DE3041845C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein hydrodynamisch geschmiertes Axialdruckgleitlager mit einer zentralen Bohrung zur Aufnahme einer Welle mit an seiner tragenden Stirnseite in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten massiven Rücken, die jeweils eine zur Achsnormalebene in Umfangsrichtung geneigte Fußfläche, die in Laufrichtung der Welle auf die Wellengleitfläche zu ansteigt, und eine sich in Laufrichtung an die Fußfläche anschließende erhabene Gleitfläche aufweisen.

Ein bekanntes Axialdruckgleitlager, das eine Lagerfläche mit Rücken aufweist, dient üblicherweise zur Aufnahme von Axiallasten, die mittels eines rotierenden Schaftes, der an der Lagerfläche angreift, in das Axialdruckgleitlager eingeleitet werden. Ein solches Axialdruckgleitlager ist aus Kupfer, das Blei oder Zinn enthält, oder aus Aluminium, das Zinn enthält, hergestellt. In der Regel wird es aus Bandmaterial durch Pressen gefertigt.

Die Fig. 1A und 1B zeigen ein herkömmliches ringförmiges Axialdruckgleitlager dieser Art mit einer zentralen Bohrung 1 zur Aufnahme einer nicht dargestellten Welle, die eine an dem Lager anliegende Schulter hat. Die einer ebenen Rückseite gegenüberliegende Seite 2 des ringförmigen Lagers, an der die Schulter der Welle anliegt, weist eine Vielzahl von in Umfangrichtung hintereinanderliegenden Rücken 4 auf, deren Oberflächen 2 zu einer zur Wellenachse rechtswinkligen Ebene geneigt sind. Daher kann sich zwischen der Fläche 2 des Lagers und der Gleitfläche der Schulter der Welle ein keilförmiger Ölfilm bilden. Die Rücken 4 werden beim Ausstanzen der Bohrung 1 dadurch gebildet, daß die Stanzform entsprechend geformt ist. Anschließend werden die Rücken oberflächengehärtet und anschließend durch Schwabbeln poliert.

Bei solchen bekannten Axialdruckgleitlagern haben die Rücken 4 eine Höhe von 5 bis 10 µm. Es ist daher schwierig, bei der Herstellung für alle Rücken 4 die gleiche Höhe zu erreichen. Daraus ergibt sich, daß die Axialbelastung der Lagerfläche 2 sich auf diejenigen Rücken 4 konzentriert, die die größte Höhe haben. Das führt dazu, daß der Ölfilm an den höchsten Rücken 4, wo sich die Axiallast konzentriert, unterbrochen wird und an diesen Stellen ein sogenannter Metallkontakt zwischen Lager und Welle stattfindet, so daß ein abnormaler Verschleiß und ein Festfressen auftreten kann. Darüber hinaus ändert sich das Reibungsmoment in Abhängigkeit von der Axiallast in unerwünscht großen Maß.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ist in der DE-OS 19 57 058 bereits angegeben worden, die Spitzen der Rücken 4 durch Polieren so abzuflachen, daß alle Rücken 4 die gleiche Höhe haben. Da bei dieser in Fig. 2 dargestellten Form, bei der sich an die oberen Enden der Flächen 2 eine flache Fläche 5 anschließt, die Länge der geneigten Fläche 6 in Umfangsrichtung, die der Bildung des keilförmigen Ölfilms dienen soll, verkürzt ist, ergibt sich eine verkleinerte Oberfläche zur Aufnahme der Axiallast. Infolgedessen ergibt sich bei einer gegebenen Axiallast ein erhöhter Druck des Ölfilms und somit eine Verminderung der Dicke des Ölfilms, die zu einem Metallkontakt führen kann. Insbesondere wird die Dicke des Ölfilms erheblich am Übergangsbereich 7 zwischen der geneigten Fläche 6 und der oberen Fläche 5 vermindert, wodurch die Gefahr vergrößert wird, daß Reibungswärme am Übergangsbereich 7 erzeugt wird, die zu einem Festfressen der Gleitlager führt.

