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Die Erfindung betrifft einen Wälzlagerkäfig für ein zumindest einreihiges Wälzlager, bei dem ein Grundkörper des Wälzlagerkäfigs aus einer Stahllegierung hergestellt ist, und bei dem der Grundkörper an seiner Oberfläche eine Beschichtung aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmaterial aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wälzlagerkäfigs.
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Die
DE 10 2012 101 651 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerkäfigs für ein zumindest einreihiges Wälzlager sowie ein mit einem derartigen Wälzlagerkäfig ausgerüstetes Wälzlager. Der bekannte Wälzlagerkäfig verfügt über eine Vielzahl von Taschen zur Aufnahme jeweils eines Wälzkörpers. Zur Herstellung des Wälzlagerkäfigs wird ein Ring oder Ringsegmente aus einem metallischen Vollmaterial bereitgestellt. Der Herstellungsvorgang zur Ausbildung eines Grundkörpers des Wälzlagerkäfigs kann durch einen Umformprozess und/oder einen materialabtragenden Prozess erfolgen. Anschließend wird der Grundkörper zur Vorbereitung eines thermischen Beschichtens desselben mittels eines thermoplastischen Kunststoffpulvers auf eine Temperatur oberhalb einer minimal erforderlichen Beschichtungstemperatur erwärmt. Danach wird der Grundkörper in ein Wirbelbett mit dem thermoplastischen Kunststoffpulver eingetaucht, wobei beim Verweilen des Grundkörpers in dem Wirbelbett Kunststoffpulver an dem Grundkörper anhaftet, aufschmilzt und hierdurch eine vollständige Beschichtung des Grundkörpers des Wälzlagerkäfigs ausbildet wird.
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Von Nachteil bei diesem bekannten Herstellverfahren und dem damit hergestellten Wälzlagerkäfig ist unter anderem, dass sich aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des metallischen Grundkörpermaterials und der thermoplastischen Kunststoffbeschichtung innerhalb dieser Beschichtung Risse bilden können, die Schadstellen darstellen. Ferner kann sich die Beschichtung aufgrund einer unzureichenden Haftung bereichsweise vom metallischen Grundkörper des Wälzlagerkäfigs abheben und dadurch Hohlräume ausbilden. Darüber hinaus besteht aufgrund der im Allgemeinen guten elektrischen Isolierfähigkeit thermoplastischer Kunststoffe die Möglichkeit einer unerwünschten elektrostatischen Aufladung des Wälzlagerkäfigs.
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Eine an die Erfindung gestellte erste Aufgabe besteht darin, einen kostengünstig herzustellenden Wälzlagerkäfig unter Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile anzugeben, welcher jedoch die Vorteile eines metallischen Wälzlagerkäfigs mit einer Kunststoffbeschichtung kombiniert. Darüber hinaus liegt der Erfindung die zweite Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum einfachen Herstellen eines solchen Wälzlagerkäfigs vorzustellen.
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Zur Lösung der produktbezogenen Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Wälzlagerkäfig für ein zumindest einreihiges Wälzlager, bei dem ein Grundkörper des Wälzlagerkäfigs aus einer Stahllegierung hergestellt ist, und bei dem der Grundkörper an seiner Oberfläche eine Beschichtung aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmaterial aufweist. Bei diesem Wälzlagerkäfig ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass das Kunststoffmaterial einen partikelförmigen Festschmierstoff aus der Stoffgruppe Graphit, Molybdändisulfid, Blei, Kupfer, Aluminium oder Keramik enthält.
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Durch eine geeignet ausgebildete Beschichtung kann dem Wälzlagerkäfig eine Reihe vorteilhafter physikalischer Eigenschaften verliehen werden. Zum Beispiel können die Reibungs-, Verschleiß- und Notlauf- beziehungsweise Notschmiereigenschaften des Wälzlagerkäfigs gezielt optimiert werden. Als Kunststoffmaterial für die Beschichtung können hierbei grundsätzlich thermoplastische oder duroplastische Kunststoffe zum Einsatz kommen.
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Die Beschichtung des Grundkörpers des Wälzlagerkäfigs kann in Abhängigkeit von der zu erzielenden physikalischen Wirkung durchgehend, nur partiell, mit unterschiedlichen Schichtdicken und/oder mit einer Kombination unterschiedlicher Kunststoffmaterialien und Füllstoffe beziehungsweise in das Kunststoffmaterial eingebetteten metallischen oder nichtmetallischen Partikeln gebildet sein. Zur Minimierung der Rissbildungsneigung kann die Beschichtung beispielsweise nur bereichsweise auf der Oberfläche des Wälzlagerkäfigs ausgebildet sein.
