DE102007025097A1

DE102007025097A1 - Bauteil zur Verwendung für eine stick-slip- und störgeräuscharme oder -freie Paarung im Kontakt mit einem Gegenbauteil

Info

Publication number: DE102007025097A1
Application number: DE200710025097
Authority: DE
Inventors: Andrea Dr. Mädler; Georg Forstner; Michael Prof. Stoll; Hans-Jürgen Dr. Daams
Original assignee: FORSCH LEDER und KUNSTSTOFFBAH; Forschungsinstitut fur Leder und Kunststoffbahnen Ggmbh; ZINS ZIEGLER INSTR GmbH; ZINS ZIEGLER-INSTRUMENTS GmbH
Current assignee: FORSCH LEDER und KUNSTSTOFFBAH; Forschungsinstitut fur Leder und Kunststoffbahnen Ggmbh; ZINS ZIEGLER INSTR GmbH; ZINS ZIEGLER-INSTRUMENTS GmbH
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2008-11-27
Also published as: DE202007019131U1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil zur Verwendung für eine stick-slip- und störgeräuscharme oder -freie Paarung in Kontakt mit einem Gegenbauteil, das an der Kontaktfläche eine Oberfläche oder Oberflächenschicht aufweist, die deformierbar ist oder die nicht deformierbar ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Bauteile zur Verwendung für eine stick-slip- und störgeräuscharme oder -frei Paarung in Kontakt mit einem Gegenbauteil, das an der Kontaktfläche eine Oberfläche oder Oberflächenschicht aufweist, die deformierbar ist (Fall A) oder die nicht deformierbar ist (Fall B), zu entwickeln, mit denen die Verwendung zusätzlicher Folien oder Schichten oder eine spezielle Oberflächenbehandlung sowie aufwändige Untersuchungsprogramme und Experimente zu den möglichen Werkstoffpaarungen vermieden werden. Erfindungsgemäß weist die Oberfläche des Bauteils im Bereich der Kontaktfläche zum Gegenbauteil eine Vielzahl nebeneinander angeordneter, oben abgerundeter Erhebungen oder Pins auf, wobei das Bauteil für den Fall A Pins und für den Fall B Erhebungen aufweist. Dabei sind die Pins in ihrer Höhe und ihrem Abstand so bemessen, dass sie in Kontakt mit dem Gegenbauteil teilweise oder vollständig in dessen deformierbare Oberfläche oder Oberflächenschicht eindringen. Die Erhebungen sind in ihrer Höhe größer bemessen als die Höhe der möglichen Erhebungen an der Oberfläche oder Oberflächenschicht des Gegenbauteils. Der Abstand der Erhebungen ist kleiner bemessen als der Abstand ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil zur Verwendung für eine stick-slip- und störgeräuscharme oder -freie Paarung im Kontakt mit einem Gegenbauteil, das an der Kontaktfläche eine Oberfläche oder Oberflächenschicht aufweist, die deformierbar ist oder die nicht deformierbar ist. Das erfindungsgemäße Bauteil ist insbesondere im Fahrzeugbau und in der Haushaltgerätetechnik einsetzbar.
Stick-Slip ist ein Wechselspiel zweier Materialien zwischen Gleiten und Verhaken, das bei der Relativbewegung, hauptsächlich bei einer Tangentialbewegung der beiden Materialien unter dem Einfluss von Normalkraft zueinander entsteht.
Stick-Slip kann auf den Menschen sowohl positive Auswirkungen (z. B. wohlklingendes Geigenspiel – beim Streichen der Saiten mit dem Bogen entsteht Stick-Slip) als auch negative (beim medizinischen Einführen von z. B. Endoskopen in den menschlichen Körper kann Stick-Slip zu Schmerzempfinden führen) Auswirkungen haben.
In vielen Bereichen, z. B. dem Fahrzeugbau (Automobil, Schiffe, Flugzeuge), in der Haushaltgerätetechnik (Waschmaschinen, Spülmaschinen, E-Herde, Lampen) und bei militärischen Applikationen (U-Boote), führt Stick-Slip z. B. zum Knarzen, einem störendem Geräusch, welches vom Menschen als unangenehm und störend empfunden wird oder bei U-Booten zur direkten Ortung der Maschine führt.
Da der Qualitätsanspruch der Nutzer im Fahrzeugbereich und der Haushaltgerätetechnik sehr hoch ist, entstehen beim Auftreten von Stick-Slip und dem damit verbundenen Knarzen oftmals enorme Garantieaufwendungen durch Reparatur oder Austausch von Teilen.
