CN103154567B - 带有由硼锰钢构成的链板的铰链 - Google Patents

带有由硼锰钢构成的链板的铰链 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铰链(1)、尤其内燃机的驱动链，其带有相应经由链铰接部(4)相互连接的链节(2,3)。优选地交替布置的内链节和外链节(2,3)相应具有彼此平行地布置的至少两个链板(6,7)，其相应带有两个铰接孔(12)。为了构造链铰接部，铰链栓(5)相应延伸通过链板的铰接孔中的一个。在此，链板由硼锰钢制成。

Description

带有由硼锰钢构成的链板的铰链
技术领域
本发明涉及一种铰链(Gelenkkette)、尤其内燃机的驱动链，其带有相应经由链铰接部(Kettengelenk)相互连接的链节(Kettenglied)，链节相应具有由合金钢构成的至少两个链板(Kettenlasche)，其相应带有两个铰接孔(Gelenköffnung)，其中，为了形成链铰接部，铰链栓(Gelenkbolzen)相应延伸通过铰接孔中的一个。
背景技术
作为驱动链或控制链应用在内燃机中的传统的铰链在其应用中经受高磨损、尤其在链铰接部的区域中。除了应用合金钢用于制造链板和铰链栓之外，在现有技术中存在改善链铰接部的耐磨性的多种尝试。除了使用特殊的高合金的碳素钢之外，通过链铰接部的表面的硬化或涂覆实现链铰接部的改善的耐磨性。在此，作为用于制造链板以及铰链栓的材料，优选地应用调质钢，例如42 CrMo 4或13 CrMoV 13 9，除了材料的高强度和在链铰接部的支承面处良好的磨损性能之外其通过表面层的硬化还实现了改善耐磨性的可能性。
为了制造耐磨的链板，在此仅仅应用带有合金元素(如铬、钼和钒)的调质钢，其除了所有构件的可热硬化性之外还通过扩散方法实现表面层的针对性的硬化。带有其它合金元素的合金钢不被用于制造链板和/或铰链栓，因为在强度值提高时材料的脆性或在材料中的强度偏差常常明显增加。例如，带有合金元素硼的合金钢具有良好的强度值以及高的硬度并且此外可无问题地热硬化，然而其应用限于用于磨损和强化运用的大型的构件中，例如车辆中的强化型材、用于农用机器的结构部件、履带式车辆链、耐磨板(Verschleißblech)或冲压工具。受限于含碳的钢中的合金元素硼的较差的可混合性，对于小型构件，这些单个构件的个体强度的差异非常强地提升，因此硼合金的钢尤其不被应用在由一系列小型元件组装的并且其最弱的环节确定磨损性能或使用寿命的构件中。对此的示例是带有大量相互连接的链节的铰链，在其中最弱的链节确定铰链的使用寿命或失效。尽管强度近似相同，钢中的合金元素硼的尤其作用于小构件中的不均匀的分布导致其强度改变多个百分点的构件。
随着尤其在汽车领域中前进的技术发展，对在内燃机中被用作驱动链或控制链的铰链的要求和创新压力也提高。除了在开发新发动机的范围中构件的持续改进需求之外，鉴于汽车工业中常见的与高件数相联系的成本压力通常存在创新的必要性并且鉴于这种类型的铰链存在提供带有较小的磨损问题的成本有利的解决方案的必要性。
发明内容
因此本发明目的在于提供一种带有良好的磨损性能和较低的制造成本的铰链。
对于这种类型的铰链该目的由此来实现，即链板由硼锰钢制成。
硼钢作为用于制造耐磨件和强化件的热轧的可硬化的钢板在强负载的应用领域(如农业或用于工程机械)中的应用充分已知。除了高强度之外，硼合金的钢还具有在材料的核心中的良好的韧性以及无问题的热处理。相对于其它合金元素，在硬度相同的情况下通过添加硼可实现低的碳含量和因此改善的可加工性。此外，硼使能够完全地或部分地放弃昂贵的合金元素如铬、镍和钼。然而与亲碳的元素(如铬和钼)相比，合金元素硼的比较小的份额在合金钢中的分布非常不均匀，因此尽管材料性能良好，硼合金的钢仅被用于大型的耐磨和结构部件，在其中浓度差和因此还有强度差相平衡。在小型的串联的构件中，材料中的硼的不同浓度导致各个构件的强度的较大变化且因此导致对于材料的平均强度来说过早的失效。
