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Abstract

Konstruktionselement zur reibungserhöhenden spielfreien reversiblen Verbindung von zu fügenden Werksstücken, bestehend aus einem Substrat, das an seiner Oberfläche Hartstoffpartikel definierter Größe aufweist, wobei die Hartstoffpartikel mittels einer metallischen Bindephase aus einer chemisch abgeschiedenen Nickel/Phosphorlegierung auf dem Substrat fixiert sind, und wobei das Substrat eine Eigenfestigkeit aufweist, die geringer ist, als die der zu fügenden Werkstücke aufweist sowie dessen Verwendung.Construction element for friction-enhancing play-free reversible connection of workpieces to be joined, consisting of a substrate having on its surface hard material particles of defined size, wherein the hard material particles are fixed by means of a metallic binder phase of a chemically deposited nickel / phosphorus alloy on the substrate, and wherein the substrate Has inherent strength, which is lower than that of the workpieces to be joined and its use.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Konstruktionselement zur reibungserhöhenden spielfreien reversiblen Verbindung von zu fügenden Werksstücken sowie dessen Verwendung.The present invention relates to a construction element for friction-enhancing play-free reversible connection of workpieces to be joined and its use.

Die heutigen Anforderungen auf dem Gebiet des Maschinenbaus führen dazu, dass die Konstruktionselemente aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und Weiterentwicklung immer höhere Kräfte auf möglichst kleinem Bauraum übertragen müssen.Today's requirements in the field of mechanical engineering mean that the structural elements have to transfer ever higher forces in the smallest possible space for reasons of economy and further development.

Vor diesem Hintergrund gibt es ein ständiges Bestreben in Forschung und Industrie, die Grenzen der Übertragungsfähigkeit von kraftschlüssigen Verbindungen zwischen den Fügepartnern, bestimmt durch die Gültigkeit des Coulombschen Reibungsgesetzes, durch den Einsatz reibungserhöhender Beschichtungen in neue Größenordnungen zu verschieben.Against this background, there is a constant effort in research and industry to shift the limits of the transferability of non-positive connections between the joining partners, determined by the validity of Coulomb's friction law, by the use of friction-increasing coatings in new sizes.

Die ersten Überlegungen im Hinblick auf reibungserhöhende Beschichtungen gehen zurück auf die Frühzeiten des Maschinenbaus. So wurde schon 1860 empfohlen, Sand in den Fügespalt von Schrumpfverbindungen zu streuen, um den Sitz von Zahnrädern und Wellen zu verbessern.The first considerations with regard to friction-increasing coatings go back to the early days of mechanical engineering. As early as 1860, it was recommended to spread sand into the joint gap of shrink joints in order to improve the fit of gears and waves.

Dieses Verfahren ist insbesondere angesichts der gesteigerten Anforderungen in Bezug auf Toleranzen und Reproduzierbarkeit von Serienbauteilen auf den heutigen Maschinenbau nicht mehr anwendbar.This method is no longer applicable to today's mechanical engineering, especially in view of the increased demands in terms of tolerances and reproducibility of series components.

Ein weiteres Prinzip zur Erhöhung der Übertragungsfähigkeit kraftschlüssiger Verbindungen geht davon aus, dass einer der beiden zu verbindenden Fügepartner zur Erhöhung der Haftreibung direkt mit einer reibungserhöhenden Schicht belegt wird.Another principle for increasing the transfer capability of non-positive connections is based on the assumption that one of the two joining partners to be joined is directly coated with a friction-enhancing layer to increase the static friction.

So ist zum Beispiel aus der DE 23 64 275 bekannt, auf eine der zwei zusammenwirkenden Flächen eine Hartstoffkörper enthaltende Schicht durch Aufdampfen, Aufspritzen, Aufsintern oder Diffusion eines Fremdstoffs in die Bauteiloberfläche aufzubringen. In der Veröffentlichung „Oberflächenschichten für kraftschlüssige Momentübertragung” von H. Peeken, J. Lukschandel et al. in Antriebstechnik (20), 1981 , wird auf galvanotechnischem Wege durch gemeinsame Abscheidung feiner Hartstoffkörner mit einer metallischen Bindephase auf Nickel/Phosphor-Basis eine reibungserhöhende Beschichtung erzielt. Die Haftreibung einer Welle-Nabe-Schrumpfverbindung wird dadurch mehr als verdoppelt. Diese Schichten ermöglichen bei Umlaufbiegebelastung sogar noch bessere Haftbeiwerte als bei rein statischer Beanspruchung.So is for example from the DE 23 64 275 It is known to apply a hard material-containing layer to one of the two interacting surfaces by vapor deposition, spraying, sintering or diffusion of a foreign substance into the component surface. In the publication "Surface Layers for Non-positive Momentum Transfer" by H. Peeken, J. Lukschandel et al. in drive technology (20), 1981 , is achieved by galvanic deposition by co-deposition of fine hard grains with a metallic binder phase on nickel / phosphorus-based friction-enhancing coating. The static friction of a shaft-hub-shrink connection is thereby more than doubled. These layers allow for even better adhesion coefficients with circumferential bending stress than with purely static loading.

Diese Verfahren, nur eine der zu fügenden Fläche mit einer reibungserhöhenden Beschichtung zu versehen, haben den Nachteil, dass die reibungserhöhende Beschichtung aus Verfahrensgründen nicht auf beide Fügepartner aufgebracht werden kann.These methods, to provide only one of the surface to be joined with a friction-increasing coating, have the disadvantage that the friction-increasing coating can not be applied to both joining partners for procedural reasons.

Weitere Nachteile dieser Verfahren sind in deren technischer Machbarkeit zu sehen, denn große komplexe Baugruppen oder Teile, die an großen Elementen angeordnet sind, lassen sich nicht so selektiv veredeln, wie es aus fügetechnischer Sicht geboten ist.Other disadvantages of these methods are to be seen in their technical feasibility, because large complex assemblies or parts that are arranged on large elements, can not be so selectively refine, as required from a joining technical point of view.

Um dieses Problem zu umgehen, wurden die zu fügenden Werkstücke über ein im Fügespalt befindliches Konstruktionselement kraftschlüssig verbunden, das aus einem Trägermaterial und darauf mittels verschiedener Verfahren aufgebrachten Hartstoffpartikeln besteht.To circumvent this problem, the workpieces to be joined were non-positively connected via a construction element located in the joint gap, which consists of a carrier material and hard material particles applied thereto by means of various methods.

So ist aus dem Patent CH-PS 192 197 bekannt, Papier oder Leinen als flexibles Trägermaterial für eine beidseitig aufgebrachte, Hartstoffpartikel enthaltende Schicht zu verwenden.So is from the patent CH-PS 192 197 known to use paper or linen as a flexible carrier material for a coating applied on both sides, containing hard material particles layer.

Als Wirkmechanismus für die Erhöhung der Haftung wird ein mechanisches Übereinanderschieben keilförmiger Hartstoffpartikel durch Relativbewegung der zuverbindenden Bauteile beschrieben.As a mechanism of action for increasing the adhesion, a mechanical superimposition of wedge-shaped hard material particles by relative movement of the components to be joined is described.

Auch die JP 6-147206 offenbart Papier oder Leinen als flexibles Trägermaterial für Hartstoffkörner.Also the JP 6-147206 discloses paper or linen as a flexible carrier material for hard grains.

Die in den Schriften genannten Konstruktionselemente sind nicht in der Lage, hohe Querkräfte zu übertragen. Sie sind damit für viele Anwendungen ungeeignet.The design elements mentioned in the documents are not able to transmit high lateral forces. They are therefore unsuitable for many applications.

Ferner ist in der US-A-4 525 098 , US-A-4 154 276 , US-A-3 828 515 oder US-A-3 692 341 beschrieben, ein leicht verformbares Material geringer Eigenfestigkeit mit darauf aufgebrachten Hartstoffkörner im Fügespalt kraftschlüssiger Verbindungen zu positionieren. Beim Fügen bzw. Verpressen der Bauteile dringen die Hartstoffpartikel in beide Oberflächen ein und übertragen die auftretenden Querkräfte direkt, ohne dass der Trägerfilm an dieser Kraft-übertragung beteiligt ist.Furthermore, in the US-A-4 525 098 . US-A-4 154 276 . US-A-3,828,515 or US-A-3,692,341 described to position an easily deformable material low intrinsic strength with it applied hard grains in the joint gap frictional connections. When joining or pressing the components penetrate the Hard material particles in both surfaces and transmit the occurring shear forces directly, without the carrier film is involved in this force transmission.

Derartige Verbindungen haben zwar den Vorteil, fallweise wieder lösbar zu sein, jedoch bleiben die in die Fügeflächen eingedrungenen Partikel unkontrollierbar in einer der Oberflächen der Fügepartner stecken. Die reproduzierbare Wiederverwendung der einmal gelösten Verbindung ist dadurch nicht möglich.Although such compounds have the advantage of being releasable on a case by case basis, however, the particles which have penetrated into the joining surfaces remain uncontrollably stuck in one of the surfaces of the joining partners. The reproducible reuse of the once dissolved compound is not possible.

