-
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. Zwischen dem Innenring und dem Außenring ist ein stromleitendes Element angeordnet ist, welches den Innenring mit dem Außenring stromleitend verbindet. Das stromleitende Element ist als Ringscheibe ausgebildet und drehfest mit dem Innenring oder dem Außenring über einen elastomeren Sitz verbunden. Der elastomere Sitz ist dabei so zu verstehen, dass das stromleitende Element im Bereich des Kontakts mit dem Innenring oder dem Außenring zumindest eine elastomere Beschichtung oder einen elastomeren Bereich, ähnlich einer Dichtung, aufweist. Am Sitz findet dabei keine Relativbewegung zwischen dem elastomeren Element und dem Innen- oder Außenring statt. Der Einstich des Lagers selbst ist dahingehend metallisch ausgeführt. Desweiteren weist das stromleitende Element eine metallische Armierung sowie eine leitfähige Scheibe auf, die Kohlenstofffasern umfasst und drehfest mit dem Innen- oder Außenring verbunden ist. 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.
Des Weiteren weist das stromleitende Element über seinen Umfang verteilt, voneinander beabstandete Öldurchflußöffnungen auf. Bei elektrischen Maschinen können Lager auch im Schmierstofffluss liegen. Dieser Schmierstofffluß ist notwendig um das Gesamtsystem zu Kühlen. Somit soll das stromleitende Element dem Schmierstoff möglichst wenig Widerstand entgegenbringen. Hierbei kommen in der Regel Stromleitungselemente, wie beispielsweise punktuelle Schleifkontakte zum Einsatz. Dementgegen wird hier, aus konstruktiver Sicht eher abwegig, erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein, zumindest am Sitz mit Elastomer versehenes, scheibenförmiges Leitelement ins System einzubringen. Um trotz allem einen ausreichenden Schmierstofffluß sicherzustellen, sind an dem scheibenförmigen Leitelement über seinen Umfang verteilt, voneinander beabstandete Öldurchflußöffnungen vorgesehen.
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.
-
In einer bevorzugten Ausführung der Wälzlageranordnung sind die Öldurchflußöffnungen kreisförmig oder oval ausgebildet. Dies stellt hinsichtlich des Öldurchflusses einen Vorteil gegenüber zufällig entstehenden Spalten oder Öffnungen dar, da in diesem Fall in keinem Bereich des Lagers der Schmierstff aufgestaut wird. Um den Ölfluß besonders homogen zu gestalten, können die Öldurchflußöffnungen über den Umfang im Wesentlichen gleich beabstandet ausgeführt werden. Das heißt, sie ermöglichen in jedem, dadurch entstehenden, Kreissegment den gleichen Öldurchfluß.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die leitfähige Scheibe der Wälzlageranordnung als Fleece oder Gewebe ausgebildet. Das heißt, sie kann selbst aus Fleece, Gewebe oder einer vergleichbaren Matrix aufgebaut sein oder auf einen Tragkörper aufgebracht sein. Dabei ist im Rahmen der Erfindung unter Kohlenstofffasern auch ein Fleece oder Gewebe zu verstehen. Dieses kann entweder direkt an der Armierung befestigt oder angebunden sein, oder auf einem weiteren elastomeren Grundkörper.
-
Damit ist es weiterhin vorteilhaft, wenn das stromleitende Element der Wälzlageranordnung einen Grundkörper in Form einer Dichtung aufweist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass auch bei Öldurchfluß die leitfähige Scheibe weiterhin am Innenring anliegt und nicht druckbeding im gewünschten elektrischen Kontaktbereich abhebt. Dabei ist denkbar, sowohl eine Dichtlippe als auch einen minimalen Spalt zwischen der Dichtung und dem Innenring, wie beispielsweise einer Deckscheibe, vorzusehen. Weitergehend kann die Dichtung in Form eines Labyrinths ausgeführt sein.
-
In einer weiteren Ausführungsform kann die leitfähige Scheibe des stromleitenden Elements mit dem Grundkörper oder der Armierung stoffschlüssig verbunden sein. Somit kann die leitfähige Scheibe beispielsweise an die Dichtung geklebt oder anvulkanisiert sein.
