DE69714716T2

DE69714716T2 - Lageraufbau mit rillendaube

Info

Publication number: DE69714716T2
Application number: DE69714716T
Authority: DE
Inventors: Lee Roy ORNDORFF
Original assignee: Duramax Marine LLC
Current assignee: Duramax Marine LLC
Priority date: 1996-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2017-04-19
Also published as: ES2182093T3; US20030198412A1; US6626573B2; BR9708727A; WO1997038899A1; NO984673L; CA2252233A1; AU733160B2; US7290932B2; US20010017952A1; US7490992B2; CN1216509A; US20080063327A1; US20050207683A1; EP0894067B1; EP0894067A1; CN1086987C; JP2002504208A; DE69714716D1; AU3114397A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Lageraufbau und insbesondere einen neuen und neuartigen Lageraufbau für die Verwendung bei der Lagerung einer wassergeschmierten Schraubenwelle z.B. in großen Schiffen. Lageraufbaue mit elastomeren Lagerelementen sind für diesen Zweck besonders geeignet, da sie über eine hervorragende Fähigkeit verfügen, den Wirkungen korrodierender Flüssigkeiten und dem Abrieb aufgrund von Fremdstoffpartikeln, die in dem Meerwasser, in dem die Welle und der Lageraufbau arbeiten, suspendiert mitgetragen werden, zu widerstehen. Derartige Lageraufbaue mit elastomeren Lagerelementen wurden und werden immer noch mit einer äußeren nichtkorrodierenden Halterung oder Buchse mit einer Mehrzahl von entlang des Umfangs gleichmäßig beabstandeten elastomeren Dauben hergestellt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Lageraufbau für die Lagerung einer Welle wie in Anspruch 1 beschrieben bereitgestellt.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuartigen Lageraufbau, bei dem eine äußere Buchse und eine Mehrzahl von entlang des Umfangs beabstandeten Lagerelementen, die mit der Welle in Kontakt sind, verwendet werden, wobei diese Lagerelemente querverlaufende Nuten oder ein hydrodynamisches Muster aufweisen, mit denen/dem das Lagerreibungsdrehmoment vermindert und somit die Leistung des Lagers verbessert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Lageraufbaus.
2 ist eine isometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen Lagerdaube.
3a–3b sind isometrische Ansichten alternativer Ausführungsformen des Lagermaterials für die Verwendung in einem erfindungsgemäßen Lageraufbau.
4 ist eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lageraufbaus.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird Bezug genommen auf 1, in der ein erfindungsgemäßer Lageraufbau 210 ein Gehäuse 215 mit drei Dauben 240 aufweist, welche entlang des radialen inneren Bereichs des Gehäuses vorgesehen sind. Jede Daube 240 wird durch ein Paar elastomerer Elemente an Ort und Stelle gehalten. Eine steife Platte 264 oder ein steifer Stab ist oben auf jedem elastomeren Element 260 angeordnet. Eine Schraube 266 erstreckt sich durch einen Spiel-Schacht (nicht gezeigt) in jedem der Stäbe 264 und elastomeren Elemente 260 und greift in das Gewindeloch 267 im Gehäuse 215 ein. Durch die Spannschraube 266 wird die steife Platte 264 auf das Gehäuse 215 zu gezogen, wodurch jedes elastomere Element 260 zusammengedrückt und verformt wird, so dass sich dieses seitlich ausdehnt und die jeweiligen Dauben 240 zusammendrückt und an Ort und Stelle hält.
Jede Daube 240 weist eine mit Nuten versehene Lageroberfläche auf 241 und eine im Wesentlichen flache Rückseite 282 auf und wird durch eine oder mehrere Beilegscheiben oder Polster bzw. Druckunterlagen gestützt. Vorzugsweise ist jede Rückseite 282 einer Daube 240 mit einer oberen Beilegscheibe 284, bestehend aus einem harten Material (z.B. Metall, ein Verbundmaterial oder einem anderen, harten Kunststoff) in Kontakt, die durch ein unteres Polster 286, bestehend aus einem elastischen oder komprimierbaren Material (z.B. einem weichen Kunststoff, Gummi oder einem anderen Elastomer) gestützt wird. Dauben mit flachem Rücken sind verglichen mit Dauben mit runder Rückseite ökonomischer in der Herstellung. Die untere Daube 240 stützt die Antriebswelle 223; die oberen Dauben 240 haben tangentiellen Kontakt mit der Antriebswelle 223 und wirken dabei mit der unteren Daube 240 zusammen, so dass ein störendes Biegen der Welle 223 vermieden wird.
Gehäuse 215 besteht vorzugsweise aus einer metallischen Struktur wie z.B. Messing, einer Kunstoffbuchse oder einer nichtmetallischen Verbundstruktur. Das Gehäuse 215 besteht mit größtem Vorzug aus glasfaserverstärktem Epoxidharz mit einem Glasgehalt in der Größenordnung von 70 Gew.-%.
Die Dauben 240 werden vorzugsweise aus einem Elastomeren/Kunststoff-Verbundstoff hergestellt, wie z.B. dem Verbundstoff der in dem in gemeinsamem Besitz befindlichen US-Patent 3,993,371 beschrieben ist, oder aus einem homogenen schlüpfrigen Polymerverbundstoff (SPA), wie z.B. in den US-Patenten 4,725,151 und 4,735,982 offenbart; alle diese Patente sind in ihrer Gänze in dieser Anmeldung durch Bezugnahme aufgenommen. SPA ist eine Mischung aus einem Thermoplast- und einem Duroplastkautschuk, mit einer geringeren Menge an Gleitmittel. SPA ist eine heterogene Zusammensetzung, in der der Thermoplast in einer kontinuierlichen Phase und der Duroplast in dieser als disperse Phase dispergiert vorliegt. Anders ausgedrückt wird eine Thermoplast-Matrix gebildet, welche die Duroplast-Komponente und das Gleitmittel dispergiert enthält – im Gegensatz zu einer Beimengung.
