EP2855952A2

EP2855952A2 - Bereichsweises strukturieren von gleitflächen

Info

Publication number: EP2855952A2
Application number: EP13726787.8A
Authority: EP
Inventors: Leo Schreiber; Wolfgang Hafner; Matthias Weber; Jürgen REINGEN; Hans Kuhn; Emanuel GROß; Maarten Brussee
Original assignee: MAG IAS GmbH Eislingen
Current assignee: MAG IAS GmbH Eislingen
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2013-06-04
Publication date: 2015-04-08
Also published as: KR20150018785A; WO2013182539A3; RU2014149142A; WO2013182539A2; MX2014012354A; CN104813042A; JP2015525323A; US20150167737A1; US9879726B2

Abstract

Um bei der Strukturierung von den Gleitlagerflächen (1 ) einer Kurbelwelle durch gezielt eingebrachte, mikroskopisch kleine Vertiefungen (27) mit geringem Aufwand eine hohe Reduzierung der Reibung im Einsatz der Kurbelwelle zu erzielen, wird vorgeschlagen, bei Mittellagern und den Hublagern gezielt nur die stark belasteten Bereiche der Lagerfläche, sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung, zu strukturieren, da bereits dies angesichts des nur wenige mum großen Arbeitsspaltes zum Werkzeug schwierig zu erreichen ist.

Description

Bereichsweises Strukturieren von Gleitflächen

I. Anwendungsgebiet Die Erfindung betrifft eine Gleitfläche einer Gleitpaarung, insbesondere die Gleitlager-Fläche eines Radial-Lagers, insbesondere die Lagerstellen einer Kurbelwelle in einem Verbrennungsmotor, einerseits gegenüber dem Motorblock und andererseits gegenüber den Pleueln.

II. Technischer Hintergrund

Bei den Gleitflächen einer geschmierten Gleitpaarung ist es sowohl für die Größe der Gleitreibung als auch für die Lebensdauer der Gleitpaarung, ins- besondere des Gleitlagers, essenziell, dass in möglichst allen Betriebszu- ständen ausreichend viel Schmiermittel und in möglichst gleichmäßiger Verteilung zwischen den Kontaktflächen der Gleitpaarung vorhanden ist. Kritisch ist dabei vor allem der Beginn der Relativbewegung zwischen den beiden Gleitflächen.

Mit dem zunehmenden Einsatz von Start-Stop-Systemen in Kraftfahrzeugen nimmt diese Bedeutung insbesondere bei den Lagerstellen einer Kurbelwelle massiv zu, denn dadurch wird die Anzahl der Anlauf-Vorgänge der Gleitlager um den Faktor 100 oder mehr erhöht.

Aus diesem Grund werden die Kontaktflächen von Gleitflächen, insbesondere von Gleitlagern, so bearbeitet, dass sie kleine Vertiefungen aufweisen, die als Reservoir für Schmiermittel dienen. Diese Vertiefungen sind aufgrund der normalen Rauheit des Materials der Gleitfläche vorhanden, oder werden gezielt eingebracht. Aufgrund dessen beträgt der Traganteil eines Gleitlagers, also der Flächenanteil, mit dem die Kontaktflächen tatsächlich aneinander Anliegen, immer deutlich unter 100 %, teilweise sogar unter 60 %.

Die entsprechende Strukturierung der Gleitflächen wird durch spezielle Bearbeitungsschritte wie Schleifen, Finishen oder Honen erreicht, wobei jedoch die konkrete Anordnung der Vertiefungen nicht vorgegeben werden kann, und auch die Streuung hinsichtlich der Größe, insbesondere der Tiefe, dieser Vertiefungen relativ groß ist. Vor allem hängt das Ergebnis der Strukturierung auch stark von der Erfahrung der ausführenden Person ab.

Um eine hinsichtlich Anzahl, Größe, Tiefe und Verteilung der Vertiefungen definierte Strukturierung der Kontaktfläche eines Gleitlagers zu erzielen, ist es ebenfalls bereits bekannt, diese Oberfläche mittels Laser zu beschießen und dadurch die gewünschten Vertiefungen zu erzielen.

Diese Vorgehensweise hat jedoch zum einen den Nachteil, dass sie sehr zeitaufwändig ist bei einer großen Anzahl von Vertiefungen, und darüber hin- aus der auftreffende Laserstrahl auf der Oberfläche nicht nur eine Vertiefung erzeugt, sondern auch eine die Vertiefung ringförmig umgebende Aufwerfung, die in vielen Fällen nicht erwünscht ist, und eine erneute Nachbearbeitung zur Beseitigung dieser Aufwerfung erfordert. Generell ist die Flanken Form der mittels Laser hergestellten Vertiefung kaum steuerbar.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch die Laserbearbeitung eine räumlich eng begrenzte starke Erhitzung und anschließende schnelle Abkühlung erfolgt, was zu nicht erwünschten neuen Härte-Zonen führt. Ferner ist das Bearbeitungsverfahren des elektrochemischen Abtragens (ECM) bekannt, welches auch gepulst angewandt wird (PECM). Hiermit werden dreidimensionale Oberflächen erzeugt, beispielsweise die dreidimensionale Oberfläche von Münzen hergestellt oder die beschriebenen Vertiefungen in Oberflächen eingebracht, wobei in aller Regel nur ein Abtrag von maximal 30 μιτι mit diesem Verfahren wirtschaftlich sinnvoll ist.

Durch die Annäherung einer entsprechend negativ gestalteten Elektrode an die zu bearbeitende, als andere Elektrode dienende, Oberfläche wird aus dieser Oberfläche Material in Form von Ionen abgetragen, was bei diesem Prozess eine sehr viel feinere Struktur ergibt als zum Beispiel mittels Fun- ken-Erosion möglich ist.

Für die Stromleitung und den Abtransport der gelösten Stoffe wird während des gesamten Prozesses eine stromleitende Flüssigkeit durch den Spalt zwischen Werkzeug und Werkstück hindurchgepresst.

Bei Kurbelwellen als Werkstücken, insbesondere bei Kurbelwellen für Pkw- Motoren mit hohen Zylinderzahlen, kommt hinzu, dass diese während der Bearbeitung instabile und damit schwer positionierbare und auch bei der Strukturierung schwierig bearbeitbare Werkstücke darstellen.

Die Beurteilung der Maßhaltigkeit einer fertigen Kurbelwelle erfolgt primär - neben der axialen Lagerbreite - durch die Beurteilung folgender Parameter:

Durchmesserabweichung = maximale Abweichung vom vorgegebenen Solldurchmesser des Lagerzapfens,

Rundheit = makroskopische Abweichung von der kreisrunden Sollkontur des Lagerzapfens, angegeben durch den Abstand des äußeren und inneren Hüllkreises,

Rundlauf = radiale Maßabweichung bei sich drehendem Werkstück, verursacht durch eine Exzentrizität der drehenden Lagerstelle und/oder eine Formabweichung der Lagerstelle von der idealen Kreisform, Rauheit in Form der gemittelten Einzelrautiefe Rz = die mikroskopische Rauheit der Oberfläche der Lagerstelle repräsentierender, rechnerisch ermittelter Wert,

Traganteil = der tragende Flächenanteil der mikroskopisch betrachteten Oberflächenstruktur, der zu einer anliegenden Gegenfläche in Kontakt steht,

und zusätzlich bei den Hublagerstellen:

Hubabweichung = maßliche Abweichung des Ist-Hubes (Abstand der Ist-Mitte des Hublagerzapfens von der Ist-Mitte der Mittellager), vom Sollhub und

Winkelabweichung = in Grad oder als auf den Hub bezogenes Längenmaß in Umfangsrichtung angegebene Abweichung der Ist- Winkellage des Hublagerzapfens von seiner Soll-Winkellage relativ zur Mittellagerachse und bezüglich der Winkelstellung zu den übrigen Hub- lagerzapfen.

Dabei wird die Einhaltung der gewünschten Toleranzen bei diesen Parametern sowohl durch die zur Verfügung stehenden Bearbeitungsverfahren als auch die Instabilität des Werkstückes und die Bearbeitungskräfte begrenzt.

Auch die Effizienz und Wirtschaftlichkeit eines Bearbeitungs-Verfahrens spielt in der Praxis eine große Rolle, vor allem für die Serienfertigung, in der Taktzeit und damit Herstellkosten eine entscheidende Rolle spielen, während bei Bearbeitungen im Einzelversuch oder für Prototypen diesen Beschrän- kungen nicht unterliegen.

