DE102014204719A1 - Wälzlager mit integriertem Nebenschluss - Google Patents

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Abstract

The Erfindung stellt eine Wälzlagereinheit zur Verfügung, die mit einem Schutz vor Beschädigung durch elektrische Entladung versehen ist. Die Wälzlagereinheit weist einen radial inneren Lagerring und einen radial äußeren Lagerring auf, wobei jeder dieser Ringe eine Laufbahn aufweist. Eine Rolleneinheit weist eine Mehrzahl von Wälzkörpern auf, wobei die Wälzkörper derart abgestützt sind, dass sie auf den Laufbahnen rollen können. Ein Schutzschild erstreckt sich radial zwischen dem radial äußeren Ring und dem radial inneren Ring. Der Schutzschild weist einen Körperteil mit einem radialen Ende auf, welches an einem der radial inneren oder radial äußeren Ringe befestigt ist, und ferner mindestens eine stromleitende Dichtung an einer Oberfläche des Körperteils aufweist, wobei mindestens eine Mehrzahl von Fasern sich auf dem radialen Ende des Körperteils erstreckt, welches gegenüber von dem befestigten radialen Ende liegt und wobei die Fasern den anderen der radial inneren Ring oder den radial äußeren Ring kontaktieren.

Description

  • Bezeichnung der Erfindung
  • Wälzlager mit integriertem Nebenschluss
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Anmeldung betrifft ganz allgemein ein Wälzlager und insbesondere den Schutz eines Wälzlagers vor Beschädigung durch elektrische Entladung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Wälzlager finden einen weitverbreiteten Einsatz in verschiedenen mechanischen Anwendungen einschließlich auf den Gebieten der Fahrzeugtechnik und bei der Industrie. Erdungsvorrichtungen kommen zum Einsatz, um zu verhindern, dass welleninduzierte elektrische Ströme eine Funkenerosion durch elektrische Entladung (EDM) verursachen, wenn elektrische Ströme durch einen Wälzlagerbauteil fließen. EDM verursacht Grübchenbildung, Riffelungen und Schmelzkrater an den Wälzlagerbauteilen, was zu einem vorzeitigen Versagen des Wälzlagers führt. Bekannte EDM-Verhinderungsmethoden sind, u. a. dielektrische keramische Wälzlagerbeschichtungen, Faraday'sche Käfige, stromleitende Lagerfette und wellenkontaktierende geerdete Bürsten.
  • Dielektrische keramische Lagerbeschichtungen schließen eine harte spröde Beschichtung ein, die während der Montage oder des Betriebs zerbrechen kann. Risse in der Beschichtung ermöglichen ein Fließen des Stroms durch das Lager, was zu EDM führt. Dielektrische keramische Lagerbeschichtungen besitzen außerdem eine begrenzte dielektrische Festigkeit, und bei Hochspannung kann Strom durch die Beschichtungsstruktur fließen und den EDM-Schutz der Beschichtung beeinträchtigen. Bekannte Faraday'sche Käfige sind in U.S. Patentnummer 7,878,814 offenbart. In der Praxis ist der Einsatz von Faraday'schen Käfigen bei den meisten Wälzlager-Anwendungen kostenintensiv. Fette oder flüssige Metalle, die elektrischen Strom leiten können, so wie in U.S. Patentnummer 8,248,725 offenbart, werden verwendet, um ein kontinuierliches Fließen des Stroms durch Lageroberflächen zu ermöglichen, können aber Elemente wie Kupfer, Kohlenstoff oder Phosphor enthalten, die übermäßige Abnutzung an Lageroberflächen verursachen und zum vorzeitigen Versagen des Wälzlagers führen können.
