GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Lageranordnung und speziell
eine Lageranordnung zum Gebrauch in speziellen Umgebungen, wie etwa einer
Hochvakuum-, Hochtemperatur- und Reinraumumgebung.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
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Ein fester Schmierstoff wird im allgemeinen verwendet zur Schmierung von
Lageranordnungen, wie etwa Rollenlagern, Umlaufspindel-Kugellagern,
Keilwellen-Kugellagern zum Gebrauch in Vakuumeinrichtungen,
Halbleiter-Fertigungsvorrichtungen, Vorrichtungen zum Herstellen von Flüssigkristallsubstraten und
dergleichen.
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Das US-Patent US 5 207 513 schlägt Rollkörper zwischen dem Innen- und dem
Außenring vor, wobei die Oberflächen des Innen- und des Außenrings und die
Oberflächen der Rollkörper mit Schmierfilmen aus Polytetrafluorethylen
ausgebildet sind.
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Polytetrafluorethylen (nachstehend kurz "PTFE") wird als gering staubbildender
fester Schmierstoff eingesetzt. PTFE wird gemeinsam mit einem Bindemittel, wie
etwa Polyamid, Polyimid und dergleichen, auf einen Rollkörper und einen
Laufring der Lageranordnung aufgebracht. PTFE ist entweder in Form eines Polymers
mit einem mittleren Molekulargewicht von einigen hunderttausend bis einigen
Millionen oder eines Telomers, das ein mittleres Molekulargewicht von nicht
mehr als 25.000 hat. PTFE mit einer Teilchengröße von 10 bis 20 um wird
vielfach eingesetzt.
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Die Arbeitstemperaturgrenze für die oben angesprochene Lageranordnung ist
jedoch im Vakuum bis auf 200ºC herabgesetzt. Das resultiert hauptsächlich aus
einer Arbeitstemperaturgrenze für Polyamid oder Polyimid, das als Bindemittel
für den festen Schmierstoff dient. Diese Bindemittel erzeugen Gas, wenn die
Temperatur auf ungefähr 200ºC ansteigt, und das Bindemittel tendiert zur
Ablösung von dem Rollkörper und dem Laufring. Das erleichtert auch die Abtrennung
des festen Schmierstoffs, was in einer Kontaminierung aufgrund von
Staubbildung oder in verschlechterter Schmierfähigkeit resultiert.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Zur Lösung der obigen Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Lageranordnung vom Typ mit festem Schmierstoff anzugeben, die
verbesserte Wärmebeständigkeit und sowohl gute Schmierfähigkeit als auch eine
geringe Staubbildungscharakteristik selbst in einer Hochtemperaturumgebung
hat.
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Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe weist die Lageranordnung der
vorliegenden Erfindung folgendes auf:
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einen Rollkörper;
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eine Laufbahn zum Führen des Rollkörpers; und
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einen Schmierfilm, der aus einem festen Schmierstoff gebildet ist, der an
mindestens einer von den Oberflächen des Rollkörpers und der Laufbahn mit der
Eigenschaft haftet, daß Schmierstoffteilchen in einem bindemittellosen Zustand
verteilt sind, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der feste Schmierstoff
Polytetrafluorethylen aufweist, das ein mittleres Molekulargewicht von nicht
mehr als 25.000 und eine mittlere Teilchengröße von nicht weniger als 5 um und
weniger als 10 um hat.
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Sofern die vorstehende Lageranordnung den festen Schmierstoff verwendet, der
PTFE mit dem mittleren Molekulargewicht von nicht mehr als 25.000 aufweist,
besteht keine Gefahr, daß der feste Schmierstoff einen Zwischenraum zwischen
dem Rollkörper und der Laufbahn blockiert oder daß sich PTFE-Teilchen
zusammenballen.
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Außerdem ergibt sich durch die PTFE-Teilchen, die eine mittlere Teilchengröße
von nicht weniger als 5 um und weniger als 10 um haben, eine positivere
Hemmung der Zusammenballung. Somit kann ein Rotationsausfall der
Lageranordnung verhindert werden.
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Ferner ist der Schmierfilm aus dem festen Schmierstoff gebildet, der verteilte
PTFE-Teilchen ohne Anwendung des Bindemittels aufweist, so daß die
Arbeitstemperaturgrenze für den Schmierfilm auf die Arbeitstemperaturgrenze für PTFE
erhöht werden kann. Das verhindert auch unter Hochtemperaturbedingungen
das Auftreten einer Staubbildung infolge des abgelösten Schmierfilms und die
Verschlechterung der Schmierfähigkeit.
