DE102010034259A1

DE102010034259A1 - Wälzlager

Info

Publication number: DE102010034259A1
Application number: DE102010034259A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dittenhöfer; Kerem Köksal; Oliver Leitholdt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2012-02-16

Abstract

Ein Wälzlager (2) umfasst einen äußeren Ring (4), einen inneren Ring (6) und mehrere Wälzkörpern (8) in einem Wälzkörperraum (14) zwischen den Ringen (4, 6). Im Betrieb rollen die Wälzkörper (8) dabei auf Laufflächen (12a, 12b) der Ringe (4, 6) ab. Durch den Einsatz von einem Schmierstoff (18) aus einer Graphit-Paste mit Graphit-Partikeln wird eine dauerhafte Verschleißfestigkeit des Wälzlagers (2) bei hohen Betriebstemperaturen gewährleistet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager umfassend einen äußeren Ring und einen inneren Ring, zwischen denen ein Wälzkörperraum ausgebildet ist, in dem mehrere Wälzkörper sich im Betrieb auf Laufflächen der Ringe abrollen, wobei im Wälzkörperraum ein Schmierstoff vorgesehen ist.
Hintergrund der Erfindung
Bei sehr hohen Betriebstemperaturen eines Wälzlagers, insbesondere bei Temperaturen von über 200°C, wie dies z. B. bei beim Einsatz in Backöfen der Fall ist, sind Öle und Fette nicht mehr für die Schmierung des Wälzlagers geeignet. In der DE 10 2007 034 487 A1 ist es daher vorgeschlagen, dass das Wälzlager einen Graphit-Käfig aufweist, in welchem die Wälzkörper aufgenommen sind. Infolge des minimalen Graphitabriebs vom Käfig verfügt das derartige Wälzlager über eine Eigenschmierung. Nachteilig bei dieser Ausführung ist jedoch, dass der Graphit-Käfig mechanisch sehr empfindlich ist und nur geringe Drehzahlen erlaubt. Der zur Schmierung erforderliche Abrieb schwächt den Käfig mit zunehmender Laufzeit und begrenzt somit die Gebrauchsdauer. Der Käfig ist zudem aufwändig und teuer in der Herstellung.
Aus der DE 10 2006 024 350 B3 ist eine Feuerverzinkungsanlage mit einem Beschichtungsbehälter zu entnehmen, wobei ein zu beschichtendes Metall über eine Lageranordnung geleitet wird. Damit flüssiges Metall nicht in eine Lagerstelle der Lageranordnung eindringen kann, ist eine Sperrluftabdichtung vorgesehen. Im Betrieb der Feuerverzinkungsanlage gelangt die Luft in einen Luftkompressor und wird über eine Luftleitung mit Überdruck zur Lagerstelle geleitet. Anstelle von Luft kann auch ein Inertgas verwendet werden. Hinter dem Luftkompressor sind Mittel zum Zugeben eines pulverförmigen Schmierstoffs angeordnet, wobei der Schmierstoff z. B. ein Graphit-Pulver ist. Diese Art der Schmierung der Lageranordnung funktioniert jedoch nur in Kombination mit der Sperrluftabdichtung.
Aus der EP 0 360 178 A2 ist außerdem eine Lagerstruktur mit Wälzkörpern bekannt, bei der ein festes Schmiermittel eingesetzt wird. Ein poröses metallisches oder keramisches Teil ist imprägniert mit pulverartigen Schmierstoffen, wie z. B. CaF₂ oder Cr₂O₃. Aufgrund der Drehbewegung der Lagerstruktur und aufgrund von Oszillationen löst sich der pulverförmige Schmierstoff allmählich von dem porösen Teil und schmiert die Wälzkörper.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Schmierungskonzept anzugeben, das für hohe Temperaturen geeignet ist und eine hohe Verschleißsicherheit bzw. Gebrauchsdauer eines Wälzlagers gewährleistet.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wälzlager umfassend einen äußeren Ring und einen inneren Ring, zwischen denen ein Wälzkörperraum ausgebildet ist, in dem mehrere Wälzkörper sich im Betrieb auf Laufflächen der Ringe abrollen, wobei im Wälzkörperraum ein Schmierstoff vorgesehen ist, der aus einer Graphit-Paste mit Graphit-Partikeln ausgebildet ist.
Die Bezeichnung „Paste” bezieht sich hierbei weniger auf den Aggregatzustand der im Schmierstoff enthaltenen Stoffe, sondern hauptsächlich auf die Eigenschaften des Schmierstoffs, die für eine Paste typisch sind. So ist z. B. die pastöse Ansammlung von Graphit-Partikeln nicht unbedingt fließfähig, sondern an erster Stelle streichfest. Das Graphit-Pulver bildet somit eine feste Schmierschicht um die Wälzkörper. Dies ist möglich aufgrund des Schichtgitteraufbaus des Graphits, bei dem sich kleine, lamellenartige Teilchen in Schichtrichtung leicht gegeneinander verschieben. Die Lagen der kleinen Lamellen gleiten somit leicht aufeinander, bewegen sich in der Oberflächenrauigkeit der Werkstoffe und haften dort fest.
Im Wälzlager ist eine definierte Menge des pastösen Schmierstoffs auf Graphitbasis eingebracht, welche sich insbesondere auf die Oberfläche der Wälzkörper verteilt und für eine dauerhafte Schmierung auch unter Extrembedingungen, wie z. B. unter sehr hohen Temperaturen, sorgt. Die Graphit-Partikel sind dabei insbesondere kleiner als 1 μm.
Graphit zeichnet sich durch seine besonders hohe Schmelztemperatur aus, die bei ca. 3700°C liegt. Da dieser in pastöser Form in das Lager eingebracht wird, kann sich der Schmierstoff gut im Lager verteilen. In Verbindung mit einer geeigneten axialen Abdichtung des Lagers kann so dauerhaft die für die Anwendung optimale Schmierstoffmenge dosiert werden. Dies führt zu einem gleichbleibenden Reibmoment bzw. Laufverhalten über die Laufzeit des Lagers ohne erneute Zufuhr des Schmierstoffs.
Eine sehr hohe Verschleißfestigkeit bei weitgehend konstantem Reibmoment wird erzielt, indem die Wälzkörper vorzugsweise eine Oberfläche aus einem harten Nichteisenwerkstoff, wie z. B. einem keramischen Material wie Chromoxid, oder einer Hartstoffschicht aufweist. Die Wälzkörper sind z. B. vollständig aus einem keramischen Werkstoff ausgebildet oder alternativ weisen sie an ihrer Oberfläche eine Beschichtung mit einer Hartstoffschicht auf. Keramik zeichnet sich durch ihre hohe Härte und Verschleißbeständigkeit aus, was sie besonders geeignet für die Kombination mit einem Festschmierstoff macht.
Durch den Einsatz des keramischen Werkstoffs wird die Gefahr von Adhäsionsverschleiß verhindert.
Die Verschleißbeständigkeit des Wälzkörpers wird zudem erhöht, indem alternativ oder in Kombination mit den keramischen Wälzkörpern mindestens eine Lauffläche eines der Ringe wahlweise aus gehärtetem Stahl, aus einem keramischen Material, z. B. aus Chromoxid, oder aus einer Hartstoffschicht ist. Hierbei ist es auch ausreichend, dass die Lauffläche mit einer keramischen Schicht überzogen ist.
Optional zur Verbesserung des Anlaufverhaltens oder des Korrosionsschutzes ist vorzugsweise mindestens eine der Laufflächen und/oder ein Käfig für die Wälzkörper mit einer Phosphatschicht, insbesondere mit Manganphosphat, beschichtet. Phosphatschichten haben sich zum Schutz gegen Passungsrost als sehr zuverlässig erwiesen. Durch die Manganphosphatschicht wird die Reibung zwischen den Wälzkörpern und den restlichen Elementen des Wälzlagers reduziert. Die Phosphatdeckschichten werden in Verbindung mit dem Schmierstoff angewandt und unterbinden auch im Falle eines Aufreißens des Schmierfilms bzw. der Schmierschicht den direkten Kontakt zwischen den Wälzkörpern und den zugehörigen Laufflächen, so dass sich die Wälzkörper nicht in die Laufflächen eingraben können. Somit ist ein besserer Verschleißschutz der Wälzkörper gewährleistet.
Bevorzugt ist der Schmierstoff ein Trocken-Schmierstoff. Dies bedeutet, dass der Schmierstoff lediglich Feststoffe enthält und dass die Schmiereigenschaften des Schmierstoffs sich auf die Eigenschaften des pulverförmigen Graphits stützen.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung besteht der Schmierstoff aus reinem Graphit. Der Reinheitsgrad des reinen Graphits ist höher als 99%. Nach einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung ist der Schmierstoff zu mehr al 50% aus Graphit-Partikeln gebildet, wobei der Schmierstoff weitere Zusatzstoffe enthält. Zur Verbesserung des Einlaufverhaltens oder der Handhabung enthält der Schmierstoff Zusatzstoffe, wie z. B. Kohlenwasserstoffe, Glykolöle, Teflon, Molybdändisulfid, etc.
