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Die Erfindung betrifft einen elektrisch leitfähigen Wälzlagerkäfig für ein Lager. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Lageranordnung mit dem elektrisch leitfähigen Wälzlagerkäfig.
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In der
DE 20 2012 000 854 U1 ist ein Wälzlagerkäfig beschrieben, der sowohl Oberflächen mit einer PTFE-Beschichtung als auch Oberflächen ohne PTFE-Beschichtung aufweist, um Reibung zu verringern.
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Es ist bekannt, dass in Lagern von Asynchronmaschinen durch schnelle Drehung des Rotors elektrische Spannungen induziert werden, die über das Lager abgeleitet werden müssen. Die Ableitung der Spannung über die Lagerringe und die Wälzkörper kann eine Beschädigung der Laufbahnen zur Folge haben, insbesondere kann es zu Riefenbildung auf den Laufbahnen kommen. Weiterhin kann es infolge induzierter Ströme bei Elektroantrieben zu induzierten Spannungen kommen, die in bestimmten Frequenzbereichen zu Störungen im Bordnetz sowie in Radiogeräten führen können.
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Zum Ableiten der im Lager entstehenden Ströme sind verschiedene Mittel bekannt. Beispielsweise ist aus der
DE 10 2014 010 269 A1 eine Vorschaltdichtung bekannt, welche eine im Wesentlichen kreisringförmige Scheibe aus einem elektrisch leitfähigen und luftdurchlässigen Werkstoff und einen Tragkörper umfasst.
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In der
DE 10 2015 224 044 A1 ist ein Dichtungselement beschrieben, welches der Abdichtung zwischen zwei Maschinenelementen dient und als Füllstoff im Elastomer Carbon-Nano-Tubes aufweist, um Ströme abzuleiten.
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Weiterhin sind Lagerschutzringe, welche am Umfang verteilte Kohlefasern aufweisen, zum Ableiten induzierter Spannungen bekannt. Die Kohlefasern verschleißen und können schnell verschmutzen, wodurch die Leitfähigkeit beeinträchtigt wird. Ebenso sind leitfähige Vliese bekannt, welche an Radialwellendichtringen angeordnet werden und einen vorgegebenen Stromdurchgang durch ein Wälzlager ermöglichen. Hierbei wird ein axialer Bauraum im Wälzlager benötigt. Die bei Verschleiß erforderliche Nachstellung der Vliese ist nur eingeschränkt möglich. Die Verwendung von Vlies im Wälzlager ist kostenintensiv.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, einen elektrisch leitfähigen Wälzlagerkäfig für ein Lager bereit zu stellen, der die Stromableitung zwischen zueinander rotierbaren Maschinenelementen ermöglicht und kostengünstig herstellbar ist. Weiterhin besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Lageranordnung mit elektrisch leitfähigem Wälzlagerkäfig bereit zu stellen, welche einen Leitpfad zur Ableitung induzierter Ströme ermöglicht.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch einen elektrisch leitfähigen Wälzlagerkäfig gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Lageranordnung mit einem elektrisch leitfähigen Wälzlagerkäfig gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 4.
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Der erfindungsgemäße elektrisch leitfähige Wälzlagerkäfig dient der Ableitung parasitärer Ströme in einem Wälzlager. An dem Wälzlagerkäfig sind Aufnahmen ausgebildet, die der Aufnahme von Wälzkörpern dienen. Der Wälzlagerkäfig ist in üblicher Weise zwischen zwei zueinander rotierbaren Maschinenelementen eines Wälzlagers einbaubar. An dem elektrisch leitfähigen Wälzlagerkäfig sind elektrisch leitfähige Fasern angeordnet. Die mindestens eine elektrisch leitfähige Faser ist so an und/oder in dem Wälzlagerkäfig angeordnet, dass im Einbauzustand des Wälzlagerkäfigs im Wälzlager die Fasern an den Maschinenelementen zum Anliegen kommen und einen elektrischen Leitpfad zwischen den Maschinenelementen ausbilden, über den Ströme abgeleitet werden können. Die elektrisch leitfähigen Fasern sind Bi-Komponentenfasern und bestehen aus einem Polymer-Nanoverbundwerkstoff.
