Selbstschmierendes Kapillarlager. Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines selbstschmierenden. Kapillarlagers.
Es sind seit langem Bestrebungen im Gange, derartige Lager zu schaffen; jedoch zeigte es sich, dass schon nach verhältnis mässig kurzer Laufzeit (beispielsweise weni gen Stunden) mit normalen Belastungen der Selbstschmiereffekt erheblich nachliess bezw. ganz aufhörte, so dass bei Fehlen einer Fremdschmierung ein Fressen und damit eine Zerstörung des Lagers eintrat. Man musste sich daher darauf beschränken, solche Kapil larlager mit Schmierstoffüllung nur da zu verwenden, wo die Beanspruchungen ausser ordentlich gering sind, also beispielsweise in nur kurzzeitig benutzten Lagern, wie Schar nieren, Gelenken, Spielzeuglagern und der gleichen.
Es sind nun vom Erfinder systematische Untersuchungen angestellt worden, um fest zustellen, worauf die kurze Lebensdauer der bisherigen selbstschmierenden Kapillarlager beruht. Hierbei ergab es sich, dass das Ver sagen der Selbstschmierung nach so kurzer Betriebsdauer nicht darauf zurückzuführen ist, dass der in dem porösen Metall aufge speicherte Schmierstoffvorrat etwa bereits aufgebraucht ist, vielmehr tritt eine gewisse Verkrackung des Schmierstoffes ein, wodurch die Schmierfähigkeit (Schlüpfrigkeit) leidet, die Poren verstopft werden und die weitere Schmierstoffzufuhr unterbunden wird.
Man muss sich offenbar diesen Vorgang so ver stellen, dass zunächst, und zwar besonders beim Einlaufvorgang, eine gewisse Tempe raturerhöhung eintritt, die bei Verwendung normaler Öle in zunächst geringem Umfange eine Umbildung des Schmierstoffes zur Folge hat. Dieser Umbildungsvorgang verursacht jedoch seinerseits eine weitere Temperatur erhöhung des Lagers infolge der verschlech terten Schmierwirkung der teilweise umge bildeten oder verkrackten Schmierstoffe. In folge der weiteren Temperaturerhöhung wird der Umbildungsvorgang seinerseits wiederum beschleunigt und begünstigt, und diese bei den Einflüsse steigern sich in kurzer Zeit gegenseitig im Sinne der Einleitung einer akuten Schmierstoffverkrackung, womit die Selbstschmierwirkung aufhört.
Hier liegt ein grundsätzlicher Unterschied gegenüber fremd geschmierten Massivlagern vor, bei denen einerseits immer wieder neuer Schmierstoff zugeführt und anderseits die entstehenden Krackprodukte fortgespült werden.
Die Erfindung geht nun von dem Gedan ken, aus, die Poren des aus gesintertem Eisen pulver bestehenden Lagerkörpers mit einem Schmierstoff zu tränken, wobei dessen Eigen schaften: Siedepunkt, Molekularreibung, Krackfestigkeit und Oxydationsfestigkeit so gewählt sind und die tragende Lager fläche so bemessen ist, dass die im Betriebs zustand im Lagerspalt auftretenden Über temperaturen unterhalb der Siedetemperatur und unterhalb der Grenze bleiben, oberhalb welcher eine Krackung des Schmierstoffes eingeleitet würde.
Man könnte vielleicht annehmen, dass diese Bedingung ohnehin in den meisten Fäl len erfüllt sein wird, da die akute Krackung erst bei Temperaturen erfolgt, die wesentlich über den üblichen Lagertemperaturen liegen. Massgebend für die durch Temperaturein flüsse bedingte Umbildung des Schmier stoffes ist jedoch hier nicht die üblicherweise als "Lagertemperatur" bezeichnete Tempera tur des Lagerkörpers, sondern die Tempera tur im Lagerspalt zwischen Welle und La gerfläche. Diese kann erheblich über der jenigen des Lagerkörpers selbst liegen, da die Wärmeleitung besonders bei derartigen Ka pillarlagern gering ist.
