DE102021127565A1 - Tribologische Einheit - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine tribologische Einheit (12) zum Durchführen einer Gleitbewegung mit einem Reibpartner (14) in einem ersten Bereich für Pressung und Geschwindigkeit und einem zweiten Bereich für Pressung und Geschwindigkeit; mit: einem Träger (16) zur Aufnahme von Gleitelementen; einem ersten Gleitelement (18) umfassend einen ersten Verbundwerkstoff; einem zweiten Gleitelement (20) umfassend einen zweiten Verbundwerkstoff; wobei das erste Gleitelement (18) für den ersten Bereich optimiert ist; und das zweite Gleitelement (20) für den zweiten, vom ersten Bereich verschiedenen Bereich optimiert ist und das erste Gleitelement (18) und das zweite Gleitelement (20) an dem Träger (16) angeordnet sind. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Verwendung einer tribologischen Einheit und ein System umfassend eine tribologische Einheit.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine tribologische Einheit zum Durchführen einer Gleitbewegung, eine Verwendung einer solchen tribologischen Einheit sowie ein System umfassend eine solche tribologische Einheit.
• Aufgrund ihres Leichtbaupotentials und ihrer guten Selbstschmierungs- und Dämpfungseigenschaften werden Kunststoffe und kunststoffbasierte Verbundwerkstoffe seit mehreren Jahren in tribologisch beanspruchten Systemen eingesetzt. Diese Systeme erstrecken sich über eine Vielzahl industrieller Anwendungsfelder, insbesondere allgemeine Maschinenelemente, wie Gleitlager und Zahnräder, oder Komponenten für Luft- und Raumfahrtsysteme. Ferner ist die Verwendung in Medizinprodukten bekannt.
• Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2014 224 304 A1 ist ein tribologisches Bauteil mit wenigstens einer Gleitschicht bekannt. Die Gleitschicht weist einen faserverstärkten Werkstoff mit wenigstens einer Mehrkomponentenfaser auf, wobei die Mehrkomponentenfaser wenigstens eine in wenigstens einer ersten Struktur angeordnete erste Komponente und wenigstens eine zweite in wenigstens einer zweiten Struktur angeordnete zweite Komponente aufweist. Die beiden Strukturen sind stoffschlüssig miteinander verbunden und in einer Haupterstreckungsrichtung der Mehrkomponentenfaser parallel zueinander angeordnet. Die Mehrkomponentenfaser verbindet folglich die beiden Strukturen.
• Aus der Offenlegungsschrift EP 0 005 531 A1 ist eine Kunststoff-Kunststoff-Gleitpaarung in tribologischen Systemen bekannt, wobei die Kunststoff-Kunststoff-Paarung einen Hauptgleitpartner und/oder einen Hilfsgleitpartner umfasst, der ein polarer, zyklische Verbindungen enthaltender Kunststoff ist.
• Es ist bekannt, dass Kunststoffe durch Zugabe von Additiven eine verbesserte Reibung oder Festigkeit aufweisen können. Diese kunststoffbasierten Verbundwerkstoffe werden typischerweise auf bestimmte Belastungsbereiche aus Flächenpressung und Geschwindigkeit ausgelegt. Es ist beispielsweise bekannt, dass einige Verbundwerkstoffe einen besonders geringen Reibungskoeffizienten bei niedriger Flächenpressung aufweisen, wohingegen andere Verbundwerkstoffe bei einer höheren Flächenpressung einen geringen Reibungskoeffizienten aufweisen.
• Vor diesem Hintergrund stellt sich einem Fachmann die Aufgabe, eine Möglichkeit anzugeben, Gleitelemente, insbesondere auf Kunststoffbasis, zu schaffen, die in einem tribologischen System für einen weiten Bereich aus Pressung und Geschwindigkeit einsetzbar sind. Insbesondere soll eine tribologische Einheit geschaffen werden, die sich für einen weiten Bereich aus Pressung und Geschwindigkeit eignet.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch eine tribologische Einheit zum Durchführen einer Gleitbewegung mit einem Reibpartner in einem ersten Bereich für eine Pressung und Geschwindigkeit und einem zweiten Bereich für eine Pressung und Geschwindigkeit, mit:
• einem Träger zur Aufnahme von Gleitelementen;
• einem ersten Gleitelement umfassend einen ersten Verbundwerkstoff;
• einem zweiten Gleitelement umfassend einen zweiten Verbundwerkstoff; wobei
• das erste Gleitelement für den ersten Bereich optimiert ist und das zweite Gleitelement für den zweiten, vom ersten Bereich verschiedenen Bereich optimiert ist und das erste Gleitelement und das zweite Gleitelement an dem Träger angeordnet sind.
• Die obige Aufgabe wird ferner gelöst durch die Verwendung einer tribologischen Einheit wie zuvor definiert in einem Wellenlager, insbesondere einem Wellenlager für eine Common-Rail Pumpe in einem Verbrennungsmotor.
