DE19960803A1

DE19960803A1 - Wälzlager und Lagervorrichtung für Getriebewellen

Info

Publication number: DE19960803A1
Application number: DE19960803A
Authority: DE
Inventors: Kikuo Maeda; Hirokazu Nakashima; Akio Okayama
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2000-06-21
Also published as: FR2787529B1; FR2787529A1; US6423158B1

Abstract

Wälzlager, das eine ausreichende Ermüdungslebensdauer der Wälzkörper selbst unter Bedingungen sicherstellen kann, bei denen die Verunreinigungen durch Abfall und der Temperaturanstieg groß sind. Als Material des Außenringes, des Innenringes und der Schrägrollen wird ein Stahl verwendet, bei dem die Si- und Mn-Gehalte erhöht sind. Der Stahl wird, nachdem er einer Carbonitrierung unterzogen ist, abgeschreckt, um den Restaustenitgehalt in der carbonitrierten Schicht, die an der Oberflächenschicht eines jeden Teils ausgebildet ist, auf 20-50 Vol.-% einzustellen. Auf diese Weise ist es möglich, die Abschälung der Oberfläche zu unterdrücken, die von der Entstehung und dem Voranschreiten von Rissen resultiert, wodurch die Ermüdungslebensdauer der Wälzlager unter Bedingungen verbessert wird, bei denen die Verschmutzung durch Abfall oder der Temperaturanstieg bei den Lagerabschnitten groß ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager, das unter Bedingungen verwendet wer den kann, bei denen die Verschmutzung durch Abfall und der Temperaturanstieg groß ist, und eine Lagervorrichtung für eine Getriebewelle eines Kraftfahrzeugs, bei dem das Wälzlager verwendet wird.

Bei einem Fahrzeugdifferential oder bei einem Fahrzeuggetriebe werden Wälzlager ver wendet, um die Getriebewellen zu lagern. Fig. 1 zeigt ein Fahrzeugdifferential, bei dem eine Getriebewelle durch ein Schrägrollenlager gelagert wird, welches eines der Ausfüh rungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Differential umfaßt ein Antriebs ritzel 4, das in einem Gehäuse 1 durch zwei Schrägrollenlager 2, 3 drehbar gelagert ist, ein Ringrad 5, das mit dem Antriebsritzel 4 kämmt, einen Differentialgetriebekasten 7, der das Ringrad 5 trägt und im Gehäuse 1 durch ein Paar von Schrägrollenlagern 6 drehbar gehalten ist, Ritzel 8, die im Differentialgetriebekasten 7 befestigt sind, und ein Paar von Seitenrädern 9, die mit den Ritzeln 8 kämmen. Diese sind im Gehäuse 1 be festigt, in dem Öl eingelassen ist. Das Öl dient auch als Schmieröl für die Schrägrollen lager 2, 3 und 6.

Da eine Leistungsübertragungsvorrichtung, wie beispielsweise das oben beschriebene Differential, eine Vielzahl von miteinander kämmenden Zahnradabschnitten und Gleitab schnitten von Drehelementen aufweist, kann Abfall, wie beispielsweise durch diese Ab schnitte erzeugtes Metallpulver, sich in das im Gehäuse eingeschlossene Öl mischen. Dieses Pulver kann in die Wälzlager eintreten, die die mit hoher Drehzahl drehenden Getriebewellen lagern, und sich an den Laufflächen der Wälzelemente ablagern, was ein Abschälen der Oberfläche an den Wälzelementen oder den Lagerringen bewirkt. Es wird angenommen, daß ein derartiges Abschälen der Oberfläche durch das Auftreten von Rissen erzeugt wird, die aufgrund von Druckstellen entstehen, die aufgrund des Fest fressens des Abfalls erzeugt werden.

Um das Auftreten und das Voranschreiten derartiger Risse zu verhindern, ist in der ge prüften japanischen Patentveröffentlichung 62-29487 eine Technik offenbart, in der Stahl der Klasse SUJ3 als Lagermaterial verwendet wird. Der Stahl wird bei hoher Tem peratur abgeschreckt, um den Gehalt von Restaustenit zu erhöhen. Die Abkühlge schwindigkeit während des Abschreckens wird verringert, um die Empfindlichkeit ge genüber Rissen zu unterdrücken. In der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung 7-190072 wird ein Stahl der Stahlsorte SUJ3 als Material für den Lagerring verwendet. Der oben erwähnten Wärmebehandlung wird eine Carbonitrierung hinzugefügt, um den Restaustenitgehalt in der Oberflächenschicht weiter zu erhöhen.

Bei der derzeitigen Verwendung von Rollenlagern wird außerdem zunehmend Schmieröl mit niedriger Viskosität verwendet, um die Leistungsausbeute bei der Drehung mit hoher Drehzahl zu verbessern. Aus diesem Grund neigt der Temperaturanstieg in den Lage rungsabschnitten dazu, groß zu sein, da der Kontakt von Metall zu Metall ansteigt. Bei einem derartigen Betrieb ist der Temperaturanstieg der Wälzelemente am größten, da sie eine geringe Wärmekapazität und eine geringe Wärmediffusion aufgrund des Kon takts mit den anderen Elementen aufweisen. Daher tritt das Abschälen der Oberfläche an der Oberfläche der Wälzelemente auf. Selbst wenn das in der japanischen Patent veröffentlichung 62-29487 offenbarte Material verwendet wird, wird die benötigte Le bensdauer gegen Ermüdung nicht erreicht.