Dies gilt besonders für die letzten Verfahrensschritte bei der Herstellung zum Beispiel einer Kurbelwelle, der Feinbearbeitung und Oberflächenstrukturie- rung. III. Darstellung der Erfindung a) Technische Aufgabe Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, eine strukturierte Gleitfläche sowie ein Verfahren und ein Werkzeug zu seiner Herstellung vorzuschlagen, welches eine effiziente Herstellung ermöglicht trotz signifikanter Herabsetzung der Reibung, insbesondere in einem hydrodynamischen Gleitlager.

b) Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 , 10, 12 und 14 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Hinsichtlich der Gleitfläche - was eine Gleitlagerfläche oder auch die Gleitfläche z. B. einer Nockenwelle sein könnte - wird diese Aufgabe gelöst, indem nicht die gesamte Gleitfläche strukturiert wird, sondern nur Teilbereiche, was den Strukturierungsaufwand drastisch senkt, aber annähernd zum glei- chen Ergebnis hinsichtlich der Reibungsminderung führt wie eine vollständige Strukturierung der Gleitfläche, vor allem indem diejenigen Teilbereiche nur strukturiert oder stärker strukturiert werden als der Rest, die am meisten belastet sind. Dabei muss zwischen den zu strukturierenden oder stärker zu strukturierenden Teilbereichen in Bewegungsrichtung der Gleitfläche relativ zur Gegenfläche der Gleitpaarung, der Längsrichtung, oder quer dazu unterschieden werden.

Die weniger stark belasteten Teilbereiche sind entweder überhaupt nicht strukturiert oder geringer strukturiert, was bedeuten kann, dass Anzahl, Grö- ße, Tiefe oder andere Parameter der Vertiefungen, mittels denen die Strukturierung erfolgt, geringer gewählt werden und dadurch der Strukturierungsaufwand in diesen Bereichen geringer ist oder eben vollständig wegfällt, wenn diese weniger belasteten Teilbereiche überhaupt nicht strukturiert werden.

Im Folgenden wird immer nur von strukturierten Teilbereichen gesprochen, womit gemeint ist, dass diese Teilbereiche entweder als einzige strukturiert sind, also die übrigen Teilbereiche gar nicht strukturiert sind, oder dass diese Teilbereiche stärker strukturiert sind als der Rest der Gleitfläche.

Quer zur Bewegungsrichtung wird vorzugsweise der mittlere Bereich struktu- riert gegenüber den Randbereichen, vor allem dann, falls eine der beiden Gleitflächen einer Gleitflächen-Paarung betrachtet in Bewegungsrichtung konvex ballig gestaltet ist. Denn dann ergibt sich im mittleren Bereich der die geringste Dicke des Schmierspaltes ausbildet und dort die Gefahr des Trockenlaufes am größten ist.

Bei rotationssymmetrischen Gleitflächen, insbesondere Gleitlager-Flächen wird in Bewegungsrichtung nur ein bestimmter Umfangsbereich, insbesondere von weniger als 90°, besser weniger als 70°, besser weniger als 60°, des Umfanges strukturiert.

Falls es sich bei der Gleitfläche um die Gleitlager-Flächen einer Kurbelwelle für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor handelt, wird wie folgt strukturiert: In Umfangsrichtung wird nur das Segment der Mantelfläche des Hublagerzapfens strukturiert, welches bei Zündung des entsprechenden Kolbens und dem sich danach aufbauenden Explosionsdruck am stärksten durch den Pleuel belastet wird. Dies ist vorzugsweise ein Bereich von 30° in Drehrichtung bis 60° gegen die Drehrichtung des Hublagers, insbesondere von 20° in Drehrichtung bis 55° gegen die Drehrichtung vom radial äußersten Punkt des Hublagerzapfens aus betrachtet von der Mittellager-Achse der Kurbel- welle.

Bei den Mittellager-Zapfen gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder wird nur dasjenige Umfangssegment des Mittellagers strukturiert, welches den beiden benachbarten Hublagerzapfen in radialer Richtung gegenüber liegt und von den strukturierten Flächen dieser Hublagerzapfen weg weist, wobei es bei dem ersten und letzten Mittellager-Zapfen nur einen be- nachbarten Hublagerzapfen gibt.

Die andere Möglichkeit besteht darin, an jedem Mittellager-Zapfen die gleichen Umfangsbereiche zu strukturieren, und zwar diejenigen Umfangsberei- che, die den strukturierten Bereichen aller Hublagerzapfen - wiederum be- trachtet in axialer Richtung - gegenüber liegen und von diesen wegweisen. Bei einer Kurbelwelle für einen Sechszylindermotor wären dies dann in der Regel drei Umfangsbereiche pro Mittellager-Zapfen, bei einem Vierzylindermotor in der Regel nur zwei Umfangsbereiche pro Mittellager-Zapfen. Dies mindert die Gleitreibung vor allem in den stark belasteten Umfangsbe- reichen, in denen durch die starke Belastung die Gleitreibung im Betrieb um ein Mehrfaches höher sein kann als in den übrigen Umfangsbereichen. Deshalb wird trotz Strukturierung nur eines Teils der Gleitfläche, meist deutlich unter 50 %, eine Minderung der Reibung insgesamt bewirkt, die 80 oder 90 % der Reibungsminderung beträgt, wie sie beim kompletten Strukturieren der Gleitfläche im selben Maß eintreten würde.

Vorzugsweise wird die Strukturierung mit elektro-chemischem Abtragen (ECM), insbesondere gepulstem elektro-chemischem Abtragen (PECM) durchgeführt. Letzteres besteht darin, dass die Strombeaufschlagung der beiden Elektroden, einerseits Werkzeug und andererseits Werkstück, gepulst ist. Vorzugsweise ist synchron dazu eine periodische Annäherung und wieder Entfernung des Werkzeuges gegenüber dem Werkstück vorgesehen, meist durch vibrierende Bewegung des Werkzeuges, wobei die Strombeauf- schlagung im Punkt der jeweils größten Annäherung zwischen Werkzeug und Werkstück erfolgt. In den stromlosen Zwischenzeiten, in denen der Abstand auch noch größer ist, werden durch den dazwischen hindurch gepumpten Elektrolyt die abgetragenen Metallionen ausgespült. Bei einer Gleitpaarung aus zwei gegeneinander bewegten Gleitflächen wird vorzugsweise nur eine der Gleitflächen im vorbeschriebenen Sinne teilweise strukturiert, da die Strukturierung auch der Gegenfläche meist nur einen un- tergeordneten Zuwachs an Reibungsminderung bringt.

Dabei sollten die Vertiefungen eine Tiefe von maximal 10 μιτι, insbesondere maximal 5 μιτι, insbesondere maximal 1 μιτι besitzen, da eine zu große Tiefe einen ausreichenden Druckaufbau des Schmiermittels im Bereich der Ver- tiefung verhindern kann. Es hat sich ferner gezeigt, dass die Tiefe im Verhältnis zur größten oberflächlichen Erstreckung der Vertiefung in einem bestimmten Verhältnis liegen sollte, nämlich zwischen 0,005 und 0,002, insbesondere zwischen 0,008 und 0,012. Im Bereich zwischen den Vertiefungen sollte die Oberfläche eine Rauheit besitzen, der Rauheit Rz vorzugsweise geringer ist als die Tiefe der Vertiefungen, insbesondere unter 5 μιτι beträgt, besser zwischen 1 und 4 μιτι beträgt. Der Bereich zwischen den Vertiefungen sollte mindestens 50 % und höchstens 85 % betragen, um eine optimal niedrige Reibung zu erzielen.

Es hat sich ferner gezeigt, dass in der Aufsicht betrachtet, die kleines Erstreckung der einzelnen Vertiefung maximal 150 μιτι betragen sollte, besser nur maximal 100 μιτι oder gar maximal 50 μιτι. Ferner sollte das Verhältnis der größten zur kleinsten Erstreckung der Vertiefung maximal den Faktor 10, besser nur den Faktor 5 oder gar nur den Faktor 3 betragen. Hinsichtlich des mit Vertiefungen besetzten Flächenanteils der strukturierten Fläche sollte dieser zwischen 1 % und 30 %, insbesondere zwischen 10 % und 20 %, betragen. Weiterhin hat es sich als sinnvoll erwiesen, den Rand der Vertiefungen, also den Übergang zwischen den Flanken der Vertiefungen zur übrigen Oberfläche der Gleitfläche hin, mit einer Rundung mit einem Radius von mindestens 2 μιτι und/oder einem Schrägungswinkel von weniger als 60° zur Ober- fläche auszubilden, da hierdurch das in der Vertiefung angesammelte Schmieröl besser aus der Vertiefung heraus gelangen kann.

