DE102005051914A1 - Cage for antifriction bearing, has synthetic base material and number of intake pockets for antifriction bearing whereby hard material particles are added to the synthetic base material with particle size lying between one Nm and fifty Nm - Google Patents

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Abstract

Cage has a synthetic base material and a number of intake pockets for antifriction bearing. Hard material particles are added to the synthetic base material. Hard material particles are made of ceramic oxide. Each particle size lies between 1 Nm and 50 Nm.

Description

Die Erfindung betrifft einen Käfig für ein Wälzlager, der aus einem Kunststoff-Basismaterial besteht und eine Anzahl Aufnahmetaschen für Wälzkörper aufweist.The The invention relates to a cage for a rolling bearing, which consists of a plastic base material and a number of receiving pockets for rolling elements.

Als Material für Wälzlagerkäfige werden diverse Kunststoffe eingesetzt. Als Beispiele seien Polyethersulfon (PES), Polyetherimid (PEI), Polyamid (PA) Polyetheretherketon (PEEK) und Polyoxymethylen (POM) genannt. Mit den genannten Materialien kann eine relativ hohe Temperaturbeständigkeit des Käfigmaterials bei Betriebstemperaturen von über 150 °C erreicht werden.When Material for Rolling cages are various plastics used. Examples are polyethersulfone (PES), polyetherimide (PEI), polyamide (PA) polyetheretherketone (PEEK) and polyoxymethylene (POM). With the mentioned materials can be a relatively high temperature resistance of the cage material at operating temperatures of over 150 ° C reached become.

Ein Wälzlagerkäfig der eingangs genannten Art ist aus der US 5,590,225 bekannt. Dort wird Polyarylensulfid in Form von Polyphenylensulfid (PPS) als Kunststoffmaterial eingesetzt, um das Lager bzw. den Käfig weiter gegen hohe Temperaturen und raue Umgebungsbedingungen tauglich bzw. unempfindlich zu machen. Angestrebt wird auch, dass die Zähigkeit des Materials möglichst hoch ist. Um dieses Ziel zu erreichen, wird dort linearkettiges Polyphenylensulfid eingesetzt, dem Glasfasern in einem Mengenanteil bis zu 45 Gewichtsprozent (Gew.-%) zugesetzt werden.A rolling bearing cage of the type mentioned is from the US 5,590,225 known. There, polyarylene sulfide in the form of polyphenylene sulfide (PPS) is used as a plastic material in order to make the bearing or cage fit for high temperatures and harsh environmental conditions. The aim is also that the toughness of the material is as high as possible. In order to achieve this goal, linear-chain polyphenylene sulfide is used, to which glass fibers are added in an amount of up to 45% by weight (wt.%).

Wenngleich mit den vorbekannten Kunststoffen bzw. Kunststoffzusammensetzungen bereits Käfige für Wälzlager herstellbar sind, die hohen Ansprüchen an Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturen und aggressiven Umgebungsbedingungen genügen, besteht der Wunsch nach weiterer Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen raue Umgebungsbedingungen, wobei die Funktionalität des Käfigs insbesondere im Hinblick auf die Härte und Verschleißfestigkeit optimiert werden soll.Although with the previously known plastics or plastic compositions already cages for rolling bearings can be produced, the high demands on insensitivity to temperatures and meet aggressive environmental conditions, there is a desire for further increase the resilience against harsh environmental conditions, the functionality of the cage in particular in terms of hardness and wear resistance to be optimized.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Käfig für ein Wälzlager der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass es ein weiter verbessertes Verhalten in Bezug auf Verschleißfestigkeit und thermische Stabilität aufweist, so dass die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit des Käfigs weiter erhöht werden können. Ferner soll eine möglichst wirtschaftliche Herstellung des Käfigs erreicht werden.Of the Invention is therefore based on the object, a cage for a rolling bearing of the aforementioned type so that it is a further improved Behavior in terms of wear resistance and thermal stability so that the life and performance of the cage continues elevated can be. Furthermore, a possible economic Production of the cage be achieved.

Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Kunststoff-Basismaterial, das den Käfig bildet, Hartstoffteilchen zugemischt sind, die eine Partikelgröße zwischen 1 nm und 50 nm aufweisen. Bevorzugt liegt die Partikelgröße zwischen 10 nm und 30 nm. Als Partikelgröße sei der mittlere Partikeldurchmesser verstanden.The solution this object by the invention is characterized in that the plastic base material that forms the cage, hard particles are admixed having a particle size between 1 nm and 50 nm exhibit. The particle size is preferably between 10 nm and 30 nm. As particle size is the Mean particle diameter understood.

