WO2023237142A1 - Gleitlager und verfahren zur herstellung eines gleitlagers - Google Patents

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Wolfgang Braun
Christoph Hentschke
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Definitions

  • the invention relates to a plain bearing and a method for producing a plain bearing.
  • a method for producing a bearing body of a plain bearing arrangement is known, for example, from DE 10 2019 101 969 A1.
  • several intersecting grooves are first introduced into a surface of a base body from which the bearing body is manufactured, so that rod-like projections remain between the grooves.
  • the projections are reshaped in such a way that a pattern of undercut-like geometries is formed.
  • the undercuts are intended to anchor a plain bearing material, which can be a thermoplastic, in a form-fitting manner on the base body.
  • DE 10 2012 014 114 A1 Another method with which an improvement in adhesion between a metallic surface and a layer thermally sprayed or cast thereon is to be achieved is disclosed in DE 10 2012 014 114 A1.
  • the surface of a metal workpiece is machined by wire erosion, which creates undercuts.
  • broaching can be used as a material-removing treatment.
  • the method according to DE 10 2012 014 114 A1 should be particularly suitable for machining a connecting rod.
  • DE 10 2009 002 529 A1 describes a method for processing components of an injection pump for an internal combustion engine.
  • a rotating part is accommodated in a plain bearing of the injection pump, the plain bearing being provided with a fissure on its surface facing the rotating part, in which a sliding layer made of PTFE or PEEK that comes into contact with the rotating part is anchored.
  • Laser treatment is suggested to create the fissure.
  • the fissure may include intersecting grooves. Depressions caused by the fissures can be in Different areas of the surface have a different depth and/or width.
  • a method for producing a plain bearing disclosed in DE 10 2017 119 728 A1 provides for the application of an intermediate layer made of a metallic material to a bearing base body via selective laser melting, whereby the bearing base body itself can also be produced using selective laser melting.
  • the intermediate layer can have contours designed as undercuts, which are shaped like a dovetail, for interlocking with a sliding layer made of a non-metallic material.
  • the sliding layer is applied to the intermediate layer by melting or melting.
  • DE 10 2016 110 858 A1 describes a plain bearing which comprises a bearing base body made of a metallic material and an intermediate layer also made of a metallic material, with a plain bearing layer made of a non-metallic material, for example PEEK, being located on the intermediate layer. located.
  • the intermediate layer is an arrangement of wires or a perforated sheet or open-cell metal foam. In the case of an intermediate layer made of wires, this can be made of different materials, for example stainless steel and copper.
  • a plain bearing element described in US 6,498,127 B1 comprises a base body made of metal and a porous sintered layer made of a copper alloy located on its surface.
  • the sintered layer is impregnated with a non-metallic plain bearing material and is formed from particles with an average size of 25 pm to 100 pm, the layer thickness of the sintered layer not being more than four times the thickness of a layer of non-ferrous metal particles.
  • Polyimide among others, is suggested as a plain bearing material.
  • RU 112 303 U1 discloses a plain bearing made up of an inner ring and an outer ring, for the production of which, among other things, a woven material made of PTFE fibers is used.
  • DE 10 2021 101 097 b3 discloses a bearing body of a plain bearing in which rod-like projections are produced on the surface of a metallic base body for improved connection of a sliding layer. Through further processing, in particular through holes in the projections, form-fitting contours are created which are suitable for anchoring the sliding lining.
  • the invention is based on the object of providing a solution for the mechanically stressed connection between a metallic bearing body and a sliding lining of a sliding bearing that is more cost-effective than the prior art and at the same time particularly robust. Another object of the invention is to specify a corresponding manufacturing process for a plain bearing.
  • a plain bearing with a bearing area which has a sliding lining made of a lining material which is bonded to a lining surface of a base material, bores being made in the base material at an angle to the lining surface, which open to the lining surface and which are at least partially connected to one another within the base material Intersections are connected and the covering material fills at least part of the holes up to the intersections.
  • the invention is based on the knowledge that a positive anchoring of the sliding layer on the base material does not necessarily require projections, grooves or undercuts. At first this seems essential in order to bring enough covering material into a form-fitting grip around the base material. However, according to the invention, it is possible to achieve this interlocking effect through a network of holes. Surprisingly, even without an open toothing structure, enough covering material can be introduced into the base material via the holes so that it forms an effective and stable positive fit. The high proportion of covering material supported by the base material even leads to an improvement in the robustness and fatigue strength of the connection.
