DE102020127665B3 - Protection element and bearing arrangement with this - Google Patents
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- F16C35/06—Mounting or dismounting of ball or roller bearings; Fixing them onto shaft or in housing
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- F16C2206/00—Materials with ceramics, cermets, hard carbon or similar non-metallic hard materials as main constituents
- F16C2206/02—Carbon based material
- F16C2206/06—Composite carbon material, e.g. carbon fibre reinforced carbon (C/C)
Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Schutzelement (02) zum Schutz eines mechanischen Lagers vor Beschädigung durch elektrische Entladung. Das Schutzelement (02) ist als eine elastische Scheibe ausgebildet und besteht aus einem Verbundwerkstoff, der Kohlenstofffasern (16) umfasst und bei dem die Kohlenstofffasern des Verbundelements freiliegend ausgebildet und gleichmäßig zentrisch zum Mittelpunkt des Schutzelements (02) ausgerichtet sind. Zudem liegt ein Schutz vor Ausfransen der Kohlenstoffasern mittels Abnähen vor. Das Schutzelement (02) umfasst weiterhin einen ersten Kontaktbereich (11), der axial oder radial an einem ersten Scheibenradius angeordnet ist und einen zweiten Kontaktbereich (12), der axial an einem zweiten Scheibenradius angeordnet ist. Der erste Kontaktbereich (11) ist an einem ersten Lagerring (03; 04) unmittelbar anlegbar. Der zweite Kontaktbereich (12) ist an einem zweiten Lagerring (03; 04) unmittelbar anlegbar. Die Kontaktbereiche (11, 12) sind elektrisch leitfähig ausgebildet und bilden zusammen mit den im Verbundwerkstoff befindlichen Kohlenstofffasern (16) einen elektrischen Pfad. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Lageranordnung (01), die das Schutzelement (02) umfasst.The present invention initially relates to a protective element (02) for protecting a mechanical bearing from damage caused by electrical discharge. The protective element (02) is designed as an elastic disc and consists of a composite material that includes carbon fibers (16) and in which the carbon fibers of the composite element are designed to be exposed and aligned uniformly centrally to the center of the protective element (02). In addition, there is protection against fraying of the carbon fibers by sewing. The protective element (02) also includes a first contact area (11) which is arranged axially or radially on a first disc radius and a second contact area (12) which is arranged axially on a second disc radius. The first contact area (11) can be placed directly on a first bearing ring (03; 04). The second contact area (12) can be placed directly on a second bearing ring (03; 04). The contact areas (11, 12) are designed to be electrically conductive and, together with the carbon fibers (16) in the composite material, form an electrical path. The invention also relates to a bearing arrangement (01) which comprises the protective element (02).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schutzelement zum Schutz eines mechanischen Lagers vor Beschädigung durch elektrische Entladung. Die Erfindung betrifft außerdem eine Lageranordnung mit diesem Schutzelement.The present invention relates to a protective element for protecting a mechanical bearing from damage caused by electrical discharge. The invention also relates to a bearing arrangement with this protective element.
Bei elektrischen Maschinen die mechanische Lager aufweisen, kommt es regelmäßig zu sprunghaften Stromübergängen über die Lagerteile, was zu Schäden an diesen führt. Es sind Lagerschutzringe bekannt, die in mechanischen Lagern einsetzbar sind, die mittels am Umfang verteilter Kohlefaserbürsten elektrische Spannung/Ströme ableiten können. Eine Schutzfunktion gegenüber eindringendem Schmutz oder ähnlichem bieten diese Lagerschutzringe nicht, womit auch die elektrische Leitfähigkeit eingeschränkt wird.In the case of electrical machines which have mechanical bearings, there are regularly sudden current transfers via the bearing parts, which leads to damage to these. Bearing protection rings are known which can be used in mechanical bearings which can discharge electrical voltage/currents by means of carbon fiber brushes distributed around the circumference. These bearing protection rings do not offer a protective function against the ingress of dirt or the like, which also limits the electrical conductivity.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein Schutzelement zur Verfügung zu stellen, welches ein mechanisches Lager in verbesserter Form vor Stromdurchgangsschäden schützt.Based on the prior art, the object of the present invention is to provide a protective element which protects a mechanical bearing in an improved form against damage caused by the passage of current.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch ein Schutzelement gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Weiterhin erfolgt die Lösung durch eine Lageranordnung gemäß dem Anspruch 3.According to the invention, the object is achieved by a protective element according to appended claim 1. Furthermore, the solution is achieved by a bearing arrangement according to claim 3.
