DE102018208947A1 - Wälzlagerring mittels eines Metallspritzgussverfahrens - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager (4, 30), das einen ersten Ring (8, 31) und einen zweiten Ring (12, 32) in relativer Drehung miteinander, und zumindest eine Reihe von Wälzkörpern (11, 33) umfasst, die zwischen den Ringen (8, 12; 31, 32) angeordnet sind. Zumindest einer der Ringe (8, 12; 31, 32) ist durch eine Metallspritzgussverfahren hergestellt, das nacheinander die Schritte Mischen eines Metallpulvers mit einem thermoplastischen Binder, Bilden eines Teils durch Einspritzen des gemischten Pulvers in eine geschlossene Form, Entbindern eines solch gebildeten Teils in einem Brennofen, Sintern, um das Teil zu verdichten, und Abschrecken, um eine Ringhärte einzustellen, um die Widerstandsfähigkeit und die Bruchdauer zu verbessern, umfasst.
Description
- TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager für eine Verwendung in einer beliebigen Anwendung mit rotierenden Teilen, wie beispielsweise Automobilfahrzeuge, thermische und elektrische Motoren, Drehmomentübertragungsvorrichtungen.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Ein Wälzlager umfasst einen ersten Ring und einen zweiten Ring in relativer Rotation miteinander, wobei zumindest eine Reihe von Wälzkörpern zwischen den Ringen angeordnet ist.
- Die Ringe können von massiver Art sein. Unter einer massiven Art wird ein Ring verstanden, der durch ein Bearbeiten, Schleifen, aus einem metallischen Rohrmaterial, Stabmaterial, groben Schmiedestücken und/oder Rollenrohlingen erhalten wird, um die finale Form und Abmessungen des Rings bereitzustellen. Es wird jedoch beabsichtigt, die Herstellungs- und Materialkosten zu verringern. Die massiven Ringe sind von einem relativ erheblichen Gewicht und in viele Anwendungen ist es gewünscht, das Wälzlagergewicht zu reduzieren. Es ist ebenfalls gewünscht, einen wenig teuren Herstellungsvorgang zu verwenden und komplexe Formen für die Ringe zu ermöglichen, während die Lastaufnahmefunktion aufrechterhalten wird. Solche massiven Ringe können beispielsweise tiefe Rillenkugellager und Kugellagerarten, Kugellager mit tiefen Nuten und Arten, Rollenlager der toroidalen, zylindrischen, Pendelrollen-, Nadelrollenart ausstatten.
Alternativ können die Ringe aus einem metallischen Blech geprägt und geschnitten werden. Eine große Vielfalt von Ringformen kann gemäß diesem Herstellungsvorgang gebildet werden, schränkt aber die Fähigkeit zum Aufnehmen von größeren Lasten ein. Solche Ringe können beispielsweise Wälzlager für Kupplungslagereinheiten, Steuereinheiten, aufgehängte Lager ausrüsten. - ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Das Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile durch Vorschlagen eines Wälzlagers zu überwinden, welches Ringe hat, die durch einen Vorgang hergestellt sind, der Formen von höherer Komplexität erlaubt.
- Dazu betrifft die Erfindung ein Wälzlager, das einen ersten Ring und einen zweiten Ring in einer relativen Rotation miteinander umfasst, wobei zumindest eine Reihe von Wälzkörpern zwischen den Ringen angeordnet ist.
- Gemäß der Erfindung ist zumindest einer der Ringe durch einen Metallspritzgussverfahren hergestellt, das die aufeinanderfolgenden Schritte umfasst von Mischen eines Metallpulvers mit einem thermoplastischen Binder, Bilden eines Teils durch Einspritzen des gemischten Pulvers in eine geschlossene Form, Entbindern eines solch geformten Teils in einem Brennofen, Sintern um das Teil zu verdichten, und Abschrecken, um eine Stößelkörperhärte einzustellen, um die Widerstandsfähigkeit und die Verschleißdauer zu verbessein.
