DE102008045380A1

DE102008045380A1 - Kunststoffummanteltes Lager und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102008045380A1
Application number: DE102008045380A
Authority: DE
Inventors: Frank Steinhauer; Jürgen Stölzle
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2008-09-02
Publication date: 2010-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kunststoffummanteltes Lager (01, 10) und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Lagers. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Wickelgarn durch ein mit flüssigem Kunstharz gefülltes Behältnis gezogen (A). Hierbei wird das Wickelgarn mit Kunstharz getränkt. Anschließend wird mindestens ein Lager (01, 10) auf eine Welle (03) geschoben und auf dieser verspannt (B). In einem nächsten Schritt (C) wird das getränkte Wickelgarn um einen Außenring (05) des Lagers (01, 10) gewickelt. Dem schließt sich ein Aushärtungsvorgang (D) an, bei dem das Kunstharz trocknet und aushärtet. Nun kann die Welle (03) entfernt (F) werden. In einem abschließenden Schritt (G) wird die gewünschte Außenkontur des Lagers (01, 10) erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein kunststoffummanteltes Lager sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Lagers.
Lager mit Kunststoffmantel kommen vorzugsweise dann zum Einsatz, wenn diese Lager besonders geräuscharm laufen müssen. Ein typisches Anwendungsgebiet für kunststoffummantelte Lager ist beispielsweise die Medizintechnik, wo sie unter anderem als Laufrollen in C-Bogen-Röntgengeräten oder Patientenliegen eingesetzt werden.
Aus dem Stand der Technik sind zwei Verfahren zur Herstellung kunststoffummantelter Lager bekannt. Nach dem ersten Verfahren wird das Lager in eine Spritzgießmaschine eingelegt, in der das Lager mit einem thermoplastischen Kunststoff umspritzt wird. Dieses Verfahren ist aufwendig und kostenintensiv. Zum einen ist das Einlegen der zu umspritzenden Teile in die Spritzgießmaschine ziemlich aufwendig. Außerdem werden spezielle, relativ komplexe Spritzgießwerkzeuge benötigt, da der zu umspritzende Außenring werkzeugtechnisch so abgedichtet werden muss, dass die Kunststoffschmelze beim Umspritzen nicht wegfließen kann. Die hohen Kosten für die bei dieser Technologie benötigten Spritzgießwerkzeuge rechnen sich nur bei großen Stückzahlen.
Bei einem zweiten, vorbekannten Verfahren wird der Kunststoffmantel in Form einer einseitig oder beidseitig offenen Buchse separat gespritzt. Anschließend erfolgt ein Einpressen des Lagers in die Buchse. Im späteren Einsatz derartig hergestellter Lager kann es jedoch dazu kommen, dass sich das Lager aufgrund mechanischer Einflüsse aus der Buchse herausbewegt. In der DE 30 39 422 C2 ist beispielsweise ein separat gespritzter Kunststoffmantel aus weichelastischem Material für ein Lager beschrieben.
