DE19702852A1

DE19702852A1 - Lageranordnung mit verbessertem Abnutzungs- und Abriebswiderstand

Info

Publication number: DE19702852A1
Application number: DE19702852A
Authority: DE
Inventors: Chuong Q Dam; Gregory G Hafner; Kenneth W Burris
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1996-01-25
Filing date: 1997-01-27
Publication date: 1997-07-31
Also published as: JPH09229075A; US5700094A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf La geranordnungen und insbesondere auf eine Lageranordnung mit beschichteten Laufbahnen für einen verbesserten Ab nutzungs- und Verschleißwiderstand.

Bei einer Axialkolbenpumpe werden Nadellager verwendet, um die Wellen- bzw. Einstellplatte oder das Joch der Pum pe zu tragen. Solche Nadellager sind am Ende des Jochs gelegen und gestatten es, daß sich das Joch hin- und her bewegt, um den Hub des Kolbens zu verändern. Im Betrieb von Axialkolbenpumpen sind die Nadellager primär einer Oszillationsbewegung unterworfen anstatt einer Drehbewe gung. Diese Oszillationsbewegung bewirkt eine Abnutzung der Laufbahnen oder ein Einlaufen bzw. eine Grübchenbil dung der Lageranordnungen, die zu frühzeitigem Versagen der Lager und folglich einem Versagen der Pumpe führen. Dies hat unerwünschte Ausfallzeit zur Folge, was zu einer Verschwendung von Zeit, Arbeitskraft und Resourcen führt, während die Pumpe instandgesetzt wird.

Bei Anwendungen, in denen solche Axialkolbenpumpen ver wendet werden, um Motoröl oder Hydrauliköl zu pumpen, be schleunigen irgendwelche Verunreinigungen im Öl, wie bei spielsweise Schmutz oder Ruß, die Abnutzung und den Ver schleiß der Pumpenlager. Es ist beobachtet worden, daß die Abnutzung und der Verschleiß auf den Laufbahnen sol cher Lager wegen dem kombinierten Effekt der Ölverunrei nigungen und einer schwachen Ölfilmbildung zwischen der Laufbahn und den Nadeln in der Lageranordnung auftreten, und zwar auf Grund der nicht-drehenden oder oszillieren den Bewegung der Lager.

Es ist wünschenswert, den Verschleißwiderstand der Lauf bahnen von solchen Lageranordnungen zu verbessern. Es ist auch wünschenswert, den Oberflächenabschluß bzw. die Oberflächenabschlußbearbeitung der Laufbahnen so zu ver bessern, daß sie gegenüber Verschleiß widerstandsfähiger sind. Es ist weiter wünschenswert, die Laufbahnen mit ei nem verschleißbeständigen Material zu beschichten, wel ches beträchtlich die Abnutzung der Laufbahnen verringern würde.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der Probleme von bis jetzt verwendeten La geranordnungen zu überwinden.

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist eine Lageranordnung offenbart. Die Lageranordnung weist eine Innenbahn, eine Außenbahn, die von der Innenbahn beab standet ist, und eine Vielzahl von Rollelementen bzw. Wälzkörpern auf, die im Raum zwischen der Innenbahn und der Außenbahn angeordnet sind. Die Rollelemente bzw. Wälzkörper sind in Roll- bzw. Wälzkontakt mit der In nenbahn und der Außenbahn. Eine abtriebsbeständige Be schichtung ist auf der Innenbahn und/oder der Außenbahn abgelagert. Die Beschichtung wird aus der folgenden Grup pe ausgewählt: Metallnitride, metallische Carbonitride und Mischungen davon.

Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung ist eine Verbesserung in einer Lageranordnung offenbart. Eine solche Lageranordnung besitzt eine Innenbahn, eine Außenbahn, die von der Innenbahn beabstandet ist, und ei ne Vielzahl von Wälzkörpern, die im Raum zwischen den In nen- und Außenbahnen angeordnet sind, wobei die Wälz körper in Wälzkontakt mit den Innen- und Außenbahnen sind, und wobei die Bahnen einer Oszillationsbewegung mit Bezug aufeinander unterworfen sind. Die Verbesserung weist das Ablagern einer abriebsbeständigen Beschichtung auf der Innenbahn und/oder der Außenbahn auf, und die Vergrößerung des Abnutzungsverschleißwiderstandes der La geranordnung mit der Beschichtung um eine Größenordnung von zumindestens fünfmal im Vergleich mit dem Abnutzungs widerstand bzw. der Abnutzungswiderstandsfähigkeit einer ähnlichen Lageranordnung ohne die Beschichtung.

Gemäß noch eines weiteren Aspektes der vorliegenden Er findung ist eine Nadellageranordnung für eine Axialkol benpumpe offenbart. Die Nadellageranordnung weist eine Innenbahn mit einer ersten planaren bzw. ebenen Oberflä che und eine Außenbahn mit einer zweiten ebenen Oberflä che auf. Die Außenbahn ist von der Innenbahn beabstandet. Eine Vielzahl von Wälzkörpern ist im Raum zwischen der Innenbahn und der Außenbahn angeordnet. Die Wälzkörper sind in oszillierendem Wälzkontakt mit der ersten ebenen Oberfläche und der zweiten ebenen Oberfläche. Eine ab riebsbeständige Beschichtung ist auf der ersten ebenen Oberfläche und/oder der zweiten ebenen Oberfläche abge lagert. Die Beschichtung besitzt eine Dicke im Bereich von ungefähr 0,001 mm bis ungefähr 0,01 mm.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Lageranordnung der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 ist eine Schnittansicht des bevorzugten Ausfüh rungsbeispiels der Lageranordnung gemäß der vor liegenden Erfindung.

Mit Bezug auf Fig. 1 ist eine Lageranordnung 10 gezeigt. Die Lageranordnung weist eine Innenbahn 20, eine Außen bahn 30, die von der Innenbahn 20 beabstandet ist, und eine Vielzahl von Rollelementen bzw. Wälzkörpern 15, 15′ auf, die im Raum zwischen der Innenbahn 20 und der Aus senbahn 30 angeordnet sind. Die Wälzkörper 15, 15′ sind in Wälzkontakt mit der Innenbahn 20 und der Außenbahn 30. Eine abriebsbeständige Beschichtung 40 ist auf der Innen bahn 20 und/oder der Außenbahn 30 abgelagert und vorzugs weise sowohl auf der Innenbahn 20 als auch auf der Außen bahn 30. Die Beschichtung 40 ist aus der folgenden Gruppe ausgewählt: Metallnitride, metallische Carbonitride und Mischungen davon.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung besitzt die Beschichtung 40 eine Dicke von wün schenwerterweise im Bereich von ungefähr 0,001 mm bis un gefähr 0,01 mm und vorzugsweise von ungefähr 0,002 mm. Eine Dicke von weniger als 0,001 mm ist unerwünscht, da die Beschichtung dazu neigt, bald zu verschleißen. Eine Dicke von mehr als 0,01 mm ist nicht wünschenswert, da die Beschichtung abplatzen kann, was einen vorzeitigen Verschleiß zur Folge hat.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung ist die Beschichtung 40 wünschenswerterweise aus folgenden ausgewählt: Metallnitride und metallische Car bonitride. Wünschenswerterweise wird die Beschichtung 40 aus folgenden ausgewählt: Titannitrid, Titancarbonitrid, Chromnitrid, Chromcarbonitrid, Zirkonnitrid und Zirkon carbonitrid und vorzugsweise Chromnitrid.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung sind die Wälzkörper 15, 15′ in oszillierendem Wälzkontakt mit der Innenbahn 20 und der Außenbahn 30. Es ist beobachtet worden, daß der Verschleiß der Laufbahnen auf Grund eines "Einlaufens" (false brinelling) insbeson dere dann schwerwiegend ist, wenn das Lager einer Oszil lationsbewegung unterworfen ist. Daher ist die Vergröße rung der Service- bzw. Instandhaltungslebensdauer dieser Lager vor dem Versagen auf Grund von Einlaufen insbeson dere dann zu schätzen, wenn solche Lagerbahnen gemäß des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfin dung beschichtet sind.