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Der Schmierfilm der Lageranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt
eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit, eine gute Schmierfähigkeit und eine
geringe Staubbildungscharakteristik, was die Anwendung der Lageranordnung in
den speziellen Umgebungen, wie etwa in einer Hochvakuum-, einer.
Hochtemperatur- und einer Reinraumumgebung erlaubt.
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Auch im Fall einer Lageranordnung mit einem Käfig kann auf mindestens einer
von den Oberflächen des Käfigs und des Rollkörpers ein ähnlicher Schmierfilm
gebildet sein. Auch bei einer solchen Lageranordnung hat der Schmierfilm
zwischen dem Rollkörper und dem Käfig eine verbesserte Wärmebeständigkeit
und sowohl gute Schmierfähigkeit als auch eine geringe
Staubbildungscharakteristik unter Hochtemperaturbedingungen.
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Bei dem obigen festen Schmierstoff hat PTFE bevorzugt ein mittleres
Molekulargewicht in dem Bereich zwischen 7.000 und 15.000. Bei einem mittleren
Molekulargewicht von nicht mehr als 15.000 ist die Größe der PTFE-Teilchen weiter
verringert, was zu einer weiter verbesserten Schmierfähigkeit und
Ablösefestigkeit des Schmierstoffs beiträgt.
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Bei einem mittleren Molekulargewicht von nicht weniger als 7.000 beginnen die
PTFE-Teilchen nicht mit der Erzeugung von Gas bei Niedrigtemperaturen, was zu
einer weiter verbesserten Warmfestigkeit des Schmierstoffs beiträgt. Daher
eignet sich die Lageranordnung der vorliegenden Erfindung besser zum Gebrauch in
den speziellen Umgebungen, wie etwa Hochvakuum-, Hochtemperatur- und
Reinraumumgebung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Lageranordnung (eines Rollenlagers) gemäß
einer Ausführungsform;
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Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer anderen Lageranordnung (eines
Umlaufspindel-Kugellagers), bei der die gleiche Hauptkonfiguration wie bei der
Lageranordnung von Fig. 1 zur Anwendung kommt;
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Fig. 3 ist eine Schnittansicht noch einer anderen Lageranordnung (eines
Keilwellen-Kugellagers), bei der die gleiche Hauptkonfiguration wie bei der
Lageranordnung von Fig. 1 zur Anwendung kommt;
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Fig. 4 ist ein Diagramm eines Vergleichsergebnisses in bezug auf
Drehmoment-Standzeiten in der atmosphärischen Umgebung; und
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Fig. 5 ist ein Diagramm eines Vergleichsergebnisses in bezug auf
Drehmoment-Standzeiten im Vakuum.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Lageranordnung (eines Rollenlagers) gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Rollenlager umfaßt
einen inneren Ring 1, einen äußeren Ring 2, eine Vielzahl von Kugeln 3 als
Rollkörper und einen Käfig 4 zum Festhalten der Kugeln 3.
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Der innere Ring 1 und der äußere Ring 3 sind konzentrisch zueinander
angeordnet, und die Kugeln 3 sind dazwischen angeordnet. Schmierfilme 5 sind an den
Kugeln 3, einer Tasche (einer Konkavität an der Innenseite) des Käfigs 4 und
jeweiligen Laufbahnen 1a und 2a des inneren Rings 1 und des äußeren Rings 2,
von denen die Kugeln 3 geführt werden, gebildet.
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Die Schmierfilme 5 bestehen aus festem Schmierstoff, der an den vorstehend
angegebenen Bereichen ohne Verwendung eines Bindemittels haftet. In diesem
bindemittellosen Zustand (also bei Abwesenheit des Bindemittels) hat der feste
Schmierstoff die Eigenschaft, daß sich die PTFE-Teilchen verteilen können, so
daß eine Zusammenballung der PTFE-Teilchen vermieden wird.
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Ein brauchbares PTFE hat ein mittleres Molekulargewicht von nicht mehr als
25.000, bevorzugt im Bereich von 7.000 bis 15.000, eine mittlere Teilchengröße
von nicht weniger als 5 um und weniger als 10 um und einen Schmelzpunkt
zwischen 310ºC und 320ºC.
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Der oben genannte Schmierfilm 5 wird auf die folgende Weise gebildet.
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Zuerst wird eine Lösung hergestellt durch Dispergieren des angegebenen PTFE
in einem organischen Lösungsmittel, das CH&sub3;CCl&sub2;F, eine Art von Flon-Ersatz
(nachstehend einfach als "Flon-Ersatz" bezeichnet), aufweist. In diesem Schritt
werden PTFE-Teilchen dispergiert, ohne sie miteinander zu vereinigen. Als
nächstes wird eine gegebene Menge der resultierenden Lösung mittels eines
Mikrozylinders auf die Laufbahnen 1a und 2a aufgetropft, und danach wird das Lager
mehrfach gedreht, um die Lösung zu verteilen.
