DE102009009309A1 - Roller bearing i.e. ball bearing, for supporting rotor shaft of turbomolecular pump, has two-part cage positioning roller body that rests at contact surfaces of cage, where contact surfaces are coated by thin layer coating process - Google Patents

Roller bearing i.e. ball bearing, for supporting rotor shaft of turbomolecular pump, has two-part cage positioning roller body that rests at contact surfaces of cage, where contact surfaces are coated by thin layer coating process Download PDF

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Abstract

The bearing has a roller body (14) arranged between an outer bearing ring (10) and an inner bearing ring (12). A two-part cage (18) positions the roller body. The roller body rests at contact surfaces (24) of the cage, where the contact surfaces are coated by a thin layer coating process e.g. physical vapor deposition, chemical vapor deposition or plasma-enhanced chemical vapor deposition process. The cage parts form cage pockets, which position the roller body. Running surfaces (16) in the two bearing rings are coated. An independent claim is also included for a method for manufacturing two-part or multi-part cage for a roller bearing.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager für den Einsatz im Vakuum. Insbesondere betrifft die Erfindung Wälzlager, die bei schnell drehenden Vakuumpumpen, wie Turbomolekularpumpen, eingesetzt werden können.The The invention relates to a rolling bearing for use in a vacuum. In particular, the invention relates to rolling bearings, which in fast-rotating Vacuum pumps, such as turbomolecular pumps, can be used.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von zweiteiligen Wälzlagerkäfigen, die für Wälzlager für den Einsatz im Vakuum geeignet sind.Further The invention relates to a method for producing two-part Rolling bearing cages suitable for rolling bearings for the Use in vacuum are suitable.

Zur Lagerung von Bauteilen wie Rotorwellen bei Vakuumpumpen werden, sofern Wälzlager eingesetzt werden, herkömmliche nicht explizit für den Einsatz im Vakuum entwickelte Standard-Wälzlager eingesetzt. Zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften des Lagers wird ein für die Vakuumanwendung getestetes tribologisch angepasstes Fett verwendet. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um ein Fett mit einem Grundöl auf Esterbasis. Trotz der Verwendung eines speziell entwickelten Fetts können verschleißbedingt Lagerschäden auftreten.to Storage of components such as rotor shafts in vacuum pumps, provided rolling bearings be used, conventional not explicitly for the use in vacuum developed standard rolling bearings. For improvement The tribological properties of the bearing become one for the vacuum application tested tribologically adjusted grease used. Preferably this is a fat with an ester-based base oil. Despite the use of a specially developed grease may be due to wear bearing damage occur.

Zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von Wälzlagern ist es bekannt, die äußeren und inneren Laufflächen der Lagerringe zu beschichten. Bei der Verwendung von Wälzlagern mit Käfigen, die zur Positionierung der Wälzkörper erforderlich sind, gelangen die Wälzkörper jedoch auch mit Anlageflächen der Käfige, insbesondere den durch die Käfige gebildeten Käfigtaschen, in Kontakt. Bei den Käfigen handelt es sich üblicherweise um ein ringförmiges Bauteil mit radial ausgebildeten Öffnungen, in denen die Wälzkörper angeordnet sind. Die Wälzkörper liegen somit an den durch diese Öffnungen ausgebildeten Flächen an. Hierbei handelt es sich um schmale, schwer zugängliche Flächen. Diese können zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften mit einer Vielzahl von Verfahren nicht beschichtet werden, da sie schwer zugänglich sind. Dies hat zur Folge, dass der Einsatz von Wälzlagern, insbesondere bei schnell drehenden Vakuumpumpen, wie Turbomolekularpumpen mit Drehzahlen von mehreren 10.000 U/Min, aufgrund der tribologisch bedingten kurzen Lebensdauer, von Kunden nicht akzeptiert sind.to Improvement of the tribological properties of rolling bearings it is known the outer and inner treads to coat the bearing rings. When using rolling bearings with cages that are required for positioning of the rolling elements, However, the rolling elements arrive also with contact surfaces the cages, especially through the cages formed cage pockets, in contact. At the cages they are usually around an annular Component with radially formed openings in which arranged the rolling elements are. The rolling elements are thus to the through these openings trained areas at. These are narrow, difficult to access Surfaces. These can be used for Improving the tribological properties with a variety are not coated by procedures because they are difficult to access. As a result, the use of rolling bearings, especially at fast-rotating vacuum pumps, such as turbomolecular pumps with speeds of several 10,000 rpm, due to the tribological short Lifetime, not accepted by customers.

Ferner ist es zur Lagerung, insbesondere schnell drehender Vakuumpumpen, wie Turbomolekularpumpen bekannt, die drehenden Bauteile, wie die Rotorwelle über Magnetlager zu lagern. Derartige Lager sind jedoch in der Herstellung teuer.Further it is for storage, especially fast rotating vacuum pumps, known as turbomolecular pumps, the rotating components, such as the Rotor shaft over Store magnetic bearing. However, such bearings are in the making expensive.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wälzlager für den Einsatz im Vakuum mit verbesserten tribologischen Eigenschaften sowie ein Verfahren zur Herstellung von zweiteiligen Wälzlagerkäfigen zu schaffen.task The invention is a rolling bearing for use in vacuum with improved tribological properties as well To provide method for the production of two-piece rolling bearing cages.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Wälzlager gemäß Anspruch 1 bzw. ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 7.The solution the task is carried out according to the invention by a rolling bearing according to claim 1 or a production method according to claim 7.

Das erfindungsgemäße Wälzlager ist für den Einsatz im Vakuum geeignet. Hierbei kann im Bereich des Wälzlagers ein Vakuum von 1 mbar bis 10–4 mbar herrschen. Ein derartiges Wälzlager, bei dem es sich üblicherweise um ein Kugellager handelt, ist insbesondere für schnell drehende Vakuumpumpen, wie Turbomolekularpumpen geeignet, deren Rotorwelle sich mit mehreren 10.000 U/Min dreht. Die Wälzkörper, bei denen es sich insbesondere um Kugeln handelt, sind zwischen einem äußeren und einem inneren Lagerring angeordnet, und von einem mehrteiligen, insbesondere zweiteiligen Käfig positioniert. Die Wälzkörper liegen einerseits an den Laufflächen der beiden Lagerringe und andererseits an Anlageflächen des Käfigs an. Bei dem Käfig handelt es sich üblicherweise im montierten Zustand um ein zylindrisches Bauteil mit radial verlaufenden Öffnungen, in denen die Wälzkörper angeordnet sind. Hierbei liegen die Wälzkörper an den durch die Öffnungen gebildeten Innenseiten des Käfigs an. Erfindungsgemäß sind die Anlageflächen des vorzugsweise zweiteiligen Käfigs, an denen die Wälzkörper anliegen, zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften beschichtet. Da das Beschichten erfindungsgemäß bei einem zwei- oder mehrteiligen Käfig erfolgt, ist es somit möglich, die Anlageflächen vor der Montage der Käfigteile zu beschichten und erst nach der Beschichtung die Käfigteile beispielsweise durch Vernieten, Verrasten oder Verkleben fest miteinander zu verbinden. Durch das erfindungsgemäße Beschichten der Anlageflächen des Käfigs ist es auch bei hohen Temperaturen im Betrieb, bei denen gegebenenfalls Schmierstoff verdampft oder verbrennt, gewährleistet, dass die tribologischen Eigenschaften des Wälzlagers die geforderten Lagereigenschaften gewährleisten.The rolling bearing according to the invention is suitable for use in a vacuum. In this case, a vacuum of 1 mbar to 10 -4 mbar prevail in the area of the rolling bearing. Such a rolling bearing, which is usually a ball bearing, is particularly suitable for high-speed vacuum pumps, such as turbomolecular pumps, whose rotor shaft rotates at several 10,000 rpm. The rolling elements, which are in particular balls, are arranged between an outer and an inner bearing ring, and positioned by a multi-part, in particular two-part cage. The rolling elements are on the one hand to the running surfaces of the two bearing rings and on the other hand to contact surfaces of the cage. The cage is usually in the assembled state to a cylindrical member with radially extending openings in which the rolling elements are arranged. In this case, the rolling elements bear against the inner sides of the cage formed by the openings. According to the invention, the contact surfaces of the preferably two-part cage, against which the rolling elements rest, are coated to improve the tribological properties. Since the coating according to the invention is carried out in a two- or multi-part cage, it is thus possible to coat the contact surfaces prior to assembly of the cage parts and only after coating the cage parts, for example by riveting, locking or gluing firmly together. By coating the bearing surfaces of the cage according to the invention, it is also at high temperatures during operation, in which optionally lubricant evaporates or burns, ensures that the tribological properties of the bearing ensure the required storage properties.

Die Anlageflächen des Käfigs werden vorzugsweise mit einer dünnen Schicht beschichtet, wobei die Schicht vorzugsweise eine Dicke im Bereich 10 nm bis 5 μm aufweist. Das Beschichten erfolgt vorzugsweise durch Abscheiden des Beschichtungsmaterials aus der Gasphase. Bei der Herstellung der Beschichtung werden durch Dünnschicht-Beschichtungsverfahren wie CVD-, PVD- oder PECVD-Verfahren bevorzugt.The contact surfaces of the cage are preferably with a thin Coated layer, wherein the layer preferably has a thickness in the Range 10 nm to 5 μm having. The coating is preferably carried out by deposition the coating material from the gas phase. In the preparation of The coating are made by thin-film coating process such as CVD, PVD or PECVD preferred.

Die beiden Käfigteile weisen eine Trennebene auf, in der die beiden Käfigteile miteinander verbunden sind. Die Trennebene ist derart angeordnet, dass in montiertem Zustand, d. h. bei miteinander verbundenen Käfigteilen die Trennebene im Wesentlichen mittig verläuft. Die beiden Käfigteile unterscheiden sich gegebenenfalls durch das Vorsehen von Justageelementen wie Justagestiften oder Ansätzen, die in korrespondierende Ausnehmungen eingreifen.The two cage parts have a parting plane in which the two cage parts are connected to each other. The parting plane is arranged such that in the assembled state, ie in interconnected cage parts, the parting plane is substantially centered. If necessary, the two cage parts differ by the provision of adjustment elements, such as alignment pins or lugs, which engage in corresponding recesses intervention.

Die beiden, insbesondere spiegelbildlich ausgebildeten Käfigteile bilden im miteinander verbundenen Zustand Käfigtaschen aus. In den Käfigtaschen sind die Wälzkörper gehalten. Hierbei sind die Käfigtaschen vorzugsweise als zylindrische Bohrungen ausgebildet.The both, in particular mirror-image cage parts Form cage bags in the interconnected state. In the cage pockets the rolling elements are held. Here are the cage pockets preferably formed as cylindrical bores.

Erfindungsgemäß sind die Käfigteile des zwei- oder mehrteiligen Wälzlagerkäfigs derart hergestellt, dass ein Beschichten der Anlageflächen erfolgt, bevor die Käfigteile miteinander verbunden werden.According to the invention cage parts of the two- or multi-part roller bearing cage such made that a coating of the contact surfaces takes place before the cage parts be connected to each other.

Das Beschichten erfolgt, wie vorstehend anhand des Wälzlagers beschrieben, mit entsprechenden Beschichtungsverfahren und Beschichtungsmaterialien.The Coating takes place, as described above with reference to the rolling bearing, with corresponding Coating methods and coating materials.

Nach dem Beschichten der Anlageflächen der beiden Käfigteile erfolgt die Montage des Wälzlagers. Hierbei werden die Wälzkörper zunächst zwischen den beiden Lagerringen angeordnet. Anschließend werden die beiden Käfigteile seitlich von außen aufgesteckt, so dass die Wälzkörper in den Käfigtaschen angeordnet und auf diese positioniert sind. Im letzten Arbeitsschritt werden die beiden Käfigteile sodann insbesondere durch Vernieten fest miteinander verbunden. Hierzu können die beiden, vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellten Käfigteile einen außenliegenden Versteifungsring aus Metall aufweisen, um insbesondere ein zuverlässiges Vernieten der Teile zu gewährleisten.To the coating of the contact surfaces of both cage parts the assembly of the rolling bearing takes place. Here, the rolling elements are initially between arranged the two bearing rings. Then the two cage parts attached laterally from the outside, so that the rolling elements in the cage pockets are arranged and positioned on these. In the last step become the two cage parts then firmly connected to each other in particular by riveting. You can do this the two, preferably made of a plastic material Cage parts one external Metal stiffening ring, in particular a reliable riveting to ensure the parts.

Zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften können nicht nur die Anlageflächen des Käfigs, sondern auch die Laufflächen der beiden Lagerringe, an denen die Wälzkörper abrollen, beschichtet sein. Hierbei erfolgt vorzugsweise eine Beschichtung mit derselben Beschichtungstechnik und/oder demselben Beschichtungsmaterial.to Improving the tribological properties can not only the contact surfaces of the cage, but also the treads the two bearing rings, where the rolling elements roll, be coated. In this case, a coating is preferably carried out using the same coating technique and / or the same coating material.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.following The invention will be described with reference to preferred embodiments with reference to the attached drawings closer explained.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine schematische Schnittansicht eines Kugellagers mit zweiteiligem Käfig, 1 a schematic sectional view of a ball bearing with two-part cage,

2 eine schematische perspektivische Ansicht eines ohne Wälzkörper montierten Käfigs und 2 a schematic perspective view of a mounted without rolling cage and

3 eine schematische perspektivische Ansicht eines der beiden Käfigteile des zweiteiligen Käfigs. 3 a schematic perspective view of one of the two cage parts of the two-part cage.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Kugellager weist einen äußeren Lagerring 10 sowie einen inneren Lagerring 12 auf. Zwischen den beiden Lagerringen sind als Wälzkörper Kugeln 14 angeordnet, die jeweils an Laufflächen 16 der Lagerringe 10, 12 anliegen. Die Kugeln sind von einem zweiteiligen Käfig 18 gehalten, wobei der Käfig 18 im Wesentlichen aus zwei spiegelbildlichen Käfigteilen 20 besteht. Der Käfig kann, wie in 1 gezeigt, außenringgeführt sein.The inventively designed ball bearing has an outer bearing ring 10 and an inner bearing ring 12 on. Between the two bearing rings are as rolling elements balls 14 arranged, each at treads 16 the bearing rings 10 . 12 issue. The balls are from a two-piece cage 18 kept, with the cage 18 essentially of two mirror-image cage parts 20 consists. The cage can, as in 1 shown to be guided on the outside ring.

Die einzelnen Käfigteile 20 bilden einen kreisringförmigen Käfig 18 (2), in dem zylindrische Öffnungen 22 ausgebildet sind. Durch die Öffnungen 22 werden die Kugeln positioniert. Hierbei liegen die Kugeln 14 an Anlageflächen 24 der beiden Käfigteile 20 an. Um ein freies Drehen der Kugeln 14 in den Käfigtaschen bzw. Öffnungen 22 zu ermöglichen, weisen die Kugeln einen Abstand zu den Anlageflächen 24 auf.The individual cage parts 20 form an annular cage 18 ( 2 ), in which cylindrical openings 22 are formed. Through the openings 22 the balls are positioned. Here are the balls 14 at contact surfaces 24 the two cage parts 20 at. To a free turning of the balls 14 in the cage pockets or openings 22 to allow the balls have a distance to the contact surfaces 24 on.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Käfigteile 20 (3) spiegelbildlich ausgebildet. Der Käfig wird somit durch Verbinden zweier Käfigteile 20 hergestellt. Das Verbinden der beiden Käfigteile erfolgt über Verbindungsflächen 26, die gleichzeitig eine Trennebene zwischen den beiden Käfigteilen 20 bildet. Das Verbinden erfolgt über Vernieten, Verkleben, Verrasten oder andere geeignete Verbindungsverfahren.In a preferred embodiment of the invention, the two cage parts 20 ( 3 ) formed a mirror image. The cage is thus by connecting two cage parts 20 produced. The connection of the two cage parts takes place via connecting surfaces 26 , at the same time a parting plane between the two cage parts 20 forms. Joining is done by riveting, gluing, latching or other suitable connection methods.

