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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
Feder und eine entsprechende Feder sowie deren Verwendung, und insbesondere
ein spezielles Behandlungsverfahren zur Verbesserung der Federeigenschaften
und eine entsprechend behandelte Feder.
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Federn
aus Federmetallmaterial sind seit dem Anfang der technischen Entwicklung
bekannt und sind in der Technik extrem weit verbreitet. Wesentliche
Federeigenschaften, die man sich in der Vergangenheit bemüht hat weiter
zu verbessern, sind insbesondere Gewicht und Bauvolumen der Feder verglichen
mit der Federkraft, die Dauerhaltbarkeit, die Warmsetzbeständigkeit,
etc.. Ansatzpunkte bei der Verbesserung waren in der jüngsten Zeit
in erster Linie die Verwendung besserer Federmetallmaterialien und
spezielle Arten der Oberflächenbehandlung. So
wurden Oberflächenbehandlungsverfahren
wie Kugelstrahlen, Salzbadnitrieren, besondere Härteverfahren, beispielsweise
Wärmebehandlung
mit Lasern bzw. Laserhärteverfahren
verwendet. Die entsprechenden Maßnahmen galten als mehr oder
minder ausgereift und es konnten in der Vergangenheit keine substantiellen
Verbesserungen mehr erzielt werden. Jüngste Verbesserungen, beispielsweise
bei Ventilfedern in Verbrennungsmotoren, die im Betrieb einer erheblichen
Wärmebelastung
ausgesetzt sind, und an die zunehmende Anforderungen hinsichtlich der
Verringerung des Bauraums und des Gewichts gestellt werden, wurden
erreicht, indem die Herstellungsgenauigkeit der Ventilfedern zunehmend
verbessert wurde und für
die dynamischen Betriebslasten grenzwertige Auslegungen realisiert
wurden.
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An
dem Beispiel der Ventilfeder zeigt sich die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, nämlich
Federn bereitzustellen, deren Eigenschaften gegenüber konventionellen
Federn verbessert sind.
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Andererseits
ist in
DE 39 22 377
A1 ein Verfahren zur Behandlung von mechanisch, insbesondere
spanend bearbeiteten Metalloberflächen durch Lasernitrierung
bekannt. Am Beispiel einer durch Bohren und mechanisches Honen vor behandelten Lauffläche eines
Zylinderblocks eines Verbrennungsmotors, am Beispiel von im Abwälzverfahren
hergestellten Zahnräder
und am Beispiel einer durch Schmieden durch stark mechanisches Verformen hergestellten
Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors ist dort das Lasernitrieren
beschrieben. Es gibt keinen Hinweis in diesem Dokument, die speziellen
Eigenschaften federelastisch beanspruchter Bauteile durch Lasernitrieren
zu verbessern. Tatsächlich
hat sich dieses Verfahren durchgesetzt und wird insbesondere zur
Behandlung von Zylinderlaufbahnen für Verbrennungsmotoren verwendet.
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Die
DE 103 34 470 A1 zeigt
eine Tellerfeder mit verbessertem Setzverhalten und beschreibt eine Tellerfeder
von im Wesentlichen kreisförmiger
Form in einer im Wesentlichen außenkonischen Oberseite und
einer im Wesentlichen innenkonischen Unterseite, zwischen denen
jeweils eine äußere Ringkante und
eine innere Ringkante liegen, wobei in unbelastetem Zustand die
Randschicht der Unterseite eine höhere Eigendruckspannung aufweist
als die Randschicht der Oberseite.
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Außerdem ist
in der Literatur – Zimmermann, R.;
Günther,
K.: ”Metallurgie
und Werkstofftechnik, ein Wissensspeicher”. Band 2. 1. Auflage Leipzig: VEB
Deutscher Verlag für
Grundstoffindustrie, 1977, S. 330 – als chemisch technische Behandlung
von Werkstoffen, die Nitrierung aufgeführt, durch welche Diffusionssättigung
der Oberflächenschicht
von Stahl mit Stickstoff wird, indem der Stahl in einem entsprechenden
Medium erwärmt
wird.
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Die
vorliegende Erfindung löst
die obengenannte Aufgabe der Verbesserung des Herstellungsverfahrens
von Federn aus einem Metallfedermaterial durch das Lasernitrieren
mindestens eines Teils der Federoberfläche, wobei der Schritt des
Lasernitrierens das Abdampfen von Metallmaterial, das Aufschmelzen
der Metalloberfläche
und das Ausbilden eines oberflächlichen
Metallplasmas aufweist.
