DE102010006423A1

DE102010006423A1 - Wälzlager

Info

Publication number: DE102010006423A1
Application number: DE102010006423A
Authority: DE
Inventors: Jan 97422 Georgi
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-08-04

Abstract

Ein Wälzlager weist Lagerringe (2, 3) mit einer keramischen Lauffläche (5, 6) und einem sich von dieser unterscheidenden, insbesondere metallischen, Grundwerkstoff auf, wobei zwischen den Lauffläche (6, 7) Wälzkörper (4) abrollen. Die keramischen Laufflächen (6, 7) sind insbesondere stofflich oder formschlüssig mit dem Grundwerkstoff des jeweiligen Lagerrings (2, 3) verbunden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, welches keramische Laufflächen und eine Anzahl Wälzkörper, insbesondere ebenfalls aus einem keramischen Material, aufweist, wobei die Laufflächen auf Lagerringen angeordnet sind, deren Grundwerkstoff sich vom Werkstoff der Laufflächen unterscheidet. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers.
Hintergrund der Erfindung
Ein gattungsgemäßes Wälzlager ist beispielsweise aus der DE 93 08 212 U1 bekannt. Dieses Wälzlager ist für den Einsatz bei hohen Temperaturen vorgesehen und weist Laufringe aus Keramik sowie Borde aus temperaturfestem Stahl auf, wobei die Laufringe aus Laufbahnsegmenten bestehen. Die mehrstückige Ausbildung der keramischen Laufringe soll den Herstellungsaufwand im Vergleich zu einteiligen keramischen Laufringen verringern, hat jedoch zur Folge, dass die Wälzkörper Nahtstellen zwischen den Laufbahnsegmenten überrollen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager mit keramischen Laufbahnen sowie zwischen diesen abrollenden, insbesondere keramischen, Wälzkörpern bereitzustellen, welches sich durch ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Herstellbarkeit und Laufeigenschaften auszeichnet.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers mit den Merkmalen des Anspruchs 18. Nachfolgend im Zusammenhang mit dem Herstellungverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung und umgekehrt.
Das Wälzlager umfasst Lagerringe, die keramische Laufflächen sowie einen sich von den keramischen Laufflächen unterscheidenden, insbesondere metallischen, Grundwerkstoff aufweisen. Zwischen den Laufflächen und dem Grundwerkstoff ist eine dauerhafte, stoffschlüssige Verbindung hergestellt. Insbesondere ist eine solche stoffliche Verbindung durch Kleben oder Löten herstellbar. Eine stoffliche Verbindung zwischen Metall- und Keramikkomponenten eines Maschinenteils ist prinzipiell beispielsweise aus der DE 10 2005 002 315 A1 , aus der EP 0 108 219 B1 , aus der EP 0 164 537 B1 , aus der DE 44 19 838 C2 , sowie aus der DE 102 32 858 A1 bekannt.
Die Wälzkörper des Wälzlagers sind beispielsweise aus einem keramischen Werkstoff oder aus Hartmetall gefertigt. Zur Herstellung der Wälzkörper geeignete keramische Werkstoffe sind beispielseise Siliciumnitrid (Si₃N₄) oder Zirkonoxid (ZrO₂). Von besonderem Vorteil bei Zirkonoxid ist die Tatsache, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. 9 × 10^–6 K^–1 im Unterschied zu Siliciumnitrid dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl relativ ähnlich ist. Siliciumnitrid zeichnet sich dagegen im Verfgleich zu Zirkonoxid durch eine wesentlich geringere Dichte aus, was insbesondere bei schnellaufenden Lagern von Vorteil ist. Prinzipiell sind Wälzlager mit Wälzkörpern aus keramischen Werkstoffen beispielsweise aus der DE 197 29 450 C2 bekannt. Wälzkörpern aus Hartmetall sind beispielsweise aus der DE 28 00 854 C2 bekannt.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform nach Anspruch 4 sind die keramischen Laufflächen formschlüssig mit dem Grundwerkstoff verbunden. Die formschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch eine Bördelung des metallischen Grundwerkstoffs des Lagerrings hergestellt sein. Auch eine Verschraubung zwischen den Laufflächen und dem Grundwerkstoff stellt eine stoffschlüssige Verbindung dar, wobei ein Gewinde des die Lauffläche bildenden keramischen Bauteils in Gewindegänge des Grundwerkstoffs eingreift.
Der Grundwerkstoff, auf welchen die keramische Lauffläche aufgebracht ist, ist beispielsweise eine Leichtmetalllegierung oder ein korrosionsbeständiger Stahl. Eine Härtung des Grundwerkstoffs ist nicht erforderlich. Die stoffliche oder formschlüssige Verbindung zwischen der Lauffläche und dem Grundwerkstoff des Lagerrings sorgt dafür, dass das Wälzlager selbst unter starker mechanischer Belastung, einschließlich Vibrationen, und/oder schwankenden Umgebungsbedingungen, insbesondere wechselnden Temperaturen, zuverlässig betreibbar ist. Durch den Wälzkontakt Keramik/Keramik beziehungsweise Keramik/Hartmetall ist das Wälzlager prädestiniert für ungeschmierte oder mediengeschmierte, beispielsweise wassergeschmierte, insbesondere meerwassergeschmierte, Anwendungen.
Die Herstellung des Wälzlagers nach Anspruch 1 oder Anspruch 4 ist rationell in folgenden Schritten möglich:

