DE102013223173B4

DE102013223173B4 - Lageranordnung

Info

Publication number: DE102013223173B4
Application number: DE102013223173.3A
Authority: DE
Inventors: Mario Kammerhuber
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2015-10-29
Anticipated expiration: 2033-11-15
Also published as: DE102013223173A1

Abstract

Lageranordnung (1) mit mindestens einem Lager (2), wobei in mindestens einem an das Lager (2) angrenzenden Bereich (3) ein Funktionselement (4, 5) angeordnet ist, wobei das Funktionselement (4, 5) in einem Aufnahmeraum (6) angeordnet ist, der mit dem Lager (2) verbunden ist, wobei zumindest ein Teil (5) des Funktionselements (4) im Aufnahmeraum (6) mit einem Vergussmaterial (7) fixiert ist, das den Teil (5) des Funktionselements (4, 5) zumindest teilweise ummantelt, wobei das Funktionselement (4, 5) in einem gehäuseartigen Ringelement (9) untergebracht ist, der einen Aufnahmeraum (6) bildet, wobei das Ringelement (9) mit dem Außenring (10) des Lagers (2) fest verbunden ist, wobei ein Teilvolumen des Aufnahmeraums (6) mit einem vom Vergussmaterial verschiedenen Füllmaterial (8) gefüllt ist, wobei das Füllmaterial (8) zumindest teilweise an eine Stirnseite (12) des Vergussmaterials (7) angrenzt, wobei sich die Stirnseite (12) radial erstreckt, wobei sich das Füllmaterial (8) zwischen der Stirnseite (12) des Vergussmaterials (7) und einer Wandung (13) des Aufnahmeraums (6) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (8) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der höher ist als derjenige des Vergussmaterials (7), wobei das Vergussmaterial (7) eine sich in axiale Richtung der Lageranordnung erstreckende Ausnehmung (14) oder einen Vorsprung aufweist und wobei das Füllmaterial (8) einen kongruenten Vorsprung oder eine Ausnehmung aufweist, so dass das Vergussmaterial (7) und das Füllmaterial (8) formschlüssig miteinander verbunden sind, und wobei ein radial innenliegender Abschnitt des Ringelements (9), der sich axial erstreckt, in einen Spalt zwischen dem Innenring (11) des Lagers (2) und einer Halterung für das Funktionselement (4) hinein ragt, wodurch sich ein Dichtungseffekt ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit mindestens einem Lager, wobei in mindestens einem an das Lager angrenzenden Bereich ein Funktionselement angeordnet ist, wobei das Funktionselement in einem Aufnahmeraum angeordnet ist, der mit dem Lager verbunden ist, wobei zumindest ein Teil des Funktionselements im Aufnahmeraum mit einem Vergussmaterial fixiert ist, das den Teil des Funktionselements zumindest teilweise ummantelt.
Eine solche Lageranordnung ist beispielsweise aus der JP H06-324 061 A und aus der DE 697 33 796 T2 bekannt.
Lageranordnungen dieser Art werden beispielsweise in Antrieben von Schienenfahrzeugen eingesetzt. Damit die Betriebsbedingungen genau überwacht werden können, ist die Lageranordnung mit einem Funktionselement in Form eines Drehgeschwindigkeits- bzw. Drehlagesensors ausgestattet. Der Sensor umfasst dabei mehrere Komponenten, insbesondere eine Erfassungseinheit (PCB = Printed Circuit Board), die vor Feuchtigkeit und Verschmutzung geschützt werden muss. Bei einer gattungsgemäßen Lageranordnung erfolgt dies so, dass besagtes Teil des Funktionselements, d. h. des Sensors, in einem Vergussmaterial eingebettet wird.
Nachteilig ist dabei, dass sich bei einer Veränderung der Betriebstemperatur in der Lageranordnung und insbesondere im Bereich der Teile des Sensors thermisch bedingte Spannungen aufbauen können. Dies hat thermisch bedingte Verformungen zur Folge, die die Lebensdauer der Anordnung negativ beeinflussen können.
