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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Gelenkkette aus einander abwechselnden
Kettengliedern, die in einem Kettengelenk miteinander verbunden
sind, das Kettengelenk umfasst eine Gelenkhülse und einen Gelenkbolzen,
der schwenkbar in der Gelenkhülse
gelagert ist, wobei die Gelenkfläche
des Gelenkbolzens und/oder der Gelenkhülse mit einer PVD-Hartstoffschicht
versehen ist.
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Gelenkketten
mit jeweils über
ein Kettengelenk miteinander verbundenen Kettengliedern sind in vielfältiger Form
im Stand der Technik im Einsatz. Im überwiegenden Umfang handelt
es sich dabei um Laschenketten, bei denen jeweils ein Innenkettenglied aus
zwei parallelen mittels zwei Gelenkhülsen verbundenen Innenlaschen
mit einem aus zwei mittels zwei Gelenkbolzen miteinander verbundenen
Außenlaschen
bestehenden Außenkettenglied
einander abwechselt. Eine Gelenkhülse eines Innenkettenglieds
und ein Gelenkbolzen eines angrenzenden Außenkettenglieds bilden dabei
jeweils ein Kettengelenk. Im Einsatz als Antriebs- oder Förderketten
wird insbesondere der Bereich der Kettengelenke stark beansprucht,
so dass hier ein starker Bedarf bezüglich einer verschleißbeständigen Lagerfläche besteht.
Neben dem Einsatz als Antriebs- oder Förderketten werden Gelenkketten
wieder in zunehmenden Maße
in der Automobilindustrie zur Steuerung des Verbrennungsmotors eingesetzt.
In diesem Einsatzgebiet sind die Anforderungen an die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit
besonders hoch, da eine regelmäßige Wartung
und die damit verbundene Schmierung der Kette nicht bzw. nur in
langen Zeitabständen
vorausgesetzt werden kann, aber bei einer möglichst kleinen Dimensionierung
der Kette gleichzeitig die Belastungen verhältnismäßig hoch und das Belastungsprofil
stark schwankend ist.
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Um
die notwendige Verschleißbeständigkeit zu
erreichen und eine verschleißbedingte
Längung zu
vermeiden, werden die Gelenkbolzen und/oder Gelenkhülsen herkömmlicher
Gelenkketten einer Wärmebehandlung
unterzogen, z.B. vergüten,
karborieren, karbonitrieren, etc., oder einer Karbidschicht versehen.
Trotz einer Wärmebehandlung
der Gelenkbauteile und/oder der Ausbildung einer Karbidschicht auf
den Gelenkflächen
treten insbesondere beim Einsatz als Steuerketten in einem Verbrennungsmotor
Ver schleißprobleme
und eine verschleißbedingte
Längung
auf, die die Zuverlässigkeit des
Motors verringern.
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Eine
gattungsgemäße Gelenkkette
ist aus der
DE 103
26 710 A1 bekannt. Bei dieser Rollenkette wird der Gelenkbolzen
aus einem legierten Stahl zunächst
einem Karborierungshärten
unterworfen, bevor mittels Pulverbeschichtung eine Vanadium-Karbidschicht auf
der Oberfläche
des Bolzens abgelagert wird. Alternativ kann die Vanadium-Karbidschicht
auch durch ein chemisches oder physikalisches Abscheideverfahren
aufgetragen werden. Zwar ermöglicht
ein derart behandelter Gelenkbolzen eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit
der Gelenkkette, jedoch müssen
mehrere zeitaufwändige Verfahrensschritte
hintereinander geschaltet werden, wobei die benötigten hohen Temperaturen und
Beschichtungszeiten zu einem Anlassen des Grundwerkstoffs führen. Durch
den kostenintensiven Beschichtungsaufbau und die Rückwirkungen
des Prozesses auf die Eigenschaften des Ausgangsmaterials sind diese
Rollenketten nur in einem beschränkten
Einsatzbereich nutzbar.