硼锰钢作为热轧的钢板来提供，其制成带有0.0008%至0.0080%的相对小的硼百分含量的合金，以改善合金钢的强度性能。除了简单的硼锰钢的类型(例如20 MnB 5、30 MnB 5和38 MnB 5)之外，在市场上还可无问题地获得硼锰铬钢，例如27 MnCrB 5、33 MnCrB 5和39 MnCrB 6。
出人意料地，与带有由带有亲碳的合金元素的调质钢(例如42 CrMo 4)构成的链板的铰链相比，尽管材料的强度相似，带有由硼锰钢(例如38 MnB 5或42 MnB 5)制成的链板的铰链显示出更有利的磨损性能。鉴于合金元素硼在含碳的钢中的混合问题，在强度相似的情况下可预料总体上而更差的耐磨性能，也就是说较短的预期寿命以及在运行时间上铰链的加强的伸长(Laengung)或者最多相似的耐磨性能。与铰链的装配方式和结构形式无关，在运行时间试验中，与带有由传统的调质钢(42 CrMo 4)构成的链板的铰链相比，根据本发明的带有由硼锰钢构成的链板的铰链的伸长减小了至少10%。由于此外在各个链板中不能确定其它负面的磨损征兆，在铰链的根据本发明的设计方案中也可预期运行时间增加了同样至少10%。
根据本发明的铰链(在其中链板由硼锰钢制成)的另一优点是避免了在由调质钢制成的用于制造链板的热轧的带材料中的偏析(Seigerung)。偏析通过亲碳的合金元素铬和钼产生，其例如在热轧带材板坯中被与调质钢的碳化合成局部集中的碳化物。在利用板坯的中间退火的轧制加工中这些碳化物然后被分解并且碳或合金集中被轧制出，这首先横向于、但是也纵向于轧制方向导致合金元素以及碳的局部不均匀的集中。相应地，从板坯中的局部偏析中得到热轧带中的偏析线。即使在板坯的浇注中产生的铬碳化物和钼碳化物在热处理中又被分解，仍局部存在合金元素碳、铬和钼的浓度中的区别，其中，在这些带有较高浓度的区中在冷却时又产生由共同扩散的碳和铬和/或钼构成的碳化物。如果热轧的带材中的偏析线在几何拓扑上不利的区域中、例如链板的铰接孔中进入或终止，则对于铬碳化物或钼碳化物处导致局部应力过高。根据链板的制造，尤其在偏析线的区域中可产生冲压痕(Stanzriefe)，其再次加强局部的应力过高。因此，与带有均匀的合金分布的链板相比，带有亲碳的合金元素的调质钢中的偏析可导致铰链的相关链板的明显更早的失效。由硼锰钢构成的链板与此相比没有偏析线，因为合金元素锰和硼不是亲碳的并且对于由锰硼钢构成的热轧带材不会发生相应的作用机制。
对于作为链板的优化的应用，硼锰钢具有在0.15与0.45重量百分比(重量%)之间的碳(C)的质量份额。适宜地，在此硼锰钢的锰的质量份额在1.1与1.7重量百分比之间。另外，当硼锰钢的硼的质量份额在0.0008与0.0080重量百分比之间、优选地在0.004和0.008重量百分比之间时，对于优化的链板有利的是。有利地，对于链板的固定的设计方案，硼锰钢的抗拉强度在500与700N/mm2之间、优选地在550与650N/mm2之间，其中，该抗拉强度针对硼锰钢带在继续处理、也就是说在制成链板和最后的热处理之前的轧制状态。硼锰钢的这些特别的材料特性单个地或相互组合地对于用于根据本发明的铰链的完全由硼锰钢制成的链板的优化的、耐磨的设计方案是有利的。
一有利的实施形式设置成，铰链栓由碳素钢或合金钢制成并且具有表面硬化的(einsatzgehaertet)、渗碳的、渗氮的或镀铬的表面层。与碳化地或氮化地涂覆的铰链栓或表面硬化的铰链栓相联系，根据本发明的铰链的由硼锰钢构成的链板具有伴有链板的更高的疲劳强度的特别有利的耐磨性能。
一优选的构造方案设置成，从由硼锰钢构成的钢板中冲制出链板的轮廓，其中，链板的轮廓的修整的区域、尤其铰接孔具有在切割面中至少75%、优选地至少80%的光滑切割份额(Glattschnittanteil)。高的光滑切割份额减小接触面和铰接面的磨损。尤其地，在链板的铰接孔中的高的光滑切割份额减小在相应的链铰接部中出现的铰接副(Gelenkpartner)(也就是说铰链栓和铰接孔)的磨损，因为链铰接部的承载面积提高。因此铰链的伸长也相对于其运行时间成比例地减小。此外，提高的光滑切割份额减小了机械负载且因此也减小了在制造链板时切割工具的磨损。
