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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gelenkkette nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Demnach weist eine gattungsgemäße Gelenkkette abwechselnd angeordnete Innenkettenglieder und Außenkettenglieder auf, die mittels Kettengelenken miteinander verbunden sind, wobei das Kettengelenk zumindest eine erste Gelenkfläche und eine korrespondierende zweite Gelenkfläche aufweist, die sich gegenüberliegen und im Betrieb der Kette relativ zueinander bewegen.
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Gattungsgemäße Gelenkketten kommen u. a. im Kettentrieb von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge zum Einsatz. Hauptanforderungen an Gelenkketten sind in vielen Anwendungen minimale Reibung und geringer Verschleiß, um günstige Einsatzbedingungen und lange Haltbarkeit zu gewährleisten. Im Anwendungsfall Verbrennungsmotor können somit Treibstoffverbrauch und Abgaswerte (CO2-Emissionen) gesenkt werden.
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Der Kettenverschleiß findet hauptsächlich im Kettengelenk statt, wo sich zwei gegenüberliegende Gelenkflächen im Betrieb über einen Winkelbereich reversierend zueinander bewegen. Bei gattungsgemäßen Gelenkketten kommt es durch Abrieb zwischen den beiden Gelenkflächen zur Partikelbildung, wobei die so erzeugten Partikel und andere Fremdpartikel im Kettengelenk verbleiben, die Gelenkflächen beschädigen und so zum Verschleiß des Kettengelenks beitragen.
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Es ist bei gattungsgemäßen Gelenkketten bekannt, ein Schmiermittel, beispielsweise Öl, zwischen die Gelenkflächen einzubringen, um Reibung und Verschleiß der Kette zu reduzieren. Da das Kettengelenk aus konstruktiven Gründen jedoch relativ stark gekapselt ist, können Reibung und Verschleiß durch diese Maßnahme nur unzureichend reduziert werden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kettengelenk der eingangs genannten Art bereitzustellen, das eine reduzierte Reibung und einen verringerten Verschleiß aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Demnach liegt bei einer Gelenkkette der eingangs genannten Art dann eine erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe vor, wenn die erste Gelenkfläche und/oder die zweite Gelenkfläche zumindest teilweise einen Bereich mit einer definierten Oberflächenstruktur mit regelmäßig angeordneten Vertiefungen aufweist, wobei die maximale Tiefe der Vertiefung mindestens dreimal so groß ist wie die gemittelte Rautiefe der Gelenkfläche.
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Die gemittelte Rautiefe RZ ist folgendermaßen definiert. Eine definierte Messstrecke auf der Oberfläche wird in sieben Einzelmessstrecken eingeteilt, wobei die mittleren fünf Messstrecken gleich groß sind. Die Auswertung erfolgt über diese fünf Messstrecken. Von jeder dieser Einzelmessstrecken der Oberfläche wird die Differenz aus maximalem und minimalem Wert ermittelt. Aus den somit erhaltenen fünf Einzelrautiefen wird der Mittelwert gebildet, die gemittelte Rautiefe.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die definierte Oberflächenstruktur mit Vertiefungen der Anteil der Gelenkfläche, der mit der gegenüberliegenden Gelenkfläche direkt oder indirekt über ein Schmiermittel in Kontakt steht, reduziert wird. Zusätzlich gelangen Partikel, die durch Abrieb zwischen den beiden Gelenkflächen entstehen, während der Drehbewegung des Kettengelenks in die Vertiefungen und tragen somit nicht mehr zum Verschleißmechanismus bei.
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Insbesondere bewirken die Vertiefungen unter Schmiermitteleinsatz und relativer Gelenkbewegung einen Druckaufbau zwischen den Gelenkflächen. Durch den Druckaufbau werden im Mischreibungsgebiet die Kontaktpartner stärker und schneller voneinander getrennt, was zu einer geringerer Reibung und einem reduziertem Verschleiß führt. Dieser Effekt wird bei der Verwendung von napfförmigen Vertiefungen noch verstärkt.
