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Dokumentenidentifikation DE69108909T3 14.12.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0531469
Titel POLYMER-LAGERGEHÄUSE MIT AMORPHER UMMANTELUNG.
Anmelder The Torrington Co., Torrington, Conn., US
Erfinder SEIFERT, Keith, L., Torrington, CT 06790, US;
FURST, Robert, E., Griswold, CT 06351, US
Vertreter Schroeter Fleuchaus Lehmann & Gallo, 81479 München
DE-Aktenzeichen 69108909
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 25.11.1991
EP-Aktenzeichen 929049088
WO-Anmeldetag 25.11.1991
PCT-Aktenzeichen US9108826
WO-Veröffentlichungsnummer 9217709
WO-Veröffentlichungsdatum 15.10.1992
EP-Offenlegungsdatum 17.03.1993
EP date of grant 12.04.1995
EPO date of publication of amended patent 02.08.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.12.2000
IPC-Hauptklasse F16C 33/56
IPC-Nebenklasse F16C 9/04   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung bezieht sich auf Kunststoffteile und auf ein Verfahren zum Herstellen derselben, insbesondere als Lagerkäfig, Axiallaufscheibe und/oder als ringförmige Wellendichtung.

Lagerkäfige werden herkömmlicherweise ind Kugel- und Rollenlagern verwendet, um die Wälzkörper (Rollen, Nadeln oder Kugeln) in vorbestimmten relativen Stellungen voneinander zu trennen und zu halten. Die Lagerkäfige liegen zwischen inneren und äußeren Lagerlaufbahnen.

Bei gewissen Anwendungen sind Lagerkäfige relativ schwierigen Bedingungen ausgesetzt, die die nutzbare Lebensdauer der Lagerkäfige begrenzen oder die Verwendung von komplexen und teueren Konstruktionen erfordern. Ein solcher Anwendungsfall liegt in der Anordnung eines Nadellagers für eine Kurbel eines Zweitaktmotors vor, beispielsweise für einen Außenbordmotor.

Bei einer solchen Anwendung ist die Nadellageranordnung hohen Belastungen ausgesetzt, die durch den Verbrennungsdruck, die Trägheit der Teile und durch Zentrifugalkraft erzeugt werden. Diese Anwendung ist so kritisch, daß ein spezieller Lagerkäfig mit hoher Präzision, der aus einem silberbeschichteten Stahlt hergestellt ist, im allgemeinen verwendet wird. Man nimmt an, daß das Silber als ein Schmiermittel wirkt, wenigstens während der Zeitdauer des Einlaufens oder einer Betriebsunterbrechung des Lagers.

Der oben beschriebene Lagerkäfig hat zahlreiche Nachteile. Die hohe Präzision erfordert zahlreiche Schritte für die Herstellung, wie beispielsweise ein Abstechen, Ziehen oder Stanzen, eine Hitzebehandlung, ein Schleifen und eine chemische Fertigbehandlung. Die Anfangskosten für Werkzeuge sind sehr hoch, und die während der Herstellung erzeugten chemischen Nebenprodukte haben Umweltprobleme der Entsorgung zur Folge. Wegen der vielen Arbeitsvorgänge, die durchgeführt werden müssen, ist zusätzlich die Zeit für die Herstellung solcher Lagerkäfige lang. Somit muß ein Vorrat von Werkstücken in Bearbeitung aufrechterhalten werden, der größer ist als erwünscht. Die größere Anzahl von Arbeitsvorgängen, kombiniert mit der erforderlichen Präzision, kann hohe Arbeitskosten oder eine relativ hohe Ausschußrate zur Folge haben. Und das erforderliche Silber erhöht beträchtlich die Kosten.

In H. Saechtling, "Kunststoff Taschenbuch", 24. Auflage von 1989, veröffentlicht von Carl Hanser Verlag, München, Wien, finden sich Offenbarungen zum Beispiel auf den Seiten 117 bis 134 einer Figur (3.43), die Bearbeitungstemperaturbereiche für unterschiedliche Kunststoffe, einschließlich PEEK, angibt, mit einem ähnlichen Bereich der Einspritztemperaturen wie diejenigen, die in Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung spezifiziert sind, während eine Tabelle 3.8 Leitwerte für das Spritzformen von Kunststoffen gibt. Seite 317 dieses Dokuments schlägt auch vor, daß eine hohe Kristallinität die Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß verbessert.

