DE3415929A1

DE3415929A1 - Hochbelastbares gleitlager mit inhomogener gleitschicht

Info

Publication number: DE3415929A1
Application number: DE3415929A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Pyhs. Dr. 6208 Bad Schwalbach Engel; Jürgen 6200 Wiesbaden Gröschen; Fritz 6227 Östrich Niegel
Original assignee: GLYCO METALL WERKE; Glyco Metall Werke Daelen und Loos GmbH
Current assignee: GLYCO METALL WERKE; Glyco Metall Werke Daelen und Loos GmbH
Priority date: 1984-04-28
Filing date: 1984-04-28
Publication date: 1985-10-31
Also published as: GB8510682D0; US4658500A; GB2158164A; BR8501991A

Description

Dipl.-Phys. Heinrich Seids . Patentanwalt ■ Bierjl.i.Üer Höhe 15-Postfoch 51Oa · 6200-Wiesbaden 1 . ® (06121) 56 20

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Hochbelastbares Gleitlager mit inhomogener Gleitschicht

Die Erfindung bezieht sich auf ein hochbelastbares Gleitlager mit inhomogener Gleitschicht aus mindestens zwei Lagerwerkstoffen unterschiedlicher Härte, bei dem der härtere Lagerwerkstoff in einer unteren Schicht liegt, die an ihrer der Lagergleitfläche zugewandten Seite mit rillenförmigen, sich im wesentlichen in Urnfangsrichtung der Lagergleitfläche erstreckenden, ggf. schraubenförmigen oder sich kreuzende Vertiefungen versehen ist, und die gesamte Oberfläche dieser unteren Schicht unter Auffüllung der Vertiefungen mit einer oberen Schicht aus weicherem Lagerwerksteff überdeckt ist, die eine im wesentlichen glatte Lagergieitflache oder Trägerfläche für eine Oberflächenschicht bildet. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Gleitlager.

Aus der GB-PS 524,128 sind Gleitlager bekannt, bei denen im Oberflächenbereich der Lagermetallschicht an ihrer der Lagergieitflache zugewandten Seite Tragstege in Form von Rillen bzw. Rippen aus im Vergleich zur Gleitschicht härterem Werkstoff vorgesehen sind. Diese Tragstege erstrecken sich annähernd in Umfangsrichtung der Lagerfleitfläche und^sind häufig gewindeartig ausgebildet, weshalb man solche Gleitlager auch als Rillen- oder Helix-Gleitlager bezeichnet. Wurden diese Bekannten Gleitlager im Hinblick auf höhere Belastbarkeit entwickelt, so sind sie dennoch mit dem Nachteil behaftet, daß im Bereich der Tragstege der im Vergleich zu den üblich hergestellten Gleitschichten harte Lagerwerkstoff auf Aluminium- oder Kupfer-Basis freiliegt. Hierdurch wird die erforderliche

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Anpassung des Lagers während des Einlaufs an die Zapfgeometrie wesentlich erschwert. Gleichzeitig sind die Gleit- und Notlaufeigenschaften der Tragstege bei gestörten Betriebsbedingungen, wie z.B. ölmangel oder Schmutzanfall nur mangelhaft.

Zur Überwindung dieser Nachteile wurde daher schon frühzeitig der Versuch unternommen, die Tragstege mit einem dünnen Überzug aus einer weicheren Blei- oder Zinnlegierung zu überziehen. Bei Gleitlagern für Großmotoren ist dies durch ein Gleitlager gemäß DE-OS 19 30 010 gelungen, bei dem die auf dem Lagerrücken angebrachte Lagermetallschicht mit sich kreuzenden Vertiefungen versehen ist und unter Auffüllung der Vertiefungen mit einer oberen Schicht aus im Vergleich zur unteren Schicht weicherem Lagerwerkstoff überdeckt ist. Da die Belastbarkeit eines Gleitlagers mit abnehmender Gleitschichtdicke zunimmt, kann zwar für diese Motorengruppe ein relativ dicker überzug auf den Stegen aufgetragen werden. Typische Werte für die Dicke dieses Überzuges auf den Stegen sind je nach Ausführungsform 0,01 bis 0,05 mm. Dieser Dickenbereich läßt sich ohne technische Schwierigkeiten durch einen zweiten Ausbohrvorgang nach dem Galvanisieren der Lagergleitfläche einhalten.

Für hoch beanspruchte Pleuel- und Hauptlager von Fahrzeugmotocen beträgt dagegen die gesamte Dicke der Gleitschicht üblicherweise nur ca. 0,01 bis 0,03 mm. Aus Gründen der Ermüdungsfestigkeit darf dieser Dickenbereich auch bei den Gleitschichten von Rillen- oder Helixlagern für diese Motorengruppe nicht überschritten werden. Dabei muß infolge der höheren Belastung eine wesentlich geringere Dicke der Abdeckschicht als bei Großmotoren gewählt werden. Um dies auch bei einer Großserienfertigung sicherstellen zu können, müssen bei der spanabhebenden Bearbeitung der Gleitfläche

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die Toleranzen so weit eingeengt werden, daß eine wirtschaftliche Fertigung nicht mehr möglich ist. Der Vorschlag, diese Abdeckschicht nach dem Gleitflächenbohren durch einen zusätzlichen Arbeitsgang, wie z.B. durch Galvanisieren, Kathodenzerstäubung oder Aufspritzen aufzubringen, ist sehr aufwendig und damit ebenfalls unwirtschaftlich. Darüberhinaus ist dies bei einigen Lagerwerkstofftypen technisch nicht durchführbar.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein hochbelastbares Gleitlager der eingangs beschriebenen Art weiterzuentwickeln, das sich selbst bei extrem hohen Belastungen rieben hervorragenden Gleiteigenscahften , Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit durch gute Einlauf- und Notlaufeigenschaften auszeichnet. Daneben ist es Ziel der Erfindung, ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung derartiger hochbelastbarer Gleitlager zu schaffen.

