DE102008005767A1

DE102008005767A1 - Antriebsrad eines Steuerbetriebs eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102008005767A1
Application number: DE200810005767
Authority: DE
Inventors: Andreas Schulte; Jürgen Weber
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2009-07-30
Also published as: WO2009092492A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebsrad (1) eines Steuertriebs eines Verbrennungsmotors, das einen scheibenförmigen Grundkörper (2) aufweist, dessen Umfang mit einer Profilierung (3) zum formschlüssigen Zusammenwirken mit einem Übertragungselement versehen ist. Um eine leichte Konstruktion zu erzielen, die dennoch reibungsarm und verschleißarm arbeitet, sieht die Erfindung vor, dass der Grundkörper (2) aus Leichtmetall besteht, wobei er zumindest im Bereich der Profilierung (3) mit mindestens einer Beschichtung (4) versehen ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Antriebsrad eines Steuertriebs eines Verbrennungsmotors, das einen scheibenförmigen Grundkörper aufweist, dessen Umfang mit einer Profilierung zum formschlüssigen Zusammenwirken mit einem Übertragungselement versehen ist.
Hintergrund der Erfindung
Zur genauen Steuerung der Gaswechselventile in Verbrennungskraftmaschinen werden Ketten- oder Riementriebe eingesetzt, die eine drehfeste Verbindung beispielsweise zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle herstellen. Hinlänglich bekannt sind insbesondere Kettentriebe zur Übertragung der Drehbewegung von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle, wie es beispielsweise in der DE 202 07 186 U1 , in der DE 199 44 293 A1 und in der DE 10 2004 009 170 A1 offenbart ist. Der dort gezeigte Steuertrieb kommt sowohl bei Otto- als auch bei Dieselmotoren zum Einsatz.
Dabei ist es üblich, die Ketten- bzw. Riemenräder – die sowohl Kurbelwellen-seitig als auch Nockenwellen-seitig zum Einsatz kommen – aus Stahl oder aus Sinterwerkstoff auf Eisenbasis herzustellen. Nachteilig ist hierbei, dass die Ketten- bzw. Riemenräder ein relativ hohes Gewicht aufweisen und damit auch ein hohes Massenträgheitsmoment haben, was sich ungünstig auf die Dynamik des Motors auswirkt. Ferner ist zumeist eine zusätzliche Oberflächenbehandlung erforderlich, um eine hinreichende Verschleißstabilität zu gewährleisten. Im Betrieb haben derartige Räder im Übrigen eine relativ hohe Reibung.
Bekannt ist es auch, Ketten- bzw. Riemenräder aus Sinterwerkstoffen auf Aluminiumbasis herzustellen, wobei dann allerdings zum Erhalt einer hinreichenden Verschleißfestigkeit der Räder ein hoher Siliziumanteil im Grundwerkstoff benötigt wird. Nachteilig ist hierbei, dass materialbedingt relativ hohe Kosten verursacht werden. Auch hier ist zumeist eine relativ hohe Reibung im Betrieb zu beobachten.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebsrad eines Steuertriebs eines Verbrennungsmotors so auszubilden, dass die genannten Nachteile überwunden werden. Es soll also eine leichte Konstruktion erreicht werden, die im Betrieb reibungsarm arbeitet, wobei das Antriebsrad ein günstiges Verschleißverhalten aufweisen soll. Die Herstellung des Antriebsrades soll einfach und damit kostengünstig sein. Das zum Einsatz kommende Material soll preisgünstig sein.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper des Antriebrades aus Leichtmetall besteht, wobei er zumindest im Bereich der Profilierung mit mindestens einer Beschichtung versehen ist.
Die Fertigung des Antriebsrades erfolgt also aus Leichtmetall, wobei ein relativ preisgünstiger Grundwerkstoff zum Einsatz kommt. Der Verschleißschutz, der im Übrigen auch reibungsmindernd wirken soll, wird durch eine aufgebrachte Beschichtung bewerkstelligt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung eine Eloxalschicht, insbesondere eine Harteloxalschicht, ist.
Alternativ oder additiv kann vorgesehen werden, dass die Beschichtung Kohlenstoff umfasst. Hierbei kann es sich um eine Kohlenstoff enthaltende Substanz in Form einer Plasmapolymerschicht, um eine amorphe Kohlenstoffschicht, um eine Diamantschicht (insbesondere um eine DLC-Schicht – „diamond-like carbon"-Schicht) oder um eine Graphitschicht handeln.
Die Beschichtung kann dabei mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD, PACVD) oder mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebracht sein.
Die Beschichtung ist relativ dünn, und weist vorzugsweise eine Dicke von 0,5 μm bis 25 μm, insbesondere eine Dicke von 2 μm bis 10 μm auf.
Es kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass auf eine Eloxalschicht eine Kohlenstoffschicht aufgebracht ist.
