CN101555938B - 摩擦增加层 - Google Patents

Abstract

部件(1)上的摩擦力增加层，其通过在用作部件(1)的连接面(2)的表面上离心涂镀硬质材料颗粒(3)而这样得到，使硬质材料颗粒(3)插入部件(1)的连接面(2)中，但从该连接面凸出来，其中，要么硬质材料颗粒(3)的全部表面，要么仅有部分表面与部件(1)的材料形成物质接触，并且部件(1)的连接面(2)不完全地，特别是小于等于30％的连接面被硬质材料颗粒(3)所覆盖。

Description

摩擦增加层

技术领域

本发明涉及部件上的摩擦增加层，通过在用作部件连接面的表面上离心涂镀(aufschleudern)硬质材料颗粒而得到该摩擦增加层。

背景技术

上部配有凸轮轴的内燃机通过齿轮皮带或链条完成其气门传动装置的连接和控制。为此要在曲轴的端面旋装上一个皮带轮或链轮。对该固定方式有较高的要求，因为在定位和固定后连接处不允许再松开。此外，这个连接处还应可以传输380至400Nm的高摩擦扭矩。

对于低负荷的发动机来说，简单的螺旋连接就足够了，而高负荷的动力发动机则需要可以防止连接处松开的、具有更可靠的摩擦连接。所以目前通常情况是在皮带轮的两侧上使用0.1mm厚的钢制垫片。这些垫片上配有一个50μm厚的电镀镍层，其中含有5％至20％尖利的金刚石。这种方法的缺点是相对较高的制造成本并伴随着镍-金刚石垫片的储存问题。此外在安装中还必须安装两个附加部件。另外鉴于镍-金刚石垫片相应的几何结构和曲轴和传动轮所使用的材料组合，其只能产生最大约为350Nm的摩擦扭矩，而且不是在所有情况中其都足以安全传输所施加的转矩。

解决该问题的方法是，在齿轮皮带轮/链轮上自己产生较大摩擦作用而不使用垫片。

以往是通过在齿轮皮带轮两侧的接触面上插入尖锐的碳化物或氧化物来实现的。尤其是以下几种方法也是公认可以实现高摩擦扭矩的方法。●在接触面上涂上粘合剂，之后在上面撒上或吹入尖锐的碳化物或氧化物。●先粘上一张双面的胶粘带，然后再撒上尖锐的碳化物或氧化物。●借助高速火焰喷涂将带有坚硬颗粒的WC-Co喷镀层涂到齿轮皮带轮的两侧。●在使用填料线材的情况下，借助电弧线材喷涂而在齿轮皮带轮两侧涂上一层可以含有坚硬且尖锐的硼化物、氧化物或碳化物的喷涂层。

这种方法的缺点在于，粉末装料不能完全充分地被涂敷。有时若干粉末层还会相互叠加。这样可能导致在动态应力下过早建立连接，甚至松开。

粘上的颗粒还会导致其它问题：如果齿轮皮带轮在发动机室内被置于润滑油之中，则在运行中粘合剂可能被溶解并且颗粒会被洗掉，这样会增加发动机的磨损。另一方面，当这样处理过的齿轮皮带轮作为备件储存较长时间，然后被处理时，粘合剂可能会硬化，而且在运输时颗粒可能从粘着剂中脱离下来。

高速火焰喷涂或电弧线材喷涂的喷涂层虽然产生具有很高扭矩的摩擦连接，但因为所使用的喷涂材料的原因，所以成本很高。

EP 1215400A2公开了一种可以相互进行力配合的可连接部件，其具有平坦的、可以彼此相接合的连接面，在这些连接面之间的接合缝中可以填入比部件的基材具有更高硬度和强度的形状配合材料，所述形状配合材料是在部件的至少一个连接面上所涂敷的、具有从层表面凸出的结晶体的结晶硬质材料层。

DE 10300966B4公开了一种滑动层、其应用及其制造方法。通过在滑面上对材料颗粒进行冷喷涂压紧而得到这种滑动层，材料颗粒的一部分镀在表面上且一部分插入到表面中。材料颗粒可以由硬质材料构成，可以选自金属、金属间化合物(intermetallischen phasen)或元素Si、Cr、Mo、W、Ti和/或Al的碳化物或氮化物陶瓷。

