DE19959499A1 - Self-lubricating rolling bearing has at least one rolling body which has open pores and manufactured from ceramic, and with open pore proportion of up to 10 per cent - Google Patents
Self-lubricating rolling bearing has at least one rolling body which has open pores and manufactured from ceramic, and with open pore proportion of up to 10 per centInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit zwei einander zugeordneten Laufbah nen, zwischen denen Wälzkörper abrollen, wobei wenigstens ein Wälzkörper mit offenen Poren zur Aufnahme und zur Verteilung von Schmiermittel verse hen ist.The invention relates to a rolling bearing with two mutually associated runners NEN, between which rolling elements roll, with at least one rolling element with open pores for receiving and distributing lubricant verses hen is.
Ein solch gattungsgemäßes Lager in Form eines Rillenkugellagers ist aus der deutschen Gebrauchsmusteranmeldung 295 03 228.6 vorbekannt. Dieses La ger besteht aus einem äußeren Ring, einem inneren Ring sowie dazwischen angeordneten Lagerkugeln, die auf zugehörigen Laufbahnen abwälzen. So wohl die Laufbahnen als auch die Lagerkugeln sind mit Kapillarlöchern verse hen, so dass sie Schmiermittel aufnehmen und verteilen können, sobald das Lager rotiert, so daß auf der Kontaktfläche zwischen Lagerkugeln und Lauf bahnen ein Schmierfilm gebildet ist.Such a generic bearing in the form of a deep groove ball bearing is from the German utility model application 295 03 228.6 previously known. This La ger consists of an outer ring, an inner ring and in between arranged bearing balls that roll on associated raceways. Like this probably the raceways as well as the bearing balls are covered with capillary holes hen so that they can absorb and distribute lubricant as soon as that Bearing rotates so that on the contact surface between the bearing balls and the barrel lanes a lubricating film is formed.
Nachteilig dabei ist, dass dieser Vorveröffentlichung keinerlei Informationen über die Herstellung der als Kapillarlöcher bezeichneten Hohlräume entnehm bar sind. Es sind auch keinerlei Angaben über die verwendeten Materialien vorhanden. Dem Fachmann erscheint die vorgeschlagene Lösung daher als nicht nacharbeitbar.The disadvantage here is that this prior publication does not contain any information about the production of the cavities referred to as capillary holes are cash. There is also no information about the materials used available. The proposed solution therefore appears to the person skilled in the art as not reworkable.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein selbstschmierendes Lager mit Poren hohlräumen zu entwickeln, das auch technisch nacharbeitbar ist.The object of the invention is therefore a self-lubricating bearing with pores to develop cavities that are also technically reworkable.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der die Poren aufweisende Wälzkörper aus Keramik gefertigt ist.According to the invention, this task is performed according to the characterizing part of Claim 1 solved in that the rolling elements having the pores Ceramic is made.
Unter Keramik sind dabei in einem weiten erfinderischen Sinne silikatkerami sche, oxidkeramische und nichtoxidische keramische Werkstoffe zu verstehen, bei denen feinteilige Ausgangsstoffe in die gewünschte Form gebracht und anschließend einer Hochtemperaturbehandlung ausgesetzt werden, wobei sich unter Erhaltung der Form und unter Ablauf von Sintererscheinungen und che mischen Reaktionen die endgültigen Werkstoffeigenschaften ausbilden. Im vorliegenden Fall spielt die Porosität die entscheidende Rolle. Bei keramischen Werkstoffen reicht die Spanne der Gesamtporosität von unter 0,5% bis zu 95%. Der Porenaufbau in einer Keramik, und somit deren physikalische Eigen schaften, wie Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Eigenschaften wird durch den Herstellungsprozeß gezielt gesteuert. Die Poren entstehen dabei beim Zusammensintern des Ausgangspulvers zu einem Festkörper, wobei die Porenradienverteilung und die Gesamtporosität durch eine entsprechende Temperaturführung kontrolliert werden kann.Under ceramics there are silicate kerami in a broad inventive sense understand ceramic, oxide-ceramic and non-oxide ceramic materials, in which finely divided starting materials are brought into the desired shape and then subjected to high temperature treatment, whereby while maintaining the shape and with the passage of sintering phenomena and che mix reactions form the final material properties. in the In the present case, the porosity plays the decisive role. With ceramic Materials, the range of total porosity ranges from less than 0.5% to 95%. The pore structure in a ceramic, and thus its physical properties properties such as strength, thermal conductivity, electrical properties controlled through the manufacturing process. This creates the pores when the starting powder is sintered together to form a solid, the Pore radius distribution and the total porosity by a corresponding Temperature control can be controlled.