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Das
Lasernitrieren kann mit einem gepulsten Laser, insbesondere einem
Excimer- oder Nd-Yag-Laser durchgeführt werden. Es können auch andere
Laser verwendet werden, die eine ausreichend hohe Energiedichte
zu erzeugen im Stande sind. Der gepulste Laserbetrieb hat den Vorteil,
dass sich das erhitzte Federmetallmaterial nach jedem Pulsende abrupt
abkühlt
und so die gewünschten Oberflächeneigenschaften
erzeugt. Zur Erreichung der hohen benötigten Energiedichte im Bereich
von 10 Watt/cm2 kann es vorteilhaft sein,
im Wellenlängenbereich
des UV-Lichts arbeitende Laser zu verwenden. Die Pulsdauer ist vorzugsweise kürzer als 1000
ns und günstigerweise
im Bereich von zwischen 20 und 500 ns. Der Vorschub des Lasers relativ
zur Oberfläche
kann derart eingestellt sein, dass einzelne Oberflächenbereiche
lediglich von einem Laserpuls oder aber auch von einer Vielzahl
von Laserpulsen behandelt werden. Die Energieleistung ist so eingestellt,
dass die von dem Laserpuls getroffene Metalloberfläche Temperaturen
von über
3000 K, günstigerweise
von bis 7000 K erreicht. Bei dem Lasernitrieren kann es an der Oberfläche des
Federmaterials zu einem Abdampfen von Metallmaterial kommen. Es
kann zu einem Aufschmelzen der Metalloberfläche kommen und es kann sich
an der Oberfläche
ein oberflächliches
Metallplasma ausbilden. Stickstoff aus der Umgebungsatmosphäre oder
aber Stickstoff aus einer entsprechenden Stickstoffumgebung wird in
atomaren reaktiven Stickstoff überführt und
gelangt an die Schmelze. Nach dem Erstarren der Schmelze kann sich
im unmittelbaren Oberflächenbereich
des von dem Laserpuls getroffenen Bereichs ein erheblicher Prozentsatz
an Stickstoff einlagern. Der Prozent satz kann bis zu 18% und mehr
betragen. Durch diesen hohen Stickstoffgehalt erhält diese dünne Randschicht
keramikartige Eigenschaften.
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In
Anbetracht der extrem hohen Temperaturen, die bei dieser Behandlungsmethode
im Randbereich des Federmetallmaterials erreicht werden, ist es
mehr als überraschend,
dass dieses Laserbehandlungsverfahren im Stande ist, die Eigenschaften von
Federn zu verbessern, insbesondere wenn man berücksichtigt, dass üblicherweise
nach dem Härten einer
Feder jegliche Temperaturbehandlungen an Federn vermieden werden
sollen, die zu Temperaturen über
etwa 400 bis 600°C
der Feder führen.
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Bei
temperaturbelasteten Formfedern, lässt sich durch das Lasernitrieren
die Warmsetzbeständigkeit
dieser Federn verbessern, wodurch im Motor-Betrieb ein sogenannter ”blow by” also ein
Vorbeiblasen der Verbrennungsprodukte an dem Kolbenring substantiell
verringert werden kann. Für
Verbesserungen im Warmsetzverhalten der Feder ist es günstig, das
Lasernitrieren in dem Bereich der Feder durchzuführen, wo sie im Betrieb den
größten Spannungen
ausgesetzt ist, also beispielsweise im Bereich der die Federkraft
generierenden Federwindungen einer Schraubendruckfeder bzw. einer
Schraubenzugfeder. Der lasernitrierte Bereich kann dann beispielsweise
bandförmig
in Längsrichtung
entlang einer Federwindung verlaufen. Es kann günstig sein, die Feder um ihren
ganzen Umfang oder vollflächig entlang
der Federwindungen durch Lasernitrieren zu behandeln.
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Durch
die verbesserte Warmsetzbeständigkeit
kann durch die resultierende Konstanz der Radialkräfte über die
Lebensdauer der Ölverbrauch
reduziert werden.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Feder aus einem Federmetallmaterial,
die einen lasernitrierten Oberflächenbereich
aufweist.