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Unabhängig von der Ausbildung einer erfindungsgemäßen definierten Oberflächenstruktur am Kettengelenk, kann die erfindungsgemäße, definierte Oberflächenstruktur auch an anderen Tribokontakten einer Gelenkkette ausgebildet sein. So ist es denkbar, dass die Laschen der Innenkettenglieder und/oder die Laschen der Außenkettenglieder in den Bereichen, in denen sie mit einer anderen Lasche gegenüberliegende Reibungsflächen aufweisen, zumindest teilweise eine definierte Oberflächenstruktur mit Vertiefungen aufweisen, um den Verschleiß der Gelenkkette zu reduzieren.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Gelenkfläche und damit auch der Bereich mit definierter Oberflächenstruktur eben oder gekrümmt sein. Die Beschreibung der definierten Oberflächenstruktur bezieht sich im Folgenden auf einen ebenen Bereich oder bei einer gekrümmten Ausbildung des Bereichs mit definierter Oberflächenstruktur auf die abgerollte bzw. in eine Ebene übertragene, äquivalente Struktur.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer definierten Oberflächenstruktur mit Vertiefungen eine gezielt in die Oberfläche eingebrachte definierte Struktur verstanden, die sich daher von der Oberflächenrauheit unterscheidet und diese überlagert. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, zur Reibungsreduzierung die Rauheit von Gelenkflächen zu minimieren, wobei sich gemittelte Rautiefen im Bereich von wenigen μm ergeben. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Vertiefungen der vorliegenden Erfindung eine maximale Tiefe aufweisen, die mindestens dreimal so groß ist. Bei einer gemittelten Rautiefe RZ = 1 μm haben die Vertiefungen eine maximale Tiefe von mindestens 3 μm, RZ = 5 μm eine maximale Tiefe von mindestens 15 μm.
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Die maximalen Tiefen der Vertiefungen der vorliegenden Erfindung betragen insbesondere zwischen 3 μm und 200 μm. In diesem Bereich haben die Vertiefungen eine besonders vorteilhafte Auswirkung auf die Reibung und den Verschleiß der Kette, ohne die Struktur der entsprechenden Bauteile der Kette zu beeinträchtigen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die äußersten, eine Fläche aufspannenden Abschnitte der einander zugewandten Oberflächen als Gelenkflächen bezeichnet. Eine Gelenkfläche kann dabei aus mehreren Teilflächen bestehen, die nicht zusammenhängen.
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Die definierte Oberflächenstruktur kann eine Art oder verschiedene Arten von Vertiefungen aufweisen. Vorzugsweise sind die Vertiefungen in einem regelmäßigen Muster angeordnet. Solche Muster lassen sich besonders einfach und kostengünstig herstellen.
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In einer weiteren Ausführung sind die Vertiefungen zumindest teilweise in einem unregelmäßigen Muster angeordnet. Dadurch können nichtlineare Effekte der Tribologie ausgenutzt werden, die die Reibung und den Verschleiß weiter reduzieren.
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Die erfindungsgemäße Gelenkkette kann auch Rollen aufweisen, die koaxial zu den Kettengelenken angeordnet sind und die Kettengelenke umgeben.
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Die Erfindung stellt ferner einen Kettenantrieb, umfassend ein Antriebsrad, zumindest ein angetriebenes Rad und eine erfindungsgemäße Gelenkkette bereit, wobei die Gelenkkette mit dem Antriebsrad und dem zumindest einen angetriebenen Rad im Eingriff steht.
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Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Hülse für ein erfindungsgemäßes Kettengelenk mit den Merkmalen des Anspruchs 15 zur Verfügung. Mit diesem Verfahren, lässt sich der Bereich mit definierter Oberflächenstruktur besonders einfach und kostengünstig an der Hülse ausbilden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Vertiefungen eine geschlossene Grundfläche auf, die sich in Richtung der Vertiefung verjüngt. Solche Vertiefungen lassen sich besonders einfach herstellen und beeinträchtigen nicht die Stabilität und Belastbarkeit der Gelenkfläche.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat das durch die Vertiefung definierte Volumen die Form eines regulären oder nicht regulären geometrischen Körpers, insbesondere die Form eines Kugelsegments, eines Keils, eines Kegels, eines Kegelstumpfes, einer Pyramide oder eines Pyramidenstumpfes. Dementsprechend kann es sich auch um eine Pyramide oder einen Pyramidenstumpf mit einem beliebigen Polygon als Grundfläche handeln. Diese Formen lassen sich besonders einfach herstellen, beispielsweise durch Prägen, und eignen sich besonders gut zum Auffangen und Aufbewahren von zwischen den Gelenkflächen entstandenem Abrieb.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Vertiefungen rillenartig ausgebildet. Diese Form eignet sich besonders gut für den Abtransport von zwischen den Gelenkflächen entstandenen Abrieb und den Transport eines Schmiermittels.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt das Verhältnis zwischen der minimalen Breite der Vertiefung auf der Gelenkfläche und der maximalen Tiefe der Vertiefung zwischen 0,2 und 5. In diesem Bereich lassen sind die Vertiefungen breit genug, um Partikel einzufangen, aber nicht so tief, dass die Struktur und Belastbarkeit der Gelenkflächen beeinträchtigt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt der Flächenanteil der Vertiefungen am Bereich mit definierter Oberflächenstruktur zwischen 5% und 30%. In diesem Bereich wirken sich die Vertiefungen besonders vorteilhaft auf den Verschleiß im Kettengelenk aus, beeinträchtigen jedoch nicht die Stabilität und Belastbarkeit der Gelenkflächen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand zwischen zwei Vertiefungen mindestens doppelt so groß wie die minimale Breite (B) der Vertiefungen. Dadurch wird die Stabilität des Bereichs der Gelenkfläche zwischen den beiden Vertiefungen nicht negativ beeinträchtigt.
