DE2104605A1 - Zusammengesetztes Lager - Google Patents

Zusammengesetztes Lager

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Description

PATENTANWÄLTE O 1 Π Λ Ρ, Π R DR. O. DnTMANN K. L. SCHIFF DR. A. ν. FÖNER DIPL. ING. P. STRBHL PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN OB POSTFACH Ββ OI βθ 8 MÜNCHEN ΘΟ MARZAHILFPLATZ 2*8
Garlock, Inc . Telefon« (oeiiy 454o 40 » 44 32 44
Unsere Akte: DA-K708(M278) telegr., euromarcpat München
1. Februar 1971
KLS/PS/hö
Zusammengesetztes La^er
(Priorität: 2. Februar 1970 - U.S.A. - Nr. 8065)
Die Erfindung bezieht sich auf Gleitlager und betrifft insbesondere einen zusammengesetzten Lageraufbau mit einer masshaltigen Lagerfläche hoher Bruchfestigkeit, die ein festes Schmiermittel sowie Fasern aus einem Material umfasst, das sich dadurch kennzeichnet, dass seine Wärmeverformungs-Temperatur über der von PolytetrafIuorathylen4iegt.
Zusammengesetzte Lager, deren eine geringe Reibung aufweisende oder Lager-Flächen aus Polytetrafluoräthylen-Fasern (im folgenden kurzPTFE-Fasern) aufgebaut sind, sind bekannt und beispielsweise in den USA-Patenten Re. 24 675, 2 953 418, 3 110 530, 3 131 979 und 3 523 100 beschrieben. Derartige zusammengesetzte Lager v/eisen gewöhnlich eine Latrerfl^lchenschicht aus PTFB~Fasern
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auf, die mit anderen Fasern (etwa aus Baumwolle) verwebt sind, um die Befestigung der Gleitlagerfläche an einer Tragstruktur zu erleichtern. Wegen des geringen Reibungskoeffizienten von PTFE und der erhöhten physikalischen Eigenschaften des Materials in Faserform haben derartige Lagerstrukturen weite Verbreitung in Anwendungsfällen gefunden, bei denen verhältnismässig hohe · Lagerbelastungen auftreten. Die den PTFE innewohnenden Eigenschaften haben jedoch den Einsatz derartiger zusammengesetzter Lager bei Anwendungsfällen, bei denen hohe Temperaturen und hohe Lasten auftreten, erheblich eingeschränkt. Insbesondere ist PTFE insofern in seinen Abmessungen instabil, als es sich unter Last leichter deformiert, wenn die Temperatur infolge einer Änderung der Umgebungstemperatur oder infolge Reibungswärme steigt; ausserdem kennzeichnet es sich unglücklicherweise durch eine Wärmeverformungs-Temperatur, die für solche Anwendungsfälle unzulässig ist, bei denen hohe Lasten bei erhöhten Temperaturen auftreten. Praktisch liegt die Temperatur, bei der die Festigkeit von PTFE-Fasern auf Null abgesunken ist, bei 310° C.
