lösung für die obigen Probleme bereitzustellen, bei der die Funktion der Erzeugung der hohen Reibwirkung auf die Zahnriemenscheibe/das Kettenrad selbst ohne Einsatz von Unterlegscheiben übertragen wird.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebenen kraftschlüssig miteinander verbindbaren Bauteile gelöst.
Die reibungserhöhende Schicht ist auf einem Bauteil durch Aufschleudern von Hartstoffpartikeln auf eine als Verbindungsfläche des Bauteils dienende Oberfläche derart erhältlich, dass die Hartstoffpartikel in die Verbindungsfläche des Bauteils eingebracht sind, aber aus dieser hervorstehen, wobei entweder die gesamte oder nur Teile der Oberfläche der Hartstoffpartikel mit dem Material des Bauteils einen stofflichen Kontakt bilden und die Verbindungsfläche des Bauteils unvollständig, insbesondere kleiner 30%, mit Hartstoffpartikeln bedeckt ist.
Es kann jede Bedeckung der Schicht mit Hartstoffpartikeln zwischen 0% und 30% gewählt werden, je nachdem welches Reibtorsionsmoment übertragen werden muß. Wenn nur ein geringes Reibtorsionsmoment übertragen werden muß, ist eine Bedeckung größer 0% und kleiner gleich 5% zu wählen. Die bevorzugte Bedeckung beträgt zwischen 5% und 20%, da hierdurch trotz des geringen Auftrags von Partikeln schon recht hohe übertrage Reibtorsionsmomente resultieren. Durch die Wahl der Bedeckung zwischen 0% bis 30% läßt sich das gleiche Bauteil je nach vorgesehener Belastung mit beliebig übertragbarem Reibtorsionsmoment herstellen
Aus dem Patent DE 103 00 966 B4 (siehe oben) ist bekannt, dass man durch das sog. Kaltgas-Spritzen bestimmte reibungsreduzierende Stoffe auf sich berührende Gleit- und Verbindungsflächen aufbringen kann. Nach dieser Methode werden Karbide wie SiC oder Al2O3 auf die Oberfläche der Bauteile aufgeschleudert.
Aufgrund der hohen kinetischen Energie werden diese sehr harten Partikel (SiC > HV 2000, Al2O3 > HV 1500) in die Oberfläche des Bauteils, z. B. der Zahnriemenscheibe (Gesinterter Stahl ~ HV250) eingeschlagen und bleiben dort im Material stecken.
Andererseits ist es aber bekanntermaßen nicht möglich, mit Hilfe der Kaltgasspritztechnik eine geschlossene Schicht von Karbiden oder Oxiden zu erzeugen. Es können lediglich Schichten hergestellt werden aus niedrigschmelzenden Metallen wie Zink, Zinn, Aluminium, Kupfer. Schichten aus höherschmelzenden Werkstoffen lassen sich nur dann durch Kaltgasspritztechnik herstellen, wenn das Trägergas (Stickstoff) in einem Wärmetauscher auf T > 500–800°C aufgeheizt wird.
Vorliegend wird bewusst dieser Effekt verwendet, um eine unvollständige Schicht bzw. Belegung der Verbindungsoberfläche zu erzielen. Es wird nur eine unvollständige Schicht Hartstoffpartikel, z. B. eine Mono-Lage an Karbiden/Oxiden, in die Verbindungsfläche des Bauteils eingetragen. Die Bedeckung/Belegung der Oberfläche kann durch die Wahl der Spritzzeit zwischen 5% und 30% gewählt werden, je erforderlichem übertragbarem Reibtorsionsmoment.
Die in der Oberfläche „eingeschossenen” Hartstoffpartikel werden beim Anziehen der Verbindung in den Gegenpartner (Bauteil) eingepresst und erzeugen durch Mikroformschluß eine innige Verklammerung und eine Art Verzahnung der Bauteile. Ein Durchrutschen der Verbindung ist bei entsprechender Festigkeit der Hartstoffpartikel dann nur durch abrasiven und furchenden Verschleiß an der Oberfläche von mindestens einem der Kontaktpartner möglich, was dann zu der hohen gemessenen Reibwertbildung führt, von z. B. einem Reibtorsionsmoment von 380–400 Nm.
Dadurch, dass nur eine einzige „Lage” von scharfkantigen Partikeln verwendet wird, ist sichergestellt, dass diese Partikel die formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen herstellen.
Die so hergestellte Schicht eignet sich für die Verwendung bei Zahnriemenschieben und Anlageflächen zwischen Kurbelwelle und Schraubenschaft bzw. Nockenwelle und Schraubenschaft.
Bevorzugterweise ist die Schicht durch ein thermisches Spritzverfahren hergestellt. Besonders bevorzugt wird als thermisches Spritzverfahren das Kaltgasspritzen verwendet.