此外当链板的厚度(也就是说用于制造链板的硼锰钢的材料厚度)与链板的节距的比例最高为0.45时，是有利的。带有最大3.5mm的较小厚度和相应的节距的链板使在强度足够的情况下链板的必要的柔性成为可能，而铰接孔的切割面的光滑切割份额、相应地链铰接部的少磨损的铰接面积不减小。
为了使根据本发明的铰链能够使用在特别的应用范围、例如作为用于可无极调节的变速器的驱动器件或作为控制链，铰链可构造为平环链、尤其构造为齿平环链(Zahnlaschenkette)。优选地，在此为了形成链铰接部，铰链栓可延伸通过布置在外面的至少两个外链板和作为组(Paket)交替地布置的一个或多个内链板的铰接孔。这样的由带有内链板和外链板的链板组构成的铰链作为简单的平环链或齿平环链以大的件数利用高的自动化程度被制造用于许多工业领域。由于铰链栓在此延伸通过多个相邻布置的铰接孔(其在交替的布置中相互旋转)，这里铰链栓在由硼锰钢构成的链板的铰接孔中的良好的滑动特性特别重要。
对于另一应用范围，铰链可构造为套筒链或滚子链。根据套筒链或滚子链的结构，彼此有间距地布置的两个链板与铰接套(Gelenkhuelse)相连接，链铰接部的铰链栓延伸通过铰接套并且以简单的制造过程连接下一链节的链板。
该铰链的一有利的实施形式设置成，内链节(其具有至少两个内链板和以平行的间距使内链板彼此相连接的两个铰接套)和外链节(其具有至少两个外链板和以平行的间距使外链板彼此相连接的两个铰链栓)交替地相应经由链铰接部相互连接。由内链节和外链节构成的铰链、尤其滚子链和套筒链不仅作为批量产品被制造用于汽车领域而还用于几乎所有其它工业领域，这相应地导致铰链的该形式的低成本。在此，铰接套尤其通过压入或粘合反复地固定地与内链板相连接。
附图说明
下面根据附图来详细阐述本发明的实施例。其中：
图1显示了根据本发明的平环链的俯视图，
图2显示了在作为齿链的实施方案中图1中的平环链的侧视图，
图3显示了在作为板式链(Flyerkette)的实施方案中图1中的平环链的侧视图，
图4显示了带有局部的剖面的根据本发明的平环链的另一实施形式的俯视图，
图5显示了图2中的齿链的齿链板(Zahnlasche)的侧视图，
图6显示了图5中的齿链板沿着平环链的纵轴线的放大的剖视图的一部分，以及
图7显示了与传统的平环链相比根据本发明的平环链在运行时间上的伸长的图表。
具体实施方式
图1显示了对以作为平环链的实施形式的根据本发明的铰链1的俯视图，其带有彼此交替的外链节2和内链节3，其相应借助于铰链栓5在链铰接部4中相互连接。外链节2在此由侧向地在外面平行地彼此有间距地布置的两个外链板6和作为组布置的位于内部的两个内链板7、以及所属的链铰接部4(其延伸穿过外链板6和内链板7)的两个铰链栓5组成。内链节3相应具有两组内链板8，其中，内链板在外链节2的外链板6与内链板7之间可摆动地布置在外链节2的铰链栓5上，以使内链节3与邻接的外链节2相连接。
图2显示了以作为齿平环链9的实施形式的根据本发明的铰链1。在此，外链节2的内链板7和内链节3的内链板7构造为齿链板14，而在所示的实施形式中外链板6构造为不带伸出的齿15且不带用于接合到所属的链轮的齿中的凹部16的引导链板(Fuehrungslasche)。在其它实施形式中，外链板6同样可构造为齿链板。附加于或备选于外链板6，外链节2的内链板7可选地也可设置为处于内部的引导链板。
相比之下，图3显示了以作为板式链10的实施形式的根据本发明的铰链1。在板式链10中，外链节2的外链板6和内链板7以及内链节3的内链板7构造为基本上直的链板，不带单侧地或两侧地伸出的齿或用于接合到所属的链轮的齿中的凹部。在所示的实施形式中，外链板6成形为直的板，而内链板7构造成异形的，也就是说在两个背部区域中在内链板7的纵向上具有以凹状的空隙的形式的异形部(Taillierung)11。除了异形部11之外，为了强度中性地节省材料，链板可具有附加的孔或截段。此外，外链板6也可构造有异形部11和/或截段。
