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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Reibungsreduzierungstechnologie
für Maschinenteile,
die auf eine reduzierende Reibung durch Bilden von mikroskopischen
Aussparungen auf einer Gleitkontaktoberfläche der Maschinenteile abzielt.
Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Element mit niedriger
Reibung, das in der Lage ist, den Reibungsverlust in den Motorteilen
für Kraftfahrzeuge
zu reduzieren.
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Es
ist eine Oberflächen-
Mikrostruktur vorgeschlagen wurden, in der mikroskopische Aussparungen oder
Nuten auf einer Gleitkontaktoberfläche eines Gleitelements, das
im Verhältnis
zu einem Gegenstück über Schmieröl gleitbar
ist, gebildet sind, um den dazwischen verursachten Reibungsverlust
zu reduzieren.
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In
der Oberflächen-
Mikrostruktur der Gleitkontaktoberfläche des Gleitelementes in einer
früheren Technologie
haben die mikroskopischen Aussparungen oder Nuten eine gleichmäßige Tiefe.
In diesem Fall können,
wenn eine große
Veränderung
in der Reibungsbedingung zwischen der Gleitkontaktoberfläche des Gleitelements
und der entsprechenden Gleitkontaktoberfläche des Gegenstücks, z.
B. in der Gleitgeschwindigkeit des Gleitelementes oder in der Abscherrate
des zwischen den Gleitkontaktoberflächen gebildeten Ölfilmes,
auftritt, an der Gleitkontaktoberfläche, die in Gleitkontakt mit
der entsprechenden Oberfläche
des Gegenstücks
bei der Gleitbewegung des Gleitelements relativ zu dem Gegenstück kommt,
eine Öfrückhaltewirkung
und eine Ölfilmdicke
auf der Gleitkontaktoberfläche
nicht optimal gesteuert werden. Insbesondere wird in dem Fall eines
hin- und hergehenden Elementes, an einem Mittelpunkt des Gleithubes,
in dem die Gleitgeschwindigkeit hoch wird, ein Schmierölfilm, der
auf der Gleitkontaktoberfläche
gebildet ist, der Abscherbeanspruchung bei einer hohen Geschwindigkeit
an den zwischen den Aussparungen gebildeten Vorsprüngen unterworfen.
Dies verursacht einen Abscherverlust in dem Ölfilm, um dadurch den Reibungsverlust
zu erhöhen. Außerdem wird
die Gleitgeschwindigkeit an beiden Enden des Gleithubes, nämlich an
einem Wendepunkt der hin- und hergehenden Bewegung des Gleitelements,
null. Demzufolge wird an beiden Enden des Gleithubes das Schmieröl daran
gehindert, auf die Gleitkontaktoberfläche aufgebracht zu werden und
es wird ihm gestattet, durch die Aussparungen wegzulaufen. Dies
ruft einen Mangel an Öl
auf der Gleitkontaktoberfläche
hervor, so dass die Wirkung der Reduzierung der Reibung begrenzt
wird. Es gibt die Forderung, die zuvor beschriebenen Probleme in
der früheren
Technologie zu reduzieren. Inzwischen ist in die Überlegung
einbezogen worden, dass in einem Fall, wo ein Kolben eine glatte
Gleitkontaktoberfläche
hat, und eine Zylinderwand eine glatte Gleitkontaktoberfläche hat,
die die Zylinderbohrung bildet, die Reibung, die dazwischen verursacht
wird, auf ein Minimum begrenzt wird, während die Ölrückhalteeigenschaften der glatten
Gleitkontaktoberflächen
verschlechtert werden, um dadurch ein Festfressen der glatten Gleitkontaktoberflächen hervorzurufen.
