DE102005051914B4

DE102005051914B4 - Käfig für ein Wälzlager

Info

Publication number: DE102005051914B4
Application number: DE102005051914A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Gegner
Original assignee: SKF AB
Current assignee: Gegner Juergen Prof Dr De
Priority date: 2005-10-29
Filing date: 2005-10-29
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2025-10-30
Also published as: DE102005051914A1

Abstract

Käfig für ein Wälzlager, der aus einem Kunststoff-Basismaterial besteht und eine Anzahl Aufnahmetaschen für Wälzkörper aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kunststoff-Basismaterial Hartstoffteilchen zugemischt sind, die eine Partikelgröße zwischen 1 nm und 5 nm aufweisen, wobei die Hartstoffteilchen aus Siliziumdioxid (SiO₂) bestehen, deren Anteil zwischen 0,5 Vol.-% und 3 Vol.-% beträgt, und wobei das Kunststoff-Basismaterial Polyamid (PA) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Käfig für ein Wälzlager, der aus einem Kunststoff-Basismaterial besteht und eine Anzahl Aufnahmetaschen für Wälzkörper aufweist.
Als Material für Wälzlagerkäfige werden diverse Kunststoffe eingesetzt. Als Beispiele seien Polyethersulfon (PES), Polyetherimid (PEI), Polyamid (PA) Polyetheretherketon (PEEK) und Polyoxymethylen (POM) genannt. Mit den genannten Materialien kann eine relativ hohe Temperaturbeständigkeit des Käfigmaterials bei Betriebstemperaturen von über 150°C erreicht werden.
Ein Wälzlagerkäfig der eingangs genannten Art ist aus der US 5,590,225 A bekannt. Dort wird Polyarylensulfid in Form von Polyphenylensulfid (PPS) als Kunststoffmaterial eingesetzt, um das Lager bzw. den Käfig weiter gegen hohe Temperaturen und raue Umgebungsbedingungen tauglich bzw. unempfindlich zu machen. Angestrebt wird auch, dass die Zähigkeit des Materials möglichst hoch ist. Um dieses Ziel zu erreichen, wird dort linearkettiges Polyphenylensulfid eingesetzt, dem Glasfasern in einem Mengenanteil bis zu 45 Gewichtsprozent (Gew.-%) zugesetzt werden.
Aus der JP 2000-283168 A ist ein gattungsgemäßer Wälzlagerkäfig bekannt, der aus Kunststoff besteht, wobei in das Kunststoffmaterial ein anorganischer Füllstoff in Form eines Metalloxids eingebracht ist. Die Partikelgröße des eingegebenen Metalloxids liegt zwischen 5 und 5000 nm.
Hinweise auf die Art des Kunststoffmaterials, das für einen Wälzlagerkäfig eingesetzt werden kann, finden sich beispielsweise in der DE 694 24 352 T2 , der US 2002/0061151 A1 und der DE 43 11 194 C2 . Aus diesen Dokumenten geht auch der Hinweis hervor, dass Verstärkungsfasern ins Kunststoffmaterial eingebettet werden können, um die Festigkeit des Käfigs zu erhöhen.
Die DE 102 39 326 A1 offenbart – jedoch ohne konkreten Bezug auf die Lagertechnologie – Formmassen auf Basis thermoplastischer Polymere. Dort ist beschrieben, dass nanoskalige Füllstoffe in das Polymer eingebracht werden können, um hochviskose Formmassen auf der Basis von thermoplastischen Polymeren zu schaffen, die leicht herstellbar sind und sich insbesondere für den Extrusionsblasformprozess eignen.
Wenngleich mit den vorbekannten Kunststoffen bzw. Kunststoffzusammensetzungen bereits Käfige für Wälzlager herstellbar sind, die hohen Ansprüchen an Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturen und aggressiven Umgebungsbedingungen genügen, besteht der Wunsch nach weiterer Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen raue Umgebungsbedingungen, wobei die Funktionalität des Käfigs insbesondere im Hinblick auf die Härte und Verschleißfestigkeit optimiert werden soll.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Käfig für ein Wälzlager der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass es ein weiter verbessertes Verhalten in Bezug auf Verschleißfestigkeit und thermische Stabilität aufweist, so dass die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit des Käfigs weiter erhöht werden können. Ferner soll eine möglichst wirtschaftliche Herstellung des Käfigs erreicht werden.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Kunststoff-Basismaterial, das den Käfig bildet, Hartstoffteilchen zugemischt sind, die eine Partikelgröße zwischen 1 nm und 5 nm aufweisen, wobei die Hartstoffteilchen aus Siliziumdioxid (SiO₂) bestehen, deren Anteil zwischen 0,5 Vol.-% (Volumenprozent) und 3 Vol.-% beträgt, wobei das Kunststoff-Basismaterial Polyamid (PA) ist. Als Partikelgröße sei der mittlere Partikeldurchmesser verstanden.
