DE19734480A1

DE19734480A1 - Gleitbauteil zur Verwendung mit einem Leichtmetall

Info

Publication number: DE19734480A1
Application number: DE19734480A
Authority: DE
Inventors: Tatsuei Sakata
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1996-08-12
Filing date: 1997-08-08
Publication date: 1998-03-12
Anticipated expiration: 2017-08-09
Also published as: KR19980018718A; KR100219923B1; JPH1053700A; US5836589A; CN1085998C; DE19734480B4; CN1175605A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein aus Polyether etherketon bestehendes Gleitbauteil, das einen Füllstoff enthält und eine herausragende Gleiteigenschaft aufweist, wodurch eine Beschädigung einer Leichtmetallegierung ver hindert wird.

Ein Gleitbauteil, wie z. B. ein Dichtring, wird in der Kraftfahrzeugindustrie verwendet, um die Leckage von Öl in Automatikgetrieben zu verhindern. Um das Gewicht von Kraft fahrzeugen zu reduzieren, wurden mittlerweile Versuche un ternommen, für die Herstellung der meisten Komponenten, aus denen diese Getriebe aufgebaut sind, Leichtmetalle, wie z. B. Aluminiumlegierungen (beispielsweise ADC-12Z (1,5 bis 3,5 Gew.% Cu; 10,5 bis 12 Gew.% Si; 0,30 Gew.% oder weniger Mg; 1,0 Gew.% oder weniger Zn; 1,3 Gew.% oder weniger Fe; 0,5 Gew.% oder weniger Mn; 0,5 Gew.% oder weniger Ni; 0,3 Gew.% oder weniger Sn; und einen Rest aus Al zum Druck gießen) nach: Japanese Industrial Standards) zu verwenden. Die Bauteile, mit denen die Dichtringe in Gleitkontakt ste hen, bestehen daher in den meisten Fällen aus Leichtmetall materialien. Wenn ein Dichtring aus Stahl besteht, erleidet das mit dem Dichtring in Kontakt stehende Leichtmetallbau teil aufgrund von Reibung einen hohen Abrieb. Wenn der Dichtring aus einem weichen Metall besteht, erleidet ande rerseits die Gleitfläche des Dichtrings einen übermäßigen Abrieb. Obgleich ein Dichtring, der auf einer Automatikge triebewelle eingerichtet ist, für die ADC-10 oder ADC-12 als die Aluminiumlegierung verwendet wurde, aus JIS FC250 Gußeisen hergestellt ist, stellt sich bei einem Druck von 1 MPa (etwa 10 kgf/cm²) eine Ölleckage in der Größenordnung von 500 bis 1000 cm³/min (500 bis 1000 cc/min) ein.

Infolge der Vorteile, wie z. B. der Abriebsbeständigkeit und Kohäsionsfestigkeit, wurden Gußeisenringe trotz des Nachteils der vorstehend erwähnten Ölleckage verwendet. Da jedoch Ölpumpen in der Bemühung, Automatikgetriebe leicht gewichtiger herzustellen, im Hinblick auf die Baugröße in zunehmendem Maß kleiner werden, können Gußeisenringe fortan nicht mehr verwendet werden, da sie eine starke Ölleckage zulassen.

Obwohl Dichtringe aus Kunstharz als eine Lösung vorge schlagen wurden, ergibt sich in diesem Fall das Problem ei nes abnormen Verschleißes, den ein mit einem derartigen Dichtring in Gleitkontakt stehendes Aluminiumlegierungsbau teil erleidet. Dichtringe, die vorgeschlagen wurden, um diesen Nachteil zu beheben, beinhalten Dichtringe, die aus Polytetrafluorethylen (PTFE) hergestellt sind, Dichtringe, die aus mit Kohlefasern und PTFE gefülltem Polyetherether keton (PEEK) hergestellt sind, und Dichtringe, die aus PEEK, Kohlefasern, PTFE und Sericit (siehe die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. Hei 5-262976) hergestellt sind. Es stellte sich jedoch heraus, daß auch diese Dicht ringe aufgrund des von Bauteilen erleideten hohen Ver schleißes nicht für Bauteile geeignet sind, die aus einem Leichtmetall, wie z. B. einer Aluminiumlegierung, bestehen.

Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein neuartiges Gleitbauteil zu schaffen, das anstelle der bislang gebräuchlichen Gußeisen- und Kunstharzdichtringe verwendet wird, wobei das neuartige Gleitbauteil keine Ölleckage zuläßt und keinen Verschleiß am Leichtmetallbauteil hervorruft, mit dem es in Kontakt steht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das Gleitbau teil nach Anspruch 1 oder 5 der vorliegenden Erfindung.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Gleitbauteil gelöst, das Polyetherether ketonharz und als Bindemittel bzw. Füllstoff 15 bis 20 Gew.% Pulver aus amorphem Aluminiumoxid mit einem durch schnittlichen Teilchendurchmesser von 5 µm oder weniger, 3 bis 8 Gew.% Graphitpulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 5 µm oder weniger und 6 bis 9 Gew.% Kohlepulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmes ser von 30 µm oder weniger enthält.

Vorzugsweise sind im Basismaterial aus Polyetherether keton 15 Gew.% Pulver aus amorphem Aluminiumoxid, 3 Gew.% Graphitpulver und 6 bis 9 Gew.% poröses Kohlepulver als Bindemittel bzw. Füllstoff enthalten.

Infolge der Nichtviskosität wurde zunächst die Verwen dung des bislang eingesetzten PTFE als Basismaterial in Er wägung gezogen, zu dem ein Füllstoff hinzugegeben wird. Es stellte sich jedoch heraus, daß aufgrund der Eigenschaft, daß PTFE als Basismaterial bei einem Temperaturanstieg weich wird, der Füllstoff verloren geht und eine aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Welle infolge der Ausbil dung von Vorsprüngen oder Rauhigkeitsspitzen angegriffen wird. Daher wurde PEEK als das Basisharz gewählt, da dieses Harz bei hohen Temperaturen nur wenig weich wird. Des wei teren wurden feinzerteilte Pulver als Füllstoff gewählt. Der Grund für die Wahl eines fein zerteilten Pulvers ist, daß ein harter Füllstoffinfolge der durch das Weichwerden des Basismaterials verursachten Welligkeit (der unregelmä ßigen Gestalt) einer Gleitfläche keine erste Gleitfläche bilden kann. Des weiteren wurde versucht, die Eigenschaften der Gleitfläche zu verbessern, indem die Gleitfläche der feinzerteilten Pulver in solch einer Weise umhüllt und ver deckt wird, daß das Basisharz nicht an der Oberfläche er scheint, und indem dies als eine Oberflächenschicht der Art verwendet wird, die erhalten werden kann, indem das Harzma terial mit einer Auftragsschicht versehen wird.

Der Füllstoff aus feinzerteilten Pulvern wurde wie folgt erhalten: Amorphes Aluminiumoxid mit einem durch schnittlichen Teilchendurchmesser von 5 µm oder weniger wurde als ein erster Füllstoff verwendet. Der Grund dafür ist, daß sich durch die Röntgenstrahldiffraktometrie her ausgestellt hat, daß dieses Pulver nicht vollständig zu α Aluminiumoxid übergeht. Man nimmt an, daß α Aluminiumoxid als ein harter unzerstörbarer Füllstoff an der Gleitfläche wirkt, wodurch die kontaktierende Aluminiumlegierung, d. h. die aus ADC hergestellte Welle, beschädigt wird. Ein zwei ter Füllstoff, der aus Graphit besteht und ebenfalls einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 5 µm oder weni ger hat, wurde gewählt, um die inadäquate Schmiereigen schaft des Aluminiumoxids zu kompensieren. Kohlenstoff wurde als ein dritter Füllstoff gewählt.

