DE2104605C2

DE2104605C2 - Gleitlagerelement

Info

Publication number: DE2104605C2
Application number: DE2104605A
Authority: DE
Inventors: James Cairns; Nicholas Cherry Hill N.J. Walton
Original assignee: Garlock Inc
Current assignee: Garlock Inc
Priority date: 1970-02-02
Filing date: 1971-02-01
Publication date: 1983-12-29
Also published as: CA929574A; BE760308A; GB1337995A; DE2104605A1; NL7018481A; US3781205A; JPS5421498B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gleitlagerelement nach dem Oberl: .-griff des Anspruchs I.

Gleitlager, deren eine geringe Reibung aufweisende oder Lager-Flächen aus Polytetrafluorethylen- Fasern (im folgenden kurz PTFE-Fasern) lufgebaut sind, sind bekannt und beispielsweise in den US-PS Re. 24 765, 29 53 418, 31 10 530, 31 31 979 und 33 28 100 beschrieben. Derartige Gleitlager weisen gewöhnlich eine Lagerflächenschicht aus PTFE-Fasern 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 feinen 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 Wärmeverformungstemperatur, 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 310⁰G.

»Chemistry and Industry« vom 27. April 1968, S. 526—528, offenbart zwar die Hinzufügung vori Kohlenstoffasern zu einem thermoplastischen oder thermohärtenden Harz, jedoch fehlt beispielsweise die ' Benutzung des Harz-Bindemittels, durch das die Lagerflächen-Schicht an einer starren Tragschicht befestigt wird, sowie ferner die Einbringung eines festen Schmiermittels in den Zwischenräumen zwischen den Fasern oder Fäden.

Aus der US-PS 33 42 667 ist eine Schicht aus einem

Lagermaterial bekannt, die aus 18 bis 52 VoL-%

ϊ wärmeleitfähiger MetaIIi:eilchen aus Bronze, Kupfer, Silber, Blei, 12 bis 32 Vol.-% eines festen Schmiermittels, nämlich Graphit oder Molybdändisulfid, 14 bis 33 Vol.-°/iy gesintertem Fluorkohlenstoff und 21 bis 39 Vol.-% eines wärmehärtenden Epoxy- or'er PoIy-

H) esterharzes gebildet isL

Diese Schmiermittelschicht wird mit Hilfe des härtbaren Harzes an einem tragenden Metallsubstrat befestigt

Bei dieser bekannten Schmiermittelschicht ist einzig und allein die Zusammensetzung der Schmiermittel-Komponente aus den drei verschiedenen Bestandteilen, nämlich Metallteilchen, festem Schmiermittel und gesintertem Fluorkohlenstoff von Bedeutung, die ausnahmslos in Form feiner Teilchen eingesetzt werden.

-'<> Aus diesem Stand der Technik läßt sich daher keine Anregung herleiten, eine Schmiermittelschicht mit spezieller makroskopischer Struktur auszubilden, die aus Einzelfasern bzw. verzwirnten Fäden gebildet ist, in deren Zwischenräume Teiilchen des festen Schmiermit- > tels eingelagert sind.

Für die Erfindung ist es demgegenüber wesentlich, daß die Schmierm'Helschicht eine spezifische Zusammensetzung aus Fäden oder Fasern, die aus Materialien mit festgelegten Temperatureigenschaften bestehen, w und einem in die Zwischenräume zwischen den Fäden oder Fasern eingelagertem festen Schmiermittel in Form von Teilchen aufweiüt.

Die erfindungsgemäße Kombination konnte auch nach Kenntnis der Veröffentlichung in »Chemistry and Industry« nicht ohne erfinderische Leistung angegeben werden. Aus dieser Veröffentlichung kann lediglich entnommen werden, daß Kohlenstoffasern als solche gute Schmierwirkung besitzen, wenn sie in einer Matrix aus einem Harzmaterial vorliegen.-

In der erfindungsgemäßen Schvni<_Tschicht können zwar neben verschiedenen anderen geeigneten Fasern auch Kohlenstoffasern vorliegen, diese befinden sich jedoch nicht eingebettet in eine Kunstharzmatrix, sondern bilden selbst eine Schmieroberfläche in Kombination mit den eingelagerten Teilchen des festen Schmiermittels. Selbstverständlich sind alle Materialien, aus denen die erfindungsgemäß vorliegenden Fasern bestehen können, bereits bekannt. Auch die Wärrneverformungstemperatr.ren dieser Materialien sind nicht neu. Diese bekannten Eigenschaften waren jedoch nicht geeignet, eine Folgerung auf eine eventuelle Schmierwirkung dieser Materialien in Form von Fasern Zuzulassen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen zusammengesetzten Lagerajfbau mit einer Lagerflächen-Schicht zu schaffen, die ein festes Schmiermittel sowie Fasern aufweist, dii: hohe Dimensionsstabilität haben und sich für Horhiemperatur-Anwendungsfälle eignen, bei denen Lager mit PTFE-Fasern erhöhte Deformation und erhöhten Verschleiß zeigen. Diese Aufgabe wird wie aus den gekennzeichneten Teilen der Ansprüche ersichtlicht gelöst. Kurz gesagt, umfaßt das erfindungsgemäße Gleitlajrerelement in einer Ausführungsform 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 Wärmevcrforrmmgstemperatur diejenige von Polytetrafluorethylen