Ein Hauptziel der Erfindung besteht somit darin, einen zusammengesetzten Lageraufbau mit einer Lagerflächen-Schicht zu schaffen, die ein festes Schmiermittel sowie Fasern aufweist, die hohe Dimensionsstabilität haben und sich für Hochtemperatur-Anwendungsfälle eignen, bei denen Lager mit PTFE-Fasern erhöhte Deformation und erhöhten Verschleiss zeigen. Kurz gesagt, umfasst das zusammengesetzte Lager in einer erfindungsgemässen Ausführungs-
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form ein Tragelement, an dem eine masshaltige oder formbeständige Lagerfläche hoher Bruchfestigkeit befestigt ist, die ein festes Schmiermittel enthält und aus Fasern eines Materials besteht, dessen Wärmeverformungs-Temperatur diejenige von Polytetrafluoräthylen überschreitet und das mindestens eine der folgenden Substanzgruppen enthält, nämlich aromatische Polyamide, Kohlenstoff, Graphit, aromatische Polysulfone, aromatische Polyimide und aromatische Polyesterimide. m
Im Vergleich mit Lagerstrukturen, die mit PTFE-Fasern ausgekleidet sind, kennzeichnen sich die erfindungsgemässen Lager durch erheblich höhere Belastbarkeit bei höheren Temperaturen. Durch Einfügen eines hoch-temperaturbeständigen festen Schmiermittels in die Zwischenräume der die Gleitfläche bildenden Fasern, lässt sich die Lebensdauer der erfindungsgemässen Lager gleich oder grosser der Lebensdauer vergleichbarer Lagerstrukturen mit PTFE-Faserflachen machen. Die zur Herstellung der erfinliungsgemässen Lager verwendeten fasrigen Materialien weisen ausser- m dem nicht das Hindernis nicht-klebender Eigenschaften auf, wie sie für PTFE typisch sind. Die Fasern zur Bildung der Gleitfläche der erfindungsgemässen Lager lassen sich also leicht und bequem mit herkömmlichen Klebstoffen und Kitten an der Trag- oder Stützstruktur befestigen, ohne dass es nötig wäre, komplizierte Verflechtungen zur Erzeugung einer zusammengesetzten Faser oder eines gewebten Verbundtextiis durchzuführen, um die Befestigung an dem Tragelement zu ermöglichen, wie dies bei Verwendung von PTFE-Fasembisher der Fall war.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in der ein Teil eines Radial-Gleitlagerrings schematisch dargestellt ist. Die Erfindung bezieht sich nicht nur auf Radial- sondern auch auf Axial- und·sonstige Arten von Gleitlagern.
Generell können alle bekannten Kohlenstoff- und Graphitfasern zur Herstellung der Lagerfläche des erfindungsgemässen Lagers verwendet werden. Beispielsweise lassen sich graphitisierte Monofile oder Fasern des in der USA-Patentschrift Nr. 3 107 152 beschriebenen Typs verwenden.
Zu den bei der praktischen Ausführung der Erfindung verwendbaren aromatischen Polyamiden gehören die linearen Polymere, die durch Grenzflächen-Polykondensation eines zweibasischen aromatischen Säurechlorids, beispielsweise PhthalyolChlorid, Isophthalyolchlorid oder Terephthalyolchlorid, mit einem aromatischen Diamin, etwa ortho-, meta- oder para-Phenylendiamin, Benzidin oder 4,4!-Diaminodiphenylmethan, erzeugt werden. Ein besonders bevorzugtes aromatisches Polyamid ist Poly(m-phenylenisophthaiamid), das von der Firma Du Pont Company hergestellt und unter der Handelsbezeichnung "Nomex" verkauft wird und sich dadurch kennzeichnet, dass seine Bruchfestigkeit bei 250° C 60 % der Bruchfestigkeit bei Zimmertemperatur beträgt. Weitere für die praktische Ausführung der Erfindung geeignete aromatische
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Polyamide sowie Verfahren zu ihrer Herstellung sind in dem Buch "New Linear Polymers" von Lee, Stoffey and Neville, McGraw Hill Book Company, 1967 beschrieben, dessen Inhalt hiermit Teil der Offenbarung der vorliegenden Erfindung wird.
