DE69707555T2 - Wälzlager mit verbesserten Verschleisseigenschaften und Wälzkörper für solche Lager - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Wälzlager nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Normalerweise bestehen solche Wälzlager aus Stahl, insbesondere aus einem Stahl mit etwa den gleichen Härteeigenschaften als der Stahl der Ringe.
• In der US-A-3 764 188 wird ein solches Wälzlager beschrieben. Aus der EP-A-89155 ist ein Lager bekannt, bei dem alle Wälzkörper aus einer Stahlummantelung und einem Kern aus einem Zirkoniummaterial bestehen. Dieses bekannte Lager ist daher nicht in der Lage, irgendwelche Vertiefungen in seinen Laufringen zu glätten, weil alle Kontaktoberflächen aus Stahl bestehen und daher die gleiche Härte aufweisen.
• Während der Drehung eines Lagers rollen die Wälzkörper über die Laufringe der Ringe. Jede Art von Kontaminationen, zum Beispiel kleine Schmutzteilchen, die sich auf den Laufringen oder den Wälzkörpern befinden, wird zwischen diesen Körpern zusammengedrückt. Harte Schmutzteilchen, z. B. kleine Stahlteilchen, die aus einer der Komponenten des Lagers herausgekommen sind oder von außen eingetreten sind, widerstehen diesem Zusammendrücken und führen zu der Bildung von winzigen Vertiefungen in den Laufringen und den Wälzkörpern.
• Es ist festgestellt worden, dass insbesondere die Vertiefungen in den Laufringen einen negativen Einfluss auf die Nutzlebensdauer des Lagers ausüben. Ebenfalls führen sie zu einer erhöhten Geräuschbildung während des Laufens, was auf ein ungleichmäßiges Laufen und erhöhtes Spiel zurückzuführen ist und durch den Schmutz auf den Laufringoberflächen verursacht wird.
• Diese Vertiefungen nehmen eine kraterähnliche Form ein, wobei ein kleines in der Mitte liegendes Loch durch einen Wulst von Material umgeben ist, das sich nach oben gedrückt hat und aus dem Laufring herausragt. In umgekehrter Weise können die Wälzkörper ebenfalls Vertiefungen aufweisen. Aufgrund der kreisförmigen Natur der Belastung, die durch die Wälzkörper ausgeübt wird, können Rißbildungen und Ermüdung in den Ringen an der Stelle mit der höchsten Belastungskonzentration, die sich in der Regel gleich unter der Furche eines Zahns befindet, auftreten.
• Obwohl bereits vorgeschlagen wurde, die Lager gegen diese nachteiligen kontaminierenden Teilchen durch Anbringen von Verschlussvorrichtungen und Filtern zu schützen, konnte deren Auftreten niemals ganz verhindert werden, und deswegen kann die Bildung von Vertiefungen nicht ausgeschlossen werden.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Folgen des Auftretens dieser Vertiefungen abzuschwächen. Diese Aufgabe wird gelöst, indem mindestens einer der Wälzkörper mindestens eine äußere Oberflächenummantelung aus einem Zirkoniummaterial aufweist, das härter als das Material der anderen Wälzkörper ist.
• Die Vertiefungen, insbesondere deren Vorsprünge, die sich durch kontaminierende Feststoffteilchen beim Zusammendrücken bzw. Anpressen des in Rede stehenden Laufrings und eines Wälzkörpers von etwa der gleichen Härte bilden, werden nun zusammengedrückt, sobald ein Wälzkörper mit einer im wesentlichen höheren Härte diese überrollt. Auf diese Weise wird der glatte Charakter der Laufringe wieder hergestellt. Es bleiben nur kleine Löcher übrig, die weder einen schwachen noch einen negativen Einfluss auf die Laufeigenschaften des Lagers ausüben. In diesen kleinen Löchern werden winzige Mengen an Schmieröl gesammelt, die die Schmierung des Wälzkörpers bei Ölmangel unterstützen. Ebenfalls ist die Belastungskonzentration und daher das Risiko der Rißbildung und Abnutzung im wesentlichen vermindert. Desweiteren läuft das Lager ruhiger.
• Normalerweise bestehen die anderen Wälzkörper aus Eisen, die etwa die gleichen mechanischen Eigenschaften wie das in den Ringen verwendete Eisen aufweisen. Trotz seiner Härte besitzt das Zirkoniummaterial ein Elastizitätsmodul und eine thermische Ausdehnung, die etwa die gleichen wie beim Stahl sind. Ebenfalls ist sein Poisson-Verhältnis etwa gleich. Des weiteren unterscheiden sich ihre spezifischen Gewichte nicht sehr.
• Der Vorteil besteht darin, dass die Anwendung dieser Wälzkörper aus dem Zirkoniummaterial unter den anderen Stahlelementen weder zu dynamischen Ungleichgewichten noch zu Unterschieden in der Ausdehnung unter sich ändernden Temperaturbedingungen führt. Deswegen wird unter allen Umständen ein reibungsloser Betrieb des Lagers erreicht.
• Die weiteren Vorteile dieser Lösung bestehen in den geringen Kosten für die Rohmaterialien zur Herstellung der Zirkoniumoxidkeramikmaterialien und die Einfachheit bei der Verarbeitbarkeit und Handhabbarkeit von Zirkoniumdioxiden. Beispielsweise kann ein Vermahlen als mögliche Endbearbeitung mit einer Zuführungsrate von 200-1.200 um/Min (für Stahl ist die typische Feinvermahlungszuführungsrate etwa 1.500 um/Min). Die anfänglichen Kostenersparnisse gegenüber dem Gegenspieler Siliciumnitrid wird auf den Faktor 5 geschätzt.