Die die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe bildende Lehre besteht darin, daß das die Vertiefungen der unteren Schicht auffüllende Material zumindest teilweise durch bildsame Formgebung von den erhabenen Bereichen in die vertieften Bereiche hinein verdrängter weicherer Lagerwerkstoff der oberen Schicht ist, wobei die im wesentlichen glatte Oberfläche der oberen Schicht allein durch diese Materialverdrängung gebildet ist.

Hierdurch wird ein hoch beanspruchbares Gleitlager geschaffen, bei dem die Vorteile eines Mehrst:hichtl agers vermehrt sind, um die Vorteile eines Rillen- oder Helixlagers, wie es von Großmotoren her bekannt ist, so daß ein Gleitlager für extrem hohe Belastungen mit gleichzeitig guten Gleiteigenschäften und wesentlich erhöhter Tragfähigkeit zur Verfügung steht.

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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll die bei der Materialverdrängung auf den Erhebungen der unteren Schicht verbliebene Materialdicke des weicheren Lagerwerkstoffes nur wenige Mikrometer betragen. Wie Ver-.

suche dies gezeigt haben, sind innerhalb dieses Dickenbereiches die Anpassungs- und Antifresseigenschaften eines solchen.Lagers deutlich besser als die eines herkömmlichen Rillen- oder Helixlagers. Gleitzeitig wurde festgestellt, daß der Widerstand gegen erosiven Abtrag der weichen Gleitschicht aus den Rillen bei einem Gleitlager nach der Erfindung verstärkt ist.

Zur Herstellung von Gleitlagern gemäß der Erfindung eignet sich insbesondere ein Verfahren, bei dem zunächst ein Gleitlagerelement oder Schichtwerkstoff mit einer für die untere Schicht der Lagergleitschicht vorgesehenen ersten Beschichtung aus härterem Lagerwerkstoff hergestellt wird, danach ri1lenförmige, ggf. schraubenförmige oder sich kreuzende Vertiefungen in diese Beschichtung aus härterem Lagerwerkstoff eingeformt werden, sodann eine zweite Beschichtung auf das Gleitlagerelement bzw. den Schichtwerkstoff an der mit den Vertiefungen versehenen Oberfläche mit weicherem Lagerwerkstoff in gleichmäßiger, vorher festgelegter Schichtdicke aufgebracht wird und schließlich Teile des weicheren Lagerwerkstoffs in die beim zweiten Beschichten verbliebenen Vertiefungen unter Anwendung von Druck undVoder Scherkräften verdrängt werden.

Hierdurch wird dem Fachmann ein wirtschaftliches Verfahren an die Hand gegeben, mit dem die herstellungsbedingte wellige Gleitfläche von maßbeschichtet hergestellten, beispielsweise Rillen- oder Helixlagern ohne zusätzliche spanabhebende Bearbeitung durch bildsame Formgebung geglättet, d.h. vollkommen eingeebnet wird. Dabei wird zunächst auf

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den Lagerrücken eine Lagermetallschicht, bevorzugt auf Kupferoder Alurriiniumbasis aufgebracht, und danach werden spangebend, beispielsweise durch Bohren oder bildsam Rillen in diese Lagermetallschicht eingeformt. Auf der Lagermetallschicht kann ggf. zusätzlich eine Sperr- oder Bindeschicht aufgebracht werden, um bei höheren Temperaturen eine Diffusion zwischen Lagermetallschicht und darüberliegender Gleitschicht und damit eine Beschädigung dieser Gleitschicht zu vermeiden. Die Gleitschicht kann aus Metall und/oder Kunststoff bestehen und beispielsweise durch Galvanisieren, Kathodenzerstäuben, Spritzen oder ein anderes Beschichtungsverfahren aufgebracht werden. Zur Verbesserung der Gebrauchseigenschaften kann diese Gleitschicht auch einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen. Im letzten Arbeitsgang wird nun unter Anwendung von Druck und/oder Scherkräften Gelitschichtmaterial von den durch benachbarte Rillen gebildeten erhöhten Stegen in die Rillen gebracht, bis sich das Oberflächenprofil eingeebnet hat.

Durch die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung wird die Lagerfläche so geglättet, daß das Lager während des Einlaufs keinen anomal hohen Einlaufverschleiß erleidet, wie dies bei den mittels der bekannten Verfahren hergestellten maßbeschichteten Rillen- oder Helixlagern für Gleitschichten im Micrometer-Bereich der Fall wäre. Durch Anwendung_der bildsamen Formgebung wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, daß die Tragstege aus hartem Lagermetall immer mit einer dünnen Schicht aus einem weichen anpassungsfähigen Lagerwerkstoff abgedeckt sind.

Um einerseits eine geglättete Gleitfläche zu erzeugen, und andererseits weder die Sperr- oder Zwischenschicht noch das Lagermetall unzulässig hohen Beanspruchungen bei der bildsamen Formgebung auszusetzen, ist nach einem weiteren

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Gedanken der Erfindung die Dicke der zweiten Beschichtung auf der Grundlage der folgenden Einflußgrößen: Tiefe der Vertiefungen, Abstand der Vertiefungen, Breite der Vertiefungen, gewünschte verbleibende Tiefe der zweiten Beschichtung über den erhabenen Bereichen der unteren Schicht und ausgeübter Preßdruck derart zu berechnen, daß das Glätten der zweiten Beschichtung unter Ausbildung der oberen Schicht der Lagergleitschicht ausschließlich durch Verdrängen von Teilen des weicheren Lagerwerkstoffs in die Vertiefungen erfolgt. Als unterstützende Maßnahme kann dabei eine Erwärmung der Lagerschalen oder ggf. des Bandmaterials vorgenommen werden.

