DE102013216441A1

DE102013216441A1 - Rolling bearing and method for producing a rolling bearing

Info

Publication number: DE102013216441A1
Application number: DE102013216441.6A
Authority: DE
Inventors: Sven Claus; Vera Rührup; Daniela Dill; Thorsten WEYEL
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2015-02-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager für extreme Einsatz- bzw. Umgebungsbedingungen.The invention relates to a rolling bearing for extreme operating or environmental conditions.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

In den vergangenen Jahren ist die Nachfrage nach Wälzlagern, die auch unter extremen Bedingungen hohe und verlässliche Leistungsfähigkeit und Gebrauchsdauer bieten, deutlich gestiegen. Motivation für diese Entwicklungen sind einerseits die verschärften gesetzlichen Rahmenbedingungen, beispielsweise in der Lebensmittelindustrie. Andererseits spielen auch das geschärfte Bewusstsein um einen nachhaltigen Ressourceneinsatz, die Schonung der Umwelt sowie das Streben nach Energieeffizienz und nach robusten technischen Lösungen eine entscheidende Rolle. Ein Lösungsansatz, dieser Entwicklung nachzukommen, ist die direkte Auslagerung des Wälzlagers in dessen Umgebung. Als Folge hat das Wälzlager erhöhten Anforderungen hinsichtlich der Temperaturbelastung standzuhalten oder ist auf Grund des Wegfalls von Dichtungen dem Umgebungsmedium sogar direkt ausgesetzt. Ein massiver Kundennutzen für Anwendungen im Pumpenbereich sowie im Bereich der Energiegewinnung aus Meereskraft (Wellenenergie, Strömungsenergie) liegt im Einsatz mediengeschmierter Wälzlager. Hierbei wird auf konventionelle Schmierung mittels Öl oder Fett verzichtet und Wasser im Kontakt des Lagers zugelassen. Dichtungen entfallen dabei zumeist, und das zu lagernde Bauteil kann sehr direkt und belastungsnah gelagert werden. Dementsprechend kann beispielsweise Bauraum eingespart werden.In recent years, the demand for rolling bearings, which offer high and reliable performance and service life even under extreme conditions, has increased significantly. The motivation for these developments is, on the one hand, the tightened legal framework conditions, for example in the food industry. On the other hand, keen awareness of the sustainable use of resources, protection of the environment and the pursuit of energy efficiency and robust technical solutions also play a decisive role. One solution to this development is the direct outsourcing of the rolling bearing in its environment. As a result, the rolling bearing has to withstand increased demands on the temperature load or is due to the elimination of seals the ambient medium even exposed directly. A massive customer benefit for applications in the pump sector as well as in the area of energy production from ocean power (wave energy, flow energy) lies in the use of media-lubricated rolling bearings. This dispenses with conventional lubrication by means of oil or grease and allows water in contact with the bearing. Seals are usually omitted, and the component to be stored can be stored very directly and close to the load. Accordingly, for example, space can be saved.

Wälzlager für extreme Einsatz- bzw. Umgebungsbedingungen müssen mehrere Kriterien erfüllen: Erforderlich ist eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufgrund der korrosive Umgebungsmedien wie beispielsweise Salzwasser, Säuren, Laugen, Reinigungschemikalien oder dergleichen. Ferner ist oftmals eine Trockenlaufeignung gewünscht, wie beispielsweise für einen Einsatz im Bereich der Lebensmittelindustrie, des Air Handling, beim Betrieb von Pumpen, gegebenenfalls im Vakuum. Weiterhin notwendig ist die Eignung zur Medienschmierung, insbesondere in erosiven, aggressiven und/oder korrosive Medien, wie sie der Einsatz beispielsweise im Bereich des Fluid Handling oder beim Betrieb chemischer Anlagen erfordert, aber auch für den Betrieb in Süß- oder Salzwasser.Rolling bearings for extreme operating or environmental conditions must meet several criteria: High corrosion resistance is required due to the corrosive environment media such as salt water, acids, alkalis, cleaning chemicals or the like. Furthermore, a dry run suitability is often desired, such as for use in the food industry, the air handling, the operation of pumps, possibly in a vacuum. Furthermore, the suitability for media lubrication is necessary, in particular in erosive, aggressive and / or corrosive media, as required, for example, in the field of fluid handling or in the operation of chemical plants, but also for operation in fresh or salt water.

