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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Potentialausgleichseinrichtung für eine wenigstens zwei gegeneinander bewegbare, elektrisch leitfähige Komponenten aufweisende Mechanikanordnung, insbesondere ein Lager, wobei wenigstens eine der Komponenten gegen die andere beweglich gelagert ist. Daneben betrifft die Erfindung eine Mechanikanordnung, insbesondere ein Lager.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei gegeneinander gelagerten, beweglichen Komponenten einer Mechanikanordnung, beispielsweise einem Innenring und einem Außenring eines Wälzlagers, können Schwierigkeiten dann auftreten, wenn die beiden Komponenten auf einem unterschiedlichen elektrischen Potential liegen. Derartiges kann beispielsweise durch Induktion in einem Motor auftreten, wo beispielsweise in die Welle Ströme induziert werden können. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise in der Mechanikanordnung, insbesondere dem Lager, hohe Oberflächenladungen und somit hohe Spannungen auftreten können, so dass eine plötzliche Entladung durch das Lager stattfinden kann. Durch diese Entladung kann es zu Beschädigungen des Lagermaterials kommen (EDM - Electric Discharge Machining), beispielsweise zu sogenannten EDM-Grübchen, einer mattierten Lagerlaufbahn und/oder einer Riffelung der äußeren Lagerlaufbahn. Dies verkürzt die Lebenszeit des Lagers beziehungsweise allgemein der Mechanikanordnung.
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Zur Beseitigung dieses Problems wurde in einem ersten Ansatz des Standes der Technik vorgeschlagen, Lagerschutzringe einzusetzen, beispielsweise die unter dem Markennamen „Aegis“ bekannten Wellenerdungsringe. Derartige Ringe können beispielsweise vor ein Lager geschraubt werden und weisen am Umfang einer Komponente, beispielsweise einer Welle, schleifende Kohlefaserbürsten oder Nanofasern auf, um so den Strom von der Welle als erste Komponente über den Wellenerdungsring an beispielsweise ein Gehäuse als zweite Komponente zu übertragen, welche bevorzugt geerdet ist. Ein derartiges Konzept ist beispielsweise durch
US 2004/0233592 A1 beschrieben. Bei diesem Ansatz besteht jedoch die Gefahr der Verschmutzung der Kohlefaserbürsten und damit eine Einschränkung der Leitfähigkeit und somit der Funktionalität des Wellenerdungsrings. Ferner haben die radial aufliegenden Kohlefaserbürsten keine aktiv nachstellende Funktion, um Verschleiß zu kompensieren.
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Ein weiterer Lösungsansatz des Standes der Technik sieht vor, leitfähige Vliese zu verwenden, welche an Radialwellendichtringe angebracht/aufgeklebt werden können und einen Stromdurchgang durch ein Wälzlager ermöglichen. Der Nachteil dieses Konzeptes besteht im axialen Bauraumbedarf und der stark eingeschränkten Nachstellung der leitenden Komponente.
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Beide dieser Lösungen sind zudem kostenintensiv und nur bedingt für medizinische oder lebensmittelnahe Anwendungen geeignet.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte, insbesondere nachstellende und verlässliche Lösung zum Stromtransport zwischen zwei gegeneinander gelagerten Komponenten einer Mechanikanordnung, insbesondere eines Lagers, anzugeben.
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Beschreibung der Erfindung
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Potentialausgleichseinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Potentialausgleichseinrichtung einen elastischen, in einen Zwischenraum zwischen den Komponenten einzubringenden Grundkörper aufweist, der mit einem leitfähigen Garn umwickelt ist, wobei der in den Zwischenraum eingesetzte Grundkörper zum Anpressen des Garns an wenigstens eine der Komponenten vorgespannt ist.