- Dank der Erfindung kann ein Ring für ein Wälzlager von komplexer Form für eine Verwendung in einem Wälzlager hergestellt werden. Das Metallspritzgussverfahren vermeidet die Verwendung von zusätzlichen Sekundärbearbeitungen und verhindert ebenfalls Ausschuss. Die Ringoberflächen sind ohne einen zusätzlichen Verfeinerungsverfahrensschritt fein.
- Die Ringdichte kann während des Schritts des Sinterns als so hoch wie notwendig definiert werden und ist für eine Verwendung in einer Vielzahl von Wälzlageranwendungen geeignet.
- Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung, welche vorteilhaft aber nicht zwingend sind, kann solch ein Wälzlager ein oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:
- - Die Wälzkörper sind Rollen oder Nadeln.
- - Die Wälzkörper sind Kugeln.
- - Das Metallpulver ist eine Stahllegierung.
- - Das Metallpulver ist eine Stahllegierung, die einen durchhärtenden Stahl mit Chrom, Molybdän, und hohem Kohlenstoffanteil umfasst. Vorteilhafterweise ist das Metallpulver die Stahllegierung 100Cr6.
- - Das Metallpulver ist eine Stahllegierung, die einen härtenden Stahl mit Nickel, Chrom und Molybdän aufweist. Vorteilhafterweise ist das Metallpulver die Stahllegierung 21NiCrMo2.
- - Das Metallpulver ist eine Legierung aus Stahl, die einen härtenden Stahl mit Nickel, Kohlenstoff und Molybdän aufweist. Vorteilhafterweise ist das Metallpulver die Stahllegierung MIM-4620.
- - Die Elastizitätsgrenze des Stößelkörpers liegt zwischen 1000MPa und 1500MPa und ist vorteilhafterweise im Wesentlichen gleich 1200MPa.
- - Die ultimative Bruchfestigkeit des Stößelkörpers liegt zwischen 1200Mpa und 1700MPa und ist vorteilhafterweise im Wesentlichen gleich 1500MPa.
- - Der Ring hat eine Oberflächenrauigkeit, die zwischen 250 und 830Hv liegt. Die Ringoberflächenrauigkeit ist vorteilhafterweise größer als 650Hv auf der rückseitigen Anlagefläche.
- - Das Verfahren umfasst ferner Endbearbeitungsvorgänge der Ringflächen.
- Figurenliste
- Die Erfindung wird nun im Zusammenhang mit den angehängten Figuren als veranschauliche Beispiele beschrieben, ohne den Gegenstand der Erfindung zu beschränken. In den angehängten Figuren ist
-
1 eine Schnittansicht eines tiefen Rillenkugellagers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und - Figur '2 ist eine Schnittansicht entlang eines Kupplungslagers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
- AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINIGER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
1 offenbart eine Rotationslageranordnung1 . Beispielsweise kann die Anordnung1 in einem Verbrennungsmotor eines Motorfahrzeugs oder in einem elektrischen Motor verwendet werden. - Anordnung
1 umfasst eine Rotationswelle2 mit einer longitudinalen RotationsachseX2 , ein stationäres Gehäuse3 , beispielsweise einen stationären Motorblock, und ein Wälzlager4 , um die Rotation der Rotationswelle2 hinsichtlich des stationären Gehäuses3 abzustützen. - Das Wälzlager
4 ist von der Art eines tiefen Rillenkugellagers mit einer tiefen Nut und hat eine longitudinale RotationsachseX4 . Die AchsenX4 undX2 fallen zusammen. - Das Wälzlager
