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Die
Erfindung betrifft einen Außenring
für ein Gelenklager
bzw. ein solches Gelenklager, wobei der Außenring eine innen liegende
Gleitschicht und eine außen
liegenden Tragschicht aufweist und wobei die Gleitschicht und die
Tragschicht aus einem gewickelten Faserverbundwerkstoff gebildet
sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung
eines solchen Außenrings,
bei dem nacheinander eine Gleitschicht und eine Tragschicht aus
Kunstharz getränkten
Fasern auf einen Wickeldorn aufgewickelt und nach dem Aushärten aus
dem so erzeugten Wickelkörper
Außenringe
gebildet werden.
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Ein
solches Verfahren ist beispielsweise aus der
DE 42 20 327 C1 bekannt.
Bei dem dort offenbarten Verfahren zur Herstellung von Gelenklagern
wird ein Wickelkern verwendet, der aus einer abwechselnden Anordnung
von Formringen zur Bildung des pfannenförmigen Innenprofils des Außenrings
und Trennringen zur Bildung der stirnseitigen Flächen besteht. Als Gleitschichtmaterial
werden Kunstharz getränkte
PTFE- und/oder hochfeste Fasern vorgeschlagen, die auf den Wickelkern
aufgewickelt werden. Nach dem Aushärten des so gebildeten Wickelkörpers und
nach außenumfänglicher
Materialabtragung können
die Außenringe
und die Trennringe einzeln von der Welle abgezogen werden. Die Formringe
verbleiben bei diesem Verfahren nach dem Abziehen von der Welle
in dem Außenring
und bilden den Innenring des Lagers. Der Nachteil ist, dass herstellungsbedingt
kein Lagerspiel eingestellt werden kann und dass der Außenring
den Formring, respektive den Innenring, eng umschließt. Ein
solches Lager neigt zu einem schnellen Verschleiß.
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Andere
Verfahren, bei denen der Außenring und
der Innenring getrennt hergestellt und nachträglich miteinander verbunden
werden, sind mannigfaltig bekannt. Hierbei steht man immer vor der
Frage, auf welche Weise der Außenring
und der Innenring zusammengefügt
werden sollen. Die
DE
84 00 958 U1 schlägt
beispielsweise vor, den Außenring
des Radial-Gelenklagers so zu gestalten, dass dieser auf einer Stirnseite
axial gerichtete federnde Stege aufweist, die beim Einsetzen des
Lagers in eine Gehäusebohrung
verformt werden, so dass ein Teil des Außenrings sich mit Vorspannung
an die Oberfläche des
zuvor eingebrachten, darin gelagerten Kugelzapfens anlegen. Auch
hierbei besteht der Nachteil, dass sich das Lagerspiel auf diese
Weise nur ungenau einstellen lässt.
Ferner ist die Tragfähigkeit
des Lagers aufgrund der umfänglich
vereinzelten, elastischen Stege nicht eingeschränkt optimal.
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Aus
der
WO 89/02542 A1 ist
ein Außenring aus
zwei ineinander verpressten und/oder verschweißten Blechtöpfen bekannt, zwischen denen der
Innenring eingeschlossen wird. Hierbei wird der zwischen den Blechtöpfen des
Außenrings
und dem Innenring eingeschlossene Hohlraum anschließend mit
Kunststoff ausgefüllt. Ähnlich wie
bei der
DE 42 20 327
C1 lässt
sich auch hier kein Lagerspiel einstellen. Der Herstellungsprozess
ist zudem aufwendig und die Fertigungsgenauigkeit gering.
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Die
DE 20 2004 013 251
U1 und die
DE
10 2004 041 084 A1 schlagen zur Lösung des Problems einen aus
zwei Ringen zusammengesetzten Außenring vor. Die zwei Ringe
werden gemäß der
DE 20 2004 013 251
U1 stirnseitig mittels Schweiß- oder Lötverbindung stoffschlüssig miteinander
verbunden. Als Material für
den Außenring
wird entweder Metall oder Keramik vorgeschlagen. Im Fall der
DE 10 2004 041 084
A1 werden die Ringe des geteilten Außenrings mittels einer gewickelten Umhausung
radial und axial fixiert. Als Werkstoff für die Umhausung wird unter
anderem ein Faserverbundwerkstoff vorgeschlagen.
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Eine
Weiterbildung des aus der
DE
42 20 327 C1 bekannten Verfahrens ist aus der
DE 295 12 317 U1 bekannt.