Ein derartiges gattungsgemäßes Axialdruckgleitlager ist auch aus der US-PS 28 99 243 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Axialdruckgleitlager der angegebenen Art zu schaffen, mit dem sich unter Vermeidung eines direkten Kontaktes zwischen der Lagerfläche und der Gleitfläche der Welle ein besonders dicker Ölfilm erzeugen läßt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erhabene Gleitfläche schwach und gleichsinnig wie die Fußfläche geneigt ist, wobei ihr Neigungswinkel geringer ist als der Neigungswinkel der Fußfläche, und daß der Übergangsbereich zwischen der Fußfläche und der erhabenen Gleitfläche abgerundet ist.

Die mit der erfindungsgemäßen Lösung erreichte Wirkung basiert im wesentlichen darauf, daß über der gesamten Fläche des Rückens ein keilförmiger Ölfilm aufgebaut werden kann, ohne dabei die Nachteile des Standes der Technik in Kauf nehmen zu müssen, wie sie beispielsweise beim Lager der in der DE-OS 19 57 058 beschriebenen Art vorhanden sind, bei dem der Rücken des Lagers nur eine einzige, verkürzte geneigte Fläche aufweist. Erfindungsgemäß wird sowohl auf der Fußfläche als auch auf der erhabenen Fläche ein keilförmiger Ölfilm aufgebaut. Darüber hinaus wird durch den abgerundeten Übergangsbereich zwischen beiden Flächen verhindert, daß an dieser Stelle der Ölfilm bei konzentrierter Axiallast abreißt.

Die DE-OS 27 53 772 betrifft ein elastisches Axiallager, bei dem das Lager in einer ersten Belastungsstufe eine abgeflachte Fläche und eine geneigte Fläche aufweist und in einer zweiten Belastungsstufe zwei mit unterschiedlichen Winkeln geneigte Flächen besitzt. In dieser zweiten Belastungsstufe entspricht die Form des Lagers, wenn man die beiden geneigten Flächen betrachtet, etwa der des anmeldungsgemäßen Lagers. Der entscheidende Unterschied zwischen dem bekannten Lager und dem erfindungsgemäßen Lager besteht jedoch darin, daß das erfindungsgemäße Lager massiv ausgebildet ist und die durch die beiden geneigten Flächen erzielbare Wirkung zu Beginn der Belastung zur Verfügung stellen soll. Mit anderen Worten, die beiden keilförmigen Ölfilme sollen sich bereits bei Belastungsbeginn aufbauen, um auch bei relativ geringen Belastungen jedwede Gefahr eines direkten Metallkontaktes auszuschließen. Demgegenüber will die bekannte Lösung im Anfangszustand der Belastung Parallelität zwischen der oberen Fläche des Lagers und dem Gleitteil der Welle aufrechterhalten, was der anmeldungsgemäßen Lösung diametral entgegensteht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläuert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1A und 1B eine Vorderansicht und eine Seitenansicht eines herkömmlichen Axialdruckgleitlagers mit Lagerflächen bildenden Rücken,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines anderen herkömmlichen Axialdruckgleitlagers mit Lagerflächen bildenden Rücken,

Fig. 3A und 3B eine Vorderansicht und eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Axialdruckgleitlagers,

Fig. 4 einen Ausschnitt des Axialdruckgleitlagers gemäß Fig. 3 in vergrößerter Darstellung,

Fig. 5A und 5B Diagramme von vergleichenden Versuchsergebnissen über das Reibungsmoment bei herkömmlichen und erfindungsgemäßen Axialdruckgleitlagern,

Fig. 6 ein Diagramm mit vergleichenden Versuchsergebnissen der Belastbarkeit herkömmlicher und erfindungsgemäßer Axialdruckgleitlager,

Fig. 7 ein Diagramm zur Bestimmung der Länge der schwach geneigten Oberfläche eines Rückens eines erfindungsgemäßen Axialdruckgleitlagers,

Fig. 8 eine Seitenansicht eines halbfertigen Teils eines erfindungsgemäßen Axialdruckgleitlagers mit Rücken und

Fig. 9 verschiedene Herstellungsstufen des erfindungsgemäßen Axialdruckgleitlagers in schematischer Darstellung.

