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Die Erfindung betrifft einen Wälzkörper und ein Verfahren zum Herstellen eines Wälzkörpers. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Wälzlager und ein Gelenk, die mit einem entsprechenden Wälzkörper ausgestattet sind.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedlich ausgestaltete Wälzlager mit Wälzkörpern bekannt. Die Wälzkörper von Wälzlagern sind üblicherweise massiv aus Metall oder Keramik gebildet.
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Des Weiteren sind Gelenke mit einer Gelenkpfanne und einem Wälzkörper bekannt. Ein solches Gelenk kann beispielsweise als Kugelgelenk ausgebildet sein, das als Wälzkörper eine Gelenkkugel aufweist. Auch solche Wälzkörper sind üblicherweise massiv aus einem einzigen Material gebildet.
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Zwar ist aus
DE 195 33 823 A1 eine zylindrische geformte Kalanderwalze bekannt, die aus einer Wabenstruktur aufgebaut ist, für Wälzkörper ist solch ein Aufbau allerdings nicht bekannt.
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Beschichtete Wälzkörper sind allgemein bekannt. So ist aus
JP 002007298096 A ein beschichteter Wälzkörper bekannt, sowie ein Wälzlager mit derartigen Wälzkörpern, sowie ein Gelenk mit einem derartigen Wälzkörper.
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Auch Beschichtungen mit DLC sind aus dem Stand der Technik bekannt.
JP 002009133408 A zeigt Wälzkörper mit einer DLC-Beschichtung (aus diamantähnlichem amorphen Kohlenstoff) sowie ein entsprechendes Wälzlager, und deutet darüber hinaus die Mehrlagigkeit der Beschichtung an.
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US 020040223676 A1 zeigt Gestaltung und Herstellung von bestimmten Oberflächenstrukturen von Wälzlagerelementen mit diamantähnlicher Beschichtung mittels Laserstrahlung.
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Wälzkörper aus Metall zeichnen sich durch ein gewisses Maß an Elastizität aus, was mit einer Dämpfungswirkung einhergeht. Wälzkörper aus Keramik sind weniger elastisch, jedoch reibungsärmer und verschleißärmer und in der Regel leichter als Wälzkörper aus Metall ausgebildet. Diese Gewichtsreduzierung von Wälzkörpern hat den Vorteil, dass eine Beschleunigung der Wälzkörper beispielsweise bei einer Erhöhung der Umdrehungszahl eines entsprechend ausgebildeten Wälzlagers unter geringerem Kraftaufwand möglich ist. Bei einem hohen Gewicht eines über ein Wälzlager drehbar gelagerten Maschinenbauteils, wie beispielsweise einer schweren Welle mit einem Gewicht von über 10 Tonnen, und bei hohen Umdrehungszahlen, beispielsweise von etwa 10000 bis etwa 20000 Umdrehungen pro Minute, kommt ein Wälzkörper aus Keramik jedoch an seine Materialgrenzen.
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Sowohl bei Wälzlagern als auch bei Gelenken sind in der Regel Verschleißarmut, Reibungsarmut und eine lange Lebensdauer von ausschlaggebender Bedeutung.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verschleißarmen, reibungsarmen und energieeffizienten Betrieb von Wälzlagern und Gelenken zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Wälzkörper gemäß Anspruch 1, einem Wälzlager gemäß Anspruch 11, einem Gelenk gemäß Anspruch 12 sowie einem Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst.
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Mit Anspruch 1 wird ein Wälzkörper für ein Wälzlager oder ein Gelenk vorgeschlagen, aufweisend einen Kern aus Metall mit einer Wabenstruktur, durch die eine Mehrzahl von Hohlräumen in dem Kern definiert ist, und eine den Kern zumindest teilweise umgebende Schale, welche zumindest die Lauffläche des Wälzkörpers ausbildet.