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Mit
der fortschreitenden technischen Entwicklung steigen insgesamt auch
die Anforderungen an die Verschleißbeständigkeit von Gelenkketten. Insbesondere
im Automobilbereich führen
die fortschreitende Innovation und der Konkurrenzdruck zu einem
ständigen
Verbesserungsbedarf und damit zu einer notwendigen Anpassung der
Verschleißfestigkeit.
Auch besteht insbesondere im Hinblick auf die im Bereich der Automobilindustrie üblichen
hohen Stückzahlen
die Notwendigkeit aufwändige
Lösungen
zur Verschleißproblematik
durch kostengünstige Konzepte
zu ersetzen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gelenkkette
mit guten Verschleißeigenschaften
bei möglichst
geringen Herstellkosten bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Gelenkkette dadurch gelöst, dass
der mit einer PVD-Hartstoffschicht versehene Gelenkbolzen und/oder
die mit einer PVD-Hartstoffschicht
versehene Gelenkhülse
aus einem Basismaterial aus hochkohlenstoffhaltigen Stahl mit einem
Kohlenstoffgehalt zwischen 0,4 Gew.-% und 1,2 Gew.-% besteht, das die
PVD-Hartstoffschicht trägt.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung wird erstmals
eine Gelenkkette bereitgestellt, bei der eine in einem PVD-Verfahren
aufgebrachte Hartstoffschicht direkt auf den Kern des Gelenkbolzens
bzw. die unvergütete
Oberfläche
des Bolzens und/oder der Gelenkhülse
aus hochkohlenstoffhaltigen Stahl aufgetragen wird. Da die PVD-Hartstoffschicht
ohne ein vorheriges Vergüten
oder Beschichten direkt auf das Basismaterial des Gelenkbolzens
bzw. der Gelenkhülse
aufgetragen wird, ist die Herstellung der erfindungsgemäßen Gelenkkette
mit vergleichbar verschleißbeständigen Ketten
kostengünstiger
bei einer gleichzeitig verbesserten Verschleißbeständigkeit. Hochkohlenstoffhaltige
Stähle
mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,4 Gew.-% und 1,2 Gew.-% weisen eine
gute Anlassbeständigkeit
auf, so dass trotz Beschichtungstemperaturen von 350° bis 450°C und einer
Beschichtungsdauer von bis zu 4 Stunden für das Auftragen der Hartstoffschicht
in einem PVD-Verfahren der Gelenkbolzen oder die Gelenkhülse weiterhin eine
relativ hohe Kernhärte
aufweisen, weshalb vor der PVD-Beschichtung keine zusätzliche
Oberflächenhärtung des
Bolzens/Gelenkhülse
notwendig ist. Neben dem hohen Kohlenstoffgehalt kann der als Basismaterial
eingesetzte Stahl weitere Legierungselemente enthalten, insbesondere
Karbidbildner, wie beispielsweise Chrom, Vanadium oder Molybden, wobei
das Hinzufügen
von Karbidbildnern die Anlassbeständigkeit des Stahls nochmals
erhöht.
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Durch
die PVD-Beschichtung (Physical Vapur Deposition) wird eine harte,
dünne metallische oder
keramische Schicht auf dem Gelenkbolzen und/oder der Gelenkhülse aus
hochkohlenstoffhaltigem Stahl abgeschieden, die eine große Abriebs- und
Verschleißfestigkeit,
eine große
Härte und
Temperaturbeständigkeit,
eine geringe Reibung sowie gute chemische Eigenschaften und eine
geringe Haftneigung aufweist. Neben der Verbesserung der Verschleißbeständigkeit
erhöht
die PVD-Hartstoffschicht auch die Korrosionsbeständigkeit, was insbesondere
beim Einsatz in einem Verbrennungsmotor gegenüber den korrosiven Bestandteilen
des Motoröls
von Vorteil ist.