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EP 0529327 A1 zeigt
ein gebranntes, keramisches Produkt mit einer strukturierten Oberfläche, die
als eine Kontaktfläche
vorgesehen ist. Die Tiefen der Aussparungen verändern sich in einer vorbestimmten
Richtung von kleinen Ausschnitttiefen zu großen Ausschnitttiefen, wobei
die Aussparungen halbkreisförmige
Querschnitte hat. Ein flaches Gegenstück ist zu der Kontaktoberfläche des
keramischen Produktes gegenüberliegend.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein Gleitelement mit niedriger
Reibung zu schaffen, das in der Lage ist, den Reibungsverlust an
einem Mittelpunkt von einem Gleithub zu reduzieren und einen Mangel
von Schmieröl
an beiden Enden des Gleithubs, der für hin- und hergehende Teile
des Motors, z. B. ein Kolben, eine Zylinderwand und einen Ventilheber,
verwendet werden kann, zu verhindern.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Gleitelement
mit niedriger Reibung gelöst,
das die Merkmale des unabhängigen
Anspruchs 1 enthält,
gelöst.
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Vorzugsweise
hat jedes der Plateaus eine Oberfläche mit einer arithmetischen
mittleren Rauhigkeit Ra von nicht mehr als 0,3 μm.
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Vorzugsweise
kann die arithmetische mittlere Rauhigkeit Ra nicht weniger als
0,01 μm
betragen. Die arithmetische mittlere Rauhigkeit Ra wird in der JIS
B 0601-1994 beschrieben.
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Vorzugsweise
ist die Gleitkontaktoberfläche
des Gleitelements vorgesehen, um mit einem Schmieröl geschmiert
zu werden.
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Außerdem wird
ein Verhältnis
einer maximalen Tiefe der Aussparungen bis zu einer minimalen Tiefe der
Aussparungen derselben von nicht weniger als zwei bevorzugt.
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Vorzugsweise
sind die Aussparungen in der Form von Nuten, die sich rechtwinklig
zu der Gleitrichtung erstrecken.
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Außerdem wird
ein Verhältnis
einer maximalen Tiefe der Aussparungen zu einer Dicke des Schmierölfilms,
der auf den Plateaus gebildet ist, innerhalb eines Bereiches von
2 bis 10 an dem vorbestimmten Abschnitt der Gleitkontaktoberfläche bevorzugt.
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Vorzugsweise
kann die maximale Tiefe der Aussparungen innerhalb eines Bereiches
von 5 bis 30 μm sein.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen niedergelegt.
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung in größerer Ausführlichkeit mittels der Ausführungsbeispiele
derselben in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei:
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1 eine
schematische perspektivische Ansicht einer Mikrostruktur einer Gleitkontaktoberfläche eines
Gleitelements mit niedriger Reibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
ist;
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2 eine
schematische, beispielhafte Darstellung ist, die den Vorgang eines
hin- und hergehenden Gleittest zum Bewerten der Wirkung der Reibungsreduzierung
des Gleitelements des Ausführungsbeispieles zeigt;
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3 eine
Vorderansicht eines Motorkolbens ist;
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4 ein
vertikaler Schnitt einer Motorzylinderwand ist;
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5 ein
vertikaler Schnitt eines Zylinderfutters, befestigt an einem Motorzylinder,
ist; und
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6 ein
vertikaler Schnitt eines Ventilhebers für das Motorventil ist.
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Nachstehend
wird ein Gleitelement mit niedriger Reibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles erläutert. Das
Gleitelement mit niedriger Reibung hat eine Gleitkontaktoberfläche, die
in Gleitkontakt mit einer Gleitkontaktoberfläche eines Gegenstücks über das
Schmieröl
während
der relativen Gleitbewegung des Gleitelements und des Gegenstücks ist.
Die Gleitkontaktoberfläche
des unteren Reibungsgleitelements hat eine Mikrostruktur, die vorgesehen
ist, eine signifikante Reibungsreduzierungswirkung unter verhältnismäßig guten Schmierungsbedingungen
zu zeigen, wenn mit einer so genann ten glatten Gleitkontaktoberfläche im Hinblick auf
einen minimalen Reibungskoeffizienten verglichen wird.
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Nunmehr
wird in Bezug auf die 1 das Gleitelement mit niedriger
Reibung des Ausführungsbeispieles
erläutert.