– auf zur Fertigung von Lagerringen vorgesehene Grundkörper aus einem metallischen Grundwerkstoff wird ein Verbindungsstoff aufgebracht,
– auf dem Verbindungsstoff wird ein Keramikteil, welches eine spätere Lauffläche bildet, angeordnet,
– der Verbindungsstoff wird mit dem Grundkörper sowie mit dem Keramikteil stofflich verbunden,
– das Keramikteil wird durch spanende Bearbeitung zu einer Lauffläche fertigbearbeitet.

In gleichwertiger Weise kann vor dem Fügen von Grundkörper und Keramikteil der Verbindungsstoff auch auf das Keramikteil aufgebracht werden. Ebenso ist es möglich, Verbindungsstoff sowohl auf den Grundkörper als auch auf das Keramikteil aufzubringen. Unter einem Verbindungsstoff wird in allen Fällen insbesondere ein Klebstoff sowie ein Lot verstanden. In besonders bevorzugter, rationeller Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens wird bei der Fertigbearbeitung der Wälzlagerringe ausschließlich die durch den keramischen Werkstoff gebildete Lauffläche geometrisch undefiniert spanend bearbeitet, insbesondere geschliffen, während eine spanende Bearbeitung der Lagerringe ausschließlich geometrisch definiert, beispielsweise durch Drehen, das heißt ohne Schleifen, erfolgt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch gelöst durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 14. In diesem Fall wird die Aufgabe, einen für Medienschmierung und/oder Einsatz unter stark schwankenden Umgebungsbedingungen geeigneten Lagerring mit einer keramischen Lauffläche und einem sich von dieser unterscheidenden Grundwerkstoff bereitzustellen, dadurch gelöst, dass keine feste Verbindung, sondern eine gezielte Verschiebbarkeit zwischen dem die Lauffläche bildenden Werkstoff und dem Grundwerkstoff des Lagerrings vorgesehen ist. Durch diese Verschiebbarkeit werden thermisch bedingte unterschiedliche Abmessungsänderungen der aus verschiedenen Werkstoffen gefertigten Komponenten des Lagerrings ausgeglichen.
In bevorzugter Ausgestaltung, bei Ausbildung des Wälzlagers als Radiallager oder Radial-Axial-Lager, ist zwischen dem Grundwerkstoff und dem die Lauffläche bereitstellenden Werkstoff eine konische Kontaktfläche gegeben. Um unter Beibehaltung einer Vorspannung ein Ausweichen von Komponenten des Lagerrings in axialer Richtung zu ermöglichen, ist der Lagerring vorzugsweise durch die Kraft eines Federelementes beaufschlagt. Es hat sich herausgestellt, dass in vielen Fällen eine Verschiebbarkeit der Lauffläche auf dem Innenring ausreichend ist, während der Außenring fest mit einer keramischen Lauffläche verbunden, insbesondere verklebt oder verlötet, ist. Durch diese Gestaltung werden einerseits Zugspannungen in der Lauffläche des Innenrings durch die zumindest geringfügige Verschiebbarkeit zwischen metallischen und keramischen Komponenten vermieden. Andererseits bleibt beim Außenring, dessen keramische Lauffläche unter Druckspannung steht, diese Druckspannung auch bei Erwärmung des gesamten Radial- oder Radial-Axial-Lagers erhalten.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise in vereinfachter oder symbolisierter Darstellung:
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1–4 verschiedene Beispiele einreihiger Wälzlager,
5–7 Beispiele zweireihiger Wälzlager,
8 ein Detail eines Wälzlagers mit gegenüber einem Grundwerkstoff eines Lagerrings verschiebbarer Lauffläche,
9 ein Wälzlager mit verschiebbarem Lagerring,
10 die Herstellung eines Lagerrings.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Einander entsprechende oder gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die 1 bis 4 zeigen jeweils ein einreihiges Wälzlager 1, nämlich Kugellager, mit einem Innenring 2 und einem Außenring 3, zusammenfassend als Lagerringe 2, 3 bezeichnet, zwischen welchen Wälzkörper 4 abrollen. Zur Führung der Wälzkörper 4, das heißt Kugeln, ist ein Käfig 5 vorgesehen. Die Ausführungsbeispiele nach den 1 und 2 zeigen Rillenkugellager, während in den 3 und 4 jeweils ein Schrägkugellager dargestellt ist. In jedem Fall sind die Lagerringe 2, 3 aus Metall als Grundwerkstoff gefertigt, wobei die Wälzkörper 4 nicht auf dem Grundwerkstoff, sondern auf einer keramischen Lauffläche 6, 7 abrollen. Die die Laufflächen 6, 7 bildenden Keramikschichten sind im Vergleich zum Querschnitt des Lagerrings 2, 3 dünnwandig und tragen nur zu einem geringen Teil zur mechanischen Stabilität des Lagerrings 2, 3 bei. Da ein Kontakt zwischen den Wälzkörpern 4 und den Lagerringen 2, 3 vermieden wird, ist als Grundwerkstoff der Lagerringe 2, 3 ein ungehärteter Stahl, beispielsweise ein korrosionsbeständiger austenitischer Stahl, verwendbar.
