DE3851573T2

DE3851573T2 - Reibungsloses Lager und mit einem solchen Lager ausgerüsteter Fahrzeugalternator.

Info

Publication number: DE3851573T2
Application number: DE3851573T
Authority: DE
Inventors: Yoshiki Fujita; Masayuki Kitamura; Kenzo Mitani; Sigenobu Nakamura; Tutomu Siga
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd; NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd; Denso Corp
Priority date: 1987-06-10
Filing date: 1988-06-09
Publication date: 1995-03-23
Anticipated expiration: 2008-06-10
Also published as: USRE37967E1; EP0294813A3; EP0294813B1; DE3851573D1; EP0294813A2; US5422524A

Description

Die Erfindung betrifft ein reibungsfreies Lager mit einem Innenring, einem Außenring und einer Anzahl von rollenden Gliedern zwischen beiden, wobei der Innenring oder der Außenring ein fester Ring und der jeweils andere der beiden Ringe ein drehbarer Ring ist, und wobei der feste Ring Schwingungs- oder Stoßbelastungen ausgesetzt werden kann, sowie einen Wechselstromgenerator für Fahrzeuge, bei dem die drehbare Welle eines Rotors drehbar durch zwei Lager an einem Rahmen abgestützt wird und der einen Stator umfaßt mit einer Antriebsriemenscheibe, die auf einem Ende der aus dem Rahmen herausragenden drehbaren Welle montiert ist.
In der US Patentanmeldung US-A-4 191 599 ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von hochgekohlten Legierstahlteilen, insbesondere für Kugel- und Rollenlager, zur Entwicklung von oberflächenkompressiven Restspannungen beschrieben. Nach dieser Druckschrift weist die Randschicht zur Verlängerung der Lebensdauer vorzugsweise einen höheren Restaustenitgehalt auf als die Kernzone, wobei für eine Probe ein Wert von 24% bis 26% Restaustenit als "mittlerer Restaustenitgehalt für die Randschicht" angegeben sind. In einer weiteren Probe beträgt die Restaustenitmenge der Randschicht 14% und der der Kernschicht 3%. Schließlich wird noch für eine weitere Probe 9% Restaustenit auf der Mittelachse angegeben.
Die Lagerringe und rollenden Glieder des reibungsarmen Lagers (nachstehend der Einfachheit halber "Lager" genannt) sind infolge ihrer Wälzbewegungen allgemein einer hohen Schubwechselbeanspruchung ausgesetzt, so daß ihnen durch Härten und Tempern auf eine hohe Rockwell-Härte von HRC 58 bis 64 eine höhere Festigkeit gegen Ermüdung infolge von Wälzbeanspruchungen mitgegeben wird. In diesem Zusammenhang wird das folgende Verhältnis zwischen der Härte und der Zeitschwingfestigkeit bei Beanspruchung durch Abwälzbewegungen angegeben, wobei die Zeitschwingfestigkeit mit abnehmender Härte eine starke Verringerung erfährt:
LH = fHp·L
worin:
LH = die Zeitschwingfestigkeit bei Änderung der Härte
fH = der Härtefaktor
p = eine Konstante (3 bei Kugel- bzw. 10/3 bei Rollenlagern)
L = die Standzeit eines Normlagers
und weiter:
fH = (HV/750)²
worin:
HV = die Vickers-Härte.
In neuerer Zeit jedoch werden Lager für solche Einsatzzwecke benutzt, bei denen die geforderte Zeitschwingfestigkeit unter Abwälzbedingungen nicht ausschließlich über die Härte beigestellt werden kann.
Bei herkömmlichen Lagern bewirkt die durch Kontakt zwischen den Lagerringen und den rollenden Gliedern bedingte Schubspannung von Einschlüssen oder dergleichen ausgehende Rißbildungen, wobei mit dem Größerwerden der Risse Abblätterungen oder Abplatzer verursacht werden. Bei drehendem Innenring treten diese Abblätterungen vornehmlich im Bereich des drehenden Rings, d. h. des Innenrings, auf. Andererseits ist festzustellen, daß im Falle von in schwingungs- oder stoßbelasteten Einbaustellen betriebenen Lagern die Schwingungs- oder Stoßbelastungen viele Kleinstrisse bzw. Gefügeveränderungen unmittelbar unter der Laufbahn des feststehende Außenrings verursachen und hierdurch zu einem Abblättern innerhalb sehr kurzer Zeit führen, so daß das betreffende Lager unbrauchbar wird.
Diese Erscheinung tritt auf, weil die jeweils anstehende Schwingungs- oder Stoßbelastung die Laufbahn verformt und sich stärker ausprägt, so daß eine höhere mikroskopische Beanspruchung im Ringbereich unterhalb der Laufbahn verursacht wird.
Die Zeitschwingfestigkeit bei Anwälzbeanspruchungen läßt sich auf höchst einfache Weise dadurch verlängern, daß die Lagergröße und damit die Belastbarkeit des Lagers vergrößert wird. Dies bietet den Vorteil, daß sich bei Lastbeaufschlagung eine niedrigere Spannung einstellt. Unter echten Einsatzbedingungen jedoch ändert sich die Schwingungs- oder Stoßbelastung je nach den konstruktiven Bedingungen um das Lager herum sowie den jeweiligen Einbau- und Betriebsbedingungen und ist es unmöglich, den Forderungen nach geringerer Größe und geringerem Gewicht zu entsprechen, so daß der Einsatz eines größeren Lagers keine zufriedenstellende Lösung darstellt.
Durch die üblichen Härte- und Temperbehandlungen wie vorbeschrieben auf die Härte von HRC 58 bis 64 eingestellter hochgekohlter Chromstahl (wie beispielsweise JIS SUJ2 oder SAE 52100) wird herkömmlicherweise zur Herstellung der Innen- und Außenringe von Lagern zum Einsatz in Wechselstromgeneratoren für Fahrzeuge benutzt.