4 weist einen Innenring8 mit einer inneren zylindrischen Bohrung9 auf. Gemäß einer Ausführungsform ist der Innenring8 drehend, wobei die Bohrung9 auf einer äußeren zylindrischen Fläche7 einer Rotationswelle2 montiert ist. Vorteilhafterweise ist der Innenring8 auf ein Wellenende aufgepresst, aber der Innenring8 kann auch an dem Wellenende mit einem anderen geeigneten Befestigungsmittel fest befestigt sein. Der Innenring8 ist in Rotation mit der Rotationswelle2 befestigt. Der Innenring8 umfasst ferner eine äußere Fläche, die mit einem konkaven Abschnitt10 versehen ist, der eine innere Laufbahn für mehrere Wälzkörper11 bildet. - Das Wälzlager
4 umfasst einen Außenring12 mit einer äußeren zylindrischen Fläche13 , die in einer zylindrischen Bohrung14 eines stationären Gehäuses3 montiert ist. Vorteilhafterweise ist der Außenring12 in das Gehäuse3 eingepresst, aber der Innenring12 kann auch an dem Gehäuse3 mit einem anderen geeigneten Befestigungsmittel fest befestigt werden. Der Außenring ist stationär. Der Außenring12 umfasst ferner eine innere Bohrung, die mit einem konkaven Abschnitt15 versehen ist, der eine äußere Laufbahn für mehrere Wälzkörper11 bildet. - Alternativ kann der Innenring
8 ein stationärer Ring sein, wobei der Außenring12 ein drehender Ring ist. - Die Wälzkörper
11 , hier Kugeln, sind radial zwischen den Laufbahnen10 ,15 des Innen- bzw. Außenrings8 ,12 angeordnet. - Die Wälzkörper
11 werden umfänglich durch einen Käfig16 gehalten. Der Käfig16 weist einen ringförmigen Absatz17 auf, der ausgebildet ist, um axial auf einer Seite der Wälzkörper11 und radial zwischen der äußeren Fläche des Innenrings und der inneren Bohrung des Außenrings angeordnet zu sein. Der Käfig16 umfasst ferner mehrere Auskrageabschnitte18 , die sich axial von dem ringförmigen Absatz17 erstrecken. Die Auskrageabschnitte18 sind integral mit dem Absatz17 gebildet und begrenzen zwischen sich Taschen19 , in welchen die Wälzkörper11 untergebracht sind. Die Auskrageabschnitte18 bilden Trennwände zwischen zwei umfänglich benachbarten Taschen. - Vorteilhafterweise kann jeder der Auskrageabschnitte
18 axial an seinem freien Ende durch eine Klaue20 erweitert sein, um die Wälzkörper11 in der Tasche19 einzurasten. Alternativ umfassen die Auskrageabschnitte keine solchen Klauen oder nur eine begrenzte Anzahl der Auskrageabschnitte des Käfigs weisen Klauen auf. - In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Wälzlager
4 ferner Dichtmittel21 , die auf einer axialen Seite des Wälzlagers4 in Richtung des Wellenendes vorgesehen sind. Entsprechend einer alternativen Ausführungsform kann das Wälzlager4 Dichtmittel auf beiden axialen Seiten aufweisen. - Die Dichtmittel
21 umfassen einen Versteifungseinsatz22 und einen Dichtungsring23 . Der Versteifungseinsatz22 ist ringförmig und erstreckt sich radial. Der Dichtungsring23 ist an dem Versteifungseinsatz22 befestigt. Vorteilhafterweise ist der Versteifungseinsatz22 aus Metall hergestellt und der Dichtungsring ist aus einem Polymermaterial hergestellt. - Der Dichtungsring
23 umfasst einen ringförmigen Verankerungsabschnitt24 an einem ersten radialen Ende. Der Verankerungsabschnitt24 ist in eine ringförmige Nut25 eingepasst, die an der inneren Bohrung des Außenrings12 vorgesehen ist. Die ringförmige Nut25 ist an einer axialen Seite der äußeren Laufbahn15 für die Wälzkörper11 vorgesehen. Gemäß der Erfindung ist die Nut25 auf der axialen Seite, die in Richtung des Wellenendes16 orientiert ist. - Der Dichtungsring umfasst ferner eine ringförmige Dichtlippe
