DE102013217517A1

DE102013217517A1 - Wälzlager und Wälzkörper zum Abbau elektrischer Potentiale

Info

Publication number: DE102013217517A1
Application number: DE102013217517.5A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Braun; Nico Kirchhoff; Frank Meyer-Pittroff
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2015-03-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein stromableitendes Wälzlager und Wälzkörper für ein stromableitendes Wälzlager für Anwendungen, bei denen schädliche Lagerströme vermieden werden sollen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein stromableitendes Wälzlager und Wälzkörper für ein stromableitendes Wälzlager für Anwendungen, bei denen ein schädlicher Potentialaufbau vermieden werden sollen.
Hintergrund der Erfindung
Es gibt Einsatzgebiete für Wälzlager, die spezielle Anforderungen an deren Beschaffenheit stellen. Beispielsweise kann es in bestimmten Situationen zu Trockenlauf kommen oder das Bauteil steht ganzflächig oder teilweise, dauerhaft oder zeitweise in Kontakt mit korrosiven Medien, insbesondere mit wässrigen Medien, wässrigen Suspensionen, Kühlflüssigkeiten, Kühlschmierstoffen, Bohrflüssigkeiten, Meerwasser oder anderen Gewässern. Diese Anforderungen bestehen beispielsweise bei Lagern für Meeresenergieanlagen, Süßwasserturbinen, Wasserbauwerke (z.B. Schleusentore), Schiffsantrieben, Bohrkopflagern, Pumpenlagern, Kompressorlagern und dergleichen. Dabei wird das in der Regel ungedichtete Lager dauerhaft im Medium angeordnet und zeitweise oder dauerhaft von diesem durchspült, so dass es durch das Mediun auch korrosiv angegriffen wird.
Derartige mediengeschmierte oder auch trockenlaufende Anwendungen stellen besondere Anforderungen an die verwendeten Wälzlager-Materialien. Neben der grundsätzlichen Eignung hinsichtlich der Oberflächenhärte, Festigkeit und Verschleißbeständigkeit ist vor allem auch die Korrosionsfestigkeit ausschlaggebend.
An Stellen, an denen es auf Grund der Anwendung zu unerwünschten elektrischen Potenzialen zwischen Innen- und Außenring, insbesondere zwischen Gehäuse und Welle, kommen kann, ist es ferner notwendig, stromleitende Lager einzusetzen. Ein Verwendung von korrosionsfesten Wälzkörpern aus Keramik ist dann nicht möglich, da die Leitfähigkeit des Lagers stark eingeschränkt wird und es zudem bei Verwendung dieser Materialpaarungen zwischen den Wälzkörpern und der Laufbahn zu statischen elektrischen Aufladungen kommen kann, die durch Reibung zwischen den beiden Materialien erzeugt werden.
Da sowohl in wässrigen Schmiermedien (ohne natürliche Schmierwirkung) als auch im Trockenlauf der Schmierfilm entweder gänzlich fehlt oder (zumindest kurzzeitig) unterbrochen ist, reibt der Walzkörper an der Laufbahn oder am Lagerkäfig, wobei die auftretende Reibung eine statische elektrische Ladung erzeugt. Die statische Ladung bleibt erhalten, bzw. kumuliert sogar mit der Zeit, da das Wälzlager den stehenden Teil und den drehenden Teil elektrisch gegeneinander isoliert.. Diese Erscheinung ist als triboelektrischer Effekt bekannt. Der Effekt tritt an allen Materialpaaren der triboelektrischen Reihe auf.
Wenn es in Generatoren und elektrischen Motoren zu elektrischen Potenzialen zwischen dem feststehenden Gehäuse und der sich drehenden Welle kommt und lsolierschichten oder isolierende Wälzkörper verwendet werden, stellt dies ein Sicherheitsrisiko für Bedienungs- und Wartungspersonal dar.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen bekannt, elektrisches Potential aus einem Lager abzuleiten.
Die DE 10 2004 021 466 A1 beschreibt ein keramisches Lager mit Komponenten, die Ti₂SiC₂ enthalten, so dass eine gewisse Leitfähigkeit besteht.
Ferner offenbart die DE 10 2006 007 437 A1 eine Vorrichtung zur Vermeidung von Lagerströmen in einer elektrischen Maschine, wobei gezielt ein Strom zwischen Lagerkomponenten induziert wird, um zufälligen Potentialabbau zu verhindern.
Die DE 10 2009 004 060 A1 beschreibt einen Schleifkontakt zur Spannungsentladung der Welle.
Schleifkontakte erhöhen die Reibung und neigen zu Verschleiß. Dieser hängt stark von der Umfangsgeschwindigkeit, der Werkstoffpaarung und dem Anpressdruck ab, wobei auf den Anpressdruck nicht verzichtet werden kann, um elektrischen Kontakt sicherzustellen. Je höher dieser Druck ausgelegt ist, desto besser leitet der Kontakt, desto höher ist aber auch der Verschleiß. Zusätzliche Bauteile sind generell mit zusätzlichem Aufwand für Material und Bauraum und mit einer höheren Fehlerwahrscheinlichkeit verbunden.
Hybridlager mit Lagerringen aus Cronidur® und Wälzkörpem aus Keramik können ebenfalls keinen Strom vom Außenring zum Innenring leiten. Hier kann das sich aufbauende Feld zusätzlich die Korrosionsfestigkeit des Materials Cronidur® negativ beeinflussen.
In der EP 2 128 465 A1 wird ein Hybrid-Wälzlager beschrieben, in dessen Keramik-Wälzkörper Kohlenstoff-Nanoröhrchen eingebettet sind, um eine Leitfähigkeit einzustellen.
Leitende Hilfslager stellen wiederum keine lagerintegrierte Lösung dar und sind nicht für mediengeschmierte Einsätze geeignet.
