DE19615872A1 - Gelenklager und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gelenklager mit wenigstens einem Lagergehäuse und einem kalottenförmigen Lagerkörper, der von einer sphärisch gekrümmten Lagerpfanne aufgenommen wird.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Gelenklagers.

Derartige Lager sind auch unter der Bezeichnung Gelenkkopf oder Augenlager bekannt. Sie dienen hauptsächlich zum Aus­ gleichen von Achstoleranzen, beispielsweise zum Ausgleichen von Achsversatz, von Parallelitätsfehlern und von Schiefstel­ lungen. Zumeist ist der Lagerkörper bzw. die Lagerkalotte als zylindrisches Gleitlager ausgebildet, welches eine rotierende und/oder Linearbewegungen vollziehende Welle aus Stahl oder dergleichen aufnimmt. Bei den bekannten Gelenklagern ist in den Lagerkörper aus Stahl oder Kunststoff eine sphärische, konkave Lagerpfanne eingesetzt, die eine Lagerkalotte aus Stahl aufnimmt. Als Reibpaarungen kommen beispielsweise die Kombinationen Kunststoff-Stahl, Hartchrom-PTFE (Polytetra­ fluorethylen) oder Stahl-PTFE in Frage.

Derartige Gelenklager sind sehr aufwendig zu fertigen, da einerseits die Anpassung der Gleitflächen der Kalotte und der sphärischen Lagerschale bzw. Lagerpfanne aufeinander zur Er­ zielung möglichst gleichbleibender Reibungsbeiwerte für jede Bewegungsrichtung des Gelenks sehr schwierig ist, andererseits sind die bekannten Gelenklager herstellungstechnisch bedingt zumeist dreiteilig im Aufbau und aufwendig zu montieren.

Insbesondere ist die Einpassung der Kalotte in das Lagergehäu­ se sehr aufwendig. Beispielsweise bei einem Gelenklager mit einem Lagerkörper und einem Lagergehäuse aus Stahl wird zu­ nächst der Lagerkörper in eine axial geschlitzte Gleitbuchse mit einer sphärisch konkaven Innenfläche und einer zylindri­ schen Außenfläche eingesetzt. Die Gleitbuchse bildet die La­ gerpfanne, wobei der sich axial erstreckende Schlitz die Auf­ spreizung der Lagerpfanne zum Einsetzen der Kalotte ermög­ licht. Die sphärisch gekrümmte Innenfläche kann zur Herabset­ zung der Reibung mit einer Kunststoffschicht versehen sein, beispielsweise mit einer PTFE-Beschichtung. Damit die paßge­ naue Umschließung von Lagerpfanne und Kalotte erhalten bleibt, wird die Lagerpfanne mit der darin eingesetzten Kalotte in eine zylindrische Aufnahme eines Lagerkörpers eingepreßt. Die Herstellung und Montage eines solchen Gelenklagers ist aufwen­ dig und teuer, die sphärisch gekrümmte Außenkontur der Kalotte und die entsprechend sphärisch gekrümmte Innenfläche der La­ gerpfanne sind nicht so konzentrisch zueinander, wie dies für einen gleichbleibenden Gleitreibungskoeffizienten in jeder Schwenkrichtung des Gelenklagers erforderlich wäre.

Es ist ferner bekannt, Stahlkalotten in entsprechend ausge­ bildete Kunststoff-Lagergehäuse einfach einzudrücken. Dies ist aufgrund der bestimmten Kunststoffen innewohnenden Elastizität möglich. Hierdurch kann jedoch das Lagergehäuse nicht in der gewünschten ausreichenden Druckfestigkeit hergestellt werden. Das Lagergehäuse soll nämlich eine hohe Druckfestigkeit bie­ ten, wohingegen bei dem Lagerkörper die günstigen Gleiteigen­ schaften wichtig sind. Darüber hinaus ist auch die Größe der von dem Lagergehäuse umschlossenen Mantelfläche der Lagerka­ lotte begrenzt. Auch bereitet die Abstimmung der Reibpaarungen zwischen der Kalotte und dem zu lagernden Element einerseits und zwischen dem Lagergehäuse und der Kalotte andererseits Schwierigkeiten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gelenklager der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, das einfach im Aufbau sowie in der Herstellung ist und möglichst gleichbleibende Gleitrei­ bungseigenschaften in jeder Bewegungsrichtung besitzt.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Gelenklager der eingangs genannten Art gelöst, das sich dadurch auszeichnet, daß sowohl die Lagerpfanne als auch der Lagerkörper aus Kunst­ stoff bestehen. Eine solche Reibpaarung hat besonders gleich­ mäßige Gleiteigenschaften in jeder Bewegungsrichtung des La­ gers. Gegenüber einem Gelenklager mit Stahlkomponenten ergeben sich erhebliche Gewichts- und Kosteneinsparungen. Ein solches Lager weist bei Stoß- und Schlagbeanspruchung eine hervorra­ gende Elastizität auf und besitzt darüber hinaus auch Dämp­ fungseigenschaften, wodurch in gewissen Grenzen auch Schwin­ gungen entkoppelt werden können. Darüber hinaus bietet ein solches Lager gegenüber einem Stahl-Gelenklager den Vorzug der elektrischen Isolation. Die ausschließliche Verwendung von Kunststoff ermöglicht einen Einsatz des Gelenklagers gemäß der Erfindung in Gegenwart von aggressiven Medien. Das Lager ist unempfindlich gegen Schmutz, Fasern, Staub und dergleichen; es ist völlig korrosionsfrei und hat eine hohe Chemikalien- sowie Schwingungsbeständigkeit.