Die thermoplastische Komponente kann aus jedem beliebigen Polymer bestehen, das über Zähigkeit, niedrige Reibung und gute Verschleißfestigkeit verfügt. Eine spezifische Gruppe derartiger Polymere sind die verschiedenen ultrahochmolekulargewichtigen Polyethylene (UHMWPE), welche im Stand der Technik wie auch in der Literatur bekannt sind. Als Polyethylene mit ultrahohem Molekulargewicht werden im Allgemeinen diejenigen Polymere eingeordnet, die bei Anwendung der Lösungsviskositätsmethode ein mittleres Molekulargewicht von mehr als 2,5 Millionen haben, d.h. von etwa 3.0 Millionen bis etwa 7.0 Millionen. Ein erwünschter Bereich liegt bei etwa 4 Millionen bis etwa 6.5 Millionen, wobei ein bevorzugter Bereich bei etwa 5 Millionen bis etwa 6 Millionen liegt. Solche Polyethylene sind kommerziell von Hoechst Celanese Corporation unter dem Namen GUR 413 erhältlich.
Die ultrahochmolekulargewichtigen Polyethylene wie auch andere im Allgemeinen für diese Erfindung geeignete Polymere weisen in der Regel geringe Reibungseigenschaften auf, wie z.B. einen Losbrech-Koeffizienten der Haftreibung bei 0 Umdrehungen pro Minute von 0,25 oder weniger, wünschenswerterweise 0,20 oder weniger und vorzugsweise 0,15 oder weniger. Die erwünschten thermoplastischen Materialien der vorliegenden Erfindung weisen außerdem eine mittels Izod-Kerb-Schlagfestigkeitsprüfung (ASTM D256) ermittelte Schlagfestigkeit bzw. Zähigkeit von 20 oder mehr auf, vorzugsweise 30 oder mehr. Nicht eingekerbte Prüfmuster versagten jedoch nicht. Die erfindungsgemäßen thermoplastischen Materialien haben des Weiteren eine gute Verschleißfestigkeit; diese wird durch einen Abriebtest mit einer Sandschlämme ermittelt. Der Sandschlämme-Abriebtest ist ein Test der Hoechst Ce lanese Corporation, bei dem im Allgemeinen ein Versuchsmuster (25.4 mm × 76.2 mm × 6.4 mm) (1" × 3" × ¼") mit 1200 Umdrehungen pro Minute über einen Zeitraum von 24 Stunden in einer Schlämme rotiert wird, wobei die Schlämme 2 Teile Wasser und 3 Teile Sand enthält.
Die Menge des Polyethylens mit ultrahohem Molekulargewicht wird so bemessen, dass sie eine kontinuierliche Phase in dem SPA bildet. Generell ist die verwendete Menge der thermoplastischen Komponente ausreichend groß, um die Komponente aus duroplastischem Gummi, welche im Allgemeinen in Form von Partikeln vorliegt, zu überziehen; wünschenswert ist jedoch eine Menge, die über die für das Überziehen der Gummipartikel erforderliche hinausgeht. Auf der Basis des Gesamtgewichtes des SPA liegt die verwendete Menge des Thermoplasten häufig bei etwa 25 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-%, wünschenswerterweise bei etwa 40 Gew.-% bis etwa 75 Gew.-% und vorzugsweise bei etwa 55 Gew.-% bis etwa 65 Gew.-%.
Die Duroplast-Mischung ist eine Mischung aus vulkanisiertem Kautschuk, die in der Regel über eine geringe Reibung sowie gute Beständigkeit gegen Öl und Wasser verfügt. Mit "niedriger Reibung" ist gemeint, dass Gummi-Lager eines gewünschten Dickenbereichs unter Wasserschmierung bei normalen Betriebsdrehzahlen des Lagerzapfens (Welle) eine hydrodynamische Schmierung entwickeln. Dünne Gummilager entwickeln eine hydrodynamische Reibung bei geringeren Wellendrehzahlen als jedes andere bekannte Lagermaterial; der Grund hierfür liegt im plastoelektrohydrodynamischen Effekt. Hydrodynamische Schmierung ist die Entstehung eines Fluidfilms zwischen dem Lager und der sich drehenden Welle. Mit den Begriffen "öl- und wasserbeständig" ist gemeint, dass das Elastomer unbeeinflusst bleibt (nicht gelöst oder erweicht wird) und die durch Quellen in Wasser verursachte volumenzuname unter 5 %, vorzugsweise unter 3 % beträgt.
Generell kann jede Gummi-Zusammensetzung, die diese Reibungs- und Wasserbeständigkeitseigenschaften aufweist, verwendet werden. Eine spezifische Gruppe solcher Zusammensetzungen sind verschiedene Nitrilkautschuke, die im Stand der Technik und in der Literatur bekannt sind. So können z.B. die unterschiedlichen Hycar-Nitrilkautschuk-Mischungen, die von der BFGoodrich Company hergestellt werden, Verwendung finden. Die verschiedenen härteren Nitrilkautschuk-Mischungen sind im Allgemeinen bevorzugt. Ein spezifisches Beispiel für einen solchen Kautschuk ist die Mischung H-201 (85 +/- Shore-A-Härte), die von der BFGoodrich Company hergestellt wird. Ein weiteres Beispiel ist ein weicherer Nitrilkautschuk wie z.B. die Mischung H-203, ebenfalls von BFGoodrich Company hergestellt, die eine Shore-A-Härte von etwa 65 t 5 aufweist. Andere Kautschuke umfassen Butylkautschuk, EPDM, dies ist eine Kautschuk aus Ethylen-Propylen-Dien-Monomeren, und Fluorelastomere auf Basis des Copolymers aus Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen, von dem angenommen wird, dass es die folgende, sich wiederholende Struktur aufweist: -CF-CH-CF-CF(CF)-. Derartige Copolymere werden unter dem Warenzeichen "Viton" von DuPont verkauft. Obwohl auch diese anderen Kautschuk-Mischungen verwendet werden können, sind die Nitrilkautschuke sehr bevorzugt.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Kautschuk-Komponente zunächst mit der thermoplastischen Komponente trockengemischt oder gemischt werden kann, bevor der Verbundstoff gebildet wird.
