DE10224857B4

DE10224857B4 - Gleitelement für Hochgeschwindigkeitsanwendungen und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10224857B4
Application number: DE10224857A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Goetz; Josef Ressle; Rainer Dr. Hegermann
Original assignee: Cvt & Co KG GmbH
Current assignee: Cvt & Co Kg 87642 Halblech De GmbH
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2022-06-06
Also published as: DE10224857A1

Abstract

Gleitelement zum Bewegen auf einer im wesentlichen ebenen Auflagefläche, insbesondere für Hochgeschwindigkeitsanwendungen, mit in einer hitzebeständigen Matrix eingebetteten hitzebeständigen Fasern, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in Form von Rovings gelegt sind und dass die Fasern zumindest an dem in Gleitrichtung (G) vorderen Ende des Gleitelements (1) unter einem Winkel (α, α', β) zur Gleitrichtung orientiert sind, dessen Betrag > 0° und < 90° ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleitelement zum Bewegen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Verfahren zu seiner Herstellung nach dem Anspruch 16.
In naher Zukunft werden zusätzlich und/oder alternativ zu den klassischen schienen- oder straßengebundenen Fördersystemen verstärkt in der Schwebe gehaltene Fördersysteme, sei es durch Luftkissen oder magnetisch, zum Einsatz kommen, zu denen z.B. die Magnetschwebebahn Transrapid gehört. Derartige Magnetschwebebahnen, die Spitzengeschwindigkeiten von mehreren Hundert Kilometern pro Stunde erreichen, müssen mit Gleitelementen ausgerüstet sein, welche garantieren, dass der Zug bei einem eventuellen Systemausfall des Schwebemechanismus trotz der hohen Geschwindigkeiten zerstörungsfrei auf einer Auflagefläche in Form einer Beton- oder Metallschiene aufsetzt und ggf. weiterbewegt werden kann. Dies bedeutet, dass der Zug mit hoher Geschwindigkeit und unter starker Wärmeentwicklung durch Reibung auf der Auflagefläche gleitet, wobei die Entfernung bis zur nächsten Servicestation viele Kilometer betragen kann.
Bislang sind beispielsweise beim Transrapid-Versuchszug Gleitelemente zum Einsatz gekommen, die aus einer Mischung von Harzen, Kohlenstoffpulver, Metalleinlagen und ggf. weiteren Materialien bestehen. Derartige Gleitelemente sind jedoch aufgrund ihres Verschleißverhaltens für mit einem Auftreten hoher Temperaturen verbundener Anwendungen nicht geeignet.
Die JP 5-155665 A betrifft ein Gleitelement auf der Basis eines Kohlenstofffasern enthaltenden Keramikkomposits. Dabei wurde offenbar festgestellt, dass ab 1,5 Volumen-% Fasern mit einer Winkelausrichtung von 40 bis 90° zur Gleitfläche die Gleiteigenschaften verbessert werden. In diesem Winkelbereich liegen bei statistischer Gleichverteilung etwa 28% der Fasern, so dass die fragliche Bedingung bei statistisch verteilten Fasern ohne weiteres gegeben ist. Das Gleitelement besteht aus einem einheitlichen Körper.
