DE102020127087A1

DE102020127087A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles eines Gleitlagers, sowie Bauteil, Gleitlager und Getriebe einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102020127087A1
Application number: DE102020127087.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Pausch; Christoph Hentschke
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2022-04-21
Also published as: WO2022078547A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles (1) eines Gleitlagers (10), ein solches Gleitlager (10) und ein Getriebe (100) einer Windkraftanlage. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:- Bereitstellen eines metallischen Bolzens (2) mit einer zylindrischen Mantelfläche (2a) und zwei Stirnflächen (2b, 2c),- Beschichten der Mantelfläche (2a) des Bolzens (2) mit einem Lötflussmittel (3) oder einem Lotmaterial (4),- Bereitstellen einer zylindrischen Hülse (7) aus Bronze mittels eines Schleudergussverfahrens, wobei eine Innenseite (7a) der Hülse (7), nach einer optionalen spanenden Bearbeitung, mit einem Lotmaterial (4) oder einem Lötflussmittel (3) beschichtet wird, wobei entweder die Mantelfläche (2a) des Bolzens (2) oder die Innenseite (7a) der Hülse (7, 7') das Lötflussmittel (3) aufweisend ausgebildet wird,- Aufschieben der Hülse (7, 7') auf die Mantelfläche (2a) des Bolzens (2),- stoffschlüssiges Verbinden von Mantelfläche (2a) und Hülse (7, 7') mittels eines Lötvorgangs,- optionale Durchführung einer spanenden Bearbeitung einer, dem Bolzen (2) abgewandten Außenseite (7b) der Hülse (7, 7').

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles eines Gleitlagers sowie ein derartiges Bauteil. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Gleitlager umfassend ein solches Bauteil. Schließlich betrifft die Erfindung ein Getriebe einer Windkraftanlage umfassend mindestens ein solches Gleitlager.
Die DE10 2008 035 288 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils eines Gleitlagers in Form einer Gleitlagerbuchse mit einer äußeren festen Stützschicht und einer innenliegenden Gleitschicht. Dabei kommt ein Schleudergießverfahren zum Einsatz. Das Material zur Ausbildung der Gleitschicht wird als Gießwerkstoff in flüssigem Zustand in einen Rohrabschnitt eingebracht, dieser einseitig verschlossen und um seine Zylinderachse in Rotation versetzt. Das flüssige Material wird dabei wenigstens bis zur Erreichung einer Formstabilität erhärtet. Für duromere Gießwerkstoffe kommt dabei eine Härtung durch Temperaturerhöhung oder Strahlung zum Einsatz. Der Rohrabschnitt, der sich mit dem Gießmaterial verbindet und die Stützschicht bildet, ist insbesondere aus Metall oder Kunststoff gebildet.
Die EP 3 396 187 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils eines Gleitlagers in Form einer Gleitlagerbüchse. Dabei wird eine ebene Stützmetallschicht bereitgestellt, darauf eine Gleitschicht angeordnet und der entstandene ebene Verbundwerkstoff derart eingerollt, dass die Stützschicht radial unterhalb der Gleitschicht angeordnet wird. Die Gleitlagerbüchse kann in einer Axialrichtung eine Schweißnaht aufweisen. Die Gleitlagerbüchse bildet, drehfest auf eine Achse aufgebracht, zusammen mit dieser Achse hier einen Planetenradzapfen zur Lagerung eines Planetenrades. Dabei wird die Gleitlagerbüchse vorzugsweise auf die Achse aufgeschrumpft. Das gebildete Gleitlager umfassend den Planetenradzapfen und das Planetenrad ist zur Verwendung in einem Windkraftanlagengetriebe geeignet.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Wandstärke der Gleitschicht eines Bauteiles eines Gleitlagers deutlich zu verringern und gleichzeitig die Kosten für die Ausbildung der Gleitschicht zu minimieren.
Die Aufgabe wird für ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles eines Gleitlagers, umfassend folgende Schritte gelöst:

- Bereitstellen eines metallischen Bolzens mit einer zylindrischen Mantelfläche und zwei Stirnflächen,
- Beschichten der Mantelfläche des Bolzens mit einem Lötflussmittel oder einem Lotmaterial,
- Bereitstellen einer zylindrischen Hülse aus Bronze mittels eines Schleudergussverfahrens, wobei eine Innenseite der Hülse, nach einer optionalen spanenden Bearbeitung, mit einem Lotmaterial oder einem Lötflussmittel beschichtet wird, wobei entweder die Mantelfläche des Bolzens oder die Innenseite der Hülse das Lötflussmittel aufweisend ausgebildet wird,
- Aufschieben der Hülse auf die Mantelfläche des Bolzens,
- stoffschlüssiges Verbinden von Mantelfläche und Hülse mittels eines Lötvorgangs, und
- optionale Durchführung einer spanenden Bearbeitung einer, dem Bolzen abgewandten Außenseite der Hülse.

Das Verfahren ermöglicht es, die Dicke der Hülse besonders gering zu halten und die Herstellungskosten für das Bauteil zu senken.
Zur Durchführung des Schleudergussverfahrens wird die Bronze erschmolzen und in eine zylindrische Schleudergussform gegossen. Mittels einer Rotation der Schleudergussform um deren Längsachse erfolgt eine Verteilung der Schmelze an der zylindrischen Oberfläche der Gussform und ein Abkühlen der Schmelze bis zur Erreichung der Erstarrungstemperatur der Bronze. Es bildet sich eine Hülse aus dem Gleitlagermaterial aus.
In direktem Kontakt zur Hülse hat sich eine wiederverwendbare mehrteilige rohrförmige Gussform (zylindrisch) aus Stahl bewährt, die ein problemloses Entformen der Hülse ermöglicht.
Je nach Qualität der gebildeten Innenseite der Hülse kann nun optional eine spanende Bearbeitung der Innenseite der Hülse auf ein gefordertes Maß erfolgen. Die spanende Bearbeitung erfolgt je nach Wandstärke der gebildeten Hülse vorzugsweise noch in der Schleudergussform oder nach einer Entformung der Hülse aus der Schleudergussform. Aber auch andere Hilfseinrichtungen sind an der Außenseite der Hülse anstelle der Gussform anbringbar, um die Hülse in den nachfolgenden Prozessschritten handhabbar zu machen und mechanisch zu stützen.
Bei geringen Wandstärken der gebildeten Hülse ist es bevorzugt, wenn die Schleudergussform oder Hilfseinrichtung so lange wie möglich als Stützstruktur für die Hülse fungiert. So kann die Stützstruktur die Hülse an deren Außenseite auch noch während des Auftrags des Lotmaterials oder des Lötflussmittels stützen sowie während eines Aufschiebens auf den Bolzen.
Wird die Hülse auf der Innenseite mit einem Lotmaterial beschichtet, wird auf die Mantelfläche des Bolzens das Lötflussmittel aufgebracht. Wird dagegen das Lotmaterial auf die Mantelfläche des Bolzens appliziert, so wird die Innenseite der Hülse mit dem Lötflussmittel beschichtet.
Eine Beschichtung der Innenseits der Hülse erfolgt entweder unmittelbar nach dem Erhärten der Schmelze aus Bronze oder nach der spanenden Bearbeitung der Innenseite der Hülse. Beispielsweise erfolgt die Beschichtung durch ein thermisches Spritzen des Lotmaterials oder ein Aufspritzen des Lötflussmittels.
Zum Aufschieben der Hülse auf den Bolzen sind diese insbesondere derart mit einem Spiel zueinander dimensioniert, dass dies ohne ein Verdrücken der Geometrie der Hülse möglich ist. Alternativ wird die Hülse vor dem Aufschieben auf den Bolzen erwärmt oder in einem nach dem Schleudergussvorgang noch warmen Zustand aufgeschoben. Nach dem Aufschieben wird die Hülse abgekühlt, wobei die Hülse auf den Bolzen aufschrumpft.
Das verwendete Bronzematerial wird dabei vorzugsweise aus einem Gleitlagerwerkstoff in Form einer Kupfer-Zink-Legierung, einer Kupfer-Zinn-Legierung, einer Kupfer-Aluminium-Legierung oder Mischungen daraus gebildet.
Das Lotmaterial wird vorzugsweise durch ein Hartlotmaterial, wie ein silberhaltiges Hartlot gebildet. Aber auch eine Verwendung von Weichloten als Lotmaterial ist möglich.
Das Lotmaterial wird bevorzugt in einer Schichtdicke im Bereich von bis zu 160 µm, insbesondere im Bereich von bis zu 80 µm, aufgebracht.
Das Lotmaterial wird in einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens durch thermisches Spritzen aufgebracht. Aber auch ein Aufgießen von flüssigem Lotmaterial oder ein Siebdrucken und dergleichen sind möglich. Weiterhin ist der Einsatz einer Lotfolie möglich, die auf das geforderte Maß zugeschnitten und zum Verbinden mit der Hülse beispielsweise induktiv erwärmt wird.
Die Hülse wird während des Lötvorganges bevorzugt induktiv erhitzt, um das Lotmaterial zusammen mit dem Lotflussmittel zu verflüssigen und die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Innenseite der Hülse und der Mantelfläche des Bolzens auszubilden. Alternativ zu einem induktiven Erhitzen kann die Erwärmung auch durch einen Infrarotstrahler oder einen gas- oder ölbefeuerten Ofen erfolgen.
Die gebildete Hülse weist bevorzugt eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 10 mm, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 3 mm auf. Dadurch wird Hülsenmaterial eingespart und die Kosten für die Herstellung minimiert.
Es erfolgt bevorzugt eine spanende Nachbearbeitung der Außenseite der Hülse, welche die Gleitoberfläche des Bauteils ausbildet. Sofern die Oberfläche der Hülse an deren Außenseite den Anforderungen an den Gleitkontakt bereits genügt, kann dies auch unterbleiben.
Nach einem Reinigen des Bauteils ist dieses zum Einbau in ein Gleitlager bereit.
Der Bolzen ist vorzugsweise aus Stahl, insbesondere der Sorte 42CrMoV4 oder C60, gebildet. Der Bolzen wird vorzugsweise mechanisch auf Maß bearbeitet und gewaschen, bevor ein Beschichten mit Lötflussmittel oder Lotmaterial erfolgt.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Bauteil eines Gleitlagers gelöst, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Ein Gleitlager, umfassend ein erfindungsgemäßes Bauteil sowie ein Planetenrad mit einer Bohrung, wobei das Bauteil zentrisch in der Bohrung aufgenommen ist, und wobei einerseits die Außenseite der Hülse und andererseits das Planetenrad im Bereich der Bohrung in direktem Gleitkontakt angeordnet sind, besitzt signifikante Kostenvorteile.
Auch ein Getriebe einer Windkraftanlage, umfassend mindestens ein erfindungsgemäßes Gleitlager, weist geringe Herstellungskosten und eine hohe Laufzeit auf.
Die 1 bis 5 sollen die Erfindung beispielhaft erläutern. So zeigt

1 eine Schleudergussform mit einer darin gebildeten Hülse mit nachfolgender Bearbeitung und Beschichtung der Innenseite der Hülse,
2 einen Bolzen und die Beschichtung seiner Mantelfläche;
3 das Verbinden von Bolzen und Hülse zu einem Bauteil eines Gleitlagers;
4 einen Längsschnitt durch ein Gleitlager umfassend das Bauteil und ein Planetenrad; und
5 ein Getriebe für eine Windkraftanlage umfassend mehrere Gleitlager.