In die mindestens eine Beschichtung kann ferner auch ein reibungsreduzierendes Material eingebracht sein.
Hierbei sieht eine spezielle Ausführungsform der Erfindung vor, dass mindestens zwei Schichten auf den scheibenförmigen Grundkörper aufgebracht sind, wobei nur die äußerste Schicht reibungsreduzierendes Material aufweist.
Bei diesem handelt es sich beispielsweise um Polytetrafluorethylen (PTFE).
Das Antriebsrad, d. h. der Grundkörper desselben besteht bevorzugt aus Aluminium; es ist aber auch denkbar, dass hierfür Magnesium eingesetzt wird.
Der scheibenförmige Grundkörper kann nach einem beliebigen Fertigungsverfahren hergestellt sein. Eine bevorzugte Lösung sieht dabei vor, dass ein spanloses Fertigungsverfahren eingesetzt wird. Möglich ist auch ein Feinschneiden des Grundkörpers.
Die bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist ein Kettenrad, wo bei dann das Übertragungselement eine Kette ist. Eine andere bevorzugte Lösung stellt darauf ab, dass das Antriebsrad ein Riemenrad und das Übertragungselement ein Riemen ist.
Bei der bevorzugt eingesetzten Beschichtung in Form einer Eloxalschicht handelt es sich um eine Schicht, die nach dem Eloxal-Verfahren hergestellt ist (Abkürzung für elektrolytische Oxidation von Aluminium). Hiermit wird eine oxidische Schicht auf Aluminium durch eine anodische Oxidation aufgebracht. Im Unterschied zu einem galvanischen Überzugsverfahren wird die Schutzschicht dabei nicht auf dem Grundkörper niedergeschlagen, sondern durch Umwandlung des Materials des Grundkörpers durch ein Oxid bzw. ein Hydroxid gebildet. Es entsteht eine dünne Schicht, die nicht nur vor Korrosion schützt, sondern auch besonders verschleißbeständig ist.
Zunächst wird der Grundkörper dabei vorbehandelt, d. h. gereinigt und ggf. gebeizt, um anhaftenden Schmutz und eine gegebenenfalls vorhandene dünne natürliche Oxidschicht zu entfernen. Dann erfolgt das eigentliche Eloxieren. Bei diesem Verfahren erfolgt eine Elektrolyse. Die Kathode, d. h. die negative Elektrode, zerlegt das in einer Säure enthaltene Oxonium (H₃O⁺) in Wasserstoff und Wasser. Der Wasserstoff wird frei. An der Anode (d. h. an der positiven Elektrode) findet die Oxidation von Aluminium zu Aluminiumoxid statt.
Eine Säure wird zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit verwendet und ist an der Reaktion nicht beteiligt. Das entstehende Eloxal hat die chemische Summenformel Al₂O₃. Das elektrolytische Verfahren wird üblicherweise mittels Gleichstrom in Schwefelsäure- oder Oxalsäure-Elektrolyten durchgeführt.
Die Härte der Eloxal-Schicht liegt bei etwa 8 bis 9 nach der Härteskala von Mohs, d. h. zwischen Quarz und Korund.
Beim Einsatz von Kohlenstoffschichten – additiv oder alternativ zu einer Eloxal-Schicht – wird, wie erwähnt, zumeist das chemische oder das physikalische Gasphasenabscheidungsverfahren eingesetzt, das zumeist im Vakuum stattfindet. Die abgeschiedene Schicht kann eine sehr hohe Härte von bis zu 3.000 HV aufweisen. Ferner hat sie einen niedrigen Reibungskoeffizienten. Vorteilhaft ist auch, dass eine relativ hohe Schichtelastizität auch im unbeölten Zustand vorliegt.
Durch die vorgeschlagene Ausbildung kann eine hohe Verschleißfestigkeit der Funktionsoberflächen an einem Leichtbauteil erzielt werden, das für die Übertragung der Steuerbewegung der Gaswechselventile vorgesehen ist.
Optional kann vorgesehen werden, dass keine Verdichtung der Poren der Eloxalschicht erfolgt, wie es häufig bei dem genannten Eloxal-Verfahren erfolgt. Vielmehr kann vorgesehen werden, dass die Eloxal-Oberfläche mit der genannten Kohlenstoffschicht versehen wird, gegebenenfalls unter Einbeziehung eines reibungsmindernden Stoffs (PTFE).
Insgesamt ergibt sich eine leichte Bauweise, die mit für ein geringes Fahrzeuggewicht sorgt, wobei im Betrieb der Antriebsvorrichtung eine geringe Reibung sichergestellt ist. Der Verschleiß der Vorrichtung ist gering und die Vorrichtung kostengünstig herstellbar.
