DE102009000210A1

DE102009000210A1 - Element sowie Verfahren

Info

Publication number: DE102009000210A1
Application number: DE200910000210
Authority: DE
Inventors: Gerd Dornhoefer; Matthias Monte De
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2010-07-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Element (1) mit einer Oberfläche (5). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Oberfläche (5) mit einer einem Schmiermittel eine Vorzugsfließrichtung (8) vorgebende Oberflächenkapillaritätsstruktur (7) versehen ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein, insbesondere mit Schmiermittel geschmiertes Element gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit mindestens einem derartigen Element gemäß Anspruch 13.
Fast alle fettgeschmierten Systeme funktionieren in der Form, dass das Fett im Betrieb von der Reibstelle durch den ständigen Reibkontakt zu einem Reibpartner verdrängt wird und sich in der Nähe der Reibstelle an einer ungestörten Stelle sammelt. Ab diesem Zeitpunkt funktioniert die Schmierung allein durch die ständige Ölabgabe des Fettes zur Reibstelle hin. Dies betrifft Getriebe, insbesondere Kunststoffgetriebe, oder auch Gleitführungen, Lager sowie pneumatische oder hydraulische Systeme, wie Kolben-Zylindereinheiten. An der Reibstelle besteht das Problem, dass Mangelschmierungszustände auftreten können, sobald das Fett von der Reibstelle verdrängt wurde. Diese Mangelschmierungszustände sind umso wahrscheinlicher, je konsistenter das eingesetzte Fett ist, denn mit zunehmender Konsistenz verringert sich die zeit- und temperaturabhängige Ölabgabe. Weiterhin wird der Öltransport zur Reibstelle hin behindert durch sehr glatte Oberflächen, sehr weite Fluidtransportwege, insbesondere bei großen Tribokontaktflächen, dauerhaft tiefe Temperaturen, weil dann die Ölabgabe des Fettes aus dem Depot stark reduziert wird, sowie den im Betrieb auftretenden Temperaturgradienten zwischen Reibstelle und dem Rand der Reibstelle. Je nach übertragender Leistung, beispielsweise in einem Getriebe, wird sich die unmittelbare Reibstelle mehr oder weniger stark gegenüber der Umgebung erwärmen. Insbesondere bei Tribosystemen mit Polymerwerkstoffen ist dieser Temperaturgradient besonders groß, weil deren Wärmeleitung im Vergleich zu Metallen sehr schlecht ist. Bedingt durch die temperaturabhängige Oberflächenspannung des Schmiermittels wird das Schmiermittel sich immer in den kälteren Bereich, also den Rand der Reibstelle, zurückziehen.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit Schmiermittel schmierbares Element anzugeben, durch dessen Einsatz Mangelschmierungszustände an der Reibstelle zu einem Reibpartner sicher vermieden werden können. Ferner besteht die Aufgabe darin, eine Vorrichtung mit mindestens einem derartigen Element anzugeben.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Elementes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Kapillareffekt des Schmiermittels auszunutzen, um einer Schmiermittelverarmung an der Reibstelle entgegenzuwirken. Anders ausgedrückt liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, die Oberfläche des Elementes mit einer kapillaren Oberflächenstruktur zu versehen, die derart beschaffen ist, dass das in ihr befindliche Schmiermittel aufgrund der wirkenden Kapillarkräfte in eine Vorzugsfließrichtung, vorzugsweise zur Reibstelle hin, transportiert wird. In der Oberfläche befinden sich bevorzugt zwar keine vollständig geschlossenen „Kapillarröhrchen”, dafür jedoch eine Art offene Kapillarstruktur, die die gleiche Aufgabe übernimmt wie geschlossene Kapillarröhrchen. Eine derartige offene Oberflächenkapillarstruktur kann beispielsweise, wie später noch erläutert werden wird, von einer geeigneten Oberflächenrauigkeit und/oder von Schmiermittelkanälen gebildet werden. Durch die Ausnutzung des Kapillareffekts kann die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Mangelschmierungsbedingungen erheblich reduziert werden. Insbesondere bei Verwendung von polar aufgebauten Schmiermitteln (polare Basisöle, wie Polyglykole oder Ester), deren Einsatz bei Verwendung von unpolaren Polymerwerkstoffen, wie PP oder PE aufgrund der physikalischen Wechselwirkungen zwingend erforderlich ist, bringt die Erfindung erhebliche Vorteile, weil die Oberflächenspannung von polaren Schmiermitteln relativ hoch ist und das Abwandern bei einem Temperaturgradienten besonders ausgeprägt ist. Je polarer nämlich das Schmiermittel (Fluid) ist, umso mehr zieht es sich im kälteren Bereich zusammen und wandert von der Reibstelle weg. Die Erfindung ermöglicht zudem höhere Reibleistungen, beispielsweise die Übertragung höherer Kräfte bzw. Aufnahme höherer Lasten oder die Realisierung höherer Relativgeschwindigkeiten zwischen einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Element und einem weiteren Teil, als bisher und damit höhere Temperaturen an der Reibstelle, die wiederum zu höheren Temperaturgradienten führen. Die Erfindung ist aber auch für polare Polymerwerkstoffe in Kombination mit unpolaren Ölen geeignet.
