DE60303217T2

DE60303217T2 - Wälzlager

Info

Publication number: DE60303217T2
Application number: DE60303217T
Authority: DE
Inventors: Patrice Parietti; Alain Laager
Original assignee: MPS MICRO PREC SYSTEMS AG; MPS MICRO PRECISION SYSTEMS AG
Current assignee: MPS MICRO PREC SYSTEMS AG; MPS MICRO PRECISION SYSTEMS AG
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2023-05-09
Also published as: EP1520111A1; HK1079268A1; WO2003098063A1; EP1520111B2; DE60303217T3; AU2003227003A1; ATE315734T1; EP1520111B1; DE60303217D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager für Subminiatur-Anwendungen, insbesondere auf dem Gebiet des Uhrenbaus, umfassend eine vorbestimmte Anzahl von Wälzkörpern, die in einem Käfig gehalten und zwischen einem Außenring und zwei aneinander befestigten Innenringen angeordnet sind, wobei der Käfig und die Ringe aus Stahl oder ähnlichem gefertigt sind.
Der Stand der Technik kennt die Anwendung von Zirkoniumoxid in Wälzlagern, insbesondere durch die Veröffentlichung US 2002/013211, die europäische Veröffentlichung EP 0 807 762 und die Zusammenfassungen JP 2001 233671 und 2001 214937.
Die Veröffentlichung US 2002/013211 betrifft ein verschleißfestes Element, das einen Körper aus gesintertem Zirkoniumoxid umfasst und insbesondere dazu bestimmt ist, die Antriebe von elektronischen Geräten auszustatten, wie z.B. Lesegeräte für Festplatten oder Disketten, CD- oder DVD-Lesegeräte oder andere Geräte, die eine hohe Rotationsgeschwindigkeit erfordern. Die Verwendung von Zirkoniumoxid ermöglicht es insbesondere, eine große Stabilität dieser Geschwindigkeit zu erzielen, indem die vom Gerät erzeugte statische Elektrizität eliminiert wird.
Die aus Zirkoniumoxid gefertigten Wälzlagerkugeln, die Gegenstand der Anmeldungen JP 2001 233671 und 2001 214937 sind, sind ebenfalls dazu bestimmt, die Mängel zu beseitigen, die durch die statische Elektrizität in den elektronischen Einrichtungen hervorgerufen werden.
Die in der Veröffentlichung EP 0 807 762 beschriebenen Wälzlager sind hybride Wälzlager, die entweder einen Laufring oder Kugeln aus Zirkoniumoxid umfassen. Diese Art von Wälzlager ist insbesondere für Wälzlager bestimmt, die unter besonderen Betriebsbedingungen verwendet werden, wie z.B. in einer korrosiven Umgebung, bei hoher Temperatur, in Vakuumanlagen usw.
Alle diese Formen von Wälzlagern betreffen Wälzlager, die geschmiert sind. Bei gewissen Anwendungen stellt es sich jedoch heraus, dass es vorzuziehen ist, nicht dazu gezwungen zu sein, solche Wälzlager zu schmieren. Ein nicht geschmiertes Wälzlager hat eine bessere Leistung. Tatsächlich verhält sich in einem geschmierten Wälzlager das Öl durch die Bildung einer Welle wie eine Bremse gegenüber dem Rollen der Wälzkörper.
Insbesondere auf dem Gebiet des Uhrenbaus ist die Schmierung der beweglichen Elemente des Uhrwerks einer analogen Uhr seit langem ein großes Anliegen der Uhrenhersteller. Trotz der technischen Weiterentwicklung der Schmiermittel ist die Alterung der Öle eine der Hauptursachen für Funktionsstörungen des Mechanismus im Lauf der Zeit. Mit der Zeit verwandelt sich das Schmieröl in Schmiere, die das Niveau und die Gleichmäßigkeit der Leistung des Wälzlagers beeinträchtigt. Im Extremfall kann sich die Schmiere von den Laufrillen des Wälzlagers lösen und erhebliche Schäden im Uhrwerk verursachen, die zum Stillstand der Uhr führen. Darüber hinaus führt die Manipulation mit den Komponenten der Uhr bei der Montage in Gegenwart eines fetten Körpers zu einer Verschmutzung der Montagewerkzeuge.
