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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gelenkkette aus einander abwechselnden Kettengliedern, die in einem Kettengelenk miteinander verbunden sind, das Kettengelenk umfasst eine Gelenkhülse und einen Gelenkbolzen, der schwenkbar in der Gelenkhülse gelagert ist, wobei die Gelenkfläche des Gelenkbolzens und/oder der Gelenkhülse mit einer PVD-Hartstoffschicht versehen ist.
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Gelenkketten mit jeweils über ein Kettengelenk miteinander verbundenen Kettengliedern sind in vielfältiger Form im Stand der Technik im Einsatz. Im überwiegenden Umfang handelt es sich dabei um Laschenketten, bei denen jeweils ein Innenkettenglied aus zwei parallelen mittels zwei Gelenkhülsen verbundenen Innenlaschen mit einem aus zwei mittels zwei Gelenkbolzen miteinander verbundenen Außenlaschen bestehenden Außenkettenglied einander abwechselt. Eine Gelenkhülse eines Innenkettenglieds und ein Gelenkbolzen eines angrenzenden Außenkettenglieds bilden dabei jeweils ein Kettengelenk. Im Einsatz als Antriebs- oder Förderketten wird insbesondere der Bereich der Kettengelenke stark beansprucht, so dass hier ein starker Bedarf bezüglich einer verschleißbeständigen Lagerfläche besteht. Neben dem Einsatz als Antriebs- oder Förderketten werden Gelenkketten wieder in zunehmenden Maße in der Automobilindustrie zur Steuerung des Verbrennungsmotors eingesetzt. In diesem Einsatzgebiet sind die Anforderungen an die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit besonders hoch, da eine regelmäßige Wartung und die damit verbundene Schmierung der Kette nicht bzw. nur in langen Zeitabständen vorausgesetzt werden kann, aber bei einer möglichst kleinen Dimensionierung der Kette gleichzeitig die Belastungen verhältnismäßig hoch und das Belastungsprofil stark schwankend ist.
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Um die notwendige Verschleißbeständigkeit zu erreichen und eine verschleißbedingte Längung zu vermeiden, werden die Gelenkbolzen und/oder Gelenkhülsen herkömmlicher Gelenkketten einer Wärmebehandlung unterzogen, z.B. vergüten, karborieren, karbonitrieren, etc., oder einer Karbidschicht versehen. Trotz einer Wärmebehandlung der Gelenkbauteile und/oder der Ausbildung einer Karbidschicht auf den Gelenkflächen treten insbesondere beim Einsatz als Steuerketten in einem Verbrennungsmotor Verschleißprobleme und eine verschleißbedingte Längung auf, die die Zuverlässigkeit des Motors verringern.
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Eine gattungsgemäße Gelenkkette ist aus der
DE 103 26 710 A1 bekannt. Bei dieser Rollenkette wird der Gelenkbolzen aus einem legierten Stahl zunächst einem Karborierungshärten unterworfen, bevor mittels Pulverbeschichtung eine Vanadium- Karbidschicht auf der Oberfläche des Bolzens abgelagert wird. Alternativ kann die Vanadium-Karbidschicht auch durch ein chemisches oder physikalisches Abscheideverfahren aufgetragen werden. Zwar ermöglicht ein derart behandelter Gelenkbolzen eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit der Gelenkkette, jedoch müssen mehrere zeitaufwändige Verfahrensschritte hintereinandergeschaltet werden, wobei die benötigten hohen Temperaturen und Beschichtungszeiten zu einem Anlassen des Grundwerkstoffs führen. Durch den kostenintensiven Beschichtungsaufbau und die Rückwirkungen des Prozesses auf die Eigenschaften des Ausgangsmaterials sind diese Rollenketten nur in einem beschränkten Einsatzbereich nutzbar.