Da sich bei einem Schrägrollenlager des weiteren jede Schrägrolle abwälzt, und ihre große Stirnfläche gleichzeitig durch die große Rippenfläche des inneren Ringes geführt wird, wirkt eine Axiallast auf die große Rippenfläche des inneren Ringes. Wenn das in der japanischen Patentveröffentlichung 7-190072 offenbarte Material für den inneren Ring verwendet wird, sinkt die Ermüdungslebensdauer des Rippenabschnittes, der die Axiallast aufnimmt, obwohl sich die Wälzlebensdauer bei der Verschmutzung durch Abfall erhöhen kann.

Ein Ziel dieser Erfindung ist es, ein Wälzlager und eine Lagervorrichtung für eine Fahr zeuggetriebewelle vorzusehen, die eine lange Lebensdauer selbst unter Betriebsbedin gungen sicherstellen kann, bei denen Abfall eintreten kann und der Temperaturanstieg groß ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß ist ein Wälzlager vorgesehen, bei dem Wälzelemente aus einem Stahl gefertigt sind, der enthält C: 0,8-1,5 Gew.-%, Si: 0,4-1,2 Gew.-%, Mn: 0,8-1,5 Gew.-% und Cr: 0,8-1,8 Gew.-%, wobei der Stahl einer Carbonitrierung unterzogen wird und dann abgeschreckt und angelassen wird, so daß der Restaustenitgehalt im Oberflä chenabschnitt 20-50 Vol-% beträgt.

Was die Zusammensetzung des Stahles als Material für die Wälzelemente betrifft, so sollte der Kohlenstoffgehalt 0,8 bis 1,5 Gew.-% betragen, um eine Grundhärte durch das Abschrecken sicherzustellen und um außerdem den Gehalt an Restaustenit zu erhöhen.

Der Silicium(Si)-Gehalt sollte nicht weniger als 0,4 Gew.-% betragen, um das Restaustenit in der Oberflächenschicht zu stabilisieren und um das Erweichen bei Hochtemperatur durch die Zufügung von Si zu vermeiden, das zu einem Widerstand gegenüber dem Erweichen beim Anlassen führt. Der obere Grenzwert wird bei 1,2 Gew.-% gesetzt, da über 1,2 Gew.-% die Diffusion von Kohlenstoff und Stickstoff wäh rend der Carbonitrierung verhindert wird.

Der Mn-Gehalt sollte 0,8 bis 1,5 Gew.-% betragen, um die Härtbarkeit und den Restaustenitgehalt in der Oberflächenschicht zu erhöhen. Ein zu großer Mn-Gehalt re sultiert in einer Verringerung der Kaltbearbeitbarkeit und kann zu Rissen beim Abschre cken führen. Außerdem wird der Gehalt an Restaustenit in der Oberflächenschicht zu groß, so daß die Abschreckhärte niedrig sein kann. Aus diesem Grund wird der obere Grenzwert bei 1,5 Gew.-% festgelegt.

Der Cr-Gehalt sollte zwischen 0,8 bis 1,8 Gew.-% liegen, da, wenn er weniger als 0,8 Gew.-% beträgt Carbide selbst durch die Carbonitrierung nicht ausreichend gebildet werden, so daß die Härte während des Temperaturanstiegs sich zu verringern neigt. Beträgt der Cr-Gehalt über 1,8 Gew.-% neigen die Carbide dazu, grob zu wachsen und können aufgrund der Spannungskonzentration beim Wälzkontakt zu Startpunkten für Risse werden.

Durch die Verwendung eines derartig zusammengesetzten Stahles als Werkstoff für die Wälzelemente und durch Erhöhen des Stickstoffgehalts in der Oberflächenschicht durch Carbonitrierung wird der Ms-Punkt (Starttemperatur für die Martensit-Umformung) in der Oberflächenschicht niedriger als in der Innenschicht. Durch Abschrecken eines derarti gen Stahles erhöht sich die Menge an nicht umgewandelten Austenit in der Oberflä chenschicht der Wälzelemente. Der Restaustenitgehalt in der Oberflächenschicht kann auf diese Weise auf 20 Vol.-% oder mehr erhöht werden.

Das Restaustenit weist eine hohe Festigkeit und Härtungseigenschaften für das Werk stück auf und dient dazu, das Entstehen und Fortschreiten von Rissen zu unterdrücken. Es ist jedoch beim Erwärmen instabil. Stickstoffatome, die in die Oberflächenschicht während der Carbonitrierung eingedrungen sind, sind im Austenit fest gelöst und stabili sieren das Restaustenit nach dem Abschrecken gegenüber Erwärmung. Außerdem be ginnt in der Oberflächenschicht, in der der Ms-Punkt gesunken ist, die Martensitumfor mung später als im Kern. Außerdem ist die umgeformte Menge kleiner als im Kern, so daß sich in der Oberflächenschicht Restdruckspannungen bilden. Auf diese Weise ist es außerdem möglich, die Ermüdungsfestigkeit der Oberflächenschicht zu erhöhen.