Die 5 bis 7 veranschaulichen verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten zweireihiger Wälzlager, die – ebenso wie die vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele nach den 1 bis 4 – jeweils keramische Laufflächen 6, 7 auf Lagerringen 2, 3 aus metallischem Grundwerkstoff und keramische Wälzkörper 4 aufweisen. Bei der Ausführungsform nach 5 handelt es sich um ein Pendelrollenlager als Wälzlager 1. In diesem Fall ist zwischen den beiden Wälzkörperreihen eine keramische Bordscheibe 8 angeordnet, die einen tragfähigen Gleitkontakt zu den Wälzkörpern 4 herstellt.
Bei jedem Wälzlager 1 nach den 1 bis 7 ist die Lauffläche 6, 7 fest auf dem jeweiligen Lagerring 2, 3 angeordnet, wie untenstehend anhand 10 noch näher erläutert werden wird.
Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen nach den 1 bis 7 ist im Ausführungsbeispiel nach 8 die Lauffläche 6 durch einen gesonderten Keramikring 9 gebildet, welcher gegenüber dem aus Grundwerkstoff, das heißt Metall, gefertigten Teil des Laufrings 2 verschiebbar ist. Thermisch bedingte unterschiedliche Ausdehnungen des Grundwerkstoffs und der Keramik werden durch eine axiale Verschiebung – bezogen auf die Rotationsachse des Wälzlagers 1 – der Lauffläche 6 ausgeglichen. Hierbei weist eine zwischen dem Grundwerkstoff und dem Keramkring 9 gegebene Kontaktfläche 10 eine konische Form auf.
Eine mögliche Einbausituation der Anordnung nach 8 in eine Anschlusskonstruktion 11 ist in 9 wiedergegeben. Hierbei ist zwischen Außenring 3 und Anschlusskonstruktion 11 ein Federelement 12 eingespannt, welches zur Kompensation axialer Verschiebungen des Außenrings 3 vorgesehen ist. Das Federelement 12 ist beispielsweise als Tellerfeder gestaltet.
In 10 sind einzelne Schritte zur Herstellung eines Wälzlagers 1 nach Anspruch 1 veranschaulicht. Die Bereitstellung eines Grundkörpers 13 aus Metall ist als erster Schritt S1 bezeichnet. Auf den Grundkörper 13 wird im zweiten Schritt S2 ein Verbindungsstoff 14, nämlich ein Klebstoff oder ein Lot, aufgetragen. Im Schritt S3 wird auf den mit dem Verbindungsstoff 14 versehenen Grundkörper 13 ein Keramikteil 16 aufgesetzt, welches die spätere Lauffläche 6 des Wälzlagers 1 bildet. Je nach verwendetem Verbindungsstoff 14 wird die Anordnung aus Grundkörper 13 und Keramikteil 16 in einem Ofen erhitzt. Durch die Erhitzung ergeben sich keine nachteiligen Auswirkungen auf den Grundkörper 13. Eventuelle Änderungen der mechanischen Eigenschaften des aus Stahl gefertigten Grundkörpers 13 durch thermische Einwirkungen sind unbedeutend, da der Stahl ohnehin ungehärtet zum Einsatz kommt und keine Laufbahn für Wälzkörper bildet.
Im nächsten Verfahrensschritt S4 wird das im Schritt S3 stofflich mit dem Grundkörper 13 gefügte Keramikteil 16 durch ein Schleifwerkzeug 15 fertig bearbeitet. Eine spanende Bearbeitung des Grundkörpers 13 ist nicht mehr erforderlich. Das fertige Produkt, das heißt der die Lauffläche 6 aufweisende Lagerring 2 des Wälzlagers 1, wird im Schritt S5 bereitgestellt.
Die Montage der Lagerringe 2, 3, der Wälzkörper 4, sowie des Käfigs 5 erfolgt anschließend in herkömmlicher Weise. Abweichend von der vereinfachten Darstellung nach 10 ist es auch möglich, die endgültige Kontur der Laufbahn bereits mit der Form des Keramikteils 16 annähernd vorzugeben, so dass mit dem Schleifwerkzeug 17 nur noch eine Feinbearbeitung mit geringem Materialabtrag durchzuführen ist.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: Innenring
3: Außenring
4: Wälzkörper
5: Käfig
6: Lauffläche
7: Lauffläche
8: Bordscheibe
9: Keramikring
10: Kontaktfläche
11: Anschlusskonstruktion
12: Federelement
13: Grundkörper
14: Verbindungsstoff
15: Schleifwerkzeug
16: Keramikteil
S1...S5: Schritte des Herstellungsverfahrens