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Der erfindungsgemäße Wälzkörper ist als Verbundkörper aus einem Kern aus Metall, vorzugsweise aus Titan, und einer Schale ausgebildet. Durch die Wabenstruktur des Kerns mit definierten Hohlräumen ist das Gewicht eines erfindungsgemäßen Wälzkörpers deutlich gegenüber herkömmlich massiv aus Metall ausgebildeten Wälzkörpern reduziert. Zudem kann das Gewicht des Kerns geringer als das Gewicht eines massiv aus einem keramischen Werkstoff gebildeten Kerns sein. Diese Gewichtsreduzierung ermöglicht eine Beschleunigung von Wälzkörpern unter einem deutlich geringeren Kraftaufwand, was sich positiv auf den mit dem Betrieb eines entsprechend ausgebildeten Wälzlagers bzw. Gelenks verbundenen Energieverbrauch auswirkt. Zudem ist der Kern eines erfindungsgemäßen Wälzkörpers unter relativ geringerem Materialeinsatz herstellbar. Der aus Metall gebildete Kern weist ein Maß an Elastizität auf, das über die jeweilige Ausgestaltung des Kerns bzw. seiner Wabenstruktur definierbar ist.
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Die Schale des erfindungsgemäßen Wälzkörpers kann aus einem für den jeweiligen Anwendungsfall optimal geeigneten Werkstoff hergestellt werden. Insbesondere kann die Schale aus einem Werkstoff hergestellt werden, der verschleißärmer und reibungsärmer als die Oberfläche des Kerns ausgebildet ist. Die Schale kann durch eine geeignete Materialwahl zudem stauchbar ausgebildet sein, um ein vorgebbares Maß an Dämpfung herbeiführen zu können.
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Die jeweilige Wabenstruktur des Kerns kann zur Bestimmung der Festigkeit und des Trägheitsmoments des Kerns mit herkömmlich vorhandenen Maschinenbaukonstruktionsprogrammen ermittelt und festgelegt werden.
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Ein mit erfindungsgemäßen Wälzkörpern ausgestattetes Wälzlager kann insbesondere zur zuverlässigen Lagerung von Wellen mit einem Gewicht von etwa 10 bis etwa 60 Tonnen und bei Drehzahlen von etwa 10000 bis etwa 20000 Umdrehungen pro Minute eingesetzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Wabenstruktur durch die Kanten von mehreren miteinander verbundenen Polyedern gebildet. Hierdurch kann eine Wabenstruktur mit sehr guten statischen Eigenschaften und geringem Gewicht ausgebildet werden. Vorzugsweise ist zumindest ein Teil der Seitenflächen der Polyeder mit Metall gefüllt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind in dem Kern Verstrebungen angeordnet, die sich zumindest teilweise in einem Schnittpunkt schneiden. Vorzugsweise ist an dem Schnittpunkt eine Materialverstärkung angeordnet. Die Verstrebungen können radial von der inneren Oberfläche des Kerns verlaufen und orthogonal zu dieser Oberfläche angeordnet sein. Bei einer kugelförmigen Ausgestaltung eines Wälzkörpers schneiden sich die Verstrebungen vorzugsweise im Kugelmittelpunkt. Bei einem kugelförmig ausgebildeten Wälzkörper kann die Materialverstärkung ebenfalls kugelförmig ausgebildet sein.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Schale über eine Schicht aus einem hochfesten keramischen Werkstoff verfügt. Vorzugsweise ist die Schicht aus dem hochfesten keramischen Werkstoff durch eine Beschichtung des Kerns mit diamantähnlichem amorphem Kohlenstoff („Diamant Like Carbon”; DLC) gebildet, die eine Härte von zwischen etwa 2500 bis etwa 10000 HV (Vickershärte), vorzugsweise zwischen etwa 4000 bis etwa 5000 HV, und Reibwerte zwischen etwa 0,3 bis etwa 0,01 aufweist. Bevorzugt besitzt die Schicht aus dem hochfesten keramischen Werkstoff eine Schichtdicke von etwa 1 bis etwa 4 Mikrometer, vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 1,5 Mikrometer. Der diamantähnliche amorphe Kohlenstoff kann mit unterschiedlichen Stoffen versetzt sein, um für den jeweiligen Anwendungsfall optimale Eigenschaften für den Wälzkörper zu erzielen. Eine entsprechende Schicht aus hochfestem keramischem Werkstoff haftet fest an dem Kern des Wälzkörpers und ist sehr glatt und damit sehr reibungsarm. Dies verlängert die Haltbarkeit des Wälzkörpers und somit eines entsprechend ausgebildeten Wälzlagers bzw. Gelenks deutlich gegenüber herkömmlichen Wälzlagern bzw. Gelenken. Die Beschichtung kann auch aus mehreren, beispielsweise 10 bis 15, einzelnen Unterschichten aus dem diamantähnlichen amorphen Kohlenstoff ausgebildet sein. Solche Unterschichten können beispielsweise eine Schichtdicke von etwa 50 bis etwa 75 Nanometer aufweisen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform verfügt die Schale über wenigstens eine weitere Schicht aus einem keramischen Werkstoff, welche die Schicht aus dem hochfesten keramischen Werkstoff zumindest teilweise umgibt, eine geringere Härte als die Schicht aus dem hochfesten keramischen Werkstoff aufweist und die Lauffläche des Wälzkörpers ausbildet. Hierdurch kann die Reibung zwischen dem Wälzkörper und weiteren Komponenten stark verringert werden. Die weitere keramische Schicht kann ähnlich der Schicht aus hochfestem keramischem Werkstoff, jedoch mit einem erhöhten Graphitanteil ausgebildet sein.
