DE102009007993A1

DE102009007993A1 - Verbindung

Info

Publication number: DE102009007993A1
Application number: DE102009007993A
Authority: DE
Inventors: Peter Horling; Wolfgang GLÄNTZ
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2009-02-07
Filing date: 2009-02-07
Publication date: 2010-10-21
Also published as: CN101813138A; US20100240463A1

Abstract

Eine starre drehmomentenübertragende Verbindung beinhaltet: - zwei miteinander starr zu verbindende Verbindungspartner mit zwei einander zum Gegenüberliegen vorgesehenen Verbindungsflächen, - die an den Verbindungsflächen zum Anliegen vorgesehenen Kontaktflächen eines zwischen den Verbindungspartnern angeordneten Beschichtungsträgers oder eine der Verbindungsflächen sind mit einer Beschichtung ausgebildet, - die Beschichtung umfasst Partikel eines vorgebbaren Größenbereichs mit einer Mohshärte größer gleich 9, die auf den Kontaktflächen oder auf der Verbindungsfläche durch eine Fixierschicht fixiert sind, die die Partikel wenigstens in einem zur Kontaktfläche bzw. Verbindungsfläche hin orientierten Bereich umschließt, - innerhalb einer vorgebbaren Flächeneinheit ist ein Flächenanteil der die Oberfläche der Fixierschicht überragender Partikelbereich größer in etwa 25%, - die Verbindungspartner sind mit einer Flächenpressung von in etwa zwischen 90 bis 180 MPa gegeneinander gepresst, und - die der wenigstens einen Beschichtung gegenüberliegende Verbindungsfläche ist aus einem Material ausgebildet, das weicher als das die Beschichtung tragende ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine starre drehmomentenübertragende Verbindung.
Aus dem Stand der Technik sind eine ganze Reihe von reibungserhöhenden Beschichtungen für starre drehmomentenübertragende Verbindungen bekannt, wobei aber für manche Anwendungen die damit erzielbaren Haftreibungszahlen nach wie vor steigerungsfähig sind.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte starre drehmomentenübertragende Verbindung zu schaffen, mit der insbesondere hohe Haftreibungszahlen erzielbar sind.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß Anspruch 1 umfasst eine starre drehmomentenübertragende Verbindung folgende Merkmale:

– Zwei miteinander starr zu verbindende Verbindungspartner mit zwei einander zum Gegenüberliegen vorgesehenen Verbindungsflächen,
– die an den Verbindungsflächen zum Anliegen vorgesehenen Kontaktflächen eines zwischen den Verbindungspartnern angeordneten Beschichtungsträgers oder eine der Verbindungsflächen sind mit einer Beschichtung ausgebildet,
– die Beschichtung umfasst Partikel eines vorgebbaren Größenbereichs mit einer Mohshärte größer gleich 9, die auf den Kontaktflächen oder auf der Verbindungsfläche durch eine Fixierschicht fixiert sind, die die Partikel wenigstens in einem zur Kontaktfläche bzw. Verbindungsfläche hin orientierten Bereich umschließt,
– innerhalb einer vorgebbaren Flächeneinheit ist ein Flächenanteil der die Oberfläche der Fixierschicht überragender Partikelbereich größer in etwa 25%,
– die Verbindungspartner sind mit einer Flächenpressung von in etwa zwischen 90 bis 180 MPa gegeneinander gepresst, und
– die der wenigstens einen Beschichtung gegenüberliegende Verbindungsfläche ist aus einem Material ausgebildet, das weicher als das die Beschichtung tragende ist.