Hinsichtlich der Durchführung der bildsamen Formgebung können nach der Erfindung verschiedene Verfahren angewendet werden.

Nach einem Gedanken der Erfindung ist es möglich, daß das Verdrängen von Teilen des weicheren Lagerwerkstoffs in die Vertiefungen durch Pressen vorgenommen wird, bei welchem das mit dem weicheren Lagerwerkstoff maßbeschichtete Gleitlagerelement in einem Preßgesenk mittels eines im wesentlichen mit dem Halbmesser der Lagerlauffläche ausgebildeten Preßballens mit solcher Kraft gepreßt wird, daß weicherer Lagerwerkstoff von den erhabenen Bereichen in die Vertiefungen abfließt. Dabei empfiehlt sich insbesondere der Einsatz e'iner Dreiwegepresse, bei der Kräfte in verschiedenen Richtungen, vorzugsweise^ in rechtwinklig zueinanderliegenden Richtungen, zum Pressen auf das Gleitlagereienient ausgeübt werden. Hierdurch wird durch die seitlich angreifenden Kräfte die Lagerschale im Bereich dieser Teilflächen gegen den Ballen gepreßt, so daß Wanddickentoleranzen der Lagerschalen ohne Einfluß auf die Einebnung der Gleitfläche bleiben. Das gewünschte Verhältnis der verbleibenden Dicke der zweiten Beschichtung über den erhabenen

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Bereichen der unteren Schicht und der sich aus der Rillentiefe ergebenden Schichtdicke läßt sich dann als Funktion der Radien von Preßballen und Lagerschale, der Preßkräfte und der Dicke der Gleitschicht im maßbeschichteten Zustand ermitteln. In bestimmten Fällen genügt es jedoch, die Glättung im Lager nur partiell, z.B. im Scheitel, vorzunehmen. Als weiterer Parameter gehen die Werkstoffeigenschaften der Lagermaterialien sowie das Rillenprofil, d.h. Vorschub (Stegabstand, Mitte-Mitte) und Stegbreite sowie die Rillentiefe ein. Unter Umständen kann es bei Einsatz dieses Preßverfahrens von Vorteil sein, wenn eine schwimmende Aufhängung des Preßgesenks oder des Preßballens vorgenommen wird, so daß eine Vergleichmäßigung der Kraftverteilung erreicht wird.

Alternativ zu diesem Preßverfahren ist es nach einem anderen Gedanken der Erfindung auch möglich, daß das Verdrängen von ■ Teilen des weicheren Lagerwerkstoffs in die Vertiefungen durch einen RoI1iervorgang vorgenommen wird, bei welchem das mit dem weicheren Lagerwerkstoff maßbeschichtete Gleitlagerelement in eine Aufnahme eingespannt und mittels einer Rollierwalze unter Ausüben eines Druckes durch plastische Verformung der Gleitschicht mit Verdrängen von Teilen des weicheren Lagerwerkstoffs von den erhabenen Bereichen in die Vertiefungen an seiner Lagergleitfläche geglättet wird. Auch hierbei bedarf es einer richtigen Abstimmung d^er Einflußgrößen, wie beispielsweise Radius der Rollierwalze, deren Anpreßdruck gegen die Lagerschale und gewünschte Gleitschichtdicke aufeinander, um mittels der Schwenkbewegung zwischen Walzwerkzeug und der eingespannten Lagerschale durch plastische Verformung eine gleichmäßige Einebnung der Gleitfläche zu erzielen. Dabei kann das Rollieren selbst in einem oder mehreren abgestuften Arbeitsgängen erfolgen.

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In einer anderen Ausgestaltung nach der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das Verdrängen von Teilen des weicheren Lagerwerkstoffs in die Vertiefungen durch einen Kalibriervorgang vorgenommen wird, bei dem ein Kalibrierwerkzeug unter spanlosem Glätten der Lagergleitfläche unter Vermeidung von Werkstoffabscherungen und Werkstoffdoppelungen durch die konkave Wölbung des Gleitlagerelements bewegt wird. Dabei ist es nach der Erfindung möglich, als Kalibrierwerkzeug ein mit konischem Kopf und anschließendem im wesentlichen zylindrischen Kalibrierkörper oder ein Kalibrierwerkzeug mit mehreren hintereinander gestellten Kalibrierscheiben mit abgestuften Radien zu benutzen.

Auch mit diesem Kalibrierverfahren läßt sich in vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Gleitflächeneinebnung der Lagerschale erreichen. Die Lagerschale ist dabei in eine Aufnahme eingespannt. Das Kalibrierwerkzeug, in ähnlicher Bewegungsweise wie eine Räumnadel, wird dann über die konkave Wölbung des Gleitlagerelements bewegt. Als Folge dieses Kalibriervorganges ergibt sich dann eine Glättung der herstellungsbedingten welligen Gleitfläche. Im Falle, daß das Kalibrierwerkzeug aus mehreren hintereinander gestellten Kalibrierscheiben besteht, müssen die Radien der Scheiben so aufeinander abgestuft sein, daß -beim Kalibrieren kein Span von der Lagerschale abgehoben wird, sondern lediglich eine Glättung der Oberfläche erfolgt. Auch muß bei diesem Verfahren dafür Sorge getragen werden, daß neben der Abstimmung der Radien der Kalibrierscheiben auch deren Oberflächenkontur sowie .die Abmessungen von Gleitschichtdicke, Rillentiefe, Rillenabstand und Vorschub des Kalibrierwerkzeuges so gewählt werden, daß Werkstoffabscherungen bzw. -doppelungen beim Kalibriervorgang vermieden werden. Eine hervorragende Gleitflächeneinebnung mit hoher Festigkeit ■ ist nach einem weiteren Gedanken der Erfindung dadurch möglich, daß das Kalibrierwerkzeug nach-

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einander von beiden verschiedenen Seiten her durch die konkave Wölbung des Gleitlagerelements bewegt wird.