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Der
lasernitrierte Oberflächenbereich
lässt sich
vom Fachmann bei der Betrachtung unter dem Mikroskop relativ problemlos
von Federoberflächen unterscheiden,
die mit anderen Behandlungsverfahren, beispielsweise im Salzbad
nitriert, gasnitriert, durch Verdichtungsstrahlen, beispielsweise
Kugelstrahlen be handelt oder lediglich angelassen sind. Der lasernitrierte
Bereich kann beispielsweise flächig die
ganze Feder oder im wesentlichen die ganze Feder bedecken. Er kann
bandförmig
oder linienförmig ausgedehnt
sein. Er kann punktförmig
und auf relativ kleine Bereiche beschränkt ausgedehnt sein.
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Insbesondere
kann der lasernitrierte Bereich diejenigen Bereiche der Feder betreffen,
die einsatzmäßig hohen
Biege- und/oder Torsionsbelastungen ausgesetzt sind, insbesondere
dann, wenn diese auch einsatzmäßig besonderen
Umgebungsanforderungen, beispielsweise hohen Temperaturen, etc. ausgesetzt
sind.
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Die
Feder kann in solchen Bereichen lasernitriert sein, in denen sie
in Kontakt, insbesondere in Reibkontakt mit sich selbst oder mit
anderen Bauteilen steht. So ist es günstig, eine von einer Federführung, beispielsweise
einer Außenhülse oder
einem Innendorn geführte
Feder in dem Kontaktbereich mit der Federführung durch Lasernitrieren
zu behandeln. Das betrifft insbesondere an einem Dorn oder in einer Hülse geführte Schraubenfedern,
kann aber auch Drehfedern und andere Federtypen betreffen. Bei Schraubenfedern,
aber auch beispielsweise bei Blattfedern kann es günstig sein,
mehrere einsatzmäßig mindestens
bereichsweise überdeckende
Federbereiche, die einsatzmäßig miteinander
in Kontakt kommen können,
ganz oder teilweise lasernitriert auszubilden. So können beispielsweise
die Bereiche einer Schraubenfeder, die, wenn die Feder auf Block ist,
miteinander in Anlage kommen, lasernitriert sein. Ganz besonders
günstig
ist das bei Fahrwerksfedern von Kraftfahrzeugen, die gezielt in
diesem Bereich lasernitriert werden können, um Beschädigungen
und insbesondere sich daran anschließende Korrosion der Feder zu
vermeiden. Bei Fahrwerksfedern ist der Bereich der Federtelleraufnahme
besonders beansprucht, so dass es dort infolge von Reibung und Korrosion
zu Bruch etc. kommen kann. Ein Lasernitrieren in diesem Bereich
ist deshalb besonders günstig.
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Bei
Schraubenfedern, die mindestens eine angelegte Endwindung aufweisen,
die plangeschliffen oder sonst wie abgeschrägt ist, um z. B. der Feder
eine im wesentlichen glatte Aufstandsfläche zu verschaffen, ist es
günstig,
die angelegte Endwindung insbesondere in dem Bereich, in dem die
Feder relativ dünn
geschliffen ist, mit Lasernitrieren zu behandeln. Das Lasernitrieren
in diesem Bereich führt zu
einer erheblichen Festigkeitsverbesserung dieses relativ dünnen Fe derbereichs.
Einerseits lassen sich dadurch bei gleichen Qualitätsanforderungen
die Baumaße
der Federn beträchtlich
verringern. Andererseits ist der Arbeitsschritt des Planens, insbesondere
des Planschleifens der angelegten Federwindung, ein Arbeitsschritt
im Herstellungsprozess der Feder, der relativ präzise durchgeführt werden
muss. Geringe Toleranzabweichungen sind hier nicht akzeptabel, da
diese zu einem Bruch der Feder, insbesondere des dünnen Federendes
führen
können. Das
Lasernitrieren erlaubt in diesem Zusammenhang größere Toleranzen und entsprechend
geringere Herstellungskosten.
