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Diese Erfindung betrifft ein Gleitelement zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor wie z.B. in einem Kolbenring oder einer Zylinderbuchse.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Derzeit besteht ein wachsender Bedarf an Materialien und/oder Bauteilen, die eine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Verschleiß und der Korrosion bieten, was das Interesse für den Bereich der Oberflächentechnik geschürt hat. Was den Automobilsektor betrifft, und genauer gesagt die Beschichtung von Kolbenringen und Zylinderbuchsen/-bohrungen von Verbrennungsmotoren, wird derzeitige Forschung im Hinblick darauf betrieben, Materialien zu erzielen, die eine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber Abnutzungserscheinungen bieten, wodurch die Ruptur/ der Bruch des Beschichtungsmaterials verhindert werden kann, was dessen funktionale Anforderungen stark beeinträchtigen würde.
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Insbesondere in Bezug auf Kolbenringe unterliegen sie innerhalb der Verbrennungskammer eines Motors starken Abnutzungsprozessen sowie chemischen Angriffen von Nebenprodukten aus der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches.
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Um Produkte zu entwickeln, die eine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber Abnutzungserscheinungen aufweisen, bringen die Ringhersteller für gewöhnliche eine Verschleißschutzschicht auf der Oberfläche der Kolbenringe an.
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In diesem Sinne beschreibt
US-Patent 5.743.536 einen Kolbenring für einen Verbrennungsmotor, dessen Oberfläche mit einem Verschleiß-/Reibungsmaterial beschichtet ist, das hauptsächlich auf Chromnitrid besteht. Die Beschichtung wird unter Verwendung eines Prozesses, der PVD oder physikalische Dampfabscheidung genannt wird, durch die Abscheidung von Chromnitrid auf der Oberfläche des Bauteils, auf dem die Anbringung erwünscht ist, ausgebildet. Die in diesem Dokument beschriebene Erfindung schlägt die Verwendung von Chromnitrid in der Form CrN oder Cr2N vor. Die vorgeschlagene Beschichtung kann auch eine Mischung von CrN und Cr2N umfassen und ist widerstandsfähiger gegenüber der Delamination der Oberfläche des Rings und der Abrasion.
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Das Patent
US 5.316.321 beschreibt einen Kolbenring für einen Verbrennungsmotor, aus einer Titanlegierung gefertigt ist, dessen äußere Reibungsfläche unter Verwendung des Prozesses der physikalischen Dampfabscheidung mit einem harten Film, insbesondere TiN (Titannitrid) und CrN (Chromnitrid) beschichtet wird.
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Das Patent
US 5.145.433 beschreibt einen Kolbenring für einen Verbrennungsmotor, der aus martensitischem Edelstahl besteht und mit einem Titannitridfilm beschichtet ist. Eine der bevorzugten Ausführungsformen weist eine Beschichtung mit Titannitrid auf, bei der eine Stickstoffkonzentration auf der Oberfläche schrittweise sinkt, was dem Film eine Vickers-Härte von etwa 1800 HV oder weniger verleiht.
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Ein weiterer Beweis für Entwicklungen in Bezug auf Beschichtungen für Kolbenringe, um den Verschleiß zu reduzieren, ist das Patent
US 7.267.344 , das einen Kolbenring aus Stahl beschreibt, dessen Kontaktoberfläche eine Beschichtung aus Aluminiumnitrid und/oder Silikon und/oder Zirkon aufweist. Die vorgeschlagene Beschichtung weist eine Dicke von kleiner oder gleich 70 µm auf und wird mittels physikalischer Dampfabscheidung angebracht.
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Aus den oben erwähnten Dokumenten nach dem Stand der Technik ersichtlich, dass Chromnitrid bei der Zusammensetzung einer Außenbeschichtung für den Verbrennungsmotor-Kolbenring häufig benutzt wird um größere Widerstandsfähigkeit gegenüber Abnutzungserscheinungen zu übertragen. Kürzlich wurde jedoch bemerkt, dass in Motoren, die mit hoher Last arbeiten oder Motoren, die unter hohen Verbrennungsdruckpegeln arbeiten, eine Zersetzung der Chromnitridschicht stattfindet, woraus die Ausbildung von Mikrorissen auf ihrer Oberfläche folgt. Die Mikrorisse setzten sich fort, bis die Beschichtung anfängt, sich abzulösen (ein Phänomen, das als Delamination bekannt ist). Die festen Partikel, die aus der Delamination resultieren, die sich frei im System bewegen, können zu einem unerwünschten Verschleiß des Kolbenrings und zu einem Totalausfall des Motors führen.