Bei Verwendung von Bandmaterial als Rohlinge für die Lagerschalen empfiehlt es sich nach der Erfindung, daß das Verdrängen von Teilen des weicheren Lagerwerkstoffs in die Vertiefungen während des Formens des Gleitlagerelements aus mit der zweiten Beschichtung versehenem, bandförmigem Schichtwerkstoff in einem Biegeroi 1 Vorgang vorgenommen wird, bei welchem der Schichtwerkstoff mit ausreichender Kraft mit seiner beschichteten Seite gegen einen Rollendorn gepreßt wird, daß außer der Formgebung des Gleitlagerelements auch dessen Gleitfläche durch bildsame Formgebung unter Verdrängen von Teilen weicheren Lagerwerkstoffs von den Erhebungen in die Vertiefungen geglättet wird.

Bei diesem sogenannten Biegeroilverfahren wird in Abweichung zu den vorgenannten Verfahrensmöglichkeiten das Rillenoder Helixprofil nicht in die fertig geformte Lagerschale eingebracht, sondern durch spanende oder bildsame Formgebung in ein aus Stahl mit darauf bereits angebrachtem Lagerwerkstoff bestehende Verbundband eingearbeitet. Wird nun auch die Gleitschicht sowie Sperr- oder Bindeschicht auf das Bandmaterial aufgebracht und die Lagerschale durch Anpressen des Bandmaterials an einen Rolldorn geformt, so läßt sich durch geeignete Wahl dieses Anpreßdrucks sowie der entsprechenden Profil- bzw. Schichtdickenabmessungen gleichzeitig eine Einebnung der Gleitfläche durch bildsame Formgebung erreichen. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß die Formung der Lagerschale sowie Einebnung der Gleitfläche in einem Arbeitsgang erfolgt.

In Fällen, in denen eine Abstimmung der einzelnen Einflußgrößen aufeinander nicht möglich ist, um bei diesem Biegeroilvorgang gleichzeitig die gewünschte Einebnung

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zu erhalten, ist es nach einem weiteren Gedanken der Erfindung vorgesehen, daß das Verdrängen von Teilen des weicheren Lagerwerkstoffs in die Vertiefungen durch Walzen des mit der zweiten Beschichtung versehenen bandförmigen Schichtwerkstoffs vor dem Verformen des Gleitlagerelements vorgenommen wird, wobei dieses Walzen unter ausreichendem Druck erfolgt und die beschichtete Oberfläche des Schichtwerkstoffs durch bildsame Formgebung unter Verdrängen von Teilen des weicheren Lagerwerkstoffs von den erhabenen Oberflächenbereichen in die Vertiefungen eingeebnet wird.

Bei Verwendung von Bandmaterial ist nach der Erfindung aber auch eine Kombination beider Arbeitsgänge zur Erzielung einer gleichmäßig geglätteten Gleitfläche möglich, indem das Verdrängen von Teilen des weicheren Lagerwerkstoffs in die Vertiefungen in zwei Stufen, nämlich in erster Stufe Walzen des mit der zweiten Beschichtung versehenen bandförmigen Schichtwerkstoffes und in zweiter Stufe während eines Biegeroilvorganges zum Formen des Gleitlagerelements vorgenommen wird, wobei die beim Walzen und beim Biegeroll-Vorgang ausgeübten Drücke derart abgestimmt werden, daß in beiden Vorgängen Teile des weicheren Lagerwerkstoffs von den erhabenen Oberflächenbereichen plastisch in die Vertiefungen fließen und das Gleitlagerelement den Biegerollvorgang mit geglätteter Gleitfläche verläßt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Figuren beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Rillen- oder Helixlager vor dem erfindungsgemäßen Arbeitsgang;

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Fig. 2 einen Schnitt durch ein Rillen- oder Helix-

lager nach dem erfindungsgemäßen Arbeitsgang; Fig.-.3 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Rillen- oder Helixlagers gemäß der Figur 1;

Fig. 4 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme

eines Rillen- oder Helixlagers nach Figur 2; Fig. 5 eine mögliche Vorrichtung zur Durchführung eines Preßverfahrens nach der Erfindung; Fig. 6 eine mögliche Vorrichtung zur Durchführung

eines RoI1ierverfahrens nach der Erfindung; Fig. 7 eine mögliche Vorrichtung zur Durchführung

eines Kalibrierverfahrens nach der Erfindung und
Fig. 8 eine mögliche Vorrichtung zur Durchführung

eines Biegeroi 1 Verfahrens nach der Erfindung.

Die Ausführungsbeispiele zeigen ein Gleitlager in der Ausführungsform als Rillen- oder Helixlager, bestehend aus einer Stahlstützschale, auf die eine Lagermetallschicht 11, beispielsweise auf Kupfer- oder Aluminiumbasis aufgebracht ist. Diese Lagermetallschicht kann beispielsweise durch Aufgießen der vorher geformten Stahlstützschale oder durch Aufgießen auf ein Stahlband oder eine Stahlplatte und anschließendes Formen einer Lagerschale 19 oder Lagerbuchse aus diesem Verbundstoff hergestellt werden. In die Oberfläche der Lagermetal!schicht 11 sind ri1lenförmige Vertiefungen 12 eingebracht, die beispielsweise durch einen Bohrvorgang hergestellt werden können. Diese ri Tlenartigen Vertiefungen 12 erstrecken sich in Umfangsrichtung der Lagerlauffläche und sind bei den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen schraubenförmig angeordnet. In den Beispielen nach Figur 1 und 2 besitzen die ri1lenförmigen Vertiefungen 12

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eine Tiefe t und sind in einem Abstand v voneinander angeordnet. Die Breite der durch benachbarte Vertiefungen 12 in der Oberfläche der Lagermetallschicht 11 gebildeten erhabenen Bereich bzw. Tragstege 13 ist mit s bezeichnet.

