DE4118721A1 - Rillenkugellager aus polykristalliner keramik - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rillenkugellager aus polykristalliner Keramik entsprechend dem Gattungsbegriff von Patentanspruch 1.

Aus der Praxis sind Rillenkugellager aus polykristalliner Keramik mit Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit und Hitzebeständigkeit bekannt. Als geeigneter Keramikwerkstoff in der Wälzlageranwendung hat sich Siliziumnitrid mit den Vorteilen eines niedrigen spezifischen Gewichts und eines hohen Elastizitätsmoduls erwiesen.

Auf der DE-OS 36 23 838 sind Werkstoffe mit einem überwiegenden Volumenanteil an Körnern aus Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid bekannt, die für mechanische Lager geeignet sind, insbesondere für Roll-Kontakt-Lager, wie etwa Kugellager.

Keramiklager finden ihren Einsatz vor allem wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit in Pumpen und Rührwerken.

Ein Nachteil bekannter Keramikrillenkugellager besteht in ihrer unzureichenden Zuverlässigkeit, durch ihre Neigung frühzeitig mechanisch zu Bruch zu gehen. Die alleinige Verbesserung der Keramikwerkstoffe hat bisher die Anwendung von Keramikrillenkugellagern nicht erheblich steigern können. Untersuchungen mit handelsüblichen Keramikrillenkugellagern beim Einsatz in Rührwerksautoklaven hat gezeigt, daß bei einem Käfigbruch Kugeln aus dem Lager herausfallen bzw. herausgedrückt werden, womit über den Lagerschaden hinaus, aufgrund der führungslosen Rührstabwelle, erhebliche Schäden im Rührwerk auftreten können. Dieses Beispiel zeigt, daß nicht unbedingt der Keramikwerkstoff selbst als Schwachpunkt anzusehen ist, sondern hierbei insbesondere die Lagergeometrie eine entscheidende Rolle spielt. Denn ähnlich konstruktiv gestaltete Lagerungen mit Rillenkugellager aus Wälzlagerstahl Zeigen, auch nach einem Totalverlust des Käfigs in der Regel keinen Kugelverlust, womit ein Notbetrieb, d. h. eine Führung der gelagerten Welle bis zum Stillstand der Maschine sichergestellt ist.

Aufgrund der beschriebenen Unsicherheit ist der immer noch geringe Marktanteil beim Einsatz von Keramikrillenkugellager im Werkzeugmaschinenbereich zu erklären, obwohl gerade hier durch die kleinere Wärmedehnung der Keramik die Genauigkeit steigt und mit einem Keramikrillenkugellager als Festlager in einfachster Weise Axialkräfte aufzunehmen sind. Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, Rillenkugellager aus Keramik, vorzugsweise aus Siliziumnitrid zu schaffen, bei denen die Einbaumaße nach der Norm DIN 625 festgelegt sind, die eine für Rillenkugellager bekannte hohe axiale Tragfähigkeit besitzen und daß insbesondere bei vertikaler Einbauweise der Rillenkugellager keine Kugeln nach Zerstörung oder Totalverlust des Käfigs herausfallen können.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Rillenkugellager aus polykristalliner Keramik nach dem Gattungsbegriff von Patentanspruch 1 dessen kennzeichnende Merkmale vor. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben.

Mit Anlehnung an die Norm DIN 625 ist eine Austauschbarkeit der erfindungsgemäßen Rillenkugellager gegenüber solchen aus Wälzlagerstahl gegeben. Innerhalb dieser Normvorgabe ist entscheidend, daß das erfindungsgemäße Rillenkugellager bei der Festlegung von Laufrillenbahn- und Kugelradien, sowie Kugelanzahl einen Füllungsgrad von mehr als 50% erreicht und bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform einen Füllungsgrad von wenigstens 52% erreicht.

