DE102017130655A1

DE102017130655A1 - Reibungsreduziertes Wälzlager

Info

Publication number: DE102017130655A1
Application number: DE102017130655.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Schulte-Nölle; Yegor Rudnik; Alan Frank; Nikita Dyrikov
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2018-12-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit aus Ringmaterial hergestellten Lagerringen mit gegenüberliegenden Laufflächen und zwischen den Laufflächen abwälzenden Wälzkörpern, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringmaterial einen größeren E-Modul als der E-Modul der Wälzkörper aufweist.

Description

Wälzlager mit aus Ringmaterial hergestellten Lagerringen mit gegenüberliegenden Laufflächen und zwischen den Laufflächen abwälzenden Wälzkörpern.
Zur Verminderung der Reibung von Wälzlagern ist bekannt, die Lagerinnengeometrie, die Rauheit der Laufflächen, die Verminderung der Schmiermittelviskosität, Planschverluste und dergleichen zu optimieren.
Weiterhin ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2004 041 962 A1 bekannt, in sogenannten Hybridlagern die Kontaktellipse zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen zu verringern, indem eine Werkstoffpaarung Stahl/Keramik eingesetzt wird. Beispielsweise werden Keramikkugeln mit Lagerringen aus Stahl eingesetzt, da aus Keramik hergestellte Lagerringe unter Zugspannung bruchgefährdet sind. Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines gattungsgemäßen Wälzlagers zur Verminderung dessen Reibung.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
Das vorgeschlagene Wälzlager mit aus Ringmaterial hergestellten Lagerringen mit gegenüberliegenden Laufflächen und zwischen den Laufflächen abwälzenden Wälzkörpern aus Keramik oder Stahl, wobei das Ringmaterial einen größeren E-Modul als der E-Modul der Wälzkörper aufweist. Durch die Ausbildung von nichtmetallischen Reibpartnern mit großen E-Modulen wird die Kontaktellipse zwischen Lagerring und Wälzkörper und damit die Reibung zwischen diesen stark verringert, so dass insbesondere mit anderen reibungsvermindernden Maßnahmen ein besonders reibungsarmes Wälzlager vorgeschlagen werden kann. Dabei hat sich herausgestellt, dass bei der Erhöhung des E-Moduls des Lagerrings durch Verwendung ausgewählter Werkstoffe größer als das E-Modul aus Keramik hergestellter Wälzkörper ein Wälzlager mit besonders kleiner Kontaktellipse und besonders geringer Reibung mit ausreichender Bruchfestigkeit ermöglicht wird. Ferner verformt sich bei stärkerer Belastung insbesondere die Laufbahn eines Lagerrings nur marginal, was einen äußerst positiven Effekt auf das Überrollverhalten der Wälzkörper hat.
Beispielsweise kann der E-Modul des Ringmaterials größer 230 GPa, bevorzugt größer 300 GPa, besonders bevorzugt im Wesentlichen 600 GPa betragen. Beispielsweise können Keramiken, Hartmetalle, Verbundmaterialien aus Keramik und Metall (Cermets) oder Stähle mit hohen Carbidgehalten vorgesehen sein.
Ein derartiger E-Modul des Ringmaterials beziehungsweise des aus diesem hergestellten Lagerrings kann beispielsweise aus einem Verbundwerkstoff aus Metall und Keramik vorgesehen werden. Hierbei dienen in die Keramik eingeschlossene Metallpartikel als Binder. Bei gleicher Last findet bei einem Wälzlager mit Lagerringen aus Verbundmaterial im Vergleich zu einem Wälzlager mit Lagerringen aus Stahl eine geringere Einfederung der Wälzkörper in die Kontaktzone der Wälzkörper gegenüber den Laufflächen der Lagerringe statt.
Als besonders vorteilhaft hat sich ein Verbundwerkstoff mit einem hohen Anteil an Wolframcarbid mit einem Binder aus Nickel herausgestellt. Hierbei sind Nickelanteile von 9 Gew.-% Nickel in mikroskopisch feiner Verteilung besonders vorteilhaft. Mittels dieses Verbundwerkstoffs können bei ausreichender Bruchfestigkeit unter Belastung E-Module von ca. 600 GPa erzielt werden.
Der E-Modul des Wälzkörperwerkstoffs wird dabei auf ca. 300 GPa eingestellt. Hierzu können beispielsweise Wälzlager aus Siliziumnitrid (Si3N4) hergestellt sein.
Das vorgeschlagene Wälzlager weist in vorteilhafter Weise ein Verhältnis der E-Module von Ringmaterial und Wälzkörpern größer 1,5:1, bevorzugt im Wesentlichen 2:1 auf. Ein restelastisches Verhalten tritt dabei eher an den Wälzkörpern als an den Lagerringen auf. Es versteht sich, dass in weiteren Ausführungsformen des vorgeschlagenen Wälzlagers die E-Module der Wälzkörper und der Lagerringe ein Verhältnis nahe eins aufweisen können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des vorgeschlagenen Wälzlagers kann dieses gegenüber der Umgebung ungedichtet sein. Hierdurch kann die Gleitreibung infolge des fehlenden, gegenüber einem Lagerring eine dynamische Dichtung mit entsprechenden Reibung bildenden Dichtmaterials vermieden werden. Vorteilhafterweise sind derartige ungedichtete Wälzlager korrosionsbeständig ausgebildet, da diese Feuchtigkeit aufnehmen können oder in nasser Umgebung betrieben werden. Hierbei ist neben den korrosionsbeständigen Werkstoffen der Wälzkörper und der Laufringe ein die Wälzkörper aufnehmender Wälzkörperkäfig nichtmetallisch, beispielsweise aus Polyetheretherketon (PEEK) beispielsweise mit einer Verstärkung wie beispielsweise Graphitanteilen gebildet.
Zur weiteren Reduzierung der Reibung des vorgeschlagenen Wälzlagers können als Schmiermittel niedrigviskose Schmiermittel wie beispielsweise niederkettige Kohlenwasserstoffe, wasserbasierte Schmierstoffe, Wasser und abhängig von der Einsatztemperatur weitere Schmiermittel mit für den Einsatzbereich ausreichenden Siede- oder Zersetzungstemperaturen eingesetzt werden.
Weiterhin können Werkstoffe, wie beispielsweise die vorgeschlagenen Werkstoffe mit einer geringen Adhäsionsneigung gegenüber dem Schmiermittel beziehungsweise Schmiermittel mit geringen Adhäsionsneigungen gegenüber den verwendeten Werkstoffen ausgebildet sein, so dass die innere Lagerreibung weiter reduziert wird. Weiterhin kann das vorgeschlagene Wälzlager zur Vermeidung oder Reduzierung von Planschverlusten ausgelegt sein.
Die Erfindung wird anhand des in der einzigen Figur dargestellten Diagramms näher erläutert. Das Diagramm 1 zeigt den Verlauf der Reibmomente M(r) zweier Wälzlager über die Drehzahl U, das heißt die Relativdrehzahl zwischen den beiden Lagerringen der Wälzlager anhand der Kurven 2, 3. Die Kurve 2 zeigt das Reibmoment M(r) des vorgeschlagenen Wälzlagers mit Lagerringen, dessen E-Modul größer als das E-Modul der aus Keramik hergestellten Wälzkörper ist, für einen vorgegebenen Einsatzbereich, beispielsweise mit Wasser als Schmiermittel. Bei der Verwendung von Öl als Schmiermittel liegen die Reibmomente geringfügig höher als die Kurve 2 jedoch immer noch unterhalb der Kurve 3. Die Lagerringe des Wälzlagers sind hier aus dem Verbundwerkstoff Wolframcarbid mit dem Binder Nickel in Höhe von 9 Gew.-%.
Die Kurve 3 zeigt das Reibmoment M(r) eines Wälzlagers mit Lagerringen aus Lagerstahl, beispielsweise 100Cr6 und denselben Wälzkörpern aus Keramik wie das vorgeschlagene Wälzlager. Dieses Wälzlager ist für dieselben Bedingungen ausgelegt wie das vorgeschlagene Wälzlager mit dem Schmiermittel Wasser.
Die Kurve 2 zeigt bei kleinen und mittleren Drehzahlen bis zum Drehzahlwert U(1), beispielsweise bis zu dem Drehzahlwert U(1) = 1000 1/min eine deutlich geringere Reibung als die Kurve 3. Die bei beiden Kurven 2, 3 ansteigende Reibung bei Drehzahlen größer als der Drehzahlwert U(1) beruht auf Planschverlusten und ist bei beiden Wälzlagern im Wesentlichen vergleichbar. Der Vergleich der Kurven 2, 3 zeigt beispielsweise bei 200 1/min, Wasservollflutung und einer Lagerbelastung von 16 kN eine eindeutige Verringerung der Reibung des vorgeschlagenen Wälzlagers (Lagerringe aus Verbundwerkstoff Wolframcarbid mit Binder aus 9% Nickel und Wälzkörpern aus Keramik) gegenüber üblichen Wälzlagern (Lagerringe aus Stahl 1.4108/X30CrMoN10-1 und Wälzkörpern aus Keramik), beispielsweise ein auf ein Drittel reduziertes Reibmoment M(r) gegenüber dem Reibmoment M(r) des Wälzlagers nach Stand der Technik.
Bezugszeichenliste