Damit ist mit besonderem Vorteil eine Verbindung geschaffen, bei der Haftreibungszahlen größer 0,7 und auch über 0,8 hinaus erzielbar sind, was bisher nicht realisierbar war.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Fixierschicht aus galvanisch aufgebrachtem Nickel ausgebildet, so dass beispielsweise für den Beschichtungsträger gleichzeitig eine exzellente Schutzschicht gegen Korrosion verursachende und andere Umwelteinflüsse erzeugt ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Beschichtungsträger mit einer größeren Mohshärte und/oder einer größeren Zugfestigkeit als die Verbin dungspartner ausgebildet, so dass sich wunschgemäß beim Gegeneinanderpressen die über die Beschichtung hinausragenden Bereiche der Partikel in die Verbindungspartner eindrücken und die Beschichtung unterhalb der Partikel sowie die Bereich des Beschichtungsträgers unterhalb der Partikel gegenüber dem Eindrücken in die Verbindungspartner nur geringfügig verformt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
1 einen ausschnittsweisen Längsschnitt durch eine starre Wellenkupplung zweier Wellenelemente mit einem lochscheibenartigen Bauelement zwischen den beiden flanschartigen Wellenenden und
2 eine Frontansicht des lochscheibenartige Bauelements aus 1, auf dem eine Beschichtung aufgebracht ist.
Die 1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung einen ausschnittsweisen Längsschnitt durch eine starre Wellenkupplung. Die Wellenkupplung umfasst dabei zwei miteinander zu verbindende, hohlwellenartig ausgebildete Wellenelemente 10 und 20, beispielsweise einer Hauptwelle einer Windkraftanlage zugehörig. Die beiden Wellenelemente 10 und 20 sind dabei an ihren miteinander zu verbindenden Wellenenden flanschartig erweitert. Zwischen den beiden flanschartigen Erweiterungen ist ein lochscheibenartiges, mit einer Beschichtung versehenes Bauelement angeordnet. Das lochscheibenartige Bauelement ist dabei in eine Mehrzahl sektorartiger Teilelemente 50 unterteilt, wobei jedes der Teilelemente 50 drei Löcher 52 umfasst, wie dies in 2 dargestellt ist. Entsprechend den Löchern 52 des lochscheibenartigen Bauelements sind auch die beiden Flansche der beiden Wellenelemente 10 und 20 mit entsprechenden Durchdringungen, in einer anderen Ausführung auch eines der Wellenelemente 10 oder 20 mit Sacklöchern ausgebildet, so dass durch die Löcher 52 hindurch die beiden flanschartigen Wellenenden mit dem dazwischen angeordneten lochscheibenartigen Bauelement miteinander verschraubbar sind. In einer Ausführungsform kann dabei am Umfang des lochscheibenartigen Bauelements eine Kodierung, beispielsweise eine Zahnung, ausgebildet sein, so dass hierüber ein Erfassen einer Wellendrehzahl möglich ist.
Damit die beiden flanschartigen Wellenenden möglichst fest miteinander verbunden sind, ist das lochscheibenartige Bauelement wenigstens an seinen beiden Stirnseiten mit einer Beschichtung ausgebildet. Das lochscheibenartige Bauelement umfasst dabei einen Beschichtungsträger, der aus einem Stahl mit einer Zugfestigkeit in etwa zwischen 600 und 800 MPa ausgebildet ist. Die stirnseitigen Oberflächen des Beschichtungsträgers sind dann derart geschliffen ausgebildet, dass die Oberfläche eine Rauhigkeit von R_a ≤ 0,2 μm aufweist und die durch das Schleifen verursachten furchenartigen Vertiefungen gegenüber einer, die jeweilige Vertiefung umgebenden Oberflächenumgebung mit einer Tiefe kleiner gleich 4 μm und einer Öffnungsweite kleiner gleich 6 μm ausgebildet sind.