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Ferner wird es als vorteilhaft erachtet, wenn die Lauffläche zumindest teilweise eine Wellenstruktur aufweist. Es hat sich überraschender Weise gezeigt, dass eine solche Strukturierung der Lauffläche die Reibung zwischen dem Wälzkörper und weiteren Komponenten erheblich verringert. Als Struktur können unterschiedliche Ausführungsformen einer Ripple-Struktur, einer Riffle Struktur, einer Doppelripple-Struktur oder einer unterbrochenen Doppelripple-Struktur vorgesehen sein. Eine Doppelripple-Struktur kann v-förmig ausgebildet sein. Aber auch eine unterbrochene Doppelripple-Struktur oder eine einfache Ripple-Struktur kann v-förmig ausgestaltet sein.
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Mit Anspruch 11 wird ein Wälzlager vorgeschlagen, gekennzeichnet durch wenigstens einen Wälzkörper nach einer der vorgenannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben. Hiermit sind die oben mit Bezug auf den Wälzkörper genannten Vorteile verbunden. Das Wälzlager kann beispielsweise als Kugellager ausgebildet sein.
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Mit Anspruch 12 wird ein Gelenk mit einer Gelenkpfanne und einem Wälzkörper vorgeschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörper gemäß einer der vorgenannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben ausgebildet ist. Hiermit sind die oben mit Bezug auf den Wälzkörper genannten Vorteile verbunden. Das Gelenk kann beispielsweise als Kugelgelenk ausgebildet sein.
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Es kann auch gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine Geldämpfung zwischen dem Wälzkörper und weiteren Komponenten vorgesehen sein. Ein dazu eingesetztes Gel kann beispielsweise aus Silikatgel gebildet sein und etwa 5 bis etwa 10 Volumenprozent Graphit, vorzugsweise zusätzlich etwa 5 bis etwa 10 Volumenprozent Molybdänsulfid und vorzugsweise zusätzlich etwa 5 bis etwa 10 Volumenprozent Glyzerin, enthalten. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn Graphit in dem Gel vorhanden ist. Graphit hat insbesondere ganz am Anfang der Beschleunigung eines Rings eines Wälzlagers aus der Haftreibung heraus sehr gute Schmiereigenschaften. Molybdänsulfid erreicht seine besten Schmiereigenschaften bei höheren Drehzahlen. Die Verwendung von Glyzerin hat sich als vorteilhaft herausgestellt, um die anderen Schmiermittel auch bei längerem Gebrauch gleitfähig zu halten.
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Mit Anspruch 13 wird ein Verfahren zum Herstellen eines Wälzkörpers für ein Wälzlager oder ein Gelenk vorgeschlagen, aufweisend die Schritte:
- – Herstellen eines Kerns aus Metall mit einer Wabenstruktur unter Verwendung eines 3D-Druckverfahrens (selektives Lasersintern);
- – Ausbilden einer den Kern zumindest teilweise umgebenden Schicht aus einem hochfesten keramischen Werkstoff durch zumindest teilweises Beschichten des Kerns mit dem hochfesten keramischen Werkstoff.