Eine weitere Möglichkeit ist in der DE 31 49 596 A1 offenbart, bei der eine Verbindung mit Hilfe grober Hartstoffkörper hergestellt wird. Es ist die Verwendung einer elastischen Trägerfolie aus einem verformbaren Material beschrieben, die selbst nicht an der Kraftübertragung teilnimmt.Another option is in the DE 31 49 596 A1 disclosed in which a compound is prepared by means of coarse hard body. It is described the use of an elastic support film made of a deformable material that does not participate in the transmission itself.

Nachteiligerweise ist diese Verbindung unlösbar und ermöglicht somit keine reversible Verbindung der zu fügenden Werkstücke.Disadvantageously, this connection is insoluble and thus does not allow a reversible connection of the workpieces to be joined.

Lösbare Verbindungen unter Verwendung von Hartstoffpartikeln zur Erhöhung von Kraftübertragungen bzw. zur Erhöhung des Reibwerts zwischen zwei Wellen unter Verwendung eines integralen Bauteils sind aus der DE 32 37 096 A1 vorbekannt. Dort werden zwei Wellen verbunden, zwischen denen eine Scheibe angeordnet ist, wobei die beiden Wellen durch den Druck einer Spannschraube drehfest mit einander verbunden sind. Die das integrale Konstruktionselement bildende Scheibe weist an Ihrer Substratoberfläche sogenannte Schmirgelschichten auf, die mittels einer Nickelschicht befestigt sind. Die in dieser Nickelschicht eingelagerten Hartstoffpartikel dringen durch den Druck der Schraube in die Oberflächen der Wellen ein und bilden somit eine drehfeste Verbindung zwischen diesen Teilen.Soluble compounds using hard particles to increase power transmission or to increase the coefficient of friction between two waves using an integral component are known from DE 32 37 096 A1 previously known. There, two shafts are connected, between which a disc is arranged, wherein the two shafts are rotatably connected by the pressure of a clamping screw with each other. The disk forming the integral structural element has so-called emery layers on its substrate surface, which are fastened by means of a nickel layer. The embedded in this nickel layer hard particles penetrate by the pressure of the screw in the surfaces of the waves and thus form a rotationally fixed connection between these parts.

Das Prinzip der Erhöhung des Reibwerts über den sogenannten „Mikroformschluss” ist ausführlich in der DE 94 02 867 U1 offenbart. Dort offenbart ist ein Halteelement für Werkzeuge, Werkstücke oder Maschinenelemente etc., mit dem auch bei geringen Anpresskräften ausserordentlich große Haltekräfte und -momente übertragen werden können und mit dem eine besonders steife, lösbare Verbindung zwischen Teilen in jeder beliebigen Lage der Teile zueinander erreicht wird.The principle of increasing the coefficient of friction over the so-called "microforming" is detailed in the DE 94 02 867 U1 disclosed. There disclosed is a holding element for tools, workpieces or machine elements, etc., with which even at low contact forces exceptionally large holding forces and moments can be transmitted and with a particularly rigid, releasable connection between parts in any position of the parts is achieved.

Dazu weist die Andruckfläche einen Haftbelag aus Diamantkörnern auf, die aus einer Bindemetallschicht aus einer galvanisch aufgetragenen Nickelbeschichtung am Halteelement herausragen. Die Diamantkörner verformen beim Anpressen der Andruckfläche gegen die Gegenfläche diese nur im elastischen Bereich. Durch diese Mikroverformung in der Gegenfläche ist der Reibbeiwert zwischen dieser und der Andruckfläche ausserordentlich hoch, denn durch die in die Mikroverformungen hineinragenden Kornspitzen entsteht zwischen der Andruckfläche und der Gegenfläche eine Art formschlüssige Verbindung mit geometrisch unbestimmten Elementen.For this purpose, the pressure surface on an adhesive coating of diamond grains, which protrude from a binder metal layer of a galvanically applied nickel coating on the holding element. The diamond grains deform when pressing the pressure surface against the counter surface this only in the elastic range. By this micro deformation in the mating surface of the coefficient of friction between this and the pressure surface is extremely high, because by the protruding into the micro-deformations grain peaks between the pressure surface and the counter surface creates a kind of positive connection with geometrically indeterminate elements.

In jüngster Zeit hat die Entwicklung in Richtung der maximalen Leistungsdichte von Maschinenbauteilen insbesondere in der Automobilindustrie dazu geführt, dass auch bei kritischen Teilen auf dem Gebiet der Motorenentwicklung, beispielsweise bei stark torsionsbelasteten Verbindungen zwischen Kurbelwelle und Schwingungsdämpfer samt Synchronisationsscheibe, die Leistungssteigerungen der Motoren von bis zu 30% nur mit solchen kraftschlüssigen Fügeverbindungen unter Verwendung von mit Hartstoffen beschichteten Konstruktionselemente erzielt werden konnten.Recently, the development in the direction of maximum power density of machine components, especially in the automotive industry has meant that even with critical parts in the field of engine development, for example in highly torsionally loaded connections between the crankshaft and vibration damper including synchronization disc, the performance increases of up to 30% could be achieved only with such frictional joint connections using structural elements coated with hard materials.

Ein für diesen Verwendungszweck speziell entwickeltes Konstruktionselement ist in der EP 0 961 038 B1 beschrieben. Es besteht aus einer federelastischen Folie aus metallischem Material, wobei die federelastische Folie an ihrer Oberfläche Hartstoffpartikel definierter Größe aufweist, die mittels einer Nickel/Phosphor-Schicht fixiert sind.A specially designed for this purpose construction element is in the EP 0 961 038 B1 described. It consists of a spring-elastic foil of metallic material, wherein the elastic foil has on its surface hard material particles of defined size, which are fixed by means of a nickel / phosphorus layer.

Die auf diesem Konstruktionselement aufgebrachte, reibungserhöhende Diamantbeschichtung wird unter der Bezeichnung EKAGRIP® vertrieben.The load applied to this structural element, friction diamond coating is sold under the name EKagrip ®.

Des Weiteren wird in der EP 0 961 038 B1 ein Formkörper beansprucht, umfassend 2 Werkstücke sowie das zuvor genannte Konstruktionselement, wobei die Eigenfestigkeit der federelastischen Folie mindestens so hoch ist wie die Eigenfestigkeit der zu fügenden Werkstücke; die Hartstoffpartikel aus einem Material mit einer Druck- und Scherfestigkeit bestehen, welche jene der zu fügenden Werkstücke übertrifft; und die Partikel in einer Bindephase mit einer Festigkeit eingebettet sind, die jener der zu fügenden Flächen der Werkstücke zumindest entspricht.Furthermore, in the EP 0 961 038 B1 a shaped body claimed, comprising 2 workpieces and the aforementioned construction element, wherein the inherent strength of the elastic film is at least as high as the intrinsic strength of the workpieces to be joined; the hard particles consist of a material with a compressive and shear strength which exceeds that of the workpieces to be joined; and the particles are embedded in a binder phase having a strength at least equal to that of the surfaces of the workpieces to be joined.

Die wesentlichen Nachteile der in der EP 0 961 038 B1 offenbarten Konstruktionselemente sind in dem Artikel „Reibungserhöhende Oberflächenschichten für Torsionsbelastungen” von E. Leidich, J. Lukschandel et al., Antriebstechnik (40), 2001, S. 53–57 , beschrieben. Dort ist u. a. ausgeführt, dass die mit EKAGRIP® beschichteten federelastischen Konstruktionselemente bei einer Flächenpressung mit 100 MPa während der Torsionsbelastung zum Bruch neigen. The main disadvantages of in the EP 0 961 038 B1 disclosed construction elements are in the article "Friction-enhancing surface layers for torsional stresses" by E. Leidich, J. Lukschandel et al., Antriebstechnik (40), 2001, pp. 53-57 , described. There it is stated, among other things, that the elastomeric construction elements coated with EKAGRIP ® tend to break during a surface pressure of 100 MPa during torsional loading.

Des Weiteren wird über Mikrorisse in der federelastischen Folie berichtet, die über das Eindringen der Diamantpartikel in die „vergleichsweise weiche” federelastische Stahlfolie induziert werden. Auch hier besteht die Gefahr eines Bruches infolge fortwährender Torsionsschubspannungen.Furthermore, microcracks in the elastic film are reported, which are induced by the penetration of the diamond particles into the "comparatively soft" elastic steel foil. Again, there is a risk of breakage due to continuous torsional shear stresses.

Ein durch einen Mikroriss oder sogar Bruch eines solchen Konstruktionselements verursachtes Versagen würde unweigerlich einen kapitalen Motorschaden bewirken. Angesichts der sich immer verschärfenden Produkt- und Produzentenhaftung ist ein solches Risiko für die Automobilindustrie nicht tragbar.A failure caused by a microcrack or even fracture of such a structural element would inevitably cause a major engine failure. In view of the ever stricter product and producer liability, such a risk is not sustainable for the automotive industry.