Seit einigen Jahren jedoch besteht die Forderung nach Wechselstromgeneratoren geringerer Größe, niedrigeren Gewichts und höherer Leistung, um die nötigen Senkungen der Kraftstoffkosten für die Fahrzeuge erreichen und die verschiedenen elektrischen Leistungen derselben erhöhen zu können. Zur Erfüllung dieser Forderung ist es gängige Praxis geworden, ein größeres Scheibenverhältnis einzusetzen und den Wechselstromgenerator mit hoher Drehzahl zu betreiben, wobei entsprechend die maximale Drehzahl über 12000 Upm liegt.
Zu den mit einer solch hohen Drehzahl verbundenen Nachteilen gehört das Rutschen des außen am Wechselstromgenerator sitzendenden Riemens, wobei dieser Nachteil durch Einsatz einer größeren Zahl von Riemen unter erhöhter Spannung aus geschaltet werden konnte. Andererseits besteht hinsichtlich des Innenaufbaus des Wechselstromgenerators die Notwendigkeit, das Lager beständig gegen die bei bei Drehung mit hoher Drehzahl gegebenen Bedingungen sowie die anstehende hohe Zugspannungsbeanspruchung zu machen. Anders ausgedrückt führen die durch die hohe Drehzahl bedingte Umlaufwärme und die durch hohe Spannung bedingte Reibungswärme eine kürzere Wirkdauer und Standzeit des eingesetzten Schmierstoffs, so daß die Lager einer entsprechenden Anpassung bedürfen, um diese Probleme auszuschalten. Weiterhin muß das Lager ohne jedwede durch Verformung der Laufbahn infolge hoher Spannung verursachte ausgeprägte Schwingung mit hoher Drehzahl laufen können. Allgemein dreht ein Lager bei hoher Drehzahl zufriedenstellend, wenn es größenmäßig reduziert ist, da eine kleinere Baugröße sich in einer verringerten Wärmebildung auswirkt.
In solchen Fällen jedoch, wo ein Lager wie beispielsweise in einem Wechselstromgenerator einer hohen Zugspannung aus gesetzt ist, geht eine geringere Baugröße auf Kosten einer geringeren Belastbarkeit und damit einer niedrigeren Zeitschwingfestigkeit, so daß die kleinsten im Einsatz befindlichen Lager einen äußeren Durchmesser von mindestens 32 mm aufweisen.
Kurz gesagt müssen zur Sicherstellung einer hohen Drehzahl unter erhöhter Spannung, wie diese für eine Verringerung von Baugröße und Gewicht des Wechselstromgenerators sowie eine Erhöhung der Leistung desselben erforderlich ist, im Gegensatz zueinander stehende Aufgaben, nämlich die Verhinderung von Wärmeentwicklung sowie die Beistellung einer höheren Belastbarkeit, gelöst werden, wobei festzustellen ist, daß die Ausschaltung dieser Probleme bei Wechselstromgeneratoren der beschriebenen Art bisher stets auf Schwierigkeiten gestoßen ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Lagers, das eine verlängerte Lebensdauer in einer schwingungs- und stoßbelasteten Einbaustelle besitzt, ohne daß die Baugröße des Lagers vergrößert werden muß.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Wechselstromgenerators, der mit erhöhter Drehzahl unter der hieraus resultierenden höheren Zugspannung zu drehen vermag, wie dies für eine Herabsetzung von Baugröße und Gewicht des Wechselstromgenerators sowie eine höhere Leistung desselben erforderlich ist.
Zur Lösung dieser Aufgaben besteht erfindungsgemäß der feste Ring des Lagers aus Stahl, der bis zu 10% Restaustenit nit, gemessen in einer Tiefe von 0.1 oder 0.2 mm unter der Laufbahn des Rings, enthält. Der erfindungsgemäße Wechselstromgenerator ist dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring wenigstens des Lagers auf der Seite der Riemenscheibe aus einem Stahl besteht, der bis zu 10% Restaustenit enthält, gemessen in einer Tiefe von 0.1 oder 0.2 mm unterhalb der Laufbahn des Rings.
Wie an anderer Stelle bereits erwähnt, konnten wir feststellen, daß ein frühzeitiges Abblättern eines Schwingungs- oder Stoßbelastungen ausgesetzten Lageraußenrings zurückzuführen ist auf eine Vielzahl von Rissen oder Gefügeveränderungen, die infolge der dynamischen Einwirkung übergroßer Spannungen, welche bedingt sind durch harte Schwingungs- oder Stoßbelastungen, entstehen. Intensive Prüf- und Forschungsaktivitäten hinsichtlich der Wärmebehandlung des Außenrings mit dem Ziel, diesem eine entsprechende Rißfestigkeit und Beständigkeit gegen Gefügeveränderungen mit zugeben, haben zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung geführt.
Genauer gesagt wird erfindungsgemäß ein Lager geschaffen, in dem der feste Ring aus einem Stahl hergestellt ist, der bis zu 10% Restaustenit enthält.
Die Menge an Restaustenit im festen Ring soll deswegen etwa 10% betragen, weil die übliche Härte- und Temperbehandlung von Stahl im Mittel etwa 11 bis 14% Restaustenit gestattet, wobei ein etwas höherer Gehalt an Restaustenit zu einer verbesserten Zeitschwingfestigkeit bei Wälzbeanspruchungen führen soll.