Es hat sich daher überraschenderweise bei den der Erfindung zugrundeliegenden Untersuchungen gezeigt, dass tatsächlich infolge der die Lagerkörper temperatur weit übersteigenden Lagerspalt temperaturen und .der gegenüber fremdge schmierten Massivlagern erheblich veränder ten Reibungs- und Schmiervorgänge an der siebartigen, unterbrochenen Lagerfläche tem peraturbedingte Umbildungen des Schmier stoffes eintreten, welche infolge der oben be schriebenen Rückwirkung auf die Lager spalttemperatur akute Verkrackungsvor- gänge einleiten können, trotzdem die Lager körpertemperatur sich zunächst in scheinbar unbedenklichen Grenzen hält.
Das Lager wird zweckmässig mit Rücksicht auf die Be triebsverhältnisse konstruktiv und hinsicht lich der Beschaffenheit der Gleitfläche so durchgebildet, dass der oben gekennzeichnete, sich selbst aufschaukelnde Vorgang der Wechselwirkung zwischen Schmierstoffum bildung und Temperaturerhöhung gar nicht erst beginnen kann. Die Erfindung weist damit den Weg zur Erhöhung der Lebensdauer von selbstschmie renden Kapillarlagern, welche erheblichen Beanspruchungen ausgesetzt sind.
Dadurch nämlich, dass das Lager nicht im Hinblick auf die sonst üblichen Belastungsbetrachtun gen bemessen wird, sondern unter Berück sichtigung der für die Einleitung eines aku ten Verkrackungsvorganges kritischen Tem peratur, wird ermöglicht, den Schmiermittel vorrat voll auszunutzen und einer vorzeitigen Zerstörung desselben sowie einer Verstop fung der Poren des Kapillarlagerkörpers vor zubeugen, und es lassen sich brauchbare Lauf zeiten erreichen.
Die erfindungsgemässe Abgleichung von Schmiermitteleigenschaften und konstrukti ver Lagerausbildung kann in den meisten Fällen empirisch erfolgen, indem zunächst die kritische Temperatur des nach den erfin dungsgemässen Gesichtspunkten ausgewähl ten Schmierstoffes, bei welcher die akute Verkrackung desselben einsetzt, bestimmt: und sodann das Lager unter betriebsmässigen Verhältnissen einem Laufversuch unterwor fen wird. Die Lagerfläche ist richtig bemes sen, wenn die Lagerspalttemperatur unter halb der genannten kritischen Temperatur des Schmierstoffes bleibt. Falls dagegen die Lagerspalttemperatur die genannte kritische Temperatur überschreitet, muss die Lager lauffläche vergrössert oder ein anderer Schmierstoff gewählt werden.
Als Wellen material wird zss-eckmässig ein nicht zu wei cher Werkstoff, vorzugsweise Stahl mit einer Zugfestigkeit von 60 kg pro mm@ oder höher, verwendet. Die "#NTellenoberfläehe ist vorteilhaft sehr glatt, das heisst geschliffen, poliert oder geläppt. Als Lagermaterial hat sich mikroporöses Eisen besonders gut bewährt. Gegebenenfalls können zur Vergrösserung der Kapillarhohl räume in dem Sinterkörper Metallsalze beim Verpressen beigegeben sein, und zwar insbe sondere Salze, welche beim Sinterungsvor gang sich unter Freiwerden. des Metalles zer setzen.
Das freiwerdende Metall, welches vor zugsweise das gleiche Metall darstellt wie das Lagermaterial selbst, befördert hierbei gleichzeitig den Versinterungsvorgang. Die zuvor von den Metallsalzkörnchen eingenom menen Hohlräume bleiben: als Lufträume frei und ermöglichen die Aufnahme grösserer Schmierstoffmengen. Ein für die Herstellung von Eisenkapillarlagern geeignetes Metall salz ist beispielsweise Eisensulfat. Vorzugs weise ist ein Metall in Salzform verwendet, das gleichzeitig die katalytische Wirkung zwischen Kapillarmetall und Schmierstoff herabsetzt.