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Dabei
können
kohlenstoffhaltige Stähle
mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,5 Gew.-% und 1,0 Gew.-%, beispielsweise ein
100 Cr6-, 59 CrV4-, oder C60-Stahl, besonders gut als Basiswerkstoff
für den
Gelenkbolzen und/oder die Gelenkhülse geeignet sein, da diese
Stähle
eine ausreichende Festigkeit und Anlassbeständigkeit aufweisen, um für eine Beschichtung
mit einer PVD-Hartstoffschicht besonders geeignet zu sein, und gleichzeitig
nicht zu spröde
sind, um in einem Kettengelenk eingesetzt zu werden.
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Die
PVD-Hartstoffschicht des Gelenkbolzens und/oder der Gelenkhülse kann
sowohl aus metallischen Hartstoffen als auch aus nichtmetallischen Hartstoffen
bestehen. Als metallische Hartstoffe kommen alle Karbide, Nitride,
Karbonitride, Boride und Silzide der Übergangsmetalle, z.B. Titan,
Chrom, Wolfram, Zirkonium, etc., in Frage. Dabei lagern sich die
relativ kleinen Atome des Kohlenstoffs, Stickstoffs oder Bors auf
den Zwischen gitterplätzen
des Metalls ab, so dass trotz der dichten Atompackung die typisch
metallischen Eigenschaften bestehen bleiben. Als nichtmetallische
Hartstoffe kommen beispielsweise Diamant und DLC (Diamond Like Carbon)
sowie Korund, Borkabid, kubisches Bornitrid, Siliziumcarbid oder
Aluminiumnitrid in Frage.
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Für die direkte
Beschichtung der Oberflächen
von Gelenkbolzen und/oder Gelenkhülse aus hochkohlenstoffhaltigem
Stahl haben sich im Besonderen metallische Nitridbildner als positiv
herausgestellt, insbesondere Chromnitrid (CrN). Daher ist es von
Vorteil wenn die PVD-Hartstoffschicht als Schicht auf Basis von
Chromnitrid, wobei die stöchiometrische
Zusammensetzung variabel ausgebildet sein kann. Chrom sorgt für einen
fließenden Übergang vom
Stahl über
eine dünne
Haftvermittlerschicht zur eigentlichen verschleißschützenden Oberflächenschicht
der PVD-Hartstoffschicht, wodurch die notwendige Schichtdicke gering
und damit auch die Beschichtungszeiten kurz gehalten werden können. Gegenüber anderen
metallischen und nichtmetallischen Hartstoffen ist Chromnitrid bei
unterschiedlichen Lieferanten gut verfügbar und daher relativ preiswert
zu beschaffen. Außerdem
lässt sich
Chromnitrid verhältnismäßig einfach
in einer PVD-Beschichtungsanlage verarbeiten
und erzeugt bei einer guten Haftung auf dem Substrat eine dünne PVD-Hartstoffschicht
mit hoher Verschleißbeständigkeit.
Dabei wird das Chromnitrid bei Prozesstemperaturen zwischen 380° und 420°C auf die
Oberfläche
der Gelenkbolzen und/oder Gelenkhülsen aufgetragen.
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Gegenüber herkömmlichen
Verschleißschutzschichten
ist es bei der Verwendung einer PVD-Hartstoffschicht in einer erfindungsgemäßen Gelenkkette
ausreichend, wenn die PVD-Hartstoffschicht auf der Gelenkfläche des
Gelenkbolzens und/oder der Gelenkhülse eine Schichtdicke zwischen
1 und 10 μm,
insbesondere zwischen 1 und 5 μm,
bevorzugt zwischen 2 und 4 μm,
aufweist. Trotz dieser geringen Schichtdicke ermöglichen diese PVD-Hartstoffschichten
auf der Gelenkfläche
des Gelenkbolzens und/oder der Gelenkhülse einen guten korrosiven
Schutz und eine gute Verschleißbeständigkeit.
