DE102011075494A1

DE102011075494A1 - Wälzlager, insbesondere für ein Achsgetriebe, sowie Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102011075494A1
Application number: DE201110075494
Authority: DE
Inventors: Manfred Winkler
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2012-11-15

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wälzlager dessen Lagerinnenring, aus einem Stahlwerkstoff gefertigt ist und in einem eine Wälzkörperlauffläche bildenden Bereich einen durch Carbonitrierung herbeigeführten Gefügeaufbau aufweist, wobei an dem Lagerinnenring im Bereich der Wälzkörperlauffläche ein im Nachgang zur Carbonitrierung ausgebildeter oxidischer Umwandlungsüberzug vorgesehen ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Wälzlager mit einem Lagerinnenring, einem Lageraußenring sowie Wälzkörpern, die in einem zwischen dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring definierten Wälzkörperbahnraum aufgenommen sind und auf dem Lagerinnenring bzw. in dem Lageraußenring abrollen. Insbesondere richtet sich die Erfindung auf ein sowohl axial, als auch radial tragendes mehrreihiges Wälzlager das als solches Bestandteil eines Achsgetriebes bildet und hierbei der einseitigen Lagerung eines Achszapfens eines Kegelrades dient, wobei dieses Kegelrad mit einem Tellerrad eines Achsdifferentiales kämmt. Die Erfindung richtet sich weiterhin auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Wälzlagers.
Aus US 7,334,943 B2 ist ein als Kegelrollenlager ausgeführtes Wälzlager bekannt, welches der Lagerung eines Kegelradzapfens dient. Die Laufringe dieses Kegelrollenlagers, sowie die als Kegel ausgeführten Wälzkörper desselben sind carbonitriert. Die entsprechende Werkstoffwahl und die Wärmebehandlung werden hierbei derart abgestimmt, dass sich an den Laufringen oder den Wälzkörpern ein oberflächennaher Gefügeaufbau mit 0,95% bis 1,10% Kohlenstoff, 01,15% bis 0,35% Silizium, ein Mangangehalt von max. 0,5%, ein Phosphoranteil von max. 0,025%, ein Chromanteil von 1.30 bis 1,60%, und ein Molybdänanteil von weniger als 0.08% ergibt.
Insbesondere im Bereich des Getriebebaus und hierbei wiederum insbesondere bei der einseitigen Lagerung von Kegelrädern wie sie beispielsweise bei Achsgetrieben Anwendung finden, sind die hier eingesetzten Wälzlagerungen hohen Belastungen ausgesetzt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen anzugeben, durch welche es möglich wird, in einer unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten relativ kostengünstig zu bewerkstelligenden Weise, eine Verbesserung der Einlaufcharakteristik sowie der Haltbarkeit von hochbelasteten Wälzlagern, insbesondere für den Einsatz bei Achsgetrieben zu erreichen.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wälzlager mit einem Lagerinnenring, einem Lageraußenring, sowie Wälzkörpern die in einem zwischen dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring definierten Wälzkörperbahnraum aufgenommen sind und auf dem Lagerinnenring bzw. auf dem Lageraußenring abrollen, wobei wenigstens der Lagerinnenring, und/oder der Lageraußenring aus einem Stahlwerkstoff gefertigt sind und in einem eine Wälzkörperlauffläche bildenden Bereich einen durch Carbonitrierung herbeigeführten Gefügeaufbau aufweisen, und die Wälzkörper und/oder der Lagerinnenring und/oder der Lageraußenring im Nachgang zur Carbonitrierung im Bereich der Wälzkontaktflächen, insbesondere der Wälzkörperlauffläche mit einem oxidischen Umwandlungsüberzug versehen sind der durch Anwendung einer alkalischen oder sauren Salzlösung gebildet ist.
Dadurch wird es auf überraschend vorteilhafte Weise möglich, die Wahrscheinlichkeit von Lagerfrühausfällen weiter zu reduzieren. Dieser Effekt wird darauf zurückgeführt, dass durch den oxidischen Überzug das Einlaufverhalten des Lagers verbessert und die Gefahr des Eintretens von Vorschäden an den Laufflächen vermindert wird.
