DE102007050445A1

DE102007050445A1 - Kraftübertragungskette zur Verwendung in einem Automobilmotor

Info

Publication number: DE102007050445A1
Application number: DE102007050445A
Authority: DE
Inventors: Shota Miyanaga
Original assignee: Tsubakimoto Chain Co
Current assignee: Tsubakimoto Chain Co
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2007-10-19
Publication date: 2008-05-29
Also published as: US20080125262A1; KR20080048392A; GB2444353A; JP2008133906A; GB0716801D0; CN101191526A

Abstract

Die Stifte (15) einer Rollenkette (10) oder einer rollenlosen Hülsenkette für einen Automobilmotor werden einer Chromierungsbehandlung ausgesetzt, die eine zweiteilige äußere Schicht ausbildet, die eine dicke innere Schicht, die primär aus Cr7C3 besteht, und eine dünnere, äußere Schicht aufweist, die primär aus Cr23C6 besteht. Die äußere Schicht weist konvexe Vorsprünge (24) und konkave Ausnehmungen (22) auf. Die Vorsprünge (24) werden durch Trommelpolieren teilweise auf ein Niveau entfernt, bei dem die Tiefe jeder Ausnehmung (22) ausreicht, aber nicht wesentlich größer als nötig ist, damit eine Einlagerung (26), die darin aufgenommen ist, im Wesentlichen vollständig unter der äußeren Oberfläche des Stifts (15) liegt, wodurch die Flächenspannung, die durch Abschnitte des Stifts (15) auf eine umgebende Hülse (12) ausgeübt wird, im Wesentlichen so gering wie möglich gehalten wird, ohne die Einlagerungen (26) über die äußere Oberfläche des Stifts (15) freizulegen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Kraftübertragungskette zur Verwendung in einem Automobilmotor und eine Nockenwellenantriebskette, und insbesondere betrifft die Erfindung eine Steuerkette zur Verwendung in einem Automobilmotor.
Diese Anmeldung nimmt die Priorität der japanischen Patentanmeldung 2006-320802 in Anspruch, die am 28. November 2006 eingereicht worden ist. Die Offenbarung der japanischen Patentanmeldung 2006-320802 wird hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Metallrollenketten und rollenlose Ketten, die als Hülsenketten bekannt sind, kommen als Kraftübertragungsmedien in Automobilmotoren vermehrt zum Einsatz und haben aufgrund des Bedarfs nach zuverlässigem Hochgeschwindigkeitsbetrieb, hoher Haltbarkeit, erhöhter Fähigkeit mechanischen Belastungen standzuhalten und auch weil Rollenketten und Hülsenketten weniger Wartungsaufwand erfordern und bezüglich der Gestaltung der Motorausführung größere Freiheiten bieten, Zahnriemen und V-Riemen ersetzt.
Eine typische Metallkette zur Verwendung in einem Automobilmotor besteht aus alternierenden Hülsengliedern und Stiftgliedern. Bei jedem Hülsenglied ist ein Ende jeder Hülse eines Paares von zylindrischen Hülsen in ein oder zwei Hülsenlöcher in einer inneren Lasche eingepresst und sind die gegenüberliegenden Enden der beiden Hülsen auf ähnliche Weise in Hülsenlöcher in einer gegenüberliegenden inneren Lasche eingepresst. Auf die gleiche Weise ist bei jedem Stiftglied ein Ende jedes Stifts eines Paares von Stiften in ein oder zwei Stiftlöcher in einer äußeren Lasche eingepresst und sind die gegenüberliegenden Enden der beiden Stifte in Stiftlöcher in einer gegenüberliegenden äußeren Lasche eingepresst. Die inneren Laschen der Hülsenglieder überlappen sich mit den äußeren Laschen der Stiftglieder, und jeder Stift eines Stiftglieds erstreckt sich lose durch eine Hülse eines benachbarten Hülsenglieds, so dass eine flexible Kette gebildet wird. In dem Fall einer Hülsenkette stehen die Hülsen selbst mit Antriebs- und Abtriebskettenrädern in Eingriff. In dem Fall einer Rollenkette greift eine hohle, zylindrische Rolle, die jede Hülse umgibt und darauf drehbar ist, in die Kettenräder ein.
Bei herkömmlichen Ketten werden die Stifte typischerweise einer Wärmebehandlung ausgesetzt, einschließlich Abschreckhärtung und Anlassen, Einsatzhärten und Nitrieren oder dergleichen. In einigen Fällen werden die Oberflächen des Stiftes einer Oberflächenhärtung durch Borierung oder Chromierung und dergleichen ausgesetzt. Die Stifte werden ebenfalls vernickelt oder dergleichen. Derartige Behandlungen werden in verschiedenen Patenten erwähnt, beispielsweise im U.S.-Patent 4,995,852 .
Wenn eine herkömmliche Steuerkette in stark verschlechtertem Schmieröl mit einem hohen Oxydationsgrad verwendet wird, ist diese den Einflüssen von Oxydation oder Korrosion ausgesetzt und kann aufgrund der Adhäsion zwischen den Stiften und den Hülsen übermäßig verschleißen, und im Ergebnis verkürzt sich die Lebensdauer der Kette. Die U.S.-Patentoffenlegungsschrift 2005/0090348 beschreibt eine Kette, bei der die Probleme behandelt werden, die durch verschlechtertes Schmieröl verursacht werden, indem das Material der Hülse einer Einsatzhärtung ausgesetzt wird und eine Vanadiumkarbid(VC)-Schicht auf den Oberflächen der Stifte gebildet wird.
