DE10230542A1

DE10230542A1 - Oberfläche eines Körpers, auf dem ein anderer Körper in einer bevorzugten Gleitrichtung gegeneinander gleitend anordenbar ist

Info

Publication number: DE10230542A1
Application number: DE2002130542
Authority: DE
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-01-29
Also published as: GB0315771D0; GB2391274B; GB2391274A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Oberfläche eines Körpers, auf dem ein anderer Körper in einer bevorzugten Gleitrichtung gegeneinander gleitend anordenbar ist. Die Oberfläche zeigt Ausnehmungen zur Aufnahme eines Gleitmittels, deren Hauptorientierung nicht in Gleitrichtung, sondern insbesondere im wesentlichen quer zur Gleitrichtung verlaufen. DOLLAR A Insbesondere sind die Ausnehmungen napf-, wannen-, riefen- oder grabenförmig ausgebildet und zeigen eine Tiefe von wenigen mum, eine Breite in der Größenordnung von 100 mum und eine Länge von wenigstens 100 mum. Bevorzugt sind die durch die Ausnehmungen gebildeten Erhebungen zur Schaffung einer Gleitfläche zu einem wesentlichen Anteil eben ausgebildet.

Description

Es ist bekannt, in Motoren oder Pumpen, in denen verschiedene Körper gegeneinander gleitend angeordnet sind, die Gleitflächen möglichst reibungsfrei oder mit minimaler Reibung auszustatten. Um dies zu erreichen werden die Oberflächen der Körper sehr glatt also ohne Ausnehmungen oder Erhöhungen ausgebildet bzw. in einem Herstellprozeß dahingehend bearbeitet, daß keine Ausnehmungen oder Erhebungen vorhanden sind, die eine unerwünschte Reibung erzeugen, beispielsweise bei Einspritzpumpen für Dieselfahrzeuge, die ein rotierendes Polygon aufweisen, welches mit Kolbenfußscheiben gleitend in Kontakt tritt und mit diesen zusammenwirkt. Diese Gleitflächen werden zur Verringerung der Reibung sehr glatt ausgebildet, so daß keine Ausnehmungen oder Erhebungen vorhanden sind, die sich störend auf die Reibung auswirken können. Der vorhandene Dieselkraftstoff wirkt bei diesen Kontaktflächen als Gleitstoff.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Oberfläche, einen Körper mit einer Oberfläche und Verfahren zur Herstellung einer Oberfläche anzugeben, die bei der Anwendung in Verbindung mit einem Gleitmittel besonders niedrige Reibwerte aufweisen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Oberfläche eines Körpers mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Körper mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie einem Verfahren zur Herstellung einer Oberfläche mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Oberfläche eines Körpers, auf dem ein anderer Körper in bevorzugten Gleitrichtung gegeneinander gleitend anordenbar ist, zeigt Ausnehmungen zur Aufnahme eines Gleitmittels, das beispielsweise bei einer Kraftstoffpumpe oder Einspritzpumpe vorzugsweise durch den Kraftstoff gebildet ist. Die Ausnehmungen sind dabei so ausgebildet, daß ihre Hauptorientierung nicht in Gleitrichtung sondern insbesondere ganz oder im wesentlichen quer zur Gleitrichtung verläuft. Je stärker die Hauptorientierung unterschiedlich zur Gleitrichtung verläuft, desto besser erweist sich die Reduktion der Reibung. Die Ausnehmungen auf der Oberfläche müssen nicht alle die gewünschte Orientierung aufweisen, es genügt, wenn ein beachtlicher Teil der Ausnehmung die gewünschte Orientierung aufweist. Je ausgeprägter die Hauptorientierung und die ausgeprägte Querorientierung zur Gleitrichtung ist, desto besser ist die Reduktion der Reibung. Ist die Hauptorientierung der Ausnehmungen nicht oder nur schwach ausgeprägt, so führt es zu einer geringen aber beachtlichen Verbesserung der Reibwerte. Die Erfindung geht also ab von dem Weg, die Oberflächen immer glatter auszubilden und macht diese zielgerichtet rauher.
Durch die Ausbildung der Ausnehmungen wird es möglich, daß Reservoirs für Gleitstoffe auf der Oberfläche geschaffen werden, aus denen die Gleitstoffe in den Spalt zwischen den Körpern gefördert werden, so daß stets eine ausreichende Gleitstoffversorgung der Reibflächen bzw. Kontaktfläche zwischen den Körpern gegeben ist.