Die DE 10 2011 075 321 A1 , die DE 10 2006 053 731 A1 und die DE 10 2008 061 042 A1 zeigen auf Temperaturwechsel reagierende Kompensationselemente für Lageranordnungen. Weitere Lageranordnungen ähnlicher Art zeigen die DE 697 09 500 T2 , die EP 0 681 185 A1 , die EP 2 078 935 A1 , die DE 11 2008 001 379 T5 , die EP 2 085 756 A1 und die DE 691 31 756 T2 .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Lageranordnung so fortzubilden, dass thermisch bedingte Spannungen und Verformungen reduziert werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung sieht in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen einer Lageranordnung vor, dass das Funktionselement in einem gehäuseartigen Ringelement untergebracht ist, der einen Aufnahmeraum bildet, wobei das Ringelement mit dem Außenring des Lagers fest verbunden ist, wobei ein Teilvolumen des Aufnahmeraums mit einem vom Vergussmaterial verschiedenen Füllmaterial gefüllt ist, wobei das Füllmaterial zumindest teilweise an eine Stirnseite des Vergussmaterials angrenzt, wobei das Füllmaterial einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der höher ist als derjenige des Vergussmaterials, wobei das Füllmaterial an eine Stirnseite des Vergussmaterials angrenzt, wobei sich die Stirnseite radial erstreckt, wobei sich das Füllmaterial zwischen der Stirnseite des Vergussmaterials und einer Wandung des Aufnahmeraums erstreckt, wobei das Vergussmaterial eine sich in axiale Richtung der Lageranordnung erstreckende Ausnehmung oder einen Vorsprung aufweist und wobei das Füllmaterial einen kongruenten Vorsprung oder eine Ausnehmung aufweist, so dass das Vergussmaterial und das Füllmaterial formschlüssig miteinander verbunden sind, und wobei ein radial innenliegender Abschnitt des Ringelements, der sich axial erstreckt, in einen Spalt zwischen dem Innenring des Lagers und einer Halterung für das Funktionselement hinein ragt, wodurch sich ein Dichtungseffekt ergibt.
Bevorzugt beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient des Füllmaterials mindestens 120 % des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Vergussmaterials.
Das Funktionselement ist namentlich und bevorzugt ein Lage- und/oder Geschwindigkeitssensor zur Erfassung der Drehlage bzw. der Winkelgeschwindigkeit des drehenden Lagerrings.
Das Ringelement besteht dabei bevorzugt aus Metall, insbesondere aus Stahl-Blech.
Das Lager ist bevorzugt ein Wälzlager, vorzugsweise ein Rillenkugellager.
Die Lageranordnung ist gemäß einer bevorzugten Anwendung der vorliegenden Erfindung Bestandteil eines Schienenfahrzeugs.
Als Vergussmaterial kommt bevorzugt ein zweikomponentiges Polyurethangießharz in Betracht, insbesondere ein solcher auf Polyether-Basis.
Als Füllmaterial hat sich besonders ein Silikonmaterial bewährt, insbesondere ein Silikonschaum. Dieses hat bevorzugt eine Haut.
Das erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Füllmaterial hat infolge der oben genannten Spezifikation (d. h. infolge eines höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Vergussmaterial) die Eigenschaft, dass thermische Spannungen und thermisch bedingte Verformungen durch das Füllmaterial absorbiert werden, so dass die Bauteile des Funktionselements (d. h. insbesondere des Sensors) von thermischen Spannungen entlastet werden können.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt den Radialschnitt durch eine Lageranordnung, die in einem Schienenfahrzeug eingesetzt ist.
In der Figur ist eine Lageranordnung 1 zu sehen, deren zentrales Element ein Wälzlager 2 in Form eines Rillenkugellagers ist. Im linken Bereich 3, der an das Wälzlager 2 angrenzt, ist ein Funktionselement 4, 5 in Form eines Sensors angeordnet. Der Sensor hat einen Geber 4, der drehfest mit dem Innenring 11 des Lagers 2 verbunden ist; dieser Teil des Sensors rotiert also im Betrieb der Lageranordnung. Weiterhin hat der Sensor einen stationären Teil, der hier durch das PCB-Element (Printed Circuit Board) 5 angedeutet ist, das im Betrieb der Lageranordnung stationär ist.
