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Die
Erfindung betrifft ein Gleitsystem zur Verminderung der Reibung
zwischen zwei sich kontaktierenden eine glatte, strukturierte und/oder
harte Oberfläche
aufweisenden Körpern,
mit einem Grundkörper
und einem Gegenkörper,
wobei zumindest die Oberfläche
des Gegenkörpers
so ausgebildet ist, dass Gleitstoffreservoirs derart gebildet werden,
dass beim gegenseitigen Kontaktieren von Grundkörper und Gegenkörper ein
in den Reservoirs aufgenommener Gleitstoff oder Schmiermittel zur
Reibungsverminderung zwischen den beiden Körpern freisetzbar ist.
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Es
ist bereits ein geschmiertes Gleitsystem aus einem glatten und harten
Grundkörper
und Gegenkörper
mit elastischer Reibfläche,
die Hartstoffe enthält
bekannt (
DE 102 54
368 B3 ). Die elastische Reibfläche des Gegenkörpers weist
Ausnehmungen und Vertiefungen zur Aufnahme von Gleitstoffen auf, die
sich unter Einwirkung eines Pressdrucks auf die Kontaktfläche reversibel
zusammenpressen lassen, wobei die Hartstoffe zumindest teilweise
aus der Oberfläche
der Reibfläche
herausragen und derart angeordnet sind, dass die Seitenflächen der
Ausnehmungen und Vertiefungen zum überwiegenden Teil aus Hartstoffen
bestehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verschleißbeständigkeit
der Gleitoberfläche
des Gegenkörpers bei
gleichzeitig sehr guter Versorgung mit Gleitstoffen zu gewährleisten
und die Gleitstoffreservoirs kostengünstiger herzustellen.
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Gelöst wird
die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch,
dass die in einem der Körper
vorgesehenen Gleitstoffreservoirs durch zumindest im Bereich der Oberfläche der
Körper
eingebrachte, eine andere Härte
als die Körper
aufweisende längliche
Formkörper
gebildet sind. Hierdurch wird erreicht, dass eine einwandfreie Schmierung
zwischen den kontaktierenden Oberflächen auch bei Stoßbelastung
gewährleistet
ist. Unter Druckbelastung wird die Oberfläche bzw. die Reibfläche des
Grundkörpers
gegen eine Oberfläche
eines Gegenkörpers
gepresst, der Gleitstoff aus dem Spalt zwischen den beiden Oberflächen gedrängt und
dabei zunehmend in die Gleitstoffreservoirs gepresst, die dabei
ebenfalls geringförmig
verformt werden, so dass der Gleitstoff bei weiterer Druckerhöhung und
aufgrund der Adhäsionskräfte über sehr
lange Standzeiten zur Schmierung der kontaktierenden Oberflächen zur
Verfügung steht.
Das Einbringen der Formkörper
in den Werkstoff bzw. in die Matrix wird erfindungsgemäß auf einfache
Weise während
des Herstellungsverfahrens durchgeführt.
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Die
Erfindung wird anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. In 1 ist
eine Teilansicht eines Gleitsystems zur Verminderung der Reibung
schematisch im Querschnitt dargestellt und zeigt den Grundkörper (3),
den Gegenkörper
(4), Oberflächen
(1), (2), eine Matrix (7) Gleitstoffreservoirs
(5), längliche
Formkörper
(6) und Gleitstoff (8).
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Erfindungsgemäß ist somit
ein Gleitsystem vorgesehen mit einem Gegenkörper (4), der Gleitstoffreservoirs
(5) aufweist, die zumindest teilweise durch längliche
Formkörper
(6) gebildet sind, die eine höhere Härte als die Matrix (7)
aufweisen. Die Formkörper
(6) sind dabei in die Matrix (7) eingebettet. Das
bedeutet, dass sie zumindest soweit in der Matrix (7) verhaftet
sind, dass eine feste mechanische Verbindung zum Gegenkörper (4)
besteht.