Eine weitere Lösung beschreibt die EP 1 564 418 B1 . Hier werden im Gegensatz zur EP 0 961 038 B1 nicht federelastische, sondern elastisch plastische Stahlfolien sowie keine arrondierten bzw. sphärischen Hartstoffpartikel (wie z. B. Diamantkörner) in der Bindemittelmatrix verwendet, um die Gefahr von Mikrorissen oder Brüchen zu minimieren.Another solution describes the EP 1 564 418 B1 , Here, in contrast to EP 0 961 038 B1 not elastic, but elastic plastic steel foils and no rounded or spherical hard particles (such as diamond grains) are used in the binder matrix to minimize the risk of microcracks or fractures.

Sowohl dem Erfindungsgedanken der EP 0 961 038 B1 als auch dem der EP 1 564 418 B1 liegt zugrunde, dass das Stahlsubstrat, auf dem die Hartstoffpartikel mittels einer chemischen Nickelschicht aufgebracht sind, über eine Eigenfestigkeit verfügen, die nicht unter der der zu fügenden Werkstücke liegt.Both the inventive idea of EP 0 961 038 B1 as well as the EP 1 564 418 B1 is based on the fact that the steel substrate on which the hard particles are applied by means of a chemical nickel layer, have an intrinsic strength that is not lower than that of the workpieces to be joined.

Dieses Merkmal soll bewirken, dass die Hartstoffpartikel sich bei großen Kraftübertragungen bzw. Anpressdrücken nicht in das Stahlsubstrat, sondern in das zu fügende Werkstück (Gegenkörper) eindrücken.This feature is intended to ensure that the hard material particles do not press into the steel substrate but into the workpiece to be joined (counter-body) during large force transmissions or contact pressures.

Auf diese Art und Weise soll ein Mikroverzahnungseffekt erzielt werden, der letztlich zu einer erhöhten Kraftübertragung führt – anschauliche Beispiele für diesen Mikroverzahnungseffekt sind in dem Artikel von Peeken, Lukschandel und Paulick, „Oberflächenschichten für kraftschlüssige Momentübertragung”, in „ant – Antriebstechnik, Januar/Februar 1981” zu finden, beispielsweise auf den Bildern 1 und 10 bis 14. Das fehlende Eindringen der Hartstoffpartikel in das Stahlsubstrat wird als Hauptargument für eine Verringerung der Gefahr von Mikrorissen genannt.In this way, a micro-gearing effect is to be achieved, which ultimately leads to an increased power transmission - illustrative examples of this micro-gearing effect are in the article of Peeken, Lukschandel and Paulick, "Surface layers for non-positive torque transmission", in "ant - Antriebstechnik, January / February 1981" The lack of penetration of the hard material particles into the steel substrate is mentioned as the main argument for reducing the risk of microcracks.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Konstruktionselements, welches im Hinblick auf den geschilderten Stand der Technik eine vergleichsweise kraftschlüssige Verbindung torsionsschubbelasteter Bauteile ohne die Gefahr einer Bruchbildung unter den im Artikel von E. Leidich, J. Lukschandel et al. beschriebenen Testbedingungen ermöglicht, das aber des Weiteren hinsichtlich der Auswahl an Hartstoffpartikeln keine Einschränkungen erfordert. Die vorliegende Erfindung soll ein breiteres und individuell abgestimmteres Anwendungsspektrum für den jeweiligen Anwendungszweck ermöglichen.Object of the present invention is to provide a construction element, which in view of the described prior art, a relatively frictional connection torsionsschubbelasteter components without the risk of breakage under the in the article of E. Leidich, J. Lukschandel et al. described test conditions, but further requires no restrictions on the selection of hard material particles. The present invention is intended to allow a broader and more personalized application spectrum for the particular application.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Konstruktionselement der eingangs genannten Art, d. h. einem Konstruktionselement zur reibungserhöhenden spielfreien reversiblen Verbindung von zu fügenden Werksstücken, bestehend aus einem Substrat, das an seiner Oberfläche Hartstoffpartikel definierter Größe aufweist, wobei die Hartstoffpartikel mittels einer metallischen Bindephase aus einer chemisch abgeschiedenen Nickel/Phosphorlegierung auf dem Substrat fixiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Eigenfestigkeit aufweist, die geringer ist, als die der zu fügenden Werkstücke aufweist.This object is achieved by a construction element of the type mentioned, d. H. a construction element for friction-increasing play-free reversible connection of workpieces to be joined, consisting of a substrate having on its surface hard material particles of defined size, wherein the hard material particles are fixed by means of a metallic binder phase of a chemically deposited nickel / phosphorus alloy on the substrate, characterized in that the substrate has an inherent strength which is lower than that of the workpieces to be joined.

Mit dieser Lösung ist es erstmals möglich, auch arrondierte bzw. sphärische Hartstoffpartikel (wie z. B. Diamantkörner) als Hartstoffe und „weiche” Substrate zu verwenden, ohne dass bei entsprechenden Versuchen die Gefahr einer Bruchbildung beobachtet wurde.This solution makes it possible for the first time to use rounded or spherical hard-material particles (such as diamond grains) as hard materials and "soft" substrates, without the risk of breakage being observed in corresponding experiments.

Ein solches erfindungsgemäßes Konstruktionselement ermöglicht im Vergleich zur EP 1 564 418 ähnliche Reibwerterhöhungen. Auch unter einer Vorspannung von 100 MPa zeigte eine erfindungsgemäße 0,1 mm dicke Scheibe, die mit 107 Lastwechseln dynamisch vorbelastet wurde, unter den zuvor geschilderten Testbedingungen keinen Bruch.Such a construction element according to the invention allows in comparison to EP 1 564 418 similar friction increases. Even under a preload of 100 MPa showed a 0.1 mm thick disc according to the invention, which was dynamically biased with 10 7 load changes, under the test conditions described above no break.

Bei hochbelasteten Verbindungen im Maschinenbau handelt es sich bei den zu fügenden Werkstücken üblicherweise um solche mit einer Eigenfestigkeit von mehr als 500 N/mm2, insbesondere von mehr als 700 N/mm2. Beispiele für solche Werktoffe sind Stähle verschiedener Legierungen und Oberflächenbehandlungen, je nach gewünschter Einsatzart.For highly stressed compounds in mechanical engineering, the workpieces to be joined are usually those having an intrinsic strength of more than 500 N / mm 2 , in particular more than 700 N / mm 2 . Examples of such materials are steels of various alloys and surface treatments, depending on the desired application.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Substrate haben dementsprechend eine geringere Eigenfestigkeit, besonders bevorzugt sind Substrate mit einer Eigenfestigkeit von weniger als 400 N/mm2, insbesondere von weniger als 200 N/mm2. In einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform hat das Substrat eine Eigenfestigkeit von weniger als 80% der zu fügenden Werkstücke, um die Bruchbildung wirksam zu verringern. Accordingly, the substrates to be used according to the invention have a lower inherent strength, particularly preferred are substrates having an intrinsic strength of less than 400 N / mm 2 , in particular less than 200 N / mm 2 . In a further, likewise preferred embodiment, the substrate has an intrinsic strength of less than 80% of the workpieces to be joined, in order to effectively reduce the formation of cracks.

Es ist überraschend und nicht vorhersehbar, dass das erfindungsgemäße Beschichtungselement überhaupt zu einer Erhöhung der Reibeigenschaft führt und ein Mikroverzahnungseffekt bei den zu fügenden Werkstücken selbst bei einem Substrat mit einer wesentlich geringeren Eigenfestigkeit zu beobachten ist. Denn sowohl die EP 0 961 038 B1 als auch die EP 1 564 418 B1 lehren, dass die Eigenfestigkeit des Substrats mindestens so hoch sein muss, wie die der zu fügenden Werkstücke um ein Eindringen der Hartstoffpartikel in das dort offenbarte Metallsubstrat zu verhindern.It is surprising and unpredictable that the coating element according to the invention even leads to an increase in the friction property and a micro-toothing effect can be observed in the workpieces to be joined, even in the case of a substrate having a substantially lower intrinsic strength. Because both the EP 0 961 038 B1 as well as the EP 1 564 418 B1 teach that the intrinsic strength of the substrate must be at least as high as that of the workpieces to be joined to prevent penetration of the hard material particles into the metal substrate disclosed therein.

Die genauen Hintergründe dieser entscheidenden Eigenschaft des erfindungsgemäßen Konstruktionselements sind noch nicht geklärt. Erste Untersuchungen zeigen aber, dass der Bindemittelphase aus der auf dem Substrat abgeschiedenen chemischen Nickelschicht eine entscheidende Bedeutung zukommt.The exact background of this crucial property of the construction element according to the invention are not yet clear. Initial studies show, however, that the binder phase from the deposited on the substrate chemical nickel layer plays a crucial role.