So wurden beispielsweise von C. Razim Stähle wie 14NiCr14 (0.14% C, 0.46% Mn, 0.78% Cr und 3.67% Ni), 16MnCr5 und 20Mocr4 karburiert und durch Kontakt mit einer Walze auf Ermüdung geprüft, wobei folgende Feststellungen gemacht wurden (siehe C. Razim, Härterei Technische Mitteilungen, 22m (1967), Heft 4, S. 32):
(1) Die mit der Walze in Kontakt befindliche Stahloberfläche erfuhr eine plastische Verformung infolge Belastungsspannung. Die Breite der Kontaktfläche wurde damit größer und resultierte in einem geringeren Oberflächenanpreßdruck mit dem Ergebnis einer verbesserten Grübchenkorrosionsfestigkeit.
(2) Der Drehbiegeermüdungsversuch ergab, daß eine Probe mit 30 bis 50% γR (Restaustenit) eine zweifach bessere Dauerfestigkeit aufwies als eine Probe aus reinem Martensit.
(3) Bei der 14NiCr14-Probe mit 50% γR und einer Härte von HV 550 wurde im Zuge des Versuchs die Oberflächenhärte auf HV 950 verändert.
(4) Es war nicht erkennbar, ob durch den Versuch eine Umwandlung des Restaustenits γR in Martensit erfolgte. Nach dem Versuch wurde im Gefüge unter dem Mikroskop ein Karbid festgestellt.
J.P. Sheahan et al. karburierten einen Stahl SAE 8620 und veränderlichen Bedingungen und unterzogen diesen einem Grübchenkorrosionsversuch unter Einsatz einer Walze, wobei festgestellt wurde, daß die Proben mit höheren Restaustenitgehalt eine größere Grübchenkorrosionsfestigkeit aufwiesen als solche mit einem niedrigeren Gehalt (siehe J.P. Sheahan und M.A.H. Howwes, SAE 720268). Als Grund hierfür wurden plastisches Fließen und Kaltverfestigung angegeben. O.W. Mcmullan schließt sich dieser Konzeption an und stellt fest, daß durch die Präsenz von γR aller Wahrscheinlichkeit nach die Belastungsspannung abgeschwächt wird (siehe O.W. Mcmullan, Metal Progress (1962) April, S. 67).
Nach R.A. Wilde ist wegen übermäßiger Härte ein Restaustenitgehalt bis zu 10% γR nicht angebracht. Er stellt fest, daß die Präsenz von γR in der jeweils richtigen Menge und optimal einer solchen von 10 bis 15% zur Abschwächung der Belastungsspannung geeignet ist (siehe R.A. Wilde, Research Center Eaton and Towne Inc., (1967), Oktober).
Yajima et al. führten an Lagerstahl einen Versuch zur Bestimmung der Dauerfestigkeit unter Abwälzbeanspruchungen durch und stellten fest, daß die Grübchenkorrosionsfestigkeit mit zunehmendem γR-Gehalt größer wurde (Yajima et al., The Japan Institute of Metals, Symposium, 1972).
Nachdem eine detaillierte Untersuchung des unmittelbar unterhalb des Kontaktpunktes zwischen Probe und Stahlkugel befindlichen Bereichs ergeben hatte, daß im Rahmen des Versuchs die Härte von HV 750 auf etwa HV 1000 erhöht worden und die Röntgenbeugungslinie infolge des Austenits praktisch verschwunden war, stellten sie die Behauptung auf, daß das Ergebnis bedingt sei durch den Gesamteffekt von Austenitformhärten und dehnungsinduzierter Umwandlung. Wie Yajima et al. führten auch Okamoto et al. an Lagerstahl einen Dauerfestigkeitsversuch unter Abwälzbeanspruchungen durch mit dem Ziel, den Einfluß von γR auf die Grübchenkorrosionsfestigkeit zu bestimmen (siehe Okamotor et al., Seitetsu Kenkyu (Research on Iron Making), 1973, Nr. 277, S. 82). Sie verwiesen auf die Tatsache, daß an der Oberfläche einer γR enthaltenden Probe, die weicher war als die einer γR-freien Probe, eine plastische Verformung eintrat mit dem Ergebnis eines geringeren substantiellen Oberflächendrucks bei gleicher Belastung beider Proben und stellten bei einer Gegenüberstellung der geprüften mit oberflächendruckkorrigierten Proben fest, daß wie durch Yajima et al. nachgewiesen die Proben mit höherem Restaustenitgehalt eine höhere Grübchenkorrosionsbeständigkeit aufwiesen als diejeni-
gen mit niedrigerem γR-Gehalt. Die Gründe für das Ergebnis bei den Proben mit höherem Gehalt an Restaustenit sind die Funktion eines Dehnungskonzentrators, der wiederholt Dehnung absorbiert, um das Auftreten und die Entwicklung von Rissen zu verhindern, sowie eine Härtung infolge Umwandlung zu Martensit entsprechend den in Fig. 1 dargestellten Abläufen.
Beim Vorliegen von Restaustenit in großen Mengen jedoch ist das Stahlgefüge unter Schwingungs- oder Stoßbelastungen instabil, entwickelt es wie aus Fig. 4 ersichtlich eine geringere Festigkeit und ist es wie an anderer Stelle bereits ausgeführt empfindlich für plastische Verformung mit dem Ergebnis, daß die Laufbahn verformt und damit weitere ausgeprägte Schwingungen oder Stöße zuläßt. Aus Fig. 5 ist zu ersehen, daß auch die Wälzreibungskraft zunimmt, was zu erhöhter Spannung sowie zu einer höheren Dehnung im Ring unterhalb seiner Laufbahn führt. Andererseits ist das Gefüge veränderungsanfällig infolge von dehnungsinduzierter Umwandlung und ist das resultierende nichtgetemperte Martensitgefüge spröde.