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Die
Abstützfläche, an
der sich die Feder einsatzmäßig abstützt, also
beispielsweise die plangeschliffene Anlagefläche einer angelegten Endwindung
einer Schraubfeder, aber auch die Einhängöse einer Schraubenzugfeder,
der Anlageschenkel einer Haarnadelfeder, etc. kann durch Lasernitrieren
behandelt sein. Hier macht es sich vorteilhaft bemerkbar, dass das
Lasernitrieren die Gleiteigenschaften des Federmetallmaterials erheblich
verbessert. Diese Verbesserung macht sich im Betrieb normalerweise
nicht in erster Linie an der Feder selbst bemerkbar, sondern an
dem jeweiligen Paarungspartner. So führt die Reibung normalerweise
zu relativ wenig Verschleiß an
dem von Natur aus ziemlich hartem Federmaterial. Die Reibung führt aber
zu erheblichem Verschleiß an
den Paarungspartnern, die häufig
aus einem relativ weichen Material bestehen. Im Extremfall führt dieser
Verschleiß zu
Eingrabungen in dem Material des Paarungspartners und schließlich zum
Versagen. Mit dem Lasernitrieren kann eine substantielle Reibungsverringerung
erzielt werden, die der Lebensdauer zugute kommt bzw. die Verwendung
von kostengünstigeren
Materialien der Paarungspartner zulässt bzw. Paarungspartner zulässt, die
einen kleineren Bauraum benötigen.
Ein jeweiliger Paarungspartner kann ebenfalls durch Lasernitrieren
behandelt werden.
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Ein
weiterer wesentlicher Punkt, der mit den verbesserten Gleiteigenschaften
im unmittelbaren Zusammenhang steht ist die geringere Reibungsarbeit,
die an den Aufstandsflächen
der Feder bzw. den Kontaktflächen
der Feder durch das Lasernitrieren der entsprechenden Oberflächenbereiche
erreicht werden kann. Die Energie, die aus einer Feder zurückgewonnen
werden kann, ist gleich der Energie, die in die Feder gesteckt wurde,
minus der Energie, die für
die Überwindung
der Reibung benötigt
wird. Durch das Lasernitieren der Aufstandsflä chen und/oder der Kontaktflächen mit
anderen Reibpartnern gelingt es, diese Reibungsverluste substantiell zu
verringern. Auf der einen Seite kann dadurch der erforderliche Energieaufwand
zum Betrieb des Systems erheblich verringert sein, andererseits
lassen sich auch kleinere und leichtere Federn herstellen.
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Vorangehend
wurde ausgeführt,
dass insbesondere an Ventilfedern in Verbrennungsmotoren extrem
hohe Anforderungen hinsichtlich des Bauraums und des Gewichts gestellt
werden. Hier können
erhebliche Verbesserungen mit der erfindungsgemäßen Lehre erreicht werden,
die einen Fortschritt verglichen mit den graduellen Verbesserungen
der Vergangenheit bringen. Durch das Lasernitrieren der Aufstandsflächen lässt sich
die Reibung verringern, so dass der Energieverbrauch bzw. Energieinhalt
der Feder verbessert wird. Allein das ermöglicht eine Volumen-/Massenverringerung
der Feder. Darüber
hinaus lässt
sich durch eine Lasernitrierung im Bereich des federnden Volumens
der Feder die Warmsetzbeständigkeit
der Feder verbessern, was ebenfalls eine Bauvolumen- und Massenverringerung
mit sich bringt. Gleiches gilt für
die Lasernitrierung der Federbereiche, die mit der Innenführung der
Ventilfeder bzw. der Außenführung der
Ventilfeder in Kontakt kommen.
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Aus
dem Vorangegangenen ergibt sich, dass die Erfindung insbesondere
auch eine Vorrichtung betrifft, die eine erfindungsgemäße Feder
und einen mit der Feder zusammenwirkenden Antrieb aufweist. Diese
Vorrichtung kann beispielsweise ein Ventil sein. Hier lassen sich
insbesondere bei Elektromagnetventilen erhebliche Energieeinsparungen
bzw. Stromeinsparungen in Anbetracht der langen Betriebszeiten realisieren.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere auch eine Kolbenringfeder. Kolbenringfedern
werden in Verbrennungsmotoren verwendet, um den eigentlichen Kolbenring
gegen die Innenwandung des Zylinders zu drücken. Kolbenringfedern sind
typischerweise in einer Kolbennut im Kolben angeordnet. Sie können ein-
oder mehrteilig sein und sie können
einen oder mehrere Kolbenringe gegen die Zylinderwandung vorspannen.
