DE4217566A1

DE4217566A1 - Waelzlager

Info

Publication number: DE4217566A1
Application number: DE4217566A
Authority: DE
Inventors: Yoichi Imamura; Fusasuke Goto; Norihiro Aoki
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1991-09-20
Filing date: 1992-05-27
Publication date: 1993-03-25
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: FR2681655B1; GB9210979D0; GB2259711A; GB2259711B; DE4217566C2; FR2681655A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, das insbesondere bei solchen Gebrauchsbedingungen wirksam verwendbar ist, bei denen ein Gehäuse das Wälzlager hält und durch eine Außenkraft ela stisch verformt wird, wobei aufgrund der resultierenden Ver formung auf das Wälzlager eine Überlast ausgeübt wird. Das Wälzlager ist auch bei hoher Temperatur, hoher Drehzahl und hoher Last verwendbar.

Wird z.B in einer Wechselstromlichtmaschine eines Kraftfahr zeugs ein Wälzlager verwendet, so neigt dessen Außenring zur Beschädigung, hauptsächlich zum Abblättern oder dgl., weil sein Aluminiumgehäuse aufgrund einer Außenkraft eine elasti sche Verformung erfährt und folglich eine Überlast ausgeübt wird. Bei Verwendung eines Wälzlagers in einer elektromagne tischen Kupplung besteht andererseits eine Welle aus Alu minium, so daß der innere Laufring des Wälzlagers, auf den aufgrund der elastischen Verformung der Welle eine Überlast ausgeübt wird, eher einer Beschädigung ausgesetzt ist.

Als solche herkömmliche Wälzlager werden für Kraftfahrzeuge Kugellager verwendet, von denen jedes äußere und innere Lauf ringe aus einem Lagerstahl aufweist, wie hochgekohltem Chrom lagerstahl mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 9 ppm. Bei dem der Beschädigung mehr ausgesetzten Laufring (d. h. dem äußeren Laufring im Fall einer Wechselstromlichtmaschine oder dem inneren Laufring im Fall einer elektromagnetischen Kupplung) wird eine Standardwärmebehandlung (das sogenannte Abschreck härten) angewendet, um dem Laufring eine Rollberührung-Ermü dungsfestigkeit zu verleihen. Als Schmiermittel wird ein Fett eingefüllt, das als Basisöl ein Synthetikpolyester-Schmier mittel oder Poly-α-Olefin-Schmiermittel mit einer kinemati schen Viskosität von 30-50 cSt bei 40°C enthält.

In Anbetracht der technischen Entwicklung in den letzten Jah ren müssen Lager, die in elektrischen Bauteilen von Kraftfahr zeugen, wie Wechselstromlichtmaschinen oder elektrischen Kupp lungen, angewendet werden, zunehmend strengen Gebrauchsbedin gungen genügen. Insbesondere werden die Gebrauchsbedingungen für in Wechselstromlichtmaschinen zu verwendende Lager weitaus strenger und umfassen höhere Temperatur und Drehzahl aufgrund einer höheren Motorleistung und höhere Last aufgrund einer erhöhten Riemenspannung. Lager mit der herkömmlichen Auslegung können jedoch solchen Änderungen der Gebrauchsbedingungen nicht genügen und führen zum häufigen Auftreten des Problems, das ihre Lebensdauer aufgrund eines vorzeitigen Abblätterns der Laufbahnoberflächen ihrer äußeren Ringe verkürzt wird. Es besteht daher ein überragender Bedarf an einer wirksamen Lö sung dieses Problems.

In Anbetracht des oben beschriebenen Problems des Standes der Technik liegt die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines Wälzlagers, das selbst bei hoher Temperatur, hoher Drehzahl und unter hoher Last kein vorzeitiges Abblättern entwickelt.

Die Erfinder haben umfassende Untersuchungen der vorzeitigen Abblättererscheinung von Lagern in elektrischen Bauteilen für Kraftfahrzeuge, insbesondere in Wechselstromlichtmaschinen, durchgeführt. Die Gebrauchsbedingungen dieser Lager werden, wie oben beschrieben, zunehmend strenger. Dies führte zur Auf findung einiger Ursachen für die vorzeitige Abblättererschei nung und zur vorliegenden Erfindung.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Wälzlager aus einem äußeren Laufring, einem inneren Laufring und dazwischen ange ordneten Wälzelementen. Das Wälzlager ist mit einer Schmier mittelzusammensetzung gefüllt, die als Basisöl ein Polyether- Schmiermittel mit einer kinematischen Viskosität von 90-160 cSt bei 40°C enthält.