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Der stärkere Verschleiß, der an den Ring-Enden festgestellt wurde und für gewöhnlich 3 Mal höher als in anderen Bereichen ist, bedeutet, dass eine größere, teurere Beschichtungsdicke auf dem gesamten Ring angebracht wird.
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Auf ähnliche Weise suchen die Entwickler nach Wegen, um die Reibung und den Verschleiß der Motorzylinder zu reduzieren. Infolgedessen sind mehrere Lösungen zur Anwendung auf Kolbenringen, Buchsen/Zylindern und anderen internen Bauteilen entwickelt worden, um die Arbeitsreibung von Verbrennungsmotoren zu reduzieren.
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Eine mögliche Lösung wird im Patent
WO 2009069703 A1 präsentiert, das eine Ring-Buchsen-Kombinationsstruktur beschreibt, wobei die Innenoberfläche der Buchse Rz 0,5 bis 1,0 µm, Rk 0,2 bis 0,4 µm, Rpk 0,05 bis 0,1 µm und Rvk 0,08 bis 0,2 µm aufweist. Die Stirnfläche des Rings weist auch eine/n spezifische Rauheit und Stirnflächendruck gegen die Buchse auf. Die reibungsschlüssigen Bauteile weisen eine extrem glatte, schwer herzustellende Oberfläche auf. Um jedoch die Motorhaltbarkeit sicherzustellen, muss Schmieröl in ausreichenden Mengen bereitgestellt werden, um Kolbenversagen zu vermeiden, was bei derart glatten Oberflächen schwer zu bewerkstelligen ist.
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Eine weitere Lösung wird im europäischen Patent
EP 2 229 467 offenbart, das ein Herstellungsverfahren für ein mechanisches Element wie z.B. einen Motorbauteil mit einer reduzierten Reibungsfläche beschreibt, das einen Schritt der tribochemischen Abscheidung einer Substanz wie z.B. eines Festschmiermittels aufweist, welche die Oberfläche des Elements bedeckt.
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Das kanadische Patent
CA 2 704 078 ist obigem europäischen Patent sehr ähnlich und betrifft den Prozess zur Herstellung eines Elements mit niedriger Reibung durch das Abscheiden eines Festschmiermittels, wobei es die Anbringung eines Festschmiermittels auf einer Motorzylinderbuchse genau beschreibt.
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Schließlich betrifft das Patent
US 210/0272931 , das der gleichen Kategorie wie beide oben genannte Patente angehört, einen ähnlichen Herstellungsprozess, wobei die Verwendung für Zylinderbuchsen und Zylinder eines Motorblocks betont wird.
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Zwecke der Erfindung
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Der Zweck dieser Erfindung ist es, einen Gleitsatz zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor bereitzustellen, eine Reduktion des Motortreibstoffverbrauchs sicherzustellen und Kolbenversagen zu verhindern.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die Zwecke dieser Erfindung werden durch einen Gleitsatz zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor erreicht, welcher zumindest eine Buchse/einen Zylinder eines Motorblock, die/der eine innere Gleitoberfläche definiert, sowie einen Kolbenring aufweist, worin:
- (i) zumindest ein Teil der äußeren Gleitoberfläche des Rings eine keramische Materialbeschichtung aufweist; und
- (ii) zumindest ein Teil der inneren Gleitoberfläche der Buchse/des Zylinders eine Festschmiermittel-Nanobeschichtung umfasst, mit 0,5 < Rpk + Rvk + Rk < 1,5 und/oder 0,5 < Rpk + Rk / Rvk < 2,0.
