DE4328598A1

DE4328598A1 - Wälzkörper

Info

Publication number: DE4328598A1
Application number: DE4328598A
Authority: DE
Inventors: Noriyoshi Yoshizuka; Yoshinobu Akamatsu; Kazuyoshi Harimoto
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1992-02-27
Filing date: 1993-08-25
Publication date: 1995-03-02
Also published as: US5397188A; FR2709311A1; GB9317749D0; FR2709311B1; GB2281360A; GB2281360B; JPH05239550A

Description

Die Erfindung betrifft einen Wälzkörper wie zum Beispiel zy lindrische Wälzkörper eines Wälzlagers oder einen Außenring eines Nockenfolgers oder einen Walzenfolger.

Zwei wesentliche Faktoren, welche die Lebensdauer eines Wälz körpers wie zum Beispiel Walzen eines Wälzlagers beeinflus sen, sind ihre Dauerfestigkeit und Schmierung.

Eine bekannte Art und Weise zum Verlängern der Lebensdauer eines Wälzlagers besteht darin, die Lagerteile aus einem Lagerstahl herzustellen und diese Teile einer Wärmebehandlung zu unterwerfen, um die Festigkeit ihrer Wälzfläche auf HRC 58 oder darüber zu erhöhen und ihre Wälzfläche so zu feinstziehschleifen, daß eine Oberflächenrauheit von etwa 0,1 µm Ra gebildet wird.

Bei solch einer Oberflächenstruktur besteht das Problem, daß es erforderlich ist, ein niedrigviskoses Schmiermittel zu verwenden, wenn es schwierig ist, die Wälzfläche mit einer ausreichenden Menge Schmiermittel zu versorgen. Ferner kann in Situationen, in denen die Umgebungstemperatur so hoch ist, daß die Viskosität des Schmiermittels während des Betriebs niedriger als 13 mm²/s wird und die Gegenfläche, die mit einer zylindrischen Walze oder dem Außenring eines Nockenfol gers in Wälzkontakt zu bringen ist, einen Rauheitswert von mehr als 1,6 µm Rmax aufweist, kein ausreichender Ölfilm ge bildet werden. Infolgedessen würde die zylindrische Walze oder der Außenring eines Nockenfolgers an ihrer bzw. seiner Wälzfläche unter Abschuppen oder Abblättern leiden in einer äußerst kurzen Zeitspanne im Vergleich zu der berechneten Le bensdauer.

Um diese Probleme zu lösen, wurde vorgeschlagen, den aus Stahl wie zum Beispiel Lagerstahl bestehenden Wälzkörper bei dem Abschrecken einer Wärmebehandlung zu unterwerfen, in wel cher Stickstoff dazu gebracht wird, in seine Wälzfläche ein zudringen, so daß die Menge von Restaustenit in dem Oberflä chenbereich auf etwa 30% zunimmt, wenn er zu einem Fertigpro dukt ausgebildet ist, wodurch die Dauerfestigkeit verbessert wird. Es wurde auch vorgeschlagen, winzige Vertiefungen von etwa 1 µm Tiefe in der Wälzfläche eines Wälzkörpers zu bilden in dem Versuch, das Ölfilm-Bildungsvermögen zu verbessern, während der Wälzkörper rollt, und damit seine Lebensdauer zu verlängern.

Aber die Wärmebehandlung kann die Ölfilm-Bildungsrate nicht verbessern, obwohl sie die Dauerfestigkeit des Wälzkörpers an seiner Oberflächenschicht verbessern kann. Also kann unter den vorerwähnten Arbeitsbedingungen dieses Verfahren die Le bensdauer eines Wälzkörpers nicht ausreichend verlängern.

In dem letzteren Verfahren, in welchem die Wälzfläche fein aufgerauht wird, nimmt unter den oben erwähnten Arbeitsbedin gungen die Ölfilm-Bildungsrate auf ein ausreichendes Niveau zu. Aber die Dauerfestigkeit des Wälzkörpers selbst bleibt niedrig, so daß es schwierig ist, die Lagerlebensdauer aus reichend zu verlängern trotz dem hohen Ölfilm-Bildungsver mögen.

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Wälzkörpers, welcher eine hohe Dauerfestigkeit sowie eine hohe Ölfilm-Bil dungsrate aufweist, und welcher eine lange Lebensdauer zeigt, selbst wenn die Schmierbedingungen oder die Oberflächenrau heit der Gegenfläche nicht günstig sind.

