DE102005051914B4

DE102005051914B4 - Cage for a rolling bearing

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.Cage for a rolling bearing, which consists of a plastic base material and having a number of receiving pockets for rolling elements, characterized in that the plastic base material hard substance particles are mixed, which have a particle size between 1 nm and 5 nm, wherein the hard material particles of silicon dioxide (SiO ₂ ), the proportion of which is between 0.5% by volume and 3% by volume, and wherein the plastic base material is polyamide (PA).

Description

Die Erfindung betrifft einen Käfig für ein Wälzlager, der aus einem Kunststoff-Basismaterial besteht und eine Anzahl Aufnahmetaschen für Wälzkörper aufweist.The The invention relates to a cage for a rolling bearing, which consists of a plastic base material and a number of receiving pockets for rolling elements.

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.When Material for Rolling cages are various plastics used. Examples are polyethersulfone (PES), polyetherimide (PEI), polyamide (PA) polyetheretherketone (PEEK) and polyoxymethylene (POM). With the mentioned materials can be a relatively high temperature resistance of the cage material at operating temperatures of over 150 ° C reached become.

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.A rolling bearing cage of the type mentioned is from the US 5,590,225 A known. There, polyarylene sulfide in the form of polyphenylene sulfide (PPS) is used as a plastic material in order to make the bearing or cage fit for high temperatures and harsh environmental conditions. The aim is also that the toughness of the material is as high as possible. In order to achieve this goal, linear-chain polyphenylene sulfide is used, to which glass fibers are added in an amount of up to 45% by weight (wt.%).

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.From the JP 2000-283168 A a generic rolling bearing cage is known, which consists of plastic, wherein in the plastic material, an inorganic filler is introduced in the form of a metal oxide. The particle size of the input metal oxide is between 5 and 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.References to the type of plastic material that can be used for a roller bearing cage, can be found for example in the DE 694 24 352 T2 , of the US 2002/0061151 A1 and the DE 43 11 194 C2 , From these documents it is also noted that reinforcing fibers can be embedded in the plastic material to increase the strength of the cage.

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.The DE 102 39 326 A1 discloses - but without specific reference to the storage technology - molding compositions based on thermoplastic polymers. There it is described that nanoscale fillers can be introduced into the polymer in order to provide highly viscous molding compositions based on thermoplastic polymers which are easy to prepare and are particularly suitable for the extrusion blow molding process.

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.Although with the previously known plastics or plastic compositions already cages for rolling bearings can be produced, the high demands on insensitivity to temperatures and meet aggressive environmental conditions, there is a desire for further increase the resilience against harsh environmental conditions, the functionality of the cage in particular in terms of hardness and wear resistance to be optimized.

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.Of the Invention is therefore based on the object, a cage for a rolling bearing of the aforementioned type so that it is a further improved Behavior in terms of wear resistance and thermal stability so that the life and performance of the cage continues elevated can be. Furthermore, a possible economic Production of the cage be achieved.

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.The solution of this problem by the invention is characterized in that the plastic base material which forms the cage, hard particles are admixed, which have a particle size between 1 nm and 5 nm, wherein the hard material particles of silicon dioxide (SiO ₂ ) consist, the proportion between 0.5 vol.% (volume percent) and 3 vol.%, the plastic base material being polyamide (PA). The particle size should be understood as the mean particle diameter.

Das Siliziumdioxid (SiO₂) wird bevorzugt in neutraler Form mit einem pH-Wert von ca. 7,4 verwendet.The silica (SiO ₂ ) is preferably used in neutral form with a pH of about 7.4.

Als Kunststoff-Basismaterial ist Polyamid (PA), insbesondere Polyamid mit 8 Vol.-% Polyethylen (PA 66 PE) vorgesehen.When Plastic base material is polyamide (PA), especially polyamide provided with 8 vol .-% polyethylene (PA 66 PE).

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.The Strength of the cage can be further improved by continuing to use reinforcing fibers having. Therefor come - like known in itself - in particular Carbon fibers or glass fibers in question.

Der Käfig wird bevorzugt bei Kugellagern oder bei Kegelrollen-, Zylinderrollen-, Pendelrollen- oder Toroidallagern eingesetzt, wobei er aber auch für alle anderen Lagertypen verwendbar ist.Of the Cage is preferred for ball bearings or tapered roller, cylindrical roller, Spherical roller or Toroidallagern used, but he also for all others Storage types is usable.

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.It It should be noted that in the present invention the Quantities of the substances to be added based on volume percent are; it has been found that the volume fraction of the added Fabric with a view to the wear and the hardness of the cage material is more relevant than the reference known in the art on weight percent.

Der Einsatz von Nanopartikeln als solche sind im Stand der Technik bekannt, was auch für die entsprechende Verarbeitung bzw. Herstellung der Materialien gilt.Of the Use of nanoparticles as such are known in the art, which also for the corresponding processing or production of the materials applies.