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Üblicherweise wird die gesamte Gelenkfläche einer erfindungsgemäßen Gelenkkette eine definierte Oberflächenstruktur aufweisen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform macht der Bereich mit definierter Oberflächenstruktur zwischen 15% und 75% der Gelenkfläche aus. Eine erfindungsgemäße Gelenkkette bewegt sich im Betrieb im Allgemeinen reversierend in einem beschränkten Winkelsegment senkrecht zur Rotationsachse des Kettengelenks. Dies führt dazu, dass die Gelenkflächen nicht gleichmäßig belastet werden. Es ist daher von Vorteil, insbesondere die belasteten Bereiche der Gelenkflächen, die Kontaktbereiche mit einer definierten Oberflächenstruktur auszubilden, wobei sich die Vertiefungen in dem angegebenen Bereich bereits vorteilhaft auf den Verschleiß auswirken, und die erhöhten Herstellungskosten für die definierte Oberflächenstruktur noch nicht den vorteilhaften Effekt eines größeren Bereichs überwiegen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Vertiefungen zumindest teilweise entlang einer Geraden angeordnet, die parallel zur Gelenkachse ausgerichtet ist. Im Fall einer Drehbewegung um die Gelenkachse sind die Vertiefungen also senkrecht zur Drehbewegung ausgerichtet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Vertiefungen zumindest teilweise entlang einer Geraden angeordnet, die senkrecht zur Gelenkachse ausgerichtet ist. Im Fall einer Drehbewegung um die Gelenkachse sind die Vertiefungen also im Wesentlichen parallel zur Drehbewegung ausgerichtet. Dadurch können durch Abrieb entstandene Partikel, die sich während der Bewegung entlang der Bewegungsrichtung zwischen den beiden Gelenkflächen bewegen, über einen großen Bereich in der Vertiefung aufgefangen werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die definierte Oberflächenstruktur zumindest einen Schmiermittelkanal auf, der mindestens zwei Vertiefungen miteinander verbindet, wobei die Breite des Schmiermittelkanals kleiner ist als die minimale Breite der beiden Vertiefungen. Über die Schmiermittelkanäle lassen sich durch Abrieb entstandene Partikel einfach aus dem Kettengelenk leiten. Andererseits lässt sich über solche Schmiermittelkanäle ein Schmiermittel, beispielsweise in der Form von Öl, einfach in das Kettengelenk einbringen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in zumindest einer Vertiefung ein Mittel zur Reibungsreduzierung eingebracht. Dadurch können die Reibung und der Verschleiß des Kettengelenks weiter reduziert werden. Ein solches Schmiermitteldepot trägt außerdem dazu bei, auch bei hohen Belastungen einen konstanten Schmiermittelfilm zwischen den Gelenkflächen bereitzustellen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Kettengelenk eine Hülse und einen Bolzen auf, wobei die erste Gelenkfläche an der zylinderförmigen Oberfläche des Bolzens und die zweite Gelenkfläche an der hohlzylindrischen Oberfläche der Hülseninnenseite ausgebildet sind. Durch diese Bauform lässt sich das erfindungsgemäße Kettengelenk auf besonders einfache Art und Weise realisieren.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Gelenkkette Rollen, wobei an der äußeren Oberfläche der Hülse und der hohlzylindrischen, inneren Oberfläche der Rolle jeweils eine Gelenkfläche ausgebildet, und zumindest eine der beiden Gelenkflächen zumindest teilweise einen Bereich mit einer definierten Oberflächenstruktur mit Vertiefungen aufweist. Dadurch können die Reibungsverluste und der Verschleiß einer erfindungsgemäßen Gelenkkette mit Rollen weiter reduziert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die definierte Oberflächenstruktur durch mechanisches Verformen, insbesondere durch das Prägen/Walzen der Gelenkfläche ausgebildet. Durch mechanisches Verformen lassen sich die erfindungsgemäßen Vertiefungen besonders einfach und kostengünstig realisieren. In einer Serienproduktion mit großen Stückzahlen und kurzen Durchlaufzeiten lässt sich insbesondere das Prägen/Walzen einfach umsetzen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die definierte Oberflächenstruktur durch Abtragen von Material von der Gelenkfläche, insbesondere durch Laserablation ausgebildet. Bei dieser Ausbildungsform werden durch die Vertiefungen keine inneren Spannungen im Gelenkflächenmaterial erzeugt. Durch Laserablation lassen sich die Vertiefungen besonders präzise ausbilden.
