DE4037734C2

DE4037734C2 - Wälzlager

Info

Publication number: DE4037734C2
Application number: DE4037734A
Authority: DE
Inventors: Kenji Hibi; Toshihide Goto
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1989-11-30
Filing date: 1990-11-27
Publication date: 1997-08-07
Anticipated expiration: 2010-11-28
Also published as: GB2238584B; KR950011949B1; FR2655100B1; DE4037734A1; US5064298A; JPH03172608A; JP2548811B2; FR2655100A1; GB2238584A; GB9025805D0; KR910010084A

Description

Es ist bekannt, daß die Oberflächenrauheit einer Wälzfläche einer der wichtigen Faktoren ist, der Einfluß auf die Wälz-Standzeit eines Wälzkörpers sowie der Innen- und Außen-Ringe eines Wälzlagers hat. Man war daher davon ausgegangen, daß die Wälz-Standzeit um so länger ist, je glatter die fertigbearbeitete Wälzfläche ist. Nach zahlreichen Versuchen wurde jedoch gefunden, daß ein Wälzkörper im Interesse langer Lebensdauer nicht notwendigerweise eine glatte und fertigbearbeitete Oberfläche aufweisen muß.

So wurde ein Wälzkörper hergestellt, dessen Wälzfläche als rauhe Oberfläche mit Riefen ausgebildet ist, die sich in willkürlichen Richtungen erstrecken, wobei die maximale Rauheit 0,3 bis 0,8 µm beträgt. Dieser Wälzkörper zeichnete sich durch eine recht hohe Lebensdauer aus. Wenn jedoch die Gegenfläche eine gut fertigbearbeitete Oberfläche ist, wird zwischen den miteinander in Berührung stehenden Flächen keine ausreichende Ölfilmschicht ausgebildet. Dies kann zu einem Verschleißen oder Abplatzen der Welle führen. Ein solcher Wälzkörper läßt sich infolgedessen nicht in Verbindung mit einer Welle einsetzen, die eine gut fertigbearbeitete Kontaktfläche aufweist.

Aus dem Fachbuch "Wälzlager - Theorie und Praxis" sind mehrere Ausführungsformen unterschiedlicher Wälzlagerkonstruktionen sowie beispielhafte Herstellungsverfahren zur Herstellung dieser Wälzlager bekannt. Gemäß diesem Fachbuch werden die durch einen Außen- und einen Innenring gebildeten Laufbahnen im Rahmen eines Schleifbearbeitungsvorganges geschliffen und anschließend mittels einer Finishmaschine endbearbeitet.

Aus DIN-4776, Beiblatt 1, Seite 4 sind Erläuterungen zu der gemäß DIN festgelegten Definitionsweise zur Beschreibung von Oberflächen angegeben. Insbesondere dient dieses Beiblatt der Erläuterung der Begriffe "reduzierte Spitzenhöhe" und "reduzierte Riefentiefe". Ferner veranschaulicht dieses Beiblatt die Aussagefähigkeit der einzelnen Kenngrößen unter Bezugnahme auf Oberflächen von etwa gleicher mittlerer Rauhtiefe.

Aus DIN-4761, Seite 5 sind "nicht-rillige Oberflächen", insbes. muldige Oberflächen, kuppige Oberflächen und gewellte Oberflächen bekannt. Die vorangehend genannten muldigen Oberflächen werden unterteilt in flachmuldige Oberflächen, punktförmig vertiefte Oberflächen und porige Oberflächen. Bezüglich der punktförmig vertieften Oberflächen ist angegeben, daß die in diesen Flächen vorgesehenen Vertiefungen gegebenenfalls als Schmiertaschen dienen können.