Hier ist der Wickelkern dahingehend weitergebildet, dass die Trennringe
je zwei gegenüberliegende,
axial gerichtete Vorsprünge
aufweisen. Diese Vorsprünge
bilden die Form für
Einführnuten
in den ausgeformten Außenringen,
welche so bemessen sind, dass der Formring unter Drehung aus dem ausgehärteten Außenring
herausgenommen und anschließend
der eigentliche Innenring eingeführt
werden kann. Zwar ist es auf diese Weise möglich, das Lagerspiel individuell
einzustellen. Jedoch hat dieses Verfahren den Nachteil, dass aufgrund
der Einführnuten
der Lastquerschnitt des Außenrings
verringert ist. Außerdem
bilden die Nuten quer zur Laufrichtung verlaufende Kanten, welche
einen Schmierfilmabriss und damit unzureichende Lagerschmierung
bewirken können.
Schließlich
ist hier die Verschmutzungsgefahr erhöht.
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Die
DE 20 2005 005 829
U1 behandelt spritzgegossene Lagergehäuse oder Lagerkörper aus Kunststoff,
bei denen der Lagerkörper
bzw. das Lagergehäuse
sogleich als Form für
den jeweiligen Gegenläufer
verwendet werden. Ähnlich
wie im Fall der
DE
42 20 327 C1 ergibt sich hieraus der Nachteil, dass bei
diesem Verfahren kein Lagerspiel eingestellt werden kann.
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Die
DE 35 24 761 A1 beschreitet
einen anderen Weg, indem sie einen an einer Stelle gesprengten Außenring
vorschlägt,
auf dessen Innenoberfläche
mit Hilfe eines Werkzeugrings als Gießform ein Gleitlager aufgegossen
wird. Zum Entfernen des Werkzeugrings und zum anschließenden Einsetzen des
Innenrings wird der Außenring
an der Trennfuge auseinander gezogen und somit aufgebogen.
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Metallische
Außenringe
für Gelenklager,
welche eine axiale Trennfuge aufweisen, sind ferner aus den Dokumenten
GB 1 107 880 A ,
GB 1 238 302 A und
GB 1 346 321 A bekannt.
Die Trennfugen der metallischen Außenringe kommen herstellungsbedingt
dadurch zustande, dass die Außenringe
aus vorgefertigten Platinen in einem Biegewerkzeuge um den Innenring
herum gebogen werden.
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Alle
vorgenannten Verfahren weisen entweder den Nachteil auf, dass die
Lager nicht mit ausreichender Genauigkeit und deshalb mit unzureichenden
Eigenschaften hergestellt werden können oder dass die Herstellungsverfahren
meist mehrere aufeinander folgende Prozess-Schritte und die Verarbeitung
verschiedener Materialien erfordern, was den Herstellungsprozess
langwierig und teuer gestalten und die Haltbarkeit der Lager einschränken kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, besagte Nachteile zu überwinden.
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Die
Aufgabe wird durch einen Außenring
gemäß Anspruch
1, ein Gelenklager gemäß Anspruch
9 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch
12 gelöst.
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Die
erfindungsgemäß vorgesehene,
den Außenring öffnende
Trennfuge dient anders als bei dem bekannten Stand der Technik nicht
dem Entformen eines Werkzeug- oder Formrings, sondern nur zum Zusammenbau,
d. h. zum nachträglichen
Einsetzen eines Innenrings. Gegenüber den bekannten Außenringen
mit gegossener Gleitschicht, ist die Gleitschicht des erfindungsgemäßen Außenrings
mit einem Verstärkungselement
versehen und weist eine bessere Haftanbindung an die Tragschicht
auf, was zusammen für
eine verbesserte Stabilität
des Lagers sorgt. Erfindungsgemäß macht
man sich die Elastizität
und die fertigungsbedingte Materialspannung des gewickelten Faserverbundwerkstoffes
zu nutze. Man hat nämlich
festgestellt, dass durch Wickeltechnik hergestellte Lagerringe eine
ausreichend große,
in Umfangsrichtung wirkende Eigenspannung aufweisen, welche dafür sorgt,
dass die Trennfuge sich von selbst wieder schließt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
die Gleitschicht und die Tragschicht deshalb in einfacher Weise
auf einen zylindrischen Wickeldorn aufgewickelt werden. Dies kann
geschehen, indem die Gleitschicht entweder aus einem einzelnen Faden
oder einer einzelnen Faser, einem Bündel von Fäden oder Fasern oder aus einem
vorgefertigten Gewebe oder Gewirke (Pre-Preg) gewickelt bzw. um den
Wickeldorn gelegt wird. Der so erzeugte rohrförmige Wickelkörper mit
Kreisquerschnitt wird nach Aushärten
der Kunststoffmatrix entformt. Ein daraus beispielsweise durch Absägen vereinzelter
zylindrischer Außenring
wird mit genau einer diesen öffnenden
Trennfuge versehen, welche sich aufgrund der Eigenspannung des gewickelten
Ringwerkstoffes schließt.