Das in den Figuren dargestellte Axialdruckgleitlager gemäß der Erfindung hat die Form eines Ringes mit einer zentralen Bohrung 11, in die eine rotierende Welle mit einer nicht dargestellten Schulter eingesetzt ist. Das Axialdruckgleitlager weist um die Bohrung 11 herum eine Lagerfläche 12 auf, an der die Schulter der Welle anliegt, und auf der der Lagerfläche 12 gegenüberliegenden Seite eine Rückseite 13. Die Lagerfläche 12 bildende Rücken 14 der in Fig. 4 gezeichneten, später noch zu beschreibenden speziellen Form sind derart ausgebildet, daß das Axialdruckgleitlager in der Lage ist, beträchtliche Lasten zu tragen, einen niedrigen Reibbeiwert und einen hohen Widerstand gegen Festfressen sowie ein festes Reibungsmoment unabhängig von Änderungen in der Axialbelastung hat. Die Rücken 14 sind in großer Zahl in Reihe in Umfangsrichtung der Lagerfläche 12 angeordnet. Wie Fig. 4 zeigt, weist jeder Rücken 14 eine Fußfläche 15 und eine sich daran anschließende erhabene Gleitfläche 16 auf. Die Fußfläche 15 hat einen Neigungswinkel β in Bezug auf die Horizontale senkrecht zur Achse des Axialdruckgleitlagers. Die Fußfläche 15 steigt in einer der Drehrichtung S der in der Bohrung 11 des Axialdruckgleitlagers eingesetzten Welle korrespondierenden Richtung an. Der Neigungswinkel β ist für alle Rücken 14 im wesentlichen gleich und liegt im Bereich von 0<β<90°, abhängig von der maximalen Axialbelastung durch die rotierende Welle. Die Gleitfläche 16 dagegen hat einen geringeren Neigungswinkel α in bezug auf die Horizontale senkrecht zur Achse des Axialdruckgleitlagers. Weiter entspricht die in Richtung S gemessene Länge l₂ der erhabenen Gleitfläche 16 der Beziehung 0<l₂/l₁<0,6, bezogen auf die gesamte Länge l₁ der Rücken 14, gemessen in Richtung S. Der Winkel α und der Winkel β sollten vorzugsweise der Beziehung 0<α<β<5° genügen. Ferner sind der Übergangsbereich 17 zwischen der Fußfläche 15 und der erhabenen Gleitfläche 16 mit einem Krümmungsradius von 5 bis 10 µ abgerundet. Die Gesamthöhe h des Rückens 14 beträgt etwa 4 bis 6 µm.

Da entsprechend der Erfindung die Gleitfläche 16 mit der leichten Neigung auf dem oberen Bereich der Fußfläche 15 des Rückens 14 ausgebildet ist, wie beschrieben, ist es nicht nur möglich, ein Abreißen des Ölfilms zu vermeiden, was bei den Rücken 4 der herkömmlichen Axialdruckgleitlager gemäß Fig. 1A und 1B wegen ihrer unterschiedlichen Höhe kaum zu vermeiden ist, sondern auch die Bildung keilförmiger Ölfilme sowohl auf der Fußfläche 15 als auch der oberen Oberfläche 16 zu fördern. Infolgedessen ist es möglich, den Metallkontakt zwischen dem Axialdruckgleitlager und der rotierenden Welle zu verhindern, der entstehen würde, wenn die Dicke des Ölfilms wie im Falle der Rücken 4 mit den flachen, oberen Oberflächen 5 entsprechend Fig. 2, vermindert wird. Da der Übergangsbereich 17 zwischen der Fußfläche 15 und der erhabenen Gleitfläche 16 und die Kante 18 abgerundet sind, ist es möglich, bei konzentrierter Axiallast am Übergangsbereich 17 und an der Kante 18 ein Abreißen des Ölfilms zu vermeiden. Schließlich kann wegen der leichten Neigung der Gleitfläche 16 die Spitzenbelastung für den Ölfilmdruck bei der Erfindung im Vergleich zu der bei herkömmlichen Axialdruckgleitlagern gemäß Fig. 1A und 1B erhöht werden. Folglich ist die Belastbarkeit des erfindungsgemäßen Axialdruckgleitlagers höher als bei den herkömmlichen Axialdruckgleitlagern mit Rücken.