Das Siliziumdioxid (SiO₂) wird bevorzugt in neutraler Form mit einem pH-Wert von ca. 7,4 verwendet.
Als Kunststoff-Basismaterial ist Polyamid (PA), insbesondere Polyamid mit 8 Vol.-% Polyethylen (PA 66 PE) vorgesehen.
Die Festigkeit des Käfigs kann dadurch weiter verbessert werden, dass er weiterhin Verstärkungsfasern aufweist. Hierfür kommen – wie an sich bekannt – insbesondere Kohlefasern oder Glasfasern in Frage.
Der Käfig wird bevorzugt bei Kugellagern oder bei Kegelrollen-, Zylinderrollen-, Pendelrollen- oder Toroidallagern eingesetzt, wobei er aber auch für alle anderen Lagertypen verwendbar ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass bei der vorliegenden Erfindung die Mengenangaben der zuzugebenden Stoffe auf Volumenprozent bezogen sind; es hat sich herausgestellt, dass der Volumenanteil des zuzugebenden Stoffes mit Blick auf den Verschleiß und die Harte des Käfigmaterials relevanter ist als die im Stand der Technik bekannte Bezugnahme auf Gewichtsprozent.
Der Einsatz von Nanopartikeln als solche sind im Stand der Technik bekannt, was auch für die entsprechende Verarbeitung bzw. Herstellung der Materialien gilt.
Aus der DE 102 47 359 A1 ist eine Verwendung von oberflächenmodifizierten Nanopartikeln und ihrer Dispersion in Lösungsmitteln für die Herstellung von Beschichtungsstoffen, Klebstoffen, Dichtungsmassen, Compounds auf der Basis technischer Kunststoffe und härtbarer Massen die Herstellung von Beschichtungen, Lackierungen, Dichtungen, Formteilen und Hartschäumen bekannt. Dabei werden als zu modifizierende Nanopartikel insbesondere Silizium und dessen Oxide verwendet. Dabei weisen die zu modifizierenden Nanopartikel eine Partikelgröße zwischen 10 und 30 nm auf.
Aus der DE 102 39 326 A1 sind Formmassen auf der Basis von thermoplastischen Polymeren, beinhaltend nanoskalige Füllstoffe, bekannt, aus denen beispielsweise Hohlkörper mit Anwendungen im Bereich der Automobilindustrie, wie Kraftstoffbehälter, Spoiler, Luftführungskanäle, Ansaugrohre bzw. Teile von Ansaugrohren oder Saugmodulen, Flüssigkeitsbehältern und Verkleidungen, herstellbar sind. Dabei sind die nanoskaligen Füllstoffe in einer Menge von 0,5 bis 15 Gew.-% zugegeben und bestehen beispielsweise aus Siliziumdioxid. Die Formmassen umfassen dabei beispielsweise Polyamid. Dabei können die Formkörper in einer oder in mehreren Stufen durch Spritzgießen, Co-Extrusion, Extrusions-Blasformen, Pressen oder Ummantelungsverfahren hergestellt werden.
Die DE 199 33 819 A1 offenbart kompakte und/oder zellige Polyurethanelastomere, die 0,01 bis 20 Gew.-% nanoskaliges Siliziumdioxid enthalten. Die Polyurethanelastomere finden dabei Verwendung zur Herstellung von Formkörpern, vorzugsweise für den Maschinenbau und den Verkehrsmittelsektor. Die zelligen Polyurethanelastomere eignen sich insbesondere zur Herstellung von Dämpfungs- und Federelementen, vorzugsweise für Kraftfahrzeuge, Puffer und Deckschichten. Die kompakten Polyurethanelastomere eigenen sich beispielsweise zum Einsatz in Reifen, Rollen und Walzen, als Walzenbeschichtungen oder zur Herstellung von Riemen.
Schließlich sind aus der DE 198 56 484 A1 thermoplastische Formmassen bekannt, die ein thermoplastisches Polycarbonat und 0,01 bis 30 Gew.-% Siliziumverbindungen mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 3 nm bis 50 nm aufweisen. Aus der Masse können Formkörper durch Spritzgießen hergestellt werden.
