DE102023109988A1

DE102023109988A1 - Lagerkörper für ein Gleitlager und Verfahren zur Herstellung eines Lagerkörpers

Info

Publication number: DE102023109988A1
Application number: DE102023109988.4A
Authority: DE
Inventors: Joachim Rampp; Carsten Merklein; Thomas Kraemer; Christoph Hentschke; Wolfgang Braun
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2023-04-20
Filing date: 2023-04-20
Publication date: 2024-10-24
Anticipated expiration: 2043-04-21
Also published as: DE102023109988B4

Abstract

Zur Herstellung eines Lagerkörpers (1) für ein Gleitlager werden zunächst durch Bearbeitung zur Verankerung eines Gleitbelags geeignete Formschlusskonturen in der Oberfläche (3) erzeugt und zwar in der Form, dass die Formschlusskonturen als senkrechte Bohrungen (11) in den Grundkörper (2) eingebracht werden, in die von der Oberfläche (3) beabstandete kugelförmige Auskesselungen (8) eingebracht werden, die sich unterhalb der Oberfläche (3) überlappen und dadurch unterhalb der Oberfläche (3) einen Durchbruch (9) realisieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gestaltetes Verfahren zur Herstellung eines Lagerkörpers für ein Gleitlager. Ferner betrifft die Erfindung einen für die Verwendung in einem Gleitlager vorgesehenen metallischen Lagerkörper und eine Windkraftanlage mit einem Gleitlager mit einem metallischen Lagerkörper.
Mikrostrukturierte Oberflächen bei mechanischen Lagern werden beispielsweise in US 6 280 090 B1 beschrieben. Die dort angeführten Mikrostrukturen können unter anderem quaderförmig ausgeprägt sein. Sie nehmen einen vorgegebenen Anteil der Gesamtoberfläche ein und befinden sich innerhalb festgelegter Abmessungsbereiche. Ziel der Strukturierung ist hierbei insbesondere eine Beeinflussung der Wärmeleitung und der Schmiereigenschaften der Lager.
JP 2015-16596 A umfasst eine Verbundstruktur aus Kunststoff und Metall sowie deren Herstellung. Zur Erhöhung der Anbindung beider Komponenten sowie zur Unterbindung von Anisotropie in der Haftfestigkeit werden Aussparungen in den metallischen Verbundpartner eingebracht. Diese unterliegen definierten Vorgaben hinsichtlich beispielsweise ihres Eintrittswinkels zur Oberfläche, ihrer Abmessung und ihres Gesamtvolumenanteils im Verhältnis zur Verbundoberfläche.
In DE 133 883 A werden Lagerschalen, bzw. Platten dargestellt, die zur Erhöhung ihrer Widerstandsfähigkeit ein Gerippe aus härteren Stoffen wie Stahl oder Eisen aufweisen und mit einem Weichmetall in fester Verbindung stehen. Dabei kann das Gerippe nach außen an den Stützflächen hervortreten und durch Abschmelzen des Weichmetalls wiederverwendet werden.
Ein gattungsgemäßes 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 µm bis 100 µm 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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mechanisch beanspruchte Verbindung zwischen einem metallischen Lagerkörper und einem Gleitbelag eines Gleitlagers gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei ein günstiges Verhältnis zwischen langfristig möglichst auch unter wechselnden Belastungen gleichbleibenden Produkteigenschaften und Herstellungsaufwand angestrebt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerkörpers gemäß Anspruch 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch einen für die Verwendung in einem Gleitlager vorgesehenen metallischen Lagerkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie einer Windkraftanlage mit einem Gleitlager mit einem zuvor beschriebenen Lagerkörper. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Lagerkörper erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Herstellungsverfahren und umgekehrt.
Das Verfahren zur Herstellung eines Lagerkörpers für ein Gleitlager geht in an sich bekannter Grundkonzeption von der Bereitstellung eines metallischen Grundkörpers aus, wobei dieser so bearbeitet wird, dass zur Verankerung eines Gleitbelags geeignete Formschlusskonturen in der Oberfläche, beziehungsweise von der Oberfläche ausgehend, erzeugt werden. Die Formschlusskonturen werden erfindungsgemäß als senkrechte Öffnungen oder Bohrungen in den Grundkörper eingebracht werden, wobei unter Bohrungen im Rahmen der Erfindung längliche Vertiefungen verstanden werden, wobei diese nicht zwangsläufig mittels bekannten mechanischen Bohrens hergestellt werden müssen. Es ist denkbar, die Bohrungen insbesondere mittels Laserbohren, Fräsen, Drehen oder Bohrerodieren zu erzeugen. Aber auch andere Verfahren zur Ausbildung einer Öffnung wie beispielsweise ein Ätzen ist denkbar. In die Bohrungen werden von der Oberfläche beabstandete kugelförmige Auskesselungen, also Hohlräume mit einer größeren Ausdehnung als der Bohrungsdurchmesser, eingebracht, die sich unterhalb der Oberfläche überlappen und dadurch unterhalb der Oberfläche einen Durchbruch realisieren.
