DE4130688A1 - Tribologisches system an fuehrungselementen und relativ dazu axial bewegbaren elementen wie kolbenstangen oder fuehrungsstangen, sowie dessen anwendung bei stossdaempfern oder federbeinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein tribologisches System an Führungselementen und relativ dazu axial bewegbaren Elementen wie Kolbenstangen oder axial bewegbaren Führungsstangen, bei welchen ein begrenzter axialer Bewegungsbereich besteht, der aufgrund äußerer Bedingungen längs des axial bewegbaren Elementes verstellbar ist oder sich längs des axial bewegbaren Elementes verstellt. Die Erfindung betrifft auch die Anwendung eines solchen tribologischen Systems bei Stoßdämpfern oder Federbeinen.

Aus DE 38 37 306 A1 ist bekannt, Kolbenstangen in Stoßdämpfern oder Führungsstangen in Federbeinen auf ihrer Außenumfangsfläche mit einer Hartstoffschicht zu versehen, während das dieses axial bewegbare stangenförmige Maschinenelement umgreifende Führungselement an seiner mit der Oberfläche des axial bewegbaren Elements in Eingriff stehenden Innenfläche mit einer Gleitschicht ausgestattet ist, meist auf der Grundlage von PTFE-Gleitwerkstoff. Die Hartstoffschicht kann aus Chrom gebildet sein, was jedoch besondere Nachteile bedingt, weil die mittels aufwendiger galvanischer Verfahren aufgebrachte Chromschicht relativ große Rauhigkeit aufweist, selbst wenn das stangenförmige Element vor dem Galvanisieren an seiner Umfangsfläche extrem feiner Oberflächenbehandlung, beispielsweise einem Polieren, unterworfen worden ist. Die auf der Innenfläche des ringförmigen Führungselementes angebrachte Gleitschicht wird daher relativ rasch verschlissen. Gemäß DE 38 37 306 soll eine Verbesserung dadurch geschaffen werden, daß die auf dem axial bewegbaren, stangenförmigen Maschinenelement aufgebrachte Hartstoffschicht aus einer Legierung aus Silicium und Kohlenstoff gebildet sein soll. Selbst wenn die Gleiteigenschaften einer solchen Hartstoffschicht aus einer Legierung aus Silicium und Kohlenstoff bessere Gleiteigenschaften bietet als eine Chromschicht, hat das aus DE 38 37 306 A1 bekannte tribologische System den Mangel, daß die Gleitlagerbeschichtung des Führungselementes und die Oberflächenbeschichtung des axial bewegbaren Elementes bei normaler Belastung eines Stoßdämpfers bzw. Federbeines nur in einem beschränkten axialen Abschnitt am axial bewegbaren, stangenförmigen Maschinenelement aneinander gleiten und sich dabei gegeneinander einlaufen. Wird der begrenzte axiale Gleitbereich durch äußere Umstände, beispielsweise Änderung der aufzunehmenden Last verlagert, dann muß ein erneutes Einlaufen des Gleitlagerbelages an dem Führungselement gegenüber dem nunmehr mit ihm in Eingriff kommenden Bereich des axial bewegbaren, stangenförmigen Maschinenelementes erfolgen. Als Folge hiervon wird der Gleitlagerbelag des Führungselementes durch den neu mit ihm in Eingriff kommenden Bereich des axial bewegbaren, stangenförmigen Elementes erheblichem Verschleiß unterworfen. Es kommt hinzu, daß eine Hartstoffschicht auf einem axial bewegbaren, stangenförmigen Maschinenelement grundsätzlich zur Bildung von Rissen neigt, insbesondere, wenn das axial bewegbare Maschinenelement, beispielsweise eine Kolbenstange durch axiale Druckbelastung während des Betriebes mehr oder weniger stark aufbaucht.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung ein tribologisches System zu schaffen, das auch bei sich axial verstellendem oder axial verstellbarem relativem Bewegungsabschnitt des stangenförmigen Maschinenelementes gegenüber dem Führungselement nur geringfügige Verschleißerscheinungen aufkommen läßt und im übrigen eine verbesserte Anpassungsfähigkeit an die Oberflächenrauhigkeit von axial bewegbaren, stangenförmigen Maschinenelemente und bessere Anpassungsfähigkeit an radiale Verformungen des axial bewegbaren, stangenförmigen Maschinenelementes bietet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das axial bewegbare Maschinenelement zumindest auf die Länge des Bewegbarkeitsbereiches, vergrößert um die Länge von dessen Verstellbarkeitsbereich, auf seine mit dem Führungselement in Eingriff stehenden potentiellen Gleitfläche einen Gleitlager-Belag trägt, während das Führungselement eine glatte Berührungsfläche aufweist, die auf den Gleitlager-Belag des axial bewegbaren Maschinenelementes greift.

Die Erfindung bietet den Vorteil, daß die Gleitpartner optimal aufeinander angepaßt werden können. Die Verstellung des axialen Bewegbarkeits-Bereiches macht zwar ein erneutes Einlaufen des auf dem axial bewegbaren Maschinenelement aufgebrachten Gleitlagerbelages mit der glatten Berührungsfläche des Führungselementes erforderlich, jedoch bringt das axial bewegbare Maschinenelement an dem nunmehr in den Bewegbarkeits-Bereich einbezogenen Teil seiner Länge das für das Einlaufen der Gleitlagerpartner erforderliche Gleitlagermaterial mit, so daß das gegenseitige Einlaufen der Gleitpartner zu keinerlei Verschleißerscheinungen führt. Die auf dem axial bewegbaren Maschinenelement angebrachte Gleitlagerbeschichtung ist erheblich dehnfähiger als Hartstoffbeschichtungen, so daß unter Last auftretende radiale Verformungen an dem axial bewegbaren Maschinenelement kein Aufreißen der Gleitschicht verursachen kann.

Das erfindungsgemäße tribologische System läßt sich einfach herstellen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das axial bewegbare Maschinenelement aus Stahl, und der auf seiner mit dem Führungselement in Eingriff stehenden potentiellen Gleitfläche angebrachte Gleitlager-Belag ist als filmartig dünne Beschichtung aus die Gleiteigenschaften verbessernde Füllstoffe enthaltendem Gleitlack ausgebildet, die im wesentlichen Teil ihrer Fläche eine Grunddicke und unregelmäßig verteilte Bereiche größerer Dicke aufweist, wobei die die Gleiteigenschaften verbessernden Füllstoffe als feine Teilchen bevorzugt in die verdickten Bereiche der Gleitlack-Beschichtung eingelagert sind. Die Grunddicke der Gleitlackbeschichtung kann = 10 µm betragen. Dabei kann die Gleitlackbeschichtung aus lösbaren Polymer, beispielsweise Epoxidharz, bestehen, während die Füllstoffe pulverförmige Festschmierstoffe, insbesondere PTFE und/oder fluorierter Graphit und/oder Molybdändisulfid sind.

Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen tribologischen Systems bieten sich die mit Füllstoff angereicherten verdickten Bereiche der Gleitlack-Beschichtung für ein besonders schonendes Einlaufen der Gleitlackbeschichtung mit der glatten Innenfläche des Führungselementes an. Dabei tritt an der glatten Innenfläche des Führungselements praktisch kein Abrieb ein, und die Oberfläche des einmal eingelaufenen Bereiches des axial bewegbaren Maschinenelementes bleibt auch bei erneutem Verstellen des axialen Beweglichkeitsbereiches in eingelaufenem Zustand erhalten.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen tribologischen Systems ist der auf der mit dem Führungselement in Eingriff stehenden potentiellen Gleitfläche des axial bewegbaren Maschinenelementes angebrachte Gleitlager-Belag durch thermisches Beschichten mit Gleitlager-Werkstoff, beispielsweise Gleitlagermetall, gebildet. Der durch thermisches Beschichten gebildete Gleitlager-Belag ist poröser Art, so daß er beim Einlaufen an der glatten Gegenfläche des Führungselementes zum Verdichten des Gleitlager-Werkstoffes neigt und geeignet ist, das beim Einlaufen abgeriebene Material zusammen mit Schmierstoff in feine Poren aufzunehmen. Auch bei wechselnder Verstellung des axialen Bewegungsbereiches bleibt in dem einmal eingelaufenen Bereich der Zustand erhalten, während die glatte Oberfläche am Führungselement beim Einlaufen der Gleitpartner nur sehr geringen Abrieb erfährt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen tribologischen Systems ist der auf der mit dem Führungselement in Eingriff stehenden potentiellen Gleitfläche des axial bewegbaren Maschinenelementes angebrachte Gleitlager-Belag durch elektrostatisches Beschichten mit geeignete Gleiteigenschaften aufweisendem Kunststoff gebildet. Eine solche durch elektrostatisches Beschichten mit geeignetem Gleiteigenschaften aufweisendem Kunststoff gebildete Gleitschicht ist geeignet ähnliche für das Einlaufen vorteilhafte Eigenschaften zu entwickeln, wie eine durch thermisches Beschichten gebildete Gleitschicht.