Dabei ist es ausreichend, wenn anstelle der Gelenkfläche des
Gelenkbolzens bzw. Gelenkhülse,
d.h. der Zylinderfläche
des Gelenkbolzens oder der Innenzylinderfläche der Gelenkhülse, nur der
Bereich der Lagerfläche,
d.h. der Kontaktbereich zwischen dem Gelenkbolzen und der Gelenkhülse mit
der PVD-Hartstoffschicht versehen ist. Die Hafteigenschaften, insbesondere
metallischer PVD-Hartstoffbeschichtungen erlauben es nur den tatsächlich benötigten Bereich
zu beschichten, ohne das Risiko eines Abplatzens der PVD-Hartstoffschicht
im Übergangsbereich
zwischen unbeschichteter und beschichteter Oberfläche. Dadurch
wird es möglich, dass
der Fügebereich
der Gelenkbolzen zu den Kettenlaschen beschichtungsfrei ausgeführt ist,
wodurch die Restschmutzproblematik bei der Herstellung der Gelenkketten
reduziert werden kann.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die PVD-Hartstoffschicht
in einem kontinuierlichen PVD-Verfahren auf der Lagerfläche des
Gelenkbolzens und/oder der Gelenkhülse aufgetragen ist. Kontinuierliche
Beschichtungsverfahren haben gegenüber Batch-Verfahren generell
den Vorteil eines höheren
Durchsatzes und einer besseren Ausnutzung von Ressourcen. Bei der
Beschichtung von Kettengelenk-Bauteilen ergibt sich als zusätzlicher Vorteil,
dass die Bauteile nur während
der Dauer des Beschichtungsprozesses selbst den hohen Prozesstemperaturen
unterliegen, so dass das Basismaterial der Gelenkbolzen und/oder
Gelenkhülsen
nicht unnötig
angelassen wird.
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Eine
Variante sieht vor, dass die PVD-Hartstoffschicht mehrlagig ausgebildet
ist, um die PVD-Hartstoffschicht extremen Belastungen oder besonderen
Prozessbedingungen anzupassen.
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Als
PVD-Beschichtungsverfahren bieten sich insbesondere übliche Sputterverfahren
oder eine Lichtbogen-Verdampfung (Arc-Verfahren) an. Beim Arc-Verfahren
wird im Vakuum ein Targetmaterial (z.B. Chrom) durch einen Lichtbogenspot
direkt in die Gasphase sublimiert und durch einen starken Elektronenfluss
zur Wand der Vakuumkammer auf das Substrat gerichtet, auf dem sich
dann die verdampften Metallionen ablagern. Mit dem Arc-Verfahren können große Abscheideraten
bei einer guten Schichthaftung erreicht werden. Demgegenüber wird beim
Sputtern von einer Kathode ein selbststabilisierendes Plasma erzeugt,
das Metallatome und Metallelektronen enthält, die sich auf dem Substrat
anlagern. Gegenüber
dem Arc-Verfahren ist beim Sputtern jedoch sowohl der Ionisierungsgrad
des Beschichtungsmaterials geringer als auch der Beschichtungsraum
und die Beschichtungsrate kleiner. Moderne Sputterverfahren können jedoch
einen Teil dieser Nachteile kompensieren. Beispielsweise ermöglicht das
HPPMS-Verfahren (High Power Pulse Magnetron Sputtern) mit Hilfe
von kurzen Pulsen eine extrem starke Ionisierung von Schichtmetallatomen, wodurch
eine stärkere
Implantationswirkung der Hartstoffschicht im Substrat und eine bessere Schichthaftung
erreicht wird.
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Bevorzugt
weist der mit einer PVD-Hartstoffschicht versehene Gelenkbolzen
und/oder die mit einer PVD-Hartstoffschicht versehene Gelenkhülse eine
Kernhärte
von 400 bis 700 HV10, insbesondere eine Kernhärte von 500 bis 600 HV10 auf.
Eine ausreichende Kernhärte
des Basismaterials verhindert ein Ablösen der PVD-Hartstoffschicht.