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In einer besonders bevorzugten Verwendung der erfindungsgemäßen Gelenkkette in einem Kettentrieb definiert der Kettentrieb eine Betriebsrichtung, in die sich die Gelenkkette im Betrieb bewegt, und der Bereich mit definierter Oberflächenstruktur ist derart angeordnet, dass im Betrieb der Gelenkkette eine Kraft in Richtung der gegenüberliegenden Gelenkfläche auf ihn wirkt.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kettenantriebs ist zwischen den Gelenkflächen ein Ölfilm ausgebildet und alle Vertiefungen sind mit Öl gefüllt. Das Öl verringert die Reibungsverluste und den Verschleiß.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Gelenkkette,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen definierten Oberflächenstruktur,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen definierten Oberflächenstruktur,
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen definierten Oberflächenstruktur, und
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5 einen Teil eines Hülsenbandes einer erfindungsgemäßen Hülse.
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Für die folgenden Ausführungen gilt, dass gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet werden. Sofern in einer Zeichnung Bezugszeichen enthalten sind, auf die in der zugehörigen Figurenbeschreibung nicht näher eingegangen wird, so wird auf vorangehende oder nachfolgende Figurenbeschreibungen Bezug genommen.
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1 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Gelenkkette 1, die aus abwechselnd angeordneten Innenkettengliedern 2 und Außenkettengliedern 3 besteht, die über Kettengelenke 4 miteinander verbunden sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Kettengelenk 4 aus einer Hülse 5 und einem konzentrisch in der Hülse 5 angeordneten Bolzen 6. Die Hülsen 5 sind jeweils an Laschen eines Innenkettenglieds 2, die Bolzen 6 jeweils an Laschen eines Außenkettenglieds 3 befestigt. Die erste Gelenkfläche 7 des Kettengelenks 4 entspricht der zylindrischen Oberfläche des Bolzens 6. Die zweite Gelenkfläche 8 entspricht der hohlzylindrischen, inneren Oberfläche der Hülse 5.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist an der ersten Gelenkfläche 7 und an der zweiten Gelenkfläche 8 jeweils ein Bereich 9 mit definierter Oberflächenstruktur 11 ausgebildet, wobei die definierte Oberflächenstruktur 11 nicht näher dargestellt ist. Da die Hülse 5 und der Bolzen 6 jeweils fest mit den jeweiligen Laschen verbunden sind, haben die Hülsen 5 und die Bolzen 6 eine feste Orientierung in der Gelenkkette. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel macht der Bereich mit definierten Oberflächenstruktur in etwa 50% (entspricht also einem Bereich von 15% bis 75%) der ersten Gelenkfläche 7 und der zweiten Gelenkfläche 8 aus, wobei die beiden Bereiche 9 so angeordnet sind, dass sie sich im montierten Zustand des Kettengelenks 4 deckungsgleich gegenüberliegen. Außerdem sind sie so ausgerichtet, dass im Betrieb der Gelenkkette 1 in Richtung der Betriebsrichtung 17 eine Kraft wirkt, die die beiden Bereiche 9 mit definierter Oberflächenstruktur 11 aufeinanderdrückt.