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Das Beschichten des Kerns kann beispielsweise unter Verwendung eines PVD- oder PLD-Verfahrens erfolgen. Vorzugsweise wird der Kern vor seinem Beschichten mit dem hochfesten keramischen Werkstoff maßgerecht vergütet und poliert. Durch das 3D-Druckverfahren kann die Geometrie der Wabenstruktur variiert an optimal an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Schicht aus dem hochfesten keramischen Werkstoff zumindest teilweise mit einer weiteren Schicht aus einem keramischen Werkstoff beschichtet, welche die Schicht aus dem hochfesten keramischen Werkstoff zumindest teilweise umgibt, eine geringere Härte als die Schicht aus dem hochfesten keramischen Werkstoff aufweist und die Lauffläche des Wälzkörpers ausbildet. Auch hierzu kann ein PVD- oder PLC-Verfahren eingesetzt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird an der Lauffläche des Wälzkörpers zumindest teilweise eine Wellenstruktur unter Verwendung von Laserstrahlung ausgebildet. Hierzu kann beispielsweise ein Femtosekundenlaser eingesetzt werden, mit dem eine Laserablation durchführbar ist. Vorzugsweise findet Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 400 bis etwa 800 Nanometer Anwendung. Als Laserquelle kann ein Diodenlaser verwendet werden. Je niedriger die Wellenlänge der Laserstrahlung, desto besser ist das damit erzielbare Ergebnis der Oberflächenstrukturierung. Beispielsweise kann Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 150 bis etwa 250 Nanometer eingesetzt werden.
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Weitere Einzelheiten gehen aus den Zeichnungen anhand der Beschreibung hervor. Dabei sollen die in den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmalskombinationen nicht limitierend auf die Erfindung wirken. Vielmehr sind auch die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungen miteinander kombinierbar.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform des Kerns eines kugelförmig ausgebildeten, erfindungsgemäßen Wälzkörpers,
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2 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kerns eines kugelförmig ausgebildeten, erfindungsgemäßen Wälzkörpers,
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3 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kerns eines kugelförmig ausgebildeten, erfindungsgemäßen Wälzkörpers,
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4 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kerns eines kugelförmig ausgebildeten, erfindungsgemäßen Wälzkörpers,
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5 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kerns eines kugelförmig ausgebildeten, erfindungsgemäßen Wälzkörpers, und
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6 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kerns eines kugelförmig ausgebildeten, erfindungsgemäßen Wälzkörpers.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform des Kerns 1 aus Metall eines kugelförmig ausgebildeten, erfindungsgemäßen Wälzkörpers, wobei von dem Wälzkörper nur der Kern 1 dargestellt ist. Der Kern weist eine geschlossene Oberfläche 2 auf.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kerns 1 eines kugelförmig ausgebildeten, erfindungsgemäßen Wälzkörpers, wobei zur Darstellung der Wabenstruktur 3 des Kerns 1 ein Teil der Oberfläche 2 weggelassen wurde. Die Wabenstruktur 3 ist durch die Kanten von mehreren miteinander verbundenen Polyedern 4 gebildet.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kerns 1 eines kugelförmig ausgebildeten, erfindungsgemäßen Wälzkörpers, wobei zur Darstellung der Wabenstruktur 3 des Kerns 1 ein Teil der Oberfläche 2 weggelassen wurde. Die Wabenstruktur 3 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Wabenstruktur 3.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kerns 1 eines kugelförmig ausgebildeten, erfindungsgemäßen Wälzkörpers, wobei zur Darstellung der Wabenstruktur 3 des Kerns 1 ein Teil der Oberfläche 2 weggelassen wurde. Die Wabenstruktur 3 unterscheidet sich von den in den 2 und 3 gezeigten Wabenstrukturen 3.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kerns 1 eines kugelförmig ausgebildeten, erfindungsgemäßen Wälzkörpers, wobei zur Darstellung der Wabenstruktur 3 des Kerns 1 ein Teil der Oberfläche 2 weggelassen wurde. Die Wabenstruktur 3 unterscheidet sich von den in den 2 bis 4 gezeigten Wabenstrukturen 3. Die in 5 gezeigte Wabenstruktur 3 weist sich zumindest teilweise schneidende Verstrebungen 5 auf, wobei an den Schnittpunkten der Verstrebungen 5 Materialverstärkungen 6 angeordnet sind.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kerns 1 eines kugelförmig ausgebildeten, erfindungsgemäßen Wälzkörpers, wobei zur Darstellung der Wabenstruktur 3 des Kerns 1 ein Teil der Oberfläche 2 weggelassen wurde. Die Wabenstruktur 3 unterscheidet sich von den in den 2 bis 5 gezeigten Wabenstrukturen 3.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kern
- 2
- Oberfläche
- 3
- Wabenstruktur
- 4
- Polyeder
- 5
- Verstrebung
- 6
- Materialverstärkung