Neben dieser schraubenförmigen Anordnung ist es auch möglich, in der Oberfläche der Lagermetallschicht sich kreuzende Vertiefungen einzuschneiden, so daß durch die sich kreuzenden Nuten dazwischenstehende, etwa rautenförmige Falder gebildet werden.

Um bei hoch beanspruchten Gleitlagern, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, eine Diffusion von Legierungsbestandteilen zwischen den Schichten zu vermeiden, ist über der Lagermetallschicht 11 eine Sperr- oder Bindeschicht angebracht. Darüber befindet sich die eigentliche Gleitschicht 15, die aus Metall und/oder Kunststoff bestehen kann und beispielsweise durch Galvanisieren, Kathodenzerstäubung, Spritzen oder ein anderes Beschichtungsverfahren < I aufgebracht wird. Zur Verbesserung der Gebrauchseigenschaften kann diese Gleitschicht auch einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen.

Nach dem Aufbringen des weicheren Materials der Gleitschicht 15 auf die Sperr- oder Bindeschicht 14 oder ggf. direkt auf die aus härterem Materi-al bestehende Lagermetallschicht 11 wird dre noch wellige Oberfläche 16 der Gleitschicht mit einer Schichtdicke d. nochmals bearbeitet, so daß eine geglättete Gleitfläche entsteht. Dies geschieht durch Anwendung der bildsamen Formgebung, wobei unter Druck das Gleitschichtmaterial von den erhöhten Tragstegen 13 in die ri1lenförmigen Vertiefungen 12 abfließt, bis, wie in Figur 2 dargestellt, die gewünschte gleichmäßige Einebnung der Oberfläche 16 der Gleitschicht 15 erreicht ist.

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Dabei ist sichergestellt, daß die Tragstege 13 aus härterem Lagermetall immer mit einer dünnen Schicht mit der Dicke dp aus einem weichen, anpassungsfähigen Lagerwerkstoff abgedeckt sind. Nach diesem letzten Arbeitsgang gilt für die Dickenverteilung der Gleitschicht 15

d₂ <d₁ < d₃ ,

wobei mit d₃ die Dicke der Gleitschicht 15 über der rillenförmigen Vertiefung 12 bezeichnet ist.

In Figur 3 ist eine rasterelektronenmikroskopische Darstellung des Schnittes durch ein Gleitlager nach Aufbringen der Gleitlagerschicht 15, jedoch vor der Letztbehandlung mittels bildsamer Formgebung, gezeigt. Figur 4 zeigt eine entsprechende fotografische Darstellung nach Anwendung der bildsamen Formgebung. Diese beiden Fotografien lassen deutlieh den Aufbau eines Gleitlagers gemäß Figuren 1 und 2 erkennen mit einer Lagermetallschicht 11, darüber!legender Sperr- oder Bindeschicht 14 und darauf angebrachter Gleitschicht 15. Dabei ist in Figur 3 eine noch homogene Verteilung der Gleitschichtstrukturlinien 17 zu sehen, die sich gleichmäßig an die ri1lenförmige Vertiefung 12 und Tragstege 13 in der Lagermetallschicht 11 anpassen. Dagegen gibt Figur 4 eine deutliche Vernetzung dieser Gleitschichtstrukturlinien am Übergang zwischen Tragsteg 13 und ri1lenförmigen Vertiefungen 12 zu erkennen. Dies ist die Folge der bildsamen Formgebung, bei der das weichere Material der Gleitschicht 15 von den erhöhten Tragstegen 13 aus härterem Material in die ri1lenförmige Vertiefung 12 in der Lagermetallschicht 11 abgeflossen ist. Die vernetzten Gleitschichtstrukturlinien 17 lassen erkennen, daß eine vorteilhafte zusätzliche Verfestigung der Gleitschicht in den Randbereichen der Vertiefungen 12 durch das bildsame Verformen eingetreten ist.

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In Figur 5 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von maßbeschichteten Rillen- oder Helixlagern mittels Preßverfahren dargestellt. Diese Vorrichtung besteht aus einem Preßgesenk 18, das mit einer halbkreisförmigen Ausnehmung zur paßgenauen Aufnahme des Gleitlagers 19 mit dem Halbmesser R₂ versehen ist. Nach Einlegen des Gleitlagers 19 in das Preßgesenk 18 wird mit einem Preßballen 20 mit dem HaIbmeser R. und einer nach unten gerichteten, mittels eines Pfeiles dargestellten Kraft P. derart auf die Gleitfläche des eingelegten Gleitlagers 19 gedrückt, daß weiches Gleitschichtmaterial von den erhabenen Tragstegen 13 in die rillenförmigen Vertiefungen 12 abfließt, und es zu einer Einebnung der Gleitfläche kommt. Zur Erzielung der gewünschten vollständigen Einebnung über die gesamte Umfangslänge des Lagers ist die richtige Wahl des Verhältnisses der Halbmesser von Gleitlager 19 und Preßballen 20, sowie der Preßkraft P^ von besonderer Bedeutung. Dabei empfiehlt sich der Einsatz einer Dreiwegepresse, wie dies in Figur 5 durch die angreifenden Seitenkräfte P₂ angedeutet ist. Durch diese Seitenkräfte P₂ wird die Lagerschale 19 im Bereich der Teilfiäche gegen den Preßballen 20 gepreßt, so daß Wanddickentoleranzen der Lagerschale 19 ohne Einfluß auf die Einebnung der Gleitfläche bleiben. Eine weitere Vergleichmäßigung der Kraftverteilung läßt sich durch eine schwimmende bzw. federnde Aufhängung des Preßgesenks 18 oder des Preßballens 20 erreichen.

