DE2519878C3

DE2519878C3 - Lagersitzfläche und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE2519878C3
Application number: DE2519878A
Authority: DE
Inventors: Stig Lennart Vaestra Froelunda Hallerbaeck
Original assignee: SKF GmbH
Current assignee: SKF GmbH
Priority date: 1974-05-03
Filing date: 1975-05-03
Publication date: 1985-10-03
Also published as: DE2519878A1; RO64814A; SE7405905L; FR2269657A1; SE383554B; JPS50157750A; JPS5339949B2; DE2519878B2; GB1502996A; DD117518A5; FR2269657B1; IT1032782B

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen Sitzfläche für ein Lagerelement, insbesondere für einen Laufring eines Wälzlagers, z. B. in einem Gehäuse oder Gehäusedeckel aus Gußwerkstoff mit einem gegenüber dem Lagerelement unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten, bei dem in das die Sitzfläche aufweisende Teil eine Stahlwendel eingegossen wird.

Bei Maschinen mit rotierenden Teilen, z. B. bei elektrischen Motoren, ist es wichtig, daß de^r Rotor relativ zum Stator mit einer hohen Laufgenauigkeit in den Lagern gehalten wird, wobei gleichzeitig das Lagerelement und die zylindrische Lagersitzfläche derart beschaffen sein müssen, daß während der Betriebszeit der Maschine diese Genauigkeit gehalten so wird, sich also nicht verändert. Aus diesem Grund darf das Spiel zwischen dem Außenring des Lagers (welches normalerweise ein Kugellager ist) und der Gehäusebohrung nur in kleinen Grenzen schwanken, denn nur so kann sich der Außenring des auf der Loslagerseite eingebauten Lagers unter Vermeidung unzulässiger Axialbelastungen axial in der Gehäusebohrung verschieben, wobei das Spiel so klein ist, daß gleichzeitig ein schädliches Wandern des Außenringes auf seiner Sitzfläche vermieden ist.

Das Lagergehäuse oder Lagerschild mit der zylindrischen Lagersitzfläche, welches das Lager bzw. Lagerelement trägt, wird normalerweise aus Metall gefertigt, zum Beispiel aus Stahl, Gußeisen oder Aluminium. Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen ist es manchmal vorteilhaft, das Lagergehäuse oder -schild aus Kunststoff zu fertigen. In diesem Fall bereitet der eroße Unterschied zwischen dem Wärmedehnungskoeffizienten von Kunststoff und dem von Stahl (Wälzlager werden fast durchwegs aus Stahl gefertigt) große Schwierigkeiten, weil das Spiel zwischen dem Lageraußenring und der Lagersitzfläche in der Bohrung des Gehäuses größeren Schwankungen unterworfen ist Bei niedrigen Temperaturen der Lagersitzfläche besteht die Gefahr, daß der Lageraußenring im Gehäuse festgeklemmt wird, so daß große axiale Belastungen auf das Wälzlager kommen. Dagegen wird das Spiel bei hohen Temperaturen so groß, daß der Außenring sich auf der Lagersitzfläche (Bohrung des Lagergehäuses oder -Schildes) dreht, wodurch die Lagersitzfläche schnell verschleißt

Ein weiterer Nachteil von zylindrischen Lagersitzflächen aus Kunststoff ist darin zu sehen, daß in Fällen, wo ein Preßsitz zwischen Außenring und Lagergehäuse oder -schild aus Kunststoff gewünscht wird, der Kunststoff infolge von Zug- und Druckspannungen fließt und der Preßsitz allmählich in einen zu losen Sitz übergeht

Es ist bereits bekannt geworden, einen Stahlring in den Kunststoff des Lagergehäuses einzugießen, der denselben Wärmedehnungskoeffizienten aufweist wie der Werkstoff des Lagers, um diese Schwierigkeiten zu überwinden. Dieser Stahlring erhält dann durch Rillen oder ähnliche Oberflächenerhebungen eine feste Verankerung im Kunststoff. Ein derartiges Lagergehäuse wird natürlich allen Anforderungen entsprechen, sowohl hinsichtlich der Schaffung einer gleichmäßig guten zylindrischen Sitzfläche mit hoher mechanischer Festigkeit, als auch hinsichtlich der Unabhängigkeit dieser Sitzfläche von Temperaturschwankungen. Der Nachteil einer solchen bekannten Sitzfläche liegt aber in erster Linie darin, daß diese nur mit aufwendigen Fertigungsmitteln herstellbar ist Die bekannte Sitzfläche wird nämlich hergestellt, indem der Stahlring, welcher Raumtemperatur hat, auf einen warmen Zapfen aufgesetzt wird und anschließend das Umgießen des Stahlrings mit Kunststoff erfolgt Danach muß die Bohrung des Stahlringes was recht teuer ist, überdreht werden.