Gemäß der Erfindung wird ein Wälzkörper geschaffen, der beim Nitrieren einer Wärmebehandlung unterworfen wird, und an des sen Oberfläche winzige Vertiefungen ausgebildet sind, so daß die Oberfläche einen RMS-Wert von nicht weniger als 0,10 µm und einen negativen SK-Wert aufweist und er in der Oberflä chenschicht eine residuale Druckspannung von nicht weniger als 600 MPa aufweist.

Dadurch, daß der Wälzkörper einer Behandlung zur Erhöhung der residualen Druckspannung in seiner Oberflächenschicht unter worfen wird, zeigt er eine hohe Dauerfestigkeit (fatigue strength) bei seinem Oberflächenbereich. Ferner erhöht sich die Rate, mit welcher ein Ölfilm zwischen den Wälzflächen ge bildet wird, dadurch, daß winzige Vertiefungen in seiner Oberfläche gebildet werden, so daß die Oberfläche einen Rau heitsparameter RMS von nicht weniger als 0,10 µm und einen negativen SK-Wert aufweist. Diese Vorteile dienen im Zusam menwirken dazu, das Auftreten von Abschuppen und Ablösen oder Abschälen zu vermindern und damit die Lebensdauer des Wälz körpers zu verlängern, selbst wenn die Schmierbedingungen nicht gut sind oder die Gegenfläche rauh ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Wälzlagers mit Walzen elementen als Wälzkörpern;

Fig. 2A einen vertikale Schnittansicht von vorn eines Noc kenfolgers mit einem Außenring als Wälzkörper;

Fig. 2B eine vertikale Seitenschnittansicht des Nockenfol gers;

Fig. 3 ein Diagramm einer Weibull-Verteilung, welches die kumulative Ausfallrate und die Lebensdauer von Na delrollen wiedergibt, deren Oberflächen einer Wär mebehandlung unterworfen worden sind;

Fig. 4 ein Diagramm einer Weibull-Verteilung, welches die kumulative Ausfallrate und die Lebensdauer von Na delrollen wiedergibt, deren Oberflächen feinstzieh geschliffen worden sind;

Fig. 5 ein Diagramm einer Weibull-Verteilung, welches die kumulative Ausfallrate und die Lebensdauer von Na delrollen wiedergibt, deren Oberflächen mit winzi gen Vertiefungen ausgebildet worden sind; und

Fig. 6 ein Diagramm einer Weibull-Verteilung, welches die kumulative Ausfallrate und die Lebensdauer von Na delrollen wiedergibt, deren Oberflächen einer Wär mebehandlung unterworfen und mit winzigen Vertie fungen ausgebildet worden sind.

Fig. 1 zeigt als Beispiel ein Wälzlager mit Walzenelementen als Wälzkörpern. Es umfaßt einen Außenring 1, eine Mehrzahl zylindrischer Walzen 2, die entlang der inneren Umfangsfläche des Außenringes 1 angebracht sind, und einen Käfig 3, der da zu dient, die Walzen 2 in gleichen Abständen voneinander ent fernt zu halten. Der Außenring 1 ist in einem Gehäuse 4 mon tiert. Eine Welle 5 ist in das Wälzlager eingesetzt und durch die zylindrischen Walzen 2 gelagert.

Die Fig. 2A und 2B zeigen ein Beispiel eines Nockenfol gers. Er umfaßt eine Welle 6, einen um die Welle 6 herum an gebrachten Außenring 7 und eine Mehrzahl von dazwischen ange ordneten Nadelrollen oder -walzen 8. Ein Nocken 9 ist mit dem äußeren Umkreis des Außenringes 7 in Kontakt gebracht.

Die Wälzkörper des Wälzlagers sind die zylindrischen Walzen 2, und die Wälzkörper des Nockenfolgers sind der Außenring 7 und die Nadelrollen 8. Diese Wälzkörper sind aus kohlenstoff reichem Stahl wie zum Beispiel Lagerstahl hergestellt und werden einer Wärmebehandlung unterworfen, um die residuale Druckspannung an der Oberflächenschicht zu erhöhen.

In der Wärmebehandlung wird das Werkstück vier Stunden bei einer Temperatur von 820 bis 880°C gehärtet. Während des Här tens wird das Werkstück nitriert, um zu bewirken, daß Stick stoff in die Oberfläche eines Werkstückes eindringt, um den Gehalt an Kohlenstoff und Stickstoff in der Oberflächen schicht des Werkstückes zu erhöhen. Das Werkstück wird dann bei einer Temperatur von 150 bis 200°C getempert, um den Ge halt an Restaustenit in der Oberflächenschicht um etwa 30% zu erhöhen und somit die residuale Druckspannung an der Oberflä chenschicht zu erhöhen, wodurch die Dauerfestigkeit und die Wälzdauerhaltbarkeit vergrößert werden.

