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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schutzelement zum Schutz eines mechanischen Lagers vor Beschädigung durch elektrische Entladung. Die Erfindung betrifft außerdem eine Lageranordnung mit diesem Schutzelement.
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Bei elektrischen Maschinen die mechanische Lager aufweisen, kommt es regelmäßig zu sprunghaften Stromübergängen über die Lagerteile, was zu Schäden an diesen führt. Es sind Lagerschutzringe bekannt, die in mechanischen Lagern einsetzbar sind, die mittels am Umfang verteilter Kohlefaserbürsten elektrische Spannung/Ströme ableiten können. Eine Schutzfunktion gegenüber eindringendem Schmutz oder ähnlichem bieten diese Lagerschutzringe nicht, womit auch die elektrische Leitfähigkeit eingeschränkt wird.
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In der
DE 10 2009 036 856 A1 wird eine elektrische Maschine mit einem Wälzlager beschrieben, die in einem Raum zwischen dem Innenring und dem Außenring eine Flüssigkeit aufweist, die das Wälzlager vor elektrischen Durchschlägen schützt.
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Die
DE 10 2014 204 719 A1 beschreibt eine Wälzlagereinheit mit einem Schutz vor Beschädigung durch elektrische Entladungen, die neben einem inneren und einem äußeren Lagerring, Wälzkörper und einen Schutzschild aufweist. Der Schutzschild ist zwischen den Lagerringen angeordnet und weist an der Oberfläche eines Körperteils eine stromleitende Dichtung sowie ein stromleitendes Element auf.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein vereinfachtes Schutzelement zur Verfügung zu stellen, welches ein mechanisches Lager vor elektrischen Entladungen schützt. Weiterhin soll das Schutzelement einfach einbaubar sein und einen Lagerraum vor Schmutz schützen.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch ein Schutzelement gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Weiterhin erfolgt die Lösung durch eine Lageranordnung gemäß dem Anspruch 4.
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Das erfindungsgemäße Schutzelement dient dem Schutz eines mechanischen Lagers vor Beschädigung durch elektrische Entladung, wobei das Schutzelement in das mechanische Lager einbaubar ist. Das Schutzelement besteht aus einem Verbundwerkstoff. Verbundwerkstoffe bestehen bekanntermaßen aus zwei oder mehr Materialien. Bevorzugt ist der Verbundwerkstoff, aus dem das Schutzelement besteht, ein Faserverbundwerkstoff. Faserverbundwerkstoffe sind bekanntermaßen eine Kombination aus Teilchen oder Fasern die in einer weiteren Komponente, der Matrix, eingebettet sind. Der Verbundwerkstoff des Schutzelements weist Kohlenstofffasern auf. Das Schutzelement ist als eine elastische Scheibe ausgebildet, die eine erste und eine zweite Kontaktfläche aufweist. Die elastische Scheibe umfasst die Kohlenstofffasern und ist demnach elektrisch leitfähig. Die erste Kontaktfläche ist axial an einem ersten Scheibenradius und die zweite Kontaktfläche ist axial an einem zweiten Scheibenradius angeordnet. Die erste Kontaktfläche ist axial unmittelbar an einem ersten Lagerring anlegbar, wodurch ein Kontakt zwischen Schutzelement und erstem Lagerring aufgebaut wird. Die zweite Kontaktfläche ist axial unmittelbar an einem zweiten Lagerring anlegbar, wodurch ein Kontakt zwischen Schutzelement und zweitem Lagerring aufgebaut wird. Die beiden Kontaktflächen sind elektrisch leitfähig ausgebildet. Zusammen mit den im Verbundwerkstoff befindlichen Kohlenstofffasern bilden die Kontaktflächen einen elektrischen Pfad aus, über den elektrische Ströme fließen können. Somit kann der Stromdurchgang über beispielsweise im Lager befindliche Wälzkörper vermieden werden.
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Bevorzugt sind die beiden Kontaktflächen auf der gleichen axialen Seite des Schutzelements ausgebildet, wobei die Kontaktflächen zueinander beanstandet sind. Die Kontaktflächen sind als oberflächliche Bereiche ausgebildet.
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Die Kontaktflächen sind vorzugsweise aus Kohlenstofffasern gebildet, damit die elektrische Leitfähigkeit sichergestellt ist. Alternativ bevorzugt bestehen die Kontaktflächen aus einem anderen Material, welches elektrisch leitfähig ist. Die Kontaktflächen sind bevorzugt polyamidfrei ausgebildet.
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Die Matrix des Verbundwerkstoffs besteht bevorzugt aus einem Kunststoff. Besonders bevorzugt besteht die Matrix aus Polyamid. Alternativ bevorzugt besteht die Matrix aus PET, PPA, PPS, PEEK oder Polyimid.
