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Die Erfindung betrifft eine Gelenkpfanne für ein Gelenk, insbesondere Kugelgelenk, aufweisend eine mit einem Wälzkörper des Gelenks in Kontakt bringbare Wälzfläche.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Gelenk, insbesondere Kugelgelenk, mit einer Gelenkpfanne und einem an einer an der Gelenkpfanne angeordneten Wälzfläche angeordneten Wälzkörper.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Gelenkpfanne für ein Gelenk, insbesondere Kugelgelenk, wobei die Gelenkpfanne in einem Spritzgießverfahren unter Verwendung eines Spritzgießwerkzeugs hergestellt wird.
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Gelenke in Form von Kugelgelenken werden in verschiedensten Bereichen zur mechanischen Kopplung von Bauteilen eingesetzt. Beispielsweise werden Kugelgelenke in der Automobilherstellung eingesetzt, deren Gelenkkugeln durch Kugelzapfen gebildet sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gelenk mit möglichst geringer Reibung zwischen einer Gelenkpfanne und einem Wälzkörper des Gelenks bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Gelenkpfanne gemäß Anspruch 1, ein Gelenk gemäß Anspruch 6 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben, welche jeweils für sich genommen oder in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Mit Anspruch 1 wird eine Gelenkpfanne für ein Gelenk, insbesondere Kugelgelenk, vorgeschlagen, aufweisend eine mit einem Wälzkörper des Gelenks in Kontakt bringbare Wälzfläche, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem Teil der Wälzfläche eine reibungsmindernde Oberflächenstrukturierung ausgebildet ist.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung der reibungsmindernden Oberflächenstrukturierung an der Gelenkpfanne kann die Reibung zwischen einem Wälzkörper eines Gelenks und der Gelenkpfanne deutlich reduziert werden. Hierdurch kann ein sehr leichtgängiges Gelenk bereitgestellt werden, welches unter geringem Kraftaufwand betätigbar ist. Zudem kann bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Gelenkpfanne vermieden werden, dass sich die Gelenkpfanne, insbesondere bei hohen Übertragungskräften zwischen Wälzkörper und Gelenkpfanne, bei einer Verlagerung eines Wälzkörpers relativ zu der Gelenkpfanne mitbewegt, was beispielsweise bei in Fahrzeugen verbauten herkömmlichen Gelenken mit einer störenden Geräuschentwicklung verbunden ist. Vorzugsweise ist die gesamte an der Gelenkpfanne angeordnete Lauffläche mit der reibungsmindernden Oberflächenstrukturierung versehen.
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Die reibungsmindernde Oberflächenstrukturierung kann als Mikrostrukturierung oder als Nanostrukturierung ausgebildet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die reibungsmindernde Oberflächenstrukturierung eine wellenförmige Strukturierung. Die wellenförmige Strukturierung, auch Ripple-Strukturierung genannt, kann auf einfache Art und Weise beispielsweise mittels eines Femtosekundenlasers hergestellt werden. Als Strukturierung können unterschiedliche Ausführungsformen einer Ripple-Struktur, einer Riffle-Struktur, einer Doppelripple-Struktur oder einer unterbrochenen Doppelripple-Struktur vorgesehen sein. Eine Doppelripple-Struktur kann v-förmig ausgebildet sein. Aber auch eine unterbrochene Doppelripple-Struktur oder eine einfache Ripple-Struktur kann v-förmig ausgestaltet sein. Die Strukturierung kann auch durch wenigstens zwei sich kreuzende, wellenförmig ausgebildete Unterstrukturen ausgebildet sein. Die wellenförmig ausgebildete Strukturierung kann eine Periode von etwa 0,5 µm aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest der die Wälzfläche ausbildende Teil der Gelenkpfanne unter Verwendung eines Spritzgießverfahrens hergestellt. Dies ist mit einer einfachen und kostengünstigen Herstellbarkeit der Gelenkpfanne verbunden. Die Gelenkpfanne kann auch vollständig unter Verwendung eines Spritzgießverfahrens hergestellt sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Gelenkpfanne zumindest teilweise aus Polyetheretherketon (PEEK), Polyamid (PA), Polyetherketon (PEK), Polytetrafluorpolyethylen (PTFE), Carbon-Tetraethylen und/oder Polyoxymethylen (POM) gebildet. Welches dieser Materialien bzw. welche Materialkombination verwendet wird, hängt von den jeweiligen Gegebenheiten und Anforderungen ab. Die Gelenkpfanne kann auch vollständig aus einem dieser Materialien bzw. einer Kombination von Materialien hergestellt sein.