Zu den bei der praktischen Ausübung der Erfindung verwendbaren aromatischen Polysulfonen gehören die linearen hochmolekularen Polyarylsulfone, wie sie beispielsweise durch Umsetzen des Dinatriumsalzes eines aromatischen Dithiols mit einem Dihalogendiphenylsulfon erzeugt werden. Spezielle Beispiele für Ausgangsmaterialien und Verfahren zur Herstellung aromatischer Polysulfone sind in dem oben genannten Buch "New Linear Polymers" beschrieben. Ein bei Ausübung der Erfindung bevorzugtes Polysulfon wird durch Reaktion des Dinatriumsalzes von Bisphenol-A mit p,p1-Dichlordiphenylsulfon in Dimethylsulfoxid und Chlorobenzol erhalten. -
Die zur Herstellung eines erfindungsgemässen Lagers verwendbaren aromatischen Polyimide umfassen die aromatischen Polyimide, die durch Umsetzen eines Dianhydrids, etwa Pyromellitdianhydride, mit einem aromatischen Diamin, ebwa meta- oder para-Phenylendiamin, erzeugt werden. Ein spezieiL.es Eieispiel für ein verwendbares Poiyimid bildet das hochmolekulare polymere Reaktionsprodukt, von ^,'j-'-Diamiricxliphfinylmethiui nut, F'yromel 1i t el i atihydrid. WeiWr,- He ι ..p LeIt: ! /;. i. ;-· her1 Jjiumitn' und Di anhydride, die zur Er-zfiiguri;2; der bei der· pe- :·.ϊ. t lochen Dur-'hfiirn unf·; der Erfindung
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verwendbaren Polyimide benützt werden können, sind wiederum in dem oben erwähnten Buch "New Linear Polymers" beschrieben.
Zu den für die erfindungsgemässe Gleitlager-Oberflächenschicht 1 verwendbaren aromatischen Polyesteramiden gehören die Reaktionsprodukte eines aromatischen Diamins, etwa m-Phenylendiamin, mit einem aromatische Ester-Bindungen enthaltenden Dianhydrid, beispielsweise Reaktionsprodukte von Trimellitanhydrid mit einem Diacetoxy-Derivat eines aromatischen Diols, vorzugsweise Hydrochinon. Ein bei der praktischen Ausführung der Erfindung verwendbares spezielles aromatisches Polyesterimid bildet das polymere Reaktionsprodukt von m-Phenylendiamin mit p-Phenylenbis(trimellitanhydrid). Weitere geeignete Ausgangsmaterialien und Verfahren zur Herstellung von aromatischen Polyesterimiden des bei der praktischen Ausübung der Erfindung verwendbaren Typs sind in dem erwähnten Buch "New Linear Polymers" dargelegt.
Alle obengenannten Materialien, die sich bei der prak tischen Ausübung der Erfindung verwenden lassen, d.h. aromatische Polyamide, Kohlenstoff, Graphit, aromatische Polysulfone, aroma tische Polyimide und aromatische Polyesterimide sind durch Wärmeverformungs-Temperaturen (gemessen nirh der Testmethode der amerikanischen Normen A.S.T.M. DGUr1) ^ekt.nr ■·■! Lehne t, die die Wärme verformun^s-Temperatur von ETE-'K iiborschriii ton, Ά A<, über 121° C hei en.or1 Parer^parmung von h,dh k[rJc:i\e und über* f j -"ι-, f j C bei eiru-r Spannung von 10,56 kg/cm !iffvn.
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BAD
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Das Lager bzw. die Gleitlagerschicht 1 des erfindungsgemässen Lagers kann eine einzelne Schicht oder, falls bevorzugt, mehrere Schichten von Fasern oder Fäden aus mindestens einem der oben stehenden Materialien umfassen. In der Zeichnung ist die Gleitlagerschicht 1 als aus zwei solchen Schichten 2,3 bestehend dargestellt. Die die Gleitfläche des Lägers bildenden Fasern können verflochten oder verwebt sein. Falls gewünscht, kann auch eine Kombination aus zwei oder mehr verschiedenen Materialien der oben beschriebenen Art verwendet werden, um eine zusammengesetzte Faser oder ein gewebtes Verbundtextil zur Herstellung der Lagerfläche zu bilden.