Entsprechend wird die Kautschuk-Komponente gehärtet und, um die beiden Komponenten miteinander zu mischen, bis auf eine geeignete Größe gemahlen. Es können herkömmliche Mahlverfahren verwendet werden, wie z.B. mechanisches oder kryogenes Mahlen. Die Partikelgröße der gehärteten Gummikomponente ist im Allgemeinen von Bedeutung. Die Partikelgröße wird im Allgemeinen so bemessen, dass sie feiner ist als ein spezifisches Tyler-Maschensieb, d.h. die Teilchen sind in der Lage, dieses zu durchlaufen. Die gehärteten Gummi-Komponenten haben demnach im Allgemeinen eine Partikelgröße unterhalb der Maschenzahl 35, wünschenswerterweise weniger als Maschenzahl 65 und vorzugsweise weniger als Maschenzahl 100. Die Menge des gehärteten Gummis in dem SPA liegt im Allgemeinen bei etwa 10 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-%, wünschenswerterweise bei etwa 12 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% und vorzugsweise bei etwa 15 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht des SPA.
Das Gleitmittel wird im Allgemeinen in Form eines Feststoffes hinzugefügt und ist somit nicht flüssig. Um eine gute Ausbreitung des Gleitmittels zu gewährleisten, liegt dieses üblicherweise in Form eines Pulvers vor. Mit dem Begriff "Pulver" ist gemeint, dass eine Mehrheit – mindestens 70 %, 80 % oder 90 % und mehr, wünschenswerterweise wenigstens 95 % – der Partikel kleiner sind als ein Tyler-100-Maschensieb, d.h. 150 μm. Wünschenswert ist eine Größe der Mehrheit der Pulverpartikel – üblicherweise 80 %, 90 % oder sogar 95 % – unterhalb Maschenzahl 200, d.h. 75 μm. Vorzugsweise ist der größte Teil des Graphit-Pulvers – d.h. 70 %, 80 % oder 90 % – kleiner als Maschenzahl 325, d.h. 44 μm. Jedes aus dem Stand der Technik und der Literatur bekannte Gleitmittel, durch welches der SPA Schmiereigenschaften erhält, kann verwendet werden. Mit "Schmiereigenschaften" ist gemeint, dass der Reibungskoeffizient der Oberfläche des geformten SPA vermindert wird, wenn der Verschleiß einsetzt, z.B. im Größenbereich von wenigstens 10%, wünschenswerterweise wenigstens 20 % oder 30 %.
Das Gleitmittel sollte auch nichtabrasiv sein. Ein bevorzugtes Gleitmittel ist Graphit. Ein Beispiel für einen spezifischen Graphit ist Grade 117-A, hergestellt von Asbury Graphite Mills, Inc. Ein weiteres spezifisches Gleitmittel ist Molybdändisulfid. Zwar ist Molybdändisulfid nicht generell bevorzugt, seine Anwendung ist jedoch bei Trocken-End-Anwendungen wünschenswert, bei denen keine Feuchtigkeit zur Verfügung steht, auch nicht als Luftfeuchtigkeitsdampf. Siliconöle können auch verwendet werden, und zwar in einer Menge von etwa 2 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, wünschenswerterweise von etwa 3 Gew.-% bis etwa 6 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht des SPA. Beispiele für spezifische Siliconöle umfassen 200 Fluid, hergestellt von Dow Corning.
Die Menge des Gleitmittels liegt im Allgemeinen bei etwa 0.5 oder 3 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-%, wünschenswert sind etwa 1.0 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%, bevorzugt sind etwa 2 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht des SPA.
Hierbei hat sich herausgestellt, dass bestimmte Materialfaktoren für die Dauben 240 von Bedeutung sind. Erstens werden hydrophobe Materialien bevorzugt. Zweitens sollte die Elastomer-Härte etwa 70 Shore A betragen. Drittens, sollte das Verhältnis des Zapfendurchmessers der welle zu der oberen Breite der Daube etwa 4 zu 7 betragen. Viertens sollte die Dicke des Elastomeren etwa 3,175 mm bis 7,92 mm (0,125 Zoll bis 0,312 Zoll) betragen. Fünftens sollte das Oberflächen-Finish der Daube unter 508 nm (20 Mikrozoll) betragen. Sechstens werden durch ein Lager-Kontakt-Material aus einem härteren Polymerverbundstoff, wie z.B. dem oben beschriebenen SPA- Material, bevorzugte Verschleiß- und Reibungscharakteristiken erzielt.
Die elastomeren Elemente 260 bestehen vorzugsweise aus natürlichen Kautschuk- oder Nitrilkautschukmischungen und haben vor der Kompression vorzugsweise eine Breite von 19,05 bis 38,1 mm (0,75 bis 1,5 Zoll). Die steifen Platten 264 bestehen mit Vorzug aus einem Metall, z.B. rostfreiem Stahl, oder einem harten Kunststoff, wie z.B. faserverstärktem Epoxidharz. Die komprimierten elastomeren Elemente 260 dehnen sich aus und ergreifen somit die Seiten der Dauben 240. Außerdem werden sie um die Enden der Dauben herum verformt und bilden somit ein Element zur axialen Arrettierung.