Es hat sich besonders bewährt, die Ausnehmungen napf-, wannen-, riefen- oder grabenförmig auszubilden und diese vorzugsweise quer zur bevorzugten Gleitrichtung oder zur erwarteten Gleitrichtung auszurichten. Zur Schaffung der napf-, wannen-, riefen- und grabenförmigen Ausnehmungen haben sich besonders Verfahren des Flächenschleifens – insbesondere quer zur erwarteten Gleitrichtung – , Strahlen – insbesondere mit Sand oder Korund – , chemisches Ätzen – insbesondere unter Verwendung von Masken – und/oder Laserabtrageverfahren bewährt. Dabei hat sich das Flächenschleifen als sehr einfaches, kostengünstiges und sehr wirksames Verfahren herausgestellt.
Ausnehmungen, die eine Tiefe von wenigen μm oder auch wenigen Zehntel μm zeigen und eine Breite in der Größenordnung von 100 μm sowie eine Länge von wenigstens 100 μm oder ein Vielfaches davon zeigen, haben sich als besonders wirksames Reservoir für Gleitmittel bewährt. Diese Ausnehmungen ermöglichen es, einerseits genügend Gleitmittel zur Verfügung zu stellen und andererseits nur geringe Mengen an möglicher Gleitfläche für eine vorteilhafte großflächige Verteilung der Kräfte zwischen den Körpern zur Reduktion der Reibung und der daraus resultierenden möglichen Beschädigung der Körper zu ermöglichen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Erhebungen, die zwischen den Ausnehmungen angeordnet und durch diese gebildet sind, so ausgebildet, daß sie zu einem beachtlichen Anteil eben oder ohne wesentlich darüber hinausragende Erhöhungen ausgebildet sind. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, daß in einem Herstellungsschritt, der auf die Ausbildung der Ausnehmungen folgt die Oberfläche durch Gleitschleifen ganz oder teilweise angeglichen und damit in merklichen Teilen eben ausgebildet wird. Durch diese ebene Flächenteile der Erhebungen ist es möglich, die Kontaktfläche, auf der die Körper gegeneinander gleitend gelagert sind, zu vergrößern und dadurch die Flächenbelastung und damit die Reibungseffekte und damit die Gefahr von Korrosion und Zerstörung zu reduzieren. Hierdurch wird die Haltbarkeit der Oberfläche, des Körpers mit der Oberfläche bzw. das gegenein ander gleitende gleitend gelagerte Körperpaar merklich erhöht.
Es hat sich besonders bewährt, die Übergangsbereiche, in denen die Ausnehmungen an die Erhebungen anstoßen, nicht abrupt, insbesondere in einer Kante hart aneinander stoßen zu lassen, sondern die Übergangsbereiche abgerundet auszubilden. Hierdurch gelingt es, den Transport des Gleitmittels aus den Ausnehmungen zu in die Kontaktbereiche zwischen den beiden Körpern zu verbessern und dadurch ein Aufschwimmen, insbesondere in Verbindung mit einer Schaffung eines größeren Abstands zwischen den Körpern und damit ein Verstärken des Gleitfilms zu erreichen. Dies führt zu einer verbesserten Gleitwirkung insbesondere zu einer reduzierten Reibung zwischen den gegeneinander gleitenden Körpern.
Darüber hinaus hat es sich besonders bewährt, die Ausnehmungen in Richtung der bevorzugten Gleitrichtung keilförmig verjüngend auszubilden, was insbesondere in Verbindung mit den abgerundeten Übergangsbereichen die vorgenannte Wirkung noch verstärkt oder sie ermöglicht. Diese Ausbildung des Übergangsbereichs bzw. der verjüngenden Ausbildung der Ausnehmungen ermöglicht ein besonders vorteilhaftes mikrohydrodynamisches Verhalten des Gleitmittels im Hinblick auf die gegeneinander gleitenden Körper.
Daneben hat es sich besonders bewährt, die Oberfläche wenigstens teilweise zu beschichten. Dabei sind die Beschichtungen vorzugsweise so gewählt, daß sie einerseits eine reibvermindernde bzw. eine korrosionsvermindernde Wirkung besitzen. Besonders bewährt haben sich Beschichtungen mit Wolfram-Carbid oder Wolfram-Carbid-Kohlenstoffbeschichtungen oder reine Kohlenstoffbeschichtungen. Hierbei hat sich besonders eine Beschichtung der Fa. Balzers mit der Bezeichnung Balinit bewährt. Zusätzlich oder ergänzend hat es sich als vorteilhaft gezeigt, die Oberfläche durch Carbonitrierung oder Nitrierung zu härten, was die Beständigkeit der Oberfläche gegen mechanische Belastung insbesondere durch Reibung verbessert.