Im Hinblick auf eine besonders gute Verteilung der Graphit-Partikel ist zweckdienlicherweise eine Trägerflüssigkeit für die Graphit-Partikel vorgesehen, die insbesondere ein Öl ist. Beim Erhöhen der Temperatur im Betrieb des Wälzlagers verdampft die Trägerflüssigkeit und zurück bleiben nur die festen Graphit-Partikel, die als ein Trocken-Schmierstoff wirken.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt die einzige Figur einen Axialschnitt durch ein Wälzlager 2.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Das Wälzlager 2 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen äußeren Ring 4, einen inneren Ring 6 sowie eine Vielzahl von kugelförmigen Wälzkörpern 8, die in einem Käfig 10 geführt sind. Der Einsatz des Käfigs 10 ist nur optional, d. h. auf diesen kann verzichtet werden. Die Ringe 4, 6 weisen jeweils eine Lauffläche 12a bzw. 12b auf. Die Wälzkörper 8, die in einem Wälzkörperraum 14 radial zwischen den Ringen 4, 6 angeordnet sind, wälzen sich auf den Laufflächen 12a, 12b ab. Axial ist der Wälzkörperraum 14 durch zwei Dichtungen 16 gegenüber der Umgebung abgedichtet.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Wälzkörper 8 mit einer Hartstoffschicht der Oberfläche wie z. B. Chromoxid ausgebildet. Der äußere Ring 4 und der innere Ring 6 sind aus einem gehärteten Stahl. Ergänzend kann auf den Laufflächen 12a, 12b auch eine Schicht aus Manganphosphat aufgebracht sein.
Der Käfig 10 ist aus Metall und weist auch eine Beschichtung aus Manganphosphat auf.
Alternativ sind auch Ausführungen des Wälzlagers 2 denkbar, bei denen die Wälzkörper 8 nicht vollständig aus Keramik ausgebildet sind, sondern im Wesentlichen aus einem Metall ausgebildet sind und mit einer Keramikschicht überzogen sind. Möglich ist auch auf die Keramikschicht vollständig zu verzichten, so dass die Wälzkörper 8 aus einem nicht rostenden, korrosionsstabilen Stahl und die Laufflächen 12a, 12b wie die Ringe 4, 6 aus einem gehärteten Stahl bestehen. Ebenso kann auf die Phosphatbeschichtungen der Ringe 4, 6 und des Käfigs 10 verzichtet werden.
Das Wälzlager 2 ist für den Einsatz bei hohen Temperaturen von mehreren 100° vorgesehen, insbesondere für den Einsatz in einem Backofen. Zum Schmieren des Wälzlagers 2 bei derart hohen Temperaturen ist im Wälzkörperraum 14 ein Trocken-Schmierstoff 18 vorgesehen, der in diesem Ausführungsbeispiel als eine Graphit-Paste aus sehr feinen Graphit-Partikeln mit einem Durchmesser kleiner als 1 μm ausgebildet. Das Wälzlager 2 enthält eine definierte Menge vom Trocken-Schmierstoff 18, der während der Gebrauchsdauer des Wälzlagers sich stets im Wälzkörperraum 14 befindet und sich auf allen Oberflächen innerhalb des Wälzlagers 2 ablagert. Eine insbesondere kontinuierliche Schmierstoff-Zufuhr findet dabei nicht statt.
Der Schmierstoff 18 besteht hierbei aus reinem Graphit. Dank seinem lamellaren Aufbau kann sich der Graphit gut im Lager verteilen und bildet eine Schmierschicht um die Wälzkörper 8. Der Schmierstoff 18 ist somit in einem pastösen Zustand, in dem er streichfest ist und an der Oberfläche der Wälzkörper 8 haftet. Alternativ zum reinen Graphit kann der Schmierstoff 18 neben Graphit weitere Zusatzstoffe umfassen, wie beispielsweise Glykolöl, Teflon oder Molybdändisulfid, wobei der Anteil der Graphit-Partikel weiterhin überwiegt.
Die Kombination aus keramischen Wälzkörpern 8 mit dem pastösen Schmierstoff 18 aus Graphit bringt beim Wälzlager 2 gemäß 1 doppelten Verschleißschutz. Bereits bei Trockenlauf ist ein Wälzlager 2 mit keramischen Wälzkörpern 8 und metallischen Ringen 4, 6 verschleißfester als in dem Fall, wenn die Wälzkörper 8 aus Metall sind. Die Trockenschmierung mit Graphit erhöht dabei zusätzlich die Verschleißfestigkeit. Das Wälzlager 2 zeichnet sich zudem durch eine hohe Drehzahleignung bei konstant niedrigem und möglichst bleibendem Reibmoment über die Laufzeit aus.
Bezugszeichenliste