Vollkeramische Lagerringe sind teuer. Zudem kann es aufgrund der fehlenden Leitfähigkeit zu einem Potentialaufbau zwischen der rotierenden und der stehenden Komponente kommen. Diese entstehenden elektrischen Felder können zu spontanen Entladungen führen und die Komponenten schädigen bzw. umliegende Elektronik stören.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, diese unerwünschten inneren lokalen elektrischen Ladungen im Anwendungsbereich der Medienschmierung und des Trockenlaufs zuverlässig abzuleiten. Dieser Potentialabbau zwischen rotierenden Körpern mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten, insbesondere Außenring und Innenring, soll dabei ohne zusätzliche Elemente wie beispielsweise Schleifkontakte oder leitende Hilfslager möglich sein.
Gleichzeitig soll es möglich sein, die erwünschten äußeren erzwungenen elektrischen Ströme zum Zwecke des kathodischen Korrosionsschutzes weiterzuleiten. Dieser geschieht entweder durch Fremdstromtechnik, bei der ein von außen erzwungener und regelbarer Schutzstrom auf die zu schützenden Bauteile übertragen wird, oder durch Opferanodentechnik, bei der ein "nicht regelbarer Schutzstrom“ von der sogenannten Opferanode über eine elektrisch leitfähige Verbindung auf das zu schützende Bauteil, in diesem Falle ein Wälzlager, fließt.
Zusammenfassung der Erfindung
Gelöst wird diese Aufgabe durch den Einsatz von hoch-korrosionsfesten und gleichzeitig elektrisch leitfähigen Wälzkörpern in der erfindungsgemäßen Ausführung nach Anspruch 1.
Als Material für die Wälzkörper kommen korrosionsfeste Stähle wie Cronidur® und Duplexstähle bzw. metallische Legierungen wie Cobaltbasis-Legierungen oder Titanlegierungen zur Verwendung. Besonders vorteilhaft ist eine Ausführung des Wälzlagers in einer NiTi60-Legierung und Cronidur^®.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird nur ein Teil eines kompletten Wälzkörpersatzes aus derartigen elektrisch leitfähigen und korrosionsfesten Materialien gebildet. Dabei erfolgt der Potentialabbau mittels stromleitender Wälzkörper, die auf den Umfang der Lauffläche zwischen Keramik-Wälzkörpern verteilt angeordnet werden. Besonders günstig für die stromleitenden Eigenschaften ist es dabei, wenn die Kontaktflächen zwischen den Lagerringen und den Wälzkörpern möglichst groß gestaltet sind. Auf diese Weise kann die Stromdichte in diesen Kontaktregionen minimal gehalten werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird somit eine Material mit einem Elastizitätsmodul gewählt, das geringer als das von Stahl und geringer als das von Keramik ist. Dies erfüllt beispielsweise der Werkstoff NiTi60 dessen E-Modul mit ca. 114 GPa deutlich geringer als das E-Modul von 100Cr6 (210 GPa) und Si₃N₄ Keramik (310 GPa) ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird NiTi 60 als Material für einen oder mehrere Wälzkörper verwendet. Die hohe Elastizität dieses Materials bei gleichzeitig hoher OF-Härte erlaubt es, die daraus gefertigten Wälzkörper unter Last stärker zu deformieren.
Somit wird es möglich, den Radius in einer bevorzugten Ausführungsform geringfügig größer zu wählen als den Radius der „normalen“ Wälzkörper. Durch die damit erzielte Vorspannung des immer in einer Dimension vorgespannten Materials dieser geringfügig größeren Wälzkörper ist eine besonders günstige Ableitung ungewünschter Spannungen gewährleistet. Diese besonders günstige Ableitung ergibt sich auch daraus, dass Kontaktregion zwischen dem Wälzkörper und den Laufbahnen des Lagers erhöht wird, da der Wälzkörper nicht wie im ungespannten Zustand in mindestens einer Ebene kreisförmig ist, sondern aufgrund seiner Größe zwischen den Laufbahnen verformt bzw. abgeflacht wird.
Aus diesem Grund kann Strom besonders gut abfließen, ein Potentialaufbau wird unterbunden und durch die hohe Korrosionsresistenz des NiTi 60 bleibt die Korrosionsfestigkeit erhalten.
Die konstruktive Auslegung von Wälzlagern mit derartigen Wälzkörpern kann an den Verwendungszweck angepasst werden, beispielsweise durch die verwendete Anzahl der erfindungsgemäßen Wälzkörper und deren Durchmesser.
Generell wird eine Anzahl von mindestens einem Wälzkörper pro Lager vorgeschlagen. Mehrere Wälzkörper sind ebenfalls denkbar, vorzugsweise in einer regelmäßigen Verteilung über der Lauffläche. Der Durchmesser wird mindes-
tens so groß wie der Durchmesser der normalen, zumeist keramischen Wälzkörper gewählt und kann bei Bedarf auch geringfügig größer gewählt werden, damit eine leichte Vorspannung und eine verbesserte Ableitung erzielt wird.
Metallische Wälzkörper können auch gezielt zur Signal- und/oder Energieübertragung genutzt werden.
Beschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der 1 dargestellt, die nachfolgend detailliert beschrieben wird, wobei sich die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
1 zeigt schematisch ein Seitenansicht eines Wälzlagers 10 mit einem Außenring 11, einem Innenring 12 und dazwischen angeordneten Wälzkörpern 13a, 13b. Dargestellt sind die „normalen“, also starren Wälzkörper 13a aus Stahl oder Keramik sowie die erfindungsgemäßen flexiblen Wälzkörper 13b, die anstelle einiger der Wälzkörper 13a eingebracht werden.
Erkennbar ist deren elastische Verformbarkeit und der Effekt, dass damit eine größere Kontaktregion mit den Laufflächen bewirkt wird, als dies bei den starren Wälzkörpern der Fall ist.
Die Figur zeigt zwei nebeneinander angeordnete Wälzkörper, wobei sich der Gegenstand der Erfindung auf eine beliebige Anordnung einer beliebigen Anzahl derartiger erfindungsgemäßer Wälzköper bezieht.
Bezugszeichenliste