Der äußere und/oder der innere Laufring des Wälzlagers beste hen vorzugsweise aus Stahl mit einem Sauerstoffgehalt von höchstens 6 ppm, wobei eine Laufbahnfläche hiervon durch Wär mebehandlung auf eine erforderliche Härte gehärtet ist. Das Polyether-Schmiermittel kann vorzugsweise ein Polyphenylether- Schmiermittel, z. B. ein Polyalkyldiphenylether-Schmiermittel, sein.

Das Wälzlager nach der Erfindung hat zahlreiche Vorteile. Ins besondere ermöglicht die Verwendung eines Polyether-Schmier mittels mit einer kinematischen Viskosität von 90-160 cSt bei 40°C als Basisöl den Vorteil, daß selbst unter strengen Bedin gungen von hoher Temperatur, hoher Drehzahl und großer Last zwischen den Wälzelementen und den Laufringen ein Ölfilm von geeigneter Dicke gehalten werden kann, so daß das vorzeitige Abblättern der Lager wirksam verhindert werden kann. Dieser Vorteil kann verbessert werden, wenn die Laufringe des Wälz lagers aus Stahl mit einem Sauerstoffgehalt von höchstens 6 ppm bestehen und die Laufbahnflächen durch Wärmebehandlung auf eine erforderliche Härte gehärtet sind.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt eines abgedichteten Radialkugel lagers gemäß Beispiel 1;

Fig. 2 einen Querschnitt II-II des Lagers von Fig. 1;

Fig. 3 eine Darstellung der Unterschiede der Lagerlebens dauer aufgrund von Unterschieden in der in jedes Lager eingefüllten Schmiermittelzusammensetzung;

Fig. 4 eine Darstellung der Wirkungen auf die Verlängerung der Lagerlebensdauer durch Aufkohlen der Laufbahnen eines Lagers;

Fig. 5 eine Darstellung der Wirkungen auf die Lagerlebens dauer durch Verringern des Sauerstoffgehalts des Lagerstahls.

Unter den Ursachen für das vorzeitige Abblättern bei Lagern gibt es besonders enge Beziehungen zwischen der Art und Visko sität eines Basisöls für ein als Schmiermittel verwendetes Fett und dem vorzeitigen Abblättern. Ausgeprägtes Abblättern wird bei Fetten beobachtet, deren Basisöle eine kinematische Viskosität von weniger als 90 cSt bei 40°C haben, da diese Fette vermutlich nicht in der Lage sind, die Bildung eines Ölfilms mit einer Dicke zu gewährleisten, die unter solchen Hochtemperatur-, Hochdrehzahl- und Schwerlastbedingungen wie oben beschrieben benötigt wird, weshalb geeignete Dämpfwirkun gen nicht vorgesehen werden. Dagegen wurde gefunden, daß die Verwendung eines Polyether-Schmiermittels mit einer kinemati schen Viskosität von wenigstens 90 cSt und höchstens 160 cSt bei 40°C als Basisöl einen Ölfilm von wirksamer Dicke selbst bei hoher Temperatur und hoher Drehzahl halten kann und ferner einen für Schwerlast wirksamen Druchviskositätsindex hat. Hierdurch kann das vorzeitige Abblättern von Lagern äußerst wirkungsvoll unterbunden werden. Übringens ergeben kinemati sche Viskositäten von mehr als 160 cSt bei 40°C einen übermä ßig großen Umrührwiderstand durch das eingefüllte Fett beim Betrieb der Lager, so daß Erscheinungen, wie Drehmomentenzu nahme und Wärmeentwicklung, deutlich hervortreten. Solche ho hen kinematischen Viskositäten werden daher nicht bevorzugt.

Als weitere Ursache wird ein Einfluß durch Verunreinigungen im als Lagermaterial verwendeten Stahl beobachtet. Es wurde auch gefunden, daß die Verwendung eines hochreinen Materials, wobei der Gesamtgehalt dieser Verunreinigungen auf einen Sauerstoff gehalt von höchstens 6 ppm reduziert ist, das vorzeitige Ab blättern wirksam verhindert.

Die Anwendung der Wärmebehandlung, wie des Aufkohlens, des Karbonitrierens oder des Induktionshärtens auf die Laufbahn fläche eines äußeren Laufrings, auf den die Überlast ausgeübt wird, ermöglicht eine Diffusion von Kohlenstoffatomen in eine obere Schicht der Laufbahnoberfläche und ergibt folgendes: eine Verstärkung durch feste Lösung, eine Zunahme des Gehalts an Restaustenit und die Entwicklung einer Restdruckbelastung die wirksam zum Verhindern des vorzeitigen Abblätterns beitra gen.

