DE102020200149A1

DE102020200149A1 - Gleitlager mit verbesserter Verschleißfestigkeit

Info

Publication number: DE102020200149A1
Application number: DE102020200149.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Brett Colton; Jacek Kaminski; William Makin; Johnpaul Woodhead
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2019-01-11
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2020-07-16
Also published as: GB201916149D0; GB2580499A; FR3091734B1; GB2580499B; US10941809B2; US20200224719A1; FR3091734A1; CN111434938A; CN111434938B

Abstract

Gleitlager (1) welches aufweist:- einen Außenring (2) mit einer Innenfläche (2a),- einen Innenring (3) mit einer Außenfläche (3a),wobei die Ringe symmetrisch um eine Achse (XX') und metallisch sind,wobei zumindest einer der Ringe ein strukturierter Ring mit einer Strukturierung ist, die aus mehreren Mikrovertiefungen (5) besteht, die auf einer Strukturierungsoberfläche angeordnet sind,dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager des Weiteren ein selbstschmierendes Verbundträgermaterial (4) aufweist, das zwischen der Innenfläche des Außenrings und der Außenfläche des Innenrings angeordnet ist, so dass bei einer Gleitbewegung des strukturierten Rings bezüglich des Verbundträgermaterials einige Festkörperpartikel des Trägermaterials, die als ein Festschmierstoff wirken, abgelöst werden und zwischen den Gleitflächen wandern, bis sie in den Mikrovertiefungen zurückgehalten werden.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Gleitlager, wie beispielsweise ein Gelenklager, mit einer verbesserten Verschleißfestigkeit der Ringe, die das Gleitlager darstellen.
Stand der Technik
Gleitlager werden allgemein verwendet, um zwei drehbare Teile bei einer relativ geringen Rotationsgeschwindigkeit, aber üblicherweise mit hohen Lasten, die auf den Innen- und den Außenring des Gleitlagers ausgeübt werden, in Rotation zu lagern.
Es wurden verschiedene Verbesserungen vorgeschlagen, um das Leben des Gleitlagers zu erhöhen, indem die Verschleißfestigkeit der Innen- und/oder Außenringe in dem Bereich erhöht wird, an dem sie in Gleitkontakt kommen.
Beispielsweise ist aus der EP2930381A1 bekannt, Antiverschleißbeschichtungen auf zumindest einem der Ringe zu verteilen.
Es ist auch aus der EP1524442A1 bekannt, auf zumindest einem der Ringe Mikrovertiefungen zum Aufbewahren von etwas Schmiermittel zu verteilen.
Es ist auch aus der EP 295539981 bekannt, ein Gelenklager mit nicht-strukturierten Ringen mit einem Verbundträgermaterial auszustatten, das zwischen den Ringen angeordnet ist.
Verbesserungen sind nach wie vor möglich.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gleitlager bereitzustellen, das einen Außenring mit einer Innenfläche, einen Innenring mit einer Außenfläche und ein Verbundträgermaterial aufweist, das zwischen den Innen- und Außenflächen angeordnet ist.
Gemäß der Erfindung definiert zumindest eine der Außenfläche und der Innenfläche einen strukturierten Ring mit einer Strukturierungsoberfläche mit einer Strukturierung, die durch Mikrovertiefungen gebildet ist.
Immer noch gemäß der Erfindung weist das Gleitlager ein selbstschmierendes Verbundträgermaterial auf, das zwischen der Innenfläche des Außenrings und der Außenfläche des Innenrings angeordnet ist und von dem sich Festkörperpartikel, die als Festschmierstoff wirken, bei einer Gleitbewegung des strukturierten Rings bezüglich des Verbundträgermaterials, ablösen und wandern, bis sie in den Mikrovertiefungen zurückgehalten werden.
Dank der Erfindung wird der Verschleiß des strukturierten Rings reduziert und das Leben des Gleitlagers wird verlängert.
Wenn im Betrieb der Innen- und der Außenring des Gleitlagers bezüglich einander rotieren, werden Scherspannungen auf das selbstschmierende Verbundträgermaterial erzeugt. Als eine Konsequenz lösen sich Festkörperpartikel des Trägermaterials von dem Trägermaterial und wandern zwischen den Gleitflächen, bis sie in den Mikrovertiefungen zurückgehalten werden. Diese Partikel wirken als ein Festschmierstoff.
Gemäß anderen Aspekten der Erfindung, die vorteilhaft, aber nicht obligatorisch sind, kann ein solches Gleitlager ein oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:

