-
Schwingungen absorbierendes Konstruktionselement Die Erfindung bezieht
sich auf Schwingungen absorbierende Konstruktionsteile, vornehmlich für den Bereich
bis zu 20 kHz, die in Aggregaten mit zusammenwirkenden beweglichen Teilen verwendetwerden
können und mindestens teilweise aus Sintereisenwerkstoff bestehen.
-
Die Anforderungen an Werkstoffe für Konstruktionsteile technischer
Erzeugnisse sind entsprechend den vorgesehenen Einsatzzwecken verschieden. Sehr
allgemein werden aber für Maschinen und Geräte aller Art Konstruktionsteile benöti-gt,
die als Dämpfungselemente die Arbeitsgenauigkeit beeinträ chti gende und Störgeräusche
verursachende Schwingungen zu absorbieren vermögen. Schwingungen absorbierende,
also dämpfende Konstruktionselemente sind dementsprechend allgemein bekannt und
werden mit großem Erfolg überall dort eingesetzt, wo solche Schwingungen abzubauen
sind, das heißt insbesondere als schalldämmende Konstruktionsteile und zur
Minderung
von Erschütterungen, mechanischen Schwingungen.
-
Solche Dämpfungselemente können sawohl mechanischer Natur sein, also
gefederU Elemente, sie können hydraulischer Natur sein, z.B. Stoßdänpfer, sie können
pneumatischer Natur sein. Andere Konstruktionselemente sind z.B. Metall-Gummielemente,
allgemein verwendet dort, wo empfindliche Maschinen bzw. Geräte schwingungsfrei
aufgesellt werden müssen, bzw. dort, wo Lagerungen schwingungsfrei arbeiten müssen.
Auch bei bewegten, Schwingungen erzeugenden Vorrichtungen, z.B. bei einem Automobil,
gelingt es durch Maßnahmen, wie pneumatische Bereifung und entsprechende Stoßdämpfer,
Erschütterungen und Schwingungen, wie sie durch die Fahrbahn erzeugt werden, abzubauen
und diese vom Antrieb über Metallgummilagerungen bzw. übertragungselemente zu dSnpEen.
Schwieriger ist es, Schwingungen innerhalb des Hörschalls bis etwa 20 kHz zu eliminieren.
Zwar sind insbesondere zum Luftschallschutz schon Schwingungen absorbierende Werkstoffe
für Konstruktionsteile, z.B. schallmmende Wand-Vorsatzschalen mit D§mmschichten
aus Sillan-Steinwolle oder Glaswolle bekannt, mit denen in ortsfesten Konstruktionen,
insbesondere bei Bauten, Schwingungsdämpfung, vornehmlich Isolierung gegen Hörs
chall erreicht wird. Aber in Aggregaten mit zusammenwirkenden beweglichen Elementen
sind solche Konstruktionsteile wenig vorteilhaft, weil sie nicht verschleiß- und
Xbriebfest sind.
-
Hinzu kommt, daß an solchen Aggregaten die Schwingungen erzeugenden
Konstruktionselemente,
wie z.B. die Scheibenbremse oder die Kupplung, sehr kompakt gebaut sind und kaum
zusätzlichte Einbauten s chwingungsdämpfenderElemente zulassen.
-
Werkstoffseitig die Schwingungen über die Paarung Reibbelag/ Gegenreibwerkstoff
ausreichend abzubauen, gelang bisher nicht zur Zufriedenheit, ohne andere wichtige
Parameter unvorteilhaft zu verändern. Sich vom Aggregat her den Schwingungen in
der Trockenlauf-Reibpaarung vorrangig infolge der bekannten Stick-slip-Ersdheinungen
übe rlage rnde Schwingungen führen aggregatabhängig bei gewissen Drehzahlen immer
wieder zu unangenehmen Geräuschen. Es ist bisher noch kein wirtschaftlich vertretbares
Mittel gefunden worden, geeignete Konstruktionselemsnte zu schaffen, die jene Schwingungen,
die während eines Breme- oder Kupplungsvorgangs im Aggregat entstehen und deren
Frequenz im Bereich des hörbaren Schalles liegt, zur allgemeinen Zufriedenheit zu
eliminieren.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beheben
und ein Schwingungen absorbierendes kostengünstiges Konstruktionselement für Aggregate
mit zusammenwirkenden bebeweglichen Teilen zu schaffen, das die gewünschten mechanischen
Festigkeitseigenschaften aufweist und gleichzeitig eine hervorragende Schwingungsdämmung,
insbesondere für den Bereich bis zu 20 kHz hat.
-
Diese Aufgabe wird gelöst mit Schwingungen absorbierenden Konstruktionselementen
der eingangs beschriebenen Art für Aggregate mit zusammenwirkenden beweglichen Teilen,
die mindestens teilweise aus Sinte reiserrwerkstoff , in dem bis zu 2% Phosphor
und/oder Schwefel enthalten sein können, bestehen, die erfindungsgerräß dadurch
gekennzeichnet sind, daß als Sintereisenwerkstoff ein Material mit 10 bis 25 % Porenvolumen,
einer Zugfestigkeit von mindestens 35 kp/mm² und einer Bruchdehnung von mindestens
6 % vorhanden ist.