Der Ring wird also bei Anteilen an Restaustenit über 10% anfällig für lokalisierte Gefügeveränderungen oder Risse infolge von Schwingungen oder Stößen. Die Restaustenitmenge ist im vorliegenden Falle für den festen Ring begrenzt auf der Grundlage der Feststellung, daß die Lagerlebensdauer im wesentlichen vom Grad der Beschädigung des Festrings abhängig ist, weil dieser mit seiner bestimmteren Belastungszone stärker dem Einfluß von Schwingungen oder Stößen ausgesetzt ist. Vorzugsweise beträgt der Restaustenitgehalt bis zu 6%.
Reduziert werden kann der Restaustenitgehalt auch durch Einstellen zumindest eines der Parameter Wärmetemperatur beim Härten, Abkühlgeschwindigkeit beim Härten und Tempertemperatur. Wenngleich das Tempern bei konventionellen Lagern zur Erzielung einer Härte von HRC 58 bis 64 mit einer Temperatur im Bereich 150º bis 200ºC, erfolgt, wird beispielsweise beim Tempern mit einer höheren Temperatur von 250º bis 380ºC der Restaustenitgehalt reduziert, wodurch sich etwaige Gefügeänderungen und Rißbildungen ausschließen lassen.
Das Hochtemperaturtempern mit 250º bis 380ºC ergibt Härten von HRC 52 bis 57 und dürfte so in aller Wahrscheinlichkeit zu einer Verkürzung der üblichen Abblätterbeständigkeit unter normalen Einsatzbedingungen führen, während bei anstehender Schwingungs- oder Stoßbelastung die Gefügeänderung oder Rißbildung in diesem Falle wie bereits erwähnt mit dem Ergebnis einer stark verlängerten Lebensdauer verhindert werden kann.
Die erfindungsgemäße Behandlung wird nur für den festen Ring durchgeführt, während der drehbare Ring genau wie bei konventionellen Lagern üblich behandelt wird, so daß hinsichtlich der Lagerlebensdauer unter normalen Einsatzbedingungen keinerlei Probleme entstehen.
Weiter dient die vorliegende Erfindung der Schaffung eines Wechselstromgenerators, bei dem die drehbare Welle eines Rotors drehbar durch zwei Lager an einem Rahmen abgestützt wird und einen Stator umfaßt, und eine Antriebsriemenscheibe, welche auf einem Ende der drehbaren Welle montiert ist, die aus dem Rahmen herausragt. Der Wechselstromgenerator ist dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring wenigstens des Lagers auf der Seite der Riemenscheibe aus einem Stahl besteht, der bis zu etwa 10% Restaustenit enthält, so daß die beim Drehen mit hoher Drehzahl durch Verformen der Laufbahn infolge hoher Zugspannung auftretende ausgeprägte Schwingung ausgeschlossen ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Wechselstromgenerator ist wie bereits erläutert der Restaustenitgehalt des Lageraußenrings reduziert und somit eine plastische Verformung im Laufbahnbereich ausgeschlossen, wodurch ein ungleichmäßiges Aushöhlen nach innen verhindert sowie die Schwingung verringert, die Reibungskraft reduziert und die Wärmeentwicklung unterbunden wird. Damit wird ein Arbeiten mit hoher Geschwindigkeit oder Drehzahl bei erhöhter Zugspannung ermöglicht, so daß Größe und Gewicht des Wechselstromgenerators verringert und die Leistung desselben erhöht werden können.
In den Zeichnungen bedeutet:
Fig. 1 ein Diagramm, aus welchem das Verhältnis zwischen Restaustenitmenge und Härtezunahme ersichtlich ist;
Fig. 2 ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen Tempertemperatur und Oberflächenhärte mit und ohne Tieftemperaturbehandlung aufzeigt;
Fig. 3 eine Senkrechtschnittansicht eines erfindungsgemäßen Wechselstromgenerators;
Fig. 4 ein Diagramm, aus dem das Verhältnis zwischen Restaustenitmenge und Dehngrenze ersichtlich ist;
Fig. 5 ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen Restaustenitmenge und Wälzreibungskraft darstellt; und
Fig. 6 ein Diagramm, das die Veränderungen des Schwingungspegels über den Verlauf der Prüfdauer hinweg ausweist.
Die vorbeschriebenen Wirkungen wurden nachgewiesen anhand der folgenden Erfindungsbeispiele unter Einsatz von Kugellagern.
Für Lagerringe sind die nachstehenden Eigenschaften gefordert:
(1) hohe Elastizitätsgrenze, da der Ring stellenweise einer hohen Kontaktspannung ausgesetzt ist;
(2) hohe Dauerfestigkeit bei Abwälzbeanspruchungen, da dem Ring eine hohe Kontaktlast wiederholt beaufschlagt wird;
(3) große Härte;
(4) hohe Abriebfestigkeit;
(5) geringstmögliche Anfälligkeit für säkulare Veränderungen; und
(6) Eignung für Wärmebehandlung mit hoher Stabilität.
Dementsprechend finden im allgemeinen Lagerstähle in hochgekohlter Chromgüte wie beispielsweise JIS SUJ2 (gleichwertig SAE2100), SUJ3, SUJ4 und SUJ5, sowie karburierte bzw. aufgekohlte Lagerstähle wie JIS SCr414, SCr420, SCM420, SNCM220, SNCM420 sowie SNCM815, SAE5120, SAE8620, SAE4320 und SAE 9310 Verwendung, wobei SUJ2 die am meisten eingesetzte Qualität ist.
Im Rahmen des Vergleichsbeispiels 1 sowie der Beispiele l bis 4 gemäß Tabelle 1 wurden fünf verschiedene Proben zum Nachweis der Wirkungen hergestellt. Der Restaustenitgehalt wurde an einer von der Laufbahn des Außenrings 0.1 mm radial nach außen versetzten Stelle mit Hilfe eines Röntgenspektrographs bestimmt. Tabelle 1 Probe Außenringwerkstoff Wärmebehandlung Außenring Restaustenitgehalt des Außenrings Vergl.beisp. 1 Normales Härten Tempern Tieftemperaturbehandlung Einsatzhärten