• Weiterhin wird die obige Aufgabe gelöst von einem System umfassend eine tribologische Einheit wie zuvor definiert und einem Reibpartner, wobei der Reibpartner vorzugsweise Stahl umfasst.
• Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere können die Verwendung und das System entsprechend den für die tribologische Einheit in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein.
• Das Verwenden eines ersten Gleitelements umfassend einen ersten Verbundwerkstoff und eines zweiten Gleitelements umfassend einen zweiten Verbundwerkstoff, wobei die beiden Gleitelemente für verschiedene Bereiche optimiert sind, ermöglicht, Verbundwerkstoffe auf einer meso- bzw. makroskopischen Ebene zusammenzubringen und die Vorteile beider Verbundwerkstoffe zu nutzen. Insbesondere kann durch die vorteilhafte Kombination der zwei Verbundwerkstoffe eine tribologische Einheit geschaffen werden, die sich für einen breiten Bereich für ein Produkt aus Pressung und Geschwindigkeit eignet. Ferner wurde festgestellt, dass das Gleitelement in dem Bereich, für den es optimiert ist, das Verhalten der tribologischen Einheit dominiert. Mit anderen Worten kann durch eine Parallelschaltung, also das Verwenden von zwei Gleitelementen für unterschiedliche Lastbereiche, erreicht werden, dass das jeweils in seinem Lastbereich überlegene Gleitelement das tribologische Verhalten der tribologischen Einheit prägt. Ferner kann ein Lastbereich für die tribologische Einheit erweitert werden. Insbesondere weist die tribologische Einheit bei hohen Lasten eine Lastgrenze auf, die der Lastgrenze des für diesen Bereich optimierten Gleitelements entspricht. Es versteht sich, dass die Flächenverhältnisse der beiden tribologischen Elemente vorzugsweise aufeinander abgestimmt sind und die Drucksteifigkeit der beiden tribologischen Gleitelemente gezielt ausgelegt werden kann. Durch einen Träger zur Aufnahme der Gleitelemente kann eine mechanisch robuste tribologische Einheit geschaffen werden, die vorteilhaft handhabbar und technisch einfach verwendbar ist. Bevorzugt ist der Träger aus Metall und/oder einem Metallsubstrat gefertigt. Die tribologischen Eigenschaften, wie beispielsweise Reibungskoeffizient und Verschleißrate, folgen dem für den jeweiligen Lastbereich optimierten Gleitelement. Darüber hinaus wird die mögliche Höchstlast über das entsprechend optimierte Gleitelement definiert. Folglich eignet sich die tribologische Einheit vorteilhaft für eine Verwendung in einer Common-Rail Pumpe, da hier ein breiter Bereich aus Pressung und Geschwindigkeit abgedeckt werden muss. Ferner ist ein Haupt-Betriebspunkt bekannt, sodass ein Gleitelement für den Haupt-Betriebspunkt optimiert werden kann, wobei das andere Gleitelement für einen Bereich bis zum Erreichen des Haupt-Betriebspunkts ausgelegt bzw. optimiert werden kann. Es versteht sich, dass auch eine tribologische Einheit mit mehr als zwei Gleitelementen vorgesehen sein kann. Insbesondere ist es denkbar ein drittes bis n-tes Gleitelement vorzusehen, wobei die Gleitelemente jeweils auf verschiedene Bereiche für eine Pressung und Geschwindigkeit optimiert sind.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der erste Verbundwerkstoff einen ersten Kunststoff mit einem ersten Additiv und der zweite Verbundwerkstoff einen zweiten Kunststoff mit einem zweiten Additiv. Hierdurch kann technisch einfach eine Optimierung der Verbundwerkstoffe auf die bevorzugten Bereiche erfolgen. Die Verbundwerkstoffe können vorzugsweise kosteneffizient hergestellt werden. Insbesondere können auch prinzipiell im Stand der Technik bekannte Additive und Kunststoffe Anwendung finden.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der erste Kunststoff und/oder der zweite Kunststoff ein Tribocompound, insbesondere auf Basis von PEEK. Die Verwendung von Tribocompounds, insbesondere von auf PEEK basierenden Tribocompounds, ermöglicht eine kostengünstige tribologische Einheit. Ferner kann ein Optimieren für einen Lastbereich schnell erfolgen, da Tribocompounds für verschiedene Lastbereiche am Markt erhältlich sind.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das erste und/oder das zweite Additiv Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern, Mikropartikel und/oder Nanopartikel. Hierdurch kann ein Auslegen auf einen bevorzugten Lastbereich verbessert erfolgen. Durch eine Zugabe von bekannten Additiven kann eine bekannte Wirkung erreicht und insbesondere ein Verschleiß verringert werden. Es versteht sich, dass eines oder mehrere der vorgenannten Additive in einem Verbundwerkstoff Anwendung finden können. Insbesondere versteht sich, dass im ersten Verbundwerkstoff andere Additive als im zweiten Verbundwerkstoff Anwendung finden können.