-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zahnkette mit Führungslaschen,
Verbindungsstiften, die in Stiftlöchern in den Führungslaschen befestigt sind, und inneren
Laschen, die jeweils Zähne zum Eingriff mit Kettenrädern und Stiftlöcher aufweisen,
in die die Verbindungsstifte lose passen.
-
Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung Zahnketten, die zur Übertragung
von Kraft in Fahrzeugen, industriellen Maschinen und dergleichen verwendet
werden.
-
In jüngeren Jahren haben die Zahnketten zunehmende Bedeutung bei der
Verwendung als Steuerketten in Automobilmotoren gewonnen, insbesondere bei Motoren,
die zur Verwendung unter Hochgeschwindigkeits- und Hochbelastungsbedingungen
konstruiert sind.
-
Eine Zahnkette umfasst Führungslaschen an ihren Außenseiten, überlappende
innere Laschen, die jeweils Eingriffszähne aufweisen, und Verbindungsstifte. Die
Verbindungsstifte sind in Stiftlöchern in den Führungslaschen befestigt und in
Stiftlöcher in den inneren Laschen lose eingepasst. Da die inneren Laschen einen
schrägen Kontakt mit den Kettenrädern ausführen, ist bei einer
Zahnketten-Kraftübertragungsvorrichtung der Stoß aufgrund der Kollision zwischen den
Kettenrädern und der Kette abgeschwächt und ist ein niedriges Geräuschniveau erreicht.
-
Bei herkömmlichen Zahnketten ist das Grundmaterial der Verbindungsstifte und der
Kettenlaschen ein legierter Chrom-Molybdän-Stahl oder ein Hartstahl, der
Kohlenstoff mit 0,7-1,1 Gewichtsprozent aufweist. Diese Materialien werden aufgrund ihrer
leichten Verfügbarkeit und geringen Kosten verwendet. Die Oberflächen der
Verbindungsstifte werden einer Oberflächenbehandlung wie beispielsweise einem
Aufkohlen oder Karbonitrieren unterworfen, um den Verschleiß der Stifte zu
unterdrücken.
-
Zusätzlich zu der Oberflächenbehandlung der Verbindungsstifte ist in der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-249196 vorgeschlagen worden, die
Kettenlaschen Oberflächenhärtungsbehandlungen wie beispielsweise einem Nitrieren
oder einem Diffusionsbeschichten zu unterziehen, um den Verschleiß zu
unterdrücken.
-
Jedoch ist berichtet worden, dass trotz der Oberflächenbehandlung der
Verbindungsstifte oder der Kettenlaschen einige Zahnketten diejenige Verschleißfestigkeit
nicht zeigen, die als Ergebnis der Oberflächenbehandlung erwartet würde. Das
Überwinden des vereinzelten, unerwarteten Verschleißes und der hieraus
resultierenden verschleißbedingten Längung dieser Zahnketten ist aufgrund der Bedeutung
der Erhöhung der Zuverlässigkeit von Motoren, die die Ketten aufweisen, eine
dringende Angelegenheit geworden. Nach ernsthaftem Studium haben wir
herausgefunden, dass die unerwartete, verschleißbedingte Längung der Kette auftritt, wenn
sich das Schmieröl in dem Motor verschlechtert. Wenn die Verschlechterung des
Schmieröls auftritt, bewirkt die Oxidierung ein Fallen seine pH-Werts auf ein
pH-Niveau von 6 oder weniger und wird der Verschleiß der inneren Oberflächen der
Stiftlöcher der inneren Laschen beschleunigt. Wir haben ebenfalls herausgefunden,
dass wenn der Verbindungsstift und die innere Lasche aus demselben Material
zusammengesetzt sind, die Grundmaterialien dazu neigen, aneinander anzuhaften,
was eine weitere Beschleunigung des Verschleißes verursacht.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben genannten,
beim Gebrauch der herkömmlichen Zahnketten auftretenden Probleme zu lösen
und eine Zahnkette bereitzustellen, die eine lange Zeitdauer problemlos gelenkig
schwenkt und gleitet, ohne dass eine unerwartete verschleißbedingte Längung
erzeugt wird, und zwar selbst dann, wenn sie mit einem Öl geschmiert wird, das sich
extrem verschlechtert hat.