Keramikwerkstoffe an sich sind in der Wälzlagertechnik seit langem bekannt, insbesondere heiß gepresstes Siliziumnitrid (Si3N4) ist wegen seiner Härte und Verschleißfestigkeit sehr beliebt. In diesem Zusammenhang ist auch ein Ganz stahl-Kugellager bekannt, wobei im Kugelsatz jeweils eine Kugel aus Keramik enthalten ist. Der Sinn des Einsatzes dieser einzelnen Keramikkugel liegt dar in, dass sie insbesondere bei stark verschmutzten Lagern die Laufbahnen frei von kleinen Verunreinigungen macht, die sie dank ihrer Härte zermahlt (Mate rials and Corrosion 50, 654-657 (1999)). Beim bisherigen Einsatz von kerami schem Material in der Wälzlagertechnik war immer davon auszugehen, dass es, um Erfolg zu haben, neben einer möglichst hohen Festigkeit zumindest eine mit Lagerstählen vergleichbare Härte sowie eine niedrige Porosität auf weisen musste (Antriebstechnik 16 1977, Nr. 3, Seite 130). In Ergänzung dazu wird nun die Porosität der Keramik vorteilhaft zur Schmiermittelaufnahme bzw. zur -übertragung genutzt, d. h. der Keramik wird in erfindungsgemäßer Weise eine neue Funktion zugeordnet.Ceramic materials per se have long been known in rolling bearing technology, in particular hot-pressed silicon nitride (Si 3 N 4 ) is very popular because of its hardness and wear resistance. In this context, an all-steel ball bearing is known, the ball set each containing a ceramic ball. The purpose of using this single ceramic ball is that it makes the raceways free of small contaminants, especially in heavily soiled bearings, which it grinds thanks to their hardness (Materials and Corrosion 50, 654-657 (1999)). In the past, the use of ceramic material in rolling bearing technology had to be assumed that, in order to be successful, in addition to the highest possible strength, it had to be at least as hard as comparable to bearing steels and low porosity (Drive Technology 16 1977, No. 3, Page 130). In addition to this, the porosity of the ceramic is now advantageously used to absorb or transmit lubricant, ie the ceramic is assigned a new function in the manner according to the invention.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den An sprüchen 2 bis 10 beschrieben.Advantageous embodiments of the solution according to the invention are in the An sayings 2 to 10 described.
So geht aus den Ansprüchen 2 bis 4 hervor, dass der Keramikwälzkörper einen Porenanteil ≦ 10% aufweisen soll, dass der Durchmesser der Poren ≦ 8 µ sein soll und dass die Oberflächenrauheit Ra einen Betrag von ≦ 0,1 µm aufweisen soll. Durch diese Parameter ist sichergestellt, dass der Keramikwälzkörper Schmierstoffe, insbesondere dünnflüssige Öle in optimaler Weise speichern und bei vorhandenem Wälzkontakt auf die Laufbahnen übertragen kann. Die Keramikwälzkörper fungieren dabei einerseits als Schmiermittelspeicher und andererseits als Schmiermittelüberträger.It is apparent from claims 2 to 4 that the ceramic rolling element one Porosity ≦ 10% should have that the diameter of the pores ≦ 8 µ and that the surface roughness Ra should be Betrag 0.1 µm should. These parameters ensure that the ceramic rolling element Store lubricants, especially thin oils, in an optimal way and can transfer to the raceways if there is rolling contact. The Ceramic rolling elements act on the one hand as a lubricant reservoir and on the other hand as a lubricant carrier.
Nach einem weiteren zusätzlichen Merkmal gemäß Anspruch 5 ist vorgesehen, dass der Keramikwälzkörper einen Durchmesser aufweist, der 0,1 bis 0,3‰ kleiner als der Durchmesser der anderen Wälzkörper ist. Keramik hat einen höheren Elastizitätsmodul als Stahl und ist demzufolge steifer. Indem nun die Keramikwälzkörper im Durchmesser verkleinert werden, ist sichergestellt, dass insbesondere bei höheren Lasten eine vergleichbare Druckbeanspruchung auftritt und dadurch die statische und dynamische Tragzahl nicht gemindert wird. According to a further additional feature according to claim 5, that the ceramic rolling element has a diameter that is 0.1 to 0.3 ‰ is smaller than the diameter of the other rolling elements. Ceramics have one higher modulus of elasticity than steel and is therefore stiffer. By now the Ceramic rolling elements are reduced in diameter, it is ensured that a comparable pressure load, especially at higher loads occurs and thus does not reduce the static and dynamic load rating becomes.
Nach einem weiteren zusätzlichen Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 6 ist vorgesehen, dass der Keramikwälzkörper aus Siliziumnitrid besteht.According to a further additional feature of the invention according to claim 6 it is provided that the ceramic rolling element consists of silicon nitride.
Eine weitere Verbesserung des selbstschmierenden Lagers wird gemäß den Ansprüchen 7 und 8 dadurch erreicht, dass das Lager mit einer Nach schmiereinrichtung in Verbindung steht, die beispielsweise als eine Ölkammer oder als ein Faserbündel ausgebildet sein kann.A further improvement of the self-lubricating bearing is according to the Claims 7 and 8 achieved in that the bearing with an after lubrication device is connected, for example as an oil chamber or can be formed as a fiber bundle.
Aus den Ansprüchen 9 und 10 geht hervor, dass der Begriff Wälzlager im er findungsgemäßen Sinne allumfassend auszulegen ist. So soll es gemäß An spruch 9 als ein Lager für Rotationsbewegungen ausgebildet sein, das wenig stens einen Lagerring und zugehörige Lagerkugeln aufweist, die beide aus einem Wälzlagerstahl gefertigt sind und dass eine der Lagerkugeln aus Kera mik gefertigt ist. In Anspruch 10 ist der Einsatz dieses keramischen Wälzkör pers in einem Lager für Linearbewegungen beschrieben, dessen Laufbahnen und die zugehörigen Wälzkörper aus einem Wälzlagerstahl gefertigt sind.From claims 9 and 10 it emerges that the term roller bearing in he meaning according to the invention is to be interpreted comprehensively. According to An say 9 be designed as a bearing for rotational movements, the little least has a bearing ring and associated bearing balls, both of which a bearing steel are made and that one of the bearing balls made of Kera mik is made. In claim 10, the use of this ceramic roller pers described in a bearing for linear movements, its raceways and the associated rolling elements are made from a rolling bearing steel.
Die Erfindung wird an nachstehenden Ausführungsbeispielen näher beschrie ben.The invention is described in more detail in the following exemplary embodiments ben.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen teilweisen Querschnitt durch ein Schulterkugellager, Fig. 1 is a partial cross section through a shoulder ball bearings,
Fig. 2 einen Längsschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 2 is a longitudinal section along the line II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer Längsführung und Fig. 3 is a perspective view of a longitudinal guide and
Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein Wellenlager mit Nach schmiereinrichtung. Fig. 4 shows a longitudinal section through a shaft bearing with after lubrication.
Das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Schulterkugellager 1 besteht aus dem die Schulter 3 aufweisenden Lageraußenring 2 und dem Lagerinnenring 4, zwi schen denen auf zugehörigen Laufbahnen 7 und 6 Lagerkugeln 5 abwälzen. Die beiden Lagerringe 2 und 4 sowie die Lagerkugeln 5 sind aus einem han delsüblichen Wälzlagerstahl gefertigt. In diesem Ganzstahl-Schulterkugel lager 1 ist eine der Lagerkugeln 5 durch eine Lagerkugel 8 aus Siliziumnitrid ersetzt. Diese Lagerkugel 8 ist im Durchmesser geringfügig kleiner als die üb rigen Lagerkugeln 5, was aber aus der Zeichnung nicht erkennbar ist. Erfin dungsgemäß weist die Keramikkugel 8 einen offenen Porenvolumenanteil von 8% bei einer Oberflächenrauheit von 0,05 µm auf. Bei üblicher Fertigung von Lagerkugeln aus Siliziumnitrid liegt die Rauheit zwischen 0,005 und 0,008 µm. Das entspricht der Qualität bester Stahlkugeln. Die erfindungsgemäß höheren Rauheitswerte begünstigen die Haftung von Schmiermittel.The shoulder ball bearing 1 shown in Figs. 1 and 2 consists of the shoulder 3 having outer bearing ring 2 and the bearing inner ring 4, Zvi rule which roll on associated raceways 7 and 6 bearing balls 5. The two bearing rings 2 and 4 and the bearing balls 5 are made of a standard rolling bearing steel. In this all-steel shoulder ball bearing 1 , one of the bearing balls 5 is replaced by a bearing ball 8 made of silicon nitride. This bearing ball 8 is slightly smaller in diameter than the usual bearing balls 5 , but this is not apparent from the drawing. Inven tion according to the ceramic ball 8 has an open pore volume fraction of 8% with a surface roughness of 0.05 microns. In the normal production of silicon nitride bearing balls, the roughness is between 0.005 and 0.008 µm. This corresponds to the quality of the best steel balls. The higher roughness values according to the invention favor the adhesion of lubricants.
Das in Fig. 2 dargestellte Linearlager 9 besteht aus den beiden zueinander längsverschieblichen prismatischen Führungsschienen 10 und 11, wobei ein dreieckartiger Vorsprung der Führungsschiene 10 in eine dreieckartige Aus nehmung der Führungsschiene 11 eingreift. Beide Führungsschienen 10, 11 weisen einander gegenüberliegende Laufbahnen 12 und 13 auf, die im Regel fall feingeschliffen sind. Zwischen den beiden Führungsschienen 10 und 11 ist der zweiteilig ausgebildete Winkelflachkäfig 14 angeordnet, dessen beide Teil stücke zueinander abgewinkelt sind und die in nicht bezeichneten Taschen Lagernadeln 15 aufweisen, wobei wiederum die Führungsschienen 10 und 11 und die Lagernadeln 15 aus einem Wälzlagerstahl gefertigt sind. In erfin dungsgemäßer Weise ist sowohl rechts- als auch linksseitig je eine stählerne Lagernadel 15 durch eine Lagernadel 16 aus Siliziumnitrid ersetzt. Natürlich können auch Linear-Kugellager für Längs- und Drehbewegungen in Form von Kugelführungen oder Kugelhülsen in der erfindungsgemäßen Weise ausge staltet sein. The linear bearing 9 shown in Fig. 2 consists of the two mutually longitudinally displaceable prismatic guide rails 10 and 11 , wherein a triangular projection of the guide rail 10 engages in a triangular recess from the guide rail 11 . Both guide rails 10 , 11 have opposing raceways 12 and 13 , which are usually ground in the case. Between the two guide rails 10 and 11 , the two-part angular flat cage 14 is arranged, the two parts of which are angled to one another and which have bearing needles 15 in pockets not shown, again the guide rails 10 and 11 and the bearing needles 15 are made of a bearing steel. In a manner according to the invention, a steel bearing needle 15 is replaced by a bearing needle 16 made of silicon nitride on both the right and left sides. Of course, linear ball bearings for longitudinal and rotary movements in the form of ball guides or ball sleeves can be designed in the manner according to the invention.