Wünschenswert ist zudem oftmals eine Stromisolation, wie beispielsweise für den Einsatz im Bereich der Bahnlager, Produktronic, Windenergie, Elektromotoren oder dergleichen. Für den Einsatz in der Medizintechnik ist zudem oftmals eine Amagnetismus erforderlich. Generell ist eine Leichtbauweise wünschenswert, denn der Bedarf nach Gewichtsersparnis herrscht nicht nur in hochtechnisierten Bereichen, wie beispielsweise Aerospace, sondern auch im täglichen Bedarf, beispielsweise im Sport- und Fitnessbereich. Darüber hinaus erstreckt sich der Einsatz über verschiedenste industrielle Bereiche, wie beispielsweise der Energietechnik, Verfahrenstechnik, Chemie- und Anlagenbau, Maschinenbau, Lebensmittelindustrie, Luft und Raumfahrttechnik, beispielsweise bei Betriebsbedingungen im Vakuum.In addition, it is often desirable to have a current insulation, for example for use in the field of rail bearings, product electronics, wind energy, electric motors or the like. For use in medical technology also often an amagnetism is required. In general, a lightweight construction is desirable, because the need for weight savings prevails not only in high-tech areas, such as aerospace, but also in everyday needs, such as sports and fitness. In addition, the application covers a wide range of industrial sectors, such as power engineering, process engineering, chemical and plant engineering, mechanical engineering, food industry, aerospace technology, for example, under operating conditions in a vacuum.

Aus dem Stand der Technik ist Medienschmierung grundsätzlich bekannt und dabei auch insbesondere der direkte Einsatz von Wälzlagern in Meerwasser. Problematisch ist dabei jedoch nach wie vor, Überrollfestigkeit, generelle Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. From the state of the art, media lubrication is known in principle and in particular the direct use of roller bearings in seawater. However, it is still problematic to ensure roll-over resistance, general wear resistance and corrosion resistance.

Lösungsansätze bieten hier die Verwendung von N-legierten Stählen, wie beispielsweise Cronidur30, kaltverfestigende Austenite sowie Hartmetalle und Keramiken. Der Werkstoff Cronidur30 ist ein martensitisch härtender, mit Stickstoff legierter Stahl, der einen guten Kompromiss zwischen Festigkeit, Überrollfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit bietet. Die Korrosionsbeständigkeit von Cronidur30 ist in salzhaltigen Medien jedoch nicht ausreichend, denn im Salzwasser tritt insbesondere bei Stillstand des Lagers Lochfraß auf. Der Einsatz von Cronidur in Säuren und Laugen führt ebenfalls zu Korrosion. Possible solutions here are the use of N-alloyed steels, such as Cronidur30, cold-hardening austenites, hard metals and ceramics. Cronidur30 is a martensitic, nitrogen-alloyed steel that offers a good balance between strength, rollover resistance and corrosion resistance. However, the corrosion resistance of Cronidur30 is not sufficient in saline media, because in salt water pitting occurs especially when the bearing is at a standstill. The use of cronidur in acids and alkalis also leads to corrosion.

Austenitische Stähle sind einerseits teuer und andererseits können nur Lager mit kleinen Abmessungen bereitgestellt werden. Austenitic steels are on the one hand expensive and on the other hand only bearings with small dimensions can be provided.

Vollkeramiklager können nur bis Abmessungen von ca. 500mm realisiert werden. Zudem sind vollkeramische Lager ebenfalls teuer in der Herstellung der Ringrohlinge und insbesondere in der Hartbearbeitung. Ein weiteres Problem stellt aufgrund der äußerst unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten die Einbindung in eine stahlbasierte Umgebungskonstruktion dar.All-ceramic bearings can only be realized up to dimensions of approx. 500mm. In addition, all-ceramic bearings are also expensive in the production of the ring blanks and especially in hard machining. Another problem is the inclusion in a steel-based environment construction due to the very different expansion coefficients.

Alternativ sind aus dem Stand der Technik Kunststoffwälzlager bekannt, die in aggressiven Umgebungen eingesetzt werden. Allerdings liegt die Belastbarkeit von Kunststofflagern (mit Ringen aus Kunststoff und Wälzkörpern aus Stahl, Kunststoff oder Glas) um mindestens eine Größenordnung unter der von stahlbasierten Lagern. Auch die Ermüdungslebensdauer ist deutlich (um mindestens zwei Größenordnungen) reduziert. Die Tragfähigkeit von Kunststoffwälzlagern ist jedoch zu gering, und der Abstand zu stahlbasierten Wälzlagern mit Blick auf das Lasttragevermögen und den Verschleißwiderstand ist zu groß.Alternatively, plastic rolling bearings are known from the prior art, which are used in aggressive environments. However, the load capacity of plastic bearings (with plastic rings and rolling elements made of steel, plastic or glass) is at least an order of magnitude lower than that of steel-based bearings. Also, the fatigue life is significantly reduced (by at least two orders of magnitude). However, the bearing capacity of plastic rolling bearings is too low, and the distance to steel-based rolling bearings is too large with regard to the load bearing capacity and the wear resistance.