Wie in der 1 dargestellt, hat das Gleitelement
mit niedriger Reibung eine Gleitkontaktoberfläche 1 mit einer Mehrzahl
von mikroskopischer Aussparungen 2 und einer Mehrzahl von
Plateaus 3, die durch die Aussparungen 2, 2 unterbrochen
sind. Die Aussparung 2 und das Plateau 3 sind
nämlich
alternierend angeordnet. Die Plateaus haben flache Spitzenoberflächen, die
miteinander auf gleicher Höhe
sind. Die Aussparungen 2 haben Tiefen, die in der Gleitrichtung
SD des Gleitelements im Verhältnis
zu einem Gegenstück
(nicht gezeigt) variieren. Hierin bedeutet die Tiefe von jeder der
Aussparung 2 einen Abstand zwischen einem Boden der Aussparung 2 und
einer gedachten Ebene, die durch die Spitzenoberflächen des
Plateaus 3 gebildet wird. Insbesondere, wie in der 1 gezeigt,
haben die Aussparungen 2 eine maximale Tiefe Dd, eine minimale Tiefe
Ds und mittlere Tiefen Dm1, Dm2 zwischen den maximalen und minimalen
Tiefen Dd und Ds, die sich allmählich
in der Gleitrichtung SD verändern.
Die Aussparungen 2 haben die Funktion des Zurückhaltens
von Schmieröl.
Bei der Anordnung der Aussparungen 2 kann die Gleitkontaktoberfläche 1 die Ölrückhaltekapazität und die
Dicke des darauf gebildeten Ölfilms
bei optimalen Werten, die der Veränderung in der Gleitgeschwindigkeit
des Gleitelements oder der Abscherrate des Ölfilms entsprechen, sicher
stellen. Demzufolge kann die Reibung, die auf der Gleitkontaktoberfläche 1 verursacht
wird, signifikant reduziert werden, wenn mit einer glatten Gleitkontaktoberfläche, die
durch ein Feinstziehschleifen gebildet worden ist, verglichen wird.
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Die
Spitzenoberfläche
jedes Plateaus 3 hat vorzugsweise eine arithmetische mittlere
Rauhigkeit Ra von nicht mehr als 0,3 μm. Die arithmetische mittlere
Rauhigkeit Ra ist in dem JIS B 0601-1994 beschrieben. Falls die
Spitzenoberfläche
des Plateaus 3 eine arithmetische mittlere Rauhigkeit Ra
von mehr als 0,3 μm
hat, wird ein Metall- zu-Metall-
Kontakt zwischen der Gleitkontaktoberfläche 1 und der Gleitkontaktoberfläche des Gegenstücks auftreten,
wenn sich das Gleitelement gleitend relativ zu dem Gegenstück bewegt.
Dies verursacht eine Verschlechterung der Wirkung der Reibungsreduzierung.
Wenn außerdem
die Spitzenoberfläche des
Plateaus 3 eine arithmetische mittlere Rauhigkeit Ra von
weniger als 0,01 μm
hat, wird die Wirkung der Reibungsreduzierung nicht mehr verstärkt als
in dem Fall der arithmetischen mittleren Rauhigkeit Ra, die von 0.01 μm bis 0,3 μm reicht.
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Ein
Schmieröl
zum Schmieren des Elements mit niedriger Reibung kann ein Motoröl oder ein
Getriebeöl
sein. Das Gleitelement kann die Wirkung der Reibungsreduzierung
zeigen, wenn es mit Schmieröl
geschmiert wird.
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Ein
Verhältnis
der maximalen Tiefe Dd der Aussparungen 2 zu der minimalen
Tiefe Ds der Aussparungen 2 beträgt vorzugsweise nicht weniger
als zwei vom Gesichtspunkt der Verbesserung in der Reibungsreduzierung.
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Falls
das Verhältnis
der maximalen Tiefe Dd zu der minimalen Tiefe Ds geringer als zwei
ist, sind die maximale Tiefe Dd und die minimale Tiefe Ds näher beieinander.