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Von
besonderer Bedeutung ist es, dass die Formkörper eine härtere Oberfläche oder
Festigkeit aufweisen als die Matrix, in die die Formkörper eingebracht
sind. Hierdurch wird der Verschleiß bei gleitender Belastung
vermindert und die Lebensdauer der Gleitstoffreservoirs wird erhöht. Auch
hierdurch kann eine einwandfreie Versorgung der kontaktierenden Oberflächen mit
Gleitstoff erfolgen und eine Trockenreibung ausgeschaltet werden.
Unter der Festigkeit ist insbesondere die Druck und die Zugfestigkeit
zu verstehen.
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Bevorzugt
sind die seitlichen Begrenzungen der Gleitstoffreservoirs (5)
im Wesentlichen durch die länglichen
Formkörper
(6) gebildet. Es ist insbesondere nicht erforderlich, dass
der Boden der Gleitstoffreservoirs Formkörper (6) enthält.
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Es
ist vorteilhaft, dass die Formkörper
zumindest teilweise eine gewölbte
bzw. gebogene Oberfläche
aufweisen. Somit sind die seitlichen Begrenzungen der Gleitstoffreservoirs
nicht scharfkantig sondern rundlich ausgestaltet. Diese Versorgung
mit Gleitstoff aus den Gleitstoffreservoirs führt, insbesondere bei Stoßbelastung,
zur einwandfreien Versorgung der kontaktierenden Oberflächen mit
Gleitstoff. Hierdurch kann eine Trockenreibung ausgeschaltet werden.
Ebenso wird durch Vermeidung von scharfen Kanten der Verschleiß des Reibpartners,
des Grundkörpers
(3) verringert.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung haben die länglichen
Formkörper
(6) eine faser- oder stabförmige Struktur. Hierbei sind
Fasern oder auch Späne
als Formkörper
besonders geeignet.
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In
bevorzugter Ausgestaltung ist der Gegenkörper ein verstärkter Verbundwerkstoff.
Der gesamte Gegenkörper
(4) besteht somit aus einer Matrix (7) und als
Verstärkungsphase
wirkenden länglichen Formkörpern (6).
Besonders bevorzugt sind dabei Faserverbundwerkstoffe, insbesondere
Faserverstärkte
Kunststoffe (FVK). Die länglichen
Formkörper (6)
werden dabei durch Fasern gebildet. Typischerweise unterscheidet
sich der Gehalt an länglichen Formkörpern (6)
bzw. Fasern im Inneren und an bzw. in der Oberfläche des Gegenkörpers (4)
nicht.
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In
bevorzugter Ausgestaltung sind die länglichen Formkörper, die
insbesondere durch Fasern gebildet sind, kreuz und quer oder in
Wirrlage in der Oberfläche
angeordnet. Die Formkörper
sind dabei im Wesentlichen in der Ebene der Oberfläche angeordnet.
Die Fasern bilden ein Netzwerk aus, das zu den entsprechenden Gleitstoffreservoirs
führt.
Die Fläche
der Gleitstoffreservoirs in der Projektion in die Ebene der Oberfläche ist
dabei in der Regel deutlich größer als
die Breite der Formkörper.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist der überwiegende Anteil der länglichen
Formkörper
eine gleichsinnige Ausrichtung innerhalb der Ebene der Oberfläche auf
und nur ein kleinerer Anteil von länglichen Formkörpern kreuzt
diese unter Bildung von Gleitstoffreservoirs.
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Bevorzugt
erfolgt der Gleitkontakt zwischen den zwei Körpern im Wesentlichen über die
seitlichen Begrenzungen der Gleitstoffreservoirs (5). Hierdurch stehen
die Gleitstoffreservoirs auch bei Gleitbeanspruchung zur Verfügung. Dabei
wird die Druckbelastung beim Gleiten in der Regel zu einem Zusammendrücken der
Gleitstoffreservoirs führen,
durch die hohe Härte
und Festigkeit der Formkörper
bleiben die Reservoirs aber als solche erhalten.
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In
bevorzugter Weiterbildung der Erfindung sind die länglichen
Formkörper
(6) durch Verstärkungsfasern
mit guten Reib- und Gleiteigenschaften gebildet sind. Hierdurch
wird erreicht, dass dem Grundkörpers
(3) nun im wesentlichen Stoffe mit guten Reibeigenschaften
als Reibpartner gegenüberstehen.