Somit werden im Grundkörper in jedem Fall Formschlusskonturen einer jeden Bohrung erzeugt, welche zur formschlüssigen Halterung eines nichtmetallischen Gleitbelags geeignet sind. Bei den Formschlusskonturen handelt es sich zumindest teilweise um Öffnungen oder Bohrungen, welche in Querrichtung einen Hinterschnitt bilden.
Mit den so erzeugten Hinterschnitten in den Bohrungen ist der Effekt eines auf der Oberfläche fest verankerten Gleitbelags erzielbar, ohne dass dieser tatsächlich aus einzelnen Elementen besteht, jedoch diesen Effekt zur Haftung nutzt.
Was die Herstellung der vorgenannten Bohrungen betrifft, sind wie bereits genannt, verschiedene an sich bekannte Fertigungsverfahren einsetzbar.
Für die Auskesselungen können insbesondere elektrochemische Verfahren zum Einsatz kommen, wobei auf diese Art und Weise besonders genau derartige Hohlräume in einer Bohrung hergestellt werden können. Dabei werden die Auskesselungen mit einer Kathode im Werkstück, beispielsweise in einem elektrochemischen Bearbeitungsverfahren wie ECM-, insbesondere dem PECM-Verfahren, erzeugt. Dabei steht ECM für Electro Chemical Machining und PECM für Pulsed Electrochemical Machining. Um einen gleichmäßigen Halt der Gleitbeschichtung zu erzielen, sind in die Bohrungen in geometrisch definierter Weise auf der Oberfläche des Grundkörpers angeordnet. Insbesondere können die Bohrungen ein gleichmäßiges geometrisches Muster auf der Oberfläche des Grundkörpers ausbilden. Es können aber alternativ, beispielsweise an mechanisch stärker beanspruchen Stellen des Lagerkörpers, auch lokal eine größere Anzahl an Bohrungen vorgesehen sein, um die Verankerung des Gleitbelags am Grundkörper in diesem Bereich noch zu verbessern.
Um einen nicht gewünschten Abtrag in den oberflächennahen Bohrungsbereichen des Bauteils zu erhalten, kann die Kathode zum Werkzeughalter hin bevorzugt mit einem Isolator versehen werden. Denkbar ist, diesen beispielsweise aus Keramik auszuführen.
Ferner kann die Kathode in einer bevorzugten Ausgestaltung eine innere Elektrolytspülung haben. Der Elektrolytfluss und die Prozessparameter können dabei so angepasst werden, dass dadurch der Durchbruch, sprich die Öffnung in Querrichtung zu einer benachbarten Auskesselung erfolgt.
Um das Verfahren besonders effizient umzusetzen, ist denkbar, mehrere Kathoden in einem Werkzeughalter einzuspannen, um mehrere kugelförmigen Auskesselungen simultan herzustellen. Ein weiterer Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass die Kathoden besonders positionsgenau zueinander in das Werkstück eingeführt werden können.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens, werden die Bohrungen mittels eines elektrochemischen Verfahrens mit einer Kathode, sowie die Auskesselungen in einem Verfahrensschritt erzeugt. Dabei löst die Kathode das Material anodisch auf bis zu einer bestimmten Tiefe. Dabei können die Auskesselungen verfahrensbedingt leicht von einer exakt kugelförmigen Kontur abweichen.
Unabhängig von der genauen Geometrie der Bohrung sowie der Auskesselung, wird so ein Hinterschnitt bereitgestellt, welcher einen in einem späteren Verfahrensstadium aufzubringenden Gleitbelag formschlüssig verankern.
Der Gleitbelag ist ein nichtmetallischer Gleitbelag und insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff oder einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff gebildet. Dabei wird als thermoplastischer Kunststoff insbesondere PTFE oder PEEK eingesetzt. Zur Faserverstärkung des Kunststoffs werden insbesondere Fasern mit einer Faserlänge im Bereich von 50 - 100 µm eingesetzt, vorzugsweise Kohlenstofffasern. Der thermoplastische Kunststoff kann in prinzipiell bekannter Weise auf den Lagerkörper aufgeschmolzen werden.
Ein den Lagerkörper sowie den hierauf befindlichen Gleitbelag umfassendes Gleitlager kann beispielsweise bevorzugt als Großlager für Windkraftanlagen ausgebildet sein. Je nach Geometrie des Lagerkörpers ist dieser beispielsweise zur Aufnahme radialer Lasten oder - insbesondere im Fall eines Schräggleitlagers - zur Aufnahme kombinierter radialer und axialer Lasten vorgesehen. Hierbei ist denkbar, einen derartigen Lagerkörper für Hauptlagerungen der Windkraftanlage, als auch für deren Getriebe einzusetzen. Auch die Gestaltung des Lagerkörpers als Komponente eines Gelenklagers ist prinzipiell möglich.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass auf zuverlässig reproduzierbare Art, ohne Zwischenschicht, eine auch schwankenden Belastungen standhaltende, Verbindung zwischen einem metallischen Grundkörper eines Gleitlagerbauteils und einem nichtmetallischen Gleitbelag herstellbar ist.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise vereinfacht:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines Lagerkörpers für ein Gleitlager in perspektivischer Ansicht zu verschiedenen Stadien der Fertigung,
2 eine weitere Gestaltungsmöglichkeit eines Lagerkörpers für ein Gleitlager in verschiedenen Verfahrensstadien,
3 eine schematische Schnittdarstellung des Lagerkörpers nach 1 in verschiedenen Verfahrensstadien