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Günstigerweise
kann die PVD-Hartstoffschicht eine Härte von 1.500 bis 2.500 HV10,
insbesondere eine Härte
von 1.800 bis 2.300 HV10 aufweisen. Mit einer derart hohen Oberflächenhärte kann neben
weiteren Vorteilen auch die Verschleißbeständigkeit gegenüber herkömmlichen
verschleißbeständigen Gelenkbolzen
erhöht
werden.
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Die
erfindungsgemäße Gelenkkette
ermöglicht
mit einer sehr dünnen
in einem PVD-Verfahren aufgebrachten
PVD-Hartstoffschicht ohne ein Vergüten oder anderweitiges Beschichten
des Basismaterials eine verschließarme, kostengünstige Gelenkkette,
die in vielen Bereichen einsetzbar ist. Daher kann die erfindungsgemäße Gelenkkette
sowohl als Hülsenkette,
aber auch als Rollenkette, Zahnkette oder Flyerkette ausgebildet
sein. Dabei bewirkt die insbesondere aus Chromnitrid bestehende
PVD-Hartstoffbeschichtung des Gelenkbolzens und/oder der Gelenkhülse dank
ihrer großen
Härte,
Zähigkeit,
Elastizität
und Korrosionsbeständigkeit
gegenüber
anderen bekannten Verschleißbeschichtungen
sogar einen gesteigerten Verschleißschutz, der sich überraschenderweise
aus der richtigen Kombination einer PVD-Hartstoffschicht mit anlassbeständigen,
hochkohlenstoffhaltigen Stählen
ergibt.
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Im
Folgenden werden Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Draufsicht mit einem bereichsweisen Schnitt einer erfindungsgemäßen Gelenkkette,
und
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2 eine
Draufsicht mit einem bereichsweisen Schnitt einer anderen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Gelenkkette.
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Die
in 1 dargestellte erfindungsgemäße Gelenkkette 1 ist
als Hülsenkette
ausgeführt,
mit jeweils über
ein Kettengelenk 2 verbundenen Innenkettengliedern und
Außenkettengliedern.
Das Innenkettenglied besteht hierbei aus jeweils zwei parallel verlaufenden
Innenlaschen 8 und zwei die Innenlaschen 8 miteinander
verbindenden Gelenkhülsen 5,
wobei die Gelenkhülsen 5 senkrecht
zu den Innenlaschen 8 stehen und die Gelenkhülsen 5 fest
mit den Innenlaschen 8 verbunden sind, insbesondere durch
Pressen oder Kleben.
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Die
Außenkettenglieder
bestehen aus zwei parallel verlaufenden Außenlaschen 9, die
mit zwei Gelenkbolzen 3 miteinander verbunden sind, wobei die
Gelenkbolzen 3 drehbar in den Gelenkhülsen 5 der Innenkettenglieder
gelagert sind. Das Außenkettenglied
ist durch den Gelenkbolzen 3 drehbar an einem angrenzenden
Innenkettenglied befestigt und verbindet durch die Außenlaschen 9 das
Innenkettenglied mit einem zweiten Innenkettenglied, wobei die Außenlaschen 9 parallel
zu den Innenlaschen 8 verlaufen. Die Gelenkbolzen 3 des
Außenkettenglieds
sind in den Gelenkhülsen 5 des
Innenkettenglieds drehbar gelagert, wodurch die Verbindung jeweils
ein Kettengelenk 2 der Gelenkkette 1 bilden. Die
Achsen der ineinander verlaufenden Gelenkbolzen 3 und der
Gelenkhülsen 5 fluchten
zueinander.
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Die
in 1 gezeigten Gelenkbolzen 3 der Gelenkkette 1 bestehen
vollständig
aus einem kohlenstoffhaltigen Stahl mit einem hohen Kohlenstoffanteil,
z.B. 100 Cr6, 59 CrV4 oder C60, wobei die Gelenkfläche, d.h.
die Zylinderoberfläche,
des Gelenkbolzens 3 oder zumindest die Lagerfläche 4 des
Gelenkbolzens 3 mit einer in einem PVD-Verfahren aufgetragenen CrN-Hartstoffschicht
versehen ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Gelenkhülse 5 aus
einem kohlenstoffhaltigen Material hergestellt sein und auf ihrer
Gelenkfläche
bzw. der Lagerfläche 6 mit
einer PVD-Hartstoffschicht versehen sein.
