DE102008036796B4

DE102008036796B4 - Verfahren zum Erhöhen der Reibung zwischen reibschlüssig verbundenen Bauteilen und Anordnung zweier reibschlüssig verbundener Bauteile

Info

Publication number: DE102008036796B4
Application number: DE200810036796
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Mayer Ralph; Prof. Dr.-Ing. Gropp Herbert
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-08-07
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2013-07-25
Anticipated expiration: 2028-08-08
Also published as: DE102008036796A1

Abstract

Verfahren zum Erhöhen der Reibung zwischen reibschlüssig verbundenen Bauteilen (10', 12'), bei welchem zwischen reibschlüssig zusammenwirkenden Flächen (14, 16) der Bauteile (10', 12') in diese Flächen (14, 16) einbringbare Hartstoffkörper (20) angeordnet werden, wobei die Hartstoffkörper (20) für die Montage der Bauteile (10', 12') in einer nichtmetallischen Matrix (26) eingebettet werden, wobei als Matrix (26) ein flüssiges Medium verwendet wird, das während der Montage der Bauteile verfestigt und gefroren wird und die gefrorene Matrix (26) dann bei der Montage durch Erwärmen oder Druckbeaufschlagung verflüssigt und aus dem Spalt zwischen den Bauteilen ausgepresst, verflüchtigt, verdampft, verdunstet oder sublimiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der Reibung zwischen reibschlüssig verbundenen Bauteilen mit den Merkmalen von Patentanspruch 1, sowie eine Anordnung zweier reibschlüssig verbundener Bauteile nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
Es ist bekannt, auf die Fügestellen von reibschlüssig verbundenen Bauteilen reibungserhöhende Beschichtungen aufzubringen. Durch derartige Beschichtungen kann die Momentenübertragungsfähigkeit derartiger reibschlüssiger Verbindungen erhöht werden. Allgemein bekannt ist beispielsweise ein Verfahren, durch chemische Behandlungsschritte eine Nickelmatrix auf den Reibflächen der Bauteile zu erzeugen, in welche Hartstoffpartikel, beispielsweise aus Diamant oder Siliciumcarbid eingebracht werden. Beim Verbinden der beiden Reibflächen werden diese Hartstoffpartikel in den metallischen Grundkörper der Bauteile eingepresst, wodurch der Reibwert der Verbindung deutlich erhöht wird.
Die DE 23 64 275 A1 offenbart weiterhin eine Einrichtung zum Verhindern von Relativbewegungen zwischen gegeneinander verspannten, reibschlüssigen zusammenwirkenden Bauteilen, bei welcher auf einer vorher aufgerauten Oberfläche durch Stickstoffdiffusion Metallnitride erzeugt werden. Beim Verspannen der Bauteile gegeneinander über diese Oberfläche wird diese Nitridschicht aufgebrochen, wodurch zwischen die Reibflächen der Bauteile harte Nitridpartikel eingebracht werden, welche sich beim weiteren Verspannen der Bauteile in die Bauteiloberflächen eindrücken.
Aus der AT 149 136 B ist ein Haftmittel zur Erhöhung der Haftung sich berührender Flächen von gegeneinander dauernd unverschieblichen Maschinen- und Konstruktionsteilen bekannt. Das Haftmittel weist fein verteilte Haftkörner splittriger, kantiger oder runder Form auf.
Die DE 198 23 928 A1 offenbart ein Verbindungselement zur reibungserhöhenden Verbindung von zu fügenden Werkstücken. Es besteht aus einer dünnen flexiblen Schicht mit Partikeln, mit einer höheren Druck- und Scherfestigkeit, als derjenigen der zu fügenden Werkstücke.
Aus der US 3,692,341 A ist eine Verbindung von Stahlwerkstücken bekannt, die eine Schicht aus Korrosionsschutzmaterial, wie einem Primer oder einer Galvanisierung aufweist. Diese Schicht enthält eine zusätzliche Schicht eines Reibmaterials aus Binder und Reibpartikeln.
