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Dokumentenidentifikation DE102004051003A1 27.04.2006
Titel Kunststoffummantelte Rolle
Anmelder INA-Schaeffler KG, 91074 Herzogenaurach, DE
Erfinder Hoden, Jean Louis, Dipl.-Ing., Lampertheim, FR;
Walter, Jean, Haguenau, FR
DE-Anmeldedatum 20.10.2004
DE-Aktenzeichen 102004051003
Offenlegungstag 27.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.04.2006
IPC-Hauptklasse F16C 13/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B29C 45/14(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F16H 7/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine kunststoffummantelte Rolle (1), insbesondere eine Riemenrolle in einem Klimakompressor, umfassend ein auf einem Lagerinnenring (3.1) und einem Lageraußenring (3.2) bestehenden Wälzlager (3), wobei der Lageraußenring (3.2) von einem Rollenkörper (2) aus einem polymeren Werkstoff umspritzt ist.
Nach der Erfindung besteht der Rollenkörper (2) aus einem Duroplast und der Lageraußenring (3.2) ist als ein Einzelteil umspritzt und zur vollständigen Vernetzung des Duroplast wärmebehandelt.

Beschreibung[de]
Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine kunststoffummantelte Rolle, insbesondere eine Riemenrolle in einem Klimakompressor, umfassend ein aus einem Lagerinnenring und einem Lageraußenring bestehenden Wälzlager, wobei der Lageraußenring von einem Rollenkörper aus einem polymeren Werkstoff umspritzt ist.

Hintergrund der Erfindung

Kunststoffummantelte Rollen der o. g. Art, die schwingungs- und geräuschdämpfend wirken, sind bereits allgemein bekannt und werden beispielsweise als Umlenk- oder Spannrollen bei Aggregaten wie Generator, Klimakompressor oder Wasserpumpe in Brennkraftmaschinen eingesetzt. Vielfach weisen Brennkraftmaschinen darüber hinaus einen weiteren Zugmitteltrieb zum Antrieb der Nockenwellen auf, wobei diese Zugmitteltriebe mit einem als Zahnriemen gestalteten Zugmittel versehen sind. Aufgrund der funktionsbedingt versetzten Anordnung einzelner Aggregate an der Brennkraftmaschine ist der Zugmittelbetrieb mit Umlenkrollen versehen, die ausreichende Umschlingungswinkel an den Riemenscheiben der Aggregate sicherstellen.

Eine gattungsgemäß ausgebildete kunststoffummantelte Rolle in Form einer Spannrolle geht beispielsweise aus der DE 32 40 075 A1 hervor. Sie besteht aus einem zweireihigen nach beiden Seiten abgedichteten Rillenkugellager, dessen Innenring mit Hilfe einer Befestigungsschraube an einer Anschlußkonstruktion fixierbar ist. Der Außenring ist von einem Rollenkörper aus einem polymeren Werkstoff umschlossen, wobei der Rollenkörper im Längsschnitt gesehen Doppel-T-förmig ausgebildet ist. Weitere kunststoffummantelte Rollen sind beispielhaft in der DE 35 03 311 A1, DE 36 25 800 A1, DE 41 26 938 C3, DE 44 99 780 C1, DE 102 20 690 A1, DE 199 37 681 C2 und in der DE 197 02 180 A1 vorbeschrieben.

Nach der in der DE 25 29 913 C2 beschriebenen Verfahrensweise zur Herstellung einer solchen kunststoffummantelten Rolle erfolgt dies derart, dass das aus Innenring, Außenring und Wälzkörper bestehende Wälzlager in eine Spritzform verbracht wird und dort zwecks Aufbringung der Ummantelung mit Kunststoff umspritzt wird.

Das Umspritzen des Gesamtlagers, das nach etwa einer Minute beendet ist, ist jedoch mit folgenden Nachteilen behaftet:

  • – Es ist keine komplette Vernetzung des Kunststoffes möglich, die aber für die Maßstabilität und die Belastung der Rolle von entscheidender Bedeutung ist. Die Vernetzung beginnt mit der Umspritzphase, ist aber danach nicht abgeschlossen und vollendet sich unvollständig bei Betrieb der Rolle, so dass die Kunstoffummantelung erstens nicht maßstabil und zweitens auch nicht größeren Belastungen aussetzbar ist.
  • – Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass durch die Abkühlung nach dem Umspritzen der Außenring eingeschnürt wird und so das Radialspiel des Wälzlagers in nicht gewünschter Weise beeinflusst wird.

