EP2978982A2

EP2978982A2 - Gleitfläche

Info

Publication number: EP2978982A2
Application number: EP14711511.7A
Authority: EP
Inventors: Leo Schreiber; Jürgen REINGEN; Matthias Weber; Wolfgang Hafner; Emanuel GROß; Andreas Grützmacher
Original assignee: MAG IAS GmbH Eislingen
Current assignee: MAG IAS GmbH Eislingen
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2016-02-03
Also published as: WO2014154561A2; DE102013109043A1; JP2016514806A; US20160146251A1; WO2014154561A3; MX2015011106A; KR20150132153A; RU2015141355A; BR112015024704A2; CN105051386A

Abstract

Bei der bekannten Strukturierung von Gleitlager-Flächen (1) durch einzubringende, mikroskopisch kleine Vertiefungen (27), insbesondere hergestellt mittels elektro-chemischem Abtragen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, innerhalb der strukturierten Fläche den Flächenanteil der Vertiefungen auf 15 % bis 40 % der gesamten strukturierten Fläche zu begrenzen, da dies den Bearbeitungsaufwand senkt, aber ein größerer Flächenanteil der Vertiefungen (27) kaum eine zunehmende Verminderung der Reibung im Gleitlager bewirkt.

Description

Gleitfläche

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 sehr kleine Vertiefungen mit einer Tiefe von deutlich unter 100 μιτι aufweisen, die als Reservoir für Schmiermit- tel 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 un- ter 100 %, teilweise sogar unter 60 %.

Die entsprechende Strukturierung der Gleitflächen wird durch spezielle Bearbeitungsschritte wie Schleifen, Finishen oder Honen erreicht, bei denen jedoch die konkrete Form und Verteilung 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 hinaus 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 Nachbearbei- tung 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 Abküh- lung 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 Funken-Erosion möglich ist.

Für die Stromleitung und den Abtransport der gelösten Stoffe wird während des gesamten Prozesses eine stromleitende Flüssigkeit durch den Spalt zwi- sehen 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 insbesondere deren Lagerstellen.

Hinsichtlich der Größe und Verteilung der Vertiefungen auf der strukturierten Fläche ist es aus der WO 2011 044 979 als auch der DE 10 2006 060 920 bekannt, bei Zylinderlaufflächen in Verbrennungsmotoren die Größe und den Flächenanteil der darauf hergestellten Vertiefungen entlang des Zylinderlaufweges zu variieren, insbesondere an den Totpunkten mehr und größere Vertiefungen vorzusehen als im mittleren Bereich des Kolbenweges.

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 des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In der Praxis hat sich gezeigt, dass es ein optimales Verhältnis zwischen Aufwand und Nutzen ergibt, wenn im strukturierten Bereich zwischen 15 und 40 %, besser zwischen 15 und 30 %, besser zwischen 20 und 30 % der Fläche mit Vertiefungen besetzt sind. Ein höherer Anteil an Vertiefungen bringt keine weitere Verbesserung der Gleiteigenschaften, vergrößert den Herstellungsaufwand aber erheblich und zieht weitere Nachteile nach sich.

Selbst wenn bei einer ungleichmäßig belasteten Gleitfläche ohnehin nur die stärker belasteten Bereiche strukturiert werden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, innerhalb des strukturierten Bereiches den mit Vertiefungen besetzten Flächen-Anteil in dem am stärksten belasteten Bereich größer zu wählen als in dem geringer belasteten Bereich. Ebenso hat es sich als vorteilhaft erwiesen, innerhalb des strukturierten Bereiches in dem Bereich mit der stärksten Belastung die Vertiefungen kleiner zu wählen und/oder den kleinsten Abstand zwischen zwei benachbarten Vertiefungen geringer zu wählen als in Bereichen mit geringeren Belastungen innerhalb des strukturierten Bereiches.

Dabei hat es sich auch als sinnvoll erwiesen, dass die in der Aufsicht betrachtete größte Erstreckung einer einzelnen Vertiefung mindestens 20 μιτι, besser mindestens 50 μιτι, besser mindestens 70 μιτι beträgt. Allerdings gibt es dabei eine sinnvolle Obergrenze dieser größten Erstreckung von höchstens 170 μιτι, besser höchstens 150 μιτι, besser höchstens 120 μιτι, über die hinaus die Gleiteigenschaften nicht mehr positiv verändert werden.

Ebenso gibt es einen gut wirksamen Bereich der Tiefe dieser Vertiefungen, welche dann besonders gut wirken, wenn sie mindestens 2 μιτι, besser mindestens 10 μιτι, besser mindestens 15 μιτι beträgt, aber nicht über 50 μιτι, besser nicht über 35 μιτι, besser nicht über 20 μιτι hinaus geht.