Das Funktionselement 4, 5, d. h. der Sensor, ist in einem gehäuseartigen Ringelement 9 untergebracht, der einen Aufnahmeraum 6 bildet. Das Ringelement 9 ist mit dem Außenring 10 des Lagers verbunden. Ein radial innenliegender Abschnitt des Ringelements 9, der sich axial erstreckt, ragt in einen Spalt zwischen dem Innenring 11 des Lagers 2 und einer Halterung für das Teil 4 des Sensors hinein, wodurch sich ein Dichtungseffekt (Labyrinthdichtung) ergibt.
Die Fixierung des Teils 5 des Sensors erfolgt so, dass dieses Teil in Vergussmaterial 7 eingegossen und somit im Aufnahmeraum 6 fixiert ist. Die Teile 4 und 5 des Sensors liegen sich dabei stirnseitig gegenüber, so dass die Drehung der beiden Lagerringe des Lagers 2 erfasst werden kann.
Das Vergussmaterial 7 ist vorliegend blockartig ausgeformt, d. h. es hat im Radialschnitt eine im wesentlichen rechteckige Form. Diese bildet im linken Endbereich eine Stirnseite 12 aus, die radial verläuft. Die Stirnseite 12 des Vergussmaterials 7 hat zu einer ebenfalls radial verlaufenden Wandung 13 des Aufnahmeraums 6 einen Abstand in axiale Richtung.
Wesentlich ist, dass ein Teilvolumen des Aufnahmeraums 6 – vorliegend also der Bereich zwischen der Stirnseite 12 des Vergussmaterials 7 und der Wandung 13 des Aufnahmeraums 6 – mit einem vom Vergussmaterial 7 verschiedenen Füllmaterial 8 gefüllt ist. Wie ersichtlich, grenzt das Füllmaterial 8 an das Vergussmaterial 7 an. Ferner hat das Füllmaterial 8 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der höher ist als derjenige des Vergussmaterials 7.
Eine mechanische, nämlich formschlüssige Verbindung zwischen dem Vergussmaterial 7 und dem Füllmaterial 8 wird erreicht, indem in das Vergussmaterial 7 eine ringnutartige, umlaufende Ausnehmung 14 eingeformt ist, in die ein korrespondierender, d. h. kongruenter Vorsprung im Füllmaterial 8 eingreift.
Nachdem das Ringelement 9 aus Stahlblech besteht, liegt dessen Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von ca. 15 10^–6 1/K.
Das Vergussmaterial 7 und auch das Füllmaterial 8 können eine Kunststoffbasis haben, deren Wärmeausdehnungskoeffizient sich über einen relativ großen Bandbereich erstreckt (Beispiele: PA: ca. 100 10^–6 1/K; PE: ca. 150 bis 200 10^–6 1/K; PVC: ca. 60 bis 80 10^–6 1/K). Hieraus ist ersichtlich, dass durch Wahl der Kunststoffe der hier gewünschte Effekt leicht herstellbar ist.
Die Lageranordnung 1 ist hier Bestandteil eines Antriebsmotors einer Straßenbahn. Die Lageranordnung umfasst, wie erläutert, den Sensor 4, 5 zur Messung der Drehgeschwindigkeit und der Drehlage des Lagers 2. Wie dargestellt und erläutert, ist der Sensor 4, 5 in die Stahlblech-Hausung 9 integriert, die seitlich des Lagers 2 angeordnet ist. Durch die Einbettung des Teils 5 des Sensors 4, 5 (also des PCB) in das Vergussmaterial 7 ist dieses Element gegen Feuchtigkeit und Verschmutzung zuverlässig geschützt.
Die Platine mit dem Sensorteil 5 ist ansonsten zwecks Fixierung in der Stahlblech-Hausung 9 durch eine (nicht dargestellte) Verschraubung gesichert.
Infolge der verschiedenen Betriebstemperaturen der Anwendung treten thermische Spannungen und Verformungen auf. Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass sich das Vergussmaterial bei Temperaturerhöhungen stärker ausdehnt als die metallische Hausung.
Thermischen Spannungen und Verformungen werden also insbesondere durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Stahlblech-Behausung einerseits und des Vergussmaterials andererseits hervorgerufen. Das vorgeschlagene Füllmaterial mit dem im Vergleich zum Vergussmaterial 7 höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten absorbiert die thermischen Ausdehnungen des Vergussmaterials und vermindert auf diese Weise innere Spannungen und Verformungen in der Einheit.
Bezugszeichenliste