In diesem Fall wird, wenn die minimale Tiefe Ds und die maximale
Tiefe Dd relativ klein sind, die Wirkung der Reibungsreduzierung
an einem mittleren Punkt des Gleithubes, wo die Gleitbewegung hoch
wird, nicht explizit gezeigt. Umgekehrt wird, wenn die minimale
Tiefe Ds und die maximale Tiefe Dd relativ groß sind, der Ölfilm an
beiden Enden des Gleithubes beseitigt. Überdies kann selbst dann, wenn
das Verhältnis
der maximalen Tiefe Dd zu der minimalen Tiefe Ds nicht geringer
als zehn ist, die Wirkung der Reibungsreduzierung nicht weiter verbessert
werden, obwohl sie von der Gleitbedingung des Gleitelements oder
von dem absoluten Wert der maximalen Tiefe Dd abhängt.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
sind die Aussparungen 2, die voneinander getrennt sind,
in der Form von Nuten, die sich, wie in der 1 gezeigt,
in eine Richtung rechtwinklig zu der Gleitrichtung SD erstrecken. Die
Nuten- förmigen
Aussparungen 2 können
für das
erleichtern der Abgabe des Schmieröls an dem mittleren Punkt des
Gleithubes dienen, wo die Gleitgeschwindigkeit hoch wird. Die Wirkung
der Reibungsreduzierung kann demzufolge als ein Ganzes verbessert
werden. Außerdem
wird infolge der Richtung der Nuten dem Öl gestattet, während der
Gleitbewegung des Gleitelements relativ zu dem Gegenstück auf die
Plateaus 3 gebracht zu werden. Dies kann eine stabile Fluid-
Schmierung zu dem Gleitelement unter Motorbetriebsbedingungen, die
von dem Niedrigdrehzahlbereich zu dem Hochdrehzahlbereich variieren,
schaffen. Insbesondere in einem Fall, wo das Gleitelement auf den
Motorkolbenmantel oder an der Zylinderwand, die die Zylinderbohrung
bildet, angewandt wird, kann ein Motoröl durch die Nuten der Gleitkontaktoberfläche derselben
zurückgehalten
werden und der Ölfilm
kann auf den Plateaus der Gleitkontaktoberfläche derselben stabil gebildet werden.
Dies kann ein Festfressen der Gleitkontaktoberfläche des Kolbenmantels oder
der Zylinderwand relativ zu der entsprechenden Gleitkontaktoberfläche eines
Gegenstücks,
nämlich
eine Motorzylinderwand oder einen Motorkolbenmantel, verhindern.
Der Kolbenmantel der Zylinderwand, zu der das Gleitelement angewandt
wird, kann ausgezeichnete Anti- Fresseigenschaften zeigen.
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Jede
Aussparung 2, die in einer Nut gebildet ist, hat die Breite
Wg, die sich auf der Mittellinie C einer Rauhigkeitskurve der Gleitkontaktoberfläche 1 erstreckt.
Jedes Plateau 3 hat eine Breite Wh, die sich auf der Mittellinie
C der Rauhigkeitskurve der Gleitkontaktoberfläche 1 erstreckt. Das
Verhältnis
Wg/Wh der Breite Wg des Aussparung (der Nut) 2 zu der Breite
Wh des Plateaus 3 beträgt
vorzugsweise nicht weniger als 1/10. Falls das Verhältnis Wg/Wh
nicht geringer als !/10 ist, können
die Wirkung des Zurückhaltens
von Öl
der Nuten und die Wirkung der Ölabgabe
nicht ausreichend erhalten werden, so dass sich die Wirkung der
Reibungsreduzierung vermindern wird. Außerdem kann das Verhältnis Wg/Wh
innerhalb eines Bereichs von 1/5 bis 5 an einem vorbestimmten Abschnitt
der Gleitkontaktoberfläche,
die die maximale Gleitreibung verursacht, sein. Insbesondere wird
die maximale Gleitreibung an dem mittleren Punkt des Gleithubes
verursacht, wo die Gleitgeschwindigkeit hoch wird. Falls das Verhältnis Wg/Wh
geringer als 1/5 an dem mittleren Punkt des Gleithubes ist, können die
Wirkung des Zurückhaltens
von Öl
der Nuten und die Wirkung der Ölabgabe
nicht ausreichend erhalten werden. Falls das Verhältnis Wg/Wh
an dem mittleren Punkt des Gleithubs überschreitet, wird die Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Belastung der Plateaus 3 verschlechtert, um dadurch Verschleiß an dem
Plateau 3 zu verursachen.