Das gewünschte Verhältnis der Schichtdicken über den Vertiefungen 12 und Tragstegen 13 (d₂/d₃) ergibt sich als Funktion des Preßballenradius R. und des Lagerschalenradius R₂, der Preßkräfte P₁, P₂ und der Dicke d₁ der Gleitschicht 15 im maßbeschichteten Zustand. Als weitere Parameter gehen die Werkstoffeigenschaften der Lagermaterialien sowie das Rillenprofil, d.h. der Abstand ν zwischen den Tragstegen 13, Stegbreite s sowie die Tiefe t der Vertiefungen 12 ein.

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Im Beispiel der Figur 6 ist schematisch die Einebnung der Gleitfläche eines Gleitlagers mittels des RoI1ierverfahrens dargestellt.'· Dabei ist in eine Aufnahme 22 die Lagerschale 19 eingespannt. Gegen die eine Rollierwalze mit einem im Vergleich zum Gleitlagerradius R₂ kleineren Walzenradius R₃ mit einem Druck P₃ gedrückt wird. Mit einer hier nicht näher gezeigten Einrichtung zur Erzeugung einer Schwenkbewegung zwischen Rollierwalze 23 und eingespannter Lagerschale 19 läßt sich dann unter Einwirkung der Kraft P₃ durch die Rollierwalze 23 eine Einebnung der Gleitfläche durch plastische Verformung erreichen. Bei diesem Verfahren wird eine Abstimmung unter den Einflußgrößen, wie Radius R₂ des Gleitlagers 19, Walzenradius R₃, Kraft P₃, Gleitschichtdicke d., dp, do, Abstand ν zwischen Tragstegen 13 sowie Tiefe t der Vertiefungen 12 vorgenommen. Es ist möglich, daß das Rollieren selbst in einem oder mehreren abgestuften Arbeitsgängen erfolgt.

Im Beispiel der Figur 7 wird eine weitere Möglichkeit der Gleitflächeneinebnung mittels eines Kalibrierverfahrens gezeigt. Hierbei wird in einer Aufnahme 24 mit einem Kalibrierwerkzeug 26 die wellige Gleitfläche der Lagerschale 19 geglättet. Die bereits mit einer Gleitschicht versehene Lagerschale 19 ist in die Aufnahme 24 eingespannt, durch deren konkave Wölbung das Kalibrierwerkzeug 25 bewegt wird. Dieses Kai ibrie.rwerkzeug 26 hat einen Aufbau mit mehreren hintereinander gestellten Kalibrierscheiben 26. Die Radien der einzelnen Kalibrierscheiben 26 sind dabei mit R₄-^R₅ —<R derart aufeinander abgestimmt, daß bei dem Kalibriervorgang eine Spanabhebung von der Lagerschale 19 mit dem Radius R₂ vermieden wird. Auch werden hierbei die Oberflächenkontur des Kalibrierwerkzeugs 26 sowie die Abmessungen der Gleitschichtdicken d,, d₂, Rillentiefe t, Rillenabstand ν und Tragstegbreite s derart

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gewählt, daß Werkstoffabscherungen bzw. -doppelungen ausgeschlossen sind. Unter Beachtung dieser Faktoren wird dann beim Bewegen des Kalibrierwerkzeugs 26 Gleitschichtmaterial von den Tragstegen 13 in die vertieft liegenden Rillen 12 geschoben, so daß sich als Ergebnis eine Lagerschale mit dem in Figur 2 gezeigten Profil ergibt.

Im Beispiel der Figur 8 ist eine sogenannte Biegerollvorrichtung zum Formen von Lagerschalen aus bandförmigem Halbzeug dargestellt. Ausgangspunkt bei diesem Verfahren ist ein die spätere Stahlstützschale des Gleitlagers bildendes Stahlblech, auf das die Lagerrnetal lschicht aufgebracht, beispielsweise aufgewalzt, wird. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Verfahren wird das Rillenoder Helixprofil nicht in die bereits fertig geformte Lagerschale eingebracht, sondern durch spanende oder bildsame Formgebung in das aus Stahl und Lagerwerkstoff bestehende Verbundband eingearbeitet. Nach Auflegen der Sperr- oder Bindeschicht wird im nächsten Arbeitsschritt auch die Gleitschicht auf das Bandmaterial aufgebracht.

Danach weist das Verbundband einen Aufbau und ein Profil gemäß Figur 1 bzw. Figur 3 auf, wobei die ri1lenförmigen Vertiefungen 12 und die Tragstege 13 parallel oder mit Steigung zur Bandlängsachse verlaufen. Das so vorgefertigte Verbundband kann nun mit Hilfe der in Figur 8 gezeigten Biegeroll vorrichtung zu einer Lagerschale bei gleichzeitiger Einebnung der Gleitoberfläche geformt werden.

Diese Biegerollvorrichtung besteht aus einem Rolldorn 29, dessen Umfangsflache zu einer etwa halbzylinderförmigen Formfläche 30 mit Zentrum im Punkt A ausgebildet ist. In einem Abstand vom Rolldorn 29 ist eine Preßwalze 32 drehbar im Punkt B an einem hier nicht dargestellten Schwenkarm gelagert, dessen Schwenkachse im Mittelpunkt A des Rolldorns 29 liegt. Der Abstand der Mittelpunkte A und B von RoIldorn 29 und Preßwalze 32 ist geringfügig kleiner als die

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Summe aus dem Radius des Rolldorns 29, des Radius der Preßwalze 32 und der Dicke des Verbundbandes 27. Zur Kürzung des Verbund'bandes 27 auf eine der fertigen Lagerschale entsprechende Länge ist der Rolldorn 29 an seinen Endbereichen mit Schneideinrichtungen 31 versehen.

Zur Durchführung des Biegeroi 1 Vorganges wird das Verbundband tangential zur Formfläche 30 an einem Ende des Rolldorns 29 eingeführt und mittels der beiden Klemmbacken 28 fixiert.