Die Reibeigenschaften, ebenso wie die Verschleißeigenschaften des Matrixwerkstoffs
sind dabei nur noch von geringerer Bedeutung.
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Bei
der gleitenden bzw. reibenden Beanspruchung des Gegenkörpers (4)
werden durch Matrix bedeckte längliche
Formkörper
(6) in der Oberfläche in
der Regel nach gewisser Zeit freigelegt. Daher wird je nach Zeitdauer
und Art der Belastung der Anteil des direkten Kontakts zwischen
Formkörper
und Grundkörper
zunehmen. Bevorzugt sind Geleitkontakte mit Gegenkörper (4),
bei denen die dem Grundkörper
(3) im Gleitkontakt gegenüberliegende Oberfläche der
Formkörper
(6) zum überwiegenden
Teil frei von Matrix (7) ist.
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Zu
den bevorzugten Formkörpern
(6) zählen Verstärkungsfasern,
aus Kohlenstofffasern, Graphitfasern, Cellulosefasern, Abacafasern
und/oder Aramidfasern. Diese Fasern weisen eine hohe Festigkeit aber
auch Härte
auf. Darüber
hinaus besitzen insbesondere die Kohlenstofffasern und Graphitfasern
hervorragende Gleiteigenschaften.
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Unter
den Fasern oder Verstärkungsfasern sind
sowohl Monofilamente als auch Faserbündel (Fäden) zu verstehen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Lösung ist
schließlich
vorgesehen, dass die einzelnen Fasern eine wellenförmige Oberflächenstruktur
bilden.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Matrix (7)
aus einem gieß-
oder spritzfähigen Kunststoff,
insbesondere einem Thermoplasten gebildet. Gut geeignet sind insbesondere
PEEK, POM, PA, PP oder PE. Der Kunststoff soll beim Gießen oder
Spritzgießen
durch Abkühlung
oder Härtung eine
Schwindung aufweisen. Spritzguss-Kunststoffe zeigen beim Abkühlen von
der Spritzgusstemperatur eine thermische Schwindung und Harze bzw.
Duromere eine Reaktionsschwindung.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich ein überwiegender
Anteil der Fasern in etwa quer zur vorgesehenen Bewegungsrichtung
des Gegenkörpers
und/oder des Grundkörpers
und ein geringerer Anteil kreuz regellos unter Bildung der Reservoirs.
Unter Druckbelastung wird die Oberfläche bzw. die Reibfläche des
Grundkörpers
gegen eine Oberfläche
eines Gegenkörpers
gepresst, der Gleitstoff aus dem Spalt zwischen den beiden Oberflächen gedrängt und
dabei zunehmend in die Gleitstoffreservoirs gepresst, die dabei
ebenfalls geringförmig
verformt werden, so dass der Gleitstoff bei weiterer Druckerhöhung und
aufgrund der Adhäsionskräfte über sehr
lange Standzeiten zur Schmierung der kontaktierenden Oberflächen zur Verfügung steht.
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Vorteilhaft
ist es ferner, dass die Formkörper (6),
insbesondere die Fasern, einen Durchmesser zwischen 1 und 100 μm, insbesondere
4 bis 16 μm aufweisen.
Die Länge
der Formkörper
sollte unterhalb 10 bis 500 mm liegen; bei Spritzguss und verwandten
Verfahren im Bereich von 5 bis 50 mm. Im Falle von Verstärkungsfasern
sind die üblichen
Abmessungen für
FVK geeignet.
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Außerdem ist
es vorteilhaft, dass der Fasergehalt zwischen 5 und 50% des Gesamtwerkstoffs beträgt.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Bildung der Gleitstoffreservoirs.
Erfindungsgemäß ist ein
Verfahren durch Gießen
verstärkter
Kunststoffe, insbesondere durch Spritzguss faserverstärkter Kunststoffe,
zur Herstellung eines Gegenkörpers
(4) für
ein Gleitsystems vorgesehen, mit Gleitstoffreservoirs (5)
die zumindest teilweise durch längliche Formkörper (6)
gebildet sind, wobei die Gleitstoffreservoirs (5) beim
Abkühlen
der Kunststoffschmelze durch die Schwindung der Kunststoff-Matrix
(7) gebildet werden.
