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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer eine Kunststoffgleitschicht aufweisenden Lagereinrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Lagereinrichtung, die vorzugsweise nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, sowie die Verwendung einer erfindungsgemäßen Lagereinrichtung.
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Eine Kunststoffgleitschicht aufweisende Lagereinrichtungen in Form von Gleitlagern sind in vielfältigen Bereichen der Technik im Einsatz. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie nur wenige mechanische Teile aufweisen und gleichzeitig robust und langlebig sind. Sie stellen daher neben den sogenannten Wälzlagern, die separate Lagerkörper aufweisen und daher relativ aufwändig zu fertigen sind, die am Häufigsten im Gerätebau verwendeten Lager dar. Derartige Gleitlager, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, sind relativ aufwändig zu fertigen. Typischerweise wird zunächst der für die Gleitschicht verwendete Kunststoff zu einer Folie extrudiert, die anschließend auf ein Stahlband mit einer porösen Bronzeschicht laminiert wird. Daraufhin wird das Band zu Streifen geschnitten und zu Buchsen gerollt, die wiederum in einen Lagergrundkörper (Gehäuse) eingepresst werden. Zuletzt findet gegebenenfalls eine Bearbeitung der Kunststoffgleitschicht (Drehen) statt, damit ein benötigter (Innen-)Durchmesser im Bereich der Lageraufnahme eingestellt wird.
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Darüber hinaus ist aus der
DE 10 2008 040 782 A1 der Anmelderin ein Verbundbauteil bekannt, bei dem ein beispielsweise aus Metall bestehendes Trägerelement mittels einer Laserstrahleinrichtung mit einer von einer Nanostruktur überlagerten Mikrostruktur versehen wird. Auf eine derartig ausgebildete Oberflächenstruktur des Trägerelements wird anschließend eine thermoplastische Kunststoffschicht aufgespritzt. Durch das Ausbilden der Oberflächenstruktur an dem Trägerelement lassen sich eine verbesserte Haftung und insbesondere eine verbesserte Dichtheit zwischen dem Kunststoffmaterial und dem Trägerelement erzielen.
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Aus der
DE 698 31 675 T2 ist ein wartungsfreies Achslager bekannt. Das Achslager umfasst ein Substrat mit einer Oberfläche mit einer Vielzahl auf dieser Oberfläche im Abstand angeordneten Strukturen.
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Die
JP 2011 - 208 736 A offenbart ein Gleitelement, das mit einer Basis, einer Imprägnierten Schicht und einer Harzschicht versehen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer eine Kunststoffgleitschicht aufweisenden Lagereinrichtung aufzuzeigen, das sich durch eine besonders wirtschaftliche Herstellbarkeit auszeichnet. Gleichzeitig sollen nach dem Verfahren hergestellte Lagereinrichtungen gegenüber dem Stand der Technik keinerlei Nachteile hinsichtlich Ihrer funktionellen Eigenschaften (Festigkeit, Robustheit, Lebensdauer) aufweisen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur Herstellung einer eine Kunststoffgleitschicht aufweisenden Lagereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist: Zunächst wird ein Lagergrundkörper mit einer zylindrischen Aufnahmebohrung für die Kunststoffgleitschicht bereitgestellt. Anschließend findet ein zumindest bereichsweises Bearbeiten der Aufnahmebohrung mittels einer Strahlungseinrichtung bzw. einem Laserstrahl statt, wobei eine strukturierte Oberfläche an der Aufnahmebohrung erzeugt wird. Zuletzt wird auf die Oberfläche der Aufnahmebohrung zumindest bereichsweise eine Kunststoffgleitschicht aufgebracht. Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich damit wesentlich von dem bekannten Verfahren zum Herstellen der Lagerkörper, da insbesondere die Anzahl der Fertigungsschritte reduziert wird und auf die Verwendung metallischer Zwischenschichten verzichtet werden kann. Um eine besonders gute Haftung des Kunststoffmaterials auf der strukturierten Oberfläche zu erzielen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die strukturierte Oberfläche eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur aufweist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer eine Kunststoffgleitschicht aufweisenden Lagereinrichtung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Die Problematik bei der Bearbeitung der Aufnahmebohrung in dem Lagergrundkörper zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche besteht darin, dass es ermöglicht werden muss, dass der Laserstrahl in den Bereich der Aufnahmebohrung hineingeführt werden kann. Ein derartiges Verfahren ist insbesondere bei einen relativ großen Durchmesser aufweisenden Aufnahmebohrungen grundsätzlich durch entsprechende Spiegel- bzw. Umlenksysteme zur Führung des Laserstrahls möglich und denkbar. Die zur Diskussion stehenden Lagereinrichtungen weisen jedoch typischerweise einen relativ geringen Lagerdurchmesser von beispielsweise 2mm bis 10mm auf. Bei derartigen Durchmessern der Aufnahmebohrungen ist der Einsatz der erwähnten optischen Hilfsmittel zumindest begrenzt, wenn nicht gar unmöglich. Daher ist es in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass der von der Laserstrahleinrichtung erzeugte Laserstrahl in eine offene Stirnseite des Lagergrundkörpers unter einem schrägen Winkel in Bezug zur Ebene der Stirnseite angeordnet wird, so dass er in Wirkverbindung mit der Oberfläche der Aufnahmebohrung gelangt. Mittels eines derartigen Verfahrens gelingt es, den Laserstrahl unmittelbar, d.h. ohne sonstige optische Hilfsmittel, in dem Bereich der Aufnahmebohrung wirken zu lassen. Der Winkel, unter dem der Laserstrahl in Bezug zur Stirnfläche bzw. Stirnebene der Aufnahmebohrung angeordnet werden muss, hängt dabei von verschiedensten geometrischen Faktoren ab. Gemeint sind hier beispielsweise der Durchmesser der Aufnahmebohrung, die Länge der Aufnahmebohrung sowie der Bereich, in den die Aufnahmebohrung mit einer Oberflächenstruktur versehen werden soll. Wünschens- bzw. erstrebenswert ist es, die Aufnahmebohrung möglichst über ihre gesamte Länge mittels des Laserstrahls bearbeiten zu können, damit eine optimale Haftung zwischen der Oberfläche der Aufnahmebohrung und dem Material der Kunststoffgleitschicht erzielt wird.
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Um die Oberfläche der Aufnahmebohrung über deren (axiale) Länge sowie deren Umfang betrachtet zu bearbeiten, ist es in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass eine erste Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und der Aufnahmebohrung in Umfangsrichtung und eine zweite Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und der Oberfläche in Längsrichtung der Aufnahmebohrung erzeugt wird. Dies hat zur Folge, dass der Winkel, unter dem der Laserstrahl im Bezug zur Stirnfläche der Aufnahmebohrung angeordnet wird, stets gleich groß sein kann, somit nicht verstellt werden muss.
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Je nach Genauigkeit bzw. Auftragverfahren, mit dem die Kunststoffgleitschicht auf die strukturierte Oberfläche aufgebracht wird, kann es gegebenenfalls erforderlich sein, die Kunststoffgleitschicht hinsichtlich ihres (Innen-) Durchmessers zu überarbeiten. Eine derartige Überarbeitung findet dabei mittels an sich bekannter Fertigungstechniken (insbesondere Drehen) statt.