Als Hartstoffteilchen kommt bevorzugt eine Oxidkeramik oder eine Mischung verschiedener Oxidkeramiken zum Einsatz. Besonders bevorzugt ist dabei an Siliziumdioxid (SiO2) gedacht. Dieses Material wird bevorzugt in neutraler Form mit einem pH-Wert von ca. 7,4 verwendet.The hard material particles used are preferably an oxide ceramic or a mixture of different oxide ceramics. Particular preference is given to silicon dioxide (SiO 2 ). This material is preferably used in neutral form with a pH of about 7.4.

Der Anteil der Hartstoffteilchen kann zwischen 0,5 Vol.-% (Volumenprozent) und 25 Vol.-% betragen. Besonders bevorzugt kommt ein Anteil an Hartstoffteilchen zwischen 1 Vol.-% und 5 Vol.-% zum Einsatz.Of the Proportion of hard material particles can be between 0.5% by volume (volume percent) and 25 vol.%. Particularly preferred is a proportion of hard material particles between 1 vol.% and 5 vol.%.

Als Kunststoff-Basismaterial ist bevorzugt Polyamid (PA), insbesondere Polyamid mit 8 Vol.-% Polyethylen (PA 66 PE), Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyoxymethylen (POM) vorgesehen. Das letztgenannte Material kommt häufig bevorzugt bei Linearlager-Käfigen zum Einsatz.When Plastic base material is preferably polyamide (PA), in particular Polyamide with 8% by volume of polyethylene (PA 66 PE), polyetheretherketone (PEEK) or polyoxymethylene (POM) provided. The latter Material comes often preferred for linear bearing cages for use.

Die Festigkeit des Käfigs kann dadurch weiter verbessert werden, dass er weiterhin Verstärkungsfasern aufweist. Hierfür kommen – wie an sich bekannt – insbesondere Kohlefasern oder Glasfasern in Frage.The Strength of the cage can be further improved by continuing to use reinforcing fibers having. Therefor come - like known in itself - in particular Carbon fibers or glass fibers in question.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass bei der Verwendung von Polyamid (PA) als Kunststoff-Basismaterial Hartstoffteilchen in Form einer Oxidkeramik in einer Menge zwischen 1 und 5 Vol.-% enthalten sind.A particularly preferred embodiment provides that in use of polyamide (PA) as plastic base material hard material particles in the form of an oxide ceramic in an amount between 1 and 5 vol.% are included.

Eine besonders bevorzugte Alternative stellt darauf ab, dass bei der Verwendung von Polyetheretherketon (PEEK) als Kunststoff-Basismaterial Hartstoffteilchen in Form einer Oxidkeramik in einer Menge zwischen 15 und 25 Vol.-% enthalten sind.A particularly preferred alternative is that at the Use of polyetheretherketone (PEEK) as plastic base material Hard material particles in the form of an oxide ceramic in an amount between 15 and 25 vol .-% are included.

Der Käfig wird bevorzugt bei Kugellagern oder bei Kegelrollen-, Zylinderrollen-, Pendelrollen- oder Toroidallagern eingesetzt, wobei er aber auch für alle anderen Lagertypen verwendbar ist.Of the Cage is preferred for ball bearings or tapered roller, cylindrical roller, Spherical roller or Toroidallagern used, but he also for all others Storage types is usable.

Es sei darauf hingewiesen, dass bei der vorliegenden Erfindung die Mengenangaben der zuzugebenden Stoffe auf Volumenprozent bezogen sind; es hat sich herausgestellt, dass der Volumenanteil des zuzugebenden Stoffes mit Blick auf den Verschleiß und die Härte des Käfigmaterials relevanter ist als die im Stand der Technik bekannte Bezugnahme auf Gewichtsprozent.It It should be noted that in the present invention the Quantities of the substances to be added based on volume percent are; it has been found that the volume fraction of the added Material with regard to the wear and the hardness of the cage material is more relevant as the prior art reference to weight percent.

Der Einsatz von Nanopartikeln als solche sind im Stand der Technik bekannt, was auch für die entsprechende Verarbeitung bzw. Herstellung der Materialien gilt.Of the Use of nanoparticles as such are known in the art, which also for the corresponding processing or production of the materials applies.

Aus der DE 102 47 359 A1 ist eine Verwendung von oberflächenmodifizierten Nanopartikeln und ihrer Dispersion in Lösungsmitteln für die Herstellung von Beschichtungsstoffen, Klebstoffen, Dichtungsmassen, Compounds auf der Basis technischer Kunststoffe und härtbarer Massen die Herstellung von Beschichtungen, Lackierungen, Dichtungen, Formteilen und Hartschäumen bekannt. Dabei werden als zu modifizierende Nanopartikel insbesondere Silizium und dessen Oxide verwendet. Dabei weisen die zu modifizierenden Nanopartikel eine Partikelgröße zwischen 10 und 30 nm auf.From the DE 102 47 359 A1 is a use of surface-modified nanoparticles and their dispersion in solvents for the preparation of coating materials, adhesives, sealants, compounds based on engineering plastics and curable compositions, the production of coatings, coatings, seals, moldings and rigid foams known. In particular, silicon and its oxides are used as the nanoparticles to be modified. The nanoparticles to be modified have a particle size between 10 and 30 nm.

Aus der DE 102 39 326 A1 sind Formmassen auf der Basis von thermoplastischen Polymeren, beinhaltend nanoskalige Füllstoffe, bekannt, aus denen beispielsweise Hohlkörper mit Anwendungen im Bereich der Automobilindustrie, wie Kraftstoffbehälter, Spoiler, Luftführungskanäle, Ansaugrohre bzw. Teile von Ansaugrohren oder Saugmodulen, Flüssigkeitsbehältern und Verkleidungen, herstellbar sind. Dabei sind die nanoskaligen Füllstoffe in einer Menge von 0,5 bis 15 Gew.-% zugegeben und bestehen beispielsweise aus Siliziumdioxid. Die Formmassen umfassen dabei beispielsweise Polyamid. Dabei können die Formkörper in einer oder in mehreren Stufen durch Spritzgießen, Co-Extrusion, Extrusions-Blasformen, Pressen oder Ummantelungsverfahren hergestellt werden.From the DE 102 39 326 A1 are molding compositions based on thermoplastic polymers, including nanoscale fillers known, from which, for example, hollow body with applications in the automotive industry, such as fuel tanks, spoilers, air ducts, intake pipes or parts of intake pipes or suction modules, liquid containers and panels can be produced. The nanoscale fillers are added in an amount of 0.5 to 15 wt .-% and consist for example of silica. The molding compositions include, for example, polyamide. The moldings can be produced in one or more stages by injection molding, co-extrusion, extrusion blow molding, pressing or coating processes.

Die DE 199 33 819 A1 offenbart kompakte und/oder zellige Polyurethanelastomere, die 0,01 bis 20 Gew.-% nanoskaliges Siliziumdioxid enthalten. Die Polyurethanelastomere finden dabei Verwendung zur Herstellung von Formkörpern, vorzugsweise für den Maschinenbau und den Verkehrsmittelsektor. Die zelligen Polyurethanelastomere eignen sich insbesondere zur Herstellung von Dämpfungs- und Federelementen, vorzugsweise für Kraftfahrzeuge, Puffern und Deckschichten. Die kompakten Polyurethanelastomere eigenen sich beispielsweise zum Einsatz in Reifen, Rollen und Walzen, als Walzenbeschichtungen oder zur Herstellung von Riemen.The DE 199 33 819 A1 discloses compact and / or cellular polyurethane elastomers containing from 0.01% to 20% by weight of nanoscale silica. The polyurethane elastomers are used for the production of moldings, preferably for mechanical engineering and the transport sector. The cellular polyurethane elastomers are particularly suitable for the production of damping and spring elements, preferably for motor vehicles, buffers and cover layers. The compact polyurethane elastomers are suitable, for example, for use in tires, rollers and rollers, as roller coatings or for the production of belts.

Schließlich sind aus der DE 198 56 484 A1 thermoplastische Formmassen bekannt, die ein thermoplastisches Polycarbonat und 0,01 bis 30 Gew.-% Siliziumverbindungen mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 3 nm bis 50 nm aufweisen. Aus der Masse können Formkörper durch Spritzgießen hergestellt werden.Finally, from the DE 198 56 484 A1 thermoplastic molding compositions are known which comprise a thermoplastic polycarbonate and 0.01 to 30 wt .-% silicon compounds having an average particle diameter of 3 nm to 50 nm. From the mass moldings can be produced by injection molding.

