DE102009004864A1

DE102009004864A1 - Hydraulische Spannvorrichtung für Zugmitteltriebe in Kraftfahrzeugen und Verfahren zur Herstellung einer solchen Spannvorrichtung

Info

Publication number: DE102009004864A1
Application number: DE200910004864
Authority: DE
Inventors: Roland Arneth; Marco Kowalski
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2010-07-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Spannvorrichtung für Zugmitteltriebe in Kraftfahrzeugen, insbesondere Riemenspanner, mit zumindest einem Zylinder (1, 1', 1"), in welchem ein mit Druckmittel beaufschlagter durch Übertragungsmittel mit einem Zugmittel mittelbar zusammenwirkender Kolben (2, 2', 2") beweglich geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kontaktoberfläche am Zylinder (1, 1', 1"), und/oder am Kolben (2, 2") und/oder an den Übertragungsmitteln zumindest teilweise eine mechanisch verfestigte dünne Oberflächenschicht mit eingelagertem Polymerwerkstoff aufweist. Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Spannvorrichtung vorgeschlagen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine hydraulische Spannvorrichtung für Zugmitteltriebe in Kraftfahrzeugen, insbesondere Riemenspanner, mit zumindest einem Zylinder, in welchem ein mit Druckmittel beaufschlagter durch Übertragungsmittel mit einem Zugmittel mittelbar zusammenwirkender Kolben beweglich geführt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen hydraulischen Spannvorrichtung.
Die in der Spannvorrichtung erzeugte Vorspannung dient dazu, die Vorspannung in einem Zugmittel eines Zugmitteltriebs, beispielsweise einem Riemen eines Riementriebs oder einer Kette eines Kettentriebs, konstant zu halten. Gleichzeitig nimmt der Kolben die durch die Übertragungsmittel, beispielsweise eine Kolbenstange oder ein Kolbengehäuse, übertragenen Kräfte vom Zugmittel auf, um Schwingungen desselben durch hydraulische Dämpfungsmittel zu dämpfen.
Bei heutigen Anwendungen derartiger Spannvorrichtungen, insbesondere in einem Aggregate- oder Steuertrieb, werden die aneinander entlang gleitenden Kontaktoberflächen der Bauteile, insbesondere des Kolbens und des Zylinders, zur Verminderung von Reibungsverlusten und zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit gehärtet und glatt hergestellt. Hierzu ist an den Kontaktoberflächen ein mehrgängiger Arbeitsprozess, beispielsweise durch Drehen, Härten und Schleifen, erforderlich. Im Betrieb zeigen sich an den Kontaktoberflächen nach einer gewissen Laufzeit starke Verschleißerscheinungen durch Abrasion oder durch Verkippen der Kontaktoberflächen mit hohen Flächenbelastungen. Der abrasive Verschleiß wird durch Ölverschmutzungen bzw. Überbelastungen an den Kontaktoberflächen und die dadurch abgetragenen Partikel verursacht. Die dadurch bedingten Beeinträchtigungen zeigen sich insbesondere in Dämpfkraftverlusten bzw. durch Abtrag am Kolben, am Zylinder, an der Dichtung und an der Kolbenstangenführung. Des Weiteren kann, insbesondere bei niedrigen Betriebstemperaturen, eine erhöhte Kontaktreibung auftreten. Die erhöhte Kontaktreibung führt zu einem verspäteten Dämpfkraftaufbau, wodurch die Temperatur der Spanneinrichtung erhöht wird. Auch hier zeigt sich an den Kontaktflächen ein erhöhter Verschleiß. Diese Verschleißerscheinungen können auch zum Ausfall der Spannvorrichtung führen.