Versuche der Erfinder haben die Verbesserung der Brauchbarkeit des erfindungsgemäßen Axialdruckgleitlagers im Vergleich zu herkömmlichen Axialdruckgleitlagern bestätigt. Die Fig. 5 und 6 zeigen die Versuchsergebnisse.

• I. Untersuchung des Reibungsmomentes: Die Fig. 5A und 5B zeigen die Versuchsergebnisse der Reibungsmomente herkömmlicher Axialdruckgleitlager mit Rücken 4 der in Fig. 1A und 1B gezeigten Form und des erfindungsgemäßen Axialdruckgleitlagers mit Rücken 14 der in Fig. 3A, 3B und 4 gezeigten Form unter folgenden Testbedingungen.Versuchsbedingungen:Beim Versuch verwendetes Öl: ATF (Automaticöl).
  Art der Belastung: Die Axiallast wird allmählich erhöht (10 kg/min).
  Ölmenge: 700 ml.
  Drehzahl der Welle: 1850 U/m (Umfangsgeschwindigkeit: 2,2 m/s).
  Art der Schmierung: Tauchmethode.

Aus einem Vergleich der Versuchsergebnisse gemäß Fig. 5A und 5B ergibt sich, daß sich für das erfindungsgemäße Axialdruckgleitlager relativ kleine Reibungsmomente über einen großen Bereich der axialen Belastung ergeben.

• II. Untersuchung der Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen: Die Versuche wurden unter denselben Bedingungen wie unter I. an den herkömmlichen und den erfindungsgemäßen Axialdruckgleitlagern entsprechend dem Versuch I durchgeführt. Während der Versuche wurde die Axialbelastung in dem Augenblick gemessen, als die Axialdrucklager sich bei denselben Testbedingungen wie beim Test I. für das Reibungsmoment festfraßen. Die Versuchsergebnisse sind in Fig. 6 dargestellt. Der Figur ist zu entnehmen, daß sämtliche getesteten Axialdruckgleitlager herkömmlicher Bauart sich bei einer Axialbelastung zwischen 15 und 35 kg/cm² festfraßen, während alle getesteten Axialdruckgleitlager gemäß der Erfindung sich erst bei einer Axialbelastung von mehr als 60 kg/cm² festfraßen. Die Belastbarkeit der erfindungsgemäßen Axialdrucklager ist also etwa doppelt so groß wie die herkömmlicher Axialdruckgleitlager.

Aus der grafischen Darstellung der Fig. 7 ergibt sich der Grund, weshalb die Beziehung zwischen der Länge l₁ des Rückens 14 und der Länge l₂ der leicht geneigten erhabenen Gleitfläche 16 der Beziehung 0<1₂/l₁<0,6 bei dem erfindungsgemäßen Axialdruckgleitlager genügen soll. Während auf der Abzisse der Darstellung gemäß Fig. 7 der Wert für l₂/l₁ aufgetragen ist, ist auf der Ordinate das Verhältnis zwischen einer Axiallasteinheit, bei der herkömmliche Axialdruckgleitlager gemäß Fig. 1A und 1B festfressen, und verschiedenen Axiallasten aufgetragen, bei denen Festfressen eintritt, wenn verschiedene Längen l₂ für die Rücken 14 bei erfindungsgemäßen Axialdruckgleitlagern gewählt werden. Folglich zeigt auf der Ordinate ein Verhältnis von drei das Festfressen an, das zum erstenmal eintritt, wenn das Axialdruckgleitlager nach der Erfindung mit einer Axiallast belastet wird, die dreimal so groß ist wie die oben erwähnte Axiallast.