-
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe gemäß einem ersten Aspekt der
vorliegenden Erfindung durch eine Zahnkette mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist die Zahnkette derart ausgestaltet und weitergebildet,
dass die inneren Laschen ein Grundmaterial aus einem rostfreien Austenit-Stahl,
einem rostfreien Martensit-Stahl, einem Ausscheidungshärtungs-Stahl, einem
kohlenstoffreichen Chrom-Lagerstahl oder einem legierten Werkzeugstahl aufweisen,
wobei das Grundmaterial einer Aushärtung unter Wärmeeinwirkung unterzogen
worden ist.
-
Das Wärmeeinwirkungsverfahren oder das Wärmebehandlungsverfahren ist nicht
eingeschränkt. Jedes bekannte Wärmeeinwirkungs- oder
Wärmebehandlungsverfahren kann verwendet werden, das üblicherweise für die
Oberflächen-Wärmebehandlung von Stahl verwendet wird. Jedoch können bekanntlich unterschiedliche
Wärmeeinwirkungs- oder Wärmebehandlungsverfahren unterschiedliche
Auswirkungen haben, die von dem Material abhängen, auf welches das Verfahren
angewendet wird. Daher ist der Typ der Wärmeeinwirkung oder Wärmebehandlung
vorzugsweise auf die zu verwendenden Grundmaterialien abgestimmt ausgewählt.
Beispielsweise ist ein weich machendes Salzbadnitrier-Verfahren, das als das
Tuftride-Verfahren bekannt ist, für einen rostfreien Austenit-Stahl geeignet,
wohingegen ein Aufhohlhärte-Verfahren für einen rostfreien Martensit-Stahl geeigneter
ist.
-
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe gemäß einem zweiten Aspekt
der vorliegenden Erfindung durch eine Zahnkette mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 2 gelöst. Danach ist die Zahnkette derart ausgestaltet und weitergebildet,
dass zumindest auf der inneren Wandung des Stiftlochs in jeder inneren Lasche
eine Schicht ausgebildet ist und dass die Schicht zumindest TiN, CrN, DLC, Al2O3,
Mo, TiAlN, TiC, TiCN, AlN, Si3N4, SiC oder NiP aufweist. DLC bezieht sich auf
"diamantartigen Kohlenstoff", der eine amorphe Kohlenstoffschicht ist, die
Eigenschaften aufweist, die denen des Diamanten ähnlich sind.
-
Bei einer Zahnkette gemäß einem der oben beschriebenen Aspekte der Erfindung
ist vorzugsweise jeder Verbindungsstift mit einer metallischen harten Schicht
beschichtet, die zumindest ein Element aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist,
die aus Cr, V, Nb, Ti, Zr, Ta, Mo und W besteht. Hierbei kann als die metallische
harte Schicht ein Metallkarbid, ein Metallnitrid, ein Metalloxid, ein metallisches
Karbonitrid und dergleichen verwendet werden. Jedoch ist im Hinblick auf ein leichtes
Beschichten und die Affinität zu dem Grundmaterial eine Beschichtung aus
Metallkarbid besonders bevorzugt.
-
Bei einer Zahnkette gemäß einem der oben beschriebenen Aspekte der Erfindung
sind vorzugsweise das Grundmaterial der Verbindungsstifte und das Grundmaterial
der inneren Laschen verschieden voneinander.
-
Die Verwendung eines rostfreien Austenit-Stahls, eines rostfreien Martensit-Stahls,
eines Ausscheidungshärtungs-Stahls, eines kohlenstoffreichen Chrom-Lagerstahls,
oder eines legierten Werkzeugstahls, die einer Aushärtung unter Wärmeeinwirkung
unterzogen worden sind, als ein Grundmaterial und alternativ oder gleichzeitig die
Verwendung einer Schicht aus TiN, CrN, DLC, Al2O3, Mo, TiAlN, TiC, TiCN, AlN,
Si3N4, SiC oder NiP oder von Kombinationen von zwei oder mehrerer dieser
Materialien steigert die Oxidationsbeständigkeit der inneren Laschen der Kette, so dass
sie eine lange Zeitdauer problemlos gelenkig schwenken und gleiten kann, ohne
eine unerwartete verschleißbedingte Längung zu zeigen, und zwar selbst in einer
oxidierenden Umgebung, die durch das verschlechterte Schmiermittel verursacht
wird.