Der Körper, dessen Oberfläche mit den erfindungsgemäßen Ausnehmungen versehen ist, wird bevorzugt aus hochlegierten Stählen, die von sich aus sehr korrosionsbeständig, formbeständig und von befriedigendem Reibwert sind geschaffen. Diese hochlegierten Stähle lassen sich durch die bevorzugten Verfahren zur Herstellung der Oberflächenstruktur insbesondere durch Flächenschleifen, Strahlen insbesondere mit Korund oder Sand, chemischen Ätzen, Laserabtrageverfahren, Carbonitrieren und/oder Nitrieren gut bearbeiten, so daß die vorteilhaften Wirkungen im besonderen Maße zum Tragen kommen. Besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von 25MoCr4E-Stahl herausgestellt.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der Körper in dem Bereich, in dem er mit dem zweiten Körper in Kontakt steht oder stehen soll, zumindest teilweise konkav ausgebildet. Durch diese konkave Ausbildung entsteht eine Mulde, in der beachtliche Mengen des Gleitmittels eingeschlossen werden können und als makroskopisches Reservoir für das Gleitmittel wirken können. Es hat sich besonders bewährt, daß der konkav ausgebildete Bereich der Oberfläche mit einem Bereich zur Deckung kommt, in dem die wesentliche Druckbelastung des einen Körpers auf den anderen Körper erwartet wird. Hierdurch gelingt es, einen gleichmäßigen makroskopischen Gleitfilm zwischen den Körpern zu erzeugen, der die Reibung zwischen den beiden Körpern merklich absenkt. Tritt zu der konkaven Ausbildung zusätzlich die Verwendung von erfindungsgemäßen Ausnehmungen im Bereich der Oberfläche hinzu, so verbessert sich diese Wirkung der Absenkung der Reibung im besonderen Maße.
Vorzugsweise wird der Randbereich des Bereiches, der mit dem zweiten Körper in Kontakt steht, konvex ausgebildet. Durch diese konvexe Ausbildung entsteht ein keilförmig verjüngender Spalt zwischen den beiden Körpern, der die Ausbildung eines Gleitfilmes durch das Gleitmittel und damit eine Verbesserung der Reibwerte bewirkt. Es hat sich besonders bewährt, den konvex ausgebildeten Randbereich in seiner Krümmung so auszubilden, daß er einer exponentiellen, logarithmischen oder ganzrationalen Funktion höherer Ordnung genügt. Durch diese Ausbildung gelingt es, einen fertigungstechnisch einfach herzustellenden Körper bzw. eine Oberfläche zu schaffen, die sich durch geringe Reibwerte auszeichnet. Besonders bewährt hat es sich, diese Ausbildung der Randbereiche in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Ausnehmungen in Kontaktbereich der beiden Körper vorzusehen. Hierdurch ist ein besonders wirksames Reduzieren der Reibung durch die besonders vorteilhafte Wirkung der Gleitmittel gegeben.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Körper, der mit einem zweiten Körper. ein Körperpaar bildet, wobei die beiden Körper miteinander gleitend flächig oder linienförmig in Kontakt stehen oder dafür vorgesehen sind. Dabei ist die Oberfläche, die zum Kontakt vorgesehen ist, mit erfindungsgemäßen Ausnehmungen versehen und/oder mit einer konkaven Ausbildung im Zentralbereich versehen bzw. im Randbereich mit einer konvexen Ausbildung des Randes ausgebildet. Durch diese verschiedenen alternativen Ausbildungen des Kontaktbereiches für sich oder in Kombination miteinander ist ein sehr vorteilhafter Körper bzw. ein Körperpaar geschaffen, das sich durch besonders niedrige Reibwerte und geringe Korrosion und damit Altersbeständigkeit beim Betrieb mit Gleitmitteln auszeichnet.
Als besonders vorteilhafte Ausführungsform des Körpers bzw. der Körperpaare haben sich ohne Beschränkung auf diese Beispiele folgende Anordnungen besonders bewährt. Beispielsweise Ventil mit Ventilsitz, Kolben mit Zylinderlauffläche, Kolbenring mit Zylinderlauffläche, Polygon mit Kolbenscheibe oder Nocken mit Ventilschaft. Darüber hinaus sind viele weitere Körperpaare denkbar, die geprägt sind durch ein gegenseitiges oberflächliches Gleiten bei Vorhandensein eines Gleitmittels beispielsweise in Motoren oder Pumpen oder Getrieben oder Zahnrädern. Diese Anordnungen erweisen sich bei der erfindungsgemäßen Verwendung der beschriebenen Oberflächen als sehr reibungsarm und sehr beständig.