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Das
Verhältnis
Dd/hc der maximalen Tiefe Dd der Aussparungen (der Nuten) 2 zu
der dicke hc eines Schmierölfilms,
der auf einem Plateau 3 gebildet ist, innerhalb eines Bereiches
der Gleitkontaktoberfläche sein,
wo die maximale Gleitreibung verursacht wird. Hierin ist die Dicke
hc ein berechneter Wert der Dicke des Schmierölfilms, der auf den Plateaus 3 gebildet
wird. Infolge der Beziehung zwischen der maximalen Tiefe Dd der
Aussparungen (der Nuten) 2 und Dicke hc des Ölfilms,
kann die Abgabe des Öls
geeignet gesteuert werden, um dadurch die Wirkung der Reibungsreduzierung
des Gleitelements zu verstärken.
Falls das Verhältnis Dd/hc
geringer als 2 ist, wird die Wirkung der Ölabgabe verschlechtert, um
dadurch die Wirkung der Reibungsreduzierung zu verringern. Umgekehrt,
wenn das Verhältnis
Dd/hc nicht größer als
10 ist, wird sich eine Menge des abgegebenen Öls nicht übermäßig erhöhen, so dass der Ölfilm, der
eine ausreichende Dicke hat, nicht auf den Plateaus 3 gebildet
werden wird. Außerdem
kann die maximale Tiefe Dd der Aussparungen (der Nuten) 2 innerhalb
eines Bereichs von 5 bis 30 μm
sein, wodurch die Ölabgabewirkung
verschlechtert werden wird, so dass die Wirkung der Reibungsreduzierung
vermindert wird. Falls die maximale Tiefe Dd der Aussparungen (der
Nuten) 2 größer als
30 μm ist,
wird sich die Ölabgabemenge übermäßig erhöhen, um
dadurch eine unzureichende Dicke des auf den Plateaus 3 gebildeten Ölfilms zu
verursachen. Inzwischen kann, in einem Fall, wo das Gleitelement
auf die Motorteile, z. B. auf einen Kolben und einen Zylinderwand,
für Kraftfahrzeuge
angewandt wird, die unter der Bedingung verwendet werden, dass eine
Motordrehzahl, eine Motorölviskosität und ein
berechneter Wert der Ölfilmdicke
hc beträchtlich
verändert
werden, dem Verhältnis
Dd/hc eine hohe Priorität
gegeben werden.
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Außerdem sind
die Aussparungen (die Nuten) 2 zwischen gegenüberliegenden
Endabschnitten der Gleitkontaktoberfläche gebildet, die in der Gleitrichtung
SD gebildet ist. Die gegenüberliegenden
Endabschnitte der Gleitkontaktoberfläche entsprechen den beiden
Enden des Gleithubes. Die Aussparungen (die Nuten) 2 sind
vorzugsweise leicht innerhalb der gegenüberliegenden Endabschnitte
der Gleitkontaktoberfläche
positioniert. Dies ist wegen einer Gleittangente, die eine Tangente
zu der Gleitkontaktoberfläche
in der Gleitrichtung bedeutet, beendet an den beiden Enden des Gleithubes,
so dass der Ölfilm
daran gehindert wird, an die beiden gegenüberliegenden Endabschnitte
der Gleitkontaktoberfläche
gebracht zu werden. Dies verursacht Verschleiß an den gegenüberliegenden
Endabschnitten der Gleitkontaktoberfläche. Demzufolge werden selbst
dann, wenn die Aussparungen (die Nuten) 2 an den gegenüberliegenden
Endabschnitten der Gleitkontaktoberfläche gebildet sind, die Aussparungen
(die Nuten) 2 in einem verhältnismäßig kurzen Zeitraum verschlissen. Überdies
sind vorzugsweise die Tiefen der Aussparungen (der Nuten) 2 an
dem vorbestimmten Abschnitt der Gleitkontaktoberfläche, die
dem mittleren Punkt des Gleithubes entspricht, ein Maximum und werden
allmählich
vermindert, wie die Aussparungen (die Nuten) 2 von dem
vorbestimmten Abschnitt der Gleitkontaktoberfläche weiter entfernt sind. Es
werden nämlich
die Tiefen der Aussparungen (der Nuten) 2 von einem der
gegenüberliegenden
Endabschnitte der Gleitkontaktoberfläche in die Richtung zu dem
vorbestimmten Abschnitt der Gleitkontaktoberfläche allmählich erhöht und dann in die Richtung
des anderen der gegenüberliegenden
Endabschnitte derselben allmählich
vermindert. Dies kommt daher, weil die Gleitgeschwindigkeit der Gleittangente
in der Richtung zu dem mittleren Punkt des Gleithubes allmählich hoch
wird.