26 auf einem zweiten radialen Ende, das radial dem Verankerungsabschnitt24 gegenüberliegt. Die Dichtlippe26 ist in einem Gleitkontakt mit einem Abschnitt der äußeren Fläche des Innenrings8 auf einer axialen Seite der inneren Laufbahn10 , die in Richtung des Wellenendes16 orientiert ist. In der vorliegenden Ausführungsform kontaktiert die Dichtlippe26 eine ringförmige Nut, die auf der Außenfläche des Innenrings8 vorgesehen ist. Alternativ kann die Dichtlippe26 eine äußere zylindrische Fläche des Innenrings8 kontaktieren. - Gemäß der Erfindung werden die Innenringe
8 und der Außenring12 des Wälzlagers4 jeweils durch ein Metallspritzgussverfahren hergestellt, das die aufeinanderfolgenden folgenden Schritte umfasst. - Ein Metallpulver wird mit einem thermoplastischen Binder zusammengemischt. Das Mischen beschichtet die metallischen Pulverteilchen mit dem Binder, bricht Agglomerate auf und erlaubt es, eine Homogenität der Verteilung der metallischen Pulverteilchen und des Binders zu erhalten. Das Mischen wird in einem geeigneten Mischmittel, wie beispielsweise einem Einzel- oder Zwillingsschraubenextruder, einem Kolbenextruder, einem doppelten Planetenmixer, einem Zwillingsnockenmixer, durchgeführt. Vorteilhafterweise ist das Metallpulver eine Stahllegierung. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das Metallpulver eine Stahllegierung, die einen durchhärtenden Stahl mit Chrom, Molybdän und hohem Kohlenstoffanteil umfasst. Vorteilhafterweise ist das Metallpulver die Stahllegierung 100Cr6. Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist das Metallpulver eine Stahllegierung die einen härtenden Stahl mit Nickel, Chrom und Molybdän umfasst. Vorteilhafterweise ist das Metallpulver die Stahllegierung 21NiCrMo2. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist das Metallpulver eine Stahllegierung, die einen härtenden Stahl mit Nickel, Kohlenstoff und Molybdän umfasst. Vorteilhafterweise ist das Metallpulver die Stahllegierung MIM-4620.
- Ein Ringteil wird durch Einspritzen des gemischten Pulvers in eine geschlossene Form gebildet. Das gemischte Pulver wird schrittweise in eine geschlossene Form gefüllt, wobei die Form eine hohle Form des Innenrings
8 definiert. Das gleiche gilt für den Außenring12 . Das gemischte Pulver füllt den gesamten Hohlraum ohne jegliche Leerstellen. Da die Mischung des metallischen Pulvers und des Binders homogen ist, sind das Metallpulver und der Binder homogen innerhalb der geschlossenen Form verteilt. Das gemischte Pulver wird bei Druck- und Temperaturbedingungen, die für die gemischte Pulverzusammensetzung geeignet sind, eingefüllt. Ferner muss die Temperatur ausreichend sein, um den thermoplastischen Binder mit den metallischen Pulverteilchen zu verbinden. Der Binder hält die metallischen Teilchen zusammen, ist aber nicht geeignet, Belastungen, thermische Gradienten, die an ein Wälzlager4 in einigen Anwendungen angelegt werden, aufzunehmen. - Der thermoplastische Binder wird dann aus der Ringmaterialzusammensetzung durch Entbindern des gebildeten Teils in einem Brennofen entfernt. Das Entbindern bei einer hohen Temperatur ist der bevorzugte Vorgang statt der Verwendung eines Lösungsmittelextraktionsvorgangs. In der Tat benötigt das Entbindern durch eine Lösungsmittelextraktion das Eintauchen des Rings in ein Fluid, das den thermoplastischen Binder auflöst, und hat den Nachteil für die vorliegende Endanwendung, dass es eine offene Porenstruktur zurücklässt. Im Gegensatz dazu extrahiert das Entbindern in einem Brennofen den thermoplastischen Binder aus den Poren als ein Fluid, wobei der thermoplastische Binder in einen flüssigen und/oder gasförmigen Zustand unter der Wirkung der hohen Temperatur übergeht.