Bei diesem bekannten Verfahren muß der Stahlring mit einem gewissen Spiel auf den Zapfen aufgesetzt werden, wobei dieses Spiel noch weiter vergrößert wird, wenn der Ring beim Spritzen oder Gießen des Kunststoffs auf Gußtemperatur, nämlich auf etwa 100⁰C, erwärmt wird (der Zapfen weist von Anfang an bereits diese Temperatur auf, und zwar durch die vorhergehende Gußoperation). Der Stahlring wird also auf dem Zapfen hängen und dementsprechend eine exzentrische Lage gegenüber dem Lagergehäuse oder Lagerschild einnehmen. Aufgrund dieses Umstandes ist es notwendig, den Stahlring im fertiggegossenen Lagergehäuse oder -schild einer teuren Nachbehandlung durch Drehen oder dgl. zu unterziehen.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen Sitzfläche für eine Welle wird eine Stahlwendel in einer Buchse aus einem Gußwerkstoff eingegossen (DE-AS 11 65 737). Diese Stahlwendel ist in der Nähe der zylindrischen Sitzfläche in der Bohrung der Buchse angeordnet, so daß eine genaue Halterung der Stahlwendel in der Gießform zur Herstellung der zylindrischen Sitzfläche schwierig herzustellen ist. Die Buchse kann sich übrigens beim Abkühlen nach dem Umgießen der Stahlwendel mit einem Gußwerkstoff mit einem gegenüber der Stahlwendel unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten verziehen und unrund werden. Dementsprechend

muß bei diesem bekannten Verfahren immer eine teure Nacharbeit der zylindrischen Sitzfläche in der Bohrung der Buchse vorgesehen werden. Dabei kann die Stahlwendel relativ zur zylindrischen Sitzfläche eine unerwünscht exzentrische Lage erhalten. Aufgrund dieser exzentrischen Lage der S^ahlwendel in der fertigbearbeiteten Buchse verzieht bzw. wölbt sich diese Buchse, wenn diese im Betrieb, z.B. durch Lagerreibungswärme, erwärmt wird. Dadurch verändert sLh das konstruktiensmäßig vorgesehene Spiel zwischen Lager und Sitzfläche in der Bohrung der Buchse und das Lager kann infolge Verklemmung auf der Sitzfläche und zusätzliche Belastung infolge Überlastung vorzeitig ausfallen.

Der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung liegt is die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen Sitzfläche für ein Lagerelement zu schaffen, welches einfach und wirtschaftlich ist, wobei sich die Sitzfläche trotz variabler Lauftemperatur relativ zum Lagerelement nicht ändert, so daß dauernd ein gleichbleibendes Spiel zwischen Lagerelement und Lagersitzfläche eingehalten wird.

Gelöst wird diese Aufgabe mittels der im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird erreicht, daß die Sitzfläche nach dem Umgießen der Stahlwendel eine sehr genaue zylindrische Form aufweist, so daß diese nachträglich nicht mehr bearbeitet werden muß. Beim Abkühlen oder Erwärmen des Gehäuses oder Gehäusedeckels werden im Gehäuse aus Gußwerkstoff mit einem gegenüber der Stahlwendel bzw. dem Lagerelement unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten Eigenspannungen erzeugt, die rotationssymmetrisch zur Sitzfläche angeordnet sind. Diese Eigenspannungen, die sowohl beim Abkühlen des Gehäuses nach dem Umgießen oder Umspritzen der Stahlwendel als auch im Betrieb bei Erwärmung des Gehäuses durch das Lagerelement hervorgerufen werden, verursachen also kein schädliches Unrundwerden der Sitzfläche des Gehäuses oder Gehäusedeckels. to

In einigen Fällen ist es wünschenswert, daß das Lagerelement elektrisch geerdet wird. Die Stahlwendel wird dann mit dem Ende eines elektrisch geerdeten Kabels verbunden, so daß eine geerdete Verbindung des Lagerelementes hergestellt ist, denn die Stahlwendel stellt einen elektrisch leitenden Kontakt mit dem Lagerelement her.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Mit der Maßnahme nach Anspruch 2 wird eine maßgenaue Lagersitzfläche aus Kunststoff geschaffen, die sich auch nach dem Umspritzen der Stahlwendei und Ausspritzen der Gießform nicht verzieht, weil der Kunststoff in der formhaltenden Gießform abkühlt und anschließend aushärtet.