Der in den Patentansprüchen und in der Beschreibung verwendete Begriff "Füllungsgrad" ist wie folgt definiert:
Der Füllungsgrad beschreibt den Winkel des Kreisbogens, der die in der Laufrille des Außenrings eingebrachten Kugeln aneinanderliegend vom Mittelpunkt der ersten bis zum Mittelpunkt der letzten Kugel einschließt, wobei der Füllungsgrad von 50% einem Winkel von 180 Grad entspricht.

Der Füllungsgrad eines Rillenkugellagers wird mit folgender Formel berechnet:

mit r=Kugelradius und R=Radius der Laufrillenbahn im Außenring.

Die Erfindung bezieht sich nur auf Rillenkugellager ohne Einfüllnut, mit dem Vorteil einer hohen axialen Tragfähigkeit, deren Zusammenbau normalerweise in 3 Schritten erfolgt:

• 1. Die Kugeln werden in den freien Raum zwischen den exzentrisch zueinander gelegenen Innen- und Außenring gebracht.
• 2. Die Ringe werden anschließend in ihre zentrische Lage geschoben, wobei ein Füllungsgrad von mehr als 50% ein Aufweiten des Außenringes bzw. eine ovale Verformung des Innenringes beim Zusammenschieben erfordert. Danach werden die Kugeln gleichmäßig auf dem Umfang verteilt.
• 3. Schließlich werden die Hälften des Käfigs von beiden Seiten eingesteckt und meistens durch Nietung miteinander verbunden.

Sind Außenring und Innenring im Lagersitz eingebaut, lassen sie sich durch die stützende Wirkung des Paßsitzes kaum verformen, daher verhindert bereits ein geringfügig größerer Füllungsgrad als 50%, daß der Innenring aus seiner zentrischen Lage gedrückt wird, auch wenn, nach einem Verlust des Käfigs, alle Kugeln zu einer Seite hin aneinanderliegend sich berühren.

Eine vorzugsweise Angleichung der Kugelanzahl des erfindungsgemäßen Rillenkugellagers mit der eines baugleichen Rillenkugellagers aus Wälzlagerstahl erfordert die Änderung der Radien von Laufrillenbahn und/oder Kugel aufgrund der unterschiedlichen Festigkeitswerte bzw. Elastizitätsmodule von Stahl und Keramik.

Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Rillenkugellager aus Siliziumnitridkeramik mit einer Biegebruchfestigkeit von mindestens 500 MPa und einem Elastizitätsmodul zwischen 280 bis 300 GPa hergestellt. Dieser Werkstoff hält bei einer Dehnung von 0,2% einer rechnerisch ermittelten Biegespannung von 200 MPa sicher ohne Bruch stand. Damit können annähernd die seit langem bewährten Abmessungen von handelsüblichen Rillenkugellagern aus Wälzlagerstahl bezüglich ihrem Verhältnis zwischen Kugel und Laufrillenbahn erhalten bleiben.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Rillenkugellager bei gleicher Kugelanzahl und gleichem Kugelradius wie ein nach Norm DIN 625 baugleiches Rillenkugellager mit Innen- und Außenring aus Wälzlagerstahl einen um maximal 5% größeren Radius der Laufrillenbahn von Innen- und Außenring aufweist.

Alternativ sieht eine weitere Ausgestaltungsform der Erfindung vor, daß das Rillenkugellager bei gleicher Kugelanzahl und gleichem Radius der Laufrillenbahn vom Außenring einen um maximal 5% kleineren Kugelradius mit entsprechend größerem Radius der Laufrillenbahn vom Innenring aufweist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Rillenkugellager ohne Käfig in der Vorderansicht im Schnitt.

Die zugehörige Tabelle beschreibt eine Gegenüberstellung der Abmessungen zwischen einem Rillenkugellager aus Wälzlagerstahl und Silziumnitridkeramik.