Die eingesetzten Hartstoffpartikeln bestehen bevorzugt aus Metallen, intermetallischen Phasen oder Carbid-, oder Nitrid- oder Oxid-Keramiken der Elemente Si, Cr, Mo, W, Ti und/oder Al.
Wird als thermisches Spritzverfahren das Kaltgasspritzen verwendet, so werden bevorzugt Hartstoffpartikel aus Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Diamanten, Kohlenstoff in Diamantform oder diamantähnlicher Kohlenstoff verwendet.
Weiterhin ergibt sich die Möglichkeit, ein niedrigschmelzendes Metallpulver wie Zink, Zinn, Aluminium, Kupfer zu verwenden und in dieses Pulver die scharfkantigen Karbide/Oxide einzumischen und zusammen zu verspritzen. Bevorzugt kann Zink-Pulver verwendet werden, da dies eine gute Korrosionsschutzwirkung aufweist bei niedrigen Kosten.
Durch Verwendung von verschiedenen Ausgangskörnungen lässt sich die Auslegung der Verbindung optimieren. Üblicherweise werden Partikelgrößen von 25 bis 250 μm verwendet, es eignen sich aber auch größere Kornfraktionen.
Die Temperatur der Kaltgasspritzung bei Verwendung von vorgewärmtem Stickstoff beiträgt max. 200°C, so dass das verwendete Siliziumcarbid nicht geschädigt wird.
Je nach Härte des verwendeten Grundmaterials des Bauteils kann man auf ein mechanisches Aufrauen durch Korundstrahlen verzichten, weil die Partikel aufgrund der hohen kinetischen Energie direkt in die Oberfläche eingeschlagen werden.
Auch andere thermische Spritzverfahren sind einsetzbar, um die Schicht zu erzeugen. So kann als thermisches Spritzverfahren das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen verwendet werden, wobei dann vorzugsweise die Hartstoffpartikel aus Wolframcarbid/Kobalt bestehen. Beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen wird in einer Brennkammer unter erhöhtem Verbrennungsdruck ein Brenngas-Sauerstoffgemisch verbrannt. Das expandierende Gas verlässt die Brennkammer über ein Expansionsrohr und erreicht dabei Gasgeschwindigkeiten von Mach 2–5. Die expandierenden Gase reißen die eingeblasenen Spritzpartikel mit und beschleunigen sie auf 100–300 m/s. Im Gegensatz zum Plasmaspritzen mit Temperaturen von bis zu 20.000°C ergibt sich beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen nur eine moderate Flammentemperatur von 2.500°C, aber eine vielfach höhere Partikelgeschwindigkeit. Daher hat sich Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen durchgesetzt, um Karbidspritzschichten zu erzeugen: Aufgrund der niedrigen Partikeltemperaturen werden die Wolfram-Karbide nicht geschädigt und die schädliche Eta-Phasenbildung unterdrückt. Aufgrund der extrem hohen Partikelaufprallgeschwindigkeit ergibt sich eine sehr hohe Haftfestigkeit der Spritzschichten bzw. Verklammerung der aufgeschossenen Partikel.
Die reibungserhöhende Schicht eignet sich besonders zum Einsatz in kraftschlüssig miteinander verbindbaren Bauteilen, mit flächig gegeneinander fügbaren Verbindungsflächen, wobei mindestens eine der Verbindungsflächen der Bauteile als eine reibungserhöhende Schicht ausgebildet ist, wozu diese mit in die Schicht eingeschlagenen Hartstoffpartikeln versehen ist.
Die reibungserhöhende Schicht ist insbesondere auf der Verbindungsfläche aufgebracht.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung, in der
1 eine Stereolichtmikroskopaufnahme der Verbindungsfläche einer Zahnriemenscheibe zeigt und
2 einen Schnitt durch eine Anordnung aus Kurbelwelle, Kettenrad, Riemenrad und Befestigungsschraube zeigt.
In 1 ist eine Stereolichtmikroskopaufnahme einer Verbindungsfläche 2 einer Zahnriemenscheibe 1 gezeigt, die im Kaltgasspritzverfahren mit Edelkorundpartikel 3 (Aluminiumoxid) belegt wurde. Deutlich zu erkennen ist, dass die Partikel 3 in die Oberfläche der Verbindungsfläche 2 eingelassen sind und gleichzeitig aus dieser hervorstehen. Ebenfalls ist ersichtlich, dass keine vollständige Belegung der Oberfläche vorliegt, sondern, dass wie gewünscht nur eine Teilbelegung vorliegt.