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind das erste Gleitelement und das zweite Gleitelement in Bezug auf eine Reibrichtung parallel zueinander angeordnet. Bevorzugt weist das erste Gleitelement und/oder das zweite Gleitelement eine Anlagefläche zur Anlage an den Reibpartner auf, die in Draufsicht eine rechteckige Grundfläche, besonders bevorzugt mit einer Seitenlänge von 4 mm x 2 mm aufweist. Durch eine Parallelschaltung in Bezug auf eine Reibrichtung kann technisch einfach verhindert werden, dass die beiden Gleitelemente teilweise ineinander übergehen. Insbesondere kann verhindert werden, dass ein Abrieb eines Gleitelements bei einer Reibbewegung in das andere Gleitelement eingearbeitet wird. Die Gleitelemente bleiben über einen langen Zeitraum rein, sodass keine Veränderung des bevorzugten Lastbereichs eines Gleitelements eintritt. Es versteht sich, dass die beiden Gleitelemente auch vollflächig am Reibpartner anliegen können. Die tribologische Einheit kann eine je nach Anwendungsfall modifizierte Geometrie aufweisen.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die tribologische Einheit ein drittes Gleitelement und ein viertes Gleitelement. Das dritte Gleitelement umfasst den ersten Verbundwerkstoff und das vierte Gleitelement umfasst den zweiten Verbundwerkstoff. Vorzugsweise bilden die vier Gleitelemente eine in Draufsicht quadratische Anlagefläche zur Anlage an den Reibpartner, wobei die Gleitelemente besonders bevorzugt bezüglich ihres Verbundwerkstoffs in einem Schachbrettmuster angeordnet sind. Es erfolgt also eine alternierende Anordnung bezüglich des Verbundwerkstoffs, sodass ein Gleitelement aufweisend den ersten Verbundwerkstoff immer benachbart zu einem Gleitelement aufweisend den zweiten Verbundwerkstoff angeordnet ist. Vorzugsweise umfassen die Gleitelemente jeweils eine Seitenlänge von 2 mm, sodass eine in Draufsicht quadratische Anlagefläche mit einer Seitenlänge von 4 mm gebildet wird. Durch die oben beschriebene Anordnung von vier Gleitelementen kann insbesondere erreicht werden, dass unabhängig von der Gleitrichtung die tribologische Einheit gleichbleibende Eigenschaften aufweist. Insbesondere kann eine tribologische Einheit geschaffen werden, die unabhängig von ihrer Orientierung gleichbleibende Eigenschaften aufweist, sodass die tribologische Einheit einfach zu handhaben und fehlerfrei einzusetzen ist. Es kann eine variabel funktionale tribologische Einheit geschaffen werden, die insbesondere in jedweder tribologischen Anwendung, insbesondere unabhängig von der Reibrichtung, zum Einsatz kommen kann.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die tribologische Einheit eine Zwischenschicht zur Anpassung der Steifigkeit der tribologischen Einheit, wobei die Zwischenschicht zwischen dem Träger und den Gleitelementen angeordnet ist und vorzugsweise einen dritten Kunststoff umfasst. Hierdurch können die tribologischen Eigenschaften der tribologischen Einheit weiter verbessert werden. Insbesondere kann technisch einfach eine Anpassung der mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit erfolgen.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Zwischenschicht eine erste Teilzwischenschicht und eine zweite Teilzwischenschicht. Die erste Teilzwischenschicht ist zwischen dem ersten Gleitelement und dem Träger und die zweite Teilzwischenschicht ist zwischen dem zweiten Gleitelement und dem Träger angeordnet. Hierdurch kann eine individuelle Anpassung der Steifigkeit der einzelnen Gleitelemente erfolgen. Die tribologischen Eigenschaften der tribologischen Einheit werden weiter verbessert. Es versteht sich, dass wenn die tribologische Einheit mit mehr als zwei Gleitelementen ausgeführt wird, zu jedem Gleitelement eine entsprechende Zwischenschicht vorgesehen sein kann, um die mechanischen Eigenschaften jedes Gleitelements entsprechend anzupassen. Durch eine erste Teilzwischenschicht und eine zweite Teilzwischenschicht, also eine Segmentierung des Substrats und/oder des Trägers in Bereiche mit unterschiedlichen Steifigkeiten, kann eine Pressung für jedes Gleitelement auf dessen Hochleistungsbereich maßgeschneidert werden. Bereiche mit unterschiedlichen Steifigkeiten können beispielsweise durch Werkstoffwahl oder konstruktiv geschaffen werden.
