DE102008030716A1

DE102008030716A1 - Riemen- oder Bandführungsrolle, insbesondere Span-oder Umlenkrollen

Info

Publication number: DE102008030716A1
Application number: DE102008030716A
Authority: DE
Inventors: Sven Claus; Peter Schuster
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2009-12-31

Abstract

Riemen- oder Bandführungsrolle, insbesondere Spann- oder Umlenkrolle, umfassend ein Wälzlager mit einem Außenring, der außenseitig mit einem die Riemen- oder Bandlaufbahn bildenden Kunststoffkörper mit einem elektrisch leitfähigen Füllstoff belegt ist, dadurch gekennzeichnet, das der Kunststoffkörper aus einem mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Füllstoff enthaltenden Kunststoff besteht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Riemen- oder Bandführungsrolle, insbesondere eine Spann- oder Umlenkrolle, wie sie häufig für Zugmitteltriebe eines Kraftfahrzeugs verwendet werden, umfassend ein Wälzlager mit einem Außenring, der außenseitig mit einem die Riemen- oder Bandlaufbahn bildenden Kunststoffkörper mit einem elektrisch leitfähigen Füllstoff belegt ist.
Hintergrund der Erfindung
Riementriebe werden eingesetzt, um den Leistungsfluss einer angetriebenen Welle auf mehrere, über eine Welle anzutreibende Komponenten durch Reibschluss aufzuteilen. Ein solcher Trieb findet beispielsweise in Fahrzeugen Anwendung. Über den Riementrieb werden dort die verschiedenen Komponenten (z. B. Klimakompressor oder Lichtmaschine) mit mechanischer Energie versorgt. Aufgabe einer solchen Rolle ist die Umlenkung des Riemens, wie auch häufig das Einbringen einer konstanten Vorspannung auf den Riemen. Hierzu weisen solche Rollen eine Basis auf, mit der sie beispielsweise an einem Motorblock befestigt werden. Ferner ist zumeist ein Hebelarm vorgesehen, der insbesondere im Falle einer Spannrolle schwenkbar und angefedert ist, um die Riemenspannung aufzubauen, wobei an dem Hebel die dann unmittelbar am Riemen oder am Band angreifende Rolle über das Wälzlager drehgelagert vorgesehen ist. Denkbar ist es aber auch, eine solche Rolle an einer entsprechenden Lagerung direkt an der Basis zu befestigen, also keinen Hebelarm vorzusehen. Die konkrete Ausgestaltung einer solchen Riemen- oder Bandführungsrolle respektive deren Lagerung bzw. Anordnung ist einzelfallabhängig.
Zumeist weist die Rolle einen außenliegenden Kunststoffkörper auf, die auf dem Außenring des Wälzlagers vorgesehen ist, und die die Riemen- oder Bandlaufbahn bildet. Bei Verwendung eines elektrisch nicht leitfähigen Kunststoffs kann es infolge des Schlupfs des über die Rolle laufenden Riemens zu einer elektrischen Aufladung kommen. Diese elektrische Aufladung kann auch durch elektrische Felder umgebender Systemkomponenten der Steuerelektronik respektive die Elektrik des Fahrzeugs verursacht werden. Nach erfolgter statischer Aufladung des Kunststoffs besteht die Gefahr einer plötzlichen Entladung durch Funkenüberschlag zum nächstgelegenen elektrisch leitfähigen Teil. Hierbei kann es zu einem Stromdurchschlag durch das Wälzlager kommen. Folge der Stromdurchschläge sind häufig Ermüdungserscheinungen und infolgedessen frühzeitige Ausfälle des Wälzlagers und somit der Rolle. Durch eine statische Aufladung der Führungs- oder Umlenk- oder Spannrolle kann es ferner nicht nur zu dem beschriebenen Lagerausfall kommen, vielmehr können auch elektronische Systemkomponenten des Kraftfahrzeugs durch die Aufladung oder die Entladung gestört werden. Um dem zu begegnen, ist es bekannt, Kunststoffe zu verwenden, die eine gewisse elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wobei diese elektrische Leitfähigkeit über einen entsprechenden in das Kunststoffmaterial eingebrachten Füllstoff erreicht wird. Üblicherweise wird hierfür Ruß verwendet, wobei der zum Erreichen der notwendigen elektrischen Leitfähigkeit notwendigen Füllstoffanteil bei Ruß zwischen ca. 8–20 Gew.-% beträgt. Die Gründe hierfür sind die besondere Anordnung des Rußes in der Kunststoffmatrix sowie der extreme Unterschied in der Leitfähigkeit bei ähnlichen Dielektrizitätszahlen von Ruß und dem Kunststoffpolymer. Die beachtlich hohe zuzufügende Rußmenge beeinflusst ferner die Festigkeitseigenschaften des Polymers negativ, hieraus resultiert eine Herabsetzung der Verschleißfestigkeit wie auch der (Ermüdungs-)Lebensdauer des Kunststoffmaterials.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Riemen- oder Bandführungsrolle anzugeben, die bei Verwendung eines elektrisch leitfähigen Füllstoffs innerhalb des Kunststoffkörpers verbesserte elektrische Eigenschaften aufweist.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Riemen- oder Bandführungsrolle der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kunststoffkörper aus einem mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Füllstoff enthaltenen Kunststoff besteht.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind nahtlose Zylinder, die aus in regelmäßiger hexagonaler Anordnung positionierten Kohlenstoffatomen bestehen. Sie können an beiden Enden von halbkugelförmigen Endkappen verschlossen sein. Diese Nanoröhrchen können als ein- oder mehrwandige Röhrchen produziert werden, ihr Durchmesser liegt im Bereich einiger Zehntel nm, bei einer Länge von mehreren mm für einzelne Nanoröhrchen. Solche Nanoröhrchen haben eine Dichte von 1,3–1,4 g/cm³ bei einer Zugfestigkeit, die über 65 GPa liegen kann. Sie sind extrem elastisch und weisen ein Elastizitätsmodul im Bereich von 1.000 GPa auf, was eine Dehnung von bis zu 30% ermöglicht, bevor sie brechen. Je nach ihrer Struktur ist ihre beachtlich hohe elektrische Leitfähigkeit metallisch oder halbleitend.