Im Fall des Kugellagers für Schwungmassen können die Schmiertechniken und die in das Lager eingeführte Ölmenge von einem Uhrenhersteller zum anderen erheblich variieren und einen direkten Einfluss auf die Leistungen des Aufzugmechanismus einer analogen Uhr haben.
Zweck der Erfindung ist es daher, allen diesen Mängeln abzuhelfen, indem ein Wälzlager für Subminiatur-Anwendungen geschaffen wird, das ohne jede Schmierung verwendbar ist.
Dieser Zweck wird erreicht durch ein Wälzlager, wie es in der Einleitung definiert ist und das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Wälzkörper aus einer Zirkoniumoxidkeramik gefertigt sind, die eingesetzt wird, damit keine Schmierung des Wälzlagers erforderlich ist, und dass jeder Wälzkörper drei oder vier Kontaktstellen mit den Ringen aufweist.
Die vorliegende Erfindung bietet eine Lösung für alle Anwendungen, die eine sehr lange Lagerungsdauer verlangen, die mit geschmierten Systemen, die erheblichen Stößen bis zu 5000 g und/oder hohen Temperaturen ausgesetzt sind, nicht garantiert werden kann.
Auch das Schwungmassenlager einer mechanischen Uhr ist heftigen Stößen ausgesetzt. Um seine Stoßfestigkeit zu testen, werden die Uhren dem gefürchteten Test mit dem sogenannten „Pendelschlagwerk" unterzogen, das einen Stoß von 5000 g simuliert, welcher der Uhr an von der Norm definierten Stellen versetzt wird. Anschließend wird ein automatischer Aufzugtest durchgeführt, um die Auswirkungen des Tests zu ermitteln.
Anwendungstests über den Zeitraum eines Jahres bewiesen die Stabilität der Aufzugleistungen der automatischen Uhr im Lauf der Zeit, während diese mit dem herkömmlichen Wälzlager mit der Zeit sanken.
Die oben genannten Spezifikationen werden durch ein System erreicht, das mit Wälzelementen ausgestattet ist, deren Werkstoff ein Elastizitätsmodul und einen Ausdehnungskoeffizienten nahe jenen von Stahl aufweist.
Ein Wälzlager ohne Schmierung zu verwenden und dabei die herkömmlichen Werkstoffe (Stahl) beizubehalten, ist nicht denkbar auf Grund des Mikroschweißungsphänomens, das durch einen dauernden Stahl-Stahl-Kontakt unter Belastung mit der Zeit auftritt. In diesem Fall kommt es rasch zu einer Beschädigung der Oberfläche der in Kontakt befindlichen Körper (Ring und Kugeln), die die Lebensdauer des Wälzlagers erheblich senkt. Das Öl ist eine Barriere für dieses Phänomen, wobei seine Art und seine Dosierung die Lebensdauer stark beeinflussen können.
Die vorliegende Erfindung entspricht allen oben genannten Spezifikationen durch die Verwendung eines harten, nicht metallischen und stoßfesten Werkstoffs für die Kugeln.
Der Werkstoff der Kugeln ist eine Keramik aus Zirkoniumoxid (ZrO₂), die neben einer hohen Härte (1200 HV) das Merkmal besitzt, ein Elastizitätsmodul (220000 Mpa) aufzuweisen, das nahe jenem von Stahl (210000 Mpa) ist.
Darüber hinaus ist auch der Ausdehnungskoeffizient von ZrO₂ (11.10-6.K-1) nahe jenem von Stahl (11.5.10-6.K-1). Auf diese Weise haben Temperaturschwankungen keinen Einfluss auf die bei Umgebungstemperatur festgelegten Spezifikationen für die Betriebslagerluft.