Vergleichsbeispiel 1

Zum Vergleich der Wirkungen und Einflüsse wurde ein vorhandenes Lager benutzt, dessen Außenring aus SUJ2 gefertigt war und der zwecks Härtung auf eine Temperatur von 845ºC erwärmt wurde. Nach dem Härten in Öl wurde der Ring einer Temperbehandlung bei 180ºC unterzogen.

Beispiel 1

Der Außenring wurde wie beim Vergleichsbeispiel 1 aus SUJ2 hergestellt. Er wurde zum Härten auf 845ºC erwärmt, in Öl abgeschreckt und bei 350ºC einer Temperbehandlung unterzogen.

Beispiel 2

Der Außenring wurde die beim Vergleichsbeispiel 1 aus SUJ2 hergestellt. Er wurde zum Härten auf 845ºC erwärmt, in Öl abgeschreckt, sodann einer Tieftemperaturbehandlung bei -70ºC unterzogen und abschließend bei 200ºC getempert.

Beispiel 3

Der Außenring wurde aus SAE5120 hergestellt, einsatzgehärtet, sodann in Flüssigstickstoff (-196ºC) eingetaucht und abschließend einer Temperbehandlung bei 210ºC unterzogen.

Beispiel 4

Der Außenring wurde aus SAE5120 hergestellt, einsatzgehärtet, sodann einer Tieftemperaturbehandlung bei -60ºC unterzogen und abschließend bei 200ºC getempert.
Die Tieftemperaturbehandlung ergibt eine größere Härte und eine geringere Zähigkeit, so daß der Ring nachfolgend bei einer höheren Temperatur als beim üblichen Temperverfahren getempert wurde, um diesem eine solche Härte mitzugeben, wie sie ohne Tieftemperaturbehandlung erreicht worden wäre.
Fig. 2 zeigt das Verhältnis zwischen der Tempertemperatur des tieftemperaturbehandelten Produkts und der Oberflächenhärte desselben.
Eine Prüfvorrichtung mit darin befindlicher Probe wurde auf einen Rütteltisch gegeben und es wurde die Probe bei in Drehung gehaltenem Innenring durch gleichzeitige Beaufschlagung von Last und Schwingung einem Schwingungsversuch unterzogen, wobei die Prüfbedingungen wie folgt waren:
Lagerbelastung (statisch) /Tragzahl 0.22
Drehzahl Innenring 8000 Upm
Rechnerische Lebensdauer 196 Std.
Schwingungsbeschleunigung (auf dem Schwingtisch) 10 G
Versuchsdauer 500 Std.
Jede Probe wurde auf der Grundlage der Zeit bis zum Abblättern auf ihren Ermüdungsgrad untersucht.
Tabelle 2 zeigt die erzielten Ergebnisse. Da außer beim Außenring keinerlei Abnormitäten bei den Proben festgestellt werden konnten, werden nachstehend nur die Ergebnisse für den Außenring wiedergegeben:

Tabelle 2

Probe Drehdauer bis zum Abblättern
Vergleichsbeispiel 1 33 bis 170 Stunden (n = 15) Abblättern beim Außenring
Beispiel 1 Kein Abblättern auf die Dauer von 500 Stunden (n = 6)
Beispiel 2 Kein Abblättern auf die Dauer von 500 Stunden (n = 6)
Beispiel 3 Kein Abblättern auf die Dauer von 500 Stunden (n = 6)
Beispiel 4 Kein Abblättern auf die Dauer von 500 Stunden (n = 6)
Im Vergleichsbeispiel 1 wurden nach dem Prüflauf direkt unter der Laufbahn des Außenrings viele Risse und Gefügeveränderungen festgestellt, dagegen keine bei den Beispielen 1 und 3. Bei den Beispielen 2 und 4 war eine leichte Gefügeveränderung zu beobachten.
Während der Prüfung wurde das Lager vor Eintreten von Abblätterungserscheinungen aus der Prüfvorrichtung entnommen und allein unter Drehen des Innenrings mit 1800 Upm mit einer Axiallast von 2.5 kgf beaufschlagt, um Änderungen der Schwingungsbeschleunigung der Lageraußenseite über die Zeit zu erfassen. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 3 zusammengefaßt: Tabelle 3 Änderungen der Schwingungsbeschleunigung über die Zeit Probe Vor dem Versuch Nach 10 h Vergl. Beisp. Beisp.
Die Ergebnisse zeigen, daß die Schwingung beim Vergleichsbeispiel 1 innerhalb kurzer Zeit vor dem Abblättern deutlich zunahm, was auf eine ausgeprägte Verformung der Laufbahn hindeutet. Anders als beim Vergleichsbeispiel 1 war bei den Beispielen 1 bis 4 selbst nach längerer Dauer des Rotationsversuchs eine nur geringe bzw. keine Schwingungszunahme zu verzeichnen, was darauf hinweist, daß die Laufbahn trotz des Versuchs unverändert geblieben war.
Aus den Tabellen 2 und 3 ist entnehmbar, daß die Lager entsprechend den Beispielen 1 bis 4 der Erfindung gegenüber dem herkömmlichen Lager im Vergleichsbeispiel 1 eine beträchtlich längere Lebensdauer haben.
Darüberhinaus wurde das vorhandene Lager aus dem Vergleichsbeispiel 1 in gleicher Weise wie vorbeschrieben in die Prüfvorrichtung eingesetzt und ohne Schwingungsbeaufschlagung einem Rotationsversuch unter statischer Belastung bei hinsichtlich Lagerbelastung und Drehgeschwindigkeit des Innenrings ansonsten gleichen Bedingungen wie vor unterzogen. Selbst nach 1500 Stunden Rotation war das Lager frei von Abblätterungen und waren keinerlei Risse oder Gefügeänderungen unmittelbar unter der Laufbahn festzustellen. Dies bedeutet, daß das Lager unter normalen Betriebsbedingungen problemlos einsetzbar ist.
Nachfolgend seien nunmehr die bei einem Wechselstromgenerator erzielten Ergebnisse beschrieben, um die Auswirkungen der Erfindung nachzuweisen. Fig. 3 zeigt den konstruktiven Aufbau dieses Generators.
Zwei den Mantel des Wechselstromgenerators bildende schalenförmige Rahmen 10, 11 sind mittels Bolzen und Muttern miteinander verbunden. Ein Stator 12 ist in geeigneter Weise, beispielsweise durch Presspassung, an den inneren Umfangsflächen dieser Rahmen 10 und 11 fest montiert. Bei dem Stator 12 handelt es sich um die bekannte Ausführung mit einem Statorkern 12a und einer um diesen herumgelegten Statorwicklung 12b.
Die Rahmen 10, 11 sind mittig mit nach innen vorstehenden hohlen zylindrischen Lagerkästen 10a, 11a versehen, in denen Radialkugellager 13, 14 zur drehbaren Abstützung einer drehbaren Welle 15 angeordnet sind. Ein Paar klinkenförmige Polkerne 16a, 16b sind im Innern des Stators 12 mechanisch an der Welle 15 befestigt. Eine Rotorwicklung 17 ist zwischen diese Kerne eingespannt. Die Welle 15, die Polkerne 16a, 16b, und die Rotorwicklung 17 bilden einen bekannten Rotor 18.
Zwischen dem ersten Lager 13 und dem Polkern 16a des Rotors 18 ist ein Bund 19 um die Welle 15 herumgelegt. Eine außerhalb der Rahmen 10, 11 angeordnete Riemenscheibe 20 ist mittels einer Mutter 21 auf dem Ende der durch das erste Lager 13 aus dem Rahmen herausragenden Welle 15 montiert. Die Welle wird über diese Riemenscheibe 20 von einem Motor aus (nicht dargestellt) drehend angetrieben.
Von den Innen- und Außenringen der Lager 13, 14 besteht der Außenring wenigstens des Lagers 13 auf der Seite der Riemenscheibe 20 aus einem Stahl, der bis zu 10% Restaustenit enthält.
Die Menge des Restaustenits ist im Wege des vorbeschriebenen Verfahrens nicht über 10% reduziert worden.
Fig. 5 zeigt das Verhältnis zwischen der Restaustenitmenge und der Wälzreibungskraft. Das in Fig. 5 dargestellte Wälzreibungskraftverhältnis ist 1, wenn bei einem Oberflächenkontaktdruck gleich 250 kgf/mm² die Restaustenitmenge 10% beträgt. Fig. 4 stellt das Verhältnis zwischen Restaustenitmenge und Dehngrenze dar. Die in dieser Fig. 4 aufgetragene Dehngrenze gilt für die Dehnung 5 · 10&supmin;&sup6;. Austenit ist ein Gefüge mit niedrigerer Dehngrenze als Martensit, so daß die beim Vorliegen eines hohen Austenitgehalts während des Abwälzens der Kugeln einer Belastung ausgesetzte Laufbahn eine Verformung erfährt und somit die Kugeln zum Abwälzen in einer Ausnehmung gezwungen werden und eine höhere Reibungskraft erzeugt wird. Andererseits wird durch eine Reduzierung der Austenitmenge die ansonsten beim Betrieb des Wechselstromgenerators mit hoher Drehzahl und unter hoher Spannung entstehende Wärmebildung im Lager verhindert und eine größere Beständigkeit gegen Fest fressen sichergestellt. Weiter macht bei Vorhandensein einer großen Restaustenitmenge eine höhere Belastung infolge hoher Spannung die Laufbahn anfällig für plastische Verformung mit dem Ergebnis, daß bei jedem Abrollen der Kugeln entlang einem unregelmäßig vertieften Bereich während der Drehung Schwingung entsteht. Wird der Wechselstromgenerator mit hoher Drehzahl betrieben, so wird die Schwingung ausgeprägter und führt möglicherweise dazu, daß sich Rotor und Stator ins Gehege kommen und blockieren. Die Reduzierung des Restaustenitgehalts wirkt sich dahingehend aus, daß eine solche plastische Verformung verhindert wird.
Zum Nachweis der wie vorbeschrieben durch Verringerung der Restaustenitmenge erzielten Wirkung werden nachfolgend Beispiele beschrieben, bei denen Radialkugellager eingesetzt wurden.
Zunächst wurden aus den in Tabelle 4 für die Innen- und Außenringe ausgewiesenen Werkstoffen vier verschiedene Proben im Rahmen des Vergleichsbeispiels 2 sowie der Beispiele 5 bis 7 in Form von gegen die Riemenscheibe des Wechselstromgenerators gerichteten Lagern hergestellt. Weitere Proben in wurden als Lager für die andere Seite (Rückseite) aus dem beim Vergleichsbeispiel 2 für die Innen- und Außenringe verwendeten Werkstoff erstellt.