Die Trennfuge verläuft
vorzugsweise in axialer Richtung und besonders bevorzugt in einer
Ebene, die die Zylinderachse des Ringes einschließt, so dass
die elastische Kraft senkrecht auf den beiden stirnseitigen Schnittflächen steht
und zu keinen Relativverschiebung der offenen Ringenden führt. In
einer alternativen Ausführungsform
verläuft
die Trennfuge in einem Zickzackmuster oder unregelmäßig.
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Der
Querschnitt des Rings ist nach dem Schließen der Trennfuge, wenn diese
eine endliche Schnittbreite aufweist, zwar nicht mehr ideal kreisförmig. Dies
ist aber nicht nachteilig, da er erfindungsgemäß zumindest auf der Innenseite
nachgearbeitet wird. Dort wird Gleitschichtmaterial von dem Ring
abgetragen wird, so dass die Gleitschicht eine teilsphärische Innenkontur
zur Aufnahme eines Innenrings mit kugelsegmentförmiger Oberfläche gewünschter Abmessung
erhält.
Auf diese Weise wird zugleich das benötigte Lagerspiel eingestellt.
Durch die geschlossene Trennfuge und das exakte Nacharbeiten ist
sichergestellt, dass die Gleitfläche
einen maximalen Tragquerschnitt über
den gesamten Umfang erhält.
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In
der Regel wird der Außenring
auch an seiner Außenseite
nachgearbeitet werden. Dies wird von dem Verhältnis aus Ringumfang zu Schnittbreite der
Trennfuge abhängen.
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Die
Gleitschicht des Außenrings
weist als Verstärkungselement
erfindungsgemäß einen
Kunststofffaden mit Polyesterfilamenten und mit eingearbeiteten
PTFE-Partikeln auf. In entsprechender Weise wird das erfindungsgemäße Verfahren
weitergebildet.
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Wird
die Gleitschicht mittelbar oder unmittelbar aus einem Kunststofffaden
mit Polyesterfilamenten und mit eingearbeiteten PTFE-Partikeln gewickelt – mittelbar
oder unmittelbar in dem oben genannten Sinne, dass die Gleitschicht
entweder aus einem einzelnen Kunststofffaden, einem Bündel von
Kunststofffäden
oder aus einem aus Kunststofffäden
gebildeten Gewirke oder Gewebe gewickelt wird –, ergibt sich eine deutlich
verbesserte Nachbearbeitbarkeit im Vergleich mit bekannten Faserverbundwerkstoffen.
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Als
Festschmierstoff selbstschmierender Gleitschichten ist der Einsatz
von PTFE (Polytetrafluorethylen) oder Graphit zwar bekannt. Diese
Substanzen werden entweder in Partikelform der Kunststoffmatrix
beigemischt oder im Fall von PTFE in Form eines Filaments zusammen
mit anderen Kunststofffilamenten zu dem Kunststofffaden der Gleitschicht
verzwirnt. Als Fadenkunststoff wird im Übrigen bekanntermaßen meist
Polyester eingesetzt. Typischerweise werden dabei zwei Polyester
und ein PTFE-Filament miteinander zu einem Faden verzwirnt.
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Jedoch
konnten noch nicht für
alle Anwendungen zufrieden stellende tribologische und mechanische
Eigenschaften erzielt werden. PTFE ist nämlich bedingt durch die starke
zwischenmolekulare Bindung der Kohlenstoff- und Fluoratome sehr
reaktionsträge
und hat eine sehr geringe Oberflächenspannung.
Eine chemische Reaktion der Kunststoffmatrix mit dem PTFE findet
deshalb nicht oder nicht nennenswert statt. Insbesondere bei Verwendung der
bekannten Kunststofffäden
aus zwei Polyester- und einem PTFE-Filament wurde festgestellt,
dass die PTFE-Filamente nur eine sehr geringe Haftanbindung zur
Kunststoffmatrix erreichten. Dies hat zur Folge, dass die bekannten
Gleitschichten nur schwer oder nahezu gar nicht mechanisch nachbearbeitet werden
konnten, da die PTFE-Filamente nicht selten aus dem Faserverbund
herausgelöst
wurden. Die Folge war meistens eine Delamination der Gleitschicht,
eine Verschlechterung der tribologischen Eigenschaften und der Verschleißfestigkeit
der Gleitschicht.
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Dieses
Problem wird durch eine Gleitschicht auf Basis des erfindungsgemäßen Kunststofffadens mit
Polyesterfilamenten und mit darin eingearbeiteten, insbesondere
eingesponnenen PTFE-Partikeln gelöst. Dieser Faden hat gegenüber den
bekannten gezwirnten Fasern zudem den Vorteil einer größeren Variabilität des Gehalts
der einzelnen Komponenten des Fadens bzw. der Faser, insbesondere
seines PTFE-Gehalts.