Somit können die Partikel 3 beim Zusammenfügen bzw. Verschrauben der entsprechenden Anordnung 4 in die Gegen-Verbindungsfläche des entsprechenden Bauteils Kurbelwelle 5 bzw. Schraube 6 eingepresst werden und erzeugen durch Mikroformschluß eine innige Verklammerung und eine Art Verzahnung der Bauteile. Somit wird ein Durchrutschen der Verbindung bei entsprechender Festigkeit der Partikel 3 dann nur durch abrasiven und furchenden Verschleiß an der Oberfläche von mindestens einem der Kontaktpartner möglich, was zum übertragbaren Reibtorsionsmoment von 380–400 Nm führt.
Eine Anordnung 4, wie aus 2 hervorgeht, besteht aus Kurbelwelle 5, Kettenrad 7, Zahnriemenscheibe 1 und Befestigungsschraube 6. Die Kurbelwelle 5 ist dabei mit einem hohlen Gewindeschaft 8 versehen, auf den zunächst das Kettenrad 7 und anschließend die Zahnriemenscheibe 1 aufgesteckt werden. Anschließend wird die Schraube 6 durch die Zahnriemenscheibe 1 in den hohlen Gewinde-Schaft 8 zum Zusammenbau und Befestigung eingeschraubt.
Damit die Schraube 6 und die Zahnriemenscheibe 1 mit ihren aneinander liegenden Verbindungsflächen ein hohes Reibtorsionsmoment erzielen, ist die dem Schraubenkopf zugewandte Schulter 9 der Zahnriemenscheibe 1 als Verbindungsfläche 2 wie oben dargelegt mit Edelkorund Partikeln 3 belegt.
Zusätzlich kann die entgegen gesetzte Schulter 10, die dem Kettenrad 7 zugewandt ist in entsprechender Weise als weitere Verbindungsfläche 2' mit Edelkorundpartikeln 3 belegt werden. Zusätzlich kann auch die Schulter 11 der Kurbelwelle 5, die dem Kettenrad 7 zugewandt ist in entsprechender Weise als weitere Verbindungsfläche 2'' mit Edelkorundpartikeln 3 belegt werden.
Die so erzielten Reibtorsionsmomente von 380–400 Nm konnten bisher nicht oder nur mit sehr teuren und schwierig zu lagernden und handzuhabenden Ni-Diamant-Unterlegscheiben oder spezial Folien erreicht werden.
Der Zusammenbau ist zudem besonders einfach durchzuführen, da der Monteur keine zusätzlichen Scheiben, Folien etc. auf den Schaft 8 auffädeln und auf korrekten Sitz überprüfen muss.

1: Zahnriemenscheibe
2: Verbindungsfläche
3: Edelkorundpartikel
4: Anordnung
5: Kurbelwelle
6: Schraube
7: Kettenrad
8: Gewinde-Schaft
9: Schulter
10: Schulter
11: Schulter

Claims

Kraftschlüssig miteinander verbindbare Bauteile (1, 5, 6, 7), mit flächig gegeneinander fügbaren Verbindungsflächen (9, 10, 11), wobei mindestens eine der Verbindungsflächen (2, 2', 2'') der Bauteile als eine reibungserhöhende Schicht ausgebildet ist, wobei die reibungserhöhende Schicht auf einem Bauteil (1) erhältlich ist durch Aufschleudern von Hartstoffpartikeln (3) auf die als Verbindungsfläche (2) des Bauteils (1) dienende Oberfläche derart, dass die Hartstoffpartikel (3) in die Verbindungsfläche (2) des Bauteils (1) eingebracht sind, aber aus dieser hervorstehen, wobei entweder die gesamte oder nur Teile der Oberfläche der Hartstoffpartikel (3) mit dem Material des Bauteils (1) einen stofflichen Kontakt bilden und die Verbindungsfläche (2) des Bauteils (2) unvollständig mit Hartstoffpartikeln (3) bedeckt ist, und wobei die Schicht durch ein thermisches Spritzverfahren hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisches Spritzverfahren das Kaltgasspritzen verwendet wird und die Verbindungsfläche (2) des Bauteils (2) kleiner gleich 30% mit Hartstoffpartikeln (3) bedeckt ist.
Bauteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedeckung mit Hartstoffpartikeln (3) größer 0% und kleiner gleich 5% beträgt.
Bauteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedeckung mit Hartstoffpartikeln (3) zwischen 5% und 20% beträgt.
Bauteile nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel (3) aus Metallen, intermetallischen Phasen oder den Karbid- oder Nitrid- oder Oxid-Keramiken der Elemente Si, Cr, Mo, W, Ti und/oder Al, bestehen.
Bauteile nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel aus Siliziumcarbid oder Aluminiumoxid oder Kohlenstoff in der Diamantform bestehen.
Bauteile nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht zusätzlich ein niedrigschmelzendes Metallpulver enthält.
Bauteile nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallpulver Aluminium, Kupfer, Zink oder Zinn verarbeitet wird.
Bauteile nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei einem Bauteil um eine Zahnriemenscheibe (1) handelt.