Das erfindungsgemäße Schutzelement dient dem Schutz eines mechanischen Lagers vor Beschädigung durch elektrische Entladung, wobei das Schutzelement in das mechanische Lager einbaubar ist. Das Schutzelement besteht aus einem Verbundwerkstoff. Verbundwerkstoffe bestehen bekanntermaßen aus zwei oder mehr Materialien. Bevorzugt ist der Verbundwerkstoff, aus dem das Schutzelement besteht, ein Faserverbundwerkstoff. Faserverbundwerkstoffe sind bekanntermaßen eine Kombination aus Teilchen oder Fasern die in einer weiteren Komponente, der Matrix, eingebettet sind. Der Verbundwerkstoff des Schutzelements weist Kohlenstofffasern auf. Das Schutzelement ist als eine elastische Scheibe ausgebildet, die einen ersten und einen zweiten Kontaktbereich aufweist. Die elastische Scheibe umfasst die Kohlenstofffasern und ist demnach elektrisch leitfähig. Der erste Kontaktbereich ist an einem ersten Scheibenradius, radial oder axial, und der zweite Kontaktbereich ist radial, axial oder schräg an einem zweiten Scheibenradius angeordnet. Der erste Kontaktbereich ist axial oder radial unmittelbar an einem ersten Lagerring anlegbar, wodurch ein Kontakt zwischen Schutzelement und erstem Lagerring aufgebaut wird. Der zweite Kontaktbereich ist radial, axial oder schräg unmittelbar an einem zweiten Lagerring anlegbar, wodurch ein Kontakt zwischen Schutzelement und zweitem Lagerring aufgebaut wird. Die beiden Kontaktbereiche sind elektrisch leitfähig ausgebildet. Zusammen mit den im Verbundwerkstoff befindlichen Kohlenstofffasern bilden die Kontaktbereiche einen elektrischen Pfad aus, über den elektrische Ströme fließen können. In der Regel bedient sich der Verwender Faserverbundscheiben, die aus vorgefertigten Halbzeug, zumeist Platinen, erzeugt, d.h. mechanisch oder durch Laserschneiden konfektioniert und anschließend endbearbeitet werden. Dies hat den Hintergrund, dass große Platinen einfach und kostengünstig gefertigt werden können. Die Kohlenstofffasern, zumeist als Gewebe vorliegend, sind dabei entweder in 0°, 45° oder 90°, oder einer Kombination, zur Platinenlängsachse ausgerichtet. In dem hier vorliegenden Sonderfall kommen ausgerichtete Kohlenstofffasern zum Einsatz, die im Verbundelement gleichmäßig zentrisch zum Mittelpunkt des Schutzelements ausgerichtet sind. Dies hat den Vorteil, dass eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit zu verzeichnen ist, da Kohlenstofffasern primär in Faserrichtung leitend sind und daraus folgend in der Anwendung der Stromdurchgang über beispielsweise im Lager befindliche Wälzkörper vermieden wird.The protective element according to the invention serves to protect a mechanical bearing from damage caused by electrical discharge, the protective element being able to be installed in the mechanical bearing. The protective element consists of a composite material. Composites are known to consist of two or more materials. The composite material from which the protective element is made is preferably a fiber composite material. Fiber composite materials are known to be a combination of particles or fibers embedded in another component, the matrix. The composite material of the protection element has carbon fibers. The protective element is designed as an elastic disc which has a first and a second contact area. The elastic disc includes the carbon fibers and is therefore electrically conductive. The first contact area is located at a first disk radius, radially or axially, and the second contact area is located radially, axially or obliquely at a second disk radius. The first contact area can be placed axially or radially directly on a first bearing ring, as a result of which contact is established between the protective element and the first bearing ring. The second contact area can be placed directly on a second bearing ring radially, axially or obliquely, as a result of which contact is established between the protective element and the second bearing ring. The two contact areas are designed to be electrically conductive. Together with the carbon fibers in the composite material, the contact areas form an electrical path through which electrical currents can flow. As a rule, the user uses fiber composite discs, which are produced from prefabricated semi-finished products, mostly blanks, i.e. are assembled mechanically or by laser cutting and then finished. The reason for this is that large circuit boards can be manufactured easily and inexpensively. The carbon fibers, mostly in the form of fabric, are aligned either at 0°, 45° or 90°, or a combination, to the longitudinal axis of the board. In the special case presented here, aligned carbon fibers are used, which are evenly aligned in the composite element centrally to the center of the protective element. This has the advantage that there is an increase in electrical conductivity, since carbon fibers are primarily conductive in the direction of the fibers and as a result, the passage of current through, for example, rolling elements in the bearing is avoided in the application.
Die Kontaktbereiche des Schutzelements sind vorzugsweise aus Kohlenstofffasern gebildet, damit die elektrische Leitfähigkeit sichergestellt ist. Alternativ bevorzugt bestehen die Kontaktbereiche aus einem anderen Material, welches elektrisch leitfähig ist. Die Kontaktbereiche sind bevorzugt polyamidfrei ausgebildet.The contact areas of the protective element are preferably made of carbon fibers to ensure electrical conductivity. Alternatively, the contact areas are preferably made of a different material that is electrically conductive. The contact areas are preferably formed without polyamide.