Zur Erzeugung eines erfindungsgemässen Schalenlagers kann ein Streifen oder Band aus Fäden des gewählten reibungsarmen Materials auf einen Dorn aufgewickelt werden, so dass eine kompakte innere Lagerfläche gebildet wird, die aus den reibungsarmen Materialfäden besteht. In alternativer Weise können die Fäden aus dem gewählten reibungsarmen Material in irgend einer sonstigen geeigneten Form, beispielsweise inform zweier einander kreuzender schraubenförmiger Lagen mit entgegengesetztem Wickelsinn, unter Spannung auf den Dorn gewickelt oder geflochten werden, um eine kompakte innere Lagerfläche zu bilden, die vollständig aus dem verwendeten Garn besteht. Das bei der praktischen Ausführung der Erfindung verwendete Garn kann aus einem monophilen Faden oder einem Zwirn bestehen, der aus kleineren Faserkomponenten des gewählten Materials hergestellt ist. Falls ge-
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wünscht, können die Fäden bzw. kann das Garn mit einem geeigneten harzimprägnierten Klebstoff vorimprägniert werden, um die Befestigung an dem Tragelement 4 zu erleichtern, wie dies im folgenden beschrieben wird.
Nachdem die Fasern oder Fäden auf die gewünschte Dicke um den Dorn gewickelt, oder geflochten worden sind, kann die Anordnung darüber mit einer Fadenwicklung oder mit einer Umhüllung aus einem strukturierten, mit einem Harz'voiimprägnierten Textil umwickelt werden, wodurch das Verstärkungs- oder Tragelement des zusammengesetzten Lagers gebildet wird. Beispiele für Materialien, wie sie zur Verwendung in diesem Zusammenhang geeignet sind, bilden Glas-Epoxyharz, Glas-Polyesterharz, Glas-Phenolharz, Leinen-Phenolharz und Baumwolle-Phenolharz. .Sonstige Fäden, Textilien und geeignete Harzimprägniermittel zur Erzeugung des Tragelements stehen dem Fachmann ohne weiteres zur Verfügung.
-Nachdem die Fädenwicklung oder die Textilumhüllung vollständig aufgetragen worden ist, wird das Harzimprägniermittel durch konventionelle Verfahren ausgehärtet, und die Anordnung wird abgekühlt und anschliessend von dem Dorn abgenommen. Das Ausmass der gegebenenfalls erforderlichen maschinellen Endbearbeitung hängt von den Toleranzen ab, die für die spezielle Anwendung des Lagers erforderlich sind. Wellenlager, deren Lagerfläche auf der Aussenseite liegt, lassen sich durch Umkehren des obigen Verfahrens herstellen. In ähnlicher Weise können flache Gegenstände oder sonsti-
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ge Formen dadurch erzeugt werden, dass ein aus dem gewünschten reibungsarmen Material des beschriebenen Typs bestehendes Gewebe auf ein geeignetes harzimprägniertes Textil auflaminiert wird.
Wie für den Fachmann leicht einzusehen, können auch andere steife Stütz- oder Tragelemente für den zusammengesetzten Lageraufbau nach der Erfindung verwendet werden. Beispielsweise kann die Gleitlagerfläche mit den Fäden aus den hier betrachteten Materialien mittels eines Klebstoffs an eine geeignete Metallunterstützung oder ein Metallgehäuse geklebt werden, das beispielsweise aus Eisen, Stahl, Kupfer, Aluminium, Messing, Bronze, Nickel oder Titan besteht. Metallunterstützungen dieser Art eignen sich für die Fabrikation des erfindungsgemässen zusammengesetzten Lagermaterials in der Tiegeldruckpresse. Ausserdera sind die Metallunterstützungen bei der Herstellung von Wicklungen aus dem zusammengesetzten Material verwendbar, aus denen sich die erfindungsgemässen Lager wirtschaftlich herstellen lassen.