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Hierfür ist es
wesentlich, dass die Kunststoffe der Matrix beim Gießen oder
Spritzgießen
durch Abkühlung
beim Formgeben eine Schwindung aufweisen. Spritzguss-Kunststoffe
zeigen beim Abkühlen
von der Spritzgusstemperatur eine thermische Schwindung und Harze
bzw. Duromere eine Reaktionsschwindung. Dabei ist die Temperaturführung des Gießwerkzeugs
so zu führen,
dass der heiße
Kunststoff beim Aushärten
von der Werkzeugoberfläche wegschwindet,
wobei die Formkörper
(6) der Schwindung in der Oberfläche nicht in gleichem Maße folgen können. Hierdurch
bleiben erhabene durch Formkörper
(6) gebildete Oberflächenstrukturen
zurück,
welche die seitlichen Begrenzungen der Gleitstoffreservoirs bilden.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass die Struktur der Oberflächenschicht bzw. der Matrix
des Gegenkörpers
während
des Verfahrens beim Befüllen
in eine Form und bei gezielter Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit von Werkstoff
bzw. Matrix und Fasern erzielt wird.
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Die
erfindungsgemäßen Gleitstoffreservoirs werden
bevorzugt bei Verwendung von Kurzfasern als Verstärkungsfasern
gebildet.
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Vorteilhaft
ist es ferner, dass zur Bildung der Gleitstoffreservoirs in einem
Kunststoffmaterial die länglichen
Körper
oder Fasern in einen Spritzguss-Compound eingearbeitet und der Einspritzdruck
sowie die Abkühltemperatur
derart gesteuert werden, dass eine Schwindung der Matrix an der Oberfläche der
länglichen
Körper
oder Fasern erfolgt.
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Bevorzugt
wird die Schwindung an der Oberfläche durch eine Verringerung
des Prozessdrucks nach dem Einspritzen hervorgerufen. Es ist auch möglich den
Schwindungseffekt durch einen gezielten Temperprozess, beziehungsweise
eine angepasste Temperaturführung,
zu erreichen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist auf einfache Weise eine kostengünstige Herstellung der Gleitstoffreservoirs
möglich.
Insbesondere ist das Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffbauteile
anwendbar.
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In
der 1 ist der Querschnitt eine Gleitsystems mit 2
Körpern
senkrecht zu dessen Oberfläche
dargestellt. Das Gleitsystem besteht aus einem Gegenkörper (4)
mit einer Oberfläche
(1), die als Reibfläche
fungiert. Der Werkstoff bzw. die Matrix (7) ist aus einem
thermoplastischen Kunststoff gebildet, der unter geringen Druckbelastungen
elastisches Verhalten aufweist. Die Oberfläche (1) weist zahlreiche
Vertiefungen bzw. Gleitstoffreservoirs (5) auf.
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Die
Gleitstoffreservoirs (5) in der Matrix (7) werden
aus zahlreichen nebeneinander liegenden länglichen Formkörpern oder
Fasern (6) gebildet, die aus Kohlenstofffasern bestehen.
Kreuzungspunkte sich überkreuzender
Fasern sind aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt. Die zahlreichen Gleitstoffreservoirs (5)
dienen zur Aufnahme eines Gleitstoffs (8). Unter Druckbelastung
wird die Oberfläche
(2) bzw. die Reibfläche
eines Grundkörpers
(3) gegen eine Oberfläche
(1) des Gegenkörpers
(4) gepresst und der Gleitstoff (8) aus dem Spalt
zwischen den beiden Oberflächen
(1), (2) gedrängt
und dabei zunehmend in die Gleitstoffreservoirs (5) gepresst, die
dabei ebenfalls geringförmig
verformt werden, so dass der Gleitstoff (8) bei weiterer
Druckerhöhung und
aufgrund der Adhäsionskräfte über sehr
lange Standzeiten zur Schmierung der kontaktierenden Oberflächen (1),
(2) zur Verfügung
steht. Bei Druckentlastung können
die Gleitstoffreservoirs (5) ihre ursprüngliche Form einnehmen und
dabei wieder den Gleitstoff (8) aufnehmen. Die Aufnahme
des Gleitstoffs (8) in die Gleitstoffreservoirs (5)
führt,
insbesondere auch bei Stoßbelastung,
zur einwandfreien Versorgung der kontaktierenden Oberflächen (1),
(2) mit Gleitstoff (8), so dass eine Trockenreibung
ausgeschaltet werden kann.