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Erfindungsgemäß wird mithin vorgeschlagen, ein Funktionselement als Potentialausgleichseinrichtung bereitzustellen, welches den Stromdurchgang zwischen zwei Komponenten, insbesondere dem inneren und dem äußeren Lagerring eines Wälzlagers oder einem Gehäuse und einer Welle, sicherstellt, vorgeschlagen, welches den elektrischen Kontakt mittels eines leitfähigen Garns herstellt. Das Garn umschließt einen elastischen Grundkörper, insbesondere ein Polymer, so dass bei Einsetzen des Grundkörpers in einen Zwischenraum zwischen den Komponenten eine Vorspannung entsteht, die die auf der Oberfläche verlaufenden leitfähigen Fasern an wenigstens eine der Komponenten anpresst, so dass eine permanente Stromleitung sichergestellt ist. Dabei ist es sowohl möglich, die Potentialausgleichseinrichtung an einer der Komponenten form- und/oder kraftschlüssig zu befestigen und die vorgespannte Anlage nur gegenüber der anderen Komponente vorzusehen; denkbar ist es jedoch auch, die Potentialausgleichseinrichtung insgesamt klemmgelagert zu halten und somit die Vorspannung zu beiden Komponenten hin auszuüben.
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Die konkrete Elastizität des Grundkörpers ist dabei entsprechend der Anwendung zu wählen; die elastische Eigenschaft des Grundkörpers bezieht sich also auf die Fähigkeit, eine hinreichende Vorspannung innerhalb des Zwischenraums bereitzustellen, so dass ein Anpressen des leitfähigen Garns und somit eine leitende Verbindung zu der entsprechenden Komponente sichergestellt ist. Dabei sei darauf hingewiesen, dass dann, wenn das leitfähige Garn selbst keine oder geringere elastische Eigenschaften aufweist, es durchaus denkbar ist, dieses mit Spiel um den Grundkörper herumzuwickeln, nachdem ein beispielsweise seitliches Anliegen des Garnes an den Grundkörper für die Erfindung nicht wesentlich ist, sondern die Herstellung eines Kontaktes zwischen der jeweiligen Komponente und dem leitfähigen Garn, so dass bei Herstellung dieses leitfähigen Kontaktes zu beiden Komponenten über das Garn ein Potentialausgleich zwischen den Komponenten erfolgen kann.
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Diese Ausgestaltung weist dabei eine Vielzahl von Vorteilen auf. Durch die elastische Ausgestaltung des Grundkörpers erfolgt letztlich eine automatisierte Nachstellung, so dass insbesondere auch ein Ausgleich von Effekten wie Wellenunrundheiten, insbesondere Exzentritäten, und Lagerspiel erfolgt. Es besteht keine Funktionsbeeinträchtigung durch Verschmutzungen. Durch die Verwendung geeigneter elastischer Materialien für den Grundkörper, insbesondere durch die Verwendung von Polymeren, kann eine minimale Reibung erreicht werden. Die Potentialausgleichseinrichtung erweist sich zudem als äußerst temperaturbeständig, nachdem der begrenzende Faktor das zur Verwendung kommende Polymer bzw. allgemein Material des Grundkörpers ist. Die Potentialausgleichseinrichtung ist wartungsfrei und verhindert durch die verlässliche Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung eine Schädigung der Komponenten durch Funkenbildung/Riefenbildung beziehungsweise allgemein EDM-Effekte.
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Die Potentialausgleichseinrichtung ist dabei insbesondere geeignet für die elektrische Leitung und Erdung zwischen Komponenten (Bauteilen), welche zueinander langsame rotierende, schwenkende oder gleitende Bewegungen ausführen. Typische Anwendungen sind dabei Linearführungen, Greifer/Roboter im Lebensmittel- und medizinischen Bereich sowie Rollen von medizinischen Geräten. Die Potentialausgleichseinrichtung kann besonders vorteilhaft geeignet für medizinische Anwendungen und/oder lebensmittelecht ausgestaltet werden. Insgesamt ist eine einfache, sichere und kostengünstige Möglichkeit zur Stromleitung zwischen Komponenten realisiert.
