DE60109298T2

DE60109298T2 - Gleitlager

Info

Publication number: DE60109298T2
Application number: DE60109298T
Authority: DE
Inventors: Daniele Blanchard; Olivier Beaurepaire
Original assignee: Glacier Garlock Bearings Inc
Current assignee: GGB Inc
Priority date: 2000-08-03
Filing date: 2001-07-20
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2021-07-21
Also published as: JP2004506148A; BR0112902A; CN1446294A; WO2002012740A1; CN1243918C; DE60109298D1; US20040057643A1; EP1305530B1; AU2001272556A1; GB0018904D0; ES2238459T3; EP1305530A1; ATE290659T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Gleitlager und im Besonderen Gleitlager, die eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweisen und aus Blech- oder Bandmaterial gerollt sind.
Gerollte Lager oder „Buchsen", wie diese häufig im Fachgebiet für Lager genannt werden, werden zum Beispiel oft bei Scharnieren von Kraftfahrzeugtüren eingesetzt. Solche Lager sind zwar nicht hohen Drehzahlen oder Umlaufgeschwindigkeiten ausgesetzt, unterliegen aber hohen Belastungen infolge einer Hebelwirkung, die durch das Gewicht einer an dem Scharnier hängenden Tür hervorgerufen wird, wenn diese geöffnet und ansonsten nicht abgestützt ist.
Ein für diese Art der Anwendung üblicherweise verwendetes Lagermaterial umfasst ein starkes Stützmaterial beispielsweise aus Stahl mit einer darauf angeordneten Auskleidung aus einem Kunststoff-Lagermaterial. Je nach Art des Kunststoffmaterials ist auch häufig eine Schicht eines porösen Materials auf dem Stahl vorhanden, in die das Kunststoffmaterial einimprägniert wird, um so ein Binden des Kunststoffs auf die Stützschicht zu fördern. Ein bekanntes Bindematerial ist eine auf die Stahl-Stützschicht gesinterte Schicht eines porösen Bronzepulvers, in welche das Kunststoffmaterial einimprägniert wird. Die Oberfläche der Bindeschicht kann ihrerseits zu den Lagereigenschaften des Materials beitragen, wie dies beispielsweise bei dem bekannten Material des „DU"-Typs (Eingetragenes Warenzeichen) der Fall ist, welches ein Kunststoffmaterial aus PTFE umfasst, das in das Bronzematerial einimprägniertes Blei enthält, von dem Partikel in der Lagerlauffläche vorkommen. Alternativ hierzu kann die Bindeschicht lediglich als Mittel zum Haften des Kunststoffmaterials auf der Stützschicht dienen, so dass die Schicht in diesem Fall keine Rolle bei den Eigenschaften der Lagerfläche an sich spielt.
Im Fall der oben genannten Türscharniere arbeiten die Lager ohne Spiel zwischen der Lagerbohrung und dem zugehörigen Scharnierbolzen, d. h. dass die Lagerfläche mit dem Material des Scharnierbolzens in kontinuierlichem Kontakt steht und so ein „spielfreies" Lagersystem bildet. Hierdurch wird ein Herunterhängen der Tür beim Öffnen verhindert.
Lager des beschriebenen Typs müssen in der Herstellung kostengünstig sein. Aus diesem Grund sind die maßlichen Toleranzen bei den von einem Lagerhersteller produzierten Buchsen tendenziell relativ groß, und auch die Toleranzen bei dem Buchsengehäuse und dem Scharnierbolzen, die im Allgemeinen entweder vom Kraftfahrzeughersteller oder von einem anderen Lieferanten produziert werden, sind tendenziell relativ groß und liegen bei einer Größenordnung von 60 bis 100 μm.
Um solch große Toleranzen in Übereinstimmung zu bringen, insbesondere dann, wenn einige Kombinationen der Toleranzen von Buchse, Gehäuse und Bolzen entweder zu einer übermäßig lockeren Passung oder zu einer übermäßig festen Passung führen, ist es üblich, dass ein Kalibrierwerkzeug durch die Buchse bei deren Einpassung in das Gehäuse geschoben wird, um einen akzeptableren, verringerten Toleranzbereich zu erhalten. Dieses Kalibrierverfahren ist in dem Fachgebiet allgemein als „Prägepolieren" bekannt. Beim Einpassen der Türe mit dem Scharnierbolzen in das Kraftfahrzeug muss das Spiel zwischen der Buchse und dem Bolzen weiterhin Null betragen, so dass in einigen Fällen eine Reihe von Bolzendurchmessern vorhanden sein muss, um einen Nullabstand zu gewährleisten. Der Poliervorgang verursacht ein plastisches Fließen in der Auskleidungs- und Bindeschicht und kann zu einem dauerhaften Schaden der Buchse und einer verkürzten Lebensdauer führen.