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2 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen definierten Oberflächenstruktur mit Vertiefungen 10. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Vertiefungen 10 als längliche Nuten mit einem Querschnitt in Form eines gleichschenkligen Trapezes ausgebildet. Die Vertiefungen 11 sind in einem Rauten-Muster angeordnet, wobei sich an jedem Eckpunkt einer Raute eine Vertiefung 11 befindet. Das Verhältnis zwischen der minimalen Breite B der Vertiefung 10 und der maximalen Tiefe C beträgt in etwa 1 (entspricht also einem Bereich zwischen 0,2 und 5). Der Flächenanteil der Vertiefungen am Bereich 9 mit definierter Oberflächenstruktur 11 beträgt in etwa 15% (entspricht also einem Bereich von 5% bis 30%). Der Abstand D zwischen zwei Vertiefungen 10 ist in etwa dreimal so groß wie die minimale Breite B der Vertiefung 10.
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Die in 2 dargestellte Oberflächenstruktur 11 wurde in die Oberfläche des Hülsenbandes 14 vor dem Formen der Hülse 5 und in die Oberfläche des Bolzens 6 eingeprägt. Bei der dargestellten Ausführungsform beträgt die gemittelte Rautiefe der beiden Gelenkflächen 7, 8 in etwa 1 μm. Die Tiefe B der Vertiefungen 10 beträgt in etwa 10 μm (entspricht also einem Bereich von 3 μm bis 200 μm) und ist damit in etwa 10 mal so groß wie mit gemittelte Rautiefe.
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Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, die Vertiefungen 12 haben jedoch eine kreisförmige Grundform und das durch die Vertiefung 12 definierte Volumen hat die Form einer Halbkugel. Das Verhältnis zwischen der minimalen Breite B und der maximalen Tiefe C der Vertiefung 12 beträgt 2 (entspricht also einem Bereich zwischen 0,2 und 5). Der Flächenanteil der Vertiefungen beträgt in etwa 30% des Bereichs 9 mit definierter Oberflächenstruktur 11 (entspricht also einem Bereich von 5% bis 30%).
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Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in den 3 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen, die Vertiefungen 13 haben jedoch eine rechteckige Grundform und das durch die Vertiefungen 13 definierte Volumen ist pyramidenstumpfförmig. Außerdem sind die Vertiefungen 13 in einem quadratischen Muster angeordnet. Zusätzlich weist die Oberflächenstruktur 11 des dargestellten Ausführungsbeispiels Schmiermittelkanäle 15 auf, die die in einer Reihe angeordneten Vertiefungen 13 miteinander verbinden. Die Schmiermittelkanäle 15 haben dabei einen dreieckigen Querschnitt. Das Verhältnis zwischen den minimalen Breite B der Vertiefung 13 und der maximalen Tiefe C beträgt in etwa 2 (entspricht also einem Bereich zwischen 0,2 und 5). Für die Schmiermittelkanäle 15 beträgt dieses Verhältnis in etwa 1. Die Breite E des Schmiermittelkanals 15 ist geringer als die minimale Breite B der Vertiefungen 13. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Flächenanteil der Vertiefungen 13 am Bereich 9 mit definierter Oberflächenstruktur 11 in etwa 25% (entspricht also einem Bereich von 5% bis 30%). Die Vertiefungen 13 sind in der dargestellten Ausführungsform mit einem Schmiermittel 16 gefüllt, beispielsweise einem Öl.
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5 zeigt einen Teil eines Hülsenbandes 14, aus dem eine Hülse 5 geformt wird. Auf der Oberfläche des Hülsenbandes 14, die nach dem Formen zur Hülse 5 der Gelenkfläche 8 entspricht, ist ein Bereich 9 mit einer nicht näher dargestellten definierten Oberflächenstruktur 11 ausgebildet. Der Bereich 9 macht dabei in etwa 35% (entspricht also einem Bereich von 15% bis 75%) der Gelenkfläche 8 aus.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gelenkkette
- 2
- Innenkettenglieder
- 3
- Außenkettenglieder
- 4
- Kettengelenk
- 5
- Hülse
- 6
- Bolzen
- 7
- erste Gelenkfläche
- 8
- zweite Gelenkfläche
- 9
- Bereich mit definierter Oberflächenstruktur
- 10
- Vertiefung
- 11
- definierte Oberflächenstruktur
- 12
- Vertiefung
- 13
- Vertiefung
- 14
- Hülsenband
- 15
- Schmiermittelkanal
- 16
- Schmiermittel
- 17
- Betriebsrichtung der Gelenkkette
- A
- Schnittlinie
- B
- minimale Breite
- C
- maximale Tiefe
- D
- kleinster Abstand zu nächster Vertiefung
- E
- Breite des Schmiermittelkanals