Aus dem gleichen Grund sollte - geschnitten in Richtung der relativen Bewe- gungsrichtung der Gleitfläche zur Gegenfläche - die entgegen der Bewegungsrichtung der Gleitfläche gerichtete Flanke der Vertiefung weniger steil verlaufen als die gegenüber liegende Flanke insbesondere unter einem Winkel von maximal 45°, besser maximal 30°, besser maximal 25°, besser maximal 20° zur Oberfläche zwischen den Vertiefungen.

Hinsichtlich der Maschine zum Bearbeiten rotationssymmetrischer Gleitflächen, insbesondere an den Lagerstellen einer Kurbelwelle, mittels elektrochemischem Abtragen wird die Aufgabe gelöst, indem die Maschine eine Werkzeugmaschine mit einer Werkstück-Spindel-Anordnung wie bei einer Drehmaschine ist, die über eine gesteuerte C-Achse verfügt und bei der das Abtrag-Werkzeug insbesondere in einer Werkzeugeinheit angeordnet ist, die in X- und Z-Richtung aktiv bewegbar ist, in Y-Richtung jedoch begrenzt beweglich, insbesondere schwimmend gelagert, ist, insbesondere um +/- 100 μιτι.

Vorzugsweise ist die Werkzeugeinheit um die B-Achse begrenzt drehbar und dadurch schwimmend gelagert.

Hinsichtlich des Werkzeuges zum Bearbeiten rotationssymmetrischer Gleitflächen, insbesondere der Lagerstellen an einer Kurbelwelle, mittels elektrochemischem Abtragen (ECM) wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Wirkfläche des Werkzeuges in Bewegungsrichtung, in Umfangsrichtung der rotationssymmetrischen Lagerfläche einen Bereich von weniger als 90°, ins- besondere von weniger als 70°, insbesondere von weniger als 60° insbesondere von weniger als 45° erstreckt. Vorzugsweise ist die Wirkfläche des Werkzeuges

entweder eben und tangential zu der konvex gekrümmten Gleitfläche der Lagerstelle angeordnet - oder konkav gekrümmt, jedoch mit einem insbesondere um den Faktor

1 ,1 bis 2,0 größeren Krümmungsradius als die konvex gekrümmte zu bearbeitende Gleitfläche gestaltet.

Dadurch ist sichergestellt, dass in der Mitte des durch die Wirkfläche bearbei- teten Gleitflächen-Bereiches der Abstand zwischen Werkzeug und Werkstück am geringsten ist und dadurch die Tiefe der eingebrachten Vertiefungen dort am größten ist und sich am stärksten auf der Gleitfläche abbildet, während abseits von der Stelle des geringsten Abstandes die Vertiefungen zunehmend weniger tief werden und dadurch die Strukturierung abnimmt.

Zusätzlich ist am Bereich des geringsten Abstandes der Glättungseffekt zwischen den Vertiefungen, der durch die Wirkfläche des Werkzeuges eintritt, am größten. Beides zusammen bewirkt am Punkt des geringsten Abstandes die größte Reibungsminderung, wenn dieser Punkt des geringsten Abstandes mit dem Punkt der höchsten Belastung in Umfangsrichtung übereinstimmt.

Aus dem gleichen Grund sollten die Erhebungen auf der Wirkfläche des Werkzeuges mindestens um den Faktor 2, besser um den Faktor 3 höher sein als die maximale Tiefe der damit herzustellenden Vertiefungen.

Hinsichtlich des Verfahrens zum Bearbeiten von Gleitflächen mittels elektrochemischem Abtragen (ECM) wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass wäh- rend der Bearbeitung der Abstand zwischen Werkzeug und Werkstück abwechselnd größer und kleiner wird, insbesondere mittels entsprechender Vibration des Werkzeuges. Auf der anderen Seite kann die Strombeaufschlagung des Werkzeuges pulsierend (PECM) sein, um die Aufheizung des Werkstückes gering zu halten und zwar insbesondere synchron zur Vibration, also der Abstandsveränderung, sodass der Stromstoß jeweils insbesondere zum Zeit- punkt der größten Annäherung zwischen Werkzeug und Werkstück erfolgt, und hierdurch das Herauslösen der Metallionen besonders gut möglich ist. Bei der anschließenden größeren Beabstandung werden durch den dazwischen hindurch strömenden Elektrolyten die herausgelösten Metallionen umso besser abgeführt. In Umfangsrichtung steht das Werkzeug dabei gegen- über dem Werkstück still.

Um trotz des geringen Arbeitsspaltes und der schwierig zu handhabenden Kurbelwelle als Werkstück das Werkzeug relativ zum Werkstück ausreichend genau positionieren zu können, werden vorzugsweise am Werkzeug Ab- standshalter befestigt, mit denen das Werkzeug auf der zu bearbeitenden Fläche, der Lagerfläche, der Kurbelwelle aufsetzt. Zu diesem Zweck müssen die Abstandshalter aus elektrisch nicht leitendem Material bestehen.

Vorzugsweise sind die Abstandshalter als Abstandsleisten ausgebildet, die sich an den Enden des Werkzeuges in Umfangsrichtung befinden.

Da die Umfangsrichtung in diesem Fall die größte Erstreckungsrichtung des Werkzeuges ist, ist vorzugsweise in Umfangsrichtung in der Wirkfläche des Werkzeuges eine Spülnut eingearbeitet, in der der Austritt für die elektrisch leitende Flüssigkeit, den spülenden Elektrolyt, mündet, und die insbesondere mindestens 1/10 mm tief ist. Dadurch strömt der Elektrolyt in Umfangsrichtung bis zu den Enden des Werkzeuges, wo die Abstandsleisten eine zumindest teilweise Abdichtung bewirken, und von dort strömt der Elektrolyt durch den Arbeitsspalt in axialer Richtung zu den beiden axialen Enden der Wirk- fläche des Werkzeuges.

Für die Steuerung des Verfahrens, insbesondere für den Zeitpunkt des Abbruchs der Bearbeitung, wird bei durchgehender Strombeaufschlagung die Temperatur des Elektrolyten und/oder die sich verändernde Stromstärke als Führungsgröße verwendet.

Bei pulsierender Strombeaufschlagung dagegen werden die Anzahl der Pul- se und/oder die Dauer der Pulse als Führungsgröße hierfür verwendet.

Falls dagegen während der Bearbeitung der Abstand zwischen Werkzeug und Werkstück oszillierend verändert wird, wird als Führungsgröße für die Steuerung der Bearbeitung, insbesondere für den Zeitpunkt des Abbruchs der Bearbeitung, beispielsweise die Druckveränderung in der Zuführung für die elektrisch leitende Flüssigkeit verwendet, denn mit zunehmender Annäherung des Werkzeuges an die Oberfläche des Werkstückes wird das abfließen des Elektrolyten durch den Arbeitsspalt erschwert und es baut sich in der Zuführungsleitung des Elektrolyten ein zunehmende Druck auf.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Abstandshalter, insbesondere die Abstandsleisten, in ihrer Dicke oszillierende veränderbar zu gestalten, beispielsweise als Piezo-Element, und durch entsprechende Strombeaufschlagung dieses Elementes eine oszillierende Veränderung seiner Dicke zu be- wirken.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Abstandshalter, Insbesondere Abstandsleisten, während der Bearbeitung durchgehend auf der zu bearbeitenden Fläche aufsetzen zu lassen, das Werkzeug jedoch relativ beweglich zu und demgegenüber geführt an den Abstandshaltern zu befestigen und das Werkzeug auf geeignete Art und Weise oszillierende auf das Werkstück zu und von diesen Weg zu bewegen, was er sehr schnell geschehen muss angesichts einer Gesamt-Bearbeitungszeit von wenigen Sekunden. Um die Abbildungsgenauigkeit der Oberflächenstruktur des Werkzeuges auf dem Werkstück zu verändern, kann entweder der Abstand zwischen Werkzeug und Werkstück verändert werden, also der minimale Abstand während der Vibration, oder die Stromstärke verändert werden.