Die Beschichtung wird wünschenswerterweise durch irgend eine der Dampfbeschichtungstechniken (VD- bzw. Vapor- Deposition-Techniken) abgelagert, wie beispielsweise PVD (physical vapor deposition), CVD (chemical vapor deposi tion) und Lichtbogendampfbeschichtung bzw. -ablagerung. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung wird die Chromnitridbeschichtung 40 durch einen Lichtbogendampfbeschichtungs- bzw. -ablagerungsprozeß ab gelagert, der folgende Schritte aufweist: eine Licht bogenquelle wird vorgesehen. Die Lichtbogenquelle ist ge eignet, um dem erzeugten Dampf eine positive Ladung auf zuprägen. Eine negative Vorspannungsspanung von ungefähr 50 Volt wird an dem Bahnsubstrat bzw. -grundstoff durch eine Spannungsquelle angelegt. Eine Dampfablagerungsbe schichtung 40 wird auf dem Bahnsubstrat abgelagert. Sol che Beschichtungsverfahren sind dem Fachmann für Dampfab lagerungsbeschichtung wohl bekannt.

Jedoch werden oft während der Lichtbogendampfablagerung bzw. -beschichtung Makro-Partikel in den Dämpfen erzeugt und diese Makro-Partikel können in schädlicher Weise die Beschichtungsoberfläche beeinträchtigen. Somit kann als eine Alternative der obige Prozeß verbessert werden, um die Menge der Makro-Partikel in der Beschichtung zu ver ringern, und zwar durch Vorsehen eines Metalldrahtgit ters, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl mit einer vorge wählten Öffnungsgröße, die wünschenswerterweise im Be reich von ungefähr 0,22 mm bis ungefähr 0,86 mm liegt, und vorzugsweise von etwa 0,47 mm. Das Drahtgitter ist zwischen der Lichtbogenquelle und dem zu beschichtenden Bahnsubstrat positioniert, d. h. beispielsweise die In nenbahn 20, und zwar vorzugsweise in einem Abstand von zumindest 15 mm von der Innenbahn 20. Eine negative Vor spannungsspannung bzw. Vorspannung von ungefähr 50 Volt wird an das Drahtgitter durch eine Spannungsquelle an gelegt. Die Lichtbogenquelle sieht einen Strom im Bereich von ungefähr 50 Ampere bis ungefähr 250 Ampere vor und prägt den in dem erzeugten Dampf vorhandenen Makro-Par tikeln eine positive Ladung auf. Die positiv geladenen Makro-Partikel werden auf dem negativ vorgespannten Drahtgitter eingefangen.

Die Lageranordnung kann eine der verschiedenen dem Fach mann bekannten Bauarten sein, wie beispielweise Kegel rollenlager, Nadellager und ähnliches.

Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegen den Erfindung wird eine Verbesserung in einer Lageranord nung offenbart, die primär einer Oszillationsbewegung un terworfen ist. Wieder mit Bezug auf Fig. 1 besitzt eine solche Lageranordnung 10 eine Innenbahn 20, eine Außen bahn 30, die von der Innenbahn 20 beabstandet ist, und eine Vielzahl von Wälzkörpern 15, 15′, die im Raum zwi schen den Innen- und Außenbahnen 20 bzw. 30 angeordnet sind, wobei die Rollelemente bzw. Wälzkörper 15, 15′ in Wälzkontakt mit den Innen- und Außenbahnen 20 bzw. 30 sind, und wobei die Bahnen 20, 30 einer Oszillations bewegung mit Bezug aufeinander unterworfen sind. Die Ver besserung weist folgendes auf: eine Ablagerung einer ab riebsbeständigen Beschichtung 40 auf der Innenbahn 20 und/oder der Außenbahn 30 und eine Vergrößerung des Ab nutzungsverschleißwiderstandes der Lageranordnung 10 mit der Beschichtung 40 um eine Größenordnung von zumindest fünfmal im Vergleich mit dem Abnutzungswiderstand bzw. der Abnutzungswiderstandsfähigkeit einer ähnlichen Lager anordnung ohne die Beschichtung.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung wird die abriebsbeständige Beschichtung 40 der Lageranordnung 10 wünschenswerterweise aus folgendem aus gewählt: Metallnitride und Metallcarbonitride. Wünschens werterweise wird die Beschichtung 40 aus dem folgenden ausgewählt: Titannitrid, Titancarbonitrid, Chromnitrid, Chromcarbonitrid, Zirkonnitrid und Zirkoncarbonitrid und vorzugsweise Chromnitrid. Die Chromnitridbeschichtung wird wünschenswerterweise durch irgendeine der Dampfabla gerungstechniken (VD-Techniken = vapor deposition-Techni ken) wie beispielsweise CVD (chemical vapor deposition) und Lichtbogendampfablagerung bzw. -beschichtung (arc va por deposition). Im bevorzugtem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Beschichtung 40 durch den Lichtbogenablagerungsprozeß abgelagert.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt die Lageranord nung mit der verschleißbeständigen Beschichtung einen verbesserten Abnutzungswiderstand, insbesondere wenn das Lager in einem Bereich von ungefähr +/- 7,5 Grad um einen Mittelpunkt oszilliert.

In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung ist eine Nadellageranordnung für eine Axialkolbenpumpe offenbart. Mit Bezug auf Fig. 2 weist die Nadellageranordnung 10 eine Innenbahn 20 mit einer ersten ebenen Oberfläche 22 und eine Außenbahn 30 mit ei ner zweiten ebenen Oberfläche 32 auf. Die Außenbahn 30 ist von der Innenbahn 20 beabstandet. Eine Vielzahl von Rollelementen bzw. Wälzkörpern 15, 15′ sind im Raum zwi schen der Innenbahn 20 und der Außenbahn 30 angeordnet. Die Rollelemente 15, 15′ sind in oszillierendem Wälzkon takt mit der ersten ebenen Oberfläche 22 und der zweiten ebenen Oberfläche 32. Eine abriebsbeständige Beschichtung 40 ist auf der ersten ebenen Oberfläche 22 und/oder der zweiten ebenen Oberfläche 32 abgelagert. Die Beschichtung 40 besitzt eine Dicke im Bereich von ungefähr 0,001 mm bis ungefähr 0,01 mm.

Beispiel A

Die Innenbahn einer Nadellageranordnung für eine Axial kolbenpumpe, die zum Pumpen von Motoröl verwendet wird, wurde mit einer Chromnitrid-Beschichtung von ungefähr 0,002 mm durch Lichtbogendampfablagerung beschichtet bzw. aufgebracht, und zwar gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Lichtbogenquelle wurde in einem Abstand von 100 mm vom Bahnsubstrat bzw.-grundmaterial positioniert. Die Lichtbogenquelle wurde durch einen Strom von 75 Ampere erregt. Eine negative Vorspannungsspannung von 50 Volt wurde am Bahnsubstrat angelegt. Eine Chromnitrid- Beschichtung mit einer Dicke von ungefähr 0,002 mm (2 µm) wurde auf dem Stahl-Bahnsubstrat abgelagert.