Die Matrix des Verbundwerkstoffs besteht bevorzugt aus einem Kunststoff. Besonders bevorzugt besteht die Matrix aus Polyamid. Alternativ bevorzugt besteht die Matrix aus PET, PPA, PPS, PEEK oder Polyimid.The matrix of the composite material preferably consists of a plastic. The matrix particularly preferably consists of polyamide. Alternatively the matrix preferably consists of PET, PPA, PPS, PEEK or polyimide.
In einer Ausführungsform besteht der Verbundwerkstoff aus einer Kunststoffmatrix mit eingebetteten Kohlenstofffasern sowie einem weiteren leitfähigen Füllstoff. Der Füllstoff ist bevorzugt ein Metall. Alternativ bevorzugt ist der Füllstoff ein Grafit. Der elektrisch leitfähige Füllstoff dient der Optimierung der Funktionalität der Stromableitung. Grafit bietet den Vorteil, dass es im Falle des Gleitkontakts aufgrund seiner Schichtstruktur eine verminderte Reibung aufweist. Ebenso wird durch den Verbundwerkstoff mit dem weiteren Füllstoff die thermische Leitfähigkeit erhöht, so dass bei auftretenden Reibungen die Wärme besser abgeführt werden kann.In one embodiment, the composite material consists of a plastic matrix with embedded carbon fibers and another conductive filler. The filler is preferably a metal. Alternatively preferably the filler is a graphite. The electrically conductive filler serves to optimize the functionality of the current dissipation. Graphite offers the advantage of reduced friction in the case of sliding contact due to its layered structure. Likewise, the thermal conductivity is increased by the composite material with the additional filler, so that the heat can be better dissipated when friction occurs.
Die Kohlenstofffasern (16) in dem nicht zur Bewegung vorgesehenen Kontaktbereich (11 oder 12) des Schutzelements sind freiliegend ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass besonders wenig Reibung zwischen der Kontaktfläche und der Scheibe auftritt, da in diesem Bereich eine erhöhte Elastizität, durch den Entfall des Matrixgewebes vorliegt. Um ggf. ein Ausfransen des Gewebes oder der Faseranordnung, sowie auch ein durch Bewegungsrichtungswechsel hervorgerufenes Abrechen der Faserspitzen, zu vermeiden, ist ein Schutz gegen Ausfransen sowie Verlust der Fasern und Faserspitzen vorgesehen. Dieser Schutz ist mittels konzentrischen Abnähens im freien Faserbereich realisiert. Dies stabilisiert die Fasern und realisiert einen Faserverbund durch Einbringen eines Garns oder Fadens, der sowohl aus Kohlefasern hergestellt sein kann, oder auch durch ein anderes leitendes oder nichtleitendes Material.The carbon fibers (16) in the contact area (11 or 12) of the protective element that is not intended for movement are designed to be exposed. This has the advantage that particularly little friction occurs between the contact surface and the pane, since there is increased elasticity in this area due to the absence of the matrix fabric. Protection against fraying and loss of the fibers and fiber tips is provided in order to avoid fraying of the fabric or the fiber arrangement, as well as breaking of the fiber tips caused by a change in the direction of movement. This protection is realized by means of concentric sewing in the free fiber area. This stabilizes the fibers and creates a fiber composite by inserting a yarn or thread, which can be made of carbon fibers or another conductive or non-conductive material.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Schutzelement (02) an einem den ersten Kontaktbereich (11) aufweisenden Radius einen dritten Kontaktbereich (13) aufweisen, der dem ersten Kontaktbereich (11) axial gegenüberliegt, wobei der dritte Kontaktbereich (13) an einem weiteren Bauteil (09) anlegbar ist. Desweiteren kann ein radial außenliegender Bereich (14) vorhanden sein.In a further embodiment, the protective element (02) can have a third contact area (13) on a radius having the first contact area (11), which is axially opposite the first contact area (11), the third contact area (13) being on a further component ( 09) can be applied. Furthermore, a radially outer area (14) can be present.