-
Die Oxidationsbeständigkeit kann weiter durch das Beschichten der Oberflächen
der Verbindungsstifte mit einer metallischen harten Schicht erhöht werden, die
zumindest ein Element enthält, das aus Cr, V, Nb, Ti, Zr, Ta, Mo und W ausgewählt
wird.
-
Noch weitere Verbesserungen hinsichtlich der Kettenlebensdauer können durch die
Verwendung unterschiedlicher Materialien als die Grundmaterialien der inneren
Laschen und der Verbindungsstifte realisiert werden, wodurch das Anhaften zwischen
den Stiften und den Laschen unterdrückt wird.
-
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in
vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die
nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung
bevorzugter Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Zahnkette anhand der
Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Zahnkette anhand der Zeichnung werden
auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre
erläutert. In der Zeichnung zeigen
-
Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung einen Teil einer
erfindungsgemäßen Zahnkette und
-
Fig. 2 in einem Diagramm Ergebnisse eines Verschleißfestigkeitstests der
erfindungsgemäßen Zahnkette.
-
Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die Zahnkette 10 Verbindungsreihen A, die jeweils drei
innere Laschen ILP aufweisen, und Führungsreihen B auf, die jeweils zwei innere
Laschen ILP mit Eingriffszähnen und zwei äußere Führungslaschen GLP
aufweisen. Die Laschen der Verbindungsreihen A und Führungsreihen B sind
überlappend angeordnet und mittels Verbindungsstiften Q gekoppelt. Die Verbindungsstifte
Q sind in Stiftlöchern der Führungslaschen GLP befestigt und in Stiftlöcher in den
inneren Laschen ILP lose eingepasst. In Fig. 1 sind zwei der Führungslaschen GLP
auf der näheren Seite der Kette teilweise weggebrochen gezeigt, um eine der drei
inneren Laschen ILP einer Verbindungsreihe A zu zeigen. Fig. 1 zeigt ein typisches
Beispiel einer Zahnkette mit vier Laschen in jeder Führungsreihe B und drei inneren
Laschen ILP in jeder Verbindungsreihe A. Jedoch können die Anzahlen der
Laschen in den Führungsreihen B und Verbindungsreihen A variieren und können in
Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise die Last, der die
Kette ausgesetzt wird, ausgewählt werden. Im Allgemeinen wird in dem Fall, in dem
die Führungslaschen GLP auf den Seiten der Zahnkette 10 vorgesehen sind, die
Gesamtzahl von Laschen in jeder Führungsreihe B die Anzahl von inneren Laschen
ILP in jeder Verbindungsreihe A um eine überschreiten.
-
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zahnkette wurde
SUS 304 - 18% Cr - 8% Ni -, der ein rostfreier Austenit-Stahl ist, als das
Grundmaterial der inneren Laschen ILP verwendet. Das Grundmaterial wurde einem
weich machenden Salzbadnitrier-Verfahren unterzogen, das als das
Tuftride-Verfahren bekannt ist.
-
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel wurde SCM 435, der ein herkömmlicher
legierter Chrom-Molybdän-Stahl ist, als das Grundmaterial der inneren Laschen ILP
verwendet. Das Grundmaterial wurde einem Nickel-Phosphor(NiP)-Legierungs-
Plattieren mittels eines stromlosen Plattier-Verfahrens unterzogen. In diesem Fall
wurde ein herkömmlicher legierter Chrom-Molybdän-Stahl - SCM 435 -, der einem
Karbonitrierverfahren unterzogen worden ist, als das Material der Verbindungsstifte
und der Führungslaschen verwendet.