• Unter für einen Bereich optimiert ist insbesondere zu verstehen, dass das jeweilige Gleitelement für einen vordefinierten Bereich aus Pressung und Geschwindigkeit ausgelegt ist. Insbesondere kann das durch Zugabe von Additiven und/oder eine entsprechende Wahl eines Werkstoffs für das Gleitelement erreicht werden. Kunststoffe können folglich durch Zugabe geeigneter Füllstoffe auf einen spezifischen Lastbereich abgestimmt werden. Insbesondere kann bei einer entsprechenden Wahl von Matrix und Füllstoffen eine hohe tribologische Leistungsfähigkeit auch bei hohen Gebrauchstemperaturen erreicht werden.
• Oftmals wird dabei als Matrix Polyetheretherketon (PEEK) verwendet, da sich dieser Kunststoff aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen für den Einsatz in hochbelasteten tribologischen Systemen eignet.
• Es ist bekannt, eine Verschleißbeständigkeit durch Zugabe von Kohlenstoffkurzfasern zu erhöhen. Ferner können interne Schmiermittel wie Polytetrafluorethylen (PTFE), Graphit und Molybdänsulfid die Reibung verringern.
• Zudem kann sowohl das Reibungs- als auch das Verschleißverhalten durch Zugabe von Mikro- und/oder Nanopartikeln, wie beispielsweise Titanoxid, Zinksulfid und Siliciumdioxid, beeinflusst werden.
• Eine Geometrie der Anlagefläche ist vorzugsweise in Draufsicht zu verstehen, also in einer Richtung senkrecht zu einer Reibrichtung. Insbesondere können Gleitelemente, die an einer nicht planen, also gekrümmten Fläche anliegen, eine mit der Fläche korrespondierende Geometrie aufweisen.
• Unter Gleitelement ist insbesondere eine Einheit zu verstehen, die dazu ausgebildet ist, eine Reibbewegung bzw. Gleitbewegung durchzuführen. Vorzugsweise kann ein Gleitelement in einem bestimmten Bereich aus Pressung und Geschwindigkeit angewendet werden und weist eine Anlagefläche auf, die an einem Reibpartner anliegt, während das Gleitelement über den Reibpartner gleitet. Insbesondere kann als Gleitelement eine Innenauskleidung einer Lagerbuchse verstanden werden.
• Ein Produkt aus Pressung und Geschwindigkeit bezieht sich vorliegend auf eine Multiplikation aus Flächenpressung und Reibgeschwindigkeit.
• Unter Reibgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit zu verstehen, mit der ein Gleitelement an einem entsprechenden Reibpartner reibt bzw. über diesen gleitet. Die Reibgeschwindigkeit beschreibt also die Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Reibpartnern.
• Pressung oder Flächenpressung ist vorliegend eine Normallastverteilung, die sich aus einer auf zwei Festkörper wirkenden Kraft, also einer Druckspannung, ergibt. Werden zwei Festkörper mit einer Kraft aufeinandergedrückt, so stellt sich in der Berührungsfläche zwischen den Körpern eine Normallastverteilung ein, die als Flächenpressung bezeichnet wird.
• Unter Tribocompound ist vorzugsweise ein tribologischer Verbundwerkstoff zu verstehen, also ein Werkstoff, der sich bevorzugt für ein Lagern und/oder Schmieren eignet. Vorzugsweise basiert ein Tribocompound auf einem Kunststoff.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines tribologischen Systems;
• 2a-2b verschiedene Varianten von Anordnungen der Gleitelemente in einer tribologischen Einheit;
• 3 einen Querschnitt durch ein tribologisches System mit einer Zwischenschicht;
• 4 eine vereinfachte schematische Darstellung des tribologischen Systems gemäß der 3;
• 5a-5b verschiedene Ansichten einer tribologischen Einheit in Form einer Lagerhülse;
• 6a-6b Schaubilder bezüglich eines Reibungskoeffizienten und einer spezifischen Verschleißrate für Simulationen verschiedener Kunststoffe und einer Parallelschaltung der Kunststoffe;
• 7a-7b entsprechend den 6a und 6b Schaubilder mit durchgeführten Messungen einer Parallelschaltung der Kunststoffe.
• In 1 ist schematisch ein tribologisches System 10 gezeigt. Das tribologische System 10 umfasst eine tribologische Einheit 12 und einen Reibpartner 14, der in dem gezeigten Beispiel in Form einer Welle ausgebildet ist. Eine Rotationsrichtung der Welle ist durch einen Pfeil verdeutlicht.
• Die tribologische Einheit 12 umfasst einen Träger 16, an dem ein erstes Gleitelement 18 und ein zweites Gleitelement 20 angeordnet sind. Das erste Gleitelement 18 und das zweite Gleitelement 20 bilden eine Anlagefläche, die am Reibpartner 14 anliegt und aufgrund der Drehbewegung des Reibpartners 14 am Reibpartner 14 reibt.