Vergleichsbeispiel 2

Zum Zwecke des Vergleichs der Wirkungen wurde ein vorhandenes Lager benutzt, das aus dem allgemein als Lagerwerkstoff eingesetzten Stahl SUJ2 hergestellt war. Die Aufwärmtemperatur für das Härten betrug 845ºC. Auf die Ölhärtung folgte eine Temperbehandlung bei 180ºC.

Beispiel 5

Als Werkstoff wurde Stahl SUJ2 wie beim Vergleichsbeispiel 2 eingesetzt. Dem Aufwärmen auf 845ºC für das Härten folgten eine Abschreckbehandlung im Ölbad und sodann eine Temperbehandlung bei 350ºC.

Beispiel 6

Wie beim Vergleichsbeispiel 2 wurde auch hier Stahl SUJ2 verwendet. Dem Aufwärmen auf 845ºC für das Härten folgten eine Abschreckung im Ölbad, sodann eine Tieftemperaturbehandlung bei -60ºC und schließlich eine Temperbehandlung bei 200ºC.

Beispiel 7

In diesem Falle wurde wie beim Vergleichsbeispiel 2 Stahl SUJ2 eingesetzt. Dem Aufwärmen auf 845ºC für das Härten folgten eine Abschreckung im Ölbad, sodann eine Tieftemperaturbehandlung bei -196ºC und schließlich eine Temperbehandlung bei 200ºC. Tabelle 4 Probe Werkstoff Wärmebehandlung Restaustenitgehalt Vergl.beisp. 2 Normales Härten Tempern Tieftemperaturbehandlung
Der Restaustenitgehalt wurde an einer von der Laufbahn des Lagers radial nach außen abgesetzten Stelle in einer Tiefe von 0.2 mm mit Hilfe eines Röntgenspektrographs bestimmt. Die Baugröße des Lagers auf der Seite der Riemenscheibe war Nr. 6302 (42 mm Außendurchmesser) und des Lagers auf der Rückseite Nr. 6002 (32 mm Außendurchmesser)
Jedes Probenpaar wurde in einen Wechselstromgenerator eingebaut und einer Prüfung mit hoher Drehzahl und hoher Spannung unter folgenden Bedingungen unterzogen:
Riemenspannung 100 kgf
Drehzahl Innenring 12000 Upm
Umgebungstemperatur 70ºC
Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 5 zusammengefaßt.