Daher lassen sich bereits bei der Herstellung des Kunststofffadens
dessen Eigenschaften sehr viel präziser modifizieren. Aus dem
Umstand, dass die PTFE-Partikel im Gegensatz zu dem PTFE-Filament
nicht zusammenhängen,
d. h. durch die innerhalb der Polyesterfilamente zufällig angeordneten
und verankerten PTFE-Partikel
erscheint der Kunststofffaden aufgerauter und es wird eine bessere
Haftanbindung zwischen dem Kunststofffaden und er Kunststoffmatrix
erreicht. Schließlich
verstärkt
die Einbindung der PTFE-Partikel in den Kunststofffaden den mechanischen
Halt derselben vor allem durch Formschluss.
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Die
Gleitschicht lässt
sich deshalb mechanisch, d. h. spanabhebend gut bearbeiten. Die
Verwendung des Kunststofffadens mit PTFE-Partikeln in der Gleitschicht
eignet sich daher insbesondere für die
erfindungsgemäßen Außenringe,
bei welchen erst nachträglich
Gleitschichtmaterial auf der Innenseite des Wickelkörpers abgetragen
wird. Neben der besseren Bearbeitbarkeit werden durch die verbesserte
Einbindung der PTFE-Partikel auch verbesserte Verschleißwerte,
insbesondere hinsichtlich des Tiefenverschleißes erzielt.
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Auch
gegenüber
den bekannten Gleitschichten mit PTFE-Partikeln als Festschmierstoff
in der Kunststoffmatrix hat eine solche erfindungsgemäße Gleitschicht
Vorteile. Auch als Festschmierstoff in der Kunststoffmatrix wirkt
sich PTFE nämlich
festigkeitsmindernd aus, wodurch die tribologischen Eigenschaften
bei hoher Belastung und in wässriger
Umgebung beeinträchtigt
werden und während
die PTFE-Partikel
in der Kunststoffmatrix durch unterschiedliche Materialdichte meist
eine inhomogene Verteilung einnehmen, ist die Verteilung der Partikel über die
gesamte Gleitfläche
gesehen sehr homogen, da die Partikel fest in der Faser/dem Faden
eingebunden sind, welcher sich durch die gesamte Dicke der Gleitschicht
erstreckt. Aufgrund der verbesserten Homogenität und der verbesserten mechanischen
Einbindung werden schließlich
auch verbesserte tribologische Eigenschaften erzielt. Dies gilt
sowohl bei Trockenlauf als auch bei Einsatz in wässriger Umgebung.
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Es
hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Gewichtsanteil
der PTFE-Partikel im Kunststofffaden zwischen 2 Gew.-% und 60 Gew.-%
und der Gewichtsanteil der Polyesterfilamente im Kunststofffaden
zwischen 40 Gew.-% und 98 Gew.-% beträgt. Bei einem höheren Anteil
an PTFE-Partikeln wird die Anbindung der Partikel an die Fasern schlechter
und die Belastbarkeit der Gleitschicht nimmt ab. Besonders bevorzugt
beträgt
der Gewichtsanteil der PTFE-Partikel im Kunststofffaden zwischen
2 Gew.-% und 40 Gew.-%, der der Polyesterfilamente zwischen 60 Gew.-%
und 98 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt beträgt der Gewichtsanteil der PTFE-Partikel
zwischen 30 Gew.-% und 36 Gew.-%, während der Gewichtsanteil der
Polyesterfilamente im Kunststofffaden zwischen 64 Gew.-% und 70
Gew.-% beträgt.
In diesem Zusammensetzungsbereich ist das Verhältnis aus Haltbarkeit und den
tribologischen Eigenschaften der Gleitschicht für die meisten in Frage kommenden
Gleitpartner optimal eingestellt.
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In
diesem Gewichtsverhältnis
bleibt die Haftung zwischen dem Kunststofffaden und der Kunststoffmatrix
ausreichend hoch, so dass eine gute Bearbeitbarkeit erzielt wird.
Andererseits ist der Anteil der PTFE-Partikel ausreichend hoch,
um eine gute Gleiteigenschaft zu erzielen.
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Wie
bereits zuvor bemerkt, kann das Verstärkungselement des Faserverbundwerkstoffes
die Struktur eines aus dem Kunststofffaden erzeugten Gewebes oder
Gewirkes aufweisen oder die schlichte Wickelstruktur eines einzelnen
Fadens oder mehrerer paralleler oder gebündelter Fäden, welche durch Wickeln auf
einem Wickelkern typischerweise erzeugt wird.