Auf die genannten Vorveröffentlichungen wird hinsichtlich der Herstellung und Verarbeitung von Materialien mit Nanopartikeln sowie mit Blick auf die Art der Nanopartikel hiermit ausdrücklich Bezug genommen.On the aforementioned prior publications will with regard to the production and processing of materials with Nanoparticles and with regard to the type of nanoparticles hereby expressly Referenced.

Mit der oben erläuterten erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird eine Lebensdauer- und Leistungssteigerung bei Kunststoff-Wälzlagerkäfigen erreicht. Ferner können die Produktionskosten nicht unerheblich reduziert werden. Durch die Zumischung von Hartstoffteilchen in Nanopulverform zum Kunststoff-Basiswerkstoff wird erreicht, dass ein Teil des Käfigwerkstoffs durch die Nano-Hartstoffteilchen ersetzt wird, was Kostenvorteile insbesondere dann erbringen kann, wenn das Kunststoff-Basismaterial relativ teuer ist, wie es beispielsweise bei PEEK der Fall ist.With the above explained inventive design a life and performance increase in plastic rolling bearing cages is achieved. Furthermore, can the production costs are not reduced significantly. By the addition of hard particles in nanopowder form to the plastic base material is achieved that part of the cage material through the nano-hard particles which can provide cost benefits especially if the plastic base material is relatively expensive, such as for example PEEK is the case.

Bezüglich der Herstellung des Käfigs sei angemerkt, dass eine bevorzugte Verfahrensweise darin besteht, dass Hartstoffteilchen in Form eines Pulvers mit dem genannten mittleren Partikeldurchmesser, vorzugsweise zwischen 10 nm und 30 nm, dem im flüssigen Zustand (als pastöse Masse) vorliegenden Kunststoff-Basismaterial zugemischt wird, bis eine homogenen Mischung vorliegt. Dies erfolgt in bekannten Kunststoff-Verarbeitungsanlagen, d. h. insbesondere in einer Extrudiervorrichtung. Für das Einbringen der Nanopartikel in die Kunststoffmasse sind Dosierförderschnecken geeignet, die eine gleichmäßige Partikelverteilung begünstigen und Agglomerationen behindern. Anschließend kann eine (Re-)Granulierung des Kunststoffmaterials als Vorbereitung der thermoplastischen Formgebung, z. B. durch Spritzgießen, erfolgen, was in üblicher Weise stattfinden kann. Es kann dabei auf bestehende Anlagen zur Kunststoffverarbeitung problemlos zurückgegriffen werden; ggf. erforderliche Zusatzaggregate (z. B. zusätzliche Dosier- und Zumischeinrichtungen) können problemlos an bestehenden Anlagen ergänzt werden.Regarding the Production of the cage It should be noted that a preferred procedure is that hard material particles in the form of a powder with said middle Particle diameter, preferably between 10 nm and 30 nm, the im liquid Condition (as pasty Mass) present plastic base material is mixed until a homogeneous mixture is present. This takes place in known plastic processing plants, d. H. in particular in an extrusion device. For the introduction The nanoparticles in the plastic compound are dosing screw conveyors suitable, the uniform particle distribution favor and impede agglomerations. Subsequently, a (re-) granulation the plastic material in preparation of the thermoplastic molding, z. By injection molding, what happens in usual Way can take place. It can be applied to existing facilities for Plastic processing can be used easily; possibly required Additional units (eg additional Dosing and Zumischeinrichtungen) can easily on existing Attachments are added.

Durch die eingebrachten Nanopartikel aus dem genannten Hartstoff wird die Härte des Käfigs erhöht und auch der Verschleißwiderstand des Käfigs verbessert. Ferner wird die Temperaturbeständigkeit gesteigert. Gute Ergebnisse, d. h. eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Käfigs, können bereits mit Volumenanteilen zwischen 1 Vol.-% und 5 Vol.-% Hartstoffteilchen erreicht werden.By the introduced nanoparticles from the said hard material is the hardness of the cage increases and also the wear resistance of the cage improved. Furthermore, the temperature resistance is increased. Good results, d. H. An improvement in the mechanical properties of the cage, can already with volume fractions between 1 vol .-% and 5 vol .-% hard material particles be achieved.

Im Falle relativ teurer Kunststoffe haben sich jedoch auch höhere Gehalte an Nanopartikeln bis ca. 20 Vol.-% bewährt. Das Käfig-Grundmaterial kann damit verstreckt werden, so dass die Materialkosten insgesamt niedriger ausfallen.in the Traps of relatively expensive plastics, however, also have higher contents proven to nanoparticles up to about 20 vol .-%. The cage base material can handle it be stretched, so that the material costs lower overall fail.