Die Polster 286 bieten die Möglichkeit zur Ausrichtung. Die obere Beilegscheibe 284 wird dazu verwendet, das Betriebsspiel zwischen der Lagerbohrung und der Welle 223 zu steuern, um das Abschleifen von kritischer Daubenfläche zu verhindern, und den Vorgang der Lagererneuerung und des Ersetzens des Lagers zu vereinfachen. Jede Daube in einem Lager des Dauben-Typs dient als individuelle und unabhängige Lagerfläche. Durch die Biegefähigkeit des Lagers 210 wird ein spielfreies Lager [zero clearance bearing] (ZCB) bereitgestellt – ZCB haben eine größere Stabilität, unter anderem weil die nicht belasteten Dauben von der rotierenden Welle 223 niedergedrückt werden können, wenn diese einen hydrodynamisch druckbeaufschlagten Abhebedruck auf den lasttragenden Dauben entwickelt. Darüber hinaus ist die durch sandiges bzw. kiesiges Wasser bedingte Daubenabnutzung in einem ZCB erheblich vermindert, da der Umkehrfluß-Partikel-Zurückweisungsvorgang dann am effizientesten ist, wenn sich die Welle (Wellenzapfen) in Kontakt mit allen Dauben befindet (kein unbelasteter Spielraum). In einem ZCB besteht ein Null-Spiel zwischen allen Dauben und der Wel le. In einem herkömmlichen Daubenlager, das mit anfänglichem Spiel konstruiert wurde, sind die seitlichen oder oberen Dauben nicht belastet und werden von der Welle nicht berührt. Die Effizienz des Umkehrfluß-Partikel-Zurückweisungsvorgangs wird durch jeglichen vorhanden Spielraum vermindert, wodurch eine Abnutzung von Oberflächen der seitlichen oder oberen Dauben verursacht wird. Die Sandpartikel fließen durch den Spielraum, anstatt zurückgewiesen zu werden, wodurch sie durch die Wassernuten nach draußen fließen.
Die drei Dauben sind vorzugsweise ungefähr 120° voneinander entfernt (Winkel A), wobei sich die zwei oberen Dauben etwa 30° (Winkel B) über der horizontalen Linie 280 befinden und die untere Daube etwa 90° unterhalb der Horizontalen 280 angeordnet ist.
Im Folgenden wird Bezug auf die 2 genommen, in der eine Daube 240 für das Lager 210 von 1 dargestellt ist. Die Dauben 240 weisen eine Mehrzahl von darin vorgesehenen transversalen Nuten 290 auf, die über die axiale Länge der Daube verteilt sind, wodurch sie eine Mehrzahl von Stegen oder erhabenen Stellen 241 erzeugen, die in Richtung auf die axiale Mittellinie hervorstehen. Die Nuten können entweder durch Formen oder durch spanende Bearbeitung in das Material eingebracht werden, wobei die spanenden Bearbeitung das bevorzugte Verfahren ist. Die jeweiligen Abmessungen der Dauben sind bei jeder Anwendung verschieden. Für eine Daube der Größenordnung von 19,05 mm (0,75 Zoll) Dicke, haben die Nuten 290 vorzugsweise eine Größenordnung von 6,35 mm (0,25 Zoll) Tiefe und 8,38 mm (0,33 Zoll) Breite, mit einem Abstand zwischen den Nuten in der Größenordnung von 25,4 mm (1 Zoll). Spanende Einarbeitung der Nuten in die Dauben erhöht die Größe des Kontaktdruckes zwischen den Nuten. Die Abmessungen der Dauben und der Nuten müssen derart gewählt werden, dass die aufgebrachte Last so groß ist, dass eine niedrige Reibung und Abnutzung auftreten, jedoch muss das Wölbungs-Verhältnis auch niedrig genug sein, damit sich die Dauben anpassen und eine das Gleitmittel einfangende Tasche bilden können.
Im Folgenden wird auf 3a–3b Bezug genommen, in denen alternative Ausführungsformen für Dauben 240 dargestellt sind. Das Lagermaterial wird zu großen flexiblen Tafeln geformt. Das Material wird geformt und mittels einer Platte oder einem rauen Gewebe oder Textilmaterial mit einer Vielzahl von erhabenen Stellen, Stegen oder Kontaktpunkten, 414, 424 versehen, wobei jede der erhabenen Stellen bei Flüssigkeitsschmierung einzeln zu einer hydrodynamischen Lagerfläche werden kann. Das Material wird geformt und mittels eines rauen Gewebes (3a) oder einer Platte mit einer Vielzahl von erhabenen Stellen versehen. Die geformten Dauben bestehen aus einem Elastomer/Kunststoff-Verbund, wie z.B. dem im US-Patent 3,993,371 (in gemeinsamem Besitz), oder mit größtem Vorzug aus einem homogenen schlüpfrigen Polymerverbundstoff (SPA), wie z.B. in den US Patenten 4,725,151 und 4,735,982 offenbart; alle diese Patente sind in ihrer Gänze in dieser Anmeldung durch Bezugnahme aufgenommen. Die SPA-Lagermaterialschicht hat vorzugsweise die Größenordnung von 3,175 mm (0,125 Zoll) Dicke. Das Material wird dann während der Härtung der Tafel auf einer Rückschicht aus Nitrilkautschuk angebracht. Durch die Kautschukrückschicht wird die Tafel flexibel und kann, wenn sie geschliffen ist, problemlos auf ein Lagergehäuse aus Metall oder Verbundstoff aufgeklebt werden, und zwar unter Verwendung eines bei Raumtemperatur härtenden Epoxyklebers oder Kontaktklebstoffs. Die Kautschukrückschicht kann leicht so mit Sand poliert oder mittels einer Maschine geschliffen werden, dass sich die korrekte Gesamtdicke der Tafel für die jeweilige Lagergröße er gibt. Durch die Klebschicht nimmt die gesamte Wanddicke des Lagers um 25,4 μm (0,001 Zoll) zu. Es besteht daher keine Notwendigkeit, die Lagerflächen zu schleifen oder zu bearbeiten. Schleifen der Lageroberflächen führt zu einer Erhöhung der Reibung und des Verschleißes. Die gesamte Daubendicke beträgt vorzugsweise 15,88 bis 27,94 mm (0,625 Zoll bis 1,1 Zoll).
Es ist zu bemerken, dass die Dauben in 3a–3b vollständig aus dem oben genannten SPA-Material bestehen können. Das heißt, dass die Dauben 240 ohne untere Schicht 410 vorgesehen sein können und somit aus einer einzigen Schicht aus dem für Schicht 412 vorgesehenen Material bestehen würden.
Im Folgenden wird auf 3a Bezug genommen: Ein alternatives Daubenmaterial 240 kann durch Anordnen einer ein Muster aufweisenden unteren Schicht 410 aus Elastomer in einer Form hergestellt werden. Das bevorzugte Elastomer ist die Katalognummer H-201, erhältlich von BFGoodrich Company. Als nächstes wird eine obere Schicht 412 aus schlüpfrigem Polymerverbundstoff (SPA) auf dem Elastomer angeordnet. Der SPA besteht aus einer Mischung aus einem thermoplastischen und einem duroplastischen Gummi, sowie einer kleineren Menge Gleitmittel. Der SPA ist eine heterogene Zusammensetzung, in der der Thermoplast in einer kontinuierlichen Phase vorliegt und der Duroplast in dieser als disperse Phase dispergiert ist. Anders ausgedrückt wird eine Thermoplast-Matrix gebildet, welche die Duroplast-Komponente und das Gleitmittel darin dispergiert enthält – im Gegensatz zu einer Beimengung.
Die thermoplastische Komponente kann aus jedem beliebigen Polymer bestehen, das über Zähigkeit, niedrige Reibung und gute Verschleißfestigkeit verfügt. Eine spezifische Gruppe derartiger Polymere sind die verschiedenen ultrahochmolekulargewichtigen Polyethylene (UHMWPE), welche im Stand der Technik wie auch in der Literatur bekannt sind. Als Polyethylene mit ultrahohem Molekulargewicht werden im Allgemeinen diejenigen Polymere eingeordnet, die bei Anwendung der Lösungsviskositätsmethode ein mittleres Molekulargewicht von mehr als 2,5 Millionen haben, d.h. von etwa 3.0 Millionen bis etwa 7.0 Millionen. Ein erwünschter Bereich liegt bei etwa 4 Millionen bis etwa 6.5 Millionen, wobei ein bevorzugter Bereich bei etwa 5 Millionen bis etwa 6 Millionen liegt. Solche Polyethylene sind kommerziell von Hoechst Celanese Corporation unter dem Namen GUR 413 erhältlich.
Die ultrahochmolekulargewichtigen Polyethylens wie auch andere im Allgemeinen für diese Erfindung geeignete Polymere weisen in der Regel geringe Reibungseigenschaften auf, wie z.B. einen Losbrech-Koeffizienten der Haftreibung bei 0 Umdrehungen pro Minute Wellendrehzahl von 0,25 oder weniger, wünschenswerterweise 0,20 oder weniger und vorzugsweise 0,15 oder weniger. Die erwünschten thermoplastischen Materialien der vorliegenden Erfindung weisen außerdem eine mittels Izod-Kerb-Schlagfestigkeitsprüfung (ASTM D256) ermittelte Schlagfestigkeit bzw. Zähigkeit von 20 oder mehr auf, vorzugsweise 30 oder mehr. Nicht eingekerbte Prüfmuster versagten jedoch nicht. Die erfindungsgemäßen thermoplastischen Materialien haben des Weiteren eine gute Verschleißfestigkeit; diese wird durch einen Abriebtest mit einer Sandschlämme ermittelt. Der Sandschlämme-Abriebtest ist ein Test der Hoechst Celanese Corporation, bei dem im Allgemeinen ein Prüfmuster (25.4 mm × 76.2 mm × 6.4 mm) (1" × 3" × ¼") mit 1200 Umdrehungen pro Minute über einen Zeitraum von 24 Stunden in einer Schlämme rotiert wird, wobei die Schlämme 2 Teile Wasser und 3 Teile Sand enthält.
Die Menge des Polyethylens mit ultrahohem Molekulargewicht wird so bemessen, dass sie eine kontinuierliche Phase in dem SPA bildet. Generell ist die verwendete Menge der thermoplastischen Komponente ausreichend groß, um die Komponente aus duroplastischem Gummi, welche im Allgemeinen in Form von Partikeln vorliegt, zu überziehen; wünschenswert ist jedoch eine Menge, die über die für das Überziehen der Gummipartikel erforderliche hinausgeht. Auf der Basis des Gesamtgewichtes des SPA liegt die verwendete Menge des Thermoplasten häufig bei etwa 25 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-%, wünschenswerterweise bei etwa 40 Gew.-% bis etwa 75 Gew.-% und vorzugsweise bei etwa 55 Gew.-% bis etwa 65 Gew.-%.
Die Duroplast-Mischung ist eine Mischung aus vulkanisiertem Kautschuk, die in der Regel über eine geringe Reibung sowie gute Beständigkeit gegen Öl und Wasser verfügt. Mit "niedriger Reibung" ist gemeint, dass Gummi-Lager eines gewünschten Dickenbereichs unter Wasserschmierung bei normalen Betriebsdrehzahlen des Lagerzapfens (welle) eine hydrodynamische Schmierung entwickeln. Dünne Gummilager entwickeln eine hydrodynamische Reibung bei geringeren Wellendrehzahlen als jedes andere bekannte Lagermaterial; der Grund hierfür liegt im plastoelektrohydrodynamischen Effekt. Hydrodynamische Schmierung ist die Entstehung eines Fluidfilms zwischen dem Lager und der sich drehenden Welle. Mit den Begriffen "öl- und wasserbeständig" ist gemeint, dass das Elastomer unbeeinflusst bleibt (nicht gelöst oder erweicht wird) und die durch Quellen in Wasser verursachte Volumenzuname unter 5 %, vorzugsweise unter 3 % beträgt.