  • a significant advantage of this design is the simplification and shortening of the manufacturing process: compared to the creation of bases or Projections that form the necessary toothing structure, this structure can now be created by simply drilling.
  • the covering material is preferably a polymer, more preferably polyetheretherketone (PEEK). Such covering materials have particularly good sliding properties and are at the same time highly resilient. More preferably, the covering material can be fiber-reinforced.
  • PEEK polyetheretherketone
  • the covering surface is preferably curved.
  • Alternative methods for bonding the sliding layer, such as sintering, are technically complex for curved surfaces.
  • the holes are preferably created by laser processing.
  • Laser drilling is a particularly efficient process, which is particularly advantageous for holes made at an angle.
  • the holes are preferably inclined at an angle greater than 30 degrees and less than 70 degrees to the surface of the covering. In this area, a good compromise is achieved between drilling the holes (easier, the steeper the slope) and the positive locking effect (more resilient, the flatter the slope).
  • Filling bores which run essentially perpendicular to the covering surface, preferably open into an intersection of two bores. Such filling holes support the introduction of the covering material into the slanted holes that actually support the connection.
  • the holes preferably have a diameter in the range of 0.1 mm and 1 mm and extend to a depth of 5 mm below the surface of the covering.
  • the object directed to a manufacturing method is solved according to the invention by a method for producing a plain bearing, in which bores are made in a lining surface of a base material at an angle to the lining surface, which open to the lining surface and which are at least partially connected to one another at intersections within the base material, whereby a covering material is then applied to the covering surface in such a way that it enters the holes up to the intersections.
  • Fig. 1 is a plain bearing
  • Fig. 2 is a schematic section through the base material of a plain bearing with holes
  • FIG. 3 shows the view corresponding to Figure 2, now with the sliding layer applied
  • Fig. 4 is a modification of the embodiment of Figure 3, with additional filling holes
  • FIG. 1 shows schematically an annular plain bearing 1.
  • a bearing area 3 has a base material 7, preferably steel, which forms a lining surface 5 on the inside of the plain bearing ring.
  • a covering material 9 is applied to the covering surface 5, which serves in particular to improve the sliding properties.
  • a polymer is preferably used here. In order to produce favorable properties of such a covering material 9 in terms of long-term stability, its connection to the base material 7 is essential.
  • Figure 2 shows schematically a section of a cross section through the
  • Holes 11 are made obliquely into the base material 7 on the surface of the covering.
  • two holes 11 each meet at an intersection 13.
  • Further holes 11 can also open into the intersection 13, for example from a dimension perpendicular to the plane of the drawing.
  • FIG Crossings 13 now shows the embodiment of FIG Crossings 13. If the covering material 9 then hardens, it forms a positive connection with the base material 7 via the extension into the bores 11 and crossings 13. This strengthens the connection of the covering material in addition to adhesive forces. The covering material is therefore anchored in the base material 7 like a network or root and, in particular, the long-term strength of the sliding layer is improved.

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Abstract

Zur Herstellung eines Lagerkörpers (1) für ein Gleitlager werden zunächst stabartige Vorsprünge (3) an der Oberfläche eines metallischen Grundkörpers (2) erzeugt, wobei durch weitere Bearbeitung der Vorsprünge (3) Formschlusskonturen geschaffen werden, die zur Verankerung eines Gleitbelags geeignet sind. Als Formschlusskonturen sind die Vorsprünge (3) jeweils in deren Querrichtung (QR) durchziehende Durchgangsbohrungen (8) vorgesehen.

Description

Gleitlager und Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers
Die Erfindung betrifft ein Gleitlager und ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerkörpers einer Gleitlageranordnung ist beispielsweise aus der DE 10 2019 101 969 A1 bekannt. Im Rahmen dieses bekannten Verfahrens werden in eine Oberfläche eines Grundkörpers, aus welchem der Lagerkörper gefertigt wird, zunächst mehrere sich kreuzende Nuten eingebracht, so dass stabartige Vorsprünge zwischen den Nuten stehen bleiben. In einem weiteren in der DE 10 2019 101 969 A1 im Detail beschriebenen Verfahrensschritt werden die Vorsprünge derart umgeformt, dass ein Muster aus hinterschneidungsartigen Geometrien ausgebildet wird. Die Hinterschneidungen sollen dazu dienen, einen Gleitlagerwerkstoff, bei welchem es sich um einen thermoplastischen Kunststoff handeln kann, formschlüssig auf dem Grundkörper zu verankern.