Die Eigenschaften des in der vorliegenden Erfindung verwendeten Zirkoniumoxids sind folgende:

Dichte:	6,0 g/cm3
Härte:	1150–1200 HV
Elastizitätsmodul:	220000 Mpa
Linearer Koeffizient der thermalen Ausdehnung:	11 × 10 – 6·K-1
Bruchzähigkeit:	10 Mpa·m^1/2
Biegefestigkeit:	>1800 Mpa

Die Erfindung soll nun durch die Beschreibung einer Ausführungsform einer Anwendung für den Uhrenbau, genauer für die Funktion des automatischen Aufzugs, die vom Rotor gewährleistet wird, erläutert werden. Der Rotor setzt sich aus der Schwungmasse und einem Kugellager mit vier Kontaktstellen zusammen.
Die Erfindung beansprucht die Wahl der Werkstoffe mit der Anordnung einer geeigneten Keramik zwischen zwei metallischen Elementen, was die Verwendung eines Wälzlagers ohne Schmierung ermöglicht, wobei die gleichen Eigenschaften wie bei einem geschmierten Wälzlager beibehalten oder diese verbessert werden.
Die Erfindung beansprucht eine sehr erhebliche Ausweitung der Lebensdauer und insbesondere der Lagerungszeit ohne Veränderung.
Die Erfindung wird hauptsächlich für Wälzlager mit drei oder vier Kontaktstellen mit kleinen Abmessungen angewendet, sie erstreckt ihre Ansprüche jedoch auf alle Systeme, die ein bewegliches Element umfassen, das durch Elemente geführt wird, auf denen es rollt.
Die Standardkonstruktion eines Wälzlagers mit vier Kontaktstellen wird unten unter Bezugnahme auf die einzige 1 beschrieben, die einen Schnitt durch ein Wälzlager mit Wälzkörpern gemäß der Erfindung zeigt.
Das Wälzlager mit drei oder vier Kontaktstellen wird im Allgemeinen gebildet aus einem Außenring 1, zwei Innenringen 2 und 4 sowie einer variablen Anzahl von Wälzkörpern 5, wobei, um die Wälzkörper voneinander beabstandet zu halten, ein Käfig 3 zwischen ihnen angeordnet ist.
Der Zusammenbau eines Wälzlagers mit drei oder vier Kontaktstellen erfolgt, indem die Wälzkörper 5 und der Käfig 3 im Außenring 1 und im Innenring 2 oder 4 angeordnet werden. Anschließend wird der verbleibende Innenring angepasst, wodurch das Wälzlager geschlossen wird. Die Betriebslagerluft wird durch die Abmessung der Ringe oder durch die variable Anordnung der Innenringe 2 und 4 bestimmt. Die Befestigung der beiden Innenringe 2 und 4 kann durch Einpressen, Laserschweißen, Quetschverbindung, Kleben oder jedes andere Befestigungsmittel erfolgen.
Die Innenringe 2 und 4 und der Außenring 1 können wahlweise aus Chromstahl, rostfreiem Stahl, Titan, Keramiken oder Bronzelegierung gefertigt sein.
Der Käfig 3, der es ermöglicht, die Wälzkörper 5 voneinander beabstandet zu halten, kann aus rostfreiem Stahl, Chromstahl, Kupferlegierung oder Kunststoff gefertigt sein. Der Käfig 3 ist nicht immer in das Wälzlager eingefügt. Zum Beispiel im Fall einer großen axialen oder radialen Belastung kann das Wälzlager vollständig mit Wälzkörpern 5 gefüllt sein.
Die Wälzkörper 5, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, sind Kugeln mit sphärischer Form. Es ist jedoch offensichtlich, dass Wälzkörper mit anderer Form, wie Zylinder oder Kegelstümpfe, Teil der vorliegenden Erfindung sind.
Die Lebensdauer sowie die Leistungen der Wälzlager mit drei oder vier Kontaktstellen wurden mit Wälzkörpern 5 von sphärischer Form getestet. Die Wälzkörper 5 sind aus Zirkoniumoxid und besitzen vorteilhafterweise eine Dichte zwischen 5, 5 und 6, 5 g/cm3, eine Härte zwischen 1100 und 1250 HV, ein Elastizitätsmodul zwischen 210000 und 230000 Mpa, einen linearen Koeffizienten der thermalen Ausdehnung von 10 bis 12 × 10 – 6·K-1, eine Bruchzähigkeit von 9 bis 11 Mpa·m^1/2 und eine Biegefestigkeit von >1800 Mpa.
Die Wälzkörper 5 der vorliegenden Erfindung sind insbesondere aus Zirkoniumoxid mit den folgenden Eigenschaften: Dichte 6,0 g/cm3, Härte 1150–1200 HV, Elastizitätsmodul 220000 Mpa, linearer Koeffizient der thermalen Ausdehnung 11 × 10 – 6·K-1, Bruchzähigkeit 10 Mpa·m^1/2m, Biegefestigkeit >1800 Mpa.
Ein mit Kugeln aus Zirkoniumoxid versehenes Wälzlager benötigt kein Schmiermittel, was seine Lebensdauer verlängert, seine Wartung vereinfacht, die Sterilisation möglich macht und seine Leistung verbessert.
Die vorliegende Erfindung wird auch für jedes nicht geschmierte hybride Mikrowälzlager mit drei oder vier Kontaktpunkten und für alle beweglichen Elemente (drehend, linear o.a.) angewendet, die von Wälzelementen getragen werden, auf denen das bewegliche Element rollt.

Claims

Wälzlager für Subminiatur-Anwendungen, insbesondere auf dem Gebiet des Ohrenbaus, umfassend eine vorbestimmte Anzahl von Wälzkörpern (5), die in einem Käfig (3) gehalten und zwischen einem Außenring (1) und zwei aneinander befestigten Innenringen (2, 4) angeordnet sind, wobei der Käfig (3) und die Ringe (1, 2, 4) aus Stahl oder ähnlichem gefertigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (5) aus einer Zirkoniumoxidkeramik gefertigt sind, die eingesetzt wird, damit keine Schmierung des Wälzlagers erforderlich ist, und dass jeder Wälzkörper (5) drei oder vier Kontaktstellen mit den Ringen (1, 2, 4) aufweist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Zirkoniumoxidkeramik zwischen 5,5 und 6,5 g/cm³ liegt und vorzugsweise gleich 6,0 g/cm³ beträgt.
Wälzlager nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte der Zirkoniumoxidkeramik zwischen 1100 und 1250 HV und vorzugsweise zwischen 1150 und 1200 HV liegt.
Wälzlager nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchzähigkeit der Zirkoniumoxidkeramik zwischen 9 und 11 Mpa·m^1/2 liegt und vorzugsweise gleich 10 Mpa·m^1/2 beträgt.
Wälzlager nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Koeffizient der thermalen Ausdehnung der Zirkoniumoxidkeramik zwischen 10 und 12 × 10 – 6·K-1 liegt und vorzugsweise gleich 11 × 10 – 6·K-1 beträgt.
Wälzlager nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastizitätsmodul der Zirkoniumoxidkeramik zwischen 210000 und 230000 Mpa liegt und vorzugsweise gleich 220000 Mpa beträgt.
Wälzlager nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegefestigkeit der Zirkoniumoxidkeramik über 1800 Mpa liegt.
Wälzlager nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (5) Kugeln sphärischer Form, Zylinder oder Kegelstümpfe sind.