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Vorzugsweise besteht der Polymer-Nanoverbundwerkstoff der elektrisch leitfähigen Fasern aus Polycaprolacton (kurz: PCL) und Carbon Nanotubes (kurz: CNT). Der Polymer-Nanoverbundwerkstoff ist elektrisch leitfähig.
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Der Polymer-Nanoverbundwerkstoff ist bevorzugt strangförmig ausgebildet, sodass die elektrisch leitfähigen Fasern gebildet werden.
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Bevorzugt umfassen die elektrisch leitfähigen Fasern weiterhin ein isolierendes Polymer, welches den strangförmig ausgebildeten Polymer-Nanoverbundwerkstoff ummantelt. Das isolierende Polymer besteht vorzugsweise aus Polyamid 6/Polyamid 6.6 (PA6/PA66).
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Bevorzugt sind die elektrisch leitfähigen Fasern aus Polymer-Nanoverbundwerkstoff getempert. Durch das Tempern der Fasern, wird das bei der Herstellung auftretende Problem der Verstreckung der Fasern und damit dem Verlust der Leitfähigkeit, entgegengewirkt und die Leitfähigkeit wieder hergestellt bzw. aufrecht erhalten. Dabei erfolgt jedoch eine Neuorientierung der Molekülkette im verstreckten Fasergarn mit einhergehender Abnahme der mechanischen Eigenschaften der Faser. Um dieses Problem zu umgehen ist das Bi-Komponentenfaser-Material bevorzugt so gewählt, dass der Schmelzpunkt des Kernmaterials deutlich unter dem Schmelzpunkt des Mantelmaterials liegt. Dadurch kann bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Mantels getempert werden. Beispielsweise liegt der Schmelzpunkt von Polycaprolacton als Kernmaterial bei 58°C und der Schmelzpunkt von Polyamid 6 als Mantelmaterial bei etwa 220°C.
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Der Durchmesser einer elektrisch leitfähigen Faser beträgt bevorzugt 30 µm oder weniger. Besonders bevorzugt liegt der Durchmesser der elektrisch leitfähigen Faser zwischen 10 µm und 30 µm.
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Die Länge der Fasern ist so gewählt, dass sie im Einbauzustand radial sowohl an dem innen liegenden Maschinenelement als auch an dem außen liegenden Maschinenelement zum Anliegen kommen, um auf diese Weise eine elektrische Verbindung, d. h. einen Strompfad zwischen den beiden Maschinenelementen zu bilden.
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Die elektrisch leitfähigen Fasern sind vorzugsweise an einer Seitenfläche des ringförmigen Wälzlagerkäfigs angeordnet. Besonders bevorzugt sind die elektrisch leitfähigen Fasern an einer planar ausgebildeten Seitenfläche des ringförmigen Wälzlagerkäfigs angeordnet. Alternativ bevorzugt sind die elektrisch leitfähigen Fasern am inneren und/oder äußeren Umfang des Wälzlagerkäfigs angeordnet.
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Die auf der Seitenfläche des Wälzlagerkäfigs angeordneten elektrisch leitfähigen Fasern sind bevorzugt radial ausgerichtet. Bevorzugt sind die Fasern so ausgerichtet, dass sie einen elektrischen Leitpfad zwischen einem ersten und einem koaxial dazu befindlichen zweiten Maschinenelement eines Wälzlagers bilden.
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Die elektrisch leitfähigen Fasern sind vorzugsweise so an dem Wälzlagerkäfig angeordnet, dass dieser zumindest abschnittsweise leitfähig ausgebildet ist. Bevorzugt sind mehrere elektrisch leitfähige Fasern auf einem Quadranten der Seitenfläche des Wälzlagerkäfigs angeordnet. Besonders bevorzugt sind mehrere elektrisch leitfähige Fasern umlaufend gleichmäßig verteilt auf einer Seitenfläche des Wälzlagerkäfigs angeordnet. Der Wälzlagerkäfig ist ringförmig ausgebildet.