Bei den Klebstoffen, die zur Befestigung der Lageroberflächenschicht 1 (bzw. der reibungsarmen Schicht) an dem Tragelement 4 (bzw, der Stützschicht) verwendet werden, um das erflndungsgemässe zusammengesetzte Lager zu erzeugen, kann es sich um einen der bekannten Hochtemperatur-Klebstoffe oder -Klebeharze handeln, die sich bei den Betriebstemperaturen der Lagerfläche nicht nennenswert zersetzen und die in der Lage
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sind, zwischen der faserigen Gleitschicht 1 und dem speziellen verwendeten Stützmaterial 4 eine gute und sehr feste Verklebung zu gewährleisten. Generell lassen sich viele der Epoxy-, modifizierten Epoxy-, Polyimid-, Phenol- oder Polyesterklebstoffe vorteilhaft einsetzen. Beispiele geeigneter Klebstoffe sind "Epoxylite 5403" und "Epoxylite 6203", wie sie von der Firma Epoxylite Corporation verkauft werden; "Leal Cw, wie es von der Firma Leal Company verkauft wird; sowie das von der Firma Union Carbide verkaufte 11ERL 256". Weitere geeignete Klebstoffe sind Zemente auf Phenolbasis, wie sie als "Armstrong N-101" von der Firma Armstrong Cork Company und als "Resinox EXEL 533" oder "Resinox EXEL 530" von der Firma Monsanto verkauft werden. Auch Zement auf Polyimidbasis, etwa das von der Firma Whittaker Corporation verkaufte "Metalbond 840", kann verwendet werden.
Das feste Schmiermittel, das dazu verwendet wird, um die reibungsarmen Eigenschaften des erfindungsgemässen Lagers ^u erhöhen, liegt gewöhnlich inform feiner Partikel vor und kann in dem verwendeten Harz dispergiert werden, um entweder die Gleittextilien oder -Fasern oder die für das verstärkende Tragelement verwendeten Textilien oder Fasern zu imprägnieren. In alternativer Weise kann das feste Schmiermittel in dem Klebstoff dispergiert werden» der zur Befestigung der Gleittextilschicht an dem Tragelement benützt wird. Die festen Schraiermittelpartikel können somit an der Lageroberfläche sowie in den Zwischenräumen in und zwischen den die Lagerfläche bildenden Fasern vorhanden sein.
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Die zur Herstellung des erfindungsgemässen Lagers verwendbaren festen Schmiermittel können mindestens eine der folgen-
t den Substanzen enthalten, nämlich Sulfide, Selenide und Telluride von Molybdän, Wolfram und Titan; Bleidiodid, Bornitrid und Kohlenstoff, Graphit oder Polytetrafluoräthylen. Das Harz-Imprägnier-Klebemittel, in dem das feste Schmiermittel verteilt ist, kann bis zu 30 Gewichtsprozent des festen Schmiermittels enthalten. Der Ausdruck "festes Schmiermittel" umfasst in der hier verwendeten Bedeutung auch eine feste Schmiermittelmasse, die sich bei 300° C nicht nennenswert zersetzt, sich auf Metallflächen leicht verschmiert und bei Prüfung auf einer dynamischen Reibungs-Testmaschine zwischen zwei Metallflächen einen Reibungskoeffizient von weniger als 0,15 zeigt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfasst eine zusammengesetzte Lagerstruktur, deren reibungsarme bzw. Gleitfläche ein festes Schmiermittel sowie ein Gewebe aus Kohlenstoff- oder Graphitfasern umfasst, das an ein starres Metall-Stützelement, etwa aus Stahl, angeklebt ist. Die Gleiteigenschaften einer solchen Struktur werden durch Verwendung von teilchenförmigen! PTFE mit oder ohne einem oder mehreren teilchenförmigen Füllmitteln, etwa dem festen Schmiermittel, verstärkt. In diesem Zusammenhang können mit PTFE imprägnierte graphitisierte Monofile oder Fasern des in der USA-Patentschrift Nr. 3 107 152 beschriebenen Typs verwendet werden. In alternativer V/eise kann eine Mischung aus teilchenförmigem PTFE und,
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falls gewünscht, einem Füllmittel gleichmässig über die aus Kohlenstoff- oder Graphitfasern bestehende Gleitfläche des zusam-
mengesetzten Lagers verteilt und das so beschichtete Lager unter genügender Hitze und ausreichendem Druck gepresst werden, um zu erreichen, dass die Partikel in und durch die Zwischenräume in und zwischen den Graphit- oder Kohlenstoffasern hindurchtreten und das PTFE sintern. Falls gewünscht, kann das teilchenförmige PTFE (und das gegebenenfalls vorhandene Füllmittel) bei der aus Kohlenstoff- oder Graphitgewebe bestehenden Gleitschicht des zusammengesetzten Lagers inform einer dünnen elastischen Decke angewandt werden, wie sie etwa in der britischen Patentschrift Nr. 1 163 950 beschrieben ist. Beispiele für spezielle PTFE-Materialien sowie für geeignete Füllmittel sind in der genannten britischen Patentschrift dargelegt, die hiermit Teil der Offenbarung der vorliegenden Erfindung wird.