Gemäß der Erfindung werden zur Herstellung der erfindungsgemäßen Oberfläche die Ausnehmungen zur Aufnahme eines Gleitmittels durch spezifische Oberflächenbehandlungen des Körpers geschaffen. Insbesondere erfolgt dies durch Flächenschleifen quer zur erwarteten Gleitrichtung oder im wesentlichen schräg zu der erwarteten Gleitrichtung, durch flächiges Strahlen der Oberfläche beispielsweise mit Sand oder Korund oder anderen harten Gegenständen vorgegebener Form, durch chemisches Ätzen mit oder ohne Verwendung von Masken und/oder durch alleiniges oder ergänzendes Verwenden von Laserverfahren zum Abtragen von Material. Diese Verfahren ermöglichen ein Ausbilden der Ausnehmungen auf bzw. in der Oberfläche des Körpers. Diese Ausnehmungen sind zur Aufnahme des Gleitmittels vorgesehen und ermöglichen insbesondere bei der Ausbildung der Ausnehmung mit einer Hauptausdehnungsrichtung, die schräg oder quer oder im wesentlichen quer zur bevorzugten Gleitrichtung orientiert sind, ein besonders wirksames Gleiten des Gleitens und damit ein sehr wirksames Absenken der Reibung.
Es hat sich besonders bewährt, nach der Ausbildung der Ausnehmungen in einem weiteren Schritt die Oberfläche insbesondere die durch die Ausnehmung gebildeten Erhebungen mittels Gleitschleifen zu nivellieren, dadurch die Kontaktfläche bzw. Auflagefläche der beiden Körper zu vergrößern und dadurch die Druckbelastung und die lokale Belastung zu verringern und somit die Korrosionsbelastung zu vermindern. Dies führt zu einer merklich erhöhten Lebenszeit der beiden Körper.
Darüber hinaus hat es sich besonders bewährt, die Oberfläche teilweise oder ganz einer Härtung und/oder einer Beschichtung zur Gleitverbesserung und/oder Korrosionsverminderung zu un terziehen. Hierdurch ist eine weitere Verbesserung der Beständigkeit der Körper bzw. der Oberfläche der Körper geschaffen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Abbildungen näher erläutert. Die in den Abbildungen dargestellten Ausbildungen der Erfindungen sind nur beispielhaft und dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsform der Erfindung beschränkt.
1 Zeigt eine Einspritzpumpe für einen Dieselmotor,
2 Zeigt zwei Körper die gegeneinander gleitend gelagert sind,
3 Zeigt eine beispielhafte Ausbildung von erfindungsgemäßen Ausnehmungen, und
4 Zeigt ein Diagramm der Reibwerte verschiedener Oberflächen bei unterschiedlichen Flächenpressungen.
In 1 ist eine Hochdruck-Einspritzpumpe für einen Dieselmotor dargestellt, bei der in der Mitte ein Polygon 2 im Kreis bewegt wird. Das Polygon 2 zeigt drei ebene Flächen, auf denen gleitend jeweils eine Kolbenfußscheibe 3 angeordnet ist. Das Polygon 2 und die Kolbenfußscheiben 3, die auch als Kolbenscheibe bezeichnet werden, stehen gleitend miteinander in Kontakt. Durch das Bewegen des Polygons 2 wird eine bevorzugte Gleitrichtung zwischen dem Polygon 2 und den Kolbenfußscheiben 3 definiert. Im Bereich des Polygons 2 und der Kolbenfußscheiben 3 ist als Gleitmittel Dieselkraftstoff vorgesehen, der seitlich aber auch im Bereich des Spaltes zwischen dem Polygon 2 und den Kolbenfußscheiben 3 vorhanden ist.