Würde man nun eine vollständige Vernetzung anstreben, so müsste der Kunststoff geraume Zeit auf 200 °C gehalten werden. Dies wiederum würde bedeuten, dass sämtliche Lagerbestandteile, wie Lageraußenring, Lagerinnenring, Käfig, Dichtung und Schmiermittel auch für diese Temperatur ausgelegt werden müssten, auch wenn die spätere Einsatztemperatur der Rolle wesentlich unter 200° C liegt. Konkret heißt das, dass sowohl der Lagerinnenring also auch der Lageraußenring einer so genannten Stabilisierung unterworfen werden müssten. Darunter ist gemäß der INA-Werksnorm N 030 050 eine Wärmebehandlung zu verstehen, so dass diese Teile dauerhaft bei hohen Temperaturen betrieben werden können. Diese Stabilisierung ist erforderlich, da bei hohen Temperaturen eine teilweise Gefügeumwandlung im Werkstoff, verbunden mit Maßänderungen, eintreten kann. Gemäß der genannten INA-Werksnorm müsste daher Innen- und Außenring für den dauerhaften Einsatz bei 200 °C (Stabilisierungsstufe S1) maßstabilisiert werden, was aber teuer und aufwendig ist. Hinzu kommt, dass bei einer vollständigen Vernetzung des Kunststoffes auch Dichtungsmaterial zu verwenden ist, das in diesem Temperaturbereich seine ursprünglichen Eigenschaften behält. Das gleiche trifft für einzusetzendes Schmiermittel zu, das sich im Temperaturbereich von 200° C nicht zersetzen darf.

Nach dem bisherigen Stand der Technik ist es also erforderlich, entweder eine vollständige Vernetzung des Kunststoffes mit einer aufwendigen Anpassung sämtlicher Lagerbestandteile an den genannten Temperaturbereich zu erkaufen oder auf eine vollständige Vernetzung des Kunststoffes zu verzichten.

Zusammenfassung der Erfindung

Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Rolle bereitzustellen, die einerseits einen vollständig vernetzten Kunststoff aufweist, anderseits aber kostengünstig herstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff dadurch gelöst, dass der Rollenkörper aus einem Duroplast besteht und der Lageraußenring als ein Einzelteil umspritzt und zur vollständigen Vernetzung des Duroplasts wärmebehandelt ist.

Wie der Fachmann weiß, ist Duroplast der Oberbegriff für eine Gruppe von in der Regel harten, amorphen und bis zur Zersetzungstemperatur starren Kunststoffen, die aus räumlich engmasching vernetzten Makromolekülen aufgebaut sind und deshalb hohe mechanische Festigkeit aufweisen. Sie stellen bei niederen Temperaturen stahlelastische Stoffe dar, die auch bei hohen Temperaturen nicht viskos fließen, sondern sich zwischen 50 °C oder einer höheren Temperatur und der Zersetzungstemperatur bei sehr begrenzter Deformierbarkeit elastisch verhalten.

Unter Vernetzung ist die Ausbildung intermolekularer Brücken zwischen linearen Makromolekülen mit reaktionsfähigen Stellen unter Bildung eines dreidimensionalen Netzwerkes durch Zusatz von Vernetzungsmitteln zu verstehen. Die Vernetzung bewirkt eine Erhöhung der Härte und der Zähigkeit des ursprünglichen Stoffes, die auch als Härtung bezeichnet wird.

Ein Vorteil der getrennten Behandlung des Lageraußenringes liegt darin, dass eine vollständige Vernetzung des Duroplasts erreicht wird. Zum einen wird dadurch eine hohe Maßstabilität garantiert, was für die Funktion der gesamten Rolle von Bedeutung ist und zum anderen wird die Belastungsfähigkeit der Rolle wesentlich verbessert. Dies ist insbesondere für Kältemittelverdichter in Kraftfahrzeugen von Bedeutung, da dort ein hohes Drehmoment bei einer hohen Betriebstemperatur zu übertragen ist.

Ein anderer Vorteil der getrennten Behandlung des Lageraußenringes liegt darin, dass die üblichen Lagerbestandteile wie Lagerinnenring, Käfigmaterial, Dichtungsmaterial und Schmiermittel nicht so dimensioniert werden müssen, dass sie ebenfalls Belastungen von 200° C aushalten müssen. Bezogen auf die bereits erwähnten Norm N 030 050 heißt das, dass der Lagerinnenring lediglich hinsichtlicht einer Grenztemperatur von 150° C stabilisiert werden muß (S0). Für Käfigmaterial, Dichtmaterial und Schmiermittel bedeutet das ebenfalls eine Kostensenkung, da diese auch nur bis 150° C beständig sein müssen.

Letztendlich wird durch die Erfindung der Widerspruch des bisherigen Standes der Technik, der in einer Inkaufnahme einer unvollständigen Vernetzung des Kunststoffes bei kostengünstigen anderen Lagerbestandteilen oder in einer vollständigen Vernetzung des Kunststoffes und kostenintensiven anderen Lagerbestandteilen besteht, aufgelöst. Mit anderen Worten, die kunststoffummantelte Rolle weist einen vollständig vernetzten Rollenkörper auf und die übrigen Lagerbestandteile sind ebenfalls kostengünstig.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Rolle sind in den Unteransprüchen 2, 3 und 4 beschrieben.

So ist nach Anspruch 2 vorgesehen, dass das Wälzlager als ein zweireihiges Kugellager ausgebildet ist. Aus Anspruch 3 geht hervor, dass die Lagerkugeln und der Lagerinnenring des Lagerkugellagers entsprechend einer ausgemessenen Laufbahn des umspritzten Lageraußenringes zusortierte Lagerbestandteile sind. Aus Anspruch 4 geht hervor, dass das Kugellager ein Gesamtradialspiel von 5 – 15 &mgr;m aufweist, wobei zwischen den beiden Kugelreihen ein Radialspielunterschied von ≤ 6 &mgr;m eingestellt ist.

Durch die getrennte Behandlung des Lageraußenringes mit anschließender Ausmessung seiner Laufbahn und der Zusortierung von passenden Wälzkörpern und passendem Lagerinnenring lässt sich in einfacher Weise auf das Radialspiel der kunststoffummantelten Rolle einwirken. Die eingebaute Rolle sollte, damit sie einwandfrei läuft, ein möglichst kleines Spiel haben. Dies führt zu einer Verbesserung der Lagerfunktion und somit zu einer verbesserten Zuverlässigkeit und einem erhöhtem Wirkungsgrad eines damit verbundenen Aggregats, beispielsweise einem Klimakompressor.

Das zugehörige Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen kunststoffummantelten Rolle zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus:

  • – Umspritzen des Lageraußenringes
  • – Wärmebehandlung des umspritzen Lageraußenringes
  • – Vermessen der Laufbahnen des Lageraußenringes, der Laufbahnen des Lagerinnenringes und Zusortierung der zugehörigen Lagerkugeln
  • – Montage der Rolle aus den einzelnen Bestandteilen

Schließlich ist gemäß einem letztem Merkmal des Verfahrens nach Anspruch 6 vorgesehen, dass die Wärmebehandlung zur Vernetzung des Kunststoffes bei etwa bei 200 ° C erfolgt.

Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

1 einen Längsschnitt durch einen Lageraußenring mit einem aufgespritzten Rollenkörper und

2 einen Längsschnitt durch ein komplettes Wälzlager mit aufgespritztem Rollenkörper.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Wie aus den beiden Figuren ersichtlich, besteht die mit 1 bezeichnete kunststoffummantelte Rolle aus dem Rollenkörper 2, der aus einem Duroplast besteht, und dem Wälzlager in Form eines Rillenkugellagers 3. Dieses besteht aus dem Lagerinnenring 3.1, dem Lageraußenring 3.2, zwischen denen auf zugehörigen, nicht bezeichneten Laufbahnen in Käfigen 3.3, 3.4 geführte Lagerkugeln 3.5, 3.6 abrollen. Das Rillenkugellager 3 ist beidseitig nach außen durch die Dichtungen 3.7, 3.8 geschützt. Wie weiter erkennbar, umschließt der Rollenkörper 2 mit seiner Nabe 2.1 und deren radial nach innen gerichteten Flansch 2.1.1 die Mantelfläche des Lageraußenringes 3.2 und dessen linksseitige Stirnfläche. Der Rollenkörper 2 umschließt mit seinem hohlzylindrischen Laufmantel 2.2 die Nabe 2.1, wobei beide Teile durch die radial sich erstreckende Scheibe 2.3 mit einander verbunden sind.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Rolle geschieht wie folgt:

Zunächst wird der Lageraußenring 3.2 des Radiallagers 3 gemäß der Werksnorm N 030 050 einer Stabilisierung unterworfen. Diese ist erforderlich, um die spätere Vernetzungstemperatur des Duroplastes in Höhe von 200 °C unbeschadet zu überstehen. Anschließend wird der Lageraußenring 3.2 in eine Spritzform verbracht und dort zwecks Aufbringung des Rollenkörpers 2 umspritzt. Danach wird der umspritzte Lageraußenring 3.2 mehrere Stunden in einem geeigneten Aggregat bei einer Temperatur von 200 °C gehalten. Dies erfolgt solange, bis die Vernetzung des Rollenkörpers 2 abgeschlossen ist und dieser dadurch eine hohe Maßgenauigkeit und eine hohe Belastungsgrenze erhält.

In einem nächsten Verfahrensschritt werden sowohl die Laufbahnen des Lagerinnenringes 3.1 als auch die Laufbahnen des Lageraußenringes 3.2 so wie die Lagerkugeln 3.5, 3.6 vermessen und passend zueinander sortiert. Dies hat den Zweck, dass ein vorgegebenes Radialspiel, das für die Funktion und Laufruhe des Kugellagers 3 von wesentlicher Bedeutung ist, in einfacher Weise einstellbar ist. Die Zusortierung von Lagerinnenring 3.1, Lageraußenring 3.2 und Lagerkugeln 3.5, 3.6 sollte so erfolgen, dass das Kugellager ein Gesamtradialspiel im Bereich von 5 – 15 &mgr;m aufweist, wobei zwischen den beiden Kugelreihen 3.5, 3.6 ein Radialspiel unterschied von ≤ 6 &mgr;m vorhanden sein soll. Anschließend werden die beiden Lagerringe 3.1, 3.2 ineinander geschoben, und die Lagerkugeln 3.5, 3.6 werden von rechts bzw. von links zwischen die Laufringe 3.1, 3.2 eingeführt. Danach kann sich eine Einführung der beiden Käfige 3.3, 3.4 anschließen, bevor die Befettung des Lagers 3 erfolgt und abschließend beidseitig die Dichtringe 3.7, 3.8 eingesetzt werden.

1kunststoffummantelte Rolle 2Rollenkörper 2.1Nabe 2.1.1Flansch 2.2Laufmantel 2.3Scheibe 3Rillenkugellager 3.1Lagerinnenring 3.2Lageraußenring 3.3Käfig 3.4Käfig 3.5Lagerkugel 3.6Lagerkugel 3.7Dichtung 3.8Dichtung

Anspruch[de]
  1. Kunststoffummantelte Rolle (1), insbesondere eine Riemenrolle in einem Klimakompressor, umfassend ein aus einem Lagerinnenring (3.1) und einem Lageraußenring (3.2) bestehenden Wälzlager (3), wobei der Lageraußenring (3.2) von einem Rollenkörper (2) aus einem polymeren Werkstoff umspritzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rollenkörper (2) aus einem Duroplast besteht und der Lageraußenring (3.2) als ein Einzelteil umspritzt und zur vollständigen Vernetzung des Duroplasts wärmebehandelt ist.
  2. Kunststoffummantelte Rolle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (3) als ein zweireihiges Kugellager ausgebildet ist.
  3. Kunststoffummantelte Rolle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Lagerkugeln (3.5,3.6) und der Lagerinnenring (3.1) des Kugellagers (3) entsprechend einer ausgemessenen Laufbahn des umspritzten Lageraußenringes (3.2) zusortierte Lagerbestandteile sind.
  4. Kunststoffummantelte Rolle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugellager (3) ein Gesamtradialspiel von 5 bis 15 &mgr;m aufweist, wobei zwischen den beiden Kugelreihen (3.5,3.6) ein Radialspielunterschied von kleiner gleich 6 &mgr;m eingestellt ist.
  5. Verfahren zur Herstellung einer kunststoffummantelten Rolle (1) nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

    – Umspritzen des Lageraußenringes (3.2)

    – Wärmebehandlung des umspritzten Lageraußenringes (3.2)

    – Vermessen der Laufbahnen des Lageraußenringes (3.2), der Laufbahnen des Lagerinnenringes (3.1) und Zusortierung der zugehörigen Lagerkugeln (3.5,3.6)

    – Montage der Rolle (1) aus den einzelnen Bestandteilen
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei 200° C erfolgt.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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