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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein aus Polyetheretherketon bestehendes
Gleitbauteil, das einen Füllstoff
enthält
und eine herausragende Gleiteigenschaft aufweist, wodurch eine Beschädigung einer
Leichtmetalllegierung verhindert wird.
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Ein
Gleitbauteil, wie z.B. ein Dichtring, wird in der Kraftfahrzeugindustrie
verwendet, um die Leckage von Öl
in Automatikgetrieben zu verhindern. Um das Gewicht von Kraftfahrzeugen
zu reduzieren, wurden mittlerweile Versuche unternommen, für die Herstellung
der meisten Komponenten, aus denen diese Getriebe aufgebaut sind,
Leichtmetalle, wie z.B. Aluminiumlegierungen (beispielsweise ADC-12Z
(1,5 bis 3,5 Gew.% Cu; 10,5 bis 12 Gew.% Si; 0,30 Gew.% oder weniger
Mg; 1,0 Gew.% oder weniger Zn; 1,3 Gew.% oder weniger Fe; 0,5 Gew.%
oder weniger Mn; 0,5 Gew.% oder weniger Ni; 0,3 Gew.% oder weniger
Sn; und einen Rest aus Al zum Druckgießen) nach: Japanese Industrial
Standards) zu verwenden. Die Bauteile, mit denen die Dichtringe
in Gleitkontakt stehen, bestehen daher in den meisten Fällen aus
Leichtmetallmaterialien. Wenn ein Dichtring aus Stahl besteht, erleidet
das mit dem Dichtring in Kontakt stehende Leichtmetallbauteil aufgrund von
Reibung einen hohen Abrieb. Wenn der Dichtring aus einem weichen
Metall besteht, erleidet andererseits die Gleitfläche des
Dichtrings einen übermäßigen Abrieb.
Obgleich ein Dichtring, der auf einer Automatikgetriebewelle eingerichtet
ist, für
die ADC-10 oder ADC-12 als die Aluminiumlegierung verwendet wurde,
aus JIS FC250 Gußeisen
hergestellt ist, stellt sich bei einem Druck von 1 MPa (etwa 10
kgf/cm2) eine Ölleckage in der Größenordnung
von 500 bis 1000 cm3/min (500 bis 1000 cc/min)
ein.
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Infolge
der Vorteile, wie z.B. der Abriebsbeständigkeit und Kohäsionsfestigkeit,
wurden Gußeisenringe trotz
des Nachteils der vorstehend erwähnten Ölleckage
verwendet. Da jedoch Ölpumpen
in der Bemühung, Automatikgetriebe
leichtgewichtiger herzustellen, im Hinblick auf die Baugröße in zunehmendem
Maß kleiner werden,
können
Gußeisenringe
fortan nicht mehr verwendet werden, da sie eine starke Ölleckage
zulassen.
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Obwohl
Dichtringe aus Kunstharz als eine Lösung vorgeschlagen wurden,
ergibt sich in diesem Fall das Prolbem eines abnormen Verschleißes, den
ein mit einem derartigen Dichtring in Gleitkontakt stehendes Aluminiumlegierungsbauteil
erleidet. Dichtringe, die vorgeschlagen wurden, um diesen Nachteil
zu beheben, beinhalten Dichtringe, die aus Polytetrafluorethylen
(PTFE) hergestellt sind, Dichtringe, die aus mit Kohlefasern und
PTFE gefülltem
Polyetheretherketon (PEEK) hergestellt sind, und Dichtringe, die
aus PEEK, Kohlefasern, PTFE und Sericit (siehe die offengelegte
japanische Patentanmeldung Nr. Hei 5-262976) hergestellt sind. Es
stellte sich jedoch heraus, daß auch
diese Dichtringe aufgrund des von Bauteilen erleideten hohen Verschleißes nicht
für Bauteile
geeignet sind, die aus einem Leichtmetall, wie z.B. einer Aluminiumlegierung, bestehen.
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Dementsprechend
besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein neuartiges
Gleitbauteil zu schaffen, das anstelle der bislang gebräuchlichen
Gußeisen-
und Kunstharzdichtringe verwendet wird, wobei das neuartige Gleitbauteil
keine Ölleckage
zuläßt und keinen
Verschleiß am
Leichtmetallbauteil hervorruft, mit dem es in Kontakt steht.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch das Gleitbauteil nach Anspruch 1 oder
5 der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Gleitbauteil
gelöst,
das Polyetheretherketonharz und als Füllstoff 15 bis 20 Gew.% Pulver
aus amorphem Aluminiumoxid mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser
von 5 μm
oder weniger, 3 bis 8 Gew.% Graphitpulver mit einem durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 5 μm
oder weniger und 6 bis 12 Gew.% Kohlepulver mit einem durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 30 μm
oder weniger enthält.
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Vorzugsweise
sind im Basismaterial aus Polyetheretherketon 15 Gew.% Pulver aus
amorphem Aluminiumoxid, 3 Gew.% Graphitpulver und 6 bis 9 Gew.%
poröses
Kohlepulver als Bindemittel bzw. Füllstoff enthalten.
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Infolge
der Nichtvisikosität
wurde zunächst
die Verwendung des bislang eingesetzten PTFE als Basismaterial in
Erwägung
gezogen, zu dem ein Füllstoff
hinzugegeben wird. Es stellte sich jedoch heraus, daß aufgrund
der Eigenschaft, daß PTFE
als Basismaterial bei einem Temperaturanstieg weich wird, der Füllstoff
verloren geht und eine aus einer. Aluminiumlegierung hergestellte
Welle infolge der Ausbildung von Vorsprüngen oder Rauhigkeitsspitzen
angegriffen wird. Daher wurde PEEK als das Basisharz gewählt, da
dieses Harz bei hohen Temperaturen nur wenig weich wird. Des weiteren
wurden feinzerteilte Pulver als Füllstoff gewählt. Der Grund für die Wahl
eines fein zerteilten Pulvers ist, daß ein harter Füllstoff
infolge der durch das Weichwerden des Basismaterials verursachten
Welligkeit (der unregelmäßigen Gestalt)
einer Gleitfläche
keine erste Gleitfläche
bilden kann. Des weiteren wurde versucht, die Eigenschaften der
Gleitfläche
zu verbessern, indem die Gleitfläche
der feinzerteilten Pulver in solch einer Weise umhüllt und
verdeckt wird, daß das
Basisharz nicht an der Oberfläche
erscheint, und indem dies als eine Oberflächenschicht der Art verwendet
wird, die erhalten werden kann, indem das Harzmaterial mit einer
Auftragsschicht versehen wird.
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Der
Füllstoff
aus feinzerteilten Pulvern wurde wie folgt erhalten: Amorphes Aluminiumoxid
mit einem durch schnittlichen Teilchendurchmesser von 5 μm oder weniger
wurde als ein erster Füllstoff
verwendet. Der Grund dafür
ist, daß sich
durch die Röntgenstrahldiffraktometrie
herausgestellt hat, daß dieses
Pulver nicht vollständig
zu α Aluminiumoxid übergeht.
Man nimmt an, daß α Aluminiumoxid
als ein harter unzerstörbarer Füllstoff
an der Gleitfläche
wirkt, wodurch die kontaktierende Aluminiumlegierung, d.h. die aus
ADC hergestellte Welle, beschädigt
wird. Ein zweiter Füllstoff,
der aus Graphit besteht und ebenfalls einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser
von 5 μm
oder weniger hat, wurde gewählt,
um die inadäquate
Schmiereigenschaft des Aluminiumoxids zu kompensieren. Kohlenstoff
wurde als ein dritter Füllstoff
gewählt.
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Da
sowohl das Aluminiumoxid wie auch das Graphit feinzerteilte Pulver
sind, halten sie Öl
nur in geringem Maß fest.
Man nimmt an, daß feinzerteilte
Pulver aus Aluminiumoxid und Graphit, wenn diese in einem Dichtring
für ein
Automatikgetriebe verwendet werden, alleine keine Schmierung der
Gleitfläche
erzielen könnten.
Daher wurde zu dem Zweck, eine Beschädigung der Aluminiumlegierung
infolge eines Ölfilmverlusts
zu verhindern, Kohlepulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser
von 30 μm
oder weniger und kleinen bzw. winzigen Hohlräumen als einer der Füllstoffe
gewählt.
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Diese
drei Füllstoffe
wurden unter einer Variation der Mischverhältnisse in der in Tabelle 1
gezeigten Weise miteinander vermischt; durch einen Doppelschneckenextruder
wurden schließlich
Pellets ausgebildet. Die verwendeten Füllstoffe waren ein Pulver aus
amorphem Aluminiumoxid (durchschnittlicher Teilchendurchmesser:
0,7 μm,
hergestellt durch Japan Light Metals), Graphitpulver (durchschnittlicher
Teilchendurchmesser: 1,0 μm,
hergestellt durch SEC K.K.) und Kohlepulver (durchschnittlicher
Teilchendurchmesser 30 μm,
hergestellt durch Nippon Carbon Co., Ltd.). Das als Basismaterial
verwendete Harz war Victrex Peek (PEEK), das durch ICI K.K. hergestellt
wurde. Wie es in Tabelle 1 gezeigt ist, wurden in Abhängigkeit
von der Graphitmenge gemäß den Mischverhältnissen:
Aluminiumoxid: 15 bis 25 Gew.%; Kohlenstoff: 6 bis 12 Gew.%; und
Rest: PEEK-Harz, die Prüfmaterialien
(A bis I) hergestellt.
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Nachstehend
erfolgt eine kurze Beschreibung der Zeichnung, wobei
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1 eine Teilperspektivansicht
ist, die einen Dichtring mit einem speziellen Ringspalt (vom Doppelstufentyp)
zeigt,
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2 eine Ansicht ist, die
die Hauptkomponenten einer Matsubara-Abriebprüfvorrichtung zeigt, die verwendet
wird, um die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
einzugrenzen,
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3 ein Diagramm ist, das
die Ergebnisse einer Abriebskorrelationsprüfung zeigt, die ausgeführt wurde,
um die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung zu bestimmen,
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4 ein Diagramm ist, das
den Grad zeigt, in dem ein Bauteil aus ADC-12 infolge eines Unterschieds zwischen
amorphem Aluminiumoxid und kristallinem Alumuminiumoxid in einer
erfindungsgemäßen Zusammensetzung
G bezüglich
des Abriebs beeinflußt
wird,
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5 ein Diagramm ist, das
den Grad zeigt, in dem ein Bauteil aus ADC-12 infolge eines Unterschieds zwischen
amorphem Aluminiumoxid und kristallinem Alumuminiumoxid in einer
erfindungsgemäßen Zusammensetzung
G bezüglich
des Reibungskoeffizienten beeinflußt wird,
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6 eine Schnittansicht ist,
die die Hauptkomponenten einer Prüfvorrichtung zeigt, die verwendet wird,
um das Verhalten eines Dichtrings aus dem erfindungsgemäßen Material
und eines bekannten Dichtrings zu prüfen,
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7 ein Diagramm ist, das
die Ergebnisse zeigt, die aus dem Vergleich des Verhaltens der Dichtringe aus
dem erfindungsgemäßen Material
und des bekannten Dichtrings erhalten werden, und
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8 ein Diagramm ist, das
die Ergebnisse zeigt, die aus dem Vergleich des Verhaltens der Dichtringe aus
dem erfindungsgemäßen Material
und des bekannten Dichtrings erhalten werden.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im folgenden ausführlich beschrieben.
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Die
in Tabelle 1 gezeigten Prüfmaterialien
A bis I wurden durch einen Doppelschneckenextruder geknetet. Die
Knetbedingungen waren eine Heiztemperatur von 400°C, eine Schneckendrehzahl
von 50 U/min und eine Pulvereinfüllvorrichtungsdrehzahl
von 65 U/min. Etwa 3 mm des extrudierten, gekneteten Materials wurde
in einer automatischen Abschneidvorrichtung angeordnet, um Pellets
mit einer Länge von
etwa 3 bis 4 mm auszubilden. Des weiteren wurden zu dem Zweck, den
Bereich von geeigneten Zusammensetzungen einzugrenzen, in einer
Prüfung,
in der die Pellets unter den Bedingungen eines Preßdrucks
von 130 Mpa, einer Düsentemperatur
von 400°C,
einer Preßtemperatur
von 170°C
und einer Extrusionsrate von 60% einer Abriebskorrelationsprüfung bezüglich ADC-12
unterzogen wurden, Prüfstücke hergestellt.
Die Prüfstücke wurden in
Ringform hergestellt, so daß sie
anschließend
einer Beurteilung als Wellendichtringe in einer tatsächlichen Maschine
unterzogen werden können.
Einer der Ringe ist in 1 mit
dem Bezugszeichen 10 (11) gezeigt. Der Ring hat
einen speziellen Ringspalt (vom Doppelstufentyp) und einen Außendurchmesser
von 59 mm, einen Innendurchmesser von 54,4 mm und eine Dicke von
2,4 mm. Durch Verwendung von PEEK als Basismaterial kann zum Erhalt
des Doppelstufenringspalts die maschinelle Bearbeitung, die am herkömmlichen
Gußeisenring
nicht so leicht ausgeführt
werden konnte, durch die Formgebung erzielt werden. Durch das Versehen des
Ringspalts mit einer komplizierten Struktur kann über einen
breiten Bereich von Öltemperaturen
eine minimale Ölleckage
gesichert werden.
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Eine
nachstehend beschriebene Abriebprüfung wurde ausgeführt, um
die in Tabelle 1 gezeigten idealen Zusammensetzungsverhältnisse
einzugrenzen. 2 ist
eine Schnittansicht, die die Hauptkomponenten einer Abriebprüfvorrichtung 1 zeigt.
Die Prüfvorrichtung
weist einen Halter 2 auf, an dem eine aus einer Aluminiumlegierung
(ADC-12Z) hergestellte Scheibe 3 (mit einem Durchmesser
von 80 mm und einer Dicke von 10 mm) abnehmbar angebracht ist. Ein
Prüfstückhalter 4 steht
mit einer rotierenden Welle 5 in Verbindung und kann bezüglich des
Scheibenhalters 2 frei rotieren. Der vorstehend erwähnte Dichtring 10,
der als das Prüfstück dient,
ist am Prüfstückhalter 4 befestigt
und wird in einen Gleitkontakt mit der Scheibe 3 gebracht.
Der Halter 2 wird derart mit einem axial ausgerichteten
Druck P beaufschlagt, daß zwischen
der Scheibe 3 und dem Dichtring 10 ein Druckkontakt
geschaffen wird. Wenigstens die Scheibe 3 und der Dichtring 10 sind
in ATF-Schmieröl 6 eingetaucht.
Die Abriebprüfbedingungen
sind in Tabelle 2 dargestellt.
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3 zeigt die Ergebnisse der
Abriebprüfung.
Es stellte sich heraus, daß die
Zusammensetzungen G, H hinsichtlich einer herausragenden Abriebskorrelation
bezüglich
ADC-12 dem Gußeisen äquivalent
sind. Die idealen Zusammensetzungen waren im besonderen: Aluminiumpulver:
15 Gew.%; Graphit: 3 Gew.%; Kohlepulver: 6 bis 9 Gew.%; und Rest:
73 bis 76 Gew.% PEEK. Um die Effekte von amorphem Aluminiumoxid
zu beurteilen, wurde des weiteren unter Verwendung von kristallinem
Aluminiumoxid mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 1 μm in der
Zusammensetzung G eine Abriebkorrelationsprüfung unter den in 2 gezeigten Bedingungen
durchgeführt.
Die Ergebnisse sind in 4 dargestellt.
Es stellte sich heraus, daß die
Zugabe von kristallinem Aluminiumoxid den Abrieb von ADC-12 erhöhte und
der dynamische Reibungskoeffizient um 30% anstieg, wie es in 5 gezeigt ist. Somit wurde
bestätigt,
daß ein
ringförmiges
Prüfstück der erfindungsgemäßen Zusammensetzung
bezüglich
der Abdichtfähigkeit,
des Eigenabriebs und des Abriebs an einer aus ADC-12 hergestellten
Welle in der Anwendung als ein tatsächlicher Dichtring und im Vergleich
mit dem herkömmlichen,
aus Gußeisen
hergestellten Dichtring effektiv ist.
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Ein
rotierender Dichtring wurde unter den in Tabelle 3 gezeigten Bedingungen
geprüft,
wobei die in 6 gezeigten
Prüfvorrichtung
verwendet wurde.
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Die
in 6 abgebildete Prüfvorrichtung
weist einen Zylinder 8 auf, der an einem rotierenden Halter 7 befestigt
ist und aus JIS S35C besteht. Das Ende einer Welle 9 aus
einer Aluminiumlegierung (ADC-12Z) ist im hohlen Abschnitt des Zylinders 8 eingesetzt.
Die erfindungsgemäß hergestellten
Dichtringe 10, 11 sind in Ringnuten eingesetzt,
die am Außenumfang
der Welle 9 ausgebildet sind, die Hydraulikkanäle 17, 18 zur
Zu- und Abführung
von Öl
an die bzw. von den Dichtringen 10, 11 aufweist.
Ein im Zylinder 8 vorgesehenes Ablaufloch dient der Zufuhr
von über
den Dichtring 11 durchgesickertem Öl in einen Meßzylinder 16.