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Vorteilhafterweise ist die Gelenkpfanne zumindest teilweise aus etwa 1 bis 10% aus Molybdänsulfid, Nanodiamant und/oder Graphit gebildet. Hierdurch können die Reibungseigenschaften der Gelenkpfanne weiter verbessert werden und eine Schmierung zwischen der Gelenkpfanne und einem Wälzkörper eines entsprechend aufgebauten Gelenks bewirkt werden. Wesentlich ist hierzu, dass der einem Wälzkörper zugewandte Teil der Gelenkpfanne mit einem dieser Materialien bzw. einer Kombination von Materialien versehen ist.
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Mit Anspruch 6 wird ein Gelenk, insbesondere Kugelgelenk, mit einer Gelenkpfanne und einem an einer an der Gelenkpfanne angeordneten Wälzfläche angeordneten Wälzkörper vorgeschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkpfanne nach einer der vorangehenden Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben ausgebildet ist. Hiermit sind die oben mit Bezug auf die Gelenkpfanne genannten Vorteile und Ausführungsformen entsprechend verbunden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist an dem Wälzkörper eine mit der Gelenkpfanne in Kontakt bringbare Wälzfläche ausgebildet, an der zumindest teilweise eine reibungsmindernde Oberflächenstrukturierung angeordnet ist. Hierdurch kann die Reibung zwischen der Gelenkpfanne und dem Wälzkörper weiter verringert werden. Die an dem Wälzkörper angeordnete reibungsmindernde Oberflächenstrukturierung kann entsprechend der an der Gelenkpfanne angeordneten reibungsmindernden Oberflächenstrukturierung ausgebildet sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Wälzkörper durch eine Gelenkkugel eines Kugelzapfens ausgebildet. Die Gelenkkugel kann beispielsweise aus Stahl gebildet sein. Die Gelenkkugel kann durch eine geeignete Laserbehandlung eines bereits vorhandenen Kugelzapfens oder eines speziell neuhergestellten Kugelzapfens hergestellt werden. Ersteres ist mit einer Kostenersparnis verbunden.
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Mit Anspruch 9 wird ein Verfahren zum Herstellen einer Gelenkpfanne für ein Gelenk, insbesondere Kugelgelenk, vorgeschlagen, wobei die Gelenkpfanne in einem Spritzgießverfahren unter Verwendung eines Spritzgießwerkzeugs hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spritzgießwerkzeug verwendet wird, an dem an einem eine Wälzfläche an der Gelenkpfanne ausbildenden Abschnitt eines Spritzgießwerkzeugteils zumindest teilweise eine Oberflächenstrukturierung ausgebildet ist.
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Mit diesem Verfahren kann eine oben beschriebene, erfindungsgemäße Gelenkpfanne auf einfache Art und Weise kostengünstig hergestellt werden. Durch die an dem Abschnitt des Spritzgießwerkzeugteils zumindest teilweise ausgebildete Oberflächenstrukturierung erhält eine unter Verwendung des Spritzgießwerkzeugs gegossene Gelenkpfanne die gewünschte reibungsmindernde Oberflächenstrukturierung. Die Oberflächenstrukturierung kann auch an dem gesamten eine Wälzfläche an der Gelenkpfanne ausbildenden Abschnitt des Spritzgießwerkzeugteils angeordnet sein. Die Oberflächenstrukturierung an dem Abschnitt des Spritzgießwerkzeugteils kann unter Verwendung eines Laserbehandlungsverfahrens bevorzugt Femtosekundenlaser-Verfahren, beispielsweise eines Kaltlaser-Verfahrens, ausgebildet werden.
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Das eine Wälzfläche an der Gelenkpfanne ausbildende Spritzgießwerkzeugteil kann einen, beispielsweise metallischen, Grundkörper und eine an dem Grundkörper angeordnete, wenigstens einschichtig aufgebaute Beschichtung aus einem hochfesten keramischen Werkstoff aufweisen, an der die Oberflächenstrukturierung ausgebildet ist. Die Beschichtung kann an dem Grundkörper angeordnet und anschließend die reibungsmindernde Oberflächenstrukturierung an der Beschichtung mittels eines Laserbehandlungsverfahrens ausgebildet werden. Strukturierung bedeutet hierbei insbesondere eine Umstrukturierung mittels Rippelbildung und/oder Abtragung. Die Beschichtung kann des Weiteren beispielsweise mittels eines PVD-, insbesondere PLD-, oder Sputter-Verfahrens an dem Grundkörper angeordnet werden. Die Beschichtung kann eine Schichtdicke von etwa 1 bis etwa 4 Mikrometer, vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 1,5 Mikrometer, aufweisen. Die Beschichtung kann auch aus zwei oder mehreren Unterschichten gebildet sein, welche sich in ihren Eigenschaften voneinander unterscheiden oder gleich ausgebildet sein können.