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Die
DE 10 2006 024 433 A1 offenbart eine verschleißfeste Kette, bei der zumindest die der Reibung ausgesetzten Oberflächenbereiche der Kettengelenke mit einer Verschleißschutzbeschichtung versehen sind, in der nanokristalline Partikel integriert sind. Die
DE 10 2005 047 449 A1 beschreibt eine Gelenkkette mit einander abwechselnden Kettengliedern, wobei die Kettenbolzen der Kettengelenke mit einer in einem PVD-Verfahren aufgebrachten mehrschichtigen Hartstoffbeschichtung können aus nitridischen, karbidischen und/oder karbonitridischen Werkstoffen versehen sind. Die
DE 202 15 972 U1 zeigt wiederum eine Gelenkkette mit durch Kettengelenke verbundenen Kettengliedern, wobei die Lagerfläche der Gelenköffnungen aus einem karbidbildenden Material ausgebildet ist, während die Gelenkbolzen eine chromierte Oberflächenschicht aufweisen. Der wissenschaftliche Artikel „Anwendung der Oberflächenanalyse in der Dünnschichttechnik an ausgewählten Beispielen“ von J. Göbel beschreibt die Herstellungsbedingungen und die Schichteigenschaften von Titan-Carbonitrid und Chrom-Nitrid sowie die Leistungsfähigkeit der eingesetzten analytischen Untersuchungsmethode, wobei die Schichten durch reaktives Hochleistungszerstäuben auf vorgespannte sowie unterschiedlich geformte und zusammengesetzte Substrate im Batch-Verfahren hergestellt werden.
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Mit der fortschreitenden technischen Entwicklung steigen insgesamt auch die Anforderungen an die Verschleißbeständigkeit von Gelenkketten. Insbesondere im Automobilbereich führen die fortschreitende Innovation und der Konkurrenzdruck zu einem ständigen Verbesserungsbedarf und damit zu einer notwendigen Anpassung der Verschleißfestigkeit. Auch besteht insbesondere im Hinblick auf die im Bereich der Automobilindustrie üblichen hohen Stückzahlen die Notwendigkeit aufwändige Lösungen zur Verschleißproblematik durch kostengünstige Konzepte zu ersetzen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gelenkkette mit guten Verschleißeigenschaften bei möglichst geringen Herstellkosten bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Gelenkkette gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird erstmals eine Gelenkkette bereitgestellt, bei der eine in einem PVD-Verfahren aufgebrachte Hartstoffschicht direkt auf den Kern des Gelenkbolzens bzw. die unvergütete Oberfläche des Bolzens und/oder der Gelenkhülse aus hochkohlenstoffhaltigen Stahl aufgetragen wird. Da die PVD-Hartstoffschicht ohne ein vorheriges Vergüten oder Beschichten direkt auf das Basismaterial des Gelenkbolzens bzw. der Gelenkhülse aufgetragen wird, ist die Herstellung der erfindungsgemäßen Gelenkkette mit vergleichbar verschleißbeständigen Ketten kostengünstiger bei einer gleichzeitig verbesserten Verschleißbeständigkeit. Hochkohlenstoffhaltige Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,4 Gew.-% und 1,2 Gew.-% weisen eine gute Anlassbeständigkeit auf, so dass trotz Beschichtungstemperaturen von 350° bis 450°C und einer Beschichtungsdauer von bis zu 4 Stunden für das Auftragen der Hartstoffschicht in einem PVD-Verfahren der Gelenkbolzen oder die Gelenkhülse weiterhin eine relativ hohe Kernhärte aufweisen, weshalb vor der PVD-Beschichtung keine zusätzliche Oberflächenhärtung des Bolzens/Gelenkhülse notwendig ist. Neben dem hohen Kohlenstoffgehalt kann der als Basismaterial eingesetzte Stahl weitere Legierungselemente enthalten, insbesondere Karbidbildner, wie beispielsweise Chrom, Vanadium oder Molybden, wobei das Hinzufügen von Karbidbildnern die Anlassbeständigkeit des Stahls nochmals erhöht.