10: Wälzlager
11: Außenring
12: Innenring
13a: starrer Wälzkörper
13b: flexibler Wälzkörper

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 102004021466 A1 [0008]
DE 102006007437 A1 [0009]
DE 102009004060 A1 [0010]
EP 2128465 A1 [0013]

Claims

Wälzlager (10) umfassend einen Innenring (12) mit einer Lauffläche, einen Außenring (11) und eine Mehrzahl von mindestens in einer Ebene runden Wälzkörpern (13a, 13b), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Wälzkörper als ein elastischer Wälzkörper (13b) ausgebildet ist.
Wälzlager (10) nach Anspruch 1, wobei der oder die elastischen Wälzkörper (13b) im spannungsfreien Zustand einen Durchmesser aufweisen, der größer ist als der radiale Abstand in der Ebene zwischen Innenring (12) und Außenring (11).
Wälzlager (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei mehrere elastische Wälzkörper (13b) in gleichen Abständen auf der Lauffläche umlaufend angeordnet sind.
Wälzlager (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die elastischen Wälzkörper (13b) aus metallischem Material ausgebildet sind und ein Elastizitätsmodul aufweisen, das geringer ist als das von Stahl und viel geringer als das von Keramik.
Wälzlager (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die elastischen Wälzkörper (13b) ein höheres Elastizitätsmodul als mindestens ein weitere Wälzkörper (13a) aufweisen.
Wälzkörper (13b) für ein Wälzlager (10), dadurch gekennzeichnet, dass er elastisch verformbar ist und im spannungsfreien Zustand einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der radiale Abstand in einer Ebene zwischen einem Innenring (12) und einem Außenring (11) des Wälzlagers (10).
Wälzkörper (13b) nach Anspruch 6, wobei aus metallischem Material ausgebildet ist, das ein Elastizitätsmodul aufweist, das geringer ist als das von Stahl und viel geringer als das von Keramik.