Die zugehörige Lageranordnung umfasst einen ersten Lagerring und einen zweiten Lagerring, wobei beide Lagerringe um eine gemeinsame Achse relativ zueinander rotierbar sind. Zwischen den Lagerringen sind Wälzkörper angeordnet. Weiterhin umfasst die Lageranordnung ein Schutzelement, welches dem zuvor beschriebenen Schutzelement entspricht. Das Schutzelement dient dem Schutz der Lagerringe und insbesondere der Wälzkörper vor Beschädigung durch elektrische Entladung. Der erste Kontaktbereich des Schutzelements liegt an dem ersten Lagerring an. Der zweite Kontaktbereich des Schutzelements liegt an dem zweiten Lagerring an. Vorzugsweise ist der erste Lagerring ein Außenring des Lagers und der zweite Lagerring ein Innenring des Lagers. Alternativ bevorzugt ist der erste Lagerring ein Innenring und der zweite Lagerring ein Außenring des Lagers.The associated bearing arrangement comprises a first bearing ring and a second bearing ring, both bearing rings being rotatable relative to one another about a common axis. Rolling elements are arranged between the bearing rings. Furthermore, the bearing assembly includes a protective element which corresponds to the protective element described above. The protective element serves to protect the bearing rings and in particular the rolling elements from damage caused by electrical discharge. The first contact area of the protective element bears against the first bearing ring. The second contact area of the protective element bears against the second bearing ring. Preferably, the first bearing ring is an outer ring of the bearing and the second bearing ring is an inner ring of the bearing. Alternatively, the first bearing ring is preferably an inner ring and the second bearing ring is an outer ring of the bearing.
Die Geometrie des Schutzelements, wie Größe oder Durchmesser, kann entsprechend des einzustellenden Übergangswiderstands sowie des geforderten Reibmoments angepasst werden.The geometry of the protective element, such as size or diameter, can be adjusted according to the contact resistance to be set and the required friction torque.
In einer Ausführungsform ist das Schutzelement zwischen dem ersten Lagerring und einem Gehäusebauteil o.ä. angeordnet bzw. eingespannt, wobei die erste Kontaktfläche an dem ersten Lagerring und die dritte Kontaktfläche an dem Gehäusebauteil anliegt.In one embodiment, the protective element is arranged or clamped between the first bearing ring and a housing component or the like, with the first contact surface bearing on the first bearing ring and the third contact surface on the housing component.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
-
1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lageranordnung mit Schutzelement, -
2 eine Vorderansicht des Schutzelements, -
3 eine Vorderansicht des Schutzelements in einer weiteren Ausführungsform.
-
1 a sectional view of a first embodiment of a bearing arrangement according to the invention with a protective element, -
2 a front view of the protective element, -
3 a front view of the protective element in a further embodiment.
Das Schutzelement 02 weist mehrere Kontaktbereiche auf, wobei ein erster Kontaktbereich 11 axial an dem Schutzelement ausgebildet ist und das Schutzelement mit diesem Kontaktbereich 11 an dem Außenlagerring 03 anliegt. Auf der gleichen axialen Seite des Schutzelements 02 weist dieses einen zweiten Kontaktbereich 12 auf, mit der das Schutzelement 02 an dem Innenlagerring 04 anliegt. Je nach Montagesituation kann der elektrische Kontakt zudem oder ausschließlich über einen axial außenliegender Kontaktbereich 14 erfolgen. Während des Betriebs des Lagers, gleitet der zweite Kontaktbereich 12 entlang des Innenlagerings 04. Dem ersten Kontaktbereich 11 liegt axial gegenüber ein dritter Kontaktbereich 13. Das Schutzelement 02 liegt mit dem dritten Kontaktbereich 13 an dem Gehäuse 09 an. Die Kontaktbereiche 11, 12, 13, 14 sind elektrisch leitfähig ausgebildet. Zusammen mit den im Verbundwerkstoff befindlichen Kohlenstofffasern bilden die Kontaktbereiche 12 und 11 und / oder 13 und / oder 14 einen elektrischen Pfad aus, über den elektrische Ströme fließen können. Das Schutzelement 02 dient somit dem Schutz des Lagers und insbesondere der Wälzkörper 06 vor elektrischen Entladungen. Ebenso schützt das Schutzelement 02 vor dem Eindringen von Verunreinigungen in das Lager. Die Kohlenstofffasern des Verbundelements sind gleichmäßig zentrisch zum Mittelpunkt des Schutzelements 02 ausgerichtet.The
BezugszeichenlisteReference List
- 0101
- Lageranordnungbearing arrangement
- 0202
- Schutzelementprotective element
- 0303
- Außenlagerringouter bearing ring
- 0404
- Innenlagerringinner bearing ring
- 0505
- --
- 0606
- Wälzkörperrolling elements
- 0707
- RingbahnRingbahn
- 0808
- Wälzkörperkäfigrolling element cage
- 0909
- GehäuseHousing
- 1010
- --
- 1111
- erster Kontaktbereichfirst contact area
- 1212
- zweiter Kontaktbereichsecond contact area
- 1313
- dritter Kontaktbereichthird contact area
- 1414
- vierter Kontaktbereichfourth contact area
- 1515
- Sticknahtembroidery seam
- 1616
- KohlenstofffaserCarbon fiber
- 1717
- Kunststoffmatrixplastic matrix
- 1818
- Kontaktflächecontact surface
Claims (3)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |