-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung, umfassend ein Wälzlager mit einem Innenring, einem Außenring, Wälzkörpern und einem Käfig, wobei der Innenring eine Innenringlaufbahn aufweist und der Außenring eine Außenringlaufbahn aufweist, wobei die Wälzkörper zwischen Innenring und Außenring wälzend gelagert in dem Käfig voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei zwischen dem Innenring und dem Außenring ein stromleitendes Element angeordnet ist, welches den Innenring mit dem Außenring stromleitend verbindet.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Beim Einsatz von Wälzlagern z.B. in bzw. an elektrischen Maschinen oder innerhalb eines hybridisierten Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, kann es zu einem Stromdurchgang kommen. Die Schaltimpulse von Umrichtern führen beispielsweise zum Aufbau einer Spannung zwischen den Lagerringen von Wälzlagern. Diese Spannung wird durch Durchschläge immer wieder abgebaut. Unter ungünstigen Bedingungen kommt es infolge dessen zu Stromdurchgangsschäden an Laufbahnen und Wälzkörpern. Somit besteht die Gefahr eines vorzeitigen und unerwarteten Ausfalls des Lagers und damit der gesamten elektrischen Maschine. Neben dem erhöhten Wartungsaufwand entstehen durch den Stillstand der Maschine zusätzliche Kosten.
-
Aus dem Stand der Technik sind stromisolierte Wälzlager bekannt, die schädliche Lagerströme unterbinden sollen. So werden beispielsweise Wälzlager mit einer Keramikisolierung am Außen- oder Innenring eingesetzt. Stromisolierte Wälzlager sind jedoch vergleichsweise teuer und werden daher nicht allzu häufig eingesetzt.
-
Aufgabe der Erfindung
-
Im Lichte des vorbekannten Standes der Technik ist es somit die Aufgabe der Erfindung, eine Wälzlageranordnung bereitzustellen, welche elektrischen Strom zwischen Innenring und Außenring eines Wälzlagers betriebssicher und verschleißarm überträgt und welche kostengünstig herstellbar ist.
-
Beschreibung der Erfindung
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wälzlageranordnung, umfassend ein Wälzlager mit einem Innenring, einem Außenring, Wälzkörpern und einem Käfig, wobei der Innenring eine Innenringlaufbahn aufweist und der Außenring eine Außenringlaufbahn aufweist, wobei die Wälzkörper zwischen Innenring und Außenring wälzend gelagert in dem Käfig voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei zwischen dem Innenring und dem Außenring ein stromleitendes Element angeordnet ist, welches den Innenring mit dem Außenring stromleitend verbindet, wobei das stromleitende Element als Ringscheibe ausgebildet ist, die drehfest mit dem Innenring oder dem Außenring verbunden ist, wobei das freie, sich relativ zum Innenring oder Außenring bewegende Ende des stromleitenden Elements über seinen Umfang verteilt, voneinander beabstandete federelastische Kontaktierungssegmente aufweist, welche den Innenring oder den Außenring elektrisch leitend kontaktieren.
-
Dadurch wird der Innenring mit dem Außenring elektrisch verbunden, so dass keine elektrischen Potentialunterschiede zwischen Innenring und Außenring vorhanden sind. Durch die vorgeschlagene Lösung kann ein stromableitendes Element insbesondere auch in Standardwälzlagern integriert werden, ohne dass dies zur Vergrößerung des ursprünglichen Bauraumes des Wälzlagers führen würde. Das stromleitende Element kann ferner eine Dicht- und/oder Trennfunktion zwischen dem Außenbereich des Wälzlagers und dem Innenbereich des Wälzlagers, insbesondere den Ringlaufbahnen und den Wälzkörpern, aufweisen. Um über die gesamte Lebensdauer des Wälzlagers eine gesicherte Kontaktierung und Stromdurchführung über das stromleitende Element zu gewährleisten, Sind die Kontaktierungselemente federelastisch ausgebildet und liegen federkraftbeaufschlagt an dem Innenring und/oder Außenring an.