Die EP 675 091 A1 zeigt ein Kompositmaterial für Gleitzwecke. Auch hier handelt es sich so um einen einheitlichen Körper. Das Gleitelement wird derart hergestellt, dass Mesophasenpech-Kohlenfasern in zwei Lagen nebeneinander auf einen oktogonalen Dorn aufgewickelt werden, die Lagen dann in Abständen von 120mm mit Klebstoffstreifen versehen und einzelne Abschnitte abgetrennt werden. Diese werden in eine wässrige Keramikschlämme eingetaucht und dann unter Beibehaltung der Parallelität der einzelnen Abschnitte in einer Form übereinander gelegt, wobei sie jeweils durch ein Gitter gepresst werden, um so ein Ineinandergreifen (intermeasing) der Fasern verschiedener Lagen zu bewirken, um so die Lagenstruktur aufzuheben. Nach dem Trocknen erfolgt ein Pressen mit hohem Druck und bei hoher Temperatur.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitelement zu schaffen, das sich unter Vermeidung der genannten Nachteile einen sicheren und zerstörungsfreien Einsatz bei mit hohen Temperaturen verbundenen Anwendungen, beispielsweise bei Reibung verbundenen Hochgeschwindigkeitsanwendungen, ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Gleitelement der eingangs genannten Art gelöst, das die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Gleitelements wird nicht nur der normale Gleitverschleiß auf der Auflagefläche, sondern auch ein Verschleiß und eine Beschädigung einer schlagenden Beanspruchung zumindest wesentlich reduziert, welche besonders bei anisotropen Werkstoffen zur Zerstörung des Werkstoffs führen kann. Wobei eine solche schlagende Beanspruchung insbesondere bei Auflageflächen oder Schienen aus einzelnen Segmenten, Stufen an Fügestellen, d.h. Höhenversätze bis zu einer Höhe von mehreren Millimeter auftreten, vor allem wenn Geschwindigkeiten oberhalb 250km/h gegeben sind.
Die Einzelfasern sind dabei in der Regel zu Faser-Rovings zusammengefasst. Bei einem Roving handelt es sich um einen Faser-Strang aus einer Vielzahl einzelner Fasern oder Faserfilamenten, deren Durchmesser vorzugsweise im Bereich von wenigen Mikrometern, wie 5-7 μm liegt. Die Rovings weisen in der Regel 2000-30000, vorzugsweise 3000-12000 Einzelfasern auf. Beispielsweise weist ein 6K-Roving (6000 Einzelfasern) eine Ablegbreite von ca. 2,5 mm und eine Ablegdicke von ca. 0,3-0,5 mm auf.
Die Fasern können Lang- oder Kurzfasern sein, wobei Langfasern eine Länge von mindestens 2 mm und Kurzfasern eine Länge von weniger als 2 mm haben.
So haben Versuche mit Platten aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff (CFC) gezeigt, dass diese für die vorstehend beschriebenen Anwendungen prinzipiell geeignet sind. Dies bezieht sich sowohl auf den geringen Reibungskoeffizienten als auch auf das Verschleißverhalten solcher Werkstoffe. CFC-Werkstoffe an sich sind beispielsweise in der EP 0 695 730 B1 beschrieben.
CFC-Werkstoffe zählen zur Klasse der faserverstärkten (FV), anisotropen Werkstoffe, die sich bei geeigneter Wahl der Bestandteile (Fasermaterial einerseits, einbettendes Matrixmaterial andererseits) bei der Fertigung von Bauteilen durch Gewichtsersparnis, hohe thermische Stabilität, hervorragende Ermüdungseigenschaften und niedrige Fertigungskosten auszeichnen.
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gleitelements sehen vor, dass jeweils eine Anzahl von Faserrovings zueinander parallel in Form einer Faserschicht oder einer Faserlage angeordnet sind und dass Gruppen solcher Faserschichten im wesentlichen rechtwinklig zueinander orientiert sind. Die Lagenstärke einer Faserschicht liegt vorzugsweise im Bereich von 1,5-5 mm. Durch eine derartige Anordnung der Fasern resultiert eine gute Stabilität des so geschaffenen Gleitelements, die durch den Kontakt unterschiedlicher, winklig zueinander orientierter Faserelemente bewirkt ist. Solche Kontaktstellen werden auch als Faserknoten bezeichnet.
Zur Herstellung eines derartigen Gleitelements schlägt die Erfindung weiterhin die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vor, das durch die Merkmale des Anspruchs 16 gekennzeichnet ist. Das Herausarbeiten des Gleitelements aus dem Rohling kann mit tels einer Vielzahl spanabhebender Verfahren, wie beispielsweise Schneiden oder Fräsen, erfolgen.