Die beschichte Lageranordnung und eine nicht-beschichtete Lageranordnung derselben Größe und Form wurden in einer Axialkolbenpumpe eingebaut, die 50 Vol.-% neues 15W40-Öl und 50 Vol.-% wiedergewonnenes 15W40-Öl pumpt. Die Öltem peratur war ungefähr 200°F. Die Pumpe wurde in einem Ausdauertest mit schnellem Zyklus bei folgenden Zykluspa rametern getestet: Position 1; 0,125 Sekunden bei 8 Gal lonen/min Ölflußrate bei 1350 psi Öldruck, und Position 2; 0,125 Sekunden bei 13 Gallonen/min Ölflußrate bei 3625 psi Öldruck.

Es wurde beobachtet, daß nach 40 Stunden Test die Lager anordnung mit nicht-beschichteten Bahnen "einlief" bzw. eine Grübchenbildung zeigte. Ein Einlaufen bzw. eine Grübchenbildung ist ein Zustand, der dem Fachman bekannt ist und er stellt den Zeitpunkt dar, wenn die Oberfläche des Laufbahnmaterials beginnt, unter dem Druck von hoch belasteten Lagern zu verschleißen, was eine leichte Ein kerbung bzw. Ausbröckelung zur Folge hat, und den Beginn eines schädlich übermäßigen Verschleißes anzeigt. Typi scherweise wird ein Einlaufen bzw. eine Grübchenbildung angezeigt, wenn die Bahnoberfläche einen geringen bzw. niedrigen Abriebsverschleiß in einem sehr örtlichen Ge biet aufweist, so daß die Bahnoberfläche als von den La gernadeln oder -rollen eingekerbt oder einschlagen er scheint.

Im merklichen Gegensatz wurde beobachtet, daß unter den gleichen Bedingungen die Lageranordnung mit den gemäß der vorliegenden Erfindung beschichteten Bahnen ungefähr 250 Stunden ohne "Grübchenbildung" bzw. "Einlaufen" lief. Bei beschichteten Laufbahnen wird ein Einlaufen durch die sich bewegende oder verschmierende Beschichtung auf dem Bahnsubstrat unter dem Druck der hochbelasteten Lager und eine flache Einkerbung angezeigt. Somit zeigte die Lager anordnung dieser Erfindung eine verbesserte Haltbarkeit durch das Laufen während einer Periode von zumindest sechsmal länger als die nicht beschichteten Lager. Daraus wird geschlossen, daß die Lageranordnung gemäß des bevor zugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung mit Chromnitrid beschichteten Bahnen zumindest sechsmal größeren Verschleiß- und Abnutzungswiderstand zeigt, als ihr nicht-beschichtetes Gegenstück.

Industrielle Anwendbarkeit

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zur Verbesse rung des Abnutzungs- und Verschleißwiderstandes von La gern nützlich, die einer Oszillierungsbewegung unterwor fen sind. Bei schweren bzw. kritischen Anwendungen, wie beispielsweise wenn Nadellager in Axialkolbenpumpen ver wendet werden, die verwendet werden, um Motoröl mit Ver unreinigungen zu pumpen, verlängert die vorliegende Er findung die nützliche Service- bzw. Instandhaltungsle bensdauer solcher Lager um einen Faktor von mindestens fünfmal. Diese Erfindung stellt somit Einsparungen an Zeit, Arbeitskraft und Resourcen für die Lagerindustrie dar.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung kön nen aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Eine Lageranordnung weist eine Innenbahn, eine Außenbahn, die von der Innenbahn beabstandet ist, und eine Vielzahl von Wälzkörpern auf, die in dem Raum zwischen der Innen bahn und der Außenbahn angeordnet sind. Die Wälzkörper sind in Wälzkontakt mit den Innen- und Außenbahnen. Eine abriebsbeständige Beschichtung wird auf der Innenbahn und/oder der Außenbahn abgelagert. Die Beschichtung wird aus der folgenden Gruppe ausgewählt: Metallnitride, me tallische Carbonitride und Mischungen davon.