  • Federbelastete Erdungsbürsten für Wellen ermöglichen einen kontinuierlichen Fluss des Stroms in Richtung Erdung. Bekannte Erdungsbürsten neigen zur übermäßigen Abnutzung, Materialübertragung von Werkstoffen und Oxidbildung an gepaarten Flächen. Diese Oxide können sich in ein Dielektrikum verwandeln und eine effektive Übertragung des Stroms von der Welle zu der Erde verhindern. Dies kann eine Lichtbogenbildung verursachen und zur Beschädigung der Welle führen. Wenn einmal die Impedanz der Erdungsbürsten der Welle die Impedanz der Wälzlager überschreitet, kann der Strom durch die Lager in Richtung Erde fließen, was eventuell eine Beschädigung der Lager durch EDM verursachen kann. Wellenerdungsbürsten können auch durch Unregelmäßigkeiten in der Wellenoberfläche, d.h. durch Unrundheiten in der Welle in Schwingung geraten. Bei einem vorübergehenden Kontaktverlust der Erdungsbürste mit der Welle während der Schwingungen kann sich ein Lichtbogen von der Erdungsbürste bis zur Welle spannen und eine EDM-Beschädigung verursachen. Alternativ, wenn die Spannung während des Kontaktverlustes mit der Welle bei Schwingungen ausreichend hoch ist, kann der Strom durch die Lager fließen. Konventionelle federbelastete Erdungsbürsten für Wellen neigen zu einer schnellen und übermäßigen Abnutzung und können im Endeffekt Kontakt mit der Welle verlieren, was dazu führt, dass der Strom durch das Lager in Richtung Erde fließt und eine EDM-Beschädigung im Lager verursacht. Bekannte Erdungsbürsten für Wellen werden üblicherweise nicht zu nahe am Lager eingebaut, jedoch ist das Vorsehen einer Erdungsfläche nahe beim Lager unbedingt erforderlich, um die Lageroberflächen vor EDM zu schützen.
  • Wie oben dargestellt, sind die bekannten Maßnahmen zum Schutz der Lager vor EDM entweder zu teuer, zu unzuverlässig, oder sie können zur Beschädigung der Lagerbauteile führen.
  • Zusammenfassung
  • Es wäre wünschenswert, einen kosteneffektiven und zuverlässigen Schutz der Wälzlagerbauteile vor EDM zu schaffen.
  • Die Erfindung stellt eine Wälzlagereinheit zur Verfügung, die mit einem Schutz vor Beschädigung durch elektrische Entladung versehen ist. Die Wälzlagereinheit weist einen radial inneren Lagerring und einen radial äußeren Lagerring auf. Der radial innere Lagerring weist eine radial äußere Laufbahn auf und der radial äußere Lagerring weist eine radial innere Laufbahn auf. Die Wälzlagereinheit weist eine Rolleneinheit auf, welche eine Mehrzahl von Wälzkörpern aufweist. Die Mehrzahl von Wälzkörpern ist vorzugsweise in einem Käfig gehalten, wobei die Wälzkörper derart abgestützt sind, dass sie auf der radial äußeren Laufbahn des radial inneren Rings und auf der radial inneren Laufbahn des radial äußeren Rings rollen können. Ein Schutzschild erstreckt sich radial zwischen dem radial äußeren Ring und dem radial inneren Ring. Der Schutzschild weist einen Körperteil mit einem radialen Ende auf, das an einem der radial inneren oder radial äußeren Ringe befestigt ist, und ferner mindestens eine stromleitende Dichtung an einer Oberfläche des Körperteils aufweist, welche in Kontakt mit dem anderen der radial inneren oder radial äußeren Ringe steht.
  • Um einen reibungsarmen gleitenden elektrischen Kontakt zu gewährleiten, erstreckt sich in einer Ausführung der Erfindung eine Mehrzahl von Fasern auf dem radialen Ende des Körperteils, welches sich gegenüber von dem befestigten radialen Ende befindet.
  • In anderen Ausführungen der Wälzlagereinheit kann die stromleitende Dichtung sich radial zwischen dem radial inneren Ring und dem radial äußeren Ring erstrecken und in Kontakt mit dem radial inneren Ring und dem radial äußeren Ring stehen. Die stromleitende Dichtung kann einen Caoutchouc- oder Polymer-Werkstoff aufweisen, der stromleitende Nanofasern enthält. Die Wälzlagereinheit kann einen radial inneren Schutzschild und einen radial äußeren Schutzschild aufweisen.