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Hierbei
kommen die Vorzüge
des erfindungsgemäß verwendeten
Kunststofffadens besonders gut zum Tragen. Aufgrund seiner Aufgerautheit eignet
er sich nämlich
hervorragend für
die Herstellung von Gleitschichten im Wickelverfahren, bei dem der
Faden zunächst
durch eine Tränkwanne
mit Kunstharz geführt
wird und dabei ausreichend von dem Kunstharz durchtränkt wird.
Das Wickelverfahren bietet den Vorteil, dass damit eine bestimmte
Wickelstruktur erzeugt werden kann, welche auf die beabsichtigte
Anwendung des Gleitelements bzw. der Gleitschicht abgestimmt ist.
So können
die Fasern möglichst
beanspruchungsgerecht, d. h. der Kraft- und Spannungsverteilung
entsprechend im Faserverbund positioniert werden.
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Die
Gleitschicht weist bevorzugt eine Kunststoffmatrix aus Kunstharz
und besonders bevorzugt aus Epoxydharz auf, wie dies beispielsweise
aus der
DE 23 41 333
A1 bekannt ist.
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Für manche
Anwendungen werden – zusätzlich zu
den in den Kunststofffaden eingesponnenen PTFE-Partikeln – bevorzugt
auch der Kunststoffmatrix PTFE-Partikel hinzugefügt. Auch diese Maßnahme zur
Verbesserung der Gleiteigenschaften ist beispielsweise aus der
DE 23 41 333 A1 bekannt.
Der Anteil der PTFE-Partikel in der Kunststoffmatrix beträgt dabei
höchstens
40 Gew.-%.
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Alternativ
kann die Kunststoffmatrix Graphit-Partikel enthalten. Der Gewichtsanteil
der Graphit-Partikel in der Kunststoffmatrix beträgt bevorzugt zwischen
1 Gew.-% und 40 Gew.-%.
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Es
können
ferner auch sowohl PTFE-Partikel als auch Graphit-Partikel zur Kunststoffmatrix
zugegeben werden, deren Gesamtgewichtsanteil vorzugsweise nicht
mehr als 40 Gew.-% beträgt.
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Wie
auch die Gleitschicht, so ist die Tragschicht aus einem gewickelten
Faserverbundwerkstoff ausgebildet. Der faserverstärkte Kunststoff
der Tragschicht besteht vorteilhafterweise aus einer Kunststoffmatrix
mit einer Glasfaser als Verstärkungselement,
wobei die Kunststoffmatrix bevorzugt aus einem Kunstharz, besonders
bevorzugt ebenfalls aus Epoxydharz besteht.
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Wie
für die
Kunststoffmatrix der Gleitschicht eignet sich Epoxydharz auch als
Kunststoffmatrix für die
Tragschicht aufgrund hervorragender Haftungseigenschaften, mechanischer
und dynamischer Eigenschaften.
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Epoxydharz
weist aufgrund seiner molekularen Struktur ferner eine sehr gute
Feuchtigkeitsbeständigkeit
und vergleichsweise wenig Quellneigung auf. Aufgrund der Verwendung
derselben Kunststoffmatrix in der Gleitschicht und der Tragschicht
erhöhen
sich zudem die Bindungskräfte
zwischen der Gleitschicht und der Tragschicht. Auch das Verstärkungselement
der Tragschicht weist bevorzugt die Struktur eines aus der Glasfaser
erzeugten Gewebes oder Gewirkes, das um einen Wickelkern gewickelt wurde,
oder in einer anderen bevorzugten Ausführungsform eine Wickelstruktur
auf, die durch Wickeln der Glasfaser bzw. eines Glasfaserbündels auf
einen Wickeldorn erzeugt wird.
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Werden
die Gleitschicht und die Tragschicht nacheinander im Wickelverfahren
auf einem Wickeldorn abgelegt, erhöht dies die Effizienz der Herstellung
des Lagerverbundwerkstoffs.
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Besonders
bevorzugt ist die Trennfuge keilförmig mit einem sich radial
nach innen verjüngenden Querschnitt
ausgebildet.
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Hierbei
wird der Schnitt, mit dem die Trennfuge erzeugt wird, so ausgewählt, dass
die beiden stirnseitigen Schnittflächen nach dem Schließen der Trennfuge
vollflächig
aneinander anliegen. Der Keilwinkel des Trennfugenschnittes muss
somit einem Winkelsegment des durch den Außenring gebildeten Kreises
entsprechen.