• Das erste Gleitelement 18 kann insbesondere für einen bestimmten Bereich aus Flächenpressung und Geschwindigkeit ausgelegt sein, wobei das zweite Gleitelement 20 für einen von diesem Bereich verschiedenen Bereich ausgelegt ist. Die Geschwindigkeit ist insbesondere die Drehgeschwindigkeit des Reibpartners 14, wobei die Pressung sich aus einem Anpressdruck der Gleitelemente 18, 20 an den Reibpartner 14 ergibt.
• Eine Optimierung bzw. Auslegung der Gleitelemente 18, 20 kann durch entsprechende Wahl eines Werkstoffs, insbesondere eines Verbundwerkstoffs, erfolgen. Ferner kann eine Zugabe von Additiven wie Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern, Mikropartikeln, Nanopartikeln, wie beispielsweise Titanoxid, Zinksulfid und Siliciumdioxid und/oder Schmiermittel wie Polytetrafluorethylen (PTFE), Graphit und Molybdänsulfid erfolgen.
• In dem gezeigten Beispiel sind das erste Gleitelement 18 und das zweite Gleitelement 20 parallel zur Reibrichtung angeordnet, sodass eine Oberfläche des Reibpartners 14, die mit dem ersten Gleitelement 18 in Verbindung kommt, bei der Reibbewegung nicht mit dem zweiten Gleitelement 20 in Berührung kommt.
• Der Träger 16 kann insbesondere ein Metallsubstrat aufweisen, wobei die Gleitelemente 18, 20 einen Verbundwerkstoff, insbesondere einen Verbundkunststoff mit Additiven, umfassen können. Es versteht sich, dass der Träger 16, je nach Anwendungsgebiet, auch aus Kunststoff oder einem anderen Material gefertigt sein kann.
• In den 2a und 2b sind verschiedene Anordnungsmöglichkeiten für Gleitelemente gezeigt.
• In dem in 2a gezeigten Beispiel sind das erste Gleitelement 18 und das zweite Gleitelement 20 senkrecht zur Reibrichtung angeordnet, sodass eine Fläche des aus Gründen der Übersicht nicht gezeigten Reibpartners 14, die mit dem ersten Gleitelement 18 in Berührung kommt, auch mit dem zweiten Gleitelement 20 in Berührung kommt.
• In 2b ist eine Anordnung aus vier Gleitelementen 18, 20, 22, 24 gezeigt. In dem gezeigten Beispiel umfasst das erste Gleitelement 18 denselben Verbundwerkstoff wie das dritte Gleitelement 22. Das zweite Gleitelement 20 umfasst denselben Verbundwerkstoff wie das vierte Gleitelement 24. Es versteht sich, dass die vier Gleitelemente auch komplett verschiedene Verbundwerkstoffe umfassen können.
• In dem gezeigten Beispiel sind die vier Gleitelemente 18 bis 24 in einem Schachbrettmuster angeordnet, sodass bezüglich des Verbundkunststoffs ein Gleitelement immer benachbart zu einem Gleitelement mit einem anderen Verbundkunststoff angeordnet ist.
• Beispielsweise kann das erste Gleitelement 18 in der 2b links oben angeordnet sein und einen ersten Verbundwerkstoff umfassen, wobei das zweite Gleitelement 20 links unten angeordnet ist und einen zweiten Verbundwerkstoff umfasst. Das dritte Gleitelement 22 ist rechts unten angeordnet und umfasst den ersten Verbundwerkstoff, wobei das vierte Gleitelement 24 rechts oben angeordnet ist und den zweiten Verbundwerkstoff umfasst.
• In 3 ist eine weitere Variante eines tribologischen Systems in einer Schnittdarstellung entlang einer Rotationsachse des Reibpartners 14 gezeigt.
• Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die tribologische Einheit 12 eine Zwischenschicht, die aus einer ersten Teilzwischenschicht 26 und einer zweiten Teilzwischenschicht 28 gebildet ist. Die erste Teilzwischenschicht 26 ist zwischen dem ersten Gleitelement 18 und dem Träger 16 angeordnet. Die zweite Teilzwischenschicht 28 ist zwischen dem zweiten Gleitelement 20 und dem Träger 16 angeordnet. Es versteht sich, dass die Zwischenschicht auch als Teil des Trägers ausgebildet sein kann.
• Die erste Teilzwischenschicht 26 und/oder die zweite Teilzwischenschicht 28 können insbesondere einen Kunststoff, ein Substrat, insbesondere ein Metallsubstrat, und/oder einen Verbundwerkstoff umfassen und sind dazu ausgebildet, eine Steifigkeit der Gleitelemente 18, 20 zu verbessern und insbesondere aneinander anzugleichen. Es versteht sich, dass die Zwischenschicht auch mehrere Schichten umfassen kann. Aus Gründen der Übersicht wurde jeweils nur eine Teilzwischenschicht 26, 28 in der 3 dargestellt.
• In 4 ist die Funktionsweise des tribologischen Systems gemäß der 3 schematisch dargestellt.
• Durch die erste Teilzwischenschicht 26 bzw. die zweite Teilzwischenschicht 28 kann eine mechanische Steifigkeit und/oder ein Anpressdruck an den Reibpartner 14 modifiziert und insbesondere bedarfsgerecht eingestellt werden. Das ist durch verschieden ausgebildete Zickzacklinien dargestellt. Es versteht sich, dass die jeweilige Teilzwischenschicht 26, 28 bezüglich der mechanischen Eigenschaften des jeweiligen Gleitelements 18, 20 ausgebildet sein kann.