-
Fig. 2 zeigt die Testergebnisse hinsichtlich der verschleißbedingten
Längungseigenschaften in einer gewöhnlichen Schmierumgebung, wo der pH-Wert des
Schmiermittels 6 war, und; ebenfalls bei einem oxidierenden Schmiermittel mit
einem pH-Wert von 3. Die Tests wurden durch ein Anordnen einer Zahnkette mit 96
Kettengliedern um zwei Kettenräder mit 18 bzw. 36 Zähnen und ein Drehen des 18-
Zahn-Kettenrads bei 6.500 U/m durchgeführt, wobei die Spannung in der Kette bei
0,5 kN gehalten wurde. Der Index - % - der Längung der Ketten wurde in
Intervallen während einer Betriebszeit von 500 Stunden gemessen. In Fig. 2 zeigen die
durchgezogenen Linien a1, a2 und a3 jeweils Ergebnisse von Zahnketten gemäß
dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel und einer herkömmlichen
Zahnkette bei einer Schmierung mit einem oxidierenden Schmiermittel. Die gestrichelten
Linien b1, b2 und b3 zeigen jeweils Ergebnisse von Zahnketten gemäß dem ersten
und dem zweiten Ausführungsbeispiel und einer herkömmlichen Zahnkette bei einer
Schmierung mit einem gewöhnlichen Schmiermittel.
-
Wie aus Fig. 2 entnommen werden kann, sind die Unterschiede zwischen den
Längungs-Indizes des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels und der
herkömmlichen Zahnkette in dem Fall eines gewöhnlichen Schmiermittels nicht groß. Jedoch
ist der Längungs-Index der herkömmlichen Zahnkette in einer oxidierenden
Umgebung etwa doppelt so groß wie der Längungs-Index derselben Kette bei einem
gewöhnlichen Schmiermittel. Andererseits sind die Längungs-Indizes der Ketten des
ersten und zweiten Ausführungsbeispiels fast unverändert. Die Testergebnisse
bestätigen, dass selbst wenn das Schmieröl extrem verschlechtert ist, die
Zahnketten des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels keine unerwartete
verschleißbedingte Längung zeigen und eine lange Zeitdauer problemlos gelenkig
schwenken und gleiten.
-
Obgleich SUS 304 - ein rostfreier Austenit-Stahl - als das Material der inneren
Laschen ILP bei dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel verwendet
worden ist, können im Wesentlichen dieselben Ergebnisse mit SUS 316, SUS 410
und SUS 440, die rostfreie Martensit-Stähle sind, mit SUS 630 und SUS 631, die
rostfreie Ausscheidungshärtungs-Stähle sind, mit SUJ 2, der ein kohlenstoffreicher
Chrom-Lagerstahl ist, und mit SKD 11, der ein legierter Werkzeugstahl ist, erhalten
werden.
-
Obgleich bei dem zweiten Ausführungsbeispiel eine innere Lasche aus
herkömmlichem Grundmaterial verwindet worden ist, das eine plattierte Beschichtung aus
einer Nickel-Phosphor(NiP)-Legierung auf seiner inneren Oberfläche aufweist,
können darüber hinaus im Wesentlichen dieselben Ergebnisse erhalten werden, wenn
TiN, CrN, DLC, Al2O3, Mo, TiAlN, TiC, TiCN, AlN, Si3N4 oder SiC als das
Beschichtungsmaterial verwendet wird.
-
Noch weitere Erhöhungen der Verschleißfestigkeit einer Kette bei einem
oxidierenden Schmiermittel können durch die Bildung einer Schicht gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel auf einer Oberfläche eines Grundmaterials gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel realisiert werden. Zusätzlich zu der Verwendung innerer
Laschen, die aus einer Grundmaterialzusammensetzung gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel aufgebaut sind, oder eines beschichteten Grundmaterials gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel kann auf den Oberflächen der Verbindungsstifte eine
metallische harte Schicht gebildet werden, die zumindest ein Element aufweist, das
unter Cr, V, Nb, Ti, Zr, Ta, Mo und W ausgewählt ist. Eine Schicht aus einem
Metallkarbid, einem Metallnitrid, einem Metalloxid, einem metallischen Karbonitrid oder
dergleichen kann als die metallische harte Schicht verwendet werden. Der
Einfachheit der Bildung der Schicht und der Affinität zu dem Grundmaterial halber ist eine
Metallkarbid-Schicht besonders bevorzugt. Zur Bildung dieser Schichten auf den
Oberflächen der Stifte können gut bekannte Verfahren wie beispielsweise die
Diffusionsbeschichtung und dergleichen verwendet werden.