-
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass sich die leitfähige Scheibe im eingebauten Zustand des stromleitenden Elements über die Dichtung, respektive den Tragkörper hinaus erstreckt. Damit überlappt die leitfähige Scheibe den Innenring und/oder den Außenring, um eine verbesserte Stromleitung sicherzustellen.
-
Es ist auch denkbar, dass das stromleitende Element aus einem in eine Elastomermatrix eingebetteten elektrisch leitfähigen Fasergewebe besteht. Dies hat den Vorteil, dass die Fasern, in jeglicher Form, vor äußeren Einflüssen geschützt sind.
-
Figurenliste
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutern. 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 schematische Vorderansicht des stromleitenden Elements
- 3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung in einer schematischen Querschnittsansicht
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
-
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 Au-ßenring 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 mit einem elastomeren Sitz 10 ausgebildet, die in 1 drehfest mit dem Außenring 4 verbunden ist und den Innenring 3 mit dem Außenring 4 stromleitend verbindet. Das stromleitende Element kann jedoch ergänzend zu 1 auch mit einem elastomeren Sitz am Innenring 3 ausgebildet sein. Das stromleitende Element 9 weist des Weiteren eine metallische Armierung 11 sowie eine leitfähige Scheibe 12 auf, wobei die leitfähige Scheibe 12 Kohlenstofffasern umfasst und wobei das freie, sich relativ zum Innenring 3 oder Außenring 4 bewegende Ende 13 des stromleitenden Elements 9 den Innenring 3 oder Außenring 4 mittels der leitfähige Scheibe 12 kontaktiert. Die leitfähige Scheibe kann dabei sowohl, wie in 1 dargestellt, vom Lagerinneren her gesehen axial außenliegend angeordnet sein, als auch axial innenliegend. Das stromleitende Element 9 weist zudem über seinen Umfang verteilt, voneinander beabstandete Öldurchflußöffnungen 14 auf.
-
2 zeigt eine schematische Vorderansicht des stromleitenden Elements 9, wobei die über den Umfang verteilten, voneinander beabstandete Öldurchflußöffnungen 14 ersichtlich sind.
-
3 zeigt die aus 1 bekannte Wälzlageranordnung 1, wobei in dieser Ausführungsform das stromleitende Element 9 einen Grundkörper in Form einer Dichtung 15 aufweist. Die leitfähige Scheibe 12 kann dabei mit der Dichtung 15 oder der Armierung 11 stoffschlüssig, z.B. durch Kleben oder Anvulkanisieren verbunden sein. Der Öldurchfluß wird auch dabei durch die Öldurchflußöffnungen 14 realisiert. Weiterhin ist aus 3 ersichtlich, dass sich die leitfähige Scheibe 12 im eingebauten Zustand des stromleitenden Elements 9 über die Dichtung 15 hinaus erstrecken kann.
-
4 zeigt eine elektrische Maschine 18 umfassend einen Rotor 20, welcher mittels einer Wälzlageranordnung 1, wie es aus der vorhergehenden Beschreibung bekannt ist, gegenüber einem Stator 19 der elektrischen Maschine 18 gelagert ist. 4 ist auch gut entnehmbar, dass der Rotor 20 einer elektrischen Maschine 18 eines Antriebsstrangs eines hybriden oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, nicht dargestellt, mittels einer Wälzlageranordnung 1 gelagert ist. Der Ölzufluss kann dabei sowohl zwischen der Wellenlagerung erfolgen, als auch von einer Seite durch beide Lagerstellen in gleicher Flussrichtung.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wälzlageranordnung
- 2
- Wälzlager
- 3
- Innenring
- 4
- Außenring
- 5
- Wälzkörpern
- 6
- Käfig
- 7
- Innenringlaufbahn
- 8
- Außenringlaufbahn
- 9
- stromleitendes Element
- 10
- elastomerer Sitz
- 11
- metallische Armierung
- 12
- leitfähige Scheibe
- 13
- Ende des stromleitenden Elements
- 14
- Öldurchflußöffnung
- 15
- Dichtung
- 18
- elektrische Maschine
- 19
- Stator
- 20
- Rotor