• Durch gestrichelte und durchgezogene Pfeile ist die jeweilige Normalkraft bzw. Pressung zwischen dem Gleitelement 18, 20 und dem Reibpartner 14 vereinfacht dargestellt. Es versteht sich, dass der Träger 16 gegen die jeweilige Teilzwischenschicht 26, 28 bzw. die Gleitelemente 18, 20 drücken kann. Das ist durch einen weiteren gestrichelten Pfeil dargestellt.
• In den 5a und 5b ist schematisch eine tribologische Einheit 12 in einem tribologischen System 10 in Form einer Lagerbuchse gezeigt.
• In 5a ist die Lagerbuchse in einer Schnittdarstellung entlang einer Rotationsachse des Reibpartners 14 dargestellt.
• Die Lagerbuchse umschließt dabei den Reibpartner 14, der in Form einer Welle ausgebildet ist, in Umfangsrichtung, sodass die Gleitelemente 18, 20 an der Welle anliegen und diese lagern.
• In 5b ist eine Schnittdarstellung der Lagerbuchse in einer Ebene senkrecht zur Drehrichtung der Welle gezeigt.
• Die Lagerbuchse weist einen Spalt auf, sodass die Lagerbuchse vorteilhaft an der Welle angeordnet werden kann. Es versteht sich, dass auch eine Lagerbuchse ohne einen solchen Spalt vorgesehen sein kann.
• Durch den Spalt kann der Träger 16 in Form eines Metallrings ausgebildet sein, wobei vorzugsweise ein Innenradius der tribologischen Einheit 12, also des Trägers 16 inklusive der Gleitelemente 18, 20, kleiner gewählt werden kann als ein Außendurchmesser der Welle. Bei einer Montage kann die Lagerbuchse zunächst aufgebogen und an der Welle angeordnet werden. Durch eine Federkraft des Metallrings werden die Gleitelemente 18, 20 an die Welle angedrückt und lagern diese.
• In den 6a und 6b sind in Schaubildern 30 Verläufe für einen Reibungskoeffizienten und eine spezifische Verschleißrate für einen ersten Kunststoff, einen zweiten Kunststoff und eine Parallelschaltung beider Kunststoffe gezeigt.
• Bei den dargestellten Schaubildern handelt es sich um eine Abschätzung in Form einer Simulation bzw. Berechnung des Verhaltens der jeweiligen Kunststoffe bzw. der Parallelschaltung.
• In 6a ist im Schaubild auf der x-Achse 32 eine Flächenpressung in MPa (Megapascal) aufgetragen. Auf der y-Achse 34 ist ein Reibungskoeffizient im Bereich von 0 bis 0,5 aufgetragen. Ein entsprechender Verlauf des Reibungskoeffizienten für einen ersten Kunststoff PEEK-1 ist als durchgezogene Linie aufgetragen und mit 36 bezeichnet. Ein Verlauf für einen zweiten Kunststoff PEEK-2 ist als gestrichelte Linie aufgetragen und mit 38 bezeichnet. Eine Abschätzung für die Parallelschaltung beider Kunststoffe ist als gepunktete Linie dargestellt und mit 40 bezeichnet.
• Der erste Kunststoff weist im Bereich niedriger Flächenpressung, von ca. 0 MPa bis ca. 3,5 MPa, einen niedrigen Reibungskoeffizienten auf, insbesondere einen Reibungskoeffizienten, der niedriger ist als ein Reibungskoeffizient des zweiten Kunststoffs in diesem Bereich, wobei ab einer Flächenpressung im Bereich zwischen 3 MPa und 4 MPa der Reibungskoeffizient des ersten Kunststoffs größer ist als der Reibungskoeffizient des zweiten Kunststoffs.
• Für niedrige Flächenpressungen ist der Reibungskoeffizient für den ersten Kunststoff niedriger als der für den zweiten und liegt etwa im Bereich 0,4, sinkt bis zu einer Flächenpressung von ca. 3,5 MPa auf ca. 0,15 ab und steigt danach wieder leicht an.
• Für den zweiten Kunststoff ist der Reibungskoeffizient im Bereich niedriger Flächenpressungen hoch, insbesondere größer als 0,5 und sinkt asymptotisch mit steigender Flächenpressung auf einen Bereich von ca. 0,14 ab.
• Die Abschätzung des Reibungskoeffizienten für eine Parallelschaltung verläuft in dem gezeigten Bereich der Flächenpressung zwischen 0 MPa und 5 MPa im Wesentlichen zwischen den Reibungskoeffizienten der beiden Kunststoffe.
• Insbesondere verläuft die Abschätzung des Reibungskoeffizienten für die Parallelschaltung der beiden Kunststoffe in einem Bereich hoher Flächenpressung nahezu parallel zum Verlauf des Reibungskoeffizienten des ersten Kunststoffs. Im Bereich niedriger Flächenpressung verläuft die Abschätzung des Reibungskoeffizienten der Parallelschaltung näher am Verlauf des Reibungskoeffizienten für den zweiten Kunststoff. Zwischen diesen beiden Bereichen, von ca. 3,5 MPa bis 4 MPa verläuft die Abschätzung des Reibungskoeffizienten der Parallelschaltung unterhalb der Reibungskoeffizienten der beiden Kunststoffe.
• In 6b ist in einem Schaubild 30 eine spezifische Verschleißrate in ${10}^{-6}\frac{m{m}^3}{Nm}$