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Da der in das Kunststoffmaterial eingebettete partikelförmige Festschmierstoff die Reibung der damit in Kontakt kommenden Bauteile reduziert, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Wälzlagerkäfigs nur an seinen im Betrieb einer Reibung ausgesetzten Flächen eine Funktionsbeschichtung mit dem erwähnten Kunststoffmaterial aufweist. Infolge des vorzugsweise zum Einsatz gelangenden thermoplastischen Kunststoffs ist eine verfahrenstechnisch besonders einfache Herstellung der vollständigen Beschichtung oder nur teilweisen Funktionsbeschichtung des Grundkörpers des Wälzlagerkäfigs gegeben.
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Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung weist die Funktionsbeschichtung des Grundkörpers des Wälzlagerkäfigs zumindest bereichsweise eine bevorzugt regelmäßige geometrische Struktur auf, die auch als Lamellenstruktur beschrieben werden kann. Hierdurch sind weitere technisch vorteilhafte Eigenschaften mit der Funktionsbeschichtung realisierbar.
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Darüber hinaus wird die eingangs genannte zweite Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerkäfigs für ein zumindest einreihiges Wälzlager mit folgenden Schritten gelöst:
- – Herstellen eines Grundkörpers des Wälzlagerkäfigs aus einer Stahllegierung,
- – Erzeugen eines Kunststoffmaterials, in dem ein partikelförmiger Festschmierstoff eingebettet ist,
- – Aufbringen des Kunststoffmaterials auf den Grundkörper durch Flammspritzen oder Pulverlackieren in Form einer Funktionsbeschichtung nur auf solche Flächen, die im Betrieb des Wälzlagers einer Reibung ausgesetzt sind.
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Hierdurch lässt sich ein zumindest partiell mit einem Kunststoff beschichteter Wälzlagerkäfig vergleichsweise kostengünstig herstellen. Der so gefertigte Wälzlagerkäfig vereint die Vorteile eines leicht herstellbaren, mechanisch hoch beanspruchbaren und besonders haltbaren Stahlkäfigs mit den günstigen Eigenschaften eines Kunststoffkäfigs, zu denen unter anderem dessen Reibungsarmut, Laufruhe und ein geringes Gewicht zählen.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt. In dieser zeigt
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1 eine perspektivische Teilansicht einer Ausführungsform eines Wälzlagerkäfigs mit Beispielen für einer Funktionsbeschichtung an demselben, und
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2 eine vergrößerte Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Funktionsbeschichtung mit einer bereichsweise lamellenförmigen geometrischen Struktur.
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Der in 1 dargestellte Wälzlagerkäfig 10 ist zum Einbau in ein nicht dargestelltes Kegelrollenlager vorgesehen. Er weist einen im Wesentlichen kegelabschnittförmigen Grundkörper 12 auf, der rotationssymmetrisch zu einer Längsmittelachse 14 ausgebildet ist. Der Grundkörper 12 besteht aus einem ringförmigen ersten Seitenteil 16 und einem ringförmigen zweiten Seitenteil 18, welche mittels einer Vielzahl von Stegen 20 miteinander verbunden sind. Die beiden ringförmigen Seitenteile 16, 18 weisen demnach jeweils unterschiedliche Durchmesser auf. Die Stege 20 sind zwischen den beiden ringförmigen Seitenteilen 16, 18 umfangsbezogen gleichmäßig zueinander beabstandet angeordnet. Jeweils zwei benachbarte Stege 20 umgrenzen zusammen mit den zugeordneten Seitenringabschnitten eine näherungsweise rechteckförmige Wälzkörpertasche 22, in welchen jeweils ein kegelförmiger Wälzkörper einsetzbar ist. Die Stege 20 verlaufen im Wesentlichen parallel zur Längsmittelachse 14 des Wälzlagerkäfigs 10.
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Die Herstellung des hier exemplarisch unsegmentierten, also einstückig ausgebildeten und aus einem Stahl beziehungsweise einer Stahllegierung gebildeten Grundkörpers 12 des Wälzlagerkäfigs 10 kann durch beliebige spanende Herstellungsverfahren, Umformverfahren, Urformen, thermische Fügeverfahren, formschlüssige Fügeverfahren oder eine Kombination von mindestens zwei der genannten Fügeverfahren erfolgen.
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Der Grundkörper 12 ist weist vorzugsweise an solchen Stellen seiner Oberfläche eine Funktionsbeschichtung 30 auf, welche im Betrieb des Wälzlagers mit einem benachbarten Bauteil reibend zusammenwirken. Wie 1 veranschaulicht, können dies die axial nach außen oder axial nach innen weisenden Seitenflächen 36, 38; 40, 42 der beiden ringförmigen Seitenteile 16, 18, die radial nach innen oder außen weisenden Oberflächen 44, 46 der beiden ringförmigen Seitenteile 16, 18, die taschenseitigen Seitenflächen 32, 34 der Stege, und/oder die radialen Oberflächen 48, 50 der Stege 20 sein.
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Die Funktionsbeschichtung 30 des Grundkörpers 12 des Wälzlagerkäfigs 10 besteht bevorzugt aus einem thermoplastischen Kunststoff, in den Partikel eines Festschmierstoffs mit einem Füllgrad von bis zu 50%, bezogen auf das Volumen des Kunststoffs, eingebettet sind. In Abhängigkeit von den konkreten Abmessungen des Wälzlagerkäfigs 10 kann die Funktionsbeschichtung 30 eine Schichtdicke von bis zu 1 mm aufweisen. So etwa bei Käfigen für Großwälzlager von Windenergieanlagen.
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Als thermoplastische Kunststoffe für die Funktionsbeschichtung 30 kommen insbesondere Polyetheretherketon (PEEK) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) in Betracht. Polyamid (PA) ist aufgrund seiner Neigung zur Wasseraufnahme und hierdurch induzierten Geometrieänderungen weniger bevorzugt. Durch die beigemengten Partikel des Festschmierstoffes lässt sich insbesondere die Rissbildungsneigung der Funktionsbeschichtung 30, deren mechanische Belastbarkeit und Abriebfestigkeit, sowie im Fall von zumindest geringfügig elektrisch leitfähigen Partikeln das Auftreten von Reibungselektrizität beziehungsweise einer elektrostatischen Aufladung vermeiden. Ferner steigern die Festschmierstoffpartikel die Wärmeausgleichsfähigkeit zwischen dem Grundkörper 12 aus Stahl beziehungsweise einer Stahllegierung und der Funktionsbeschichtung 30 in einem signifikanten Maße.
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Die Funktionsbeschichtung 30 kann durchgehend, bereichsweise und/oder mit bereichsweise unterschiedlicher Schichtdicke auf dem Grundkörper 12 ausgebildet sein. So kann die Funktionsbeschichtung 30 lediglich in Führungs- bzw. Kontaktbereichen des Wälzlagerkäfigs 10, wie zum Beispiel einander zugewandten Seitenflächen 32, 34 jeweils benachbarter Stege 20 einer Wälzkörpertasche 22 vorgesehen sein, die als umfangsseitige Führungs- bzw. Anlaufflächen für einen darin aufgenommenen Wälzkörper dienen (2). Dasselbe gilt für die voneinander radial weggerichteten, kreisringförmigen axialen Außenflächen 36, 38 der beiden ringförmigen Seitenteile 16, 18, die gegebenenfalls als axiale Anlaufflächen bzw. Kontaktflächen zwischen dem Wälzlagerkäfig 10 und Führungsborden eines nicht dargestellten Innenrings oder Außenrings eines Wälzlagers dienen, in dem der beschichtete Wälzlagerkäfig 10 Verwendung findet.
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Das Kunststoffmaterial zur Beschichtung des Grundkörpers 12 des Wälzlagerkäfigs 10 enthält vorzugsweise einen partikelförmigen Festschmierstoff aus einer Stoffgruppe mit selbst schmierenden Eigenschaften, zu der beispielsweise Graphit, Molybdändisulfid, Blei, Kupfer, Aluminium oder Keramik gehören.
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2 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Funktionsbeschichtung 30 an einer Seitenfläche 32 eines Steges 20 mit einer bereichsweise lamellenförmigen geometrischen Struktur 52, welche eine Vielzahl von parallel und zueinander beabstandet verlaufende erhöhte Streifen 54 sowie dazwischen ausgebildete Rillen aufweist.
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In den Rillen zwischen den Streifen 54 der lamellenförmigen Struktur 52 kann ein flüssiger oder pastöser Schmierstoff bevorratet und/oder von dort gezielt an reibungskritische Bereiche, wie zum Beispiel an Führungs- oder Anlaufflächen des Wälzlagerkäfigs 10 für Wälzkörper, abgegeben werden. Es können auch Führungs- oder Anlaufflächen des Wälzlagerkäfigs 10, welche zur Anlage an Führungsborde des Innenrings und/oder des Außenrings eines Wälzlagers dienen, mit solchen, lamellenförmige Strukturen 52 aufweisende Funktionsbeschichtungen 30 versehen sein.
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Zur Ausbildung einer solchen lamellenförmigen Struktur 52 der Funktionsbeschichtung 30 kann der metallische Grundkörper 12 des Wälzlagerkäfigs 10 zumindest bereichsweise selbst mit einer solchen lamellenförmigen Oberflächenstruktur mit einem vorgegebenen Höhenprofil versehen sein, auf der dann der Kunststoff gleichmäßig aufgetragen wird. Diese Oberflächenstruktur kann zum Beispiel durch Rändeln, Prägen, Lasergravieren, Funkenerodieren, Schleifen, Ritzen oder dergleichen erzeugt werden. Durch das Auftragen der Funktionsbeschichtung 30, bestehend aus einem Kunststoff mit einem darin eingemischten partikelförmigen Festschmierstoff, auf die Oberflächenstruktur des metallischen Grundkörpers 12 entsteht die Struktur 52 innerhalb der Abmessungen der Funktionsbeschichtung 30.