Da sowohl das Aluminiumoxid wie auch das Graphit fein zerteilte Pulver sind, halten sie Öl nur in geringem Maß fest. Man nimmt an, daß feinzerteilte Pulver aus Aluminium oxid und Graphit, wenn diese in einem Dichtring für ein Au tomatikgetriebe verwendet werden, alleine keine Schmierung der Gleitfläche erzielen könnten. Daher wurde zu dem Zweck, eine Beschädigung der Aluminiumlegierung infolge eines Öl filmverlusts zu verhindern, Kohlepulver mit einem durch schnittlichen Teilchendurchmesser von 30 µm oder weniger und kleinen bzw. winzigen Hohlräumen als einer der Füll stoffe gewählt.

Diese drei Füllstoffe wurden unter einer Variation der Mischverhältnisse in der in Tabelle 1 gezeigten Weise mit einander vermischt; durch einen Doppelschneckenextruder wurden schließlich Pellets ausgebildet. Die verwendeten Füllstoffe waren ein Pulver aus amorphem Aluminiumoxid (durchschnittlicher Teilchendurchmesser: 0,7 µm, herge stellt durch Japan Light Metals), Graphitpulver (durchschnittlicher Teilchendurchmesser: 1,0 µm, herge stellt durch SEC K.K.) und Kohlepulver (durchschnittlicher Teilchendurchmesser 30 µm, hergestellt durch Nippon Carbon Co., Ltd.). Das als Basismaterial verwendete Harz war Victrex Peek (PEEK), das durch ICI K.K. hergestellt wurde. Wie es in Tabelle 1 gezeigt ist, wurden in Abhängigkeit von der Graphitmenge gemäß den Mischverhältnissen: Aluminium oxid: 15 bis 25 Gew.%; Kohlenstoff: 6 bis 12 Gew.%; und Rest: PEEK-Harz, die Prüfmaterialien (A bis I) hergestellt.

TABELLE 1

Nachstehend erfolgt eine kurze Beschreibung der Zeich nung, wobei

Fig. 1 eine Teilperspektivansicht ist, die einen Dicht ring mit einem speziellen Ringspalt (vom Doppelstufentyp) zeigt,

Fig. 2 eine Ansicht ist, die die Hauptkomponenten einer Matsubara-Abriebprüfvorrichtung zeigt, die verwendet wird, um die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen einzugrenzen,

Fig. 3 ein Diagramm ist, das die Ergebnisse einer Ab riebskorrelationsprüfung zeigt, die ausgeführt wurde, um die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung zu bestim men,

Fig. 4 ein Diagramm ist, das den Grad zeigt, in dem ein Bauteil aus ADC-12 infolge eines Unterschieds zwischen amorphem Aluminiumoxid und kristallinem Aluminiumoxid in einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung G bezüglich des Ab riebs beeinflußt wird,

Fig. 5 ein Diagramm ist, das den Grad zeigt, in dem ein Bauteil aus ADC-12 infolge eines Unterschieds zwischen amorphem Aluminiumoxid und kristallinem Aluminiumoxid in einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung G bezüglich des Reibungskoeffizienten beeinflußt wird,

Fig. 6 eine Schnittansicht ist, die die Hauptkomponen ten einer Prüfvorrichtung zeigt, die verwendet wird, um das Verhalten eines Dichtrings aus dem erfindungsgemäßen Mate rial und eines bekannten Dichtrings zu prüfen,

Fig. 7 ein Diagramm ist, das die Ergebnisse zeigt, die aus dem Vergleich des Verhaltens der Dichtringe aus dem er findungsgemäßen Material und des bekannten Dichtrings er halten werden, und

Fig. 8 ein Diagramm ist, das die Ergebnisse zeigt, die aus dem Vergleich des Verhaltens der Dichtringe aus dem er findungsgemäßen Material und des bekannten Dichtrings er halten werden.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden ausführlich beschrieben.