In US 7,134,939 B2 wird ein Verfahren zur Bearbeitung einer metallischen Arbeitsoberfläche eines lasttragenden mechanischen Teils vorgeschlagen, bei dem vorgesehen ist, die Arbeitsoberfläche durch ein Läppverfahren zu bearbeiten, wobei zwischen einer Kontaktoberfläche eines Läppwerkzeugs und der Arbeitoberfläche des Werkstücks abrasive Partikel angeordnet werden. Die Werkzeugoberfläche enthält wenigstens einen elastischen Polymerwerkstoff, wobei dieser und die abrasiven Partikel bei einer Relativbewegung zwischen Werkzeugoberfläche und Arbeitoberfläche eine zumindest teilweise elastische Wechselwirkung zwischen der Werkzeugoberfläche und den abrasiven Partikeln bewirken. Dabei durchdringen die abrasiven Partikel die Arbeitsoberfläche und werden zumindest zum Teil in die Arbeitsoberfläche eingelagert.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Spannvorrichtung der vorgenannten Art anzugeben, bei der die tribologischen Eigenschaften der Bauteilkontaktoberflächen verbessert sind. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und alternativ durch die Merkmale des Anspruchs 5 gelöst.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine hydraulische Spannvorrichtung vorgeschlagen, die an zumindest einer der relativ zueinander bewegten Bauteil-Kontaktoberflächen am Zylinder und/oder am Kolben und/oder an den Übertragungsmitteln zumindest teilweise eine dünne Oberflächenschicht mit eingelagertem Polymerwerkstoff aufweist. Dadurch entsteht eine dauerhafte, Ölaffine dünne organische Oberflächenschicht mit starker Bindung. Hierdurch verbessert sich das Misch- und Grenzreibungsverhalten deutlich. Auch können Stick-Slip-Effekte an den Bauteil-Kontaktoberflächen vermindert werden. Außerdem wird der Materialtraganteil der Oberfläche erhöht und die Flächenbelastungen im Betrieb verringert. Des Weiteren weist die Oberflächenschicht an der Bauteil-Kontaktoberfläche eine Art mechanische Verfestigung auf, wodurch deren Härte erheblich steigerbar ist. Auf diese Weise kann das Verschleißverhalten an den Bauteil-Kontaktoberflächen optimiert, insbesondere ein Verschleiß durch Kontaktreibung und durch verschmutzte Öle sowie erhöhte Flächenbelastungen durch Verkippen minimiert, und die Lebensdauer der Spannvorrichtung deutlich erhöht werden.
In bevorzugter Ausgestaltung sind die Bauteil-Kontaktoberflächen in Stahl ausgeführt, wobei die erzeugte Oberflächenschicht eine Härte größer als 1000 HV(Vickers) aufweist. Hierdurch kann die Oberflächenhärte der Bauteil-Kontaktoberflächen gegenüber dem Stand der Technik um mehr als das Doppelte gesteigert werden.
Vorteilhafterweise weist die Kontaktoberfläche in einer Tiefe von 1 μm noch eine Härte größer als 700 HV(Vickers) auf.
Die Oberflächenschicht kann als extrem dünne Nanoschicht ausgebildet werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer hydraulischen Spannvorrichtung vorgesehen, bei dem an zumindest einer der Bauteil-Kontaktoberflächen am Zylinder und/oder am Kolben und/oder an den Übertragungsmitteln zumindest teilweise eine verschleißfeste dünne Oberflächenschicht durch Polymer-Läppen erzeugt wird. Bei diesem Herstellungsverfahren werden ein nachgiebiger, mikroelastischer Kunststoff und abrasive Schleifpartikel, beispielsweise eine handelsübliche Schleifpaste, verwendet. Durch Aufbringen von Druck auf die Werkzeugoberfläche des Läppwerkzeugs und die zu bearbeitende Bauteil-Kontaktoberfläche während des Bearbeitungsprozesses werden die Schleifpartikel im Polymerwerkstoff temporär eingelagert, wobei scharfkantige Spitzen der Schleifpartikel abbrechen. Da mit lose, rollenden Schleifpartikeln gearbeitet wird, können selbst bei relativ grober Körnung, wegen des geringen Materialabtrags sehr hohe Oberflächengüten mit einer sehr guten Glättung erreicht werden. Über die sehr kleinen Berührungsflächen der abgerundeten Schleifpartikel wird ein großer Druck auf die bearbeitete Kontaktoberfläche der Bauteile übertragen. Dadurch erfährt diese Oberfläche einer Art mechanische Verfestigung, wodurch deren Härte erheblich gesteigert werden kann. Gleichzeitig durchdringt der Polymerwerkstoff die Bauteil-Kontaktoberfläche und wird dort zumindest teilweise eingelagert.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Oberflächenschicht durch Polymer-Läppen kann vorzugsweise in einem Verfahrensschritt erfolgen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen drei Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
1: eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung,
1a: eine vergrößerte Detailansicht aus 1,
2: eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung,
2a: eine vergrößerte Detailansicht aus 2,
3: eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung,
3a: eine vergrößerte Detailansicht aus 3.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1, 2 und 3 zeigen jeweils in Schnittdarstellungen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen als Riemenspanner ausgebildeten hydraulischen Spannvorrichtung. Diese weist einen Zylinder 1, 1', 1'' mit einem in diesem beweglich angeordneten Kolben 2, 2', 2'' auf. Der Zylinder 1, 1', 1'' ist mit einem Innendurchmesser von ca. 20 mm bis ca. 30 mm ausgebildet. Eine Druckfeder 3, 3', 3'' umschließt den Zylinder 1, 1', 1'' und den Kolben 2, 2', 2'' mit dem Kolbengehäuse 4 bzw. mit der Kolbenstange 9, 10. Die Druckfeder 3, 3', 3'' ist jeweils mit einem Ende an einem ersten Befestigungsflansch 5, 5', 5'' und an einem zweiten Befestigungsflansch 6, 6', 6'' abgestützt. Zur Vorspannung eines nicht dargestellten Riemens eines Riementriebs drückt die Druckfeder 3, 3', 3'' mit einer Vorspannkraft den Kolben 2, 2', 2'' in eine ausgefahrene Grundposition.