Vorzugsweise ist die Lagerpfanne einstückig mit dem Lagerge­ häuse ausgebildet. Das erfindungsgemäße Gelenklager besteht also aus nur zwei Bauteilen, wobei das Lagergehäuse gleich­ zeitig die Lagerpfanne ausbildet. Dies ist einerseits kosten­ günstig in der Herstellung, andererseits kann das Lagergehäuse durch die Herstellung aus Kunststoff kostengünstig in jeder beliebigen Form ausgeführt sein.

Zweckmäßigerweise ist der Lagerkörper als Gleitlager zur Auf­ nahme einer sich drehenden und/oder Linearbewegungen vollzie­ henden Welle ausgebildet. Da solche Wellen in der Regel aus Stahl, beispielsweise hartverchromtem Stahl bestehen, ergibt sich eine besonders günstige Reibpaarung zwischen Lagerkalotte und Welle, die auch den Vorzug eines möglichen Trockenlaufs bietet. Dabei ist die Stick-Slip-Neigung äußerst gering, was insbesondere bei geringen Belastungen und sehr langsamen Bewe­ gungen wichtig ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht we­ nigstens das Lagergehäuse aus einem druckfesten Kunststoff. Dies ist insofern vorteilhaft, als daß das Lagergehäuse zu­ meist Stöße, Schläge oder Schwingungen aufnehmen muß. Das Lagergehäuse kann beispielsweise aus einem schlagfesten, fa­ serverstärkten Polymer bestehen.

Zweckmäßigerweise ist der Lagerkörper aus einem Polymer mit einem bezüglich eines zu lagernden Elements niedrigen Glei­ treibungskoeffizienten ausgebildet. In den Werkstoff des La­ gerkörpers können zum Beispiel Festschmierstoffe eingelagert sein. Hierdurch wird ein wartungsfreier Betrieb des Gelenk­ lagers ermöglicht. Das Lager läuft immer trocken und ist selbstschmierend.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Reibpaarungen von Lagerpfanne und Lagerkörper einerseits sowie von Lagerkörper und zu lagerndem Element andererseits so auf­ einander abgestimmt, daß bei einer Rotationsbewegung und/oder Linearbewegung des zu lagernden Elementes nahezu keine Rela­ tivbewegung zwischen Lagerkörper und Lagergehäuse stattfindet. Eine solche Relativbewegung soll nur bei Winkelbewegungen des zu lagernden Elementes stattfinden. Die Reibpaarung Kunst­ stoff-Kunststoff läßt sich durch Steuerung der Materialeigen­ schaften besonders einfach einstellen, so daß eine entspre­ chende Auslegung des Gelenklagers wesentlich einfacher als bei den bekannten Gelenklagern ist.

Die eingangs genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfah­ ren zur Herstellung eines Gelenklagers gelöst, das sich da­ durch auszeichnet, daß der Lagerkörper und das Lagergehäuse so geformt werden, daß entweder das Lagergehäuse als Formwerkzeug zur Herstellung des Lagerkörpers oder der Lagerkörper als Formwerkzeug zur Herstellung des Lagergehäuses verwendet wird.

Vorzugsweise wird jedoch das Lagergehäuse um den ganz oder teilweise ausgehärteten Lagerkörper herumgeformt, wobei der Lagerkörper als Bestandteil der Form für das Lagergehäuse dient.

