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Die Erfindung betrifft eine Gleitlageranordnung zur Lagerung von relativ zueinander bewegten Bauteilen, die hohen Ansprüchen an Kraftbelastung und Drehgeschwindigkeit genügt. Hierbei ist es eine Anforderung, auf flüssiges oder pastöses Schmiermittel zu verzichten, um eine Verunreinigung der Lagerung, angrenzender Bauteile und Produkte zu vermeiden und um möglichst auf eine Nachschmierung zu verzichten zu können. Zudem sollen die eingesetzten Festkörperschmierstoffe geeignet für den Kontakt mit Lebensmitteln sein.
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Bereits bekannt sind zylindrische bzw. allgemeine Keramiklager, z.B. Keramiklager in Kombination mit elastischem Material zum Dämpfen von Stößen und Ausgleich von Toleranzen, Keramiklager mit eingelagertem Festkörperschmierstoff, Lager mit keramischer Beschichtung.
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In Robotern, speziell Delta-Robotern werden zumeist sphärische Gleitlagergelenke im Trockenlauf eingesetzt. Gewöhnlich werden hierbei metallische Kugeln eingesetzt, die mit einem weicheren Gleitpartner zusammenwirken, der üblicherweise aus Kunststoff besteht. Auch sind sphärische Gleitlager in solchen Robotern bekannt, die Keramikkugeln einsetzen, gleichsam in Verbindung mit Kunststoffen oder anderen Gleitpartnern mit deutlich geringerer Härte (z.B. einer Materialhärte kleiner 900 HV).
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Die eingesetzten Lager weisen hierbei eine geringe Belastungsfähigkeit gegenüber Kräften und Gleitgeschwindigkeiten auf. Beides ist aber gleichsam wichtig für Hochgeschwindigkeitsanwendungen, da die Gelenkbelastungen mit steigender Robotergeschwindigkeit steigen, Lagerkräfte i.d.R. quadratisch, Gleitgeschwindigkeiten i.d.R. linear.
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Zudem problematisch im Stand der Technik ist die gleichzeitige Erfüllung von Ansprüchen an die Eignung für den Kontakt und die Vermischung mit Lebensmitteln. Gleitlagerwerkstoffe mit hoher Belastbarkeit sind im Allgemeinen hierfür nicht geeignet.
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Die meisten Gleitlager wurden für den zylindrischen Betrieb entwickelt. Auch hier werden für den Trockenlauf zumeist metallische Wellen und zumeist weichere Gleitpartner eingesetzt. Dieses trifft vor allem für die mit Lebensmittel in Kontakt stehenden Anwendungen zu. Die eingesetzten Kunststoffgleitlager haben den Nachteil, dass die Belastungsfähigkeit mit der Gleitgeschwindigkeit sinkt und somit nicht zugleich hohe Kräfte und hohe Gleitgeschwindigkeiten vorliegen können.
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Auch kann der zuvor als weicher bezeichnete Gleitpartner aus einer Kombination aus einem Festkörperschmierstoff (z.B. PTFE) und einem offenporigem Werkstoff (z.B. Metall, Keramik) oder offenporig gefügtem Material (z.B. Gewebe) bestehen.
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Die Ausführung eines Gleitpartners aus einem metallischen Material in Kombination mit einem weicheren, zumeist kunststoffbasierten Gegenlaufkörper ist zwar relativ einfach in der Herstellung, bietet allerdings den Nachteil, dass sich der Kunststoff gerade bei hohen Belastungen und gleichzeitig hohen effektiven Geschwindigkeiten erwärmt und somit schnell verschleißt. Gleiches gilt für die Herstellung oder Beschichtungen aus anderen thermisch sensiblen Festkörperschmierstoffen.
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Wie am Stand der Technik ablesbar, ist die Ausführung eines zylindrischen Lagers bzw. einer zylindrischen Lageranordnung aus keramischen Werkstoffen gleichsam problematisch, da Toleranzen und Verformungen zu ungünstiger Belastung des keramischen Lagerteils führen können.