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Die
mit einer PVD-Hartstoffschicht versehene Lagerfläche 4 des Gelenkbolzens 3 bzw.
die Lagerfläche 6 der
Gelenkhülse 5 erweist
sich durch ihre große
Härte bei
einer gleichzeitig verhältnismäßig glatten
Oberfläche
als gut geeigneter Gleitpartner für die Lagerflächen herkömmlicher
Gelenkhülsen
bzw. Gelenkbolzen.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform der Gelenkkette 1 als
Hülsenkette
berühren
die Zahnflanken eines eingreifenden Kettenrads die feststehenden
Gelenkhülsen 5 stets
an der gleichen Stelle ihrer äußeren Oberfläche, weshalb
auch hier ein hoher Verschleißwiderstand
notwendig ist, der ebenfalls mittels einer PVD-Hartstoffschicht
erreicht werden kann. Da die äußeren Oberflächen der
Gelenkhülsen 5 direkt
in die Zähne
des Kettenrads eingreifen, weisen Hülsenketten jedoch auch einen
vergleichsweise großen
Durchmesser der Gelenkbolzen 3 auf. Der große Durchmesser
eines Gelenkbolzens 3 bewirkt über eine große Gelenkfläche eine
geringere Gelenkflächenpressung
und damit einen geringeren Verschleiß im Kettengelenk. Daher werden
Hülsenketten
insbesondere im Automobilbereich mit hoch beanspruchten Nockenwellenantrieben
sowie in schnell laufenden Dieselmotoren eingesetzt.
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2 zeigt
die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gelenkkette 1 als
Rollenkette. Im Folgenden werden daher nur die Wesentlichen Unterschiede
der in 2 gezeigten Rollenkette gegenüber der Hülsenkette aus 1 beschrieben.
Für identische
und wir kungsgleiche Elemente werden gleiche Bezugsziffern verwendet
und diesbezüglich auf
die obige Beschreibung zu 1 verwiesen.
Bei der Rollenkette besteht das Innenkettenglied ebenfalls aus zwei
parallel verlaufenden Innenlaschen 8 und zwei die Innenlaschen 8 miteinander
verbindenden Gelenkhülsen 5 sowie
zusätzlich
aus zwei zwischen den Innenlaschen 8 die Gelenkhülsen 5 umschließende Laufrollen 10.
Neben den Gelenkbolzen 3 sind auch die Laufrollen 10 senkrecht
zu den Innenlaschen 8 angeordnet. Die Achsen der ineinander verlaufenden
Laufrollen 10, Gelenkhülsen 5 und
Gelenkbolzen 3 fluchten zu einander.
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Die
sich über
die Gelenkhülsen 5 drehenden Laufrollen 10 einer
Rollenkette rollen mit wenig Reibung an den Zahnflanken des mit
der Rollenkette in Eingriff stehenden Kettenrades ab, so dass immer wieder
eine andere Stelle des Umfangs der Laufrollen 10 zum Tragen
kommen. Üblicherweise
ist zwischen den Laufrollen 10 und den Gelenkhülsen 5 ein Schmierstofffilm
vorgesehen, der gleichzeitig zur Geräusch-Stoßdämpfung beiträgt. Die
Kettengelenke 2 der Rollenkette weisen durch den im Vergleich
zur Hülsenkette
geringeren Durchmesser der Gelenkbolzen 3 eine kleinere
Gelenkfläche
und damit eine größere Gelenkflächenpressung
auf. Diese erhöhte
Belastung des Kettengelenks 2 erfordert eine besondere
Beachtung der Verschleißeigenschaften
entsprechend eine erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Gelenkbolzens 3 und/oder der Gelenkhülse 5 aus
einem hochkohlenstoffhaltigen Stahl mit einer PVD-Hartstoffschicht.