Erschwerend kommt hinzu, dass der Kraftfahrzeughersteller in der Regel einen Maximalwert für das Türscharnier-Öffnungsdrehmoment spezifiziert, unter dem das Scharnier funktionsfähig sein muss, weshalb extrem schwergängige Scharniere nicht zugelassen werden können.
Angesichts der oben genannten Schwierigkeiten wurde seitens der Hersteller nach Möglichkeiten gesucht, um die Lagerbuchsen mit einer gewissen Nachgiebigkeit oder Elastizität auszustatten, so dass große Fertigungstoleranzen in Übereinstimmung gebracht werden können und somit eine kostengünstige Fertigung aufrechterhalten werden kann.
In der US-A-5 609 421 wird die Buchse mit einer Nachgiebigkeit bzw. Elastizität ausgestattet, indem sie in axiale Richtung gesehen mit einem unrunden Querschnitt ausgebildet ist. Die beschriebene Buchse weist eine leichte Dreieckform auf, deren Seiten gebogen sind, so dass die Außenfläche der Buchsen-Stützschicht mit der runden Gehäusebohrung im Wesentlichen an drei Stellen in Kontakt ist. In gleicher Weise ist auch der Scharnierbolzen mit der Bohrung der eingesetzten Buchse nur an drei Stellen in Kontakt, die von den Kontaktstellen des Buchsen-Außendurchmessers und der Gehäusebohrung in einem Winkel drehbar versetzt angeordnet sind. Somit sind die gegenüber den Kontaktlinien mit dem Scharnierbolzen liegenden Lagerwandbereiche in der Lage, sich in Reaktion auf seitliche Belastungen elastisch zu verformen. Dennoch ist man der Auffassung, dass diese Konstruktion das Herunterhängen einer offenen Türe in zu großem Maße zulässt, wenngleich das Lager vom Sollmaß her als spielfreies Lager funktioniert. Ein weiterer Nachteil dieses Buchsentyps besteht darin, dass der Kontakt zwischen dem Scharnierbolzen und der Lagerfläche lediglich an drei Kontaktlinien besteht, wodurch ein Lagerverschleiß des Kunststoff-Auskleidungsmaterials schneller als erwünscht auftreten kann.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein spielfreies Lager ohne die Nachteile der Lager des Standes der Technik anzugeben.
Die US-A-5611628 offenbart ringförmige Lager, die offensichtlich aus einem einzigen elastischen Material ausgebildet sind. In einem Ausführungsbeispiel wird ein Radiallager beispielsweise für einen drehbaren Ventilschaft oder eine Ventilspindel angegeben. Das Lager weist radial verlaufende Spitzen und Täler auf und übt auf den Ventilschaft eine Federkraft aus, um diesen zu stabilisieren und ein Wackeln zu reduzieren.
Die DE-U-86 19 907.2 betrifft ein Drehgelenk für eine Lampe, das ein Radiallagerelement mit innen liegenden und außen liegenden parallel angeordneten Axialrillen umfasst. Das Lagerelement ist wiederum offensichtlich aus einem einzigen Material ausgebildet.
Die US-A-4795220 betrifft ein Drucklager, das durch Stanzen einer ringförmigen Metallplatte mit einer Lager-Legierungsschicht ausgebildet wird, um so eine Vielzahl von in axiale Richtung (Dicke) des Ringlagers verlaufende Vertiefungen und Erhebungen auszubilden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Lager angegeben, welches eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist und aus einem Material ausgebildet ist, das ein festes Stützmaterial mit einer darauf angeordneten Auskleidung eines Lagermaterials umfasst, wobei die Wanddicke darin vorgesehene Riffelungen aufweist und das Lagerauskleidungsmaterial ein Kunststoffmaterial umfasst.
Die Riffelungen können durch plastische Verformung eines Flachblechs oder -bands des Lager-Stützmaterials ausgebildet werden und durch die Wanddicke hindurch verlaufen. Die Gesamtdicke der Wand ist somit größer als die Dicke des Bands, aus dem das geriffelte Material ausgebildet ist.