Die in Tabelle 1 gezeigten Prüfmaterialien A bis I wur den durch einen Doppelschneckenextruder geknetet. Die Knet bedingungen waren eine Heiztemperatur von 400°C, eine Schneckendrehzahl von 50 U/min und eine Pulvereinfüllvor richtungsdrehzahl von 65 U/min. Etwa 3 mm des extrudierten, gekneteten Materials wurde in einer automatischen Abschneidvorrichtung angeordnet, um Pellets mit einer Länge von etwa 3 bis 4 mm auszubilden. Des weiteren wurden zu dem Zweck, den Bereich von geeigneten Zusammensetzungen einzu grenzen, in einer Prüfung, in der die Pellets unter den Be dingungen eines Preßdrucks von 130 Mpa, einer Düsentempera tur von 400°C, einer Preßtemperatur von 170°C und einer Ex trusionsrate von 60% einer Abriebskorrelationsprüfung be züglich ADC-12 unterzogen wurden, Prüfstücke hergestellt. Die Prüfstücke wurden in Ringform hergestellt, so daß sie anschließend einer Beurteilung als Wellendichtringe in ei ner tatsächlichen Maschine unterzogen werden können. Einer der Ringe ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 10 (11) ge zeigt. Der Ring hat einen speziellen Ringspalt (vom Doppel stufentyp) und einen Außendurchmesser von 59 mm, einen In nendurchmesser von 54,4 mm und eine Dicke von 2,4 mm. Durch Verwendung von PEEK als Basismaterial kann zum Erhalt des Doppelstufenringspalts die maschinelle Bearbeitung, die am herkömmlichen Gußeisenring nicht so leicht ausgeführt wer den konnte, durch die Formgebung erzielt werden. Durch das Versehen des Ringspalts mit einer komplizierten Struktur kann über einen breiten Bereich von Öltemperaturen eine mi nimale Ölleckage gesichert werden.

Eine nachstehend beschriebene Abriebprüfung wurde aus geführt, um die in Tabelle 1 gezeigten idealen Zusammenset zungsverhältnisse einzugrenzen. Fig. 2 ist eine Schnittan sicht, die die Hauptkomponenten einer Abriebprüfvorrichtung 1 zeigt. Die Prüfvorrichtung weist einen Halter 2 auf, an dem eine aus einer Aluminiumlegierung (ADC-12Z) herge stellte Scheibe 3 (mit einem Durchmesser von 80 mm und ei ner Dicke von 10 mm) abnehmbar angebracht ist. Ein Prüf stückhalter 4 steht mit einer rotierenden Welle 5 in Ver bindung und kann bezüglich des Scheibenhalters 2 frei ro tieren. Der vorstehend erwähnte Dichtring 10, der als das Prüfstück dient, ist am Prüfstückhalter 4 befestigt und wird in einen Gleitkontakt mit der Scheibe 3 gebracht. Der Halter 2 wird derart mit einem axial ausgerichteten Druck P beaufschlagt, daß zwischen der Scheibe 3 und dem Dichtring 10 ein Druckkontakt geschaffen wird. Wenigstens die Scheibe 3 und der Dichtring 10 sind in ATF-Schmieröl 6 eingetaucht. Die Abriebprüfbedingungen sind in Tabelle 2 dargestellt.

verwendete Prüfvorrichtung
Matsubara-Abriebsprüfvorrichtung
Reibungsmodus	ATF-geschmiertes Gleiten; Öltemperatur nicht geregelt
Reibstrecke	44 km
Reibgeschwindigkeit	6,1 m/s
Kontaktflächendruck	1 MPa (Preßlast: 40 kg)