1: Diagramm
2: Kurve
3: Kurve
M(r): Reibmoment
U: Drehzahl
U(1): Drehzahlwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004041962 A1 [0003]

Claims

Wälzlager mit aus Ringmaterial hergestellten Lagerringen mit gegenüberliegenden Laufflächen und zwischen den Laufflächen abwälzenden Wälzkörpern, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringmaterial einen größeren E-Modul als der E-Modul der Wälzkörper aufweist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der E-Modul des Ringmaterials größer 230 GPa, bevorzugt größer 300 GPa, besonders bevorzugt im Wesentlichen 600 GPa beträgt.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringmaterial aus Verbundwerkstoff aus Metall und Keramik hergestellt ist.
Wälzlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff aus Wolframcarbid mit einem Binder aus Nickel, bevorzugt mit einem Nickelgehalt von 9 Gew-% gebildet ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper aus Siliziumnitrid hergestellt sind.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der E-Module von Ringmaterial und Wälzkörpern größer 1,5:1, bevorzugt im Wesentlichen 2:1 beträgt.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager korrosionsbeständig ausgebildet ist.
Wälzlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Wälzkörper aufnehmender Wälzkörperkäfig aus PEEK gebildet ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmiermittel des Wälzlagers ein niedrigviskoses Schmiermittel vorgesehen ist.
Wälzlager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiermittel wasserbasiert ist.