Ferner ist eine geräuscharme Kette vorgeschlagen worden, bei der nach Aussetzen eines Verbindungsstifts einer Vanadiumkarbid(VC)-Behandlung die äußere Oberflächenschicht des Basismaterials vollständig durch Trommelpolieren entfernt wird, so dass eine Vanadiumkarbid(VC)-Schicht mit beseitigten Verunreinigungen und V₈C₇ enthaltend auf der äußeren Schicht des Basismaterials gebildet wird. Diese Kette ist in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2005-290435 beschrieben.
Ketten, bei denen die Stifte einer Oberflächenbehandlung durch Borierung oder Chromierung ausgesetzt und vernickelt oder dergleichen werden, sind in Motorrädern und industriellen Einrichtungen verwendet worden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass es Fälle gibt, bei denen die erwartete Haltbarkeit nicht erreicht wird und eine abweichende Abriebsdehnung auftritt, wenn derartige Ketten als Steuerketten in Automobilmotoren verwendet werden.
Bei einer Kette, bei der das Material der Hülse einer Einsatzhärtung ausgesetzt wird und eine Vanadiumkarbid-Schicht auf den Oberflächen der Verbindungstifte ausgebildet wird, wie in der U.S.-Patentoffenlegungsschrift 2005/0090348 , wird der Abrieb aufgrund der Adhäsion der Hülse an den Stift unterdrückt. Da jedoch die Wärmebehandlung und die Behandlung zur Ausbildung der Vanadiumkarbid-Schicht erfordert werden, sind die Herstellungskosten einer derartigen Kette hoch.
Wenn die Oberflächenbehandlung, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2005-290435 beschrieben ist, zur Verwendung in einer Rollenkette oder einer Hülsenkette für einen Automobilmotor angepasst ist, scheint die innere Oberfläche der Hülsen durch das stark oxydierte Schmieröl zu korrodieren und wird die Abnutzung der sich gegenseitig kontaktierenden Oberflächen der Hülsen und der Verbindungsstifte gefördert, insbesondere wo die Flächenspannung unter hohen mechanischen Belastungen hoch ist. Da außerdem die äußere Oberflächenschicht des Stifts durch Trommelpolieren vollständig entfernt ist, verbleibt Staub, der durch Abrieb an den sich gegenseitig kontaktierenden Oberflächen der Stifte und der Hülsen erzeugt wird, in Form von Einlagerungen zwischen den Stiften und den Hülsen, wenn die Behandlung für eine Rollenkette oder eine Hülsenkette angepasst ist. Diese Einlagerungen fördern die Abriebsabnutzung, welche die ungewöhnliche Abnutzung der aneinander rutschenden Oberflächen des Stifts und der Hülse verursacht. Die Ergebnisse, die durch diese Anpassung erzielt werden, sind nicht besser als die, die im Fall erzielt werden, wenn die Bearbeitung des Trommelpolierens auf eine geräuscharme Kette angewandt wird.
Wenn die Stifte und die Hülsen einer Hülsenkette oder einer Rollenkette aus Materialien bestehen, die eine hohe Affinität füreinander aufweisen, beispielsweise im Fall, wenn die Stifte und Hülsen aus dem gleichen Element bestehen, unterliegen die Stifte der Adhäsion an den Hülsen, und die Adhäsion der Stifte an den Hülsen verschlechtert die leichtgängige Biegung und das leichtgängige Rutschen der Kette.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, die zuvor erwähnten Probleme einer herkömmlichen Kette zu lösen. Insbesondere stellt die Erfindung eine Kette zur Verwendung in einem Automobilmotor bereit, bei der ungewöhnliche Abriebsdehnung aufgrund von Abriebsabnutzung von aneinander rutschenden Oberflächen der Stifte und der Hülsen vermieden wird, selbst wenn die Kette mit einem verschlechterten Schmieröl geschmiert wird, das Einlagerungen enthält und einen hohen Oxydationsgrad aufweist. Selbst wenn die Stifte und die Hülsen aus Materialien bestehen, die eine hohe Affinität füreinander aufweisen, z.B. wenn die Stifte und die Hülsen aus identischen Elementen bestehen, unterliegen diese außerdem nicht der Adhäsion aneinander, und die Abnutzung aufgrund der „Adhäsion" wird unterdrückt, so dass leichtgängiges Biegen und Rutschen der Kette über einen langen Zeitraum stattfinden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Kette zur Verwendung in einem Automobilmotor bereitzustellen, die eine verbesserte Schmierung über einen langen Zeitraum aufrechterhalten kann.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Kette zur Verwendung in einem Automobilmotor bereitzustellen, bei der die anfängliche Abnutzung einer Hülse, die manchmal als die „Angreifbarkeit" der Hülse bezeichnet wird, verringert ist. Eine Folge der Verringerung der Angreifbarkeit der Hülse ist, dass die Stoßfestigkeit der Kette verbessert ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemäße Kette ist eine Rollenkette oder Hülsenkette, die Paare von inneren Laschen und Paare von äußeren Laschen in alternierender, überlappender Beziehung entlang der Länge der Kette aufweist. Die Kette umfasst ein Paar von Hülsen für jedes Paar der inneren Laschen, und die Enden der Hülsen sind in Hülsenlöcher in den inneren Laschen eingepresst. Die Kette umfasst ebenfalls ein Paar von Stiften für jedes Paar der äußeren Laschen, und die Enden der Stifte sind auf ähnliche Weise in Stiftlöcher in den äußeren Laschen eingepresst. Jeder Stift weist eine äußere Oberfläche auf und erstreckt sich durch und passt lose in eine der Hülsen.
