DE2511120A1 - Praezisions-waelzlager - Google Patents

Description

• Präzisions-Wälzlager Die Erfindung betrifft ein Präzisions-Wälzlager, insbesondere für Vakuumanwendung für bewegbare Teile, insbesondere in Satelliten oder Raumfahrzeugen.
• Problemstellung Bei Einsatz von Wälzlagern im Vakuum oder Rochvakuum müssen außer den üblichen Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit, Festigkeit noch zusätzliche Forderungen im Hinblick auf Funktion, Langzeitstabilität, Temperaturverhalten, Schmierung bzw. Zuverlässigkeit erfüllt werden. Es besteht weiterhin für Anwendungen insbesondere in der Raumfahrttechnik unter Vakuumbedingungen oder Hochvakuumbedingungen bei gleichmetallischem Kontakt der Wälzkörper mit den Lagerringen die Gefahr des sogenannten Kaltverschweißens oder Vakuumverschweißens.
• So ist gemäß der deutschen Patentanmeldung P 24 15 016.1 bereits ein besonderes Schmiersystem vorgeschlagen worden, bei welchem in Wirkungsrichtung zu einem Vakuum hin vor dem Lager und hinter dem Lager Schmiermittelspeicher als Dampfdrucksperren angeordnet sind, um das Dampfdruckgefälle des Schmiermittels in geeigneter Weise zu beeinflussen, das Vakuumkaltverschweißen zu vermeiden und auch für eine lange Lebensdauer eine sichere Schmierung des Lagers zu gewährleisten.
• Ein solches Schmiersystem ist jedoch mit einem nicht unerheblichen Aufwand verbunden. Weiterhin sind sogenannte Kunststofflager bekannt geworden, bei welchem anstelle von Stahl die Wälzkörper und/oder Lagerringe aus Kunststoffen oder, wie beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift 2 233 643 angegeben, aus Glas hergestellt sind. Damit können zwar die im Zusammenhang mit der Schmierung unter Vakuumbedingungen auftretenden Probleme umgangen werden, doch können mit derartigen Lagern keine hohen Genauigkeitsanforderungen hinsichtlich Präzision, Temperaturverhalten oder Belastbarkeit und speziellen Funktionen erfüllt werden. Darüberhinaus ist gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 1 951 302 bereits vorgeschlagen worden, Wälzlagerkugeln mit einem kugelförmigen Kern aus leichtem keramischem Aluminiumoxyd herzustellen und mit einer daran eng anliegenden hohlkugelförmigen Schale aus gesintertem, pulverisierten Stahl zu umschließen. Derartige Wälzlagerkugeln zeichnen sich zwar aus durch ein vergleichsweise geringes Gewicht und eine größere Elastizität als Stahlkugeln, doch ist deren Herstellung recht aufwendig. Auch das erwähnte Schmierproblem unter Vakuumbedingungen ist bei Verwendung solcher Wälzlagerkugeln unter Vakuumbedingungen wiederum gegeben. Es sei darauf hingewiesen, daß die Gefahr des Kaltverschweißens, vor allem bei gleicher Werkstoffpaarung bei geringen Bewegungen der Bauteile, wie beispielsweise der Kardanrahmen eines Stabilisierungsschwungrades, besonders hoch ist, da sich kein EHD Schmierfilm aufbauen kann.
• Aufgabe und Lösung Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde die genannten Nachteile zu vermeiden und mit einfachen Mitteln ein für Vakuumbedingungen geeignetes Wälzlager zu schaffen. Dieses Lager muß vor allem die in der Raumfahrttechnik gestellten Forderungen hinsichtlich Präzision, Temperaturverhalten, Lagzeitstabiliät und Zuverlässigkeit und Funktion erfüllen. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des ersten Patentanspruches dadurch gelöst, daß die Lagerringe in bekannter Weise aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise Stahl als Lager- bzw. Präzisionslagerteile hergestellt sind und daß die Wälzkörper aus einem eisenfreien, sehr harten - zähhart - jedoch nicht sprödem Werkstoff, vorzugsweise Keramik, bestehen.