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In einer Ausführungsform besteht der Verbundwerkstoff aus einer Kunststoffmatrix mit eingebetteten Kohlenstofffasern sowie einem weiteren leitfähigen Füllstoff. Der Füllstoff ist bevorzugt ein Metall. Alternativ bevorzugt ist der Füllstoff ein Grafit. Der elektrisch leitfähige Füllstoff dient der Optimierung der Funktionalität der Stromableitung. Grafit bietet den Vorteil, dass es im Falle des Gleitkontakts aufgrund seiner Schichtstruktur eine verminderte Reibung aufweist. Ebenso wird durch den Verbundwerkstoff mit dem weiteren Füllstoff die thermische Leitfähigkeit erhöht, so dass bei auftretenden Reibungen die Wärme besser abgeführt werden kann.
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Bevorzugt sind die Kohlenstofffasern in der Matrix dermaßen eingebracht, dass sich ein durchgehender elektrischer Pfad ausbilden kann. Besonders bevorzugt sind die Kohlenstofffasern durchgehend radial im Schutzelement ausgerichtet.
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Vorzugsweise weist das Schutzelement mindestens eine dritte Kontaktfläche auf, mit der das Schutzelement mit einem weiteren Bauteil in Kontakt stehen kann. Bevorzugt ist das weitere Bauteil ein Lagerbauteil. Die dritte Kontaktfläche liegt der ersten Kontaktfläche axial gegenüber.
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Durch den elastischen Aufbau des Schutzelements, aufgrund des gewählten Verbundwerkstoffs, hat das Schutzelement den Vorteil einer federnden Komponente, die das selbsttätige Nachstellen des Schutzelements bei Verschleiß ermöglicht. Auftretender Verschleiß wird demnach automatisch kompensiert. Auch die Höhe der axialen Kraft des Schutzelements ist durch die Elastizität desselben bestimmbar, wobei die Elastizität von dem gewählten Verbundwerkstoff abhängig ist.
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Vorzugsweise ist ein metallisches Zusatzelement im oder am Schutzelement angeordnet, dass die axiale Kraft des Schutzelements bestimmt. Beispielsweise ist das Zusatzelement ein Federelement.
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Ein Vorteil des Schutzelements ist, neben dem Schutz vor elektrischer Entladung, der zusätzlich Schutz gegenüber einem eindringenden Medium, insbesondere Schmutz. Dadurch ist das mechanische Lager bei eingebautem Schutzelement gegen Verschmutzungen geschützt. Auch ist das Schutzelement nicht durch Verschmutzungen und/oder Fett beeinflussbar, so dass die Stromableitung dauerhaft auch bei korrosiven Umgebungsbedingungen sichergestellt ist.
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Ein weiterer Vorteil ist die einfache Herstellung und Montage des Schutzelements in einem mechanischen Lager. Vorteilhaft ist auch, dass die eingesetzten Kohlenstofffasern die Reibung im mechanischen Lager gegenüber anderen Materialien, wie Kunststoff oder Metall, verringern.
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Die Geometrie des Schutzelements, wie Größe oder Durchmesser, kann entsprechend des einzustellenden Übergangswiderstands sowie des geforderten Reibmoments angepasst werden.
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In einer Ausführungsform können die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche als eine gemeinsame Kontaktfläche ausgebildet sein, die durchlaufend axial an dem Schutzelement ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Lageranordnung umfasst einen ersten Lagerring und einen zweiten Lagerring, wobei beide Lagerringe um eine gemeinsame Achse relativ zueinander rotierbar sind. Zwischen den Lagerringen sind Wälzkörper angeordnet. Weiterhin umfasst die Lageranordnung ein Schutzelement, welches dem zuvor beschriebenen Schutzelement entspricht. Das Schutzelement dient dem Schutz der Lagerringe und insbesondere der Wälzkörper vor Beschädigung durch elektrische Entladung. Die erste Kontaktfläche des Schutzelements liegt an dem ersten Lagerring an. Die zweite Kontaktfläche des Schutzelements liegt an dem zweiten Lagerring an.
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Bevorzugt ist die erste Kontaktfläche des Schutzelements an dem ersten Lagerring drehfest axial befestigt und die zweite Kontaktfläche des Schutzelements liegt an dem zweiten Lagerring axial an, so dass das Schutzelement mit diesem Bereich an dem zweiten Lagerring entlang gleiten kann. Alternativ bevorzugt ist die zweite Kontaktfläche des Schutzelements an dem zweiten Lagerring drehfest axial befestigt und die erste Kontaktfläche des Schutzelements liegt an dem ersten Lagerring axial an. Demnach ist das Schutzelement entweder an dem ersten oder an dem zweiten Lagerring drehfest befestigt und liegt an dem jeweils anderen Lagerring an.
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Vorzugsweise ist der erste Lagerring ein Außenring des Lagers und der zweite Lagerring ein Innenring des Lagers. Alternativ bevorzugt ist der erste Lagerring ein Innenring und der zweite Lagerring ein Außenring des Lagers.