Durch den erfindungsgemäß aufgebrachten oxidischen Überzug wird eine vorteilhafte Schmierstoffhaftung und eine verbesserte Konservierung der Laufflächen erreicht. Durch die der Ausbildung des oxidischen Überzugs vorangehende Vorbehandlung und auch durch die Oxidationswirkung der Salzlösung können mechanisch indifferent in der Lauffläche sitzende Partikel, insbesondere sog. Schleifflitter gelöst und entfernt werden die anderenfalls ggf. zu Aufwürfen führen könnten.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden der Lagerinnenring und der Lageraußenring aus dem Stahl-Werkstoff 100CrMn6 gefertigt. Der Lageraußenring, und der Lagerinnenring werden vorzugsweise im Nachgang zur Carbonitrierung nach Maßgabe einer empirisch optimierten Temperaturführung angelassen.
Im Nachgang zu jener Anlassbehandlung werden der Lagerinnenring und der Lageraußenring überschliffen. Die überschliffenen Lagerringe werden entfettet und vorzugsweise einer Beizbehandlung in einem verdünnten Säurebad unterzogen. Nach dieser Beizbehandlung werden die Lageringe in mehreren Spülschritten gespült.
Nach dieser ersten Vorbehandlung werden die Lageringe vorzugsweise für etwa 10 bis 15 Minuten in eine in etwa auf 137 bis 141°C erhitzte Brünierlösung getaucht. Im Rahmen dieser Brünierbehandlung bildet sich an den Lagerringen ein oxidischer Überzug. Nach dieser ersten Heißbrünierung werden die Lageringe erneut gespült.
Nach diesem zweiten Spülvorgang werden die Lagerringe vorzugsweise erneut für 10 bis 15 Minuten einer Tauchbrünierbehandlung unterzogen. Die Temperatur des Tauchbades beträgt nunmehr vorzugsweise 141 bis 145°C.
Im Nachgang zu dieser zweiten Tauchbrünierung erfolgt eine weitere, vorzugsweise mehrstufige Spülung und nachfolgende Trocknung der Bauteile. Nach dieser Trocknung Werden die Lagerringe vorzugsweise im Bereich der Wälzkörperlaufflächen überbürstet. Das Überbürsten erfolgt vorzugsweise mit einem Buntmetall, inbesondere Bronzebürstenkopf. Die nunmehr überbürsteten Lagerlaufringe werden vorzugsweise beölt. Die Beölung kann in einem erhitzten Ölbad erfolgen.
Die erfindungsgemäß carbonitrierten, überschliffenen und brünierten Lagerlaufringe können nunmehr in Verbindung mit den weiteren Wälzagerkomponenten, insbesondere einem Wälzkörperkäfig und den entsprechenden Wälzkörpern zu einem vollständigen Wälzlager zusammengesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Behandlung der Wälzkörperlauffläche kann auf den stärker belasteten Lagerring, typischerweise den Lagerinnenring beschränkt werden. Weiterhin ist es möglich, die geringer belasteten Komponenten des Wälzlagers, insbesondere die Wälzkörper, einer Einbadbehandlung zu unterziehen und die Zwei- oder Mehrbadbehandlung auf die stärker belasteten Komponenten zu beschränken.
Das zur Herbeiführung des oxidischen Umwandlungsüberzuges vorgesehene Brünierbad enthält vorzugsweise Natriumhydroxid (ca. 585 g/l), Natriumnitrit (ca. 135 g/l) und Dinatriumhydrogenphosphat (ca. 80 g/l).
Die Erfindung richtet sich insbesondere, jedoch zumindest zunächst nicht ausschließlich auf ein Wälzlager das als mehrreihiges Wälzlager ausgeführt ist, wobei die Wälzkörper als Kugeln ausgeführt sind. Die Lagerringe und die Kugeln sind vorzugsweise so ausgelegt, dass die Kugeln der ersten Laufreihe einen kleineren Durchmesser aufweisen als die Kugeln der zweiten Laufreihe. Dieses Lager wird gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise bei einem Achsgetriebe zur Lagerung eines Kegel- oder Schneckenradzapfens herangezogen.