Aus DE 35 24 412 A1 ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Synchronringen bekannt. Gemäß dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, einen Synchronring mit einer Hartstoff-Schicht, insbesondere einer Molybdänschicht zu versehen, wobei von dieser Schicht eine Höhe abgetragen wird, die geringer ist als die Rauhtiefe der Oberfläche der Schicht, wobei vorzugsweise zur Bearbeitung ein Werkzeug verwendet wird, das an seiner Oberfläche mit Diamantstaub versehen ist. Ein derartiger Synchronring bildet ein Reibungs-Kupplungselement, auf dessen Gleitfläche nur relativ geringe Drücke- bzw. geringe Flächenpressungen aufgebracht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager zu schaffen, das eine leichte Ausbildung eines Ölfilms gestattet und das eine lange Lebensdauer in verringertem Maße davon besitzt, ob die Wälzfläche in Kontakt mit einer rauhen Oberfläche oder einer glatten Oberfläche eingesetzt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Bevorzugte Ausgestaltungen des Wälzlagers sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Ein erfindungsgemäßes Wälzlager ist an seiner Wälzfläche mit einer Mehrzahl von winzigen Ausnehmungen versehen, die willkürlich ausgebildet sind. Dabei ist der SK-Wert, welcher die Schiefe der Verteilungskurve der Oberflächenrauheit in Längs- und Umfangsrichtung repräsentiert, so gewählt, daß er sowohl in Längsrichtung als auch in Umfangsrichtung kleiner als -1,6 ist. Das Flächenverhältnis der Ausnehmungen zu der gesamten Oberfläche liegt zwischen 10 und 40%. Es wurde gefunden, daß dadurch die Ausbildung des Schmiermittelfilms, insbesondere Ölfilms, wesentlich verbessert wird und daß ein Abplatzen oder ein Verschleiß der Gegenfläche unabhängig von deren Oberflächenrauheit vermieden wird. Auf diese Weise wird eine besonders hohe Lebensdauer erreicht.

Der Sk-Wert ist gem. DIN 4762 wie folgt definiert.

wobei:

y = Amplitude des Profilverlaufes
l = Länge Bezugsstrecke
n = Anzahl der Profilunregelmäßigkeiten innerhalb der Bezugsstrecke

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Wälzlagers,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Wälzlagers,

Fig. 3 und 4 graphische Darstellungen der Oberflächenrauheit von geprüften Wälzkörpern,

Fig. 5 eine Schnittdarstellung eines bei Lebensdauertests verwendeten Nadellagers,

Fig. 6 eine schematische Ansicht einer Lebensdauer-Testvorrichtung,

Fig. 7 und 8 graphische Darstellungen der Ergebnisse der Lebensdauertests,

Fig. 9 eine Schnittdarstellung eines Kegelrollenlagers,

Fig. 10A u. 10B graphische Darstellungen von Messungen des Flächenverhältnisses der winzigen Ausnehmungen, des Drehmoments des Lagers und der Beständigkeit gegen Fressen.

Fig. 1 zeigt als erstes Beispiel für ein Wälzlager 1 ein Zylinderrollenlager mit zylindrischen Wälzkörpern 4, die zwischen einem Innenring 2 und einem Außenring 3 gelagert sind.

In Fig. 2 ist als zweites Beispiel für ein Wälzlager 1 ein Nadellager mit zylindrischen Wälzkörpern 4 dargestellt, die in einem Außenring 3 sitzen, um eine Welle 5 abzustützen. Bei diesem zweiten Beispiel entspricht die Welle 5 dem Innenring 2 des ersten Ausführungsbeispiels, und die Außenumfangsfläche der Welle 5 dient als eine Wälzfläche 5a.

Bei jedem Ausführungsbeispiel des Wälzlagers 1 ist die Oberfläche der Wälzkörper 4 oder die Wälzfläche des Innenrings 2 und/oder des Außenringes 3 und/oder der Welle 5 als rauhe Oberfläche 6 ausgebildet, die mit winzigen Ausnehmungen versehen ist, die in willkürlichen Richtungen verlaufen. Die rauhe Oberfläche sollte eine Rauhigkeit haben, die so gewählt ist, daß das Verhältnis RMS(L)/RMS(C) nicht mehr als 1,0, beispielsweise 0,7 bis 1,0, beträgt, wobei RMS(L) und RMS(C) den quadratischen Rauhentiefenmittelwert der Wälzfläche in Längsrichtung bzw. in Umfangsrichtung darstellen. Der SK-Wert, ein weiterer Parameter für die Oberflächenrauheit, sollte sowohl in Längsrichtung als auch in Umfangsrichtung kleiner als Null sein.