Der Zylinder 1, 1', 1'' bildet zusammen mit dem Kolben 2, 2', 2'' eine Druckkammer 7, 7', 7''. Über einen Leckagespalt 18, 18', 18'' strömt das Druckmittel (beispielhaft durch Pfeile angedeutet in 1 und 2) bei einer Einfahrbe wegung des Kolbens 2, 2', 2'' gedrosselt von der Druckkammer 7, 7', 7'' in eine Druckmittelvorratskammer 8, 8', 8''. Dadurch wird bei einer Einfahrbewegung des Kolbens 2, 2', 2'' (beispielhaft durch Pfeil angedeutet in 1 und 2) eine hydraulische Dämpfung der über den zweiten Befestigungsflansch 6, 6', 6'' und das Kolbengehäuse 4 bzw. der Kolbenstange 9, 10 vorn Riementrieb auf den Kolben 2, 2', 2'' übertragenen Bewegung bewirkt. Bei einer Ausfahrbewegung des Kolbens 2, 2', 2'' (beispielhaft durch Pfeil angedeutet in 1 und 2) gelangt dagegen das Druckmittel durch das geöffnete Rückschlagventil 11, 11', 11'' weitgehend ungedrosselt von der Druckmittelvorratskammer 8, 8', 8'' in die Druckkammer 7, 7', 7'' (beispielhaft durch Pfeil angedeutet in 1).
Zur axialen Führung des Kolbengehäuses 4 bzw. der Kolbenstange 9, 10 bei einer Ein- und Ausfahrbewegung des Kolbens 2, 2', 2'' ist ein Führungsring 12, 12'' in den Zylinder 1, 1', 1'' bzw. in ein diesen umgebendes Außengehäuse 13 eingepresst bzw. ein Führungsabschnitt 14 mit eingezogenem Durchmesser an der Innenwand eines Zylinders 1, 1', 1'' ausgebildet. Eine Dichtung 15, 15'', beispielsweise ein Dichtring, der zur dynamischen Abdichtung des Kolbengehäuses 4 bzw. der Kolbenstange 10 bei einer Ein- und Ausfahrbewegung des Kolbens 2, 2'' dient, ist in den Zylinder 1 bzw. in das Außengehäuse 13 eingepresst (1 und 3).