Das Herstellungsverfahren des Axialdruckgleitlagers gemäß der Erfindung wird nun anhand der Fig. 8 und 9 erläutert:

Zunächst wird aus einem Metallblech, z. B. einem kaltgewalzten, unlegierten Stahlblech, von einer vorbestimmten Dicke, z. B. 3 mm, ein Teil in Form einer Unterlegscheibe ausgestanzt. Dann werden in einer Preßform auf einer Seite des unterlegscheibenähnlichen Teils die Rücken 14 geprägt, so daß als Zwischenprodukt das Lagerteil 21, wie in Fig. 8 gezeigt, entsteht. Die Rücken 14 haben in diesem Stadium der Herstellung eine Höhe von etwa 10 µm. Danach wird die Gleitfläche der Rücken 14 einer Tuffbehandlung unterworfen oder leicht nitriert, so daß sich eine gehärtete Schicht 22 auf den Rücken 14 bildet. Die äußere Haut der gehärteten Schicht 22 wird mittels eines groben Polierpapiers entfernt, bis die Höhe sämtlicher Rücken 14 etwa gleich ist. In einem anschließenden Schritt wird die dem Rücken 14 des Lagerteils 21 gegenüberliegende Rückseite 23 mittels einer Schleifmaschine poliert, so daß die oberen Bereiche aller Rücken 14 in einer gemeinsamen Ebene parallel zu der Rückseite 23 liegen.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die gehärtete Schicht 22 aus einer Hartchromschicht bestehen kann, die auf die Oberfläche der Rücken 14 aufplattiert wird.

Bei Anwendung des Hartchromplattierungsverfahrens ist kein Schritt zum Entfernen der oberen Haut der sonst durch Tuffbehandlung erhaltenen, gehärteten oberen Schicht 22 erforderlich. Die Hartchromschicht kann auf kaltgewalztes, unlegiertes Stahlblech in einem Sargentband, das Chromsäure und Schwefelsäure enthält, bei einer Temperatur von 45°C, einer Stromdichte von 20 A/cm² und einer Spannung von 4,5 V aufplattiert werden. Dabei kann die Hartchromschicht in einer Dicke bis zu 20 µm und einer Härte von 830 Microvickers mit einem Stromwirkungsgrad von 13% aufplattiert werden.

Anschließend wird der obere Bereich der geneigten Oberfläche der Rücken 14 mit einer Läppmaschine oder feinem Polierpapier geläppt, so daß der obere Bereich der geneigten Fläche abgeflacht wird. Dadurch erhalten die Rücken 14 eine Höhe von 7 bis 8 µm. Die so abgeflachten Rücken 14 werden dann geschwabbelt, wobei leicht geneigte, abgeflachte Bereiche (erhabene Gleitfläche 16) entstehen, der Übergang zwischen den abgewinkelten Oberflächen und den leicht geneigten Bereichen sowie die Kanten abgerundet werden und die gesamte Oberfläche der Rücken 14 eine Spiegeloberfläche erhält. Die so abschließend behandelten Rücken 14 haben eine Höhe von etwa 4 bis 6 µm. Für das Schwabbeln wird vorzugsweise eine rotierende Scheibe benutzt, die mit Filz überzogen ist. Für das Schwabbeln kann dagegen auch ein rotierendes Schwabbelwerkzeug verwendet werden, das durch Lamellieren einer Vielzahl von Lederstücken, Filzstücken, Gummistücken, Stoffstücken hergestellt ist. Statt geschwabbelt, kann die Gleitfläche auch anschließend kugeltrommelpoliert, unter Einspritzen einer Flüsssigkeit gehont, elektrolytisch oder chemisch poliert oder durch Kombination der vorgenannten Methoden einer Schlußbehandlung unterzogen werden.

