eines Wälzlagers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Wälzlagerrings. Ferner be- trifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers sowie ein Wälzla- ger, insbesondere Radlager.

Aus der DE 29 20 889 C2 ist ein Verfahren zum Kaltwalzen von Bauteilen bekannt. Hierbei pulsiert eine Walzkraft mit einer Frequenz von 30 bis 300 Hz. Dabei soll der obere Grenzwert der pulsierenden Walzkraft 100% einer statischen Walzkraft nicht übersteigen. Ergebnis soll eine Werkstückoberfläche gewünschter Qualität mit gestei- gerter Dauerfestigkeit sein.

Die DE 10 2008 032 919 A1 offenbart ein Verfahren zum Oberflächenverfestigen ei- nes Bauteils, welches mit einem schwingenden Walzwerkzeug arbeitet, das kugelför- mig sein kann. Alternativ kann das Walzwerkzeug zylinderförmig sein. In beiden Fäl- len schwingt das Walzwerkzeug beim Festwalzen der zu verfestigenden Oberfläche derart, dass dem Festwalzen der Oberfläche ein Festhämmern überlagert wird.

Eine Verfestigung der Oberfläche eines Bauteils kann auch durch Oberflächenstrahlen erreicht werden, welches auch als Peening bezeichnet wird. In diesem Zusammen- hang wird beispielhaft auf die Dokumente EP 1 623 794 B1 , DE 10 2011 117 401 A1 , US 6,467,321 B2 und DE 10 2011 101 369 A1 hingewiesen.

Das Dokument DE 10 2006 048 712 A1 hat ein Verfahren zum Ultraschall- Kugelstrahlen von Getriebewellen für Fahrzeuge zum Gegenstand. Dieses Verfahren sieht vor, auch das Innere einer hohlen Getriebewelle durch Kugelstrahlen zu bearbei- ten. Die zu bearbeitende Getriebewelle ist hierbei an einem Sonotrodenkörper befes- tigt, wobei sie selbst einen Bestandteil der Sonotrode bildet. Aus der DE 10 2010 020 833 A1 ist ein Verfahren zur Oberflächenverfestigung bei ei- ner Feder bekannt. Auch dieses Verfahren arbeitet mit Ultraschall-Kugelstrahlen.

Die US 2010/0052262 A1 beschreibt eine für ein Radlager vorgesehene Dichtungs- Vorrichtung, welche ein elastisches Dichtungselement und ein metallisches Anschlag- element umfasst. Das Anschlagelement weist hierbei eine durch Kugelstrahl- Behandlung bearbeitete Oberfläche auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in der Wälzlagertechnik Fortschritte hin- sichtlich der rationellen Herstellung von Anlaufflächen für Dichtungen zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Bearbeitung ei- nes Wälzlagerrings gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung ei- nes Wälzlagers gemäß Anspruch 8. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Wälzla- ger mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Wälzlager erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Bearbeitungs- sowie das Herstellungsverfahren und umgekehrt.

Ein Lagerring des Wälzlagers wird auf folgende Weise bearbeitet:

- Ein zur Herstellung des Lagerrings vorgesehener, ringförmiger Rohling wird in einer Bearbeitungsmaschine, beispielsweise eine Drehmaschine, einge- spannt, wobei alternativ zu einer Rotation des Rohlings auch eine nicht ro- tierende Anordnung des Rohlings möglich ist,

- es erfolgt eine Strukturierung und zugleich Verfestigung einer ringförmig ge- schlossenen, eine Dichtfläche bildenden Oberfläche des Lagerrings durch pulsierende Druckbeaufschlagung mit einem Bearbeitungskörper. Im Fall eines rotierenden Rohlings ist der Bearbeitungskörper typischerweise Teil ei- nes nicht rotierenden Bearbeitungswerkzeugs. Im Fall eines - zum Beispiel auf einem Tisch - fixierten Rohlings ist dagegen eine Bearbeitung insbesondere durch ein den Bearbeitungskörper umfassendes Bearbeitungswerkzeug möglich, welches als Gan- zes um eine Achse, beispielsweise eines mehrachsigen Roboters oder eines Bearbei- tungszentrums, gedreht wird.

Sofern die Strukturierung und Verfestigung der Dichtfläche bei rotierendem Werkstück erfolgt, wird in bevorzugter Verfahrensführung in derselben Aufspannung, bei rotie- rendem Rohling, das heißt Werkstück, mindestens eine Wälzkörperlaufbahn des La- gerrings spanabhebend, das heißt durch Drehen und/oder Schleifen, bearbeitet. Mit diesem Verfahren werden mehrere Vorteile erreicht:

Zum einen ist eine rationelle sowie präzise Bearbeitung dadurch begünstigt, dass die strukturierte Oberfläche des Lagerrings in derselben Aufspannung erzeugt wird, in welcher auch die spanabhebende Bearbeitung des Lagerrings erfolgt. Zum anderen ist zur Herstellung eines Dichtkontaktes kein gesondertes Element, etwa in Form einer mit einem Lagerring zu verbindenden Anschlagscheibe oder eines Anlaufrings, erfor- derlich. Vielmehr kontaktiert innerhalb des Wälzlagers das an einem der Lagerringe befestigte elastische Dichtelement unmittelbar die durch pulsierende Druckbeauf- schlagung bearbeitete Dichtfläche des anderen Lagerrings. Hierdurch ist gegenüber herkömmlichen Lösungen nicht nur die Teilezahl, sondern tendenziell auch der Raumbedarf des Wälzlagers minimiert.

Die durch die strukturierte Oberfläche des Lagerrings sowie das elastische Dichtele- ment gebildete berührende Dichtung zeichnet sich durch eine geringe Reibung und geringe Verschleißanfälligkeit bei zugleich guter Dichtwirkung aus. Die Dichtwirkung bezieht sich hierbei sowohl auf die Zurückhaltung von Schmiermittel, das heißt Fett oder Öl, im Wälzlager als auch auf die Fernhaltung von Schmutz vom Inneren des Wälzlagers. Das Verfahren zur Herstellung des Wälzlagers umfasst folgende Schritte:

- Bereitstellung eines in der beschriebenen Weise bearbeiteten, eine in Form von Vertiefungen, beispielsweise sphärischen Vertiefungen, strukturierte Oberfläche aufweisenden Lagerrings sowie eines weiteren Lagerrings,

- Platzierung einer Anzahl Wälzkörper zwischen den Lagerringen,

- Montage einer zwischen den Lagerringen wirksamen Dichtung derart, dass diese an dem weiteren Lagerring gehalten ist und die strukturierte Oberflä- che kontaktiert.

Als Wälzkörper des Wälzlagers können Kugeln ebenso wie Nadeln oder Rollen, bei- spielsweise Zylinderrollen oder Kegelrollen, vorgesehen sein. Das Wälzlager kann als ein- oder mehrreihiges Lager ausgebildet sein und zwei Lagerring oder eine größere Zahl an Lagerringen, zum Beispiel drei Lagerringe, umfassen. Beispielsweise handelt es sich bei dem Wälzlager um ein Radlager für ein Kraftfahrzeug. Allgemein weist das Wälzlager folgende Merkmale auf:

Zwischen mindestens zwei Lagerringen sind eine Anzahl Wälzkörper sowie mindes- tens eine Dichtung angeordnet, welche an einem der Lageringe gehalten ist und eine in Form von Vertiefungen strukturierte, verfestigte Oberfläche des anderen Lagerrings kontaktiert. Die Vertiefungen können zum Beispiel sphärisch, kegelig, zylinderförmig oder schuppenförmig ausgebildet sein.

Insbesondere weist die strukturierte Oberfläche, also die Dichtfläche mit den erzeug- ten Vertiefungen oder Dellen, eine Rautiefe Rt von maximal 100pm auf. Dies gewähr- leistet eine Aufrechterhaltung einer Dichtwirkung der Dichtung, die an der strukturier- ten Oberfläche beziehungsweise Dichtfläche anläuft, und bringt gleichzeitig eine Op- timierung hinsichtlich einer, zwischen diesen auftretenden Reibung mit sich. Beson- ders bevorzugt ist eine Rautiefe Rt der strukturierten Oberfläche von maximal 10pm gewählt. Eine Rautiefe Rt im Bereich von 3pm bis 5pm hat sich hier bewährt. Während einer der Lagerringe des Wälzlagers durch pulsierende Druckbeaufschla- gung bearbeitet ist, ist beim anderen Lagerring in der Regel keine derartige Bearbei- tung vorgesehen. Die Abdichtung des Wälzlagers kann entweder einseitig oder beid- seitig vorhanden sein. Bei jedem der Lagerringe kann es sich entweder um einen ein- stückigen oder um einen geteilten Lagerring handeln.

In typischen Ausgestaltungen handelt es sich bei dem durch pulsierende Druckbeauf- schlagung bearbeiteten Lagerring des Wälzlagers um den Innenring. Als rotierender Lagerring kann entweder der Innenring oder der Außenring vorgesehen sein.

Durch die pulsierende Druckbeaufschlagung wird eine unregelmäßige plastische Ver- formung der Oberfläche des Wälzlagerrings erzeugt. Der zu bearbeitende Lagerring, zunächst in Form eines Rohlings, kann für die spanabhebende Bearbeitung sowie die pulsierende Druckbeaufschlagung beispielsweise in einer Drehmaschine eingespannt werden. Die Reihenfolge der Verfahrensschritte spanabhebende Bearbeitung und pul- sierende Druckbeaufschlagung ist hierbei nicht fest vorgegeben, wobei in allen Fällen das Werkstück, das heißt der zu bearbeitende Lagerring, während der beiden Verfah- rensschritte vorzugsweise in derselben Aufspannung bleibt.

Während der zu bearbeitende Lagerring rotiert, kann das Bearbeitungswerkzeug, wel- ches die pulsierende Druckbeaufschlagung bewerkstelligt, je nach Lage der zu bear- beitenden Oberfläche in radialer Richtung oder axialer Richtung des Lagerrings ver- schoben werden. Durch diese Verschiebung des Bearbeitungswerkzeugs wird auf der bearbeiteten Oberfläche beispielsweise eine Spirallinie, eine Schraubenlinie oder eine sich vielfach schneidende Wellenlinie beschrieben. In jedem Fall sind am Ende des Bearbeitungsvorgangs Vertiefungen, die auf der bearbeiteten, als Dichtfläche vorge- sehenen Oberfläche erzeugt wurden, näherungsweise gleichmäßig, ausgedrückt als Anzahl der Vertiefungen pro Flächeneinheit, verteilt. Das Werkzeug, welches die zu strukturierende Oberfläche des Lagerrings in pulsie- render Weise kontaktiert, kann beispielsweise als Kugel oder Zylinder oder Tonnenrol- le ausgebildet sein. Insbesondere bei Verwendung einer Kugel als Bearbeitungswerk- zeug kann dieses durch ein Flüssigkeitskissen, welches die Druckpulse überträgt, ab- gestützt sein. Die Erzeugung der Druckpulse kann piezoelektrisch, pneumatisch oder mechanisch erfolgen. In Fällen, in denen das Bearbeitungswerkzeug fest mit einem Werkzeughalter verbunden ist, werden die Druckpulse über den Werkzeughalter über- tragen. Ist das Bearbeitungswerkzeug, insbesondere in Form einer Kugel, dagegen durch ein Flüssigkeitskissen abgestützt, so werden die Druckpulse durch Druck- schwankungen des Flüssigkeitskissens erzeugt.

In allen Fällen kann die Amplitude der Schwingung des Bearbeitungswerkzeugs ent- weder maximal so groß wie der Maximalwert der Vertiefungen oder größer als die maximale Tiefe der Verformungen in der Oberfläche des Werkstücks, das heißt Lager- rings, sein. Ist die Amplitude auf den Maximalwert der Vertiefungen in der Oberfläche des Werkstücks begrenzt, so bleibt während der Bearbeitung ein dauerhafter Kontakt zwischen dem Bearbeitungswerkzeug und dem Lagerring bestehen. Treten dagegen Amplituden des Werkzeugs auf, welche größer als der Maximalwert der Vertiefungen sind, so bedeutet dies, das der Kontakt zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück während der Bearbeitung regelmäßig unterbrochen wird.

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeich- nung näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung die Bearbeitung einer Oberfläche eines

Lagerrings durch pulsierende Druckbeaufschlagung,

Fig. 2 den mit dem Verfahren nach Figur 1 bearbeiteten Lagerring in perspekti- vischer Ansicht, Fig. 3 ein als Rillenkugellager ausgebildetes Wälzlager einschließlich des La- gerrings nach Figur 2,

Fig. 4 ausschnittsweise ein als Radlager ausgebildetes Wälzlager mit einem gemäß Figur 1 bearbeiteten Lagerring.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile oder Strukturen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeich- net.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Wälzlager ist als Kugella- ger ausgebildet und umfasst einen Innenring 2 und einen Außenring 3. Beim in Figur 3 dargestellten Wälzlager 1 handelt es sich um ein Rillenkugellager, beim in Figur 4 nur ausschnittsweise skizzierten Wälzlager 1 um ein zweireihiges Schrägkugellager, näm- lich ein Radlager für ein Kraftfahrzeug. In diesem Fall ist ein Flansch des Innenrings 2 mit 4 bezeichnet.

Zwischen den Lagerringen 2, 3 rollen in beiden Fällen Kugeln als Wälzkörper 5 ab. Die Kugeln 5 können in einem nicht dargestellten Käfig geführt sein. Eine die Wälz- körper 5 kontaktierende Laufbahn des Innenrings 2 ist mit 6, eine Laufbahn des Au- ßenrings 3 mit 7 bezeichnet.

Am Außenring 3 ist eine Dichtung 8 gehalten, welche eine Dichtlippe 9 aufweist. Die Dichtlippe 9 kontaktiert eine Oberfläche 10 des Innenrings 2, welche im Fall von Figur 3 einen zur Mittelachse M des Wälzlagers 1 konzentrischen Zylinder beschreibt. Im Fall von Figur 4 liegt die Oberfläche 10 dagegen auf einer Ebene, welche normal zur Mittelachse M ausgerichtet ist. In beiden Fällen handelt es sich bei der Dichtung 8 um eine berührende Dichtung. In nicht dargestellter Weise kann die Dichtung 8 mehr als eine Dichtlippe 9 aufweisen. Die Oberfläche 10, welche von der Dichtlippe 9 kontaktiert wird, wird mittels eines Ver- fahrens strukturiert, das in Figur 1 illustriert ist und eine Oberflächenstrukturierung 11 liefert. Dieses Verfahren kommt bei der Herstellung des Innenrings 2 des Wälzlagers 1 nach Figur 3 ebenso wie bei der Herstellung des Innenrings 2 des Wälzlagers 1 nach Figur 4 zum Einsatz.

Zur Herstellung des Innenrings 2 wird ein Rohling, dessen Grundform der Form des späteren Innenrings 2 entspricht, in eine nicht dargestellte Bearbeitungsmaschine, insbesondere Drehmaschine, eingespannt. Während der folgenden Bearbeitung rotiert der Rohling, das heißt spätere Innenring 2, um dessen Mittelachse M. Die Bearbei- tung des Rohlings während der Einspannung in die Bearbeitungsmaschine schließt die spanende Bearbeitung der Wälzkörperlaufbahn 6 ein.

In dem in den Figuren 1 bis 3 skizzierten Beispiel ist das Wälzlager 1 nur einseitig ab- gedichtet. Dementsprechend weist das Wälzlager 1 nur eine einzige zylindrische Oberfläche 10 auf, welche innerhalb des fertig montierten Wälzlagers 1 (Figur 3) als Dichtfläche fungiert. Die in Figur 2 angedeutete Oberflächenstrukturierung 11 der Oberfläche 10 ist ebenso im Ausführungsbeispiel nach Figur 4 gegeben. Die Oberflä- chenstrukturierung 11 hat die Form zahlreicher Vertiefungen 12, welche quasi stochastisch auf der Oberfläche 10 verteilt sind. Die Rautiefe Rt der strukturierten Oberfläche 10 liegt im Bereich von 3 bis 5 pm.

Zur Erzeugung der Vertiefungen 12 wird ein Werkzeug 13 verwendet, welches in Figur 1 angedeutet ist. Das Werkzeug 13 ist an der Bearbeitungsmaschine, insbesondere Drehmaschine, installiert und umfasst eine Bearbeitungskugel 14, welche allgemein als Bearbeitungskörper bezeichnet wird. Innerhalb des Werkzeugs 13 ist die Bearbei- tungskugel 14 drehbar angeordnet und hierbei durch ein Flüssigkeitskissen innerhalb des Werkzeugs 13 abgestützt. Durch Erzeugung eines oszillierenden Druckes, wel- cher innerhalb des Flüssigkeitskissens wirkt, wird eine Oszillation der Bearbeitungs- kugel 14 hervorgerufen, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Vertikaloszilla- tion V bezeichnet wird. Im Beispiel nach Figur 1 ist die Vertikaloszillation V in radialer Richtung, bezogen auf die Mittelachse M ausgerichtet. Bei der Bearbeitung des Innen- rings 2 des Wälzlagers 1 nach Figur 4 ist dagegen eine Vertikaloszillation V zu erzeu- gen, welche in axialer Richtung, bezogen auf die Mittelachse M, ausgerichtet ist. Die Frequenz der Vertikaloszillation V ist in beiden Fällen wesentlich höher als die Dreh- zahl des Innenrings 2.

Der Vertikaloszillation V ist im Fall von Figur 1 eine Axialverschiebung AV des Werk- zeugs 13 überlagert. Auch bei der Axialverschiebung AV handelt es sich um eine os- zillierende Bewegung. Durch diese Oszillation wird auf der Oberfläche 10 eine Wellen- linie beschrieben, längs der die Vertiefungen 12 liegen. Im Laufe der mehrfachen Um drehungen des Innenrings 2 entstehen vielfache Überschneidungen dieser Wellenli- nie, so dass letztlich die gewünschte quasi statistische Verteilung der Vertiefungen 12 auf der Oberfläche 10 entsteht.

In abgewandelter Verfahrensführung ist es möglich, den Bearbeitungskörper des Werkzeugs 13 lediglich ein einziges Mal in Axialrichtung über die Oberfläche 10 zu fahren, wobei die Axialverschiebung AV in diesem Fall wesentlich langsamer als im Fall der wellenförmigen Bearbeitungswege erfolgt. Durch das langsame, einmalige Verfahren des Werkzeugs 13 wird theoretisch eine Schraubenlinie auf der Oberfläche 10 erzeugt. Die Steigung dieser Schraubenlinie ist derart gering, dass sich auch in diesem Fall letztlich eine mit sehr guter Näherung gleichförmige Verteilung der Vertie- fungen 12 auf der Oberfläche 10 ergibt.

Zur Herstellung der Oberflächenstrukturierung des Innenrings 2 gemäß Figur 4 wird das Werkzeug 13 beispielsweise langsam und gleichmäßig radial von innen nach au- ßen oder von außen nach innen verfahren. Die damit erzeugten Vertiefungen 12 lie- gen theoretisch auf einer Spirallinie. Wird dagegen das Werkzeug 13 mit vergleichs- weise hoher Frequenz zwischen einem ersten Extrempunkt, welcher radial innen liegt, und einem zweiten Extrempunkt, welcher die radial äußere Begrenzung der Oberflä- che 10 darstellt, verfahren, so entstehen zunächst Wellenformen der Strukturierung 11 , welcher in einer einzigen Ebene, nämlich der Ebene der Oberfläche 10 liegen. Im Laufe mehrerer Umdrehungen des Innenrings 2 überschneiden sich diese Wellen, prinzipiell vergleichbar mit dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 , mehrfach, sodass auch in diesem Fall eine hohe Gleichförmigkeit der Verteilung der Vertiefungen 12 in- nerhalb der Oberfläche 10 erreicht wird. Bezuqszeichenliste

1 Wälzlager

2 Innenring

3 Außenring

4 Flansch

5 Wälzkörper

6 Laufbahn des Innenrings

7 Laufbahn des Außenrings

8 Dichtung

9 Dichtlippe

10 Oberfläche

11 Oberflächenstrukturierung

12 Vertiefung

13 Werkzeug

14 Bearbeitungskugel

AV Axialverschiebung

M Mittelachse

V Vertikaloszillation