- Dieser Entbinderungsschritt wird kombiniert/gefolgt mit durch ein Sintern des Rings, wobei die metallischen Teilchen erhitzt und miteinander verschweißt werden, ebenfalls unter der Wirkung von hohen Temperaturen. Die Homogenität des gemischten Pulvers während des Mischschritts und des Einspritzschritts führt dann zu einer homogenen gesinterten Struktur des Ringmaterials und einer akzeptablen Dichte für die Wälzlageranwendung, mit kontrollierten Dimensionen und Eigenschaften. Die exemplarische Ausführungsform der Stahllegierung 21NiCrMo2 und MIM-4620 erlauben es, die gewünschten Ringeigenschaften zu erreichen.
- Die Elastizitätsgrenze des Stößelkörpers liegt zwischen 1000MPa und 1500MPa und ist vorteilhafterweise im Wesentlichen gleich 1200MPa.
- Die ultimative Bruchfestigkeit des Stößelkörpers liegt zwischen 1200MPa und 1700MPa und ist vorteilhafterweise im Wesentlichen gleich 1500MPa.
- Der Ring wird dann abgeschreckt, um eine Stößelkörperhärte einzustellen, um die Widerstandsfähigkeit und die Verschleißdauer zu verbessern.
- Vorteilhafterweise kann das Verfahren ferner Endbearbeitungsvorgänge auf den Ringflächen umfassen, insbesondere auf den Laufbahnen
10 ,15 . - Der Ring hat eine Oberflächenrauigkeit, die zwischen 250 und 830Hv liegt. Vorteilhafterweise ist die Oberflächenrauigkeit größer als 650Hv, um höhere Lasten aufzunehmen.
- Die vorliegende Erfindung wurde anhand eines tiefen Rillenkugellagers
4 für eine Wälzlageranordnung1 , welche zum Beispiel in einem Verbrennungsmotor eines Motorfahrzeugs oder in einem elektrischen Motor verwendet werden kann, dargestellt. Es ist ebenfalls möglich, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, ein Wälzlager mit mehr als einer Reihe von Wälzkörpern, mit anderen Arten von Wälzkörpern, und das für andere Wälzanwendungen geeignet ist, bereitzustellen. - Ein zweites Beispiel eines Wälzlagers
30 ist in der2 dargestellt. Das Wälzlager30 ist ein Kupplungsdrucklager für eine Verwendung in einer Kupplungslagereinheit in Automobilanwendungen. Das Wälzlager30 ist für eine Verwendung in einer beliebigen anderen Anwendung mit einer Drehbewegung geeignet. - Das Wälzlager
30 ist ringförmig und um einer mittigen RotationsachseX30 zentriert. Das Kugellager30 umfasst einen festen Innenring31 , einen drehbaren Außenring32 und eine Reihe von Kugeln33 , die in einer Laufbahnkammer34 angeordnet sind, die zwischen den Ringen31 ,32 definiert ist. Die Kugeln33 sind umfänglich gleich beabstandet und durch einen Käfig35 gehalten, wobei jede der Kugeln33 in einer entsprechenden Tasche36 angeordnet ist, die umfänglich an einem ringförmigen Absatz37 vorgesehen sind. In der dargestellten Ausführungsform ist der Absatz37 axial zwischen einer freien Kante eines toroidalen Abschnitts38 des festen Innenrings31 und einem radialen Abschnitt39 des drehbaren Außenrings32 angeordnet. Ein Kupplungsdrucklager30 , das mit Kugeln33 als Wälzkörper zwischen den Ringen31 ,32 versehen ist, hat ein reduziertes Reibungsdrehmoment verglichen mit anderen Arten von Wälzlagern, die mit Rollen oder Nadeln versehen sind. - Der drehbare Außenring
32 umfasst einen toroidalen Abschnitt40 mit einer inneren toroidalen Fläche, die eine äußere Laufbahn für die Kugeln33 bildet. - Vorteilhafterweise umfasst der drehbare Außenring
32 ferner einen radialen Abschnitt39 , der sich radial von einer Innenseite des toroidalen Abschnitts40 nach außen erstreckt. Der radiale Abschnitt39 hat eine axiale Kontaktfläche41 , die geeignet ist, ein Kopplungselement (nicht dargestellt), wie beispielsweise eine Membranfeder, zu betätigen, um ein Kupplungssystem des Fahrzeugs einzurücken. - Vorteilhafterweise ist der toroidale Abschnitt