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Allgemein bieten Gleitlagerkombinationen mit keramischen Werkstoffen ohne zusätzlichen Schmierstoff den Nachteil, dass der Reibkoeffizient im Trockenlauf hohe Werte annimmt. Dieses Problem wurde im Stand der Technik bereits aufgegriffen, wobei Festkörperschmierstoffe eingesetzt werden, die zumeist nicht für den Kontakt mit Lebensmitteln geeignet sind (z.B. Graphit).
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gleitlageranordnung bereitzustellen, bei welcher die oben erwähnten Nachteile zumindest teilweise beseitigt sind.
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Die Aufgabe wird durch eine Gleitlageranordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Erfindungsgemäß bereitgestellt wird demnach eine Gleitlageranordnung mit zumindest zwei Gleitpartnern, die relativ zueinander beweglich sind, aufweisend ein Festkörperschmierstoffelement, wobei zumindest einer der Gleitpartner relativ zu dem Festkörperschmierstoffelement beweglich ist und wobei Mittel vorgesehen sind, um das Festkörperschmierstoffelement gegen den zumindest einen der zum Festkörperschmierstoffelement beweglichen Gleitpartner zu pressen.
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Bei der Erfindung ist also eine Feststoffschmierung realisiert, bei der ein Festkörperschmierstoffelement auf den zumindest einen sich bewegenden Gleitpartner aufgepresst wird. Durch dieses Aufpressen wird permanent Festkörperschmierstoff vom Festkörperschmierstoffelement abgerieben und zur Schmierung der Gleitpartner bzw. deren aneinander reibenden Oberflächen bereitgestellt. Die Gleitlageranordnung kann so wartungsfrei ausgeführt werden, weil sie durch das Aufpressen von Festkörperschmierstoff permanent und gleichmäßig geschmiert wird. Die erfindungsgemäße Gleitlageranordnung kann also im Trockenlauf, also ohne Schmierung mit flüssigen Stoffen, betrieben werden.
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Die Erfindung umfasst also die separate Zuführung eines Festkörperschmierstoffs, der entweder direkt auf eine Gleitfläche oder in den Innenraum einer Gleitlageranordnung so zugeführt wird, dass die Gleitfläche mit dem Festkörperschmierstoff benetzt wird.
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Als Festkörperschmierstoff wird aufgrund seiner Eignung für den Einsatz in der Lebensmittelverarbeitung und seiner guten Gleiteigenschaften der Werkstoff Polytetrafluorethylen (PTFE) bevorzugt.
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Jeder Gleitpartner umfasst eine Gleitfläche, die ausgestaltet ist, im Betrieb auf einer Gleitfläche eines anderen Gleitpartners zu gleiten.
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Die relativ zueinander und relativ zum Festkörperschmierstoffelement beweglichen Gleitpartner können drehbar beweglich sein und/oder schwenkbar beweglich sein. Erfindungsgemäß kann es sich also insbesondere um eine Rotationslageranordnung oder um eine Schwenklageranordnung handeln.
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Des Weiteren kann ein Gleitpartner einen Abschnitt oder ein separates Element umfassen, das nicht gleitend ausgestaltet ist. Dies kann z.B. ein Welle oder ein Wellenabschnitt sein, auf welcher die Gleitfläche angeordnet ist.
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Das Festkörperschmierstoffelement ist ein Element, welches Schmierstoff in Form von Abrieb bereitstellt, der durch Reibung des Festkörperschmierstoffelements an einer Fläche entsteht.
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Die Mittel können aufweisen: Eine Zuführungseinrichtung, die ausgebildet ist, das Festkörperschmierstoffelement aufzunehmen, wobei der zumindest eine zum Festkörperschmierstoffelement drehbare Gleitpartner relativ zu der Zuführungseinrichtung beweglich ist.
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Die Gleitpartner können zumindest teilweise einen Raum definieren, in welchem das Festkörperschmierstoffelement zumindest teilweise angeordnet ist und welcher zum Sammeln von Festkörperschmierstoffabrieb geeignet ist.
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Das Festkörperschmierstoffelement kann zumindest teilweise in einem der Gleitpartner angeordnet sein und ausgestaltet sein, Festkörperschmierstoffabrieb direkt auf eine Gleitfläche eines anderen Gleitpartners abzugeben.