Fig. 3 zeigt die Ergebnisse der Abriebprüfung. Es stellte sich heraus, daß die Zusammensetzungen G, H hin sichtlich einer herausragenden Abriebskorrelation bezüglich ADC-12 dem Gußeisen äquivalent sind. Die idealen Zusammen setzungen waren im besonderen: Aluminiumpulver: 15 Gew.%; Graphit: 3 Gew.%; Kohlepulver: 6 bis 9 Gew.%; und Rest: 73 bis 76 Gew.% PEEK. Um die Effekte von amorphem Aluminium oxid zu beurteilen, wurde des weiteren unter Verwendung von kristallinem Aluminiumoxid mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 1 µm in der Zusammensetzung G eine Abrieb korrelationsprüfung unter den in Fig. 2 gezeigten Bedingun gen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Fig. 4 darge stellt. Es stellte sich heraus, daß die Zugabe von kri stallinem Aluminiumoxid den Abrieb von ADC-12 erhöhte und der dynamische Reibungskoeffizient um 30% anstieg, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Somit wurde bestätigt, daß ein ring förmiges Prüfstück der erfindungsgemäßen Zusammensetzung bezüglich der Abdichtfähigkeit, des Eigenabriebs und des Abriebs an einer aus ADC-12 hergestellten Welle in der An wendung als ein tatsächlicher Dichtring und im Vergleich mit dem herkömmlichen, aus Gußeisen hergestellten Dichtring effektiv ist.

Ein rotierender Dichtring wurde unter den in Tabelle 3 gezeigten Bedingungen geprüft, wobei die in Fig. 6 gezeig ten Prüfvorrichtung verwendet wurde.

Die in Fig. 6 abgebildete Prüfvorrichtung weist einen Zylinder 8 auf, der an einem rotierenden Halter 7 befestigt ist und aus JIS S35C besteht. Das Ende einer Welle 9 aus einer Aluminiumlegierung (ADC-12Z) ist im hohlen Abschnitt des Zylinders 8 eingesetzt. Die erfindungsgemäß hergestell ten Dichtringe 10, 11 sind in Ringnuten eingesetzt, die am Außenumfang der Welle 9 ausgebildet sind, die Hydraulikka näle 17, 18 zur Zu- und Abführung von Öl an die bzw. von den Dichtringen 10, 11 aufweist. Ein im Zylinder 8 vorgese henes Ablaufloch dient der Zufuhr von über den Dichtring 11 durchgesickertem Öl in einen Meßzylinder 16. Des weiteren sind ein Dreiwegeventil 13 und Abgaberohre 14, 15 vorgese hen. Ein Behälter 19 leitet das entwichene oder durchgesic kerte Öl in den Meßzylinder 16.

Die Außenumfangsflächen der Dichtringe 10, 11 stehen in engem Kontakt mit der Innenumfangsfläche des Zylinders 8, und die Seitenflächen der Dichtringe 10, 11 stehen in Gleitkontakt mit den Seitenflächen der Ringnuten der Welle 9. Öl, das über die Hydraulikkanäle 17, 18 zugeführt wird, wirkt auf die Innenumfangsflächen der Dichtringe 10, 11 und auf eine Seitenfläche davon. Die andere Seitenfläche jedes Dichtrings 10, 11 wird gegen die entsprechende Ringnut ge preßt. Die geprüften Dichtringe entsprechen den erfindungs gemäßen Dichtringen und den bekannten Dichtringen.

Zylinderdrehzahl
6000 U/min
Hydraulikdruck	1 MPa
ATF-Temperatur	120 bis 130°C
Prüfdauer	100 h ununterbrochen

Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Abriebskorrelation zwischen einer Ringnut, die an der in großem Umfang in Au tomatikgetrieben verwendeten Welle 9 aus ADC-12 angefertigt ist, und den Dichtringen 10, 11 nach einer Überprüfung des Seitenflächenabriebs der Dichtringe für 100 Stunden. Es stellte sich heraus, daß die Dichtringe der erfindungsgemä ßen Zusammensetzung den in großem Umfang verwendeten her kömmlichen Gußeisenringen hinsichtlich des Nutabriebs der Welle aus ADC-12 gleichkommen und im Vergleich zu herkömm lichen, mit Kohlefasern verstärkten PEEK-Harz-Ringen die Nuten der Welle aus ADC-12 weitaus weniger beschädigen. Be züglich der Ölabdichtfähigkeit, was die Eigenschaft von größter Bedeutung ist, stellte sich heraus, daß die erfin dungsgemäßen Dichtringe die Ölleckage auf ein Niveau redu zieren (auf 1/30 der Ölleckage der herkömmlichen Dicht ringe), was bislang nicht erzielbar war, wobei die Nuten der Welle aus ADC-12 keinem Verschleiß unterliegen, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Somit stellte sich heraus, daß die vorliegende Erfindung äußerst praktisch ist und wesentlich zu einer Gewichtsreduzierung und einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs beiträgt, was von zukünftigen Kraft fahrzeugen verlangt wird. Des weiteren kann die Füllstoff zusammensetzung auch für ein Gleitbauteil verwendet werden, dessen Basismaterial PEN-Harz (Polyethernitril) ist, dessen Molekularstruktur der von PEEK-Harz ähnlich ist.

Indem anstelle eines Gußeisenrings ein Ring aus Harz mit einer hervorragenden Flexibilität als Dichtring für ei ne rotierende Welle verwendet wird, kann somit die Leckage von Öl verhindert und der Abrieb einer aus ADC bestehenden Welle vermindert werden; des weiteren ist es möglich, durch Verwendung einer Aluminiumlegierung im Automatikgetriebe von Kraftfahrzeugen eine Gewichtsreduzierung zu erzielen.

Da viele, offensichtliche, verschiedene Ausführungsfor men der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen, wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung abgesehen von der Definition in den anhängigen Ansprüchen nicht auf spezielle Ausfüh rungsformen beschränkt ist.

Ein Dichtbauteil, das anstelle eines herkömmlichen Guß eisenrings als ein Dichtring für eine aus einer leichtge wichtigen Aluminiumlegierung hergestellten rotierenden Welle in einem Automatikgetriebe verwendet wird, um eine Ölleckage zu verhindern und den Wellenabrieb zu vermindern, besteht somit aus einer PEEK-Harz-Zusammensetzung, die als Bindemittel bzw. Füllstoff 15 bis 20 Gew.% Pulver aus amor phem Aluminiumoxid mit einem durchschnittlichen Teilchen durchmesser von 5 µm oder weniger, 3 bis 8 Gew.% Graphit pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 5 µm oder weniger und 6 bis 9 Gew.% Kohlepulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 30 µm oder weni ger enthält.

Claims

1. Gleitbauteil für einen Gleitkontakt mit einer Leichtmetallegierung, das Polyetheretherketonharz und als Füllstoff 15 bis 20 Gew.% Pulver aus amorphem Aluminium oxid, 3 bis 8 Gew.% Graphitpulver und 6 bis 9 Gew.% Kohle pulver enthält.

2. Gleitbauteil nach Anspruch 1, wobei das Pulver aus amorphem Aluminiumoxid einen durchschnittlichen Teilchen durchmesser von 5 µm oder weniger, das Graphitpulver einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 5 µm oder weni ger und das Kohlepulver einen durchschnittlichen Teilchen durchmesser von 30 µm oder weniger hat.

3. Gleitbauteil nach Anspruch 2, wobei das Kohlepulver porös ist.

4. Gleitbauteil nach Anspruch 3, wobei die Leichtme tallegierung ein auf Aluminium basierendes Legierungsmate rial ist.

5. Gleitbauteil für einen Gleitkontakt mit einer auf Aluminium basierenden Metallegierung, das im wesentlichen aus Polyetheretherketonharz besteht und als Füllstoff 15 Gew.% Pulver aus amorphem Aluminiumoxid mit einem durch schnittlichen Teilchendurchmesser von 5 µm oder weniger, 3 Gew.% Graphitpulver mit einem durchschnittlichen Teil chendurchmesser von 5 µm oder weniger und 6 bis 9 Gew.% Kohlepulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmes ser von 30 µm oder weniger enthält.

6. Gleitbauteil nach Anspruch 5, wobei das Gleitbauteil ein Ring mit einem Doppelstufenspalt ist.