DE4214877A1 - Sliding-shaft bearing unit esp. for electric miniature motor - has sliding wear reduced by lubricant filling pores distributed over contact surface regions hardened by particulate dispersions - Google Patents

Sliding-shaft bearing unit esp. for electric miniature motor - has sliding wear reduced by lubricant filling pores distributed over contact surface regions hardened by particulate dispersions

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Abstract

The shaft (2) and the radial bearing (1) in which it slides are sintered from similar cpd. materials. That of the bearing comprises a matrix of pref. Fe or bronze particles (7) with which pref. about 5 per cent of similarly sized microspheres (5) of harder metal or ceramic aluminium oxide or silicon nitride are mixed. Pores (6) occupying about 20 per cent of the vol. are distributed uniformly throughout the mixt. and filled with oil. The shaft is similarly hardened with metallic particles (10) interspersed among hard particles (8) and oil-filled pores (9). ADVANTAGE - Provision of hardened regions in surface of shaft prolongs its life at favourable cost.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wellengleitlagereinheit insbesondere für Elektrokleinstmotoren, bestehend aus einer drehbaren Welle und einem Radialgleitlager mit einer Aufnahmebohrung für die Welle, wobei das Radialgleitlager als ölgefülltes Sinterlager mit in der Oberfläche der Aufnahmebohrung vorgesehenen Zonen aus einem harten Werkstoff ausgebildet ist, die von einem weicheren, eine poröse Matrix bildenden Material umgeben sind.The invention relates to a Shaft slide bearing unit especially for Small electric motors, consisting of a rotatable shaft and a radial slide bearing with a mounting hole for the shaft, the radial plain bearing being oil-filled Sintered bearing with in the surface of the mounting hole provided zones formed from a hard material is that of a softer, forming a porous matrix Material are surrounded.

Aus der DE-OS 38 22 919 sind Wellenlager aus einem Verbundwerkstoff bekannt. Der Verbundwerkstoff besteht aus einer gesinterten Matrix aus Metallpartikeln, z. B. Bronzepulver, in welcher Partikel eines harten Werkstoffs, z. B. Aluminiumoxidpulver, eingelagert sind. Aufgrund seiner Porosität verfügt der Verbundwerkstoff über die Eigenschaft, Öl zu speichern, so daß sich eine hydrodynamische Schmierung erreichen läßt. Die Verschleißeigenschaften eines solchen Lagers sind gut. In der Praxis ist es bei Gleitlagerungen üblich, die Lager immer weicher als die Wellen auszuführen.DE-OS 38 22 919 shaft bearings from one Composite known. The composite material consists of a sintered matrix of metal particles, e.g. B. Bronze powder, in which particles of a hard material, e.g. B. alumina powder are stored. Because of In terms of its porosity, the composite material has the Property to store oil, so that a hydrodynamic lubrication can be achieved. The Wear properties of such a bearing are good. In In practice, it is common for plain bearings, the bearings always softer than running the waves.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wellen­ gleitlagereinheit der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß deren Lebensdauer auf kostengünstige Art gesteigert werden kann.It is an object of the present invention to make waves slide bearing unit of the type mentioned above improve that their lifespan in an inexpensive way can be increased.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wellenoberfläche an zumindest den harten Zonen des Radialgleitlagers zugeordneten Stellen ebenso harte Zonen aus einem Werkstoff aufweist, der zumindest annähernd gleicher Härte wie die harten Zonen des Radialgleitlagers ist. Durch das Vorsehen der harten Zonen in der Wellenoberfläche wird die Lebensdauer von Welle und Lager optimiert.This object is achieved in that the Wave surface on at least the hard zones of the Positions assigned to radial slide bearings are also hard zones  made of a material that is at least approximately same hardness as the hard zones of the radial plain bearing is. By providing the hard zones in the Shaft surface becomes the lifespan of shaft and bearing optimized.

Von Vorteil ist es, wenn die harten Zonen in der Oberfläche der Aufnahmebohrung des Radialgleitlagers statistisch verteilt angeordnet sind. Dadurch ist eine gleichmäßige Tragstruktur der harten Partikel gegeben, auf der sich die Welle abstützen kann.It is advantageous if the hard zones in the Radial plain bearing locating hole surface are statistically distributed. This is one uniform structure of the hard particles, on which the shaft can rest.

Nochmals verbesserte Reibungsverhältnisse werden dadurch geschaffen, daß die harten Zonen der Welle statistisch angeordnet sind, wodurch ein auf viele kleine Punkte verteiltes Aufliegen der Welle im Lager möglich ist.This will further improve friction created that the hard zones of the wave statistically are arranged, creating one on many small dots distributed bearing of the shaft in the bearing is possible.