Es gibt grundsätzlich
zwei verschiedene Typen von Kolbenringfedern. So gibt es einerseits Schlauchfedern.
Solche Schlauchfedern sind im wesentlichen gewickelte Schraubenfedern,
die an ihrem Außenumfang überschliffen
sind oder aus Rechteckprofilmaterial gewickelt sind, und in die Kolbenringnut wie
ein Schlauch eingelegt sind. Die Vorspannung des Schlauchs drückt den
Kolbenring radial nach außen.
Ein zweiter Typ von Kolbenringfeder besteht aus einem dünnen Federblechmaterialband,
das umfangsmäßig gewellt
ist. Die Täler
der Wellen stehen mit dem Grund der Kolbenringnut in Anlage, während die
Berge der Wellen mit dem Kolbenring in Eingriff sind und diesen
nach außen
pressen. An den Bergen der Wellen können seitlich oder in der Mitte
Stufen vorgesehen sein, die den Kolbenring quer zu der Umfangsrichtung
halten. Bei Kolbenringfedern ist vorzugsweise der Eingriffsbereich
bzw. Kontaktbereich des Kolbenrings mit der Kolbenringfeder lasernitriert. Alternativ
oder zusätzlich
kann auch der Kontaktbereich mit dem Kolben selbst lasernitriert
sein. Der Effekt ist auch hier zum einen eine Verbesserung der Warmsetzbeständigkeit,
eine Verringerung der Reibung und eine Verschleißverringerung.
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Die
Erfindung und Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand
mehrerer Ausführungsbeispiele
geschildert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Ansicht einer Kolbenringfeder und von Kolbenringen, zum Teil im
Schnitt von der Seite;
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2 die
Kolbenringfeder mit einem Kolbenring der 1 in der
Draufsicht;
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3 eine
Verbrennungsmotor-Ventilfeder;
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4 eine
Fahrwerksfederanordnung;
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5 eine
laserbelichtete Kolbenringfeder in 35facher Vergrößerung;
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6 eine
laserbelichtete Feder in 2000facher Vergrößerung;
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7 eine
im Salzbad nitrierte Feder in 35facher Vergrößerung; und
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8 eine
im Salzbad nitrierte Feder in 2000facher Vergrößerung.
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In
der 1 ist eine Feder 2 gezeigt, die erfindungsgemäß durch
Lasernitrieren behandelt wurde. Insbesondere zeigt die 2 eine
Kolbenringfeder 4, an der zwei Kolbenringe 6 und 8 abgestützt sind.
Die Kolbenringfeder 4 ist im wesentlichen in der Seitenansicht
dargestellt. Der ganz linke bzw. ganz rechte Bereich der Kolbenringfeder
ist geschnitten dargestellt, so dass man die Art der Abstützung der Kolbenringe 6 und 8 erkennt.
Die Kolbenringfeder 4 ist, wie der Name sagt, zusammen
mit den Kolbenringen 6 und 8 in einer Kolbenringnut
eines Kolbens eines Verbrennungsmotors angeordnet. Die Kolbenfeder
selbst ist gewellt und weist in der in 1 gezeigten
Ansicht Berge 10 und Täler 12 auf.
Die beiden Enden 14 und 16 der Kolbenringfeder 4 sind
miteinander in Anlage. In den Schnittansichten ganz links bzw. ganz
rechts der 1 ist jeweils das Tal 12 der Kolbenringfeder 4 im
Schnitt dargestellt. Man erkennt, dass der äußere Bereich der Kolbenringfeder 4 im
Bereich des Tals 12 und entsprechend auch im Bereich des
Bergs 10 bereichsweise mit einer Stufe 18 ausgebildet
ist. Im Bereich der Stufe 18 liegt ein Kolbenring 8 an
einer Seitenfläche 20 der
Kolbenringfeder 4 sowie einer Stirnfläche 22 der Kolbenringfeder 4 an.
Entsprechend wird die Kolbenringfeder 8 von dem Kolbenring 4 radial
nach außen
gegen die (nicht gezeigte) Zylinderwandung sowie gegen die seitlichen
Wände der
Kolbenringnut gepresst.
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Insbesondere
diese Seitenfläche 20 und/oder
die Stirnfläche 22 der
Kolbenringfeder 4 sind durch Lasernitrieren behandelt.
