DE102010004853A1

DE102010004853A1 - Elektrisch isoliertes Wälzlager

Info

Publication number: DE102010004853A1
Application number: DE102010004853A
Authority: DE
Inventors: Thomas 97705 Rink
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-01-16
Filing date: 2010-01-16
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2030-01-17
Also published as: DE102010004853B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch isoliertes Wälzlager mit einem Innenring (01), einem Außenring (02) und einer ersten Isolierschicht (13) auf dem Innring (01) und/oder auf dem Außenring (02). Erfindungsgemäß wird ein elektrischer Kontakt aus einem Innenraum des Wälzlagers über eine elektrisch leitfähige Schicht (16) zu einer Außenseite des Wälzlagers geleitet, wobei die leitfähige Schicht (16) zumindest im Bereich einer Seitenfläche (14) des Innenringes (01) oder des Außenringes (02) zwischen der ersten Isolierschicht (13) und einer zweiten Isolierschicht (18) angeordnet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein elektrisch isoliertes Wälzlager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gattungsgemäße Wälzlager umfassen einen Außenring und einen Innenring, wobei zur Vermeidung von Stromdurchgängen durch das Wälzlager Isolierschichten auf einzelne oder alle Lagerteile aufgebracht werden. Dabei werden die Außendurchmesser und Seitenflächen des Außenrings, alternativ oder zusätzlich die Umfangsfläche und Seitenflächen des Innenrings mit einer Isolierschicht überzogen. Zu diesem Zweck sind verschiedene Schichtdicken und Auftragsverfahren, sowie Materialien für die Isolierschicht bekannt.
Beispielsweise ist es aus der DE 11 2007 000 436 T5 bekannt, eine keramische Isolierschicht auf der Innenumfangsfläche des Innenrings und/oder auf der Umfangsfläche des Außenrings unter Anwendung eines Aerosol-Abscheidungsverfahrens auszubilden.
Die DE 41 00 587 A1 zeigt ebenfalls ein elektrisch isoliertes Wälzlager, bei dem mindestens ein Lagerring auf seiner Sitzfläche und wenigstens auf den zur Anlage an benachbarten metallischen Teilen gelangenden Bereichen seiner Seitenflächen mit einer Isolierschicht versehen ist. Da es bei Lagerungsanordnungen, bei denen die Isolierung durch unmittelbare Beschichtung eines Lagerringes mit Isoliermaterial bewirkt wird, sehr schwierig ist, einen Schutzwiderstand anzuschließen, wird vorgeschlagen, dass einer der Lagerringe eine die Isolierschicht durchdringende Ausnehmung aufweist, in welche ein leitfähigeres Material einsetzbar ist, an das ein Schutzwiderstand angeschlossen werden kann.
Als Alternative zu elektrisch isolierten Wälzlagern werden Strombrücken verwendet, die einen definierten Stromfluss zwischen Innenring und Außenring des Wälzlagers gestatten, ohne dass dabei ein Stromdurchgang an den Laufflächen der Wälzkörper erfolgen kann. Solche Wälzlager sind beispielsweise aus der DE 299 16 854 U1 und DE 198 24 022 C2 bekannt. Bei letzterer genannter Druckschrift ist eine Spaltdichtung als Strombrücke zur Ableitung des zwischen den Lagerringen auftretenden elektrischen Stroms vorgesehen.
Zur Erhöhung der Oberflächenfestigkeit beispielsweise von Werkzeugen sind außerdem Hartstoffbeschichtungen aus leitfähigen Materialien bekannt.
So genannte DLC(diamond like carbon)-Beschichtungen werden beispielsweise in der WO 2006/005200 A1 beschrieben. Diese werden dort für den Einsatz für Steck- und Klemmverbindungen mit markanter Verbesserung der Belastbarkeit vorgeschlagen.
In jüngerer Zeit werden zunehmend elektronische Komponenten, meist zur Überwachung von Wälzlagern oder zu Steuerungszwecken, in das Wälzlager integriert. Dazu ist es erforderlich, diese Komponenten mit Energie zu versorgen oder gelieferte Signale dieser Komponenten an eine Peripherie zu übertragen.
Aus dem französischen Gebrauchsmuster FR 2 124 728 ist ein Wälzlager bekannt, bei dem eine Durchkontaktierung zwischen Innen- und Außenring die Übertragung des elektrischen Stroms direkt mittels der Laufbahnen und der Wälzkörper gestattet. Eine solche Anordnung kann indessen nur bei bestimmten Anwendungen verwendet werden, bei denen der Durchgang des Stroms nur während einer kurzen Dauer erfolgt und/oder der Strom von geringerer Stärke ist. In der Nähe der Kontaktstellen entstehen tatsächlich elektrische Mikrofunken, die geeignet sind, auf lange Sicht die Laufbahnen und die Wälzkörper zu schädigen.
Aus der US 3,564,477 ist eine Wälzlagereinheit bekannt, die mit elektrischen Schleifkontakten versehen ist, welche direkt zwischen den Lagerringen angeordnet sind.