• Vorteile und Weiterbildungen Das erfindungsgemäße Wälzlager bedarf aufgrund der angegebenen Werkstoffpaarung keiner zusätzlichen Schmierung mit Fett, Öl, Feststoffen, oder sonstigen Schmiermitteln, so daß damit die bekannten Schmierprobleme insbesondere bei Einsatz unter Vakuumbedingungen vermieden werden. Außerdem kann das bei Verwendung von Stahl als Werkstoff für Wälzkörper und Lagerringe vor allem bei geringen Relativbewegungen mögliche Kalt- oder Vakuumverschweißen nicht auftreten.
• Damit ist das Wälzlager besonders für den Einsatz in der Raumfahrttechnik bei Funktion in der Atmosphäre wie auch im Vakuum geeignet, zumal dort die Gefahr der Beschädigung bleibende Verformungen und/oder Verschweißen) aufgrund der hohen Belastungen durch die Vibrationen beim Startvorgang - Brinelling Effekt -der Laufbahnen und die Neigung zum Vakuum Kalt-Verschweißen besonders hoch ist. Ein sehr wesentlicher Vorteil ergibt sich im Hinblick auf das Temperaturverhalten der Schmierung des Wälzlagers. Bei herkömmlichen Lagern verursachen Temperaturänderungen auch Viskositätsänderungen des Schmiermittels, so daß auch die Reibemomente einer entsprechenden Änderung unterliegen. Mit dem erfindungsgemäßen Wälzlager wird jedoch ein sehr gutes Temperatur -Reibmoment - Verhalten auch für einen großen Temperaturbereich von beispielsweise 40°C bis +70°C erzielt. Durch die Verwendung eines harten, jedoch nicht spröden, also zähharten Werkstoffes für die Wälzkörper ergibt sich eine hohe Belastbarkeit (Tragzahl) des Wälzlagers, wobei Splittern oder Strukturrisse, welche bei einem spröden Werkstoff wie zum Beispiel Glas auftreten können, vermieden werden. Als bevorzugtes Kriterium sei in diesem Zusammenhang die Zähhärte des Werkstoffes angegeben, welche gemäß der Mohs'schen Härteskala im Bereich zwischen 8 und 9 liegt. Ein sehr wesentlicher Vorteil wird erreicht, wenn die Zähhärte der Werkstoffe für Wälzkörper und Lagerringe ähnliche Werte aufweisen, so daß an den Berührungsflächen von Wälzkörpern und Lagerringen ähnliche spezifische Flächenbelastungen auftreten. Als Werkstoff für die Wälzkörper wird bevorzugt Oxydkeramik vorgesehen, welcher insbesondere einen hohen Aluminiumoxyd-Gehalt von größer als 90% aufweist. Weiterhin sind Carbide wie Siliziumkarbid, Molybdäncarbid besonders geeignet oder auch sonstige Werkstoffe, welche im Hinblick auf Zähhärte, Belastbarkeit und einer Struktur und Oberflächengüte diesen in etwa entsprechen. Zur Herstellung der Wälzkörper wird das an sich bekannte isostatische Trockenpreßverfahren angewendet. Derartige Wälzkörper zeichnen sich vor allem aus durch eine sehr feine Kristallgroße und sind weitgehend homogen und porenfrei, so daß eine sehr glatte Oberfläche erreicht wird. Durch Schleifen der Wälzkörper wird eine sehr exakte Oberfläche sowohl Geometrie als auch Rauhtiefe erreicht, wobei für kugelförmige Wälzkörper nur geringfügige Abweichungen von der sphärischen Kugelform, ähnlich wie bei den bekannten Stahlkugeln sich ergeben. Weiterhin wird damit gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung die Oberflächenrauhigkeit der Wälzkörper um den Faktor 0,5#10-5 kleiner als der Durchmesser der Wälzkörper gewählt. Aufgrund der angegebenen Oberflächengüte und der Zähhärte der Wälzkörper ergeben sich in vorteilhafter Weise sehr kleine Reibemomente, welche wie bereits angegeben praktisch keiner temperaturabhängigen