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Zumindest einer der Gleitpartner kann ein äußerer Gleitpartner sein und als äußerer Lagerring ausgebildet sein.
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Die Zuführungseinrichtung kann mit dem äußeren Gleitpartner und/oder mit einem Lagergehäuse starr verbunden sein.
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Einer der Gleitpartner kann ein innerer Gleitpartner sein und ein kugelförmiges Gleitelement aufweisen.
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Der innere Gleitpartner kann einen Wellenabschnitt aufweisen, der relativ zum äußeren Gleitpartner drehbar ist.
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Das Festkörperschmierstoffelement ist vorteilhafterweise ein lebensmittelverträgliches Element, beeinträchtigt also nicht die Qualität und die Verträglichkeit von Lebensmitteln.
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Einer der Gleitpartner kann geometrisch verformbar ausgeführt sein, um eine radiale Verspannung der Gleitlageranordnung zu vermeiden – bei minimalem Betriebsspiel und gleichzeitig maximalem Kontakt der Gleitflächen zueinander.
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Die Gleitlageranordnung kann weiter Vorkehrungen zur Abdichtung der Gleitlageranordnung gegen Austritt von Festkörperschmierstoff aufweisen.
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Die Gleitlageranordnung kann ausgestaltet sein, um in einem Roboter, insbesondere in einer Parallelkinematik, weiter insbesondere bei Delta-Robotern eingesetzt zu werden.
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Derartige Roboter finden insbesondere in der Lebensmittelverarbeitung Anwendung.
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Zumindest einer der Gleitpartner kann eine Gleitfläche aufweisen, die mit einer Oberflächenstruktur versehen ist, die die Benetzung mit Festkörperschmierstoff begünstigt. Eine solche Struktur umfasst insbesondere in den Lagerspalt führende Rillen.
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Die Gleitlageranordnung kann speziell zwei Paare von Gleitpartnern aufweisen, wobei jedes Paar jeweils einen Gleitpartner aufweist, der ein kugelförmiges Gleitelement aufweist, und wobei die Paare von Gleitlagern gegeneinander verspannt angeordnet sind.
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Eine Weiterbildung der Erfindung umfasst eine Gleitlageranordnung, bei der mindestens ein Gleitpartner, vorzugsweise alle Gleitpartner aus keramischen Werkstoffen bzw. aus anderen Werkstoffen mit einer Oberflächenhärte > 900 HV bestehen und die im Trockenlauf betrieben wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist einer der Gleitpartner geometrisch verformbar ausgeführt, um eine radiale Verspannung zu vermeiden, die zum Versagen des Lagers führen könnte.
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Vorzugsweise kann dieser Gleitpartner der ringförmig ausgebildete äußere Gleitpartner sein. Um eine solche Elastizität zu erreichen, wird die Öffnung des ringförmigen Elementes vorgeschlagen. Zudem wird vorgeschlagen die Aufnahme des ringförmigen Elementes so auszubilden, dass die Verformung des ringförmigen Elementes zugelassen wird (z.B. durch eine leichte Spielpassung).
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Dies kann aber auch durch andere Maßnahmen erreicht werden, z.B. durch ein erhöhtes Betriebsspiel, sofern der hierdurch reduzierte Flächenkontakt zwischen den Gleitpartnern akzeptabel ist.
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Keramische oder vergleichbare Lagerwerkstoffe bieten die Möglichkeit, diesen Verschleiß zu reduzieren und gleichzeitig die Reibungsverluste gering zu halten, wenn die erfindungsgemäß ausgestaltete Festkörperschmierung zum Einsatz kommt.
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Somit wird durch die Erfindung bzw. die Weiterbildungen der Erfindung eine Gleitlageranordnung bereitgestellt, die zum einen im Trockenlauf einen verschmutzungs- und wartungsarmen Betrieb ermöglicht, spielarm ausgeführt werden können, einen geringen Reibkoeffizienten aufweisen und gleichzeitig hohe Belastungen durch Lagerkräfte und hohe Gleitgeschwindigkeiten ertragen können.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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5 ein Detail zum Ausführungsbeispiel der 4.