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Die äußere Gleitoberfläche wirkt mit der inneren Gleitoberfläche der Buchse/des Zylinders zusammen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Diese Erfindung wird als nächstes detaillierter auf Grundlage eines Implementierungsbeispiels beschrieben, das in den Zeichnungen dargestellt wird. Die Figuren zeigen Folgendes:
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1 ist eine schematische Ansicht des von der hier beschriebenen Erfindung erfassten Gleitsatzes zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor.
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2 ist eine schematische Ansicht des von dieser Erfindung erfassten Gleitsatzes zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor während eines tribologischen Schwingungstests.
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3 ist eine Grafik, die den mittleren Reibungskoeffizienten von drei Testobjekten bei Variation der Drehzahl und einer bestimmten Last verknüpft.
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4 ist eine Grafik, die den Reibungskoeffizienten von drei Testobjekten in jedem Moment eines Zustands darstellt, der den 360°-Zyklus einer Kurbelwellendrehung eines Motors simuliert.
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5 ist eine Grafik, die den elektrischen Widerstand von drei Testobjekten unter identischen Versuchsbedingungen darstellt.
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6 ist eine Grafik, die die Werte der Schallemission für drei Testobjekte unter identischen Versuchsbedingungen darstellt.
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7 ist eine Grafik, die die Werte des Verschleißes darstellt, den die drei Testobjekte nach vier Stunden Schwingungstest unter identischen Versuchsbedingungen erlitten.
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Detailbeschreibung der Figuren
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Bei Verbrennungsmotoren besteht ein Ziel darin, die Reibung zwischen deren internen Bauteilen wie z.B. Kolbenringen und Buchsen oder Zylindern des Motors zu reduzieren und folglich die Haltbarkeit und die nutzbare Lebensdauer derartiger Bauteile zu erhöhen. Im speziellen Fall von Kolbenringen wird der stärkste Verschleiß an ihren freien Enden beobachtet, die an die Öffnung angrenzen, und kann sogar drei Mal höher sein als der Verschleiß, der andere Abschnitte/Regionen des Rings betrifft.
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Aufgrund des intensiveren Verschleißes des Rings an seinen Stegen ist es notwendig, eine dickere Beschichtungsschicht über dem gesamten Ring anzubringen, um die Motorhaltbarkeit auf zufriedenstellendem Niveau zu halten. Fachleute wissen jedoch, dass dicke Schichten teuer in ihrer Herstellung und in Ringregionen, in denen der Verschleiß nicht so intensiv ist, großteils überflüssig sind.
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Daher bringt diese Erfindung, die auf dem Konzept und den experimentellen Ergebnissen der vorgeschlagenen Lösung basiert, zusätzlich zu den reduzierten Reibungsverlusten eine wesentliche Reduktion des Ringverschleißes. Daher ist es möglich, die Herstellungskosten des Rings aufgrund der geringeren erforderlichen Dicke zu reduzieren, und gleichzeitig den Lebenszyklus des Motors ausgleicht.
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Die vorliegenden Ergebnisse beziehen sich auf einen Gleitsatz zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor, der einen Kolbenring mit einer keramischen Materialbeschichtung, vorzugsweise einer Chromnitridschicht, in Kombination mit einer Zylinderbuchse oder einer Zylinderwand umfasst, die eine Festschmierstoff-Nanobeschichtung aufweist, welche vorzugsweise ein Übergangsmetall-Dichalkogenid, noch bevorzugter Wolframdisulfid (WS2) umfasst, wobei die Rauheitswerte innerhalb eines festgelegten und speziellen Bereichs liegen. Die Festschmierstoff-Nanobeschichtung wird vorzugsweise mittels eines mechanochemischen Oberflächenveredelungsprozesses hergestellt.
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Nach dem Stand der Technik gibt es keine Technologie, welche die Verwendung eines Kolbenrings, der z.B. eine Chromnitridbuchse aufweist, mit einer Schicht oder Zylinderwand, die z.B. eine Übergangsmetall-Dichalkogenid-Nanobeschichtung aufweist, welche mittels eines mechanochemischen Veredelungsprozesses hergestellt wurde. Insbesondere sind derartige Sätze, die Rauheitswerte innerhalb von Bereichen, wie sie hier unten definiert sind, bislang nicht bekannt. Die festgelegten und spezifischen Rauheitswerte stellen ein adäquates Schmiermittelreservoir auf der Zylinderoberfläche bereit, was zu geringerer Reibung führt.
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Unter Bezugnahme auf 1 betrifft eine Ausführungsform dieser Erfindung einen Gleitsatz zur Verwendung in einem Verbrennungskraftmotor, der zumindest eine Buchse oder einen Zylinder eines Zylinderblocks 1, die/der eine innere Gleitoberfläche 2 definiert, und zumindest einen im Wesentlichen ringförmigen Kolbenring 3 aufweist, der eine äußere Gleitoberfläche 4 definiert, die mit der inneren Gleitoberfläche 2 der Buchse/des Zylinders 1 zusammenwirkt, worin (i) zumindest ein Teil der äußeren Gleitoberfläche 4 des Rings 3 eine keramische Materialbeschichtung aufweist; und (ii) zumindest ein Teil der inneren Gleitoberfläche 2 der Buchse/des Zylinders 1 eine Festschmiermittel-Nanobeschichtung umfasst, in dieser Ausführungsform eine Übergangsmetall-Dichalkogenid-Nanobeschichtung, welche mittels eines mechanochemischen Prozesses hergestellt wird, wobei die Rauheit unter bestimmten Bedingungen im Wesentlichen ist. Vorzugsweise umfasst die Festschmierstoff-Nanobeschichtung wolframdisulfidähnliche Komponenten, und noch bevorzugter zumindest teilweise Wolframdisulfid (WS2).
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Offensichtlich kann die Zusammensetzung des Großteils dieser Komponenten frei variieren. Im Fall der Buchsen besteht keine Begrenzung hinsichtlich der Form oder des Materials, aus dem sie bestehen, solange es möglich ist, sie an solch eine Übergangsmetall-Dichalkogenid-Nanobeschichtung anzubringen. Es kann auch möglich sein, dass der Zylinder nicht eine Buchse betrifft, sondern tatsächlich einer Bohrung, die direkt im Block bereitgestellt ist, wobei, wie zuvor erwähnt, in dieser Situation die Kontaktoberfläche direkt auf dem Gussmaterial des Bauteils gemacht wird. Diese Nanobeschichtung hat eine sehr geringe Dicke, üblicherweise weniger als 1 µm, und ist Fachleuten als ein Tribofilm bekannt.
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Was den Ring anbelangt, kann dessen Zusammensetzung ebenfalls frei variieren, solange es möglich ist, eine keramische Chrombeschichtung anzubringen. Daher kann der Ring die Zusammensetzung eines Kompressionsrings (erster Kanal), eines zweiten Nutrings oder auch eines Ölabstreifrings annehmen. Vorzugsweise empfängt die gesamte äußere Gleitoberfläche 4 des Rings Chromnitrid (CrN), welches mittels des Prozesses der physikalischen Dampfabscheidung (PVD) in einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Schichten und mittels einer Konstruktionsweise angebracht wird, die Fachleuten als Multischichtbeschichtung bekannt ist.
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Um die Vorteile der vorgeschlagenen Erfindung zu demonstrieren, wurde ein Test in einem Schwingungstribometer durchgeführt. Wie in 2 dargestellt, wird eine normale Last (C) an ein Ringsegment mit CrN-Beschichtung angelegt, die mittels PVD angebracht wurde, und die Ziehbewegung (R) dieses Rings wird unter Verwendung eines Servomechanismuskreislaufs über die innere Oberfläche einer Buchse geführt, und die Normallast und Reibungskräfte werden mit Dehnungsmessgeräten gemessen.