Die Maßnahme nach Anspruch 3 bewirkt, daß die Oberfläche der Stahlwendel vor dem Umgießen oder Umspritzen gesäubert ist, so daß diese im Gußwerkstoff gleichmäßig verankert und festgehalten wird.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei F i g. 1 schematisch das Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen Sitzfläche für ein Lagerelement und Fi g. 2 in einer graphischen Darstellung die Versuchsergebnisse zeigt, welche mit einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sitzfläche und einer anderen, nur aus Kunststoff als Gußwerkstoff (ohne Stahlwendel) hergestellten Sitzfläche erhalten worden sind.

In F i g. 1 ist ein Zapfen 1 mit einem Durchmesser D] gezeigt Eine Stahlwendel 2 (schraubenförmig gewundenes Teil) ist seitlich des Zapfens gezeigt, welche einen geringfügig kleineren Durchmesser D₂ aufweist Mit einem leichten Druck kann diese Stahlwendei 2 auf den Zapfen 1 geschoben werden, so daß die Stahlwendel 2 einen Durchmesser annimmt, der genauso groß wie der des Zapfens 1 ist Der mit der Stahlwendel 2 ausgerüstete Zapfen 1 wird anschließend in die Gießform 3 eingeführt, so daß die Ausnehmung 4 gebildet ist In diese Ausnehmung 4 wird ein Gußwerkstoff, normalerweise ein aushärtbarer Kunststoff, gespritzt bzw. gegossen, der einen unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten gegenüber dem Lagerelement (nicht gezeigt) hat Nach der anschließenden Aushärtungsprozedur, die in der Gießform erfolgen kann, wird somit eine fertige Sitzfläche für das Lagerelement (nicht gezeigt) erhalten.

Die auf diese Weise hergestellte Sitzfläche in einem Gehäuse oder Gehäusedeckel hat einen Wärmedehnungskoeffizienten, der genauso groß ist wie der Wärmedehnungskoeffizient des auf dieser Sitzfläche angeordneten Lagerelementes, z. B. der Laufring eines Wälzlagers, denn sowohl die Stahlwendel 2 als auch das Lagerelement sind aus Stahl gefertigt. Da der Gußwerkstoff, im vorliegenden Fall ein Kunststoff, einen größeren Wärmedehnungskoeffizienten aufweist als Stahl und das Aushärten des Gußwerkstoffes bei einer relativ hohen Temperatur stattfindet, erhält die Stahlwendel beim Abkühlen des Gußwerkstoffes eine Vorspannung in dem die Sitzfläche tragendem Gehäuse oder Gehäusedeckel. Die Sitzfläche wird zum Teil durch die Stahlwendel 2 und zum Teil durch den Gußwerkstoff gebildet, diese besitzt somit einen wirksamen Wärmedehnungskoeffizienten, der so groß ist wie die entsprechende zylindrische Fläche des auf der Sitzfläche angeordneten Lagerelementes aus Stahl.

Da die Stahlwendel 2 vor dem Umgießen oder Umspritzen sowie Ausfüllen der Gießform mit Gußwerkstoff auf den Zapfen 1 gesetzt wird, liegt diese genau zentrisch an der Oberfläche der Sitzfläche für das Lagerelement Zwischen der Stahlwendel 2 und dem auf der Sitzfläche angeordneten Lagerelement, z. B. einem Laufring (Außenring) eines Wälzlagers, ist kein Kunststoff vorhanden. Diese Tatsache ist sehr wichtig, weil dadurch die Gefahr abgewendet ist, daß der Kunststoff infolge hoher Zug- oder Druckbeanspruchung im Kontakt zwischen Lagerelement und Sitzfläche zu fließen anfängt

Die auf diese Weise gefertigte Sitzfläche benötigt keine weitere Nachbehandlung, oder Bearbeitung, weil der Durchmesser ohne weiteres in der vorgeschriebenen Größe hergestellt werden kann.

Für einen Versuch ist eine zylindrische Sitzfläche in zwei verschiedenen Ringen als Gehäuse hergestellt worden. Der eine Ring besteht ausschließlich aus mit Siliziumpulver verstärktem Epoxidharz, während der andere Ring aus demselben Werkstoff, jedoch mit einer entsprechend dem Verfahren der Erfindung eingegossenen Stahlwendel versehen ist.

