DE102016202108A1

DE102016202108A1 - Wälzlager für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102016202108A1
Application number: DE102016202108.7A
Authority: DE
Inventors: Björn Müller; Bertram Haag; Nikolay Podgaynyy; Peter Pohla
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-02-12
Filing date: 2016-02-12
Publication date: 2017-08-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager (1) für eine elektrische Maschine, umfassend einen Innenring (2), einen Außenring (3) sowie radial zwischen dem Innenring (2) und dem Außenring (3) angeordnete Wälzkörper (4). Erfindungsgemäß sind zumindest teilweise am Innenring (2) und/oder am Außenring (3) eine Brünierschicht (5) zur Verschleißreduzierung und eine Isolationsschicht (6) zur Stromisolierung angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager für eine elektrische Maschine, umfassend einen Innenring, einen Außenring sowie radial zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnete Wälzkörper. Mithin erstreckt sich das Anwendungsgebiet der Erfindung vornehmlich auf elektrische Maschinen, insbesondere Generatoren für Windkraftanlagen.
Das Wachstum der Windkraftanlagen hin zu Multi-Megawatt-Kraftwerken führt zu höheren Kräften und Momenten, die insbesondere die Wälzlagerkomponenten immer stärker belasten. Gleichzeitig verursachen Stillstandzeiten und Wartungsarbeiten insbesondere bei Offshore-Anlagen immer höhere Kosten. Ein Phänomen, das die Zuverlässigkeit von Wälzlagern, auch außerhalb der Windindustrie, negativ beeinflusst, sind die so genannten White Etching Cracks (WEC). Neben Lagern für Windkraftanlagen sind White Etching Cracks auch bei Lagerungen anderer Industrieanwendungen, wie Elektromotoren, Papiermaschinen, Industriegetriebe für Großhydraulikbagger, Pumpensysteme oder Schiffsantriebe, sowie im Kraftfahrzeugbereich festzustellen.
White Etching Cracks sind Gefügeveränderungen im Werkstoff, die sich unterhalb der Lageroberfläche bilden. Als Folge entwickeln sich unter Einfluss verschiedener äußerer Belastungen Risse, die sich unter Beanspruchung bis zur Oberfläche ausbreiten. Dadurch kann es schließlich zu einem Reißen des Innen- oder Außenrings und somit zu einem vorzeitigen Ausfall des betroffenen Lagers kommen. Diese Risse treten sowohl in durchgehärteten als auch in einsatzgehärteten Wälzlagern auf. Die Ursachen für die Entstehung von White Etching Cracks ist noch nicht vollständig nachvollziehbar. Jedoch bilden nach heutigem Wissensstand Zusatzbeanspruchungen in Form von Dynamik, Mischreibung und/oder Elektrik die Voraussetzung für die Entstehung von White Etching Cracks.
Die DE 10 2011 006 296 A1 offenbart ein Wälzlager, umfassend einen Außenring, einen Innenring und auf Laufbahnen der Ringe wälzende Wälzkörper. Die Laufbahn des Innen- und/oder Außenrings und/oder die Oberfläche der Wälzkörper weist eine Brünierschicht auf. Ferner besteht der Innen- und/oder der Außenring und/oder die Wälzkörper aus einem Stahl, der zumindest unterhalb der Brünierschicht eine Härte von mindestens 58 HRC aufweist. Zur weiteren Reduzierung der Rissbildung, insbesondere zur weiteren Erhöhung des Widerstands gegen White Etching Cracks sind Legierungselemente unterhalb der Brünierschicht wie folgt eingestellt. Ein Stickstoffgehalt beträgt zumindest in der Randschicht 0,03–0,8%, wobei der Stickstoff zumindest teilweise gelöst ist. Ein Kohlenstoffgehalt beträgt zumindest in der Randschicht 0,1–1,2%, ein Nickelgehalt ist kleiner/gleich 0,4%, ein Siliziumgehalt beträgt 0,2–1,0%, ein Chromgehalt ist kleiner/gleich 1,0%, ein Schwefelgehalt ist kleiner/gleich 0,008%, ein Sauerstoffgehalt ist kleiner/gleich 15 ppm und ein Titangehalt ist kleiner/gleich 50 ppm.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Wälzlager für eine elektrische Maschine weiterzuentwickeln, und insbesondere die Widerstandsfähigkeit des Wälzlagers gegenüber White Etching Cracks zu erhöhen.