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Das
Gleitelement kann in Kombination mit einem Gegenstück verwendet
werden, das eine Gleitkontaktoberfläche mit einer arithmetischen
mittleren Rauhigkeit Ra von nicht mehr als 0,3 μm hat. Falls die arithmetische
mittlere Rauhigkeit Ra größer als
0,3 μm ist,
wird ein Metall- zu- Metall- Kontakt zwischen den Gleitkontaktoberflächen in
Abhängigkeit
von der Reibungsbedingung verursacht. Obwohl die arithmetische mittlere Rauhigkeit
Ra vorzugsweise kleiner ist, wird die Wirkung der Reibungsreduzierung
nicht weiter verstärkt
werden, selbst wenn die arithmetische mittlere Rauhigkeit Ra kleiner
als 0,1 ist.
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Das
Gleitelement entsprechend der technischen Lehre kann in verschiedenen
Motorteilen, die einen Kolbenmantel, eine Zylinderwand, die die
Zylinderbohrung bildet, ein Zylinderfutter und einen Ventilheber
enthalten, angewandt werden. 3 zeigt
den Kolbenmantel 110 des Motorkolbens 100. 4 zeigt
die Zylinderwand 210 des Motorzylinderblocks 200,
die die Zylinderbohrung 212 bildet. 5 zeigt
ein Zylinderfutter 300, befestigt in der Zylinderbohrung 212,
und mit einer Gleitkontaktoberfläche 310. 6 zeigt
einen Ventilheber 400, der eine Seitenwand 410 mit
einer Gleitkontaktoberfläche
hat. Die Motorteile, mit denen das Gleitelement anwendbar ist, sind
nicht auf die in den 3–6 gezeigten
begrenzt. Infolge der Anwendung auf die Motorteile können der
Reibungsverlust und die Verschleißgröße, die in dem Motor verursacht
werden, reduziert werden, so dass die Motorleistung für einen
relativ langen Zeitraum besser beibehalten werden kann und die Kraftstoffökonomie
bemerkenswert verbessert werden kann.
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Die
technische Lehre wird ausführlicher
mittels beispielhafter Beispiele durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben:
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Beispiele 1–16
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Probestücke eines
Gleitelementes wurden unter Verwendung eines aus Gusseisen hergestellten
flachen Blechs, das im Wesentlichen zum Bilden einer Motorzylinderwand
verwendet wird, präpariert.