Generell kann jede Gummi-Zusammensetzung, die diese Reibungs- und Wasserbeständigkeitseigenschaften aufweist, verwendet werden. Eine spezifische Gruppe solcher Zusammensetzungen sind verschiedene Nitrilkautschuke, die im Stand der Technik und in der Literatur bekannt sind. So können z.B. die unterschiedlichen Nitrilkautschuk-Mischungen, die von der BFGoodrich Company hergestellt werden, Verwendung finden. Die verschiedenen härteren Nitrilkautschuk-Mischungen sind im Allgemeinen bevorzugt. Ein spezifisches Beispiel für einen solchen Kautschuk ist die Mischung H-201 (85 +/- Shore-A-Härte), die von der BFGoodrich Company hergestellt wird. Ein weiteres Beispiel ist ein weicherer Nitrilkautschuk wie z.B. die Mischung H-203, ebenfalls von BFGoodrich Company hergestellt, die eine Shore-A-Härte von etwa 65 ± 5 aufweist. Andere Kautschuke umfassen Butylkautschuk, EPDM, dies ist eine Kautschuk aus Ethylen-Propylen-Dien-Monomeren, und Fluorelastomere auf Basis des Copolymers aus Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen, von dem angenommen wird, dass es die folgende, sich wiederholende Struktur aufweist: -CF-CH-CF-CF(CF)-. Derartige Copolymere werden unter dem Warenzeichen "Viton" von DuPont verkauft. Obwohl auch diese anderen Kautschuk-Mischungen verwendet werden können, sind die Nitrilkautschuke sehr bevorzugt.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die gehärtete Gummi-Komponente zunächst problemlos mit der thermoplastischen Komponente trockengemischt oder gemischt werden kann, bevor der Verbundstoff gebildet wird.
Entsprechend wird die Kautschuk-Komponente gehärtet und, um die beiden Komponenten miteinander zu mischen, bis auf eine geeignete Größe gemahlen. Es können herkömmliche Mahlverfahren verwendet werden, wie z.B. mechanisches oder kryogenes Mahlen. Die Partikelgröße der gehärteten Gummikomponente ist im Allgemeinen von Bedeutung. Die Partikelgröße wird im Allgemeinen so bemessen, dass sie feiner ist als ein spezifisches Tyler- Maschensieb, d.h. die Teilchen sind in der Lage, dieses zu durchlaufen. Die gehärteten Gummi-Komponenten haben demnach im Allgemeinen eine Partikelgröße unterhalb der Maschenzahl 35, wünschenswerterweise weniger als Maschenzahl 65 und vorzugsweise weniger als Maschenzahl 100. Die Menge des gehärteten Gummis in dem SPA liegt im Allgemeinen bei etwa 10 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-%, wünschenswerterweise bei etwa 12 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% und vorzugsweise bei etwa 15 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht des SPA.
Das Gleitmittel wird im Allgemeinen in Form eines Feststoffes hinzugefügt und ist somit nicht flüssig. Um eine gute Ausbreitung des Gleitmittels zu gewährleisten, liegt dieses üblicherweise in Form eines Pulvers vor. Mit dem Begriff "Pulver" ist gemeint, dass eine Mehrheit – mindestens 70 %, 80 % oder 90 % und mehr, wünschenswerterweise wenigstens 95 % – der Partikel kleiner sind als ein Tyler-100-Maschensieb, d.h. 150 μm. Wünschenswert ist eine Größe der Mehrheit der Pulverpartikel – üblicherweise 80 %, 90 % oder sogar 95 % – unterhalb Maschenzahl 200, d.h. 75 μm. Vorzugsweise ist der größte Teil des Graphit-Pulvers – d.h. 70 %, 80 % oder 90 % – kleiner als Maschenzahl 325, d.h. 44 μm. Jedes aus dem Stand der Technik und der Literatur bekannte Gleitmittel, durch welches der SPA Schmiereigenschaften erhält, kann verwendet werden. Mit "Schmiereigenschaften" ist gemeint, dass der Reibungskoeffizient der Oberfläche des geformten SPA vermindert wird, wenn der Verschleiß einsetzt, z.B. im Größenbereich von wenigstens 10%, wünschenswerterweise wenigstens 20 % oder 30 %.
Das Gleitmittel sollte auch nichtabrasiv sein. Ein bevorzugtes Gleitmittel ist Graphit. Ein Beispiel für einen spezifischen Graphit ist Grade 117-A, hergestellt von Asbury Graphite Mills, Inc. Ein weiteres spezifisches Gleitmittel ist Molybdändisulfid. Zwar ist Molyb dändisulfid nicht generell bevorzugt, seine Anwendung ist jedoch bei Trocken-End-Anwendungen wünschenswert, bei denen keine Feuchtigkeit zur Verfügung steht, auch nicht als Luftfeuchtigkeitsdampf. Siliconöle können auch verwendet werden, und zwar in einer Menge von etwa 2 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, wünschenswerterweise von etwa 3 Gew.-% bis etwa 6 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht des SPA. Beispiele für spezifische Siliconöle umfassen 200 Fluid, hergestellt von Dow Corning.
Die Menge des Gleitmittels liegt im Allgemeinen bei etwa 0.5 oder 3 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-%, wünschenswert sind etwa 1.0 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%, bevorzugt sind etwa 2 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht des SPA.
