DE112013007427T5

DE112013007427T5 - Reibkupplung

Info

Publication number: DE112013007427T5
Application number: DE112013007427.3T
Authority: DE
Inventors: Yuri Kadin; Bo Han
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2016-06-16
Also published as: WO2015036018A1; CN105492792A; US20160186817A1

Abstract

Die Erfindung besteht in einer Reibkupplung, die eine erste und eine zweite Kupplungsfläche umfasst, wobei eine Reibfläche auf der ersten Kupplungsfläche vorgesehen ist und eine Gegenfläche (22) auf der zweiten Kupplungsfläche vorgesehen ist. Ferner umfasst die Reibkupplung Vorbelastungsmittel, wie zum Beispiel Schrauben, zum Anlegen eines vordefinierten Drucks an die erste und die zweite Kupplungsfläche. Die Reibfläche der Kupplung umfasst abrasive Partikel, die harte Rauigkeitsspitzen (51) bilden, welche von einem Substrat (50A) der Reibfläche mit einer Höhe h vorragen. Gemäß der Erfindung sind die abrasiven Partikel gemäß einer vordefinierten Rauigkeitsspitzendichte η auf dem Substrat vorgesehen. Die vordefinierte Rauigkeitsspitzendichte η ist größer als ein Mindestschwellenwert für die Rauigkeitsspitzendichte ηmin und ist kleiner als 2,5·ηmin. Der Mindestschwellenwert wird durch die folgende Beziehung definiert:wobei η die Anzahl von Rauigkeitsspitzen pro Oberflächeneinheit der Reibfläche darstellt (m–2); P den vordefinierten Druck darstellt (Pa); µabr einen Koeffizienten für abrasive Reibung zwischen der Reibfläche und der Gegenfläche darstellt (dimensionslos); H eine Härte der Gegenfläche darstellt (Pa); h eine mittlere Höhe der Rauigkeitsspitzen ist (m); ơ die standardmäßige Abweichung von Rauigkeitsspitzenhöhen ist (m).

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Drehmomentübertragungskupplungen, die auf dem Prinzip von Reibung zwischen Materialien basieren. Insbesondere richtet sich die Erfindung auf eine Reibkupplung, die eine Reibfläche umfasst, welche mit eingebetteten abrasiven Partikeln versehen ist. Ferner richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bestimmung, ob eine Reibkupplung unter bestimmten Anwendungsbedingungen ein ausreichendes Reibmoment bereitstellt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Reibkupplung der obigen Art wird in der EP 2075466 offenbart. Die Kupplung betrifft eine Verbindung zwischen einer niedertourigen Hauptwelle einer Windturbine und einer Eingangswelle eines Übertragungsgetriebes. Die Hauptwelle und die Eingangswelle haben einander gegenüberliegende Verbindungsflächen, die durch Vorspannmittel gegeneinander gepresst werden, so dass eine permanente Last an die Verbindungsflächen angelegt wird. Ferner sind zwischen den Verbindungsflächen reibungserhöhende Mittel in Form einer Beschichtung, die Körner aus Diamant umfasst, vorgesehen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Beschichtung auf einer Beilagscheibe oder Unterlegscheibe vorgesehen, die zwischen den Verbindungsflächen platziert ist.
Ein Vorteil der Verbindung einer Hauptwelle einer Windturbine und einer Eingangswelle eines Getriebes auf diese Art und Weise besteht darin, dass die reibungserhöhende Beschichtung den Reibungskoeffizienten zwischen den Verbindungsflächen stark erhöht. Infolgedessen kann das erforderliche Drehmoment durch die Verbindung übertragen werden, während die Abmessungen der Verbindung relativ kompakt sein können. Ein Nachteil bei der Verwendung von Diamantkörnern in der reibungserhöhenden Beschichtung ist, dass die Beschichtung zwangsweise teuer ist.
Folglich besteht Verbesserungspotenzial.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Reibkupplung zu definieren, die eine Reibfläche mit abrasiven Partikeln umfasst, wobei die abrasiven Partikel in einer Dichte vorgesehen sind, die für einen bekannten Anlagedruck optimiert ist.
Insbesondere besteht die Erfindung in einer Reibkupplung, die eine erste und eine zweite Kupplungsfläche umfasst, wobei eine Reibfläche auf der ersten Kupplungsfläche vorgesehen ist und eine Gegenfläche auf der zweiten Kupplungsfläche vorgesehen ist. Ferner umfasst die Reibkupplung Vorbelastungsmittel, wie zum Beispiel Schrauben, zum Anlegen eines vordefinierten Drucks an die erste und die zweite Kupplungsfläche. Die Reibfläche umfasst abrasive Partikel, die harte Rauigkeitsspitzen bilden, welche von einem Substrat der Reibfläche mit einer Höhe h vorragen. Gemäß der Erfindung sind die abrasiven Partikel gemäß einer vordefinierten Rauigkeitsspitzendichte η in dem Substrat eingebettet. Die vordefinierte Rauigkeitsspitzendichte η ist größer als ein Mindestschwellenwert für die Rauigkeitsspitzendichte η_min und ist kleiner als 2,5·η_min. Der Mindestschwellenwert wird durch die folgende Beziehung definiert:
wobei