Zusätzlich
oder alternativ kann es auch günstig
sein, die Spitzen der Täler
bzw. Berge 10 und 20, die mit den Seitenwänden der
Kolbenringnut kooperieren, lasernitriert zu behandeln. Es kann günstig sein,
die Aufstandsfläche 24 der
Kolbenringfeder 4 durch Lasernitrieren zu behandeln, die
einsatzmäßig am Grund
der Kolbenringnut anliegt.
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Die
genannten Behandlungsflächen
sind bei Betrieb Reibung ausgesetzt, so dass die durch Lasernitrieren
erzielte Reibungsverbesserung substantiell den Verschleiß in diesen
Bereichen reduzieren kann. Im Ergebnis führt das langfristig zu einer
besseren Führung
der Kolbenringe 6 und 8 durch die Kolbenringfeder 4 und
entsprechend zu einer langfristigen Verbesserung des ”blow by” am Kolbenring 6, 8.
In der 2 ist der Kolbenring 6 zusammen mit der
Kolbenringfeder 4 in der Draufsicht dargestellt. Durch
drei von Hand gezeichnete Linien 26 ist bei einigen der
Berge 10 der durch Lasernitrieren behandelte Teilbereich
der Kolbenringfeder 4 dargestellt, der mit einer Seitenwand
der Kolbenringfeder in Kontakt kommt. Entsprechend können Bereiche
der Täler,
die mit der gegenüberliegenden
Kolbenringwand in Kontakt kommen, durch Lasernitrieren behandelt sein.
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Es
können
auch andere Bereiche der Feder, die nicht in Reibkontakt mit irgendwelchen
Reibungspartnern stehen, wie beispielsweise bei 28 gezeigt, laserbehandelt
werden. Diese Art der Reibpartner-unabhängigen Laserbehandlung kann
beispielsweise zu einer Verbesesserung der Warmsetzbeständigkeit
der Kolbenringfeder führen.
Die bei 26 bzw. 28 gezeigten Striche bezeichnen
lediglich den Bereich, in dem eine Laserbehandlung erfolgt. Die Laserbehandlung
kann zwar grundsätzlich
linear erfolgen, wobei ein Punkt nach dem anderen laserbehandelt
wird und der Laser bzw. die Feder 2 translatorisch entlang
einer Linie verlagert wird. Es ist jedoch auch möglich, die Laserbehandlung
statistisch verteilt durchzuführen,
wenngleich das in der Praxis reproduzierbar schwierig zu realisieren
ist. Neben der Reibungsverbesserung kann die Laserbehandlung die
Warmsetzbeständigkeit
verbessern. Sie kann aber auch die Dauersetzbeständigkeit der Feder verbessern
bzw. ganz gezielt oberflächennah
in der Feder Spannungen einbringen bzw. abbauen und so wohldefinierte
Federeigenschaften realisieren.
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In
der 2 ist eine bereichsweise Bearbeitung der Kolbenringfeder
vorgesehen. Es ist daneben auch möglich, eine vollflächige Bearbeitung
der Feder vorzusehen.
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Alternativ
zu der gewellten Kolbenringfeder, wie sie in den 1 und 2 gezeigt
ist, ist ein verbreiteter Typ von Kolbenringfeder eine (nicht gezeigte)
Schlauchfeder, bei der es sich um. eine aus einem Federmaterial
gewickelte Schraubenfeder 2 handelt, die an ihrem Außenumfang
durch Überschleifen
bearbeitet ist bzw. eine aus einem Rechteckmaterial gewickelte Schraubenfeder
handelt. Eine derartige Schlauchfeder 2 wird als Kolbenringfeder 4 verwendet,
indem deren Enden miteinander verbunden werden, sodass sie einen
Ring bildet und in der Kolbenringnut platziert wird. Sie liegt dann
wie ein Schlauch in der Kolbenringnut und kann einen außerhalb
davon angeordneten Kolbenring nach außen gegen die Zylinderwandung
vorspannen. Bei einer solchen Kolbenringfeder 4 wird vorzugsweise
der Kontaktbereich der Kolbenringfeder mit dem Kolbenring also beispielsweise
ein Teil der Außenwandung
des ”Schlauchs” durch
Lasernitrieren behandelt, aber auch z. B. Kontaktbereiche, an denen
die einzelnen Federwindungen miteinander in Anlage kommen. Es ist
auch möglich,
den Bereich der Schlauchfeder durch Lasernitrieren zu behandeln,
der mit der Kolbenringnut in Anlage kommt.