1: Lageranordnung
2: Lager (Wälzlager)
3: angrenzender Bereich
4, 5: Funktionselement
4: Geber
5: PCB (Printed Circuit Board)
6: Aufnahmeraum
7: Vergussmaterial
8: Füllmaterial
9: gehäuseartiges Ringelement
10: Außenring des Lagers
11: Innenring des Lagers
12: Stirnseite des Vergussmaterials
13: Wandung des Aufnahmeraums
14: Ausnehmung

Claims

Lageranordnung (1) mit mindestens einem Lager (2), wobei in mindestens einem an das Lager (2) angrenzenden Bereich (3) ein Funktionselement (4, 5) angeordnet ist, wobei das Funktionselement (4, 5) in einem Aufnahmeraum (6) angeordnet ist, der mit dem Lager (2) verbunden ist, wobei zumindest ein Teil (5) des Funktionselements (4) im Aufnahmeraum (6) mit einem Vergussmaterial (7) fixiert ist, das den Teil (5) des Funktionselements (4, 5) zumindest teilweise ummantelt, wobei das Funktionselement (4, 5) in einem gehäuseartigen Ringelement (9) untergebracht ist, der einen Aufnahmeraum (6) bildet, wobei das Ringelement (9) mit dem Außenring (10) des Lagers (2) fest verbunden ist, wobei ein Teilvolumen des Aufnahmeraums (6) mit einem vom Vergussmaterial verschiedenen Füllmaterial (8) gefüllt ist, wobei das Füllmaterial (8) zumindest teilweise an eine Stirnseite (12) des Vergussmaterials (7) angrenzt, wobei sich die Stirnseite (12) radial erstreckt, wobei sich das Füllmaterial (8) zwischen der Stirnseite (12) des Vergussmaterials (7) und einer Wandung (13) des Aufnahmeraums (6) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (8) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der höher ist als derjenige des Vergussmaterials (7), wobei das Vergussmaterial (7) eine sich in axiale Richtung der Lageranordnung erstreckende Ausnehmung (14) oder einen Vorsprung aufweist und wobei das Füllmaterial (8) einen kongruenten Vorsprung oder eine Ausnehmung aufweist, so dass das Vergussmaterial (7) und das Füllmaterial (8) formschlüssig miteinander verbunden sind, und wobei ein radial innenliegender Abschnitt des Ringelements (9), der sich axial erstreckt, in einen Spalt zwischen dem Innenring (11) des Lagers (2) und einer Halterung für das Funktionselement (4) hinein ragt, wodurch sich ein Dichtungseffekt ergibt.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Füllmaterials (8) mindestens 120 % des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Vergussmaterials (7) beträgt.
Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (4, 5) ein Lage- und/oder Geschwindigkeitssensor ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringelement (9) aus Metall besteht, insbesondere aus Blech.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (2) ein Wälzlager ist, vorzugsweise ein Rillenkugellager.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil eines Schienenfahrzeugs ist.