Ein weiteres Verfahren, mit welchem eine Haftverbesserung zwischen einer metallischen Oberfläche und einer hierauf thermisch aufgespritzten oder aufgegossenen Schicht erreicht werden soll, ist in der DE 10 2012 014 114 A1 offenbart. In diesem Fall wird die Oberfläche eines metallischen Werkstücks durch Drahterodieren bearbeitet, womit Hinterschnitte erzeugt werden. Alternativ kann Räumen als materialabtragende Behandlung eingesetzt werden. Das Verfahren nach der DE 10 2012 014 114 A1 soll insbesondere zur Bearbeitung eines Pleuels geeignet sein.
Die DE 10 2009 002 529 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bearbeitung von Komponenten einer Einspritzpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine. Ein rotierendes Teil ist in einem Gleitlager der Einspritzpumpe aufgenommen, wobei das Gleitlager aus seiner dem rotierenden Teil zugewandten Oberfläche mit einer Zerklüftung versehen ist, in welcher eine das rotierende Teil berührende Gleitschicht aus PTFE oder PEEK verankert ist. Zur Erzeugung der Zerklüftung wird eine Laserbehandlung vorgeschlagen. Die Zerklüftung kann einander durchschneidende Rillen umfassen. Eintiefungen, welche durch die Zerklüftung gegeben sind, können in verschiedenen Teilbereichen der Oberfläche eine voneinander abweichende Tiefe und/oder Breite haben.
Ein in der DE 10 2017 119 728 A1 offenbartes Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers sieht das Aufbringen einer Zwischenschicht aus einem metallischen Werkstoff auf einen Lagergrundkörper über selektives Laserschmelzen vor, wobei auch der Lagergrundkörper selbst mittels selektivem Laserschmelzen hergestellt sein kann. Die Zwischenschicht kann als Hinterschneidungen ausgebildete Konturen, welche schwalbenschwanzartig geformt sind, zur Verzahnung mit einer Gleitschicht aus einem nicht-metallischen Werkstoff aufweisen. Die Gleitschicht wird durch Aufschmelzen oder Einschmelzen auf die Zwischenschicht aufgebracht.
In der DE 10 2016 110 858 A1 ist ein Gleitlager beschrieben, welches einen Lagergrundkörper aus einem metallischen Werkstoff und eine ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff bestehende Zwischenschicht umfasst, wobei sich auf der Zwischen-schicht eine Gleitlagerschicht aus einem nicht-metallischen Werkstoff, beispielsweise PEEK, befindet. Bei der Zwischenschicht handelt es sich um eine Anordnung aus Drähten oder um ein Lochblech oder um offenzelligen Metallschaum. Im Fall einer Zwischenschicht aus Drähten kann diese aus unterschiedlichen Werkstoffen, beispielsweise aus Edelstahl und Kupfer, gebildet sein.
Ein in der US 6,498,127 B1 beschriebenes Gleitlagerelement umfasst einen Grundkörper aus Metall und eine auf dessen Oberfläche befindliche poröse Sinterschicht aus einer Kupferlegierung. Die Sinterschicht ist mit einem nichtmetallischen Gleitlagerwerkstoff imprägniert und aus Teilchen mit einer mittleren Größe von 25 pm bis 100 pm gebildet, wobei die Schichtdicke der Sinterschicht nicht mehr als das Vierfache der Dicke einer Lage der Buntmetallteilchen beträgt. Als Gleitlagerwerkstoff wird unter anderem Polyimid vorgeschlagen.
Die RU 112 303 U1 offenbart ein aus einem Innenring und einem Außenring aufgebautes Gleitlager, zu dessen unter anderem Herstellung ein gewobenes Material aus PTFE-Fasern verwendet wird. Die DE 10 2021 101 097 b3 offenbart einen Lagerkörper eines Gleitlagers, bei dem zur verbesserten Anbindung einer Gleitschicht stabartige Vorsprünge an der Oberfläche eines metallischen Grundkörpers erzeugt werden. Durch weitere Bearbeitung, insbesondere durch Durchgangsbohrungen in den Vorsprüngen, werden Formschlusskonturen geschaffen, die zur Verankerung des Gleitbelags geeignet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik kostengünstigere und gleichzeitig besonders robuste Lösung für die mechanisch beanspruchte Verbindung zwischen einem metallischen Lagerkörper und einem Gleitbelag eines Gleitlagers anzugeben. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines entsprechenden Herstellungsverfahrens für ein Gleitlager.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Gleitlager mit einem Lagerbereich , der einen auf einer Belagoberfläche eines Grundmaterials angebundenen Gleitbelag aus einem Belagmaterial aufweist, wobei im Grundmaterial schräg zur Belagoberfläche Bohrungen eingebracht sind, welche sich zur Belagoberfläche öffnen und welche zumindest teilweise innerhalb des Grundmaterials miteinander an Kreuzungen verbunden sind und wobei das Belagmaterial zumindest einen Teil der Bohrungen bis zu den Kreuzungen füllt.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass eine formschlüssige Verankerung der Gleitschicht auf dem Grundmaterial nicht notwendigerweise Vorsprünge, Nuten oder Hinterschneidungen erfordert. Zunächst erscheint dies unabdingbar, um genügend Belagmaterial in eine formschlüssige Umgreifung des Grundmaterials zu bringen. Nach Erkenntnis der Erfindung ist es aber möglich, diesen Verzahnungseffekt auch durch ein Netz von Bohrungen zu erreichen. Überraschenderweise lässt sich auch ohne eine offene Verzahnungsstruktur genügend Belagmaterial über die Bohrungen so in das Grundmaterial einbringen, dass dieses einen wirksamen und stabilen Formschluss ausbildet. Der hohe Anteil an sich am Grundmaterial abstützendem Belagmaterial führt sogar zu einer Verbesserung der Robustheit und Dauerfestigkeit der Verbindung.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführung liegt zudem in der Vereinfachung und Verkürzung des Herstellprozesses: Gegenüber der Ausbildung von Sockeln oder Vorsprüngen, die die notwendige Verzahnungsstruktur bilden, kann diese Struktur nun durch ein einfaches Bohren erzeugt werden.
Bevorzugt ist das Belagmaterial ein Polymer, weiter bevorzugt Polyetheretherketon (PEEK). Solche Belagmaterialien weisen besonders gute Gleiteigenschaften auf und sind gleichzeitig hoch belastbar. Weiter bevorzugt kann das Belagmaterial faserverstärkt sein.
Bevorzugtermaßen ist die Belagoberfläche gekrümmt. Alternative Verfahren zur Anbindung der Gleitschicht, etwa ein Aufsintern, werden bei gekrümmten Oberflächen technisch aufwendig.
Bevorzugt werden die Bohrungen durch Laserbearbeitung erzeugt. Das Laserbohren ist ein besonders effizientes Verfahren, welches gerade auch bei schräg eingebrachten Bohrungen vorteilhaft ist.
Bevorzugt sind die Bohrungen in einem Winkel größer als 30 Grad und kleiner als 70 Grad zur Belagoberfläche geneigt. In diesem Bereich erreicht man einen guten Kompromiss zwischen Einbringung der Bohrungen (einfacher, je steiler geneigt) und dem Formschlusseffekt (belastbarer, je flacher geneigt).
Bevorzugt münden in eine Kreuzung von zwei Bohrungen Füllbohrungen, die im Wesentlichen senkrecht zur Belagoberfläche verlaufen. Durch solche Füllbohrungen wird die Einbringung des Belagmaterials in die eigentlich die Verbindung tragenden, schräg verlaufenden Bohrungen unterstützt.
Bevorzugt weisen die Bohrungen einen Durchmesser im Bereich von 0.1 mm und 1 mm auf und führen bis in eine Tiefe von 5mm unterhalb der Belagoberfläche.
Die auf ein Herstellungsverfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers, bei dem in eine Belagoberfläche eines Grundmaterials schräg zur Belagoberfläche Bohrungen eingebracht werden, welche sich zur Belagoberfläche öffnen und welche zumindest teilweise innerhalb des Grundmaterials miteinander an Kreuzungen verbunden sind, wobei anschließend ein Belagmaterial auf die Belagoberfläche so aufgebracht wird, dass es in die Bohrungen bis zu den Kreuzungen eintritt.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise vereinfacht:
Fig. 1 ein Gleitlager
Fig. 2 ein schematischer Schnitt durch das Grundmaterial eines Gleitlagers mit Bohrungen
Fig. 3 die der Figur 2 entsprechende Ansicht, jetzt mit aufgebrachter Gleitschicht
Fig. 4 eine Abwandlung der Ausführung der Figur 3, mit zusätzlichen Füllbohrungen
Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Figur 1 zeigt schematisch ein ringförmig ausgeführtes Gleitlager 1. Ein Lagerbereich 3 weist ein Grundmaterial 7, vorzugsweise Stahl, auf, welches an der Innenseite des Gleitlagerrings eine Belagoberfläche 5 ausbildet. Auf der Belagoberfläche 5 ist ein Belagmaterial 9 aufgebracht, welches insbesondere der Verbesserung der Gleiteigenschaften dient. Vorzugsweise wird hier ein Polymer verwendet. Um auch hinsichtlich einer Langzeitstabilität günstige Eigenschaften eines solchen Belagmaterials 9 herzustellen, ist deren Anbindung an das Grundmaterial 7 wesentlich.
Figur 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Querschnittes durch den
Lagerbereich 3 und zwar ohne Belagmaterial 9. In einem Winkel W zur Belagoberfläche sind Bohrungen 11 schräg in das Grundmaterial 7 eingebracht. Je zwei Bohrungen 11 treffen sich in diesem Beispiel in je einer Kreuzung 13. In der Kreuzung 13 können auch weitere Bohrungen 11 münden, beispielsweise aus einer Dimension senkrecht zur Zeichenebene.
Figur 3 zeigt nun die Ausführungsform der Figur 2 mit aufgebrachtem Belagmaterial 9. Das Belagmaterial 9 wird so aufgebracht, beispielsweise unter erhöhtem Druck und/oder Temperatur, dass es in die Bohrungen 11 eindringt und zwar zumindest bei einem wesentlichen Teil der Bohrungen 11 bis zu den Kreuzungen 13. Härtet das Belagmaterial 9 dann aus, bildet es über die Erstreckung in die Bohrungen 11 und Kreuzungen 13 einen Formschluss mit dem Grundmaterial 7. Damit wird zusätzlich zu adhäsiven Kräften die Anbindung des Belagmaterials verstärkt. Das Belagmaterial wird also netz- oder wurzelartig im Grundmaterial 7 verankert und insbesondere eine Langzeitfestigkeit der Gleitschicht wird verbessert.
Bezuqszeichenliste
I Gleitlager
3 Lagerbereich
5 Belagoberfläche
7 Grundmaterial
9 Belagmaterial
I I Bohrungen
13 Kreuzungen
15 Füllbohrungen
W Winkel

Claims

Patentansprüche
1 . Gleitlager (1 ) mit einem Lagerbereich (3), der einen auf einer Belagoberfläche (5) eines Grundmaterials (7) angebundenen Gleitbelag aus einem Belagmaterial (9) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass im Grundmaterial (7) schräg zur Belagoberfläche (5) Bohrungen (11 ) eingebracht sind, welche sich zur Belagoberfläche (5) öffnen und welche zumindest teilweise innerhalb des Grundmaterials (7) miteinander an Kreuzungen (13) verbunden sind, wobei das Belagmaterial (9) zumindest einen Teil der Bohrungen (11 ) bis zu den Kreuzungen (13) füllt.
2. Gleitlager (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Belagmaterial (9) ein Polymer ist.
3. Gleitlager (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Belagmaterial (9) faserverstärkt ist.
4. Gleitlager (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -3, dadurch gekennzeichnet, dass die Belagoberfläche (5) gekrümmt ist.
5. Gleitlager (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen () durch Laserbearbeitung erzeugt werden.
6. Gleitlager (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (11 ) in einem Winkel (W) größer als 30 Grad und kleiner als 70 Grad zur Belagoberfläche (5) geneigt sind.
7. Gleitlager (1 ) nach einem der Ansprüch 1 -6, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Kreuzung (13) von zwei Bohrungen (11 ) eine Füllbohrung (15) mündet, die im wesentlichen senkrecht zur Belagoberfläche (5) verläuft.
8. Gleitlager (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (11 ) einen Durchmesser im Bereich von 0.1 mm - 1 mm aufweisen.
9. Gleitlager (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (11 ) bis in eine Tiefe von 5mm unterhalb der Belagoberfläche (5) führen. Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers (1 ), bei dem in eine Belagoberfläche (5) eines Grundmaterials (7) schräg zur Belagoberfläche (5) Bohrungen (11 ) eingebracht werden, welche sich zur Belagoberfläche (5) öffnen und welche zumindest teilweise innerhalb des Grundmaterials (7) miteinander an Kreuzungen (13) verbunden sind, wobei anschließend ein
Belagmaterial (9) auf die Belagoberfläche (5) so aufgebracht wird, dass es zumindest in einen Teil der Bohrungen (11 ) bis zu den Kreuzungen eintritt.
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