Jeder Stift umfasst ein Basismaterial, das eine Oberfläche aufweist, und weist eine Chromkarbidschicht auf, die an der Oberfläche des Basismaterials mittels Diffusionsdurchdringung ausgebildet ist. Die Chromkarbidschicht erstreckt sich von der Oberfläche des Basismaterials des Stifts zu einer äußeren Oberfläche des Stifts und weist zwei verschiedene Schichten auf: eine innere Schicht, die im Wesentlichen aus Cr₇C₃ besteht und eine äußere Schicht, die im Wesentlichen aus Cr₂₃C₆ besteht. Die innere Schicht ist vorzugsweise dicker als die äußere Schicht. Konkave Ausnehmungen sind in der äußeren Schicht ausgebildet und weisen eine Größe auf, die zur Aufnahme von Einlagerungen in Schmieröl für Automobilmotoren ausreichend ist. Die Tiefe jeder Ausnehmung ist ausreichend, aber nicht wesentlich größer als nötig, damit eine Einlagerung, die darin aufgenommen ist, im Wesentlichen vollständig unter der äußeren Oberfläche des Stifts liegt. Im Ergebnis kann die Flächenspannung, die durch Abschnitte des Stifts auf die Innenseite einer umgebenden Hülse ausgeübt wird, im Wesentlichen so klein wie möglich ausgeführt sein, ohne Einlagerungen, die sich in den konkaven Ausnehmungen befinden, über die äußere Oberfläche des Stifts freizulegen.
Die Stifte werden einer Trommelpolierung ausgesetzt, welche die Tiefen der Ausnehmungen reduziert und die Gesamtfläche der äußeren Oberfläche der Stifte erhöht, wodurch die Flächenspannung verringert wird, die durch die Stifte auf die Innenseite der Hülsen ausgeübt wird. Die Tiefen der Ausnehmungen werden daher durch den Vorgang des Trommelpolierens festgelegt.
Die Dicke der äußeren Schicht, d.h. der Schicht, die im Wesentlichen aus Cr₂₃C₆ besteht, liegt vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 1 bis 6 μm und ist zumindest so groß wie die Tiefen der konkaven Ausnehmungen. Die konkaven Ausnehmungen sind daher im Wesentlichen vollständig innerhalb der äußeren Schicht angeordnet.
Die Tiefe jeder Ausnehmung ist vorzugsweise ausreichend, aber nicht wesentlich größer als nötig, damit eine Einlagerung, die darin aufgenommen ist und eine maximale Abmessung entsprechend der Hälfte der Dicke der äußeren Schicht aufweist, im Wesentlichen vollständig unter der äußeren Oberfläche des Stifts liegt.
Die Cr₇C₃-Schicht, die an der Basismaterialseite der Chromkarbidschicht ausgebildet ist, und die äußere Cr₂₃C₆-Schicht weisen unterschiedliche Qualitäten auf. Die im Wesentlichen aus Cr₇C₃ bestehende Schicht weist einen hohen Härtegrad auf, während die im Wesentlichen aus Cr₂₃C₆ bestehende Schicht eine höhere Abriebsfestigkeit, Porösität, Wärmebeständigkeit und Schmierfähigkeit aufweist. Selbst wenn die Kette in einem extrem verschlechterten Schmieröl verwendet wird, das einen hohen Oxydationsgrad aufweist, wird eine ungewöhnliche Abriebsdehnung unterdrückt und werden gleichzeitig herausragende Abriebsfestigkeit, Wärmebeständigkeit und Schmierfähigkeit erreicht.
Einlagerungen im Schmieröl wie beispielsweise Ruß oder dergleichen liegen insbesondere in einem Benzinmotor mit Direkteinspritzung oder einem Dieselmotor vor und können die Bildung eines Ölfilms an der Oberfläche eines Stifts bei einer herkömmlichen Rollenkette oder Hülsenkette verhindern. Bei der erfindungsgemäßen Kette sind jedoch die konkaven Ausnehmungen, die in der Schicht an den im Wesentlichen aus Cr₂₃C₆ bestehenden Stiften ausgebildet sind, groß genug, um diese Einlagerungen aufzunehmen. Die Ausnehmungen sind jedoch vorzugsweise nur tief genug, um die Einlagerungen aufzunehmen, so dass die Einlagerungen nicht herausragen und den Ölfilm auf den äußeren Oberflächen der Stifte unterbrechen. Im Ergebnis wird die Flächenspannung, die durch den Stift auf die innere Oberfläche der Hülse ausgeübt wird, im Wesentlichen auf einem minimalen Niveau gehalten. Da die Einlagerungen nicht an den rutschenden Kontaktflächen des Stifts und der Hülse vorliegen, wird gleichzeitig die Abriebsabnutzung unterdrückt und wird die Abriebsdehnung der Kette aufgrund von Abriebsabnutzung verringert. Die konkaven Ausnehmungen dienen weiterhin als Ölspeicher, die zur verbesserten Schmierung der Kette beitragen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil einer erfindungsgemäßen Rollenkette zeigt,
2(a) ist eine schematische Ansicht des Querschnitts der äußeren Schicht einer Chromkarbidschicht, die an einer Oberfläche eines erfindungsgemäßen Stifts ausgebildet ist,