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3 zeigt
eine weitere Feder 2, insbesondere eine Ventilfeder 30,
wie sie in einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors Verwendung
findet. Man erkennt insbesondere, dass die Feder 30 eine Schraubenfeder
ist, die im Schnitt dargestellt ist. Das Ventil 32 weist
einen Ventilteller 34, der im geschlossenen Zustand an
einem Ventilsitz 36 anliegt, und einen in einer Ventilführung 38 geführten Ventilschaft 40 auf.
Die Ventilfeder 30 liegt an ihrem unteren Ende 42 an
einem Sitz 44 am Zylinderkopf 46 an und ist an ihrem
oberen Ende an einem Federteller 48 abgestützt, der
fest an dem Ventilschaft 40 angeschlossen ist. Über einen
Ventiltrieb 50 wird das Ventil 32 durch eine Nockenwelle 52 angetrieben.
Insbesondere die Ventilfeder 30 des Auslassventils ist
besonders starker Wärmebelastung
ausgesetzt. Bei einer Ventilfeder können einzeln oder in beliebiger
Kombination miteinander folgende Bereich durch Lasernitrieren behandelt
werden: die Abstützfläche der
Feder zum Federsitz 44, die Abstützfläche der Feder 30 zum
Federteller 48, die plangeschliffenen bzw. abgeschrägten Federenden 54 bzw. 56 und/oder
der Windungsbereich der Federn zwischen den Federenden 54 und 56.
Durch eine Behandlung der Feder 30 im Bereich der Windungen
zwischen den Federenden 54, 56, sei es bereichsweise,
entlang einer Linie oder vollflächig,
lässt sich
eine Verbesserung der Warmsetzbeständigkeit der Feder realisieren,
so dass die Feder 30 über
eine längere
Betriebsdauer die erforderliche Federkraft zu liefern im Stande
ist. Eine Behandlung der Kontaktflächen der Feder 30 zu
dem Federsitz 44 bzw. dem Federteller 48 verbessert
das Reibungsverhalten und verringert somit substantiell den Verschleiß zwischen
der Feder 30 und dem jeweiligen Paarungspartner. Es kann
günstig
sein zusätzlich
den jeweiligen Paarungspartner durch Lasernitrieren zu behandeln,
um so den Verschleiß weiter zu
verringern. Es hat sich gezeigt, dass ein Lasernitrieren des Laserendes 54 bzw. 56 die
Festigkeit des plangeschliffenen bzw. sonst wie abgeschrägten Federendes 54, 56 verbessern
kann. Diese verjüngten Federenden 54, 56 sind
grundsätzlich
bruchgefährdet,
da deren Querschnitt kontinuierlich abnimmt. Die Laserbehandlung
erlaubt es, die Festigkeit der Laserenden 54, 56 zu
verbessern und diese geringfügig schmaler
auszubilden. Auf diese Art und Weise lässt sich die Gesamtlänge der
Feder 30 im Prozentbereich reduzieren, was in Anbetracht
des beschränkten
Bauraums und der damit erzielbaren Gewichtseinsparung ein gewaltiger
Fortschritt auf dem Gebiet der Ventilfedern 30 bedeutet.
Außerdem
kann durch die Reibungsverringerung an den Federenden die realisierbare
Federkraft verbessert werden, so dass auch dadurch eine kleinere
Feder realisierbar wird.
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In
der 4 ist als Feder 2 eine Fahrwerksfeder 58 gezeigt,
die um einen Stoßdämpfer 60 herum
angeordnet ist. Die Fahrwerksfeder 58 ist ähnlich der
Ventilfeder 30 der Ausführungsform
der 3 eine Schraubenfeder. Entsprechend lassen sich
die gleichen Behandlungsmaßnahmen
wie bei der Schraubenfeder 30 der 3 auch bei
der Fahrwerksfeder 58 der 4 durchführen. Auch
hier ist es wieder möglich,
an den Federenden 62, 64 bzw. den Kontaktflächen zu
den Federsitzen 66, 68 die Paarungsparner zusätzlich auch
durch Lasernitrieren zu behandeln. Es kann auch günstig sein,
bei der Fahrwerksfeder 58 der 4 diejenigen
Bereiche der Federwindung zum Beispiel entlang einer Linie durch
Lasernitrieren zu behandeln, die bei ”auf Block” zusammengedrückter Feder
miteinander in Anlage kommen. Gerade solche Bereiche neigen dazu, dann,
wenn sie zusammenstoßen,
Oberflächenbeschädigungen
davonzutragen und in der Folge an diesen Stellen zu korrodieren.