Ferner hat sich auch eine sinnvolle Obergrenze für die kleinste in der Auf- sieht betrachtete Erstreckung einer Vertiefung heraus gestellt, nämlich von maximal 150 μιτι, besser 100 μιτι, besser maximal 50 μιτι.

Des Weiteren hat sich gezeigt, dass die größte Erstreckung der Vertiefung maximal um den Faktor 10, besser maximal nur um den Faktor 5, besser maximal nur um den Faktor 3 so groß sein soll wie die kleinste Erstreckung der Vertiefung.

Des Weiteren hat sich eine günstige Relation zwischen der Tiefe der Vertiefungen und der größten Erstreckung der Vertiefung in der Aufsicht heraus gestellt: Die Tiefe der Vertiefungen sollte mindestens 1 %, besser mindestens 5 %, besser mindestens 20 %, besser mindestens 40 %, besser mindestens 50 % dieser größten Erstreckung betragen. Darüber hinaus hat es sich als günstig erwiesen, wenn der kleinste Abstand zwischen zwei benachbarten Vertiefungen mindestens das zweifache, besser mindestens das dreifache, besser mindestens das fünffache der in der Aufsicht betrachteten größten Erstreckung der beteiligten beiden Vertiefungen beträgt und höchstens das siebenfache, besser höchstens das zehnfa- che, der in der Aufsicht betrachteten größten Erstreckung der beteiligten beiden Vertiefungen.

Ferner hat sich die Schrägstellung der entgegen der Bewegungsrichtung der Gleitfläche gerichteten Flanke der Vertiefung, der so genannten Auslaufflan- ke, über welche das Schmiermittel im Betrieb der Gleitpaarung aus der Vertiefung herausgezogen wird, als wichtig heraus gestellt:

Deren Winkel zur Oberfläche sollte nicht größer als maximal 80°, besser maximal 45°, besser als maximal 30°, besser als maximal 25° betragen, gleich- zeitig sollte dieser Winkel aber mindestens 45°, besser mindestens 60°, betragen

Weiterhin hat sich gezeigt, dass bei einem vor allem rotationssymmetrischen Gleitlager, bei dem es in Umfangsrichtung Bereiche mit der stärksten Belas- tung des Gleitlagers gibt und Bereiche mit der geringsten Belastung, in diesen Bereichen die Gleitlagerfläche unterschiedlich strukturiert sein sollte, auch wenn die Gleitfläche ohnehin nur teilweise, nämlich im stärker belasteten Bereich, strukturiert ist: So sollten die Vertiefungen im Bereich der stärksten Belastung mindestens um den Faktor 2, besser um den Faktor 3, besser mindestens um den Faktor 5, tiefer sein als im Bereich der geringsten Belastung. Ebenso hat es sich als sinnvoll erwiesen, im Bereich der stärksten Belastung die Auslaufflanke der Vertiefung, über welche das Schmiermittel im Betrieb aus der Vertiefung herausgezogen wird, im Bereich der stärksten Belastung steiler auszuführen als im Bereich der geringsten Belastung, und zwar um mindestens 10 %, besser mindestens 15 %, besser mindestens 20 % steiler.

Ferner muss bei der Gestaltung der Vertiefungen und insbesondere der Festlegung deren Tiefe die radiale Erstreckung des mechanischen Lagerspaltes, also durch den konstruktiv vorgegebenen Abstand der Gleitflächen, berück- sichtigt werden:

Denn es hat sich in der Praxis herausgestellt, dass die Tiefe der Vertiefungen höchstens das 0,5-fache, besser höchstens das 0,33-fache, besser höchstens nur das 0,1-fache des Lagerspaltes betragen sollte.

Auch die größte Erstreckung der in der Aufsicht betrachteten Vertiefungen sollte maximal dem 14-fachen, besser maximal dem 8-fachen, besser maximal dem 4-fachen der radialen Erstreckung des mechanischen Lagerspaltes betragen.

c) Ausführungsbeispiele

Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft nä- her beschrieben. 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, Figur 2b: eine Kurbelwelle für einen 6-Zylinder-Verbrennungsmotor betrachtet in axialer Richtung und geschnitten durch ein Mittellager, Figur 3a: eine Aufsicht auf einen strukturierten Bereich einer Gleitfläche, die vergrößerte Darstellung einer Lagerstelle einer Kurbelwelle,

Figur 3c: eine andere vergrößerte Darstellung einer Lagerstelle einer

Kurbelwelle,

Figur 4a, b: Schnitte durch Vertiefungen in 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 1b mit ihren etwa zylindrischen Mantelflächen als Gleitflächen 1 vorhanden sind. Zwischen diesen Mittellagerstellen 1b 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 zugeordneten Pleuel aufweisen, und mit den Mittellagern 1b über Wangen 5 verbunden sind.