In 1a, 2a und 3a ist jeweils eine vergrößerte Detailansicht aus den 1, 2 und 3 dargestellt. Hierbei bilden die Außenoberfläche 16, 16', 16'' des Kolbengehäuses 4 bzw. der Kolbenstange 9, 10 relativ zum Führungsring 12, 12'' bzw. Führungsabschnitt 14 und relativ zur Dichtung 15, 15'' sowie der Kolben 2, 2'' an seinem Außenumfang 17, 17'' relativ zur Innenwand des Zylinders 1, 1'' jeweils eine gleitend bewegte Bauteil-Kontaktoberfläche (1a, 2a und 3a). An der Außenoberfläche 16, 16', 16'' des Kolbengehäuses 4 bzw. der Kolbenstange 9, 10 und am Außenumfang 17, 17'' des Kolbens 2, 2'' ist umlaufend eine durch Polymer-Läppen erzeugte dünne sehr glatte Oberflächenschicht mit eingelagertem Polymer-Werkstoff vorgesehen. Alternativ können die vorgenannten Bauteil-Kontaktoberflächen auch nur teilweise mit einer solchen verschleißfesten Oberflächenschicht ausgebildet sein. In Stahl ausge führt weisen die vorgenannten Bauteil-Kontaktoberflächen eine Härte von über 1000 HV(Vickers) bis zu 1100 HV(Vickers) auf, wobei in einer Tiefe von 1 μm noch eine Härte größer als 700 HV(Vickers) erreicht wird. Hierdurch können am Kolben 2, 2'' und am Kolbengehäuse 4 bzw. an der Kolbenstange 9, 10, an der Dichtung 15, 15'', am Führungsring 12, 12'' bzw. Führungsabschnitt 14 und an der Innenwand des Zylinders 1, 1'' Reibungsverluste und Verschleiß vermindert sowie das Dämpfungsverhalten der Spannvorrichtung optimiert und die Lebensdauer deutlich gesteigert werden. Denkbar ist auch, an der Bauteil-Kontaktoberfläche an der Innenwand des Zylinders 1, 1', 1'' und/oder an der Innenwand des Führungsrings 12, 12'' bzw. an der Innenwand des Führungsabschnitts 14 zusätzlich oder alternativ zumindest teilweise eine verschleißfeste, durch Polymer-Läppen erzeugte Oberflächenschicht vorzusehen.

1: Zylinder
1': Zylinder
1'': Zylinder
2: Kolben
2': Kolben
2'': Kolben
3: Druckfeder
3': Druckfeder
3'': Druckfeder
4: Kolbengehäuse
5: Befestigungsflansch
5': Befestigungsflansch
5'': Befestigungsflansch
6: Befestigungsflansch
6': Befestigungsflansch
6'': Befestigungsflansch
7: Druckkammer
7': Druckkammer
7'': Druckkammer
8: Druckmittelvorratskammer
8': Druckmittelvorratskammer
8'': Druckmittelvorratskammer
9: Kolbenstange
10: Kolbenstange
11: Rückschlagventil
11': Rückschlagventil
11'': Rückschlagventil
12: Führungsring
12'': Führungsring
13: Außengehäuse
14: Führungsabschnitt
15: Dichtung
15'': Dichtung
16: Außenoberfläche
16': Außenoberfläche
16'': Außenoberfläche
17: Außenumfang
17': Außenumfang
17'': Außenumfang
18: Leckagespalt
18': Leckagespalt
18'': Leckagespalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 7134939 B2 [0004]

Claims

Hydraulische Spannvorrichtung für Zugmitteltriebe in Kraftfahrzeugen, insbesondere Riemenspanner, mit zumindest einem Zylinder (1, 1', 1''), in welchem ein mit Druckmittel beaufschlagter durch Übertragungsmittel mit einem Zugmittel mittelbar zusammenwirkender Kolben (2, 2', 2'') beweglich geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kontaktoberfläche am Zylinder (1, 1', 1''), und/oder am Kolben (2, 2'') und/oder an den Übertragungsmitteln zumindest teilweise eine mechanisch verfestigte dünne Oberflächenschicht mit eingelagertem Polymerwerkstoff aufweist.
Hydraulische Spannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktoberfläche eine Härte größer als 1000 HV(Vickers) aufweist.
Hydraulische Spannvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktoberfläche in einer Tiefe von 1 μm eine Härte größer als 700 HV(Vickers) aufweist.
Hydraulische Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht als Nanoschicht ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer hydraulischen Spannvorrichtung für Zugmitteltriebe in Kraftfahrzeugen, insbesondere Riemenspanner, mit zumindest einem Zylinder (1, 1', 1''), in welchem ein mit Druckmittel beaufschlagter durch Übertragungsmittel mit einem Zugmittel mittelbar zusammenwirkender Kolben (2, 2', 2'') beweglich geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einer Kontaktoberfläche am Zylinder (1, 1', 1'') und/oder am Kolben (2, 2'') und/oder an den Übertragungsmitteln zumindest teilweise durch Polymer-Läppen eine verschleißfeste dünne Oberflächenschicht erzeugt wird.