In 2 ist eine ausschnittsweise Darstellung der Kolbenfußscheibe 3 und des Polygons 2 dargestellt. Die Darstellung zeigt, daß die Kolbenfußscheibe 3 großflächig auf dem Polygon 2 respektive auf einer ebenen Fläche des Polygons 2 aufliegt. Im Zentralbereich der Kontaktfläche zwischen der Kolbenfußscheibe 3 und der ebenen Fläche des Polygons 2 ist die Kolbenfußscheibe 3 konkav ausgebildet. Hierdurch entsteht ein vergrößerter Zwischenraum 4 zwischen den beiden Körpern, wodurch der Spalt zwischen ihnen merklich zunimmt. In diesem Zwischenraum kann ein Reservoir des Gleitmittels zur verbesserten Schmierung und zur Reibwertsenkung gebildet werden. Die Anordnung der konkaven Ausbildung der Kolbenfußscheibe 3 ist so gewählt, daß sie im Bereich der größten Druckbelastung angeordnet ist. Dieser Bereich wird dadurch festgelegt, daß auf dem konkaven Bereich abgewandten Seite der Kolbenfußscheibe 3 der Kolbenschaft der Hochdruckpumpe 1 angeordnet ist und hierdurch eine starke Belastung der Kolbenfußscheibe 3 insbesondere in Richtung des Polygons 2 entsteht. Durch die konkave Ausbildung ist diese Wirkung abgeschwächt. Eine ausreichende Schmierung und Reibwertsenkung und damit eine vergrößerte Haltbarkeit ist erreicht. Daneben zeigt die Kolbenfußscheibe 3 im Randbereich des Kontaktbereiches zu dem Polygon 2 abgerundete Kanten 5, d. h. eine konvexe Ausbildung. Hierdurch ist ein verjüngender Spalt geschaffen, durch den ein sicheres Ausbilden des Gleitfilms zwischen dem Polygon 2 und der Kolbenfußscheibe 3 erreicht ist. Dieser Gleitfilm wird zusätzlich durch das Vorhandensein der in 3 dargestellten Ausnehmungen weiterhin verbessert.
Zu den besonderen Ausbildungen der Gestaltung der Kolbenfußscheibe 3 tritt zusätzlich die Ausbildung der Ausnehmungen in der Oberfläche der Kolbenfußscheibe 3 bzw. des Polygons 2 hinzu.
In 3 ist die Kolbenfußscheibe 3 dargestellt, die auf einem Polygon 2 entsprechend 1 und 2 gleitend gelagert ist. Die Kolbenfußscheibe 3 zeigt mehrere Ausnehmungen 6a, b, c, d, e und f. Die Ausnehmungen 6a–f zeigen unterschiedliche Tiefe bzw. Breiten. Sie zeigen in der gewählten Schnitt darstellung nicht erkennbar verschiedene Längsausdehnungen. Die Längsausdehnung ist quer zur bevorzugten Gleitrichtung, die als Pfeil 12 angedeutet ist, orientiert. Durch die ausgeprägte Längsausdehnung ist die Möglichkeit geschaffen, ein erhebliches Reservoir an Gleitmittel in den Ausnehmungen 6a–f auszubilden und für die Bildung eines Gleitfilms in den Kontaktflächen, die durch die Zwischenbereiche zwischen den Ausnehmungen 6a–f gebildet werden, zur Verfügung zu stellen.
Die Ausnehmungen 6a–f zeigen eine Tiefe von wenigen μm und eine Breite von mehreren 10 μm bis mehreren 100 μm. Die Längsausdehnungen sind mehrere 100 μm groß.
Durch die Ausnehmungen 6a-f sind Erhöhungen gebildet, die an ihrer Oberfläche weitgehend plan ausgebildet sind und eine wesentliche Gleitfläche bilden. Durch die Größe der Gleitfläche gelingt es, eine große Punktbelastung bzw. Flächenbelastung der Körper beim gegenseitigen Gleiten zu verhindern und dadurch eine Beschädigung auszuschließen oder einzuschränken. Dies wird zudem verstärkt durch die Ausbildung der Randbereiche, die durch das Aneinanderstoßen der Ausnehmung 6a-f und der Erhebungen gebildet ist. Diese Übergangsbereiche sind abgerundet ausgebildet und schaffen durch das Abrunden einkeilförmige Verjüngung des Reservoirs bzw. des Gleitfilms in Richtung der bevorzugten Gleitrichtung. Durch diese Ausbildung wird der Erhalt bzw. die Ausbildung des Gleitfilms, der wesentlichen Einfluß auf die Reibwerte zwischen den beiden Körpern hat, genommen. Insbesondere gelingt es durch diese Ausbildung, die Hydrodynamik des Gleitmittels dahingehend zu optimieren, daß der Reibwert auch bei hohen Drücken respektive Flächenbelastungen gering gehalten werden kann. Darüber hinaus gelingt es durch die keilförmige Ausbildung auch den Gleitfilm, der durch den Abstand respektive des Aufschwimmen der beiden Körper gegeneinander definiert ist, zu vergrößern und dadurch die Gleitwirkung zu verbessern, was sich wiederum positiv auf den Reibwert auswirkt.