Wie oben erwähnt, wurde die vorliegende Erfindung auf der Grundlage dieser Erkentnisse gemacht. Die Erfindung wird im folgenden im einzelnen anhand der Beispiele beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt oder hierdurch begrenzt.

Beispiel 1

Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines abgedichteten Radialkugel lagers (JIS-Lager Nr. 6303) gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, während Fig. 2 ein Querschnitt II-II von Fig. 1 ist. Zwischen einem äußeren Laufring 1 und einem inneren Lauf ring 2 befinden sich Wälzelemente 3. Die Wälzelemente 3 werden durch wellenförmige Halter 5 drehbar gehalten, die durch ver bindende Nieten 4 fest miteinander verbunden sind. Zwischen dem inneren Laufring 2 und dem äußeren Laufring 1 ist ein Schmierfett G eingefüllt und durch Dichtelemente 6 abgedich tet.

Bei Verwendung dieses Lagers als Testprobe hat sich herausge stellt, daß die Unterschiede bei der durch das Abblättern be grenzten Lebensdauer hauptsächlich von den Unterschieden der in dem Lager eingefüllten Schmiermittelzusammensetzung abhän gen.

Ein Test wurde als tatsächlicher Maschinentest ausgeführt, bei dem die Testprobe auf der Seite einer Riemenscheibe einer Wechselstromlichtmaschine montiert war, wobei das Vorliegen oder Fehlen des Abblätterns auf jeder Laufbahnfläche auch bei einem Betrieb während einer gegebenen Zeit beobachtet wur de. Die Drehzahl wurde jede 10tel Sekunde zwischen 9000 U/min und 18000 U/min geändert, so daß ein schneller Verzögerung-Be schleunigung-Dauertest ausgeführt wurde.

Ein Lager nach der Erfindung wurde mit einem Fett als Schmier mittelzusammensetzung gefüllt. Dieses Fett enthielt als Basisöl ein Polyalkyldiphenylether-Schmiermittel mit einer kinematischen Viskosität im Bereich von 90 bis 160 cSt bei 40°C. Es wurde ein Stahl mit einem Sauerstoffgehalt von 6 ppm, nämlich ein sogenannter hochreiner aufgekohlter Stahl, verwen det. Die Laufbahnfläche des äußeren Laufrings wurde dem Auf kohlen unterworfen.

Ein Lager des Vergleichsbeispiels 1 war mit einem Fett als Schmiermittelzusammensetzung gefüllt. Dieses Fett enthielt als Basisöl ein Polyester-Schmiermittel mit einer kinematischen Viskosität im Bereich von 30-50 cSt bei 40°C. Es wurde ein hochaufgekohlter Chromlagerstahl mit einem Sauerstoffgehalt von 9 ppm verwendet. Die Laufbahnfläche des äußeren Laufrings wurde einer Standardwärmebehandlung (Abschreckhärten) unter worfen.

Ein Lager des Vergleichsbeispiels 2 war mit einem Fett als Schmiermittelzusammensetzung gefüllt. Dieses Fett enthielt als Basisöl ein Poly-α-Olefin-Schmiermittel mit einer kinemati schen Viskosität im Bereich von 30-50 cSt bei 40°C. Es wurde ein Stahl mit einem Sauerstoffgehalt von 6 ppm verwendet, näm lich ein sogenannter hochreiner aufgekohlter Stahl. Die Lauf bahnfläche eines äußeren Laufrings wurde dem Aufkohlen unter worfen.

Der Test wurde an fünf Stücken von jeder der obigen Testproben durchgeführt. Unter Verwendung von der Zeit als Basis, in der die Entwicklung des Abblätterns zuerst unter den Probestücken des Vergleichsbeispiels 1 beobachtet wurde, wurde das Vorlie gen oder Fehlen von entwickeltem Abblättern in einer Betriebs zeit beobachtet, die 5 mal so lang wie die erstere Zeit war. Die Ergebnisse sind in Fig. 3 gezeigt.

Gemäß den Ergebnissen des strengen tatsächlichen Maschinen tests mit der Wechselstromlichtmaschine wurde die Entwicklung des Abblätterns in einer frühen Stufe an allen Probestücken des Vergleichsbeispiels 1 beobachtet, das auf das herkömmliche Produkt gerichtet war. Beim Vergleichsbeispiel 2, bei dem das herkömmliche Fett als Schmiermittelzusammensetzung eingefüllt war, entwickelten zwei von vier Probestücken das Abblättern in einer frühen Stufe, obwohl sie bezüglich Stahl und Wärmebe handlung dieselben waren wie die Probestücke der vorliegenden Erfindung.