Bisher wurde eine chemisch abgeschiedene Nickelschicht aufgrund ihrer besonders konturenscharfen und -getreuen Abbildung in sehr engen Toleranzen und der Eigenschaften der resultierenden Matrix (höhere Härte, verbesserte Duktilität, sowie im Hinblick auf die hohen mechanischen Anforderungen im Bereich von Wellen/Naben-Verbindungen wesentlich günstigeres Elastizitätsmodul) ausgewählt.So far, a chemically deposited nickel layer due to their particularly sharp contours and faithful reproduction in very close tolerances and the properties of the resulting matrix (higher hardness, improved ductility, and in view of the high mechanical requirements in the range of shaft / hub connections much more favorable elastic modulus ).

Die Ergebnisse mit arrondierten Diamantkörnern zeigen, dass möglicherweise die scharfkantige Verzahnung der Hartstoffpartikel in den Gegenkörper (Mikroformschluss) mehr ein theoretisches Denkmodell ist. Möglicherweise genügt bereits ein vergleichsweises „sanftes Eindrücken” nicht scharfkantiger Hartstoffpartikel in die ebene Oberfläche des zufügenden Werkstücks, um eine wirksame und erhöhte Kraftübertragung im Sinne des Standes der Technik zu gewährleisten.The results with rounded diamond grains show that possibly the sharp-edged toothing of the hard particles in the counterbody (microforming) is more of a theoretical thinking model. Possibly already sufficient a comparative "gentle impressions" not sharp-edged hard particles in the flat surface of the Zufügenden workpiece in order to ensure an effective and increased power transmission in the context of the prior art.

Die Verwendung von nicht scharfkantigen Hartstoffpartikeln hat einen besonderen Vorteil: Auch nach mehrmaligen Lösen und Wiederverbinden unter Verwendung des erfindungsgemäßen Konstruktionselements werden deutlich weniger Hartstoffpartikel aus der Bindemittelmatrix herausgerissen und bleiben in dem zu fügenden Werkstück stecken.The use of non-sharp-edged hard material particles has a particular advantage: Even after repeated loosening and reconnecting using the construction element according to the invention, significantly less hard material particles are torn out of the binder matrix and remain stuck in the workpiece to be joined.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat ein Metallsubstrat aus einem Leichtmetall oder dessen Legierungen, Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einer Edelstahllegierung.According to a particularly preferred embodiment, the substrate is a metal substrate made of a light metal or its alloys, aluminum, an aluminum alloy or a stainless steel alloy.

Damit sind erstmals Materialien verwendbar, die neben den in dem Stand der Technik beschriebenen Stahlsubstraten weitere besondere Eigenschaften mitbringen. Leichtmetall- oder Aluminiumsubstrate haben einen erheblichen Vorteil in Bezug auf die langfristigen Korrosionseigenschaften. Substrate aus Edelstahl hingegen zeichnen sich durch ihre besonderen Zähigkeitseigenschaften aus.For the first time, materials can be used which, in addition to the steel substrates described in the prior art, bring along further special properties. Alloy or aluminum substrates have a significant advantage in terms of long-term corrosion properties. Stainless steel substrates, on the other hand, are characterized by their special toughness properties.

Ganz besonders bevorzugt ist das Metallsubstrat aus einer kupferhaltigen Aluminiumlegierung ausgewählt, insbesondere aus den Legierungen AlSiCu 1,5 (7050) bzw. AlZnMgCu1,5 (7075) ENAW7075, AlZn4,5Mg1 (7020) 3.445 AW7020, AlCU4Mg1 (2024) ENAW2024 oder X5CrNiMo1808 (4301). Hier werden insbesondere Korrosionseigenschaften mit mechanischer Zähigkeit gepaart. Gemäß einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat ein Kunststoff, insbesondere eine polyestergebundener Duroplast, auf dem eine Metallschicht aufgebracht ist. Metallschichten auf ein Kunststoffsubstrat aufzubringen sind an sich bekannter Stand der Technik. Ganz besonders bevorzugt wird erfindungsgemäß ein Metallisierungsverfahren, bei dem die Kunststoffoberfläche gezielt aufgeraut und anschließend über verschiedene Schritte metallisiert wird. Dieses spezielle Verfahren ist unter dem Namen METACOATO der Fa. AHC Oberflächentechnik bekannt – in dieser Hinsicht wird Bezug genommen auf die Anmeldungen WO 2004/092436 A1 , WO 2004/092256 A1 , WO 2004/092445 A1 , WO 2004/092444 A1 und WO 2004/091906 A1 , deren Offenbarung hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird. Der wesentliche Vorteil bei Verwendung metallisierter Kunststoffsubstrate nach dem METACOATO-Verfahren ist, dass eine äußerst haftfeste Metallschicht erreicht wird und dass die Schubspannung darstellbar ist.Most preferably, the metal substrate is selected from a copper-containing aluminum alloy, in particular from the alloys AlSiCu 1.5 (7050) or AlZnMgCu1.5 (7075) ENAW7075, AlZn4.5Mg1 (7020) 3.445 AW7020, AlCU4Mg1 (2024) ENAW2024 or X5CrNiMo1808 ( 4301). In particular, corrosion properties with mechanical toughness are paired here. According to a further, likewise preferred embodiment, the substrate is a plastic, in particular a polyester-bonded thermoset, on which a metal layer is applied. Apply metal layers on a plastic substrate are known in the art. Very particularly preferred according to the invention is a metallization process in which the plastic surface is roughened in a targeted manner and subsequently metallized by means of various steps. This special process is known under the name METACOAT O from the company AHC Oberflächentechnik - in this regard, reference is made to the applications WO 2004/092436 A1 . WO 2004/092256 A1 . WO 2004/092445 A1 . WO 2004/092444 A1 and WO 2004/091906 A1 , the disclosure of which is hereby incorporated into this application. The main advantage of using metallized plastic substrates according to the METACOAT O method is that an extremely adherent metal layer is achieved and that the shear stress can be represented.

Entsprechend einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat ein Metallsubstrat aus einer Messing- oder Bronze-Legierung. Das so erhältliche erfindungsgemäße Konstruktionselement wird überall dort verwendet, wo nicht-magnetische Eigenschaften eine besondere Bedeutung spielen.According to a further, likewise preferred embodiment, the substrate is a metal substrate made of a brass or bronze alloy. The construction element according to the invention which is obtainable in this way is used wherever non-magnetic properties play a special role.

Die Hartstoffpartikel sind aus ausgewählt aus der Gruppe aus Diamant, Siliciumcarbid oder Tetraborcarbid. Die geometrische Form ist nicht entscheidend. Es können sowohl scharfkantige als auch arrondierte Hartstoffpartikel erfindungsgemäß verwendet werden. Arrondierte Partikel sind dann zu bevorzugen, wenn die zu fügende Verbindung mehrmals gelöst werden soll. Bei nicht oder nur selten zu lösenden Verbindungen können auch scharfkantige Partikel verwendet werden, die – im Gegensatz zu arrondierten Partikeln – industriell gängiger verfügbar und günstiger sind. The hard material particles are selected from the group of diamond, silicon carbide or tetraborcarbide. The geometric shape is not critical. Both sharp-edged and rounded hard material particles can be used according to the invention. Rounded particles are to be preferred if the compound to be joined is to be dissolved several times. In the case of connections which are not or only rarely solvable, it is also possible to use sharp-edged particles which, in contrast to rounded particles, are more industrially available and cheaper.

Die Hartstoffpartikel haben bevorzugterweise einen Durchmesser von nicht mehr als 19 μm. Dieser Durchmesser ist eine Obergrenze für noch ausreichende Kraftübertragung und einem wirksamen Verhindern des Eindringens der Hartstoffpartikel in das Metallsubstrat im Sinne der Erfindung. Bevorzugt werden solche Hartstoffpartikel verwendet, deren mittlere Korngrößenverteilung zwischen 19 und 14 μm ± 1,5 liegt. Als Messverfahren können Siebverfahren, Laserdiffraktometrie oder mikroskopische Auswertungen verwendet werden, um die Korngrößen zu bestimmen.The hard material particles preferably have a diameter of not more than 19 μm. This diameter is an upper limit for still sufficient force transmission and an effective prevention of the penetration of the hard material particles into the metal substrate in the sense of the invention. Preferably, such hard material particles are used whose mean particle size distribution is between 19 and 14 .mu.m ± 1.5. Screening methods, laser diffractometry or microscopic evaluations can be used as measuring methods to determine the particle sizes.