Es wird auch Bezug genommen auf A. Olschewski, "Hochtemperaturkunststoffe für Wälzlagerkäfige", Kugellager-Zeitschrift 228, Band 61(1987), Seiten 13 bis 16, wo Eigenschaften und die Verwendung von PEEK als Hochtemperaturkunststoff für einen Lagerkäfig diskutiert sind.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines aus Kunststoff bestehenden Teils geschaffen, wobei das Verfahren ein Erhitzen einer Form auf eine Formtemperatur, ein Erhitzen des Kunstharzes auf eine Einspritztemperatur und ein Einspritzen des Kunstharzes in die Form aufweist, wobei das Kunstharz ein Polyätherätherketon ist, wobei die Formtemperatur von etwa 121 bis 132ºC (250 bis 270ºF) ist und die Einspritztemperatur von etwa 371 bis etwa 427ºC (etwa 700 bis etwa 800ºF) ist, so daß eine amorphe Oberflächenschicht erzeugt wird, die einen kristallinen inneren Körper eines wesentlichen Abschnitts des Teils abdeckt, wobei die amorphe Schicht so angeordnet ist, daß sie eine Verschleißoberfläche zum Verbessern der Fähigkeit des Teils bietet, Reibung zu widerstehen.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines fertigen Teils bestehend aus einem Kunstharz geschaffen, wobei das Verfahren aufweist: Formen eines Zwischenteils, das eine kristalline Struktur hat; Erhitzen wenigstens eines Abschnitts einer Oberfläche des kristallinen Zwischenteils; und Abschrecken des wenigstens einen Abschnitts einer Oberfläche des kristallinen Zwischenteils, um eine amorphe Oberflächenschicht auf einem kristallinen inneren Körper zu bilden, wobei die amorphe äußere Schicht derart ist, daß sie eine Verschleißoberfläche zum Verbessern der Fähigkeit des Kunststoffteils bietet, Reibung zu widerstehen.

Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie dieselbe durchgeführt werden kann, wird nun anhand von Beispielen auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Teils eines Zweitaktmotors und zeigt die Anordnung eines Kurbelzapfens, auf dem ein Lagerkäfig nach der vorliegenden Erfindung installiert werden kann;

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Hälfte eines Lagerkäfigs; und

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht eines Randes des Lagerkäfigs von Fig. 2, wie durch die Linie 3-3 angedeutet.

Unter Bezugnahme zunächst auf Fig. 1 weist der dargestellte Teil eines Zweitaktmotors 10 einen Zylinder 12 auf, in dem ein Kolben 14 hin und her läuft. Eine Verbindungsstange 16 überträgt die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens 14 auf einen Kurbelzapfen 18, der exzentrisch an einer Kubel 20 angeordnet ist. Eine nicht gezeigte Antriebswelle ist starr mit der Kurbel 20 verbunden. Die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens 14 wird somit in die gewünschte Drehbewegung der Antriebswelle durch die Wirkung der Verbindungsstange 16 und der Kurbel 20 umgewandelt.

Eine Nadellageranordnung 24 (in Fig. 1 nicht im einzelnen gezeigt) schafft einen Wälzkontakt zwischen dem Kurbelzapfen 18 und der Verbindungsstange 16. Wie in der vorstehenden Beschreibung des Standes der Technik festgestellt wurde, unterliegt die Nadellageranordnung 24 an dieser Stelle hohen Kräften. Wie zuvor festgestellt wurde, werden Lagerkäfige in solchen Anwendungsfällen herkömmlicherweise aus silberbeschichtetem Stahl hergestellt.

Ein Lagerkäfig der Nadellageranordnung 24 weist ein passendes Teil auf, das selbst an seiner äußeren Oberfläche kristallin ist.