Erfindungsgemäß erfolgt zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften des Wälzlagers ein Beschichten der Anlageflächen 24, insbesondere durch Dünnschicht-Beschichtungsverfahren. Das Beschichten erfolgt hierbei erfindungsgemäß bevor die beiden Käfigteile 20 miteinander verbunden werden, da hierdurch eine bessere Zugänglichkeit der Taschen für die gewählte Beschichtungstechnik gewährleistet ist.According to the invention, a coating of the contact surfaces is carried out to improve the tribological properties of the rolling bearing 24 , in particular by thin-layer coating method. The coating takes place according to the invention before the two cage parts 20 be interconnected, as this ensures better accessibility of the pockets for the chosen coating technique.

Claims (10)

Wälzlager für den Einsatz im Vakuum, insbesondere für schnell drehende Vakuumpumpen, mit einem äußeren Lagerring (10), einem inneren Lagerring (12), zwischen den Lagerringen (10, 12) angeordneten Wälzkörpern (14) und einen die Lage der Wälzkörper (14) positionierenden mehrteiligen Käfig (18), dadurch gekennzeichnet, dass Anlageflächen (24) des Käfigs (18), an denen die Wälzkörper (14) anliegen, zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften beschichtet sind.Rolling bearings for use in a vacuum, in particular for high-speed vacuum pumps, with an outer bearing ring ( 10 ), an inner bearing ring ( 12 ), between the bearing rings ( 10 . 12 ) arranged rolling elements ( 14 ) and a position of the rolling elements ( 14 ) positioning multi-part cage ( 18 ), characterized in that contact surfaces ( 24 ) of the cage ( 18 ), where the rolling elements ( 14 ), are coated to improve the tribological properties. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch Dünnschicht-Beschichtungsverfahren erfolgt.roller bearing according to claim 1, characterized in that the coating by Thin-film coating process he follows. Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennebene (26) der beiden Käfigteile (20) in montiertem Zustand im Wesentlichen mittig verläuft.Rolling bearing according to claim 1 or 2, characterized in that a parting plane ( 26 ) of the two cage parts ( 20 ) runs substantially centrally in the mounted state. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Käfigteile (20) im Wesentlichen zueinander spiegelbildlich ausgebildet sind.Rolling bearing according to one of claims 1 to 3, characterized in that the two cage parts ( 20 ) are formed substantially mirror images of each other. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächen (16) in den Lagerringen (10, 12) beschichtet sind.Rolling bearing according to one of claims 1 to 4, characterized in that the running surfaces ( 16 ) in the bearing rings ( 10 . 12 ) are coated. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzugsweise zwei Käfigteile (20) Käfigtaschen (22) ausbilden, die die Wälzkörper (14) positionieren.Rolling bearing according to one of claims 1 to 5, characterized in that the preferably two cage parts ( 20 ) Cage pockets ( 22 ) forming the rolling elements ( 14 ). Verfahren zur Herstellung von zwei- oder mehrteiligen Käfigen für Wälzlager, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem Anlageflächen (24) der Käfigteile (20), an denen die Wälzkörper (14) anliegen, zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften beschichtet werden und die Käfigteile (20) nach der Beschichtung miteinander verbunden werden.Method for producing two- or multi-part cages for roller bearings, in particular according to one of Claims 1 to 6, in which bearing surfaces ( 24 ) of the cage parts ( 20 ), where the rolling elements ( 14 ), coated to improve the tribological properties and the cage parts ( 20 ) are joined together after coating. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem das Beschichten durch Abscheidung aus der Gasphase erfolgt, insbesondere durch Dünnschicht-Beschichtungsverfahren wie PVD, CVD und PECVD erfolgt.The method of claim 7, wherein the coating by deposition from the gas phase, in particular by thin-film coating process like PVD, CVD and PECVD. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei welchem die Beschichtung durch nicht-metallische Beschichtungsverfahren erfolgt.A method according to claim 7 or 8, wherein the Coating is carried out by non-metallic coating method. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei welchem die Käfigteile (20) fest, insbesondere durch Vernieten, miteinander verbunden werden.Method according to one of claims 7 to 9, wherein the cage parts ( 20 ), in particular by riveting, are joined together.
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