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Gleitlager mit inhomogener Laufsehicht und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf Gleitlagerschalen, Lagerbuchsen und Axiallager, die
im folgenden zusammenfassend als Gleitlager bezeichnet werden.
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Zweck der Erfindung ist es, hochbelastbare Gleitlager zu schaffen,
die gleichzeitig eine größtmögliche Sicherheit gegen ein Festfressen des Zapfens
bieten , sowie einen sehr geringen Verechleiß am Gleitlager und Zapfen ergeben.
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Bekannt ist die Verwendung sogenannter Dreistofflager. Diese bestehen
aus einem Lagerrücken, beispielsweise einer Stahlschützschale, einer unteren Lagerlaufschicht
aus Bleibronze oder einer Aluminiumlegierung und darEber einer oberen Laufschicht
aus Weißmetall. Bei Hochleistungslagern wird diese Weißmetallschicht galvanisch
aufgebracht. Die Galvanikschicht ist im allgemeinen sehr den und zwar je nach Lagerbelaetung
zwischen 10 my und etwa 50 my. Lediglich bei nur essig belasteten Gleitlagern ist
die Weißmetallschicht dicker. In diesem Fall wird die Weißmetallschicht teilweise
auch aufgegossen. Die Bleibronze unter dieser Weißmetallschicht weist im allgemeinen
einen Bleigehalt von max. 24 % auf. Höhere Bleigehalte ergeben starke Seigerungen,
so daß derartige Bronsen als Lagermaterial ungeeignet sind.
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Häufig tritt nun ein Verschleiß der Weißmetallschicht ein, und die
darunterliegende Bleibronse bzw. Aluminiumlegierung kommt iui Vorschein. Bei grösseren
Maschinenund besonders bei grösseren Verbrennungsmotoren sind die Lagerzapfen häufig
nicht gehärtet, und sofern eine nicht völlig hydrodynamische Schmierung vorhanden
ist, muss dann mit einem Verschleiß der Lagersapfen gerechnet werden.
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PUr die Lager, die besonders hoch belastet werden, wu-rden auch bereits
Materialzusammensetzungen wie nStahl-Silber-Bleilegierung" vorgeschlagen. Da das
Silber wesentlich schlechtere Gleiteigenschaften als die Bleibronze hat, wurden
in die Silberschicht rautenartige Vertiefungen eingeprägt und der Lagerkörper it
einer hochbleihaltigen Legierung versehen. Ansebliessend wurde das Lager ausgebohrt,
so daß das Silber in der Lauffläche sichtber wurde, In den rautenartigen Vertiefungen
åedoc4hoch Blei vorhanden war.
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Auf diese Weise konnte eine Lageroberfläche geschaffen werden, die
geichzeitigSilber pnd Blei enthielt. Das Silber lieferte eine Art Gerüst, um das
Blei zu halten, während das Blei in erster Linie für die Gleiteiigenschaften des
Lagers verantwortlich war.
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Diese bekannte A Lagerausführung hat aber folgende Nachteile: Beim
Einprägen der Vertiefungen in die Silberschicht tritt eine starke Verformung des
Silbers auf, durch die eine Verfestigung des Materials hervorgerufen wird. Diese
Verfestigung verschlechtert noch diabhnehin schlechten Gleiteigenschafen des Silbers,
so daß auf diese Weise nicht Lager mit Gleitguten Eigenschaften erzielt werden können.
Busserdem muss bei stärkerem Verschleiß derartiger Lager damit gerechnet werden,
dass das Blei stellenweise völlig entfernt wird eund nur noch die Silberschicht
mit Ihren schlechten
Gleiteigenschaften übrig bleibt. Aus diesem
Grund muss bei diesen bekannten Lagern in erhöhtem Maß mit Lagerfressern gerechnet
werden. Darüber hinaus sind derartige Silberlager ausserordentlich teuer und daher
nur in Sonderfällen verwendbar.