Wie oben erwähnt, können die Riffelungen in dem Flachband, aus dem die Lagerrohlinge geschnitten werden, vor der Ausformung zu einem Lager ausgebildet werden. Alternativ dazu können die Riffelungen in dem Stahlstützmaterial während der Verarbeitung zu Lagern ausgebildet werden, d. h. die Riffelungen können während des Lagerbuchsen-Formvorgangs in einen Lagerrohling eingearbeitet werden.
Die Riffelungen, die als Nuten und Rippen auf beiden Außenflächen des Flachbandmaterials sichtbar sind, können in eine Richtung verlaufen, die im Wesentlichen parallel zur Lagerachse und/oder quer zu dieser und/oder schräg zu dieser liegt. Folglich kann ein Lager gemäß der vorliegenden Erfindung Riffelungen aufweisen, die in mehr als eine Richtung verlaufen.
Ein wesentlicher Vorteil des Lagers gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das herkömmliche Verfahren des Prägepolierens des Lagers weggelassen werden kann. Wie oben erläutert, ist das Prägepolieren ein Verfahren zum Erzeugen einer exakten Bohrungsgröße im Lager und wird durch Durchschieben eines Werkzeugs mit einem gerundeten Abschnitt durch die Lagerbohrung durchgeführt, wobei der gerundete Abschnitt des Werkzeugs einen größeren Durchmesser aufweist als der der Lagerbohrung im in das Gehäuse eingesetzten Zustand. Der Vorgang des Prägepolierens verursacht eine Verformung der Lagermaterialstruktur und kann in Extremfällen die Bindung zwischen der Lagerauskleidung und dem Stützmaterial schwächen. Das Prägepolieren ist ein kostenaufwändiger zusätzlicher Schritt in der Lagerherstellung, der mit Lagern gemäß der vorliegenden Erfindung vermieden werden kann.
Aufgrund der verbesserten Fähigkeit der Lagerwanddicke, ein höheres Maß an Verformung aufzunehmen, kann bei der vorliegenden Erfindung der Schritt des Prägepolierens weggelassen und die exakte spielfreie Passung einfach durch Einsetzen eines Scharnierbolzens der passenden Größe erzielt werden. Der Durchmesser des Scharnierbolzens wird so gewählt, dass durch diesen die notwendige Dimensionierung der Lagerbohrung erfolgt. Allerdings umfasst die richtige Größe des Scharnierbolzens einen relativ großen Toleranzbereich, in den der Durchmesser des Scharnierbolzens normalerweise aufgrund der herkömmlichen Herstellungsverfahren für Bolzen fällt. Die durch das Einsetzen des Scharnierbolzens erzielte plastische Verformung der Buchse kann bei einer Größenordnung von 20% liegen.
Zum umfassenderen Verständnis der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden lediglich der Erläuterung dienende Beispiele mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen:
1 eine perspektivische Seitenansicht eines Lagers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 einen schematischen Querschnitt durch eine Scharnieranordnung einer Kraftfahrzeugtür;
3 einen Querschnitt durch einen Teil eines Riffelbands vor der Lagerformung, in dem die charakteristischen Abmessungen für die strukturellen Eigenschaften des Lagers angegeben sind;
4 einen Querschnitt durch Werkzeuge zum Formen von Band vor der Formung von Lagern gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Perspektivansicht eines Flachblechs oder -bands, das mittels der Werkzeuge von 4 zu einem Riffelblech oder -band verformt wurde;
6 einen Querschnitt eines Teils von Gehäuse, Lager und Scharnierbolzen entlang der Linie 6-6 von 2; und
7 einen Querschnitt in axialer Richtung durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Lagers gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Riffelungen in Umfangsrichtung verlaufen.
Es wird nun Bezug auf die Zeichnungen genommen, in denen dieselben Merkmale mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Lagerbuchse 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Buchse besteht aus Flachbandmaterial (nicht abgebildet) mit einer Stahl-Stützschicht 12 und einem Kunststoff-Auskleidungsmaterial 14, das auf eine Seite der Stahl-Stützschicht gebunden ist. Das Flachbandmaterial wird durch Walzen 20, 22 hindurch geführt (siehe 4), um das geriffelte Material 40 auszuformen (siehe 5 und 6). Die Walzen 20, 22 rotieren jeweils um die Achsen 24, 26 und weisen zusammenwirkende Nuten 28, 30 und vorstehende Rippen 32, 34 auf, wobei die vorstehenden Rippen einer Walze in den Nuten der anderen Walze aufgenommen werden können. Werden die Walzen aufeinander zu bewegt, so wird das zugeführte Flachband verformt und erhält Riffelungen 36, die durch die Wanddicke des Flachbands hindurch verlaufen. Das Riffelband 40 umfasst somit erhöhte Rippen 42 mit der darauf angeordneten Auskleidung 14, wobei jede Rippe 42 von der nächsten durch Nuten 44 getrennt ist. Die Rückseite des geriffelten Materials 40 umfasst erhöhte Stahlrippen 46, wobei jede Rippe 46 von der nächsten durch eine Nut 48 getrennt ist. Folglich weist das aus dem Riffelband 40 gerollte Lager 10 ebenso zusammenwirkende erhöhte Rippen 42, 46 und Nuten 44, 48 auf.