Die Diagramme A, B, C und D der Fig. 9 zeigen die Veränderung der Rücken während der verschiedenen Herstellungsphasen nach der Erfindung. Das Diagramm A zeigt die Form der Rücken 14 nach dem Prägen in einer Form; das Diagramm B zeigt den Zustand nach der Tuffbehandlung der Gleitfläche der Rücken 14; das Diagramm C zeigt den Zustand nach der Herstellung der leicht geneigten erhabenen Gleitfläche durch Läppen, Polieren und schließlich zeigt das Diagramm D den Zustand (Endzustand) nach dem Baffeln der gesamten Oberfläche der Rücken.

Aus der vorhergehenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Erfindung ergibt sich, daß wegen der Fußfläche 15 mit dem vorgegebenen Neigungswinkel β und wegen der erhabenen Gleitfläche 16 mit ihrem schwächer als der vorgegebene Neigungswinkel β der Fußfläche 15 geneigten Winkel α sich ein keilförmiger Ölfilm zwischen der Fußfläche 15 und der erhabenen Gleitfläche 16 der Rücken 14 und der Gleitfläche der rotierenden Welle bildet, der die Belastbarkeit mit Axialdruck wesentlich erhöht. Da die Übergangsbereiche zwischen den Fußflächen 15 und der erhabenen Gleitfläche 16 sowie die Kanten 18 der Rücken 14 abgerundet sind, ist die Gewähr gegeben, daß der Ölfilm nicht unterbrochen wird. Metallkontakt zwischen der die Lagerfläche 12 bildenden Fußfläche 15 und Gleitfläche 16 und der Gleitfläche der rotierenden Welle wird auf diese Weise verhindert. Infolgedessen ist der Widerstand gegen Festfressen beim Erfindungsgegenstand erheblich vergrößert im Vergleich zu herkömmlichen Axialdruckgleitlagern. Ferner wird das Reibungsmoment des Axialdruckgleitlagers gemäß der Erfindung sehr klein gehalten und stabilisiert im Vergleich zu herkömmlichen Axialdruckgleitlagern.

Claims (8)

1. Hydrodynamisch geschmiertes Axialdruckleitlager mit einer zentralen Bohrung (11) zur Aufnahme einer Welle und mit an seiner tragenden Stirnseite in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten massiven Rücken, die jeweils eine zur Achsnormalebene in Umfangsrichtung geneigte Fußfläche (15), die in Laufrichtung der Welle auf die Wellengleitfläche zu ansteigt, und eine sich in Laufrichtung an die Fußfläche (15) anschließende erhabene Gleitfläche (16) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die erhabene Gleitfläche (16) schwach und gleichsinnig wie die Fußfläche (15) geneigt ist, wobei ihr Neigungswinkel ( α ) geringer ist als der Neigungswinkel ( β ) der Fußfläche (15), und daß der Übergangsbereich (17) zwischen der Fußfläche (15) und der erhabenen Gleitfläche (16) abgerundet ist.

2. Axialdruckgleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende der erhabenen Gleitfläche (16) eine Abrundung (18) hat.

3. Axialdruckgleitlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (l₂) der erhabenen Gleitfläche (16) kleiner als 60% der Summe der Längen (l₁) der Fußfläche (15) und der erhabenen Gleitfläche (16) ist.

4. Axialdruckgleitlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Neigungswinkel ( α , β ) die Beziehung 0°<α<β<5°gilt.

5. Axialdruckgleitlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücken (14) eine Höhe von 4 bis 6 µm haben.

6. Verfahren zum Herstellen eines Axialdruckgleitlagers nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• a) Ausstanzen eines halbfertigen Lagerteils in Form einer Unterlegscheibe aus einer Platte und Prägen von um die zentrale Bohrung herum angeordneten Rücken in mindestens eine der ringförmigen Stirnseiten,
• b) Härten der Oberfläche der Rücken,
• c) Abflachen der Rücken durch Läppen ihrer oberen Bereiche, so daß in einer Ebene liegende flache Bereiche entstehen,
• d) Schwabbeln der die ebenen Bereiche aufweisenden Rücken in Umfangsrichtung, so daß die ebenen Bereiche eine schwache Neigung erhalten und alle Kanten abgerundet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Platte kaltgewalzter, unlegierter Stahl verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Härten durch Weichnitrieren erfolgt.