2: Wälzlager
4: äußerer Ring
6: innerer Ring
8: Wälzkörper
10: Käfig
12a, b: Laufflächen
14: Wälzkörperraum
16: Dichtung
18: Schmierstoff

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007034487 A1 [0002]
DE 102006024350 B3 [0003]
EP 0360178 A2 [0004]

Claims

Wälzlager (2) umfassend einen äußeren Ring (4) und einen inneren Ring (6), zwischen denen ein Wälzkörperraum (14) ausgebildet ist, in dem mehrere Wälzkörper (8) sich im Betrieb auf Laufflächen (12a, 12b) der Ringe (4, 6) abrollen, wobei im Wälzkörperraum (14) ein Schmierstoff (18) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff (18) aus einer Graphit-Paste mit Graphit-Partikeln ausgebildet ist.
Wälzlager (2) nach Anspruch 1, wobei die Wälzkörper (8) eine Oberfläche aus einem harten Nichteisenwerkstoff wie Keramik oder einer Hartstoffschicht aufweisen.
Wälzlager (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Laufflächen (12a, 12b) wahlweise aus gehärtetem Stahl, aus einem keramischen Material oder einer Hartstoffbeschichtung ist.
Wälzlager (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Laufflächen (12a, 12b) und/oder ein Käfig (10) für die Wälzkörper (8) ergänzend mit einer Phosphatschicht beschichtet ist.
Wälzlager (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff (18) ein Trocken-Schmierstoff ist.
Wälzlager (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff (18) aus reinem Graphit besteht.
Wälzlager (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff (18) zu mehr als 50% aus Graphit-Partikeln gebildet ist.
Wälzlager (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff (18) Zusatzstoffe wie z. B. Kohlenwasserstoffe, Glykolöle, Teflon, Molybdänsulfid, etc. enthält.
Wälzlager (2) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerflüssigkeit für der Graphit-Partikel vorgesehen ist, insbesondere ein Öl.