2(b) ist eine schematische Ansicht, welche die Oberfläche eines Stifts zeigt, der einer Rauheitsbehandlung wie beispielsweise Trommelpolieren ausgesetzt worden ist, die bis zum Niveau der gestrichelten Linie B in 2(a) ausgeführt wurde,
2(c) ist eine schematische Ansicht, welche die Oberfläche eines Stifts zeigt, der einer Rauheitsbehandlung ausgesetzt worden ist, die bis zum Niveau der gestrichelten Linie C in 2(a) ausgeführt wurde,
2(d) ist eine schematische Ansicht, welche die Oberfläche eines Stifts zeigt, der einer Rauheitsbehandlung ausgesetzt worden ist, die bis zum Niveau der gestrichelten Linie D in 2(a) ausgeführt wurde,
3 ist eine Strukturphotographie eines Stifts der erfindungsgemäßen Rollenkette im Querschnitt,
4 ist eine schematische Darstellung, welche die Struktur des Querschnitts einer Oberfläche des erfindungsgemäßen Stifts erläutert, und
5 ist eine Grafik, welche die Ergebnisse von Kettendehnungsversuchen an der erfindungsgemäßen Rollenkette und an zwei herkömmlichen Beispielen in verschlechtertem Schmieröl zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine Rollenkette beschrieben. Es ist jedenfalls eine Aufgabe der Erfindung, eine Verschlechterung der Kette aufgrund des rutschenden Kontakts zwischen der inneren Oberfläche einer Hülse und der äußeren Oberfläche eines Stifts zu verringern, wobei die Prinzipien der Erfindung auf gleiche Weise auf Rollenketten wie auf rollenlose Hülsenketten anwendbar sind.
Wie in 1 gezeigt, sind bei einer Rollenkette 10 beide Enden jeder Hülse 12 in Hülsenlöcher 11a in einem Paar von gegenüberliegenden inneren Laschen 11 ein gepresst. Die Stifte 15 passen lose durch die Hülsen, und beide Enden jedes Stifts 15 sind in Stiftlöcher 14a in einem Paar von äußeren Laschen 14 eingepresst, die in überlappender Beziehung mit den inneren Laschen an deren Außenseiten angeordnet sind. Die Hülsen erstrecken sich durch Rollen 13, die auf den Hülsen drehbar sind.
Bei der erfindungsgemäßen Rollenkette 10 bestehen die Hülsen 12 aus einer Stahllegierung. Das Basismaterial der Stifte ist ebenfalls Stahl und kann ein kohlenstoffreicher oder ein kohlenstoffarmer Stahl sein. Wenn das Basismaterial der Stifte ein kohlenstoffarmer Stahl ist, wird eine kohlenstoffreiche Oberflächenschicht auf der Oberfläche 15a des Basismaterials jedes Stifts 15 ausgebildet. Obwohl das Verfahren, mit welchem die kohlenstoffreiche Oberflächenschicht gebildet wird, nicht speziell beschränkt ist, wird dieses vorzugsweise durch Einsatzhärten ausgeführt, wobei der Stift auf in etwa 900°C bis 950°C in einem Härtungswirkstoff erhitzt wird, um Kohlenstoff in den Stift diffundieren zu lassen und dadurch den Kohlenstoffgehalt in der Oberflächenschicht zu erhöhen. Wenn kohlenstoffreicher Stahl als Basismaterial für den Stift 15 verwendet wird, ist keine Einsatzhärtung nötig.
Eine chromierte Schicht (d.h. eine diffundierte Chromschicht) wird auf einer Oberfläche des Stifts 15 durch das „Pulverpack-Verfahren" („powder pack method") ausgebildet. Das Pulverpack-Verfahren ist eine Behandlung zur Diffusionsdurchdringung, durch welches der Umfang des Stifts 15 wärmebehandelt wird, während dieser in Kontakt mit einem Chrompulver oder einem Pulver einer Chromlegierung in Kontakt steht. Der Stift wird vorzugsweise bei einer Temperatur in dem Bereich von 900°C bis 1200°C für 5 bis 25 Stunden wärmebehandelt. Wenn das Pulverpack-Verfahren durchgeführt wird, werden ein Anti-Sinterwirkstoff wie beispielsweise Aluminiumoxyd oder dergleichen und ein reaktionsfördernder Wirkstoff wie beispielsweise Ammoniumchlorid oder dergleichen zugefügt.
Bei dem hier beschriebenen Beispiel wird die chromierte Schicht auf der Oberfläche des Stifts 15 durch das Pulverpack-Verfahren ausgebildet. Alternativ lässt sich das sogenannte Schmelzsalzverfahren (das ebenfalls unter der Bezeichnung „Toyota-Diffusion" bekannt ist) verwenden, bei dem der Stift in geschmolzenem Salz behandelt wird. Bei einem weiteren Anwendungsverfahren werden chromiertes Pulver und ein Stellmittel mit zusätzlichem Beschichtungsstoff auf den Stift aufgebracht. Der Stift wird dann getrocknet und in einem Edelgas oder in einem Vakuum erhitzt. Das Pulverpack-Verfahren wird zur Chromierungsbehandlung der Stifte der Rollenketten und der Hülsenketten bevorzugt, da dieses kostengünstig und besonders geeignet zur Behandlung kleiner Teile ist.