In der US 4,154,276 A wird eine Beschichtung auf einer Befestigungsschraube offenbart. Die Beschichtung enthält Strahlsand in einem Harz, welche sich zwischen der Schraube und dem Werkstück einlagern. Hierdurch wird das Drehmoment zum Lösen der Schraube erhöht.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren benötigen in der Regel eine Mehrzahl chemischer Behandlungsschritte sowie eine aufwendige Oberflächenvorbehandlung. Diese sind teuer, energetisch aufwendig und oftmals aus Umweltschutzgründen nicht wünschenswert.
Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erhöhen der Reibung zwischen reibschlüssig verbundenen Bauteilen bereitzustellen, welches mit möglichst wenig Schritten auskommt und dabei sowohl kostengünstig als auch umweltfreundlich ist. Des Weiteren ist es Aufgabe, eine Anordnung mit zwei reibschlüssig verbundenen Bauteilen zu schaffen, die kostengünstig herstellbar ist und stabil ist.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, und eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.
Bei dem Verfahren werden zwischen reibschlüssig zusammenwirkende Flächen zweier reibschlüssig verbundener Bauteile in diese Flächen eindrückbare Hartstoffkörper angeordnet, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Hartstoffkörper in einer nichtmetallischen Matrix eingebettet sind.
Durch den Verzicht auf eine Einbettung in eine zusätzliche metallische Matrix können somit vorteilhaft mehrere chemische Behandlungsschritte eingespart werden, welche gemäß dem Stand der Technik beispielsweise für die Erzeugung einer Nickelmatrix oder für das Nitrieren einer Stahloberfläche nötig gewesen wären. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich dabei insbesondere für die Anwendung bei Bauteilen, bei denen kein wiederholtes Lösen und Fügen erforderlich ist. Eine homogene Verteilung der Hartstoffkörper ist daher nur beim erstmaligen Fügen erforderlich. Durch die Verwendung einer nichtmetallischen Matrix kann weiterhin auf eine vorherige aufwendige Oberflächenbehandlung, wie beispielsweise chemisches Entgraten oder Reinigen der Oberflächen verzichtet werden.
Bevorzugt wird bei einem derartigen Verfahren eine flüchtige, trocknende oder aushärtende Matrix verwendet. Im Falle einer flüchtigen oder trocknenden Matrix dient die Matrixsubstanz also nur dem erstmaligen homogenen Anordnen der Hartstoffkörper. Nach dem erstmaligen Fügen der beiden reibschlüssig verbundenen Bauteile verdampft oder verflüchtigt sich das Matrixmaterial, so dass zwischen den Reibflächen lediglich die Hartstoffkörper zurück bleiben und den Reibwert der reibschlüssigen Verbindung erhöhen.
Bei der Verwendung von flüssigen nichtmetallischen Matrizen kann die Ausrichtung der Hartstoffkörper in eine Vorzugsorientierung und/oder eine Vorzugsverteilung durch das Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes weiter optimiert werden. Je nach Natur der Hartstoffpartikel kann dies unmittelbar durch den Einfluss des Feldes geschehen, nämlich wenn magnetische oder geladene Partikel verwendet werden, welche sich selbst entlang der Feldlinien ausrichten können. Bei der Verwendung nichtmagnetischer Hartstoffkörper kann eine derartige Ausrichtung durch Hinzugabe von Zusatzstoffen, welche sich selbst in magnetischen oder elektrischen Feld auszurichten vermögen und damit mittelbar die Ausrichtung der Hartstoffkörper beeinflussen, erzielt werden.
Es ist weiterhin vorteilhaft, eine Matrix aus einem flüssigen Medium zu verwenden, wobei das Medium während der Montage der Bauteile verfestigt, insbesondere gefroren wird. Im einfachsten Fall ist so die Verwendung von Wasser möglich, in welchem die jeweiligen Hartstoffkörper suspendiert sind. Während des Fügeprozesses wird diese flüssige Matrix gefroren, um ein Positionieren der reibschlüssig zu verbindenden Bauteile in allen Lagen zu ermöglichen.