Auf diese Weise ist bei einem erfindungsgemäßen Gleitelement sichergestellt, dass die Fasern unter einem bestimmten, von 0° verschiedenen Winkel auf eine Stoßstelle auftreffen, so dass keine Faserorientierung exakt in Richtung der Schlageinwirkung vorliegt. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass der Schlag nicht – wie z.B. beim Spalten von Holz -längs einer Faserstruktur im Gleitelement wirken kann, sondern wenigstens teilweise durch senkrecht zur Schlagrichtung orientierte Fasern aufgenommen wird.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Faserwinkel zur Gleitrichtung hierbei zwischen 25° und 60°, äußerst vorzugsweise aber ungefähr 30°.
Die Fasern können erfindungsgemäß eine Erstreckungskomponente in einer durch die Gleitrichtung und eine Normale auf die Auflagefläche aufgespannten Ebene besitzen. Im Zuge einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gleitelements können die Fasern alternativ oder zusätzlich auch eine Erstreckungskomponente in einer zur Auflagefläche parallelen Ebene besitzen.
Die vorstehend erwähnten Versuche mit CFC-Gleitelementen haben gezeigt, dass die parallel zur Gleitrichtung angeordneten Fasern am schwächsten sind und beim Schlag der Werkstoff zwischen diesen Faserschichten oder -lagen zerstört wird. Bei solchen Faserschichten erfolgt demnach ein Stauchen der Faserschicht und damit ein Delaminieren, d.h. die Lage zwischen den längsgerichteten Faserschichten wird aufgebrochen. Bei Faserschichten senkrecht zur Gleitrichtung treten bei Beanspruchung in Gleitrichtung dadurch Stauchungen auf, dass die Fasern gequetscht werden und dadurch e benfalls aufbauchen können, ähnlich wie bei einer Druckbeanspruchung einer Faser auf ihre Stirnfläche. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Faserelemente unter einem Winkel zwischen 0° und 90° (unter Ausschluß dieser Grenzwerte), vorzugsweise zwischen 25° und 60°, bezüglich der Gleitrichtung wird der Schlag wenigstens teilweise von Fasern mit Orientierung senkrecht zur Schlagrichtung aufgenommen und so die Zerstörung des Werkstoffes effizient vermieden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gleitelements ist zur weiteren Erhöhung dessen Stabilität vorgesehen, dass eine Lagenstärke der Faserschichten im wesentlichen einem Durchmesser einzelner Fasern entspricht. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass es bei einem Einwirken von (äußeren) Kräften auf das erfindungsgemäße Gleitelement nicht zu einem Gegeneinanderverschieben zweier in Gleitrichtung angeordneter, parallel übereinander liegender Fasern kommt. Da Anordnungen von Fasern in Faserknoten immer stabiler als parallele, unidirektional angeordnete Fasern sind, ist hierdurch eine größere Stabilität des erfindungsgemäßen Gleitelements insbesondere gegen horizontale Schlageinwirkungen erreicht.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gleitelements sieht vor, dass dessen in Gleitrichtung vorderes Ende zumindest in seinem unteren Bereich eine von der Auflagefläche weg gekrümmte Abrundung aufweist. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gleitelements sieht vor, dass ein Vorformling aus vernadelten und verpressten Faserschichten vor einem Aufbringen eines Matrixmaterials, insbesondere einem Infiltrieren durch Bedampfen, so verformt wird, dass der Vorformling in einem vorderen Bereich eine von der Auflagefläche weg gekrümmte Abrundung aufweist.