Die Ausnehmungen 6a-f werden vorzugsweise durch ein Flächenschleifen quer zur bevorzugten Gleitrichtung geschaffen. Anschließend werden die Erhebungen mittels Gleitschliff z. B. mittels Ceramo-Finish der Fa. Rösler nivelliert und in die gewünschte Form gebracht.
In dem Diagramm der 4 sind die Reibwerte unterschiedlicher Oberflächen bei unterschiedlichen Flächenpressungen dargestellt. Mit Bezugszeichen 11 ist eine Oberfläche gemäß dem Stand der Technik, welche von allen wesentlichen Ausnehmungen und Erhebungen durch Polieren befreit ist, dargestellt. Sie zeigt bei geringen Flächenpressungen einen sehr guten Reibwert während sie bei erhöhten Flächenpressungen einen massiven Anstieg auf ein Mehrfaches zeigt. Dieser Anstieg ist gerade bei Vorrichtungen wie Hochdruck-Einspritzpumpen nicht akzeptabel.
Weiterhin sind in dem Diagramm die Reibwerte von in Gleitrichtung geschliffenen Oberflächen (Flächenschliff) mit dem Bezugszeichen 8, und die Reibwerte von gestrahlten Oberflächen mit der Bezugsziffer 9 dargestellt. Beide Reibwertkurven zeigen sehr hohe Reibwerte sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Flächenpressungen. Derartige Oberflächen sind wenig geeignet für reibungsarme Gleitlagerungen.
Weiterhin ist in dem Diagramm mit dem Bezugszeichen 10 die erfindungsgemäße Oberfläche dargestellt. Sie zeigt sowohl bei niedrigen Flächenpressungen als auch bei hohen Flächenpressungen einen sehr niedrigen Reibwert.
5.1.5 Keramo-Finish^®
Bei diesem Verfahren handelt es sich um ein Spezialverfahren der Gleitschlifftechnik der Firma Rösler. Hierbei werden die Probekörper zusammen mit Keramikschleifkörpern (Bild 39) in einem Rundvibrator bearbeitet. Zusätzlich wird bei diesem Verfahren eine Schleifpaste zugegeben, um eine polierende Wirkung zu erzielen.
Bild 39: Schleifkörper RCP 6/10 ZS
Durch die zylindrische Form der Schleifkörper und ihr dichtes mikrokristallines Gefüge besitzen diese Körper eine feinschleifende bis polierende Wirkung. Sie wird zudem durch die Zugabe der Schleifpaste unterstützt. Die Bearbeitungszeit liegt hier bei 7 Stunden.
Bild 40 und Bild 41 zeigen eine charakteristische Oberflächentopographie dieses Bearbeitungsverfahrens. Es wird deutlich, dass die Rauheitsspitzen der geschliffenen Ausgangsoberfläche gleichmäßig abgetragen sind. Lediglich tiefe Riefen bleiben zurück. Die plateauartige Oberfläche ist im Vergleich zur Kategorie 1, welche eine ähnliche Topographie aufweist, glatter und zeigt ein poliertes Aussehen.
Bild 40: 3D Topographie Kategorie 3 (Keramo-Finish^® Probe Nr. NR9G)
Betrachtet man den Verlauf der Abbott-Kurve (Bild 42), so weist die Topographie eine sehr kleine Spitzenhöhe S_pk auf. Das Polieren der Oberfläche hat zu einer Vorwegnahme des Einlaufprozesses geführt. Die Kernrauhtiefe S_k ist sehr gering, was einen sehr hohen Materialanteil zur Folge hat. Somit wird die Belastbarkeit der Oberfläche erhöht. Die hohe Riefentiefe S_vk mit einem weichen Übergang vom Kernbereich sollte ermöglichen, Schmierstoff zu speichern und den Aufbau von Mikrohydrodynamik auch bei hohen Belastungen zu gewährleisten.
5.1.6.2 Rundes Korn (Kategorie 5)
Exemplarisch soll in dieser Kategorie die Bearbeitung der Oberfläche mit Glasperlen (Bild 47) dargestellt werden.
Bild 47: Strahlmedium RPGP 220
Im Vergleich zu der geschliffenen Referenzprobe zeigt sich kein großer Unterschied der Topographie. Durch das runde Strahlmedium werden lediglich scharfen Kanten, welche durch das Schleifen hervorgerufen wurden, geglättet. Es kommt jedoch nicht zu einem hohen Materialabtrag, wie es bei kantigem Strahlmedium der Fall war. Auch ein „Abdruck" des runden Strahlmediums in der Oberfläche ist nicht erkennbar. In Bild 48 und Bild 49 ist die ausgewählte Topographie dargestellt.