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Durch die PVD-Beschichtung (Physical Vapur Deposition) wird eine harte, dünne metallische oder keramische Schicht auf dem Gelenkbolzen und/oder der Gelenkhülse aus hochkohlenstoffhaltigem Stahl abgeschieden, die eine große Abriebs- und Verschleißfestigkeit, eine große Härte und Temperaturbeständigkeit, eine geringe Reibung sowie gute chemische Eigenschaften und eine geringe Haftneigung aufweist. Neben der Verbesserung der Verschleißbeständigkeit erhöht die PVD-Hartstoffschicht auch die Korrosionsbeständigkeit, was insbesondere beim Einsatz in einem Verbrennungsmotor gegenüber den korrosiven Bestandteilen des Motoröls von Vorteil ist.
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Dabei können kohlenstoffhaltige Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,5 Gew.-% und 1,0 Gew.-%, beispielsweise ein 100 Cr6-, 59 CrV4-, oder C60-Stahl, besonders gut als Basiswerkstoff für den Gelenkbolzen und/oder die Gelenkhülse geeignet sein, da diese Stähle eine ausreichende Festigkeit und Anlassbeständigkeit aufweisen, um für eine Beschichtung mit einer PVD-Hartstoffschicht besonders geeignet zu sein, und gleichzeitig nicht zu spröde sind, um in einem Kettengelenk eingesetzt zu werden.
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Die PVD-Hartstoffschicht des Gelenkbolzens und/oder der Gelenkhülse kann sowohl aus metallischen Hartstoffen als auch aus nichtmetallischen Hartstoffen bestehen. Als metallische Hartstoffe kommen alle Karbide, Nitride, Karbonitride, Boride und Silzide der Übergangsmetalle, z.B. Titan, Chrom, Wolfram, Zirkonium, etc., in Frage. Dabei lagern sich die relativ kleinen Atome des Kohlenstoffs, Stickstoffs oder Bors auf den Zwischengitterplätzen des Metalls ab, so dass trotz der dichten Atompackung die typisch metallischen Eigenschaften bestehen bleiben. Als nichtmetallische Hartstoffe kommen beispielsweise Diamant und DLC (Diamond Like Carbon) sowie Korund, Borkabid, kubisches Bornitrid, Siliziumcarbid oder Aluminiumnitrid in Frage.
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Für die direkte Beschichtung der Oberflächen von Gelenkbolzen und/oder Gelenkhülse aus hochkohlenstoffhaltigem Stahl haben sich im Besonderen metallische Nitridbildner als positiv herausgestellt, insbesondere Chromnitrid (CrN). Daher ist es von Vorteil wenn die PVD-Hartstoffschicht als Schicht auf Basis von Chromnitrid, wobei die stöchiometrische Zusammensetzung variabel ausgebildet sein kann. Chrom sorgt für einen fließenden Übergang vom Stahl über eine dünne Haftvermittlerschicht zur eigentlichen verschleißschützenden Oberflächenschicht der PVD-Hartstoffschicht, wodurch die notwendige Schichtdicke gering und damit auch die Beschichtungszeiten kurz gehalten werden können. Gegenüber anderen metallischen und nichtmetallischen Hartstoffen ist Chromnitrid bei unterschiedlichen Lieferanten gut verfügbar und daher relativ preiswert zu beschaffen. Außerdem lässt sich Chromnitrid verhältnismäßig einfach in einer PVD-Beschichtungsanlage verarbeiten und erzeugt bei einer guten Haftung auf dem Substrat eine dünne PVD-Hartstoffschicht mit hoher Verschleißbeständigkeit. Dabei wird das Chromnitrid bei Prozesstemperaturen zwischen 380° und 420°C auf die Oberfläche der Gelenkbolzen und/oder Gelenkhülsen aufgetragen.
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Gegenüber herkömmlichen Verschleißschutzschichten ist es bei der Verwendung einer PVD-Hartstoffschicht in einer erfindungsgemäßen Gelenkkette ausreichend, wenn die PVD-Hartstoffschicht auf der Gelenkfläche des Gelenkbolzens und/oder der Gelenkhülse eine Schichtdicke zwischen 1 und 10 µm, insbesondere zwischen 1 und 5 µm, bevorzugt zwischen 2 und 4 µm, aufweist. Trotz dieser geringen Schichtdicke ermöglichen diese PVD-Hartstoffschichten auf der Gelenkfläche des Gelenkbolzens und/oder der Gelenkhülse einen guten korrosiven Schutz und eine gute Verschleißbeständigkeit. Dabei ist es ausreichend, wenn anstelle der Gelenkfläche des Gelenkbolzens bzw. Gelenkhülse, d.h. der Zylinderfläche des Gelenkbolzens oder der Innenzylinderfläche der Gelenkhülse, nur der Bereich der Lagerfläche, d.h. der Kontaktbereich zwischen dem Gelenkbolzen und der Gelenkhülse mit der PVD-Hartstoffschicht versehen ist. Die Hafteigenschaften, insbesondere metallischer PVD-Hartstoffbeschichtungen erlauben es nur den tatsächlich benötigten Bereich zu beschichten, ohne das Risiko eines Abplatzens der PVD-Hartstoffschicht im Übergangsbereich zwischen unbeschichteter und beschichteter Oberfläche. Dadurch wird es möglich, dass der Fügebereich der Gelenkbolzen zu den Kettenlaschen beschichtungsfrei ausgeführt ist, wodurch die Restschmutzproblematik bei der Herstellung der Gelenkketten reduziert werden kann.
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Die PVD-Hartstoffschicht ist in einem kontinuierlichen PVD-Verfahren auf der Lagerfläche des Gelenkbolzens und/oder der Gelenkhülse aufgetragen.Kontinuierliche Beschichtungsverfahren haben gegenüber Batch-Verfahren generell den Vorteil eines höheren Durchsatzes und einer besseren Ausnutzung von Ressourcen. Bei der Beschichtung von Kettengelenk-Bauteilen ergibt sich als zusätzlicher Vorteil, dass die Bauteile nur während der Dauer des Beschichtungsprozesses selbst den hohen Prozesstemperaturen unterliegen, so dass das Basismaterial der Gelenkbolzen und/oder Gelenkhülsen nicht unnötig angelassen wird.
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Eine Variante sieht vor, dass die PVD-Hartstoffschicht mehrlagig ausgebildet ist, um die PVD-Hartstoffschicht extremen Belastungen oder besonderen Prozessbedingungen anzupassen.
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Als PVD-Beschichtungsverfahren bieten sich insbesondere übliche Sputterverfahren oder eine Lichtbogen-Verdampfung (Are-Verfahren) an. Beim Are-Verfahren wird im Vakuum ein Targetmaterial (z.B. Chrom) durch einen Lichtbogenspot direkt in die Gasphase sublimiert und durch einen starken Elektronenfluss zur Wand der Vakuumkammer auf das Substrat gerichtet, auf dem sich dann die verdampften Metallionen ablagern. Mit dem Are-Verfahren können große Abscheideraten bei einer guten Schichthaftung erreicht werden. Demgegenüber wird beim Sputtern von einer Kathode ein selbststabilisierendes Plasma erzeugt, das Metallatome und Metallelektronen enthält, die sich auf dem Substrat anlagern. Gegenüber dem Are-Verfahren ist beim Sputtern jedoch sowohl der Ionisierungsgrad des Beschichtungsmaterials geringer als auch der Beschichtungsraum und die Beschichtungsrate kleiner. Moderne Sputterverfahren können jedoch einen Teil dieser Nachteile kompensieren. Beispielsweise ermöglicht das HPPMS-Verfahren (High Power Pulse Magnetron Sputtern) mit Hilfe von kurzen Pulsen eine extrem starke Ionisierung von Schichtmetallatomen, wodurch eine stärkere Implantationswirkung der Hartstoffschicht im Substrat und eine bessere Schichthaftung erreicht wird.