Claims

1. Lageranordnung, die folgendes aufweist:
eine Innenbahn;
eine Außenbahn, die von der Innenbahn beabstandet ist;
eine Vielzahl von Wälzkörpern, die im Raum zwischen der Innenbahn und der Außenbahn angeordnet sind, wo bei die Wälzkörper in Wälzkontakt mit der Innenbahn und der Außenbahn sind; und
eine abriebsbeständige Beschichtung, die auf der In nenbahn und/oder der Außenbahn abgelagert ist, wobei die Beschichtung aus Chromnitrid, Chromcarbonitrid oder Mischungen davon ist.

2. Lageranordnung nach Anspruch 1, wobei die abriebsbe ständige Beschichtung aus Chromnitrid ist.

3. Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wälzkörper in oszillierendem Wälzkontakt mit der In nenbahn und der Außenbahn sind.

4. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, insbesondere nach Anspruch 1, wobei die Be schichtung eine Dicke im Bereich von ungefähr 0,001 mm bis ungefähr 0,01 mm besitzt.

5. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, insbesondere nach Anspruch 4, wobei die Be schichtung eine Dicke von ungefähr 0,002 mm besitzt.

6. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, insbesondere nach Anspruch 1, wobei die ab riebsbeständige Beschichtung durch Vapor Diposition bzw. Dampfablagerungstechniken (VD-Techniken) abge lagert wird.

7. Lageranordnung mit einer Innenbahn, einer Außenbahn, die von der Innenbahn beabstandet ist, und mit einer Vielzahl von Wälzkörpern, die im Raum zwischen den Innen- und Außenbahnen angeordnet sind, wobei die Wälzkörper im Wälzkontakt mit den Innen- und Außen bahnen sind, wobei die Bahnen einer Oszillationsbe wegung mit Bezug zueinander unterworfen sind, wobei die Lageranordnung folgendes aufweist:
Ablagern einer abriebsbeständigen Beschichtung auf der Innenbahn und/oder der Außenbahn, wobei die Be schichtung eine von folgenden ist: Chromnitrid, Chromcarbonitrid oder Mischungen davon; und
Vergrößern des Abnutzungsverschleißwiderstandes der bageranordnung mit dieser Beschichtung um eine Grö ßenordnung von mindestens fünfmal im Vergleich mit dem Abnutzungswiderstand einer ähnlichen Lageranord nung ohne die Beschichtung.

8. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, insbesondere nach Anspruch 7, wobei die ab riebsbeständige Beschichtung aus Chromnitrid ist.

9. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, insbesondere nach Anspruch 7, wobei die Be schichtung eine Dicke im Bereich von ungefähr 0,001 mm bis ungefähr 0,01 mm besitzt.

10. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, insbesondere nach Anspruch 6, wobei die ab riebsbeständige Beschichtung durch Lichtbogendamp fablagerung abgelagert wird.

11. Nadellageranordnung für eine Axialkolbenpumpe, die folgendes aufweist:
eine Innenbahn mit einer ersten ebenen Oberfläche;
eine Außenbahn mit einer zweiten ebenen Oberfläche, wobei die Außenbahn von der Innenbahn beabstandet ist;
eine Vielzahl von Wälzkörpern, die in dem Raum zwi schen der Innenbahn und der Außenbahn angeordnet sind, wobei die Wälzkörper in oszillierendem Wälz kontakt mit der ersten ebenen Oberfläche und der zweiten ebenen Oberfläche sind; und
eine abriebsbeständige Beschichtung, die auf der er sten ebenen Oberfläche und/oder der zweiten ebenen Oberfläche abgelagert ist, wobei die Beschichtung eine von folgenden ist: Chromnitrid, Chromcarboni trid oder Mischungen davon, und wobei die Beschich tung eine Dicke im Bereich von ungefähr 0,001 mm bis ungefähr 0,01 mm besitzt.

12. Nadellageranordung nach einem der vorhergehenden An sprüche, insbesondere nach Anspruch 11, wobei die abriebsbeständige Beschichtung Chromnitrid ist.