  

  Kubikmillimeter pro Newtonmeter) auf der y-Achse im Bereich von 0 bis 1,8 aufgetragen. Auf der x-Achse 32 ist wie im Schaubild 30 gemäß der 6a eine Flächenpressung in MPa im Bereich von 0 bis 5 aufgetragen.
• Für niedrige Flächenpressungen ist die spezifische Verschleißrate für den ersten Kunststoff niedrig und liegt etwa im Bereich von kleiner 0,4, wohingegen für hohe Flächenpressungen ab ca. einem Bereich von größer 2,5 MPa die spezifische Verschleißrate im Wesentlichen exponentiell auf ca. 1,6 ansteigt.
• Für den zweiten Kunststoff ist die spezifische Verschleißrate im Bereich niedriger Flächenpressungen hoch, insbesondere größer als 1 und sinkt asymptotisch mit steigender Flächenpressung auf einen Bereich von ca. 0,5 ab.
• Eine Abschätzung der spezifischen Verschleißrate für eine Parallelschaltung beider Kunststoffe verläuft dabei mit Ausnahme des Bereichs einer Flächenpressung zwischen 3 MPa und 4 MPa zwischen den Verschleißraten der beiden Kunststoffe. In diesem Bereich ist die spezifische Verschleißrate einer Parallelschaltung beider Kunststoffe niedriger als die jeweilige Verschleißrate eines einzelnen der Kunststoffe.
• In den 7a und 7b sind in Schaubildern 30 Messungen eines Reibungskoeffizienten und einer Verschleißrate über einem Produkt aus Pressung und Geschwindigkeit für einen ersten Kunststoff, einen zweiten Kunststoff und eine Parallelschaltung beider Kunststoffe aufgetragen.
• In 7a ist analog zur 6a ein Reibungskoeffizient aufgetragen. Jedoch ist in der 7a der Reibungskoeffizient über einem Produkt aus Pressung und Geschwindigkeit in MPa m/s (Megapascal mal Meter pro Sekunde) in einem Bereich zwischen 0 MPa m/s und 35 MPa m/s aufgetragen. Messpunkte des ersten Kunststoffs sind als Vierecke 42 aufgetragen. Ein basierend auf den Messpunkten interpolierter Verlauf ist als durchgezogenen Linie aufgetragen und mit 44 bezeichnet. Messpunkte des zweiten Kunststoffs sind als Dreiecke 46 aufgetragen, wobei ein interpolierter Verlauf als gestrichelte Linie dargestellt und mit 48 bezeichnet ist. Messpunkte für die Parallelschaltung der beiden Kunststoffe sind als Kreise 50 dargestellt. Ein entsprechender Verlauf der Interpolation dieser Messpunkte ist als gepunktete Linie aufgetragen und mit 52 bezeichnet. Die Werkstoffe bzw. die Parallelschaltung weisen bei einem niedrigen Produkt aus Pressung und Geschwindigkeit einen Wert zwischen 0,3 und 0,4 auf und nähern sich für höhere Werte des Produkts aus Pressung und Geschwindigkeit einem Wert nahe 0,1 an..
• Der Reibungskoeffizient der Parallelschaltung verläuft dabei mit Ausnahme eines Messpunkts für den zweiten Werkstoff bei ca. 20 MPa m/s unterhalb der Reibungskoeffizienten der beiden Kunststoffe.
• Ferner ist eine Lastgrenze für den zweiten Kunststoff durch eine mit 54 bezeichnete senkrechte Linie veranschaulicht. Eine Lastgrenze für die Parallelschaltung bzw. den zweiten Kunststoff ist durch eine mit 56 bezeichnete senkrechte Linie verdeutlicht. Hierbei ist zu erkennen, dass die Lastgrenze für die Parallelschaltung höher ist als die Lastgrenze für den zweiten Kunststoff. Als Lastgrenze kann insbesondere ein Grenzwert verstanden werden, bis zu dem ein Kunststoff betrieben werden kann, ohne wesentlich Schaden zu nehmen. Insbesondere kann als Lastgrenze ein Wert verstanden werden, bei dessen Überschreitung eine Zerstörung des Kunststoffs eintritt, die insbesondere größer ist als ein Verschleiß des Kunststoffs bei einem Betrieb unterhalb der Lastgrenze. Durch die Parallelschaltung kann der zweite Kunststoff folglich bis über seine Lastgrenze hinaus verwendet werden.
• In 7b ist eine Messung der spezifischen Verschleißraten in einem Bereich von $0{10}^{-6}\frac{m{m}^3}{Nm}$