Bei diesem Herstellungsverfahren ist besonders vorteilhaft, daß bei der zweiten Stufe, d. h. bei der Herstellung des La­ gergehäuses, der Lagerkörper bzw. die Lagerkalotte als Werk­ zeug dient. Hierdurch ergeben sich zueinander korrespondieren­ de Lagerflächen, bei denen die sphärisch gekrümmte, konkave Lagerfläche des Lagergehäuses einen genauen Abguß der sphä­ risch konvex gekrümmten Außenkontur des Lagerkörpers bildet. Die Flächen der Reibpaarung sind so exakt konzentrisch zuein­ ander, daß sich gleiche Gleiteigenschaften bzw. ein gleicher Gleitreibungskoeffizient der Reibpaarung in jeder Bewegungs­ richtung des Lagers ergibt.

Zweckmäßigerweise werden das Lagergehäuse und der Lagerkörper aus einem thermoplastischen Polymer gespritzt. Das Lagergehäu­ se kann dabei unmittelbar um den Lagerkörper bzw. die Lagerka­ lotte herumgespritzt werden. Die Oberfläche der Lagerpfanne korrespondiert dabei exakt mit der Außenkontur des Lagerkör­ pers.

Um das Lagerspiel bzw. die Lagerluft exakt einstellen zu kön­ nen bzw. vorherbestimmen zu können, wird der Lagerkörper vor dem Spritzen des Lagergehäuses mit Wasser gequollen. Entspre­ chend quellfähige Kunststoffe bzw. Polymere sind im Handel erhältlich. Nach dem Spritzen des Lagergehäuses tritt durch Feuchtigkeitsverlust eine Schrumpfung des Lagerkörpers ein, woraus ein vorausberechnetes Lagerspiel resultiert.

Gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ist vorgesehen, daß das Gelenklager nach dem Spritzen des Lagergehäuses getempert wird. Hierdurch wird die verbleibende Restfeuchtigkeit ausgetrieben und die gewünschte Lagertoleranz stellt sich ein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Es zeigen die:

Fig. 1 eine Ansicht einer ersten Ausführungsform des Gelenklagers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Gelenklager aus Fig. 1,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform des Gelenklagers gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine Seitenansicht des in Fig. 3 gezeigten Ge­ lenklagers, teilweise im Schnitt,

Fig. 5 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Gelenklagers gemäß der Erfindung,

Fig. 6 einen Querschnitt durch das in Fig. 5 gezeigte Gelenklager mit einer darin eingeführten Welle,

Fig. 7 eine Ansicht einer vierten Ausführungsform des Gelenklagers gemäß der Erfindung und

Fig. 8 einen Querschnitt durch das in Fig. 7 dargestell­ te Gelenklager.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Gelenklager 1 besteht im wesentlichen aus einem einstückig aus Kunststoff gespritzten Lagergehäuse 2 mit einem von diesem aufgenommenen Lagerkörper 3, der in dem Lagergehäuse 2 in allen drei möglichen Drehfrei­ heitsgraden bewegbar ist. Der sphärisch konvex gekrümmte, ka­ lottenförmige Lagerkörper 3 gleitet dabei auf einer von dem Lagergehäuse 2 ausgebildeten Lagerpfanne 4.

Das Lagergehäuse 2 mit der darin ausgebildeten Lagerpfanne ist aus einem besonders schlagfesten, langfaserverstärkten thermo­ plastischen Polymer gespritzt. Dabei ist die Lagerpfanne 4 integraler Bestandteil des Lagergehäuses 2. Das Lagergehäuse 2 ist um den zuvor gefertigten Lagerkörper 3 bzw. die zuvor gefertigte Lagerkalotte herumgespritzt worden, wobei der La­ gerkörper 3 Bestandteil der Spritzform war, d. h. als Werkzeug für die Herstellung des Lagergehäuses 2 gedient hat. Die kon­ vex sphärisch gekrümmte Außenfläche 4′ des Lagerkörpers 3 ist daher exakt konzentrisch zu der sphärisch konkav gekrümmten Lagerpfanne 4.

Grundsätzlich ist es auch möglich, das Gelenklager 1 gemäß der Erfindung so herzustellen, daß der Lagerkörper 3 in das Lager­ gehäuse 2 hineingespritzt wird, wobei das Lagergehäuse 2 als Formwerkzeug für den Lagerkörper 3 dient.

Der Lagerkörper 3 ist einstückig aus einem thermoplastischen Basispolymer mit Füllstoffen und Festschmierstoffen gespritzt. Hieraus resultieren günstige Gleiteigenschaften des Lagerkör­ pers 3 bei einem wartungsfreien Trockenlauf. Der Lagerkörper 3 ist als Gleitlager mit einer zylindrischen Gleitfläche 5 ausgebildet, die beispielsweise eine Welle aufnimmt. Dabei wird durch die Gleitlagerung sowohl eine Rotationsbewegung als auch eine Linearbewegung ermöglicht. Durch die Bewegbarkeit des Lagerkörpers 3 in dem Lagergehäuse 2 können Winkelbewegun­ gen der Welle ausgeglichen werden.

In dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel hat der Lagerkörper 2 eine pilzförmige Gestalt und ist mit einer Zy­ linderbohrung 7 mit Innengewinde 6 zur Befestigung versehen. Als Angriffsfläche für ein Befestigungswerkzeug, beispiels­ weise einen Maulschlüssel, ist der Lagerkörper 2 mit einem Bund 8 versehen, der eine ebene Angriffsfläche 9 für das Werk­ zeug bietet.

Bei dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Lagerkörper 2 einen angeformten Ge­ windezapfen 10 auf.

Das in den Fig. 5 und 6 dargestellte Gelenklager ist mit Be­ festigungsbohrungen 11 zur Montage auf einer ebenen Anlageflä­ che bzw. Auflagefläche versehen. In dem in Fig. 6 dargestell­ ten Querschnitt ist die von dem Lagerkörper 3 aufgenommene Welle 12 dargestellt.

Schließlich zeigen die Fig. 7 und 8 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem der Lagerkörper 3 mit der darin ausgebildeten Lagerpfanne 4 als einfacher Ring ausgebildet ist. Dieser Ring lädt sich in eine entsprechende Zylinderboh­ rung eines Bauteils einpressen.

Das erfindungsgemäße Lager bietet eine hohe mechanische Fe­ stigkeit bei äußerst geringem Gewicht und geringen Herstel­ lungskosten. Das sogenannte Overmoulding oder auch Übersprit­ zen des Lagerkörpers 3 ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung.

Bezugszeichenliste

1 Gelenklager
2 Lagergehäuse
3 Lagerkörper
4 Lagerpfanne
4′ Außenfläche des Lagerkörpers
5 Gleitfläche
6 Innengewinde
7 Zylinderbohrung
8 Bund
9 Angriffsfläche
10 Gewindezapfen
11 Befestigungsbohrungen
12 Welle

Claims (14)

1. Gelenklager mit wenigstens einem Lagergehäuse und einem kalottenförmigen Lagerkörper, der von einer sphärisch ge­ krümmten Lagerpfanne aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Lagerpfanne (4) als auch der Lagerkörper (3) aus Kunststoff bestehen.

2. Gelenklager nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lagerpfanne (4) einstückig mit dem Lagergehäuse (2) ausgebildet ist.

3. Gelenklager nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Lagerkör­ per (2) als Gleitlager ausgebildet ist.

4. Gelenklager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens das Lagergehäuse (2) aus einem druckfesten Kunststoff besteht.

5. Gelenklager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Lager­ gehäuse (2) aus einem schlagfesten, faserverstärkten Poly­ mer besteht.

6. Gelenklager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Lagerkör­ per (2) aus einem Polymer mit einem bezüglich eines zu lagernden Elementes niedrigen Gleitreibungskoeffizienten ausgebildet ist.

7. Gelenklager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß in den Werk­ stoff des Lagerkörpers (2) Festschmierstoffe eingelagert sind.

8. Gelenklager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Reibpaa­ rung von Lagerpfanne (4) und Lagerkörper (3, 4′) einer­ seits sowie von Lagerkörper (3, 5) und zu lagerndem Ele­ ment andererseits so aufeinander abgestimmt sind, daß bei einer Rotationsbewegung und/oder Linearbewegung des zu lagernden Elements nahezu keine Relativbewegung zwischen Lagerkörper (3) und Lagergehäuse (2) stattfindet.

9. Verfahren zur Herstellung eines Gelenklagers insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Lagerkörper und das La­ gergehäuse so geformt werden, daß entweder das Lagergehäu­ se als Formwerkzeug zur Herstellung des Lagerkörpers ver­ wendet wird oder der Lagerkörper als Formwerkzeug zur Her­ stellung des Lagergehäuses verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Lagergehäuse um den ganz oder teilweise ausgehärteten Lagerkörper herumgeformt wird, wobei der Lagerkörper als Bestandteil der Form für das Lagergehäuse dient.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Lagergehäuse und der La­ gerkörper aus einem thermoplastischen Polymer gespritzt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagergehäuse unmittelbar um den Lagerkörper herumgespritzt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerkörper vor dem Spritzen des Lagergehäuses mit Wasser gequollen wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenklager nach dem Spritzen des Lagergehäuses getempert wird.