Insbesondere dadurch, dass die Oberfläche des Beschichtungsträgers derart beispielsweise durch ein Schleifen ausgebildet ist, dass die furchenartigen Vertiefungen gegenüber einer die jeweilige Vertiefung umgebenden Oberflächenumgebung mit einer Tiefe kleiner ca. 10% und/oder einer Öffnungsweite kleiner ca. 15% der Beschichtungsdicke ausgebildet sind, wird eine optimale Haftung für die Beschichtung sichergestellt und gleichzeitig verhindert, dass Partikel derart sozusagen in Vertiefungen verschwinden, dass sie nicht zur Reibungserhöhung der Beschichtung beitragen.
Auf den derart geschliffenen Beschichtungsträger wird daraufhin galvanisch eine Unterbeschichtung aus Nickel mit einer Dicke von beispielsweise ca. 5 um aufgebracht. Auf diese Unterbeschichtung werden dann Partikel mit einer Mohshärte von 10 und einer Korngröße zwischen 40 und 90 μm, insbesondere scharfkantiges oder blockiges Korn eines monokristallinen Diamanten, beispielsweise eines Naturdiamanten in etwa einlagig aber auch in wenigen Lagen aufgelegt. Daran anschließend wird ebenfalls galvanisch eine Oberbeschichtung aus Nickel aufgebracht, so dass die auf der Unterbeschichtung aufgelegten Partikel wenigstens in einem unteren, zum Beschichtungsträger hin orientierten Bereich von der Oberbeschichtung umschlossen sind, so dass quasi eine Partikellage fixiert wird, wobei beim Auflegen mehrerer Lagen die überschüssigen Lagen beispielsweise durch ein Bürsten nach dem Fixieren entfernt werden. Dabei ist unter quasi einlagig zu verstehen, dass bei einem überwiegenden Anteil der beschichteten Oberfläche, insbesondere größer 75%, tatsächliche nur eine Lage von Partikeln fixiert ist, und lediglich in kleineren Teilbereichen der beschichteten Oberfläche die Partikel auch mehrlagig, insbesondere zweilagig anhaften können. Damit ist mit besonderem Vorteil eine Beschichtung erzielbar, bei der größer 25%, ja sogar bis 40% der Oberfläche durch aus der Nickelschicht herausragende Partikel gebildet ist, womit letztendlich sehr hohe Haftreibungszahlen erzielbar sind.
Gemäß dem vorausgehend Beschriebenen sind beide Stirnseiten des Beschichtungsträgers entsprechend beschichtet ausgebildet. Die beiden flanschartigen Wellenenden der beiden Wellenelemente 10 und 20 sind dabei aus einem Material ausgebildet, das sowohl hinsichtlich Mohshärte als auch Zugfestigkeit kleinere Werte aufweist als der Beschichtungsträger, wobei die Wellenenden insbesondere aus einem Grauguss, beispielsweise GG 40.3 mit einer Zugfestigkeit im Bereich zwischen 400 und 500 MPa ausgebildet sind.
Die zum Anliegen am lochscheibenartigen Bauelement vorgesehenen Flanschflächen sind dabei mit einer Rauhigkeit R_a im Bereich zwischen 0,5 bis 1,5 μm ausgebildet.
Werden nunmehr die beiden Wellenenden mit dem dazwischen angeordneten lochscheibenartigen Bauelement miteinander fest verschraubt, so drücken sich beim Verschrauben die Diamantpartikel derart in den Grauguss ein, dass das lochscheibenartige Bauelement mit den Wellenenden ineinandereingreifend verbunden ist. Insbesondere werden dabei die beiden Wellenenden mit einer Flächenpressung von etwa 90 bis 180 MPa gegeneinander gepresst. In Richtung des lochscheibenartigen Bauelements findet beim Verschrauben lediglich ein leichtes Zusammendrücken der unter dem jeweiligen Diamantkorn angeordneten Unterbeschichtung und dem darunter angeordneten Beschichtungsträgerbereich statt. Mit besonderem Vorteil sind mit dem vorausgehend Beschriebenen Haftreibungszahlen größer 0,7 aber auch größer 0,8 realisierbar. Weiterhin stellt die Nickelbeschichtung gleichzeitig einen exzellenten Korrosionsschutz für den Beschichtungsträger aus Stahl dar, so dass das lochscheibenartige Bauelement auch gegen widrigste Witterungsbedingungen sicher geschützt ist.
Mit weiterem Vorteil lässt sich bei Einsatz der vorausgehend beschriebenen Beschichtung gegenüber konventionellen Verbindungen bei gleicher Festigkeit der Verbindung beispielsweise eine Schraubenanzahl reduzieren.