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Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen wird erfindungsgemäss folgender
Vorschlag gemacht: Anstelle einer Silberschicht mit Bleilegierung wird die Lagerlaufechicht
aus zwei als Lageroberflächen geeigneten, vorzugsweise legierten Werkstoffen verschiedener
Härte aufgebaut wie dies bei Dreistofflagern bekannt ist. Nach der Erfindung soll
der härtere Lagerwerkstoff an seiner der Lagerlauffläche zugewandten Seite durch
Verformungsfreie Bearbeitung hergestellte Vertiefungen aufweisen, die mit dem weicheren
Lagerwerkstoff ausgefüllt sind.
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Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die auf den Lagerrücken, beispielsweise
eine Stahlstützschale aufgebrachte Legierung noch vertretbare Gleiteigenschaften
besitzt. Ein Lagerfresser wird damit verhindert. Durch die verformungsfreie Bearbeitung
an der Oberfläche des härteren Lagermaterials wird nicht nur ein Verfestigen und
damit eine Ver1schlechterung der Gleiteigenschaften des härteren Lagermaterials
verhindert, sondern vor allen
Dingen die Möglichkeit geschaffen
solche Lagermaterialien, insbesondere Legierungen als härteres Lagermaterial zu
schaffen die wirklich als Lageroberfläche geeignet sind. Das bei den bekannten Silberlagern
benutzte Verformen der Silberoberfläche zum Anbringen der die Bleilegierung aufnehmenden
Vertiefungen lässt sich nämlich bei wirklichen Lagerwerketoffen, insbesondere Lagerlegierungen
nicht ausführen, weil bei einer solchen starken Verformung in erhöhtem Maß Blei
oder weicberer Legierungsbestandteil aus der Oberfläche austritt, so daß eine Verschlechterung
des legierten Lagermatterials durch eine unerwünschte Bleiverarmung der stehengebliebenen
Teile vermieden wird.
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Ausserdem lässt sich auch ein durch eine verformende Bearbeitung hervorgerufene
Verfestigung nicht mehr an legierten Lagermaterialien rückgängig machen, da infolge
des niedrigen Schmelzpunktes von Blei bzw. sonstigen weichen Legierungsbestandteilen
keine entsprechend hohe Temperatur anwenden läßt, um das Lagermaterial spannungsfrei
zu glühen. Eine solche hohe Temperatur würde zu erhöhtem Bleiaustritt aus Bleibronze
oder dgl. führen, was wiederum die stehengebliebene Bleibronee oder dgl. in ihren
Gleiteigenschaften weiterhin sehr stark schädigen würde.
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Die gemäss der Erfindung vorgeschlagenen verfrmungsfrei angebrachten
Vertiefungen in der härteren gerwerkstoffsch)Lcht der Lagerlaufschicht sind nicht
zu verweobßeln mit den bekannten
sogenannten Schwalbenschwanznuten,
die zum Teil zur Verbesserung der Haftung eines Weißmetallausgusses in einer Stützschale
aus Grauguß verwendet werden. Bei diesen bekannten Lagern, liegen diese Nuten im
Verbindungsbereich zwischen der Lagerlaufschicht und dem Lagerrücken, und es darf
niemals vorkommen, dass der Zapfen auf einer Mischoberfläche aus Grau gutsund Weißmetall
läuft, da dies zur Zerstörung des Zapfens führen würde.
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Im Gegensatz hierzu dienen die Vertiefungen in dem erfindungsgemessen
Vorschlag nicht zur Haftung der Lagermaterialien aus denen die Laufschicht aufgebaut
ist, sondern sie sollen einen einwandfreien Lauf gerade bei einer Mischoberfläche
des Lagers ermöglichen, sei es daß diese Mischoberflächevon vornherein geschaffen
wird, oder während des Betriebs deeLagers entsteht. Deshalb müssen nach dem erfindungsgemässenVorschlag
beide Lagermaterialien, wenn auch nicht gleich gute, so doch vertretbare Lagereigenschaften
aufweisen.