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Während dieses Tests, der mit Bauteilen durchgeführt wurde, die aus einem Dieselmotor ausgebaut wurden, wurden die folgenden Vergleichsergebnisse zwischen zwei Varianten von Buchsen erzielt, welche die Grundkonzepte dieser Erfindung enthielten, und einer Buchse, die gemäß dem Stand der Technik hergestellt wurde (Vergleichsbuchse)
| Rauheitswerte (µm) | Rpk | Rk | Rvk | Rz | Ra |
| Vergleichsbuchse | 0,16 | 0,52 | 1,91 | 4,68 | 0,47 |
| Erfindung 1 | 0,11 | 0,30 | 0,62 | 2,13 | 0,15 |
| Erfindung 2 | 0,12 | 0,22 | 0,66 | 2,19 | 0,17 |
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Man kann leicht überprüfen, dass die vorgeschlagene Erfindung geringere Werte als der Vergleichsprüfkörper, jedoch viel höhere Werte als die in z.B. dem erwähnten Patent
WO 2009069703 A1 aufweist, gleichgültig welche Form der/welcher Standard für die Rauheitsmessung verwendet wird. Daher ist es möglich, die Wirksamkeit, die durch die Anwendung der vorgeschlagenen Erfindung überprüft wurde, zu bestätigen.
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Es ist wichtig, die Parameter des Oberflächenrauheitsprofils zu beschreiben, die in der oben dargestellten Tabelle enthalten sind. Die Parameter werden in ISO 13565-2 definiert:
Der Parameter Ra ist die mittlere Rauheit.
Der Parameter Rz ist die mittlere maximale Höhe im Rauheitsprofil.
Der Parameter Rpk ist die reduzierte Spitzenhöhe. Ein hoher Rpk-Wert impliziert eine Oberfläche, die aus hohen Spitzen besteht, die kleine Erstkontaktflächen und daher Flächen mit hoher Kontaktspannung bereitstellen, wenn die Fläche kontaktiert wird.
Der Parameter Rvk bezieht sich auf die reduzierten Rillentiefen; er ist ein Maß für die Rillentiefen unterhalb der Kernrauheit und kann mit der Schmiermittelrückhaltung in Verbindung stehen.
Der Parameter Rk ist die Kernrauhtiefe.
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Bei einer Oberfläche, die gut für Niedrigreibungskontakte geeignet ist, müssen eine Reihe von Überlegungen bezüglich der Rauheit getroffen werden. Im Allgemeinen sollte die mittlere Rauheit klein gehalten werden, was bedeutet, dass der Parameter Ra nicht zu hoch, vorzugsweise kleiner als 0,20 µm, sein kann. Auch der Rz-Wert sollte klein gehalten werden, vorzugsweise kleiner als 2,5 µm. Auf ähnliche Weise sind hohe Werte von insbesondere Rpk, aber auch von Rk, mit erhöhter Reibung verbunden, da hohe Werte Spitzen auf den Oberflächen und daher Flächen mit hoher Kontaktspannung anzeigen.
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Andererseits ist der Parameter Rvk nicht so wichtig, was die Kontaktspannung betrifft. Wenn man lediglich Festkörper-Festkörper-Kontaktaspekte berücksichtigt, wäre eine möglichst glatte Oberfläche von Vorteil. Vorteilhafterweise sollte eine Summe aus Rpk, Rk und Rvk kleiner als 1,5 µm sein.
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In einer üblichen Anwendungssituation sind jedoch andere Substanzen wie z.B. Schmieröle, Kraftstoffrückstände etc. ebenfalls im Volumen zwischen den Kontaktflächen vorhanden. Aus diesem Grund ist es auch erforderlich, dass Mikrovolumen innerhalb der Oberflächenstrukturen vorhanden sind, die solche Substanzen aufnehmen können. Die Summe aus Rpk, Rk und Rvk sollte daher ebenfalls nicht zu klein sein, und 0,5 µm wird derzeit als eine untere Grenze für den bevorzugten Bereich für die Summe aus Rpk, Rk und Rvk betrachtet. In diesem Zusammenhang kann man auch erkennen, dass die Täler der Oberfläche wahrscheinlich die am besten geeigneten Strukturen sind, um zusätzliche Substanzen zu umfassen. Daher sollte Rvk nicht zu klein im Verbleich zu den Rpk- und Rk-Werten sein. Es wurde festgestellt, dass das Verhältnis zwischen der Summe aus Rpk und Rk einerseits und Rvk andererseits vorzugsweise geringer als 2,0 µm sein sollte. Gleichzeitig können zu große Talvolumina bewirken, dass zu große Volumina von z.B. Schmieröl nahe an der Reibungswechselwirkung gehalten werden, was z.B. eine unvorteilhafte Ansammlung von Verunreinigungen bewirken kann. Daher wurde auch festgestellt, dass das oben erwähnte Verhältnis zwischen der Summe aus Rpk und Rk einerseits und Rvk andererseits vorzugsweise größer als 0,5 µm bleiben sollte.