Dagegen waren die Probestücke der Erfindungsprobe frei vom Abblättern und zeigten hierdurch deutlich die ausgeprägten Wirkungen der Verlängerung der Lagerlebensdauer durch Verwen dung des Schmiermittels nach der Erfindung.

Beispiel 2

Die Wirkungen der Verlängerung der Lagerlebensdauer durch die Aufkohlung der Lagerlaufringe wurden hervorgehoben.

Als Testproben wurden Kugeldrucklager verwendet. Ein Lebens dauervergleichstest wurde an solchen Proben ausgeführt, die mit Laufringen aus herkömmlichem hochaufgekohltem Chromlager stahl (SUJ2) bestanden und dem Abschreckhärten ausgesetzt wa ren, und auch an solchen Proben, die mit Laufringen aus Chrom stahl (SCr420) bestanden und dem Aufkohlen unterworfen waren. Die Ergebnisse des Lebensdauervergleichtests sind in einem Weibull-Diagramm von Fig. 4 gezeigt.

Die Testproben waren an einer Lebensdauerprüfmaschine der Druckbauart montiert und wurden unter den folgenden Bedingun en geprüft.

Maximale Hertz'sche Pressung (Pmax): 560 kg/mm²
Drehzahl (N): 3000 U/min
Schmiermittel: Turbinenöl Nr. 150
Temperatur: 125-130°C

Aus Fig. 4 ergeben sich deutlich die Wirkungen der Verlänge rung der Lagerlebensdauer durch Aufkohlen.

Beispiel 3

Es wurden die Unterschiede in den Wirkungen auf die Lagerle bensdauer dargelegt durch die Unterschiede im Sauerstoffgehalt in den für Lager angewendeten Stählen (nämlich die Stärken der Verunreinigungen in den Stählen, mit anderen Worten die Rein heitsgrade der Stähle).

Als Testproben wurden, wie im Beispiel 2, Kugeldrucklager ver wendet. Unter Verwendung einer Lebensdauerprüfmaschine der Druckbauart wurde ein Test unter den folgenden Bedingungen an Testproben aus herkömmlichem Stahl ausgeführt, dessen Sauer stoffgehalt 9 ppm betrug, und auch an Testproben aus hochrei nem Stahl, dessen Sauerstoffgehalt 6 ppm betrug.

Maximale Hertz'sche Pressung (Pmax): 500 kg/mm²
Drehzahl (N): 1000 U/min
Schmiermittel: Turbinenöl Nr. 68

Die Ergebnisse sind in einem Weibull-Diagramm von Fig. 5 ge zeigt.

Aus der Figur ergeben sich die lebensdauerverlängernden Wir kungen von hochreinem Stahl, dessen Sauerstoffgehalt 6 ppm beträgt.

Bei der obigen Ausführungsform wurde als Wärmebehandlung das Aufkohlen angewendet. Ebenfalls können die Karbonitrierung, die Induktionshärtung, die Standardwärmebehandlung und dgl. wirksam angewendet werden.

Es sei angegeben, daß das Wälzlager nach der Erfindung nicht auf die Kugellager in den obigen Beispielen beschränkt ist, sondern auch Kugellager anderer Bauarten und Wälzlager umfaßt.

Ferner kann die Erfindung in gleicher Weise auf Wälzlager von der Bauart angewendet werden, bei der an den Lagern keine Dichtelemente unmittelbar vorgesehen sind.

Bei dem Wälzlager nach der Erfindung kann die Schmiermittel zusammensetzung bei Bedarf mit bekannten Additiven versetzt werden. Diese bekannten Additive umfassen Verdicker, Oxidationsinhibitoren, Rostverhüter, Extremdruckadditive, Schmierfähigkeitsmittel, Korrosionsinhibitoren, feste Schmier mittel usw. Als Rostschutz kann z. B. Natriumnitrit zugesetzt werden.

Claims

1. Wälzlager mit einem äußeren Laufring einem inneren Lauf ring und dazwischen angeordneten Wälzelementen, dadurch gekennzeichnet, daß in das Lager eine Schmiermittelzusammensetzung (G) eingefüllt ist, die als Basisöl ein Polyether-Schmier mittel mit einer kinematischen Viskosität von 90-180 cSt bei 40°C enthält.

2. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere und der innere Laufring (1, 2) aus Stahl mit einem Sauerstoffgehalt von höchstens 6 ppm bestehen, wobei eine Laufbahn hiervon durch Wärmebehandlung auf eine erforderliche Härte gehärtet ist.

3. Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyether-Schmiermittel ein Polyphenylether- Schmiermittel ist.

4. Wälzlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyphenylether-Schmiermittel ein Polyalkyldi phenylether-Schmiermittel ist.