Aus der EP 0 475 841 B1 ist ein Wälzlager mit drehenden elektrischen Kontakten bekannt. Diese sollen in der Art eines Schleifkontakts elektrischen Strom zwischen zwei gegeneinander drehbaren Lagerteilen übertragen. Die zwischen Innenring und Außenring vorgesehenen Kontakte sind gegeneinander drehbeweglich. Es ist ein leitender, im Wesentlichen ringförmiger Einsatz zwischen den Wälzlagerringen in einer radialen Ebene angebracht. Der Einsatz umfasst zwei leitende Einsatzstücke, die mit jeweils einem der Lagerringe fest verbunden sind. Über ein elastisches Leiterelement stehen die Einsatzstücke in der Art eines Schleifkontakts in Berührung.
Bei derartigen Schleifkontakten besteht jedoch immer die Gefahr der Korrosion oder Funkenbildung, sodass eine Signal- bzw. Energieübertragung nicht sicher gewährleistet werden kann.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein elektrisches Wälzlager bereitzustellen, welches eine elektrische Kontaktierung des Wälzlagers von einer Anschlusskonstruktion bis in einen inneren Bereich des Wälzlagers ermöglicht. Die elektrische Kontaktierung soll ohne Vergrößerung der Lagerdimensionen bei allen bekannten Lagertypen preiswert und einfach möglich sein.
Die Aufgabe wird durch ein elektrisch isoliertes Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Wälzlager umfasst zunächst in bekannter Weise einen Innenring, einen Außenring und eine erste Isolierschicht, welche auf dem Innenring oder auf dem Außenring voll- oder teilflächig ausgeführt ist. Erfindungsgemäß wird ein elektrischer Kontakt aus dem Innenraum des Wälzlagers zu einer Außenseite des fest stehenden Lagerteils über eine leitfähige Schicht geleitet wird. Die leitfähige Schicht ist dabei am fest stehenden Lagerteil im Bereich einer Seitenfläche zwischen der ersten Isolierschicht und einer zweiten Isolierschicht angeordnet. Von der Außenseite aus kann der Anschluss an eine Anschlusskonstruktion erfolgen.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass eine elektrische Kontaktierung von im Wälzlager integrierten Komponenten auf einfache Weise und ohne eine Bauraumvergrößerung des Wälzlagers erreicht werden kann. Die Erfindung ist auf alle möglichen Lagerbauformen unter Beibehaltung der bisherigen Lagerkonstruktion anwendbar.
Die Isolationsschichten sind vorzugsweise aus Keramik mit einer Schichtdicke von etwa 4 bis 200 μm ausgeführt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die leitfähige Schicht eine metallische Hartstoffbeschichtung. Dabei wird vorzugsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung mit einer kohlestoffhaltigen metallischen Hartschicht (DLC) als Deckschicht versehen. Die leitfähige Schicht kann weiterhin eine Stützschicht umfassen, welche zwischen einer Haftschicht und der kohlestoffhaltigen metallischen Hartschicht vorgesehen ist. Vorzugsweise ist die Stützschicht 0,5 bis 0,6 μm stark.
Als Beschichtungsverfahren eignen sich Plasmaspritzverfahren oder Flammspritzverfahren für metallhaltige DLC-Schichten. Eine galvanische Beschichtung ist ebenso möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die leitfähige Schicht durch mindestens zwei Ausnehmungen unterbrochen.
Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine zweikanalige potenzialgetrennte Übertragung von Strom, beispielsweise kann ein Kanal zur Energieübertragung und der andere Kanal zur Signalübertragung verwendet werden. Entsprechend ihrer Verwendung können die Kanäle in ihrer Größe ausgelegt werden. Bei zweikanaliger Kontaktierung kann eine Energie- und Datenübertragung gleichzeitig oder abwechselnd erfolgen.
Bei der Ausführungsform ohne Ausnehmungen der leitenden Schicht dient der Lagerring selbst als Bezugspotential. In diesem Fall wird ein einkanaliges Übertragungsmedium verwendet.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsformen kann der elektrische Kontakt durch die Anzahl der radialen Ausnehmungen auch mehr als zweikanalig ausgeführt werden, um verschiedenste Signale vom Lagerinneren an die Peripherie übertragen zu können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die leitfähige Schicht durch Leiterbahnen strukturiert sein, wobei hierin auch verschiedene elektronische Funktionen verwirklicht werden können. Die Strukturierung kann durch Sputtern oder Maskenverfahren erfolgen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein innerer Kontaktring zwischen dem Innenring und dem Außenring des Wälzlagers angeordnet und fest mit dem Außenring verbunden. Der innere Kontaktring trägt dabei mindestens ein Federblech, das an einer ersten Kontaktfläche an der leitfähigen Schicht, die auf dem Außenring vorgesehen ist, anliegt. Je nach der Anzahl der ausgebildeten Kanäle auf der leitfähigen Schicht ist das Federblech geteilt und der innere Kontaktring ggf. segmentiert.