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Alternativ dazu kann die lamellenförmige Struktur 52 der Funktionsbeschichtung 30 auch direkt im Zuge des Auftragens des Kunststoffs auf eine plane, nicht strukturierte Oberfläche des Wälzlagerkäfigs 10 erzeugt werden, was jedoch den Einsatz eines geeigneten Beschichtungsverfahrens erfordert. Die lamellenförmige Struktur 52 der Funktionsbeschichtung 30 kann grundsätzlich vollflächig ausgebildet sein und sich über die gesamte Oberfläche des Wälzlagerkäfigs 10 hinweg erstrecken. Bevorzugt ist die lamellenförmige Struktur 52 jedoch auf die vorstehend erwähnten Führungs- beziehungsweise Kontaktflächen des Wälzlagerkäfigs 10 beschränkt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des beschriebenen Wälzlagerkäfigs wird in einem ersten Verfahrensschritt der Grundkörper 12 des Wälzlagerkäfigs 10 aus Stahl oder einer Stahllegierung hergestellt. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines materialabtragenden Vorgangs, insbesondere durch spanende Herstellungsverfahren, oder mittels Umformverfahren, Urformen, thermische Fügeverfahren oder formschlüssige Fügeverfahren. Darüber hinaus kann die Herstellung des Wälzlagerkäfigs 10 gegebenenfalls auch im so genannten ALM-Prozess ("Additive Layer Manufacturing") erfolgen, der eine vollautomatische Herstellung beliebig komplexer Geometrien durch schichtweises und örtlich begrenztes Aufschmelzen sowie wieder Abkühlen von Metallpulverschichten in einem Metallpulverbett erlaubt.
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In einem nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt erfolgt das Erzeugen eines Kunststoffmaterials, in dem ein partikelförmiger Festschmierstoff eingebettet ist, sowie anschließend das Aufbringen dieses Kunststoffmaterials auf den Grundkörper 12 durch Flammspritzen oder Pulverlackieren in der Art einer Funktionsbeschichtung 30, also bevorzugt nur auf solche Flächen, die im Betrieb des Wälzlagers einer Reibung ausgesetzt sind.
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Das thermoplastische Kunststoffmaterial zur Ausbildung der Funktionsbeschichtung 30 kann mit Partikeln eines Festschmierstoffes, wie zum Beispiel Graphit, Molybdändisulfid, Blei, Kupfer, Aluminium oder Keramik, und/oder mit anderen metallischen und/oder nichtmetallischen Partikeln versetzt werden. In die Funktionsbeschichtung 30 auf der Oberfläche des Grundkörpers 12 des Wälzlagerkäfigs 10 können diese Partikel bereichsweise oder vollflächig eingelagert sein.
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Für den Fall, dass die Funktionsbeschichtung 30 durch Pulverlackieren auf die Oberfläche des Grundkörpers 12 des Wälzlagerkäfigs 10 aufgetragen wird, ist in einem abschließenden Verfahrensschritt das Aufschmelzen des aufgetragenen thermoplastischen Pulvers in einem entsprechend temperierten Ofen notwendig. Durch diesen Vorgang wird der Funktionsbeschichtung 30 außerhalb einer gegebenenfalls vorhandenen lamellenartigen Struktur 52 eine glatte und in sich geschlossene, überzugsartige Oberflächenstruktur verliehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wälzlagerkäfig
- 12
- Grundkörper des Wälzlagerkäfigs
- 14
- Längsmittelachse des Wälzlagerkäfigs
- 16
- Erstes ringförmiges Seitenteil
- 18
- Zweites ringförmiges Seitenteil
- 20
- Steg
- 22
- Wälzkörpertasche
- 30
- Funktionsbeschichtung
- 32
- Erste axiale Seitenfläche eines Stegs
- 34
- Zweite axiale Seitenfläche eines Stegs
- 36
- Axiale Außenfläche des ersten Seitenteils
- 38
- Axiale Außenfläche des zweiten Seitenteils
- 40
- Axial nach innen weisende Seitenfläche des ersten Seitenteils
- 42
- Axial nach innen weisende Seitenfläche des zweiten Seitenteils
- 44
- Radial nach innen weisende Oberfläche des ersten Seitenteils
- 46
- Radial nach außen weisende Oberfläche des ersten Seitenteils
- 48
- Radial nach innen weisende Oberfläche eines Steges
- 50
- Radial nach außen weisende Oberfläche eines Steges
- 52
- Geometrische Struktur einer Funktionsbeschichtung
- 54
- Streifen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012101651 A1 [0002]