Der Restaustenitgehalt in der Oberflächenschicht sollte 20 bis 50 Vol.-% betragen, um der Oberflächenschicht eine geeignete Festigkeit zu geben und um die Spannungskon zentration aufgrund des Kontakts mit dem Abfall zu vermeiden. Wenn der Restaustenit gehalt weniger als 20 Vol.-% beträgt, ist die Festigkeit nicht ausreichend. Wenn der Restaustenit über 50 Vol.-% beträgt, wird die Härte übermäßig abfallen, was zu einer Verschlechterung der Oberflächenrauhigkeit aufgrund plastischer Verformung führt.

Wenn Abfall eingefangen wird oder wenn der Temperaturanstieg der Oberfläche groß ist, können Risse an der Oberfläche oder unter der Oberfläche (innerhalb 0,1 mm von der Oberfläche) entstehen. Somit ist es möglich, die Lebensdauer durch Verbesserung des Werkstoffes der Oberflächenschicht auf die oben beschriebene Weise zu verlän gern.

Da die Wärmebehandlung eine Carbonitrierung umfaßt, kann die Carbonitrierung in ei nem Hochtemperaturgas durchgeführt werden, wobei das Ammoniakgas einer carborie renden Atmosphäre zugefügt wird, worauf das Abschrecken und das Anlassen folgt. Um den Restaustenitgehalt anzupassen, kann eine Unter-Null-Behandlung mit der Wärme behandlungsstufe kombiniert sein.

Durch Hinzufügen von 0,3 Gew.-% oder weniger Molybdän zu dem Stahlwerkstoff der Wälzelemente ist es möglich, die Festigkeit zu verbessern.

Außerdem ist es durch Abschrecken bei 830-880°C und durch Einstellen der Kühlfähig keit H während des Abschreckens im Temperaturbereich von 300°C bis 150°C auf 0,2 cm^-1 oder weniger möglich, die Kühlgeschwindigkeit nahe dem Ms-Punkt abzusen ken und die Empfindlichkeit gegenüber Rissen auf 3 oder weniger abzusenken. Wenn die Empfindlichkeit gegenüber Rissen 3 oder weniger beträgt, ist es möglich, das Ent stehen von Rissen während des Betriebs wirksam zu verhindern oder die Ausbreitungs geschwindigkeit zu unterdrücken, selbst wenn sich Risse bilden sollten. Als ein Mittel zur Einstellung der Kühlfähigkeit während des Abschreckens im Temperaturbereich von 300°C bis 150°C auf 0,2 cm^-1 oder weniger kann ein Abschrecken im Öl- oder Salzbad, das auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt ist, dienen.

Wenn die Wälzelemente Nadelrollen sind und der Restaustenitgehalt in der Oberflä chenschicht 20 bis 40 Vol.-% beträgt und die Oberflächenhärte Hv 750 oder mehr be trägt, ist es möglich, das Abschälen der Oberfläche der Nadelrollen zu verhindern und ihre Lebensdauer zu verlängern, obwohl sie dazu neigen, sich aufzuheizen, da sie eine niedrige Wärmekapazität haben und oftmals auf einer nur grob bearbeiteten Welle ohne Lagerring befestigt sind.

Der obere Grenzwert des Restaustenitgehalts wird auf 40 Vol.-% gesetzt, um eine O berflächenhärte von Hv 750 oder mehr zu erreichen. Außerdem sollte die Oberflächen härte Hv 750 oder mehr betragen, um eine ausreichende Oberflächenhärte selbst dann sicherzustellen, wenn die hohen Temperaturanstiegen unterworfenen Nadelrollen weich werden.

Wenn die Wälzelemente Schrägrollen sind, bei denen von den Innen- und Außenringen des Wälzlagers zumindest der Innenring aus einsatzgehärteten Stahl enthaltend 0,4 Gew.-% oder weniger Kohlenstoff gefertigt ist und bei denen an den Oberflächen schichten der Innen- und Außenringe carbonitrierte Schichten ausgebildet sind, ist es möglich, die Ermüdungsfestigkeit der Rippenabschnitte des Innenrings sicherzustellen. Wenn der Kohlenstoffgehalt über 0,4 Gew.-% liegt, würde die Kernhärte während des Abschreckens zu groß sein, so daß sich die Festigkeit verschlechtert und die Ermü dungsfestigkeit sinkt. Beim Außenring reicht es aus, wenn eine carbonitrierte Schicht gebildet werden kann. Somit ist es möglich, außer einsatzgehärteten Stahl wie für den Innenring eine Vielzahl von Lagerstahlsorten zu verwenden.