Die Ringe sind bei 120⁰C nur 20 Stunden ausgehärtet worden. Der Nenndurchmesser der Sitzfläche der Ringe ist 19,000 mm. Die Stahlwendel hat drei Windungen und ist in der Bohrung des betreffenden Ringes eingegossen. Nach dem Ausbringen aus der Gießform sind die Ringe mehrere Male zwischen 20⁰C und 90° C erwärmt worden. Es zeigt sich, daß der nach dem erfindungsge-

mäßen Verfahren hergestellte Ring (in seiner Wärmedehnung) dieselbe Kurve wie ein Stahlring aufweist und nach jedem Erwärmen wieder zu seinem Ausgangswert seines Durchmessers zurückkehrt

Im Gegensatz hierzu schrumpft der mit Siliziumpulver verstärkte Kunststoffring zunächst in seinem Durchmesser auf einen Wert, der etwas unterhalb des Nennwertes liegt. Anschließend schrumpft dieser Kunststoff ring bei Aufwärmung bis zu 80⁰C sehr stark. Der Grund für dieses starke Schrumpfen ist darin zu sehen, daß die im Kunststoff vorhandenen Eigenspannungen bei der Erwärmung abgebaut werden. Zusätzliche Aufwärmvorgänge (Anlaßvorgänge) bewirken eine weitere Verkleinerung des Durchmessers.

Die graphische Darstellung nach Fig.2 zeigt Versuchsergebnisse, die mit Ringen eines Nenndurchmessers von 19,000 mm erhalten worden sind. Dabei gibt die Ordinate die Größe der Zu- oder Abnahme des Durchmessers an. Auf der Abszisse sind die entsprechenden Temperaturen der Ringe aufgetragen. Die Ringe sind bei 120⁰C ausgehärtet worden.

In der F i g. 2 stellt die Kurve A die Meßergebnisse beim wiederholten Aufwärmen eines zylindrischen Stahlringes dar. Die Punkte B in der Darstellung zeigen die Werte eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Ringes. Die Kurve C zeigt die theoretischen Werte für einen Kunststoffring und die Kurve E die tatsächlichen Werte, die mit einem Kunststoffring erhalten worden sind.

Aus der graphischen Darstellung geht hervor, daß es schwierig oder fast unmöglich ist, den endgültigen Durchmesser eines Ringes aus reinem Kunststoff von vornherein festzulegen. Für den Fall also, daß ein Ring aus reinem Kunststoff verwendet wird, muß die Größe seines wirksamen Durchmessers im Versuch bestimmt werden, denn dieser Durchmesser kann nicht vorausberechnet werden. Ein solches Problem besteht aber nicht mit dem Ring, der nach dem erfindungsgemäßen

ίο Verfahren hergestellt ist.

Normalerweise wird ein Wälzlager derart befestigt, daß der Außenring des Wälzlagers in einer Sitzfläche eines Gehäuses oder Gehäusedeckels angeordnet ist,, während der Innenring auf der umlaufenden Welle befestigt ist Es kann'aber auch der umgekehrte Fall auftreten. Dann wird die Sitzfläche für den !nnenring entsprechend dem Verfahren der vorliegenden Erfindung derart gegossen, daß die Stahlwendel radial nach außen zeigt und auf der zylindrischen Mantelfläche des Lagersitzelementes angeordnet ist Auf dieser Mantelfläche als Sitzfläche sitzt dann der Innenring des Wälzlagers. Die Stahlwendel wird in diesem Falle in die Ausnehmung der Gießform eingesetzt welche einen geringfügig kleineren Durchmesser als die Stahlwendel aufweist; hier wird also nicht mehr die Stahlwendel auf einen zylindrischen Zapfen, der einen größeren Durchmesser als die Stahlwendel aufweist gesetzt. Im übrigen ist das Verfahren genauso wie vorher beschrieben durchzuführen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen Sitzfläche für ein Lagerelement, insbesondere für einen Laufring eines Wälzlagers, z.B. in einem Gehäuse oder Gehäusedeckel aus Gußwerkstoff mit einem gegenüber dem Lagerelement unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten, bei dem in das die Sitzfläche aufweisende Teil eine Stahlwendel eingegossen wird, gekennzeichnet durch

— Aufsetzen bzw. Einsetzen der Stahlwendel mit einem dem Lagerelement entsprechenden Wärmedehnungskoeffizienten auf einen Zapfen bzw. in eine Ausnehmung einer Gießform, wobei der Durchmesser der Stahlwendel vor dem Aufsetzen bzw. Einsetzen geringfügig kleiner als derjenige des Zapfens bzw. geringfügig größer als derjenige der Ausnehmung der Gießform ist, und

— Umgießen oder Umspritzen der Stahlwendel sowie Ausfüllen der Gießform mit Gußwerkstoff.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Umspritzen der Stahlwendel, sowie Ausspritzen der Gießform mit Kunststoff und anschließendes Aushärten des Kunststoffs in der Gießform.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Sandstrahlen der Stahlwendel vor ihrem Aufsetzen bzw. Einsetzen auf den Zapfen bzw. in die Ausnehmung der Gießform.

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