Die Relativbewegung kann durch eine Funktionsbewegung (Aschenbecher öffnen, Schiebedach aufstellen, Fenster schließen), durch Selbsterregung (Schleudern, Waschen, Lüfter im E-Herd anschalten) oder durch Straßenanregung (Fahrt über Kopfsteinpflaster, Autobahn, Schlechtwegstrecke) erzeugt werden.
Stick-Slip-Effekte können heute mit neu entwickelten Maschinen gemessen werden, so zum Beispiel mit der in der DE 196 20 878 B4 beschriebenen Vorrichtung. Die VDA-Prüfvorschriften 230-206 „Untersuchung des Stick-Slip-Verhaltens von Materialpaarungen" beschreiben die Grundlagen und den Ablauf der Prüfungen.
Es sind bereits verschiedene Bemühungen zur Verringerung oder Vermeidung von Stick-Slip bekannt geworden.
So sind aus der DE 102 54 349 B3 Verkleidungselemente für den Innenraum von Kraftfahrzeuge bekannt, an die zur Verringerung der Geräuschentwicklung eine elastische Rohbauhaut aus einem Elastomer angespritzt ist.
Aus der DE 198 51 238 A1 ist ein Bauteil mit einem elastischen Oberflächenbereich bekannt, der aus einer äußeren und wenigstens einer darunterliegenden zweiten gummielastischen Schicht besteht. Die Schichten weisen unterschiedliche Elastizitäten auf. Mit diem Aufbau sollen Knarz- oder Quitschgeräusche zwischen Funktions-Reibungsflächen zweier benachbarter Bauteile beseitigt werden.
In der DE 10 2004 044 159 A1 ist ein Verbundbauteil insbesondere Karosseriebauteil für ein Fahrzeug beschrieben, bei dem Stick-Slip Effekte durch Einbringen einer Kunst-Stoff-Gleit-Folie beseitigt werden sollen.
Die EP 1 174 298 A2 beschreibt ein Verfahren zur Verminderung von Störgeräuschen zwischen Bauteilen, bei dem auf einem oder auf beiden der in Kontakt tretenden Oberflächenbereiche mittels Plasmaabscheidung eine Schicht abgeschieden oder die Oberfläche verändert wird. Ziel dieser Maßnahmen ist es, die Adhäsionskomponente und/oder die Deformationskomponente der Reibungskraft der Oberfläche zu verringern.
Die beschriebenen bekannten Maßnahmen zur Verminderung von Stick-Slip basieren auf der Verwendung von zusätzlichen Folien oder Schichten oder erfordern eine spezielle Oberflächennachbehandlung. Solche Maßnahmen sind aufwändig und führen zu zusätzlichen Kosten. Außerdem werden mit diesen Maßnahmen Stick-Slip-Bewegungen zwischen den Bauteilen und damit Störgeräusche nicht sicher vermieden. Nachteilig ist auch, dass beim Stand der Technik für die jeweils vorgesehene Werkstoffpaarung nicht von vornherein davon ausgegangen werden kann, dass Stick-Slip vermieden wird. Daher müssen für jede Paarung ein umfassendes Untersuchungsprogramm und Experimente durchgeführt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Bauteile zur Verwendung für eine stick-slip- und störgeräuscharme oder -freie Paarung im Kontakt mit einem Gegenbauteil, das an der Kontaktfläche eine Oberfläche oder Oberflächenschicht aufweist, die deformierbar ist (Fall A) oder die nicht deformierbar ist (Fall B), zu entwickeln, mit denen die Verwendung zusätzlicher Folien oder Schichten oder eine spezielle Oberflächennachbehandlung sowie aufwändige Untersuchungsprogramme und Experimente zu den möglichen Werkstoffpaarungen vermieden werden.
Als „Paarung im Kontakt" soll im Sinne der Erfindung ein Kontakt zwischen den beiden Bauteilen mit einem Anpressdruck im Bereich von 0,1 N bis 100 N angesehen werden.
Als deformierbar (Fall A) wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die Oberfläche oder Oberflächenschicht des Gegenbauteils angesehen, wenn darin von einer Stahlkugel mit 1,8 mm Durchmesser mit einer Belastung von 900 mN nach einer Belastungsdauer von 100 s eine Verformung von > 100 μm erzeugt werden kann.
Als nicht deformierbar (Fall B) wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die Oberfläche oder Oberflächenschicht des Gegenbauteils angesehen, wenn darin von einer Stahlkugel mit 1,8 mm Durchmesser mit einer Belastung von 900 mN nach einer Belastungsdauer von 100 s eine Verformung von ≤ 100 μm erzeugt werden kann.