Sollen die Bauteile montiert werden, während eine flüssige oder gelartige Matrix auf zumindest eine Reibfläche aufgebracht ist, so kann eine freie Lageorientierung der Bauteile dadurch gewährleistet werden, dass ein Randbereich der reibschlüssig zusammenwirkenden Flächen der Bauteile durch ein Montagewerkzeug begrenzt wird, um so ein Ausfließen der Matrix zu verhindern. Der gleiche Effekt kann durch die Verwendung von Bauteilen erzielt werden, bei welchen die Randbereiche der reibschlüssig zusammenwirkenden Flächen eine Erhöhung, einen Steg oder dergleichen aufweisen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zweier reibschlüssig verbundener Bauteile, welche über jeweilige reibschlüssig zusammenwirkende Flächen verbunden sind, wobei zwischen den Flächen Hartstoffkörper angeordnet sind. In erfindungsgemäßer Ausführung der Anordnung umfassen diese Hartstoffkörper Diamant, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Wolframcarbid, Bornitrid oder ähnlichen Keramiken, insbesondere bestehend aus einer oder mehreren der genannten Komponenten. Durch die besondere Härte der genannten Werkstoffe kann eine bereits eingangs geschilderte Reibungserhöhung zwischen den reibschlüssig zusammenwirkenden Flächen auch bei besonders hochwertigen Werkstoffen der Bauteile erzielt werden. Insbesondere ist derart eine Reibungserhöhung auch bei Bauteilen aus Nitrierstählen, Vergütungsstählen und dergleichen zu erzielen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass diese Hartstoffkörper unter Bildung eines Mikroformschlusses in die beiden Flächen der beiden Bauteile eingedrückt sind. Damit wird vorteilhafter Weise ein Mikroformschluss direkt zwischen den beiden Bauteilen erzielt, ohne dass die Vermittlung der Wechselwirkung durch eine metallische Matrix, insbesondere eine Nickelmatrix, nötig ist.
In weiterer Ausgestaltung einer derartigen Anordnung ist es vorgesehen, dass wenigstens eine der Flächen in einem Randbereich eine Erhöhung, einen Steg oder dergleichen aufweist. Damit ist das Aufbringen der Hartstoffkörper in einer flüssigen Matrix mittels eines eingangs geschilderten Verfahrens ermöglicht.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung einer reibungserhöhenden Verbindung zweier reibschlüssig verbundener Bauteile, welche mittels eines Verfahrens nach dem Stand der Technik erzeugt wurde, und
2A und B zwei Schritte der Montage zweier reibschlüssig verbundener Bauteile, wobei zum Erhöhen der Reibung zwischen den Bauteilen ein erfindungsgemäßes Verfahren Einsatz findet.
1 zeigt eine reibschlüssige Verbindung zweier Bauteile 10 und 12, wobei die Reibung zwischen den Reibflächen 14 und 16 unter Einsatz eines konventionellen Verfahrens erhöht wurde. Hierzu wurde auf die Reibfläche 14 des ersten Bauteils 10 chemisch eine Nickelmatrix 18 abgeschieden, in welche während der Abscheidung scharfkantige Hartstoffkörper 20, die der Übersichtlichkeit halber nicht alle bezeichnet sind, eingebettet wurden. Beim Verspannen des ersten Bauteils 10 mit dem zweiten Bauteil 12 dringen die Hartkörper in die Reibfläche 16 des zweiten Bauteils 12 ein, wodurch sich ein Mikroformschluss zwischen dem zweiten Bauteil 12 und der mit dem ersten Bauteil 10 verbundenen Nickelmatrix 18 ergibt. Dadurch wird der Reibwert der reibschlüssigen Verbindung zwischen den Bauteilen 10 und 12 deutlich erhöht.