Bild 48: 3D Topographie Kategorie 5 (Probe Nr. NR5S)
Anhand der Abbott-Kurve (Bild 50) wird deutlich, dass auch diese Oberfläche eine große Spitzenhöhe S_pk , Kernrauhtiefe S_k und Riefentiefe S_vk besitzt. Im Vergleich zu der vorangegangenen Kategorie, bei der die Schleifriefen durch den hohen Materialabtrag nicht mehr erkennbar sind, ist bei dieser Kategorie die Schleifrichtung noch gut zu erkennen.
5.1.8 Ätzstruktur (Kategorie 7)
Durch die vorangegangene Auswertung der Oberflächentopographie wurde durch eine Srukturierung der polierten Probekörper versucht, für das vorhandene tribologische System optimalere tribologische Eigenschaften zu erreichen. Mit Hilfe des Sprühätzens wird eine Struktur, welche in Bild 54 und Bild 55 erkennbar ist, erzeugt.
Hierbei sollte eine Oberfläche erzeugt werden, die keine Rauheitsspitzen und eine kleine Kernrauhtiefe aufweist, jedoch sogenannte „Schmierstofftaschen" besitzt.
Bild 54: 3D Topographie Kategorie 7 (Probe Nr. NRS1)
Die Abbott-Kurve (Bild 56) zeigt deutlich einen kaum vorhandenen Spitzenbereich S_pk und eine kleine Kernrauhtiefe S_k. Der Übergang hin zu der doch sehr großen Riefentiefe ist jedoch sehr scharf.
6.1 Abbott-Kurve
Anhand der Abbott-Kurve lassen sich Oberflächen sehr gut beschreiben. Weiterhin können Aussagen über das tribologische Verhalten im geschmierten Zustand getroffen werden. Bild 65 zeigt drei Abbott-Kurven und Rauheitsprofile unterschiedlicher Oberflächen.
Bild 65: Vergleich der Abbott-Kurven und Rauheitsprofile
Alle drei Oberflächen zeigen ein anderes Reibungsverhalten. Beginnend mit der Referenzprobe mit einem sehr schlechten Reibungsverhalten in unseren Versuchen, bis hin zu den mit Keramo-Finsih bearbeiteten Proben mit vergleichsweise gutem Reibungsverhalten.
Die Abbott-Kurve kann in drei Bereiche unterteilt werden, die für das tribologische Verhalten ausschlaggebend sind. Jedoch können diese nicht getrennt betrachtet werden, da erst das Zusammenspiel aller Bereiche das tribologische Verhalten bestimmt. Für eine übersichtliche Darstellung werden diese Bereiche jedoch einzeln näher beschrieben.
Spitzenbereich
Durch eine Reduzierung der Rauheitsspitzen kann der Einlaufprozess während des Versuches verbessert werden. Der Festkörperkontakt wird vermindert und verbessert somit das Reibverhalten. In der Abbott-Kurve wird dies durch eine geringere Profiltiefe bei geringem Materialanteil deutlich. Der Kurvenverlauf sollte sehr flach beginnen.
Kernbereich
Betrachtet man die Abbott-Kurven (Bild 65), so wird deutlich, dass ein waagerechter Verlauf der Kurve anzustreben ist. Somit wird ein hoher Materialanteil bei geringer Profiltiefe erreicht. Es kommt zu einer plateauartigen Ausbildung der Oberfläche. Durch den hohen vorhandenen Materialanteil, wird die Belastungsfähigkeit der Oberfläche erhöht.
Riefenbereich
Das Vorhandensein von Riefen ist für das tribologische Verhalten von großer Bedeutung.
Durch die Riefen quer zur Bewegungsrichtung, bei sonst plateauartiger Oberfläche, kommt es zu einer Drosselwirkung im Schmierfilm, die durch dynamische Vorgänge einen erhöhten Schmierfilmdruck bewirken. Der Druck wirkt auf die beiden Reibpartner und führt zu deren Abheben. Die Schmierfilmdicke wird erhöht. Durch diesen Effekt (MHD) kommt es im Mischreibungsbereich zu einem geringeren Festkörperkontakt und somit zu einem geringeren Reibungskoeffizienten.