-
Es ist erfindungsgeitäß gelungen, anstelle zusätzlicher Einbauten
ein Konstruktionsteil in einem derartigen Aggregat, beispielsweise einer Bremse
oder Kupplung, als Element mit starker Schwingungsabsorbierung zu schaffen, das
daneben diejenigen mechanischen Eigenschaften aufweist, die den Einsatz als Konstruktionsteil
des Aggregates, in Bremsen und Kupplungen beispielsweise als Belagträger für den
Reibbelag, ermöglichen.
-
Es sind die Dämpfungseigenschaften von Sintereisen an sich bekannt,
jedoch reichen (siehe Untersuchungen der Planseewerke in Reutte/Tirol und der Schwäbischen
Hüttenwerke in Wasseralfingen) die technologischen Eigenschaften, insbesondere die
Festigkeit bei Konstruktionselementen für Aggregate mit zusammenwirkenden beweglichen
Teilen nicht aus. Um für diese Konstruktionselemente entsprechende Festigkeiten
zu erreichen, sind hohe Dichten und hohe Sintertemperaturen bei entsprechend langen
Sinterzeiten erforderlich, wie sie
im sogenannten Doppelpreßverfahren
erzielt werden. Damit gehen die Dämp fungseigens chaften weitgehend verloren.
-
Erfindungsgemäß wurde überraschend gefunden, daß gute Dämpfungseigenschaften
1t gleichzeitig hohen Festigkeiten dann erreicht werden können, wenn man einen Sintereisenwerkstoff
mit Phosphor und/oder Schwefelzusatz verwendet. Damit gelang es er findungsgemäß,
Konstruktionselemente aus Sintereisenwerkstoff zu schaffen, deren statische und
dynamische Belastbarkeit so hoch ist, daß sie den sehr hohen Beanspruchungen, vorrangig
in einer Bremse, gerecht zu werden vermögen und gleichzeitig auch über die hervorragenden
geräus chdämp fenden Eigens chaften eines hochporösen Sinte reisenwerkstoffes verfügen.
-
Erfindungsgemäße Konstruktionselemente, die gleichzeitig ein gutes
Dämpfungsverhalten und beste Festigkeitseigens chaften aufweisen, lassen sich dadurch
herstellen, daß man in dem Ausgangs-Pulvergemisch das Eisenpulver mit einer maximalen
Teilchengröße von 100 bis 500 /um einsetzt und kurzzeitig, ein Drittel gegenüber
der bisher bekannten Zeitspanne, durch W§rmebehandlungbei einer gegenüber der üblichen
Sintertemperatur um 100 bis 2000C erniedrigten Temperatur drucklos sintert.
-
Das Dämpfungsverhalten läßt sich noch dadurch verbessern, daß dem
Sintereisenpulver der Phosphorzusatz in Form einer relativ
niedrig
schmelzenden Eisen- Phosphor-Legierung zugegeben wird.
-
Die Eisen-Phosphor-Legierung wird bei der Wärmebehandlung teilweise
schmelzflüssig und verbindet die Eisenpulverteilchen über eine Diffusion des Phosphors
von Eisenphosphor zu Eisen, so daß ein Phosphor-Gefälle entsteht, die Schmelztemperatur
steigt und nach teilweiser Diffusion die schmelz flüssige Phase in ein festes Gefüge
übergeht. Es empfiehlt sich, für die Herstellung solcher Konstruktionselemente in
der Weise zu arbeiten, daß man 90 Gew.-Teile Eisenpulver mit einer maximalen Teilchengröße
von 100 bis 500 /um und 10 Gew.-Teile Eisen-Phosphor-Le gie rungsp ulve rmit einer
maximalen Teilchengröße von 75 um und einem Phosphorgehalt zwischen 13 und 17% miteinander
vermischt, mit einem Preßdruck von 3 bis 5,5 t/cm2 verpreßt, und durch etwa 10 bis
20 Minuten lange W§rmebehandlung bei einer Temperatur zwischen etwa 945 und 10700C
drucklos sintert. Dabei kann man sogar in einer leicht reduzierenden Atmosphäre
(Exogas) sintern. Während bei bekannter Arbeitsweise, bei der solche Sintereisenpu2r
zunächst kalt verpreßt und dann während längerer Zeit, in der Regel mindestens 60
Minuten lang, bei höheren Temperaturen, in der Pegel mindestens 11200C und gewöhnlich
in stark reduzierender Atmosphäre gesintert werden, die gewünschten hohen Werte
der Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Harte erst mit relativ hohen Preßdrücken von
mindestens 6 t/cm2 erzielt werden können, lassen sich defür die e rfindungs gemäßen
Konstruktionselemente
eingesetzten Sintereisenwerkstoffe energiesparend
und bei niedrigeren Temperaturen mit den gewünschten hohen Zugfestigkeits-, Bruchdehnungs-
und Härtewerten und darüber hinaus mit einem das überraschend gute Dämpfungsverhalten
bewirkenden Pestporengehalt von 10 bis 25 % fertigen.