Das Aufbringen der nichtgalvanisch abgeschiedenen Nickelschicht 18 ist jedoch ein hochgradig aufwendiger Prozess. Die Oberfläche 14 des ersten Bauteils 10 muss vor dem Vernickeln aufwendig vorbehandelt werden. Unter anderem muss nach einer mechanischen Vorbehandlung der Reibfläche 14 diese durch Warmentfetten von hydrophoben Substanzen befreit werden und anschließend sauer oder alkalisch gebeizt werden. In der Regel schließt sich hieran ein weiterer elektrolytischer Entfettungsschritt mit anschließendem Dekapieren der Oberfläche 14 an, bevor die Nickelmatrix 18 aufgebracht werden kann. Ein solches Verfahren ist nicht nur prozesstechnisch aufwendig, es fallen auch große Mengen an Abfallprodukten an, welche zur Einhaltung von Umweltstandards aufwendig entsorgt werden müssen. Ein weiterer Nachteil der dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren ist ebenfalls deutlich in 1 zu erkennen. Die Hartkörper 20 dringen aufgrund ihrer Einbettung in die Nickelmatrix 18 lediglich in den Grundkörper des zweiten Bauteils 12 ein. Gegenüber dem Bauteil 10 werden sie ausschließlich durch die Nickelmatrix 18 gehalten, weswegen die maximale Scherbelastbarkeit im Wesentlichen durch die Haftung der Nickelmatrix 18 auf der Oberfläche 14 des ersten Bauteils 10 bestimmt wird.
Diese Probleme treten bei einem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf, wie in den 2A und B anhand eines Ausführungsbeispiels zu erkennen ist. 2A zeigt dabei ein erstes Bauteil 10' vor dem Herstellen der eigentlichen reibschlüssigen Verbindung. Die Reibfläche 14 des Bauteils 10 ist dabei zum Rand hin mit einem Steg 22 begrenzt. In dem von diesem Steg 22 umgebenen Bereich 24 wird nun zunächst eine nichtmetallische Matrix 26 mit Hartstoffkörpern 20 eingebracht. Die Matrix 26 ist dabei bevorzugt flüssig oder gelartig gehalten, wobei der Steg 22 ein Ausfließen der Matrix 26 verhindert. Bei den Hartstoffkörpern 20 kann es sich um Diamantpartikel, aber auch um Hochleistungskeramiken wie Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Wolframcarbid oder dergleichen handeln. In der einfachsten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei Matrix 26 um Wasser, welches, um ein Fügen in allen Positionen des Bauteils 10' zu ermöglichen, nach Aufbringen auf die Fläche 14 gefroren werden kann. Im gefrorenen Zustand der Matrix 26 kann nun, wie in 2B dargestellt ein zweites Bauteil 12' mit dem Bauteil 10' verspannt werden. Durch Erwärmen oder entsprechende Druckbeaufschlagung verflüssigt sich das Wasser der Matrix 26 wieder und wird aus dem Spalt zwischen den Bauteilen 10' und 12' ausgepresst beziehungsweise kann verdunsten oder sublimieren. Dadurch werden die Hartstoffkörper 20 sowohl in die Oberfläche 14 des Bauteils 10' als auch in die Oberfläche 16 des Bauteils 12' eingepresst. Die Reibkraft zwischen den beiden Flächen 14 und 16 wird daher durch einen Mikroformschluss, welcher durch die Hartstoffkörper vermittelt wird, stark erhöht. Im Gegensatz zum in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik entsteht der Mikroformschluss tatsächlich zwischen den Bauteilen 10' und 12' ohne Vermittlung einer metallischen Matrix, welche auf eine der Oberflächen 14 oder 16 aufgebracht ist. Die maximale Scherbelastung zwischen den Oberflächen 14 und 16 ist daher im in 2B gezeigten Beispiel wesentlich höher, da sie nicht durch die Haftkraft einer metallischen Matrix auf einer der Oberflächen 14 oder 16 limitiert wird.