Das erfindungsgemäße Metallsubstrat hat in einer bevorzugten Ausführungsform eine Dicke von weniger als 0,5 mm, insbesondere von weniger als 0,2 mm. Hierdurch wird ein einfacher Austausch mit bekannten Konstruktionselementen des Standes der Technik ermöglicht, ohne dass konstruktive Änderungen an den zu fügenden Werkstücken vorgenommen werden müssen. Dies ist zum Beispiel beim Motorenbau und in der Automobilindustrie von erheblichem Vorteil, denn Änderungen um bereits 0,1 mm bedürfen meistens einer kompletten Überarbeitung des entsprechenden Bauteils.In a preferred embodiment, the metal substrate according to the invention has a thickness of less than 0.5 mm, in particular less than 0.2 mm. As a result, a simple exchange with known construction elements of the prior art is made possible without structural changes to the workpieces to be joined must be made. This is of considerable advantage, for example, in engine construction and in the automotive industry, because changes by as much as 0.1 mm usually require a complete overhaul of the corresponding component.

Die Oberfläche des Metallsubstrats des erfindungsgemäßen Konstruktionselements ist vorzugsweise nicht mehr als 30%, und insbesondere nicht weniger als 3%, mit harten Partikeln belegt. Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die Bedeckung des Metallfsubstrats mit Hartstoffpartikel zwischen 5 und 15% der gesamten Oberfläche, die mit der reibungserhöhenden Matrix überzogen ist.The surface of the metal substrate of the constructional element of the invention is preferably not more than 30%, and more preferably not less than 3%, coated with hard particles. According to a particularly preferred embodiment of the present invention, the coverage of the metal substrate with hard particles is between 5 and 15% of the total surface area coated with the friction-enhancing matrix.

Es ist aber auch möglich, in die Bindephase und Hartstoffe aufweisende Matrix weitere Hartstoffe nach bewährten Verfahrensmustern des Standes der Technik einzubringen.However, it is also possible to incorporate into the binder phase and hard materials matrix further hard materials according to proven process patterns of the prior art.

Diese Verfahrensvariante ist dann zu bevorzugen, wenn das erfindungsgemäße Konstruktionselement neben den zuvor geschilderten Eigenschaften noch weitere spezielle Eigenschaften aufweisen soll, insbesondere wenn die Oberflächenbeschaffenheit des Fügepartners dies erfordern würde.This method variant is to be preferred if the construction element according to the invention, in addition to the properties described above, should have further special properties, in particular if the surface condition of the joining partner would require this.

Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Konstruktionselement eine Napfform auf. Diese Ausführungsform hat den besonderen Vorteil, dass der Beschichtungsvorgang des Grundsubstrats mit der Dispersionsschicht aus Nickel und Hartstoffpartikeln nicht mit einer Einzelklemmung durchgeführt werden muss, sondern eine Beschichtung vieler Konstruktionselemente im Trommelverfahren möglich ist, ohne dass hier die ansonsten zu beobachtenden Defizite hinsichtlich der ausreichenden Beschichtungsqualität zu beobachten sind. Als Napfform werden hier und im folgenden alle Formen bezeichnet, die Bauteilflächen außerhalb der zwischen den Fügepartnern angeordneten beschichteten Flächen des erfindungsgemäßen Konstruktionselements aufweisen, insbesondere solche, die die Form eines „Bechers” aufweisen, also der die Ränder mindestens eines der Fügepartien umschließt. Diese aus der Ebene der Fügefläche herausragenden Bauteilflächen können beispielsweise als Fahnen oder sonstige Ränder oder Begrenzungen bildende Ausgestaltungen sein. Solche Bauteilflächen sind an sich bekannt, wurden jedoch ausschließlich zur einfacheren reversiblen Fixierung auf dem zu fügenden Werkstück verwendet, nicht jedoch zur Verbesserung einer effektiveren Beschichtungsmethode ohne die ansonsten bekannten Beschichtungsdefizite in Kauf zu nehmen.According to a very particularly preferred embodiment of the present invention, the construction element has a cup shape. This embodiment has the particular advantage that the coating process of the base substrate with the dispersion layer of nickel and hard particles does not have to be carried out with a single clamping, but a coating of many construction elements in the drum process is possible, without here the otherwise observed deficiencies in terms of sufficient coating quality are watching. As a cup shape, all forms are here and hereinafter referred to have the component surfaces outside the arranged between the joining partners coated surfaces of the construction element according to the invention, in particular those which have the shape of a "cup", that surrounds the edges of at least one of the joining parts. These protruding from the plane of the joint surface component surfaces may be, for example, as flags or other edges or boundaries forming configurations. Such component surfaces are known per se, but have been used exclusively for easier reversible fixation on the workpiece to be joined, but not for the improvement of a more effective coating method without the otherwise known coating deficits in purchasing.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung des zuvor beschriebenen Konstruktionselements zur reibungserhöhenden spielfreien reversiblen Verbindung von mindestens zwei zu fügenden Werkstücken, insbesondere für Lenkgestänge oder Wellen/Naben-Verbindungen, ganz besonders bevorzugt im Automobil- bzw. Motorenbau.The present invention also relates to the use of the above-described construction element for friction-increasing play-free reversible connection of at least two workpieces to be joined, in particular for steering linkage or shaft / hub connections, very particularly preferably in automotive or engine construction.

Es lassen sich bei den chemischen NiP-Verfahren sehr gute Haftfestigkeiten auf dem Untergrund erzielen, die größtenteils besser sind als bei galvanischen Verfahren.In chemical NiP processes, very good bond strengths can be achieved on the substrate, which are for the most part better than in galvanic processes.

Eine möglichst hohe Reibungserhöhung der zu fügenden Werkstücke ist dann gegeben, wenn die Zahl der Partikel pro Flächeneinheit der Kontaktflächen der zu fügenden Werkstücke so gewählt ist, dass die zum Fügen der Werkstücke verfügbare Normalkraft ausreicht, um ein Eindrücken der Partikel in die Gegenfläche zu gewährleisten, ohne dass ein „Versinken” der Hartstoffpartikel in das Metallsubstrat zu beobachten ist.The highest possible increase in friction of the workpieces to be joined is given when the number of particles per unit area of the contact surfaces of the workpieces to be joined is selected so that the Joining the workpieces available normal force is sufficient to ensure an indentation of the particles in the mating surface without a "sinking" of the hard particles is observed in the metal substrate.

So ist ein möglichst optimaler Kraftschluss dann gegeben, wenn eine möglichst große Anzahl der auf der Oberfläche der Scheibe befindlichen Partikel ganz oder vollständig in das Gegenstück eingedrungen sind und die metallische Bindephase vollflächig am Gegenpartner anliegt.Thus, the best possible adhesion is given when the largest possible number of the particles located on the surface of the disc have completely or completely penetrated into the counterpart and the metallic binding phase is applied over its entire surface to the counter partner.

Zur Bestimmung der reibungserhöhenden Eigenschaften sowie der Bruchneigung der erfindungsgemäßen Konstruktionselemente wurden folgende Testuntersuchungen angewandt: The following test tests were used to determine the friction-increasing properties and the tendency to fracture of the construction elements according to the invention:

Dynamische UntersuchungDynamic examination

Das Hauptaugenmerk der Untersuchungen war auf die dynamischen Versuche gerichtet, wobei die zu untersuchenden Konstruktionselemente bei einer Flächenpressung von 100 MPa verwendet wurden. Es wurden drei unterschiedliche Belastungsvarianten ausgewählt:

  • • schwellende Torsion mit 107 Lastwechsel bei 80% des ermittelten Rutschmoments und danach Bestimmung des jeweiligen statischen Rutschmoments
  • • schwellende Torsion mit 107 Lastwechsel bei 80% des gemäß ermittelten Rutschmoments, Demontage der Verbindung, Wiedermontage der Verbindung, Belastung mit schwellender Torsion mit 107 Lastwechsel bei wiederum 80% des Rutschmoments und schließlich statisches Durchrutschen
  • • Bestimmung des dynamischen Rutschmoment durch stufenweise Last Steigerung
The main focus of the investigations was on the dynamic experiments, using the design elements under investigation at a surface pressure of 100 MPa. Three different load variants were selected:
  • • swelling torsion with 10 7 load changes at 80% of the determined slip torque and thereafter determination of the respective static slip torque
  • • swelling torsion with 10 7 load changes at 80% of the determined slip torque, disassembly of the connection, reassembly of the connection, load with swelling torsion with 107 load changes again with 80% of the slipping torque and finally static slippage
  • • Determination of the dynamic slip torque by incremental load increase

Jede Belastungsvariante wurde mit erfindungsgemäßen Konstruktionselementen und Konstruktionselementen gemäß der EP 1 564 418 B1 unter Einsatz der Werkstoffpaarungen 16MnCr5/16MnCr5 (jeweils einsatzgehärtet). Die Festigkeit der Oberfläche der einsatzgehärteten Prüfkörper (d. h. des Substrats der zu fügenden Werkstücke im Sinne der vorliegenden Erfindung) beträgt 840 N/mm2.Each load variant was used with construction elements and construction elements according to the invention according to the EP 1 564 418 B1 using the material pairings 16MnCr5 / 16MnCr5 (case hardened). The strength of the surface of the case-hardened specimens (ie, the substrate of the workpieces to be joined in the sense of the present invention) is 840 N / mm 2 .