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.
In den 1 bis 3 ist jeweils ein metallischer Lagerkörper zu verschiedenen Stadien der Fertigung im Querschnitt der Seitenansicht dargestellt. 1 und 2 beginnen jeweils mit der Herstellung der Bohrung, bzw. der Öffnung und enden mit dem fertigen metallischen Grundkörper (von links nach rechts). 3 beginnt mit dem unbearbeiteten Grundkörper und endet mit dem Aufbringen der Gleitbeschichtung (von links nach rechts).
Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter metallischer Lagerkörper ist für die Verwendung in einem nicht weiter dargestellten Gleitlager vorgesehen. Der Lagerkörper 1 ist aus einem Grundkörper 2 aus Stahl hergestellt, in den zahlreiche, in einem regelmäßigen Muster angeordnete Bohrungen 11, sprich Öffnungen, eingebracht werden. Der Grundkörper weist dabei eine Oberfläche 3 auf, von der beginnend senkrechte Bohrungen 11 in den Grundkörper 2 eingebracht werden. In die Bohrungen 11 werden, von der Oberfläche beabstandet, kugelförmige Auskesselungen 8 eingebracht, die sich unterhalb der Oberfläche 3 derart überlappen, dass unterhalb der Oberfläche ein Durchbruch 9 realisiert wird. Die kugelförmige Auskesselungen 8 werden bevorzugt mittels eines elektrochemischen Verfahrens mit einer Kathode 7, in den senkrechten Bohrungen hergestellt. Wie aus 1 hervorgeht, kann die Kathode 7 zum, beziehungsweise in Richtung y zum Werkzeughalter 10 mit einem Isolator 4 versehen sein. Auch ist in 1 die Kathode 7 mit einer inneren Elektrolytspülung versehen, wobei dabei der Elektrolyfluss 5 verdeutlicht ist. Der Elektrolytfluss 5 und die Prozessparameter können dabei so angepasst werden, dass dadurch ein Durchbruch 9, sprich eine Öffnung, in Querrichtung zu einer benachbarten Auskesselung erfolgt.
2 stellt eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens dar, bei welcher die Bohrungen 11, als auch die Auskesselungen 8 in einem Arbeitsgang durch ein elektrochemisches Verfahren mit einer Kathode 7 erzeugt werden.
3 stellt den Verfahrensablauf dar, wobei die Darstellungen a) bis d) das Werkstück im Schnitt in der Seitenansicht zeigen. In einem ersten Schritt a) wird ein metallischer Grundkörper 2 bereitgestellt, in einem zweiten Schritt werden Bohrungen 11 in den Grundkörper 2 eingebracht, von der Oberfläche 3 beginnend, in einem dritten Schritt, oder je nach Ausgestaltung im gleichen Verfahrensschritt, werden die Auskesselungen 8 hergestellt und in einem vierten Schritt wird die gleitfähige Schicht 6, die auch als Belagmaterial bezeichnet werden kann auf-, bzw. eingebracht.
Bezugszeichenliste