Aufgabe der Erfindung Object of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Werkstoffkonzept für Wälzlager bereitzustellen, die in Medien, insbesondere in Wasser und Meerwasser eingesetzt werden können, wobei eine deutliche Leistungssteigerung gegenüber klassischen Kunststoff-Wälzlagern gefordert ist, die möglichst nah an die Leistungsfähigkeit von stahlbasierten Wälzlagern heranreicht. Kriterien für die Bewertung der Leistungsfähigkeit sind Korrosionsbeständigkeit, Lochfraßpotenzial, statische Festigkeit, dynamische Festigkeit, Verschleiß, Wirtschaftlichkeit und Darstellbarkeit großer Abmessungen bis 1.500mm. Hierbei muss der Einsatz in ungedichteten Lagern, bei denen alle Wälzlagerkomponenten dem Medium ausgesetzt, möglich sein. Zu beachten ist dabei, dass das Lasttragevermögen eingeschränkt und die Leistungsdichte von mediengeschmierten Wälzlagern deutlich reduziert ist im Vergleich zu konventionell geschmierten Lagern.The present invention is therefore based on the object to provide a material concept for rolling bearings, which can be used in media, especially in water and seawater, with a significant performance increase compared to classic plastic bearings is required as close as possible to the performance of steel-based bearings zoom ranges. Criteria for performance evaluation include corrosion resistance, pitting potential, static strength, dynamic strength, wear, economy and representability of large dimensions up to 1,500mm. In this case, use in unsealed bearings where all rolling bearing components are exposed to the medium must be possible. It should be noted that the load bearing capacity is limited and the power density of media-lubricated bearings is significantly reduced compared to conventionally lubricated bearings.

Für den Werkstoff der Lagerringe soll ein idealer Kompromiss aus Überrollfestigkeit bzw. Verschleißfestigkeit und enormer Korrosionsbeständigkeit gefunden werden.For the material of the bearing rings an ideal compromise of roll resistance or wear resistance and enormous corrosion resistance should be found.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Wälzlager gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers gemäß Patentanspruch 3. Erfindungsgemäß werden für deren Herstellung glasfaser- und/oder carbonfaserverstärkte Werkstoffe benutzt.This object is achieved by the rolling bearing according to claim 1 and a method for producing a roller bearing according to claim 3. According to the invention glass fiber and / or carbon fiber reinforced materials are used for their preparation.

Aufgrund der Charakteristik derartiger Verbundwerkstoffe wird das Korrosionsproblem eliminiert. Die statischen und dynamischen Festigkeitskennwerte des Verbundes sind denen klassischer Kunststoffe überlegen. In Kombination mit der Herstelltechnologie des Wickelns können GFK- und/oder CFK-Bauteile aktuell bis zu 1.500 mm dargestellt werden. Due to the nature of such composites, the corrosion problem is eliminated. The static and dynamic strength characteristics of the composite are superior to those of conventional plastics. In combination with the manufacturing technology of winding, GFRP and / or CFRP components can currently be displayed up to 1,500 mm.

Die erfindungsgemäße Ausführung des Wälzlagers kann als eine Standardbauform ausgeführt sein, beispielsweise als Rillenkugellager oder Schrägkugellager. Jedoch sind auch andere Wälzlagerbauformen realisierbar, beispielsweise Pendelrollenlager.The inventive design of the rolling bearing can be designed as a standard design, for example as deep groove ball bearings or angular contact ball bearings. However, other types of rolling bearings are feasible, such as spherical roller bearings.

Der Innenring ist dabei aus einem Verbundwerkstoff gefertigt. Dieser besteht vorzugsweise aus Glas- und/oder Kohlefaser, Aramidfaser, bevorzugt gebunden in Epoxidharz. Additive sind Graphit, MoS₂, WS₂, BN, SnS₂. Der Faseranteil liegt vorzugsweise zwischen 50 und 80% und der Harzanteil zwischen 10 und 40%.The inner ring is made of a composite material. This preferably consists of glass and / or carbon fiber, aramid fiber, preferably bound in epoxy resin. Additives are graphite, MoS ₂ , WS ₂ , BN, SnS ₂ . The fiber content is preferably between 50 and 80% and the resin content between 10 and 40%.