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Für alle Ausführungsbeispiele der Erfindung gilt, dass mindestens einer der Gleitpartner, bevorzugt beide, aus keramischem Werkstoff bestehen oder jedenfalls aus anderen Werkstoffen mit einer Oberflächenhärte größer als 900 HV. Die Gleitpartner werden im Trockenlauf betrieben. Als Festkörperschmierstoffelement 8 bzw. Festkörperschmierstoff kommt insbesondere PTFE zum Einsatz, das überdies als lebensmittelverträglich gilt. Das Festkörperschmierstoffelement 8 ist also ein Element, welches Schmierstoff aufgrund von Abrieb bereitstellt.
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Weil die beschriebenen Gleitlager bevorzugt Drehbewegungen ermöglichen, umfasst der Begriff "beweglich" im Folgenden speziell auch die Variante "drehbar beweglich". Aber auch schwenkbar bewegliche Anordnungen sind umfasst.
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1 zeigt eine Gleitlageranordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine zylindrische Lageranordnung. Es sind zwei Paare von Gleitpartnern 1; 2, 3 vorhanden, und zwar jeweils als äußerer Gleitpartner ein äußerer Lagerring 1, der am Lagergehäuse 6 fest angeordnet ist, und als innerer Gleitpartner jeweils ein Abschnitt der Welle 2. Der innere Gleitpartner 2 umfasst auch einen Abschnitt, der nicht gleitend bezüglich des äußeren Gleitpartners 1 ist. Das Festkörperschmierstoffelement 8 wird durch Mittel 4 gegen den inneren Gleitpartner, also die Welle 2 gepresst. Der Raum 7, in welchem sich das Festkörperschmierstoffelement 8 zumindest teilweise befindet, wird durch die Gleitpartner sowie durch das Lagergehäuse 6, welches zumindest die Gleitpartner umgibt, definiert. Die Mittel 4 umfassen eine Zuführungseinrichtung, die ist mittig mit Bezug auf die beiden äußeren Lagerringe 1 angeordnet und starr mit dem Lagergehäuse 6 verbunden ist. Die Mittel 4 sind ausgestaltet, eine Kraft Fz auf das Festkörperschmierstoffelement 8 auszuüben, so dass das Festkörperschmierstoffelement 8 permanent gegen die Welle 2 gepresst wird. Aufgrund der Reibung bei der Drehung der Welle 2 wird am Festkörperschmierstoffelement 8 Abrieb erzeugt, der sich im Raum 7 sammelt, die Gleitflächen der Gleitpartner benetzt und somit für deren permanente Schmierung sorgt.
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Zur Bereitstellung der Kraft Fz können die Mittel 4 ein Federelement aufweisen, welches in radialer Richtung bezogen auf den Gleitpartner 2, also die Welle 2 bzw. deren Rotationsachse wirkt.
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2 zeigt eine zylindrische Gleitlageranordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese Gleitlageranordnung umfasst zwei Paare von Gleitpartnern 1, 3. Die Gleitlageranordnung wirkt gegenüber derjenigen der 1 winkelausgleichend und ist hierdurch weniger anfällig auf Verspannungen innerhalb der Gleitlageranordnung. Die inneren Gleitpartner weisen hier kugelförmige Gleitelemente 3 auf, die auf der Welle 2 in vorbestimmtem axialen Abstand zueinander angeordnet sind. Die Mittel 4 sind ähnlich ausgestaltet wie beim ersten Ausführungsbeispiel, allerdings sind sie jeweils in den äußeren Lagerringen 1 angeordnet und geben den Schmierstoff direkt auf die Gleitfläche des Gleitpartners 3 ab.
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Durch Kräfte Fv, die axial zur Welle 2 bzw. deren Rotationsachse auf die äußeren Gleitpartner wirken, werden die Gleitpartner axial in Position zueinander gehalten.