Ist die Lageausrichtung des Bauteils 10' gegenüber dem Bauteil 12' bei der Montage nicht von Bedeutung, so kann auch auf das Gefrieren der Matrix 26 verzichtet werden. Es ist dann beispielsweise auch möglich, teilweise oder vollständig organische Lösungsmittel zu benutzen, welche noch leichter aus dem Spalt zwischen den Bauteilen 10' und 12' verdampfen können. Alternativ hierzu können auch aushärtende Matrizen verwendet werden. Durch die Anpresskraft beim Fügen der Bauteile 10' und 12' wird überflüssiges Matrixmaterial durch den Spalt zwischen den Bauteilen abgepresst, und lediglich der zwischen den Bauteilen verbleibende Anteil kann aushärten, nachdem sich die Hartstoffkörper bereits in die Oberflächen 14 und 16 eingeschnitten haben. Damit wird vorteilhaft noch ein zusätzlicher Stoffschluss zwischen den Flächen erzielt.
Um eine Gleichverteilung oder eine Vorzugsausrichtung der Hartstoffkörper 20 in der Matrix 26 zu erzielen, ist es weiterhin möglich, diese mittelbar oder unmittelbar durch Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes auszurichten. Im Falle von geladenen oder auch ferromagnetischen Hartstoffkörpern 20 kann eine derartige Ausrichtung unmittelbar ausgeführt werden. Die Hartstoffkörper 20 selbst richten sich dann nach Anlegen des entsprechenden Feldes an den Feldlinien aus. Im Falle von ungeladenen und nicht ferromagnetischen Hartstoffkörpern 20 kann eine derartige Ausrichtung erzielt werden, indem entsprechende geladene beziehungsweise ferromagnetische Zusatzstoffe in die Matrix 26 eingebracht werden. Ein Beispiel für solche Zusatzstoffe wären unter anderem geladene langkettige Polymere, welche sich in einem externen Feld unter Streckung entlang der Feldlinien ausrichten und damit benachbarte Hartstoffkörper 20 ebenfalls entlang dieser Vorzugsrichtungen anordnen. Durch eine derart optimierte Ausrichtung der Hartstoffkörper 20 können dabei besonders homogene Flächenpressungen erzielt werden, was den Verschleiß der Bauteile 10' und 12' weiter reduziert.

Claims

Verfahren zum Erhöhen der Reibung zwischen reibschlüssig verbundenen Bauteilen (10', 12'), bei welchem zwischen reibschlüssig zusammenwirkenden Flächen (14, 16) der Bauteile (10', 12') in diese Flächen (14, 16) einbringbare Hartstoffkörper (20) angeordnet werden, wobei die Hartstoffkörper (20) für die Montage der Bauteile (10', 12') in einer nichtmetallischen Matrix (26) eingebettet werden, wobei als Matrix (26) ein flüssiges Medium verwendet wird, das während der Montage der Bauteile verfestigt und gefroren wird und die gefrorene Matrix (26) dann bei der Montage durch Erwärmen oder Druckbeaufschlagung verflüssigt und aus dem Spalt zwischen den Bauteilen ausgepresst, verflüchtigt, verdampft, verdunstet oder sublimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einbettung der Hartstoffkörper (20) eine flüssige Matrix (26) verwendet wird, wobei die Hartstoffkörper (20) unmittelbar oder mittelbar unter Mitwirkung zugesetzter Zusatzstoffe durch ein magnetisches oder elektrisches Feld in einer Vorzugsorientierung und/oder einer Vorzugsverteilung ausgerichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Montage der Bauteile (10', 12') ein Randbereich der reibschlüssig zusammenwirkenden Flächen (14, 16) durch ein Montagewerkzeug begrenzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Bauteile (10', 12') verwendet werden, bei welchen Randbereiche (22) der reibschlüssig zusammenwirkenden Flächen (14, 16) eine Erhöhung oder einen Steg aufweisen.
Anordnung zweier reibschlüssig verbundener Bauteile (10', 12'), welche über jeweilige reibschlüssig zusammenwirkende Flächen (14, 16) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Flächen (14, 16) ausschließlich Hartstoffkörper (20), umfassend zumindest eine der Komponenten Diamant, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Wolframcarbid, Bornitrid angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffkörper (20) unter Bildung eines Mikroformschlusses in beide Flächen (14, 16) eingedrückt sind.
Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Flächen (14, 16) in einem Randbereich (22) eine Erhöhung oder einen Steg aufweist.