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Der durch die Fasern elektrisch leitfähige Wälzlagerkäfig ist im Übrigen bevorzugt aus einem Kunststoff erzeugt. Beispielsweise kann der Wälzlagerkäfig ein Kugelschnapp-Käfig mit an einer Seitenfläche befindlichen Aufnahmen für die Wälzkörper sein. Der Wälzlagerkäfig kann jede bekannte Wälzlagerkäfigform aufweisen.
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Vorzugsweise werden die elektrisch leitfähigen Fasern während des Fertigungsprozesses des Wälzlagerkäfigs in diesem angeordnet. Alternativ bevorzugt werden die elektrisch leitfähigen Fasern nach dem Fertigungsprozess des Kunststoff-Wälzlagerkäfigs an diesem beispielsweise durch Aufschweißen, Aufspritzen oder Ankleben angeordnet.
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Der elektrisch leitfähige Wälzlagerkäfig dient mit seinen auf einer seiner Flächen umlaufend angeordneten Aufnahmen für Wälzkörper, dem Führen von Wälzkörpern. Weiterhin dient der elektrisch leitfähige Wälzlagerkäfig dem Ableiten von Strömen in einem Wälzlager.
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Ein Vorteil des elektrisch leitfähigen Wälzlagerkäfigs ist, dass durch diesen parasitäre Ströme im Wälzlager abgeleitet werden können und dadurch keine Schädigungen der Lagerbauteile, wie Riefenbildung in der Wälzkörperlaufbahn entstehen. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, getemperte Polymer-Nano-Verbundwerkstoffe zur Leitpfadbildung zu nutzen, woraus eine sehr hohe Leitfähigkeit resultiert. Im Vergleich zu bekannten Stromleit-Lösungen ist die Kontaktgeschwindigkeit bei der vorliegenden Erfindung nur halb so groß. Durch Verwendung des elektrisch leitfähigen Wälzlagerkäfigs wird kein weiterer Bauraum benötigt und der ursprüngliche Bauraum kann beibehalten werden. Weitere Vorteile sind, dass der Wälzlagerkäfig kostenarm herstellbar ist und für jede bekannte Wälzlagerform anwendbar ist. Als vorteilhaft hat sich die Materialwahl der Fasern erwiesen, da im Betrieb durch Reibung das Polycaprolacton aufweichen kann und dadurch einen schmierenden Effekt bei Beibehaltung des elektrischen Leitpfades bewirkt.
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Die erfindungsgemäße Lageranordnung umfasst zwei zueinander rotierbare Maschinenelemente mit dazwischen angeordneten Wälzkörpern. Weiterhin umfasst die Lageranordnung einen Wälzlagerkäfig, der der Aufnahme der Wälzkörper dient und elektrisch leitfähig ausgebildet ist. Der elektrisch leitfähige Wälzlagerkäfig entspricht dem zuvor beschriebenen Wälzlagerkäfig mit all seinen Ausführungsformen. Die Wälzkörper sind in den Aufnahmen des Wälzlagerkäfigs angeordnet. Die an dem Wälzlagerkäfig angeordneten elektrisch leitfähigen Fasern kommen an den Maschinenelementen zum Anliegen, wodurch ein elektrischer Leitpfad zwischen den beiden Maschinenelementen ausgebildet ist, über den im Wälzlager entstehende parasitäre Ströme abgeleitet werden.
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In einer typischen Ausführungsform sind die beiden Maschinenelemente der Lageranordnung zwei Lagerringe, insbesondere ein innerer Lagerring und ein koaxial zu diesem angeordneter äußerer Lagerring. In einer alternativen Ausführungsform ist ein Maschinenelement ein Gehäuse und das andere koaxial dazu angeordnete Maschinenelement eine Welle. Zwischen den beiden Maschinenelementen kann es durch den gebildeten elektrischen Leitpfad zu Stromdurchgängen kommen.