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Im Rahmen der Erfindung kann die Mischoberfläche bereits von vornherein
vorgesehen sein, wozu der weichere Lagerwerkstoff nur in den Vertiefungen des härteren
Lagerwerkstoffesangeordnet ist und zusammen mit den unvertieften Oberflächenteilen
des härteren Lagerwerkstoffes eine glatte geschlossene Lagerlauffläche bildet.
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Es kann auch im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, daß die Mischoberfläche
sich erst im Lauf des -Betriebs des Lagers durch Verschleiß der Lagerlaufschicht
bildet. Hierzu kann der weicherere Lagerwerkstff in neuem Zustand des Lagers wie
bei einem Dreistofflager die gesamte Oberfläche des härteren Lagerwerkstoffes überdecken
und zunächst die Lagerlauffläche bilden. Bei dieser letzteren Art von Lagern gemäß
der Erfindung wird dann während des Betriebes und Verschleißes des Lagers die Oberfläche
des härteren Lagerwerkstoffes ausserhalb der Vertiefungen freiliegen, während die
Vertiefungen noch mit dem weicheren Lagerwerkstoff angefüllt sind.
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Zur Herstellung von Gleitlagern gemäss der Erfindung eignet sich insbesondere
ein Verfahren bei dem auf einem Lagerrückenvorzugsweise aus Stahl zunächst eine
sicht aus härterem Lagerwerkstoff angebracht und nach ggf. vorgenommener Oberflächenbearbeitung
auf Lagermaßhaltigkeit an der freien Oberfläche durch spanabhebende Behandlung oder
ätzen mitVertiefungenversehen wird, wobei dann ein weicherer Lagerwerkstoff in die
Vertiefungen des härteren Lagerwrkstoffes eingebracht und ggf. über die gesamte
Oberfläche des härteren Lagerwerkstoffes aufgebracht wird und schliesslich durch
Oberflächenbehandlung eine Lagerlauffläche auf der Mischoberfläche des weicheren
und härteren Lagerwerkstoffes oder der Oberfläche des voll überdeckenden weicheren
Lagerwerkstoffes gebildet wird. Dieses grundsätzliche Herstellungeverfabren
lässt
sich praktisch auf alle bekannte Lagerherstellungsweisen anwenden. So kann beispielsweise
der härtere Lagerwerkstoff auf ein band- oder plattenförmiges Lagerrückmaterial
durch Aufgießen oder Plattieren aufgebracht werden, wobei dann Lagerrohlinge aus
diesem Verbundmaterial geformt und nach ggf. erfolgter Maßhaltigkeitwerarbeitung
an der Oberfläche des-härteren Lagermaterials Vertiefungen angebracht werden und
dann das weichere Lagermaterial aufgebracht wird. Eine andere Lagerherstellungsweise
besteht beispielsweise darin, daß zunächst der härtere Lagerwerktsoff auf ein band-
oder plattenförmiges Lagerrückenmaterial durch Aufgießen oder Plattieren aufgebracht
und mit Vertiefungen an seiner Oberfläche versehen wird, daß dann das weichere Lagermaterial
aufgebracht wird und daß aus diesem Verbundmaterial Gleitlager geformt werden. Es
ist auch denkbar Gleitlager gemäss der Erfindung in der Weise herzustellen, daß
zunächst der Lagerrücken hergestellt und mit dem härteren Lagermaterial ausgekleidet
wird, daß nach ggf. erfolgter MaßhaltigkeitsverarbeitungVertiefungen in der Oberfläche
der Aus-Fleidung angebracht werden und daß dann das weichere Lagermaterial an der
so vorbehandelten Oberfläche der Auskleidung aufgebracht wird.