Bereits aus dieser Darstellung wird offensichtlich, dass eine solche Kurbelwelle 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 Reibung reduziert werden, wenn in die Gleitfläche 1 verteilt Vertiefungen 27 eingebracht sind, wie in Figur 3a in der Aufsicht auf eine Gleitfläche 1 und in Fig. 4a im Schnitt 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:

Erfindungsgemäß wird nur jeweils ein Teilbereich 11 einer Lagerstelle 1a, 1b der Kurbelwelle 2 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 Drehrichtung 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 Hai - 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 die- ser 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 1b und weni- ger stark auch auf die axial weiter entfernt liegenden Mittellagerzapfen 1 b, die durch den Druck des Pleuels auf der dem Umfangsbereich Hai gegenüber liegenden Seite mit dem Umfangsbereich Hai' in ihre Lagerschale ge- presst werden. Deshalb sind die den beiden Umfangsbereichen 11a1 und 11a2 jeweils diametral gegenüber liegenden Umfangsbereiche Hai', Ha2' des Mittellagerzapfens 1b ebenfalls stark belastete Bereiche.

Es werden somit bei einer Lagerstelle die stark belasteten Umfangsbereiche 11a ausschließlich strukturiert oder stärker strukturiert als der Rest der Lagerstelle vorzugsweise jedoch ausschließlich diese Bereiche strukturiert, um eine Bearbeitung der restlichen Bereiche einsparen zu können.

Am Beispiel einer Sechszylinder-Kurbelwelle in Figur 2b ist eingezeichnet, dass die sämtlichen stark belasteten Bereichen 11a1 , 11a2, 11a3 aller Kurbelwellenzapfen gegenüber liegenden Umfangsbereiche 1 lal ', Ha2', Ha3' bei sämtlichen Mittellagerzapfen 1b 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 28, der Umfangs- richtung, also in axialer Richtung 10, nur der mittlere Breitenbereich 11 b der Lagerstelle 1 strukturiert wird.

Dies ist in vielen Fällen ausreichend, vor allem dann, wenn die Lagerfläche 1 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 3b 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:

Diese Vertiefungen 27 sind in der Aufsicht betrachtet beispielsweise rund oder auch länglich gestaltet, beispielsweise in Form einer kurzen Nut mit halbrunden Enden mit einer kleinsten Erstreckung e und einer größten Er- Streckung E und einem gegenseitigen kleinsten Abstand 21 , wie in Figur 3a dargestellt.

Der Flächenanteil der Vertiefungen 27 innerhalb des strukturierten Bereiches 11 sollte dabei im Bereich von 15 % bis 40 % der gesamten Fläche des struk- turierten Bereiches 11 liegen.

Der Abstand 21 von Mitte zu Mitte zwischen zwei benachbarten Vertiefungen 27 sollte dabei mindestens das dreifache, besser mindestens das fünffache, besser mindestens das Siebenfache der in der Aufsicht betrachteten größten Erstreckung E der Vertiefung betragen.

Vorzugsweise sind die Vertiefungen 27 dabei in einem gleichmäßigen Ras- ter, zum Beispiel einem rautenförmig Raster, angeordnet, dessen eine Diagonale in Umfangsrichtung 28 liegt.

Bei länglichen Vertiefungen 27 sollte deren Haupterstreckungsrichtung 20 primär in Umfangs-Richtung 28 der Lagerstelle 1 , also der späteren Drehrich- tung, liegen und hierzu einen Winkel von maximal 30° einnehmen. Die Vertiefungen 27 sollten auch nicht allzu lang gestreckt sein, nämlich die größte Erstreckung E maximal zehnmal, besser nur maximal dreimal so groß sein wie die kleinste Erstreckung e, die ebenfalls in Figur 3a dargestellt. Wie Figur 3c zeigt, kann im strukturierten Bereich ein optimales Verhältnis von Nutzen zu Aufwand erreicht werden durch eine Variation der Größen und Abstände der Vertiefungen 27 innerhalb des strukturierten Bereiches:

In dieser Figur sind in dem am stärksten belasteten Bereich, nämlich in Um- fangsrichtung um die eingezeichnete Symmetrielinie herum, die Vertiefungen 27 am kleinsten und besitzen zueinander den geringsten Abstand 21.