Gleiche Bezugszeichen in den Figuren kennzeichnen gleiche Bauteile.
1 zeigt im oberen Bild eine Schleudergussform 5 mit ihrer horizontal ausgerichteten Längsachse L₁. Die Schleudergussform 5 ist mindestens in zwei Halbschalen zerlegbar, um ein darin gebildetes Gussteil entformen zu können. In die Schleudergussform 5 wurde erschmolzene Bronze gegossen und die Schleudergussform 5 an ihren Enden verschlossen. Die Schleudergussform 5 wurde um die Längsachse L₁ rotiert, bis die Schmelze gleichmäßig an der inneren zylindrischen Oberfläche der Schleudergussform 5 verteilt vorlag und eine Erstarrung der Bronze durch Abkühlung erfolgte. Die Schleudergussform 5 ist im geöffneten Zustand gezeigt, sodass die gebildete Hülse 7 aus Bronze beziehungsweise die Innenseite 7a der Hülse 7 sichtbar ist.
Im mittleren Bild der 1 ist die Schleudergussform 5 erkennbar und die darin nach wie vor geschützt angeordnete, bereits spanend bearbeitete Innenseite 7a der Hülse 7'.
Im unteren Bild der 1 ist die Schleudergussform 5 erkennbar und die darin nach wie vor geschützt angeordnete, spanend bearbeitete Hülse 7', die innen mit einer Schicht aus Lotmaterial 4 beschichtet wurde. Dies erfolgt insbesondere durch ein thermisches Spritzen des Lotmaterials 4 auf die Innenseite 7a der Hülse 7'.
2 zeigt im oberen Bild einen Bolzen 2 aus Stahl mit einer Mantelfläche 2a und zwei Stirnseiten 2b, 2c. Der Bolzen 2 wird auf Maß bearbeitet und gereinigt. Im unteren Bild ist erkennbar, dass die Mantelfläche 2a des Bolzens 2 mit einem Lötflussmaterial 3 beschichtet wurde.
3 zeigt nun das Verbinden eines Bolzens 2 mit beschichteter Mantelfläche 2a gemäß 2 und einer Hülse 7' gemäß 1 zu einem Bauteil 1 eines Gleitlagers 10 (vergleiche 4). Im oberen Bild der 3 ist gezeigt, dass die Hülse 7' samt der Schleudergussform 5 auf die beschichtete Mantelfläche des Bolzens 2 aufgeschoben wird. Nun erfolgt ein Lötvorgang, bei welchem eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Bolzen 2 und der Hülse 7' ausgebildet wird. Das mittlere Bild der 3 zeigt den Bolzen 2 mit der aufgelöteten Hülse 7' nach dem Lötvorgang und nach einer Entfernung der Schleudergussform 5. Es erfolgt, wie im unteren Bild gezeigt, im Bedarfsfall eine spanende Bearbeitung der Hülse 7' auf ihrer dem Bolzen 2 abgewandten Außenseite 7b zu einer Hülse 7". Die Gleitfläche 9 des Bauteils 1 kann demnach bereits nach dem Löten oder erst nach einer mechanischen Bearbeitung der Hülse 7' vorliegen. Das gebildete Bauteil 1 wird vorzugsweise noch gereinigt und ist nun in einem Gleitlager 10 (vergleiche 4) einsetzbar.
Selbstverständlich kann das Lötflussmittel 3 hier alternativ auf die Innenseite 7a der Hülse 7 und das Lotmaterial 4 auf die Mantelfläche 2a des Bolzens aufgebracht worden sein.
4 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein Gleitlager 10 umfassend das Bauteil 1 und ein Planetenrad 12 mit einer Bohrung 12a, in welcher das Bauteil 1 aufgenommen ist. Zu erkennen ist der Bolzen 2, über die gebildete Lotschicht 4' stoffschlüssig verbunden mit der Hülse 7". Die Hülse 7" weist die Gleitfläche 9 auf, zu der das Planetenrad 12 im Bereich der Bohrung 12a in Gleitkontakt steht. Das Planetenrad 12 dreht sich um das Bauteil 1 konzentrisch zu dessen Längsachse L₂ und gleitet auf der Gleitschicht 9.