Erfindungsgemäß weist die Oberfläche des Bauteils im Bereich der Kontaktfläche zum Gegenbauteil eine Vielzahl nebeneinander angeordneter, oben abgerundeter Erhebungen oder Pins auf, wobei das Bauteil für den Fall A Pins und für den Fall B Erhebungen aufweist. Dabei sind die Pins in ihrer Höhe und ihrem Abstand so bemessen, dass sie im Kontakt mit dem Gegenbauteil teilweise oder vollständig in dessen deformierbare Oberfläche oder Oberflächenschicht eindringen. Die Erhebungen sind in ihrer Höhe größer bemessen, als die Höhe der möglichen Erhebungen an der Oberfläche oder Oberflächenschicht des Gegenbauteils. Der Abstand der Erhebungen ist kleiner bemessen, als der Abstand der möglichen Erhebungen des Gegenbauteils.
Die Erhebungen oder Pins des jeweiligen Bauteils können dabei eine einheitliche oder unterschiedliche Gestalt aufweisen.
Für den Fall A weisen die Pins vorteilhafterweise eine Höhe auf, die zu 1% bis 100% der Dicke der deformierbaren Oberfläche oder Oberflächenschicht des Gegenbauteils entspricht.
Für den Fall A ist die lichte Weite zwischen den Pins im Verhältnis zu deren Höhe im Bereich von 0,5:1 bis 5:1, insbesondere im Bereich von 2:1 bis 4:1 bemessen.
Für den Fall B liegt die Höhe der Erhebungen im Bereich von 10 μm bis 1 mm, vorteilhafterweise im Bereich von 20 μm bis 150 μm, insbesondere im Bereich von 30 μm bis 90 μm.
Der Mittenabstand der Erhebungen liegt für den Fall B im Bereich von 30 μm bis 1 mm, vorteilhafterweise im Bereich von 40 μm bis 500 μm, insbesondere im Bereich von 50 μm bis 300 μm.
Das Bauteil kann aus Metall, Nichtmetall, organischem Werkstoff, anorganischem nichtmetallischem Werkstoff, Halbmetall und/oder einem Verbundwerkstoff bestehen.
Die erfindungsgemäß gestalteten Bauteile ermöglichen in unkomplizierter Weise und zielgerichtet stick-slip- und störgeräuscharme oder -freie Werkstoffpaarungen. Umfassende Untersuchungsprogramme und Experimente müssen nicht durchgeführt werden. Zusätzliche Folien oder Schichten oder spezielle Oberflächennachbehandlungen der zu paarenden Bauteile müssen nicht durchgeführt werden.
Die Realisierung der Erfindung ist mit einem nur geringen Investitionsaufwand und geringen Kosten möglich. So können die Pins oder Erhebungen als Negativ in die Oberfläche der Spritzwerkzeuge eingebracht werden, beispielsweise durch Ätz- oder Laserprozesse. Konstruktive Änderungen an den Bauteilen, wie das oft beim Stand der Technik erforderlich ist, z. B. Änderung des Fixiersystems, um Relativbewegung zwischen zwei Bauteilen zu eliminieren, wie das Ersetzen von Schnapphacken durch Schrauben, werden hier nicht erforderlich.
Nachstehend ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Das Beispiel betrifft den Fall A.
Hierbei handelt es sich um eine in 1 schematisch dargestellte Paarung eines erfindungsgemäß mit Pins versehenen harten Trägerbauteils aus PC + ABS (Polycarbonat + Acrylnitril-Butadien-Styrol) mit einem Gegenbauteil, das aus einem PVC(Polyvinylchlorid)-Träger mit einer deformierbaren Schicht in Form einer Slushhaut besteht.
Die Daten der Pin-Struktur sind folgende: Lichte Weite 0,5 mm und Höhe 1 mm.
In 2 sind eingekreist die Stick-Slip-Prüfergebnisse dieser Paarung dargestellt. Die im Diagramm daneben angegebenen weiteren Bauteilepaarungen mit Leder und Kunstleder zeigen eine vergleichbar gute Wirkung. In allen Fällen wird die Note 1 erreicht, was völlige Freiheit von Stick-Slip bedeutet. Ist die Risikoprioritätszahl (RPZ) kleiner als 3, so liegt mit Sicherheit kein Stick-Slip vor.
3 zeigt zum Vergleich Stick-Slip-Prüfergebnisse von herkömmlichen Materialpaarungen. Die Risikoprioritätszahl liegt hier zwischen 6 und 10, was ein sehr hohes Stick-Slip-Risiko bedeutet. Ist die Risikoprioritätszahl größer gleich 5, so liegt ein hohes Stick-Slip-Risiko vor.
Die Stick-Slip-Messungen wurden nach der VDA-Norm 230-206 durchgeführt.
Beispiel 2
Dieses Beispiel betrifft den Fall B.