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Die
Trennfuge kann mittels Formfräser,
Sägeblatt
und dgl. oder mittels Wasserstrahlschneiden oder Laserstrahlschneiden
erzeugt werden. Aufgrund der großen inneren Werkstückspannung
wurde das Wasserstrahlschneiden als verfahrenstechnisch bevorzugt
herausgefunden. Zudem tritt bei diesem Verfahren kein Werkzeugverschleiß auf, welcher gerade
bei Verbundwerkstoffen zu kurzen Werkzeugstandzeiten führen kann.
Die so erzeugten Trennfugen weisen alle eine „endliche Schnittbreite" auf. Eine Trennfuge
ohne Schnittbreite und damit ohne die Kreisform des Rings zu beeinträchtigen
kann ferner in bekannter Weise durch Bruchtrennen oder das so genannte „Cracken" erzeugt werden.
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Weitere
Aufgabe, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend
anhand von Ausführungsbeispielen
mit Hilfe der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch den in der erfindungsgemäßen Gleitschicht verwendeten
Kunststofffaden;
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2a,
b eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Gelenklagers,
zur Illustration im Teilschnitt und in vollständiger Darstellung;
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3a,
b zwei Diagramme des Reibungskoeffizienten eines erfindungsgemäßen Radialgleitlagers
unter verschiedenen Belastungen im Trockenlauf;
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4a,
b zwei Diagramme des Reibungskoeffizienten eines erfindungsgemäßen Radialgleitlagers
unter verschiedenen Belastungen im Nasslauf und
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5 einen
Querschnitt durch das erfindungsgemäße Gelenklager.
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Der
erfindungsgemäß für die Gleitschicht des
Außenrings
als Verstärkungselement
verwendete Kunststofffaden 10 ist in vergrößerter Schnittdarstellung
in 1 gezeigt. Dieser besteht aus längs des
Fadens orientierten Polyesterfilamenten 12 und enthält als zweiten
Bestandteil PTFE-Partikel 14, welche in zufälliger Anordnung
in die Polyesterfilamente 12 eingesponnen sind. Beim Herstellungsprozess gibt
es sehr viele Möglichkeiten
die Eigenschaften des Fadens zu modifizieren. Beispielsweise kann die
Anzahl der Polyesterfilamente 12 pro Faden 10 je nach
Anwendungsfall variiert werden. Dabei sollte jedoch auf ausreichenden
Formschluss mit den eingebundenen PTFE-Partikeln 14 geachtet werden.
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Ebenso
kann das Gewichtsverhältnis
zwischen den Polyesterfilamenten 12 und den PTFE-Partikeln 14 variiert
werden. Besonders bevorzugt im Hinblick auf die Haftung, Reibung
und Gleiteigenschaft hat sich jedoch herausgestellt, wenn im Kunststofffaden
der Gewichtsanteil der PTFE-Partikel 14 zwischen
30 Gew.-% und 36 Gew.-% und der Gewichtsanteil der Polyesterfilamente 12 zwischen 64
Gew.-% und 70 Gew.-% beträgt.
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Der
Titer des Kunststofffadens 10 gemäß 1 hat einen
bevorzugten Wert zwischen 100 dtex und 600 dtex, insbesondere zwischen
400 dtex und 550 dtex (1 dtex = 1 g/1000 m Garn).
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Durch
diese Parameter wird eine ausreichend feste Einbindung der PTFE-Partikel 14 in
die Polyesterfilamente 12 erreicht, die sowohl zu Gunsten
der Verschleißfestigkeit
als auch für
die mechanische Bearbeitung ausreichend Halt finden. Deshalb behält die Gleitschicht
ihre guten tribologischen Eigenschaften auch dann, wenn sie beispielsweise durch
Fräsen
von Nuten oder durch Aufbohren nachgearbeitet wird.
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Die
PTFE-Partikel 14 sind ferner über die Fadenlänge und
damit über
die gesamte gewobene, gewirkte oder gewickelte Struktur des Verstärkungselements
homogen verteilt. Der Faden 10 lässt sich aufgrund des zum Teil
lockeren Verbundes, welcher eine Vielzahl von Kanälen bildet,
hervorragend benetzen und damit gut verarbeiten. Die in die Tiefe
der Kanäle eindringende
Vernetzung der Matrix sorgt für
eine verbesserte Haftanbindung.
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Insgesamt
erscheint der Kunststofffaden 10 wie auch die fertige Gleitschicht
aufgeraut oder faserig. Diese optische Rauhigkeit ist auf die zufällig orientierten
PTFE-Partikel 14 zurückzuführen und
aufgrund deren Gleiteigenschaft nicht mit einem erhöhten Reibwert
verbunden. Insgesamt ist die Gleiteigenschaft der erfindungsgemäßen Gleitschicht
in verschiedenen Anwendungen auch über lange Beanspruchungsdauer
gleich bleibend gut, wie im Zusammenhang mit den Diagrammen gemäß 3 und 4 erkennbar
wird.