In dem daran in Umfangsrichtung anschließenden zweiten und schon weniger belasteten Bereich sind die Vertiefungen 27 in der Aufsicht betrachtet deutlich größer, ihr Abstand jedoch ebenfalls größer, so dass wahlweise durch entsprechende Festlegung des Abstandes der gleiche oder auch ein etwas geringerer Flächenanteil der strukturierten Fläche mit Vertiefungen 27 besetzt ist. Ebenso ist der noch weiter von der Symmetrielinie entfernte dritte, nochmals weniger belastete, Bereich mit noch größeren Vertiefungen 27 ausgestattet, die im Vergleich zum ersten Bereich beispielsweise den dreifachen Durchmesser aufweisen, während der Durchmesser im zweiten Bereich der doppelte Durchmesser ist. Auch in diesem dritten Bereich kann der Flächenanteil, der von der strukturierten Fläche mit Vertiefungen 27 besetzt ist, der gleiche oder ein wiederum geringerer als im ersten und zweiten Bereich sein.

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 t im μηη-Bereich besitzen, da dies die Tragfähigkeit am wenigsten minimiert, aber dennoch einen ausreichen- den 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 maximal 150 oder gar nur 50 μιτι besitzen.

In den Figuren 4a, b soll die Form der Flanken 18 der Vertiefungen 27 dargestellt werden:

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.

Zusätzlich und/oder stattdessen sollte die Flanke 18 in die Oberfläche der Lagerstelle 1 mit einer Rundung 8 von mindestens einem Radius von 2 μιτι übergehen, wie in Figur 4a an der linken Flanke dargestellt. 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, also der Gegenfläche 20 zur Gleitfläche 1 , gut in Umfangsrichtung 28 abtransportiert werden kann und damit in den Lagerspalt 3 abseits der Vertiefungen 27 hinein transportiert werden kann. Hierzu sollte der Lagerspalt 3 geringer sein als die Tiefe t der Vertiefungen 27, vorzugsweise weniger als das 0,5 fache deren Tiefe.

Wie in Figur 4b dargestellt, ist es auch nicht schädlich, die in der späteren Drehrichtung 28 der Kurbelwelle 2 liegende Flanke 18 steiler auszubilden, da die Mitnahme des Schmiermittels nur in der Gegenrichtung erfolgt. Dadurch wird ohne negativen 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 - hat es sich gezeigt, 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.

Diese Bereiche zwischen den Vertiefungen sollen auch einen ausreichenden Traganteil von beispielsweise 60 % bis 70 % besitzen.

BEZUGSZEICHENLISTE

Lagerstelle, Gleitfläche

Hublagerfläche, Hublager

Mittellagerfläche, Mittellager

Kurbelwelle, Werkstück

Lagerspalt

Fluid, Elektrolyt

Wange

Rundung

Winkel

axiale Richtung, Drehachse strukturierter Bereich, Teilbereich

Umfangsbereich

Breitenbereich

Gesamtbreite

radial äußerster Punkt

Flanke

Gegenfläche

Abstand

Vertiefung

Bewegungsrichtung, Drehrichtung

Durchmesser

kleinste Erstreckung

größte Erstreckung

Tiefe

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Gleitfläche (1), insbesondere Gleitlager-Fläche, insbesondere rotations- symmetrische Gleitlager-Fläche (1), zum gleitenden Bewegen entlang einer Gegenfläche (20), wobei die Oberfläche der Gleitfläche (1) durch geometrisch definierte, sehr kleine Vertiefungen (27) mit vorgegebener Verteilung strukturiert ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

im strukturierten Bereich (11) der Flächen-Anteil der mit Vertiefungen (27) besetzten Fläche zwischen 15 % und 40 %, besser zwischen 15 % und 30 % besser zwischen 20 % und 30 % der Gesamtfläche des strukturierten Bereiches, beträgt.

2. Gleitfläche nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

bei einem strukturierten Bereich (11) mit ungleichmäßiger Belastung im Bereich der stärksten Belastung der Gleitfläche (1) der Flächen-Anteil der mit Vertiefungen (27) besetzten Fläche größer ist als im Bereich der geringeren Belastung.

3. Gleitfläche nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

bei einem strukturierten Bereich (11) mit ungleichmäßiger Belastung im Be- reich der stärksten Belastung der Gleitfläche (1) die Vertiefungen (27) kleiner sind und/oder der geringste Abstand (21) zwischen zwei benachbarten Vertiefungen (27) geringer ist als im Bereich der geringeren Belastung.

4. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die in der Aufsicht auf die Gleitfläche (1) betrachtete größte Erstreckung (E) einer Vertiefung (27) mindestens 20 μιτι beträgt, besser mindestens 50 μιτι beträgt, besser mindestens 70 μιτι beträgt.

5. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

die in der Aufsicht auf die Gleitfläche (1) betrachtete größte Erstreckung (E) einer Vertiefung (27) höchstens 170 μιτι beträgt, besser höchstens 150 μιτι beträgt, besser höchstens 120 μιτι beträgt.

6. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

- in der Aufsicht betrachtet eine kleinste Erstreckung (e) der Vertiefung

(27) maximal 150 μιτι, besser maximal 100 μιτι, besser maximal 50 μιτι beträgt

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).

7. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Tiefe (t) der Vertiefungen (27) mindestens 2 μιτι, besser mindestens 10 μιτι, besser mindestens 15 μιτι beträgt.

8. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Tiefe (t) der Vertiefungen (27) höchstens 50 μιτι, besser höchstens 35 μιτι, besser höchstens 20 μιτι beträgt.

9. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Tiefe (t) der Vertiefungen (27) mindestens 1 %, besser mindestens 5 %, besser mindestens 20 %, besser mindestens 40 %, besser mindestens 50 % der größten in der Aufsicht betrachteten Erstreckung (E) der Vertiefung (27) beträgt.

10. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

der kleinste Abstand (21) zwischen zwei benachbarten Vertiefungen (27) mindestens das Zweifache, mindestens das Dreifache, besser mindestens das Fünffache, der in der Aufsicht betrachteten größten Erstreckung (E) der Vertiefung (27) beträgt.

11. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der kleinste Abstand (21) zwischen zwei benachbarten Vertiefungen (27) höchstens das Siebenfache, besser höchstens das Zehnfache, der in der Aufsicht betrachteten größten Erstreckung (E) der Vertiefung (27) beträgt.

12. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

bei einem in relativer Bewegungsrichtung (28) der Gleitfläche (1), insbesondere der Umfangsrichtung (28) einer rotationssymmetrischen Gleitfläche (1), der Vertiefungen (27) liegenden Schnitt die entgegen der Bewegungsrichtung (28) der Gleitfläche (1) gerichtete Auslauf-Flanke (18) der Vertiefung (27) steiler verläuft als die gegenüberliegende Flanke, insbesondere mit einem Winkel (9) von maximal 80°, besser von maximal 45°, besser von maximal 30°, besser von maximal 25°, zur Oberfläche zwischen den Vertiefungen (27).

13. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

bei einem in relativer Bewegungsrichtung (28) der Gleitfläche (1), insbesondere der Umfangsrichtung (28) einer rotationssymmetrischen Gleitfläche, der Vertiefungen (27) liegenden Schnitt die entgegen der Bewegungsrichtung (28) der Gleitfläche (1) gerichtete Auslauf-Flanke (18) der Vertiefung (27) unter einem Winkel (9) von mindestens 45°, besser mindestens 60° zur Oberfläche zwischen den Vertiefungen (27) geneigt ist.

14. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

bei einer Gleitfläche (1) mit ungleichmäßiger Belastung im Bereich der stärksten Belastung der Gleitfläche (1) der Winkel (9) der Auslauf-Flanke (18) der Vertiefungen (27) größer ist als im Bereich der geringeren Belastung.

15. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

- bei einer Gleitfläche (1) mit ungleichmäßiger Belastung im Bereich der stärksten Belastung der Gleitfläche (1) die Vertiefungen (27) tiefer sind, insbesondere mindestens um den Faktor 2, besser mindestens um den Faktor 3, besser mindestens um den Faktor 5, tiefer sind als im Bereich der geringsten Belastung des strukturierten Bereiches, und/oder

- im Bereich der stärksten Belastung die Auslauf-Flanke (18) steiler ist, insbesondere mindestens um 10 % steiler ist, besser mindestens um 15 % steiler ist, besser mindestens um 20 % steiler ist als im Umfangsbereich der geringsten Belastung des strukturierten Bereiches.

16. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

bei einer Gleitfläche (1) die Tiefe (t) der Vertiefungen (27) höchstens das 0,5- fache, besser höchstens das 0,33-fache, besser höchstens nur das 0,1 -fache des mechanischen Lagerspaltes (3) beträgt.

17. Gleitfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

bei einer Gleitfläche (1) die größte Erstreckung (E) der Vertiefungen (27) maximal dem 14-fachen, besser maximal dem 8-fachen, besser maximal dem 4- fachen des mechanischen Lagerspaltes (3) beträgt.