Hierbei handelt es sich um die in 4 schematisch dargestellte Paarung eines erfindungsgemäß mit Erhebungen versehenen harten Bauteils aus PC + ABS mit einem Gegenbauteil, das ebenfalls aus PC + ABS besteht. Der Mittenabstand der Erhebungen beträgt 286 μm und die Höhe der Erhebungen ist ca. 30 μm. Die Oberflächenstruktur des erfindungsgemäßen Bauteils in der Fläche ist in 5 gezeigt.
Das Gegenbauteil weist im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Bauteil eine weitgehend glatte Oberfläche auf mit einem Mittenabstand von Erhebungen von deutlich mehr als 286 μm und einer Höhe der Erhebungen von deutlich weniger als 30 μm. In 4 ist dieses Gegenbauteil idealisiert flach gezeichnet.
In 6 sind eingekreist die Stick-Slip-Prüfergebnisse dieser Paarung dargestellt. Die Risikoprioritätszahlen liegen hier zwischen 1 und 2. Damit besteht mit Sicherheit kein Stick-Slip-Risiko. Die im gleichen Diagramm daneben gezeigten Ergebnisse mit den Paarungen ABS gegen ABS und PA (Polyamid) gegen PA belegen vergleichbar gute Resultate. Sogar bei der sehr kritischen Werkstoffkombination POM (Polyoxymethylen) gegen POM ist das Resultat positiv, wenn auch hier unter bestimmten äußeren Bedingungen Stick-Slip nicht vollständig vermieden werden kann.
Zum Vergleich zeigt 7 Stick-Slip-Ergebnisse von einem Test mit PC + ABS gegen PC + ABS ohne die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur. Bei einer solchen, den Stand der Technik darstellenden Materialpaarung liegt die Risikoprioritätszahl zwischen 4 und 8.
Die Stick-Slip-Messungen wurden auch bei diesem Beispiel nach der VDA-Norm 230-206 durchgeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19620878 B4 [0007]
- DE 10254349 B3 [0009]
- DE 19851238 A1 [0010]
- DE 102004044159 A1 [0011]
- EP 1174298 A2 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- VDA-Prüfvorschriften 230-206 „Untersuchung des Stick-Slip-Verhaltens von Materialpaarungen" [0007]
- VDA-Norm 230-206 [0033]
- VDA-Norm 230-206 [0039]

Claims

Bauteil zur Verwendung für eine stick-slip- und störgeräuscharme oder -freie Paarung im Kontakt mit einem Gegenbauteil, das an der Kontaktfläche eine Oberfläche oder Oberflächenschicht aufweist, die deformierbar ist (Fall A) oder die nicht deformierbar ist (Fall B), dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Bauteils im Bereich der Kontaktfläche zum Gegenbauteil eine Vielzahl nebeneinander angeordneter, oben abgerundeter Erhebungen oder Pins aufweist, wobei das Bauteil für den Fall A Pins und für den Fall B Erhebungen aufweist, und wobei die Pins in ihrer Höhe und ihrem Abstand so bemessen sind, dass sie im Kontakt mit dem Gegenbauteil teilweise oder vollständig in dessen deformierbare Oberfläche oder Oberflächenschicht eindringen, und wobei die Erhebungen in ihrer Höhe größer sind, als die Höhe der möglichen Erhebungen an der Oberfläche oder Oberflächenschicht des Gegenbauteils, und der Abstand der Erhebungen kleiner ist, als der Abstand der möglichen Erhebungen des Gegenbauteils.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen oder Pins des Bauteils eine einheitliche oder unterschiedliche Gestalt aufweisen.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall A die Pins eine Höhe aufweisen, die zu 1% bis 100% der Dicke der deformierbaren Oberfläche oder Oberflächenschicht des Gegenbauteils entspricht.
Bauteil nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall A die lichte Weite zwischen den Pins im Verhältnis zu deren Höhe im Bereich von 0,5:1 bis 5:1 bemessen ist.
Bauteil nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall A die lichte Weite zwischen den Pins im Verhältnis zu deren Höhe im Bereich von 2:1 bis 4:1 bemessen ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall B die Höhe der Erhebungen im Bereich von 10 μm bis 1 mm liegt.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall B die Höhe der Erhebungen im Bereich von 20 μm bis 150 μm liegt.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall B die Höhe der Erhebungen im Bereich von 30 μm bis 90 μm liegt.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall B der Mittenabstand der Erhebungen im Bereich von 30 μm bis 1 mm liegt.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall B der Mittenabstand der Erhebungen im Bereich von 40 μm bis 500 μm liegt.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall B der Mittenabstand der Erhebungen im Bereich von 50 μm bis 300 μm liegt.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus Metall, Nichtmetall, organischem Werkstoff, anorganischem nichtmetallischem Werkstoff, Halbmetall und/oder einem Verbundwerkstoff besteht.