Wenn der Restaustenitgehalt in der Oberflächenschicht der Schrägrollen und der Innen- und Außenringe 20-40 Vol.-% beträgt, ist es möglich, die Oberflächenschicht eines je den Teils mit einer geeigneten Festigkeit zu versehen und einen übermäßigen Anstieg der Spannungen aufgrund des Kontakts mit Abfall zu verhindern. Wenn der Restauste nitgehalt weniger als 20 Vol.-% beträgt, wird die Festigkeit nicht ausreichen. Wenn der Restaustenitgehalt über 40 Vol.-% liegt, wird die Härte deutlich abnehmen, was in einer Verschlechterung der Oberflächenrauhigkeit aufgrund von plastischer Verformung resul tiert. An den großen Stirnflächen der Schrägrollen und der großen Rippenfläche des Innenrings, die miteinander in Gleitkontakt stehen, kann aufgrund der Verschlechterung der Oberflächenrauhigkeit ein Festfressen auftreten.

Erfindungsgemäß ist eine Lagervorrichtung für eine Fahrzeuggetriebewelle vorgesehen, bei der eine Getriebewelle drehbar durch ein Schrägrollenlager in einem Gehäuse gela gert ist, in dem Öl eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägrollen aus einem Stahl gefertigt sind, der enthält C: 0,8-1,5 Gew.-%, Si: 0,4-1,2 Gew.-%, Mn: 0,8-1,5 Gew.-% und Cr: 0,8-1,8 Gew.-%, daß zumindest der Innenring aus einsatzge härteten Stahl enthaltend 0,4 Gew.-% oder weniger Kohlenstoff gefertigt ist, und daß an den Oberflächenschichten der Schrägrollenlager und der Innen- und Außenringe eine carbonitrierte Schicht ausgebildet ist. Auf diese Weise ist es möglich, den Wartungs zyklus von beispielsweise Differentialen und Getrieben deutlich zu verlängern.

Bei der Lagervorrichtung für die Getriebewelle ist es möglich, die Oberflächenschicht eines jeden Teils mit einer geeigneten Festigkeit zu versehen und einen übermäßigen Anstieg der Spannungen aufgrund des Kontakts mit Abfall zu verhindern, indem der Restaustenitgehalt in den Oberflächenschichten der Schrägrollen und der Innen- und Außenringe bei 20-40 Vol.-% festgelegt wird.

Andere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt einen senkrechten Querschnitt eines Differentials, in dem eine Lagervor richtung für eine Getriebewelle eingebaut ist;

Fig. 2 zeigt eine senkrechte Querschnittsansicht eines Schrägrollenlagers als ein Wälzlager eines ersten Ausführungsbeispiels, das bei der Lagervorrichtung für eine Getriebewelle der Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 3A zeigt eine senkrechte Querschnittsansicht eines Kugellagers als Wälzlager ge mäß einem zweiten Ausführungsbeispiels;

Fig. 3B zeigt eine zum Teil vergrößerte Querschnittsansicht desselben;

Fig. 4A zeigt eine senkrechte Querschnittsansicht eines Nadelrollenlagers als Wälzlager gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel; und

Fig. 4B zeigt eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht desselben.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 werden Ausführungsbeispiele der Erfindung be schrieben. Die Fig. 1 und 2 zeigen das erste Ausführungsbeispiel. Fig. 1 zeigt ein Diffe rential eines Fahrzeugs, bei dem als Lagerung der Welle des Antriebsritzels 4 und der Welle des Differentialgetriebekastens 7, an dem ein Ringrad 5 befestigt ist, eine Lager vorrichtung zur Lagerung einer Getriebewelle unter Verwendung von Schrägrollenlagern 2, 3, 6 verwendet wird.

Fig. 2 zeigt ein Schrägrollenlager 6, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung darstellt. Es umfaßt einen Außenring 15, der mit einer konischen Lauffläche 14 ausgebildet ist, einen Innenring 13, der mit einer konischen Lauffläche 10 ausgebildet ist, eine große Rippenfläche 11 an der Seite der Lauffläche 10 mit großen Durchmesser und eine kleine Rippenfläche 12 an der Seite mit kleinen Durchmesser, eine Vielzahl von Schrägrollen 16, die rollbar zwischen den jeweiligen Laufflächen 10, 14 des Außen ringes 15 und des Innenringes 13 angeordnet sind und einen Käfig 17 zum Halten der Schrägrollen 16 in vorbestimmten Abständen in Umfangsrichtung.

Ein jedes Teil einschließlich des Außenringes 15, des Innenringes 13 und der Schräg rollen 16 wurde unter Verwendung eines Stahles in der chemischen Zusammensetzung hergestellt, wie sie für die Beispiele in Tabelle 1 für den Werkstoff angegeben ist, wobei der Stahl einer Carbonitrierung in einer carborierenden Atmosphäre bei 860°C, der Am monikgas hinzugefügt wurde, unterworfen und in Öl abgeschreckt wurde. An den Ober flächen dieser Teile wurden carbonitrierte Schichten, bei denen der Restaustenitgehalt zwischen 20-40 Vol.-% lag, gebildet. Für jedes Teil der Schrägrollenlager 2, 3 wurde ebenfalls ein ähnlicher Werkstoff verwendet und einer ähnlichen Wärmebehandlung unterzogen.

Im folgenden sind die Beispiele und Vergleichsbeispiele des ersten Ausführungsbei spiels aufgeführt.