Des weiteren sind ein Dreiwegeventil 13 und Abgaberohre 14, 15 vorgesehen.
Ein Behälter 19 leitet
das entwichene oder durchgesickerte Öl in den Meßzylinder 16.
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Die
Außenumfangsflächen der
Dichtringe 10, 11 stehen in engem Kontakt mit
der Innenumfangsfläche des
Zylinders 8, und die Seitenflächen der Dichtringe 10, 11 stehen
in Gleitkontakt mit den Seitenflächen
der Ringnuten der Welle 9. Öl, das über die Hydraulikkanäle 17, 18 zugeführt wird,
wirkt auf die Innenumfangsflächen
der Dichtringe 10, 11 und auf eine Seitenfläche davon.
Die andere Seitenfläche
jedes Dichtrings 10, 11 wird gegen die entsprechende
Ringnut gepreßt.
Die geprüften
Dichtringe entsprechen den erfindungsgemäßen Dichtringen und den bekannten
Dichtringeb.
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7 ist ein Diagramm, das
die Abriebskorrelation zwischen einer Ringnut, die an der in großem Umfang
in Automatikgetrieben verwendeten Welle 9 aus ADC-12 angefertigt
ist, und den Dichtringen 10, 11 nach einer Überprüfung des
Seitenflächenabriebs
der Dichtringe für
100 Stunden. Es stellte sich heraus, daß die Dichtringe der erfindungsgemäßen Zusammensetzung
den in großem
Umfang verwendeten herkömmlichen Gußeisenringen
hinsichtlich des Nutabriebs der Welle aus ADC-12 gleichkommen und
im Vergleich zu herkömmlichen,
mit Kohlefasern verstärkten
PEEK-Harz-Ringen die Nuten der Welle aus ADC-12 weitaus weniger
beschädigen.
Bezüglich
der Ölabdichtfähigkeit,
was die Eigenschaft von größter Bedeutung
ist, stellte sich heraus, daß die
erfindungsgemäßen Dichtringe
die Ölleckage
auf ein Niveau reduzieren (auf 1/30 der Ölleckage der herkömmlichen
Dichtringe), was bislang nicht erzielbar war, wobei die Nuten der
Welle aus ADC-12 keinem Verschleiß unterliegen, wie es in 8 gezeigt ist. Somit stellte
sich heraus, daß die
vorliegende Erfindung äußerst praktisch
ist und wesentlich zu einer Gewichtsreduzierung und einer Verbesserung
des Kraftstoffverbrauchs beiträgt,
was von zukünftigen
Kraftfahrzeugen verlangt wird. Des weiteren kann die Füllstoffzusammensetzung
auch für
ein Gleitbauteil verwendet werden, dessen Basismaterial PEN-Harz
(Polyethernitril) ist, dessen Molekularstruktur der von PEEK-Harz ähnlich ist.
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Indem
anstelle eines Gußeisenrings
ein Ring aus Harz mit einer hervorragenden Flexibilität als Dichtring
für eine
rotierende Welle verwendet wird, kann somit die Leckage von Öl verhindert
und der Abrieb einer aus ADC bestehenden Welle vermindert werden;
des weiteren ist es möglich,
durch Verwendung einer Aluminiumlegierung im Automatikgetriebe von
Kraftfahrzeugen eine Gewichtsreduzierung zu erzielen.
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Da
viele, offensichtliche, verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung gemacht werden können,
ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen, wird darauf
hingewiesen, daß die
Erfindung abgesehen von der Definition in den anhängigen Ansprüchen nicht
auf spezielle Ausführungsformen beschränkt ist.
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Ein
Dichtbauteil, das anstelle eines herkömmlichen Gußeisenrings als ein Dichtring
für eine
aus einer leichtgewichtigen Aluminiumlegierung hergestellten rotierenden
Welle in einem Automatikgetriebe verwendet wird, um eine Ölleckage
zu verhindern und den Wellenabrieb zu vermindern, besteht somit
aus einer PEEK-Harz-Zusammensetzung, die als Bindemittel bzw. Füllstoff
15 bis 20 Gew.% Pulver aus amorphem Aluminiumoxid mit einem durschnittlichen
Teilchendurchmesser von 5 μm
oder weniger, 3 bis 8 Gew.% Graphitpulver mit einem durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 5 μm
oder weniger und 6 bis 9 Gew.% Kohlepulver mit einem durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 30 μm
oder weniger enthält.