Auch auf diese Weise läßt sich eine für horizontale Schlageinwirkungen günstige Orientierung der Fasern im besonders gefährdeten vorderen Bereich des Gleitelements schaffen. Hierzu werden die Faserkörper aus gekreuzten Faserschichten, die eine Vorstufe des fertigen FV-Werkstoffs darstellen und die in bekannter Weise miteinander verpresst und vernadelt werden, erfindungsgemäß nicht nach Infiltration mit Matrixmaterial (z.B. Kohlenstoff) an einem Block herausgeschnitten, sondern bereits zur Matrixinfiltration aus einer Gasphase zu einer schlittschuhartigen Gleitkufe geformt und in einer Form infiltriert, so dass ein Schlag nicht faserparallel sondern unter einem größeren Winkel entsprechend einer ggf. empirisch zu ermittelnden Abrundung auf den Faserkörper bzw. das Gleitelement wirkt.
Erfindungsgemäß kann gezielt hochtexturierter (hochorientierter) oder niedertexturierter (niederorientierter) Kohlenstoff infiltriert werden.
Die Texturierung oder auch Anisotropie/Isotropie von Kohlenstoff ist physikalisch definiert mittels des Gitterebenabstandes c/2 und der Kristallitgröße Lc. Von hochexturiertem Kohlenstoff spricht man bei 3,35 Å < c/2 < 3,38 Å und 200 Å < Lc < 400 Å. Dieser anistrope Kohlenstoff ist elastisch und daher sehr schadenstolerant. Niedertexturierter Kohlenstoff ist definiert durch c/2 ≥ 3,38 Å und Lc < 200 Å. Dieser Kohlenstoff weist neben anisotropen Bereichen auch isotrope Bereiche auf. Er ist sehr spröde aber verschleißfester als hochtexturierter. Vorzugsweise wird man daher niedertexturierten Kohlenstoff gezielt im Bereich der Reibseite des Gleitelements infiltrieren, hochtexturierten im Restkörper desselben, der so als "Feder" wirkt und Schläge elastisch aufnehmen kann, ohne dass es zu einem Sprödigkeits-Versagen des Gleitelements kommt.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Gleitelement in seinem unteren, in Gleitrichtung vorderen Bereich eine Abschrägung aufweist. Diese schließt mit der Gleitrichtung einen Abschrägungswinkel ein, dessen Betrag vorzugsweise > 0° und < 90° ist. Nach einer äußerst bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Betrag des Abschrägungswinkels 20° bis 40°, insbesondere 30°.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Gleitelement 80- 90% Langfasern und 10-20% Kurzfasern aufweist. Darüber hinaus ist nach einer äußerst bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Faserschichten miteinander vernäht sind. Auf diese Weise wird eine kontrollierte Verbindung der Faserschichten innerhalb des erfindungsgemäßen Gleitelements erreicht, wodurch die Delaminierungsgefahr weiter gesenkt ist.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausbildungen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigt:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines vorbekannten Gleitelements mit einsetzender Delaminierung bei Schlageinwirkung innerhalb einer Faserschicht sowie zwischen zwei übereinander angeordneten gekreuzten Faserschichten;
2a eine schematische Darstellung (Draufsicht) einer erfindungsgemäßen Faseranordnung unter einem Winkel +/-45° bezüglich einer Gleitrichtung;
2b eine schematische Schnittansicht der in 2a gezeigten erfindungsgemäßen Ausgestaltung;
3 ein erfindungsgemäßes Gleitelement in Form einer abschnittsweise von einer Auflagefläche weg gekrümmten Gleitkufe;
4 ein erfindungsgemäßes Gleitelement mit unter einem vorbestimmten Winkel gegenüber einer Gleitrichtung orientierten Fasern sowie einer Abschrägung im unteren vorderen Bereich;
5 eine schematische Darstellung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Gleitelementes aus einer konventionellen FV-Werkstoff-Platte; und
6 eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gleitelements, bei welchem die einzelnen Lagen gezielt in z-Richtung vernäht sind.