Beispiele

Als Beispiele 1-6 wurden Schrägrollenlager mit Schrägrollen und Innen- und Außenrin gen vorbereitet, deren chemische Zusammensetzung, Wärmebehandlung und Restaustenitgehalt in den Oberflächenschichten in Tabelle 1 aufgeführt ist. Die Abmes sungen der Lager betrugen 40 mm beim Innendurchmesser, 68 mm beim Außendurch messer und 19 mm in der Weite.

Vergleichsbeispiele

Als Vergleichsbeispiel 1-8 wurden Schrägrollenlager mit Schrägrollen und Innen- und Außenringe vorbereitet, deren chemische Zusammensetzung, Wärmebehandlung und Restaustenitgehalt in den Oberflächenschichten in Tabelle 1 aufgeführt ist. Die Abmes sungen der Lager waren dieselben wie die der Beispiele. Bei den Vergleichsbeispielen 1 und 2 lag die chemische Zusammensetzung der Schrägrollen außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung. Bei den Vergleichsbeispielen 3-5 lag die chemische Zu sammensetzung des Innenringes außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung. Bei den Vergleichsbeispielen 6 und 7 lag die Wärmebehandlung der Innen- und Außen ringe außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung. Beim Vergleichsbeispiel 8 fand die Wärmebehandlung der Innen- und Außenringe nur durch Durchhärten statt.

Bei dem Schrägrollenlager der Beispiele und der Vergleichsbeispiele wurden ein Le bensdauertest bei Verunreinigung durch Abfall und ein Ermüdungstest bei der Rippe des Innenringes durchgeführt. Die Zusammenfassung eines jeden Tests und der Testbedin gungen ist wie folgt.

Lebensdauertest bei Verschmutzung durch Abfall

Die Schrägrollenlager wurden auf einer Drehwelle in einem Schmierölbad befestigt, zu dem Abfall beigemischt wurde, und ein Lebensdauertest wurde unter den folgenden Be dingungen durchgeführt.

Die Anzahl der Testproben der Schrägrollenlager betrug N = 10. Die Lebensdauer wurde in Abhängigkeit der L10-Lebensdauer beurteilt (die Zeit, bei der 90% der Proben ohne Versagen verwendbar bleiben). Bei jeder Probe trat das Versagen aufgrund einer Ab schälung der Oberfläche der Schrägrollen oder der inneren und äußeren Ringe auf.

Aufgebrachte Last: 17,64 kN
Drehzahl: 2000 Upm
Schmieröl: Turbinenöl VG56
Abfall: Gasatomisiertes Metallpulver (Teilchendurchmesser: 100-180 µm, Härte: HV 700-800, Gehalt: 1 g/Liter)

Ermüdungstest der Rippe des Innenringes

Das Wellenende eines Wälzelements mit einem Durchmesser von 10 mm wurde gegen eine Rippe eines jeden befestigen Innenrings gedrückt, während eine Vorspannung auf gebracht wurde. Die Lasten wurden wiederholt in axialer Richtung des Wälzkörpers auf gebracht. In diesem Zustand wurde ein Ermüdungstest unter den folgenden Bedingun gen durchgeführt. Die Ermüdungsfestigkeit wurde durch Risse beurteilt, die am Absatz der Rippe entstanden. Die Anzahl der Proben war N = 3 und wurde von S-N-Kurven be stimmt. Die Ermüdungsfestigkeit wurde bei der Last bestimmt, die einer Anzahl von 10⁵ Wiederholungszyklen entspricht.

Aufgebrachte Last: 2,94, 3,92, 4,90 kN (Vorlast 0,49 kN)
Belastungsgeschwindigkeit: 800 zpm (Zyklen pro Minute)

Die Ergebnisse eines jeden Tests sind in Tabelle 2 gezeigt. Als Referenzwert für die Verhältnisse der Lebensdauer und der Ermüdungsfestigkeit in dieser Tabelle wurde der Wert des Vergleichsbeispiels 8 verwendet. Bei den Schrägrollenlagern der Beispiele betrug die L10-Lebensdauer beim Lebensdauertest bei Verschmutzung durch Abfall 100 Stunden oder mehr und das Verhältnis der Ermüdungsfestigkeit der Rippen des inneren Ringes im Ermüdungstest betrug das 2,0fache oder mehr. Somit wurden in beiden Tests gute Ergebnisse erzielt.

Im Gegensatz dazu betrug bei den Vergleichsbeispielen 1 und 2, bei denen die chemi schen Zusammensetzung der Schrägrollen außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung lag, die L10-Lebensdauer beim Lebensdauertest unter Verschmutzung durch Abfall weniger als 100 Stunden. Außerdem betrug bei einigen der Vergleichsbeispiele 3- 5, bei denen die chemische Zusammensetzung des inneren Ringes außerhalb des Be reichs der vorliegenden Erfindung lag, die L10-Lebensdauer mehr als 100 Stunden, aber die Ermüdungsfestigkeit der Rippe des inneren Ringes war gering. Dies ist darum der Fall, weil der Kohlenstoffgehalt im inneren Ring hoch war, so daß die Kernhärte nach der Wärmebehandlung zu groß war. Bei den Vergleichsbeispielen 6-8, bei denen die inneren und äußeren Ringe keiner Carbonitrierung unterworfen waren, waren die Test ergebnisse sämtlich schlecht.