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Die Erfindung umfasst auch eine Lagereinrichtung, die vorzugsweise nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, wobei die Lagereinrichtung einen Lagerkörper mit einer Aufnahmebohrung für eine Kunststoffschicht aufweist. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Lagereinrichtung zwischen der Aufnahmebohrung und der Kunststoffgleitschicht eine zumindest bereichsweise von einer Strahlungsquelle, insbesondere einer Laserstrahlquelle, erzeugte strukturierte Oberfläche aufweist. Eine derartige Lagereinrichtung zeichnet sich durch eine besonders gute Haftung zwischen der Kunststoffgleitschicht und dem Lagergrundkörper aus. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass es bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht wird, Lagergrundkörper zu verwenden, die in Längsrichtung die Aufnahmebohrung betrachtet nahtlos ausgebildet ist. Dadurch wir eine besonders hohe Festigkeit des Lagergrundkörpers sowie eine homogene Oberflächenbeschaffenheit zum Aufspritzen der Kunststoffgleitschicht erzielt.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auf einfache Art und Weise möglich, Lagereinrichtungen auszubilden, deren Aufnahmebohrung Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist, wobei wenigstens zwei der Abschnitte mit einer strukturierten Oberfläche und darauf angeordneter Kunststoffgleitschicht versehen sind. Eine erfindungsgemäße Lagereinrichtung kann somit beispielsweise an Ihren beiden stirnseitigen Endbereichen jeweils einen mit einer Kunststoffgleitschicht versehenen Lagerbereich aufweisen. Zwischen den beiden Lagerbereichen ist dann beispielsweise ein Zwischenbereich in der Aufnahmebohrung mit einem von den Durchmessern der beiden Lagerbereiche beispielsweise wiederum abweichenden Durchmesser vorgesehen, in dessen Bereich ein zu lagerndes Element, beispielsweise eine Welle, nicht unmittelbar mit der Lagereinrichtung zusammenwirkt. Ein derartiger Zwischenbereich kann dann insbesondere als Reservoir für ein Schmiermittel (Fett oder Ähnliches) verwendet werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung ist es vorgesehen, dass der Lagergrundkörper an seiner Außenkontur einen nicht runden, insbesondere einen mehreckigen Querschnitt aufweist. Eine derartige Ausbildung der Lagereinrichtung ermöglicht es, die Lagereinrichtung in eine entsprechende Lageraufnahme eines Aggregats durch Formschluss zu lagern, so dass keine zusätzlichen Mittel zum Festlegen bzw. Fixieren der Lagereinrichtung in dem Aggregat erforderlich sind.
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Eine besonders bevorzugte Verwendung der Lagereinrichtung betrifft Kraftfahrzeuganwendungen, wie Motoren, Generatoren oder Pumpen. Eine derartige Verwendung ist deshalb besonders bevorzugt, weil die darin vorgesehenen Lagereinrichtungen typischerweise Aufnahmebohrungen an den Lagereinrichtungen mit entsprechenden Durchmessern erfordern, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden können.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
- 1 eine Prinzipdarstellung bezüglich der Anordnung eines Laserstrahls zu einem Lagergrundkörper, um mittels des Laserstrahls die Aufnahmebohrung an ihrer Oberfläche mit einer Oberflächenstruktur zu versehen,
- 2 ein Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung der einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens für eine Lagereinrichtung und
- 3 einen Querschnitt durch eine gegenüber 1 abgewandelte Lagereinrichtung unter Verwendung eines eine rechteckige Außenkontur aufweisende Lagergrundkörpers.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der
1 ist eine Anordnung zur Bearbeitung der Oberfläche
1 einer Aufnahmebohrung
2 eines Lagergrundkörpers
3 dargestellt. Der Lagergrundkörper
3, der gleichzeitig als Lagergehäuse dient, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in Form eines Rohrabschnittes ausgebildet, und besteht aus Metall. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Oberfläche
1 mittels eines Laserstrahls
10 derartig bearbeitet wird, dass eine Oberflächenstruktur
8 entsteht, die vorzugsweise eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur aufweist. Einzelheiten bezüglich der Ausbildung einer derartigen strukturierten Oberfläche
1 bzw. Oberflächenstruktur
8, insbesondere bezüglich der Größe der Nanostrukturen und Mikrostrukturen sowie der Parameter des Laserstrahls sind beispielhaft aus der
DE 10 2008 040 782 A1 der Anmelderin entnehmbar, die insofern Bestandteil dieser Erfindung sein soll.
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Der eine bestimmte Länge aufweisende Lagergrundkörper 3 weist eine vordere Stirnseite 4 und eine hintere Stirnseite 5 auf. Aus der Darstellung der 1 ist erkennbar, dass die Oberfläche 1 des Lagergrundkörpers 3 dadurch mittels des Laserstrahls 10 bearbeitet wird, dass der Laserstrahl 10 auf der Seite der vorderen Stirnseite 4 in die Aufnahmebohrung 2 hinein strahlt bzw. dort auf die Oberfläche 1 auftritt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Laserstrahl 10 um einen Winkel α gegenüber der Ebene der vorderen Stirnfläche 4 geneigt angeordnet wird. Die Größe des Winkels α hängt dabei insbesondere von dem Durchmesser der Aufnahmebohrung 2 sowie anderen Parametern ab.