与此相对的是本发明的任务是为解决以上问题而提供一种可以选择的解决方案，其不必使用垫片就可以实现在齿轮皮带轮/链轮上自动产生高摩擦作用的功能。

发明内容

通过权利要求1中所述的摩擦增加层以及根据权利要求10在可以相互进行力配合的可连接部件中的其应用解决了这一任务。

通过在用作部件连接面的表面上离心涂镀硬质材料颗粒而这样得到该摩擦增加层，使硬质材料颗粒插入部件的连接面中，但从该连接面凸出来，其中，要么硬质材料颗粒的全部表面，要么仅有部分表面与部件的材料形成物质接触，并且部件的连接面不完全地，特别是小于30％的连接面被硬质材料颗粒所覆盖。

根据必须要传输的摩擦扭矩，可以选择层分别被硬质材料颗粒覆盖0％至30％。当仅需传输较小的摩擦扭矩时，选择大于0％并小于等于5％的覆盖。优选的覆盖在5％和20％之间，因为在这个区间内即使只涂少量的颗粒，仍能产生相当高传输的摩擦扭矩。通过选择0％至30％的覆盖，视指定的负荷不同可以制得具有任意可传输的摩擦扭矩的相同部件。

由专利DE 10300966B4(参见以上内容)得知，通过所谓的冷喷涂可以将某些减少摩擦的材料涂布到所接触的滑面和连接面上。根据这种方法可以将碳化物如SiC或Al₂O₃离心涂镀到部件的表面上。

基于较高的动能，这些非常坚硬的颗粒(SiC＞HV 2000、Al₂O₃＞HV 1500)被打入部件的表面，例如齿轮皮带轮(烧结钢～HV250)并在那留在材料中。。

但另一方面我们知道，借助冷喷涂技术不能加工出一个完整的碳化物或氧化物层。只可以由低熔点金属，如锌、锡、铝、铜形成层。当载气(氮气)在换热器中被加热到T＞500-800℃时，才可以通过冷喷涂技术形成高熔点材料的涂层。

为了在连接表面上生成不完全的涂层或覆盖层，经过慎重考虑才使用当前这种效果。只在部件的连接面上涂一层不完整的硬质材料颗粒层，例如单层的碳化物/氧化物。根据要求可传输的摩擦扭矩，可以通过选择喷涂时间而在5％和30％之间选择表面的覆盖层/涂层。

当连接被拉紧时，“包含”在表面中的硬质材料颗粒被压入配合体(部件)中，并通过微观的型面贴合而形成一种紧密的咬合连接和一种部件啮合方式。当硬质材料颗粒的强度合适时，只有当接触体至少一个的表面上出现磨损和沟槽状磨损时，连接处才可能出现滑转，这种滑转导致形成测量的高摩擦值，例如380-400Nm的摩擦力矩。

通过只使用唯一一“层”尖锐颗粒，可以确保这些颗粒在部件之间产生形状相配合的连接。

这样生成的涂层适合用于齿轮皮带轮上以及曲轴和螺杆杆之间或凸轮轴和螺杆杆之间的支撑面。

优选通过热喷涂方法生成涂层。特别优选使用冷喷涂作为热喷涂法。

所使用的硬质材料颗粒优选由金属、金属间化合物或元素Si、Cr、Mo、W、Ti和/或Al的碳化物或氮化物或氧化物陶瓷构成。

如果使用冷喷涂作为热喷涂法，则优选使用由碳化硅、氧化铝、金刚石、金刚石形式的碳或类似金刚石的碳形成的硬质材料颗粒。。

此外，还有使用低熔点金属粉末，如锌、锡、铝、铜的可能性，可以在这种粉末中混入尖锐的碳化物/氧化物并一同进行喷涂。优选可以使用锌粉，因为其具有良好的防腐效果而且成本低。