与根据本发明的铰链1设计为齿平环链9还是为板式链10无关，外链板6和内链板7相应具有两个铰接孔12，其彼此错位地布置在外链板6或内链板7的纵轴线L上并且与链板的相应的端侧S相关联。链铰接部4的铰链栓5相应延伸通过处于外部的外链板6以及布置在其之间的内链板7的联接孔12，从而在外链节2与内链节3之间形成可摆动的连接、链铰接部4。
图4显示了以作为套筒链8的实施形式构造的根据本发明的铰链1的另一实施形式。接下来说明与在图1至3中所示的平环链的主要区别。对于相同的和作用相同的元件使用相同的附图标记。在实施形式和功能方面未详细阐述的元件参考上述说明。
图4中的套筒链8同样具有彼此交替的外链节2和内链节3，其相应经由链铰接部4相互连接。在此，内链节3相应由两个平行布置的内链板7和使内链板7相互连接的两个铰接套13构成，其中，铰接套13垂直于内链板7并且固定地与内链板7相连接，尤其通过按压。另一方面，外链节2由两个平行布置的外链板6构成，其利用两个铰链栓5相互连接，其中，铰链栓5可旋转地支承在内链节3的铰接套13中。因此，外链节2借助于铰链栓5可旋转地与内链节3相连接，从而外链板6平行于内链板7伸延。链铰接部4的铰链栓5可旋转地支承在内链节3的铰接套13中，其中，伸延到彼此中的螺栓5和铰接套13的轴线彼此对准。
在图4中所示的套筒链8附加地可设有滚轮(Laufrolle)并且由此实施为滚子链。在这样的滚子链中，在内链节3中附加地设置滚轮，其在内链板7之间可旋转地布置在铰接套13上。在此，滚轮垂直于内链板7，使得伸延到彼此中的滚轮、铰接套13和铰链栓5的轴线彼此对准。在滚轮与铰接套13之间设置有脂肪垫，其有助于滚子链的噪声和碰撞衰减。
图5显示了用于根据本发明的齿平环链9的内链板7或外链板6的实施形式。该齿链板14具有两个铰接孔12，其彼此错位地布置在齿链板14的纵轴线L上并且与齿链板14的相应的端侧S相关联。这里未示出的铰链栓5延伸通过这些铰接孔12。为了接合到所属的链轮的齿中，齿链板14具有相对于纵轴线L单侧地伸出的两个齿15以及设置在两个齿15之间的凹部16。
用于根据本发明的铰链1的链板6、7的制造通常在冲制过程中实现，在其中从由硼锰钢构成的钢带中交替地从钢带的上侧和下侧冲制出链板的轮廓的不同的区段。在制造在图5中所示的齿链板14时，首先借助于合适的冲模从钢带中预冲出外轮廓的待修整的区域，也就是说齿15的侧翼、凹部16的内轮廓以及齿链板14的背部区域和铰接孔12。之后，利用修整冲模(Nachschneidstempel)来精细地修整这些预冲制的区域，以便在修整的轮廓或铰接孔12的剖面中实现尽可能大的光滑切割份额G。作为最后的冲制步骤，在简单的切割过程中从钢带中冲制出轮廓的未修整的区域并且由此使齿链板14从钢带中脱出。最后，根据对齿链板14或对修整的区域以及光滑切割份额G的质量的要求实现用于使进入侧去毛刺的光滑打磨(Gleitschleifen)以及冲压痕和断裂面区域R的平整。
如在图6中可见，在由硼锰钢制成的齿链板14的铰接孔12中的光滑切割份额G为冲制出的齿链板14或任何其它相应地制造的链板6、7的板厚D的至少75%或更多。在冲制方向上在光滑切割份额G之下得出断裂面组织R的较小的区域R、粗切割份额，其受在修整轮廓或铰接孔12时切割过程的撕裂限制具有非常粗糙的表面，该表面绝大部分相对于光滑切割份额G回移。由于用于铰链1的齿链板14或其它链板6、7的疲劳强度很大一部分由光滑切割份额G产生(在铰链1、尤其齿平环链9的运行中基本上所有负载经由该光滑切割份额G来传递)，相对于传统的铰链，利用根据本发明的铰链1可提高运行时间或在根据本发明的铰链1的运行中允许的负载。
除了铰接孔12中的光滑切割份额G之外，铰链栓5的柱形表面形成链铰接部4的支承面，因此铰链栓5由合金钢来构造也是有利的。附加地，铰链栓的表面层可进行表面硬化或者具有渗碳的、渗氮的、碳氮共渗的或镀铬的表面层，其提高了在铰链栓5的侧面上的链铰接部4的耐磨性。