Tabelle 5

Probe Drehdauer bis zum Ausfall
Vergleichsbeispiel 2 980 bis 1260 Stunden, n = 10
Beispiel 5 Kein Ausfall auf die Dauer von 2500 Stunden (danach Abbruch), n=5
Beispiel 6 Kein Ausfall auf die Dauer von 2500 Stunden (danach Abbruch), n=5
Beispiel 7 Kein Ausfall auf die Dauer von 2500 Stunden (danach Abbruch), n=5
Ein Ausfall war nur im Vergleichsbeispiel 2 zu verzeichnen. Bei diesem Ausfall handelte es sich um Festfressen mit Verkohlung des Schmierstoffs und einer ausgeprägten Verfärbung der Innen- und Außenringe sowie Kugeln, und um einen Bruch des Scheibenkäfigs mit resultierender Blockierung des drehbaren Rings. Ausgefallen ist nur das Lager auf der Riemenscheibe, da dieses nahe an der Scheibe sitzend einer höheren Momentenlast ausgesetzt und damit auf eine höhere Temperatur erhitzt wird als das andere Lager auf der Rückseite.
Wenngleich kein Ausfall in den Beispielen 5 bis 7 zu verzeichnen war, wurde doch durch eine infrarotspektroskopische Analyse der Schmierstoff auf Beeinträchtigung durch Oxydation untersucht: praktisch keine Beeinträchtigung wurde bei den Beispielen 5 und 7 und fortschreitender Verfall ausschließlich beim Beispiel 6 festgestellt.
Beim Vergleichsbeispiel 2 wurde die Temperatur der Innen- und Außenringe unter Testbedingungen gemessen, wobei festgestellt wurde, daß die Temperatur des Außenrings 8º bis 12ºC höher war als die des Innenrings, was bedeutet, daß der Innenring mit den Rotor verbunden ist, der mit höherer Drehzahl als üblich getrieben wird und damit durch eine Gebläsewirkung eine vollständige Eigenkühlung erfährt, so daß die Temperatur des Innenrings auf eine niedrigere Temperatur als nach dem Stand der Technik abgesenkt wird, während der Außenring auf den Rahmen montiert ist mit daran befestigtem Stator, der aufgrund seiner höheren Leistung eine größere Wärmemenge abgibt, so daß mehr Wärme vom Stator auf den Außenring übertragen wird mit dem Ergebnis, daß eine höhere Temperatur als üblich vorherrscht.
Zum Zwecke der Veranschaulichung zeigt Fig. 6 die durch Messung der Änderungen im Schwingungspegel über die Versuchsdauer hinweg mittels eines am Rahmen angebrachten Schwingungsbeschleunigungssensors erzielten Ergebnisse. Wenngleich bei den untersuchten Proben kein Ausfallkriterium dahingehend gefunden wurde, daß sich Rotor und Stator ins Gehege kommen und somit der drehbare Ring blockiert wird, wurde dennoch beim Vergleichsbeispiel 2 ein höherer Schwingungspegel festgestellt. Vermutlich hat dies zu bedeuten, daß der höhere Restaustenitgehalt zu einer stärkeren plastischen Verformung führt.
Durch Einbau der einen reduzierten Restaustenitgehalt aufweisenden Lager gemäß den Beispielen 5 bis 7 kann also ein Wechselstromgenerator für den Einsatz bei hoher Drehzahl und unter höherer Spannung eingerichtet werden.
Zu den konventionellen Lagern für den Einsatz in Präzisionsmaschinen, Präzisionsvorrichtungen oder dergleichen gehören auch diejenigen, die einer Tieftemperaturbehandlung unterzogen wurden, um Maßänderungen als Folge von Austenitzerfall zu verhindern. Erfindungsgemäß dagegen richtet sich die besondere Aufmerksamkeit nicht auf diese Maß- bzw. Formbeständigkeit, sondern auf die Eigenschaften von Restaustenit an sich zur Schaffung der erfindungsgemäßen Kombination aus einem Wechselstromgenerator und einem Lager, das eine reduzierte Menge Restaustenit enthält, so daß ein hervorragendes Leistungsverhalten in einer schwingungs- oder stoßbelasteten Umgebung bzw. Einbaustelle gewährleistet ist. Damit wird erfindungsgemäß die völlig neuartige Wirkung erzielt, daß ein Wechselstromgenerator in einer kleineren Baugröße, mit geringerem Gewicht und mit höherer Leistung zur Verfügung steht.
Karburierte Werkstoffe wie Stähle in SAE5120-Qualität sind bei den derzeitigen Lagern mit Tieftemperaturbehandlung nach dem Einsatzhärten einsetzbar. Anders als bei Verwendung von SUJ2 jedoch ist in diesem Falle eine zusätzliche Restdruckspannung gegeben, die sich vorteilhaft auf die Zeitschwingfestigkeit auswirken. Damit sind solche Werkstoffe zweckmäßigerweise da zu verwenden, wo eine höhere Spannung bei Drehung mit weiter erhöhter Drehzahl gewährleistet werden soll, wie dies die in Tabelle 2 für die Beispiele 3 und 4 zusammengefaßten und mit den Kugellagern erzielten Ergebnisse ausweisen.

Claims

1. Reibungsfreies Lager mit einem Innenring, einem Außenring und einer Anzahl von rollenden Gliedern zwischen beiden, wobei der Innenring oder der Außenring ein fester Ring und der andere der beiden Ringe ein drehbarer Ring ist, und wobei der feste Ring Schwingungs- oder Stoßbelastungen ausgesetzt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Ring aus Stahl besteht, der bis zu 10% Restaustenit, gemessen in einer Tiefe von 0,1 oder 0,2 mm unter der Laufbahn des Ringes, enthält.

2. Reibungsfreies Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Restaustenits in dem festen Ring bis zu 6% beträgt.

3. Reibungsfreies Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Restaustenits in dem festen Ring durch eine Tieftemperaturbehandlung reduziert wird.

4. Reibungsfreies Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Restaustenits durch Tempern bei einer Temperatur von 250 bis 380ºC reduziert worden ist.

5. Reibungsfreies Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Restaustenits in dem festen Ring durch eine Tieftemperaturbehandlung und anschließende Temperbehandlung bei einer Temperatur von 170 bis 230ºC reduziert worden ist.

6. Reibungsfreies Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl ein Material ist, das einer Karburierungshärtung ausgesetzt worden ist.

7. Wechselstromgenerator für Fahrzeuge, bei dem die drehbare Welle (15) eines Rotors (18) drehbar durch zwei Lager (13,14) an einem Rahmen (10, 11) abgestützt wird und einen Stator (12) umfaßt, mit einem Antriebsriemen (20), der auf einem Ende der drehbaren Welle montiert ist, die aus dem Rahmen herausragt, welcher Wechselstromgenerator dadurch gekennzeichnet ist, daß der Außenring wenigstens des Lagers (13) auf der Seite der Riemenscheibe (20) aus einem Stahl besteht, der bis zu 10% Restaustenit enthält, gemessen in einer Tiefe von 0, 1 oder 0,2 mm unterhalb der Laufbahn des Ringes.

8. Wechselstromgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Restaustenits in dem Außenring durch Tieftemperaturbehandlung reduziert worden ist.

9. Wechselstromgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Restaustenits in dem Außenring reduziert worden ist durch Tempern bei einer Temperatur von 250 bis 380ºC.

10. Wechselstromgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Restaustenits in dem Außenring reduziert worden ist durch eine Tieftemperaturbehandlung und eine anschließende Temperbehandlung bei einer Temperatur von 170 bis 230ºC.

11. Wechselstromgenerator nach einem der Ansprüche 7 bis 10. dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl ein Material ist, das einer Karburierungshärtung ausgesetzt worden ist.

12. Wechselstromgenerator nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Restaustenits in dem Außenring bis zu 6% beträgt.