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 9308212 U1 [0002]
DE 102005002315 A1 [0005]
EP 0108219 B1 [0005]
EP 0164537 B1 [0005]
DE 4419838 C2 [0005]
DE 10232858 A1 [0005]
DE 19729450 C2 [0006]
DE 2800854 C2 [0006]

Claims

Wälzlager, mit einem eine keramische Lauffläche (6) und einen sich von dieser unterscheidenden Grundwerkstoff aufweisenden ersten Lagerring (2) und einem eine keramische Lauffläche (7) und einen sich von dieser unterscheidenden Grundwerkstoff aufweisenden zweiten Lagerring (3), sowie mit zwischen den Laufflächen (6, 7) abrollenden Wälzkörpern (4), dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Laufflächen (6, 7) stofflich mit dem Grundwerkstoff des jeweiligen Lagerrings (2, 3) verbunden sind.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Laufflächen (6, 7) auf den Grundwerkstoff der Lagerringe (2, 3) aufgeklebt sind.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Laufflächen (6, 7) auf den Grundwerkstoff der Lagerringe (2, 3) aufgelötet sind.
Wälzlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Laufflächen (6, 7) formschlüssig mit dem Grundwerkstoff des jeweiligen Lagerrings (2, 3) verbunden sind.
Wälzlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Laufflächen (6, 7) durch eine Bördelung der Lagerringe (2, 3) auf diesen gehalten sind.
Wälzlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Laufflächen (6, 7) auf den Grundwerkstoff der Lagerringe (2, 3) aufgeschraubt sind.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (4) aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sind.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (4) aus Hartmetall gefertigt sind.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundwerkstoff ein Metall vorgesehen ist.
Wälzlager nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Leichtmetalllegierung als Grundwerkstoff.
Wälzlager nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Stahl als Grundwerkstoff.
Wälzlager nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen nicht rostenden Stahl als Grundwerkstoff.
Wälzlager nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch einen ungehärteten Stahl als Grundwerkstoff.
Wälzlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Lauffläche (6, 7) verschiebbar auf dem Lagerring (2, 3) angeordnet ist.
Wälzlager nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich einer der Lagerringe (2, 3), nämlich der Innenring (2), eine verschiebbare keramische Lauffläche (6) aufweist.
Wälzlager nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (2, 3) eine konische Kontaktfläche (10) zwischen dem Grundwerkstoff und dem die Lauffläche (6, 7) bildenden keramischen Werkstoff aufweist.
Wälzlager nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch ein zur Erzeugung einer Vorspannung vorgesehenes, Verschiebungen zwischen dem Lagerring (2, 3) und der Lauffläche (6, 7) ausgleichendes, am Lagerring (2, 3) angreifendes Federelement (12).
Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers, mit folgenden Schritten: – auf zur Fertigung von Lagerringen (2, 3) vorgesehene Grundkörper (13) aus einem metallischen Grundwerkstoff wird ein Verbindungsstoff (14) aufgebracht, – auf dem Verbindungsstoff (14) wird ein Keramikteil (16) angeordnet, – der Verbindungsstoff (14) wird mit dem Grundkörper (13) sowie mit dem Keramikteil (16) stofflich verbunden, – das Keramikteil (16) wird durch spanende Bearbeitung zu einer Lauffläche (6, 7) fertigbearbeitet.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die spanende Bearbeitung der Lauffläche (6, 7) geometrisch undefiniert, insbesondere durch Schleifen, und die spanende Bearbeitung der Lagerringe (2, 3) ausschließlich geometrisch definiert, insbesondere durch Drehen, erfolgt.