Das in Fig. 1 gezeigte Rillenkugellager stellt die Situation des Zusammenbaus dar, bei dem der Innenring (2) exentrisch zum Außenring (3) liegt und die 8 Kugeln (4) in der Laufrillenbahn (5) des Außenringes (3) eingebracht sind. Die Kugeln (4) berühren sich einander und bilden definitionsgemäß den Füllungsgrad, berechnet aus dem Winkel α des Kreisbogens vom Mittelpunkt P der ersten bis zum Mittelpunkt P′ der letzten Kugel (4), wobei α aus der Summe der Teilwinkel β, mit β=arcsin (r/(R-r)), berechnet wird. Der Füllungsgrad in % ergibt sich demnach aus:

Beim zentrischen Zusammenschieben der Ringe (2 und 3) wird der Außenring (3) aufgeweitet, damit sich der Innenring (2) mit seiner Laufrillenbahn (6) über den Engpaß der äußeren Kugeln (4) schieben läßt.

Die Tabelle beschreibt ein Kugellager mit der Bezeichnung Rillenkugellager DIN 625-6310 mit d=50 mm Bohrungsdurchmesser und D=110 mm Außendurchmesser. Ausgeführt, einmal in Wälzlagerstahl und einmal in Silizuimnitridkeramik. Der Werkstoff auf Basis von Siliziumnitrid weist folgende Kenndaten auf:

Vickers - Härte (HV) Prüflast = 500p
1500
Biegebruchfestigkeit (σ4bB)	750 MPa
Druckfestigkeit (σdB)	3000 MPa
Elastizitätsmodul (E)	280 GPa
Dichte	3,25 g/cm³

Das Zahlenbeispiel in der Tabelle beschreibt bei gleicher Kugelanzahl und annähernd gleichem Kugelradius r einen um ca. 2% größeren Radius R der Laufrillenbahn (5). Der erreichte Füllungsgrad des Rillenkugellagers aus Siliziumnitridkeramik ist größer als 52% und hat gegenüber dem Rillenkugellager aus Wälzlagerstahl nur einen um 2,4% geringeren Füllungsgrad. Bei der Festlegung der Laufrillenbahnradien (5; 6) wurde eine rechnerische Biegespannung von 200 MPa bei einer maximalen Dehnung des Außenringes (3) aus Siliziumnitridkeramik von 0,2% nicht überschritten. Der Außenring aus Wälzlagerstahl hat dagegen während des Zusammenbaus, d. h. beim zentrischen Zusammenschieben seines Innen- und Außenringes, eine Dehnung von 0,5% aufzunehmen.

Claims (6)

1. Rillenkugellager aus polykristalliner Keramik, insbesondere nichtoxidische Keramik mit einem Innenring und Außenring mit jeweils einer umlaufenden, ununterbrochenen Laufrille und einem Käfig zwischen dem Innenring und dem Außenring, der die in den Laufrillen geführten Kugeln drehbar hält, dadurch gekennzeichnet, daß das Rillenkugellager (1) einen Füllungsgrad von mehr als 50% aufweist berechnet nach der Formel: mit r=Kugelradius und R=Radius der Laufrillenbahn (5) vom Außenring (3).

2. Rillenkugellager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllungsgrad wenigstens 52% entspricht.

3. Rillenkugellager nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rillenkugellager (1) die gleiche Kugelanzahl aufweist wie ein nach der Norm DIN 625 baugleiches Rillenkugellager mit Innen- und Außenring aus Wälzlagerstahl.

4. Rillenkugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rillenkugellager (1) aus Siliziumnitridkeramik hergestellt ist und daß es bei einer Dehnung von 0,2% eine rechnerisch ermittelte Biegebeanspruchung von 200 MPa ohne Bruch standhält, wobei die Siliziumnitridkeramik eine Biegebruchfestigkeit von mindestens 500 MPa aufweist.

5. Rillenkugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rillenkugellager (1) bei gleicher Kugelanzahl und gleichem Kugelradius r einen um maximal 5% größeren Radius R der jeweiligen Laufrillenbahn (6; 5) von Innen- und Außenring (2 und 3) aufweist.

6. Rillenkugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rillenkugellager (1) bei gleicher Kugelanzahl und gleichem Radius R der Laufrillenbahn (5) vom Außenring (3) einen um maximal 5% kleineren Kugelradius r und entsprechend größerem Radius der Laufrillenbahn (6) vom Innenring (2) aufweist.