Fig. 3A zeigt ein Kugellager als zweites Ausführungsbeispiel des Wälzlagers. Beim Ku gellager sind Laufrillen 23, 24 mit einem bogenförmigen Querschnitt an der Oberfläche am Innendurchmesser des Außenringes 21 und an der Oberfläche des Außendurch messers des Innenringes 22 jeweils ausgebildet. Zwischen diesen Laufrillen 23 und 24 ist eine Vielzahl von Kugeln 25 durch einen Käfig 26 gehalten.

Jede Kugel 25 wurde durch Carbonitrierung eines Stahles mit der chemischen Zusam mensetzung, wie sie als Beispiele in der Tabelle 3 gezeigt ist, in einer carborierenden Atmosphäre bei 860°C gefertigt, der Ammoniakgas zugefügt wurde. Dann wurde jede Kugel 25 in einem Salzbad abgeschreckt, das auf 220°C aufgeheizt war, so daß die Kühlgeschwindigkeit während des Abschreckens im Temperaturbereich von 300°C bis 150°C 0,2 cm^-1 oder weniger betrug. Wie in der Fig. 3B gezeigt ist, bildet sich an der Oberfläche einer jeden Kugel 25 eine carborierte, nitrierte Schicht 25a mit einem Restaustenitgehalt von 20-50 Vol.-%.

Im folgenden sind die Beispiele des zweiten Ausführungsbeispiels und die Vergleichs beispiele beschrieben.

Beispiele

Unter Verwendung von Kugeln, die durch eine Wärmebehandlung unter den oben be schriebenen Carbonitrierungs- und Abschreckungs-Bedingungen unter Verwendung eines Stahls mit der chemischen Zusammensetzung hergestellt wurden, wie sie in Ta belle 3 als Beispiele 11-14 gezeigt sind, wurden Kugellager vorbereitet. Die Abmessun gen der Lager betrug sämtlich 30 mm beim Innendurchmesser, 62 mm beim Außen durchmesser, und der Kugeldurchmesser betrug 3/8 Zoll.

Vergleichsbeispiele

Unter Verwendung von Kugeln, die durch Abschrecken eines Stahls mit der gleichen chemischen Zusammensetzung wie die in der Tabelle 3 gezeigten Beispiele 11-14 in Salzwasser bei 860°C auf 220°C ohne Carbonitrierung gefertigt wurden (Vergleichs beispiele 11-14 in Tabelle 3), und unter Verwendung von Kugeln, die durch Wärmebe handlung eines Stahls mit einer chemischen Zusammensetzung, die außerhalb des Be reichs der vorliegenden Erfindung lag, unter den gleichen Bedingungen wie bei den o ben beschriebenen Beispielen (Vergleichsbeispiele 15-17) gefertigt wurden, wurden weitere Kugellager vorbereitet. Außerdem wurde ein Kugellager unter Verwendung von Kugeln vorbereitet, die durch Abschrecken eines herkömmlichen Lagerstahls SUJ2 (Vergleichsbeispiel 18 in Tabelle 3) gefertigt wurden. Die Abmessungen eines jeden Lagers waren dieselben wie die der Beispiele.

Die Kugellager der Beispiele und der Vergleichsbeispiele wurden auf einer Drehwelle einer Testvorrichtung befestigt, um einen Test mit Öl von geringer Viskosität durchzu führen. Bei dem Test wurde Öl von geringer Viskosität als Schmieröl verwendet, um den oben beschriebenen Test bei Verschmutzung durch Abfall durchzuführen. Die Testbe dingungen waren wie folgt. Die Anzahl der Beispiele bei jeden Test betrug N = 10. Die Lebensdauer wurde als L10-Lebensdauer ausgewertet.

Test mit Öl von geringer Viskosität

Aufgebrachte Last: 6,86 kN
Drehzahl: 2000 Upm
Schmieröl: Hochgeschwindigkeitsfluid VG1,5

Lebensdauertest bei Verschmutzung durch Abfall

Wirkende Last: 6,86 kN
Drehzahl: 2000 Upm
Schmieröl: Turbinenöl VG56
Abfall: Gasatomisiertes Metallpulver (Teilchendurchmesser 100-180 µm, Härte: HV 700- 800, Gehalt 1 g/Liter)

Die Ergebnisse eines jeden Tests sind in Tabelle 2 gezeigt. Beim Verhältnis der Le bensdauern in der Tabelle wurde der Wert des Vergleichsbeispiels 18 als Referenzwert verwendet. Bei den Kugellagern der Beispiele betrugen die Lebensdauern relativ zu Vergleichsbeispiel 18 das 4,5fache oder mehr und waren demzufolge hervorragend.