überschreitet und das mindestens eine der folgenden Substanzgruppen enthält, nämlich aromatische Polyamide, Kohlenstoff, insbesondere Graphit, aromatische Polysulfone, aromatische Polyimide und/oder aromatische Polyesterimide.

Im Vergleich mit Lagern, die mit PTFE-Fasern ausgekleidet sind, zeichnen sich die erfindungsgemäßen Lagerelemente durch erheblich höhere Belastbarkeit bei höheren Temperaturen aus. Durch Einfügen eines hoch-temperaturbeständigen festen Schmiermittels in die Zv/ischenräume der die Gleitfläche bildenden Fasern läßt sich die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Gleitlagerelemente gleich oder größer der Lebensdauer vergleichbarer Lager mit PTFE-Faserflächen machen. Die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Gleitlagerelemente verwendeten fasrigen Materialien weisen außerdem nicht das Hindernis nicht-klebender Eigenschaften auf, wie sie für PTFE typisch sind. Die Fasern zur Bildung der Gleitfläche der erfindungsgemäßen Gleitlagerelemente lassen sich also leicht und bequem mit herkömmlichen Klebstoffen und Kitten an der Trag- oder Stützstruktur befestigen, ohne daß ei nötig wäre, komplizierte Verflechtungen zur Erzeugung einer zusammengesetzten Faser oder eines gewebten Verbundtextils durchzuführen, um die Befestigung an dem Tragelement zu ermöglichen, wie dies bei Verwendung von PTFE-Fasern bisher der Fall war.

Die Erfindung wird anhand der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in der ein Teil eines Radial-Gleitlagerrings schematisch dargestellt ist, erläutert. Die Erfindung bezieht sich nicht nur auf Radialsondern auch auf Axial- und sonstige Arten von Gleitlagern.

Generell können alle bekannten Kohlenstoff- und Graphitfasern zur Herstellung der Lagerfläche des 'erfindungsgemäßen Gleitlagerelements verwendet werden. Beispielsweise lassen sich graphitisierte Monofile oder Fasern des in der US-PS 31 07 152 beschriebenen Typs verwende!.

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 Tercphthalyclchlorid, mit ein,™ aromatischen Diamin, etwa ortho-, meta- oder para-Phenylendiamin, Benzidin oder 4.4'-Diaminodiphenylmethan, erhalten werden. Ein besonders bevorzugtes aromatisches Polyamid ist Poly(m-pher.ylenisophthalamid), das sich dadurch auszeichnet, daß seine Bruchfestigkeit bei 250^DC 60% e'er Bruchfestigkeit bei Zimmertemperatur beträgt. Weitere für die praktische Ausführung der Erfindung geeignete aromatische Polyamide sowie Verfahren zu ihrer Herstellung sind in dem Buch »New Linear Polymers« von Lee, Stoffey and Neville, McGraw Hill Book Company, 1967 beschrieben.

Zu den bei den praktisch verwendbaren aromatischen Polysulfonen gehören die linearen hochmolekularen Polyarylsulfone, wie sie beispielsweise durch Umsetzen des Dinätfiümsälzes 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 bevorzugtes Polysulfon wird durch Reaktion des Dinatriumsalzes von Pisphenol-A mit p.p'-Dichloridphenylsulfon in Dimethylsulfoxid und Clorobenzol

erhalten.

Die zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Gleitlagerelements verwendbaren aromatischen Polyimide umfassen die aromatischen Polyimide, die durch Umsetzen eines Dianhyrids, etwa Pyromellitdianhydride, mit einem aromatischen Diamin, etwa meta- oder para-Phenylendiamin, erzeugt werden. Ein spezielles Beispiel für ein verwendbares Polyimid bildet das hochmolekulare polymere Reaktionsprodukt von 4,4'-Diaminodiphenylmethan mit Pyromellitdianhydrid. Weitere Beispiele typischer Diamine und Dianhydride sind wiederum in dem oben erwähnten Buch »New Linear Polymers« beschrieben.