In verfahrenstechnischer Hinsicht wird die eingangs angegebene Aufgabe auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerinnenringes, oder eines Lageraußenringes für ein Wälzlager bei welchem jener Lagerinnenring oder Lageraußenring durch Carbonitrierung gehärtet wird, so dass wenigstens der Lagerinnenring, und/oder der Lageraußenring in einem eine Wälzkörperlauffläche bildenden Bereich einen durch Carbonitrierung herbeigeführten Gefügeaufbau aufweist, wobei der Lagerinnenring und/oder der Lageraußenring in einem der Carbonitrierung zeitlich nachfolgenden Verfahrensschritt im Bereich der Wälzkörperlauffläche einer alkalischen oder sauren Salzlösung ausgesetzt und mit einem oxidischen Umwandlungsüberzug versehen wird.
Die Brünierbehandlung kann sich auch auf die Wälzkörper des entsprechenden Lagers erstrecken. Wie bereit ausgeführt, wird der oxidische Überzug durch eine als Brünierbehandlung bezeichnete Tauchbadbehandlung oder Bauteilbenetzung erzeugt. Diese Brünierbehandlung kann im wesentlichen einer Brünierbehandlung nach DIN 50938 Fe/A entsprechen. Die mit dem oxidischen Überzug versehenen Bauteile werden vorzugsweise vor dem weiteren Verbau überbürstet und durch einen Heißölauftrag vorgefettet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist es auch möglich, das Lager in zumindest weitgehend komplettiertem Zustand jener Brünierbehandlung zu unterziehen. Diese Maßnahme eignet sich insbesondere für Lagerbauformen mit einem metallischen Käfig, oder einem Käfig aus einem hinreichend temperaturbeständigen Kunststoffmaterial. Das Lager kann hierbei in eine Halteeinrichtung eingesetzt werden, die als solche ein leichtes Abheben der Wälzkörper von den Laufflächen bewirkt, so dass auch an den potentiellen Berührungspunkten eine ausreichende Benetzung sichergestellt ist. Es ist auch möglich, das Lager in eingetauchtem oder benetztem Zustand in sich zu bewegen, so dass keine andauernde Abdeckung der Berührungszonen eintritt. Vorzugsweise wird das Lager auch während des Wasch- oder Spülvorganges in sich bewegt, so dass etwaige Rückstände des Bades zuverlässig entfernt werden. Die Brünierwirkung kann durch Anlegen eines elektrischen Potentiales an die Werkstücke beeinflusst, insbesondere intensiviert werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine Axialschnittdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen zweireihigen Wälzlagers dessen Wälzkörperlauffläche mit einem oxidischen Überzug versehen sind;
2 eine Axialschnittdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Achsgetriebes dessen Kegelrad über ein erfindungsgemäßes Wälzlager gelagert ist.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Wälzlager veranschaulicht. Dieses Wälzlager umfasst einen Lagerinnenring 1, einen Lageraußenring 2, sowie Wälzkörper 3, 4 die in einem zwischen dem Lagerinnenring 1 und dem Lageraußenring 2 definierten Wälzkörperbahnraum aufgenommen sind und auf dem Lagerinnenring 1 bzw. in dem Lageraußenring 2 abrollen.
Bei dem hier gezeigten Wälzlager sind der Lagerinnenring, und der Lageraußenring 2 aus einem Stahlwerkstoff gefertigt und weisen in einem eine Wälzkörperlauffläche 1a, 1b sowie 2a, 2b bildenden Bereich einen durch Carbonitrierung herbeigeführten Gefügeaufbau auf. Der Lagerinnenring 1 und der Lageraußenring 2 zeichnen sich dadurch aus, dass diese im Nachgang zur Carbonitrierung im Bereich der Wälzkörperlaufflächen 1a, 1b, 2a, 2b mit einem oxidischen Umwandlungsüberzug versehen sind, der durch Anwendung einer alkalischen oder sauren Salzlösung gebildet ist.