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2a, 2b und 5 zeigen
das erfindungsgemäße Gelenklager 20 in
verschiedenen Ansichten. Es besteht aus einem Außenring 22, der einen
Innenring 24 einfasst, das heißt formschlüssig und unverlierbar umgibt.
Der Außenring 22 weist
auf seiner Innenseite eine Gleitschicht 26 und auf seiner Außenseite
eine Tragschicht 28 auf.
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Beide
Schichten 26, 28 sind nacheinander im Wickelverfahren
auf einem Wickeldorn abgelegt worden, wodurch eine typische Wickelstruktur
entsteht. Das Wickeln stellt für
rotationssymmetrische Gleitelemente ein besonders einfaches und
kostengünstiges
Herstellungsverfahren dar. Die Strukturen beider Schichten können individuell
auf einfache Weise an die mechanischen Anforderungen des Lagers
angepasst werden. Neben einfachen Kreuzstrukturen einzeln abgelegter
Fäden lassen
sich die Fäden
auch zu Bündeln
gruppiert wickeln, wodurch die entsprechende Schicht schneller gewickelt
werden kann. Die Gleitschicht und die Tragschicht können auch
in unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden.
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Während in
der Gleitschicht 26 und der Tragschicht 28 unterschiedliche
Verstärkungselemente, nämlich der
in 1 dargestellte Kunststofffaden einerseits bzw.
Glasfasern in der Tragschicht 28 andererseits verwendet
werden, ist die Kunststoffmatrix in beiden Schichten bevorzugt dieselbe,
nämlich
Epoxydharz. Dieses eignet sich aufgrund seiner hervorragenden Haftungs-
und mechanischen Eigenschaften sehr gut. Alternativ können beispielsweise
aber auch ungesättigte
Polyesterharze oder Vinylesterharze verwendet werden.
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Für die Tragschicht 28 kommen
außer
den bewährten
Glasfasern auch beispielsweise Kohlefasern als Verstärkungselemente
in Betracht. Auch kann der Faden zunächst zu einem Gewebe, Gewirke
oder einem sonstigen Gelege vorverarbeitet werden.
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Der
Kunststoffmatrix der Gleitschicht 26 werden in vielen Anwendungsfällen Festschmierstoffe wie
beispielsweise Graphit-Partikel
oder PTFE-Partikel beigemischt. Die Tragschicht 28 weist
dagegen in aller Regel eine Kunststoffmatrix ohne Beimischung zusätzlicher
Bestandteile auf.
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Die
Gleitschicht 26 weist auf Ihrer nach innen gewandten Seite
eine Sphärisches
Oberflächenprofil auf,
welches komplementär
zu dem Kugelsegment ist, das von dem Innenring 24 gebildet
wird. Dieses Oberflächenprofil
wird nach Aushärten
des fertigen Wickelkörpers,
Abtrennen eines Rings und Trennen des Rings entlang der Trennfuge 30 durch
Bohren oder Drehen erzeugt. Dabei werden aufgrund der zuvor beschriebenen
Eigenschaften des erfindungsgemäß verwendeten
Fadens als Verstärkungselement eine
sehr hohe Genauigkeit erzielt und dabei die tribologischen Eigenschaften
der Gleitschicht nicht beeinträchtigt.
Insbesondere kann auf diese Weise das erwünschte Lagerspiel sehr genau
eingestellt werden. Die Gleitschicht 26 ist aufgrund des
Profils im Scheitelbereich 27 radial dünner ausgebildet als die Tragschicht 28.
Deshalb muss beim Wickeln bereits die Geometrie des Gelenklagers 20 berücksichtigt und
eine ausreichend dicke Gleitschicht 26 aufgetragen werden.
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Der
Innenring 24 wird danach in den fertigen Außenring 22 eingesetzt,
wobei letzterer im Bereich der Trennfuge 30 gespreizt wird.
Das Spreizen kann durch Einpressen des Innenrings 24 oder
unterstützend
durch aufziehend des Außenrings 22 geschehen.
Der Außenring
schnappt danach aufgrund seiner Eigenspannung elastisch zusammen
und fixiert den Innenring unverlierbar. Die Trennfuge 30 schließt sich.
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Der
Innenring 24 weist wie gewöhnlich axial eine größere Länge auf
als der Außenring 22,
sodass er, wenn beide Ringe koaxial ausgerichtet sind, aus diesem
auf beiden Seiten symmetrisch herausragt. Der Innenring 24 weist
wie ebenfalls gewöhnlich
eine zentrale Durchgangsbohrung 32 zur Aufnahme einer zu
lagernden Welle auf.