-
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
-
Wälzlager sind Lager, bei denen zwischen einem Innenring und einem Außenring rollende Körper den Reibungswiderstand verringern. Wälzlager dienen insbesondere der Fixierung von Achsen und Wellen, wobei sie, je nach Bauform, radiale und/oder axiale Kräfte aufnehmen und gleichzeitig die Rotation der Welle oder der so auf einer Achse gelagerten Bauteile ermöglichen. Hierzu sind zwischen einem Innenring und einem Außenring des Wälzlagers rollende Wälzkörper angeordnet. Zwischen diesen drei Hauptkomponenten Innenring, Außenring und den Wälzkörpern tritt innerhalb des Wälzlagers in der Regel hauptsächlich Rollreibung auf. Da die Wälzkörper im Innen- und Außenring bevorzugt auf gehärteten Stahlflächen mit optimierter Schmierung abrollen können, ist die Rollreibung derartiger Lager relativ gering.
-
Der Innenring kann insbesondere die Wälzlager aufnehmende Welle mit dem Wälzlager bzw. den Wälzkörpern verbinden. Dabei kann insbesondere die Welle mit der der Welle zugewandten Seite der Mantelfläche des Innenrings verbunden sein, wobei auf der dieser Mantelfläche gegenüberliegenden Innenringlaufbahn die Wälzkörper des Wälzlagers wälzen. Der Innenring kann aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, den Innenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
-
Der Außenring kann insbesondere die Wälzlager aufnehmende Lagerung mit dem Wälzlager bzw. den Wälzkörpern verbinden. Dabei kann insbesondere die Lagerung mit der der Lagerung zugewandten Seite der Mantelfläche des Außenrings verbunden sein, wobei der dieser Mantelfläche gegenüberliegenden Außenringlaufbahn die Wälzkörper des Wälzlagers wälzen. Der Außenring kann aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, den Außenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
-
Die Wälzkörper haben abhängig von der Wälzlagerbauart die Form einer Kugel oder einer Rolle. Sie wälzen sich auf den Laufbahnen des Wälzlagers ab und haben die Aufgabe, die auf ein Radialwälzlager wirkende Kraft vom Außenring auf den Innenring und umgekehrt zu übertragen. Bei einem Axialwälzlager übertragen die Wälzkörper die auf das Axialwälzlager wirkenden Kräfte zwischen den Laufscheiben. Rollenförmige Wälzkörper werden auch als Rollenwälzkörper und kugelförmige Wälzkörper als Lagerkugel bezeichnet.
-
Ein Wälzlager kann einen Käfig aufweisen, wobei der Käfig die Wälzkörper führt. Der Käfig so ausgebildet, dass die Lagerkugeln und/oder die Rollenwälzkörper voneinander beabstandet werden, damit beispielsweise die Reibung und Wärmeentwicklung der Wälzkörper möglichst geringgehalten wird. Ferner hält der Käfig die Lagerkugeln und/oder Rollenwälzkörper in einem gleichmäßigen Abstand beim Abwälzen zueinander, wodurch eine gleichmäßige Lastverteilung erzielt werden kann. Der Käfig kann einstückig oder mehrstückig ausgeführt sein.
-
Die Wälzkörper können innerhalb des Wälzlagers insbesondere auf der Innenringlaufbahn des Innenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Innenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht. Die Innenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Innenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Innenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Innenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Innenringlaufbahn erlauben.
-
Die Wälzkörper können innerhalb des Wälzlagers insbesondere auf der Außenringlaufbahn des Außenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Außenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht. Die Außenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Außenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Außenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Außenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Außenringlaufbahn erlauben.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass der Innenring und/oder der Außenring eine umlaufende Nut zur kontaktierenden Aufnahme des stromleitenden Elements aufweist. Durch die Nut kann eine geometrisch/ konstruktiv bewirkte definierte Führung des stromleitenden Elements und somit ein definierter elektrischer Widerstand im Betrieb des Wälzlagers gewährleistet werden.
-
Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass die federelastische Kontaktierungssegmente in vorwiegend axialer oder vorwiegend radialer Richtung federkraftbelastet den Innenring oder den Außenring kontaktieren, wodurch sich besonders stabile und gleichmäßige Widerstände zwischen dem Innenring/Außenring und dem stromleitenden Element auch im Betrieb des Wälzlagers realisieren lassen.
-
In einer Weiterentwicklung der Erfindung kann es ferner bevorzugt sein, dass die federelastischen Kontaktierungssegmente als Stege ausgebildet sind. Durch eine stegartige Konstruktion der Kontaktierungselemente lassen sich fertigungstechnisch einfache sowie betriebssichere Kontaktierungselemente bereitstellen.
-
Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass die federelastischen Kontaktierungssegmente im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Es ist jedoch grundsätzlich auch denkbar, dass die federelastischen Kontaktierungssegmente voneinander verschieden ausgeformt sind.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die federelastischen Kontaktierungssegmente den Innenring oder den Außenring innerhalb der Nut kontaktieren. Hierdurch kann eine besonders gute Führung und definierte Kontaktierung des strom leitenden Elements bereitgestellt werden, was wiederum zu stabilen und definierten elektrischen Widerständen zwischen dem Innenring/Außenring und den Kontaktierungselementen führt.
-
Es kann des Weiteren vorgesehen sein, dass das strom leitende Element monolithisch ausgeformt ist, was fertigungstechnisch besonders vorteilhaft ist. Besonders bevorzugt ist das strom leitende Element aus einem elektrisch leitenden, metallischen Werkstoff gebildet.
-
Schließlich ist es auch vorteilhaft, dass an dem Wälzlager ein Sensor zur Messung des Stromflusses durch das strom leitende Element angeordnet ist, wobei das Messignal des Sensors einer Steuereinheit mit einer das Messignal verarbeitenden Prozessoreinheit zugeführt wird. Durch die Messung des durch das stromleitende Element fließenden Stroms lassen sich mittels der entsprechenden das Messsignal verarbeitenden Prozessoreinheit beispielsweise Rückschlüsse auf den Betriebszustand, den Belastungsgrad bzw. das Belastungsprofil und/oder den Verschleißgrad des Wälzlagers ziehen. Beispielsweise kann eine detektierte Widerstandserhöhung ein Hinweis auf Korrosion sein. Der Sensor kann als ein kontaktierender oder kontaktloser Sensor ausgeformt sein. Die Messung des Stromflusses kann kontinuierlich oder in Intervallen erfolgen.
-
Figurenliste
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Die Zeichnungen sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch können die unterschiedlichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele innerhalb des technisch machbaren frei miteinander kombiniert werden. Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung in einer schematischen Querschnittsansicht
- 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung in einer schematischen Querschnitts- und perspektivischen Detailansicht
- 3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung in einer schematischen Querschnittsansicht
- 4 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung in einer schematischen Querschnittsansicht
- 5 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung in einer schematischen Querschnittsansicht
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
-
Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Wälzlageranordnung 1, umfassend ein Wälzlager 2 mit einem Innenring 3, einem Außenring 4, Wälzkörpern 5 und einem Käfig 6. Der Innenring 3 weist eine Innenringlaufbahn 7 und der Außenring 4 eine Außenringlaufbahn 8 auf, wobei die Wälzkörper 5 zwischen Innenring 3 und Außenring 4 wälzend gelagert in dem Käfig 6 voneinander beabstandet angeordnet sind. Zwischen dem Innenring 3 und dem Außenring 4 ist ein stromleitendes Element 9 angeordnet, welches den Innenring 3 mit dem Außenring 4 stromleitend verbindet. Das stromleitende Element 9 ist als Ringscheibe ausgebildet, die drehfest mit dem Außenring 4 verbunden ist. Das freie, sich relativ zum Innenring 3 bewegende Ende des strom leitenden Elements 9 besitzt über seinen Umfang verteilt, voneinander beabstandete federelastische Kontaktierungssegmente 10, welche den Innenring 3 elektrisch leitend kontaktieren. Der Außenring 4 weist eine umlaufende Nut 11 zur kontaktierenden Aufnahme des stromleitenden Elements 9 auf. Das stromleitende Element 9 ist monolithisch ausgeformt.
-
An dem Wälzlager 2 ist ein Sensor 12 zur Messung des Stromflusses durch das stromleitende Element 9 angeordnet. Das Messignal des Sensors 12 wird einer Steuereinheit 13 mit einer das Messignal verarbeitenden Prozessoreinheit 14 zugeführt.
-
Die 2 zeigt die aus der 1 bekannte Wälzlageranordnung 1 mit einer Detailansicht auf die stromleitenden, federelastischen Kontaktierungselemente 10. Das ringscheibenförmige stromleitende Element 9 ist drehfest mit dem Au-ßenring 4 verbunden und das freie, sich relativ zum Innenring 3 bewegende Ende des strom leitenden Elements 9 besitzt über seinen Umfang verteilt, voneinander beabstandete federelastische Kontaktierungssegmente 10, welche den Innenring 3 elektrisch leitend kontaktieren. In der gezeigten Ausführungsform sind die federelastische Kontaktierungssegmente 10 als Stege ausgebildet.
-
Die federelastischen Kontaktierungssegmente 10 können im Wesentlichen identisch ausgebildet oder, wie in der 2 dargestellt, voneinander verschieden ausgeformt sein.
-
Die 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäße Wälzlageranordnung 1, umfassend ein Wälzlager 2 mit einem Innenring 3, einem Außenring 4, Wälzkörpern 5 und einem Käfig 6. Der Grundaufbau entspricht folglich dem aus der Figur-2 bereits Bekannten. Die in 3 gezeigte Ausführungsform besitzt nun eine umlaufende Nut 11 im Innenring 3 und Außenring 4 zur kontaktierenden Aufnahme des stromleitenden Elements 9. Die federelastische Kontaktierungssegmente 10 sind im Querschnitt im Wesentlichen L-förmig ausgeformt und liegen innerhalb der innenringseitigen Nut 11 in radialer Richtung federkraftbelastet am Innenring 3 an.
-
Eine dritte mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung 1 ist in der 4 dargestellt. Der Grundaufbau des Wälzlagers 1 ist dem in den 1-3 dargestellten Wälzlagern analog. Die in 4 gezeigte Ausführungsform besitzt, wie die aus 3 bekannte Wälzlageranordnung 1, eine umlaufende Nut 11 im Innenring 3 und Außenring 4 zur kontaktierenden Aufnahme des strom leitenden Elements 9. Die federelastische Kontaktierungssegmente 10 weisen im Querschnitt einen aus der Radialebene des stromleitenden Elements 9 herausragenden Abschnitt auf und liegen innerhalb der innenringseitigen Nut 11 in axialer Richtung federkraftbelastet an einem radial ebenen Abschnitt der innenringseitigen Nut 11 an.
-
Die 5 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung 1. Anders als in den Ausführungsformen der 1 bis 4, ist das strom leitende Element 9 in der Ausführungsform der 5 drehfest mit den Innenring 3 verbunden, entspricht ansonsten jedoch im Wesentlichen der Ausgestaltung, wie sie bereits aus den 1 und 2 bekannt ist.
-
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wälzlageranordnung
- 2
- Wälzlager
- 3
- Innenring
- 4
- Außenring
- 5
- Wälzkörpern
- 6
- Käfig
- 7
- Innenringlaufbahn
- 8
- Außenringlaufbahn
- 9
- strom leitendes Element
- 10
- federelastische Kontaktierungssegmente
- 11
- Nut
- 12
- Sensor
- 13
- Steuereinheit
- 14
- Prozessoreinheit