1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung ein bekanntes quaderförmiges Gleitelement 1, das in Gleitrichtung G auf einer durch Schienensegmente 2a, 2b gebildeten Auflagefläche 2 bewegt wird. Die Gleitrichtung G entspricht der x-Achse des Gleitelements, dessen Höhe oder Stärke der z-Richtung entspricht und das eine endliche Breitenerstreckung in y-Richtung senkrecht zur x-Achse aber im wesentlichen parallel zur Horizontalen aufweist, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist (senkrecht zur Blattebene der 1). Das Gleitelement 1 besteht aus einem faserverstärkten Werkstoff, beispielsweise aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff, und weist demgemäß eine innere Struktur aus jeweils lagenweise rechtwinklig zueinander angeordneten und aus einzelnen Fasern gebildeten Rovings 3, 3' auf, die Gruppen von Faserschichten 4, 4' bilden und die hier und im Folgenden nur teilweise dargestellt sind. Innerhalb einer Faserschicht 4, 4' sind die Fasern bzw. die Rovings 3, 3' jeweils unidirektional parallel zueinander ausgerichtet. Alle Faserschichten 4, 4' sind koplanar zu einer einzigen Faserebene F, hier speziell zu einer horizontalen Ebene ausgerichtet.
Erfährt das in 1 dargestellte Gleitelement 1 eine Schlageinwirkung S, beispielsweise beim Auftreffen auf eine an einer Stoßstelle zweier Schienensegmente 2a, 2b gebildete Stufe 5 der Auflagefläche 2, so kommt es bei den Faserschichten 4, 4', zu einem Stauchen der Faserschicht 4' und damit zu einer Zerstörung des Gleitelements 1 durch Delaminierung, insbesondere am Wechsel bzw. Übergang der Faserschichten 4, 4', also im Bereich einer Versagensebene V. Dies ist in erster Linie darauf zurückzuführen, dass faserverstärkte Werkstoffe Kräfte deutlich besser in Richtungen senkrecht zur Orientierung der einzelnen Fasern als parallel zur Fasererstreckung aufnehmen können. Deshalb kommt es bei Gleitelementen, die Faserschichten mit einer Orientierung der einzelnen Fasern in Gleitrichtung und damit in Schlagrichtung aufweisen, bei hohen Geschwindigkeiten zum Delaminieren des Gleitelements und in dessen Folge zur Zerstörung desselben, was als katastrophales Delaminieren bezeichnet wird.
2a zeigt in einer schematischen Darstellung eine erste erfindungsgemäße Ausgestaltung der Anordnung von Rovings 3, 3' innerhalb eines Gleitelements 1. Die Rovings 3, 3' sind, wie in 1 gezeigt, jeweils bündelweise rechtwinklig zueinander angeordnet, weisen jedoch in einer zur Auflagefläche 2 parallelen Ebene einen Faserwinkel α bzw. α' von +45° bzw. -45° bezüglich der Gleitrichtung G des Gleitelements 1 auf.
Auf diese Weise ist sichergestellt, dass eine Schlageinwirkung S bezüglich jeder einzelnen Faser bzw. jedes Rovings 3, 3' immer in eine zu dessen Orientierung senkrechte und eine parallele Komponente S₁, S₂ zerfällt. Dadurch wird in jedem Fall die Schlageinwirkung in Faserrichtung reduziert, so dass auch hohe Geschwindigkeiten und entsprechend starke Schlageinwirkungen nicht zu einem katastrophalen Delaminieren des Gleitstücks führen.
2b zeigt eine abgebrochene schematische Schnittansicht des Gleitstücks 1 der 2a. Es ist in dieser Darstellung deutlich zu erkennen, dass im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Ausgestaltung keines der in Faserschichten 4, 4' zusammengefassten Rovings 3, 3', von denen in beispielhafter Weise pro Faserschicht 4, 4' jeweils zwei übereinander angeordnet dargestellt sind, eine Orientierung ausschließlich in Gleitrichtung G des Gleitelementes 1 besitzt.