Das Prinzip der Untersuchungen, d. h. der Lasteinleitung beim Torsionsversuch, ist in Darstellung 1 dargestellt. Das zu untersuchende Konstruktionselement wird zwischen beide Prüfkörper eingelegt. Durch die Vorspannkraft FV wird an der Scheibe die gewünschte Flächenpressung erzeugt. In das zu untersuchende Konstruktionselement wird nun ein Torsionsmoment TR eingeleitet.The principle of the investigations, ie the load introduction in the torsion test, is shown in illustration 1. The design element to be examined is inserted between both test specimens. By the biasing force F V , the desired surface pressure is generated on the disc. A torsional moment T R is now introduced into the construction element to be examined.

Wie sich schon aus dem Prinzip der Lasteinteilung ableiten lässt, sind die zwei wichtigsten Messgrößen die Vorspannkraft FV und das Torsionsmoment TR. Daneben ist auch die Aufzeichnung des Verdrehwinkels von Bedeutung, um den Augenblick des Durchrutschens genau erfassen zu können.As can already be deduced from the principle of load division, the two most important parameters are the preload force F V and the torsional moment T R. In addition, the recording of the angle of rotation is important in order to accurately detect the moment of slippage can.

Zur Durchführung der Versuche wurde der Torsionsprüfstand mit einer kraft- und wegsteuerbaren Hydraulikanlage verwendet. Die lineare Bewegung des Hydraulikkolbens wird über einen Hebel in eine Drehbewegung der Welle umgesetzt. Damit keine Querkräfte in die untersuchte Verbindung eingeleitet werden, ist vor die Messwelle noch eine biegeweiche Kupplung eingebaut worden. Die beiden zylindrischen Probekörper sind in der Torsionsmesswelle und in dem Aufnehmer eingespannt, wie schematisch in Darstellung 2 bzw. 3 gezeigt. Dazwischen wird das zu untersuchende Konstruktionselement eingelegt und die ganze Verbindung entsprechend der gewünschten Flächenpressung mit einer M14 Schraube axial vorgespannt. Die Kraftübertragung zwischen der Kupplung und der Meßwelle wird formschlüssig durch eine Passfederverbindung realisiert. Dasselbe Prinzip wird dann auch bei der Ableitung des Drehmoments ins Gestell genutzt.To carry out the experiments, the torsion test rig was used with a force and wegtrollbaren hydraulic system. The linear movement of the hydraulic piston is converted by a lever in a rotational movement of the shaft. So that no transverse forces are introduced into the examined connection, a flexible coupling has been installed in front of the measuring shaft. The two cylindrical specimens are clamped in the torsion measuring shaft and in the transducer, as shown schematically in Figures 2 and 3, respectively. In between, the design element to be examined is inserted and the entire connection is axially preloaded with an M14 screw in accordance with the desired surface pressure. The power transmission between the coupling and the measuring shaft is realized in a form-fitting manner by a feather key connection. The same principle is then used in the derivation of the torque in the frame.

Die Vorspannkraft FV wird mittels einer 200 kN Kraftmessdose gemessen. Zur Ermittlung des Drehmomentes wurden auf die speziell gefertigte Messwelle Dehnungsmeßstreifen in den Hauptspannungsrichtungen unter dem Winkel von 45° geklebt. Wie aus Darstellung 3 ersichtlich wird die Verdrehung zwischen den Prüfkörpern der zu untersuchenden Verbindung über einen Hebel mittels eines induktiven Wegtasters ermittelt. Zur Signalverstärkung und Weiterverarbeitung dient ein Mehrkanal-Messsverstärker sowie ein PC.The biasing force F V is measured by means of a 200 kN load cell. To determine the torque strain gauges were glued on the specially manufactured measuring shaft in the main stress directions at an angle of 45 °. As can be seen from illustration 3, the rotation between the test specimens of the test compound is determined by a lever by means of an inductive displacement sensor. For signal amplification and further processing is a multi-channel amplifier and a PC.

Versuchsdurchführung:Experimental procedure:

Dynamische VorbelastungDynamic preload

Das Versuchsprogramm legt bei der dynamischen Vorbelastung eine schwellende Torsion mit 107 Lastwechsel bei 80% des statischen Rutschmoments fest. Als statischer Referenzwert (100%) wurde der Mittelwert aus den statischen Vorversuchen angenommen. Die gelieferten Prüfkörper werden vor dem Versuch aus dem Schutzpapier ausgepackt und die mit dem beschichteten Substrat sich berührenden Funktionsflächen mit Entfetter gesäubert. Danach wird einer der Prüfkörper in die Messwelle und einer in den Aufnehmer eingelegt und mit einem Keil und einer M10-Schraube verspannt. Nun wird die Messwelle in den Prüfstand eingebaut. Auf die Vorspannschraube, die sich im Aufnehmer befindet, wird die Hülse mit geprüftem Element angezogen und die Verbindung zusammengesetzt. Die Vorspannkraft FV wird mittels einer M14-Schraube erzeugt und an der Kraftmessdose gemessen. Die erwünschte Flächenpressung von 100 MPa entspricht einer Vorspannkraft von FV = 31,4 kN. Der Versuchsstand steht jetzt für die Belastung bereit. Mit der Steuerung der servohydraulischen Anlage wird die mit 35 Hz pulsierende Kolbenkraft so eingestellt, dass das erforderliche schwellende Torsionsmoment dem Sollwert entspricht. Die Messgrößen (Vorspannkraft FV, Torsionsmoment TR und Verdrehwinkel φ) werden während der dynamischen Vorbelastung alle 180 Sekunden aufgenommen und die Werte im Rechner gespeichert (periodische Messung). Nach 107 Lastwechsel schaltet die Hydraulikanlage automatisch aus und die dynamische Vorbelastung ist beendet.The test program specifies a swelling torsion with 10 7 load changes at 80% of the static slip torque during dynamic preloading. The static reference value (100%) was taken as the mean value from the static preliminary tests. The supplied test specimens are unpacked before the test from the protective paper and with the coated substrate touching functional surfaces with Degreaser cleaned. Then one of the test specimens is inserted into the measuring shaft and one into the transducer and clamped with a wedge and an M10 screw. Now the measuring shaft is installed in the test bench. On the preload screw, which is located in the transducer, the sleeve is tightened with a tested element and the compound assembled. The biasing force F V is generated by means of an M14 screw and measured at the load cell. The desired surface pressure of 100 MPa corresponds to a preload force of FV = 31.4 kN. The test stand is now ready for the load. With the control of the servohydraulic system, the piston force pulsating at 35 Hz is adjusted so that the required swelling torsional moment corresponds to the setpoint. The measured quantities (preload force FV, torsional moment TR and torsion angle φ) are recorded every 180 seconds during dynamic preloading and the values are stored in the computer (periodic measurement). After 10 7 load changes, the hydraulic system switches off automatically and the dynamic preload is over.

Wiedermontagereassembly

Bei der Versuchsvariante mit Wiedermontage wird die Verbindung nach der dynamischen Vorbelastung demontiert. Die Vorspannschraube wird gelöst und das Prüfelement herausgenommen, wobei die Prüfkörper im Aufnehmer bzw. in der Messwelle verbleiben. Die Verbindung wird danach gleich wieder zusammengesetzt und vorgespannt. Im Weiteren erfolgt ein zweiter dynamischer Belastungszyklus, der mit dem ersten identisch ist (80% des statischen Rutschmomentes, 107 Lastwechsel).In the test variant with reassembly the connection is dismantled after the dynamic preload. The preload screw is loosened and the test element removed, leaving the test specimens in the transducer or in the measuring shaft. The compound is then immediately reassembled and preloaded. Subsequently, a second dynamic load cycle is performed, which is identical to the first one (80% of the static slip torque, 10 7 load changes).

Statisches DurchrutschenStatic slippage

Nachdem die Prüfkörper dynamisch vorbelastet wurden, folgt die Bestimmung des statischen Rutschmoments.After the specimens have been dynamically preloaded, the determination of the static slip torque follows.

Die Verbindung bleibt nach der Vorbelastung zusammengebaut, nur die Messtechnik wird auf eine Dauermessung umgestellt. Alle Messgrößen werden in Echtzeit während des ganzen Versuches mit einer Abtastrate von 100 Hz aufgenommen.The connection remains assembled after the preload, only the measurement technology is switched to a continuous measurement. All measured quantities are recorded in real time during the entire experiment with a sampling rate of 100 Hz.

Aus dem unbelasteten Zustand heraus wird die Kolbenkraft der Hydraulik kontinuierlich gesteigert. Beim Erreichen der Verdrehgrenze, die mit einem Verdrehwinkel von 4° bestimmt ist, schaltet die Hydraulik aus, die Verbindung wird entlastet und der Versuch ist beendet.From the unloaded state, the piston force of the hydraulic system is continuously increased. When reaching the turning limit, which is determined with a twist angle of 4 °, the hydraulic switches off, the connection is relieved and the experiment is completed.