Wie eingangs erläutert, ist es besonders bevorzugt, die Oberflächenkapillarstruktur derart auszubilden, dass die sich aufgrund der Kapillarwirkung ergebende Vorzugsfließrichtung des Schmiermittels auf einen Reibbereich des Elementes zuläuft, wobei der Reibbereich zum, insbesondere kraftübertragenden, Zusammenwirken mit mindestens einem weiteren Teil einer mit einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Element aufweisenden Vorrichtung dient. Im Falle der Ausbildung des Elementes als Getriebeelement, insbesondere als Zahnrad, befindet sich dieser Reibbereich vorzugsweise an einer Zahnflanke und dient der Kraftübertragung auf ein weiteres Getriebeteil oder der Kraftaufnahme von einem weiteren Getriebeteil.
Eine Möglichkeit zur Vorgabe einer Vorzugsfließrichtung besteht darin, die kapillarkraftwirksamen Abmessungen der Oberflächenkapillarstruktur in der Vorzugsfließrichtung zu reduzieren. Anders ausgedrückt verjüngen sich die von der Oberflächenkapillarstruktur gebildeten Kapillare in Vorzugsfließrichtung, vorzugsweise zum Reibbereich (Reibstelle) hin. Das Schmiermittel wird sich dann immer in Richtung des engeren Kapillarabschnittes bewegen. Die resultierenden Kapillarkräfte sind umso größer, je geringer die kapillarkraftwirksamen Abmessungen, beispielsweise bei Röhrchen der innere Radius, sind. Wie eingangs angedeutet, besteht eine Möglichkeit zur Ausbildung der Oberflächenkapillarstruktur darin, diese, zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, von Fließkanälen für das Schmiermittel zu bilden. Bevorzugt handelt es sich dabei um, insbesondere linear, auf den Reibbereich zulaufende Fließkanäle, ganz besonders bevorzugt um parallel verlaufende Fließkanäle. Um eine Vorzugsfließrichtung für das Schmiermittel vorzugeben, verringert sich die Kanalbreite und/oder die Kanaltiefe der Fließkanäle in der Vorzugsfließrichtung, also bevorzugt hin zum Reibbereich. Anders ausgedrückt verjüngen sich die Kanäle mit zunehmender Axialerstreckung im Hinblick auf ihre Breiten- und/oder Tiefenerstreckung.
Ganz besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Fließkanäle anfangs relativ breit und tief, beispielsweise zwischen etwa 10 μm und etwa 100 μm breit und/oder tief sind und in Richtung Vorzugsfließrichtung zunehmend schmaler und/oder weniger tief werden. Bevorzugt münden die Fließkanäle in den Reibbereich mit einer Breite und/oder Tiefe zwischen etwa 1 μm und etwa 40 μm. Damit aus den Fließkanälen beim Übergleiten des Reibpartners auch Schmiermittel, insbesondere Öl, austreten kann, sollten die Kanallängskanten flach, d. h. nicht rechtwinklig, auslaufen, was beispielsweise durch das Vorsehen abgerundeter Kanten realisierbar ist.
Eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung einer gerichteten Oberflächenkapillarstruktur besteht darin, diese als Oberflächenrauigkeit auszubilden, wobei die Oberflächenrauigkeit mit einem Gradienten versehen ist, also in Vorzugsfließrichtung, vorzugsweise auf den Reibbereich hin, abnimmt. Durch eine Gradierung der Oberflächenrauigkeit werden im Ergebnis die kapillarkraftwirksamen Abmessungen reduziert, wodurch es zur Vorgabe einer Vorzugsfließrichtung kommt. Bevorzugt besteht die Oberflächenrauigkeit aus einer Vielzahl von, insbesondere abgerundeten, Bergen und, vorzugsweise abgerundeten, Tälern, die beispielsweise durch Bestrahlen, insbesondere mit Kugeln, erzeugt werden können. Bevorzugt nimmt die Rauigkeit R_z von etwa 10 μm bis etwa 15 μm in einem Anfangsbereich bis auf eine Rauigkeit R_z von etwa 1 μm bis etwa 5 μm im Reibbereich ab. Anders ausgedrückt beträgt die Rauigkeit im Eingriffsbereich mit einem weiteren Teil etwa 1 μm bis 5 μm. Im Hinblick auf die Ausbildung des Gradienten gibt es grundsätzlich zwei unterschiedliche Möglichkeiten. So kann die Rauigkeit hin zur Reibstelle beispielsweise linear oder nicht linear abnehmend ausgebildet werden.
Wie eingangs erwähnt, ist es besonders bevorzugt, wenn das, insbesondere als Spritzgussteil ausgebildete, Element aus Kunststoff, ganz besonders bevorzugt aus einem unpolaren Polymerwerkstoff, ausgebildet ist. Weiter bevorzugt ist es, wenn auf dem Element ein polares Schmiermittel aufgetragen ist. Grundsätzlich kann im Falle der Ausbildung des Elementes als Spritzgussteil die Oberflächenkapillarstruktur bereits während des Spritzgussprozesses, also durch eine geeig nete Negativ-Strukturierung des Spritzgusswerkzeuges, erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann die Oberflächenkapillarstruktur im Nachhinein, beispielsweise durch Laserbearbeitung oder mechanische Bearbeitung, in die Oberfläche eines Elementes eingebracht werden. Auch ist es möglich, die Oberflächenkapillarstruktur durch Elektroerosion einzubringen.
Die Erfindung führt auch auf eine Vorrichtung mit mindestens einem zuvor beschriebenen Element, wobei das Element weiter bevorzugt mit einem (Reib-)Partner zusammenwirkt, der bevorzugt an einem Reibbereich (Reibstelle) des Elementes angreift. Weiter bevorzugt ist es, wenn zwei nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Elemente unmittelbar zusammenwirken. Bei der Vorrichtung kann es sich beispielsweise um ein Getriebe, insbesondere um ein Schneckengetriebe, vorzugsweise um ein Schneckenschraubrad- oder Schraubradgetriebe, und bei dem Element um ein Getriebeelement, beispielsweise ein Zahnrad oder eine Getriebeschnecke, handeln. Auch ist es möglich, dass es sich bei der Vorrichtung um eine Führungsvorrichtung oder um ein Lager, insbesondere ein Gleitlager, handelt. Im letztgenannten Fall handelt es sich bei dem Element bevorzugt um ein Gleitlagerelement. Auch ist es möglich, dass es sich bei der Vorrichtung um ein Ventil bzw. bei dem Element um ein Ventilelement handelt. Weiterhin liegt es im Rahmen der Erfindung, die Vorrichtung als Antriebsvorrichtung, beispielsweise als hydraulischen oder pneumatischen Antrieb, auszubilden. Auch ist es denkbar, ein nach dem Konzept der Erfindung ausgebildetes Element in einem Verbrennungsmotor, beispielsweise als Zylinder oder Kolben, einzusetzen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Diese zeigen in
1: in einer ausschnittsweisen Darstellung ein als Getriebeelement (hier: Zahnrad) ausgebildetes Element, bei dem die Oberflächenkapillarstruktur von Fließkanälen gebildet ist,
2: eine alternative Ausführungsform eines Elementes, bei dem die Oberflächenkapillarstruktur als Oberflächenrauigkeit mit einem Rauigkeitsgradienten ausgebildet ist,
3: in einer schematischen Darstellung einen realisierbaren Rauigkeitsverlauf in 5 Stufen (exemplarisch),
4: eine bevorzugte Möglichkeit zur Ausbildung von Fließkanälen,
5: ein vergrößertes Detail eines Anfangsbereichs eines Fließkanals, und
6: ein vergrößertes Detail eines Endbereichs eines Fließkanals im Reibbereich eines Elementes.