Der oxidische Überzug wird vorzugsweise derart gebildet, dass dieser eine Masse von ca. 3,8 bis 5,1 g/m² erreicht. Der Lagerinnenring 1 und vorzugsweise auch der Lageraußenring 2, sind vorzugsweise aus dem Stahlwerkstoff 100CrMn6 gefertigt.
Der Lagerinnenring 1 und der Lageraußenring 2 sind carbonitriert, gehärtet und angelassen. Im Nachgang zu jener Gefügebehandlung werden die Lageringe 1, 2 im Bereich ihrer Wälzkörperlaufflächen sowie ihrer zylindrischen Passflächen überschliffen und erst im Nachgang hierzu mit dem oxidischen Überzug versehen.
Die Ausbildung des oxidischen Überzugs erfolgt im Wege einer thermischen Brünierbehandlung. Diese Brünierbehandlung wird vorzugsweise als Tauchbrünierung durchgeführt, wobei die Badtemperatur vorzugsweise in etwa 137 bis 148°C beträgt. Diese Brünierbehandlung wird vorzugsweise als Mehrbadbrünierung durchgeführt.
Wie aus der Darstellung nach 1 weitere ersichtlich, ist das Wälzlager als mehrreihiges Wälzlager ausgeführt ist. Die Wälzkörper 3, 4 sind als Kugeln ausgeführt. Die Kugeln 4 der ersten Laufreihe weisen einen kleineren Durchmesser auf als die Kugeln 3 der zweiten Laufreihe. Die Kugeln 3, 4 sind durch separate Käfige K1, K2 geführt. Diese Käfige K1, K2 können als Kunststoff- oder Metallkäfige, insbesondere als Fensterkäfige ausgeführt sein. Das hier gezeigte Wälzlager ist derart gestaltet, dass dieses axial und radial trägt und damit insbesondere Lagerfunktionen erfüllt, welchen bislang überwiegend durch Kegelrollenlager entsprochen wurde. Das hier gezeigte Lager kann axial zusammengefügt werden.
Die Wälzkörper 3, 4 können in enger Abfolge im jeweiligen Käfig K1, K2 sitzen. Die Wälzkörperlaufflächen 1a, 1b, 2a, 2b können geometrisch so gestaltet sein, dass sich für die beiden Laufreihen unterschiedliche Tragwinkel A1, A2 ergeben. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Tragwinkel A1 der ersten Laufreihe 27°. Der Tragwinkel A2 der zweiten Laufreihe beträgt 40°. Die Kugeln 3 der ersten Laufreihe weisen einen größeren Durchmesser auf als die Kugeln 4 der zweiten Laufreihe. Der oxidische Überzug kann auch an den Wälzkörpern 3, 4 ausgebildet werden.
In 2 ist ein Kraftfahrzeug-Achsgetriebe dargestellt, welches mit einem erfindungsgemäßen Wälzlager nach 1 ausgestattet ist. Das in 2 dargestellte Kraftfahrzeug-Achsgetriebe weist ein Gehäuse 5 auf, in dem ein Ausgleichsgetriebe 6 über zwei Schrägkugellager 7 gelagert ist. Ein Kegelritzel 8 einer Kegelritzelwelle 9 treibt ein Tellerrad 10 an, dass wiederum das Ausgleichsgetriebe 6 in Bewegung setzt. Das Ausgleichsgetriebe 6 ist über Ausgleichsräder 11 und Abtriebsräder 12 mit je einer nicht dargestellten Achswelle verbunden, die ebenfalls nicht dargestellte Räder antreiben. Die Kegelritzelwelle 9 ist im Gehäuse 5 über zwei voneinander beabstandete zweireihige und erfindungsgemäß behandelte Schrägkugellager 13, 14 gehalten, die durch einen Gewindering 15 über die Nabe 16 aufeinander zubewegt, das heißt, unter Vorspannung gesetzt sind. Die beiden Schrägkugellager 13, 14 sind in der erfindungsgemäß beschriebenen Weise ausgebildet. Im Rahmen des Zusammenbaus des Getriebes wird durch Zusammenführen von Kegelritzelwelle 9 und Gehäuse 5 mit eingepressten Lageraußenringen das Achsgetriebe komplettiert.