Als nächster Schritt wird ein Muster in die obere Schicht der Lagerfläche des Lagermaterials 22 übertragen. Das bevorzugte Verfahren zur Übertragung des Musters ist die Anordnung einer Polyesterfolie zwischen einem Stück eines lose gestrickten oder offen gewebten Gewebes bzw. Textilmaterials, wobei die Polyesterfolie und das Gewebe in die Fläche des SPA-Lagermaterials 22 eingedrückt werden, bevor das Schmelzen und Formen stattfindet. Das Gewebe ist vorzugsweise Katalognummer 8708, erhältlich von Georgia Duck. Die Polyester-Trennmittelfolie ist vorzugsweise 76,2 μm (0,003 Zoll) dickes Mylar. Durch die Polyesterfolie wird die sich ergebende SPA-Schicht geglättet und die Kanten abgerundet, so dass die erhabenen Stellen, Stege oder Kontaktstellen 414 jeweils einzeln zu hydrodynamischen Lagerflächen werden können, wenn sie flüssigkeitsgeschmiert sind. Es ist zu bemerken, dass vor dem Eindrücken des Polyesters und des Gewebes in das Material, das Gewebe in einer dem Fachmann gut bekannten Art und Weise mit einem Formtrennmittel, z.B. Katalognummer RTC 9110, hergestellt von Chem- Trend, besprüht werden sollte, um zu gewährleisten, dass sich das Gewebe nach dem Härten wieder entfernen lässt. Nachdem das Gewebe und die Polyesterfolie auf der Oberseite des ungehärteten Lagerabschnitts angeordnet wurden, sollte es hineingedrückt werden, z.B. durch Schließen des Formwerkzeugs. Das Material wird dann für etwa 4,5 Stunden unter einem Druck von etwa 6,89 bis 10,34 Mpa (1000 bis 1500 Pfund je Quadratzoll) bei etwa 176,7°C (350°F) gehärtet. Nach diesem Härtungsvorgang, lässt man die Temperatur der Form wieder auf Raumtemperatur absinken, während der Druck aufrechterhalten wird. Die Abkühlzeit der Form nach der Härtung sollte etwa 1 h betragen. Wie sich herausstellte, trägt die Abkühlung des Verbundstoffes unter Druck dazu bei, eine Verwerfung des Endproduktes zu verhindern. Es ist auch möglich, Wasser auf die Außenseite der, Form aufzubringen, um die Abkühlzeit der Form auf 1 Stunde zu reduzieren und so das Verwerfen des Endproduktes zu verhindern.
Im Folgenden wird auf 3b Bezug genommen: Ein alternatives Lagermaterial kann gemäß dem Verfahren für den in 3a dargestellten Verbundstoff hergestellt werden, wodurch ein Verbundstoff erhalten wird, der eine untere Schicht 420 aus Elastomer und eine obere Schicht 422 aus SPA, mit darin vorgesehenen rautenförmigen erhabenen Stellen, Stegen oder Kontaktstellen 424, aufweist. Die erhabenen Stellen 424 stehen axial nach innen hervor und können jeweils individuell zu hydrodynamischen Lagerflächen werden, wenn sie flüssigkeitsgeschmiert sind. Das rautenförmige Muster in der oberen Schicht 422 wird jedoch durch Verwendung einer Gummiform hergestellt, die mit der geeigneten Vertiefung oder dem geeigneten Muster versehen ist. Eine Polyesterfolie, wie zB. Mylar, kann zwischen der Gummiform und dem SPA vor dem Härten angeordnet werden. Die Dicke der Polyesterfolie liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 76,2 μm (0,003 Zoll).
Durch die Polyesterfolie wird die sich ergebende SPA-Schicht geglättet und die Ecken der erhabenen Stellen abgerundet.
Es ist anzumerken, dass auch andere, hier nicht speziell offenbarte Muster bezüglich Form und Größe in der oberen Verbundstoffschicht vorgesehen werden können, um dem Lager hydrodynamische Eigenschaften zu vermitteln.
Im Folgenden wird auf 4 Bezug genommen, in der eine Lageranordnung 310 gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, welche im Allgemeinen den oben zu den vorhergehenden Figuren beschriebenen Lageranordnungen ähnelt und daher durch Referenzzeichen bezeichnet wird, die den oben besprochenen entsprechen, abgesehen davon, dass hier das "Präfix" 300 verwendet wird.
Ein Gehäuse 315 weist drei Dauben oder Stege 340 auf, die entlang des radialen inneren Bereichs des Gehäuses angeordnet sind. Die Dauben 340 sind als einstückiges oder integriertes Innengehäuse oder Auskleidung 390 ausgebildet, das/die vorzugsweise aus dem oben beschriebenen SPA-Elastomer/Kunststoff-Verbundstoff besteht.
Das Gehäuse 315 besteht vorzugsweise aus den ebenfalls oben beschriebenen Gehäusematerialien. Die Auskleidung 390 wird vorzugsweise in der im US-Patent Nr. 4,735,982 – auf das oben Bezug genommen wurde – beschriebenen Art und Weise hergestellt, und in dem Gehäuse 315 montiert, während es vom Spritzpressverfahren noch heiß ist. Die Auskleidung 390 wird, vorzugsweise unter Verwendung eines Haftvermittlers und Vernetzungsmittels, wie z.B. Vanchem HM-50, erhältlich von R.T.Vanderbilt Co., in dem Gehäuse befestigt. Der Hauptvorteil dieses Klebers gegenüber anderen liegt in seiner Festigkeit in Wärmie. Es können jedoch auch andere Befestigungsmittel Verwendung finden, um die Auskleidung in dem Gehäuse zu befestigen.
Das Verhältnis Länge/Durchmesser (L/D) früherer Lager des Daubentyps mit Elastomerstegen liegt notwendigerweise in der Größenordnung von vier zu eins – aus Gründen des Verschleißes und der Lebensdauer. Das Lager 310 ermöglicht ein viel geringeres L/D, möglicherweise in der Größenordnung von zwei zu eins oder sogar eins zu eins, wodurch sich die Herstellungskosten vermindern. Außerdem ist die Auskleidung 390 relativ leicht herzustellen und reduziert die Notwendigkeit zur maschinellen Nachbearbeitung der Bohrung des Gehäuses 315. Die Lagerfläche 341 jedes Steges 340 weist entweder Nuten oder ein Muster entsprechend den oben in 2 und 3a–3b beschriebenen Dauben oder Stegen auf.