Das in 1 gezeigte Lager 10 wurde aus einem Rohling geformt, der aus dem geriffelten Band 40 geschnitten wurde, dessen Riffelungen in eine Richtung verlaufen, die parallel zur Achse des aus dem Rohling zu formenden Lagers liegt. Der Rohling kann jedoch auch rechtwinklig geschnitten werden, so dass die Riffelungen in der gerollten Lagerbuchse in eine Richtung um den Umfang des Lagers 10 verlaufen, d. h. sie verlaufen in Umfangsrichtung in Bezug auf die Lagerachse, wie in 7 gezeigt, in der eine geflanschte Buchse gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, wobei jedoch der Flansch nur teilweise abgebildet ist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Rohling derart geschnitten sein, dass die Riffelungen schraubenförmig um die axiale Länge der gerollten Lagerbuchse verlaufen.
Die in 2 gezeigte Türscharnieranordnung umfasst einen an einer Kraftfahrzeugtüre (nicht abgebildet) befestigten Lagergehäuseabschnitt 50, wobei in dem Gehäuse ein Lager 10 aufgenommen und durch dieses gehalten wird, das in diesem Fall ursprünglich einen Flansch 52 an einem Ende und einen nach dem Einpassen in den Gehäuseabschnitt 50 gebildeten zweiten Flansch 54 aufweist. Für den Scharnierbolzen 56 ist ein Haltebereich 58 vorgesehen, der am Kraftfahrzeugkörper (nicht abgebildet) befestigt ist. Nach dem Einpassen des Lagers 10 in den Gehäuseabschnitt 50 wird der Scharnierbolzen 56 in die Bohrung des Lagers 10 eingeschoben, um eine einheitliche Bohrungsgröße bei allen in eine Vielzahl von Kraftfahrzeugtüren eingesetzten Lagern zu erzielen. Der Scharnierbolzen 56 weist einen ausreichenden Durchmesser auf, um eine plastische Verformung der Lagerbuchse 10 und einen Kontakt der auf der Lagerrückseite befindlichen Rippen 46 mit der Gehäusebohrung zu bewirken und zudem sicherzustellen, dass der Außendurchmesser des Scharnierbolzens 56 durch das Auskleidungsmaterial 14 auf den innen liegenden Rippen 42 gehalten wird.
Durch das Einschieben des Scharnierbolzens 56 in die Lagerbohrung 62 wird bewirkt, dass die Wand des Lagers verformt wird und die Außenflächen der Rippen 46 mit der Bohrung 70 des Gehäuseabschnitts 50 in Kontakt treten. Aufgrund der natürlichen Rückfederung des Lagermaterials wird somit ein spielfreies Lager gebildet. Durch die geriffelte Struktur der Wanddicke ist das Lager 10 in der Lage, den gesamten Toleranzbereich von Scharnierbolzen zum Bilden einer spielfreien Lageranordnung abzudecken, ohne dass weder eine übermäßige Verformung am einen Ende des Toleranzspektrums noch eine lockere Passung am anderen Ende des Toleranzspektrums verursacht wird. Die Nuten 44 und 48 spielen bei dem Vorsehen einer gewissen Elastizität eine wesentliche Rolle, da sie ein Biegen der Lagerrippen 42 zulassen, wenn der Scharnierbolzen 56 in die Bohrung 62 eingesetzt wird. Dadurch ermöglichen die zwischen den Nuten 48 und der Gehäusebohrung 70 ausgebildeten Hohlräume 80 eine gewisse Bewegung der Lagerfläche, ohne dass hierdurch das zum Öffnen eines Türscharniers erforderliche Drehmoment extrem hoch wird.