-
Wenn eine herkömmliche Zahnkette mit Kettenrädern in Eingriff ist und bei hoher
Geschwindigkeit und unter hoher Last für eine lange Zeitdauer verwendet wird, bis
das Grundmaterial der Kette eine hohe Temperatur erreicht, tritt ein Anhaften
zwischen den Verbindungsstiften und den Kettenlaschen auf. Jedoch haben
kontinuierliche Belastungstests bei der Zahnkette des ersten Ausführungsbeispiels
demonstriert, dass das Anhaft-Phänomen nicht auftritt. Es wird angenommen, dass
die Abwesenheit der Anhaftung in dem Fall der Kette gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel darin begründet ist, dass die Verbindungsstifte und die inneren
Laschen aus verschiedenen metallischen Materialien hergestellt sind und die
Kristallgitterabstände in den Materialien voneinander verschieden sind, so dass eine
Verbindung aufgrund von Diffusion an den kontaktierenden Zwischenstellen nicht leicht
auftreten kann. Diese Annahme ist durch die Tatsache unterstützt, dass obwohl die
Zahnkette des zweiten Ausführungsbeispiel keine kontinuierliche, lange
andauernde, Hochgeschwindigkeits- und schwer beladene Belastungstests wie die
Zahnkette des ersten Ausführungsbeispiels aushalten kann, die Anhaftung wie in dem
Fall des ersten Ausführungsbeispiel durch Ausbildung der Grundmaterialien des
Verbindungsstifts und der inneren Lasche aus unterschiedlichen metallischen
Materialien unterdrückt werden kann.
-
Die Vorteile der Erfindung dürfen im Folgenden kurz zusammengefasst werden.
-
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist das Grundmaterial der inneren
Laschen unter einem rostfreien Austenit-Stahl, einem rostfreien Martensit-Stahl, einem
Ausscheidungshärtungs-Stahl, einem kohlenstoffreichen Chrom-Lagerstahl und
einem legierten Werkzeug stahl ausgewählt, die jeweils einer Aushärtung unter
Wärmeinwirkung unterzogen worden sind. Die Verwendung dieser
Grundmaterialien erhöht die Oxidationsbeständigkeit der inneren Laschen und unterdrückt die
verschleißbedingte Längung der Kette selbst in einer oxidierenden Umgebung.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung sind die inneren Wände der Stiftlöcher
der inneren Laschen mit einer Schicht beschichtet, die zumindest TiN, CrN, DLC,
Al2O3, Mo, TiAlN, TiC, TiCN, AlN, Si3N4, SiC oder NiP aufweist. Diese Schicht erhöht
ebenfalls die Oxidationsbeständigkeit der inneren Lasche und unterdrückt die
verschleißbedingte Längung der Kette in einer oxidierenden Umgebung.
-
Wenn die inneren Laschen aus den oben genannten speziellen Grundmaterialien
zusammengesetzt sind und auch wenn die inneren Wandungen der Stiftlöcher
beschichtet sind, können die Oberflächen der Verbindungsstifte gemäß einem dritten
Aspekt der Erfindung eine harte metallische Schicht aufweisen, die zumindest ein
Element aufweist, das unter Cr, V, Nb, Ti, Zr, Ta, Mo und W ausgewählt ist. Diese
Schicht bewirkt eine noch weitere Erhöhung der Beständigkeit der Kette hinsichtlich
einer verschleißbedingten Längung in einer oxidierenden Umgebung.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden zusätzlich unterschiedliche
Materialien als das Grundmaterial der Verbindungsstifte und das Grundmaterial der
inneren Laschen verwendet. Die Verwendung von unterschiedlichen
Grundmaterialien unterdrückt ein Anhaften der Verbindungsstifte und der inneren Laschen
untereinander, das ein Fortschreiten der verschleißbedingten Längung verursachen
kann. Die Verwendung von unterschiedlichen Materialien macht es möglich, die
verschleißbedingte Längung der Kette in einer oxidierenden Umgebung eine lange
Zeitdauer zu vermeiden.
-
Die Erfindung weist eine bedeutsame industrielle Anwendbarkeit auf, da sie es
möglich macht, eine übermäßige verschleißbedingte Längung einer Zahnkette
durch die Auswahl der Grundmaterialien und der Oberflächenbehandlungen der
Kettenkomponenten zuverlässig zu vermeiden.