Es hat sich gezeigt, dass gerade Eisen kapillarlager für die im vorliegenden Falle in Frage kommenden Schmierstoffe sehr ge ringe katalytische Wirkungen besitzen bei kleinem Reibungskoeffizienten und verhält nismässig hoher Wärmeleitfähigkeit, Gege benenfalls können zur weiteren Vermeidung katalytischer Wirkungen zwischen Lager metall und Schmierstoff die Kapillarwan dungen des Lagerkörpers mit einer dünnen, insbesondere unmetallischen Schutzschicht überzogen sein, die beispielsweise aus Phenol- Formaldehydkondensationsprodukten besteht und durch Tränkung des Lagermaterials in dünnen lackartigen Zustand in dieses einge bracht sein kann.
Als Schmiermittel kommen beispielsweise Paraffine bezw. Paraffingemische, insbeson dere aber Öle auf Paraffinbasis bezw. paräf- finreiche Mineralöle (paraffinische Öle) in Frage, die eine sehr geringe Krackneigung besitzen. Durch geeignete Gemische lassen sich auch günstige Eigenschaften hinsicht lich der Schmierwirkung, der Verdunstungs neigung und der Sauerstoffbeständigkeit er zielen. Gegebenenfalls können dem Paraffin bezw. dem Paraffingemisch zusätzlich Öle oder andere Schmiermittel beigegeben sein, welche die Erzielung der gewünschten. Ei genschaften in ähnlicher Weise begünstigen, wie die Erzielung gewünschter Metalleigen schaften durch Legierung verschiedener Me talle möglich ist.
Beispielsweise kommen salbenartige Mischungen aus Paraffinöl, einem Paraffin mit einem üblichen mittleren Schmelzpunkt zwischen 50 und 60 und einer geringen Menge eines Paraffins mit einem verhältnismässig hohen Schmelzpunkt von etwa 85 C in Frage. Infolge ihrer Molekular struktur haben die Paraffine bei hoher Sauerstoffbeständigkeit sehr gute Gleiteigen- schaften, geringe innere Reibung und geringe Verdunstungsneigung.
Ferner können zusätzlich zur Erhöhung der Sauerstoffbeständigkeit und der Krack- festigkeit des Schmiermittels diesem kleine Mengen von Antioxydationsmitteln, beispiels weise in Mengen von 0,01 bis 1 %, beigegeben sein. Beispielsweise können zwei- bis drei wertige Phenole wie Brentcatechin, Pyro- gallol, Hydrochinon, ferner Alpha-Naphtol sowie organische Zinn-, Chrom- und Bleiver bindungen, wie beispielsweise Zinntetra phenyl, Tetraäthylblei und dergleichen, für diesen - Zweck verwendet werden. Bei Ver wendung von Metallverbindungen sind vor zugsweise dem Schmierstoff bis zu 1 % der selben zugesetzt.
Chromverbindungen sollen in erster Linie als Antikatalysator wirken. Zweckmässig wird eine in dem Schmierstoff lösliche Chromverbindung gewählt, um eine bessere Mischung und Verteilung zu errei chen. In vielen Fällen hat sich der Zusatz von Chromoleat als vorteilhaft erwiesen.
Die Bildung von harzigen Stoffen in dem Schmiermittel wird zum Teil auch durch un mittelbare Oxydation des Öls durch den an wesenden Sauerstoff hervorgerufen. Zur Ver hinderung dieser Wirkung können zusätzlich zu einer Chromverbindung geringe Mengen einer organischen Zinnverbindung beigege ben sein. Das ebenfalls vorstehend erwähnte Tetraäthylblei wirkt einer Spaltung des Öls entgegen. Die genannten Stoffe sind vorzugsweise als in dem Schmierstoff lösliche Verbindun gen, also als Chromoleat, Zinnoleat und Tetraäthylblei, dem Schmierstoff in Mengen bis zu einem Gewichtsprozent für jede Ver bindung beigegeben.