Die Anmelderin hat gefunden, daß Verschleiß am ehesten an den Oberflächen der Ränder 30 und 32 auftritt. Ein geringes Verschleißproblem, wenn überhaupt, tritt in den Stegen 34 auf, da diese nur die sehr glatten Oberflächen der Lagernadeln (nicht gezeigt) berühren. Aus diesem Grund ist es vorzuziehen, einen einzigen Einlaß in die Mitte eines der Stege 34 zu verwenden. Die Oberfläche dieses Steges 34 in der Nachbarschaft des Einlasses wird kristallin. Jedoch sind die Ränder 30 und 32 ausreichend von dem Einlaß in diesem Steg 34 beabstandet, um mit einer äußeren Schicht 46 aus amorphem Kunststoff ausgebildet zu werden.

Die genaue Dicke der äußeren Schicht 46 für die beste Wirkung wurde noch nicht bestimmt. Es wird angenommen, daß eine Dicke von wenigen Tausendsteln eines Zolls (1/1000 Zoll = 25,40 um) zufriedenstellend ist. Die Dicke der äußeren Schicht 46 kann beliebig verändert werden, indem die Formgebungsparameter verändert werden. Z. B. erhöhen eine oder mehrere der folgenden Änderungen der Parameter die Dicke der amorphen Schicht: Verminderung der Temperatur der Form, Verminderung der Spritzgeschwindigkeit und Verminderung des Einspritzdrucks unmittelbar vor dem Abschließen des Einlasses. Eine Veränderung eines oder mehrerer Parameter in der entgegengesetzten Richtung vermindert die Dicke der amorphen Schicht.

Wartungstests bei einem Zweizylindermotor scheinen anzuzeigen, daß die Verwendung des vorliegenden Lagerkäfigs auch die Lebensdauer des gesamten Zweitaktmotors erhöht. Dies kann auf der Tatsache beruhen, daß die Käfighälfte 28 nur ein Drittel des Gewichts ihres silberbeschichteten Stahl-Gegenstücks hat, wodurch die Trägheits- und Zentrifugal-Belastung vermindert wird. Neben der Verminderung der Belastung der Teile unmittelbar benachbart zu dem Lagerkäfig kann das verminderte Gewicht Motorvibrationen ausreichend vermindern, um die Lebensdauer von Komponenten anderswo in dem Zweizylindermotor zu erhöhen.

Die vorstehende Beschreibung ist auf die Umgebung eines Lagerkäfigs in einem Zweizylindermotor gerichtet. Jedoch sollte die Erfindung nicht als auf einen Lagerkäfig oder einen Zweizylindermotor beschränkt angesehen werden. Gewisse Axiallaufscheiben und ringförmige Wellendichtungen werden z. B. aus silberbeschichtetem Stahl hergestellt, um Verschleiß durch Reibung zu vermindern. Es wird angenommen, daß die vorliegende Kunststoff-Formtechnik mit Vorteil angewandt werden kann, um eine Axiallaufscheibe oder eine ringförmige Wellen dichtung wie auch andere Teile herzustellen.

Die Anmelderin nimmt an, daß die amorphe äußere Schicht an der Käfighälfte 28 dazu tendiert, als ein Schmiermittel oder als eine zu opfernde Einlauf-Oberfläche zu dienen, und dazu tendiert, sich über damit zusammenwirkende Oberflächen in der Nadellageranordnung 24 während des Einlaufens auszubreiten (zu verschmieren) oder diesen Oberflächen auf andere Weise zu entsprechen. Da die miteinander zusammenarbeitenden Oberflächen auf diese Weise geglättet und geschmiert werden, wird angenommen, daß die Reibung ausreichend vermindert wird, um eine wesentliche Verbesserung in der Lebensdauer des Lagerkäfigs zu ergeben.

Das Formen der Käfighälfte 28 unter Verwendung der oben genannten, nicht standardmäßigen Formparameter ist nur ein Weg, um die vorliegende Struktur zu erzielen. Z. B. kann die Käfighälfte 28 unter Verwendung herkömmlicher Parameter geformt werden, um ein Zwischenprodukt vollständig aus kristallinem Kunststoff herzustellen. Die Oberfläche kann dann angeschmolzen und schnell abgeschreckt werden, um die amorphe Oberflächenschicht zu erzeugen. Alternativ kann der Ausgang eines industriellen Lasers gegen die Oberflächen der Lagerkäfighälfte 28 gerichtet werden, um eine dünne äußere Schicht anzuschmelzen. Das Teil kann dann in ein Kühlbad geworfen werden, oder es kann schnell durch Besprühen mit Flüssigkeit oder mit einem Luftstrom abgekühlt werden.