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Wenn die Lösung gleichmäßig über die Oberflächen der Laufbahnen 1a und 2a
verteilt ist, wird ein Heißlufttrocknungsverfahren bei der Lageranordnung
angewandt, und zwar mit ungefähr 100ºC für mehrere Minuten. Das bewirkt die
Verdunstung des organischen Lösungsmittels, so daß eine PTFE-Beschichtung
verbleibt (normalerweise ist die Beschichtung punktartig verteilt).
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Abgesehen von dem vorstehen beschriebenen Verfahren kann der Schmierfilm 5
auch durch die folgenden Schritte gebildet werden: Eintauchen einer fertigen
Lageranordnung in die Lösung, in der PTFE-Teilchen in dem Flon-Ersatz verteilt
sind, und anschließendes Heißlufttrocknen der Lageranordnung bei ungefähr
100ºC.
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Wenn das mittlere Molekulargewicht von PTFE 25.000 überschreitet, besteht
eine nachteilige Tendenz des festen Schmierstoffs, den Zwischenraum zwischen
den Kugeln 3 und den Laufbahnen 1a oder 2a zu blockieren, und die
PTFE-Teilchen tendieren dazu, sich zusammenzuballen. Das kann dazu führen, daß sich
die Rollenlageranordnung nicht mehr dreht.
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Im Gegensatz dazu verwendet die Rollenlageranordnung mit der obigen
Konfiguration PTFE mit einem mittleren Molekulargewicht, das auf 25.000 oder
weniger begrenzt ist, so daß keine Gefahr besteht, daß der feste Schmierstoff den
Zwischenraum blockiert oder eine Aggregation der PTFE-Teilchen erfolgt. Wenn
ferner die PTFE-Teilchen eine mittlere Teilchengröße von weniger als 5 um
haben, tendieren die PTFE-Teilchen zur Aggregatbildung.
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Die Rollenlageranordnung mit der obigen Konfiguration verwendet jedoch PTFE
mit einer mittleren Teilchengröße von nicht weniger als 5 um und weniger als
10 um, und somit kann eine Aggregation der PTFE-Teilchen noch zuverlässiger
vermieden werden. Ein Rotationsausfall der Lageranordnung wird dadurch mit
Sicherheit vermieden.
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Ferner wird das Haften von PTFE allein ohne Verwendung eines Bindemittels
erreicht, so daß die Arbeitstemperaturgrenze für den Schmierfilm 5 auf die
Arbeitstemperaturgrenze für PTFE heraufgesetzt werden kann. Es erfolgt somit
selbst unter den Hochtemperaturbedingungen keine Staubbildung infolge einer
Ablösung des Schmierfilms 5, und somit wird die Schmierfähigkeit nicht
verschlechtert.
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Insbesondere dann, wenn das PTFE ein mittleres Molekulargewicht von nicht
mehr als 15.000 hat, ist die Teilchengröße weiter verringert, was zu der weiter
verbesserten Schmierfähigkeit und Ablösefestigkeit des Schmierfilms beiträgt.
Wenn ferner das PTFE ein mittleres Molekulargewicht von nicht weniger als
7.000 hat, beginnt das PTFE nicht mit der Erzeugung von Gas bei niedriger
Temperatur, was zu der weiter verbesserten Warmfestigkeit des Schmierfilms
beiträgt.
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Wie oben erörtert, bietet der Schmierfilm 5 eine ausgezeichnete Warmfestigkeit
und Schmierfähigkeit sowie die Charakteristik der geringen Staubbildung, was
die Verwendung der Rollenlageranordnung in besonderen Umgebungen wie etwa
einer Hochvakuum-, Hochtemperatur- und Reinraumumgebung erlaubt.
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Gemäß der obigen Ausführungsform ist der Schmierfilm 5 auf sämtlichen
Oberflächen der Kugeln 3, der Laufbahnen 1a und 2a und des Käfigs 4 gebildet, aber
der Schmierfilm braucht nicht auf all diesen Oberflächen gebildet zu sein. Was
beispielsweise den Zwischenraum zwischen den Kugeln 3 und der Laufbahn (1a,
2a) betrifft, so kann der Schmierfilm 5 an mindestens einer von den Oberflächen
der Kugeln und der Laufbahn gebildet sein. Ebenso kann der Schmierfilm
zwischen den Kugeln 3 und dem Käfig 4 an mindestens einem davon gebildet
sein.