Das Führungselement kann im Rahmen der Erfindung als das axial bewegbare Maschinenelement umgreifender Ring ausgebildet sein, aus Stahl bestehen und an seiner mit der potentiellen Gleitfläche am Umfang des axial bewegbaren Maschinenelementes in Eingriff stehenden Innenfläche poliert sein.

Das erfindungsgemäße tribologische System ist mit besonderem Vorteil anzuwenden für die Führung und Lagerung der Kolbenstange in Stoßdämpfern, insbesondere in der Fahrwerksaufhängung von Fahrzeugen. Eine andere besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen tribologischen Systems ist für die Führung und Lagerung der Führungsstange in Federbeinen insbesondere in Fahrwerken, beispielsweise von Luftfahrzeugen, geeignet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Stoßdämpfer schematisch in axialem Schnitt;

Fig. 2 in Abschnitt II der Fig. 1 in vergrößerter Darstellung und

Fig. 3 den Abschnitt III der Fig. 2 in vergrößerter Darstellung.

Im dargestellten Beispiel handelt es sich um die Anwendung des tribologischen Systems von axial bewegbarem Maschinenteil 1 und ringförmigem Führungselement 2 sowie Gleitlagerbelag 3 am axial bewegbaren Maschinenelement 1 bei einem in der Fahrwerkaufhängung von Fahrzeugen einzusetzenden Stoßdämpfer 4.

Die Kolbenstangen (Maschinenelement 1) heutiger Stoßdämpferkonstruktionen übertragen die auf sie von außen einwirkenden Kräfte auf zwei Punkte, einmal auf den Kolben 5 und zum anderen auf das Führungselement 2, das zugleich Gleitelement ist und am Durchtritt der Kolbenstange durch das Dämpferelement 6 eingebaut ist.

Das Führungselement 2 bzw. Gleitelement ist maßgeblich für die Lebensdauer des Stoßdämpfers 4. Je nach Anwendungsfall kann die Ausfallursache der Anstieg der Reibung (Ansprechverhalten des Stoßdämpfers), das Spiel (Ölverlust) oder, im schlimmsten Fall, die komplette Zerstörung des Gleitelementes sein.

Außerdem ist aufgrund der Bauart des Führungselementes 2 bzw. Gleitelementes (isolierende Kunststoffbeschichtung), einerlei welcher Art, zwischen dem Wärmeerzeugungspunkt und der durch Luft gekühlten Außenwand des Stoßdämpfers eine Abgabe von Reibungswärme zwischen der Kolbenstange (Maschinenelement 1) und dem Führungselement 2 nur indirekt über das Öl und die Kolbenstange möglich. Dies bedeutet, das die Wärme erst vom System (maßgeblich von Öl) aufgenommen werden muß, um dann erst nach außen abgegeben werden zu können. Da das Ansprechverhalten des Stoßdämpfers sich mit der Temperatur des Öls (Viskositätsveränderung) maßgeblich ändert, ist ein Temperaturzuwachs über eine "falsche" Zufließrichtung der Reibungswärme technisch unerwünscht.