Claims

Starre drehmomentenübertragende Verbindung, beinhaltend folgende Merkmale: – Zwei miteinander starr zu verbindende Verbindungspartner mit zwei einander zum Gegenüberliegen vorgesehenen Verbindungsflächen, – die an den Verbindungsflächen zum Anliegen vorgesehenen Kontaktflächen eines zwischen den Verbindungspartnern angeordneten Beschichtungsträgers oder eine der Verbindungsflächen sind mit einer Beschichtung ausgebildet, – die Beschichtung umfasst Partikel eines vorgebbaren Größenbereichs mit einer Mohshärte größer gleich 9, die auf den Kontaktflächen oder auf der Verbindungsfläche durch eine Fixierschicht fixiert sind, die die Partikel wenigstens in einem zur Kontaktfläche bzw. Verbindungsfläche hin orientierten Bereich umschließt, – innerhalb einer vorgebbaren Flächeneinheit ist ein Flächenanteil der die Oberfläche der Fixierschicht überragender Partikelbereich größer in etwa 25%, – die Verbindungspartner sind mit einer Flächenpressung von in etwa zwischen 90 bis 180 MPa gegeneinander gepresst, und – die der wenigstens einen Beschichtung gegenüberliegende Verbindungsfläche ist aus einem Material ausgebildet, das weicher als das die Beschichtung tragende ist.
Verbindung nach Anspruch 1, wobei der Flächenanteil größer in etwa 35% ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Verbindung derart ausgebildet ist, dass die Drehmomentenübertragung über den Beschichtungsträger erfolgt.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Beschichtungsträger aus einem Stahl mit einer Zugfestigkeit in etwa zwischen 600 und 800 MPa ausgebildet ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Beschichtung auf wenigstens einer Stirnseite des lochscheibenartig ausgebildeten Beschichtungsträgers aufgebracht ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Beschichtungsträger in eine Mehrzahl sektorartiger Teilelemente unterteil ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Beschichtungsträger mit einer Mehrzahl axialer Durchdringungen für ein Durchführen von Befestigungsmitteln ausgebildet ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Verbindung als eine Wellenkupplung ausgebildet ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Beschichtungsträger am Umfang mit einer Kodierung insbesondere für ein Erfassen einer Wellendrehzahl ausgebildet ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei wenigstens einer der Verbindungspartner Grauguss mit einer Zugfestigkeit in etwa zwischen 400 bis 500 MPa umfasst.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei wenigstens einer der Verbindungspartner mit einer Härte und/oder Zugfestigkeit kleiner der des Beschichtungsträgers ausgebildet ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Partikel einer vorgebbaren Sortierung zugehören, die insbesondere durch eine Partikelgröße zwischen 40 und 90 μm gekennzeichnet ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Partikel mit einer Mohshärte von 10 ausgebildet sind.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Partikel scharfkantiges oder blockiges Korn eines insbesondere monokristallinen Diamanten umfassen.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die beschichteten Oberflächen geschliffen ausgebildet sind.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die beschichtete Oberfläche Vertiefungen umfasst.
Verbindung nach Anspruch 16, wobei ein Anteil größer ca. 85% der Vertiefungen gegenüber einer die jeweilige Vertiefung umgebenden Oberflächenumgebung mit einer Tiefe kleiner ca. 10% und/oder einer Öffnungsweite kleiner gleich ca. 15% einer Dicke der Beschichtung ausgebildet ist.
Verbindung nach Anspruch 17, wobei ein Anteil größer 99% der Vertiefungen entsprechend ausgebildet ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Vertiefungen mit einer Tiefe kleiner gleich 6 μm, insbesondere kleiner gleich 4 μm ausgebildet sind.
Verbindung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die Vertiefungen mit einer Öffnungsweite in etwa kleiner 8 μm, insbesondere kleiner gleich 6 μm ausgebildet sind.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die beschichtete Oberfläche mit einer Rauhigkeit R_a ≤ 0,2 μm ausgebildet ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Fixierschicht ein galvanisch aufgebrachtes metallisches Material umfasst.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Partikel quasi einlagig angeordnet sind.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei zwischen der Kontakt- bzw. Verbindungsfläche und der Schicht mit den Partikeln eine Schicht aus einem metallischen Material, insbesondere galvanisch aufgebracht ist.
Verbindung nach Anspruch 24, wobei die beiden metallischen Materialien identisch sind.
Verbindung nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei wenigstens eines der metallischen Materialien Nickel umfasst.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei die Verbindungspartner mit einer Flächenpressung von in etwa 120 bis 180 MPa gegeneinander gepresst sind.