通过使用各种输出粒度可以优化连接处的结构。一般情况下使用25至250μm的颗粒尺寸，但更大的颗粒级分也适合。

使用预热的氮气时，冷喷涂的温度最高为200℃，这样不会损坏所使用的碳化硅。

根据所使用的部件基材硬度的不同，可以放弃通过金刚砂喷射进行机械性粗糙化，因为颗粒由于高动能的原因而被直接打入表面中。

为了产生涂层，还可以使用其他的热喷涂法。因此高速火焰喷涂法可以作为热喷涂法使用，此时优选硬质材料颗粒由碳化钨/钴组成。使用高速火焰喷涂法时，在燃烧室中在高燃烧压力下可燃气体和氧气的混合物被点燃。膨胀的气体通过膨胀管离开燃烧室，并且此时气体的速度达到2-5马赫。膨胀的气体拖动被吹入的喷涂颗粒，并将其加速到100-300m/s。与等离子喷涂的温度最高可达到20000℃不同的是，高速火焰喷涂只产生适度的2500℃的火焰温度，但其颗粒速度却要高出许多倍。因此要生成碳化物喷涂层时，可使用高速火焰喷涂法：因为颗粒的温度较低，所以碳化钨不会被损坏并且抑制有害的Eta相位形成。因为颗粒的碰撞速度相当高，所以喷涂层以及被研成粉末的颗粒的咬合连接形成很高的粘附强度。

摩擦增加层特别适用于可相互进行力配合的可连接部件，该部件具有平坦的、可以彼此相接合的连接面，部件的至少一个连接面被构造成摩擦增加层，为此其具有打入涂层中的硬质材料颗粒。

摩擦增加层尤其被涂在连接面上。

摩擦增加层特别适用于安装在轴上的机械元件。该层被有利地提供在轴承支撑面上，从而改善轴与机械元件直接的摩擦连接，而径向拟合面具有需要的表面，该表面被加工以达到需要的拟合精度。机械元件应可释放地安置在轴上，其中在此处所述机械元件被认为是有齿轮皮带轮、链轮或类似的力传递元件。对于安置在机轴或凸轮轴上的内燃机齿轮皮带轮，在机轴或凸轮轴与齿轮皮带轮之间的轴承支撑面和螺杆头和凸轮轴与齿轮皮带轮之间的轴承支撑面显著地适用于摩擦增加层的应用。

有利地，摩擦增加层同样可用于螺杆元件的情况，如具体的螺杆、螺帽或一般的螺纹组件。在这种情况下，该层可以被施加到螺纹本身，特别是带有非常细的颗粒并带有下涂层。随后螺纹构成可以被拧入的自锁螺纹，其可以被释放，只是有些困难。除此之外或作为代替，同样可以提供带有该层的螺杆元件的支撑面，也就是说，例如，螺杆头或螺母的支撑面。当螺杆或螺母被拧紧，支撑面的固体颗粒刺入螺纹对中相对元件的匹配支撑面。由于在螺纹拧入期间的刺入，固体颗粒处于螺纹对中相对元件的对应形成的凹陷处，并且即使在震动下也不会再独立地变松。

附图说明

借助图示，由以下对一个实施例的描述来说明本发明的其它细节、特征和优势：图1.显示的是一个齿轮皮带轮连接面的立体光学显微照片，和图2.显示的是由曲轴、链轮、皮带轮和固定螺杆所构成装置的切面图。

具体实施方式

图1显示的是在冷喷涂法中被白刚玉颗粒3(氧化铝)所覆盖的齿轮皮带轮1的连接面2的立体光学显微照片。明显可以看出，颗粒3进入连接面2的表面中并且同时从该表面凸出来。同样显而易见的是，表面并没有完全被涂层覆盖，而是如希望的那样仅部分被覆盖。

这样颗粒3在相应的装置4连接或拧紧时，可以被压入相应部件曲轴5或螺杆6的相对连接面中，并且通过微观的型面贴合而生成一种紧密的咬合连接和一种部件啮合方式。因此当颗粒3的强度合适时，只有当接触体至少一个的表面上出现磨损和沟槽状磨损时，连接处才可能出现滑转，这种滑转导致形成可传输的380-400Nm的摩擦力矩。