Es ist zu beachten, dass sowohl die Oberflächen der Rippen 46 auf der Rückseite des Lagers als auch die Oberflächen der Rippen 42 in der Lagerbohrung Kreisbögen beschreiben, mit der die Lauffläche des Scharnierbolzens 56 in Kontakt ist. Obwohl das Lager der vorliegenden Erfindung keinen Lagerreibungskontakt über 360° aufweist, hat es doch wesentlich mehr Lagerkontaktfläche als die Lager des Standes der Technik, so dass die Lagerverschleißrate bedeutend niedriger ist.
Der Abstand, die Tiefe und die Länge der Rippen 42, 46 und der Nuten 44, 48 kann verändert werden, indem entsprechend geformte Werkzeuge 20, 22 zum Formen von Riffelblech verwendet werden zwecks Herstellung von Lagern mit einem gewünschten Grad an Elastizität und Nachgiebigkeit oder auch an Verformung.
Mit Bezug auf 3, in der ein Schnitt durch das geriffelte Flachband 40 vor der Formung eines Lagers gezeigt ist, können die charakteristischen Abmessungen für ein Lager, wie mit Bezug auf 1 und 2 und 7 beschrieben, wie folgt sein:
Gesamtdicke A ca. 1 mm
Dicke des vorgeriffelten Flachbands B ca. 0,75 mm
Tiefe der Nuten C, D ca. 0,25 mm
Breite der Nuten E (44, 48) ca. zwischen 0,4 und 2 mm
Breite der Rippen F (42, 46) ca. zwischen 0,8 und 2,5 mm
Bei Untersuchungen zeigte sich eine geringfügige Abweichung des Drehmoments über einen breiten Toleranzbereich der Komponenten, und die Widerstandfähigkeit der Buchse, durch die das Herunterhängen einer Kraftfahrzeugtüre verhindert wird, erwies sich als akzeptabel.
Die Scharnieranordnung von 2 kann wahlweise zwei Lager 10 umfassen, von denen jedes geflanscht und von einander gegenüber liegenden Enden der Bohrung in das Scharnierelement 50 eingesetzt ist.
Wenngleich die vorliegende Erfindung mit Bezug auf Türscharnierlager für Kraftfahrzeuge beschreiben wurde, sind die Lager gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf solche Anwendungen beschränkt, sondern können bei vielen Anwendungen, bei denen spielfreie Lager benötigt werden, eingesetzt werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Nuten der Riffelungen in der Lagerbohrung Sammelbereiche bilden, die gegebenenfalls mit einem Gleitmittel, wie beispielsweise Schmierfett, gefüllt werden können, um so die Lebensdauer des Lagers weiter zu verlängern.

Claims

Lager (10), welches eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist und aus einem Material ausgebildet ist, das ein starkes Stützmaterial (12) mit einer darauf angeordneten Auskleidung (14) eines Lagermaterials umfasst, wobei die Wanddicke darin vorgesehene Riffelungen (36) aufweist und das Lagerauskleidungsmaterial ein Kunststoffmaterial umfasst.
Lager (10) nach Anspruch 1, wobei die Riffelungen (36) durch plastische Verformung eines Blechs oder Bands des Lagestützmaterials (12, 14) ausgebildet werden und durch die Wanddicke hindurch verlaufen.
Lager (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Riffelungen (36) in eine im Wesentlichen parallel zur Lagerachse liegende Richtung verlaufen.
Lager (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Riffelungen (36) quer zur Lagerachse verlaufen.
Lager (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Riffelungen (36) schräg zur Lagerachse verlaufen.
Lager (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Riffelungen (36) in mehr als eine Richtung verlaufen.
Lager (10) nach Anspruch 2, wobei das Ausgangsband ein Flachband ist und die Gesamtdicke (A) des geriffelten Materials (40) größer als die Dicke (B) des Flachbands ist, aus dem das geriffelte Material ausgebildet ist.
Lager (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Breite der durch die Riffelungen auf einem Außendurchmesser des Lagers gebildeten Nuten (44) und Rippen (42) ungleich ist.
Lager (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lagerauskleidungsmaterial (14) auf das Stützmaterial (12) durch eine poröse Schicht gebunden wird.
Lager (10) nach Anspruch 9, wobei die poröse Schicht ein gesintertes Bronzepulver ist.
Lager (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das starke Stützmaterial (12) Stahl ist.
Scharnieranordnung, welche ein Lager (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 enthält.
Scharnieranordnung nach Anspruch 12, wobei das Lager (10) geflanscht ist.
Scharnieranordnung nach Anspruch 12 oder 13, wobei in dieser zwei Lager (10) enthalten sind.