η: die Anzahl von Rauigkeitsspitzen pro Oberflächeneinheit der Reibfläche darstellt (m²);
P: den vordefinierten Druck darstellt (Pa);
µ_abr: einen Koeffizienten für abrasive Reibung zwischen der Reibfläche und der Gegenfläche darstellt (dimensionslos);
H: eine Härte der Gegenfläche darstellt (Pa);
h: eine mittlere Höhe der Rauigkeitsspitzen ist (m);
ơ: die standardmäßige Abweichung von Rauigkeitsspitzenhöhen ist (m).

Die Erfindung basiert auf dem Verständnis, dass ein kritischer Druck besteht, bei dem der Reibungskoeffizient zwischen der Reibfläche und der Gegenfläche nicht mehr durch den hohen Koeffizienten für abrasive Reibung bestimmt wird. Wenn der kritische Druck überschritten wird, wird abrasive Reibung der vorherrschende Reibungsmechanismus, der einen niedrigeren Reibungskoeffizienten als abrasive Reibung hat. Die vorliegenden Erfinder haben ein Modell zur Bestimmung des kritischen Drucks in einer Reibkupplung der oben definierten Art entwickelt. Das Modell wird dazu verwendet, die Rauigkeitsspitzendichte zu bestimmen, bei der der kritische Druck erreicht ist. Wenn angenommen wird, dass der vordefinierte Druck P in einer gegebenen Anwendung gleich dem kritischen Druck ist, dann ist die entsprechende Rauigkeitsspitzendichte der Mindestschwellenwert für die Rauigkeitsspitzendichte η_min.
Bei Rauigkeitsspitzendichten, die größer sind als der Mindestschwellenwert, wird der hohe Koeffizient für abrasive Reibung zwischen der Gegenfläche und der Reibfläche gewährleistet. Bei bekannten Reibkupplungen sind abrasive Partikel in der Reibfläche in einer möglichst hohen Dichte eingebettet, die durch die Größe der Rauigkeitsspitzen bestimmt wird. In einer Reibkupplung gemäß der Erfindung werden die abrasiven Partikel ökonomischer genutzt. Die Reibfläche weist eine Rauigkeitsspitzendichte η auf, die für den bekannten Anlegungsdruck ausgelegt ist. Zweckmäßigerweise wird ein Sicherheitsfaktor X eingesetzt, wobei η = X·η_min. In einigen Beispielen weist der Sicherheitsfaktor X einen Wert von zwischen 1,2 und 2,5 auf. In anderen Beispielen weist der Sicherheitsfaktor X einen Wert von zwischen 1,5 und 2,0 auf.
Die Reibfläche wird zweckmäßigerweise durch eine Beschichtung gebildet, die eine Metallbindungsschicht umfasst, in der die abrasiven Partikel eingebettet sind. In einem bevorzugten Beispiel umfasst die Metallbindungsschicht Nickel, und die abrasiven Partikel umfassen Diamantpartikel oder synthetische Diamantpartikel.
Die Reibfläche kann direkt auf der ersten Kupplungsfläche der Reibkupplung aufgebracht sein. Als Alternative dazu ist die Reibfläche auf mindestens einer Seite einer ringförmigen Reibscheibe vorgesehen, die an der ersten Kupplungsfläche angebracht ist. In einem bevorzugten Beispiel wird die ringförmige Reibscheibe durch mehrere Segmente gebildet, wobei jedes Segment eine Reibfläche aufweist.
Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung, ob eine Reibkupplung, die eine abrasive Reibfläche und eine Gegenfläche umfasst, ein Solldrehmomentübertragungsausmaß liefern kann, wenn sie einem vordefinierten Betriebsdruck P ausgesetzt ist, bereit. Die Reibfläche umfasst harte Rauigkeitsspitzen, die mit einer Höhe h von der Reibfläche vorragen; die Gegenfläche weist eine Härte H auf.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Bestimmen eines Koeffizienten für abrasive Reibung µ_abr zwischen der Reibfläche und der Gegenfläche;
b) Bestimmen der Härte H der Gegenfläche;
c) Messen einer mittleren Höhe h der Rauigkeitsspitzen an mindestens einem Teil der Reibfläche;
d) Messen einer Rauigkeitsspitzendichte η von mindestens einem Teil der Reibfläche;
e) Bestimmen, dass die Reibkupplung das Solldrehmomentübertragungsausmaß liefern kann, wenn η > η_min ist, wobei

Vorzugsweise umfasst der Bestimmungsschritt e) Bestimmen, dass die Reibkupplung das Solldrehmomentübertragungsausmaß liefern kann, wenn η > X·η_min, wobei X ein Sicherheitsfaktor ist. Der Sicherheitsfaktor weist einen Wert zwischen 1,2 und 2,5 auf.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst der Bestimmungsschritt b) Messen einer Rockwell-C-Härte oder äquivalenten Härte der Gegenfläche.
Bei einer alternativen Ausführungsform umfasst der Bestimmungsschritt b) Berechnen der Härte der Gegenfläche gemäß der folgenden Formel:
wobei

Y: die Streckgrenze der Gegenfläche ist (MPa);
E: das Elastizitätsmodul der Gegenfläche ist (Pa) und
ν: die Poissonzahl der Gegenfläche ist.