40 des drehbaren Außenrings32 mit einem Flansch42 versehen. Der Flansch42 hat einen röhrenförmigen äußeren Abschnitt, der den toroidalen Abschnitt40 abdeckt, und eine nach unten gerichtete radiale Auskragung, die die Kugeln33 in der Wälzkammer34 hält. - Der feste Innenring
31 umfasst einen toroidalen Abschnitt38 mit einer toroidalen Außenfläche, die eine innere Laufbahn für die Kugeln33 bildet, und einen radialen Abschnitt43 , der sich radial von dem toroidalen Abschnitt38 nach außen erstreckt. Der radiale Abschnitt43 hat eine axiale Kontaktfläche44 in einer axialen Anlage gegen ein axial bewegliches Element (nicht dargestellt). Das Kugellager30 wird in einer axialen Bewegung durch die Übertragung der Bewegung eines axial beweglichen Elements an die axiale Kontaktfläche44 des festen Innenrings31 eingestellt, und überträgt auf das Kupplungskopplungselement. - Gemäß der Erfindung sind der Innenring
31 und der Außenring32 des Wälzlagers30 jeweils durch einen Metallspritzverfahrensvorgang hergestellt, der die voranstehend beschriebenen Schritte umfasst. - Repräsentative, nicht einschränkende Beispiele der vorliegenden Erfindung wurden voranstehend ausführlich mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben. Diese ausführliche Beschreibung ist lediglich dazu gedacht, einem Fachmann weitere Details zum Durchführen bevorzugender Aspekte der vorliegenden Lehre zu lehren, und ist nicht dazu gedacht, den Umfang der Erfindung einzuschränken. Ferner kann jede zusätzliche Eigenschaft und Lehre, die voranstehend offenbart ist, separat oder in Verbindung mit anderen Eigenschaften oder Lehren verwendet werden, um ein verbessertes Wälzlager bereitzustellen.
- Des Weiteren können verschiedene Merkmale der voranstehend beschriebenen repräsentativen Beispiele als auch der verschiedenen unabhängigen und abhängigen nachstehenden Ansprüche in Arten kombiniert werden, die nicht speziell und explizit aufgelistet sind, um zusätzliche nützliche Ausführungsformen der vorliegenden Lehre bereitzustellen.
Claims (6)
- Wälzlager (4, 30), das einen ersten Ring (8, 31) und einen zweiten Ring (12, 32) in relativer Drehung miteinander, und zumindest eine Reihe von Wälzkörpern (11, 33), die zwischen den Ringen (8, 12; 31, 32) angeordnet sind, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Ringe (8, 12; 31, 32) durch ein Metallspritzgussverfahren hergestellt ist, das die aufeinanderfolgenden Schritte umfasst: Mischen eines Metallpulvers mit einem thermoplastischen Binder, Bilden eines Teils durch Einspritzen des gemischten Pulvers in eine geschlossene Form, Entbindern eines solchen gebildeten Teils in einem Brennofen, Sintern, um das Teil zu verdichten, und Abschrecken, um eine Ringhärte einzustellen, um die Widerstandsfähigkeit und die Verschleißdauer zu verbessern.
- Wälzlager gemäß
Anspruch 1 , wobei das Metallpulver eine Stahllegierung ist. - Wälzlager gemäß
Anspruch 2 , wobei das Metallpulver eine Stahllegierung ist, die einen durchhärtenden Stahl mit Chrom, Molybdän und einem hohen Kohlenstoffanteil umfasst. - Wälzlager gemäß
Anspruch 2 , wobei das Metallpulver eine Stahllegierung ist, die einen härtenden Stahl mit Nickel, Chrom und Molybdän umfasst. - Wälzlager gemäß
Anspruch 2 , wobei das Metallpulver eine Legierung aus Stahl ist, die einen härtenden Stahl mit Nickel, Kohlenstoff und Molybdän umfasst. - Wälzlager gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ringoberflächenrauigkeit vorteilhafterweise höher als 650Hv ist.
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