Weiterhin verbessern die Riefen die Präsenz des Schmierstoffes zwischen den Reibpartnern. Jedoch zeigte sich in den Versuchen zur Orientierung der Schleifriefen, dass nicht nur das Vorhandensein von Riefen sondern auch die Ausrichtung eine wichtige Rolle spielt.
3.3 Strahltechniken
Das Strahlen ist ein Bearbeitungsverfahren, bei dem verschiedenartige, mehr oder weniger abrassive, metallische oder nichtmetallische Medien mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberflächen von Werkstücken gelenkt werden. Als Trägerenergie fungieren dabei Druckluft, Druckflüssigkeiten oder Schleuderräder. Die kinetische Energie des Strahlmittels wird beim Auftreffen auf die Werkstückoberfläche in Deformation der Werkstückoberfläche und Kornoberfläche, in Abtrag, in Schneiden (Eindringen der Kornspitzen in die Oberfläche der Werkstücke), in Verformung, in Wärme und in Bruch des Strahlkornes umgewandelt. Die Wirkungen der Strahltechnik sind in Bild 12 dargestellt.
Bild 12: Wirkungen der Strahltechnik
3.4 Strukturierung durch chemisches Ätzen
Mit Hilfe des Sprühätzen wurden unterschiedliche Oberflächentopographien erzeugt.
Nach heute gültiger Erkenntnis handelt es sich beim Nassätzen von Metallen um einen elektro-chemischen Abtragprozess ohne Fremdstromquelle. Als Ätzmedien kommen dabei wässrige Lösungen aus Säuren und Salzen zum Einsatz. Die Atome des metallischen Werkstoffs gehen als positiv geladene Ionen in Lösung.
Der Fertigungsablauf beim Sprühätzen lässt sich grob einteilen in Maskenherstellung, Werkstückvorbereitung und Sprühätzen. Mit Hilfe der Maske kann die gewünschte Struktur auf die Oberfläche und auf die Werkstückoberfläche übertragen werden.

Claims

Oberfläche eines Körpers, auf dem ein anderer Körper in einer bevorzugten Gleitrichtung gegeneinander gleitend anordenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche Ausnehmungen zur Aufnahme eines Gleitmittels aufweist, deren Hauptorientierung nicht in Gleitrichtung sondern insbesondere im wesentlichen quer zur Gleitrichtung verläuft.
Oberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen napf-, wannen-, riefen- oder grabenförmig ausgebildet sind.
Oberfläche nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen eine Tiefe von wenigen μm, eine Breite in der Größenordnung von 100 μm und eine Länge von wenigstens 100 μm aufweisen.
Oberfläche nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ausnehmungen Erhebungen gebildet sind, die zur Schaffung einer Gleitfläche zu einem wesentlichen Anteil eben ausgebildet sind.
Oberfläche nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ausnehmungen und die Erhebungen gebildete Übergangsbereiche abgerundet sind.
Oberfläche nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen in Richtung der bevorzugten Gleitrichtung keilförmig ausgebildet sind.
Oberfläche nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest teilweise mit einer Beschichtung zur Gleitverbesserung und/oder Korrosionsverminderung versehen ist.
Oberfläche nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper unter Verwendung eines hochlegierten Stahls gebildet ist.
Oberfläche nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mit den Ausnehmungen in dem Bereich, der mit dem zweiten Körper in Kontakt steht, zumindest teilweise konkav ausgebildet ist.
Oberfläche nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mit den Ausnehmungen im Randbereich des Bereiches, der mit dem zweiten Körper in Kontakt steht, konvex ausgebildet ist.
Oberfläche nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Randbereiches einer exponentiellen, logarithmischen oder einer ganzrationalen Funktion höherer Ordnung genügt.
Körper eines Körperpaares mit einer Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 11, der zur flächigen oder linienförmigen gleitenden Berührung mit dem anderen Körper des Körperpaares vorgesehen ist.
Körper nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Körperpaare durch Ventil mit Ventilsitz, Kolben mit Zylinderlauffläche, Kolbenring mit Zylinderlauffläche, Polygon mit Kolbenscheibe oder Nocken mit Ventilschaft gebildet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Ausnehmungen zur Aufnahme eines Gleitmittels mittels Flächenschleifen, Strahlen insbesondere mit Sand, chemischen Ätzen und/oder Laserabtrageverfahren mit anschließendem fakultativen Gleitschleifen erzeugt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Oberfläche nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich wenigstens teilweise eine Härtung und/oder eine Beschichtung zur Gleitverbesserung und/oder Korrosionsverminderung der Oberfläche vorgesehen ist.