3 zeigt eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gleitelements 1, bei dem die bündelweise angeordneten Rovings 3, 3' nach erfolgter Verpressung und Vernadelung zu einem Vorformling vor dem Aufbringen des Matrixmaterials, der Infiltration, zu einer Gleitkufe geformt wurden, die in ihrem in Gleitrichtung G vorderen Bereich eine von der Auflagefläche 2 weg gekrümmte Abrundung 6 aufweist. Aufgrund dieser Aufwärtskrümmung sind die Rovings 3' im Bereich der Abrundung 6 unter einem Faserwinkel β, β > 0°, bezüglich der Gleitrichtung G angeordnet, so dass bei einer möglichen Schlageinwirkung an einer Stufe 5 der Auflagefläche 2 keine Kräfte ausschließlich in Richtung der Rovings 3' wirken. Die Rovings 3' besitzen hierbei eine Erstreckung im wesentlichen in einer Ebene, die durch die Gleitrichtung G des Gleitstücks 1 und eine Flächennormale N der Auflagefläche 2 aufgespannt wird.
Bei einem vorbekannten Gleitelement 1 gemäß 1 sind die Rovings 3, 3' in bzw. parallel zu einer horizontalen Faserebene F angeordnet, die wiederum parallel zur Auflagefläche 2 angeordnet ist. Damit ist speziell der Faserwinkel β bei diesem vorbekannten Gleitelement 1 gleich Null. Dagegen ist in 4 eine weitere alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gleitelements 1 dargestellt, bei der das im wesentlichen quaderförmige Gleitelement 1 in seinem in Gleitrichtung G vorderen unteren Bereich eine Abschrägung 7 aufweist, deren Abschrägungswinkel β', β' ≠ 0°, bei der gezeigten Ausführungsform einem Faserwinkel β der Rovings 3 im Inneren des Gleitelements 1 entspricht. Somit sind auch die Rovings 3 unter einem Winkel β, β ≠ 0°, 0° < β < 90°, bezüglich der Gleitrichtung G angeordnet, so dass bei einer Kollision des Gleitelements 1 mit einer Stufe 5 der Auflagefläche 2 die Schockeinwirkung S auf das Gleitelement 1 bzw. die vorderen Rovings 3 in eine Komponente S₁ senkrecht und eine Komponente S₂ parallel zur Orientierung der Rovings 3 zerlegbar ist.
Auf diese Weise wirken auch bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gleitelementes nur reduzierte Kräfte S₂ in Faserrichtung, wodurch die Delaminierungsanfälligkeit des erfindungsgemäßen Gleitelements herabgesetzt ist. Die andere Gruppe von Rovings 3' ist in jedem Fall senkrecht zur Richtung der Schlageinwirkung S ausgerichtet, so dass diese Rovings generell weniger delaminierungsanfällig sind.
Der Faserwinkel β und der Abschrägungswinkel β' müssen nicht identisch sein. Es ist demnach auch die Schaffung ei nes erfindungsgemäßen Gleitelements möglich, bei dem diese beiden Winkel unterschiedliche Beträge besitzen, wie exemplarisch anhand des Gleitelements 1 in 5 dargestellt ist.
5 veranschaulicht die mechanische Bearbeitung eines Rohlings 8 in Form einer konventionellen horizontalparallel kohlefaserverstärkten Kohlenstoffplatte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Gleitelements 1, speziell in dessen Ausgestaltungsform nach 4. Das erfindungsgemäße Gleitelement 1 mit Länge l, Breite b wird unter einem bestimmten endlichen Arbeitswinkel γ aus einem längeren und dickeren Rohling 8 mit den entsprechenden Abmessungen L und B herausgearbeitet, beispielsweise herausgeschnitten, wobei der Arbeitswinkel γ zwischen 5° und 15°, vorzugsweise 10°, beträgt. Innerhalb des Rohlings 8 sind die Faserschichten 4, 4' koplanar zu dessen Grundfläche angeordnet. Deshalb bedingt der von Null verschiedene Betrag des Arbeitswinkels γ einen entsprechenden Betrag für den Faserwinkel β für wenigstens eine der Gruppen von Faserschichten 4, 4'.