Die Anordnung der Faser erfolgt zur Erhöhung der Festigkeit im Kreuzwickelverfahren mit einem bevorzugten Winkel zwischen 50° und 90°, wobei auch Winkel bis 20° denkbar sind. auch eine Kombination verschiedener Winkel auf verschiedenen Ebenen ist möglich (Layer-Prinzip).The arrangement of the fiber is carried out to increase the strength in the cross-winding process with a preferred angle between 50 ° and 90 °, with angles up to 20 ° are conceivable. It is also possible to combine different angles at different levels (layer principle).

Die Laufbahn kann aus dem vollen gefräst oder alternativ werkzeugfallend hergestellt werden.The raceway can be machined from the full or alternatively tool falling.

Zur Optimierung der Oberflächenbeschaffenheit kann eine Versiegelung erfolgen. diese kann bevorzugt auf der Basis von Epoxidharz oder Polyurethan ausgebildet werden.To optimize the surface finish, a seal can be made. this can preferably be formed on the basis of epoxy resin or polyurethane.

Zur Optimierung der Eigenschaften der Laufbahn und der Rückenschicht können diese unterschiedlich aufgebaut sein. Derartige Unterschiede können bevorzugt auf den verwendeten Garnen, Füllstoffen, Geweben oder Harz/Härter-Systemen beruhen. Optional können zusätzlich zu den Fasern Gewebe eingesetzt werden.To optimize the properties of the career and the back layer, these can be structured differently. Such differences may preferably be based on the yarns, fillers, fabrics or resin / hardener systems used. Optionally, fabrics may be used in addition to the fibers.

Der Außenring ist vorzugsweise aus einem Verbundwerkstoff gefertigt. Dieser besteht vorzugsweise aus Glas- und/oder Kohlefaser, Aramidfaser, bevorzugt gebunden in Epoxidharz. Additive sind Graphit, MoS₂, WS₂, BN, SnS₂. Der Faseranteil liegt vorzugsweise zwischen 50 und 80% und der Harzanteil zwischen 10 und 40%.The outer ring is preferably made of a composite material. This preferably consists of glass and / or carbon fiber, aramid fiber, preferably bound in epoxy resin. Additives are graphite, MoS ₂ , WS ₂ , BN, SnS ₂ . The fiber content is preferably between 50 and 80% and the resin content between 10 and 40%.

Das Lager kann käfiglos ausgeführt sein (vollrollig oder vollkugelig. Alternativ können Käfige eingesetzt werden, die bevorzugt aus Kunstoffen der Gruppen POM, PI, PAI, PEEK, PTFE bestehen, dabei mit oder ohne Füllstoffe (Graphit), auch chemisch gekoppelte Kunststoffverbindungen, beispielsweise PAI-PTFE).Cages can be used which are preferably made of plastics of the groups POM, PI, PAI, PEEK, PTFE, with or without fillers (graphite), and also chemically coupled plastic compounds, for example PAI -PTFE).

Als Wälzkörper werden vorzugsweise Kugeln oder Rollen aus Keramik (ZrO₂, Si₃N₄), Sialon, Glas und/oder Kunststoffen verwendet, wobei als Kunststoffe bevorzugt dieselben Werkstoffe verwendet werden wie für die Käfige.As rolling elements preferably balls or rollers made of ceramic (ZrO ₂ , Si ₃ N ₄ ), sialon, glass and / or plastics are used, wherein preferably the same materials are used as plastics as for the cages.

1 zeigt schematisch im Schnitt einen Außenring 1 aus GFK oder CFK, einen Innenring 2 aus GFK oder CFK und Wälzkörper 3 aus Keramik, Kunststoff oder Glas. 1 schematically shows in section an outer ring 1 made of GRP or CFK, an inner ring 2 made of GFK or CFK and rolling elements 3 made of ceramic, plastic or glass.

Mit einem derart konzipierten Wälzlager aus glasfaser- und/oder kohlefaserverstärkten Kunststoffen können die technische Lücke zwischen Kunststofflagern und nicht härtbaren austenitischen Lagern geschlossen werden und die Anforderungen mediengeschmierter Wälzlager erfüllt werden.With such a designed bearings of glass fiber and / or carbon fiber reinforced plastics, the technical gap between plastic bearings and non-hardenable austenitic bearings can be closed and the requirements of media-lubricated bearings are met.

Claims

Rolling bearing comprising an outer ring ( 1 ) made of CFK or GFK, an inner ring ( 2 ) made of CFK or GFK and rolling elements ( 3 ) made of ceramic, plastic or glass.

Rolling bearing according to claim 1, further comprising a cage made of plastic.

A method of manufacturing a rolling bearing according to claim 1 comprising a cross-winding method.