Wie für den Fachmann ersichtlich, richtet sich die vorliegende Erfindung auf einen zusammengesetzten Lageraufbau, der mindestens die folgenden zwei Komponenten umfasst: 1.. eine reibungsarme Lager-Oberflächenschicht, die ein festes Schmiermittel sowie Fasern aus einem oder mehreren der oben erwähnten Materialien enthält, sowie 2. eine starre tragende Stützschicht, die an die Gleitfläche angeklebt ist. Im allgemeinen besteht die starre Tragstruktur bzw. Unterstützung aus einem Material, das von dem für die reibungsarme oder Gleit-Lagerschicht verwendeten Material verschieden ist. Es liegt jedoch im Bereich der Erfin-
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dung, die Stützschicht aus dem gleichen Material herzustellen, aus dem auch die Fasern bestehen und das derart modifiziert oder behandelt worden ist, dass es für die bei der jeweiligen speziellen Lageranwendung erforderliche Unterstützung starr genug ist. Besteht beispielsweise die Lagerfläche aus einem Fasergewebe eines der bevorzugten Materialien, so kann das Tragelement zusätzliche Schichten aus einem derartigen Gewebe umfassen, das mit einem verstärkenden Harz imprägniert worden ist, v/obei das Harz anschliessend zur Erzielung der gewünschten Steifigkeit ausgehärtet wird. In alternativer Weise kann die faserige Lagerfläche eines der bevorzugten Materialien an eine verstärkende Unterstützung angeklebt sein, die aus dem identischen Material gegossen ist. Obwohl also das erfindungsgemässe Lager von seinem Aufbau her als "zusammengesetztes Lager" betrachtet wird und als solches bezeichnet worden ist, können doch, wie ersichtlich, die tragende Unterstützung und die faserige Gleitflächenschicht aus dem gleichen Material bestehen.
Ansprüche
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Claims (9)

Ansprüche
1.7 Lager, bestehend aus einem Tragelement, an dem zur Bildung eines einheitlichen zusammengesetzten Aufbaus eine formstabile Lagerflächenschicht hoher Bruchfestigkeit befestigt ist, dadurch gekennzeichnet , dass die Lagerflächenschicht (1) ein festes Schmiermittel sowie Fasern aus einem Material enthält, dessen Wärmeverformungstemperatur über derjenigen von Polytetrafluoräthylen liegt und das mindestens eine der folgenden Substanzgruppen enthält, nämlich aromatische Polyamide, Kohlenstoff, Graphit, aromatische Polysulfone, aromatische Polyimide und aromatische Polyesterimide.
2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus Poly(m-phenylenisophthalamid) bestehen.
3. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich ^ net, dass die Fasern aus Kohlenstoff bestehen.
k. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die Fasern aus Graphit bestehen.
5. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus einem aromatischen Polysulfon bestehen.
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6. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus einem aromatischen Polyimid bestehen.
7. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die Fasern aus einem aromatischen Polyesterimid bestehen.
8. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass das feste Schmiermittel teilchenförmiges PoIytetrafluoräthylen enthält.
9. Lager nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet , dass das Tragelement (4) eine starre Metall struktur umfasst.
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