  • In einer anderen Ausführung könnte der Käfig den leitenden Pfad bilden oder zumindest einen Teil des leitenden Pfads. Der Käfig kann eine Mehrzahl von Bürsten aufweisen, die aus leitenden Fasern gefertigt sind, oder es können leitende Fasern sich von einem oder beiden der Ringe erstrecken und in Kontakt mit dem Käfig stehen.
  • Nachfolgend, wie auch in den Ansprüchen, sind bevorzugte Anordnungen mit einem oder mehreren Merkmalen der Erfindung beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorangegangene Zusammenfassung sowie die nachfolgende „Ausführliche Beschreibung“ werden am besten mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verstanden werden. Die Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine Vorderansicht einer ersten bevorzugten Ausführung einer Wälzlagereinheit,
  • 2 eine Querschnittsansicht der Wälzlagereinheit entlang der Linie 2-2 der 1,
  • 3 eine Querschnittsansicht einer zweiten bevorzugten Ausführung der Wälzlagereinheit gemäß der Erfindung,
  • 4 eine Querschnittsansicht einer dritten bevorzugten Ausführung der Wälzlagereinheit gemäß der Erfindung,
  • 5 eine Querschnittsansicht einer vierten bevorzugten Ausführung der Wälzlagereinheit gemäß der Erfindung,
  • 6 eine perspektivische Ansicht des Käfigs gemäß 5, und
  • 7 einen vergrößerten Teil des Käfigs gemäß 6.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
  • Bestimmte, in der nun folgenden Beschreibung verwendete Begriffe dienen lediglich der Bequemlichkeit und sind keineswegs als einschränkend zu verstehen. Die Begriffe „innere“, „äußere“, „nach innen“ und „nach außen“ beziehen sich auf Richtungen zu oder weg von den in den Zeichnungen mit Bezugszahlen gekennzeichneten Teilen. Ein Bezug auf eine Liste von Posten bzw. Teilen mit der Formulierung „mindestens eines von a, b, oder c“, (worin a, b und c für die aufgezählten Posten stehen), bedeutet irgendeinen der aufgelisteten Posten a, b, c oder eine Kombination aus diesen Posten. Die Terminologie schließt die konkret genannten Begriffe, Ableitungen daraus und Begriffe mit ähnlicher Bedeutung ein.
  • 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführung einer Wälzlagereinheit 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Wälzlagereinheit 1 weist eine radial inneren Ring 4, einen radial äußeren Ring 7 und eine Mehrzahl von Wälzkörpern 2, die derart abgestützt ist, dass die Wälzkörper 2 an einer radial äußeren Laufbahn 5 des radial inneren Rings 4 und an einer radial inneren Laufbahn 8 des radial äußeren Rings 7 abrollen, was deutlicher in 2 zu sehen ist. Eine, die Mehrzahl von Wälzkörpern 2 aufweisende Rolleneinheit ist zwischen den Ringen 4, 7 angeordnet. Die Wälzkörper 2 sind bevorzugt Kugeln. Vorzugsweise weist die Rolleneinheit einen Käfig 3 für die Wälzkörper 2 auf. Der Käfig 3 ist bevorzugt aus Messing gefertigt, es können aber auch andere leitende Werkstoffe verwendet werden.
  • Wie in 2 zu sehen ist, weist der radial innere Ring 4 bevorzugt ein Paar von Vertiefungen auf, welche ringförmige Nuten 6 an einer radial äußeren Fläche bilden. Auch der radial äußere Ring 7 weist bevorzugt ein Paar von Vertiefungen auf, welche ringförmige Nuten 9 an einer radial inneren Fläche bilden. Ein von der Rolleneinheit axial versetzt angeordneter Schutzschild 10 erstreckt sich radial zwischen dem radial inneren Ring 4 und dem radial äußeren Ring 7. Der Schutzschild 10 weist einen Körperteil 11 mit zwei radialen Enden 12, 13 auf. Der Körperteil 11 besteht vorzugsweise aus vergoldetem Stahl, Kupfer oder einem anderen ausreichend leitenden Werkstoff. Eins der radialen Enden 12, 13 des Körperteils ist entweder am radial inneren Ring 4 oder am radial äußeren Ring 7 befestigt. Eins der radialen Enden 12, 13 ist bevorzugt in einer der Nuten 6, 9 des radial inneren oder des radial äußeren Rings 4, 7 befestigt. Vorzugsweise ist einer der Schutzschilder 10 jeweils an jeder axialen Seite der Rolleneinheit vorgesehen.