In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 1 ist ein als Getriebeelement, hier als Zahnrad, ausgebildetes Element 1 ausschnittsweise dargestellt. Das Element 1 kann beispielsweise als Kunststoffteil, insbesondere als Spritzgussteil, ausgebildet werden – jedoch ist auch eine Ausbildung aus einem alternativen Material, beispielsweise aus Metall, realisierbar. Das Element 1 umfasst mehrere in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete Zähne 2, von denen aus Übersichtlichkeitsgründen nur ein einziger dargestellt ist. Die Zähne 2 umfassen jeweils zwei in einander entgegengesetzte Umfangsrichtungen weisende Zahnflanken 3 zum Zusammenwirken mit einem weiteren, nicht dargestellten, Getriebeteil, insbesondere einer Getriebeschnecke oder einem weiteren Zahnrad. An den Zahnflanken 3 befindet sich jeweils ein Reibbereich 4, an dem das Element 1 kraftübertragend mit dem weiteren Teil eines Getriebes zusammenwirkt. Um einer Schmiermittelverdrängung und damit einer Mangelschmierung aus dem Reibbereich 4 entgegenzuwirken, sind in die Oberfläche 5 der Zahnflanken 3 des Elementes 1 Fließkanäle 6 eingebracht. Diese bilden eine Oberflächenkapillaritätsstruktur 7, die dafür sorgt, dass Schmiermittel aus dem Bereich des Zahnfußes in Richtung Reibbereich 4, also in eine Vorzugsfließrichtung 8, transportiert wird. Hierzu nehmen die Fließkanalbreite sowie die Fließkanaltiefe ausgehend vom Zahngrund bis zum Reibbereich 4 linear ab, wobei auch eine nicht lineare Abnahme realisierbar ist. Die Fließkanäle können beispielsweise, wie in 4 gezeigt und später noch erläutert werden wird, ausgebildet sein.
2 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Oberflächenkapillarstruktur 7. Diese weist einen Rauigkeitsgradienten auf, wobei die Rauigkeit R_z ausgehend vom Zahnfuß des Elementes 1 hin zum Reibbereich 4, also in einer Vorzugsfließrichtung 8, abnimmt. Aufgrund der wirkenden Kapillarkräfte bewegt sich das Schmiermittel entgegen der Verdrängungsrichtung in Vorzugsfließrichtung 8 wieder zurück zum Reibbereich 4, wodurch Mangelschmierungserscheinungen sicher vermieden werden können.
3 zeigt eine Möglichkeit zur Abstufung der Oberflächenrauigkeit. Die Rauigkeit nimmt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 in Vorzugsfließrichtung 8 in Stufen ab, wobei auch eine stufenlose, vorzugsweise stetige, lineare oder nicht lineare Abnahme realisierbar ist. Die Oberfläche 5 des in 3 schematisch angedeuteten Elementes 1 weist insgesamt fünf Rauigkeitsabschnitte 9a bis 9e (Rauigkeitszonen) auf, wobei die unterschiedlichen Rauigkeiten durch Bestrahlen mit unterschiedlich großen Kugeln hergestellt wurden. Die Rauigkeit R_z im ersten Rauigkeitsabschnitt 9a beträgt 20 μm, der Abstand von benachbarten Rauigkeitserhebungen (Bergen) beträgt etwa 0,1 mm und der Schrägwinkel etwa –8°. Die Oberflächenrauigkeit R_z im Rauigkeitsabschnitt 9b beträgt etwa 16 μm und der Abstand von benachbarten Erhebungen etwa 0,08 mm, wobei der Schrägwinkel –8° beträgt. Im dritten Rauigkeitsabschnitt 9c beträgt die Rauigkeit R_z etwa 12 μm, der Abstand zwischen benachbarten Erhebungen etwa 0,06 mm und der Schrägwinkel –8°. Im vierten Rauigkeitsabschnitt 9d beträgt die Rauigkeit etwa 8 μm, der Abstand von benachbarten Erhebungen etwa 0,04 mm und der Schrägwinkel –8° und im fünften Rauigkeitsabschnitt 9e beträgt die Rauigkeit etwa 4 μm, der Abstand zwischen benachbarten Erhebungen etwa 0,02 mm und der Schrägwinkel –8°.