Zur Formung der Lagerschale wird die Preßwalze 32 um die Formfläche 30 des Rolldorns 29 gedreht. Hierdurch wird das Verbundband 27 an den Rolldorn 29 angepreßt, so daß es in Richtung seiner Dicke gewalzt und entlang der Formfläche 30 gebogen wird. Durch geeignete Wahl des Anpreßdruckes der Preßwalze 32 sowie Abstimmung der in Wechselwirkung stehenden Parameter aufeinander, wie z.B. Radius des Rolldorns 29, Radius der Preßwalze 32, Rillentiefe t, Tragstegabstand v, Tragstegbreite s, Schichtdicke cL der aufgebrachten Gleitschicht läßt sich während der Formung des Verbundbandes 27 zu einer Lagerschale gleichzeitig die Gleitfläche durch bildsame Formgebung einebnen.

In Fällen, in denen es nicht möglich ist, die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit der Gleitschicht während dieses Biegeroi lvjDrganges zu erzielen, z.B. in Fällen, in denen eine exakte Abstimmung der einzelnen Einflußgrößen aufeinander nicht möglich ist, kann eine Einebnung der Gleitfläche durch Walzen auch bereits vor dem eigentlichen Biegevorgang vorgenommen werden. Ebenso ist es möglich, die Glättung der Gleitfläche abgestuft durch Walzen vor dem Biegeroilvorgang und während der Verformung des Verbundbandes 27 durchzuführen. In jedem Fall wird aber durch Anwendung der bild-

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samen Formgebung eine Einebnung der Gleitfläche erreicht, wobei sichergestellt ist, daß die Tragstege aus hartem Lagermetall mit einer dünnen Gleitschicht mit wenigen Mikrometern Dicke abgedeckt sind.

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6200 Wiesbaden 1 ■ Bierstadter Höhe 15 · Postfach 5105 · Telefon (o 61 21) 56 20 Postscheck Frankfurt/Main 1810 08 - 602 · Bank Deutsche Bank 306 571 · Nass. Sparkasse 120 040

Wiesbaden, den 26. April 1984 3Λ 1 5 9 ? 9 ^{G 561 VNR: 107565}

Glyco-Metal1-Werke Daelen & Loos GmbH

Stielstraße

6200 Wiesbaden-Schierstein

Hochbelastbares Gleitlager mit inhomogener Gleitschicht

ezugszeichenliste

11 Lagermetallschicht

12 Vertiefung

13 Tragsteg

14 Sperr- oder Bindeschicht

15 Gleitschicht

16 Gleitschichtoberfläche

17 Gleitschichtstrukturlinien

18 Preßgesenk

19 Gleitlager

20 Preßballen

22 Aufnahme

23 Rollierwalze

24 Aufnahme ^s

25 Kalibrierwerkzeug

26 Kalibrierscheibe

27 Verbundband

28 Klemmbacken

29 Rolldorn

30 Formfläche

31 Schneideeinrichtungen

32 - Preßwalzen

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- is.

Leerseite -

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Claims

PATENTANWALT DlPl.-FHYS. HEINRICH SEIDS
6200 Wiesbaden α · Bierstadter Höhe 15 · Postfach 5105 · Telefon (06121) 562022 Postscheck Frankfurt/Main 1810 08 - 602 · Bank Deutsche Bank 30ό 571 · Nass. Sparkasse 120 040 995
Wiesbaden, den 26. April 1984 G 561 VNR: 107565 S/ha
Glyco-Metall-Werke
Daelen & Loos GmbH j
Stielstraße 11 ;
6200 Wiesbaden-Schierstein
j Hochbelastbares Gleitlager mit inhomogener
j Gleitschicht
Patentansprüche
¹ 1) Hochbelastbares Gleitlager mit inhomogener Laufschicht

aus mindestens zwei Lagerwerkstoffen unterschiedlicher ^; Härte, bei dem der härtere Lagerwerkstoff in einer _: unteren Schicht liegt, die an ihrer der Lagerlauffläche . 5 zugewandten Seite mit ri1lenförmigen, sich im wesent-¹ liehen in Urnfangsrichtung der Lagerlauffläche erstrek- ! kenden, ggf. schraubenförmigen oder sich kreuzenden

Vertiefungen versehen ist, und die gesamte Oberfläche dieser unteren Schicht unter Auffüllung der Vertiefungen 10 mit einer oberen Schicht ,aus weicherem Lagerwerkstoff ; überdeckt ist, die eine im wesentlichen platte Lager- ^! lauffläche oder Trägerfläche für eine Oberflächenschicht ' bildet, ^{v ;}

; dadurch gekennzeichnet, daß :

; 15 das die Vertiefungen der unteren Schicht ( 11 ) auffüllende Material zumindest teilweise durch bild- ■ same Formgebung von den erhabenen Bereichen in die

vertieften Bereiche hinein verdrängter weicheren Lagerwerkstoff der oberen Schicht ( 15 ) ist, wobei j 20 die im wesentlichen glatte Oberfläche (i6 ) der oberen ;

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Schicht (15 ) allein durch diese Material Verdrängung ausgebildet ist.

2) Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Material Verdrängung auf den Erhebungen (13 ) der unteren Schicht (11 ) verbliebene Materialdicke (dp ) des weicheren Lagerwerkstoffs nur wenige Mikrometer beträgt.

3) Verfahren zum Herstellen von Gleitlagern nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Schritte:

a) Herstellen eines Gleitlagerelements oder Schichtwerkstoffsmit einer für die untere Schicht der Lagerlaufschicht vorgesehenen ersten Beschichtung aus härterem Lagerwerkstoff,

b) Einformen von ri1lenförmigen, ggf. schrauben-

förmigen oder sich kreuzenden Vertiefungen in diese Beschichtung aus härterem Lagerwerkstoff,

c) Aufbringen einer zweiten Beschichtung auf .das Gleitlagerelement bzw. den Schichtwerkstoff an der mit den Vertiefungen versehenen Oberfläche mit weicherem Lagerwerkstoff in gleichmäßiger, vorher festgelegter Schichtdicke und

d) Verdrängen von Teiles des weicheren Lagerwerkstoffs in die beim zweiten Beschichten verbliebenen Vertiefungen unter Anwendung von Druck und/oder Scherkräften.