Die mit einer solchen Rauheit versehe Wälzfläche kann durch ein besonderes Trommeln oder Abziehen hergestellt werden.

Die SK-Werte repräsentieren die Schiefe der Verteilungskurve der Oberflächenrauheit. Wenn die Rauheitsverteilung eine symmetrische Kurve bildet, beispielsweise eine Gauss'sche Verteilungskurve, ist der SK-Wert gleich Null. Es wurde gefunden, daß eine Ölfilmschicht leichter ausgebildet werden kann, wenn die SK-Werte sowohl für die Längsrichtung als auch für die Umfangsrichtung auf kleiner als Null eingestellt sind.

Die Gesamtfläche der winzigen Ausnehmungen sollte 10 bis 40% der Gesamtflächenausdehnung der Wälzfläche ausmachen. Die mittlere Fläche der winzigen Ausnehmungen sollte 35 bis 150 µm² betragen, und zwar so errechnet, daß kleine Ausnehmungen mit einem äquivalenten Durchmesser von 3 µm oder weniger unberücksichtigt bleiben.

Fig. 3 zeigt den Zustand der fertigbearbeiteten Oberfläche eines herkömmlichen Lagers, während in Fig. 4 der Zustand der fertigbearbeiteten Oberfläche des Wälzkörpers nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist.

Eine quantitative Messung der winzigen Ausnehmungen kann erfolgen, indem die Wälzfläche eines Wälzkörpers vergrößert wird und die vergrößerte Abbildung unter Verwendung eines handelsüblichen Bildanalysators analysiert wird.

Die weißen Teile und die schwarzen werden als die flachen Teile bzw. die winzigen Ausnehmungen erfaßt. Beim Analysieren unter Verwendung eines Bildanalysators werden die Hell- und Schattenbereiche des Originalbildes durch Verwendung eines entsprechenden Filters übertrieben dargestellt, und sehr kleine schwarze Flecken entsprechend einem Durchmesser von 3 µm oder weniger werden durch Verwendung eines Rauschunterdrückers unterdrückt. Die nach einer solchen Unterdrückung verbleibenden winzigen Ausnehmungen werden dann auf ihre Größe und Verteilung überprüft, und das Verhältnis zwischen der Fläche der winzigen Ausnehmungen und der Gesamtoberflächenausdehnung wird ermittelt, um auf diese Weise die Wälzfläche des Wälzkörpers sowie der Innen- und Außenringe zu erfassen.

Die Wälzkörper des Nadellagers wurden behandelt, um in ihrer Oberfläche winzige Ausnehmungen mit unterschiedlichen Flächenverhältnissen mit Bezug auf die Gesamtoberflächenausdehnung, unterschiedlichen mittleren Flächen und unterschiedlichen mittleren äquivalenten Durchmessern auszubilden. Diese Wälzkörper wurden dann unter Radiallast auf ihre Dauerhaftigkeit geprüft.

Das für die Versuche verwendete Nadellager hatte 14 Wälzkörper 4, die in einem Käfig 7 gehalten waren. Sein Außendurchmesser (Dr) betrug 38 mm, sein Innendurchmesser (dr) war 28 mm. Der Durchmesser (D) der Wälzkörper 4 betrug 5 mm; die Länge (L) hatte einen Wert von 13 mm (vergleiche Fig. 5).

Die benutzte Lebensdauer-Testvorrichtung war ein Radiallasttestgerät 11 der in Fig. 6 veranschaulichten Art. Die zu prüfenden Lager wurden an beiden Enden einer rotierenden Welle 12 angeordnet, und sie wurden geprüft, indem sie unter Lastbedingungen gedreht wurden.