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3 zeigt als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine sphärische Gleitlageranordnung, bei welcher der innere Gleitpartner 3 kugelförmig ist und der äußere Gleitpartner durch zwei Lagerringe 1 gebildet ist. Der innere Gleitpartner 3 sitzt auf der Welle 2. Der Raum 7 ist durch die beiden Lagerringe 1, den kugelförmigen inneren Gleitpartner 3 sowie das Lagergehäuse 6 begrenzt. Das Festkörperschmierstoffelement 8 wird in den Raum 7 zwischen den beiden Lagerringen 1 zugeführt, und zwar direkt auf die Gleitfläche des inneren Gleitpartners 3. Die Kräfte Fv und Fz wirken wie zuvor beschrieben.
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4 zeigt als viertes Ausführungsbeispiel schematisch eine z.B. in Delta-Robotern eingesetzte Gleitlageranordnung für die Unterarme (ohne Unterarmverspannung und Skizze der Unterarme, welche mit den äußeren Lageraufnahmen des Lagerrings 1 verbunden sind). Hierbei ist die in 3 dargestellte Anordnung doppelt ausgeführt mit separater Zuführung jeweils eines Festkörperschmierstoffelements 8 für jedes Paar von Gleitpartnern. Auch hier wird das Festkörperschmierstoffelement 8 direkt auf die Gleitfläche des inneren Gleitpartners 3 im Raum 7 zwischen dem n Lagerring 1 und dem Lagergehäuse 6 zugeführt. Die Kräfte Fv und Fz wirken wiederum wie zuvor beschrieben.
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Die Gleitlageranordnung nach 4 hat als besonders bevorzugtes Einsatzfeld sind Roboter, insbesondere Parallelroboter und insbesondere Delta-Roboter, Diese Roboter erzielen hohe Verfahrgeschwindigkeiten und weisen insbesondere an den sphärischen Gelenken einen leistungskritischen Punkt auf. Gerade bei hohen Verfahrgeschwindigkeiten und im Verhältnis großen bewegten Massen bzw. resultierend hohen Gelenkkräften kann aufgrund einer geringen Belastbarkeit der Lagerstellen die maximal erreichbare Verfahrgeschwindigkeit nicht erreicht werden oder geht mit einem vorschnellen Verschleiß der Lagerstellen einher.
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5 zeigt exemplarisch eine Möglichkeit, um eine Verformbarkeit des ringförmigen Gleitpartners 1 zu erlauben. Hierdurch kann eine radiale Verspannung der Gleitlageranordnung vermieden werden, die zum Versagen des Lagers führen könnte. Die linke Abbildung zeigt vereinfacht die Lageranordnung der 4, die rechte Abbildung zeigt die Schnittansicht A-A. Hierbei ist der äußere Gleitpartner, also hier der Lagerring 1, an einer Stelle 5 aufgetrennt, so dass er sich im Betrieb geometrisch verformen kann. Diese Stelle 5 kann zugleich die Zuführeinrichtung 4 umfassen oder bilden. Diese ist in 5 nicht illustriert.
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Vorzugsweise ist der Lagerring 1 so verbaut, dass ein Sicherungselement zur Verdrehsicherung eingesetzt wird.
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Alle Ausführungsbeispiele können Vorkehrungen zur Abdichtung der Gleitlager gegen Austritt von Festkörperschmierstoff nach außerhalb der Gleitlageranordnung enthalten.
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Ebenfalls kann bei allen Ausführungsbeispielen zumindest einer der Gleitpartner eine Gleitfläche aufweisen, die mit einer Oberflächenstruktur versehen ist, die die Benetzung mit Festkörperschmierstoff begünstigt, insbesondere in den Lagerspalt führende Rillen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- äußerer Gleitpartner, speziell Lagerring
- 2
- innerer Gleitpartner, speziell Lagerwelle
- 3
- innerer Gleitpartner, speziell Lagerkugel
- 4
- Pressmittel, Zuführungseinrichtung
- 5
- aufgetrennte Ringstelle
- 6
- Lagergehäuse
- 7
- Raum (Schmierraum)
- 8
- Festkörperschmierstoffelement
- A-A
- Schnittlinie
- Fz
- radiale Anpresskraft
- Fv
- axiale Kraft