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Bevorzugt weist der Grundkörper einen kreisförmigen Querschnitt auf, so dass eine potentielle Reibungsfläche weiter reduziert wird. Denkbar sind jedoch auch andere Querschnitte, beispielsweise rechteckige Querschnitte.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei einer inneren, im Lagerbereich in einer rotationssymmetrischen Aufnahme einer äußeren Komponente gelagerten Komponente der Grundkörper als ein Ring oder eine Scheibe ausgebildet ist. Rotationssymmetrische Lagerungen, beispielsweise für Wellen beziehungsweise bei Wälzlagern mit einem Innenring als innere Komponente und einen Außenring als äußere Komponente, bieten also die Möglichkeit, den üblicherweise auch rotationssymmetrischen Zwischenraum teilweise mittels eines elastischen, vorspannenden Grundkörpers in Form einer Scheibe oder eines Rings zu füllen, wobei ein Ring eine bevorzugte Ausgestaltung darstellt. Insbesondere kann, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, die Potentialausgleichseinrichtung zusätzlich als ein Dichtelement zur Abdichtung des Zwischenraums nach außen wirken, so dass zudem der Vorteil geboten ist, Schmutz, Staub und Feuchtigkeit aus dem Zwischenraum fernzuhalten. Beispielsweise kann ein I-Profil-Ring durch Hinzufügen des leitfähigen Garns zu einer erfindungsgemäßen Potentialausgleichseinrichtung weitergebildet werden. Bei einer Ausbildung der Potentialausgleichseinrichtung als Dichtelement ist mithin ein zusätzlicher Schutz vor eindringendem Schmutz und Feuchtigkeit gegeben.
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Das einzelne Garn kann wenigstens teilweise spiralförmig den Grundkörper umwinden und/oder wenigstens teilweise als Teil eines um den Grundkörper gelegten Gewebes oder Gewirkes oder Geleges ausgebildet sein. Während es grundsätzlich bereits ausreichend wäre, wenn mindestens eine Umwicklung des Grundkörpers mit dem elektrisch leitfähigen Garn vorliegt, bietet sich eine mehrfache Umwicklung, beispielsweise in Form einer Spirale, besonders an, um möglichst mehrere lokale Stromtransportwege niedrigen Widerstands bereitstellen zu können. Der insbesondere polymere Grundkörper kann jedoch auch komplett mit Garn umgeben sein, beispielsweise in Form eines Gewebes, Gewirkes oder Geleges, um so ebenso eine hervorragende Abdeckung zu erreichen.
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Zweckmäßigerweise kann das Garn ein insbesondere streckgerissenes Kohlefasergarn oder ein mit leitfähigem material gefülltes Polymergarn sein. Kohlefasergarn, insbesondere streckgerissenes Kohlefasergarn, weist den Vorteil auf, dass die Leitfähigkeit hauptsächlich in Faserrichtung gegeben ist, was im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft genutzt wird, indem eine hohe Leitfähigkeit und somit ein niedriger Widerstand zum Stromtransport von einer Komponente zur anderen gegeben ist. Durch den Kontakt der Kohlefasern zur Komponente entsteht ein niedriger Reibkoeffizient. Um die Reibung weiter zu vermindern und die Leitfähigkeit weiter zu erhöhen, kann auch vorgesehen sein, ein gefülltes Polymergarn zu verwenden, insbesondere also ein Garn aus einem Polymer, in dessen Matrix leitfähige Bestandteile enthalten sind, um eine allgemeine Leitfähigkeit des Polymers herbeizuführen. Polymere weisen insgesamt eine sehr geringe Reibung auf, was auch bezüglich des Grundkörpers bereits als vorteilhaft erwähnt wurde, und bieten durch entsprechende Techniken auch die Möglichkeit, eine hohe Leitfähigkeit bereitzustellen. Eine allgemein vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise vorsehen, dass der spezifische elektrische Widerstand kleiner als 50 Mikroohmmeter ist, bevorzugt kleiner als 20 Mikroohmmeter. Soll ein streckgerissenes Kohlefasergarn verwendet werden, stellt beispielsweise die Firma SGL Carbon SE ein Garn bereit, welches eine Zugfestigkeit von 4,0 GPa, ein Zug-E-Modul von 240 GPa, eine Bruchdehnung von 1,7 % und einen spezifischen elektrischen Widerstand von 14 Mikroohmmeter aufweist.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper aus einem Elastomer, insbesondere Schaumstoff und/oder NBR und/oder FKM, besteht. NBR steht hierbei für Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, FKM für Fluorkarbon-Kautschuk. Elastomere stellen als Unterklasse der ohnehin bevorzugten Polymere eine elastische Klasse von Kunststoffen dar, durch die besonders vorteilhaft die hinreichende Anpresskraft zur Herstellung des elektrischen Kontaktes erreicht werden kann, wobei zudem gilt, dass derartige Substanzen eine niedrige Reibung aufweisen.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass die vorliegende Erfindung in unterschiedlichen Baugrößen realisierbar ist, das bedeutet, sowohl auf kleinbauende Komponenten als auch auf größere Maschinenkomponenten angewendet werden kann.
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Neben der Potentialausgleichseinrichtung betrifft die Erfindung auch eine Mechanik-anordnung mit einer erfindungsgemäßen Potentialausgleichseinrichtung und den beiden Komponenten. Sämtliche Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Potentialausgleichseinrichtung lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Mechanikanordnung übertragen, so dass mit dieser die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Mechanikanordnung als ein Wälzlager ausgebildet ist, wobei die innere Komponente ein Innenring und die äußere Komponente ein Außenring ist. In diesem Kontext bietet es sich besonders an, den Grundkörper ringförmig auszugestalten. Die Potentialausgleichseinrichtung kann zu wenigstens einer Seite benachbart einem Wälzkörper enthaltenden Käfig in dem Zwischenraum zwischen den Komponenten angeordnet sein. Wird die Potentialausgleichseinrichtung dann zusätzlich auch als Dichtelement verwendet, kann mithin auf einer Seite des Käfigs mit den Wälzkörpern ein übliches Dichtelement vorgesehen werden, auf der anderen Seite die erfindungsgemäße Potentialausgleichseinrichtung.
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Wie bereits erwähnt, wird es erfindungsgemäß besonders bevorzugt, wenn die Potentialausgleichseinrichtung ferner als ein Dichtelement für eine Seite des Zwischenraums ausgebildet ist. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Potentialausgleichseinrichtung den Zwischenraum in radialer und Umfangsrichtung in wenigstens einer Ebene vollständig ausfüllt. Auf diese Weise wird, wie bereits erläutert, zusätzlich das Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit in den Zwischenraum, insbesondere zu einem Käfig mit Wälzkörpern bei einem Wälzlager, verhindert. Die Nutzung eines Elastomers für den Grundkörper trägt ebenso zu einer hervorragenden Dichtwirkung bei.
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Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass leitfähige Garne der genannten Art, insbesondere Kohlefasergarne, ohnehin äußerst dünn zur Verfügung stehen, beispielsweise in etwa in Haaresdicke, so dass sie auf der Oberfläche des im allgemeinen deutlich größeren Grundkörpers kaum abstehen und die Zwischenräume zwischen einzelnen Garnanteilen im Bereich der Kontaktfläche aufgrund der Vorspannungskraft mit Elastomer beziehungsweise allgemein Grundkörpermaterial ausgefüllt sind.