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Zum verformungsfreien Anbringen von Vertiefungen in der Oberfläche
des härteren Lagermaterials kann beispielsweise ein
Kreuzgewinde
und zwar insbesondere ein Kreuzgewinde großer Steigung von etwa 100 bis etwa 500
und geringer Tiefe, beispelsweise von etwa 0,03 mm bis etwa 0,3 mm in das härtere
Lagermaterial eingeschnitten werden. Die so vorbereitete Lageroberfläche kann anschliessend
mit einer hoch zinnhaltigen oder hoch bleihaltigen Legierung versehen werden. Anschliessend
wird zweckmässig die Oberfläche noch einmal bearbeitet, so daß entweder in den Zwischenräumen
des Kreuzgewindes die die Bleibronze in der Lageroberfläche sichtbar wird oder andererseits
auch an diesen Stellen eine dichte Schicht aus Weißmetall bestehen bleibt. Es ist
auch möglich daß Vertiefungen in dem härteren Lagermaterial durch ätzen angebracht
werden, beispielsweise durch elektrolytisches Ätzen mit Hilfe von entsprechend geformten
Elektroden oder Masken.
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Das weichere Lagermaterial kann galvanisch aufgebracht werden es kann
aber auch aufgegossen werden0 Vor dem aufbringen des weicheren Lagermaterials kann
eine dünne Zwischenschicht, vor zugsweise Nickeischicht auf der Oberfläche des härteren
Lagermaterials angebracht werden Diese Zwischenschicht kann in Arteiner Diffusions-Sperrschicht
in einer Dicke von etwa 0,001 bis ,002 mm galvanisch auf der Oberfläche des härteren
Lagermaterials angebracht werden.
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Einige Beispiele werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Big. 1 Querschnitte von als Beispiele dienenden Ausbis 4 führungsformen
der Erfindung; Fig. 5 eine Draufsicht auf die Oberfläche einer vorbehandelten Lagerschale
vor dem Aufbringen des weicheren Lagermaterials.
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Bei den Ausführungsbeispielen besteht das Gleitlager aus einer Stahlstützschale
1 mit einer Auskleidung 2, aus einer Bleibronze mit einem Bleianteil von etwa 16%
bis 24% Blei. Diese Auskleidung kann in einer der oben beschriebenen Weisen hergestellt
sein, beispielsweise durch Aufgießen der vorher geformten Sthhlstltzschale oder
durch Aufgießen auf ein Stahlband oder einer Stahlplatte und anschliessendes Formen
einer Lagerschale oder Lagerbuchse aus diesem Verbundwerkstoff. In die Bleibronzeoberfläche
ist en Kreuzgewinde 4 eingeschnitten. In den Beispielen nach Fig. 1 und 3 beträgt
die Tiefe des Breusgewindes etwa 0,70mm bis O,15mm . Wie Fig. 5 zeigt bildet das
Kreuzgewinde sich kreuzende Nuten 4 und dazwischen etehendeh
etwa
rautenförmige Felder 5. Im Beispiel der Fig. 2 und 4 ist das Kreuzgewinde 4 mit
größerer Teife ausgebildet, beispielsweise mit einer Tiefe von etwa 0,5 mm bis 0,6
mm In den Beispielen der Fig. 3 und 4 ist die so vorbereitete Oberfläche 4, 5 des
härteren Lagermaterials 2 galvanisch vernickelt mit einer Schichtdicke 6 von etwa
0,O01mm bis 0,002mm.
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Auf die mit Kreuzgewinde 4 versehene und ggf. vernickelte Oberfläche
des härteren Lagermaterials 2 ist eine WeiBmetalllegierung 3 aufgebracht, beispielsweise
ist die Weißmetalllegierung 3 im Beispiel der Fig, 3-eine Legierung mit 87% die
Blei, 10% Zinn und 3% EupÎeKalvanisch aufgelegt worden ist. Die Legierungsgehalte
können bei Zinn und Kupfer um etwa + 2% schwanken. Beim Bleigehalt entsprechend
etwas mehr. Im Beispiel der Fig. 1 und 2 kann eine RJeißmetalllegierung aufgegossen
sein.
