DE4217566C2

DE4217566C2 - Lageranordnung

Info

Publication number: DE4217566C2
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: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: GB2259711A; DE4217566A1; GB9210979D0; FR2681655B1; GB2259711B; FR2681655A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung bestehend aus einem Wälzlager und einem Gehäuse bzw. einer Welle zur Aufnahme des Wälzlagers.

Aus der US-PS 4 992 111 ist ein Wälzlager mit einem äußeren Laufring, einem inneren Laufring und dazwischen angeordneten Wälzelementen bekannt, wobei in das Wälzlager eine Schmiermittel zusammensetzung eingefüllt ist und der äußere und/oder innere Laufring aus Stahl mit einem Sauerstoffgehalt von nicht höher als 6 ppm besteht und die Laufbahn des Laufrings durch Wärmebehand lung gehärtet ist.

Wenn in einer Wechselstromlichtmaschine eines Kraftfahrzeugs ein Wälzlager verwendet wird, so neigt dessen äußerer Laufring zu einer vorzeitigen Beschädigung, hauptsächlich durch Abblättern oder dergleichen, weil das Aluminiumgehäuse der Lichtmaschine aufgrund der auftretenden Beanspruchungen eine elastische Verformung erfährt, wodurch eine Überbeanspruchung am Wälzlager auftritt. Wird ein Wälzlager in einer elektromagnetischen Kupplung verwendet, bei der die Welle aus Aluminium besteht, so tritt eine derartige Überbeanspruchung am inneren Laufring des Wälzlagers aufgrund der elastischen Verformung der Welle auf mit der Folge, daß eine vorzeitige Beschädigung am inneren Laufring des Wälzlagers auftritt.

Bisher werden für Kraftfahrzeuge Kugellager verwendet, deren innere und äußere Laufringe aus einem Lagerstahl bestehen, 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, verwendet 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 höherer 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, daß ihre Lebensdauer aufgrund eines vorzeitigen Abblätterns der Laufbahnoberflächen ihrer Laufringe 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 einer Lageranordnung, die selbst bei hoher Temperatur, hoher Drehzahl und unter hoher Last kein vorzeitiges Abblättern am Wälzlager entwickelt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.

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 wird dadurch verstärkt, daß 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 zeigen:

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 ergibt und ferner einen für Schwerlast wirksamen Druckviskositätsindex. 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 Rührwiderstand 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, 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 10-tel 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 den Ansprüchen.

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 gen 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.

Die Schmiermittel zusammensetzung kann 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. Lageranordnung bestehend aus einem Wälzlager mit einem äußeren Laufring, einem inneren Laufring und dazwischen angeordneten Wälzelementen, wobei in das Wälzlager eine Schmiermittelzusammensetzung eingefüllt ist, einem Gehäuse aus einer Al-Legierung und/oder einer Welle aus einer Al- Legierung, wobei die Schmiermittelzusammensetzung (G) als Basisöl ein Polyether-Schmiermittel mit einer kinematischen Viskosität von 90 bis 160 cSt bei 40°C enthält, und der in dem Gehäuse und/oder auf der Welle angeordnete äußere und/oder innere Laufring (1, 2) aus Stahl mit einem Sauer stoffgehalt von nicht höher als 6 ppm besteht und die Laufbahn des Laufrings durch Wärmebehandlung gehärtet ist.

2. Lageranordnung nach Anspruch 1, wobei das Polyether- Schmiermittel ein Polyphenylether-Schmiermittel ist.

3. Lageranordnung nach Anspruch 2, wobei das Polyphenylether- Schmiermittel ein Polyalkyldiphenylether-Schmiermittel ist.