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Anhand des Pfeils 11 ist erkennbar, dass der Lagergrundkörper 3 um seine Längsachse 6 rotativ bewegt wird. Dadurch findet eine Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl 10 und der Oberfläche 1 des Lagergrundkörpers 3 statt, so dass die Oberfläche 1 der Aufnahmebohrung 2 über ihren gesamten (Innen)Umfang bearbeitet wird. Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, die Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl 10 und der Oberfläche 1 der Aufnahmebohrung 2 auch dadurch zu erzeugen, dass der Lagergrundkörper 3 ortsfest angeordnet wird, und der Laserstrahl 10, beispielsweise durch eine entsprechende optische Einrichtung, um die Längsachse 11 des Lagergrundkörpers 3 gedreht wird.
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Das soweit beschriebene Verfahren erzeugt an der Oberfläche 1 der Aufnahmebohrung 2 eine linienförmige Bearbeitung der Oberfläche 1 bzw. eine linienförmige Oberflächenstruktur 8. Um die Oberfläche 1 zumindest über eine Teillänge des Lagergrundkörpers 3 mit der Oberflächenstruktur 8 zu versehen, wird der Lagergrundkörper 3 entsprechend des Pfeils 12 zusätzlich in Richtung der Längsachse 6 des Lagergrundkörpers 3 translatorisch bewegt. Auch hier liegt es selbstverständlich im Rahmen der Erfindung, die Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl 10 und der Oberfläche 1 dadurch zu erzeugen, dass der Lagergrundkörper 1 fixiert ist und der Laserstrahl 10 in Richtung des Pfeils 12 bewegt wird.
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Um die Oberfläche 1 der Aufnahmebohrung 2 über eine möglichst große Teillänge mit einer Oberflächenstruktur 8 auszustatten kann es vorgesehen sein, nach einer Bearbeitung der Oberfläche 1 von der Seite der vorderen Stirnfläche 4 dieselbe Bearbeitung in analoger Weise von der hinteren Stirnseite 5 her vorzunehmen.
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Das soweit beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet bis jetzt entsprechend der 2 in einem ersten Schritt 101 das Bereitstellen des Lagergrundkörpers 3 mit einer zylindrischen Aufnahmebohrung 2. In einem zweiten Schritt 102 wurde dann die Aufnahmebohrung 2 mittels des Laserstrahls 10 zumindest bereichsweise bearbeitet, so dass die Oberflächenstruktur 8 an der Aufnahmebohrung 2 erzeugt wurde. Anschließend findet in einem dritten Schritt 103 ein in den Figuren nicht dargestelltes, weil an sich aus dem Stand der Technik bekanntes Beschichten der strukturierten Oberfläche 1 der Aufnahmebohrung 2 mit einer Kunststoffgleitschicht (Thermoplast oder Duroplast) statt. Zuletzt kann es in einem Schritt 104 vorgesehen sein, dass die soweit erzeugte Kunststoffgleitschicht durch (mechanische) Überarbeitung auf einen bestimmten Durchmesser gebracht wird.
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In der 3 ist ein abgewandelter Lagergrundkörper 3a dargestellt, der zwar weiterhin eine zylindrische Aufnahmebohrung 2 entsprechend dem Lagergrundkörper 3 aufweist, jedoch eine rechteckförmige Außenkontur 7. Anhand der Darstellung der 3 erkennt man darüber hinaus die Oberflächenstruktur 8 an der Oberfläche 1 sowie die Kunststoffgleitschicht 9 innerhalb der Aufnahmebohrung 2.
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Der Lagergrundkörper 3, 3a bildet zusammen mit der Kunststoffgleitschicht 9 eine Lagereinrichtung 100 aus. Diese Lagereinrichtung 100 dient vorzugsweise der Lagerung von Wellen bei Kraftfahrzeuganwendungen, wie der Lagerung von Wellen bei Motoren, Generatoren oder Pumpen. Darüber hinaus kann die Lagereinrichtung 100 in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden. So ist es beispielsweise denkbar, dass die Aufnahmebohrung 2 Bereiche bzw. Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist, die jeweils mit einer strukturierten Oberfläche 1 bzw. Oberflächenstruktur 8 versehen sind. Auch können Bereiche bzw. Abschnitte vorgesehen sein, die nicht der Lagerung beispielsweise einer Welle dienen und daher auch nicht mit einer entsprechenden Oberflächenstruktur 8 versehen sind. Ein derartiger Abschnitt bzw. Zwischenbereich kann beispielsweise als Reservoir für ein Schmiermittel (Fett oder Ähnliches) dienen.