Die Stücke wurden
einem Schleifen, einer Oberflächenbearbeitung
für mikroskopisch
kleine Aussparungen und Läppen unterworfen,
während
die Bearbeitungsbedingungen verändert
wurden, um eine Gleitkontaktoberfläche zu bilden, die in der Tabelle
1 gezeigt sind. Die Eigenschaften der Gleitkontaktoberfläche enthalten
eine Oberflächenrauhigkeit
Ra der Plateau- Spitzenoberfläche,
das Verhältnis
Dd/Ds der maximalen Tiefe Dd der Nuten zu der minimalen Tiefe Ds
derselben, das Verhältnis
Wg/Wh der Nutbreite Wg, die sich auf der Mittellinie der Rauhigkeitskurve
der Gleitkontaktoberfläche
erstreckt, zu der Plateaubreite Wh, die sich auf der Mittellinie
derselben erstreckt, und ein Verhältnis Dd/hc der maximalen tiefe
Dd der Nuten, um die Dicke hc des Ölfilms, die an dem mittleren
Punkt des Gleithubs gebildet wird, zu berechnen. Bei der Oberflächenbearbeitung
für mikroskopische
kleine Aussparungen wurden die mikroskopischen Nuten, wie in der 1 mit 2 angezeigt,
rechtwinklig zu der Gleitrichtung gebildet und in solch einer Weise
konfiguriert, dass die Tiefen an beiden Enden des Gleithubes ein
Minimum waren und allmählich
in der Richtung zu dem mittleren Punkt des Gleithubs erhöht wurden.
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Als
nächstes
wurden die so vorbereiteten Probestücke in einer in der 2 gezeigten
hin- und hergehenden Gleit- Testeinrichtung installiert und einem
Gleitreibungstest unterzogen, um die Wirkung der Reibungsreduzierung
zu bewerten. Wie in der 2 gezeigt, war das Probestück T mit
dem Gegenstück
P in Kontakt, das einen im Wesentlichen in der Schnittdarstellung
einen U- förmigen
Umriss hat. Das Gegenstück
P hatte eine Krümmung
R30 an einem Spitzenende desselben und eine Chrom- Plattierung,
vorgesehen für
einen Kolbenring. Während
des Abtropfens von Motoröl
L auf die Gleitkontaktoberfläche
des Probestücks
T, wurde das Probestück
T relativ zu dem Gegenstück
P in solch einer Weise verschoben, dass die Gleitkontaktoberfläche des
Probestücks
T mit der Oberfläche
des Gegenstücks
P in Linienkontakt kam. Die Prüfbedingungen
waren wie folgt.
- Gegenstück
P: hergestellt aus JIS S40C mit Chrom- Plattieren, das ein R30 Spitzenende
hat;
- Motoröl
L: 5W-30, aufgelistet in „ENGINE
OIL VISKOSITY CLASSIFIKATION-SAE
J300, revidiert APR97, 1999 CLASSIFIKATION AND SPECIFICATIONS AUTOMOTIVE
LUBRICANTS", SG
aufgelistet in „API
SERVICE CATEGORIES AND ILSAC STANDARDS ENGINE TEST LIMITS, 1999
CLASSIFIKATION AND SPECIFICATIONS AUTOMOTIVE LUBRICANTS", durch Tropfschmierung;
- Öltemperatur:
100° C;
- aufgebrachte Last W: 3 kg;
- Drehzahl: 700 U/min;
- hin- und hergehender Hub S: 30 mm.
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Die
Prüfergebnisse
sind in der Tabelle 1 gezeigt.
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Vergleichsbeispiele 1–2
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Die
Probestücke
wurden in derselben Weise präpariert,
wie in den Beispielen 1–16
beschrieben, mit der Ausnahme, dass die Gleitkontaktoberfläche der
Probestücke
des Vergleichsbeispiels 1 eine glatte Oberfläche war, die keine Nuten hatte,
und dass die Gleitkontaktoberfläche
des Probestücks
des Vergleichsbeispiels 2 eine kreuz- schraffierte Mikrostruktur
hatte, in der V- förmige
Nuten, die im Wesentlichen dieselbe Tiefe hatten, gebildet waren.
Die so vorbereiteten Probestücke
wurden einer Gleitreibungsprüfung
in derselben Weise und unter denselben Bedingungen, wie sie in den
Beispielen 1–16
beschrieben sind, unterzogen.
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Es
ist zu beachten, dass die Oberflächenrauhigkeit
Ra der Plateau- Spitzenoberfläche,
das Verhältnis Dd/Ds
der maximalen Tiefe Dd zu der minimalen Tiefe Ds der Nuten, das
Verhältnis
Wg/Wh der Nutbreite zu der Plateaubreite und das Verhältnis Dd/hc
der maximalen Tiefe Dd der Nuten zu der berechneten Ölfilmdicke hc
innerhalb des bevorzugten Bereiches in den Beispielen 1–11 waren.