如出现在图2中的装置4由曲轴5、链轮7、齿轮皮带轮1和固定螺杆6构成。这里的曲轴5具有一个空心螺纹轴8，其上先是嵌入链轮7，并且紧接着嵌入齿轮皮带轮1。紧接着为了组装和固定，螺杆6穿过齿轮皮带轮1被拧入空心螺纹轴8中。

这样螺杆6和齿轮皮带轮1就通过它们相互接触的连接面而产生了高摩擦扭矩，朝向螺杆头的齿轮皮带轮1的轴肩9作为连接面2如上所述被白刚玉颗粒3覆盖。

另外被置于相反方向的、朝向链轮7的轴肩10可以按照适当方式作为其它连接面2′而被白刚玉颗粒3覆盖。另外朝向链轮7的曲轴5的轴肩11也可以按照适当方式作为其它连接面2″而被白刚玉颗粒3覆盖。

这样一来就可以不用或者不仅仅只用很昂贵且难以储存和操作的镍-金刚石垫片或特殊薄膜来达到所追求的380-400Nm的摩擦扭矩。

由于安装工人不用在螺纹轴8上加装额外的垫片、薄膜等并且也不必检查位置是否正确，所以组装起来特别简单。附图标记列表1齿形皮带轮2连接面3白刚玉颗粒4装置5曲轴6螺杆7链轮8螺纹轴9轴肩10轴肩11轴肩

Claims (15)

1.内燃发动机的部件(1)上的摩擦增加层，其通过在用作部件(1)的连接面(2)的表面上离心涂镀硬质材料颗粒(3)而这样得到，使硬质材料颗粒(3)插入部件(1)的连接面(2)中，但从该连接面凸出来，其中，仅使用一层尖锐颗粒(3)；硬质材料颗粒(3)的全部表面或仅有部分表面与部件(1)的材料形成物质接触，并且部件(2)的连接面(2)的小于等于30％被硬质材料颗粒(3)所覆盖，其中所述部件(1)是齿形皮带轮、曲轴、紧固螺杆或者链轮。

2.根据权利要求1的层，其特征在于：所述硬质材料颗粒(3)的覆盖大于0％并小于等于5％。

3.根据权利要求1的层，其特征在于：所述硬质材料颗粒(3)的覆盖在5％和20％之间。

4.根据前述权利要求之一的层，其特征在于：所述层通过热喷涂法生成。

5.根据前述权利要求之一的层，其特征在于：所述硬质材料颗粒(3)由金属、金属间化合物或元素Si、Cr、Mo、W、Ti和／或Al的碳化物或氮化物或氧化物陶瓷构成。

6.根据前述权利要求之一的层，其特征在于：使用冷喷涂法作为所述热喷涂法。

7.根据权利要求6的层，其特征在于：所述硬质材料颗粒由碳化硅或氧化铝或金刚石形式的碳构成。

8.根据权利要求6或7的层，其特征在于：层额外含有低熔点的金属粉末。

9.根据权利要求8的层，其特征在于：铝、铜、锌或锡作为金属粉末进行加工。

10.根据前述权利要求1至5之一的层，其特征在于：高速火焰喷涂作为热喷涂法被使用。

11.根据权利要求10的层，其特征在于：所述硬质材料颗粒由碳化钨／钴构成。

12.相互进行力配合的可连接的内燃发动机的部件(1、5、6、7)，其具有平坦的、可以彼此相接合的连接面(9、10、11)，其中，部件的至少一个连接面(2、2′、2")被构造成摩擦增加层，为此其具有打入该层中的硬质材料颗粒(3)；其中仅使用一层尖锐颗粒(3)，其中所述部件(1、5、6、7)是齿形皮带轮、曲轴、紧固螺杆或者链轮。

13.根据权利要求12的相互进行力配合的可连接部件，其中，根据权利要求1至11之一的摩擦增加层被涂敷在所述连接面(2、2′、2")上。

14.根据权利要求12或13的相互进行力配合的可连接部件，其特征在于：所述部件是齿轮皮带轮(1)。

15.权利要求12至14之一的相互进行力配合的可连接部件，所述部件配有根据权利要求1至11之一所述的层。