Änderung unterliegen. Es ist darüberhinaus hinsichtlich einer einfachen und kostengünstigen Fertigung von besonderer Bedeutung, wenn die Lagerringe eine hohe Güte und Genauigkeit insbesondere nach der bekannten Deutschen Industrie Norm 620 den AFBMA-Standarts aufweisen, da sich, derartige Lagerringe nach bekannten Verfahren auch in großen Stückzahlen herstellen lassen oder von den einschlägigen Lagerherstellern beziehen lassen. In Kombination mit präzisionsgeschliffenen Wälzkörpern und vorzugsweise präzisionsgeschliffenen Kugeln ergibt sich somit ein Wälzlager, welches sämtliche hohen Anforderungen der Raumfahrttechnik erfüllt und gegenüber herkömmlichen Lagern praktisch keine zusätzlichen Kosten erfordert. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Wälzlager einen aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 263 223 bekannten Käfig mit Taschen zur Aufnahme und Führung der Wälzkörper auf. Dabei schneiden sich die in Umfangsrichtung des Käfigs vorderen und hinteren Flächen oder Flächenteile der Taschen auf der dem Lagermittelpunkt zugewandten Seite des jeweiligen Wälzkörpers, wobei die Neigung der vorderen Flächen oder Flächenteile in Bezug auf die durch den jeweiligen Wälzkörpermittelpunkt verlaufende Axialebene kleiner ist als die Neigung der hinteren Flächen oder Flächenteile. Auf diese Weise ist ein Präzisionslager geschaffen, welches sich durch eine hohe Funktionssicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer auszeichnet, Mit der angegebenen Werkstoffpaarung von Wälzkörpern und Lagerringen in Kombination mit dem genannten Käfig wird in überraschender Weise ein Wälzlager geschaffen, bei welchen Pendelbewegungen des Käfigs weitgehend vermieden werden. Bei Wälzlagern mit einem Käfig gemäß der Offenlegungsschrift 2 263 223 wird zwar im Vergleich zu Wälzlagern Damit üblichen Taschen die Neigung zu Pendelbewegungen und damit zu Zerstörungen des Käfigs erheblich verringert. Das erfindungsgemäße Präzisions-Wälzlager zeichnet sich demgegenüber in sehr vorteilhafter Weise durch eine weitaus stärkere Verringerung der Pendelbewegungen des Käfigs aus und dies bei äußerst kleinen Reibmomenten und ohne Schmiermittel.
• Ausführungsbeispiel Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 - einen Querschnitt durch ein Radialrillenkugellager mit konischen Bohrungen in einem Käfig.
• In Fig. 1 ist ein Radial-Rillenkugellager im Querschnitt dargestellt, wobei eine Anzahl von Wälzkörpern, welche als Kugel 1 ausgebildet sind, zwischen den Laufflächen eines äußeren 3 und eines inneren Lagerringes 4 angeordnet sind.
• Die genannten Lagerringe sind in bekannter Weise aus Stahl entsprechend der Deutschen Industrie Norm 620 hergestellt, wobei keine zusätzliche Vorbehandlung erfolgt. Die Kugeln 1 bestehen aus einem eisenfreien, sehr harten - zähharten -jedoch nicht spröden Werkstoff und zwar vorzugsweise aus Keramik oder aus Carbiden. Weiterhin entspricht die Zähhärte gemäß der Mohs'schen Härteskala von den Kugeln zumindest näherungsweise der Zähhärte von den Lagerringen.
• Es ist ein zylindrischer Lagerkäfig 5 zwischen den genannten Lagerringen 3, 4 vorgesehen mit konischen Bohrungen 6 zur Aufnahme der Kugeln 1. Die Symmetrielinie 8 jeder Bohrung ist gegenüber der radialen Verbindungslinie 9, welche durch die Drehachse 10 des Lagers und den Mittelpunkt 11 der Kugel verläuft, um einen Winkel α geneigt.