Somit kann das der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Verständnis bei Qualitätskontrollverfahren für gefertigte Reibflächen verwendet werden und kann dazu verwendet werden, Reibkupplungen für spezielle Anwendungen zu konstruieren, die kostengünstiger als bekannte Reibkupplungen sind, aber genauso gut funktionieren. Diese und andere Vorteile gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Figuren hervor.
ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren weiter beschrieben; darin zeigen:
1 schematisch eine Seitenansicht einer typischen Windturbine, in der ein Beispiel für eine Reibkupplung gemäß der vorliegenden Erfindung integriert ist;
2 eine auseinandergezogene Querschnittsansicht einer Baugruppe der Windturbine von 1, wobei diese Baugruppe die erfindungsgemäße Reibkupplung umfasst;
3a&3b eine Vorderansicht von Beispielen für eine Reibscheibe, die in einer Reibkupplung gemäß der Erfindung verwendet werden kann;
3a ein Detail einer Reibfläche der beispielhaften Reibscheiben der 3a und 3b;
4a&4c ein erstes bzw. ein zweites Beispiel für eine abrasive Reibgrenzfläche unter einer angelegten Normalkraft, bei der Rauigkeitsspitzen der abrasiven Reibgrenzfläche die volle Kraft aufnehmen;
4b&4d die erste bzw. die zweite Grenzfläche unter einer kritischen Normalkraft, bei der alle Rauigkeitsspitzen in eine Gegenfläche der Grenzfläche mit einer Tiefe, die der Höhe der Rauigkeitsspitze entspricht, eindringen;
5 ein Schaubild einer Reibkraft versus der angelegten Normalkraft für die erste und zweite abrasive Reibgrenzfläche.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine typische Windturbine 1, wie sie in 1 gezeigt wird, umfasst eine Turmstruktur 2, auf der eine Gondel 3 um eine vertikale Achse drehbar angebracht ist, wodurch die Position der Gondel in Abhängigkeit von der Windrichtung eingestellt werden kann. In der Gondel 3 ist ein Rotor mit einer Rotornabe 5 vorgesehen, wobei die Rotornabe 5 durch ein Übertragungsgetriebe 8 mit einem Stromgenerator 7 verbunden ist. Rotorblätter 6 sind zum Antrieb der Nabe und des Generators durch Windkraft an der Rotornabe 5 befestigt.
Wie in der auseinandergezogenen Ansicht von 2 gezeigt, enthält das Getriebe 8 in diesem Fall eine Planetengetriebestufe. Eine Eingangswelle 9 des Getriebes 8 ist an dem Planetenträger 10 der Planetengetriebestufe angebracht. Der Planetenträger 10 weist Planetenwellen 11 auf, auf denen Planetenräder 12 mittels Planetenlagern 13 drehbar angebracht sind. Der Planetenträger 10 ist auch bezüglich eines Gehäuses 14 des Getriebes 8 durch Planetenträgerlager 15 drehbar angebracht. Ferner ist ein Hohlrad 16 über Schrauben oder andere Verbindungsmittel im Gehäuse 14 fest angebracht.
Eine Ausgangswelle 17 des Getriebes 8 ist mittels Ausgangswellenlagern 18 mit dem Generator 7 (siehe 1) verbunden. Ferner ist die Ausgangswelle 17 mit einem Sonnenrad 19 versehen. Das Zusammenwirken der Planetenräder 12 mit dem Hohlrad 16 und mit dem Sonnenrad 19 wandelt die langsame Drehung des Planetenträgers 10 und der Eingangswelle 9 in eine schnelle Drehung der Ausgangswelle 17 um. Bei Anwendung in einer Windturbine 1, wird somit die langsame Drehung der Rotorblätter 6 in eine ausreichend schnelle Drehung an der Ausgangswelle 17 des Getriebes 8 für ein ordnungsgemäßes Funktionieren des Stromgenerators 7 umgewandelt.
Die Rotornabe 5 wird mittels Motorlagern 20 im Gehäuse 14 drehbar gestützt, wobei die Rotornabe 5 die niedertourige Hauptwelle 5 der Windturbine 1 darstellt. Eine Kupplung zwischen der Rotornabe 5 oder der niedertourigen Hauptwelle 5 und Eingangswelle 9 des Übertragungsgetriebes 8 ist zur Ermöglichung einer Drehmomentübertragung von den Rotorblättern 6 auf die Ausgangswelle 17 erforderlich. Dies wird mittels einer Reibkupplung erreicht. Die Kupplung umfasst eine erste Kupplungsfläche 21 an der niedertourigen Hauptwelle 5 und eine zweite Kupplungsfläche 22 an der Eingangswelle 9 des Getriebes 8. Die erste Kupplungsfläche 21 ist an einem Flanschteil 25 der Hauptwelle 5 vorgesehen, und die zweite Kupplungsfläche ist an einem Bund 26 vorgesehen, der mit der Ausgangswelle 17 verbunden ist. Ferner ist zwischen den Kupplungsflächen 21, 22 eine Reibscheibe 23 vorgesehen, die eine Reibfläche mit abrasiven Partikeln umfasst. Die Kupplungsflächen sind zusätzlich mittels Schrauben oder anderer geeigneter Vorbelastungsmittel, die eine permanente Last an die Kupplungsflächen 21, 22 anlegen, verbunden. Die zwischen den Kupplungsflächen erzeugte Reibkraft erhöht das Drehmomentübertragungsvermögen der Kupplung insgesamt. Dies ermöglicht kompaktere und leichtere Abmessungen des Flansches 25 und Bunds 26, als wenn die Kupplung nur aus Schraubverbindungen bestehen würde.
In dem in 2 gezeigten Beispiel weisen der Flansch 25 und der Bund 26 komplementäre Formen auf, wobei der Flansch 25 der Steckteil ist und der Bund ein Aufnahmeteil ist. Ferner sind im Flansch 25 Löcher 27 vorgesehen, wobei diese Löcher gleichmäßig um den Umfang des Flansches 25 verteilt sind. Gewindelöcher 28 sind dementsprechend im Bund 26 zur Aufnahme der Schrauben 29 vorgesehen. Vorzugsweise ist die Reibscheibe 23 auch mit Löchern 30 versehen, so dass sich die Schrauben 29 durch die Reibscheibe 23 erstrecken können. Dadurch wird die Reibscheibe exakt positioniert und verhindert, dass sie sich bezüglich der ersten und der zweiten Fläche 21, 22 dreht.
Die Schrauben 29 und die Löcher 27 und 28 bilden Vorbelastungsmittel 24, die einen permanenten Druck an die erste und die zweite Kupplungsfläche 21, 22 anlegen.
Eine Vorderansicht der Reibscheibe 23 wird in 3a gezeigt. Die Scheibe ist eine durchgehende ringförmige Komponente, die Verbindungslöcher 30 und eine Reibfläche 50 umfasst. Ein alternatives Beispiel für eine Reibscheibe wird in 3b gezeigt. In diesem Beispiel wird die Scheibe durch mehrere bogenförmige Segmente 23A, 23B, 23C, 23D gebildet, wobei jedes Segment eine Reibfläche 50 und Verbindungslöcher 30 aufweist. Die Reibfläche wird durch eine Beschichtung gebildet, die abrasive Partikel in einer Metallbindungsschicht umfasst. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Beschichtung Diamantpartikel oder synthetische Diamantpartikel in einer Nickelbindungsschicht.
Eine auseinandergezogene Ansicht eines Schnitts der Reibfläche 50 wird in 3c gezeigt. Die abrasiven Partikel 51 (in diesem Beispiel Diamantpartikel) bilden Rauigkeitsspitzen, die von dem Bindungsschichtsubstrat 53 mit einer bestimmten Rauigkeitsspitzenhöhe h vorragen. Ferner sind die Partikel 51 mit einer bestimmten Rauigkeitsspitzendichte η, bei der es sich um eine Anzahl von einzelnen Rauigkeitsspitzen pro Oberflächeneinheit handelt, auf dem Substrat 53 verteilt. Im Gebrauch der Reibkupplung werden die harten abrasiven Partikel 51 in eine Gegenfläche gepresst. In dem Beispiel von 2 wird die Gegenfläche durch die zweite Kupplungsfläche 22 am Bund 26 gebildet, die aus Gusseisen hergestellt ist. Die Reibfläche 50 ist über die Reibscheibe 23 auf der ersten Kupplungsfläche 21 am Flansch 25 vorgesehen. Es ist auch möglich, die Reibfläche direkt auf die erste Kupplungsfläche 21 aufzubringen.
Unter der angelegten Vorbelastung zwischen den Kupplungsflächen erzeugen die Rauigkeitsspitzen Einkerbungen in der Gegenfläche 22, was eine "pflügende" Wirkung erzeugt, wenn die Reibfläche einem Drehmoment unterworfen ist. Der vorherrschende Reibmechanismus ist abrasive Reibung, und Drehmomentübertragung wird maximiert, wenn die Reibkupplung einen hohen Koeffizienten für abrasive Reibung µ_abr hat.
Bei einer Reibkupplung gemäß der Erfindung weist die Reibfläche 50 eine vordefinierte Rauigkeitsspitzendichte auf, die für die Anwendungsbedingungen optimiert ist. Ein hoher Koeffizient für abrasive Reibung wird gewährleistet, während die teuren abrasiven Partikel ökonomisch genutzt werden.
Insbesondere basiert die Erfindung auf der Definition einer Mindestrauigkeitsspitzendichte, bei der unter einem gegebenen Druck P, der an die Kupplungsflächen angelegt wird, der hohe Koeffizient für abrasive Reibung erhalten wird.
Ein Reibungskoeffizient ist eine Grenzflächeneigenschaft zwischen zwei Flächen, die nicht von der angelegten Kraft oder dem angelegten Druck abhängig ist. Die Reibkraft F_T, die erzeugt wird, ist von der angelegten Normalkraft F_N gemäß der folgenden wohlbekannten Formel abhängig: F_T = µ·F_N.
Der Koeffizient µ_abr für abrasive Reibung wird durch einen Schärfewinkel der Rauigkeitsspitzen und nicht durch ihre Größe oder ihre Höhe oder durch die Rauigkeitsspitzendichte bestimmt. Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Verständnis, dass ein kritischer Druck besteht, bei dem die abrasive Reibung aufhort, der vorherrschende Reibungsmechanismus zu sein und bei dem der Reibungskoeffizient abfällt. Dieser kritische Druck ist von der Rauigkeitsspitzendichte und von der Rauigkeitsspitzengeometrie abhängig.
Die 4a und 4b zeigen eine schematische Darstellung der ersten Reibgrenzfläche, die eine abrasive Reibfläche 50A und eine Gegenfläche 22 umfasst. Die Reibfläche weist harte Rauigkeitsspitzen 51 auf, die von der Fläche 50A mit einer bestimmten Höhe h vorragen. Der besseren Übersichtlichkeit halber wird nur die Höhe einer einzigen Rauigkeitsspitze in der Zeichnung gezeigt. In 4a wird eine Normalkraft F_N angelegt, wobei diese Kraft kleiner als eine kritische Normalkraft F_N ^CR ist. Die Normalkraft F_N wird von den harten Rauigkeitsspitzen 51 vollständig aufgenommen, welche aufgrund von Pflügen und somit gutem Griff zwischen den Flächen eine hohe abrasive Reibung bereitstellen.
Wenn die angelegte Normalkraft bis zu einem gewissen kritischen Wert F_N ^CR zunimmt, wie in 4b gezeigt, werden sämtliche harten Rauigkeitsspitzen mit einer Tiefe, die ihrer Höhe h entspricht, in der Gegenfläche 22 eingebettet. Mit anderen Worten, die Normalkraft wird von den harten Rauigkeitsspitzen 51 nicht mehr aufgenommen, und es kommt zu einem Metall-Metall-Kontakt. Der dominante Reibungsmechanismus wird Haftreibung, und der Haftreibungskoeffizient ist in der Regel viel niedriger.
Die Wirkung ist in 5 zu sehen, die ein Schaubild einer sich ergebenden Reibkraft F_T versus angelegter Normalkraft F_N zeigt. Eine erste Linie 71 stellt die erste Reibgrenzfläche dar, und es sind zwei getrennte Bereiche zu sehen. Anfangs weist die Linie 71 einen steilen Gradienten auf, wobei der Reibungskoeffizient im Wesentlichen gleich µ_abr ist. Nach Übertreffen der kritischen Kraft F_N ^CR1 wird der Gradient der ersten Linie 71 viel weniger steil, und der Reibungskoeffizient ist deutlich niedriger als µ_abr.
Die 4c und 4d zeigen eine schematische Darstellung einer zweiten Reibgrenzfläche, die eine abrasive Reibfläche 50B und eine Gegenfläche 22 umfasst. Der einzige Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Beispiel besteht darin, dass die Reibfläche 50B eine geringere Rauigkeitsspitzendichte als die Reibfläche 50A hat. Die einzelnen Rauigkeitsspitzen 51 in der Reibfläche 50B weisen den gleichen Schärfewinkel auf.
Die 4c und 4d zeigen die zweite Grenzfläche, wenn eine Normalkraft, die geringer ist als die kritische Kraft, angelegt wird bzw. wenn eine Normalkraft, die gleich der kritischen Kraft ist, angelegt wird. Die sich ergebende Reibkraft F_T, die gegen die angelegte Normalkraft F_N, aufgetragen ist, wird in dem Schaubild von 5 durch die zweite Linie 72 dargestellt. Die zweite Linie 72 weist wieder zwei getrennte Bereiche auf, in denen ein steiler Gradient und ein flacher Gradient zu sehen sind.
Im steilen Bereich ist der Gradient der zweiten Linie 72 gleich dem der ersten Linie 71. Die Rauigkeitsspitzen 51 auf den Reibflächen beider Beispiele 50A und 50B weisen den gleichen Schärfewinkel auf und haben somit anfangs den gleichen Koeffizienten für abrasive Reibung µ_abr. Dann fällt der Reibungskoeffizient bei einem gewissen kritischen Wert der angelegten Normalkraft F_N ^CR2, der kleiner als F_N ^CR1 ist, ab.
Die vorliegenden Erfinder haben ein Modell zur Bestimmung der kritischen Normalkraft und des zugehörigen kritischen Drucks für eine abrasive Reibgrenzfläche bestimmt. Wenn der Druck in einer Reibkupplungsanwendung, wie zum Beispiel in einer Kupplung gemäß der Erfindung, bei der zum Beispiel Schraubverbindungen eine bekannte Vorbelastung bereitstellen, bekannt ist, ist es daher möglich, eine Mindestrauigkeitsspitzendichte für die Anwendung zu berechnen, über der der hohe Koeffizient für abrasive Reibung gewährleistet ist.
Die Mindestrauigkeitsspitzendichte η_min kann wie folgt berechnet werden:
wobei:

P: der angelegte Druck ist (in MPa);
µ_abr: der Koeffizient für abrasive Reibung ist (dimensionslos);
H: die Härte des Materials der Gegenfläche ist (in MPa);
h: die mittlere Höhe der Rauigkeitsspitzen ist (m);
ơ: die standardmäßige Abweichung von Rauigkeitsspitzenhöhen ist (m).

In einer Reibkupplung gemäß der Erfindung weist die Reibfläche eine Rauigkeitsspitzendichte η auf, die größer als η_min und nicht mehr als η_min·2,5 ist. Selbst am oberen Ende dieses Bereichs ist die Rauigkeitsspitzendichte in einer Reibkupplung gemäß der Erfindung deutlich geringer als in bekannten Reibkupplungen.
Beispiel
Eine im Handel erhältliche Reibkupplung der unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschriebenen Art wurde untersucht. Die Reibfläche der Reibscheibe 23 bestand aus Diamantpartikeln in einer Nickelbindungsschicht. Die Rauigkeitsspitzendichte und mittlere Rauigkeitsspitzenhöhe der Reibfläche wurden durch Abrastern eines Bereichs der Reibfläche unter Verwendung eines Laser-Scanning-Mikroskops gemessen. Die gemessene Rauigkeitsspitzendichte betrug 313 Rauigkeitsspitzen pro mm², und die gemessene mittlere Rauigkeitsspitzenhöhe betrug 21,7 µm. Die gemessene Standardabweichung betrug 9 µm.
Das Material der Gegenfläche war Gusseisen. Der Reibungskoeffizient zwischen der Reibfläche und der Gegenfläche wurde unter Verwendung eines herkömmlichen Testverfahrens, wie in ASTM D1894 beschrieben, gemessen. Es wurde ein Wert von 0,75 gemessen. Die während des Tests gemessene
Reibkraft ist für die Gesamtreibung repräsentativ, die aus abrasiver Reibung und Haftreibung besteht. Die abrasive Reibung ist auf die harten Rauigkeitsspitzen zurückzuführen, die durch die Gegenfläche pflügen. Die Haftreibung ist auf die Gleitreibung zwischen dem Diamant und der Gegenfläche zurückzuführen, die auch unter Verwendung einer glatten Diamantfläche gemäß ASTM D1894 gemessen werden kann. In der Literatur wird der Reibungskoeffizient zwischen Diamant und Gusseisen als 0,1 gegeben. Deshalb betrug der Koeffizient für abrasive Reibung µ_abr für die beispielhafte Reibkupplung 0,65.
Die Härte des Gegenflächenmaterials wurde gemäß der folgenden Formel berechnet:
wobei