In 4 ist exemplarisch ein einziger Fließkanal 6 als Oberflächenkapillarstruktur 7 in einer Oberfläche 5 gezeigt. Der Fließkanal 6 wird quer zur Vorzugsfließrichtung 8 begrenzt von zwei in diesem Ausführungsbeispiel in etwa parallelen, sich in Vorzugsfließrichtung 8 erstreckenden Stegen 10, wobei die Höhenerstreckung der Stege 10 in Vorzugsfließrichtung 8 abnimmt und damit auch die Tiefe des Fließkanals 6 von einem Wert T₁ von etwa 100 μm bis zu einem Wert T₂ von etwa 3 μm. Ebenso reduziert sich die Fließkanalbreite von einem Wert B₁ von etwa 100 μm bis zu einem Wert B₂ von etwa 4 μm.
Wie sich weiterhin aus 4 ergibt, sind die seitlichen Kanalufer 11 des Fließkanals 6 durch das Vorsehen von Radien abgeflacht, also das Schmiermittel seitlich aus dem Fließkanal 6, also quer zur Vorzugsfließrichtung 8, austreten kann.
5 zeigt einen, zwei Fließkanäle 6 lateral begrenzenden, Steg 10 in einem Anfangsbereich der Fließkanäle 6. Die Breite a₁ beträgt etwa 20 μm bis 100 μm. Die Radien R der oberen und unteren Kanten betragen etwa 2 μm bis 5 μm.
6 zeigt den Steg 10 aus 5 in einem Endbereich der Fließkanäle 6, also im Reibbereich des Elementes 1. Zu erkennen ist die reduzierte Stegbreite a₂ des Steges 10 sowie die reduzierte Höhe des Steges. Die Radien R der oberen und unteren Kanten sind analog zu 5 mit 2 μm bis 5 μm realisiert.

Claims

Element mit einer, insbesondere schmiermittelgeschmierten, Oberfläche (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (5) mit einer einem Schmiermittel eine Vorzugsfließrichtung (8) vorgebende Oberflächenkapillaritätsstruktur (7) versehen ist.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzugsfließrichtung (8) auf mindestens einen Reibbereich (4) des Elementes (1) gerichtet ist, der zum, vorzugsweise kraftübertragenden, Zusammenwirken mit mindestens einem weiteren Teil ausgebildet und angeordnet ist.
Element nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kapillarkraftwirksamen Abmessungen der Oberflächenkapillaritätsstruktur (7) in der Vorzugsfließrichtung (8) abnehmen.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkapillaritätsstruktur (7), insbesondere lineare, Fließkanäle (6) für das Schmiermittel umfasst, deren Kanalbreite B₁, B₂ und/oder Kanaltiefe T₁, T₂ in der Vorzugsfließrichtung (8) abnimmt.
Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkapillaritätsstruktur (7), insbesondere lineare, Fließkanäle (6) für das Schmiermittel umfasst, deren Kanalbreite B₁, B₂ in der Vorzugsfließrichtung (8) abnimmt.
Element nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalbreite B₁, B₂ und/oder Kanaltiefe T₁, T₂ von etwa 10 μm bis etwa 15 μm auf etwa 1 μm bis etwa 4 μm abnimmt.
Element nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalufer (11) der Fließkanäle (6) abgeflacht sind.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkapillarstruktur (7) eine Oberflächenrauigkeit umfasst, deren Rauigkeit R_z in Vorzugsfließrichtung (8), vorzugsweise bis auf eine Rauigkeit zwischen etwa 1 μm und etwa 5 μm, abnimmt.
Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauigkeit R_z linear oder nicht-linear abnimmt.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das, insbesondere als Spritzgussteil ausgebildete, Element (1) aus Kunststoff, vorzugsweise aus einem unpolaren oder polaren Polymerwerkstoff ausgebildet ist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkapillaritätsstruktur (7) im Spritzgussverfahren, mechanisch oder mittels Laserbestrahlung, insbesondere in einem Spritzgusswerkzeug, eingebracht wird.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1) als Getriebeelement, Führungselement, Lagerelement, Ventilelement oder Antriebselement ausgebildet ist.
Vorrichtung, insbesondere Getriebe, Führungsvorrichtung, Lagervorrichtung, Ventil- oder Antriebsvorrichtung, mit mindestens einem Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.