图7显示了与传统的铰链A相比根据本发明的铰链1在运行试验中按百分比的链伸长关于运行时间的图表。根据本发明的铰链1与传统的铰链A之间的唯一区别在于链板的材料。所有其它细节(如所使用的铰链栓、但是还有链的装配以及链板的制造)相应相同。
对于传统的铰链A，链板由铬钼钢42 CrMo 4制成，其中，使用了上面所说明的常用的冲制方法。相比之下，根据本发明的铰链1的链板由硼锰钢42 MnB 5以相同的生产方法来制造。在此，不同的钢合金(用于传统的铰链A的链板的铬钼钢和用于根据本发明的铰链1的链板的硼锰钢)具有可比的强度值，其原则上可期待可比的磨损性能。
出人意料地，相对于结构相同的传统的铰链A，根据本发明的铰链1的按百分比的伸长显著减小。根据链的实施方案和不同的制造细节(例如铰接孔在冲制之后借助于光滑打磨的再加工、铰链栓的表面处理、铰链的装配以及其节距)，根据本发明的铰链1的按百分比的伸长相对于传统的铰链A减少了至少10%直至30%。关于运行时间的根据本发明的铰链1的伸长和因此还有铰链1的待期望的运行时间的该明显减小完全出人意料，因为受大约0.005%至0.008%重量百分数的比较小的硼量限制，在钢中添加合金元素硼的混合问题在对于链板所需的较小的材料厚度的情况下将可预测较大的强度波动和因此还有较小的运行时间和较高的受磨损限制的结果，如铰链的伸长。
对于根据本发明的铰链出人意料地确定的明显的磨损减小或链伸长的减小鉴于用于链板6、7的硼锰钢的可比的强度仅可通过一系列通过使用硼锰钢用于制造链板6、7的出人意料的正面的效果来解释。而这里，由硼锰钢制造链板6、7的不同方面(其中增大光滑切割份额、减小冲压痕和冲制度、避免偏析线以及链铰接部4中的滑动特性相对于铰链栓5的表面层改善)的组合会导致出人意料地强的正面的磨损改善，其在根据本发明的铰链中过度补偿了合金元素硼在混合问题和材料中的浓度差方面的已知的缺点。

Claims (13)

1.一种内燃机的驱动链，其带有相应经由链铰接部相互连接的链节，所述链节相应具有由合金钢构成的至少两个链板，所述链板相应带有两个铰接孔，其中，为了形成链铰接部，铰链栓延伸通过所述铰接孔中的每个，其中，所述链板由硼锰钢制成，并且其中，所述硼锰钢的碳的质量份额在0.35%与0.45%重量百分数之间，且所述硼锰钢的硼的质量份额在0.0040%与0.0080%重量百分数之间。
2.根据权利要求1所述的驱动链，其中，所述硼锰钢的锰的质量份额在1.1%与1.7%重量百分数之间。
3.根据权利要求1所述的驱动链，其中，所述硼锰钢的抗拉强度在500与700N/mm2之间。
4.根据权利要求3所述的驱动链，其中，所述硼锰钢的抗拉强度在550与650N/mm2之间。
5.根据权利要求1所述的驱动链，其中，所述链板的厚度与所述链板的节距的比例在0.0与0.45之间。
6.根据权利要求1所述的驱动链，其中，所述铰链栓由碳素钢或合金钢制成，并且其中，所述铰链栓具有渗碳的、渗氮的或镀铬的表面层。
7.根据权利要求1所述的驱动链，其中，从由硼锰钢构成的钢板中冲制出所述链板的轮廓，并且其中，所述铰接孔具有在切割面中至少75%的光滑切割份额。
8.根据权利要求7所述的驱动链，其中，所述铰接孔具有在切割面中至少80%的光滑切割份额。
9.根据权利要求1所述的驱动链，其中，所述驱动链构造为平环链。
10.根据权利要求9所述的驱动链，其中，所述驱动链构造为齿平环链。
11.根据权利要求9所述的驱动链，其中，所述铰链栓为了形成所述链铰接部延伸通过布置在外面的至少两个外链板和作为组或者交替地布置的一个或多个内链板的铰接孔。
12.根据权利要求1所述的驱动链，其中，所述驱动链构造为套筒链或滚子链。
13.根据权利要求12所述的驱动链，其中，内链节和外链节交替地相应经由链铰接部相互连接，所述内链节具有至少两个内链板和以平行的间距使所述内链板彼此相连接的两个铰接套，所述外链节具有至少两个外链板和以平行的间距使所述外链板彼此相连接的两个铰链栓。
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