Erfindungsgemäß sind zumindest teilweise am Innenring und/oder am Außenring eine Brünierschicht zur Verschleißreduzierung und eine Isolationsschicht zur Stromisolierung angeordnet. Mit anderen Worten sind beide Schichten jeweils am Innenring oder jeweils am Außenring oder jeweils am Innen- und Außenring angeordnet. Die Isolationsschicht ist im Wesentlich dazu vorgesehen, den Innenring und/oder Außenring von einem Stromdurchgang und Additiven aus dem Schmiermittel zu schützen. Mithin ermöglicht die Isolationsschicht neben einer elektrischen Isolation auch einen Korrosionsschutz. Die Brünierschicht hingegen ist im Wesentlichen zur Reibungs- und Verschleißminimierung am Innenring und/oder Außenring vorgesehen. Ferner ermöglicht die Brünierschicht auch einen schwachen Korrosionsschutz.
Vorzugsweise ist die Brünierschicht an einer Innenumfangsfläche des Außenrings und/oder an einer Außenumfangsfläche des Innenrings ausgebildet. Insbesondere ist die Brünierschicht an einer jeweiligen Laufbahn des Wälzkörpers am jeweiligen Innenring und/oder Außenring angeordnet. Demgegenüber ist die Isolationsschicht vorzugsweise an einer Innenumfangsfläche des Innenrings und/oder an einer Außenumfangsfläche des Außenrings ausgebildet. Dabei ist die Innenumfangsfläche des Innenrings dazu vorgesehen, an einer Welle zur Anlage zu kommen, wobei die Außenumfangsfläche des Außenrings dazu vorgesehen ist, an einem Gehäuse zur Anlage zu kommen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Innenring und/oder Außenring vollständig beschichtet, wobei die Innenumfangsfläche des Außenrings und/oder die Außenumfangsfläche des Innenrings die Brünierschicht aufweist, wobei ferner die verbleibende Oberfläche des Innenrings und/oder Außenrings die Isolationsschicht aufweist. Mit anderen Worten ist die gesamte Oberfläche des Innenrings und/oder Außenrings vollständig beschichtet, wobei ein Teil der Oberfläche des Innenrings und/oder Außenrings mit der Brünierschicht beschichtet ist und der andere Teil der Oberfläche des Innenrings und/oder Außenrings mit der Isolationsschicht beschichtet ist. Die beiden Schichten sind somit nicht übereinander angeordnet. Das Substrat ist stets der Innenring und/oder Außenring.
Vorzugsweise ist die Brünierschicht aus Eisenmischoxiden gebildet. Insbesondere ist die Brünierschicht eine sogenannte Durotect B Eisenmischoxidschicht. Der Name Durotect B ist markenrechtlich geschützt. Demgegenüber ist die Isolationsschicht vorzugsweise aus Aluminiumoxid gebildet. Insbesondere ist die Isolationsschicht eine sogenannte Insutect A Keramikschicht aus Al₂O₃. Der Name Insutect A ist markenrechtlich geschützt.
Bevorzugt wird die Brünierschicht durch ein Eintauchen des Bauteils in ein dafür vorgesehenes Bad gebildet, wobei die Brünierschicht eine Schichtdicke von 0,5 bis 2 µm aufweist. Des Weiteren bevorzugt wird die Isolationsschicht durch Flammspritzen gebildet, wobei die Isolationsschicht eine Schichtdicke von 50 bis 300 µm aufweist.
Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem zuvor beschriebenen Wälzlager. Insbesondere ist die elektrische Maschine ein Elektromotor oder ein Generator.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils, insbesondere eines Lagerrings für ein zuvor genanntes Wälzlager, wobei zunächst eine Brünierschicht und danach eine Isolationsschicht oder zunächst die Isolationsschicht und danach die Brünierschicht auf eine Oberfläche des Bauteils ausgebildet werden. Mithin werden die beiden Schichten nacheinander auf das jeweilige Bauteil aufgebracht. Vorteilhafterweise wird die zuerst aufgebrachte Schicht während dem Aufbringen der zweiten Schicht durch einen Schutzlack oder eine Maskierung geschützt.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung zwei bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiden Figuren näher dargestellt, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigen
1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils, und
2 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers für eine elektrische Maschine.