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Der
Werkstoff bzw. die Matrix (7) weist in vorteilhafter Weise
eine höhere
Elastizität
auf als die Formkörper
(6), der übrige
Gegenkörper
(4) und der Grundkörper
(3).
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Die
in einen der Grundkörper
(3) bzw. Gegenkörper
(4) eingebrachten Gleitstoffreservoirs (5) und
die Formkörper
(6) weisen ebenfalls zumindest im Bereich der Oberfläche (2)
eine andere bzw. eine höhere
Härte auf
als der Gegenkörper
(4) selbst.
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Der
längliche
Formkörper
(6) weist zumindest teilweise eine gewölbte bzw. gebogene Oberfläche auf
und besteht aus Fasern (6). Die Fasern (6) sind
liegen überwiegend
parallel zueinander und zur Ebene der Oberfläche und bilden die Gleitstoffreservoirs
(5). Mehrere Fasern (6) bilden in der Draufsicht auf
die Oberfläche
(senkrecht zur Gleitebene) ein Netzwerk und im Querschnitt gemäß Zeichnung
eine wellenförmige
Oberflächenstruktur.
In vorteilhafter Weise können
sich die einzelnen Fasern in etwa quer zur Bewegungsrichtung des
Gegenkörpers
(4) und/oder des Grundkörpers
(3) erstrecken.
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Aufgrund
der im Querschnitt runden Fasern (6) entsteht in dem ebenen
Gegenkörper
(4) auf mikroskopischer Ebene ein Schmierkeil, der den Schmierstoffzutritt
zwischen Fasern (6) und Gegenkörper (4) begünstigt.
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Die
Struktur der Oberflächenschicht
bzw. der Matrix (7) des Gegenkörpers (4) wird während des Verfahrens
durch gezielte Steuerung des Einspritzdrucks beim Befüllen in
eine in der Zeichnung nicht dargestellte Form und bei gezielter
Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit
des Werkstoffs bzw. der Matrix (7) und der Fasern (6)
erzielt. Hierzu ist es vorteilhaft, dass aufgrund der unterschiedlichen
Wärmeabfuhr
von Werkstoff bzw. Matrix (7) und Fasern (6) eine stärkere Schwindung
der Matrix (7) und somit eine Abnahme des Werkstoffs an
den Wandungen bzw. Oberflächen
der Fasern (6) erfolgt, so dass dadurch die Gleitstoffreservoirs
(5) gebildet werden. In ihnen kann dann der Gleitstoff
(8) aufgenommen werden. Hierdurch bekommt die Oberfläche (1)
des Werkstoffs bzw. der Matrix (7) eine wellenförmige Struktur.
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Der
Werkstoff bzw. die Matrix (7) ist bevorzugt aus Kunststoffen
wie PEEK, POM, PA oder PE aufgebaut. Der erfindungsgemäße Werkstoff
kann insbesondere für
Kugelgelenke im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, bei Traggelenken,
Gleitschienen, Gleitlagern und Führungselementen
eingesetzt werden. Durch die vorteilhafte Ausbildung und Wahl des Werkstoffs
erhält
man flächige,
geschmierte Reibpaarungen mit sehr langen Standzeiten.
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2 zeigt
die schematische Anordnung der länglichen
Formkörper
(6) in Wirrlage mit Blickwinkel senkrecht zur strukturierten
Oberfläche.
Die Gleitstoffreservoirs (5) werden durch die sich kreuz
und quer überschneidenden
länglichen
Körper
begrenzt.
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3 zeigt
die schematische Anordnung der länglichen
Formkörper
(6), die eine überwiegend gleichsinnige
Ausrichtung aufweisen im Blickwinkel senkrecht zur strukturierten
Oberfläche.
Die Gleitstoffreservoirs (5) werden durch die sich kreuz
und quer überschneidenden
länglichen
Körper
begrenzt.