5 zeigt ein Getriebe 100 für eine Windkraftanlage umfassend drei Gleitlager 10. Die Gleitlager 10 umfassen jeweils ein Bauteil 1 in Form eines Planetenradzapfens 11 und ein Planetenrad 12, wobei das Planetenrad 12 und das Bauteil 1 bzw. der Planetenradzapfen 11 in Gleitkontakt zueinander stehen. Weiterhin sind ein Hohlrad 13, ein Sonnenrad 14 und ein Planetenträger 15 erkennbar.
Bezugszeichenliste

1: Bauteil
2: Bolzen
2a: Mantelfläche
2b, 2c: Stirnseite
3: Lötflussmittel
4: Lotmaterial
4': Lotschicht
5: Schleudergussform
7: Hülse
7': Hülse mit spanend bearbeiteter Innenseite
7": Hülse mit spanend bearbeiteter Außenseite
7a: Innenseite
7b: Außenseite
9: Gleitfläche
10: Gleitlager
11: Planetenradzapfen
12: Planetenrad
12a: Bohrung
13: Hohlrad
14: Sonnenrad
15: Planetenträger
100: Getriebe
L1, L2: Längsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008035288 A1 [0002]
EP 3396187 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles (1) eines Gleitlagers (10), umfassend folgende Schritte: - Bereitstellen eines metallischen Bolzens (2) mit einer zylindrischen Mantelfläche (2a) und zwei Stirnflächen (2b, 2c), - Beschichten der Mantelfläche (2a) des Bolzens (2) mit einem Lötflussmittel (3) oder einem Lotmaterial (4), - Bereitstellen einer zylindrischen Hülse (7) aus Bronze mittels eines Schleudergussverfahrens, wobei eine Innenseite (7a) der Hülse (7), nach einer optionalen spanenden Bearbeitung, mit einem Lotmaterial (4) oder einem Lötflussmittel (3) beschichtet wird, wobei entweder die Mantelfläche (2a) des Bolzens (2) oder die Innenseite (7a) der Hülse (7, 7') das Lötflussmittel (3) aufweisend ausgebildet wird, - Aufschieben der Hülse (7, 7') auf die Mantelfläche (2a) des Bolzens (2), - stoffschlüssiges Verbinden von Mantelfläche (2a) und Hülse (7, 7') mittels eines Lötvorgangs, - optionale Durchführung einer spanenden Bearbeitung einer, dem Bolzen (2) abgewandten Außenseite (7b) der Hülse (7, 7').
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Lotmaterial (4) durch ein Hartlotmaterial gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Lotmaterial (4) in einer Schichtdicke im Bereich von bis zu 160 µm aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Lotmaterial (4) durch thermisches Spritzen aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Hülse (7, 7') vor dem Aufschieben auf den Bolzen (2) erwärmt und nach dem Aufschieben abgekühlt und auf den Bolzen (2) aufgeschrumpft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Hülse (7, 7') während des Lötvorganges induktiv erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Hülse (7, 7') eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 10 mm aufweist.
Bauteil (1) eines Gleitlagers (10), hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
Gleitlager (10), umfassend ein Bauteil (1) nach Anspruch 8 sowie ein Planetenrad (12) mit einer Bohrung (12a), wobei das Bauteil (1) zentrisch in der Bohrung (12a) aufgenommen ist, und wobei einerseits die Außenseite (7b) der Hülse (7, 7', 7") und andererseits das Planetenrad (12) im Bereich der Bohrung (12a) in direktem Gleitkontakt angeordnet sind.
Getriebe (100) einer Windkraftanlage, umfassend mindestens ein Gleitlager (10) nach Anspruch 9.