Auf diese Art und Weise stehen zwei unabhängige beeinflussbare Größen für die Veränderung der Abbildungsgenauigkeit, und damit insbesondere auch der Tiefe der Vertiefungen mit gleichem Werkzeug zur Verfügung. Als wirtschaftlich hat es sich erwiesen, mittels dem elektro-chemischen Abtragen, vor allem bei einer Bearbeitung der gesamten Fläche, also nicht nur dem Einbringen einzelner Vertiefungen, einen Materialabtrag von max. 30 μιτι, besser nur 20 μιτι, besser nur 10 μιτι vorzusehen, insbesondere aber von mindestens 0,5 μιτι, besser von mindestens 2 μιτι. In diesem Größenbe- reich ist sichergestellt, dass bereits ein mikroskopischer Glättungseffekt eintritt, ohne dass die vorhandene Mikrostruktur bis auf die tiefsten Täler hinab abgetragen wird.

Für eine solche wirtschaftliche Bearbeitung wird das Werkzeug am besten in einem Abstand von 5 bis 400 μιτι, besser von 10 bis 100 μιτι zur zu bearbeitenden Gleitfläche gehalten.

Um Vertiefungen herzustellen kann das Werkzeug auf seiner Wirkfläche entweder entsprechende Erhebungen aufweisen, die die entsprechende Ne- gativstruktur der zu erzielenden Oberfläche des Werkstückes darstellen, oder das Werkzeug besitzt eine glatte Wirkfläche, und die Wirkfläche ist mit einer Maske aus elektrisch nicht leitendem Material bedeckt, die Durchbrüche aufweist, durch die hindurch ein Stromfluss stattfinden kann. In diesem Fall wird das benötigte flüssige Elektrolyt insbesondere zwischen dieser Maske und der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes entlang der Oberfläche zu- und abgeführt. Vorzugsweise kann im gleichen Arbeitsgang mit der Strukturierung der Gleitfläche auch im Inneren des Werkstückes ein Entgraten durch elektrochemisches Abtragen durchgeführt werden, insbesondere an den Kreuzungen von Bohrungen, und ebenso am Eingang der Bohrungen in das Werk- stück. Hierfür ist eventuell eine entsprechende Gestaltung des Werkzeuges notwendig, es bedarf jedoch keiner zusätzlichen Bearbeitungszeit.

Die Bearbeitungsparameter wie Bearbeitungszeit, Anzahl der Pulse, angelegte Stromstärke, Abstand zwischen Werkzeug und Werkstück im Zeitpunkt der größten Annäherung werden vorzugsweise so festgelegt, dass im Bereich zwischen den Vertiefungen die Oberfläche des Werkstückes danach eine Rauheit aufweist, die zum einen geringer ist als die Tiefe der herzustellenden Vertiefungen und/oder die Rauheit Rz zwischen 1 und 4 μιτι beträgt.

Der Traganteil im Bereich zwischen den Vertiefungen sollte an der Oberfläche des Werkstückes nach der Strukturierung zwischen 50 % und 85 % liegen, um trotz der eingebrachten Vertiefungen noch ein ausreichendes Tragvermögen der Gleitfläche zu gewährleisten.

c) Ausführungsbeispiele:

Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden anhand der Fi- guren beispielhaft wiedergegeben. Es zeigen:

Figur 1 : eine Kurbelwelle für einen 4-Zylinder-Verbrennungsmotor in der Seitenansicht, Figur 2a: die Kurbelwelle der Figur 1 in axialer Blickrichtung, geschnitten durch eines der Mittellager, eine Kurbelwelle für einen 6-Zylinder-Verbrennungsmotor betrachtet in axialer Richtung und geschnitten durch ein Mittellager, eine Aufsicht auf einen strukturierten Bereich einer Gleitfläche, die vergrößerte Darstellung einer Lagerstelle einer Kurbelwelle,

Schnitte durch Vertiefungen in der Gleitfläche, eine erste Vorgehensweise beim Herstellen der Strukturierung, eine zweite und dritte Vorgehensweise beim Herstellen der Strukturierung, eine Aufsicht auf die Wirkfläche des Werkzeuges und eine axiale Ansicht beim Herstellen der Strukturierung,

Figur 6: eine vergrößerte Ansicht des Werkzeuges im Einsatz an der

Gleitfläche.

Figur 1 zeigt als typisches Werkstück, an dem Gleitflächen 1 zur Reibungsverminderung mittels Vertiefungen strukturiert werden sollen, eine Kurbelwelle 2 für einen 4-Zylinder-Hubkolbenmotor in der Seitenansicht, bei der auf der späteren Drehachse 10 der Kurbelwelle insgesamt fünf Mittellager 1 b mit ihren etwa zylindrischen Mantelflächen als Gleitflächen 1 vorhanden sind. Zwischen diesen Mittellagerstellen 1 b ist, jeweils radial nach außen versetzt, je eine von insgesamt vier Hublagerstellen 1a vorhanden, die ebenfalls jeweils eine etwa zylindrische Lagerfläche als Gleitfläche 1 für je einen zuge- ordneten Pleuel aufweisen, und mit den Mittellagern 1 b über Wangen 5 verbunden sind.

Bereits aus dieser Darstellung wird offensichtlich, dass eine solche Kurbel- welle 2, die nur an ihren axialen Enden während der Bearbeitung in einer z. B. Drehmaschine gehalten ist, wegen ihrer Struktur und dadurch leicht möglichen Durchbiegung im mittleren Bereich ein relativ labiles Werkstück darstellt, vor allem wenn es um Bearbeitungsgenauigkeiten und Annäherungen eines Werkzeuges in der Größenordnung von wenigen μιτι geht.

Die Reibung in einem hydrodynamischen Gleitlager, in dem sich zwischen den beiden Gleitflächen der Gleitpaarung ein Gleitmittel, meist Öl, befindet, welches durch die Relativbewegung der Gleitflächen zueinander über die Gleitfläche verteilt wird und einen Gleitfilm im Lagerspalt bildet, kann Rei- bung reduziert werden, wenn in die Gleitfläche 1 verteilt Vertiefungen 27 eingebracht sind, wie in Figur 3a in der Aufsicht auf eine Gleitfläche 1 dargestellt.

Um solche im μ-Bereich liegenden Vertiefungen 27 mit einer definierten Form, Größe, Tiefe und Abstand zueinander reproduzierbar und wirtschaftlich in großer Zahl herstellen zu können, wird das Electro-Chemical- Manufacturing (ECM) eingesetzt:

Dabei wird eine Elektrode, die meist die Negativform der herzustellenden Gleitfläche 1 darstellt, also auf ihrer Wirkfläche Erhebungen 26 besitzt, wie in den Figuren 5a, b ersichtlich, in sehr engem Abstand von wenigen μιτι zur zu bearbeitenden Gleitfläche gebracht. Durch den vom Werkzeug 25 zum Werkstück 2 über eine elektrisch leitende Flüssigkeit 4, das Elektrolyt, im Arbeitsspalt 3 dazwischen fließenden elektrischen Strom werden Metallionen aus der Oberfläche des Werkstückes herausgelöst und die Kontur des Werkzeuges 25 bildet sich auf der Oberfläche des Werkstückes 2 ab. Bereits bei einer ebenen zu bearbeitenden Werkstück-Oberfläche ist das Annähern des Werkzeuges 25 auf 10 - 20 μηη in der Praxis schwierig reproduzierbar zu realisieren, und nur mit Spezialmaschinen überhaupt möglich. Bei gekrümmten, auch rotationssymmetrischen, zu bearbeitenden Oberflächen wie den Lagerflächen einer Kurbelwelle, die noch dazu nicht nur in Umfangs- richtung sondern auch in axialer Richtung 10 gekrümmt sein können, ist dies besonders schwierig, vor allem wenn die gesamte Lagerfläche strukturiert werden soll. Denn bisher existieren nur Verfahren, bei denen während der Bearbeitung zwischen Werkstück 2 und Werkzeug 25 keine Relativbewegung entlang der Wirkfläche24 des Werkzeuges 25 stattfinden darf, und da in Umfangsrich- tung die Wirkfläche 24 des Werkzeuges 25 theoretisch maximal 180°, in der Praxis sogar nur deutlich weniger, abdecken kann, muss für die Strukturie- rung des gesamten Umfangsbereiches entweder mit mehreren Werkzeugen gleichzeitig oder nacheinander segmentweise gearbeitet werden, was die Schwierigkeiten hinsichtlich der exakten geringen Annäherung vervielfacht.

Erfindungsgemäß wird daher nur jeweils ein Teilbereich einer Lagerstelle der Kurbelwelle strukturiert, und zwar in Umfangsrichtung der Lagerstellen wie in den Figuren 2a und b dargestellt:

Denn bei den dargestellten Kurbelwellen für einen Vierzylinder- (Fig. 2a) o- der einen Sechszylinder-Hubkolbenmotor (Fig. 2b) erfolgt im Betrieb die größte Belastung auf den Hublagerzapfen 1a zum Zeitpunkt der Zündung des Gasgemisches und in der kurzen Zeit danach, in der sich der Explosionsdruck im Zylinder aufbaut und den Kolben nach unten beschleunigt. Der - nicht dargestellte -Pleuel drückt dann auf den Umfangsbereich 11a1 des momentan oben befindlichen Hublagers 1a, dessen Mitte sich in Drehrich- tung 28 der Kurbelwelle 2 hinter dem radial am weitesten von der Drehachse 10 der Kurbelwelle entfernten Punkt 13 dieses Hublagerzapfens 1a befindet. Da sich die Lagerschale des Pleuels nicht punktuell, sondern über einen bestimmten Umfangsbereich auf dem Lagerzapfen abstützt, ist der am stärksten belastete Umfangsbereich 11a1 - abhängig davon, wie großzügig man ihn auslegt - ein Bereich, der eventuell sogar kurz vor dem radial äußersten Punkt 13 beginnt und sich über ein Winkelsegment entgegen der Drehrichtung 28 von z.B. 60° erstreckt.

Bei dem anderen Hublagerzapfen 1a ist dies der analoge Bereich, wenn dieser sich in der höchsten Position befindet.

Der vom Pleuel ausgeübte Druck überträgt sich in erster Linie auf den entsprechenden Hublagerzapfen, von dort aus jedoch über die Wangen 5 auch zumindest auf die beiden axial benachbarten Mittellagerzapfen 1 b und weniger stark auch auf die axial weiter entfernt liegenden Mittellagerzapfen 1 b, die durch den Druck des Pleuels auf der dem Umfangsbereich 11a1 gegenüber liegenden Seite mit dem Umfangsbereich 111 ' in ihre Lagerschale ge- presst werden.

Deshalb sind die den beiden Umfangsbereichen 11a1 und 11a2 jeweils dia- metral gegenüber liegenden Umfangsbereiche 11a1 ', 11a2' des Mittellagerzapfens 1 b ebenfalls stark belastete Bereiche.

Es werden die stark belasteten Umfangsbereiche ausschließlich strukturiert oder stärker strukturiert als der Rest des Umfangsbereiches, vorzugsweise jedoch ausschließlich diese Bereiche strukturiert, um eine Bearbeitung der restlichen Umfangsbereiche einsparen zu können.

Am Beispiel einer Sechszylinder-Kurbelwelle in Figur 2b ist eingezeichnet, dass die sämtlichen stark belasteten Bereichen 11a1 , 11a2, 11a3 aller Kur- belwellenzapfen gegenüber liegenden Umfangsbereiche 11a1 ', 11a2', 11a3' bei sämtlichen Mittellagerzapfen 1 b jeweils strukturiert werden, obwohl auch nur die den beiden axial benachbarten Hublagerzapfen gegenüber liegenden Umfangsbereiche strukturiert werden könnten. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass auch die Belastung auf weiter entfernt liegende Hublagerzapfen den jeweiligen Mittellagerzapfen im entsprechenden Umfangsbereich stärker belasten kann.

Figur 3b zeigt ferner, dass quer zur Bewegungsrichtung, der Umfangsrich- tung, also in axialer Richtung 10, nur der mittlere Breitenbereich der Lagerstelle 1 strukturiert wird. Dies ist in vielen Fällen ausreichend, vor allem dann, wenn die Lagerfläche 1 - wie in Figur 5d dargestellt - nicht zylindrisch sondern leicht ballig geformt ist, denn in Gleitpaarung mit einer zylindrischen Lagerschale ergibt sich dann im mittleren Bereich der axialen Erstreckung der geringste Lagerspalt im Betrieb und damit die größte Gefahr eines Fressens des Lagers.

Wie Figur 3a zeigt, ist in axialer Richtung entweder die gesamte Breite der Lagerstelle 1 oder nur der axial mittlere Bereich der Lagerstelle 1 erfindungsgemäß strukturiert, ggf. zusätzlich zu der auch in Umfangsrichtung eventuell ebenfalls nur bereichsweisen Strukturierung. Dabei wird die Gleitfläche im strukturierten Bereich mit einer Vielzahl sehr kleiner Vertiefungen 27 versehen, wie in der vergrößerten Aufsicht der Figur 3a dargestellt, da sich herausgestellt hat, dass bereits eine bereichsweise Strukturierung die Reibung erheblich senkt, der nicht strukturierte Bereich jedoch dazu beiträgt, die Traglast des Lagers nur geringfügig absinken zu lassen:

Diese Vertiefungen 27 sind in der Aufsicht betrachtet beispielsweise rund oder auch länglich, beispielsweise in Form einer kurzen Nut mit halbrunden Enden, gestaltet, wobei der Abstand 21 zwischen den Vertiefungen 27 etwa dem zehnfachen des bei runden Vertiefungen 27 Durchmessers d oder bei länglichen Vertiefungen 27 der kleinsten Erstreckung e entspricht.

Der Flächenanteil der Vertiefungen innerhalb des strukturierten Bereiches sollte dabei im Bereich von 1 % bis 30 % liegen. Vorzugsweise sind die Vertiefungen 27 dabei in einem gleichmäßigen Raster, zum Beispiel einem rautenförmig Raster angeordnet, dessen eine Diagonale in Umfangsrichtung 28 liegt.

Bei länglichen Vertiefungen 27 sollte die Haupterstreckungsrichtung 20 primär in Umfangs-Richtung 28 der Lagerstelle 1 , also der späteren Drehrichtung, liegen und hierzu einen Winkel von maximal 30° einnehmen. Ferner hat es sich gezeigt, dass zur Erreichung dieses Zieles auch die Form und Größe der Vertiefungen 27 von großer Bedeutung ist, wie in den Schnittdarstellungen der Figuren 4a, b dargestellt:

Denn die Vertiefungen sollten eine Tiefe von maximal einigen wenigen μιτι besitzen, teilweise sogar unter einem μιτι tief sein, da dies die Tragfähigkeit am wenigsten minimiert, aber dennoch einen ausreichenden Depot-Effekt und damit eine Verminderung der Reibung nach sich zieht.

Im Vergleich zur Tiefe t der Vertiefungen 27 können die Vertiefungen 27 eine kleinste Erstreckung e, beispielsweise bei runden Vertiefungen 27 einen Durchmesser d, von 50 oder gar 150 μιτι besitzen, so dass die Vertiefungen 27 sehr großflächig und flach in Relation zu ihrer Tiefe t sind, was in den Figuren 4a, b aus Übersichtlichkeitsgründen nicht realistisch dargestellt ist, denn dort soll die Form der Flanken 18 der Vertiefungen 27 dargestellt wer- den:

Im Vertikal-Schnitt können - wie in Figur 4 a dargestellt - die Vertiefungen symmetrisch insbesondere rotationssymmetrisch, gestaltet sein, also die Flanken 18 den gleichen Schrägwinkel 9 zur Oberfläche der Lagerstelle 1 besitzen, der weniger als 60° betragen sollte.

Zusätzlich und/oder stattdessen sollte die Flanke 18 in die Oberfläche der Lagerstelle 1 mit einer Rundung 20 von mindestens einem Radius von zwei μηη übergehen. Beide Maßnahmen tragen dazu bei, dass das im Betrieb der Kurbelwelle in der Vertiefungen 27 aufgenommene Schmiermittel mittels der Anhaftung an der Kontaktfläche des Lagerbockes gut in Umfangsrichtung 28 abtransportiert werden kann und damit in den Lagerspalt abseits der Vertie- fungen 27 hinein transportiert werden kann.