Erfindungsgemäß ist zumindest der Lagerinnenring 1 des zweireihigen Schrägkugellagers 14 derart gestaltet, dass dieser in einem eine Wälzkörperlauffläche 1a, 1b bildenden Bereich einen durch Carbonitrierung herbeigeführten Gefügeaufbau aufweist, wobei der Lagerinnenring 1 in einem der Carbonitrierung zeitlich nachfolgenden Verfahrensschritt im Bereich der Wälzkörperlaufflächen 1a, 1b einer alkalischen oder sauren Salzlösung ausgesetzt und mit einem oxidischen Umwandlungsüberzug versehen wird. Der Lageraußenring und die Wälzkörper können ebenfalls mit jenem Überzug versehen sein. Bei den Wälzkörpern kann hierbei von der vorangehenden Gefügebehandlung durch Carbonitieren abgesehen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7334943 B2 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 50938 [0018]

Claims

Wälzlager mit: – einem Lagerinnenring (1), – einem Lageraußenring (2), sowie – Wälzkörpern (3, 4) die in einem zwischen dem Lagerinnenring (1) und dem Lageraußenring (2) definierten Wälzkörperbahnraum aufgenommen sind und auf dem Lagerinnenring (1) bzw. in dem Lageraußenring (2) abrollen, – wobei wenigstens der Lagerinnenring (1), und/oder der Lageraußenring (2) aus einem Stahlwerkstoff gefertigt sind und in einem eine Wälzkörperlauffläche (1a, 1b, 2a, 2b) bildenden Bereich einen durch Carbonitrierung herbeigeführten Gefügeaufbau aufweisen, wobei der Lagerinnenring (1) und/oder der Lageraußenring (2) im Bereich der Wälzkörperlaufflächen (1a, 1b, 2a, 2b), und/oder die Wälzkörper (3, 4) im Bereich ihrer Wälzkontaktflächen, mit einem oxidischen Umwandlungsüberzug versehen sind, der durch Anwendung einer alkalischen oder sauren Salzlösung gebildet ist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lageraußenring (1), und/oder der Lagerinnenring (2) aus dem Werkstoff 100CrMn6 gefertigt ist.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lageraußenring (1) und/oder der Lagerinnenring (2) im Nachgang zur Carbonitrierung angelassen ist.
Wälzlager nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der oxidische Überzug im Wege einer thermischen Brünierbehandlung erzeugt ist.
Wälzlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brünierbehandlung als Tauchbrünierung durchgeführt ist.
Wälzlager nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager als mehrreihiges Wälzlager ausgeführt ist.
Wälzlager nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (3, 4) als Kugeln ausgeführt sind und die Kugeln der ersten Laufreihe einen kleineren Durchmesser aufweisen als die Kugeln der zweiten Laufreihe.
Verfahren zur Herstellung eines Lagerinnenringes, oder eines Lageraußenringes für ein Wälzlager bei welchem jener Lagerinnenring oder Lageraußenring durch Carbonitrierung gehärtet wird, so dass wenigstens der Lagerinnenring, und/oder der Lageraußenring in einem eine Wälzkörperlauffläche bildenden Bereich einen durch Carbonitrierung herbeigeführten Gefügeaufbau aufweist, wobei die Wälzkörper, und/oder der Lagerinnenring und/oder der Lageraußenring in einem der Carbonitrierung zeitlich nachfolgenden Verfahrensschritt im Bereich der Wälzkörperlauffläche einer alkalischen oder sauren Salzlösung ausgesetzt und mit einem oxidischen Umwandlungsüberzug versehen werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der oxidische Überzug durch eine Brünierbehandlung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brünierbehandlung als Mehrbadbrünierung durchgeführt wird und die dass die Badtemperatur 137 bis 148°C beträgt.