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Welche auch immer die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, es wurden die unten stehenden, bevorzugten Verhältnisse zwischen den Parametern beobachtet. 0,5 < Rpk + Rvk + Rk < 1,5 (i) 0,5 < Rpk + Rk / Rvk < 2,0 (ii) Ra < 0,20 (iii) Rz < 2,5. (iv)
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Infolgedessen weist das Gleitsatzobjekt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die folgenden Eigenschaften auf:
- – zumindest eine Buchse oder einen Zylinder eines Motorblocks 1, die/der eine innere Gleitoberfläche 2 definiert
- – zumindest einen im Wesentlichen ringförmigen Kolbenring 3, der eine äußere Gleitoberfläche 4 definiert, die mit der inneren Gleitoberfläche 2 der Buchse/des Zylinders 1 zusammenwirkt, wobei
- – zumindest ein Teil der äußeren Gleitoberfläche 4 des Rings 3 eine keramische Materialbeschichtung aufweist; und
- – zumindest ein Teil der inneren Gleitoberfläche 2 der Buchse/des Zylinders 1 eine Festschmierstoff-Nanobeschichtung umfasst, in dieser speziellen Ausführungsform Wolframdisulfid (WS2), mit 0,5 < Rpk + Rvk + Rk < 1,5 und/oder 0,5 < Rpk + Rk / Rvk < 2,0.
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Darüber hinaus umfasst das Gleitsatzobjekt der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Festschmiermittel-Nanobeschichtung, worin die Rauheitsparameter Ra < 0,20 µm und/oder Rz < 2,5 µm sind.
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Die Grafik in 3 stellt den mittleren Reibungskoeffizienten in dem Test mit dem Schwingungstribometer bei variierender Drehzahl bei einer Last von 50N genau dar. Erneut wird die Reduktion des Reibungskoeffizienten der Prüfkörper „Erfindung 1“ und „Erfindung 2“ deutlich, wenn diese mit dem „Vergleichsobjekt“ verglichen werden. Wenn zum Beispiel eine Drehzahl von 100 U/min angewendet wird, ist der von dem „Vergleichsobjekt“ gezeigte Reibungskoeffizient 0,08, während die von „Erfindung 1“ und „Erfindung 2“ gezeigten Werte etwa 0,03–0,04 sind, das heiß beinahe 50% niedriger als beim Vergleichsobjekt.
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4 stellt eine Grafik dar, welche den Reibungskoeffizienten in jedem Moment eines Zustandes zeigt, der den 360°-Zyklus einer Kurbelwellendrehung eines Motors simuliert. Gleichgültig, welcher Moment betrachtet wird, außer 0°, 180°, 360° und angrenzenden Werte, ist der Reibungskoeffizient des „Vergleichsobjekts“ wesentlich höher als der von „Erfindung 1“ und „Erfindung 2“, wenn keine Translationsbewegung des Kolbens/Ringsatzes vorliegt.
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Zum Beispiel ist der Reibungskoeffizient des „Vergleichsobjekts“ in der Position 270° bei Betrachtung einer Drehzahl von 25 U/min und einer Last von 50 N etwa 0,13, während die Werte von „Erfindung 1“ und „Erfindung 2“ in der identischen Situation etwa 0,7–0,9 sind. Erneut sind dies erheblich niedrigere Werte.
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In 5 stellt die Graphik den elektrischen Widerstand der drei Testobjekte „Vergleichsobjekt“, „Erfindung 1“ und „Erfindung 2“ unter identischen Versuchsbedingungen (Drehzahl von 25 U/min und Last von 50 N). Der elektrische Widerstand ist ein Parameter, der gewissermaßen die Oberflächentrennung beschreibt; eine höhere Trennung bewirkt einen Anstieg des elektrischen Widerstandes. Wenn die Oberflächen in stärkeren Kontakt treten, reduziert sich der elektrische Widerstand. Die Analyse der Graphik erlaubt es uns festzustellen, dass der Wert des elektrischen Widerstandes der Prüfkörper „Erfindung 1“ und „Erfindung 2“ in weiter Entfernung von den oberen und unteren Rändern des Bewegungsverlaufes des Kolbens (oberer Totpunkt – TDC und unterer Totpunkt – BDC) größere Differenzen im Vergleich zum Prüfkörper „Vergleichsobjekt“ zeigt, was den Vorteil der von dieser Erfindung erfassten Lösung in Hinblick auf die Trennung der Oberflächen und somit der Reduktion von Verschleiß und Reibung ersichtlich macht.
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Die Untersuchung der Schallemission (des Lärms) belegt ebenfalls, dass die Leistung dieser Erfindung im Vergleich zu den Prüfkörpern „Vergleichsobjekt“ besser ist. 6 offenbart die Schallemissionswerte für die drei Testobjekte „Vergleichsobjekt“, „Erfindung 1“ und „Erfindung 2“ unter identischen Versuchsbedingungen (Drehzahl von 25 U/min und Last von 50 N). Man kann klar erkennen, dass die Emissionswerte der Prüfkörper „Erfindung 1“ und „Erfindung 2“ im Vergleich zum Prüfkörper „Vergleichsobjekt“ erheblich niedriger sind, was die geringere Reibung bestätigt, die durch die Anbringung eines Festschmierstoff-Tribofilms bewirkt wird.
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Schließlich wird die Untersuchung des Verschleißes in 7 dargestellt, wobei man die Reibung misst, die von den Prüfkörpern „Vergleichsobjekt“, „Erfindung 1“ und „Erfindung 2“ nach vier Stunden Schwingungstest erlitten wurde.
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Beim Prüfkörper „Vergleichsobjekt“ trat der Verschleiß der gesamten Buchse (etwa 2,2 µm) und der zusätzliche Verschleiß von etwa 1,4 µm des Ringsubstrats auf, was einen Gesamtverschleiß von 3,6 µm ergibt.
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Bei den Prüfkörpern „Erfindung 1“ und „Erfindung 2“ war der Verschleiß unter denselben Versuchsbedingungen erheblich geringer. Im Fall von „Erfindung 1“ gab es lediglich einen Verschleiß von 1,7 µm der Buchse. Da diese eine Gesamtdicke von 2,2 µm aufweist, war immer noch eine erhebliche Dicke dieser Buchse übrig, und daher gab es keinen Verschleiß des Ringsubstrats.
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Im Fall von „Erfindung 2“ gab es den Verschleiß der Buchse (etwa 2 µm) und den zusätzlichen Verschleiß von lediglich etwa 0,1 µm des Ringsubstrats.
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Wenn sie eine innere Gleitoberfläche 2 einer Buchse/eines Zylinders bereitstellt, die reduzierte Reibungsbedingungen für die äußere, mit Chromnitrid beschichtete Gleitoberfläche 4 eines Kolbenrings bietet, erreicht die vorliegende Erfindung nicht nur, die Haltbarkeit der Kolbenringe (besonders ihrer Ränder) zu erhöhen, sondern auch den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors zu reduzieren. Zusätzlich dazu, dass sie vorteilhaft in Bezug auf eine Reduktion des Verbrauchs ist, ermöglicht die Reduktion der Reibung die Verwendung von Schmierölen mit geringerer Viskosität, was wiederum die von der Ölpumpe benötigte Leistung und die Verluste aufgrund der Viskosität um bis zu 25% verringert. Folglich kann die Kombination der Verwendung eines Gleitsatzes, wie er von dieser Erfindung beschrieben wird, mit der Verwendung eines Schmiermittels niedrigerer Viskosität eine Reduktion von etwa 2% bis 4% des Kraftstoffverbrauchs beim Betrieb des Motors ermöglichen.
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Nachdem Beispiele von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurden, sollte verstanden werden, dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung andere mögliche Varianten umfasst und nur vom Inhalt der beiliegenden Ansprüche beschränkt wird, wobei andere mögliche Äquivalente in diesen enthalten sind.