• Eine zweite Ausführungsform dieser Erfindung ist die Verwendung von Zirkoniumoxid bei der Herstellung der Hybridwälzkörper, die hergestellt werden, indem das Zirkoniumoxidkeramikmaterial auf den Stahl direkt gesintert oder pressgefittet oder chemisch oder mechanisch gebunden wird. Diese Technologie wird durch die große Ähnlichkeit der Elastizitätskonstanten des Zirkoniumoxidkeramikmaterials und des Stahls ermöglicht, wobei die thermische Ausdehnung der Young-Modul praktisch gleich zum Stahl sind. Des weiteren wird ebenfalls das Risiko der Unbalanz im Fall von Rundlaufirrtümern der beiden Teile umgangen, weil eine ähnliche Dichte zwischen dem Stahl und dem Zirkoniumoxidmaterialien besteht.
• Wälzlager, worin alle Wälzkörper aus einem Keramikmaterial bestehen, sind bereits bekannt. Im Hinblick auf die Tatsache, dass in diesen Lagern alle Wälzkörper die gleiche Druckkraft auf die Laufringe ausüben, wird die Entstehung dieser Vertiefungen mit hohen Rändern verhindert.
• Allerdings sind aufgrund der höheren Härte und Starrheit dieser Wälzkörper die in den Ringen induzierten Belastungen ebenfalls höher, was zu einer verminderten Lebensdauer und Leistungsfähigkeit bei diesen Typen von Lagern führt.
• In den erfindungsgemäßen Lagern bestehen die meisten Wälzkörper aus Stahl, demzufolge wird die Deformation in gleicher Weise zwischen den Kontaktkörpern aufgeteilt, was zu einer geringeren Belastung und Aufrechterhaltung der dynamischen Leistungsfähigkeit der Lager führt.
• Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsform erläutert.
• Fig. 1 zeigt einen Teil einer Seitenansicht eines äußeren Rings, mit Vertiefungen, eines Lagers mit normalen Wälzkörpern;
• Fig. 2 zeigt eine Teilansicht des äußeren Rings, mit kleinen Löchern, eines Lagers, das mindestens einen starren oder härteren Wälzkörper aufweist;
• Fig. 3 zeigt einen Wälzkörper in Ballform. Der äußere Ring 1 eines Wälzlagers, wobei die anderen Teile nicht gezeigt sind, weist einen Laufring 2 auf, über dem die Wälzkörper rollen können. Jedes feste kontaminierende Teilchen, das sich auf der Oberfläche der Wälzkörper und des Laufrings 2 anfindet, führt zu kraterähnlichen Vertiefungen, die ein kleines Loch 4, das von einem Wulst oder einem überstehenden Teil 5 umgeben ist, aufweisen.
• Diese vorstehenden Teile 5 führen daher zu einer Konzentration der Belastung und zu Vertiefungen in den Wälzkörpern selbst.
• Das Vorhandensein dieser Vertiefungen in den Ringen und in den Wälzkörpern des Lagers führen zu vorzeitiger Ermüdung und Rißbildung. Dabei sind ebenfalls höhere Schwingungen und ein lautstarkes Laufen des Lagers zu verzeichnen.
• Erfindungsgemäß weist mindestens einer der Wälzkörper eine im wesentlichen härtere oder starrere Natur auf, das heißt, er ist aus einem Zirkonmaterial hergestellt. Dieser Wälzkörper drückt beim Überrollen der Vertiefungen 3 zumindest die vorstehenden Teile 5 zusammen, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.
• In dieser Fig. 2 ist ein äußerer Ring 6 gezeigt, auf dem vorstehenden Teile heruntergedrückt worden sind, wobei sich ebene Stellen 7 bilden, die der normalen nichtbeschädigten Oberfläche 8 des Rings 6 entsprechen. Die Löcher, die durch die Vertiefungen gebildet sind, bleiben bestehen.
• Das Risiko der Ermüdung und demzufolge die Rißbildung und Abnutzung in einem Ring eines Lagers mit mindestens einem starren oder härteren Wälzkörper ist beträchtlich niedriger als bei normalen Lagern. Das Vorhandensein von kleinen Löchern 4 führt zu einer besseren Schmierung des Laufrings 8 und der Wälzkörper. In den Löchern 4 werden winzige Mengen Öl 9 gesammelt, die für bessere Schmiereigenschaften sorgen.
• Das in Fig. 3 gezeigte Wälzkörper besteht aus einer äußeren Ummantelung 10 aus einem Zirkoniummaterial, wie teilweise stabilisiertes Zirkoniumoxidkeramikmaterial mit tetragonalen Polykristallen. Sein Kern 11 besteht aus einem geeigneten Stahl, natürlich kann der erfindungsgemäße Wälzkörper ebenfalls vollständig aus diesem Zirkoniummaterial bestehen.
• Im folgenden werden nun die vorteilhaften Ausführungen, die durch die Erfindungen ermöglicht wurden, zusammengefasst:
• - Lager mit verbesserter Abnutzungsbeständigkeit bei Kontamination, das Hybridwälzkörper aufweist.
• - Lager für schwierige Schmierungen, thermische Bedingungen und Umweltbedingungen (Fettschmierung bei hohen Geschwindigkeiten, hoher Temperatur, Korrosionsumgebung, Wasserstoffkorrosion, Vakuum, etc.
• - Lager für eine längere Lebensdauer bei normalen Betriebsbedingungen (bessere Beständigkeit gegen über anfänglicher Ermüdung auf der Oberfläche).
• Ebenso werden die folgenden Probleme gelöst:
• - Unbalanzmasse in den Lagern mit den Hybridwälzlagern.
• - Ungleicher Innenabstand im Lager aufgrund von Temperaturänderungen in den Lagern mit Hybridwälzkörpern.
• - Verwendung kombinierter Hybridsintertechnologie (Kombination von Stahl und Keramikmaterial) in den Lagerbestandteilen.
• - Verwendung des Pressfittens oder der chemischen oder chemischen Hafttechnologie (zwischen Keramikmaterial und Stahl) zur Herstellung der Lagerteile.