Gemäß 1 weist ein erfindungsgemäßes Bauteil, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, eine Brünierschicht 5 sowie eine Isolationsschicht 6 auf. Das erfindungsgemäße Bauteil ist beispielsweise ein Außenring 3 eines – hier nicht dargestellten – Wälzlagers. Die Brünierschicht 5 ist an einer Innenumfangsfläche, insbesondere einer Laufbahn für – hier nicht dargestellte – Wälzkörper ausgebildet. Die verbleibende Oberfläche, nämlich eine Außenumfangsfläche sowie die beiden Stirnflächen des Außenrings 3 sind mit der Isolationsschicht 6 beschichtet.
Nach 2 weist ein erfindungsgemäßes Wälzlager 1 für eine – hier nicht dargestellte – elektrische Maschine einen Innenring 2, einen Außenring 3 sowie radial zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 angeordnete Wälzkörper 4 auf. Das Wälzlager 1 ist dafür vorgesehen, eine Welle 7 gegenüber einem stationär festgelegten Gehäuse 8 drehbeweglich zu lagern. Sowohl der Innenring 2 als auch der Außenring 3 weisen eine Brünierschicht 5 zur Verschleißreduzierung und eine Isolationsschicht 6 zur Stromisolierung auf. Der Innenring 2 und Außenring 3 sind vollständig beschichtet, wobei die Innenumfangsfläche des Außenrings 3 und die Außenumfangsfläche des Innenrings 2 die Brünierschicht 5 aufweisen, und wobei die verbleibende Oberfläche des Innenrings 2 und Außenrings 3 die Isolationsschicht 6 aufweist.
In beiden Figuren ist die Brünierschicht 5 aus Eisenmischoxiden gebildet und weist eine Schichtdicke von 2 µm auf. Demgegenüber ist die Isolationsschicht 6 aus Aluminiumoxid gebildet und weist eine Schichtdicke von 200 µm auf. Die beiden Schichten führen zu einer Erhöhung der Widerstandsfähigkeit des Wälzlagers 1 gegenüber White Etching Cracks.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: Innenring
3: Außenring
4: Wälzkörper
5: Brünierschicht
6: Isolationsschicht
7: Welle
8: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011006296 A1 [0004]

Claims

Wälzlager (1) für eine elektrische Maschine, umfassend einen Innenring (2), einen Außenring (3) sowie radial zwischen dem Innenring (2) und dem Außenring (3) angeordnete Wälzkörper (4), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise am Innenring (2) und/oder am Außenring (3) eine Brünierschicht (5) zur Verschleißreduzierung und eine Isolationsschicht (6) zur Stromisolierung angeordnet sind.
Wälzlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brünierschicht (5) Eisenmischoxiden umfasst.
Wälzlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brünierschicht (5) eine Schichtdicke von 0,5 bis 2 µm aufweist.
Wälzlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brünierschicht (5) an einer Innenumfangsfläche des Außenrings (3) und/oder an einer Außenumfangsfläche des Innenrings (2) ausgebildet ist.
Wälzlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (6) Aluminiumoxid umfasst.
Wälzlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (6) eine Schichtdicke von 50 bis 300 µm aufweist.
Wälzlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (6) an einer Innenumfangsfläche des Innenrings (2) und/oder an einer Außenumfangsfläche des Außenrings (3) ausgebildet ist.
Wälzlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (2) und/oder Außenring (3) vollständig beschichtet ist, wobei die Innenumfangsfläche des Außenrings (3) und/oder die Außenumfangsfläche des Innenrings (2) die Brünierschicht (5) aufweist, wobei ferner die verbleibende Oberfläche des Innenrings (2) und/oder Außenrings (3) die Isolationsschicht (6) aufweist.
Elektrische Maschine, umfassend ein Wälzlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils, insbesondere eines Lagerrings (2, 3) für ein Wälzlager (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zunächst eine Brünierschicht (5) und danach eine Isolationsschicht (6) oder zunächst die Isolationsschicht (6) und danach die Brünierschicht (5) auf eine Oberfläche des Bauteils ausgebildet werden.