Die Innenlauffläche (oder Gegenwelle), die bei dem Test benutzt wurde, hatte ein durch Schleifen hergestelltes Oberflächenfinish Rmax von 0,4 bis 4 µm. Die Außenlauffläche hatte ein gleichfalls durch Schleifen hergestelltes Oberflächenfinish von Rmax von 1,6 µm. Die Versuchsbedingungen waren wie folgt gewählt:

Radiallast\|14367 N
Drehzahl	3050 Umdrehungen pro Minute
Schmiermittel	Turbinenöl

Die graphische Darstellung gemäß Fig. 7 zeigt die Abhängigkeit zwischen dem Flächenverhältnis und der Lebensdauer, während in Fig. 8 die Abhängigkeit zwischen der mittleren Fläche und der Lebensdauer dargestellt ist.

Die graphischen Darstellungen lassen erkennen, daß das Verhältnis der nutzbaren Lebensdauer (L₁₀) zu der errechneten Lebensdauer (Lh) über vier beträgt, wenn das Flächenverhältnis nicht kleiner als 10% ist und die mittlere Fläche nicht unter 35 µm² liegt. Das heißt, die winzigen Ausnehmungen sorgen wirkungsvoll für eine längere Lebensdauer, wenn das Flächenverhältnis und die mittlere Fläche die genannten Werte nicht unterschreiten.

Während die vorstehend genannten Versuche an einem mit winzigen Ausnehmungen versehenen Wälzkörper eines Nadellagers durchgeführt wurden, ergaben sich entsprechende Effekte auf die Lebensdauer auch bei Wälzlagern, deren Innen- oder Außenringe und Lauffläche mit winzigen Ausnehmungen versehen waren.

Wenn das Flächenverhältnis größer als 30% ist und die mittlere Fläche mehr als 120 µm² beträgt, nimmt die effektive Kontaktlänge ab, und der günstige Einfluß der winzigen Ausnehmungen auf die Lebensdauer beginnt zu sinken.

Jede der winzigen Ausnehmungen in den rauhen Oberflächen hat eine mittlere Fläche von 35 bis 150 µm². Die Gesamtfläche der Ausnehmungen sollte 10 bis 40% der Gesamtoberflächenausdehnung ausmachen.

Die rauhen Oberflächen haben einen mittleren Rmax-Wert von 0,6 bis 2,5 µm und einen SK-Wert (der gleichfalls ein Parameter für die Oberflächenrauheit ist) von nicht mehr als -1,6.

Der SK-Wert sollte in einem solchen Bereich liegen, daß die Ausnehmungen so geformt und verteilt sind, daß sich ein Ölfilm besonders wirkungsvoll ausbilden kann. Während des Gleitkontakts oder des Wälzkontakts dienen die Ausnehmungen als Ölsümpfe, um den Kontaktabschnitten Öl zuzuführen.

Es ist bekannt, daß der PV-Wert (P: Kontaktflächendruck, V: Gleitgeschwindigkeit) besonders groß ist, wenn bei einem Kegelrollenlager der in Fig. 9 veranschaulichten Art die den großen Durchmesser aufweisenden Enden der Kegelrollen 33 mit einem einen großen Durchmesser aufweisenden Flansch 35 des Innenrings 34 in Gleitkontakt stehen. Es wurden infolgedessen Kegelrollenlager benutzt, um den Gleitreibungswiderstand und die Beständigkeit der rauhen Oberflächen gegenüber Fressen zu bestimmen.

Jedes der verwendeten Lager hatte einen Außenring mit einem Außendurchmesser von 72 mm und einen Innenring mit einem Innendurchmesser von 30 mm. Winzige Ausnehmungen wurden in den betreffenden Rollenoberflächen bei unterschiedlichen Flächenverhältnissen ausgebildet, und es wurden Vergleichsversuche durchgeführt.