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Bevorzugt weist der mit einer PVD-Hartstoffschicht versehene Gelenkbolzen und/oder die mit einer PVD-Hartstoffschicht versehene Gelenkhülse eine Kemharte von 400 bis 700 HV10, insbesondere eine Kernhärte von 500 bis 600 HV10 auf. Eine ausreichende Kernhärte des Basismaterials verhindert ein Ablösen der PVD-Hartstoffschicht.
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Günstigerweise kann die PVD-Hartstoffschicht eine Härte von 1.500 bis 2.500 HV10, insbesondere eine Härte von 1.800 bis 2.300 HV10 aufweisen. Mit einer derart hohen Oberflächenhärte kann neben weiteren Vorteilen auch die Verschleißbeständigkeit gegenüber herkömmlichen verschleißbeständigen Gelenkbolzen erhöht werden.
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Die erfindungsgemäße Gelenkkette ermöglicht mit einer sehr dünnen in einem PVD-Verfahren aufgebrachten PVD-Hartstoffschicht ohne ein Vergüten oder anderweitiges Beschichten des Basismaterials eine verschließarme, kostengünstige Gelenkkette, die in vielen Bereichen einsetzbar ist. Daher kann die erfindungsgemäße Gelenkkette sowohl als Hülsenkette, aber auch als Rollenkette, Zahnkette oder Flyerkette ausgebildet sein. Dabei bewirkt die insbesondere aus Chromnitrid bestehende PVD-Hartstoffbeschichtung des Gelenkbolzens und/oder der Gelenkhülse dank ihrer großen Härte, Zähigkeit, Elastizität und Korrosionsbeständigkeit gegenüber anderen bekannten Verschleißbeschichtungen sogar einen gesteigerten Verschleißschutz, der sich überraschenderweise aus der richtigen Kombination einer PVD-Hartstoffschicht mit anlassbeständigen, hochkohlenstoffhaltigen Stählen ergibt.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht mit einem bereichsweisen Schnitt einer erfindungsgemäßen Gelenkkette, und
- 2 eine Draufsicht mit einem bereichsweisen Schnitt einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gelenkkette.
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Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Gelenkkette 1 ist als Hülsenkette ausgeführt, mit jeweils über ein Kettengelenk 2 verbundenen Innenkettengliedem und Außenkettengliedern. Das Innenkettenglied besteht hierbei aus jeweils zwei parallel verlaufenden Innenlaschen 8 und zwei die Innenlaschen 8 miteinander verbindenden Gelenkhülsen 5, wobei die Gelenkhülsen 5 senkrecht zu den Innenlaschen 8 stehen und die Gelenkhülsen 5 fest mit den Innenlaschen 8 verbunden sind, insbesondere durch Pressen oder Kleben.
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Die Außenkettenglieder bestehen aus zwei parallel verlaufenden Außenlaschen 9, die mit zwei Gelenkbolzen 3 miteinander verbunden sind, wobei die Gelenkbolzen 3 drehbar in den Gelenkhülsen 5 der Innenkettenglieder gelagert sind. Das Außenkettenglied ist durch den Gelenkbolzen 3 drehbar an einem angrenzenden Innenkettenglied befestigt und verbindet durch die Außenlaschen 9 das Innenkettenglied mit einem zweiten Innenkettenglied, wobei die Außenlaschen 9 parallel zu den Innenlaschen 8 verlaufen. Die Gelenkbolzen 3 des Außenkettenglieds sind in den Gelenkhülsen 5 des Innenkettenglieds drehbar gelagert, wodurch die Verbindung jeweils ein Kettengelenk 2 der Gelenkkette 1 bilden. Die Achsen der ineinander verlaufenden Gelenkbolzen 3 und der Gelenkhülsen 5 fluchten zueinander.
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Die in 1 gezeigten Gelenkbolzen 3 der Gelenkkette 1 bestehen vollständig aus einem kohlenstoffhaltigen Stahl mit einem hohen Kohlenstoffanteil, z.B. 100 Cr6, 59 CrV4 oder C60, wobei die Gelenkfläche, d.h. die Zylinderoberfläche, des Gelenkbolzens 3 oder zumindest die Lagerfläche 4 des Gelenkbolzens 3 mit einer in einem PVD-Verfahren aufgetragenen CrN-Hartstoffschicht versehen ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Gelenkhülse 5 aus einem kohlenstoffhaltigen Material hergestellt sein und auf ihrer Gelenkfläche bzw. der Lagerfläche 6 mit einer PVD-Hartstoffschicht versehen sein.