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, derartige Kohlenstoff-Nanoröhrchen, häufig auch CNT (carbon nano tubes) genannt, als Füllstoff für den Rollenkunststoff zu verwenden. Dies führt aufgrund des großen Aspektverhältnisses (Verhältnis Länge/Durchmesser bis zu 10.000/1) der Röhrchen zu im sprungartigen Anwachsen der Leitfähigkeit des mit dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen versetzten Polymers, also der den Rollenkunststoffkörper bildenden Ummantelung, verglichen mit einem mit Ruß versetzten Kunststoffkörper. Dies ist bereits bei deutlich geringeren Füllgraden der Fall, wobei erfindungsgemäß der Anteil der Kohlenstoff-Nanoröhrchen im Bereich von 0,05–5 Gew.-%, insbesondere von 0,1–2 Gew.-% liegen sollte. Mit der verbesserten elektrischen Leitfähigkeit einher geht infolge des deutlich reduzierten Füllgrads auch eine wesentlich verbesserte mechanische Eigenschaft des mit Nanoröhrchen versetzten Kunststoffkörpers bzw. ergibt sich ein zusätzlicher mechanischer Verstärkungseffekt. Denn wie beschrieben weisen die Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine extrem hohe Zugfestigkeit von 65 GPa und mehr auf, was für die mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen Riemen- oder Bandführungsrolle von besonderem Vorteil ist.
Der Kunststoff ist vorzugsweise ein faser- und/oder partikelverstärktes Polyamid. Ein Beispiel hierfür ist PA 66-GF 25 (Polyamid mit einem Glasfaseranteil von 25%), PA 46-GF 25 (Polyamid mit einem Glasfaseranteil von 25%) oder PA 66-GB 40 (Polyamid mit einem Glasballanteil mit 40%). Diese Aufzählung ist lediglich beispielhaft und keinesfalls beschränkend. Selbstverständlich sind auch andere Polyamide respektive andere Fasern oder Partikel als Verstärkung einsetzbar, wie auch grundsätzlich andere Kunststoffe.
Neben der Riemen- oder Bandführungsrolle betrifft die Erfindung ferne einen Riementrieb, umfassend einen Riemen und wenigstens eine Spann- oder Umlenkeinrichtung mit einer Riemenführungsrolle der beschriebenen Art.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Riemen- oder Bandführungsrolle 1, die an einem Hebelarm 2, der wiederum um die Schwenkachse S gegen eine Rückstellkraft (hier z. B. erzeugt über eine nicht gezeigte Schraubenfeder, die den Hebel lagert) verschwenkbar an einer Basis 3 einer Spanneinrichtung 4 gelagert ist, angeordnet ist. Die Riemen- oder Bandführungsrolle 1 umfasst ein Wälzlager 5 mit einem Innenring 6, über den die Rolle 1 auf einem Lagerzapfen 7 des Hebels 2 gelagert ist. Vorgesehen ist ferner eine Vielzahl von Wälzkörpern 8, bei denen es sich vornehmlich um metallische Wälzkörper, z. B. in Kugelform, handelt, sowie ein Außenring 9, auf dem wiederum ein Kunststoffkörper 10 (Pulley) aufgebracht, insbesondere aufgespritzt ist, die die Riemen- oder Bandlaufbahn 11 bildet. Das Wälzlager 5 bzw. der Innenring 6, die Wälzkörper 8 sowie der Außenring 9 bestehen aus Metall, weshalb sich in diesem Bereich eine elektrische Leitung vom Außenring zum Innenring und von dort über die metallischen Lagerzapfen 7 zum ebenfalls metallischen Hebelarm 2 und von dort zur Basis 3 ergibt. Sollten Wälzkörper aus nicht elektrisch leitendem Material wie beispielsweise Keramik zum Einsatz kommen, so ist es zweckmäßig, in diesem Bereich zur Ermöglichung einer elektrischen Leitfähigkeit über das Wälzlager 5 ein leitfähiges Fett zu verwenden, wobei auch hier ein Fett eingesetzt werden kann, das mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen versetzt ist.
Der Kunststoffkörper 10 besteht aus einem Kunststoff 13 (Basispolymer), beispielsweise Polyamid, das beispielsweise mit Glasfasern oder Glaspartikeln (Kügelchen) zu Verstärkungszwecken versetzt ist. Diese sind in der Figur nicht näher gezeigt. Weiterhin ist der Kunststoffkörper 10 mit einem elektrisch leitfähigen Füllstoff in Form von Kohlenstoff-Nanoröhrchen 12 versetzt. Bei diesen handelt es sich um nahtlose Zylinder aus in regelmäßiger hexagonaler Anordnung angeordneten Kohlenstoffatomen, die einen Durchmesser im Bereich weniger nm bei einer Länge von mehreren mm aufweisen. Hierüber wird die elektrische Leitfähigkeit des ansonsten isolierend wirkenden Kunststoffmaterials hergestellt, so dass etwaige statische Aufladungen, die von dem entlang der Riemen- oder Bandlaufbahn laufenden Riemen oder Band erzeugt werden, über den Kunststoffkörper 10 zum Wälzlager 5 hin abgeleitet werden. Die Leitfähigkeit der Kohlenstoff-Nanoröhrchen 12 ist, verglichen mit bisher üblicherweise verwendetem Ruß als Füllstoff, wesentlich größer, resultierend aus ihrer Struktur und Länge, weshalb bereits geringe Füllstoffe, bevorzugt zu einem Anteil von 0,1–2 Gew.-%, ausreichend sind, eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit des Kunststoffkörpers 10 sicherzustellen. Darüber hinaus weisen die Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine äußerst hohe Zugfestigkeit auf, was dazu führt, dass sie zusätzlich zu den sonst vorgesehenen verstärkenden Fasern oder Partikeln die mechanischen Eigenschaften verbessern, mithin also das Polymer weiter verstärken. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen 12 liegen in regelloser Anordnung im Kunststoff vor, sind jedoch aufgrund der Einarbeitung in die Kunststoffmatrix weitgehend homogen verteilt, so dass sich über die gesamte Rolle 1 entsprechend homogene elektrische Leitfähigkeitseigenschaften ergeben.
Während die Figur eine Spanneinrichtung 4 zeigt, die eine erfindungsgemäße Riemen- oder Bandführungsrolle aufweist, ist es selbstverständlich auch denkbar, eine solche Rolle bei einer reinen Umlenkeinrichtung vorzusehen, die keinen beweglichen Hebelarm aufweist, sondern bei der die Rolle wälzgelagert, jedoch lagefest an einer entsprechenden Basis vorgesehen ist.