- Die Mikrovertiefungen sind an der Außenfläche des Innenrings angeordnet und das Verbundträgermaterial ist fest in Rotation mit dem Außenring;
- Das Verbundträgermaterial weist entweder ein Gewebe und ein Harz, wobei das Gewebe strukturelle Kettfäden, die aus Glas hergestellt sind, und schmierende Kettfäden, die aus PTFE hergestellt sind, aufweist, wobei das Harz Epoxid- oder Phenolart ist, oder ein Gießharz auf, das eine Mischung aus Harz und PTFE-Grundmaterial mit hinzugefügten strukturellen Füllstoffen aufweist;
- Die Mikrovertiefungen sind identisch und voneinander in einer gleichförmigen Weise beabstandet;
- eine Strukturierungsdichte des strukturierten Rings, die als das Verhältnis zwischen dem kumulativen Oberflächenbereich der Mikrovertiefungen und dem gesamten Oberflächenbereich der strukturierten Oberfläche definiert ist, ist zwischen 0,5 % und 6,4 % enthalten;
- Die Mikrovertiefungen definieren im Querschnitt bezüglich einer Richtung senkrecht zu der strukturierten Oberfläche eine Form, die beispielsweise kreisförmig, elliptisch und/oder rechteckig sein kann, wobei die Form eine Maximallänge (L) im Querschnitt hat, die zwischen 20 und 100 Mikrometer enthalten ist;
- Jede Mikrovertiefung hat eine Tiefe, die zwischen 2 und 30 Mikrometer enthalten ist;
- Für jede Mikrovertiefung ist das Verhältnis zwischen ihrer Tiefe E und ihrer Maximallänge L kleiner als oder gleich 0,25;
- Das Gleitlager ist ein Gelenklager;
- Eine Antiverschleißbeschichtung wird auf die strukturierte Oberfläche nach der Strukturierung aufgebracht.

Figurenliste
Die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile werden besser durch ein Studium der detaillierten Beschreibung spezifischer Ausführungsformen verstanden werden, die als nichtbeschränkende Beispiele angegeben und durch die angehängten Zeichnungen dargestellt sind, in denen:

1 eine bevorzugte Ausführungsform eines Gleitlagers gemäß der Erfindung zeigt;
2 im Detail eine Teilansicht einer strukturierten Oberfläche eines Rings eines Gleitlagers gemäß der Erfindung zeigt;
3 unterschiedliche Ausführungsformen von Mikrovertiefungsmustern zeigt;
4 die Diagramme der Ergebnisse von unterschiedlichen Verschleißtests zeigt und
5 die Diagramme der Ergebnisse von unterschiedlichen Verschleißtests zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 stellt ein Gleitlager 1 dar, das einen Außenring 2 und einen Innenring 3 aufweist. Beide Ringe sind symmetrisch um eine Achse XX' und sind metallisch. Der Außenring 2 hat an seinem Innenumfang eine Innenfläche 2a und der Innenring hat an seinem Außenumfang eine Außenfläche 3a. Die Innen- und die Außenfläche sind einander zugewandt und ein selbstschmierendes Verbundträgermaterial 4 ist dazwischen angeordnet.
Das selbstschmierende Verbundträgermaterial 4 ist aus einem Verbundmaterial, wie es beispielsweise in EP2955399A1 beschrieben ist, hergestellt. Das Trägermaterial weist entweder ein Gewebe und ein Harz oder ein Harz mit strukturellen Füllstoffen auf. Das Gewebe weist strukturelle Kettfäden und schmierende Kettfäden auf. Das Gießharz besteht aus einem Thermo- oder Duroplastharz mit kurzen Fasern, die in einem Mischprozess hinzugefügt wurden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Harz der Art eines Epoxids oder Phenols, ist der strukturelle Kettfaden aus Glas hergestellt und ist der schmierende Kettfaden aus PTFE hergestellt, was ein bekannter Festschmierstoff ist. Das Gießharz besteht entweder aus einem Thermo- oder Duroplast-Kunststoff mit Glas- oder Kohlenstofffasern.
Zumindest eine der Innenfläche des Außenrings und der Außenfläche des Innenrings weist eine Strukturierung auf, die aus mehreren Mikrovertiefungen 5 besteht, die auf der Innen- und/oder der Außenfläche angeordnet sind. Eine strukturierte Oberfläche 6 wird somit auf einem strukturierten Ring erhalten.
Wie in 2 dargestellt ist, öffnen sich die Mikrovertiefungen 5 zu der strukturierten Oberfläche 6. Auch sind die Mikrovertiefungen voneinander beabstandet und kommunizieren nicht miteinander.
Eine Strukturierungsdichte D ist durch das Verhältnis zwischen dem kumulativen Oberflächenbereich, der durch die Mikrovertiefungen 5 eingenommen wird, und dem gesamten Oberflächenbereich der strukturierten Oberfläche definiert.
Vorzugsweise ist die Strukturierungsdichte kleiner als 20 %, um eine plastische Verformung der Trägermaterialoberfläche zu vermeiden.
Vorzugsweise ist die Strukturierungsdichte kleiner als 10 %, um eine plastische Verformung der Trägermaterialoberfläche zu vermeiden, wenn das Gleitlager signifikant hohen externe Lasten ausgesetzt ist.
Vorzugsweise ist die Strukturierungsdichte zwischen 0,5 % und 6,4 % enthalten. In diesem Bereich wird in der Tat der Verschleiß des Trägermaterials reduziert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Strukturierungsdichte ungefähr gleich 1,6 %.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Mikrovertiefungen identisch und in einer gleichförmigen Weise beabstandet.
3 stellt unterschiedliche Muster von Mikrovertiefungen dar, wie in eine Richtung senkrecht zu der strukturierten Oberfläche gesehen werden kann. Im Querschnitt bezüglich dieser Richtung definieren die Mikrovertiefungen eine Form, die beispielsweise kreisförmig, elliptisch und/oder rechteckig sein kann.
Vorteilhafterweise hat immer noch in dem oben definierten Querschnitt die Form jeder Mikrovertiefung eine Maximallänge L, die zwischen 20 und 100 Mikrometer enthalten ist.
Des Weiteren hat vorteilhafterweise jede Mikrovertiefung eine Tiefe E, die zwischen 2 und 30 Mikrometer enthalten ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Mikrovertiefungen flach, da ihre Tiefe E viel kleiner als ihre Maximallänge L ist. Vorzugsweise ist das Verhältnis zwischen der Tiefe E und der Maximallänge L kleiner als oder gleich 0,25.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in 2 sichtbar ist, sieht die strukturierte Oberfläche des strukturierten Rings wie die Oberfläche eines Golfballs aus.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Strukturierung an der Außenfläche des Innenrings angeordnet und das Verbundträgermaterial ist in Rotation fest mit dem Außenring.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Antiverschleißbeschichtung auf die strukturierte Oberfläche aufgetragen, nachdem die Strukturierung an der Gleitfläche durchgeführt wurde.
Vorzugsweise ist die Antiverschleißbeschichtung aus Chromnitrid hergestellt und wird durch einen physikalischen Gasabscheidungsprozess (PVD) aufgetragen.
Alternativ können andere Materialien und Abscheidungsprozesse verwendet werden.
In dem dargestellten Beispiel der Erfindung ist das Gleitlager ein Gelenklager, das heißt, dass die Innenfläche des Außenrings kugelförmig ist genauso wie die Außenfläche des Innenrings.
Die Strukturierung kann beispielsweise gemäß dem Verfahren, das in EP1524442A1 beschrieben ist, erhalten werden.
Wenn der Innen- und der Außenring des Gleitlagers in Gebrauch bezüglich einander rotieren, werden Scherspannungen auf das Verbundträgermaterial erzeugt. Als eine Konsequenz werden Festkörperpartikel des Trägermaterials von dem Trägermaterial gelöst und wandern zwischen den Gleitflächen. Manche dieser Festkörperpartikelwerte sind mikroskopisch und werden in den Mikrovertiefungen der strukturierten Oberfläche zurückgehalten. Diese Partikel wirken als ein Festschmierstoff.
Flüssige Partikel, wie beispielsweise Öl, können auch in den Mikrovertiefungen gespeichert werden.
4 und 5 stellen die Diagramme von Ergebnissen von verschiedenen Verschleißtests dar, die nun beschrieben werden.
Die Tests wurden auf einem sich hin und her bewegenden Prüfstand realisiert, wobei das SKF X1-40 selbstschmierende Standardträgermaterial gegen verschiedene metallische Oberflächenbeschaffenheiten und bei zwei unterschiedlichen Gleitgeschwindigkeiten verglichen wurde: 0,12 m/s (siehe 4) und 0,0 6 m/s (siehe 5). Der Druck, der zwischen dem Trägermaterial und den verschiedenen Oberflächenbeschaffenheiten ausgeübt wurde, war durch die Tests hindurch konstant, egal was die Gleitgeschwindigkeit war. Der Druck wurde auf 40 MPa festgesetzt.
Die verschiedenen getesteten Oberflächenbeschaffenheiten waren:

- Eine glatte Oberfläche, d. h. keine Strukturierung;
- Eine strukturierte Oberfläche mit einer Strukturierungsdichte von 1,6 % und Mikrovertiefungen mit einer Tiefe von 20 Mikrometer;
- Eine strukturierte Oberfläche mit einer Strukturierungsdichte von 6,4 % und Mikrovertiefungen mit einer Tiefe von 40 Mikrometer.

4 und 5 zeigen, dass bei einer höheren Gleitgeschwindigkeit eine Oberfläche, sei sie glatt oder strukturiert, schneller verschleißt. Dieses Ergebnis war zu erwarten.
4 und 5 zeigen, dass eine strukturierte Oberfläche nicht notwendigerweise weniger als eine glatte Oberfläche verschleißt. In der Tat ist für die strukturierte Oberfläche mit einer Strukturierungsdichte von 6,4 % und Mikrovertiefungen mit einer Tiefe von 40 Mikrometer die Verschleißrate für beide Gleitgeschwindigkeiten höher als für die glatte Oberfläche. Dies ist überraschend, da man erwarten könnte, dass dank den Mikrovertiefungen mehr Festschmierstoffpartikel, die von dem Trägermaterial kommen, zwischen den Gleitflächen verfügbar gehalten werden könnten, wodurch die Verschleißrate verringert wird.
Tatsächlich ist dies für beide Gleitgeschwindigkeiten der Fall für die strukturierte Oberfläche mit einer Strukturierungsdichte von 1,6 % und Mikrovertiefungen mit einer Tiefe von 20 Mikrometer. Für diese strukturierte Oberfläche ist die Verschleißrate kleiner als für eine glatte Oberfläche.
Die Tests beweisen, dass die Tiefe der Mikrovertiefungen einen signifikanten Einfluss auf die Verschleißrate der strukturierten Oberfläche hat.
Die Tests beweisen auch, dass die Strukturierungsdichte einen signifikanten Einfluss auf die Verschleißrate der strukturierten Oberfläche hat.
Auch wenn das Verbundträgermaterial teilweise oder vollständig abgenutzt ist, das heißt, wenn es nicht länger die metallische Innenfläche des Außenrings und die metallische Außenfläche des Innenrings trennt, können dank der Erfindung, die verbleibenden Festkörperpartikel, die in den Mikrovertiefungen gefangen sind, zumindest teilweise den Moment verzögern, zu dem metallischen Flächen in Kontakt kommen werden und die Schmierung des Gleitlagers und damit sein Leben verlängern.
Bezugszeichenliste
Liste der Bezugszeichen