Wie zuvor beschrieben, ist eine chromierte Schicht auf einer kohlenstoffreichen Oberflächenschicht des Stifts durch Behandlung mittels Diffusionsdurchdringung ausgebildet, wobei die Behandlungstemperatur ungefähr 1000°C beträgt. Kohlenstoff, der in der kohlenstoffreichen Oberflächenschicht des Stifts 15 und in dem Basismaterial des Stifts enthalten ist, durchdringt eine chromierte Schicht, die auf der Oberfläche des Stifts ausgebildet ist und geht mit Chrom (Cr) in der chromierten Schicht eine Verbindung ein. Wie in 3 zu sehen, die eine Strukturphotographie der Oberfläche eines Stifts im Querschnitt ist, welche mit einem Elektronenmikroskop aufgenommen wurde, besteht die chromierte Schicht aus zwei Teilen: einer im Wesentlichen aus Cr₇C₃ bestehenden Schicht neben dem Basismaterial und einer äußeren Schicht, die im Wesentlichen Cr₂₃C₆ besteht.
Die Dicke der basismaterialseitigen inneren Chromkarbidschicht, d.h. der im Wesentlichen aus Cr₇C₃ bestehenden Schicht, liegt im Bereich von 8 bis 20 μm, und die Dicke der äußeren Chromkarbidschicht, die im Wesentlichen aus Cr₂₃C₆ besteht, liegt im Bereich von 1 bis 6 μm. Der Grund, weshalb die chromierte Schicht an der Oberfläche des Stifts in zwei Schichten geteilt wird, ist gegenwärtig nicht vollständig erklärbar. Es scheint jedenfalls, dass eine im Wesentlichen aus Cr₇C₃ bestehende Schicht, die ein relativ hohes Verhältnis von Kohlenstoff zu Chrom aufweist, in der Nähe des Basismaterials ausgebildet wird und eine im Wesentlichen aus Cr₂₃C₆ bestehende Schicht, die ein relativ geringes Verhältnis von Kohlenstoff zu Chrom aufweist, an der äußeren Oberfläche entfernt vom Basismaterial ausgebildet wird, wenn Chrom, das als Behandlungspulver bereitgestellt wird, sich mit Kohlenstoff verbindet, der von der kohlenstoffreichen Oberflächenschicht des Basismaterials des Stifts bereitgestellt ist. Es wird angenommen, dass ein Gleichgewicht zwischen den beiden festen Phasen beim Prozess ihrer Bildung verursacht, dass die zwei getrennten Schichten gebildet werden.
Der Chromierungsbehandlung folgend wird die Oberfläche des Stifts der Trommelpolierung ausgesetzt. Die Oberfläche weist anfänglich konvexe Vorsprünge 24 und konkave Ausnehmungen 22 auf, wie schematisch in 2(a) dargestellt. Die Dauer des Trommelpolierens muss ausreichend sein, um die konvexen Vorsprünge auszuglätten, so dass die Flächenspannung deutlich verringert wird, aber nicht so lange, dass die äußere Schicht zu dem Punkt abgetragen wird, wo die konkaven Ausnehmungen eine unzureichende Größe aufweisen, um Einlagerungen wie beispielsweise Ruß im Schmieröl aufzunehmen. Der Vorgang des Trommelpolierens, der an dem Stift angewendet wird, hinterlässt eine äußere Schicht, die eine herausragende Abriebsfestigkeit aufweist und im Wesentlichen aus Cr₂₃C₆ besteht. Um konkave Ausnehmungen der in 2(c) gezeigten Art auszubilden, wird die Behandlungsdauer für das Trommelpolieren experimentell durch aufeinanderfolgendes Anwenden des Trommelpolierens über verschiedene Behandlungsdauern und durch Aufnahme von Querschnittsbildern der Stifte mit einem Elektronenmikroskop zur Bestimmung der Größe der konkaven Ausnehmungen an den Stiften bestimmt. Nachdem die geeignete Behandlungsdauer für das Trommelpolieren bestimmt ist, können Stifte, die konkave Oberflächenausnehmungen von geeigneter Größe aufweisen, in der Fertigung reproduzierbar hergestellt werden. Eine schematische Querschnittsansicht der Oberflächenschicht eines Stifts ist in 4 gezeigt.
Die konkaven Ausnehmungen weisen eine ausreichende Größe auf, um Einlagerungen in Schmieröl für Automobilmotoren aufzunehmen, und die Tiefe jeder Ausnehmung ist ausreichend, aber nicht wesentlich größer als nötig, damit eine Einlagerung, die darin aufgenommen ist, im Wesentlichen vollständig unter der äußeren Oberfläche des Stifts liegt. Folglich ist die Flächenspannung, die durch Abschnitte des Stifts auf eine umgebende Hülse ausgeübt wird, im Wesentlichen so gering wie möglich, ohne Einlagerungen, die in den konkaven Ausnehmungen enthalten sind, über die äußere Oberfläche des Stifts freizulegen. Wie zuvor erwähnt, sollte die Dicke der äußeren Schicht im Bereich von 1 bis 6 μm liegen, wobei die Dicke der äußeren Schicht größer als die Tiefe der Ausnehmungen sein sollte, so dass die Ausnehmungen im Wesentlichen vollständig innerhalb der äußeren Schicht liegen. Die Tiefe jeder Ausnehmung ist vorzugsweise ausreichend, aber nicht wesentlich größer als nötig, damit eine Einlagerung, die darin aufgenommen ist und eine maximale Abmessung aufweist, die der Hälfte der Dicke der äußeren Schicht entspricht, im Wesentlichen vollständig unter der äußeren Oberfläche des Stifts liegt.