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Nach dem Aufbringen des weicheren Lagermaterials 3 wird die Lagerschale
nochmals bearbeitet, so daß einge glatte Oberfläche entsteht. Sofern die Schmierbedingeungen
günstig sind, kann diese Schicht im Betrieb des Lagers über einen sehr langen
Zeitraum
erhalten bleiben.Im Neusustand ist in dem Beispiel der Fig. 1 und 3 huber den Gewindegängen
4 eine Schichtdicke von etwa O,13mm bis 0,22mm vorhanden. An den Feldern 5 beträgt
die Schichtdicke des weicheren Lagermaterials 0,03mm bis 0,07mm; In den Beispielen
nach Fig. 2 bis 4 ist bei der letzten Oberflichenarbeitung zur Schaffung der glatten
Lageroberfläche daß weichere Lagermaterial 3 , und im Beispiel der Fig. 4 auch die
Nickelschicht 6 von den Feldern 5 des härteren Lagermaterials 2 abgenommen worden,
so daß nur noch die Vertiefungen 4 des weicheren Lagermaterials 3 gefüllt sind.
Die Dicke des weicheren Lagermaterials 5 in den Vertiefungen 4 kann dabei etwa 0,20mm
bis O,30mm betragen.
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Es sind auch andere Ausführungen möglich, wie beispielsweise die Verwendung
einer Blei-Indium-Schicht bei der normalerweise auch die Vernickelung vor dem Anbringen
der Weißmetallschicht entfällt. Ebenso ist es möglich, anstelle von Bleibronze eine
Aluminiumlegierung oder eine andere Lagerlegierung in der Schicht 2 zu verwenden.
Auf die Dicke der sichten 2,3 bzw. die Tiefe der Vertefungen 4 können noch weitgehend
variierte werden.
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Wenn anstelle des in den obigen Beispielen beschriebenen Ereuzgewindes
4 Vertiefungen durch elektrolytisches Ätzen mit Hilfe von entsprechend geformten
Elektroden oder Masken in der Oberfläche der Schicht 2 aus härterem Lagermateriale
angebracht werden, dann lässt sich die Oberflächenstruktur noch weitgehend variieren.
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Die Gleitlager gemäss der Erfindung können besonders dort mit Verwendung
finden, wo teilweise Mischreibung zu rechnen ist.
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Dies trifft besonders bei oszillierenden Bewegungen zu, wie beispielsweise
bei Kreuzkopflagerungen. Dort hat man bisher die Verwendung von Dreistofflagern
vermieden, da nach dem Verschljß der dünnen Weißmetallschicht bei Dreistofflagern
der nicht gehärtete Zapfen direkt auf der Bleibronze läuft und dadurch ein erheblicher
Verschleiß einsetzt. Aus diesem Grund konnten bisher nur Weißmetall-Lager als Kreuzkopflager
verwendet werden.
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Diese Weißmetall-Lager sind jedoch sehr beschränkt in ihrer Belastbarkeit,
und es kam daher immer wieder zu Ausbrüchen der Weißmetallschicht. Dadurch begrenzen
bisher die Ereuskopflager der bisherigen Ausführungsform "Stahl-Weißmetall" auch
eine Leistungssteigerung bei EreuskopSmotoren.
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Die Gleitlager gemäss der Erfindung sind Jedochnicht auf die Verwendung
als Kreuzkopflager beschrankt, sondern es ergibt
eine ganze Reihe
weiterer Anwendungsmöglichkeiten.
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Alle in der Beschreibung, den Patentansprüchen und der Zeichnung wiedergegebenen
Merkmale des Anmeldungsgegenstandes können für sich allein oder in jeder denkbaren
Kombination von wesentlicher Bedeutung für die Erfindung sein.
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Patentansprüche: