Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft spanlos hergestellte dünnwandige Wälzlager, wie Nadel- lager, deren Außenringe aus einem Kaltband hergestellt sind. Außerdem be- trifft die Erfindung eine Gelenkkreuzbüchse zur Aufnahme eines wälzgelager- ten Lagerzapfens, die ebenfalls aus einem Kaltband hergestellt ist.

Hintergrund der Erfindung Kaltgewalztes Stahlband wird vielfach zur Herstellung von kaltumgeformten Erzeugnissen verwendet. Die steigenden Anforderungen bezüglich der Anwe- nungs-und Gebrauchseigenschaften erfordern bessere mechanische, insbe- sondere Umformeigenschaften. Eine gute Umformbarkeit ist gekennzeichnet durch möglichst hohe, die Tiefziehbarkeit kennzeichnende r-Werte, hohe, die Streckziehbarkeit kennzeichnende n-Werte und hohe, die plane strain- Eigenschaften kennzeichnende Dehnungswerte. Dabei hat es sich als vorteil- haft erwiesen wenn die Umformeigenschaften in den verschiedenen Richtun- gen, insbesondere in der Längs-, der Quer-und der Diagonalrichtung mög- lichst gleich sind, das heißt, weitgehend isotrop sind. Die Vorteile isotroper Eigenschaften drücken sich im wesentlichen in einer Gleichmäßigkeit des Stoffflusses und in einer Reduzierung des Blechverschnittes aus (DE 195 47 181 C1).

In diesem Zusammenhang ist dem Fachmann bekannt, daß sogenannte HK- Lager (Hüllkreislager), wie Nadellager oder Nadelbüchsen eine wälzlagertech- nische Besonderheit darstellen, die sich gegenüber massiven Wälzlagern radi- aler Bauart abgrenzen. Diese HK-Lager erhalten ihre Rundheit und Form durch das Einpressen in eine Bohrung und der Hülsenwerkstoff unterliegt somit per- manenten Druckspannungen. Diese durch das Einpressen erzeugten Druck- spannungen addieren sich zu den beim Betrieb des Lagers entstehenden Last- spannungen, so daß der verwendete Werkstoff hohe Anforderungen zu erfüllen hat. Insbesondere soll er gut umformbar sein und eine Eignung für eine Wär- mebahandlung aufweisen, um die gewünschten mechanischen Kennwerte zu erreichen.

In der DE 10 34 932 ist ein Verfahren zu Herstellung eines Nadellagers be- schrieben, wobei die Laufhülse zunächst mit einem festen Bord hergestellt ist und in diese offene Hülse ein Käfig mit Wälzkörper eingeführt wird, bevor durch umbiegen des zweiten Bordes eine unverlierbare Baueinheit gebildet ist. Da- nach werden Hülse und Käfig einem gemeinsamen Härtevorgang unterworfen.

Nach diesem Stand der Technik werden dünnwandige Außen-bzw. Innenringe für Nadellager aus einem tiefziehfähigen Kaltband spanlos hergestellt, wobei das Kaltband ein Einsatzstahl beispielsweise der Marken CK 15, St4 C22, 15Cr3 oder 16MnCr5 ist. Voraussetzung für diesen Herstellprozeß ist eine gleichmäßige isotrope Umformfähgikeit des Kaltbandes. In einzelnen oder mehreren Stufen hintereinander werden die Teile aus dem Band bestimmter Dicke abgestreckt, kalibriert auf eine hohe Maßgenauigkeit und wanddicken- gleich geformt. Zur Erreichung der Verschleißfestigkeit und der geforderten Tragfähigkeit werden diese ausgeformten Teile einsatzgehärtet. Dies erfolgt durch eine Aufkohlung ohne oder mit Stickstoffzugabe (Karbonitrierung) in so- genannten Einsatzhärteöfen bei Temperaturen zwischen 830 und 930°C. Je nach erforderliche Einhärtetiefe bedeutet dies eine Wärmebehandlung bis zu zwei Stunden und mehr.