Auf die genannten Vorveröffentlichungen wird hinsichtlich der Herstellung und Verarbeitung von Materialien mit Nanopartikeln sowie mit Blick auf die Art der Nanopartikel hiermit ausdrücklich Bezug genommen.
Mit der oben erläuterten erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird eine Lebensdauer- und Leistungssteigerung bei Kunststoff-Wälzlagerkäfigen erreicht. Ferner können die Produktionskosten nicht unerheblich reduziert werden. Durch die Zumischung von Hartstoffteilchen in Nanopulverform zum Kunststoff-Basiswerkstoff wird erreicht, dass ein Teil des Käfigwerkstoffs durch die Nano-Hartstoffteilchen ersetzt wird, was Kostenvorteile insbesondere dann erbringen kann, wenn das Kunststoff-Basismaterial relativ teuer ist, wie es beispielsweise bei PEEK der Fall ist.
Bezüglich der Herstellung des Käfigs sei angemerkt, dass eine bevorzugte Verfahrensweise darin besteht, dass Hartstoffteilchen in Form eines Pulvers mit dem genannten mittleren Partikeldurchmesser, vorzugsweise zwischen 10 nm und 30 nm, dem im flüssigen Zustand (als pastöse Masse) vorliegenden Kunststoff-Basismaterial zugemischt wird, bis eine homogenen Mischung vorliegt. Dies erfolgt in bekannten Kunststoff-Verarbeitungsanlagen, d. h. insbesondere in einer Extrudiervorrichtung. Für das Einbringen der Nanopartikel in die Kunststoffmasse sind Dosierförderschnecken geeignet, die eine gleichmäßige Partikelverteilung begünstigen und Agglomerationen behindern. Anschließend kann eine (Re-)Granulierung des Kunststoffmaterials als Vorbereitung der thermoplastischen Formgebung, z. B. durch Spritzgießen, erfolgen, was in üblicher Weise stattfinden kann. Es kann dabei auf bestehende Anlagen zur Kunststoffverarbeitung problemlos zurückgegriffen werden; ggf. erforderliche Zusatzaggregate (z. B. zusätzliche Dosier- und Zumischeinrichtungen) können problemlos an bestehenden Anlagen ergänzt werden.
Durch die eingebrachten Nanopartikel aus dem genannten Hartstoff wird die Härte des Käfigs erhöht und auch der Verschleißwiderstand des Käfigs verbessert. Ferner wird die Temperaturbeständigkeit gesteigert. Gute Ergebnisse, d. h. eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Käfigs, können bereits mit Volumenanteilen zwischen 1 Vol.-% und 5 Vol.-% Hartstoffteilchen erreicht werden.
Im Falle relativ teurer Kunststoffe haben sich jedoch auch höhere Gehalte an Nanopartikeln bis ca. 20 Vol.-% bewährt. Das Käfig-Grundmaterial kann damit verstreckt werden, so dass die Materialkosten insgesamt niedriger ausfallen.
Es sei angemerkt, dass der vorgeschlagene Wälzlagerkäfig freilich sowohl in den bevorzugten, genannten Lagertypen als auch bei Linearlagern eingesetzt werden kann.

Claims

Käfig für ein Wälzlager, der aus einem Kunststoff-Basismaterial besteht und eine Anzahl Aufnahmetaschen für Wälzkörper aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kunststoff-Basismaterial Hartstoffteilchen zugemischt sind, die eine Partikelgröße zwischen 1 nm und 5 nm aufweisen, wobei die Hartstoffteilchen aus Siliziumdioxid (SiO₂) bestehen, deren Anteil zwischen 0,5 Vol.-% und 3 Vol.-% beträgt, und wobei das Kunststoff-Basismaterial Polyamid (PA) ist.
Käfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyamid 8 Vol.-% Polyethylen aufweist (PA 66 PE).
Käfig nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin Verstärkungsfasern aufweist.
Käfig nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern Kohlefasern sind.
Käfig nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern Glasfasern sind.
Käfig nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er Bestandteil eines Kugellagers ist.
Käfig nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er Bestandteil eines Kegelrollen-, Zylinderrollen-, Pendelrollen- oder Toroidallagers ist.
Käfig nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er Bestandteil eines Linearlagers ist.