  

  bis $6\text{ 0 }{10}^{-6}\frac{m{m}^3}{Nm}$

  

  über einem Produkt aus Pressung und Ge-schwindigkeit in einem Bereich von 0 MPa m/s bis 35 MPa m/s aufgetragen.
• Die Verschleißrate des ersten Kunststoffs steigt bis zu einem Produkt aus Pressung und Geschwindigkeit von etwa 5 MPa m/s steil von einem Wert unter 1 ${10}^{-6}\frac{m{m}^3}{Nm}$

  

  auf einen Wert nahe $5{10}^{-6}\frac{m{m}^3}{Nm}$

  

  an und sinkt danach im Wesentli-chen asymptotisch auf einen Wert von unter $1{10}^{-6}\frac{m{m}^3}{Nm}$

  

  bei ca. 32,5 MPa m/s.
• Die Verschleißraten des zweiten Kunststoffs und der Parallelschaltung steigen zunächst leicht an und sinken dann bis zum Erreichen ihrer Lastgrenze wieder ab. Dabei verlaufen die Verschleißraten in einem Bereich zwischen $0{10}^{-6}\frac{m{m}^3}{Nm}$

  

  und $1{10}^{-6}\frac{m{m}^3}{Nm}$

  

  Die Lastgrenzen für die jeweiligen Kunststoffe und die Parallelschaltung sind dabei identisch zu den Lastgrenzen gemäß der 7a.
• Die Interpolation der Verschleißrate der Parallelschaltung verläuft dabei im Bereich bis ca. 15 MPa m/s unterhalb der Reibungskoeffizienten der beiden Kunststoffe. Folglich birgt die Parallelschaltung der Kunststoffe einerseits den Vorteil einer Reduktion der Verschleißrate in einem niedrigen Bereich für ein Produkt aus Pressung und Geschwindigkeit. Ferner weist die Parallelschaltung eine Lastgrenze auf, deren Wert im Wesentlichen dem Wert der Lastgrenze des belastbareren Kunststoffs entspricht. Folglich kann durch eine Parallelschaltung die Verschleißrate in einem niedrigen Bereich für ein Produkt aus Pressung und Geschwindigkeit reduziert werden, wobei eine maximale Lastgrenze erhalten bleibt.
• Die Vorteile der offenbarten Lehre liegen unter anderem in der Möglichkeit, ein Lagersystem in einem breiten Lastkollektivbereich betreiben zu können. In Kombination mit einem bei hohen Lasten funktionierenden Werkstoff können auch vermeintlich weniger belastbare tribologisch optimierte Werkstoffe eingesetzt werden. Damit gehen eine längere Lebensdauer, geringere Umweltbelastungen und eine bessere Ökoeffizienz einher. Wirtschaftliche Vorteile sind durch geringere Wartungsintervalle und eine längere Lebensdauer zu erwarten. Zudem sind durch die Kombination mit kostengünstigen Kunststoffen Materialkostenvorteile zu erwarten.
• Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
• In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
• Bezugszeichenliste

10

tribologisches System

12

tribologische Einheit

14

Reibpartner

16

Träger

18

erstes Gleitelement

20

zweites Gleitelement

22

drittes Gleitelement

24

viertes Gleitelement

26

erste Teilzwischenschicht

28

zweite Teilzwischenschicht

30

Schaubild

32

x-Achse

34

y-Achse

36

Verlauf des ersten Kunststoffs

38

Verlauf des zweiten Kunststoffs

40

Verlauf der Abschätzung einer Parallelschaltung

42

Viereck

44

interpolierter Verlauf

46

Dreieck

48

interpolierter Verlauf

50

Kreis

52

interpolierter Verlauf

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senkrechte Linie

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senkrechte Linie

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102014224304 A1 [0003]
• EP 0005531 A1 [0004]

Claims (10)

1. Tribologische Einheit (12) zum Durchführen einer Gleitbewegung mit einem Reibpartner (14) in einem ersten Bereich für Pressung und Geschwindigkeit und einem zweiten Bereich für Pressung und Geschwindigkeit; mit: einem Träger (16) zur Aufnahme von Gleitelementen; einem ersten Gleitelement (18) umfassend einen ersten Verbundwerkstoff; einem zweiten Gleitelement (20) umfassend einen zweiten Verbundwerkstoff; wobei das erste Gleitelement (18) für den ersten Bereich optimiert ist; und das zweite Gleitelement (20) für den zweiten, vom ersten Bereich verschiedenen Bereich optimiert ist und das erste Gleitelement (18) und das zweite Gleitelement (20) an dem Träger (16) angeordnet sind.
2. Tribologische Einheit (12) nach Anspruch 1, wobei der erste Verbundwerkstoff einen ersten Kunststoff mit einem ersten Additiv und der zweite Verbundwerkstoff einen zweiten Kunststoff mit einem zweiten Additiv umfasst.
3. Tribologische Einheit (12) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der erste Kunststoff und/oder der zweite Kunststoff ein Tribocompound, insbesondere auf Basis von PEEK umfasst.
4. Tribologische Einheit (12) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das erste und/oder zweite Additiv Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern, Mikropartikel und/oder Nanopartikel umfasst.
5. Tribologische Einheit (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Gleitelement (18) und das zweite Gleitelement (20) in Bezug auf eine Reibrichtung parallel zueinander angeordnet sind; und vorzugsweise das erste Gleitelement (18) und/oder das zweite Gleitelement (20) eine Anlagefläche zur Anlage an den Reibpartner (14) aufweist, die in Draufsicht eine rechteckige Grundfläche, vorzugsweise mit einer Seitenlänge von 4mm * 2mm, aufweist.
6. Tribologische Einheit (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem dritten Gleitelement (22) und einem vierten Gleitelement (24), wobei das dritte Gleitelement (22) den ersten Verbundwerkstoff und das vierte Gleitelement (24) den zweiten Verbundwerkstoff umfasst, bevorzugt die vier Gleitelemente (18, 20, 22, 24) eine in Draufsicht quadratische Anlagefläche zur Anlage an den Reibpartner (14) bilden; und besonders bevorzugt die vier Gleitelemente (18, 20, 22, 24) bezüglich ihres Verbundwerkstoffs in einem Schachbrettmuster angeordnet sind.
7. Tribologische Einheit (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Zwischenschicht zur Anpassung der Steifigkeit der tribologischen Einheit (12), wobei die Zwischenschicht zwischen dem Träger (16) und den Gleitelementen (18, 20) angeordnet ist und vorzugsweise einen dritten Kunststoff umfasst.
8. Tribologische Einheit (12) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Zwischenschicht eine erste Teilzwischenschicht (26) und eine zweite Teilzwischenschicht (28) aufweist, und die erste Teilzwischenschicht (26) zwischen dem ersten Gleitelement (18) und dem Träger (16) und die zweite Teilzwischenschicht (28) zwischen dem zweiten Gleitelement (20) und dem Träger (16) angeordnet ist.
9. Verwendung einer tribologischen Einheit (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Wellenlager, insbesondere in einer Common-Rail Pumpe.
10. System (10) umfassend eine tribologische Einheit (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche und einen Reibpartner (14), wobei der Reibpartner (14) vorzugsweise Stahl umfasst.

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