Der innere Kontaktring besteht vorzugsweise aus Kunststoff und dient als Trägermaterial für verschiedene elektronische Komponenten, die in das Lager integriert sind. Diese können Sensoren und/oder Aktoren umfassen, welche beispielsweise als Element und/oder Leiterbahnen einer gedruckten Schaltung in den inneren Kontaktring integriert sind.
Weitere elektronische Komponenten können beispielsweise am Käfig oder am Innenring vorgesehen sein. Die Übertragung von Signalen zu den in den inneren Kontaktring integrierten Komponenten kann dann beispielsweise induktiv oder kapazitiv erfolgen. Gegebenenfalls können Schleifkontakte verwendet werden.
Die erste Kontaktfläche ist dabei vorteilhafterweise in einem Einstich des fest stehenden Lagerteils vorgesehen.
Der innere Kontaktring kann beispielsweise als Spaltdichtung oder Teil einer Dichtung eines Wälzlagers gestaltet werden.
Vorzugsweise wird eine Verdrehsicherung für den inneren Kontaktring verwendet, um eine verwechslungssichere Kontaktierung des Wälzlagers bzw. der integrierten elektronischen Komponenten zu gewährleisten.
Vorteilhafterweise umfasst das Wälzlager auch einen äußeren Kontaktring mit mindestens einem Kontaktelement, welches an einer zweiten Kontaktfläche an der leitfähigen Schicht anliegt, wobei diese zweite Kontaktfläche im äußeren Bereich des fest stehenden Lagerteils vorgesehen ist.
Auch der äußere Kontaktring kann verschiedene Leitungsdurchführungen oder Leiterbahnen einer gedruckten Schaltung umfassen, die der Kontaktierung zwischen dem Kontaktelement und einer elektrischen Anschlusskonstruktion dienen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Kontaktfläche auf einer Rundung zwischen einer Umfangsfläche und einer Seitenfläche des Außenrings oder des Innenrings vorgesehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist ein Rillenkugellager mit einem fest stehenden Außenring dargestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dargestellten Ausführungsformen und Lagerbauarten beschränkt und einfach auf andere Lagertypen anwendbar.
Es zeigen:
1: eine Längsschnittansicht eines erfindungsgemäßen Wälzlagers;
2: eine Detailansicht A des erfindungsgemäßen Wälzlagers aus 1;
3: eine weitere Detailansicht B aus 2;
4: eine dritte Detailansicht C aus 2;
5: eine räumliche Darstellung des Wälzlagers gemäß 1.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Wälzlager, das als Rillenkugellager ausgeführt ist. Dabei sind zunächst ein Innenring 01 und ein Außenring 02 in bekannter Weise koaxial angeordnet. Zwischen dem Innenring 01 und dem Außenring 02 sind Kugeln 03 als Wälzkörper angeordnet.
2 zeigt eine Detailansicht des in 1 mit A gekennzeichneten Details. Im Innenraum zwischen Innenring 01 und Außenring 02 ist ein innerer Kontaktring 04 angeordnet, der über ein Federblech 06 mit einer elektrisch leitfähigen Schicht 07 verbunden ist. Dabei ist eine erste Kontaktfläche 08 vorzugsweise in einem Einstich des Außenringes 02 vorgesehen (siehe auch 3).
Ein äußerer Kontaktring 09 umfasst eine Anschlusskonstruktion 10 und ein Kontaktelement 11, das an einer zweiten Kontaktfläche 12 in leitendem Kontakt zur leitfähigen Schicht 07 steht. Einzelheiten der Details B und C werden in den nachfolgenden Figuren erläutert.
3 zeigt das Detail B aus 2. Der Außenring 02 ist zunächst in bekannter Weise mit einer Isolierschicht 13 überzogen, die zumindest im Bereich der Innenumfangsfläche sowie einer Seitenfläche 14 des Außenrings vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß ist auf die Isolierschicht 13 eine weitere leitende Schicht 16 aufgebracht, die sich vom Bereich eines Einstichs 17 des Außenrings 02 bis hin über die Seitenfläche 14 des Außenrings 02 erstreckt. Der innere Kontaktring 04 ist mit dem Federblech 06 fest verbunden und in den Einstich 17 des Außenrings 02 eingepresst.
Das Federblech 06 steht dabei an mindestens einer Stelle in festem elektrischen Kontakt zur weiteren leitenden Schicht 16. Zumindest im Bereich der Seitenfläche 14 ist diese leitende Schicht 16 durch eine zweite Isolierschicht 18 überdeckt.
4 zeigt ein Detail C aus 2. Dabei ist die Verbindung des Kontaktelements 11 des äußeren Kontaktrings 09 mit der zweiten Kontaktfläche 12 zu erkennen, die im Bereich einer Rundung zwischen der Seitenfläche 14 und einer Außenumfangsfläche des Außenringes 02 liegt.
In 5 ist das Wälzlager gemäß 1 in einer räumlichen Darstellung gezeigt. Hier ist die zweikanalige Ausführung erkennbar. Die weitere leitende Schicht 16 ist durch zwei Ausnehmungen 19 in zwei Kanäle geteilt. Entsprechend sind die Federbleche 06 geteilt, um jeweils nur einen Kanal zu kontaktieren.
Bezugszeichenliste