Kurze Beschreibung der Figuren
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 schematisch dargestellt ein Kettenrad eines Steuertriebs eines Verbrennungsmotors,
2 die Einzelheit „X" gemäß Anspruch 1 und
3 die Einzelheit „Z" gemäß 2.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
In 1 ist ein Antriebsrad 1 in Form eines Kettenrades zu sehen, das Bestandteil eines Steuertriebs eines Verbrennungsmotors ist. Das Kettenrad 1 kann mit der Kurbelwelle oder mit der Nockenwelle des Verbrennungsmotors verbunden sein. Eine – nicht dargestellte – Kette überträgt die Drehbewegung von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle, um in bekannter Weise die Gaswechselventile zu betätigen.
Das Kettenrad 1 weist einen scheibenförmigen Grundkörper 2 auf, der an seinem Umfang mit einer Profilierung 3 in Form einer Verzahnung versehen ist. In 2 ist ein Zahn dargestellt. Wie in der weiter vergrößerten Darstellung gemäß 3 gesehen werden kann, ist die Oberfläche der Verzahnung mit einer Beschichtung 4 versehen, die eine hohe Härte aufweist und so für einen verschleißarmen Betrieb des Steuertriebs sorgt.
Die Dicke t der Beschichtung 4 liegt zumeist im Bereich von ca. 5 bis 20 μm. Der Grundkörper 2 besteht vorliegend aus Aluminium, d. h. dies ist das Grundmaterial, auf dem dann die Beschichtung 4 aufgebracht ist.
Wie in 3 zu sehen ist, ist auf dem Grundmaterial (Aluminium) zunächst eine Eloxalschicht 4' aufgebracht bzw. aus dem Grundmaterial des Kettenrades (Aluminium) erzeugt, auf der wiederum eine weitere Schicht 4'' angeordnet ist. Bei dieser handelt es sich um eine Kohlenstoff aufweisende Schicht, nämlich um eine DLC-Schicht (diamond-like carbon), die durch Plasmabeschichtung auf die Eloxal-Schicht aufgebracht ist. Diese Schicht 4'' vereinigt die extreme Härte von Diamant und die sehr gute Gleitreibungseigenschaft von Graphit.
In das Material der Schicht 4'' kann auch ein reibungsminimierende Material, beispielsweise in Form von PTFE, eingelagert sein, um im Betrieb eine niedrige Reibung sicherzustellen. Allerdings weist bereits die aufgebrachte DLC-Schicht eine relativ geringe Reibung auf, was entsprechend vorteilhaft ist.

1: Antriebsrad
2: scheibenförmiger Grundkörper
3: Profilierung (Verzahnung)
4: Beschichtung
4': Eloxal-Schicht
4'': DLC-Schicht
t: Dicke der Beschichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 20207186 U1 [0002]
- DE 19944293 A1 [0002]
- DE 102004009170 A1 [0002]

Claims

Antriebsrad (1) eines Steuertriebs eines Verbrennungsmotors, das einen scheibenförmigen Grundkörper (2) aufweist, dessen Umfang mit einer Profilierung (3) zum formschlüssigen Zusammenwirken mit einem Übertragungselement versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) aus Leichtmetall besteht, wobei er zumindest im Bereich der Profilierung (3) mit mindestens einer Beschichtung (4) versehen ist.
Antriebsrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) eine Eloxalschicht ist.
Antriebsrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) eine Harteloxalschicht ist.
Antriebsrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) Kohlenstoff umfasst.
Antriebsrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff umfassende Beschichtung (4) eine Plasmapolymerschicht ist.
Antriebsrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff umfassende Beschichtung (4) eine amorphe Kohlenstoffschicht ist.
Antriebsrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff umfassende Beschichtung (4) eine Diamantschicht ist.
Antriebsrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff umfassende Beschichtung (4) eine Graphitschicht ist.
Antriebsrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD, PACVD) aufgebracht ist.
Antriebsrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebracht ist.
Antriebsrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) eine Dicke (t) von 0,5 μm bis 25 μm aufweist.
Antriebsrad nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) eine Dicke (t) von 2 μm bis 10 μm aufweist.
Antriebsrad nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine Eloxalschicht eine Kohlenstoffschicht aufgebracht ist.
Antriebsrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die mindestens eine Beschichtung (4) ein reibungsreduzierendes Material eingebracht ist.
Antriebsrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Schichten (4) auf den scheibenförmigen Grundkörper (2) aufgebracht sind, wobei nur die äußerste Schicht (4) reibungsreduzierendes Material aufweist.
Antriebsrad nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das reibungsreduzierende Material Polytetraflourethylen (PTFE) ist.
Antriebsrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Aluminium besteht.
Antriebsrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Magnesium besteht.
Antriebsrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der scheibenförmige Grundkörper (2) durch ein spanloses Fertigungsverfahren hergestellt ist.
Antriebsrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der scheibenförmige Grundkörper (2) mittels Feinschneiden hergestellt ist.
Antriebsrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Kettenrad und das Übertragungselement eine Kette ist.
Antriebsrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Riemenrad und das Übertragungselement ein Riemen ist.