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In einer Ausführungsform ist das Schutzelement zwischen dem ersten Lagerring und einem Gehäusebauteil o.ä. angeordnet bzw. eingespannt, wobei die erste Kontaktfläche an dem ersten Lagerring und die dritte Kontaktfläche an dem Gehäusebauteil anliegt.
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Vorzugsweise ist das Schutzelement mit einer Vorspannkraft an den Lagerringen angeordnet, so dass ein anhaltender mechanischer und elektrischer Kontakt besteht.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lageranordnung mit Schutzelement;
- 2 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Lageranordnung mit Schutzelement.
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1 zeigt eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lageranordnung 01 mit einem erfindungsgemäßen Schutzelement 02. Die Lageranordnung 01 umfasst neben dem Schutzelement 02 einen Außenlagerring 03 und einen Innenlagerring 04. Zwischen den Lagerringen 03, 04 sind Wälzkörper 06 angeordnet, die auf Ringbahnen 07 abrollen. Der Wälzkörper weist einen teilweise umgebenden Wälzkörperkäfig 08 auf. An dem Außenlagerring 03 ist ein Gehäuse 09 angeordnet. Axial zwischen dem Gehäuse 09 und dem Außenlagerring 03 ist das scheibenförmige Schutzelement 02 eingespannt. Das Schutzelement 02 besteht aus einem Faserverbundwerkstoff, welcher aus einer Polyamidmatrix bzw. Kunststoffmatrix und darin angeordneten Kohlenstofffasern zusammengesetzt ist. Der Kunststoff bestimmt die Elastizität des Schutzelements 02. Das Schutzelement 02 weist mehrere Kontaktflächen auf, wobei eine erste Kontaktfläche 11 axial an dem Schutzelement ausgebildet ist und das Schutzelement mit dieser Kontaktfläche 11 an dem Außenlagerring 03 anliegt. Auf der gleichen axialen Seite des Schutzelements 02 weist dieses eine zweite Kontaktfläche 12 auf, mit der das Schutzelement 02 an dem Innenlagerring 04 anliegt. Während des Betriebs des Lagers, gleitet die zweite Kontaktfläche 12 entlang des Innenlagerings 04. Der ersten Kontaktfläche 11 liegt axial gegenüber eine dritte Kontaktfläche 13. Das Schutzelement 02 liegt mit der dritten Kontaktfläche 13 an dem Gehäuse 09 an. Die Kontaktflächen 11, 12, 13 sind elektrisch leitfähig ausgebildet. Zusammen mit den im Verbundwerkstoff befindlichen Kohlenstofffasern bilden die Kontaktflächen 11, 12, 13 einen elektrischen Pfad aus, über den elektrische Ströme fließen können. Das Schutzelement 02 dient somit dem Schutz des Lagers und insbesondere der Wälzkörper 06 vor elektrischen Entladungen. Ebenso schützt das Schutzelement 02 vor dem Eindringen von Verunreinigungen in das Lager.
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2 zeigt eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Lageranordnung 01 mit dem Schutzelement 02. Zunächst gleicht das in der 2 gezeigte Schutzelement 02 dem in 1 gezeigten. Abweichend zu 1 weist das in 2 gezeigte Schutzelement 02 ein Federelement 14 auf, das dem Schutzelement 02 sowohl Stabilität als auch Flexibilität gewährt. Durch das Federelement 14 weist das Schutzelement 02 eine Vorspannkraft auf. Das Federelement 14 ist scheibenförmig ausgebildet und besitzt an einem Radius ein gebogenes Ende, das dem festen Sitz des Schutzelements 02 an dem Außenlagerring 03 dient. Weiterhin sind in 2 die radial ausgerichteten Kohlenstofffasern 16 sowie die Kunststoffmatrix 17 des Schutzelements 02 dargestellt. Aufgrund der radialen Ausrichtung der Kohlenstofffasern 16 in der Kunststoffmatrix 17 ist eine optimale elektrische Leitfähigkeit zwischen den Lagerringen 03, 04 sichergestellt. Die Kohlenstofffaser 16 verläuft in dem Schutzelement 02 von der ersten Kontaktfläche 11 zu der zweiten Kontaktfläche 12.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Lageranordnung
- 02
- Schutzelement
- 03
- Außenlagerring
- 04
- Innenlagerring
- 05
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- 06
- Wälzkörper
- 07
- Ringbahn
- 08
- Wälzkörperkäfig
- 09
- Gehäuse
- 10
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- 11
- erste Kontaktfläche
- 12
- zweite Kontaktfläche
- 13
- dritte Kontaktfläche
- 14
- Federelement
- 15
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- 16
- Kohlenstofffaser
- 17
- Kunststoffmatrix
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009036856 A1 [0003]
- DE 102014204719 A1 [0004]