Zu den für die erfindungsgemäße Gleitlager-Oberflächenschicht 1 verwendbaren aromatischen Polyesterimiden gehören die Reaktionsprodukte eines aromatischen Diamins, etwa m-Phenylendiamin, mit einem aromatische Ester-Bindungen enthaltenden Dianhydrid, beispielsweise Reaktionsprodukte von Trimellitanhydrid mit einem Diacetoxy-Derivat einps aromatischen Diols, vorzugsweise Hydrochinon. Ein spezielles aromatisches Polyesterimid bildet das polymere Reaktionsprodukt von m-Phenylendiamin mit p-Phenylenbis(trimellitanhydrid). Weitere geeignete Ausgangsmaterialien und Verfahren zur Herstellung von aromatischen Polyesteramiden des bei der praktischen Ausübung der Erfindung verwendbaren Typs sind in dem erwähnten Buch »New Linear Polymers« dargelegt.

Alle oben genannten Materialien, die sich bei der praktischen Ausübung der Erfindung verwenden lassen, d.h. aromatische Polyamide, Kohlenstoff, Graphit, aromatisch Polysulfone, aromatische Polyimide und aromatische Polyesterimide sind durch Wärmeverformungstemperaturen (gemessen nach der Testmethode der amerikanischen Normen A.S.T.M.D 648) gekennzeichnet, die die Wärmeverformungstemperatur von PTFE überschreiten, d.h. über 121°C bei einer Faserspannung von 4,64 kg/cm² und über 54,5° C bei einer Spannung von 18,56 kg/cm² liegen.

Das Lager bzw. die Gleitlagerschicht 1 des erfindungsgemäßen Gleitlagerelements 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 Lagers 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 Herstellung eines eriindungsgemäßen Schalenlagers ka.in 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 irgendeiner sonstigen geeigneten Form, beispielsweise inform zweier einander kreuzender schraubenförmiger Lagen mit entgegengesetztem Wickeisinn, unttr 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 Faserkomponcnten

tics gewählten Materials hergestellt ist I alls irewünsclit. können die Faden bzw. kann tl.is Garn mit einem geeigneten harzimprägnierten Klebstoff vorimprägnicrt werden, um die Befestigung an dem Tragelement 4 zu erleichtern, wie dies im folgenden beschrieben wird. Nachdem die Fasern oder Fiidcn auf die gewünschte Dicke um den Dorn gewickelt "der geflochten worden sind, kann die Anordnung darüber mit einer Fadenwicklung oder mit einer Umhüllung aus einem strukturierten, mit einem harzimprägnierten Textil umwickelt werden, wodurch das Verstärkung^- oder Tragelemcnt des zusammengesetzten Lagers gebildet wird. Beispiele für Materialien, wie sie zur Verwendung in diesem Zusammenhang geeignet sind, bilden Glas-Epoxyharz. Glas-Polyesterharz, Glas-Phenolharz, I.einen-Phenolharz und Baumwolle-Phenolharz. Sonstige Fäden, Textilien und geeignete Harzimprägniermittel zur Erzeugung des Tragelements stehen dem Fachmann ohne weiieres 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 sonstige Formen dadurch erzeugt werden, daß ein aus aem gewünschten reibungsarmen Material des beschriebenen Typs bestehendes Gewebe auf ein geeignetes harzimprägniertes Textil auflamiert wird.

Auch andere steife Stütz- oder Tragelemente können für das erfindungsgemäße Gleitlagerelement verwendet wprHpn O^i>'£ⁿie!swe!Es Rsp" die G!eit!3£=crf!3ch€ ™it 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. Metallträger dieser Art eignen sich für die Fabrikation des erfindungsgemäßen Gleitlagerelements in der Tiegeldruckpresse. Außerdem sind die Metallträger bei der Herstellung von Wicklungen aus dem zusammengesetzten Material verwendbar, aus denen sich die erfindungsgemäßen Gleitlagerelemente wirtschaftlich herstellen lassen.

Bei den Klebstoffen, die zur Befestigung der Lageroberflächenschicht 1 (bzw. der reibungsarmen Schicht) an dem Tragelement 4 (bzw. Stützschicht) verwendet werden, um das erfindungsgemäße Gleitlagerelement zu erzeugen, kann es sich um einen der bekannten Hochtemperatur-Klebstoffe oder -Klebharze handeln, die sich bei den Betriebstemperaturen der Lagerfläche nicht nennenswert zersetzen und die in der Lage 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.

Das feste Schmiermittel, das dazu verwendet wird, um die reibungsarmen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Gleitlagerelements zu erhöhen, liegt gewöhnlich in Form 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 fesle Schmiermittel in dem Klebstoff dispergiert werden, der zur Helestigutig der Gleittextilschicht an dem Tragelement benützt wird. Die festen Schmiermiltelpartikel können somit an der Lageroberfläche sowie in den Zwischenräumen in und zwischen den die Lagerfläche bildenden Fasern vorhanden sein.

Die zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gleit-■ π lagerelements verwendbaren festen Schmiermittel können mindestens eine der folgenden Subsianzen enthalten, nämlich Sulfide, Selenide und Telluride von Molybdän. Wolfram und Titan; Blcidijodid, Bornitrid und Kohlenstoff, Graphit oder Polytetrafluorethylen. ι , Das Harz-Imprägnier-Klebcmittel. in dem das feste Schmiermittel verteilt ist, kann bis zu 30 Gewichtsprozent des festen Schmiermittels enthalten. Der Ausdruck »festes Schmiermittel« umfaßt in den hier verwendeten Bedeuiung auch eine feste Schmicrmitteimasse, die sich ή bei 300⁰C nicht nennenswert zersetzt, sich auf Metallflächen leicht verschmiert und bei Prüfung auf einer dynamischen Reibungs-Testmaschine zwischen zwei Metallflächen einen Reibungskoeffizienten von weniger als 0,15 zeigt.

., Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein Gleitlagerelement, dessen reibungsarme Gleitfläche ein festes Schmiermittel sowie ein Gewebe aus Koiveiistoff- oder Graphitfasern umfaßt, das an ein starres Metall-Stützelement, etwa aus Stahl, angeklebt in 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 graphitierte Monofile oder Fasern des in der US-PS 31 07 152 beschriebenen Typs verwendet werden, !n alternativer Weise kann eine Mischung aus teilchenförmigen! PTFE und. falls erwünscht, einem Füllmittel gleichmäßig über die aus Kohlenstoff- oder ίο Graphitfasern bestehende Gleitfläche des Gleitlagers 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 Kohlenstoffa-4", sern 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 Gleitlagers in Form einer dünnen elastischen Vi Decke angewandt werden, wie sie etwa in der GP-PS 11 63 950 beschrieben ist. Beispiele für spezielle PTFE-Materialien sowie für geeignete Füllmittel sind in der genannten britiscnen Patentschrift dargelegt.

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf einen -,i Gleitlageraufbau, der mindestens die folgenden zwei Komponenten umfaßt:

1. eine reibungsarme Lager-Oberflächenschicht die ein festes Schmiermittel sowie Fasern aus einem oder mehreren der obenerwähnten 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 Materialien verschieden ist Es liegt jedoch im Bereich

iler Erfindung, die Stiit/schichi aus dem gleichen Material herzustellen, aus dem auch die Fasern bestehen und das derart modifiziert oder behandelt worden ist. daU es fiirdie l>ei der leweiligen speziellen Lageranuendung erforderliche Unterstützung starr genug ist. Mesteht beispielsweise die l.agerflache aus einem Fasergewebe eines di:r bevorzugten Materialien, so kann das Tragelenicnt zusätzliche Schichten aus einem derartigen Gewebe umfassen.das ihm einem verstärkenden Harz imprägniert worden ist, wobei das larz anschließend zur Erzielung der gewünschten Steifigkeit ausgehartet wird. In alternativer Weise kann die faserige l.agerflache eines der bevorzugten Materialien an eine verstärkende Unterstützung angeklebt sein, die aus dem identischen Material gegossen ist. Obwohl also das erfindungsgcmäße Lager von seinem Aufbau her als »Gleitlager« betrachtet wird und als solches bezeichnet worden ist. können doch, wie ersichtlich, die tragende Llnterstiitzung und die faserige Gleitfläehenschichl aus dem gleichen Material bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gleitlagerelement, dessen Gleitfläche durch eine Schicht aus einem festes Schmiermittel, z. B. Polytetrafluorethylen, das leicht auf Metallflächen schmiert und das bei Anbringung zwischen zwei Metallflächen einen Reibungskoeffizienten unterhalb 0,15 zeigt, enthaltenden zusammengesetzten Gleitlagermaterial gebildet ist und durch ein Harz-Bindemittel an einem Tragrücken befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Gleitfläche bildende Schicht aus Einzelfasern oder verzwirnten Fäden aufgebaut ist, die gemessen nach A.S.T.M.D 648 eine die Wärmeverformungstemperatur von Polytetrafiuoräthylen überschreitende Wärmeverformungstemperatur von mehr als 121°C bei einer Faserspannung von 4,64 kg/cm- und über 54,5° C bei einer Spannung von 18,56 kg/cm² haben die aus einem aromatischen Polyamid, Kohlenstoff, insbesondere Graphit, aromatischen Polysulfon, aromatischen Polyimid und/oder einem aromatischen Poiyesterimid bestehen und die iose, verflochten oder verwebt vorliegen.

2. Gleitlagerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern oder Fäden aus Poly(m-phenylenisophthalamid) bestehen.