Es ist ersichtlich, dass, obwohl oben eine spezifische Ausführungsform und eine bestimmte Modifikation der Erfindung im Einzelnen beschrieben wurden, die Erfindung nicht auf die spezifisch erläuterten und beschriebenen Konstruktionen beschränkt ist, da Variationen durchgeführt werden können, ohne dabei von den Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.

Claims

Lageraufbau (210, 310) zum Halten einer Welle (223), umfassend: eine äußere Buchse (215, 315), die eine zentrale Öffnung mit einer Mittelachse und eine innere Fläche, welche durch die zentrale Öffnung definiert wird, aufweist; und wenigstens eine Lagerkomponente (240, 340), die an der inneren Fläche angeordnet ist, um mit der Welle (223) in Kontakt zu stehen und diese zu stützen, wobei die Lagerkomponente (240, 340) aus einem Thermoplast-Kautschuk/Gummi-Polymerverbundstoff besteht, wobei der Verbundstoff ein thermoplastisches Polymer mit Zähigkeit, niedriger Reibung und guter Verschleißfestigkeit sowie eine duroplastische Kautschuk-/Gummimischung umfasst, um der Lagerkomponente (240, 340) die Eigenschaft der Elastizität zu verleihen und somit die Lagerkomponente (240, 340) in die Lage zu versetzen, mit der Welle (223) in Kontakt zu bleiben; dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerkomponente (240, 340) eine diskontinuierliche Fläche mit Kontaktelementen (241, 414, 424, 341) für den tangentiellen Kontakt mit der Welle (223) und Zwischenräume (290) zwischen den Kontaktelementen (241, 414, 424, 341) aufweist, wobei die Zwischenräume (290) zusammen mit der Welle (223) Gleitmittel-aufnehmende Taschen bilden.
Lageraufbau (210, 310) nach Anspruch 1, bei dem der Thermoplast-Kautschuk/Gummi-Polymerverbundstoff ein schlüpfriger Polymerverbundstoff ist, der eine heterogene Zusammensetzung aus einem Thermoplasten in einer kon tinuierlichen Phase und aus einer duroplastischen Kautschuk-/Gummimischung, die in dem Thermoplasten als disperse Phase dispergiert ist, sowie ein in dem Thermoplasten dispergiertes Gleitmittel umfasst.
Lageraufbau (210, 310) nach Anspruch 2, bei dem die thermoplastische Kautschuk-/Gummimischung eine vorher gehärtete Gummimischung ist, die eine geringe Reibung aufweist und gegen Öl und Wasser beständig ist.
Lageraufbau (210, 310) nach Anspruch 2, bei dem das Gleitmittel aus der Gruppe bestehend aus Graphit, Molybdändisulfid und Siliconöl ausgewählt ist.
Lageraufbau (210, 310) nach Anspruch 1, bei dem die Lagerkomponente (240) mit der diskontinuierlichen Fläche einen Satz Stege (241) umfasst, die quer zur Mittelachse verlaufen, wobei die Stege (241) von einem benachbarten Steg (241) beabstandet sind und Nuten (290) bilden, die zwischen den Stegen (241) quer zur Mittelachse verlaufen.
Lageraufbau (210, 310) nach Anspruch 1, bei dem die Lagerkomponente (240, 340) wenigstens eine Lagerdaube ist.
Lageraufbau (210) nach Anspruch 6, bei dem die Innenfläche eine zylindrische Konfiguration aufweist und die Daube (240) auf dem radialen inneren Bereich der Innenfläche vorgesehen ist, wobei die Komponente durch elastomere Elemente (260), die mit gegenüberliegenden Seiten der Lagerkomponente (240) in Eingriff sind, und durch Haltevorrichtungen (266), welche die elastomeren Elemente (260) mit der äußeren Buchse (215, 315) verbinden, an Ort und Stelle gehalten wird.
Lageraufbau (210, 310) nach Anspruch 1, bei dem die diskontinuierlichen Flächen eine Mehrzahl von Wänden auf der Lagerkomponente (240, 340) umfassen, die nach innen auf eine in dem Lageraufbau (210, 310) angeordnete Welle (223) zu verlaufen, wobei die Wände die Kontaktelemente (241, 414, 424, 341) definieren, die Kontaktelemente (241, 414, 424, 341) eine Mehrzahl von erhabenen Stellen für den Kontakt mit der Welle (223) aufweisen und die erhabenen Stellen als hydrodynamische Lagerflächen fungieren, wenn die Welle (223) flüssigkeitsgeschmiert ist.
Lageraufbau (210, 310) nach Anspruch 1, bei dem die diskontinuierliche Fläche eine Mehrzahl von erhabenen Stellen auf der Lagerkomponente (240, 340) umfasst, die nach innen zu einer in dem Lageraufbau (210, 310) angeordneten Welle (223) hin verlaufen, wobei die erhabenen Stellen die Kontaktelemente (241, 414, 424, 341) definieren, die Kontaktelemente (241, 414, 424, 341) eine Mehrzahl von erhabenen Stellen für den Kontakt mit der Welle (223) aufweisen und die erhabenen Stellen als hydrodynamische Lagerflächen fungieren, wenn die Welle (223) flüssigkeitsgeschmiert ist.
Lageraufbau (210, 310) nach Anspruch 1, bei dem die Lagerkomponente (240, 340) drei Lagerdauben umfasst, die um etwa 120° voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei zwei obere Dauben etwa 30° oberhalb einer horizontalen Linie angeordnet sind und die untere Daube etwa 90° unterhalb der horizontalen Linie angeordnet ist.