• Die Spitze der genannten kegeligen Bohrungen mit einem Öffnungswinkel ß leigt vorzugsweise auf einer zu der Verbindungslinie 9 im wesentlichen senkrechten Verbindungslinie 13, welche ebenfalls durch die Drehachse des Wälzlagers verläuft. Damit ist ein mit geringem Aufwand hergestelltes Präzisions-Wälzlager geschaffen, welches sämtlichen hohen Anforderungen der Raumfahrttechnik entspricht. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Präzisionslager für andere Anwendungen in ebenso hevorragender Weise geeignet, wobei an dieser Stelle der Einsatz bei aggressiven Gasen oder Flüssigkeiten, in Vakuumpumpen oder in der Reaktortechnik genannt sei.
• - Patentansprüche -

Claims (12)

1. Patentansprüche 1. Prazisions-Walzlager, insbesondere für Vakuumanwendung für bewegbare Teile insbesondere in Satelliten oder Raumfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerringe in bekannter Weise aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise Stahl als Lager- bzw. Präzisionslagerteile hergestellt sind und daß die Wälzkörper aus einem eisenfreien, sehr harten - zähhart - jedoch nicht sprödem Werkstoff, vorzugsweise Keramik, Carbiden bestehen.
2. 2. Präzisions-Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zähhärte gemäß der Mohs'schen Härteskala der Werkstoffe von Wälzkörpern und Lagerringen zumindest näherungsweise einander entsprechen, wobei der Härtegrad vorzugsweise im Bereich von 8 bis 9 liegt.
3. 3. Präzisions-Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wälzkörper Werkstoff Oxydkeramik, vorzugsweise mit einem hohen Aluminiumoxyd-Gehalt, verwendet wird.
4. 4. Präzisions-Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper aus Keramik, Carbiden oder vergleichbaren Materialien bestehen und vorzugsweise nach dem bekannten isostatischen Trockenpreßverfahren hergestellt sind.
5. 5. Präzisions-Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzkörper-Werkstoff einen Aluminiumoxyd-Gehalt (AL2O3) von größer als 90% aufweist.
6. 6. Präzisions-Wälzlager nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzkörper-Werkstoff eine sehr - Patentansprüche -feine Kristallgröße aufweist und weitgehend homogen sowie porenfrei ist.
7. 7. Präzisions-Wälzlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenrauhigkeit der Wälzkörper kleiner als 0,5#10-5 des Durchmesers beträgt.
8. 8. Präzisions-Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerringe eine hohe Genauigkeit und Oberflächengüte insbesondere nach den bekannten Deutschen Industrie Normen (DIN) 620 aufweisen und die Wälzkörper als präzisionsgeschliffene Kugeln mit ebenfalls hoher Formgenauigkeit, geringer Oberflächenrauhigkeit und vernachlässigbar kleinen Durchmesserabweichungen innerhalb eines Lagers ausgebildet sind.
9. 9. Präzisions-Wälzlager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerringe in den entsprechenden DIN 620 genormten Abmessungen ausgeführt sind und keine zusätzliche Bearbeitung oder Vorbehandlung benötigen, wie dies zum Teil bei feststoffbeschichteten Lagern erforderlich ist.
10. 10. Präzisions-Wälzlager nach einem der vorhergehender Ansprüche, gekennzeichnet durch die Kombination mit einem an sich bekannten Käfig mit Taschen zur Aufnahme und Führung der Wälzkörper, wobei die in Umlaufrichtung des Käfigs vorderen und hinteren Flächen oder Flächenteile der Taschen sich auf der dem Lagermittelpunkt zugewandten Seite des jeweiligen Wälzkörpers schneiden und die Neigung der vorderen Flächen oder Flächenteile in Bezug auf die durch den jeweiligen Wältzkörpermittelpunkt verlaufende Axialebene kleiner ist als die Neigung der hintere. Flächen oder Flächenteile.
11. - Patentansprüche -11. Präzisions-Wälzlager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzlager als Kugeln ausgebildet sind und die genannten Taschen als konische Bohrungen ausgebildet sind.
12. 12. Präzisions-Wälzlager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel ß der konischen Bohrungen im wesentlichen gleich dem Neigungswinkel α ist, welchen die Mittellinie der Bohrung mit der durch den Mittelpunkt der jeweiligen Kugel verlaufenden Axialebene bildet.