In Fig. 4 ist mit 17 das einreihige Rillenkugellager bezeichnet, das aus dem Lagerinnenring 18, dem Lageraußenring 19 und dem dazwischen angeordne ten Kugelkranz 20 besteht. In erfindungsgemäßer Weise ist wiederum eine der stählernen Lagerkugeln des Kugelkranzes 20 durch eine Lagerkugel 21 aus Siliziumnitrid ersetzt. Die Wälzkörper des Kugelkranzes 20 einschließlich der Lagerkugel 21 rollen dabei zwischen einander zugewandten rillenförmigen Laufflächen 30 und 29 der beiden Lagerringe 18 und 19 ab. Das Rillenkugella ger 17 lagert eine Welle 22 zwischen den beiden Gehäuseteilen 23. Beidseits des Rillenkugellagers 17 sind Schmiermittelvorratsräume in Form von Hül sen 24 angeordnet, die durch je einen Lagerdeckel 25 drehfest an die Stirn seiten der Lagerringe 18 und 19 gepresst sind. Die Hülse 24 besteht aus einem formstabilen Kunststoff und bildet beim Einbau mit der Welle 22 eine wirksame Spaltdichtung. Dazu ist die Hülse 24 an ihren beiden Enden in Richtung der Welle mit Dichtlippen versehen. Die Hülse 24 ist durch eine poröse Trenn wand 26 in eine in Richtung des Kugelkranzes 20 offene Fettkammer 27 und in eine geschlossene Ölkammer 28 unterteilt. Die Fettkammer 27 ist mit Schmiermittel gefüllt, dass über die poröse Trennwand 26 mit Grundöl aus der Ölkammer 28 regeneriert wird und somit für eine Langzeitschmierung des Ril lenkugellagers 17 sorgt, wobei durch die Keramiklagerkugel 21 dieses Schmiermittel mit Hilfe deren Poren aufgenommen und auf die Laufbahnen 29 und 30 verteilt wird. In Fig. 4, 17 denotes the single-row deep groove ball bearing, which consists of the bearing inner ring 18 , the bearing outer ring 19 and the ball ring 20 arranged between them. In the manner according to the invention, one of the steel bearing balls of the spherical ring 20 is in turn replaced by a bearing ball 21 made of silicon nitride. The rolling elements of the spherical ring 20, including the bearing ball 21, roll between mutually facing groove-shaped running surfaces 30 and 29 of the two bearing rings 18 and 19 . The Rillenkugella ger 17 supports a shaft 22 between the two housing parts 23 . On both sides of the deep groove ball bearing 17 , lubricant storage spaces in the form of sle 24 are arranged, each of which is pressed against the end faces of the bearing rings 18 and 19 in a rotationally fixed manner by a bearing cover 25 . The sleeve 24 consists of a dimensionally stable plastic and forms an effective gap seal when installed with the shaft 22 . For this purpose, the sleeve 24 is provided at both ends in the direction of the shaft with sealing lips. The sleeve 24 is divided by a porous partition 26 into an open in the direction of the spherical ring 20 grease chamber 27 and in a closed oil chamber 28 . The grease chamber 27 is filled with lubricant that is regenerated via the porous partition wall 26 with base oil from the oil chamber 28 and thus ensures long-term lubrication of the ball bearing 17 , this lubricant being absorbed by the ceramic bearing ball 21 with the aid of its pores and onto the raceways 29 and 30 is distributed.
11
Schulterkugellager
Shoulder ball bearing
22nd
Lageraußenring
Bearing outer ring
33rd
Schulter
shoulder
44th
Lagerinnenring
Bearing inner ring
55
Lagerkugel
Bearing ball
66
Laufbahn
career
77
Laufbahn
career
88th
Lagerkugel aus Keramik
Bearing ball made of ceramic
99
Linearlager
Linear bearings
1010th
Führungsschiene
Guide rail
1111
Führungsschiene
Guide rail
1212th
Laufbahn
career
1313
Laufbahn
career
1414
Winkelflachkäfig
Angular flat cage
1515
Lagernadel
Bearing needle
1616
Lagernadel aus Keramik
Ceramic bearing needle
1717th
Rillenkugellager
Deep groove ball bearing
1818th
Lagerinnenring
Bearing inner ring
1919th
Lageraußenring
Bearing outer ring
2020th
Kugelkranz
Ball ring
2121
Lagerkugel aus Keramik
Bearing ball made of ceramic
2222
Welle
wave
2323
Gehäuse
casing
2424th
Hülse
Sleeve
2525th
Lagerdeckel
Bearing cap
2626
Trennwand
partition wall
2727
Fettkammer
Fat chamber
2828
Ölkammer
Oil chamber
2929
Laufbahn
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Laufbahn
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| DE19959499A Withdrawn DE19959499A1 (en) | 1999-12-10 | 1999-12-10 | Self-lubricating rolling bearing has at least one rolling body which has open pores and manufactured from ceramic, and with open pore proportion of up to 10 per cent |
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