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Es sei ferner noch darauf hingewiesen, dass im Rahmen einer einzelnen Mechanikanordnung selbstverständlich auch mehrere Potentialausgleichselemente vorgesehen sein können, beispielsweise bei einem Wälzlager zu beiden Seiten des Käfigs mit den Wälzkörpern.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Potentialausgleichseinrichtung an einer der Komponenten formschlüssig und/oder kraftschlüssig befestigt. Die Potentialausgleichseinrichtung wird mithin von einer der Komponenten mitgenutzt, beispielsweise von einem Innenring, und schleift mithin lediglich am Außenring, wo durch die Vorspannung für eine entsprechende Anlage wenigstens des elektrisch leitfähigen Garns gesorgt ist.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen in:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer aufgeschnittenen erfindungsgemäßen Mechanikanordnung in Form eines Wälzlagers, und
- 2 die in dem Wälzlager gemäß 1 eingesetzte Potentialausgleichseinrichtung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine aufgeschnittene perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Mechanikanordnung 1, die vorliegend als ein Wälzlager mit einem Innenring als innere Komponente 2 und einem Außenring als äußere Komponente 3 ausgebildet ist. Wälzkörper 4 können, wie grundsätzlich bekannt, innerhalb eines Käfigs 5 geführt werden. Die innere Komponente 2 und die äußere Komponente 3 sind rotatorisch gegeneinander bewegbar, wie dies grundsätzlich bekannt ist, wobei sich die Wälzkörper 4 und der Käfig 5 innerhalb eines Zwischenraums 6 zwischen den Komponenten 2, 3 befinden. Die Komponenten 2, 3 sind jeweils aus Metall ausgebildet und daher elektrisch leitfähig. Läge nun ein Potentialunterschied zwischen der inneren Komponente 2 und der äußeren Komponente 3 vor, drohte eine Entladung, die zu Schäden führen kann. Um dies zu vermeiden, ist zu einer Seite des Käfigs 5 ein Potentialausgleichselement 7, das auch abdichtend, also als Dichtelement, wirkt, im Zwischenraum 6 zwischen der inneren Komponente 2 und der äußeren Komponente 3 angeordnet, welches einen aus einem Polymer, hier einem Elastomer, bestehenden Grundkörper 8 in Form eines Ringes oder einer Scheibe und ein um diesen gewickeltes elektrisch leitfähiges Garn 9 aufweist. Nachdem ein Elastomer, beispielsweise FKM oder NBR, für den Grundkörper 8 verwendet wird, kann dieser vorgespannt in den Zwischenraum 6 eingesetzt werden, wobei beispielsweise eine Befestigung an einer der Komponenten 2, 3, beispielsweise dem Innenring (innere Komponente 2), möglich ist. Überall da, wo der Grundkörper 8 nicht an einer Komponente 2, 3 befestigt ist, wird durch die Vorspannung das Garn 9 an die jeweilige Komponente 2, 3 angepresst, so dass eine niederohmige leitende Verbindung zwischen der inneren Komponente 2 und der äußeren Komponente 3 entsteht, nachdem der Grundkörper 8 mit dem Garn umwickelt ist. Nachdem dies gleichmäßig über den gesamten Umfang des Grundkörpers 8 der Fall ist, wie aus der Aufsicht in 2 ersichtlich ist, kann ein Stromfluss von der inneren Komponente 2 zu der äußeren Komponente 3 und mithin ein Potentialausgleich lokal an verschiedenen Stellen erfolgen.
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Als Garn kann ein streckgerissenes Kohlefasergarn oder ein gefülltes Polymergarn verwendet werden, in dessen Matrix leitfähige Materialien eingebracht sind. Diese Garne können äußerst dünn, beispielsweise mit Durchmessern < 100 µm, hergestellt werden, und stehen daher kaum von dem Grundkörper 8 ab, was aufgrund dessen Nutzung als Dichtelement vorteilhaft ist. Auf der gegenüberliegenden Seite der Potentialausgleichseinrichtung 7 ist im Übrigen ein übliches Dichtelement 10 vorgesehen.
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Es sei noch darauf hingewiesen, dass der Durchmesser des Grundkörpers 8 nicht, wie in 1 beispielhaft dargestellt, im Wesentlichen rechteckig sein muss, sondern es auch denkbar ist, einen runden Querschnitt zu verwenden. Ferner lässt sich die vorliegende Erfindung über das dargestellte Wälzlager hinaus auch in anderen Bereichen einsetzen, beispielsweise bei einer Welle und einem Gehäuse als Komponenten oder bei einer Linearführung mit linear gegeneinander bewegten Komponenten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mechanikanordnung
- 2
- innere Komponente
- 3
- äußere Komponente
- 4
- Wälzkörper
- 5
- Käfig
- 6
- Zwischenraum
- 7
- Potentialausgleichselement
- 8
- Grundkörper
- 9
- Garn
- 10
- Dichtelement