Dafür ist es auch nicht unschädlich, die in der späteren Drehrichtung 35 der Kurbelwelle 2 liegende Flanke 18 steiler auszubilden, da die Mitnahme des Schmiermittels nur in der Gegenrichtung erfolgt. Dadurch wird ohne negati- ven Einfluss das Volumen der einzelnen Vertiefungen 27 erhöht und damit die Depot-Wirkung verbessert.

Aufgrund der genannten geringen Tiefe t der Vertiefungen 27 - die im Übrigen auch ohne gezielt herbeigeführte Verbindungen untereinander ihre volle Wirkung entfalten - ist es einleuchtend, dass in den Flächenbereichen zwischen den Vertiefungen 27 die Rauheit der Oberfläche der Lagerstelle 1 in einem Bereich liegen muss, der geringer ist als die Tiefe t der Vertiefungen 27. Abgesehen davon, dass diese Bereiche zwischen den Vertiefungen auch einen ausreichenden Tragteil von beispielsweise 60 % bis 70 % besitzen sollen, ist es deshalb sinnvoll - abhängig vom letzten Bearbeitungs-Schritt vor der PECM-Bearbeitung - auch die Bereiche zwischen den Vertiefungen 27 elektro-chemisch zu glätten, also insbesondere die Spitzen der mikroskopi- sehen Oberflächenstruktur in diesen Bereichen abzutragen.

Figur 6 zeigt, wie dies auch in einem Arbeitsgang zusammen mit dem Einbringen der Vertiefungen 27 möglich sein kann: Wie anhand der Figur 2 dargelegt, findet ein Materialabtrag über die gesamte Wirkfläche 24 der Elektrode 25 statt, die Größe des Materialabtrages hängt jedoch auch von dem Abstand 3 zwischen der Wirkfläche 24 und dem Werkstück 2 ab: Deshalb ist es möglich, die Erhebungen 26 auf der Elektrode 25 mit einer wesentlich größeren Höhe h auszuführen als die gewünschte Tiefe t der damit herzustellenden Vertiefungen 27, was dazu führt, dass der Abstand 3 zwischen der Elektrode 25 und dem Werkstück 2 zwischen den Erhebungen 26 wesentlich größer bleibt und der dort auftretenden Materialabtrag entsprechend geringer.

Durch die Bestimmung der Höhe h im Vergleich zur gewünschten Tiefe t, mithin die Steuerung des minimalen erreichbaren Abstandes 3 im Bereich zwischen den Erhebungen 26 zum Werkstück 2 hin während der Bearbeitung, kann der Materialabtrag und damit der Glattungseffekt während des Einbringens der Vertiefungen 27 in den Bereichen dazwischen gesteuert werden, natürlich abhängig von weiteren Parametern wie Stromfluss, Materi- al des Werkstückes 2 usw.

Wie in Figur 6 in einem vergrößerten Teilbereich dargestellt, werden dadurch im Bereich zwischen den Vertiefungen 27 die Spitzen der dort vorhandenen mikroskopischen Oberflächenstruktur teilweise abgetragen, so dass die ver- bleibenden Täler dazwischen weniger tief sind und der Traganteil zwischen den Vertiefungen 27 ansteigt.

Die Figuren 5a bis d zeigen mögliche Vorgehensweisen beim Einbringen der Vertiefungen in die Oberfläche der Lagerstelle 1 :

Dabei liegt die Schwierigkeit darin, dass bei einem Arbeitsspalt 3 zwischen dem Werkzeug 25, der Elektrode, und der zu bearbeitenden Gleitfläche 1 auch zum Beispiel die Krümmung der Wirkfläche 24 des Werkzeuges 25 in Umfangsrichtung 28 sehr genau mit der Krümmung der Gleitfläche 1 über- einstimmen muss, um an allen Stellen einen im Bereich von 10 bis 20 μιτι gleich großen Arbeitsspalt zu gewährleisten. Angesichts der im μ-Bereich immer vorhandenen Bearbeitungsungenauigkeiten der Mantelfläche der La- gerstelle 1 ist dies eine große Herausforderung selbst bei während der Bearbeitung gegenüber der Lagerstelle 1 stillstehendem Werkzeug 25:

Wie Figur 5a zeigt, kann das Werkzeug 25, dessen Wirkfläche 24 sich in Umfangsrichtung 28 über einen Umfangswinkel 6 von beispielsweise 100° erstreckt, vor und hinter diesem Umfangsbereich über Abstandshalter 16 verfügen, die in axialer Richtung 10, der Z-Richtung, verlaufen und die kontaktierend auf der Umfangsfläche der Lagerstelle 1 aufgesetzt werden, um dadurch einen definierten Arbeitsspalt 3 zu erzeugen.

Zu diesem Zweck wird vorzugsweise die Lagerstelle 1 auf der gegenüber liegenden Seite stabil mittels einer Abstützung 23, beispielsweise einer Lü- nette 23, radial abgestützt. Hierfür ist es jedoch erforderlich, dass entweder das Werkzeug 25 oder die gesamte Werkzeugeinheit 14, in der sich das Werkzeug 25 befindet, entweder in Y-Richtung über einen begrenzten Weg von zum Beispiel 50 μιτι schwimmend gelagert ist, denn eine aktive Einstellung in Y-Richtung um derart geringe Beträge und in Anpassung an die individuell immer leicht anders geformte Lagerstelle 1 ist kaum möglich.

Die andere Möglichkeit besteht darin, dass das Werkzeug 25 oder die Werkzeugeinheit 14 um eine zur C-Achse parallele Achse begrenzt verschwenkbar ist, damit beide Abstandshalter 16 sich an die Lagerstelle 1 anlegen kön- nen. In gleicher Weise ist zusätzlich oder stattdessen auch eine Ver- schwenkbarkeit um die B-Achse sinnvoll, um die Anlage der Wirkfläche mit den beiden axialen Enden an der Lagerstelle über Abstandshalter 16 zu gewährleisten. Die Abstandshalter 16 sind bevorzugt als Abstandsleisten ausgeführt. Diese können sich wie in Figur 5a ersichtlich, in axialer Richtung erstrecken oder wie in Figur 5d ersichtlich in Umfangsrichtung erstrecken, oder es können einzelne, mehr punktuelle, Abstandshalter jeweils an den Ecken der rechteckigen Wirkfläche 24 des Werkzeuges 25 vorhanden sein.

Bevorzugt soll sich die Wirkfläche 24 während der Bearbeitung jedoch nicht in einem immer gleichen Abstand, dem Arbeitsspalt, zur zu bearbeitenden Oberfläche der Lagerstelle 1 befinden, sondern dieser Abstand soll sich intermittierend, also pulsierend, während der Bearbeitung ändern, damit im Zustand einer etwas größeren Beabstandung die aus der Oberfläche des Werkstückes 2 heraus gelösten Metallionen mittels des in den Arbeitsspalt 3 vom Werkzeug 25 aus eingepressten Elektrolyts 4 leichter ausgeschwemmt werden können.

Eine solche pulsierende Bewegung des Werkzeuges 25 und damit Veränderung des Arbeitsspaltes 3, dessen Veränderung ebenfalls nur einige μιτι be- tragen soll, ist in der Praxis erst recht schwierig darzustellen:

An dem Werkzeug 25 fest angeordnete Abstandshalter 16 würden in diesem Fall bei jeder erneuten Annäherung wieder auf dem Werkstück 2 aufschlagen, was entweder zu einem starken Verschleiß der Abstandshalter 16 führt, die ja noch dazu aus elektrisch nicht leitendem Material, beispielsweise Kunststoff oder Keramik bestehen müssen, und/oder unerwünschte Abdrücke auf der Lagerstelle 1 hinterlassen.

Eine Möglichkeit - wie in Figur 5a in der linken Bildhälfte dargestellt - be- steht deshalb darin, dass die Abstandshalter 16 in radialer Richtung beweglich am Werkzeug 25 angeordnet sind. Dadurch ist es möglich, dass die Abstandshalter 16 dauerhaft an der zu bearbeitenden Gleitfläche 1 angelegt bleiben, und sich das Werkzeug 25 pulsierend relativ zu den Abstandshaltern 16 hin- und her bewegt in Richtung auf die Gleitfläche 1 zu und wieder von dieser weg.