Es sei angemerkt, dass der vorgeschlagene Wälzlagerkäfig freilich sowohl in den bevorzugten, genannten Lagertypen als auch bei Linearlagern eingesetzt werden kann.It It should be noted that the proposed rolling bearing cage admittedly in both the preferred, mentioned bearing types used as well as linear bearings can be.

Claims (18)

Käfig für ein Wälzlager, der aus einem Kunststoff-Basismaterial besteht und eine Anzahl Aufnahmetaschen für Wälzkörper aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kunststoff-Basismaterial Hartstoffteilchen zugemischt sind, die eine Partikelgröße zwischen 1 nm und 50 nm aufweisen.Cage for a rolling bearing, which consists of a plastic base material and a number Aufnah Has metaschen for rolling elements, characterized in that the plastic base material hard substance particles are admixed, which have a particle size between 1 nm and 50 nm. Käfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffteilchen eine Partikelgröße zwischen 10 nm und 30 nm aufweisen.Cage according to claim 1, characterized in that the hard material particles a particle size between 10 nm and 30 nm. Käfig nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffteilchen aus einer Oxidkeramik bestehen.Cage according to claim 1 or 2, characterized in that the hard material particles consist of an oxide ceramic. Käfig nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidkeramik Siliziumdioxid (SiO2) ist.Cage according to claim 3, characterized in that the oxide ceramic is silicon dioxide (SiO 2 ). Käfig nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Hartstoffteilchen zwischen 0,5 Vol.-% und 25 Vol.-% beträgt.Cage according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the proportion of hard material particles between 0.5 vol.% and 25 vol.%. Käfig nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Hartstoffteilchen zwischen 1 Vol.-% und 5 Vol.-% beträgt.Cage according to claim 5, characterized in that the proportion of hard material particles between 1 vol.% and 5 vol.%. Käfig nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoff-Basismaterial Polyamid (PA) istCage according to one of the claims 1 to 6, characterized in that the plastic base material Polyamide (PA) is Käfig nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyamid mit 8 Vol.-% Polyethylen aufweisen (PA 66 PE).Cage according to claim 7, characterized in that the polyamide with 8 Vol .-% polyethylene (PA 66 PE). Käfig nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoff-Basismaterial Polyetheretherketon (PEEK) ist.Cage according to one of the claims 1 to 6, characterized in that the plastic base material Polyetheretherketone (PEEK) is. Käfig nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoff-Basismaterial Polyoxymethylen (POM) ist.Cage according to one of the claims 1 to 6, characterized in that the plastic base material Polyoxymethylene (POM) is. Käfig nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin Verstärkungsfasern aufweist.Cage according to one of the claims 1 to 10, characterized in that it further comprises reinforcing fibers having. Käfig nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern Kohlefasern sind.Cage according to claim 11, characterized in that the reinforcing fibers Carbon fibers are. Käfig nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern Glasfasern sind.Cage according to claim 11, characterized in that the reinforcing fibers Are glass fibers. Käfig nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung von Polyamid (PA) als Kunststoff-Basismaterial Hartstoffteilchen in Form einer Oxidkeramik in einer Menge zwischen 1 und 5 Vol.-% enthalten sind.Cage according to claim 7, characterized in that in use of polyamide (PA) as plastic base material hard material particles in the form of an oxide ceramic in an amount between 1 and 5 vol.% are included. Käfig nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung von Polyetheretherketon (PEEK) als Kunststoff-Basismaterial Hartstoffteilchen in Form einer Oxidkeramik in einer Menge zwischen 15 und 25 Vol.-% enthalten sind.Cage according to claim 9, characterized in that in use of polyetheretherketone (PEEK) as plastic base material Hard material particles in the form an oxide ceramic in an amount between 15 and 25 vol .-% are. Käfig nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass er Bestandteil eines Kugellagers ist.Cage according to one of the claims 1 to 15, characterized in that it is part of a ball bearing is. Käfig nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass er Bestandteil eines Kegelrollen-, Zylinderrollen-, Pendelrollen- oder Toroidallagers ist.Cage according to one of the claims 1 to 15, characterized in that it is part of a tapered roller, Cylindrical roller, spherical roller or toroidal bearing is. Käfig nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass er Bestandteil eines Linearlagers ist.Cage according to one of the claims 1 to 15, characterized in that it is part of a linear bearing is.
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