  • Der Schutzschild 10 weist an einer Fläche des Körperteils 11 mindestens eine elektrisch leitende Dichtung 14, 15 auf. Die leitende Dichtung 14, 15 weist vorzugsweise einen Caoutchouc- oder Polymer-Werkstoff auf. Die leitende Dichtung 14, 15 erstreckt sich radial von einem der radialen Enden 12, 13 und steht in Kontakt mit dem radial inneren Ring 4 oder dem radial äußeren Ring 7. Die leitenden Dichtungen 14, 15 können an einer oder an beiden axialen Flächen des Schutzschildes 10 vorgesehen werden. Ein leitendes Element kann sich von einem gegenüberliegenden radialen Ende 12, 13 des Körperteils 11 erstrecken, welches den anderen der radial inneren oder radial äußeren Ringe 4, 7 kontaktiert. Das leitende Element kann leitende Fasern, oder eine leitende Dichtung aus einem Polymer-Werkstoff mit leitenden Nanofasern aufweisen.
  • Vorzugsweise weist der Schutzschild 10 eine Mehrzahl von leitenden Fasern 16 auf, die sich auf einem dem befestigten radialen Ende 12, 13 gegenüberliegenden radialen Ende 12, 13 des Körperteils 11 erstreckt. In der dargestellten Ausführung gehen die leitenden Fasern 16 von dem inneren radialen Ende 13 aus; sie könnten jedoch auch von dem äußeren radialen Ende 12 ausgehen. Die Mehrzahl von Fasern 16 kontaktiert den radial inneren Ring oder den radial äußeren Ring 4, 7 und bildet einen Nebenschluss, durch den Streustrom an die Erdung geleitet wird. Die Mehrzahl von leitenden Fasern 16 ist zwischen der leitenden inneren Dichtung 14 und der leitenden äußeren Dichtung 15 angeordnet. Der Schutzschild 10 und die Mehrzahl von leitenden Fasern 16 stellen einen Pfad für den elektrischen Strom zwischen dem radial inneren Ring 4 und dem radial äußeren Ring 7 her, welcher vorbeugt, dass elektrischer Strom die Wälzkörper 2 der Lagereinheit oder die Laufbahnen beschädigt. Genauer gesagt, verhindern die leitenden Dichtungen 14, 15 einen Fluss des elektrischen Stroms durch die Wälzkörper 2.
  • In einer in 3 gezeigten alternativen Ausführung der vorliegenden Wälzlagereinheit 1 erstreckt sich die leitende Dichtung 14, 15 radial zwischen dem radial inneren Ring 4 und dem radial äußeren Ring 7. Die leitende Dichtung 14, 15 kontaktiert sowohl den radial inneren Ring 4 als auch den radial äußeren Ring 7. Bevorzugt weist die leitende Dichtung 14, 15 einen Caoutchouc- oder Polymer-Werkstoff auf, der stromleitende Nanofasern wie Kupfer-, Silber- oder Gold-Nanofasern enthält.
  • In einer anderen Ausführung der vorliegenden Wälzlagereinheit 1, so wie in 4 gezeigt, sind ein radial innerer Schutzschild 17 und ein radial äußerer Schutzschild 18 vorgesehen, welche einen Nebenschluss bilden, der elektrischen Streustrom durch den Käfig 3 an die Erdung leitet. Ein Ende des radial inneren Schutzschilds 17 kontaktiert den radial inneren Ring 4 und das andere Ende des radial inneren Schutzschilds 17 weist eine Mehrzahl von Fasern auf, welche sich radial nach außen erstrecken und den Käfig 3 kontaktieren. Ein Ende des radial äußeren Schutzschilds 18 kontaktiert den radial äußeren Ring 7 und das andere Ende des radial äußeren Schutzschilds 18 weist eine Mehrzahl von Fasern auf, welche sich radial nach innen erstrecken und den Käfig 3 kontaktieren.
  • In einer anderen Ausführung der vorliegenden Wälzlagereinheit 1, so wie in 5 gezeigt, weist der Käfig 3 eine Mehrzahl von Bürsten 19 auf, welche Kohlenstofffasern enthalten. Die Bürsten 19 können mechanisch am Käfig 3 befestigt sein. Alternativ können die Bürsten 19 chemisch mit dem Käfig 3 verbunden werden, vorzugsweise mit Hilfe eines Epoxidharzes. Wie noch deutlicher in 6 und 7 zu sehen, können die Bürsten 19 in Umfangsrichtung um den Käfig 3 herum mit einem Abstand zueinander angeordnet sein. Alternativ können die Bürsten 19 in Umfangsrichtung auch kontinuierlich um den Käfig 3 angeordnet sein.
  • Um EDM zu verhindern, ist in jedem dieser Fälle ein leitender Pfad durch die Wälzlagereinheit 1 gebildet, der nicht durch die Wälzkörper 2 verläuft.
  • Nach der vorhergehenden ausführlichen Beschreibung verschiedener Ausführungen der vorliegenden Wälzlagereinheit wird es dem Fachmann klar und naheliegend sein, dass zahlreiche Änderungen, von denen nur einige in der vorhergehenden ausführlichen Beschreibung beispielhaft angeführt sind, in einer Lagereinheit gemäß der Erfindung vorgenommen werden könnten, ohne die hierin verkörperten erfinderischen Ideen und Prinzipien zu verändern. Aus diesem Grund müssen die vorliegenden Ausführungen der Erfindung in jeder Hinsicht als erklärend und nicht als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die angeführten Ansprüche angegeben wird und nicht durch die vorhergehende Beschreibung, so dass alle Änderungen, die im Sinne der Ansprüche liegen und gleichwertig mit diesen sind, durch die Ansprüche abgedeckt sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wälzlagereinheit
    2
    Wälzkörper
    3
    Käfig
    4
    Radial innerer Ring
    5
    Radial äußere Laufbahn
    6
    Nuten des inneren Rings
    7
    Radial äußerer Ring
    8
    Radial innere Laufbahn
    9
    Nuten des äußeren Rings
    10
    Schutzschild
    11
    Körperteil
    12
    Erstes radiales Ende
    13
    Zweites radiales Ende
    14
    Leitende innere Dichtung
    15
    Leitende äußere Dichtung
    16
    Mehrzahl von Fasern
    17
    Radial innerer Schutzschild
    18
    Radial äußerer Schutzschild
    19
    Bürsten
    X
    Achse des Wälzlagers
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7878814 [0004]
    • US 8248725 [0004]

Claims (17)

  1. Wälzlagereinheit mit einem Schutz vor Beschädigung durch elektrische Entladung mit einem radial inneren Lagerring und einem radial äußeren Lagerring, wobei der radial innere Lagerring eine radial äußere Laufbahn aufweist und der radial äußere Lagerring eine radial innere Laufbahn aufweist; einer Rolleneinheit mit einer Mehrzahl von Wälzkörpern, die derart abgestützt ist, dass die Wälzkörper auf der radial inneren Laufbahn des radial äußeren Rings und auf der radial äußeren Laufbahn des radial inneren Rings rollen können; und einem Schutzschild, der sich radial zwischen dem radial äußeren Ring und dem radial inneren Ring erstreckt, wobei der Schutzschild einen Körperteil mit einem radialen Ende aufweist, das an einem der radial inneren oder radial äußeren Ringe befestigt ist, und ferner mindestens eine stromleitende Dichtung an einer Oberfläche des Körperteils aufweist, wobei ein stromleitendes Element sich von einem gegenüberliegenden radialen Ende des Körperteils erstreckt und den anderen radial inneren oder radial äußeren Ring kontaktiert.
  2. Wälzlagereinheit nach Anspruch 1, wobei eine Mehrzahl von Fasern sich auf dem radialen Ende des Körperteils erstreckt, welches gegenüber von dem befestigten radialen Ende liegt und wobei die Fasern den anderen der radial inneren Ring oder dem radial äußeren Ring kontaktieren.
  3. Wälzlagereinheit nach Anspruch 2, wobei der radial äußere Ring und der radial innere Ring jeweils mindestens eine Nut aufweisen.
  4. Wälzlagereinheit nach Anspruch 3, wobei die radialen Enden des Körperteils jeweils in Eingriff mit einer der Nuten des radial äußeren Rings und des radial inneren Rings stehen.
  5. Wälzlagereinheit nach Anspruch 4, wobei die Mehrzahl von Fasern die Nut des radial inneren Rings kontaktiert.
  6. Wälzlagereinheit nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine Nut aus zwei Nuten auf jedem der inneren und äußeren Lagerringe besteht, wobei je eine Nut an jeder Seite der Rolleinheit angeordnet ist, und wobei zwei Schutzschilder vorgesehen sind, wobei die radialen Enden des Körperteils jeweils in Eingriff mit einer der Nuten an jeder Seite der Rolleinheit stehen.
  7. Wälzlagereinheit nach Anspruch 2, wobei die mindestens eine stromleitende Dichtung aus zwei stromleitenden Dichtungen besteht, wobei je eine der Dichtungen auf jeder axialen Fläche des Schutzschildes angeordnet ist, und wobei die Mehrzahl von Fasern zwischen den Dichtungen angeordnet ist.
  8. Wälzlagereinheit nach Anspruch 1, wobei einer der Schutzschilde an jeder axialen Seite der Rolleneinheit vorgesehen ist.
  9. Wälzlagereinheit nach Anspruch 1, wobei der Körperteil des Schutzschildes aus vergoldetem Stahl oder Kupfer besteht.
  10. Wälzlagereinheit nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine stromleitende Dichtung aus einem Caoutchouc- oder Polymer-Werkstoff besteht.
  11. Wälzlagereinheit nach Anspruch 1, wobei die Wälzlagereinheit einen Käfig für die Mehrzahl von Wälzkörpern aufweist.
  12. Wälzlagereinheit nach Anspruch 11, wobei der Käfig aus Messing gefertigt ist.
  13. Wälzlagereinheit nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine stromleitende Dichtung aus einem Caoutchouc- oder Polymer-Werkstoff besteht, der leitende Nanofasern aufweist.
  14. Wälzlagereinheit mit einem Schutz vor Beschädigung durch elektrische Entladung mit einem radial inneren Lagerring und einem radial äußeren Lagerring, wobei der radial innere Lagerring eine radial äußere Laufbahn aufweist und der radial äußere Lagerring eine radial innere Laufbahn aufweist; einer Rolleneinheit, die eine Mehrzahl von Wälzkörpern aufweist, die derart abgestützt ist, dass die Wälzkörper auf der radial inneren Laufbahn des radial äußeren Rings und auf der radial äußeren Laufbahn des radial inneren Rings rollen können; und einer Mehrzahl von Bürsten, welche einen stromleitenden Kontakt zwischen dem Käfig, dem radial inneren Ring und dem radial äußeren Ring herstellt.
  15. Wälzlagereinheit nach Anspruch 14, wobei die Mehrzahl von Bürsten durch ein stromleitendes Epoxidharz mit dem Käfig verbunden ist.
  16. Wälzlagereinheit nach Anspruch 14, wobei die Mehrzahl von Bürsten sich in Umfangsrichtung um den Käfig herum erstreckt.
  17. Wälzlagereinheit nach Anspruch 14, wobei die Mehrzahl von Bürsten am radial inneren Ring und am radial äußeren Ring befestigt ist und den Käfig kontaktiert.
DE102014204719.6A 2013-05-09 2014-03-14 Wälzlager mit integriertem Nebenschluss Active DE102014204719B4 (de)

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