2(a) stellt schematisch den Querschnitt der äußeren Schicht 20 einer Chromkarbidschicht dar, die an der Oberfläche eines Stifts ausgebildet ist. Wenn die äußere Schicht 20, die im Wesentlichen aus Cr₂₃C₆ besteht, keiner Veränderung der Oberflächenrauheit ausgesetzt wird, weist diese konvexe Vorsprünge 24 und konkave Ausnehmungen 22 auf. Der Druck, der durch den engen konvexen Vorsprung 24 ausgeübt wird, ist hoch, da dessen Gesamtfläche relativ klein ist. Folglich greifen die Vorsprünge die inneren Oberflächen der Hülsen an.
2(b) zeigt schematisch eine Stiftoberfläche, die einer Rauheitsveränderungsbehandlung wie beispielsweise Trommelpolieren ausgesetzt wurde, welche bis zum Niveau der gestrichelten Linie B in 2(a) durchgeführt worden ist. In diesem Fall sind nahezu sämtliche der konvexen Vorsprünge 24 aus 2(a) durch Polieren entfernt worden. Die Fähigkeit der Vorsprünge, das Innere der Hülsen anzugreifen, ist nahezu vollständig behoben. Jedoch verringert der Vorgang des Polierens die Größe der konkaven Ausnehmungen 22 auf ein Maß, bei dem Einlagerungen 26 wie beispielsweise Ruß in Schmieröl nicht in die konkaven Ausnehmungen 22 aufgenommen werden können und stattdessen auf der Oberfläche des Stifts bestehen. Diese freiliegenden Einlagerungen verhindern die Bildung von Ölfilmen und können die Innenfläche der Hülsen durch Abrieb angreifen.
2(c) zeigt schematisch einen Stift, bei dem die Oberflächenrauheitsbehandlung zu dem Niveau der gestrichelten Linie C in 2(a) durchgeführt wurde, welche an einer mittleren Position in etwa auf der Hälfte zwischen den Spitzen der Vorsprünge 24 und den Gründen der Ausnehmungen 22 liegt. Wie in 2(a) gezeigt, liegt in der Praxis die Linie C leicht unter dem Mittelpunkt zwischen den Spitzen der Vorsprünge 24 und den Gründen der Ausnehmungen 22. Die konkaven Ausnehmungen 22 weisen eine derartige Größe auf, dass diese die Einlagerungen 26 aufnehmen können, so dass die Einlagerungen vollständig oder nahezu vollständig unter der polierten äußeren Oberfläche der äußeren Cr₂₃C₆-Schicht liegen. Ein Ölfilm 28 kann sich daher an der äußeren Fläche des Stifts ausbilden. Da die konvexen Vorsprünge 24 zum Niveau C poliert sind, ist die Flächenspannung, die durch die kon vexen Vorsprünge ausgeübt wird, relativ gering, und folglich ist der Angriff an den inneren Flächen der Hülsen durch die Vorsprünge wesentlich reduziert.
2(d) zeigt schematisch einen Stift, bei dem die Oberflächenrauheitsbehandlung lediglich zum Niveau der gestrichelten Linie D in 2(a) durchgeführt worden ist. In diesem Fall sind lediglich die Spitzen der konvexen Vorsprünge 24, die in 2(a) gezeigt sind, durch das Polieren entfernt worden. Einlagerungen 26 wie beispielsweise Ruß in Schmieröl können in die konkaven Ausnehmungen aufgenommen werden, und ein Ölfilm 28 wird gebildet. Jedoch ist die Gesamtfläche an der äußeren Oberfläche des Stifts relativ gering und ist die Flächenspannung hoch, die durch die Stifte an den inneren Flächen der Hülsen ausgeübt wird, und der Angriff an den Hülsen ist relativ hoch.
Obwohl berücksichtigt worden ist, dass je besser die Glattheit der Oberfläche eines Stifts ist, desto mehr dessen Abriebsfestigkeit verbessert ist, fördert eine übermäßige Oberflächenrauheitsbehandlung des Stiftes den Abrieb des Stifts in Fällen, bei denen Einlagerungen wie beispielsweise Ruß in dem Schmieröl vorliegen, wie der vorigen Erläuterung zu entnehmen.
Andere Oberflächenrauheitsbehandlungen können eingesetzt werden, einschließlich Feinstbearbeitung, chemischem Polieren und elektrolytischem Polieren. Beim Feinbearbeiten wird ein Werkstück in Rollkontakt mit einem Schleifstein exakten, niederfrequenten Schwingungen in Richtung der Drehachse ausgesetzt. Beim chemischen Polieren wird das Werkstück in eine Bearbeitungslösung eingetaucht, welche die Oberfläche des Werkstücks mittels einer chemischen Reaktion glättet, wodurch ein hervorragender Oberflächenzustand des Werkstücks gewährleistet wird. Beim elektrolytischen Polieren werden ein Werkstück als Anode (+) und eine kathodische (–) Elektrode in eine elektrolytische Lösung eingetaucht und wird die Oberfläche der Werkanode in die elektrolytische Lösung eluiert. Wenn Trommelpolieren zur Bearbeitung verwendet wird, um die Oberflächenrauheit der Stifte zu reduzieren, lässt sich das Polieren kleiner Bauteile wie beispielsweise Stiften zur Verwendung in Rollenketten und Hülsenketten auf effizientere Weise durchführen.