1: Lagerkörper
2: Grundkörper
3: Oberfläche
4: Isolator
5: Elektrolytfluss
6: Gleitfähige Schicht/Belagmaterial
7: Kathode
8: Auskesselungen
9: Durchbruch
10: Werkzeughalter
11: Bohrungen/Öffnungen
y: Richtung zu Werkzeughalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6280090 B1 [0002]
JP 2015016596 A [0003]
DE 133883 A [0004]
DE 102019101969 A1 [0005]
DE 102012014114 A1 [0006]
DE 102009002529 A1 [0007]
DE 102017119728 A1 [0008]
DE 102016110858 A1 [0009]
US 6498127 B1 [0010]
RU 112303 U1 [0011]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Lagerkörpers (1), wobei durch Bearbeitung zur Verankerung eines Gleitbelags geeignete Formschlusskonturen in der Oberfläche (3) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlusskonturen als senkrechte Bohrungen (11) in den Grundkörper (2) eingebracht werden, in die von der Oberfläche (3) beabstandete kugelförmige Auskesselungen (8) eingebracht werden, die sich unterhalb der Oberfläche (3) überlappen und dadurch unterhalb der Oberfläche (3) einen Durchbruch (9) realisieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kugelförmigen Auskesselungen (8) mittels eines elektrochemischen Verfahrens mit einer Kathode (7) in den senkrechten Bohrungen (11) hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (7) zum Werkzeughalter (3) mit einem Isolator (4) versehen ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (7) eine innere Elektrolytspülung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kathoden (7) in einem Werkzeughalter (10) eingespannt werden, um mehrere kugelförmigen Auskesselungen (8) simultan herzustellen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Bohrungen (11), als auch die Auskesselungen (8) in einem Arbeitsgang durch ein elektrochemisches Verfahren mit einer Kathode (7) erzeugt werden.
Metallischer Lagerkörper (1) für ein Gleitlager, welches einen auf der Oberfläche (3) eines Grundkörpers (3) angebundenen Gleitbelag aus einem Belagmaterial (6) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass im Grundkörper (2) Bohrungen (11) eingebracht sind, welche sich zur Oberfläche (3) öffnen und welche von der Oberfläche (3) beabstandete kugelförmige Auskesselungen (8) aufweisen, die sich unterhalb der Oberfläche (3) überlappen und dadurch Durchbrüche (9) realisieren, wobei das Belagmaterial (6) zumindest einen Teil der Bohrungen (11) bis zu den Durchbrüchen (9) füllt.
Windkraftanlage mit einem Gleitlager, welches einen metallischen Lagerkörper nach Anspruch 7 aufweist.