Aus den aufgenommenen Daten lässt sich beim Auswerten ein Torsionsmoment/Verdrehwinkel-Diagramm (Darstellung 4) erstellen, auf dem der Verlauf des ganzen Versuches gut beobachtbar ist. Der Augenblick des Durchrutschens ist durch das gekennzeichnete Maximum dabei deutlich zu erkennen.From the recorded data, a torsional moment / torsion angle diagram (Figure 4) can be created during the evaluation, on which the course of the entire experiment is clearly observable. The moment of slipping can be clearly recognized by the marked maximum.

Der Reibwert μ wird aus dem Durchrutschmoment und weiteren Größen wie folgt berechnet:

Figure DE102013107347A1_0002
mit
TR = Durchrutschmoment
FV = Vorspannkraft
Dm = mittlerer Durchmesser der ringförmigen FlächenThe coefficient of friction μ is calculated from the slip torque and other variables as follows:
Figure DE102013107347A1_0002
With
T R = slip torque
F V = preload force
D m = mean diameter of the annular surfaces

Dynamisches DurchrutschenDynamic slipping

Bei den Versuchen mit dynamischem Durchrutschen erfolgt die Montage des Versuchsstandes so wie bereits auf Seite 12 beschrieben. Die Messinstrumente werden nun wieder auf eine periodische Messung eingestellt, wobei die Zeit zwischen zwei Messungen auf 5 Sekunden reduziert wurde. Dies ermöglicht eine gute Beobachtung des Versuches und führt nicht zu einer Speicherüberforderung. Der Versuch beginnt mit einer schwellenden Torsionsbelastung (35 Hz), die weit unter dem erwarteten Rutschmoment liegt. In kleinen Schritten wird das Mittelmoment TRm und die Momentenamplitude TRa gesteigert, so dass das Momentenmaximum TRo steigt und das Minimum TRu nah an Null bleibt, wie aus Darstellung 5 ersichtlich.In the experiments with dynamic slipping, the installation of the test stand is carried out as already described on page 12. The measuring instruments are now set back to a periodic measurement, whereby the time between two measurements has been reduced to 5 seconds. This allows a good observation of the experiment and does not lead to a memory overload. The test starts with a swelling torsional load (35 Hz) which is far below the expected slip torque. In small steps, the mean momentum TRm and the momentum amplitude TRa are increased, so that the torque maximum TRo increases and the minimum TRu remains close to zero, as shown in FIG.

Zwischen den Lastschritten erfolgen etwa 500 bis 1.000 Lastwechsel. Der Versuch wird nach Überschreiten der Verdrehwinkelgrenze wieder automatisch abgebrochen und beendet. Aus den Messwerten lassen sich zwei Diagrammtypen erstellen, Darstellung 6. Im Torsionsmoment-Zeit-Diagramm ist vor allem die Laststeigerung dargestellt. In dem Moment-Verdrehwinkel-Diagramm ist dagegen das Durchrutschen sehr gut ablesbar.Between the load steps occur about 500 to 1,000 load changes. The experiment is aborted automatically after exceeding the Verdrehwinkelgrenze and terminated. From the measured values You can create two diagram types, Figure 6. The torsional moment-time diagram mainly shows the load increase. In the moment-twist angle diagram, however, slipping is very easy to read.

Beispiele – Beschichtung:Examples - Coating:

Zur Herstellung der Verbindungselemente werden zunächst ringförmige Scheiben (aus 1.4122) in den Abmessungen d 30/15 aus einem unbeschichteten, entsprechend dicken Blech aus dem zu untersuchenden Material gestanzt.To produce the connecting elements, initially annular disks (made from 1.4122) in the dimensions d 30/15 are punched out of an uncoated, correspondingly thick sheet of the material to be investigated.

Die zu härtenden Scheiben (aus 1.4122) werden in einem Härtungsprozeß bei einer Temperatur von 830°C, einer Haltezeit von 1 Minute/mm und einer Abschreckung in Öl gehärtet. Die Härte beträgt 64 HRC.The sheets to be hardened (from 1.4122) are cured in a hardening process at a temperature of 830 ° C, a holding time of 1 minute / mm and a quench in oil. The hardness is 64 HRC.

Anschließend wird die gehärtete Scheibe einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 540°C und einer Haltezeit von 30 Minuten unterzogen und auf eine Zugfestigkeit von 970 N/mm2 angelassen.Subsequently, the hardened disc is subjected to a heat treatment at a temperature of 540 ° C and a holding time of 30 minutes and tempered to a tensile strength of 970 N / mm 2 .

Die Verbindungselemente werden auf eine geeignete Halterungen gesteckt und entsprechend den im Handbuch „Die AHC-Oberfläche – Handbuch für Konstruktion und Fertigung”, 4. Auflage, Kerpen, der Fa. AHC beschriebenen Vorbehandlungsverfahren entfettet, gebeizt und aktiviert.The fasteners are placed on a suitable brackets and degreased according to the described in the manual "The AHC Surface - Manual for Design and Manufacturing", 4th edition, Kerpen, Fa. AHC pretreatment process, pickled and activated.

Dann werden die Scheiben mit Halterung in eine Mischung eines handelsüblichen chemisch Nickel-Elektrolyten, der unter der Bezeichnung DNC 520 von der Fa. AHC, Kerpen, erhältlich ist, mit 250 mg/l SiC (F600 von der Fa. SaintGobain) getaucht.Then, the discs are immersed in a mixture of a commercially available electroless nickel electrolyte, which is available under the name DNC 520 from the company. AHC, Kerpen, with 250 mg / l SiC (F600 from SaintGobain) dipped.

Der pH-Wert des Elektrolyten wird mit Ammoniakwasser 12,5% auf den Wert 4,5–5,0 eingestellt, die Temperatur des Elektrolyten beträgt 85–90°C.The pH of the electrolyte is adjusted with ammonia water 12.5% to the value 4.5-5.0, the temperature of the electrolyte is 85-90 ° C.

Die Abscheidungsgeschwindigkeit beträgt 7–9 μm/Stunde, wobei das Gestell während des Beschichtungsvorganges in Bewegung gehalten wird.The deposition rate is 7-9 μm / hour, with the frame kept in motion during the coating process.

Der Elektrolyt wird mit einer Pumpe umgewälzt und in Bewegung gehalten, so dass sich im Elektrolyten befindliche Hartstoffpartikel nicht auf dem Boden des Beschichtungsbehälters absetzen können. Die Tauchzeit beträgt 60 Minuten. Dann wird die Halterung mit den beschichteten Scheiben aus dem Elektrolyten genommen und in einem Ultraschallbad gereinigt, um lose anhaftende SiC-Partikel zu entfernen.The electrolyte is circulated by a pump and kept in motion, so that located in the electrolyte hard particles can not settle on the bottom of the coating container. The dive time is 60 minutes. Then the support with the coated disks is removed from the electrolyte and cleaned in an ultrasonic bath to remove loosely adhering SiC particles.

Die so hergestellten Scheiben werden mittels der zuvor beschriebenen dynamischen Untersuchung mit einer Vorspannung von 100 MPa und einer Vorbelastung von 107 Lastwechseln untersuchtThe discs thus produced are examined by means of the previously described dynamic test with a preload of 100 MPa and a preload of 10 7 load cycles

Vergleichsbeispiel (nichterfindungsgemäß):Comparative Example (not according to the invention):

Entsprechend der Versuchsreihe A wurde keine Scheibe zwischen die Prüfkörper gelegt.According to the test series A no disc was placed between the test specimens.

Die Versuchsreihe B verwendet eine 0,2 mm dicke Scheibe aus dem gehärteten Werkstoff 1.4122 mit einer Festigkeit (Streckgrenze) von 1.000 N/mm2 und einem E-Modul von 200.000 N/mm2 (entsprechend der EP 1 564 418 B1 ).Test Series B uses a 0.2 mm thick disc of the hardened material 1.4122 with a strength (yield strength) of 1,000 N / mm 2 and an E modulus of 200,000 N / mm 2 (corresponding to the EP 1 564 418 B1 ).

Bei den durchgeführten Vergleichsversuchen trat keine Bruchbildung auf.In the comparative experiments carried out no breakage occurred.

Die Ergebnisse sind in der Tabelle I als Versuchsreihen A bis B dargestellt.The results are shown in Table I as test series A to B.

Beispiele (erfindungsgemäß beschichtet):Examples (coated according to the invention):

Die erfindungsgemäße Versuchsreihe 1 verwendet eine 0,2 mm dicke Scheibe aus der Aluminiumlegierung EN AW 7075 mit einer Festigkeit (Streckgrenze) von 500 N/mm2 und einem E-Modul von 70.000 N/mm2 (entsprechend der EP 1 564 418 B1 ).The experimental series 1 according to the invention uses a 0.2 mm thick aluminum alloy disk EN AW 7075 with a strength (yield strength) of 500 N / mm 2 and a modulus of elasticity of 70,000 N / mm 2 (corresponding to the EP 1 564 418 B1 ).