-
Beispiele Es wurden drei aus den nachstehend aufgeführten Komponenten
bestehende Pulvergemische Nr. 1, Nr. 2 und Nr. 3 durch inniges Vermischen der Pulverbestandteile
zubereitet. Eine weitere Probe Nr. 4 bestand aus Eisenpulver ohne sonstige Zusätze.
-
Pulvergemisch Nr. 1 97,8 Gew.-% Eisenpulver einer Teilchengröße von
147 ,um 2,2 n n Eisen-Phosphor-Legierungspulver mit einem Phosphorgehalt von 25%
und einer maximalen Teilchengröße von 45 µm Pulvergemisch Nr. 2 96,6 Gew.-% Eisenpulver
einer Teilchengröße von maximal 147 1um 3,4 " " Eisen-Phosphor-Legierungspulver
mit einem Phosphorgehalt von 15% und einer maximalen Teilchengröße von 45 /um Pulvergemisdh
Nr. 3 99 r5Gew.-% Eisenpulver einer Teilchengröße von maximal 147 lum 0,5 n n Kohlenstoff
eher Teilchengröße von maximal 45
Pulvergemisch Nr. 4 100 Gew.-%
Eisenpulver einer Teilchengröße von maximal 147 ,um Alle vier Pulvergemische wurden
nach Zumischung von je 0,75 Gew.-% an üblichempreßerleichterndem Mittel (Stearat)
mit 400 N/mm2 verpreßt. Dann wurde bei 10200C in leicht reduzierender Atmosphäre
(Exogas-Atmosphäre) 20 Minuten lang wärmebehandelt.
-
Die physikalischen Eigenschaften wurden an MPA-Zerreißstäben (ASTM-Vors
chri ft) geprüft.
-
Die Prüfergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.
-
Tabelle Pulve rgemis che Nr.
-
1 2 3 4 Porenvolumen 16,4 14,7 15,2 15,2 Zugfestigkei kr/mm² 38 41
28 24 Bruchdehnung % 9 10 4 7 Härte HB 115 118 105 50 Die Zahlenwerte zeigen, daß
die mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßenKonstruktionsteile besser sind
als die normal gesinterter Werkstoffe. Die erfindungsgemäßen Konstruktionselemente
weisen darüber hinaus ein hervorragendes Dämpfungsverhalten auf. Das Dämpfungsserhaltenwurde
in der Weise untersucht, daß Scheibenbremsbeläge mit derselben
Peibwerkstoffzus
ammensetzung auf erfindungsgemäßenKonstruktionselementen äs Belagträgermaterial
und weiteren Belagträgermaterialien aus verschiedenen bekannten Sintereisen- und
Sinterstahl-Qualitäten, aus Walzstahl- feingestanzt, sowie aus Walzstahl, versehen
mit unterschiedlichen Einfräsungen zum Schwingungs- und Geräuschabbau hergestellt
und auf dem und Prüfstand/im praktischen Fahrversuch getestet wurden. In allen Fällen
zeigte sich, daß die erfindungsgemäßen Konstruktionselemente als Belagträgermaterialien
die größte erzielbare Geräuschherabsetzung brachten und daß es in den meisten Fällen
gelang, Bremsen sowohl als auch Kupplungen - selbst in den sensibelsten Fahrzeugen
- geräuscharm zu gestalten.
-
In der beiliegenden Zeichnung ist ein erfindungsgbmäßes Kontruktionselement
beispielsweise als Reibbelagträger ve ranschaulicht. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt
durch einen Bremsbelag mit dem als Belagträger ausgebildeten Dämpfungselement, und
Fig. 2 einen Schnitt nach II-II der Figur 1.
-
Der Reibbelag 1 ist auf dem als Peibbelagträger ausgebildeten Dämpfungseigenschaften
aufweisenden Konstruktionsteil 2, der aus dem oben erläuterten Ansatz 1 gefertigt
war, befestigt.
-
Der Pfeil gibt die Wirkungsrichtung des Kolbens an. Der
Kolben
(nicht gezeigt) beaufschlagt das s chwingungs dämpfende Konstruktionselement 2 mit
seiner Stirrifläche. Der Kolbendruck wird über das Konstruktionselement 2 und den
Reibbelag 1 an die Bremssdheibe weitergeleitet. Beim Bremsvorgang entstehende Schwingungen
werden von dem porösen Sintereisenwerkstoff, dessen Poren (vergrößert) in Fig. 2
veranschaulicht und mit 3 gekennzeichnet sind, eingedämmt bzw. eliminiert.