Beispielsweise hat sich eine Beigabe von 0,1% Zinnoleat, 0,5 ö Chromoleat und 0,1% Tetraäthylblei zu einem verschnittenen Öl als zweckmässig zur Vermeidung der Verharzung des Öls erwie sen. Statt Zinnoleat kann auch Zinntetra phenol, Zinnstearat und Zinnaphthenat, statt Chromoleat und Chromstearat kann Chrom- naphthenat verwendet werden.
In Paraffin-Mineralöl hat ein Zusatz von 0,4% Chromoleat und 0,1% Zinnoleat zur Vermeidung einer Verharzung des Öls sich als vorteilhaft erwiesen. Bei naphtanischem Öl wurden vorteilhafte Wirkungen durch Zusatz von 0,5% Chromoleat und 0,1% Tetraäthylblei erzielt. Solche Stoffe sind be reits zur Erhöhung der Lebensdauer der üblichen Schmieröle bei geschmierten Lagern verwendet worden, besitzen jedoch in dem erfindungsgemässen Zusammenhang beson dere Bedeutung.
Wie bereits erwähnt, besteht der Grund gedanke der Erfindung darin, die Lagertem peratur in der Weise herabzusetzen, dass eine Umwandlung der Schmierstoffe zu nicht schmierenden :Stoffen gar nicht erst einsetzen kann. Hierbei ist gemäss obigem zu berück- sichtigen, dass der Schmierfilm zwischen Welle und Lagerschale wahrscheinlich eine erheblich höhere Temperatur annimmt als die Lagerschale selbst, da die Wärmeleit fähigkeit dieses Schmierfilmes verhältnis mässig gering ist. Es ist also damit zu rech nen, dass die Temperatur des Schmierfilmes jeweils ein Vielfaches der Lagerschalentem peratur beträgt. Jede Herabsetzung der La gerschalentemperatur bedingt also eine noch entsprechend grössere Herabsetzung der Tem peratur des Schmierfilmes.
Nachstehend werden zwei Beispiele der Herstellung von erfindungsgemässen Lagern aufgeführt; Bespiel <I>1:</I> Chemisch reines Eisenpulver mit einem Reingehalt in der Grössenordnung von 99,5% wird mit 0,2 Gewichtsprozent Graphit ge mischt, zu einem Formkörper einer spezi fischen Dichte von 5 verpresst und hierauf gesintert.
Ferner werden -19 Teile Paraffinöl, 49 Teile Paraffin mit einem Schmelzpunkt von 51" C und 1 Teil Paraffin mit einem Schmelzpunkt von 8:3 C erhitzt: in der erhitzten Masse wird 1 % Alpha-Naphtol ge löst. Mit diesem etwa, 90 C -warmen Gleit- mittel -wird unter Anwendung von Vakuum der oben beschriebene Presskörper getränkt, der, nachdem er abgekühlt ist, dann für die etwaige Bearbeitung und den Gebrauch be reit ist.
Ein nach dieser Vorschrift hergestellter Gleitlagerkörper weist sogar bei schlechter Wärmeableitung in Kombination mit einer polierten Stahlwelle von 20 mm Z von 60 kg pro mm= Festigkeit bei einer Flächenpressung von 4 kg/cm2 und 4000 Umdrehungen/min. ohne Zusatzschmierung. nach einigen Stun den Lagertemperaturen auf, die nur \-)0 bis \?5 Über Raumtemperatur liegen, wäh rend bei Gleitlagerkörpern, die nicht von der durch diese Erfindung gegebenen Lehre Ge brauch machen, diese Temperaturen den zwei- bis vierfachen Wert erreichen.