Dem Stand der Technik kann auch ein Verfahren zur Fertigung von Reibbelägen entnommen werden. Bei diesem Verfahren wird ein Garnwickelwerkstoff durch ein Kunstharzbecken gezogen und dabei mit Kunstharz getränkt. Im Anschluss daran wird das getränkte Garn mit Hilfe einer speziellen Wickelmaschine auf einen Dorn gewickelt. Der Durchmesser der späteren Reibbelagscheibe ist abhängig von der Anzahl der Wicklungen. Im nächsten Verfahrensschritt wird der umwickelte Dorn von der Maschine abgenommen und unter Temperatureinwirkung für mehrere Stunden getrocknet. Bedarfsweise kann anschließend ein Härten mit höheren Temperaturen erfolgen. Der Dorn wird nachfolgend entfernt. Auf einer Drehbank werden die Reibbelagscheiben in den gewünschten Dicken abgestochen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein verbessertes kunststoffummanteltes Lager und ein Verfahren zur Herstellung eines kunststoffummantelten Lagers zur Verfügung zu stellen, welches eine mit geringem Aufwand verbundene und preiswerte Fertigung solcher Lager ermöglicht. Im Ergebnis sollte der Kunststoffmantel sicher mit dem Lager verbunden sein und sich auch bei mechanischen Belastungen nicht vom Lager lösen können.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient ein Verfahren zur Herstellung eines kunststoffummantelten Lagers gemäß dem beigefügten Anspruch 1 und ein kunststoffummanteltes Lager gemäß den beigefügten nebengeordneten Ansprüchen 13 und 17.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Wickelgarn durch ein mit flüssigem Kunstharz gefülltes Behältnis gezogen. Hierbei wird das Wickelgarn mit Kunststoff bzw. Kunstharz getränkt. Zur weiteren Vorbereitung des eigentlichen Wickelvorgangs wird mindestens ein Lager auf eine Welle geschoben und auf dieser verspannt. Andere Halterungen des Lagers während des Wickelvorgangs sind denkbar. Im nächsten Schritt wird das getränkte Wickelgarn vorzugsweise in mehreren Lagen um einen Außenring des Lagers gewickelt um einen Wickelring aus Kunststoff zu erzeugen. Dem schließt sich ein Aushärtungsvorgang an, bei dem das Kunstharz trocknet und aushärtet. Nun kann die Welle entfernt werden. In einem abschließenden Schritt wird die gewünschte Außenkontur des Lagers erzeugt, beispielsweise durch Drehen oder Schleifen. Wenn entsprechende Anlagen zur Verfügung stehen, kann die Bearbeitung der Oberfläche des gewickelten Kunststoffkörpers unmittelbar nach dem Aushärten auf der Spannwelle erfolgen. Dabei lassen sich zahlreiche bewickelte Lager gleichzeitig bearbeiten, sodass mehrfache Umspannvorgänge vermieden werden.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass auf vergleichsweise einfache Art und Weise ein kunststoffummanteltes Lager herstellbar ist. Für die Herstellung wird kein spezielles und teures Spritzgießwerkzeug mehr benötigt. Damit eignet sich das Verfahren auch zur Herstellung kleiner bis mittlerer Stückzahlen, wie sie beispielsweise häufig in der Medizintechnik benötigt werden. Zwischen dem Außenring des Lagers und dem Kunststoffmantel besteht eine sichere formschlüssige Verbindung, die bei üblichen, während des Betriebs auftretenden mechanischen Belastungen nicht gelöst werden kann.
In Abhängigkeit von dem verwendeten Kunstharz ist es vorteilhaft, den Aushärtungsvorgang unter Wärmezufuhr durchzuführen. Ergänzend kann ein weiterer Härtevorgang bei nochmals erhöhten Temperaturen durchgeführt werden. Durch diesen nachfolgenden Härtevorgang wird die mechanische Widerstandsfähigkeit des Kunststoffmantels erhöht. Es sind aber auch Kunststoffe verwendbar, die durch Verdunsten eines Lösungsmittels oder durch Bestrahlung (z. B. mit UV-Licht) aushärten.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn vor Beginn des Wickelprozesses mindestens zwei Lager auf die Welle aufgeschoben werden. Zwischen den Lagern ist jeweils ein Distanzstück anzuordnen. Vorzugsweise werden mehr als zwei Lager auf die Welle aufgeschoben. Auf diese Weise können gleichzeitig mehrere Lager hergestellt werden. Hierdurch wird die Fertigungszeit verkürzt und es werden somit Kosten eingespart. Nachdem Erstellen der Lager-Außenkontur werden die einzelnen Lager abgestochen. Mit speziellen Werkzeugen können die Schritte zur Herstellung der Außenkontur und zum Abstechen auch in einem Prozessschritt zusammengefasst werden. Damit steht eine formschlüssige Kunststoffummantelung am Lager zur Verfügung.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Dicke des Außenmantels über die Anzahl der Wicklungen des Wickelgarns bestimmt. Je nachdem, welche Dicke benötigt wird, wird das Wickelgarn mehr oder weniger oft um den Außenring des Lagers gewickelt. Somit ist eine problemlose Anpassung an die verschiedensten Erfordernisse möglich.
Weiterhin ist der Einsatz eines Wickelgarns bestehend aus Baumwollfasern, Aramidfasern, Glasfasern, Kohlefasern oder Metallfasern vorteilhaft. Diese Fasern haben ihre Eignung bereits im Einsatz bei Reibbelägen erwiesen. Es soll jedoch keine Einschränkung auf die genannten Fasern erfolgen. Andere geeignete Fasern können ebenfalls verwendet werden.
Schließlich hat es sich noch als zweckmäßig erwiesen, das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Lagerbaugruppen bestehend aus mindestens zwei Einzellagern zu nutzen. Beispielsweise könnte es sich bei einer solchen Lagerbaugruppe um eine Laufrolle bestehend aus zwei Schrägkugellagern handeln, die durch den umwickelten Kunststoffmantel formschlüssig miteinander verbunden werden können. Natürlich lassen sich auch hier mehrere Lagerbaugruppen auf einmal fertigen, indem die einzelnen Lagerbaugruppen durch Distanzstücke voneinander getrennt eingespannt werden.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 die Herstellung eines kunststoffummantelten Kugellagers;
3 die Herstellung eins kunststoffummantelten Nadellagers;
4 ein kunststoffummanteltes Nadellager in einer Ansicht von vorn;
5 eine Schnittdarstellung des in 4 gezeigten Nadellagers.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren zur Herstellung eines kunststoffummantelten Lagers beginnt mit einem Schritt A. Im Schritt A wird ein Wickelgarn durch ein mit flüssigem Kunstharz gefülltes Behältnis, beispielsweise ein Becken gezogen. Das Wickelgarn besteht vorzugsweise aus Baumwollfasern, Aramidfasern, Glasfasern, Kohlefasern oder Metallfasern. Während dieses Vorganges wird das Wickelgarn mit Kunstharz getränkt. Natürlich kann das Tränken des Garns auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise durch Einlagern des Garns im flüssigen Kunststoff oder durch Besprühen des Garns mit Kunstharz während des Aufwickelns auf das zu ummantelnde Lager.
In einem nachfolgenden Schritt B wird mindestens ein Lager auf eine Welle geschoben und auf der Welle verspannt. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn mehrere Lager auf die Welle geschoben werden. In diesem Fall wird zwischen zwei Lager jeweils ein Distanzstück angeordnet. Die Befestigung des Lagers auf der Wickelmaschine kann bei abgewandelten Ausführungsformen in veränderte Weise erfolgen, beispielsweise durch Einspannen zwischen Spannspitzen oder die Anbringung des Lagers an einem Wickeldorn.
In einem sich nun anschließenden Schritt C wird das getränkte Wickelgarn um einen Außenring des Lagers gewickelt. Je nachdem, welche Dicke der spätere Kunststoffmantel haben soll, wird das Wickelgarn mehr oder weniger oft um den Außenring gewickelt, wodurch zahlreiche Wickellagen gebildet werden. Geeignete Wickeltechniken sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.
In einem nachfolgenden Schritt D erfolgt die Trocknung und Aushärtung des getränkten Wickelgarns unter Wärmezufuhr. Je nach verwendetem Kunststoff erfolgt das Aushärten auf angepasste Weise.
Dem Trocknungsvorgang kann sich ein weiterer Härtevorgang E anschließen. Das weitere Härten erfolgt bei einer höheren Temperatur als der Trocknungsvorgang.
Nachfolgend wird in einem Schritt F die Welle entfernt. Anschließend wird in einem Schritt G die gewünschte Außenkontur des Lagers hergestellt. Dies erfolgt vorteilhaft mithilfe einer Drehmaschine. In die Oberfläche können bei Bedarf Konturen eingearbeitet werden, um den Kunststoffmantel an die jeweilige Einbausituation anzupassen. Wenn die Bearbeitung der Außenkontur bei mehreren Lagern im Verbund ausgeführt wird, ist der Schritt F vorzugsweise an das Verfahrensende verlagert, sodass ein zusätzliches Umspannen entfallen kann. Die Lager werden also erst nach der Oberflächenbearbeitung und dem Abstechen von der Welle genommen und vereinzelt.