Wenn die innere Chromkarbidschicht, d.h. die Schicht, die hauptsächlich aus Cr₇C₃ besteht, dicker ist als die äußere Schicht, die hauptsächlich Cr₂₃C₆ besteht, wird der Angriff an den Hülsen reduziert, wird die Schlagfestigkeit der Kette verbessert und wird der Abriebsverlust der Hülse unterdrückt.
Diese Effekte stellen eine Kette zur Verwendung einem Automobilmotor bereit, welche eine hohe Haltbarkeit, Abriebsfestigkeit und Schlagfestigkeit aufweist, und bei der der Abrieb aufgrund von Adhäsion ebenfalls unterdrückt wird. Die Kette rutscht leichtgängig und lässt sich über einen langen Zeitraum leichtgängig biegen. Diese Effekte verlängern weiterhin wirksam die Lebensdauer des Schmieröls, das bei einem Automobilmotor verwendet wird, und sind deshalb ebenfalls umweltfreundlich.
Ein Abriebsdehnungstest ist durchgeführt worden, um die Eigenschaften der Stifte von Steuerketten zur Verwendung in einem Automobilmotor unter den folgenden Testbedingungen zu bestimmen:

Kette: Rollenkette, die eine Teilung von 8 mm aufweist,
Anzahl von Kettenradzähnen bei dem Steuerantrieb: 18 × 36
Umdrehungsgeschwindigkeit: 6.500 U/min
Schmieröl: verschlechtertes Motoröl
Ölmenge: 1 l/min

Die Versuche sind an einer erfindungsgemäßen Kette und an zwei herkömmlichen Ketten durchgeführt worden, wobei eine herkömmliche Maschine zum Testen der Kettendehnung verwendet und ein in der Praxis generell genutztes Verfahren angewandt worden sind. Die Ergebnisse der Versuche sind in 5 gezeigt.
Bei dem herkömmlichen Beispiel 1 ist der Stift einer vollen Behandlung des Trommelpolierens ausgesetzt worden, wobei eine Cr₂₃C₆-Schicht vollständig entfernt worden ist, aber konkave Ausnehmungen in der äußeren Oberfläche des Stifts vorgelegen haben. Bei dem herkömmlichen Beispiel 2 sind die konkaven Ausnehmungen an der Oberfläche des Stifts durch eine feinere Polierbehandlung entfernt worden, wodurch ein glatter Oberflächenzustand erzeugt, jedoch eine Cr₂₃C₆-Schicht als äußere Schicht hinterlassen wird.
Gemäß den in 5 gezeigten Ergebnissen des Kettendehnungsversuchs, bei dem eine erfindungsgemäße Rollenkette mit Rollenketten der herkömmlichen Beispiele 1 und 2 nach einer Versuchszeit von 50 Stunden verglichen wird, beträgt das Dehnungsverhältnis der erfindungsgemäßen Kette 0,08%, während das Dehnungsverhältnis 0,2% beim herkömmlichen Beispiel 1 und das Dehnungsverhältnis 0,12% beim herkömmlichen Beispiel 2 beträgt. Das Dehnungsverhältnis der erfindungsgemäßen Kette beträgt daher lediglich etwa 40% des Dehnungsverhältnisses der Kette des herkömmlichen Beispiels 1 und lediglich etwa 67% des Dehnungsverhältnisses der Kette des herkömmlichen Beispiels 2. Wie sich aus diesen Ergebnissen schließen lässt, wird ein synergetischer Effekt zwischen dem Effekt der äußeren Schicht (Cr₂₃C₆) und dem Effekt der konkaven Oberflächenausnehmungen erzeugt und wird eine beträchtliche Verbesserung des Dehnungsverhältnisses der Kette erreicht, wenn die konkaven Ausnehmungen an der Oberfläche des Stifts eine Größe aufweisen, um Einlagerungen wie beispielsweise Ruß in Schmieröl aufzunehmen, und die Flächenspannung des Stifts beträchtlich reduziert wird, wobei gewährleistet wird, dass die äußere Schicht (Cr₂₃C₆) bestehen bleibt.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Es ist gedacht worden, dass bei einer Kette für einen Automobilmotor die Abriebsdehnung der Kette umso mehr reduziert wird, je mehr die Oberflächenrauheit des Stifts reduziert ist. Nach sorgfältiger Untersuchung ist jedoch neu erkannt worden, dass übermäßige Oberflächenglattheit die Abnutzung der Stifte fördern kann, wenn eine Kette für einen Automobilmotor in einer Umgebung verwendet wird, in der Einlagerungen wie beispielsweise Ruß in dem Schmieröl bestehen. Ausgehend von diesem Wissen ist erfindungsgemäß eine Kette entwickelt worden, bei der die Flächenspannung reduziert ist, während Oberflächenausnehmungen in einer Größe vorliegen, welche die Aufnahme von Einlagerungen wie beispielsweise Ruß im Öl ermöglicht. Die erhöhte Widerstandsfähigkeit der Kette gegenüber Abriebsdehnung lässt sich ohne spezielle Produktionseinrichtungen und teure Materialien auf reproduzierbare Weise erzielen.