Eine solche Korrosion kann letztlich zu einem Federbruch führen.
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Bei
einer solchen Fahrwerksfeder 58 kann ein Teil des Stoßdämpfers 60 als
eine Innenführung für die Feder 58 dienen.
Es kann auch günstig
sein, den Bereich der Fahrwerksfeder 58, der mit dieser
Innenführung
in Kontakt kommen kann, durch Lasernitrieren zu behandeln. Auch
hier lässt
sich einerseits die Reibung verringern und andererseits eine Korrosion
bzw. eine dadurch verursachte Schädigung der Feder vermeiden.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die vorangegangen Ausführungsbeispiele
lediglich beispielhaft sind und sich die darin geschilderten Behandlungsmaßnahmen
der Feder durch Lasernitrieren entsprechend bei unterschiedlichsten
Federtypen realisieren lassen. In dem Zusammenhang mit einer Feder 2 in
einem der vorangegangenen Ausführungsbeispiele
geschilderte Laserbehandlung lässt sich
gleichermaßen
auf andere Federn übertragen und
soll nicht lediglich auf das einzelne Ausführungsbeispiel beschränkt sein.
Dabei können
unterschiedliche Lasernietrieren-Behandlungsmaßnahmen, beispielsweise flächige Behandlung
der Federenden, Behandlung der Feder an Kontaktbereichen zu Reibpartnern,
etc., bzw. eine mehr oder minder flächige Behandlung der Biegebereiche
einer Feder einzeln oder in Kombination miteinander vorgesehen sein.
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In
den 5 bis 8 sind zwei Kolbenringfedern ähnlich der
in 1 und 2 gezeigten Federn in 35facher
bzw. 2000facher Vergrößerung gezeigt.
Die fotografischen Abbildungen vergleichen eine gemäß der vorliegenden
Erfindung lasernitrierte Kolbenringfeder, wie sie in den 5 und 6 dargestellt
ist, mit einer im Salzbad nitrierten Feder, wie sie in den 7 und 8 dargestellt
ist. Der erste Vergleich der 5 und 7,
auf denen die Federn in 35facher Vergrößerung jeweils dargestellt
ist, zeigt die relativ stumpfere Oberfläche der in Salzbad nitrierten
Feder verglichen mit der lasernitrierten Feder. Das ist ein Hinweis
auf eine geringere Oberflächenrauhigkeit
der lasernitrierten Feder. Vergleicht man die 6 und 8 miteinander,
so erkennt man eine relativ grobe Oberflächenstruktur der im Salzbad
nitrierten Feder der 8 verglichen mit der relativ
glatten Struktur der lasernitrierten Feder in der 4.
Diese glattere Oberfläche
ergibt sich durch die Erstarrung der Oberfläche aus der durch das Laserbehandeln
gebildeten Schmelze. Es wird davon ausgegangen, dass die Oberflächenspannung
dafür sorgt,
dass die Oberfläche
der Schmelze beim Abkühlen
so glatt bleibt. In der Darstellung der 6 erkennt
man den sehr runden und allmählichen Übergang
der Oberfläche
zu Einschlussbereichen in der Oberfläche, der für die Annahme spricht, dass
die Schmelze selbst durch die Oberflächenspannung eine sehr glatte
Oberfläche
hat und diese beim Abkühlen ”einfriert”.
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Untersuchungen
haben ergeben, dass die Oberflächenrauhigkeit
einer lasernitrierten Federoberfläche in der Tat sehr niedrig
ist. So liegt der Rauhigkeitswert für die lasernitrierte Feder
in etwa bei der Hälfte
der Rauhigkeit einer im Salzbad nitrierten Feder. Diese deutliche
Verbesserung der Rauhigkeit bei der erforderlichen Oberflächenfestigkeit,
die durch das Lasernitrieren erzielt wird, reduziert erheblich die Reibung
verglichen mit konventionell behandelten Federn.