Ein weiterer Weg, auf dem das Teil geformt werden kann, enthält die Herstellung eines kristallinen Zwischenprodukts, das dann für eine ausreichende Zeitdauer in ein erhitztes Bad eingetaucht wird, um die äußere Schicht anzuschmelzen. Das Teil wird dann aus dem Bad herausgenommen und durch eine der oben genannten Kühltechniken abgekühlt. Z. B. kann das Teil in ein Bad von geschmolzenem Blei oder Zinn für eine kurze Zeit eingetaucht, dann herausgenommen und abgeschreckt werden.

Man nimmt an, daß andere kristalline Kunststoffe verwendet werden können. Die Techniken zum Formen der Teile werden sich mit den besonderen verwendeten kristallinen Kunststoffen verändern. Es wird angenommen, daß die vorliegende Erfindung unter anderen Nylon oder Polyacetal-Kunststoffe verwenden kann, entweder mit oder ohne geeignete Füllstoffe. Eine andere Möglichkeit wäre Polyätherätherketon. Im Lichte der vorliegenden Beschreibung wäre der Fachmann vollständig in der Lage, erforderliche Parameter für die Herstellung oder für die Teile, die solche Materialien verwenden, aufzustellen.

Es ist einzusehen, daß die vorliegende Erfindung z. B. einen Lagerkäfig schafft, der aus einem Kunstharz geformt ist und der eine beträchtlich verbesserte Lebensdauer hat, selbst in schwierigen Anwendungsfällen, wie beispielsweise in der Nadellageranordnung für eine Kurbel eines Zweitaktmotors. In ausgedehnten Versuchen hat die nutzbare Lebensdauer des vorliegenden Lagerkäfigs die normalerweise erwartete Lebensdauer überschritten.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Herstellen eines aus Kunstharz bestehenden Teils, wobei das Verfahren ein Erhitzen einer Form auf eine Formtemperatur, ein Erhitzen des Kunstharzes auf eine Einspritztemperatur und ein Einspritzen des Kunstharzes in die Form aufweist, wobei das Kunstharz ein Polyätherätherketon ist, wobei die Formtemperatur von etwa 121 bis 132ºC (250 bis 270ºF) ist und die Einspritztemperatur von etwa 371 bis etwa 427ºC (etwa 700 bis etwa 800ºF) ist, so daß eine amorphe Oberflächenschicht (46) erzeugt wird, die einen kristallinen inneren Körper (44) eines wesentlichen Abschnitts des Teils abdeckt, wobei die amorphe Schicht so angeordnet ist, daß sie eine Verschleißoberfläche zum Verbessern der Fähigkeit des Teils bietet, Reibung zu widerstehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Teil ein Lagerkäfig (28) ist, der erste und zweite Ränder (30, 32) hat, die miteinander durch eine Vielzahl von Stegen (34) verbunden sind, und wobei der Schritt des Einspritzens ein Einspritzen des Kunststoffharzmaterials in die Form an einer Stelle zwischen Enden eines der Vielzahl von Stegen aufweist.

3. Verfahren zum Herstellen eines fertigen Teils bestehend aus einem Kunstharz, wobei das Verfahren aufweist: Formen eines Zwischenteils, das eine kristalline Struktur hat; Erhitzen wenigstens eines Abschnitts einer Oberfläche des kristallinen Zwischenteils; und Abschrecken des wenigstens einen Abschnitts einer Oberfläche des kristallinen Zwischenteils, um eine amorphe Oberflächenschicht auf einem kristallinen inneren Körper zu bilden, wobei die amorphe äußere Schicht derart ist, daß sie eine Verschleißoberfläche zum Verbessern der Fähigkeit des Kunststoffteils bietet, Reibung zu widerstehen.







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