In einem abschließenden Schritt H werden die einzelnen Lager abgestochen. Falls nur ein Lager hergestellt wurde, entfällt dieser Schritt selbstverständlich. Als Ergebnis dieses Herstellungsprozesses liegt ein Lager mit einer Kunststoffummantelung vor, die den Außenring beidseitig umschließt und somit eine formschlüssige Verbindung mit diesem eingeht.
2 veranschaulicht die Herstellung eines kunststoffummantelten Kugellagers. In den 2a bis 2c sind die Ergebnisse von drei Fertigungsschritten dargestellt. In 2a ist der Schritt B dargestellt, in welchem mehrere Kugellager 01 und Distanzstücke 02 auf eine Welle 03 aufgeschoben und mit dieser verspannt wurden. Jedes der Kugellager 01 umfasst einen Außenring 05, einen Innenring 06 und kugelförmige Wälzkörper 07, die zwischen dem Außenring 05 und dem Innenring 06 angeordnet sind. Die Distanzstücke 02 weisen eine Hohlzylinderform auf. Der äußere Durchmesser der Distanzstücke 02 ist etwas kleiner als der äußere Durchmesser der Außenringe 05. Der Innendurchmesser der Distanzstücke 02 gleicht dem inneren Durchmesser der Innenringe 06.
2b zeigt das Ergebnis des Schrittes C. Im Schritt C wird ein mit Kunstharz getränktes Wickelgarn um die Außenringe 05 der Kugellager 01 gewickelt. Die Wicklung des Garns wird gleichmäßig über die gesamte Breite der nebeneinander angeordneten Lager vorgenommen. Dabei können verschiedene Wickeltechniken zum Einsatz kommen. Höhere Festigkeiten lassen sich beispielsweise durch kreuzweises Wickeln erzeugen. Das Ergebnis der Schritte G und H ist in 2c dargestellt. In Schritt G wird vorzugsweise auf einer Drehmaschine die gewünschte Außenkontur der Kugellager 01 erzeugt. Dem schließt sich im Schritt H das Abstechen der einzelnen Kugellager 01 an. Die Kugellager 01 sind nun mit einem Kunststoffmantel 09 versehen. Der Kunststoffmantel 09 weist eine geringfügig größere Breite als die Kugellager 01 auf. In den über die Breite der Kugellager 01 hinausragenden Bereichen ist der innere Durchmesser des Kunststoffmantels 09 durch den äußeren Durchmesser der Distanzstücke 02 bestimmt, sodass der Kunststoffmantels 09 die Kugellager 01 einfasst.
3 zeigt die Herstellung eines kunststoffummantelten Nadellagers. In den 3a bis 3b sind wiederum die Ergebnisse von verschiedenen Fertigungsschritten dargestellt. In 3a ist der Schritt B dargestellt, in welchem mehrere Nadellager 10 und Distanzstücke 02 auf eine Welle 03 aufgeschoben und mit dieser verspannt wurden. Jedes der Nadellager 10 umfasst einen Außenring 05, einen Innenring 06 sowie nadelförmige Wälzkörper 07. Das Ergebnis der Schritte G und H ist in 3b dargestellt. In Schritt G wird vorzugsweise auf einer Drehmaschine die gewünschte Außenkontur der Nadellager 10 erzeugt. Dem schließt sich im Schritt H das Abstechen der einzelnen Nadellager 10 an. Die Nadellager 10 sind nun mit einem Kunststoffmantel 09 versehen. Auch hier erfolgte das Vereinzeln erst nach dem Abstechen.
4 zeigt ein kunststoffummanteltes Nadellager in einer Ansicht von vorn.