Im Gegensatz dazu betrug das Verhältnis der Lebensdauern bei den Vergleichsbeispie len 1 und 2, die keiner Carbonitrierung unterzogen wurden, weniger als das 3fache. Bei den Vergleichsbeispielen 15-17, bei denen die chemischen Zusammensetzung nicht innerhalb des Bereichs lag, war die Lebensdauer beim Lebensdauertest mit Verschmut zung durch Abfall mangelhaft. Dies ist darum der Fall, weil beim Vergleichsbeispiel 15, bei dem der Si-Gehalt übermäßig groß ist, die Carbonitrierung verhindert wird, beim Vergleichsbeispiel 16, bei der der Cr-Gehalt übermäßig groß ist, die Carbide grob wer den, und beim Vergleichsbeispiel 17, bei dem der Mn-Gehalt zu groß ist, der Restauste nitgehalt in der Oberflächenschicht über 50 Vol.-% liegt.

Fig. 4A zeigt ein Nadelrollenlager als drittes Ausführungsbeispiel eines Wälzlagers. Beim Nadellager sind eine Vielzahl von Nadelrollen 31 durch einen Käfig 32 gehalten. Jede Nadelrolle 31 wurde durch Carbonitrierung eines Stahls mit der chemischen Zu sammensetzung, wie sie in Tabelle 5 gezeigt ist, in einer carborierenden Atmosphäre bei 860°C, zu der Ammoniakgas hinzugefügt wurde, und durch Abschrecken in einen auf 220°C aufgeheizten Salzbad gefertigt, so daß die Kühlgeschwindigkeit während des Abschreckens im Temperaturbereich von 300°C bis 150°C 0,2 cm^-1 oder weniger be trug. (Anstelle des Salzbades kann ein temperaturkontrolliertes Abschrecköl verwendet werden.) Wie in der Fig. 4B gezeigt ist, bildet sich an der Oberfläche einer jeden Nadel rolle 31 eine carbonitrierte Schicht 31a mit einem Restaustenitgehalt von 20-40 Vol.-% und einer Oberflächenhärte von HV 750 oder mehr.

Als nächstes werden die Beispiele des dritten Ausführungsbeispiels und die Vergleichs beispiele beschrieben.

Beispiele

Die in der Tabelle 5 gezeigten Beispiele 21-24 sind Nadelrollenlager mit Nadelrollen, die durch Behandeln eines Stahls mit der in der Tabelle 5 aufgeführten chemischen Zu sammensetzung und mit einer Wärmebehandlung unter denselben Carbonitrierungs- und Abschreckungs-Bedingungen, wie sie oben beschrieben wurden, hergestellt wur den. Sämtliche Lager hatten einen Innendurchmesser von 24 mm und einen Außen durchmesser von 32 mm.

Vergleichsbeispiele

Die Vergleichsbeispiele 21-24 in der Tabelle 5 sind Nadelrollenlager, deren Nadelrollen aus Stahlsorten mit der gleichen chemischen Zusammensetzung wie die Beispiele 21- 24 ohne Carbonitrierung durch Abschrecken von 860°C in einem Salzbad bei 220°C gefertigt wurden. Die Vergleichsbeispiele 25-27 sind Nadelrollenlager, bei denen die Nadelrollen aus Stahlsorten hergestellt wurden, deren chemische Zusammensetzung außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung lag, und die der oben beschriebe nen Wärmebehandlung unterzogen wurden. Das Vergleichsbeispiel 28 ist ein Nadelrol lenlager, bei dem die Nadelrollen durch Abschrecken eines herkömmlichen Lagerstahls SUJ2 gefertigt wurden. Alle diese Lager weisen die gleichen Abmessung wie die Lager der Beispiele auf.

Diese Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden einem Wälztest, bei dem jede der Na delrollen auf einer Stahlkugel mit einer rauhen Oberfläche abgewälzt wurde, um den Beginn einer Oberflächenbeschädigung zu beschleunigen, sowie einem Lebensdauer test mit durch Abfall verunreinigtem Schmiermittel unterworfen. Die Anzahl der Proben bei jedem Test betrug N = 10 und die Lebensdauer wurde in Abhängigkeit von der L10- Lebensdauer beurteilt.

Wälztest

Zugehörige Kugel: 5/8 Zoll (Oberflächenrauhigkeit Ra = 0,08 µm)
Maximaler Kontaktdruck: 5,9 Gpa
Belastungsgeschwindigkeit: 14600 Zyklen pro Minute
Schmiermittel: Turbinenöl VG10

Lebensdauertest bei Verschmutzung durch Abfall

Aufgebrachte Last: 5,88 kN
Drehzahl: 7000 Upm
Schmiermittel: Turbinenöl VG56 (Ölbad)
Zugemischter Abfall: Gasatomisiertes Metallpulver (Teilchendurchmesser: 32-53 µm, Härte: HV 700-800, Mischungsverhältnis: 0,4 Gramm pro Liter)

Die Ergebnisse des Tests sind in der Tabelle 6 gezeigt. Die L10-Lebensdauer ist als Verhältnis der L10-Lebensdauer zum Vergleichsbeispiel 28 dargestellt. Wie gezeigt be trug die Lebensdauer jedes Beispiels zumindest das 5fache der Lebensdauer des Ver gleichsbeispiels 28.

Im Gegensatz dazu war die L10-Lebensdauer eines jeden der Vergleichsbeispiele 21-24 kürzer als das 3fache der L10-Lebensdauer des Vergleichsbeispiels 28. Bei den Ver gleichsbeispielen 25-27 war das Verhältnis der Lebensdauer beim Lebensdauertest bei Verschmutzung durch Abfall mangelhaft, obwohl das Verhältnis der Lebensdauer beim Wälztest relativ hoch war.

