-
Die Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung, umfassend ein Wälzlager mit einem Innenring, einem Außenring und Wälzkörpern, wobei der Innenring eine Innenringlaufbahn aufweist und der Außenring eine Außenringlaufbahn aufweist, wobei die Wälzkörper zwischen Innenring und Außenring wälzend gelagert angeordnet sind, wobei zwischen dem Innenring und dem Außenring ein stromleitendes Element angeordnet ist, welches den Innenring mit dem Außenring stromleitend verbindet.
-
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. Strom isolierte Wälzlager sind jedoch vergleichsweise teuer und werden daher nicht allzu häufig eingesetzt.
-
Im Lichte des vorbekannten Standes der Technik ist es somit die Aufgabe der Erfindung eine Wälzlageranordnung mit einem verbesserten Schutz vor schädlichen Lagerströmen bereitzustellen. Es ist insbesondere auch die Aufgabe der Erfindung, eine Wälzlageranordnung bereitzustellen, die einen Schutz vor schädlichen Lagerströmen in einer nass laufenden Wälzlageranordnung realisiert.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wälzlageranordnung, umfassend ein Wälzlager mit einem Innenring, einem Außenring und Wälzkörpern, wobei der Innenring eine Innenringlaufbahn aufweist und der Außenring eine Außenringlaufbahn aufweist, wobei die Wälzkörper zwischen Innenring und Außenring wälzend gelagert 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 ein Kassettenelement mit einem ersten Kassettenring, der sich in radialer Richtung zwischen dem Außenring und dem Innenring erstreckt, sowie einem zweiten Kassettenring, der sich ebenfalls in radialer Richtung zwischen dem Innenring dem Außenring erstreckt, ausgebildet ist, und einen Kassetteninnenraum aufweist, welcher durch den ersten Kassettenring und den zweiten Kassettenring definiert ist, wobei im Kassetteninnenraum ein fließfähiges und elektrisch leitfähiges Metall bevorratet ist, so dass im Betrieb des Wälzlagers eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Innenring und dem Außenring über das fließfähige und elektrisch leitfähige Metall herstellbar ist.
-
Durch die erfindungsgemäße Wälzlageranordnung kann diese wirkungsvoll gegen unerwünschte Lagerströmen geschützt werden. Das stromleitende Element zwischen dem Innen- und dem Außenring weist hierzu einen besonders niedrigen elektrischen Widerstand auf, was durch die Verwendung eines fließfähigen und elektrisch leitfähigen Metalls, häufig auch als Flüssigmetall bezeichnet, bewirkt wird. Durch die sehr gute Leitfähigkeit des fließfähigen und elektrisch leitfähigen Metalls wird ein widerstandsarmer Strompfad zwischen Innen- und Außenring erzeugt. Der Strompfad kann so ausgestaltet sein, dass das fließfähige und elektrisch leitfähige Metall den Innenring und den Außenring direkt miteinander elektrisch verbindet. Es ist selbstverständlich auch möglich, den Strompfad so auszugestalten, dass das fließfähige und elektrisch leitfähige Metall innerhalb eines Strompfads unter Zwischenschaltung weiterer elektrisch leitfähiger Bauteile zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet ist.
-
Ferner besitzt ein fließfähiges und elektrisch leitfähiges Metall in der Regel eine sehr hohe Oberflächenspannung, welche eine Abdichtung des stromleitenden Elements mit Hilfe vergleichsweise einfacher Wälzlagerdichtungen ermöglicht.
-
Ein fließfähiges und elektrisch leitfähiges Metall im Sinne dieser Anmeldung ist bei Raumtemperatur fließfähig. Ein fließfähiges und elektrisch leitfähiges Metall kann auch viskos bis hochviskos sein. Insbesondere kann die Viskosität des fließfähigen und elektrisch leitfähigen Metalls bei 20°C zwischen 1-1000 mPas betragen.
-
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 können insbesondere dazu verwendet werden, Drehbewegungen mit möglichst geringen Reibungsverlusten zu ermöglichen. Wälzlager können insbesondere zur Fixierung und/oder Lagerung von Achsen und Wellen eingesetzt werden, 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 abrollende 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.
-
Rollenförmige Wälzkörper können beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der symmetrischen Pendelrollen, der asymmetrischen Pendelrollen, der Zylinderrollen, der Nadelrollen und/oder der Kegelrollen.
-
Wälzkörper können in einem Käfig oder durch Wälzkörperdistanzstücke geführt und voneinander beabstandet sein. Es ist grundsätzlich auch denkbar, ein käfigloses Wälzlager auszubilden, welches auch als vollrolliges Wälzlager bezeichnet wird. Bei vollrolligen Wälzlagern können sich benachbarte Wälzkörper kontaktieren.
-
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 das fließfähige und elektrisch leitfähige Metall aus einer Legierung umfassend Gallium und/oder Alkalimetalle gebildet ist. Diese Legierungen haben sich als besonders geeignet in der Verwendung in einem stromleitenden Element für eine Wälzlageranordnung herausgestellt. Es kann in diesem Zusammenhang besonders vorteilhaft sein, durch das Einbringen von metallischen Füllstoffen (z.B. Stahl) den Bedarf an fließfähigem und elektrisch leitfähigem Metall zu senken.
-
Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass das fließfähige und elektrisch leitfähige Metall Galinstan umfasst oder vollständig aus Galinstan gebildet ist. Galinstan hat sich als besonders geeignet für die Anwendung in einem stromleitenden Element herausgestellt.
-
In einer Weiterentwicklung der Erfindung kann es ferner bevorzugt sein, dass der erste Kassettenring und/oder der zweite Kassettenring den Innenring und/oder den Außenring kontaktieren. Hierdurch kann die Dichtwirkung der Kassettenringe gegenüber einem unerwünschten Austritt des fließfähigen und elektrisch leitfähigen Metalls aus dem Kassettenelement grundsätzlich verbessert werden.
-
Es kann des Weiteren bevorzugt sein, dass die Kassettenringe zumindest abschnittsweise eine Beschichtung aufweisen, die eine Kontaktierung des fließfähigen und elektrisch leitfähigen Metalls mit einem Kassettenringabschnitt verhindert. Die Schichtung kann beispielsweise eine Kunststoffbeschichtung sein.
-
Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass der erste Kassettenring und/oder der zweite Kassettenring einen Ringspalt mit dem Innenring und/oder dem Außenring aufweisen, wobei der Ringspalt und das fließfähige und elektrisch leitfähige Metall so konfiguriert sind, dass das fließfähige und elektrisch leitfähige Metall nicht durch den Ringspalt austreten kann. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Reibung der Kassettenringe gegenüber dem Innen- und/oder Außenring vermieden wird und die Wälzlageranordnung so einen optimierten Wirkungsgrad aufweist.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann es bevorzugt sein, dass der erste Kassettenring und/oder der zweite Kassettenring aus einem Metall, insbesondere einem Blech, gebildet ist, wobei am radial inneren und/oder äußeren Umfang eine Dichtlippe aus einem bevorzugt elastomeren Material ausgebildet ist, welche am Innenring oder Außenring anliegt. Hierdurch kann die Dichtwirkung der Kassettenringe weiter optimiert werden. Ein Kassettenring kann beispielsweise sowohl vollständig als Elastomerdichtung als auch als Blechringdichtung mit angespritzer Elastomer-Dichtlippe ausgeführt werden. Die hohe Oberflächenspannung des fließfähigen und elektrisch leitfähigen Metalls verhindert unter anderem das Unterwandern der Dichtlippe und somit eine unbeabsichtigte Leckage des fließfähigen und elektrisch leitfähigen Metalls aus dem Kassettenelement.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass der erste Kassettenring und/oder der zweite Kassettenring aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff, gebildet sind. Hierdurch kann insbesondere eine kostengünstige Fertigung der Kassettenringe realisiert werden.
-
Die voranstehenden Dichtungskonzepte der Kassettenringe haben neben der Dichtwirkung alle zusätzlich die Funktion, das fließfähige und elektrisch leitfähige Metall vor einer ungewollten Oxidation zu schützen.
-
Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass das Wälzlager ein Schmiermittel umfasst, welches zumindest im Betrieb des Wälzlagers die Innenringlaufbahn und die Außenringlaufbahn sowie zumindest abschnittsweise die Wälzkörper benetzt, wodurch die Reibung zwischen den sich bewegenden Bauteilen des Wälzlagers reduziert werden kann. Das Schmiermittel kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Schmieröle und/oder Schmierfette.
-
In einer Weiterentwicklung der Erfindung kann es ferner bevorzugt sein, dass das Kassettenelement derart konfiguriert ist, dass ein Austritt des Schmiermittels aus dem Inneren des Wälzlagers verhindert ist. Das Kassettenelement übernimmt dann - neben der Funktion des stromleitenden Elements - auch die Funktion einer Lagerdichtung.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Kassettenelement derart konfiguriert ist, dass in dem Kassetteninnenraum wenigstens ein Volumenelement, bevorzugt eine Mehrzahl an Volumenelementen angeordnet ist. Hierdurch kann eine Volumenreduktion des Kassetteninnenraums und somit auch eine Reduzierung des Volumens an benötigtem fließfähigen und elektrisch leitfähigen Metall realisiert werden.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Die Figuren 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 zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung in einer schematischen Querschnittsansicht,
- 3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung in einer schematischen Querschnittsansicht und
- 4 eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung in einer schematischen Querschnittsansicht.
-
Die 1 zeigt eine erste mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung 1, umfassend ein Wälzlager 2 mit einem Innenring 3, einem Außenring 4 und Wälzkörpern 5. Der Innenring 3 weist eine Innenringlaufbahn 6 und der Außenring 4 eine Außenringlaufbahn 7 auf, wobei die Wälzkörper 5 zwischen Innenring 3 und Außenring 4 wälzend gelagert angeordnet sind. Zwischen dem Innenring 3 und dem Außenring 4 ist ein stromleitendes Element 8 angeordnet, welches den Innenring 3 mit dem Außenring 4 stromleitend verbindet.
-
Das stromleitende Element 8 ist als ein Kassettenelement 9 mit einem ersten Kassettenring 10, der sich in radialer Richtung zwischen dem Außenring 4 und dem Innenring 3 erstreckt, sowie einem zweiten Kassettenring 11, der sich ebenfalls in radialer Richtung zwischen dem Innenring 3 dem Außenring 4 erstreckt, ausgebildet.
-
Das Kassettenelement 9 besitzt einen Kassetteninnenraum 12, welcher durch den ersten Kassettenring 10 und den zweiten Kassettenring 11 definiert ist, wobei im Kassetteninnenraum 12 ein fließfähiges und elektrisch leitfähiges Metall 13 bevorratet ist, so dass im Betrieb des Wälzlagers 2 eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Innenring 3 und dem Außenring 4 über das fließfähige und elektrisch leitfähige Metall 13 herstellbar ist.
-
Das fließfähige und elektrisch leitfähige Metall 13 ist im gezeigten Beispiel aus einer Legierung umfassend Gallium gebildet. Dabei kann das elektrisch leitfähige Metall 13 Galinstan umfassen oder vollständig aus Galinstan gebildet sein.
-
In dem Ausführungsbeispiel der 1 kontaktieren der erste Kassettenring 10 und der zweite Kassettenring 11 jeweils den Innenring 3 und den Außenring 4.
-
Verschiedene Ausführungsvarianten der Kassettenringe 10, 11 und ihrer Dichtungskonzepte werden anhand der 2 nachfolgend näher erläutert.
-
Die 2 zeigt links von dem Wälzkörper 5 ein erstes Kassettenelement 9 bei dem der erste Kassettenring 10 und der zweite Kassettenring 11 jeweils den Innenring 3 und den Außenring 4 kontaktieren. Dabei sind der erste Kassettenring 10 und der zweite Kassettenring 11 aus einem Metall, insbesondere einem Blech, gebildet, wobei am radial inneren und äußeren Umfang jeweils eine Dichtlippe 15 aus einem bevorzugt elastomeren Material ausgebildet ist, welche am Innenring 3 bzw. Außenring 4 anliegt.
-
Die 2 zeigt ferner rechts vom Wälzkörper 5 ein zweites Kassettenelement, bei dem der erste Kassettenring und der zweite Kassettenring jeweils einen Ringspalt 14 mit dem Innenring 3 und/oder dem Außenring 4 aufweisen. Der Ringspalt 14 und das fließfähige und elektrisch leitfähige Metall 13 sind hierbei so konfiguriert sind, dass das fließfähige und elektrisch leitfähige Metall 13 nicht durch den Ringspalt 14 austreten kann.
-
Aus der 2 kann auch entnommen werden, dass das Wälzlager 2 ein Schmiermittel 16 umfasst, welches zumindest im Betrieb des Wälzlagers 2 die Innenringlaufbahn 6 und die Außenringlaufbahn 7 sowie zumindest abschnittsweise die Wälzkörper 5 benetzt. Das Schmiermittel 16 ist durch die Punkte innerhalb des Wälzlagerinnenraums angedeutet. Die Kassettenelemente 9 sind derart konfiguriert, dass ein Austritt des Schmiermittels 16 aus dem Inneren des Wälzlagers 2 verhindert ist.
-
In den Ausführungsformen der 1-2 war ein Strompfad zwischen dem Innenring 3 und dem Außenring 4 im Wesentlichen alleinig durch das fließfähige und elektrisch leitfähige Metall 13 ausgebildet. Die 3 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel, bei dem das fließfähige und elektrisch leitfähige Metall 13 den Innenring 3 nicht direkt mit dem Außenring 4 elektrisch leitend verbindet, sondern über die Zwischenschaltung des ersten und zweiten Kassettenrings 10, 11. Der erste Kassettenring 10 kontaktiert hierbei nicht den Außenring 4 und der zweite Kassettenring 11 entsprechend nicht den Innenring 3. Der Strompfad zwischen dem Innenring 3 und dem Au-ßenring 4 wird durch das das fließfähige und elektrisch leitfähige Metall 13, welches zwischen dem ersten Kassettenring 10 und dem zweiten Kassettenring 11 angeordnet ist, hergestellt.
-
4 schließlich zeigt, dass das Kassettenelement 9 derart konfiguriert sein kann, dass in dem Kassetteninnenraum 12 wenigstens ein Volumenelement 17, bevorzugt eine Mehrzahl an Volumenelementen 17 angeordnet ist. Derartige Volumenelemente 17 haben die Funktion, dass Volumen des Kassetteninnenraums 12, welches dem fließfähigen und elektrisch leitfähigen Metall 13 zur Verfügung steht, zu reduzieren und somit schließlich auch das Volumen an benötigtem fließfähigen und elektrisch leitfähigen Metall 13.
-
Ein Volumenelement 17 kann beispielsweise einstückig mit einem Kassettenring 10, 11 ausgebildet sein und in den Kassetteninnenraum 12 hineinragen, wie es in dem linken Kassettenelement 9 in der 4 gezeigt ist. Die Kassettenringe 10, 11 verfügen hier über in axialer Richtung in den Kassetteninnenraum 12 hineinragende, kammartige Stege.
-
Eine andere Möglichkeit, dass Volumen für das fließfähige und elektrisch leitfähige Metall 13 innerhalb des Kassetteninnenraums 12 zu reduzieren ist es, in dem Kassetteninnenraum 12 ein oder mehrere vereinzelte Volumenelemente 17 anzuordnen, die grundsätzlich jede beliebige Raumform aufweisen können. Die Volumenelemente 17 können beispielsweise als Kugeln, Würfel oder Federn ausgestaltet sein. Die vereinzelten Volumenelemente 17 können in dem Kassetteninnenraum 12 eine Schüttung ausbilden, so wie es in der rechten Ausführungsform eines Kassettenelements 9 angedeutet ist.
-
Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass das Volumenelement 17 schwammartig ausgeformt ist, wobei die schwammartige Struktur bevorzugt offenporig ausgebildet 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
- Innenringlaufbahn
- 7
- Außenringlaufbahn
- 8
- stromleitendes Element
- 9
- Kassettenelement
- 10
- erster Kassettenring
- 11
- zweiter Kassettenring
- 12
- Kassetteninnenraum
- 13
- fließfähiges und elektrisch leitfähiges Metall
- 14
- Ringspalt
- 15
- Dichtlippe
- 16
- Schmiermittel
- 17
- Volumenelemente