Hinzu kommt, daß über eine verhältnismäßig kleine Gleitfläche ein großer Bereich der Kolbenstangen- Oberfläche läuft. Diese überlaufene Oberfläche bleibt während des Betriebes nicht konstant, so daß bei gleichbleibenden Betriebsverhältnissen ein begrenzter axialer Bewegungsbereich 7 bestehen würde. Aufgrund äußerer Bedingungen, beispielsweise größerer Last auf dem Fahrzeug, würde die Kolbenstange 1 in den Stoßdämpfer 4 eingeschoben und dadurch der axiale Bewegungsbereich in einen Bereich 8a verstellt. Umgekehrt kann durch Verminderung der Last die Kolbenstange 1 weiter aus dem Stoßdämpfer 4 herausgezogen werden, so daß der axiale Bewegungsbereich der Kolbenstange 1 in einen Bereich 8b verstellt wird. Es kann deshalb praktisch nicht von einem Einlaufen von Kolbenstange 1 und Führungselement 2 (Glättung) gesprochen werden. In der Praxis ergibt sich daraus, daß der größere Belastungsfall vorliegt, wenn sich die Kolbenstange um eine "0-Lage" bewegt, wie dies in Fig. 1 durch den begrenzten axialen Bewegungsbereich 7 angedeutet ist, so daß dort ein quasi Einlaufen erfolgen kann. Zwischendurch gibt es aber immer wieder Belastungsfälle (schlechte Wegstrecke, andere Beladung des Fahrzeugszugs), bei denen eine nicht "eingelaufene" Stangenoberfläche mit der jetzt schon eingelaufenen (verringerten Dicke des Overlay) Gleitfläche in Berührung kommt. In diesem Punkt setzt ein erhöhter Verschleiß (Übertragung des Kunststoff-Lagermaterials auf die Oberfläche des Gegenläufers) wieder ein, da eine schlechtere Oberflächenqualität (dieser Oberflächenbereich ist ja noch nicht eingelaufen) auf eine quasi eingelaufene Lageroberfläche trifft. Da der Overlay nur eine begrenzte Dicke hat, ist also die Lebensdauer des tribologischen Systems stark vom Belastungsfall abhängig, insbesondere, wenn der Gleitlager-Belag nur kleine axiale Länge hat.

Ein gewisses Optimum wäre gegeben, wenn während der gesamten Lebensdauer des Stoßdämpfers 4 nur ein kleiner Oberflächenbereich 7 der Kolbenstange 1 benutzt würde und sich einlaufen könnte.

Da dies aber aus technischen Gründen nicht durchgeführt werden kann, ist bei dem in der Zeichnung dargestellten Stoßdämpfer ein umgekehrtes tribologisches System eingesetzt. Hierzu ist das axial bewegbare Maschinenelement 1, nämlich die Kolbenstange zumindest auf die Länge des Bewegbarkeitsbereiches 7, vergrößert um die Länge von dessen Verstellbarkeitsbereich (8a, 8b) auf seiner mit dem Führungselement 2 in Eingriff stehenden potentiellen Gleitfläche 9 mit einem Gleitlagerbelag 3 versehen, während das Führungselement 2 eine glatte Berührungsfläche 10 aufweist, die auf den Gleitlager-Belag 3 des axial belegbaren Maschinenelementes 1 greift. In der in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist der Gleitlagerbelag 3 des axial bewegbaren Maschinenelementes 1, nämlich der Kolbenstange 1, als filmartige dünne Beschichtung aus Gleitlack ausgebildet, die eine geringe Grunddicke 17 schon unterhalb 10 µm hat und Füllstoffteilchen 15 aus die Gleiteigenschaften verbessertem Material, wie PTFE und/oder fluoriertem Graphit und/oder Molybdänsulfid enthält. Diese Füllstoffteilchen 15 sind in unregelmäßig verteilten Bereichen 18 in den Matrix 16 der Gleitlackbeschichtung 14 eingelagert. Es ergeben sich hierdurch verdickte Bereiche mit einer maximalen Dicke 19 von beispielsweise bis zu 20 µm. Diese verdickten Bereiche sind über die Oberfläche des axial bewegbaren Maschinenelementes l d. h. der Kolbenstange verteilt und geben die flächenartige Erscheinung ähnlich eines Leopardenfells.

Im Betrieb des Stoßdämpfers 4 erfolgt ein Quasi- Einlaufen des tribologischen Systems in dem bei Normalbetrieb beaufschlagten axialen Bewegungsbereich 7. Hierbei kommt es zu einem Abtragen der verdickten Bereiche 18 und Freisetzen der dort konzentrierten Füllstoffteilchen 15, während die polierte Oberfläche 10 des aus Stahl bestehenden Führungselementes 2 praktisch nicht nennenswert abgerieben wird. Wird durch Veränderung der Betriebsverhältnisse (schlechte Wegstrecke, Änderung der Beladung des Fahrzeugs) der axiale Bewegungsbereich des tribologischen Systems in den einen oder anderen oder beide Verstellbarkeitsbereiche 8a, 8b verstellt, dann bringt der Gleitlagerbelag 3 bisher nicht abgeriebene verdickte Bereiche 18 an die glatte Oberfläche 10 des Führungselementes 2 und damit mehr oder weniger jungfräuliche Bereiche des Gleitlagerbelages 3, die ein Einlaufen unter Freisetzen von Gleiteigenschaften verbesserten Füllstoffteilchen 15 gestatten.