Die Gleitelemente der Beispiele 1–11 hatten die Wirkung der
Reibungsreduzierung, die um 30 % oder mehr erhöht waren, wenn mit dem Gleitelement
verglichen wurde, das eine so genannte glatte Oberfläche hat, ähnlich zu
dem Vergleichsbeispiel 1, das im Wesentlichen als effektiv betrachtet
wird, um den Reibungskoeffizient zu reduzieren. Außerdem hatten
die Gleitelemente der Beispiele 1–11 die Ölrückhaltefunktion verstärkt, wenn
mit dem Gleitelement mit der so genannten glatten Oberfläche verglichen
wird, um dadurch ausgezeichnete Anti- Fress-Eigenschaften zu zeigen.
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Es
wurde gefunden, dass die Gleitkontaktoberfläche des Gleitelementes von
Beispiel 12 eine Oberflächenrauhigkeit
Ra der Plateau- Spitzenoberfläche
hatte, die größer als
die des Beispieles 1 war, weil die Gleitkontaktoberfläche nicht
dem Läppen
unterzogen wurde. Infolge der größeren Oberflächenrauhigkeit
der Plateau- Spitzenoberfläche
hatte die Gleitkontaktoberfläche
ein Abnutzen und einen relativ hohen Reibungskoeffizient. Außerdem wurde
es gefunden, dass das Verhältnis
Dd/Ds der maximalen Tiefe Dd der Nuten zu der minimalen Tiefe Ds
derselben in der Gleitkontaktoberfläche des Gleitelementes von
Beispiel 13 der relativ kleine Wert, d. h. 1,5, war, so dass der
Reibungskoeffizient an dem mittleren Punkt des Gleithubes ein wenig
groß war.
Auch in einem Beispiel 13 wurde es beobachtet, dass die Tiefe der
Nuten, die in der Nähe
beider Enden des Gleithubes angeordnet waren, bei denen die Gleitgeschwindigkeit
niedrig war und der Ölfilm
dazu tendierte beseitigt zu werden, ein wenig größer, d. h., ungefähr 10 μm, war, um
dadurch ohne Weiteres davon das Öl abzugeben.
Als ein Ergebnis wurde ein leichtes Abnutzen in der Gleitkontaktoberfläche verursacht.
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In
dem Beispiel 14 war das Verhältnis
Wg/Wh der Nutbreite Wg, die sich auf der Mittellinie der Rauhigkeitskurve
der Gleitkontaktoberfläche
erstreckt, zu der Plateaubreite Wh, die sich zu der Mittellinie
derselben erstreckt, relativ klein, so dass der Reibungskoeffizient
etwas groß war.
In dem Beispiel 15 war das Verhältnis
Dd/hc der maximalen Tiefe Dd der Nuten zu der berechneten Dicke
hc des Ölfilm,
der an dem mittleren Punkt des Gleithubes gebildet war, etwas klein.
Ein absoluter Wert der maximalen Tiefe Dd der Nuten war relativ
klein, d. h., 3 μm.
Der Reibungskoeffizient war etwas groß. In dem Beispiel 16 war die
maximale Tiefe Dd der Nuten relativ groß, d. h., 40 μm, so dass
der Reibungskoeffizient an dem mittleren Punkt des Gleithubes etwas
groß war.
Auch in dem Beispiel 16 wurde es beachtet, dass die Tiefen der Nuten,
die in der Nähe
beider Enden des Gleithubs angeordnet waren, etwas groß waren,
um dadurch ohne weitere das Öl
abzugeben und ein leichtes Abnutzen der Gleitkontaktoberfläche hervorzurufen.
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Andererseits
zeigte jedes der Gleitelemente des Vergleichsbeispiels 1, das eine
glatte Oberfläche
hatte, und das Gleitelement des Vergleichsbeispiels 2, das die große Plateau-
Oberflächenrauhigkeit
Ra hatte, den großen
Reibungskoeffizient.