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.From the DE 102 47 359 A1 is a use of surface-modified nanoparticles and their dispersion in solvents for the preparation of coating materials, adhesives, sealants, compounds based on engineering plastics and curable compositions, the production of coatings, coatings, seals, moldings and rigid foams known. In particular, silicon and its oxides are used as the nanoparticles to be modified. The nanoparticles to be modified have a particle size between 10 and 30 nm.

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.From the DE 102 39 326 A1 are molding compositions based on thermoplastic polymers, including nanoscale fillers known, from which, for example, hollow body with applications in the automotive industry, such as fuel tanks, spoilers, air ducts, intake pipes or parts of intake pipes or suction modules, liquid containers and panels can be produced. The nanoscale fillers are added in an amount of 0.5 to 15 wt .-% and consist for example of silica. The molding compositions include, for example, polyamide. The moldings can be produced in one or more stages by injection molding, co-extrusion, extrusion blow molding, pressing or coating processes.

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.The DE 199 33 819 A1 discloses compact and / or cellular polyurethane elastomers containing from 0.01% to 20% by weight of nanoscale silica. The polyurethane elastomers are used for the production of moldings, preferably for mechanical engineering and the transport sector. The cellular polyurethane elastomers are particularly suitable for the production of damping and spring elements, preferably for motor vehicles, buffers and cover layers. The compact polyurethane elastomers are suitable, for example, for use in tires, rollers and rollers, as roller coatings or for the production of belts.

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.Finally, from the DE 198 56 484 A1 thermoplastic molding compositions are known which comprise a thermoplastic polycarbonate and 0.01 to 30 wt .-% silicon compounds having an average particle diameter of 3 nm to 50 nm. From the mass moldings can be produced by injection molding.

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.On the aforementioned prior publications will with regard to the production and processing of materials with Nanoparticles and with regard to the type of nanoparticles hereby expressly Referenced.

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.With the above explained inventive design a life and performance increase in plastic rolling bearing cages is achieved. Furthermore, can the production costs are not reduced significantly. By the addition of hard particles in nanopowder form to the plastic base material is achieved that part of the cage material through the nano-hard particles which can provide cost benefits especially if the plastic base material is relatively expensive, such as for example PEEK is the case.

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.Regarding the Production of the cage It should be noted that a preferred procedure is that hard material particles in the form of a powder with said middle Particle diameter, preferably between 10 nm and 30 nm, the im liquid Condition (as pasty Mass) present plastic base material is mixed until a homogeneous mixture is present. This takes place in known plastic processing plants, d. H. in particular in an extrusion device. For the introduction The nanoparticles in the plastic compound are dosing screw conveyors suitable, the uniform particle distribution favor and impede agglomerations. Subsequently, a (re-) granulation the plastic material in preparation of the thermoplastic molding, z. By injection molding, what happens in usual Way can take place. It can be applied to existing facilities for Plastic processing can be used easily; possibly required Additional units (eg additional Dosing and Zumischeinrichtungen) can easily on existing Attachments are added.

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.By the introduced nanoparticles from the said hard material is the hardness of the cage increases and also the wear resistance of the cage improved. Furthermore, the temperature resistance is increased. Good results, d. H. An improvement in the mechanical properties of the cage, can already with volume fractions between 1 vol .-% and 5 vol .-% hard material particles be achieved.

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.in the Traps of relatively expensive plastics, however, also have higher contents proven to nanoparticles up to about 20 vol .-%. The cage base material can handle it be stretched, so that the material costs lower overall fail.

Es sei angemerkt, dass der vorgeschlagene Wälzlagerkäfig freilich sowohl in den bevorzugten, genannten Lagertypen als auch bei Linearlagern eingesetzt werden kann.It It should be noted that the proposed rolling bearing cage admittedly in both the preferred, mentioned bearing types used as well as linear bearings can be.

Claims

Cage for a rolling bearing, which consists of a plastic base material and a number Aufnah Has metaschen for rolling elements, characterized in that the plastic base material hard particles are admixed, which have a particle size between 1 nm and 5 nm, wherein the hard material particles of silicon dioxide (SiO ₂ ) consist, the proportion between 0.5 vol .-% and 3 vol.%, And wherein the plastic base material is polyamide (PA).

Cage according to claim 1, characterized in that the polyamide 8 vol .-% Polyethylene has (PA 66 PE).

Cage according to one of the claims 1 or 2, characterized in that it further comprises reinforcing fibers having.

Cage according to claim 3, characterized in that the reinforcing fibers Carbon fibers are.

Cage according to claim 3, characterized in that the reinforcing fibers Are glass fibers.

Cage according to one of the claims 1 to 5, characterized in that it is part of a ball bearing is.

Cage according to one of the claims 1 to 5, characterized in that it is part of a tapered roller, Cylindrical roller, spherical roller or toroidal bearing is.

Cage according to one of the claims 1 to 5, characterized in that it is part of a linear bearing is.