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Ein Teil, das mit einem solchen Schmierfilm 5 zu versehen ist, wird einzeln in die
Lösung getaucht, in der das genannte PTFE in dem organischen Lösungsmittel
des Flon-Ersatzes verteilt ist. Danach wird der Heißluft-Trocknungsvorgang bei
ungefähr 100ºC angewandt, um den Schmierfilm 5 an dem Teil zu bilden.
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Die obige Beschreibung der Ausführungsform wurde beispielhaft unter
Bezugnahme auf eine Rollenlageranordnung mit Käfig vorgenommen. Im Fall eines
Vollkugellagers ohne Käfig kann der Schmierfilm auf wenigstens einem von den
Kugeln und der Laufbahn, mit der die Kugeln in Kontakt gelangen, gebildet sein.
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Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer anderen Lageranordnung (eines
Umlaufspindel-Kugellagers), bei der die Hauptkonfiguration des Lagers gemäß Fig. 1
angewandt wird. Das Spindel-Kugellager hat ein Gewinde 11, ein Gehäuse 12, Kugeln
13 und eine Umlaufbahn 14. Ein Außenumfangsbereich des Gewindes 11 und
eine Innenumfangsfläche des Gehäuses 12 sind mit Rillen (Laufbahnen) 11a und
12a ausgebildet, die jeweils zur Führung der Kugeln 13 dienen.
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Ebenso wie bei der obigen Rollenlageranordnung ist der Schmierfilm (nicht
gezeigt), der aus dem festen Schmierstoff besteht, an mindestens einer von den
Kugeln 13 und den Rillen 11a, 12a gebildet.
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Bei der Umlaufspindel-Kugellageranordnung dieser Konfiguration werden durch
die Rotation des Gewindes 11 die Kugeln 13 zum Abrollen und zu einer
Spiralbewegung veranlaßt, so daß die Kugeln von dem einen Ende des Gehäuses 12 zu
dem gegenüberliegenden Ende davon auf der Umlaufbahn 14 zurückkehren.
Dadurch wird das Gehäuse in Axialrichtung bewegt.
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Ebenso wie die in Fig. 1 gezeigte Rollenlageranordnung ist auch die Verwendung
der Umlaufspindel-Kugellageranordnung in einer speziellen Umgebung, wie etwa
einer Hochvakuum-, einer Hochtemperatur- und einer Reinraumumgebung
möglich.
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Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die eine Keilwellen-Kugellageranordnung zeigt, bei
der die Hauptkonfiguration der in Fig. 1 gezeigten Lageranordnung zur
Anwendung kommt. Das Keilwellen-Kugellager umfaßt eine Keilwelle 21, einen äußeren
Zylinder 22, Kugeln 23 und einen Käfig 24. Eine Laufbahn 22a zur Führung der
Kugeln 23 ist an einer innenseitigen Wand des äußeren Zylinders 22 ausgebildet.
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Der Käfig 24 ist an der Innenseite relativ zu der Laufbahn 22a angeordnet, so
daß die Kugeln 23 festgehalten werden. Ebenso wie bei der vorher genannten
Rollenlageranordnung ist der Schmierfilm (nicht gezeigt), der aus dem festen
Schmierstoff besteht, an mindestens einem von dem Kugeln 23 und der
Laufbahn 22a gebildet.
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Außerdem kann der Schmierfilm auch an der Keilwelle 21 und dem Käfig 24
gebildet sein. Bei der so ausgebildeten Keilwellen-Kugellageranordnung wird die
Keilwelle 21 relativ zu dem äußeren Zylinder 22 in Axialrichtung bewegt, was
bewirkt, daß die Kugeln 23 in einer Schleife abrollen und sich bewegen.
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Ebenso wie bei der in Fig. 1 gezeigten Rollenlageranordnung ist auch die
Verwendung der Keilwellen-Kugellageranordnung in der speziellen Umgebung wie
etwa der Hochvakuum-, der Hochtemperatur- und der Reinraumumgebung
möglich.
Standzeitversuch
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Die Warmfestigkeit des in Fig. 1 gezeigten Rollenlagers wurde in einem Vakuum
von 1,33·10&supmin;&sup5; Pa (10&supmin;&sup7; Torr) untersucht. Ein PTFE mit einem mittleren
Molekulargewicht von 7.500 bis 15.000, einer mittleren Teilchengröße von 5 um und
einem Schmelzpunkt von 315ºC wurde für eine Rollenlageranordnung als
Ausführungsform 1 verwendet. Andererseits wurde ein PTFE mit einem mittleren
Molekulargewicht von 1.000 bis 4.000, einer mittleren Teilchengröße von 1,5 um
und einem Schmelzpunkt von 200ºC für eine Rollenlageranordnung als
Vergleichsbeispiel 1 verwendet.