XX': Achse
D: Strukturierungsdichte
E: Tiefe
L: Länge
D: Durchmesser
1: Gleitlager
2: Außenring
2a: Innenfläche
3: Innenring
3a: Außenfläche
4: selbstschmierendes Verbundträgermaterial
5: Mikrovertiefungen
6: strukturierte Oberfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2930381 A1 [0004]
EP 1524442 A1 [0005, 0036]
EP 295539981 [0006]
EP 2955399 A1 [0016]

Claims

Gleitlager (1) welches aufweist: - einen Außenring (2) mit einer Innenfläche (2a), - einen Innenring (3) mit einer Außenfläche (3a), wobei die Ringe symmetrisch um eine Achse (XX') und metallisch sind, wobei zumindest einer der Ringe ein strukturierter Ring mit einer Strukturierung ist, die aus mehreren Mikrovertiefungen (5) besteht, die auf einer Strukturierungsoberfläche angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager des Weiteren ein selbstschmierendes Verbundträgermaterial (4) aufweist, das zwischen der Innenfläche des Außenrings und der Außenfläche des Innenrings angeordnet ist, so dass bei einer Gleitbewegung des strukturierten Rings bezüglich des Verbundträgermaterials einige Festkörperpartikel des Trägermaterials, die als ein Festschmierstoff wirken, abgelöst werden und zwischen den Gleitflächen wandern, bis sie in den Mikrovertiefungen zurückgehalten werden.
Gleitlager (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrovertiefungen an der Außenfläche des Innenrings angeordnet sind und das Verbundträgermaterial fest in Rotation mit dem Außenring ist.
Gleitlager (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundträgermaterial entweder ein Gewebe und ein Harz, wobei das Gewebe strukturelle Kettfäden, die aus Glas hergestellt sind, und schmierende Kettfäden, die aus PTFE hergestellt sind, aufweist, wobei das Harz der Epoxid- oder Phenolart ist, oder ein Gießharz aufweist, das eine Mischung aus Harz und PTFE-Grundmaterial mit hinzugefügten strukturellen Füllstoffen aufweist.
Gleitlager (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrovertiefungen identisch und voneinander in einer gleichförmigen Weise beabstandet sind.
Gleitlager (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strukturierungsdichte (D) des strukturierten Rings, die als das Verhältnis zwischen dem kumulativen Oberflächenbereich der Mikrovertiefungen und dem gesamten Oberflächenbereich der strukturierten Oberfläche definiert ist, zwischen 0,5 % und 6,4 % enthalten ist.
Gleitlager (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrovertiefungen im Querschnitt bezüglich einer Richtung senkrecht zu der strukturierten Oberfläche eine Form definieren, die beispielsweise kreisförmig, elliptisch und/oder rechteckig sein kann, wobei die Form eine Maximallänge (L) im Querschnitt hat, die zwischen 20 und 100 Mikrometer enthalten ist.
Gleitlager (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Mikrovertiefung eine Tiefe (E) hat, die zwischen 2 und 30 Mikrometer enthalten ist.
Gleitlager (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Mikrovertiefung das Verhältnis zwischen ihrer Tiefe E und ihrer Maximallänge L kleiner als oder gleich 0,25 ist.
Gleitlager (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Gelenklager ist.
Gleitlager (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antiverschleißbeschichtung auf die strukturierte Oberfläche nach der Strukturierung aufgebracht ist.