Besonders günstig ist es, wenn bei diesem Gleitlagerbelag 3, die Kunststoffmatrix 16 der Gleitlackbeschichtung 14 aus Epoxidharz besteht. Ferner hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die gesamte Oberfläche des axial bewegbaren Maschinenelementes 1, d. h. der Kolbenstange und des Kolbens S mit dem Gleitlager-Belag 3 überdeckt ist. Hierdurch kann der bisher durch Verchromen vorgenommene Korrosionsschutz von dem Gleitlagerbelag 3 übernommen werden, so daß eine erhebliche Einsparung von Herstellungskosten erreichbar ist.

Claims (10)

1. Tribologisches System an Führungselementen und relativ dazu axial bewegbaren Elementen, wie Kolbenstangen oder axial bewegbaren Führungsstangen, bei welchen ein begrenzter axialer Bewegungsbereich besteht, der aufgrund äußerer Bedingungen längs des axial bewegbaren Elementes verstellbar ist oder sich längs des axial bewegbaren Elementes verstellt, dadurch gekennzeichnet, daß
das axial bewegbare Maschinenelement (1) zumindest auf die Länge des Bewegbarkeitsbereiches (7), vergrößert um die Länge von dessen Verstellbarkeitsbereichen (8a, 8b), auf seiner mit dem Führungselement (2) in Eingriff stehenden potentiellen Gleitfläche (9) einen Gleitlager-Belag (3) trägt, während das Führungselement (2) eine glatte Berührungsfläche (10) aufweist, die auf den Gleitlager-Belag (3) des axial bewegbaren Maschinenelementes (2) greift.

2. Tribologisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das axial bewegbare Maschinenelement (1) aus Stahl besteht und der auf seine mit dem Führungselement (2) in Eingriff stehenden potentiellen Gleitfläche (9) aufgebrachte Gleitlager-Belag (3) als filmartige dünne Beschichtung (14) aus die Gleiteigenschaften verbessernde Füllstoffe enthaltendem Gleitlack ausgebildet ist, die im wesentlichen Teil ihrer Fläche eine Grunddicke (17) und unregelmäßig verteilte Bereiche (18) größerer Dicke (19) aufweist, wobei die die Gleiteigenschaften verbessernden Füllstoffe als feine Teilchen (15) bevorzugt in die verdickten Bereiche (18) der Gleitlack-Beschichtung (14) eingelagert sind.

3. Tribologisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grunddicke (17) der Gleitlackbeschichtung (14) kleiner gleich 10 µm beträgt.

4. Tribologisches System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitlackbeschichtung (14) aus lösbarem Polymer, beispielsweise Epoxidharz, besteht, während die Füllstoffe pulverförmige Festschmierstoffe, insbesondere PTFE und/oder fluorierender Graphit und/oder Molybdändisulfid sind.

5. Tribologisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der mit dem Führungselement (2) in Eingriff stehenden potentiellen Gleitfläche (9) des axial bewegbaren Maschinenelementes (1) angebrachte Gleitlager-Belag (3) durch thermisches Beschichten mit Gleitlager-Werkstoff, beispielsweise Gleitlagermetall, gebildet ist.

6. Tribologisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der mit dem Führungselement (2) in Eingriff stehenden potentiellen Gleitfläche (9) des axial bewegbaren Maschinenelements (1) angebrachte Gleitlager-Belag (3) durch elektrostatisches Beschichten mit geeigneten Gleiteigenschaften aufweisenden Kunststoff gebildet ist.

7. Tribologisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungselement (2) als axial bewegbares Maschinenelement (1) umgreifender Ring ausgebildet ist, aus Stahl besteht und an seiner mit der potentiellen Gleitfläche (9) am Umfang des axial bewegbaren Maschinenelementes (1) in Eingriff stehenden Innenfläche (10) poliert ist.

8. Tribologisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Oberfläche des axial bewegbaren Maschinenelementes (1), gegebenenfalls einschließlich an ihm angebrachter Teile (Kolben 5) mit dem Gleitlager-Belag (3) überdeckt ist.

9. Anwendung des tribologischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für die Führung und Lagerung der Kolbenstange in Stoßdämpfern, insbesondere der Fahrwerksaufhängungen von Fahrzeugen.

10. Anwendung des tribologischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für die Führung und Lagerung der Führungsstange in Federbeinen, insbesondere in Fahrwerken, beispielsweise von Luftfahrzeugen.