1: Riemen- oder Bandführungsrolle
2: Hebelarm
3: Basis
4: Spanneinrichtung
5: Wälzlager
6: Innenring
7: Lagerzapfen
8: Wälzkörper
9: Außenring
10: Kunststoffkörper
11: Riemen- oder Bandlaufbahn
12: Kohlenstoff-Nanoröhrchen
13: Kunststoff
S: Schwenkachse

Claims

Riemen- oder Bandführungsrolle, insbesondere Spann- oder Umlenkrolle, umfassend ein Wälzlager mit einem Außenring, der außenseitig mit einem die Riemen- oder Bandlaufbahn bildenden Kunststoffkörper mit einem elektrisch leitfähigen Füllstoff belegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffkörper aus einem mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen (12) als Füllstoff enthaltenden Kunststoff (13) besteht.
Riemen- oder Bandführungsrolle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Kohlenstoff-Nanoröhrchen (12) 0,05–5 Gew.-%, insbesondere 0,1–2 Gew.-% beträgt.
Riemen- oder Bandführungsrolle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff (13) ein vorzugsweise faser- und/oder partikelverstärktes Polyamid ist.
Riementrieb, umfassend einen Riemen und wenigstens eine Spann- oder Umlenkeinrichtung mit einer Riemenführungsrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 3.