4) Verfahren nach Anspruch 3," dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d,) der zweiten Beschichtung auf der Grundlage der folgenden Einflußgrößen: Tiefe (t) der Vertiefungen, Abstand (v) der Vertiefungen, Breite (v-s) der Vertiefungen, gewünschte verbleibende Dicke (dp) der zweiten Beschichtung über den erhabenen Bereichen der unteren Schicht und ausgeübter Preßdruck

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(P. ,-P₃) derart bere/chnet wird, daß das Glätten der zweiten Beschichtung unter Ausbildung der oberen Schicht der Lager gleitschicht ausschließlich durch Verdrängen von Teilen des weicheren Lagerwerkstoffs in die Vertiefungen erfolgt.

5) Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdrängen von Teilen des weicheren Lagerwerkstoffs in die Vertiefungen durch Pressen vorgenommen wird, bei welchem das mit dem weicheren Lagerwerkstoff maßbeschichtete Gleitlagerelement in einem Preßgesenk mittels eines im wesentlichen mit dem Halbmesser (R.) der Lagerlauffläche ausgebildeten Preßbalken mit solcher Kraft (P.) gepreßt wird, daß weicherer Lagerwerkstoff von den erhabenen Bereichen in die Vertiefungen abfließt.

6) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einsatz einer Dreiwegepresse Kräfte (P.', P₂) in verschiedenen Richtungen, vorzugsweise in rechtwinklig zueinander liegenden Richtungen, zum Pressen auf das Gleitlagerelement ausgeübt werden.

7) Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdrängen von Teilen des weicheren Lagerwerkstoffs in die Vertiefungen durch einen Rolliervorgang vorgeflommen wird, bei welchem das mit dem weicheren Lagerw-erkstoff maßbeschichtete Gleitlagerelement in eine Aufnahme eingespannt und mittels einer Rollierwalze unter Ausüben eines Druckes (P₃) durch plastische Verformung der Gleitschicht mit Verdrängen von Teilen des weicheren Lagerwerkstoffs von den erhabenen Bereichen in die Vertiefungen an seiner Lagergleitfläche geglättet wird.

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Dipl.-Phys. Heinrich Seids ■ Patentanwall · Bier.s'?c'ter.I.Iöhe 1'5 ·. Postfach 510; · 6200 Wiesbaden 1 ■ vS? (0 6121) 56 20 22

8) Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdrängen von Teilen des weicheren Lagerwerkstoffs in die Vertiefungen durch einen Kalibriervorgang vorgenommen wird, bei dem ein Kaiibrierwerkzeug unter spanlosem Glätten der Lagergleitfläche unter Vermeidung von Werkstoffabscherungen und Werkstoffdoppelungen durch die konkave Wölbung des Gleitlagerelements bewegt wird.

9) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kalibrierwerkzeug mit konischem Kopf und anschließendem im wesentlichen zylindrische Kalibrierkörper benutzt wird.

10) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kalibrierwerkzeug mit mehreren hintereinandergestellten Kalibrierscheiben mit abgestuftem Radius (R₄ <R₅..5R_n) benutzt wird.

11) Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalibrierwerkzeug nacheinander von beiden verschiedenen Seiten her durch die konkave Wölbung des Gleitlagerelements bewegt wird.
12) Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdrängen von_Teilen des weicheren Lagerwerkstoffs in die Vertiefungen während des Formens des Gleitlagerelements aus mit der zweiten Beschichtung versehenem, bandförmigem Schichtwerkstoff in einem Biegerol1 Vorgang vorgenommen wird, bei welchem der Schichtwerkstoff mit ausreichender Kraft mit seiner beschichteten Seite gegen einen Rolldorn gepreßt wird, daß außer der Formgebung des Gleitlagerelements auch dessen Gleitfläche durch bildsame Formgebung unter Verdrängen von Teilen weicheren Lagerwerkstoffs von den Erhebungen in die Vertiefungen geglättet wird.

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Dipl.-Phys. Heinrich Seids · Patentanwalt ■ BieriüuUer Hohe i~5-.-Poi.tnch 51Oi - "6200-Wiesbaden 1 ■ S" (0 61 21) 56 20 22
13) Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdrängen von Teilen des weicheren Lagerwerkstoffs' in die Vertiefungen durch Walzen des mit der zweiten Beschichtung versehenen, bandförmigen Schichtwerkstoffs vor dem Formen des Gleitlagerelements vorgenommen wird, wobei dieses Walzen unter ausreichendem Druck erfolgt, die beschichtete Oberfläche des Schichtwerkstoffs durch bildsame Formgebung unter Verdrängen von Teilen des weicheren Lagerwerkstoffs von den erhabenen Oberflächenbereichen in die Vertiefungen eingeebnet wird.
14) Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdrängen von Teilen des weicheren Lagerwerkstoffs in die Vertiefungen in zwei Stufen, nämlich in erster Stufe Walzen des mit der zweiten Beschichtung versehenen bandförmigen Schichtwerkstoffes und in zweiter Stufe während eines Biegeroi 1 Vorganges zum Formen des Gleitlagerelements vorgenommen wird, wobei die beim Walzen und beim BiegeroiIvorgang ausgeübten Drucke derart abgestimmt werden, daß in beiden Vorgängen Teile des weicheren Lagerwerkstoffs von den erhabenen Oberflächenbereichen plastisch in die Vertiefungen fließen und das Gleitlagerelement den Biegeroi Ivorgang mit. geglätteter Gleitfläche verläßt.

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