Erfindungsgemäß wird ein Stahl, bei dem die Si- und Mn-Gehalte erhöht sind, als Werk stoff für zumindest die Wälzkörper verwendet. Er wird nach der Carbonitrierung abge schreckt, so daß der Restaustenitgehalt in der Oberflächenschicht der Wälzkörper 20-50 Vol.-% beträgt. Auf diese Weise ist es möglich, das Abschälen der Oberfläche aufgrund des Entstehens und Voranschreitens von Rissen zu unterdrücken und die Lebensdauer in Umgebungen deutlich zu verbessern, bei denen die Verschmutzung durch Abfall oder der Temperaturanstieg an Abschnitten des Lagers groß ist.

Des weiteren ist es bei den Nadelrollenlagern möglich, durch Festsetzen des Restaustenitgehalts in der Oberflächenschicht der Nadelrollen als Wälzelemente auf 20- 40 Vol.-% und der Oberflächenhärte auf HV 750 oder mehr möglich, das Abschälen der Oberfläche der Nadelrollen zu verhindern, die hohen Temperaturanstiegen unterworfen sind, und so ihre Lebensdauer zu verlängern.

Weiter ist bei Schrägrollenlagern von den inneren und äußeren Ringen zumindest der innere Ring mit Rippen aus einem einsatzgehärteten Stahl mit 0,4 Gew.-% oder weniger Kohlenstoff gefertigt, wobei carbonitrierte Schichten in den Oberflächenschichten der inneren und äußeren Ringe gebildet sind, um die Ermüdungsfestigkeit bei den Rippen abschnitten des Innenringes sicherzustellen und die Lebensdauer zu erhöhen.

Außerdem ist es bei der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung für eine Fahrzeuggetrie bewelle möglich, den Wartungszyklus der Leistungsübertragungsvorrichtung, wie bei spielsweise den Differentialen, deutlich zu verlängern, da die Getriebewelle durch die oben beschriebenen Schrägrollenlager gelagert ist.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 5

Tabelle 6

Claims

1. Rollenlager umfassend Wälzelemente, wobei die Wälzelemente aus einem Stahl enthaltend C: 0,8 bis 1,5 Gew.-%, Si: 0,4 bis 1,2 Gew.-%, Mn: 0,8 bis 1,5 Gew.-% und Cr: 0,8 bis 1,8 Gew.-% gefertigt sind, wobei der Stahl einer Carbonitrierung unterzogen und abgeschreckt und abgelassen ist, so daß der Restaustenitgehalt in einer Oberflächenschicht 20 bis 50 Vol.-% beträgt.

2. Wälzlager nach Anspruch 1, wobei 0,3% oder weniger Gewichtsanteile von Mo lybdän dem Stahl zugefügt sind.

3. Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Abschrecken bei einer Temperatur von 830 bis 880°C beginnt und die Kühlkapazität H während des Abschreckens in einem Temperaturbereich von 300°C bis 150°C auf 0,2 cm^-1 oder weniger einge stellt ist.

4. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wälzelemente Nadelrollen sind und wobei der Restaustenitgehalt in der Oberflächenschicht 20 bis 40 Vol.-% beträgt und die Oberflächenhärte HV 750 oder mehr beträgt.

5. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend einen inneren Ring, ei nen äußeren Ring und Wälzelemente, wobei die Wälzelemente Schrägrollen sind, wobei zumindest der Innenring aus einem einsatzgehärteten Stahl enthaltend 0,4 Gew.-% oder weniger Kohlenstoff gefertigt ist und wobei an den Oberflächen schichten der inneren und äußeren Ringe eine carbonitrierte Schicht ausgebildet ist.

6. Wälzlager nach Anspruch 5, wobei der Restaustenitgehalt in der Oberflächen schicht der Schrägrollen und der inneren und äußeren Ringe 20 bis 40 Vol.-% be trägt.

7. Lagervorrichtung für eine Fahrzeuggetriebewelle, bei der eine Getriebewelle dreh bar durch ein Schrägrollenlager in einem Gehäuse gelagert ist, in dem Öl einge schlossen ist, wobei das Schrägrollenlager einen inneren Ring, einen äußeren Ring und Schrägrollen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägrollen aus einem Stahl enthaltend C: 0,8 bis 1,5 Gew.-%, Si: 0,4 bis 1,2 Gew.-%, Mn: 0,8 bis 1,5 Gew.-% und Cr: 0,8 bis 1,8 Gew.-% gefertigt sind, daß zumindest der innere Ring aus einem einsatzgehärteten Stahl enthaltend 0,4 Gew.-% oder weniger Kohlenstoff gefertigt ist, und daß eine carbonitrierte Schicht an den Oberflächen schichten der Schrägrollen und der inneren und äußeren Ringe ausgebildet ist.

8. Lagervorrichtung für eine Fahrzeuggetriebewelle nach Anspruch 7, wobei der Restaustenitgehalt in den Oberflächenschichten der Schrägrollen und der inneren und äußeren Ringe 20 bis 40 Vol.-% beträgt.