01: Innenring
02: Außenring
03: Kugel
04: innerer Kontaktring
05
06: Federblech
07: leitfähige Schicht
08: erste Kontaktfläche
09: äußerer Kontaktring
10: Anschlusskonstruktion
11: Kontaktelement
12: zweite Kontaktfläche
13: Isolierschicht
14: Seitenfläche
15
16: weitere leitende Schicht
17: Einstich
18: zweite Isolierschicht
19: Ausnehmung

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

DE 112007000436 T5 [0003]
DE 4100587 A1 [0004]
DE 29916854 U1 [0005]
DE 19824022 C2 [0005]
WO 2006/005200 A1 [0007]
FR 2124728 [0009]
US 3564477 [0010]
EP 0475841 B1 [0011]

Claims

Elektrisch isoliertes Wälzlager mit einem Innenring (01), einem Außenring (02) und einer ersten Isolierschicht (13) auf dem Innring (01) und/oder auf dem Außenring (02), dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Kontakt aus einem Innenraum des Wälzlagers über eine elektrisch leitende Schicht (16) zu einer Außenseite des Wälzlagers geleitet wird, wobei die leitende Schicht (16) zumindest im Bereich einer Seitenfläche (14) des Innenringes (01) oder des Außenringes (02) zwischen der ersten Isolierschicht (13) und einer zweiten Isolierschicht (18) angeordnet ist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht (16) durch mindestens zwei Ausnehmungen unterbrochen ist.
Wälzlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Kontakt zwei- oder mehrkanalig ist.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dass die leitende Schicht (16) durch Leiterbahnen strukturiert ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht (16) eine metallische Hartstoffbeschichtung umfasst.
Wälzlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht (16) eine Kupfer- oder Kupferlegierung und eine Deckschicht umfasst, wobei die Deckschicht eine Haftschicht und eine kohlenstoffhaltige metallische Hartschicht aufweist.
Wälzlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht (16) eine Stützschicht umfasst, welche zwischen der Haftschicht und der kohlenstoffhaltigen metallischen Hartschicht vorgesehen ist.
Wälzlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützschicht 0,5 bis 0,6 μm stark ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es einen inneren Kontaktring (04) umfasst, der zwischen dem Innenring (01) und dem Außenring (02) angeordnet ist, wobei der innere Kontaktring (04) ein Federblech (06) trägt, das an einer erste Kontaktfläche (08) an der leitenden Schicht (16) anliegt.
Wälzlager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktfläche (08) in einem Einstich (17) des Innenringes (01) oder des Außenringes (02) vorgesehen ist.
Wälzlager nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Kontaktring (04) mindestens eine elektronische Komponente umfasst, welche an den elektrischen Kontakt angeschlossen ist.
Wälzlager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Kontaktring (04) weiterhin Leiterbahnen einer gedruckten Schaltung zur Kontaktierung des oder der elektronischen Komponenten umfasst.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es einen äußeren Kontaktring (09) umfasst, der mindestens ein Kontaktelement (11) trägt, das an einer zweiten Kontaktfläche (12) an der leitfähigen Schicht (16) anliegt.
Wälzlager nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Kontaktring (09) Leiterbahnen einer gedruckten Schaltung umfasst, die der Kontaktierung zwischen dem Kontaktelement (11) und einer elektrischen Anschlusskonstruktion (10) dienen.
Wälzlager nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kontaktfläche (12) auf einer Rundung zwischen einer Umfangsfläche und einer Seitenfläche (14) des Außenringes (02) oder des Innenringes (01) vorgesehen ist.