Der Gleitreibungswiderstand im Gleitreibungsbereich ist als Drehmoment des Lagers angegeben. Die Eigenschaft, einem Fressen entgegenzuwirken, ist als Zeitdauer angegeben, die verstreicht, bis Fressen eintritt, wobei Schmiermittel in extrem geringer Menge zugeführt wurde. Die Ergebnisse sind in den Fig. 10A und 10B zusammengestellt.

Aus diesen Figuren ist zu erkennen, daß dann, wenn das Flächenverhältnis der Ausnehmungen zu der Gesamtoberfläche 10% oder mehr beträgt, die Ausnehmungen einen günstigen Effekt auf den Reibungswiderstand und die Beständigkeit gegenüber Fressen haben können.

Nachstehend seien die Effekte der rauhen Oberflächen bei einem Wälzkontakt erläutert.

Das für diesen Versuch verwendete Lager war ein Nadellager der in Fig. 5 dargestellten Art. Wälzkörper 4 wurden an ihren Oberflächen mit winzigen Ausnehmungen in unterschiedlichen Flächenverhältnissen und mit unterschiedlichen mittleren Flächen versehen. Die betreffenden Wälzkörper wurden dann einem Lebensdauertest unter Radiallast ausgesetzt. Es wurde das in Fig. 6 veranschaulichte Lebensdauer-Testgerät verwendet. Die bei diesem Versuch vorgesehenen inneren Laufflächen wurden auf einen Wert Rmax von 2 µm geschliffen. Die äußeren Laufflächen wurden auf einen Rauheitswert Rmax von 1,6 µm fertigbearbeitet.

Die weiteren Versuchsbedingungen waren wie folgt:

Auf das Lager einwirkende Radiallast\|14367 N
Umdrehungszahl der Welle	3050 Umdrehungen pro Minute
Schmiermittel	Turbinenöl

Die Ergebnisse des Lebensdauerversuchs sind in den Fig. 7 und 8 zusammengestellt.

Fig. 7 zeigt den Einfluß des Flächenverhältnisses der winzigen Ausnehmungen, während in Fig. 8 die Beziehung zwischen der mittleren Fläche der winzigen Ausnehmungen und der Dauerhaftigkeit dargestellt ist.

Die Testergebnisse lassen erkennen, daß die Lebensdauer verlängert wird, wenn das Flächenverhältnis 10% oder mehr beträgt und die mittlere Fläche einen Wert von 35 µm² oder mehr hat.

Wenn andererseits das Flächenverhältnis 40% übersteigt und die mittlere Fläche einen Wert von mehr als 150 µm² hat, ist eine längere Lebensdauer nicht zu erwarten, weil die effektive Kontaktfläche abnimmt.

Die Oberflächenbehandlung ist zweckmäßig so durchzuführen, daß sowohl der Gleitreibungswiderstand als auch die Beständigkeit gegenüber Fressen und die Wälz-Dauerhaftigkeit günstig beeinflußt werden.

Claims

1. Wälzlager mit einer Wälzfläche, die eine mittlere maximale Rauhtiefe Rmax von 0,6 µm bis 2,5 µm aufweist und sowohl in Umfangsrichtung als auch ein Längsrichtung Vertiefungen sowie eine Schiefe S_K des Oberflächenprofiles von nicht mehr als -1,6 besitzt, die Vertiefungen eine mittlere Fläche von 35 µm² bis 150 µm² aufweisen, wobei Vertiefungen mit einem äquivalenten Durchmesser von weniger als 3 µm unberücksichtigt bleiben, das Verhältnis RMS(L)/RMS(C) des quadratischen Mittenrauhwertes RMS(L), gemessen in Längsrichtung, zu einem quadratischen Mittenrauhwert RMS(C), gemessen in Umfangsrichtung, im Bereich von 0,7 bis 1,0 liegt und die Flächen der Vertiefungen 10% bis 40% der Wälzfläche bilden.

2. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzfläche an einem Wälzkörper vorgesehen ist.

3. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzfläche an einem Innenring vorgesehen ist.

4. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzfläche an einem Außenring vorgesehen ist.