Die genannten Stähle gelten als Standard-Werkstoffe für spanlos gefertigte, dünnwandige Außenringe der Nadelhülsen oder Nadelbüchsen und weisen nachstehende charakteristische Eigenschaften auf : - ihre Reinheit und Kaltziehfähigkeit - die notwendige Einsatzhärtung - die relative Maß-und Formveränderung bei der Wärmebehandlung - die erforderliche Materialdicke, bedingt durch die Einsatzhärtungstiefe Eht und den für diese Werkstoffe notwendigen weichen Kern Die maximale Tragfähigkeit derart einsatzgehärteter Hülsenlager ist abhängig vom Wälzkörperdurchmesser und der sich aus der Vergleichsspannung erge- benden Einsatzhärtetiefe (Eht). Im Querschnitt gesehen bestehen demnach einsatzgehärtete Teile aus zwei gehärteten Randschichten und einem Kernbe- reich mit einem deutlich niedrigeren Härtewert. Das Verhältnis der Hülsen- wanddicke zur Einhärtetiefe liegt bei etwa 3 : 1 bis 4 : 1. Die Einsatzhärtetiefe beträgt etwa 5 bis 7 % des Wälzkörperdurchmessers zuzüglich einer erforderli- chen Fertigungstoleranz, so daß die Hülsenwanddicke bei maximaler Lastaus- legung mehr als ein Viertel des Wälzkörperdurchmessers entspricht.

Im Zusammenhang mit der Erfindung sind auch Kreuzgelenke von Interesse.

Diese werden zur winkelbeweglichen Verbindung zweier Wellen bei gleichzei- tiger Übertragung von Drehmomenten benutzt. Die Verbindung wird dabei in der Weise herbeigeführt, daß jeweils zwei einander gegenüberliegende Zapfen eines Gelenkkreuzes in entsprechende Bohrungen der gabelförmig ausgebilde- ten Enden der beiden Wellen eingreifen. Zur Erzielung einer großen Leicht- gängigkeit sind die Zapfen in besonderen Lagern aufgenommen, vorzugsweise in Wälzlagern. Die zur Lagerung gehörenden Gelenkkreuzbüchsen, die im funktionellen Einsatz axial wirkende Zapfenkräfte über den Büchsenboden auf- nehmen müssen, unterliegen einer hohen Federbeanspruchung. D. h., die im Kreuzgelenk vorgespannt eingepressten Büchsen zeigen eine bestimmte Er-

müdungserscheinung, wenn sie aus herkömmlich einsatzgehärteten Stahl wie St4, DC04 oder C15M bei 16MnCr5 hergestellt werden. Die Herstellung einer Gelenkkreuzbüchse aus einsatzgehärtetem Stahl geht aus der DE-AS1 021211 hervor. Die Folge dieser Ermüdungserscheinung ist, daß die Funktion des Ge- samtsystems, bedingt durch ein vergrößertes Spiel nach einer bestimmten Be- anspruchungsdauer, ungenau wird. Weitere Ausführungen zu Kreuzgelenkla- gerungen sind an dieser Stelle nicht erforderlich, weil dem Fachmann hinrei- chend bekannt (DE 21 22 575, DE 30 33 445 A1, DE-OS 21 20 569, DE 37 39 718 A1) Zusammenfassung der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es daher, spanlos hergestellte dünnwandige Wälzla- ger und Gelenkkreuzbüchsen bereitzustellen, die sich durch einen verbesser- ten Wirkungsgrad auszeichnen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach den kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff dadurch gelöst, daß die Au- ßenringe aus einem kaltumformbaren durchhärtbaren Stahl hergestellt sind, wobei zwischen deren Wanddicke und dem Durchmesser der Lagernadeln ein Verhältnis von 1 : 20 bis 1 : 5 eingestellt ist und die durchgehärtete Wand eine Kernhärte von - 600 HV und eine Randhärte von - 680 HV aufweist.

Der entscheidende Vorteil der erfindungsgemäß ausgebildeten dünnwandigen Wälzlager liegt darin, daß die erforderliche Dicke der Außenringe nun nicht mehr als ein Werkstoffverbund mit Kernzone und doppelter Einhärtetiefe zu betrachten ist, sondern als eine nahezu homogene"gehärtete Randzone", de- ren Abstützung durch ein Gehäuse erfolgt, in das der Außenring eingepreßt ist.

Da für die Tragfähigkeit eines Lagers das Verhältnis von Einhärtetiefe zu Wälzkörperdurchmesser bestimmend ist, ergeben sich völlig andere Konstruk-

tions-und Einbaumöglichkeiten. Es lassen sich nunmehr dünnwandige Wälzla- ger neu auslegen, die - bei gleichen Bauraum statisch höher belastet werden können, - kleinere Bauräume bei gleichen Belastungen ermöglichen, - Auslegungen ermöglichen, die bei gleichen Bauraum zu längerer Lebens- dauer führen.

Ein anderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, daß sich auf- grund der unterschiedlichen Wärmebehandlung ein weiteres Einsparpotential realisieren läßt. Zum einen kann die Härtedurchlaufzeit und zum anderen die Härtetemperatur herabgesetzt werden. Auch ist die höhere Maß-und Formsta- bilität der beanspruchten Lösung von Vorteil.

Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Untenansprüchen 2 und 3 beschrieben.

So ist nach Anspruch 2 vorgesehen, daß die Kernhärte einen Wert von 600 bis 650 HV und die Randhärte einen Wert von 680 bis 750 HV aufweist.

Aus Anspruch 3 geht hervor, daß der Vergütungsstahl folgende chemische Zusammensetzung aufweist : 0,37-0, 50 % C bis 0,50 % Cr bis 0,40 % Si bis 0,40 % Ni 0,50 bis 0,80 % Mn bis 0, 10 % Mo bis 0,020 % P bis 0,20 % Cu bis 0, 020 % S Nach dem zweiten unabhängigen Anspruch 4 ist vorgesehen, daß die Gelenk- kreuzbüchse aus einem kaltumformbaren durchhärtbaren Stahl hergestellt ist,

wobei die durchgehärtete Wand eine Kernhärte von'600 HV und eine Rand- härte von'680 HV aufweist.

In vorteilhafter Weise soll dabei nach Anspruch 5 die Kernhärte einen Wert von 600-650 HV und die Randhärte einen Wert von 680-750 HV aufweisen.

Gemäß Anspruch 6 ist schließlich vorgesehen, daß für die Gelenkkreuzbüchse ein Vergütungsstahl mit folgender chemischer Zusammensetzung verwendet ist : 0,37-0, 50 % C bis 0,50 % Cr bis 0,40 % Si bis 0,40 % Ni 0,50 bis 0,80 % Mn bis 0,10 % Mo bis 0,020 % P bis 0,20 % Cu bis 0,020 % S Die Vorteile einer erfindungsgemäß hergestellten Gelenkkreuzbüchse liegen insbesondere darin, daß eine höhere Steifigkeit des Gelekkreuzsystems, eine höhere Federkennlinie und eine höhere Bruchfestigkeit des Büchsenbodens erreicht werden. Der Büchsenboden wird abgestützt über die radialen Span- nungen des eingepressten Zustandes und wirkt wie eine Tellerfeder, deren Vorspannkraft über die gesamte Lebensdauer aufrecht erhalten bleibt, da der Werkstoff des Vergütungsstahles bis in den Kern die Federeigenschaften und eine hohe Streckgrenze beibehält.

Die Erfindung wird an nachstehenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen :

Figur 1 eine perspektivisch dargestellte Nadelbüchse, teilweise geschnitten, Figur 1 a einen Längsschnitt durch je eine Nadelhülse, Figur 1 b einen Längsschnitt durch je eine Rollenhülse, Figur 2 einen Härtevergleich zwischen klassischem Werkstoff und erfindungsgemäßem Stahl, Figur 3 Federkennlinien eines Büchsenbodens aus klassischem Werkstoff und erfindungsgemäßen Stahl und Figur 4 plastische Verformung bei Radiallast zwischen klassi- schem Werkstoff und erfindungsgemäßem Stahl.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Die in der Figur 1 gezeigte und mit 1 bezeichnete Nadelbüchse weist einen Radialabschnitt 2 mit kreisringförmigen Profil auf, der an einem Ende in den radial nach innen gerichteten Bord 3 übergeht und am anderen Ende durch den Boden 4 verschlossen ist. Zwischen dem mit der Erhebung 5 versehenen Boden 4 und dem Bord 3 wälzen im Käfig 6 geführte Lagernadeln 7 ab. Derar- tige Nadelbüchsen schließen Lagerstellen an Wellenenden ab.

Wird nun eine solche Nadelbüchse 1 bei gleichem Außendurchmesser einmal nach dem bisherigen Stand der Technik aus einem Stahl der Marke DC04M und einmal aus einem erfindungsgemäßen kaltumformbaren und durchhärtba-

ren Stahl gemäß den Ansprüchen hergestellt, so ergeben sich durch die erfin- dungsgemäße Neuauslegung in etwa folgende Potentialeinsparungen : - die Wandstärke der Nadelbüchse kann sich bis auf 50 % verringern - der Durchmesser der Wälzkörper kann sich bis um 20 % vergrößern - die Wälzkörper können sich in ihrer axialen Ausdehnung bis um 5% verlängern - die dynamische Tragzahl Cr kann sich bis um 18 % erhöhen - die statische Tragzahl Cor kann sich bis um 9 % erhöhen - die dynamische Lebensdauer kann sich bis um 75 % erhöhen - das Gesamtgewicht kann sich bis um 7 % vermindern : Wie ein konkreter Vergleich der in Figur 1a schematisch dargestellten Nadel- hülsen vom Typ HK 3020 zeigt, weist sowohl die Nadelhülse aus dem Einsatz- stahl DC04M (0,05-0, 08 % C) als auch die Nadelhülse aus dem erfindungs- gemäßen Stahl C45M (0,37-0, 50 % C) folgende gleiche Abmessungen auf : - Außendurchmesser 37 mm - Hüllkreisdurchmesser 30 mm - axiale Ausdehnung 20 mm Die Unterschiede zwischen beiden Nadelhülsen sind durch nachstehende ge- ometrische Abmessungen bestimmt : - Während bei der linksseitigen Nadelhülse gemäß dem bisherigen Stand der Technik eine Wanddicke von 1 mm ausgewiesen ist, ist diese bei der rechtsseitigen erfindungsgemäßen Nadelhülse auf 0,5 mm reduziert.

- Der Durchmesser der Lagernadeln ist mit 2,5 bzw. mit 3 mm angegeben, so daß ein Verhältnis von Wanddicke zu Durchmesser der Lagernadeln von 1 : 2,5 bzw. von 1 : 6 gebildet ist.

- Die axiale Länge der Lagernadeln beträgt 15,3 bzw. 16 mm

- Der innere Abstand von Bord zu Bord beträgt 18,14 bzw. 18,91 mm Es ist erkennbar, daß bei gleichen Einbauverhältnissen (gleicher Außendurch- messer, gleicher Hüllkreisdurchmesser, gleiche axiale Ausdehnung) eine Stei- gerung der Tragfähigkeit realisiert ist, die durch den erhöhten Durchmesser der Lagernadeln und deren größere axiale Ausdehnung bedingt ist.

Ein ähnliches Bild hinsichtlich der erzielbaren Einsparpotentiale belegen die in Figur 1 b dargestellten Rollenhülsen. Die linksseitige nach dem Stand der Technik ausgebildete Rollenhülse ist aus dem Einsatzstahl C16M mit 0,145- 0,194 % C hergestellt, während die erfindungsgemäße rechtsseitig befindliche Rollenhülse aus dem Stahl der Marke C45M gefertigt ist. Beide Teile weisen nachstehende gleiche Abmessungen auf : - Hüllkreisdurchmesser 45 mm - axiale Ausdehnung 17 mm Die Unterschiede zwischen beiden Rollenhülsen sind durch folgende geometri- sche Abmessungen bestimmt : - Wie im Beispiel 1a ist die Wanddicke um 50 % verringert und zwar von 2 mm linksseitig auf 1 mm rechtsseitig.

- Der Durchmesser der Rollkörper ist mit 7 bzw. 6 mm angegeben, so daß sich ein Verhältnis von Wanddicke zu Durchmesser der Rollkörper von 1 : 3,5 bzw. von 1 : 6 ergibt.

- Die axiale Längenausdehnung der Rollkörper beträgt 13 bzw. 14,5 mm.

- Der innere Abstand von Bord zu Bord der Rollenhülse ist mit 13, 56 bzw. mit 15,16 mm angegeben.

- Der Außendurchmesser verringert sich von 63 auf 59 mm.

Das Einsparpotential zwischen beiden Rollenhülsen ist in diesem Fall bei etwa gleicher Tragfähigkeit durch einen verringerten Bauraum (Außendurchmesser) realisiert.

Wie Figur 2 zeigt, weist der erfindungsgemäße Stahl C45M im Gegensatz zum herkömmlichen Stahl der Marke DC04M einen nur flach in Richtung Bandmitte abfallenden Härteverlauf auf. Während die Randhärte mit etwa 750 HV anzu- setzen ist, nimmt die Kernhärte einen Wert von etwa 650 HV an. Durch diese optimierte Härtbarkeit, die auf die Bauteilgeometrie und die Beanspruchung abzustimmen ist, weist der Stahl eine hohe Kernhärte, Zähigkeit und Elastizität auf. Diese hohe Kernhärte des kaltumformbaren durchhärtbaren Stahles sorgt letztendlich dafür, daß die vorstehend beschriebenen Einsparpotenziale wie Verringerung der Wandstärke, Erhöhung des Wälzkörperdurchmessers, Erhö- hung der dynamischen und der statischen Tragzahl, Erhöhung der dynami- schen Lebensdauer und eine Reduzierung des Gesamtgewichtes möglich wer- den. Der Stahl der Marke C45M ist ein isotroper Feinkornstahl mit hoher Rein- heit und speziell auf die Anforderungen in der Wälzlagertechnik abgestimmt.

Seine Tiefziehfähigkeit und Umformbarkeit ist vergleichbar mit den bisher ver- wendeten Kaltband-Werkstoffen, in seiner Härtbarkeit liegt er jedoch deutlich über den konventionellen Stählen.

Die in Figur 3 dargestellten Federkennlinien des Bodens 8.1 von Gelenkkreuz- büchsen 8 aus DC04M und C45M zeigen deutlich, daß bei einem Büchsenbo- den 8.1 aus DC04M ab einer bestimmten Kraft eine plastische Verformung ein- tritt, während sich der Boden 8.1 einer Büchse aus C45M über einen deutlich größeren Kraftbereich elastisch verhält. Der Büchsenboden 8.1 wirkt im Sinne der Erfindung wie eine Tellerfeder, deren Vorspannkraft über die gesamte Le- bensdauer aufrecht erhalten bleibt, da der Werkstoff des erfindungsgemäßen Vergütungsstahl bis in den Kernbereich Federeigenschaften hat. Die Vor- spannkraft einer erfindungsgemäßen Gelenkkreuzbüchse 8 erhöht sich bei gleichen geometrischen Abmessungen gegenüber einer Gelenkkreuzbüchse

gemäß Stand der Technik um wenigstens 20 %. Auf diese Weise läßt sich eine höhere Steifigkeit des gesamten Gelenkkreuzsystems realisieren, die sich posi- tiv auf die Funktion und die Lebensdauer auswirkt. Bei den im Kreuzgelenk nach dem Stand der Technik eingepreßten Büchsen zeigen sich Ermüdungser- scheinungen, wenn sie aus herkömmlich einsatzgehärteten Stählen hergestellt sind. Die Folge ist, daß diese Gelenkkreuze, zum Beispiel in einer Lenksäule oder in einem Antriebsystem eingesetzt, ein vergrößertes Spiel nach einer be- stimmten Beanspruchungsdauer aufweisen, was die Funktion erheblich beein- trächtigt.

Figur 4 zeigt schließlich die unterschiedliche plastische Verformung von Hül- senlaufbahnen aus DC04M und C45M bei Belastung. Die Lager aus dem neu- en Werkstoff weisen aufgrund der hohen Kernhärte eine höhere statische und dynamische Tragfähigkeit auf als vergleichbare Lager aus herkömmlichem Stahl. Dies vermindert plastische Verformungen an den Laufbahnen bei hoher statischer Belastung.

Bezugszeichen 1 Nadelbüchse 2 Radialabschnitt 3 Bord 4 Boden 5 Erhebung 6 Käfig 7 Lagernadel 8 Gelenkkreuzbüchse 8.1 Boden