Die Oberflächen der Wälzkörper werden nach der Wärmebehand lung aufgerauht, so daß winzige oder feine Vertiefungen in der Oberfläche in regellosen Richtungen gebildet werden.

Nach dem Aufrauhen sollten die Wälzkörper eine residuale Druckspannung in der Oberflächenschicht von nicht weniger als 800 MPa aufweisen.

Solch eine Oberflächenrauheit sollte einen RMS-Wert von nicht weniger als 0,10 µm aufweisen sowie einen negativen SK-Wert, vorzugsweise -1,6 in der Axial- sowie der Umfangsrichtung.

Die Rauheit der mit winzigen Vertiefungen gebildeten Oberflä che sollte derart sein, daß dann, wenn sie durch den Parame ter RMS ausgedrückt wird, RMS nicht kleiner als 0,10 µm ist, und daß der SK-Wert, der ein anderer Parameter für Oberflä chenrauheit ist, negativ ist, vorzugsweise gleich oder klei ner als -1,6.

Um eine derartige Oberflächenrauheit an einer Wälzfläche zu erzielen, kann Zylinderschleifen verwendet werden, um eine gewünschte fertigbearbeitete Oberfläche zu erhalten.

Der oben erwähnte SK-Wert gibt die Asymmetrie (Schiefe) der Oberflächenrauheit-Verteilungskurve wieder. Wenn die Vertei lungskurve symmetrisch ist wie in der Gauß′schen Verteilung, ist der SK-Wert null. Wenn in der Erfindung die Oberflächen rauheit einen SK-Wert von -1,6 in der Axial- sowie der Um fangsrichtung aufweist, sind die Vertiefungen in der Oberflä che in einer solch vorteilhaften Weise geformt und verteilt, daß ein Ölfilm gebildet werden kann.

Wir haben Nadelrollen vorbehandelt, deren Oberflächen auf un terschiedliche Art behandelt waren. Sie wurden einem Lebens dauertest unterworfen unter Verwendung eines Wälzkontakt-Dau erhaltbarkeitsprüfgerätes. Die Ergebnisse der Tests werden nun besprochen.

Für jeden Typ wurden acht Nadelrollen vorbereitet, wobei jede Rolle einen Durchmesser D von 5 mm und eine Länge L von 13 mm aufwies. Der Außenring, in welchem die Nadelrollen montiert wurden, wies einen Außendurchmesser Dr von 38 mm und einen Innendurchmesser dr von 26 mm auf.

Vier unterschiedliche Typen von Rollen wurden vorbereitet, indem die Rollen verschiedenen Arten von Oberflächenbehand lung unterworfen wurden, nämlich

1) Feinstziehschleifen, 2) Wärmebehandlung, 3) Bildung winzi ger Vertiefungen und 4) erfindungsgemäß Wärmebehandlung und anschließende Bildung winziger Vertiefungen.

Die Fig. 3 bis 6 zeigen die Lebensdauer und die kumulative Ausfallrate jedes Typs der geprüften Nadelrollen. Tabelle 1 zeigt die Prüfergebnisse.

Wie aus den Lebensdauerprüfergebnissen offensichtlich wird, war die Lebensdauer der Nadelrollen, die der Oberflächenbe handlung gemäß der Erfindung unterworfen wurden, einige Male länger als die Lebensdauer der Rollen, die anderen Oberflä chenbehandlungen unterworfen wurden.

Nach unseren Überlegungen ist eine solche lange Lebensdauer der verbesserten Dauerfestigkeit bei dem Oberflächenbereich und der verbesserten Ölfilmbildungsrate aufgrund der Bildung winziger Vertiefungen zuzuschreiben.

Tabelle 1

Claims

Wälzkörper, dadurch gekennzeichnet, daß er während des Ni trierens einer Wärmebehandlung unterworfen wird, und daß an seiner Oberfläche winzige Vertiefungen ausgebildet werden, so daß die Oberfläche einen RMS-Wert von nicht weniger als 0,10 µm und einen negativen SK-Wert aufweist und der Wälzkör per in der Oberflächenschicht eine residuale Druckspannung von nicht weniger als 600 MPa aufweist.