Claims

Kraftübertragungskette (10) zur Verwendung in einem Automobilmotor mit: Paaren von inneren Laschen (11) und Paaren von äußeren Laschen (14) in alternierender, überlappender Beziehung entlang der Länge der Kette (10), einem Paar von Hülsen (12) für jedes Paar der inneren Laschen (11), wobei die Enden der Hülsen (12) in Hülsenlöcher (11a) in den inneren Laschen (11) eingepresst sind, einem Paar von Stiften (15) für jedes Paar der äußeren Laschen (14), wobei die Enden der Stifte (15) in Stiftlöcher (14a) in den äußeren Laschen (14) eingepresst sind, wobei jeder Stift (15) eine äußere Oberfläche aufweist und sich durch eine der Hülsen (12) erstreckt und lose in diese passt, wobei jeder Stift (15) ein Basismaterial umfasst, das eine Oberfläche aufweist, und eine Chromkarbidschicht aufweist, die an der Oberfläche des Basismaterials mittels Diffusionsdurchdringung ausgebildet ist und sich von der Oberfläche des Basismaterials des Stifts (15) zu einer äußeren Oberfläche des Stifts (15) erstreckt, wobei die Chromkarbidschicht eine innere Schicht, die im Wesentlichen aus Cr₇C₃ besteht, und eine äußere Schicht, die im Wesentlichen aus Cr₂₃C₆ besteht, aufweist und konkave Ausnehmungen (22) in der äußeren Schicht ausgebildet sind, wobei die konkaven Ausnehmungen (22) eine Größe aufweisen, die zur Aufnahme von Einlagerungen (26) in Schmieröl für Automobilmotoren ausreichend ist, und wobei die Tiefe jeder Ausnehmung (22) ausreichend, aber nicht wesentlich größer als nötig ist, damit eine darin aufgenommene Einlagerung (26) im Wesentlichen vollständig unter der äußeren Oberfläche des Stifts (15) liegt, wobei die Flächenspannung, die durch Abschnitte des Stifts (15) auf eine umgebende Hülse (12) ausgeübt wird, im Wesentlichen so klein wie möglich ist, ohne Einlagerungen (26), die sich in den konkaven Ausnehmungen (22) befinden, über die äußere Oberfläche des Stifts (15) freizulegen.
Kraftübertragungskette (10) nach Anspruch 1, wobei die innere Schicht, die im Wesentlichen aus Cr₇C₃ besteht, dicker ist als die äußere Schicht, die im Wesentlichen aus Cr₂₃C₆ besteht.
Kraftübertragungskette (10) nach Anspruch 1, wobei die äußere Oberfläche des Stifts (15) durch Trommelpolieren poliert ist.
Kraftübertragungskette (10) nach Anspruch 3, wobei die innere Schicht, die im Wesentlichen aus Cr₇C₃ besteht, dicker ist als die äußere Schicht, die im Wesentlichen aus Cr₂₃C₆ besteht.
Kraftübertragungskette (10) nach Anspruch 1, wobei die Tiefe der Ausnehmungen (22) in der äußeren Oberfläche des Stifts (15) durch Bearbeitung der äußeren Schicht durch Trommelpolieren erzeugt wird.
Kraftübertragungskette (10) nach Anspruch 5, wobei die innere Schicht, die im Wesentlichen aus Cr₇C₃ besteht, dicker ist als die äußere Schicht, die im Wesentlichen aus Cr₂₃C₆ besteht.
Kraftübertragungskette (10) nach Anspruch 1, wobei die Dicke der äußeren Schicht, die im Wesentlichen aus Cr₂₃C₆ besteht, innerhalb eines Bereichs von 1 bis 6 μm liegt.
Kraftübertragungskette (10) nach Anspruch 1, wobei die Dicke der äußeren Schicht, die im Wesentlichen aus Cr₂₃C₆ besteht, zumindest so groß wie die Tiefen der konkaven Ausnehmungen (22) ist, wobei die konkaven Ausnehmungen (22) im Wesentlichen vollständig innerhalb der äußeren Schicht angeordnet sind.
Kraftübertragungskette (10) nach Anspruch 1, wobei die Dicke der äußeren Schicht, die im Wesentlichen aus Cr₂₃C₆ besteht, innerhalb des Bereichs von 1 bis 6 μm liegt und zumindest so groß wie die Tiefen der konkaven Ausnehmungen (22) ist, wobei die konkaven Ausnehmungen (22) im Wesentlichen vollständig innerhalb der äußeren Schicht angeordnet sind.
Kraftübertragungskette (10) nach Anspruch 1, wobei die Dicke der äußeren Schicht, die im Wesentlichen aus Cr₂₃C₆ besteht, innerhalb des Bereichs von 1 bis 6 μm liegt, und wobei die Tiefe jeder Ausnehmung (22) ausreichend, aber nicht wesentlich größer als nötig ist, damit eine Einlagerung (26), die darin aufgenommen ist und eine maximale Abmessung aufweist, die der Hälfte der Dicke der äußeren Schicht entspricht, im Wesentlichen vollständig unter der äußeren Oberfläche des Stifts (15) liegt.
Kraftübertragungskette (10) nach Anspruch 1, wobei die Dicke der äußeren Schicht, die im Wesentlichen aus Cr₂₃C₆ besteht, innerhalb des Bereichs von 1 bis 6 μm liegt und zumindest so groß wie die Tiefen der konkaven Ausnehmungen (22) ist, wobei die konkaven Ausnehmungen (22) im Wesentlichen vollständig innerhalb der äußeren Schicht angeordnet sind, und wobei die Tiefe jeder Ausnehmung (22) ausreichend, aber nicht wesentlich größer als nötig ist, damit eine Einlagerung (26), die darin aufgenommen ist und eine maximale Abmessung aufweist, die der Hälfte der Dicke der äußeren Schicht entspricht, im Wesentlichen vollständig unter der äußeren Oberfläche des Stifts (15) liegt.