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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 Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfigs
- 2 eine Seitenschnittansicht des in 1 gezeigten Wälzlagerkäfigs;
- 3 eine perspektivische Ansicht einer elektrisch leitfähigen Faser für den Wälzlagerkäfig.
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1 zeigt eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfigs 01. Der dargestellte Wälzlagerkäfig 01 ist als ein Kugelschnapp-Käfig aus Kunststoff ausgebildet, wobei andere Wälzlagerkäfigarten möglich sind. Der Kunststoff kann ein elektrisch isolierendes Material sein. Der ringförmige Wälzlagerkäfig 01 weist an einer ersten Seitenfläche 02 Aufnahmen 03 für Wälzkörper (2) auf. An einer der ersten Seitenfläche 02 gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche 06 (2) weist der Wälzlagerkäfig 01 elektrisch leitfähige Fasern 04 auf. Die Fasern 04 sind auf der zweiten Seitenfläche 06 angeklebt oder angeschweißt. Die Fasern 04 sind umlaufend auf der zweiten Seitenfläche 06 verteilt und sind radial ausgerichtet, wobei die Fasern 04 über die Ringbreite des Wälzlagerkäfigs 01 überstehen, sodass die Fasern 04 in einem Einbauzustand des Wälzlagerkäfigs 01 in ein Wälzlager zwischen zwei Maschinenelementen (nicht gezeigt) an den Maschinenelementen anliegen und einen elektrischen Leitpfad ausbilden. Die Fasern 04 stellen somit die elektrische Leitfähigkeit des Wälzlagerkäfigs 01 her. Über die Fasern 04 können parasitäre Ströme in einem Wälzlager abgeleitet werden. Die Fasern 04 erstrecken sich sowohl radial nach innen als auch radial nach außen über die Ringbreite des Wälzlagerkäfigs 01 hinaus. Die Länge der Fasern 04 ist so gewählt, dass sie im Einbauzustand radial sowohl an dem innen liegenden Maschinenelement als auch an dem außen liegenden Maschinenelement zum Anliegen kommen. Die Fasern 04 sind Bi-Komponentenfasern und bestehen aus einem Polymer-Nanoverbundwerkstoff.
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2 zeigt eine Seitenschnittansicht des in 1 gezeigten Wälzlagerkäfigs 01. In der Schnittansicht des Wälzlagerkäfigs 01 sind die Aufnahmen 03 für Wälzkörper (nicht gezeigt) sowie die radiale Ausrichtung der Fasern 04 zu erkennen. Die Fasern 04 sind auf der zweiten Seitenfläche 06 des Wälzlagerkäfigs 01 angeordnet.
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In 3 ist eine perspektivische Ansicht einer elektrisch leitfähigen Faser 04, welche an den Wälzlagerkäfig 01 anbringbar ist, gezeigt. Die Faser 04 aus Polymer-Nanoverbundwirkstoff weist einen strangförmigen Kern 07 sowie eine diesen ummantelnde Ummantelung 08 auf. Der Kern 07 der Faser 04 besteht aus dem elektrisch leitfähigen Polymer-Nanoverbundwerkstoff, welcher aus Polycaprolacton und Carbon Nanotubes besteht. Die Ummantelung 08 besteht aus einem isolierenden Polymer, beispielsweise aus Polyamid 6 und/oder Polyamid 6.6.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Wälzlagerkäfig
- 02
- erste Seitenfläche
- 03
- Wälzkörperaufnahmen
- 04
- Fasern
- 05
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- 06
- zweite Seitenfläche
- 07
- Faserkern
- 08
- Faserummantelung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202012000854 U1 [0002]
- DE 102014010269 A1 [0004]
- DE 102015224044 A1 [0005]