Die erfindungsgemäße Versuchsreihe 2 verwendet eine 0,2 mm dicke Scheibe aus der Bronzelegierung CuSn6 (2.1020) mit einer Festigkeit (Streckgrenze) von 700 N/mm2 und einem E-Modul von 110.000 N/mm2 (entsprechend der EP 1 564 418 B1 ).The test series 2 according to the invention uses a 0.2 mm thick sheet of the bronze alloy CuSn6 (2.1020) with a strength (yield strength) of 700 N / mm 2 and an E modulus of 110,000 N / mm 2 (corresponding to EP 1 564 418 B1 ).

Die Versuchsreihe 3 verwendet eine 0,3 mm dicke Scheibe aus dem nicht-gehärteten Werkstoff 1.4301 mit einer Festigkeit (Streckgrenze) von 700 N/mm2 und einem E-Modul von 200.000 N/mm2. Trial 3 uses a 0.3 mm thick sheet of non-hardened material 1.4301 with a strength (yield strength) of 700 N / mm 2 and an E modulus of 200,000 N / mm 2 .

Bei den durchgeführten erfindungsgemäßen Versuchen trat keine Bruchbildung auf.In the experiments according to the invention carried out no breakage occurred.

Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 als Versuchsreihen 1 und 2 dargestellt.The results are shown in Table 1 as test series 1 and 2.

Bewertung:Rating:

Sämtliche Rutschkurven zeigen die gleiche Reibwertcharakteristik mit ausgeprägtem Übergang Haften-Gleiten bei ca. 0,3° Relativverschiebung.All slip curves show the same coefficient of friction characteristic with a pronounced transition adhesion-slip at about 0.3 ° relative displacement.

Bei den Versuchen mit den Reibscheiben aus EN AW 7075 konnten die Reibwerte von gehärteten Scheiben aus 1.4122 gemäß der EP 1 564 418 B1 erreicht werden.During the experiments with the friction discs EN AW 7075 The coefficients of friction of hardened discs made of 1.4122 according to the EP 1 564 418 B1 be achieved.

Bei den Versuchen mit den Reibscheiben aus CuSn6 konnten die Reibwerte von gehärteten Scheiben aus 1.4122 gemäß der EP 1 564 418 B1 verbessert werden.In the tests with the friction discs made of CuSn6, the friction coefficients of hardened discs made of 1.4122 according to the EP 1 564 418 B1 be improved.

Besonders bemerkenswert sind die Ergebnisse mit dem Edelstahl 1.4301 der die Werte des Standes der Technik bei weitem übertrifft.Particularly noteworthy are the results with the stainless steel 1.4301 which far surpasses the values of the state of the art.

Diese Ergebnisse sind überraschend und nicht vorhersehbar, da zu erwarten gewesen ist, dass sich die Hartstoffpartikel in das – bezogen auf die Festigkeit der zu fügenden Werkstücke von 840 N/mm2 – weichere Substrat der erfindungsgemäßen Reibscheibe (d-h- Konstruktionselement mit einer Festigkeit von 500 bzw. 700 N/mm2) eindrücken und sich somit einer Reibwerterhöhung in Form von Mikroformschlüssen zwischen aus der Nickel-Schicht herausragenden Hartstoffteilchen und dem zu fügenden Werkstück entziehen.These results are surprising and unpredictable, since it was expected that the hard material particles in the - based on the strength of the workpieces to be joined 840 N / mm 2 - softer substrate of the friction disk according to the invention (ie construction element with a strength of 500 or 700 N / mm 2 ) and thus escape an increase in coefficient of friction in the form of microforming closures between the nickel layer protruding hard particles and the workpiece to be joined.

Mit dem erfindungsgemäßen Konstruktionselement ist erstmals das Vorurteil entsprechend des Artikels „Reibungserhöhende Oberflächenschichten für Torsionsbelastungen” von E. Lei- dich, J. Lukschandel et al., Antriebstechnik (40), 2001, S. 53–57 , der EP 0 961 038 B1 und der EP 1 564 481 B1 widerlegt, dass das Substrat der Reibscheibe eine Festigkeit haben muss, die mindestens so hoch ist wie die der zu fügenden Werkstücke.With the construction element according to the invention is the first time the prejudice according to the article "Friction-increasing surface layers for torsional stresses" by E. Leich, J. Lukschandel et al., Antriebstechnik (40), 2001, pp. 53-57 , of the EP 0 961 038 B1 and the EP 1 564 481 B1 refutes that the substrate of the friction disc must have a strength that is at least as high as that of the workpieces to be joined.

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Claims (14)

Konstruktionselement zur reibungserhöhenden spielfreien reversiblen Verbindung von zu fügenden Werksstücken, bestehend aus einem Substrat, das an seiner Oberfläche Hartstoffpartikel definierter Größe aufweist, wobei die Hartstoffpartikel mittels einer metallischen Bindephase aus einer chemisch abgeschiedenen Nickel/Phosphorlegierung auf dem Substrat fixiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Eigenfestigkeit aufweist, die geringer ist, als die der zu fügenden Werkstücke.Construction element for friction-enhancing play-free reversible connection of workpieces to be joined, consisting of a substrate having on its surface hard material particles of defined size, wherein the hard material particles are fixed by means of a metallic binder phase of a chemically deposited nickel / phosphorus alloy on the substrate, characterized in that the Substrate has an intrinsic strength which is lower than that of the workpieces to be joined. Konstruktionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Metallsubstrat aus einem Leichtmetall oder dessen Legierungen, Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einer Edelstahllegierung ist.Construction element according to claim 1, characterized in that the substrate is a metal substrate made of a light metal or its alloys, aluminum, an aluminum alloy or a stainless steel alloy. Konstruktionselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallsubstrat aus einer kupferhaltigen Aluminiumlegierung ist, insbesondere die Legierung AlSiCu 1,5 (7050) bzw AlZnMgCu1,5 (7075) ENAW7075, AlZn4,5Mg1 (7020) 3.445 AW7020, AlCU4Mg1 (2024) ENAW2024 oder X5CrNiMo1808 (4301) ist.Construction element according to claim 2, characterized in that the metal substrate is made of a copper-containing aluminum alloy, in particular the alloy AlSiCu 1.5 (7050) or AlZnMgCu1.5 (7075) ENAW7075, AlZn4.5Mg1 (7020) 3.445 AW7020, AlCU4Mg1 (2024) ENAW2024 or X5CrNiMo1808 (4301). Konstruktionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein polyestergebundener Duroplast ist, auf dem eine Metallschicht aufgebracht ist.Construction element according to claim 1, characterized in that the substrate is a polyester-bonded thermoset, on which a metal layer is applied. Konstruktionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Metallsubstrat aus einer Messing- oder Bronzelegierung ist.Construction element according to claim 1, characterized in that the substrate is a metal substrate of a brass or bronze alloy. Konstruktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel ausgewählt sind aus der Gruppe Diamant, Siliciumcarbid oder Tetraborcarbid.Construction element according to one of the preceding claims, characterized in that the hard material particles are selected from the group consisting of diamond, silicon carbide or tetraborcarbide. Konstruktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel einen Durchmesser von nicht mehr als 19 μm haben.Construction element according to one of the preceding claims, characterized in that the hard material particles have a diameter of not more than 19 microns. Konstruktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallsubstrat eine Dicke von weniger als 0,5 mm, insbesondere von weniger als 0,2 mm, aufweist.Construction element according to one of the preceding claims, characterized in that the metal substrate has a thickness of less than 0.5 mm, in particular less than 0.2 mm. Konstruktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nicht mehr als 30% und nicht weniger als 3% der Oberfläche des Metallsubstrats mit Hartstoffpartikeln belegt istConstruction element according to one of the preceding claims, characterized in that not more than 30% and not less than 3% of the surface of the metal substrate is coated with hard material particles Konstruktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel 5 bis 15% des Metallsubstrats bedecken.Construction element according to one of the preceding claims, characterized in that the hard material particles cover 5 to 15% of the metal substrate. Konstruktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Konstruktionselement eine Napfform aufweist.Construction element according to one of the preceding claims, characterized in that the construction element has a cup shape. Verwendung eines Konstruktionselements nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur reibungserhöhenden spielfreien reversiblen Verbindung von mindestens zwei zu fügenden Werkstücken.Use of a construction element according to one of the preceding claims for the friction-enhancing play-free reversible connection of at least two workpieces to be joined. Verwendung nach Anspruch 12 in einem Lenkgestänge, insbesondere im Automobilbau.Use according to claim 12 in a steering linkage, in particular in the automotive industry. Verwendung nach Anspruch 12 in einer Wellen/Naben-Verbindung, insbesondere im Motorenbau.Use according to claim 12 in a shaft / hub connection, in particular in engine construction.
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