Das Gleitelement 1 weist an einer seiner Stirnseiten wiederum eine Abschrägung 7 auf, deren Abschrägungswinkel β' im Bereich von 30° liegt und deren Höhe h in etwa der halben Breite b des Gleitelements 1 entspricht. Dabei ist der Winkel β' bezüglich der Längsrichtung 1 des Gleitelements 1 bestimmt.
Auf diese Weise ist sichergestellt, dass keine der Faserschichten 4, 4' an der Stirnseite des Gleitelements 1, insbesondere im Bereich der Abschrägung 7, eine reine Längsorientierung, d.h. eine Orientierung in Richtung der Längsausdehnung l des Gleitelements 1 – und damit in Bewegungs richtung – aufweist, was gemäß 1 leicht ein katastrophales Delaminieren des Gleitelements 1 zur Folge hat.
Die einzelnen Rovings 3, 3' der 1 bis 4 sind in 5 nicht explizit dargestellt. Allerdings können bei allen gezeigten Ausgestaltungen die Faserschichten 4, 4' auch als einschichtige Lagen parallel ausgerichteter Fasern ausgebildet sein, so dass bei einer Schlageinwirkung niemals Kräfte zwischen mehreren übereinander in Gleitrichtung angeordneten Faserschichten sondern immer zwischen rechtwinklig zueinander angeordneten Faserschichten wirken. Da Faserknoten grundsätzlich stabiler sind als parallel unidirektional angeordnete Faserschicht, lässt sich dadurch zusätzliche Stabilität des erfindungsgemäßen Gleitelements 1 erreichen.
6 zeigt in perspektivischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Gleitelement 1, bei dem die Rovings 3, 3' bzw. die Faserschichten 4, 4' in z-Richtung, d.h. senkrecht zu den Faserebenen F mittels eines zusätzlichen Fadens 10, 10' gezielt vernäht sind. Zusätzlich zum Verlauf in z-Richtung weisen die Fäden 10, 10' in ihrer Gesamtheit einen Verlauf entweder im wesentlichen in x-Richtung 10 oder im wesentlichen in y-Richtung 10' auf, so dass ein Absteppmuster aus rechtwinklig zueinander verlaufenden Fadenscharen 10, 10' für das Gleitelement 1 resultiert.
Anders als beim standardmäßigen Vernadeln von Vorformlingen mittels Widerhaken, was zu einer relativ unkontrollierten Verbindung in z-Richtung führt, ergibt sich durch gezieltes Vernähen (Absteppen) eine kontrollierte stabile Verbindung, die ein Delaminieren des erfindungsgemäßen Gleitelements 1 noch unwahrscheinlicher macht, vor allem, wenn das Vernähen in Kombination mit einer der vorstehend anhand von 2-5 erläuterten Ausgestaltungen der Erfindung erfolgt.
Der zusätzliche Faden 10, 10' besteht beispielsweise aus Kohlenstoff. Möglich sind jedoch auch Fäden 10, 10' aus Aramid, Metallnitrid, wie Bornitrid, oder anderen keramischen Materialien, wie Siliziumkarbid.
Vielfältige weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gleitelements sind möglich. Dazu zählt vor allem eine kombinierte Faserorientierung mit Erstreckungsrichtung sowohl unter einem Faserwinkel α ≠ 0° als auch unter β ≠ 0°.