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Vorzugsweise ist die Beschichtung zumindest teilweise aus Titannitrid, Titanaluminiumnitrid oder diamantähnlichem amorphem Kohlenstoff („Diamant Like Carbon”; DLC) gebildet. Die Beschichtung kann eine Härte zwischen etwa 2500 bis etwa 10000 HV (Vickershärte), vorzugsweise zwischen etwa 4000 bis etwa 5000 HV, und Reibwerte zwischen etwa 0,3 bis etwa 0,01 aufweisen. Alternativ kann die Beschichtung aus einem günstigen Hydroxylapatit gebildet sein, wodurch die dem Grundkörper abgewandte Oberfläche der Beschichtung eine Rauigkeit von etwa 20 bis etwa 50 Mikrometer aufweist. Der zur Ausbildung der Beschichtung verwendete Werkstoff kann mit unterschiedlichen Stoffen versetzt sein, um für den jeweiligen Anwendungsfall optimale Eigenschaften für das Spritzgießwerkzeug zu erzielen.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in unterschiedlicher Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen
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1: eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Gelenk,
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2: eine schematische und perspektivische Darstellung der Gelenkpfanne des in 1 gezeigten Gelenks,
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3: eine schematische und perspektivische Darstellung des Wälzkörpers des in 1 gezeigten Gelenks, und
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4: eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Spritzgießwerk.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Gelenk 1 in Form eines Kugelgelenks. Das Gelenk 1 umfasst eine unter Verwendung eines Spritzgießverfahrens hergestellte Gelenkpfanne 2 und einen an einer an der Gelenkpfanne 2 angeordneten Wälzfläche 3 angeordneten Wälzkörper 4, welcher als Gelenkkugel und als Teil eines Kugelzapfens 5 ausgebildet ist. An der Wälzfläche 3 der Gelenkpfanne ist eine in 2 gezeigte reibungsmindernde Oberflächenstrukturierung 6 in Form einer wellenförmigen Strukturierung ausgebildet. An dem Wälzkörper 4 ist eine mit der Gelenkpfanne 2 in Kontakt bringbare Wälzfläche 7 ausgebildet, an der eine in 3 gezeigte reibungsmindernde Oberflächenstrukturierung 8 in Form einer wellenförmigen Strukturierung angeordnet ist.
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2 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung der Gelenkpfanne 2 des in 1 gezeigten Gelenks 1. An der Wälzfläche 3 der Gelenkpfanne 2 ist die durch sich kreuzende Striche angedeutete, reibungsmindernde Oberflächenstrukturierung 6 angeordnet.
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3 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung des Wälzkörpers 4 des in 1 gezeigten Gelenks 1. An der Wälzfläche 7 des Wälzkörpers 4 ist die durch sich kreuzende Striche angedeutete, reibungsmindernde Oberflächenstrukturierung 8 angeordnet.
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4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Spritzgießwerk 9, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist. Das Spritzgießwerkzeug 9 umfasst zwei Spritzgießwerkzeugteile 10 und 11, wobei das Spritzgießwerkzeug 9 in 4 geschlossen ist. Zwischen den Spritzgießwerkzeugteilen 10 und 11 ist eine Kavität 12 ausgebildet, in die über einen Kanal 13 ein Spritzgießmaterial eingespritzt werden kann, um eine erfindungsgemäße Gelenkpfanne 2 herstellen zu können. An einem eine Wälzfläche 3 an einer Gelenkpfanne 2 ausbildenden Abschnitt 14 des Spritzgießwerkzeugteils 10 ist eine nicht im Detail dargestellte Oberflächenstrukturierung 15 ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gelenk
- 2
- Gelenkpfanne
- 3
- Wälzfläche
- 4
- Wälzkörper
- 5
- Kugelzapfen
- 6
- reibungsmindernde Oberflächenstrukturierung
- 7
- Wälzfläche
- 8
- reibungsmindernde Oberflächenstrukturierung
- 9
- Spritzgießwerkzeug
- 10
- Spritzgießwerkzeugteil
- 11
- Spritzgießwerkzeugteil
- 12
- Kavität
- 13
- Kanal
- 14
- Abschnitt
- 15
- Oberflächenstrukturierung