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Eine Lösung wurde hergestellt durch Dispergieren jedes der PTFEs in einem
Flon-Ersatz. Jedes Lager wurde in jede der resultierenden Lösungen getaucht,
und dann wurde der Heißluft-Trocknungsvorgang bei ungefähr 100ºC bei dem
Lager angewandt. Somit wurde jedes PTFE zur Haftung an den Kugeln, der
Laufbahn und dem Käfig gebracht.
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Bei dem Lager der Ausführungsform 1 wurde keine Gaserzeugung aus dem PTFE
beobachtet, bis die Temperatur auf ungefähr 300ºC angestiegen war. Bei dem
Lager des Vergleichsbeispiels 1 wurde die Gaserzeugung aus dem PTFE bei einer
Temperatur von ungefähr 180ºC beobachtet, und danach wurde das PTFE bei
250ºC vollständig verdampft. Das zeigt, daß die Lageranordnung von Beispiel 1
ihren Gebrauch bei der Temperatur von 300ºC erlaubt, wogegen das Lager des
Vergleichsbeispiels 1 bei ungefähr 200ºC gebrauchsunfähig wird.
Drehmoment-Standzeitprüfung
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Als nächstes wurde eine Drehmoment-Standzeitprüfung (eine
Lebensdauerprüfung unter Anwendung eines Drehmoments) an der Rollenlageranordnung
durchgeführt, und das Resultat ist nachstehend gezeigt.
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Die Prüfung wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
Prüflagernummer: 608ST
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Atmosphäre: Atmosphärenluft und Vakuum von 1,33·10&supmin;&sup5; Pa (1 · 10&supmin;&sup7; Torr)
Drehgeschwindigkeit: 200 Umdrehungen/Minute
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Belastung: axiale Last 50 N
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Anzahl Prüflinge: Satz von 3 Prüflingen für jedes Beispiel
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Ein Lager der Ausführungsform 2 wurde mit den folgenden Schritten bearbeitet:
Herstellen einer Lösung, wobei in dem Flon-Ersatz ein PTFE dispergiert wird, das
ein mittleres Molekulargewicht von 7.500 bis 15.000 und eine mittlere
Teilchengröße von 5 um hat; Tauchen der Lageranordnung in die resultierende Lösung;
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und Heißlufttrocknen der Lageranordnung bei ungefähr 100ºC, um das PTFE
zum Anhaften an den Kugeln, der Laufbahn und dem Käfig des Lagers zu
bringen.
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Ein Lager gemäß Vergleichsbeispiel 2 wurde gemäß den folgenden Schritten
bearbeitet: Herstellen einer Lösung durch dispergierendes Vermischen von
5 Gew.-% PTFE mit einem mittleren Molekulargewicht von 50.000 und einer
mittleren Teilchengröße von 15 um und von 25 Gew.-% Polyamidimid mit
70 Gew.-% N-methyl-2-pyrrolidon; Auftragen der resultierenden
Dispersionslösung auf die Kugeln, die Laufbahn und den Käfig nach dem
Haftschichtverfahren, so daß dadurch der feste Schmierstoff zum Anhaften gebracht wurde; und
Ausführen eines Entgasungsvorgangs an dem Schmierfilm bei 180ºC für 90 min.
Die Drehmoment-Standzeitprüfung wurde an den Lagern der Ausführungsform 2
und des Vergleichsbeispiels 2 in Atmosphärenluft bzw. im Vakuum durchgeführt.
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Das Diagramm in Fig. 4 zeigt das Ergebnis der Drehmoment-Standzeitprüfung,
die in Atmosphärenluft durchgeführt wurde, während das Diagramm in Fig. 5 das
Ergebnis der im Vakuum durchgeführten Drehmoment-Staridzeitprüfung zeigt.
Die Drehmoment-Standzeit ist repräsentiert als Standzeitverhältnis, wenn man
eine Drehmoment-Standzeit des Vergleichsbeispiels 2 bei Raumtemperatur mit
100 annimmt.
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Wie die Fig. 4 und 5 zeigen, erreicht die Konfiguration gemäß der vorliegenden
Ausführungsform eine wesentliche Verbesserung der Drehmoment-Standzeit des
Lagers sowohl in Atmosphärenluft als auch im Vakuum.