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Die 3a,
b zeigen das Verhalten des Reibungskoeffizienten zwischen einer
erfindungsgemäßen Radialgleitlagerbuchse
und einer darin gelagerten Welle aus Stahl, welches in einem Testversuch
im Trockenlauf ermittelt wurde. Hierbei wurde die Welle mit einer
Rauheit von Ra = 0,4 bis 0,8 um einen Winkel
von 45° und
mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 0,01 m/s hin- und hergedreht.
Die dabei radial aufgebrachte spezifische Belastung betrug im Fall der
oberen Messkurve 25 MPa (3a). Im
Fall der unteren Messkurve (3b) wurde
unter ansonsten identischen Bedingungen eine radiale spezifische Belastung
von 50 MPa aufgebracht.
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Die
Ergebnisse zeigen, dass nach einer kurzen Einlaufphase von etwa
2000 Zyklen jeweils ein minimaler Reibungskoeffizient erreicht wurde,
welcher im Fall der höheren
Belastung über
die gesamte Testdauer von 60000 Zyklen in etwa konstant bei 0,05
lag. Im Fall der geringeren Belastung stieg der Reibungskoeffizient
nach Erreichen des Minimums zunächst
langsam von etwa 0,06 an, erreichte nach einer Dauer von etwa 15000
Zyklen aber eine Sättigung
bei etwa 0,1. Der leicht erhöhte
Reibungskoeffizient im Fall der geringeren Belastung steht im Einklang
mit der Verschleißrate.
Diese lag bei 25 MPa bei einem Wert von 5,1 μm/km (Gleitstrecke), während er
im Fall der höheren
Belastung von 50 MPa einen Wert von 10,7 μm/km erreichte. Durch den insgesamt
erhöhten
Verschleiß bei
größerer Belastung von
35 μm gegenüber 17,5 μm bei geringerer
Belastung wird mehr Festschmierstoff freigesetzt, der den Reibwert
senkt. Daher konnte vor allem im Fall der höheren Belastung auch eine signifikante
Glättung der
druckbeaufschlagten Gleitlagerfläche
festgestellt werden.
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Die 4a und 4b zeigen
das Verhalten des Reibungskoeffizienten der in einer Radialgleitlagerbuchse
gelagerten Welle unter Nasslaufbedingungen, d. h. im Wasser. Die
Testbedingungen waren ansonsten dieselben wie oben. Auch hierbei
zeigt sich, dass der Reibungskoeffizient im Fall der höheren Belastung
von 50 MPa, unteres Diagramm in 4b, geringer
ist als im Fall der niedrigen Belastung von 25 MPa, oberes Diagramm 4b.
Der Reibungskoeffizient erreichte nach einer etwas verlängerten
Einlaufphase im Vergleich zum Trockenlauf bei 25 MPa in etwa den
gleichen Wert von 0,1. Bei 50 MPa konnte ein im Vergleich zum Trockenlauf
etwas erhöhter
mittlerer Wert von 0,06 ermittelt werden. Auch hier war eine geringere
Verschleißrate
bei 25 MPa von 8,1 μm/km
und somit ein über
die gesamte Testdauer von etwa 47000 Zyklen geringerer Verschleiß von 21,25 μm gegenüber 27,2 μm/km bzw.
70 μm bei
50 MPa feststellbar. Wiederum konnte vor allem im Fall der höheren Belastung
eine signifikante Glättung
der druckbeaufschlagten Gleitlagerfläche festgestellt werden.
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In
beiden Belastungsfällen
war aber keine signifikante Ablösung
der Gleitschicht erkennbar. Die Verschleißwerte lagen deutlich unter
denen der bekannten Kunststoffgleitelemente.
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Die
vorstehenden Ergebnisse und Schlussfolgerungen lassen sich auf das
erfindungsgemäße Gelenklager übertragen,
wenn als Gleitpartner für den
Außenring
aus Faserverbundwerkstoff mit der PTFE-Partikel enthaltenden Faser
ein Innenring aus Stahl oder zumindest mit einer Stahloberfläche, bevorzugt
aus einem Stahl mit einer Oberflächenharte > 120 HB und besonders
bevorzugt mit einer Oberflächenharte > 180 HB ausgewählt wird.
Alternativ kommen auch Paarungen aus dem erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoff
mit einem Innenring aus Keramik oder einem Metallkeramikwerkstoff
in Frage.
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- 10
- Kunststofffaden
- 12
- Polyesterfilament
- 14
- PTFE-Partikel
- 20
- Gelenklager
- 22
- Außenring
- 24
- Innenring
- 26
- Gleitschicht
- 28
- Tragschicht
- 30
- Trennfuge
- 32
- Bohrung