5 zeigt eine Schnittdarstellung des in 4 gezeigten Nadellagers entlang einer Linie A-A. Das Nadellager 10 besteht aus einem Außenring 05, einem Innenring 06 und nadelförmigen Wälzkörpern 07. Der Außenring 05 ist mit einem Kunststoffmantel 09 versehen. Der Kunststoffmantel ist durch einen Wickelring gebildet, welcher durch Bewickeln des Außenrings 05 mit dem kunststoffgetränten Wickelgarn erzeugt wurde. Die Festigkeit und ggf. Elastizität des Wickelrings lässt sich durch Auswahl des Kunststoffs, das Wickelgarnmaterials und der Wickeltechnik beeinflussen, sodass der Kunststoffmantel an die jeweiligen Einsatzforderungen für das Lager angepasst werden kann. Es ist auch gut erkennbar, dass der Kunststoffmantel an beiden Seiten des Außenrings eine formschlüssig anliegende Schulter 11 ausbildet. Dadurch ist es verhindert, dass sich der Außenring gegenüber dem Kunststoffmantel axial verschieben kann. Je nach Ausführungsform können die Schultern 11 mehr oder weniger weit an den Seitenflächen des Außenrings in Richtung Innenring fortgesetzt sein.

01: Kugellager
02: Distanzstücke
03: Welle
04
05: Außenring
06: Innenring
07: Wälzkörper
08
09: Kunststoffmantel
10: Nadellager
11: Schulter des Kunststoffmantels
A–H: Schritte zur Fertigung eines kunststoffummantelten Lagers

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3039422 C2 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines kunststoffummantelten Lagers (01, 10), die folgenden Schritte umfassend: • Tränken (A) eines Wickelgarns mit flüssigem Kunstharz; • Wickeln (C) des getränkten Wickelgarns um einen Außenring (05) des Lagers (01, 10); • Aushärten (D) des Kunstharzes; • Erzeugen der gewünschten Außenkontur (G) des Lagers (01, 10) durch Nachbearbeitung des aufgewickelten Kunststoffmantels.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocken und Aushärten (D) des Kunstharzes unter Wärmezufuhr erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Trocknen und Aushärten (D) ein weiteres Härten (E) des Kunstharzes bei höheren Temperaturen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Tränken des Wickelgarns mit Kunststoff durch Ziehen des Garns durch ein mit flüssigem Kunstharz gefülltes Behältnis erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (01, 10) vor dem Wickeln auf eine Welle (03) aufgeschoben und verspannt wird.
Verfahren Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Lager (01, 10) auf die Welle (03) aufgeschoben werden, und dass zwischen den Lagern (01, 10) jeweils ein Distanzstück (02) angeordnet ist, dessen Außendurchmesser kleiner als der Außendurchmesser des Außenrings (05) der jeweils angrenzenden Lager ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erzeugen der Außenkontur (G) die einzelnen Lager (01, 10) abgestochen (H) werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Kunststoffmantels (09) über die Anzahl der Wicklungen des Wickelgarns bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des Lagers durch Drehen (G) oder ein anderes zerspanendes Verfahren erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wickelgarn aus Baumwollfasern, Aramidfasern, Glasfasern, Kohlefasern oder Metallfasern besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager durch ein Kugellager (01) oder ein Nadellager (10) gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager durch eine Lagerbaugruppe bestehend aus mindestens zwei Einzellagern gebildet ist.
Kunststoffummanteltes Lager mit einem Außenring (05) und einem auf diesem angebrachten Kunststoffmantel (09), dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffmantel (09) durch einen Wickelring gebildet ist, welcher aus einem mit flüssigem Kunststoff getränktem, auf den Außenring (05) aufgewickeltem Wickelgran besteht, wobei der Kunststoff nach dem Aufwickeln ausgehärtet wurde.
Kunststoffummanteltes Lager nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Wickelrings (09) nach dem Aushärten des Kunststoffs durch eine zerspanende Bearbeitung geglättet und ggf. konturiert wurde.
Kunststoffummanteltes Lager nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffmantel (09) formschlüssig am Außenring (05) angeordnet ist.
Kunststoffummanteltes Lager nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffmantel (09) Schultern (11) umfasst, welche die Seitenflächen des Außenrings (05) zumindest abschnittsweise formschlüssig umgreifen.
Kunststoffummanteltes Lager (01, 10), herstellbar durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12.