1: Gleitelement
2: Auflagefläche
2a, 2b: Schienensegment
3, 3': Roving
4, 4': Faserschicht
5: Stufe
6: Abrundung
7: Abschrägung
8: Rohling
10, 10': Faden
α, α': Faserwinkel
β: Faserwinkel
β': Abschrägungswinkel
γ: Arbeitswinkel
B: Breite (des Rohlings 8)
b: Breite (des Gleitelements 1)
F: Faserebene
G: Gleitrichtung
h: Höhe (der Abschrägung 7)
L: Länge (des Rohlings 8)
l: Länge (des Gleitelements 1)
N: Flächennormale
S: Schlageinwirkung
S₁, S₂: Komponente der Schlageinwirkung
V: Versagensebene

Claims

Gleitelement zum Bewegen auf einer im wesentlichen ebenen Auflagefläche, insbesondere für Hochgeschwindigkeitsanwendungen, mit in einer hitzebeständigen Matrix eingebetteten hitzebeständigen Fasern, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in Form von Rovings gelegt sind und dass die Fasern zumindest an dem in Gleitrichtung (G) vorderen Ende des Gleitelements (1) unter einem Winkel (α, α', β) zur Gleitrichtung orientiert sind, dessen Betrag > 0° und < 90° ist.
Gleitelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere aus Rovings (3, 3') gebildete Faserschichten (4, 4').
Gleitelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Gruppen von Faserschichten (4, 4') im wesentlichen rechtwinklig zueinander orientiert sind.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Faserwinkels (α, α', β) zwischen 25° und 60°, insbesondere ungefähr 30°, zur Gleitrichtung ist.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine Erstreckungskomponente in einer durch die Gleitrichtung (G) und eine Normale (N) auf die Auflagefläche (2) aufgespannten Ebene besitzen.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine Erstreckungskomponente in einer zu der Auflagefläche (2) parallelen Ebene besitzen.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine von der Auflagefläche (2) weg gekrümmte Abrundung (6) zumindest in einem unteren Bereich an seinem in Gleitrichtung (G) vorderen Ende.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Abschrägung (7) im unteren, in Gleitrichtung (G) vorderen Bereich.
Gleitelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschrägung (7) mit der Gleitrichtung (G) einen Abschrägungswinkel (β') einschließt, dessen Betrag > 0° und < 90° ist.
Gleitelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Abschrägungswinkels (β') 20° bis 40°, insbesondere 30°, ist.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern im Bereich der Abschrä gung (7) im wesentlichen parallel zur Abschrägungsfläche orientiert sind.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus Aramid, aus Kohlenstoff, aus Metallnitrid, aus Bornitrid, oder aus anderen keramischen Materialien, wie Siliziumkarbid, gebildet sind.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus Kohlenstoff oder einem anderen keramischen Material gebildet ist.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es 80-90% Langfasern und 10-20% Kurzfasern aufweist.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserschichten (4, 4') miteinander vernäht sind.
Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements zum Bewegen auf einer im wesentlichen ebenen Auflagefläche, insbesondere für Hochgeschwindigkeitsanwendungen, mit hitzebeständigen Fasern, die in einer gehärteten hitze beständigen Matrix eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein im wesentlichen quaderförmiges Gleitelement unter einem bestimmten Arbeitswinkel bezüglich einer Faserebene eines aus den Fasern und der Matrix gebildeten Rohlings aus diesem herausgearbeitet wird, so dass die Fasern zumindest an dem in Gleitrichtung vorderen Ende des Gleitelements einen Faserwinkel > 0° und < 90° bezüglich einer Längsachse des Gleitelements aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitswinkel 5° bis 15°, insbesondere 10°, beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements zum Bewegen auf einer im wesentlichen ebenen Auflagefläche, insbesondere für Hochgeschwindigkeitsanwendungen, mit hitzebeständigen Fasern, die in einer gehärteten hitzebeständigen Matrix eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorformling aus vernadelten und verpressten Fasern vor einem Einbringen eines Matrixmaterials, insbesondere einem Infiltrieren durch Bedampfen, so verformt wird, dass der Vorformling in einem vorderen Bereich eine aufwärts gekrümmte Abrundung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern miteinander vernäht werden.