Bevorzugt wird, wenn die harten Zonen des Radialgleitlagers aus dem gleichen Werkstoff bestehen wie die entsprechend zugeordneten harten Zonen der Wellenoberfläche.It is preferred if the hard zones of the Radial plain bearings consist of the same material as the correspondingly assigned hard zones of the Wave surface.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Welle aus einem ähnlichen oder gleichen Verbundwerkstoff hergestellt. Das hat den Vorteil, daß die Welle ebenfalls als Ölspeicher dienen kann und dadurch eine verbesserte Schmierung gegeben ist.In a further embodiment, the shaft is made a similar or the same composite material produced. This has the advantage that the shaft too can serve as an oil reservoir and thereby an improved Lubrication is given.

Ein zusätzliches Ausführungsbeispiel der Gleitlagereinheit weist eine Welle aus Stahl auf, auf deren Oberfläche harte Zonen angeordnet sind, die aus einer amorphen, isotropen und gut haftenden Schicht bestehen. Der Werkstoff dieser Schicht ist ein diamantartiger Kohlenstoff, der durch ein Niedertemperatur-Hartstoff­ beschichtungsverfahren aufgetragen wird. Die Beschichtungstemperatur kann unter 200°C gehalten werden, wodurch keine zusätzlichen Gefügeveränderungen im Stahl verursacht werden.An additional embodiment of the plain bearing unit has a steel shaft on the Hard zones are arranged that consist of a surface amorphous, isotropic and well adhering layer. The material of this layer is diamond-like Carbon generated by a low temperature hard material coating process is applied. The Coating temperature can be kept below 200 ° C,  whereby no additional structural changes in the Steel are caused.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Gleitlagereinheit weist eine Welle aus einer Stahlmatrix auf, auf deren Oberfläche harte Zonen angeordnet sind, die aus einer amorphen, isotropen und gut haftenden Schicht bestehen. Der Werkstoff dieser Schicht ist ein diamantartiger Kohlenstoff, der durch ein Niedertemperatur-Hartstoff­ beschichtungsverfahren aufgetragen wird. Die Beschichtungstemperatur kann unter 200°C gehalten werden, wodurch keine zusätzlichen Gefügeveränderungen in der Stahlmatrix verursacht werden.Another embodiment of the plain bearing unit has a shaft made of a steel matrix, on the Hard zones are arranged that consist of a surface amorphous, isotropic and well adhering layer. The material of this layer is diamond-like Carbon generated by a low temperature hard material coating process is applied. The Coating temperature can be kept below 200 ° C, whereby no additional structural changes in the Steel matrix are caused.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gleitlagereinheit anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:In the following an embodiment of the Slide bearing unit according to the invention with reference to a drawing explained in more detail. It shows:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Gleitlagereinheit mit geschnitten dargestelltem Gleitlager in einer Seitenansicht, Fig. 1 is a plain bearing unit of the invention with cut Pictured plain bearings in a side view;

Fig. 2 in einer vergrößerten Ansicht das Detail I aus Fig. 1, und Fig. 2 in an enlarged view, the detail I of Fig. 1, and

Fig. 3 in einer vergrößerten Ansicht die Oberflächenstruktur des Gleitlagers, gleich einem metallurgischen Schliff. Fig. 3 in an enlarged view, the surface structure of the plain bearing, like a metallurgical cut.

Die erfindungsgemäße Wellengleitlagereinheit wird hauptsächlich in Elektrokleinstmotoren angewendet, deshalb sind die Abmessungen der Lagereinheit relativ gering. Wie in Fig. 1 dargestellt, besteht die Gleitlagereinheit aus einem Radialgleitlager 1 und einer innenliegenden Welle 2. Das Radialgleitlager 1 und die Welle 2 sind aus einem ähnlichen Verbundwerkstoff gesintert. Die Oberfläche 3 des Gleitlagers 1 kommt im Bereich der Lagerung mit der Oberfläche der Welle 2 in Berührung.The shaft slide bearing unit according to the invention is mainly used in small electric motors, therefore the dimensions of the bearing unit are relatively small. As shown in FIG. 1, the slide bearing unit consists of a radial slide bearing 1 and an inner shaft 2 . The radial sliding bearing 1 and the shaft 2 are sintered from a similar composite material. The surface 3 of the slide bearing 1 comes into contact with the surface of the shaft 2 in the area of the bearing.

In Fig. 2 ist in einer ca. 30fachen Vergrößerung zu erkennen, daß der Verbundwerkstoff des Radialgleitlagers 1 aus einer gesinterten Matrix aus Metallpartikeln 7, vorzugsweise aus Eisen oder Bronze besteht, in die harte Partikel 5 eines anderen Werkstoffs, insbesondere eines Hartmetalls oder keramischen Werkstoffs, eingelagert sind. Als keramischer Werkstoff wird bevorzugt Aluminiumoxid oder Siliziumnitrit eingesetzt. Der Anteil der eingelagerten harten Partikel 5 beträgt vorzugsweise 5%, wobei diese harten Partikel 5 etwa die gleiche Größe wie die Metallpartikel 7 der gesinterten Matrix aufweisen. Die eingelagerten harten Partikel sind in vorteilhafter Weise kugelförmig ausgebildet und mit einem Durchmesser <100 µm versehen. Der Anteil der Poren 6 des Verbundwerkstoffs beträgt ca. 20%. Die Poren 6 können durch ein Eintauchen des Radialgleitlagers 1 in ein Ölbad oder durch ein anderes Verfahren mit Öl gefüllt werden. Wie aus Fig. 3 in einer ca. 50fachen Vergrößerung zu erkennen ist, sind die harten Partikel 5 und die Poren 6 gleichmäßig verteilt in der Matrix aus Metallpartikeln 7 angeordnet.In Fig. 2 can be seen in an approximately 30-fold magnification that the composite material of the radial sliding bearing 1 consists of a sintered matrix of metal particles 7 , preferably of iron or bronze, into the hard particles 5 of another material, in particular a hard metal or ceramic material , are stored. Aluminum oxide or silicon nitrite is preferably used as the ceramic material. The proportion of the embedded hard particles 5 is preferably 5%, these hard particles 5 being approximately the same size as the metal particles 7 of the sintered matrix. The embedded hard particles are advantageously spherical and have a diameter of <100 μm. The proportion of pores 6 in the composite material is approximately 20%. The pores 6 can be filled with oil by immersing the radial sliding bearing 1 in an oil bath or by another method. As can be seen from FIG. 3 in an approx. 50-fold magnification, the hard particles 5 and the pores 6 are arranged uniformly distributed in the matrix made of metal particles 7 .

Die Welle 2 ist ebenfalls aus einem ähnlichen Verbundwerkstoff gesintert. Der Verbundwerkstoff besteht auch bei der Welle 2 aus einer gesinterten Matrix aus Metallpartikeln 10, in die gleichmäßig harte Partikel 8 und Poren 9 eingebettet sind. Die Zonen, an denen die harten Partikel 8 an der Oberfläche 4 der Welle 2 liegen, sind so angeordnet, daß sie zumindest den harten Zonen des Radialgleitlagers entsprechend zugeordnet sind. Auch die Poren 9 der Welle 2 können mit Öl gefüllt sein, um die Schmiereigenschaften zu verbessern. Durch die unterschiedlichen Elastizität von den Metallpartikeln 7 und 10 der Matrix und den eingelagerten harten Partikeln 5 und 8 von dem Radialgleitlager 1 und der Welle 2 werden die Lagerkräfte zwischen Welle 2 und Gleitlager 1 hauptsächlich von den harten Partikeln 5 und 8 getragen. Je gleichmäßiger die harten Partikel 5 und 8 verteilt sind, umso besser ist die Druckverteilung auf die einzelnen harten Partikel 5 und 8. Durch die geringe Größe und die Kugelform der harten Partikel 5 und 8 ist der Reibungskoeffizient sehr niedrig.The shaft 2 is also sintered from a similar composite material. The composite material also consists of a sintered matrix of metal particles 10 in the shaft 2 , in which uniformly hard particles 8 and pores 9 are embedded. The zones at which the hard particles 8 lie on the surface 4 of the shaft 2 are arranged in such a way that they are at least assigned to the hard zones of the radial plain bearing. The pores 9 of the shaft 2 can also be filled with oil in order to improve the lubricating properties. Due to the different elasticity of the metal particles 7 and 10 of the matrix and the incorporated hard particles 5 and 8 of the radial slide bearing 1 and the shaft 2, the bearing forces between the shaft 2 and sliding bearing 1 are mainly worn by the hard particles 5 and 8. FIG. The more uniformly the hard particles 5 and 8 are distributed, the better the pressure distribution over the individual hard particles 5 and 8 . Due to the small size and spherical shape of the hard particles 5 and 8 , the coefficient of friction is very low.

Mit und ohne Ölschmierung weist eine solche erfindungsgemäße Gleitlagereinheit eine sehr hohe Lebensdauer auf. Bei ölgetränkten Gleitlagern baut sich ab einer bestimmten Drehzahl ein hydrodynamischer Ölfilm auf, der keine Reibung mehr zwischen Welle und Gleitlager zuläßt. Wegen der geringen Reibungskoeffizienten und der hohen Festigkeit auch bei höheren Temperaturen der harten Partikel 5 und 8 führen auch häufige Stopp- und Anlaufvorgänge im instationären Betrieb der Lagerung nicht zu einem schnellen Versagen der erfindungsgemäßen Gleitlagereinheit.With and without oil lubrication, such a slide bearing unit according to the invention has a very long service life. With oil-soaked plain bearings, a hydrodynamic oil film builds up above a certain speed, which no longer allows friction between the shaft and the plain bearing. Because of the low coefficient of friction and the high strength, even at higher temperatures of the hard particles 5 and 8 , frequent stopping and starting processes in the transient operation of the bearing do not lead to a rapid failure of the plain bearing unit according to the invention.

Claims (7)

1. Wellengleitlagereinheit, insbesondere für Elektrokleinstmotoren, bestehend aus einer drehbaren Welle und einem Radialgleitlager mit einer Aufnahmebohrung für die Welle, wobei das Radialgleitlager als ölgefülltes Sinterlager mit in der Oberfläche der Aufnahmebohrung vorgesehenen Zonen aus einem harten Werkstoff ausgebildet ist, die von einem weicheren, eine poröse Matrix bildenden Material umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenoberfläche an zumindest den harten Zonen des Radialgleitlagers zugeordneten Stellen ebenso harte Zonen aus einem Werkstoff aufweist, der zumindest annähernd gleicher Härte wie die harten Zonen des Radialgleitlagers ist.1.Shaft slide bearing unit, in particular for small electric motors, consisting of a rotatable shaft and a radial slide bearing with a receiving bore for the shaft, the radial slide bearing being designed as an oil-filled sintered bearing with zones provided in the surface of the receiving bore from a hard material, which is of a softer one porous matrix-forming material, characterized in that the shaft surface at at least the hard zones of the radial slide bearing assigned locations also hard zones made of a material which is at least approximately the same hardness as the hard zones of the radial slide bearing. 2. Wellengleitlagereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Zonen in der Oberfläche der Aufnahmebohrung des Radialgleitlagers statistisch verteilt zugeordnet sind.2. shaft slide bearing unit according to claim 1, characterized characterized that the hard zones in the surface the receiving bore of the radial plain bearing statistically are distributed. 3. Wellengleitlagereinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Zonen an der Oberfläche der Welle statistisch verteilt angeordnet sind.3. shaft slide bearing unit according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the hard zones on the surface of the Wave are arranged statistically distributed. 4. Wellengleitlagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenoberfläche an zumindest den harten Zonen des Radialgleitlagers zugeordneten Stellen ebenso harte Zonen aus dem gleichen Werkstoff wie die harten Zonen des Radialgleitlagers aufweist. 4. shaft slide bearing unit according to one of claims 1 to 3, characterized in that the surface of the shaft at least the hard zones of the radial plain bearing assigned positions as well as hard zones from the same Material like the hard zones of the radial plain bearing having.   5. Wellengleitlagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle und das Radialgleitlager aus einem ähnlichen oder aus dem gleichen Verbundwerkstoff bestehen.5. shaft slide bearing unit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the shaft and the Radial slide bearing made of a similar or from the same Composite exist. 6. Wellengleitlagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle aus Stahl besteht, auf deren Oberfläche harte Zonen aus einem diamantartigen Kohlenstoff angeordnet sind, wobei der diamantartige Kohlenstoff durch ein Niedertemperatur-Hart­ stoffbeschichtungsverfahren auftragbar ist.6. shaft slide bearing unit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the shaft made of steel consists of hard zones on the surface of one diamond-like carbon are arranged, the diamond-like carbon through a low temperature hard fabric coating process is applicable. 7. Wellengleitlagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle aus einer Stahlmatrix besteht, auf deren Oberfläche harte Zonen aus einem diamantartigen Kohlenstoff angeordnet sind, wobei der diamantartige Kohlenstoff durch ein Niedertempera­ tur-Hartstoffbeschichtungsverfahren auftragbar ist.7. shaft slide bearing unit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the shaft from a Steel matrix consists of hard zones on the surface a diamond-like carbon are arranged, wherein the diamond-like carbon due to a low temperature tur hard material coating process is applicable.
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