Claims (9)

1. Wälzlager, das einen äußeren Ring (1) und einen inneren Ring aufweist, die einen Lagerzwischenraum, der die Wälzkörper enthält, einschließen, wobei die Ringe (1) aus Stahl bestehen und mindestens einer der Wälzkörper ein Material umfasst, das von dem Material der anderen Wälzkörper verschieden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Wälzkörper mindestens eine äußere Oberflächenummantelung (10) aus einem Zirkoniummaterial aufweist, das härter und starrer als das Material der anderen Wälzkörper ist.

2. Wälzlager nach Anspruch 1, worin mindestens zwei Wälzkörper, die zumindest teilweise aus einem härteren Material bestehen, vorgesehen sind, die in Umfangsrichtung regulär mit Zwischenräumen angeordnet sind.

3. Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, worin jeder andere Wälzkörper aus Stahl besteht.

4. Lager nach Anspruch 3, worin jeder Wälzkörper, der mindestens teilweise aus einem härteren Material besteht, eine äußere Ummantelung (10) aufweist, die ein Zirkoniummaterial umfasst.

5. Wälzlager nach Anspruch 4, worin die Zirkoniummantelung (10) einen Stahlkern (11) umschließt.

6. Wälzlager nach Anspruch 3, worin jeder Wälzkörper aus einem härteren Material vollständig aus einem Zirkoniummaterial besteht.

7. Wälzlager nach Anspruch 5, 6 oder 7, worin das Zirkoniummaterial keramisches Zirkondioxid ZrO&sub2; ist.

8. Wälzlager nach Anspruch 7, worin das Zirkoniummaterial ein teilweise stabilisiertes keramisches Zirkondioxid ist.

9. Wälzlager nach Anspruch 8, worin das keramische Zirkondioxid eine Legierung aus 95% ZrO&sub2;, 5% Y&sub2;O&sub3; und 0,01% Al&sub2;O&sub3; umfasst.