Diese niedrige Temperatur behalten die neuen Gleitlagerkörper auch im Dauerbetrieb, ohne dass eine Verkrackung eintritt, die ihrerseits eine Temperaturerhöhung im Gefolge hätte. Derartige La-,er erzielen dadurch sehr hohe Laufzeiten, die mit der mechanischen Halt barkeit derselben im -wesentlichen Hand in Hand gehen.
Bespiel <I>2:</I> Schwedischer Eisen.schwainm -wird zu Teilchen von unter ?I mm Durchmesser zer krümelt, mit<B>10'</B> fein verteiltem Kupfer- pulver und 0,5/'o feinem kristallinen C-rra- phit gemischt und hierauf in Stahlformen zu passenden Formstucken verpresst. Nach er folgter Pressung,
-werden die Formstücke auf 900-1000 erhitzt und dadurch eine innige Verlötung der Eisenteilchen mittels des Kup fers herbeigeführt. Nach Erkalten wird der Körper getränkt mit einer Lösung von 5 Tei len Kunstharz (Kondensationsprodukte des Phenols und des Formaldehyds) und 95 Tei len Azeton. Unter Anwendung von Wärme und Vakuum wird das Lösungsmittel dem Körper entzogen und der verbleibende Kunst harzfilm durch Erwärmung des Körpers auf 140 gehärtet.
Hierauf wird der Körper in eine Mischung bestehend aus 49,9 % pennsyl- vanischem Mineralöl, 25% Paraffinöl, 25 % Paraffin mit einem Schmelzpunkt von 54 C und 0,11"o' Zinntetraphenyl eingetaucht.
Vorteilhafterweise kann ferner die Dauer schmierfähigkeit derartiger erfindungsge mässer Kapillarlager dadurch verbessert wer den, dass Einrichtungen zum Abstreifen bezw. Aufnehmen etwaiger leicht verkrack- ter Schmierstoffe vorgesehen sind. Diese Ein richtungen können beispielsweise aus Längs nuten in der Lagerschale bestehen, in die ge gebenenfalls elastische Körper, beispielsweise Gewebe oder Gewebefäden, eingelegt sein können, die sowohl als Schmierkissen als auch zur Aufnahme etwaiger Krackprodukte dienen.
Auf diese Weise wird die reibungs erhöhende Wirkung der Krackprodukte, wel che wiederum eine Temperaturerhöhung und damit eine weitere Verkrackung hervorrufen würde, vermieden, und kurzzeitige Ver- krackungsvorgänge, die etwa durch zeit weilige ausserordentliche Überlastung des Lagers oder Erhitzung .der ganzen Lageran ordnung von aussen her durch anormale Be triebsbedingungen hervorgerufen wurden, können sich nicht im .Sinne der oben geschil derten Wechselwirkung zu einem Dauervor gang unter völliger Zerstörung des Lagers entwickeln.
In beiliegender Zeichnung sind Ausfüh rungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Lagerbuchse 1 nebst in diese nur teilweise eingeschoben gezeichneter Welle 2. Eine bereits beim Pressen und Sin tern mit vorgesehene Längsnute ist bei 3 an gedeutet. Gemäss Fig. 2 ist eine grössere An- zahl derartiger Längsnuten 3. vorgesehen. Eine solche Anordnung kommt insbesondere für allseitig beanspruchte Lager in Frage. Je nach den Erfordernissen können auch in ver schiedenen Winkeln und Abständen angeord nete Nuten von verschiedener Grösse vorge sehen sein, die ganz oder teilweise mit elasti schen und porösen Einlagen versehen sind. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt des Lagers mit in die Längsnute 3 eingelagertem Ab streifer 4, beispielsweise aus einem Docht be stehend.
Dieser Abstreifer steht etwas vor und bewirkt dadurch einerseits eine gute Schmierung, anderseits eine wirksame Ab- streifung etwaiger Krackprodukte.