In der rechten Bildhälfte der Figur 5a ist als zweite Lösung dargestellt, dass ein in seiner Dicke veränderbares Element, beispielsweise ein Piezo-Element 15, entweder im Abstandshalter 16 oder im Werkzeug 25 oder dazwischen angeordnet ist, und über die Ansteuerung des dicken-veränderlichen Elements eine Relativbewegung zwischen den durchgängig fest an der Gleitfläche 1 anliegenden Abstandshaltern 16 und dem Werkzeug 25 erreicht wird.

Sowohl bei diesen Lösungen als auch bei Lösungen, die ganz ohne Abstandshalter 26 auskommen, könnte der in der Zufuhrleitung für das Elektrolyt 4 entstehende Rückstaudruck mittels eines Drucksensors 17 in der Zu- fuhrleitung zwischen Pumpe und Austrittsöffnung in der Wirkfläche 24 für das Elektrolyt 4 ermittelt und als Parameter für die Steuerung des Abstandes zwischen Werkzeug 25 und zu bearbeitender Gleitfläche 1 benutzt werden, denn die durch den schmaler werdenden Arbeitsspalt schlechtere Abflussmöglichkeit des Elektrolyts wird zu einem sofort höheren Druck in der Zufuhr- leitung führen.

Figur 5d zeigt, dass in axialer Richtung 10 eine gerade Wirkfläche 24 mit den Erhebungen 26 am Werkzeug 25 gewählt werden kann, trotz der um wenige μ balligen Kontur der Lagerstelle 1 in dieser Richtung. Dabei kann in das Werkzeug 25 an den axialen Enden über Abstandshalter 16 auf der Gleitfläche 1 aufliegen. Durch den im mittleren Bereich in axialer Richtung geringeren Arbeitsspalt 3 werden die dort entstehenden Vertiefungen in der Oberfläche des Werkstückes tiefer sein als in den axialen Endbereichen, was jedoch der Belastung und dem im mittleren Bereich auch geringsten Lager- spalt im späteren Betrieb entspricht. Zusätzlich wird auf diese Art vermieden, eine ebenfalls in dieser Richtung ballige Wirkfläche 24 am Werkzeug 25 herstellen zu müssen.

Figur 5b zeigt in der unteren Bildhälfte, dass bei großen zu strukturierenden Umfangsbereichen auch mit einer ebenen Wirkfläche 24 gearbeitet werden kann, die durch in Umfangsrichtung verlaufende, seitliche Anschlagleisten 16 auf der rotationssymmetrischen Lagerstelle 1 abrollen kann über ein gewünschtes Umfangssegment. In der oberen Bildhälfte ist dargestellt, dass das Werkstück 25 auch eine in axialer Richtung betrachtet konkav gekrümmte Wirkfläche 24 besitzen kann, deren Krümmungsradius 7 jedoch etwas größer ist als die konvexe Krüm- mung der Lagerstelle 1.

Egal ob während der Bearbeitung das Werkzeug zum Werkstück stillsteht oder diese aufeinander abrollen, kann auf diese Art und Weise der während der Bearbeitung vorhandene Arbeitsspalt 3 entweder in Umfangsrichtung 28 im mittleren Bereich, also im Bereich der höchsten Belastung, am geringsten eingestellt werden und dort die hergestellten Vertiefungen 27 die größte Tiefe besitzen oder in Umfangsrichtung 28 überall gleich tiefe Vertiefungen 27 erzeugt werden. Die zu strukturierende Fläche und ebenso die Wirkfläche 24 des Werkzeuges 25 ist in aller Regel nicht quadratisch, sondern in einer Erstreckungsrichtung größer als in der anderen. In dem in Figur 5a und c dargestellten Beispiel - wobei Figur 5c eine Aufsicht auf die Wirkfläche 24 zeigt - ist die größere Erstreckungsrichtung die Umfangsrichtung 28.

Um dennoch ein gleichmäßiges Abfließen des Elektrolyts 4 in alle Richtungen gleich schnell von der Einspeiseöffnung für den Elektrolyt 4 aus zu gewährleisten, wird vorzugsweise in die Wirkfläche 24 eine in Richtung der größten Erstreckungsrichtung der Wirkfläche 24 verlaufende Spülnut 22 ein- gearbeitet, die in den schmalen Stirnflächen der Wirkfläche 24 frei enden kann, aber auch vorher enden kann. Dadurch kann das Elektrolyt 4 in der Richtung der größten Erstreckung sich mit geringem Strömungswiderstand verteilen und von dort aus in Richtung der geringeren Erstreckung, in diesem Fall der axialen Erstreckung der Wirkfläche 24, durch den Arbeitsspalt 3 ab- strömen. BEZUGSZEICHENLISTE

1 Lagerstelle, Gleitfläche

1a Hublagerfläche, Hublager

1 b Mittellagerfläche, Mittellager

2 Kurbelwelle, Werkstück

3 Abstand, Arbeitsspalt

4 Fluid, Elektrolyt

5 Wange

6 Umfangswinkel

7 Krümmungsradius

8 Rundung

9 Schrägwinkel

10 axiale Richtung, Drehachse

11 Teilbereich

11a Umfangsbereich

11 b Breitenbereich

12 Gesamtbreite

13 radial äußerster Punkt

14 Werkzeugeinheit

15 Piezoelement

16 Abstandshalter

17 Drucksensor

18 Flanke

20 Haupterstreckungs-Richtung

21 Abstand

22 Nut

23 Abstützung, Lünette

24 Wirkfläche

25 Werkzeug, Elektrode

26 Erhebung

27 Vertiefung 28 Bewegungsrichtung, Drehnchtung

29 Querrichtung

B B-Achse

d Durchmesser

e kleinste Erstreckung

E größte Erstreckung

t Tiefe

h Höhe

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Gleitfläche (1), insbesondere Gleitlager-Fläche, insbesondere rotati- onssymmetrische Gleitlager-Fläche, zum gleitenden Bewegen entlang einer

Gegenfläche, deren Oberfläche durch Vertiefungen strukturiert ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die Gleitfläche in Bewegungsrichtung (28) in denjenigen Teilbereichen (11), in denen die Hauptbelastung auftritt,

und/oder

- in Querrichtung (29) zu dieser Bewegungsrichtung (28) in den Teilbereichen (11), in denen der Lagerspalt im Betrieb am geringsten ist, anders strukturiert, insbesondere nur in diesen Teilbereichen (11) strukturiert, ist als in den übrigen Bereichen.

2. Gleitfläche nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

quer zur Bewegungsrichtung der mittlere Breitenbereich (11b), insbesondere von 50% der gesamten Breite, stärker strukturiert ist als die Randbereiche, oder nur der mittlere Bereich strukturiert ist.

3. Gleitfläche nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

bei Umfangs-Gleitflächen, insbesondere bei rotationssymmetrischen Gleitlager-Flächen, in Bewegungsrichtung (28), der Umfangsrichtung, nur ein Bereich von weniger als 90°, insbesondere weniger als 70°, insbesondere weniger als 60°, insbesondere weniger als 45° abweichend vom Rest oder überhaupt nur strukturiert ist, und/oder

bei den rotationssymmetrischen Gleitlager-Flächen einer Kurbelwelle (2) für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor

an der Gleitlager-Fläche des Hublagers (1a) der Umfangsbereich (11a1, 11a2) von 30° in Drehrichtung bis 60° gegen die Drehrichtung (28) des Hublagers, insbesondere von 20° in Drehrichtung bis 55° gegen die Drehhchtung des Hublagers vom radial äußersten Punkt (13) des Hublager-Zapfens aus stärker oder überhaupt nur strukturiert ist.

4. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

bei den rotationssymmetrischen Gleitlagern einer Kurbelwelle für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor an der Gleitlager-Fläche der Mittellager (1b)

entweder diejenigen ein oder zwei Umfangsbereiche (11a1\ 11a2'), die den stärker oder überhaupt strukturierten Umfangsbereichen (11a1,

11a2) des einen endseitigen oder der beiden benachbarten Hublagerzapfen (1a) gegenüber liegen und davon weg weisen

oder die allen stärker oder überhaupt strukturierten Umfangsbereichen (11a1, 11a2) aller Hublager-Zapfen gegenüber liegenden Umfangsbe- reiche (11a1\ 11a2') stärker oder überhaupt strukturiert sind.

5. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

nur eine der Gleitflächen einer Gleitpaarung strukturiert ist.

6. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Vertiefungen (27) eine Tiefe (f) von maximal 10 μιτι, insbesondere maximal 5 μιτι, insbesondere maximal 1 μιτι besitzen, und/oder

- im Bereich zwischen den Vertiefungen die Oberfläche eine Rauheit von Rz aufweist, die geringer ist als die Tiefe der Vertiefungen, insbesondere von unter 5 μιτι, insbesondere zwischen 1 und 4 μιτι und/oder einen Traganteil von mindestens 50 %, jedoch höchstens 85 %.

7. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der mit Vertiefungen (27) besetzte Flächenanteil - bei bereichsweiser Strukturierung nur gerechnet auf den stärker oder überhaupt strukturier- ten Bereich - 1 % bis 30 %, insbesondere 10 % bis 20 %, beträgt, und/oder

das Verhältnis der Tiefe (t) zur größten oberflächlichen Erstreckung (E) der Vertiefungen zwischen 0,005 und 0,02, insbesondere zwischen 0,008 und 0,012, beträgt.

8. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

- in der Aufsicht betrachtet eine kleinste Erstreckung (e) von maximal 150 μιτι, besser maximal 100 μιτι, besser maximal 50 μιτι, und/oder

- in der Aufsicht betrachtet die größte Erstreckung (E) der Vertiefung (27) maximal um den Faktor 10, besser nur um den Faktor 5, besser nur um den Faktor 3 so groß ist wie die kleinste Erstreckung (e).

9. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Vertiefungen (27) am Übergang zwischen den Flanken (18) zur Oberfläche der Lagerstelle (1) eine Rundung (20) mit einem Radius von mindestens 2 μιτι und/oder einem Schrägwinkel (9) von weniger als 60° zur Oberfläche aufweisen, und/oder

bei einem in relativer Bewegungsrichtung der Gleitfläche, insbesondere der Umfangsrichtung (28), der Vertiefungen (27) liegenden Schnitt die entgegen der Bewegungsrichtung gerichtete Flanke (18) der Vertiefung (27) weniger steil verläuft als die gegenüberliegende Flanke (18), insbesondere mit einem Winkel von maximal 45°, besser von maximal 30°, besser von maximal 25°, besser von maximal 20° zur Oberfläche zwischen den Vertiefungen (27).

10. Maschine (30) zum Bearbeiten rotationssymmetrischer Lagerstellen (1), insbesondere an einer Kurbelwelle (2), mittels elektrochemischem Abtragen,

dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (30) eine Werkzeugmaschine mit Werkstückspindel-Anordnung wie bei einer Drehmaschine ist, eine gesteuerte C-Achse besitzt und das Werkzeug (25) in einer Werkzeugeinheit (14) angeordnet ist, die in X- und Z- Richtung aktiv verfahrbar ist und in Y-Richtung begrenzt beweglich, insbe- sondere schwimmend gelagert, ist, insbesondere um maximal 100 μιτι, oder um die C-Achse schwimmend drehbar ist.

11. Maschine nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Werkzeugeinheit (34) um die B-Achse schwimmend drehbar ist, insbesondere begrenzt schwimmend drehbar ist.

12. Werkzeug (25), mit einer Wirkfläche (24), die Erhebungen (26) aufweist, zum Bearbeiten von konvex gekrümmten Gleitflächen, insbesondere rotationssymmetrischen Lagerstellen, insbesondere an einer Kurbelwelle (2), mittels elektro-chemischem Abtragen (ECM),

dadurch gekennzeichnet, dass

sich die Wirkfläche (24) des Werkzeuges (25) nur über einen Bereich von weniger als 90°, insbesondere von weniger als 70°, insbesondere von weni- ger als 60°, insbesondere von weniger als 45° erstreckt.

13. Werkzeug nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, dass

in Umfangsrichtung die Wirkfläche (24) des Werkzeuges (25) entweder eben und tangential zu der konvex gekrümmten Oberfläche des Werkstückes (2) oder konkav gekrümmt, jedoch mit einem insbesondere um den Faktor 1,1 - 2,0 größeren Krümmungsradius (7) als die konvex gekrümmte Gleitfläche ist, und/oder

die Erhebungen (26) auf der Wirkfläche (24) des Werkzeuges (25) eine mindestens um den Faktor zwei, besser um den Faktor drei, größere

Höhe (h) besitzen als die Tiefe (t) der damit herzustellenden Vertiefungen (27).

14. Verfahren zum Bearbeiten von Gleitflächen mittels elektro-chemischem Abtragen (ECM),

dadurch gekennzeichnet, dass

während der Bearbeitung der Abstand zwischen Werkzeug (25) und Werk- stück (2) abwechselnd mittels Vibration größer und kleiner wird, insbesondere mittels Vibration des Werkzeuges (25), und/oder die Strombeaufschlagung des Werkzeuges (25) pulsiert (PECM), insbesondere synchron zur Vibration.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

das Werkzeug (25) während dem Abtragen mittels Abstandshaltern (16) in einem definierten Abstand zur Gleitfläche gehalten wird und die Abstandshalter, insbesondere Abstandsleisten, an den gegenüber liegenden Enden des Werkzeuges in dessen größter Erstreckungsrichtung angeordnet sind

und insbesondere in Bewegungsrichtung der Gleitfläche verlaufend in dem Werkzeug eine Spülnut für die stromleitende Flüssigkeit eingearbeitet ist, die insbesondere mindestens 1/10 mm tief ist, und/oder bei pulsierender Strombeaufschlagung die Anzahlung der Pulse und/oder die Dauer der Pulse als Führungsgröße für die Steuerung des

Verfahrens, insbesondere für den Abbruch der Bearbeitung, verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

bei durchgehender Strombeaufschlagung die Temperatur der elektrisch leitenden Flüssigkeit und/oder die Stromstärke als Führungsgröße für die Steuerung des Verfahrens, insbesondere für den Abbruch der Bearbeitung, verwendet wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

bei einer oszillierenden Veränderung des Abstandes zwischen Werkzeug und Gleitfläche während der Bearbeitung

- entweder die Druckveränderung in der elektrisch leitenden Flüssigkeit für die Steuerung des Abstandes verwendet wird

oder die Abstandshalter, insbesondere Abstandsleisten, des Werkzeuges in ihrer Dicke veränderbar sind, insbesondere in Form eines Piezo- elementes,

- das Werkzeug beweglich am auf der Gleitfläche aufsitzenden Abstandshalter in Richtung auf die Gleitfläche zu und von der Gleitfläche weg angeordnet und antreibbar ist.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

zum Verändern der Abbildungs-Schärfe der Oberflächenstruktur des Werkzeuges (25) auf dem Werkstück (2)

- entweder der Abstand (3) zwischen Werkzeug (25) und Werkstück (2) verändert wird, insbesondere bei einem vibrierenden Abstand (3) der ge- ringste Abstand während der Vibration verändert wird

- oder die Stromstärke verändert wird.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- mittels dem Elektro-chemischen Abtragen, insbesondere bei der flächigen Bearbeitung, ein Materialabtrag von maximal 30 μιτι, besser nur 20 μιτι, besser nur 10 μιτι, insbesondere aber von mindestens 0,5 μιτι, besser von mindestens 2 μιτι, erfolgt, und/oder

beim Bearbeiten das Werkzeug (25) in einem Abstand (3) zur Gleitflä- che von 5 μιτι bis 400 μιτι, besser in einem Abstand (3) von 10 μιτι bis

100 μιτι, gehalten wird.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

zum Herstellen von Vertiefungen (27) in der Gleitfläche

- entweder ein Werkzeug (25) mit Erhebungen (26) verwendet wird, und das für die Stromführung benötigte Fluid (4) insbesondere über das Zentrum der Wirkfläche (24) des Werkzeuges (25) während der Bearbeitung in den Spalt (23) zwischen Werkzeug (25) und Werkstück (2) zugeführt wird

- oder ein Werkzeug (25) mit glatter Wirkfläche (24) verwendet wird und eine Maske (22) aus nicht elektrisch leitendem Material mit Durchbrüchen zwischen Werkstück (2) und Werkzeug (25) gehalten wird, und das benötigte Fluid (4) insbesondere zwischen der Maske (22) und der Gleitfläche entlang der Oberfläche zu- und abgeführt wird.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

gleichzeitig mit der Bearbeitung der Gleitfläche auch im Inneren des Werkstückes (2) ein Entgraten durch elektro-chemisches Abtragen durchgeführt wird, insbesondere an den Kreuzungen von Bohrungen.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

die Strukturierung mittels ECM oder PECM eingebracht ist.