Y: die Streckgrenze der Gegenfläche ist;
E: das Elastizitätsmodul der Gegenfläche ist und
ν: die Poissonzahl der Gegenfläche ist.

Für Gusseisen Y = 350 MPA; E = 185 GPa und ν = 0,3.
Die berechnete Härte für die Gusseisengegenfläche betrug 1467 MPa. Durch Umstellung von Gleichung [1] und Annahme, dass η_min = 313, ist es möglich, den kritischen Druck der beispielhaften Reibkupplung zu berechnen.
Der berechnete kritische Druck beträgt 764 MPa.
Bei der Anwendung, für die die Reibkupplung bestimmt ist, liegt der angelegte Druck in einem Bereich von 200 MPa. Durch Setzen dieses Werts in Gleichung [1] beträgt die berechnete Mindestrauigkeitsspitzendichte 82 Rauigkeitsspitzen pro mm².
Somit kann bei der betreffenden Anwendung eine Reibfläche mit weniger Diamantpartikeln pro Oberflächeneinheit als die im Handel erhältliche Reibfläche eingesetzt werden, während gewährleistet wird, dass der hohe Reibungskoeffizient, der Drehmomentübertragung erhöht, beibehalten wird. Kurz gesagt, es kann eine kostengünstigere Reibkupplung bereitgestellt werden, die die gleiche Leistung liefert.
Das theoretische Modell, das zum Ableiten von Gleichung [1] verwendet wurde, basiert auf mehreren Annahmen. Es wurde angenommen, dass die einzelnen Rauigkeitsspitzen eine konische Form aufweisen und den gleichen Schärfewinkel haben. Ferner wurde eine Gaußsche Verteilung bei Größe und Höhe der Rauigkeitsspitzen angenommen.
Deshalb wird bei Verwendung von Gleichung 1 zur Konstruktion einer Reibfläche für eine bestimmte Reibkupplung in einer Anwendung, in der ein bestimmter Druck an die Kupplung angelegt wird, vorzugsweise ein Sicherheitsfaktor eingesetzt.
Bei einigen Ausführungsformen einer Reibkupplung gemäß der Erfindung werden die Rauigkeitsspitzen auf der Reibfläche in einer Dichte η = 2,0 – 2,5·η_min bereitgestellt.
Bei anderen Ausführungsformen einer Reibkupplung gemäß der Erfindung werden die Rauigkeitsspitzen auf der Reibfläche in einer Dichte η = 1,5 – 2,0·η_minbereitgestellt.
Bei noch weiteren Ausführungsformen einer Reibkupplung gemäß der Erfindung werden die Rauigkeitsspitzen auf der Reibfläche in einer Dichte η = 1,2 – 1,5·η_min bereitgestellt.
Für die oben beschriebene Anwendung, bei der ein Druck von ca. 200 MPa an eine gusseiserne Gegenfläche und eine Reibfläche aus Diamantpartikeln in einer Nickelbindungsschicht angelegt wird, umfasst eine Reibkupplung gemäß der Erfindung eine Reibscheibe 23 mit zwischen 100 und 200 Rauigkeitsspitzen pro mm² auf ihrer Reibfläche.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Gleichung [1] zu Grunde liegende Verständnis in einem Qualitätskontrollverfahren verwendet, um zu prüfen, ob eine gefertigte Reibscheibe, die eine mit harten Rauigkeitsspitzen versehene Reibfläche umfasst, den erforderlichen hohen Reibungskoeffizienten liefern kann, wenn sie einem vordefinierten Anwendungsdruck P ausgesetzt wird und in Kombination mit einem bestimmten Gegenflächenmaterial verwendet wird.
In einem ersten Schritt wird der Koeffizient für abrasive Reibung µ_abr zwischen der Reibfläche und der Gegenfläche bestimmt. Der Koeffizient für abrasive Reibung µ_abr kann durch Messen des Gesamtreibungskoeffizienten zwischen der Reibfläche und der Gegenfläche und Subtrahieren des Haftreibungskoeffizienten bestimmt werden, wie in dem Beispiel oben beschrieben wurde.
In einem zweiten Schritt wird die Härte H der Gegenfläche bestimmt. Es kann Gleichung [2] zur Berechnung des Härtewerts verwendet werden, oder es ist möglich, einen gemessenen Rockwell-C-Härtewert zu verwenden.
In einem dritten Schritt wird mindestens ein Teil der Reibfläche abgerastert, um die folgenden Parameter zu messen:

(i) Rauigkeitsspitzendichte η (Anzahl von Rauigkeitsspitzen pro Oberflächeneinheit);
(ii) die mittlere Höhe h der Rauigkeitsspitzen;
(iii) die Standardabweichung ơ von Rauigkeitsspitzenhöhen.

In einem vierten Schritt wird Gleichung [1] zur Berechnung des Mindestschwellenwerts für die Rauigkeitsspitzendichte η_minverwendet.
In einem fünften Schritt wird die berechnete Mindestrauigkeitsspitzendichte η_min mit der gemessenen Rauigkeitsspitzendichte η verglichen. Wenn η > η_min ist, dann wird bestimmt, dass die Reibfläche den erforderlichen hohen Reibungskoeffizienten liefern kann. Vorzugsweise wird bestimmt, dass die Reibfläche den erforderlichen hohen Reibkoeffizienten liefern kann, wenn η > X·η_min, wobei X ein Sicherheitsfaktor mit einem Wert von 1,2–2,5 ist.

Claims

Reibkupplung, umfassend: eine erste und eine zweite Kupplungsfläche (21, 22), wobei eine Reibfläche (50) auf der ersten Kupplungsfläche vorgesehen ist und eine Gegenfläche (22) auf der zweiten Kupplungsfläche vorgesehen ist; und Vorbelastungsmittel (24) zum Anlegen eines vordefinierten Drucks an die erste und die zweite Kupplungsfläche, wobei die Reibfläche (50) mit abrasiven Partikeln (51) versehen ist, die harte Rauigkeitsspitzen bilden, welche von einem Substrat (53) der Reibfläche mit einer Höhe h vorragen, dadurch gekennzeichnet, dass die abrasiven Partikel (51) in einer Rauigkeitsspitzendichte η auf der Reibfläche (50) vorgesehen sind, wobei die Dichte größer als ein Mindestschwellenwert für die Rauigkeitsspitzendichte η_min ist und wobei die Dichte η kleiner als 2,5·η_min ist, wobei der Mindestschwellenwert durch die folgende Beziehung definiert wird:
wobei η_{die Anzahl von Rauigkeitsspitzen pro Oberflächeneinheit der Reibflä} che darstellt (m^–2); P den vordefinierten Druck darstellt (Pa); µ_abr einen Koeffizienten für abrasive Reibung zwischen der Reibfläche und der Gegenfläche darstellt (dimensionslos); H eine Härte der Gegenfläche darstellt (Pa); h eine mittlere Höhe der Rauigkeitsspitzen ist (m); ơ die standardmäßige Abweichung von Rauigkeitsspitzenhöhen ist (m).
Reibkupplung nach Anspruch 1, wobei die Rauigkeitsspitzendichte η, in der die abrasiven Partikel (51) vorgesehen sind, kleiner als 2,0·η_min ist.
Reibkupplung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rauigkeitsspitzendichte η, in der die abrasiven Partikel (51) vorgesehen sind, kleiner als 1,5·η_min ist.
Reibkupplung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Reibfläche (50) durch eine Beschichtung gebildet wird, die eine Metallbindungsschicht (53) umfasst, in der die abrasiven Partikel (51) eingebettet sind.
Reibkupplung nach Anspruch 4, wobei die Metallbindungsschicht Nickel umfasst und wobei die abrasiven Partikel (51) Diamantpartikel oder synthetische Diamantpartikel umfassen.
Reibkupplung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Reibfläche (50) auf mindestens einer Seite einer ringförmigen Reibscheibe (23) vorgesehen ist, die an der ersten Kupplungsfläche (21) angebracht ist.
Reibkupplung nach Anspruch 6, wobei die ringförmige Reibscheibe durch mehrere Segmente (23A, 23B, 23C, 23D) gebildet wird, wobei jedes Segment eine Reibfläche (50) aufweist.
Reibkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Reibfläche (50) direkt auf der ersten Kupplungsfläche (21) vorgesehen ist.
Reibkupplung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Vorbelastungsmittel (24) durch eine Bolzen-, Schrauben- oder Nietverbindung zwischen der ersten und der zweiten Kupplungsfläche (21, 22) gebildet werden.
Reibscheibe (23) zur Verwendung in einer Reibkupplung nach einem vorhergehenden Anspruch, die eine Reibfläche aus in einer Metallbindungsschicht eingebetteten abrasiven Partikeln umfasst, wobei die Reibfläche (50) eine Rauigkeitsspitzendichte η von zwischen 100 und 200 abrasiven Partikeln pro Quadratmillimeter aufweist.
Verfahren zur Bestimmung, ob eine Reibkupplung, die eine Reibfläche und eine Gegenfläche umfasst, ein Solldrehmomentübertragungsausmaß liefern kann, wenn sie einem vordefinierten Betriebsdruck P ausgesetzt ist, wobei die Reibfläche mit abrasiven Partikeln versehen ist, die harte Rauigkeitsspitzen bilden, welche mit einer Höhe h von der Reibfläche vorragen, und wobei die Gegenfläche eine Härte H aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a. Bestimmen eines Koeffizienten für abrasive Reibung µ_abr zwischen der Reibfläche und der Gegenfläche; b. Bestimmen der Härte H der Gegenfläche; c. Messen der folgenden Parameter in mindestens einem Bereich der Reibfläche: (i) der Anzahl von Rauigkeitsspitzen pro Oberflächeneinheit, die einer Rauigkeitsspitzendichte η entspricht; (ii) der mittleren Höhe h der Rauigkeitsspitzen; (iii) der Standardabweichung ơ von Rauigkeitsspitzenhöhen; d. Bestimmen, dass die Reibkupplung das Solldrehmomentübertragungsausmaß liefern kann, wenn η > η_min ist, wobei
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Bestimmens d) Bestimmen, dass die Reibkupplung das Solldrehmomentübertragungsausmaß liefern kann, wenn η > X·η_min ist, umfasst, wobei X ein Sicherheitsfaktor ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei X einen Wert zwischen 1,2 und 2,5 hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10–13, wobei der Schritt des Bestimmens b) Messen einer Rockwell-C-Härte oder äquivalenten Härte der Gegenfläche (22) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10–13, wobei der Schritt des Bestimmens b) Berechnen der Härte der Gegenfläche gemäß der folgenden Formel umfasst:
wobei Y die Streckgrenze der Gegenfläche ist (Pa); E das Elastizitätsmodul der Gegenfläche ist (Pa) und ν die Poissonzahl der Gegenfläche ist.