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Die mit einer PVD-Hartstoffschicht versehene Lagerfläche 4 des Gelenkbolzens 3 bzw. die Lagerfläche 6 der Gelenkhülse 5 erweist sich durch ihre große Härte bei einer gleichzeitig verhältnismäßig glatten Oberfläche als gut geeigneter Gleitpartner für die Lagerflächen herkömmlicher Gelenkhülsen bzw. Gelenkbolzen.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform der Gelenkkette 1 als Hülsenkette berühren die Zahnflanken eines eingreifenden Kettenrads die feststehenden Gelenkhülsen 5 stets an der gleichen Stelle ihrer äußeren Oberfläche, weshalb auch hier ein hoher Verschleißwiderstand notwendig ist, der ebenfalls mittels einer PVD-Hartstoffschicht erreicht werden kann. Da die äußeren Oberflächen der Gelenkhülsen 5 direkt in die Zähne des Kettenrads eingreifen, weisen Hülsenketten jedoch auch einen vergleichsweise großen Durchmesser der Gelenkbolzen 3 auf. Der große Durchmesser eines Gelenkbolzens 3 bewirkt über eine große Gelenkfläche eine geringere Gelenkflächenpressung und damit einen geringeren Verschleiß im Kettengelenk. Daher werden Hülsenketten insbesondere im Automobilbereich mit hoch beanspruchten Nockenwellenantrieben sowie in schnell laufenden Dieselmotoren eingesetzt.
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2 zeigt die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gelenkkette 1 als Rollenkette. Im Folgenden werden daher nur die Wesentlichen Unterschiede der in 2 gezeigten Rollenkette gegenüber der Hülsenkette aus 1 beschrieben. Für identische und wirkungsgleiche Elemente werden gleiche Bezugsziffern verwendet und diesbezüglich auf die obige Beschreibung zu 1 verwiesen. Bei der Rollenkette besteht das Innenkettenglied ebenfalls aus zwei parallel verlaufenden Innenlaschen 8 und zwei die Innenlaschen 8 miteinander verbindenden Gelenkhülsen 5 sowie zusätzlich aus zwei zwischen den Innenlaschen 8 die Gelenkhülsen 5 umschließende Laufrollen 10. Neben den Gelenkbolzen 3 sind auch die Laufrollen 10 senkrecht zu den Innenlaschen 8 angeordnet. Die Achsen der ineinander verlaufenden Laufrollen 10, Gelenkhülsen 5 und Gelenkbolzen 3 fluchten zu einander.
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Die sich über die Gelenkhülsen 5 drehenden Laufrollen 10 einer Rollenkette rollen mit wenig Reibung an den Zahnflanken des mit der Rollenkette in Eingriff stehenden Kettenrades ab, so dass immer wieder eine andere Stelle des Umfangs der Laufrollen 10 zum Tragen kommen. Üblicherweise ist zwischen den Laufrollen 10 und den Gelenkhülsen 5 ein Schmierstofffilm vorgesehen, der gleichzeitig zur Geräusch-Stoßdämpfung beiträgt. Die Kettengelenke 2 der Rollenkette weisen durch den im Vergleich zur Hülsenkette geringeren Durchmesser der Gelenkbolzen 3 eine kleinere Gelenkfläche und damit eine größere Gelenkflächenpressung auf. Diese erhöhte Belastung des Kettengelenks 2 erfordert eine besondere Beachtung der Verschleißeigenschaften entsprechend eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des Gelenkbolzens 3 und/oder der Gelenkhülse 5 aus einem hochkohlenstoffhaltigen Stahl mit einer PVD-Hartstoffschicht.
