DE102021210211A1

DE102021210211A1 - Kontaktierungsring zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen

Info

Publication number: DE102021210211A1
Application number: DE102021210211.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Meinerz; Michael Griesbach
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-09-15
Filing date: 2021-09-15
Publication date: 2023-03-16
Also published as: WO2023041468A1

Abstract

Es wird ein Kontaktierungsring (1) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) vorgeschlagen, welcher mehrere elektrisch leitfähige, lose angeordnete Kontaktkörper (2) aufweist, die axial betrachtet zwischen zwei parallel zueinander angeordneten elektrisch leitenden Ringscheiben (3, 4) und radial betrachtet zwischen der zu kontaktierenden Welle (5) und einer als vorgespannte Spiralfeder ausgeführten Umfangsfeder (6) angeordnet sind, wobei die Kontaktkörper (2) mittels der vorgespannten Spiralfeder (6) über den gesamten Wellenumfang radial gegen die rotierende Wellenoberfläche gedrückt werden, so dass zwischen der zu kontaktierenden Welle (5), der Umfangsfeder (6) und den beiden Ringscheiben (3, 4) ein umlaufendes Kontaktkörper-Reservoir gebildet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktierungsring zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen, insbesondere an rotierenden Wellen eines Getriebes eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, zur Erdung bzw. zum elektrischen Potenzialausgleich bei rotierenden Wellen Kontaktierungsvorrichtungen zu verwenden, um Stromschäden von Wälzlagern abzuwenden und/oder um die EMV-Abstrahlung eines Produkts zu verringern. Hierbei ist eine möglichst niedrige Impedanz der Kontaktierungsvorrichtungen über die gesamte Lebensdauer hinweg von entscheidender Bedeutung. Bekannte Kontaktierungsvorrichtungen benötigen viel Bauraum und besitzen oft eine zu geringe Lebensdauer, d.h. die Impedanz wird im Laufe der Zeit unzulässig groß.
Aus der DE 199 45 492 A1 ist eine Vorrichtung zur kontaktierenden Übertragung elektrischer Signale bzw. Energie mittels Wälzkörper bekannt, bestehend aus einem ersten und einem zweiten gegeneinander rotatorisch oder translatorisch bewegbaren Teil sowie Wälzkörpern in axialer, vertikaler oder in schräger Richtung zwischen den beiden Teilen, wobei die Wälzkörper gezielt so dimensioniert sind, dass sie nicht gleichzeitig mit beiden Teilen in Kontakt treten können.
Aus der US 2018/0047547 A1 ist ein Schleifring mit einem leitenden Rotor, der um eine Drehachse drehbar ist, mit einem leitenden koaxial zum Rotor angeordneten Stator, einer leitenden Kugel, die zwischen dem Rotor und dem Stator angeordnet ist, um einen elektrischen Pfad zwischen dem Rotor und dem Stator zu bilden und mit einer leitenden Schraubenfeder, welche zwischen der Kugel und entweder dem Rotor oder dem Stator vorgesehen ist und sich in einer Umfangsrichtung in Bezug auf die auf die Drehachse erstreckt, um in Kontakt mit der Kugel und entweder dem Rotor oder dem Stator in Kontakt zu stehen.
Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, zur Erdung bzw. zum elektrischen Potenzialausgleich bei rotierenden Wellen mechanisch vorgespannte und elektrisch leitfähige Einzelkontakte zu verwenden, welche die rotierende Welle berühren. In nachteiliger Weise weisen derartige Kontaktierungsvorrichtungen eine mangelhafte Verschleißfestigkeit, d.h. die Impedanz überschreitet vor Erreichen der erforderlichen Laufleistung bereits den maximal zulässigen Wert von 10 Ohm.
Ferner sind Erdungsringe bekannt, umfassend leitfähige Pinselhaare aus Kohlefasern wobei die Pinselborsten in Richtung des Wellenzentrums weisen und über die rotierende Welle streifen. Auch in diesem Fall erweist dich die Verschleißfestigkeit als mangelhaft, da die Pinselhaare stark verschleißen und sich vor Erreichen der geforderten Laufleistung so stark einkürzen, dass sie die Welle nur noch unzureichend elektrisch kontaktieren, was die Impedanz um einen Faktor vom ca. 100 erhöht.
Des Weiteren ist bekannt, zur Erdung bzw. zum elektrischen Potenzialausgleich bei rotierenden Wellen federvorgespannte Kontaktkohlefasern zu verwenden; in nachteiliger Weise sind mehrere Kontakte erforderlich, damit eine konstant niedrigimpedante elektrische Kontaktierung erzielt werden kann, da die Kontakte von der rotierenden Welle durch Unrundheit der Welle, Vibrationen etc. abheben; zudem ist der erforderliche Bauraum groß.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kontaktierungsring zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Demnach wird ein Kontaktierungsring zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen vorgeschlagen, welcher mehrere elektrisch leitfähige, lose angeordnete Kontaktkörper aufweist, die axial betrachtet zwischen zwei parallel zueinander angeordneten elektrisch leitenden Ringscheiben und radial betrachtet zwischen der zu kontaktierenden Welle und einer als vorgespannte Spiralfeder ausgeführten Umfangsfeder angeordnet sind, wobei die Kontaktkörper mittels der vorgespannten Spiralfeder über den gesamten Wellenumfang radial gegen die rotierende Wellenoberfläche gedrückt werden, so dass zwischen der zu kontaktierenden Welle, der Umfangsfeder und den beiden parallelen Ringscheiben ein umlaufendes Kontaktkörper-Reservoir gebildet wird. Die Umfangsfeder ist vorzugsweise aus Metall hergestellt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die maximale Ausdehnung der Kontaktkörper um zumindest den Faktor 2 kleiner als die Differenz zwischen dem Innendurchmesser der Ringscheiben und dem Innendurchmesser der Umfangsfeder, so dass bei einem erfindungsgemäßen Kontaktierungsring ohne Verschleiß radial betrachtet zumindest zwei Kontaktkörperschichten vorgesehen sind.
Die Kontaktkörper können kugelförmig ausgeführt sein; beispielsweise können die Kontaktkörper als Bronzekugeln ausgeführt sein. Ferner können die Kontaktkörper als zylindrische Scheiben, beispielsweise aus Bronze ausgeführt sein, wobei durch diese Ausgestaltung insbesondere die Packungsdichte weiter erhöht wird, so dass in vorteilhafter Weise eine noch kompaktere Bauform ermöglicht wird.
Die beiden Ringscheiben sind mindestens an ihrem Innendurchmesser und zur Erhöhung der Stabilität und zum Schutz vor Verschmutzung optional auch an ihrem Außendurchmesser miteinander verbunden und werden dadurch parallel zueinander auf Distanz gehalten. Hierbei ist vorgesehen, dass die Verbindung der beiden Ringscheiben an ihrem Innendurchmesser mittels einzelner Stege erfolgt, deren Abstand zueinander groß genug gewählt ist, dass die Kontaktkörper hindurchpassen, um die Welle zu berühren.
Des Weiteren ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung der umlaufende Spalt zwischen der Wellenoberfläche und dem Innendurchmesser der Ringscheiben derart bemessen, dass keine Kontaktkörper entweichen können und dass der durch den Verschleiß entstehende Abrieb entweichen kann.
Wenn die einzelnen Kontaktkörper verschleißen, rücken bedingt durch die Kraft der Umfangsfeder weitere Kontaktkörper aus dem Reservoir zum Kontaktieren der Welle nach. Würde jemals der gesamte Vorrat an Kontaktkörpern durch Verschleiß verbraucht, so verhindern die der Verbindung der beiden Ringscheiben an ihrem Innendurchmesser dienenden Stege dass die Umfangsfeder selbst mit der umlaufenden Welle in Berührung kommt, was zu einer Beschädigung der Wellenoberfläche führen kann.
Die Stege am Innendurchmesser des Kontaktierungsrings dienen zudem in vorteilhafter Weise auch als Verdrehsicherung, damit die losen Kontaktkörper nicht gemeinsam mit der Welle umlaufen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Konzeption besteht darin, dass ein nicht perfekter Rundlauf der Welle ausgeglichen wird, da sich immer mehrere Kontaktkörper über den gesamten Wellenumfang verteilt in Kontakt mit der Welle befinden.
Der Strompfad zum elektrischen Potenzialausgleich verläuft über alle im Kontaktierungsring existierenden Berührpunkte zwischen den Kontaktkörpern bis hin zu den Ringscheiben, wobei die weitere Kontaktierung über die beiden Ringscheiben nach außen, z.B. an ein Gehäuse erfolgt.
Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird zudem ein Kontaktierungsring mit einer sehr kompakten Bauform geschaffen, wobei der zur Verfügung stehende Bauraum optimal genutzt wird.
Durch die vorgespannte Umfangsfeder wird eine Radialkraft zum Wellenzentrum hin erzeugt, wodurch die Kontaktkörper automatisch nachgeführt werden, so dass die Kontaktfläche kontinuierlich erneuert wird, was die Lebensdauer signifikant erhöht. Das Kontaktkörperreservoir ist je nach Anwendung in seiner Größe skalierbar, sodass unterschiedlich viele Kontaktkörper mitgeführt werden können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert, wobei lediglich die Merkmale detailliert beschrieben werden, die für die vorliegende Erfindung von Bedeutung sind. Es zeigen:

1: Eine schematische Seitenschnittansicht einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kontaktierungsringes; und
2: Eine Schnittansicht entlang der Linie A-A aus 1.

In 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßer Kontaktierungsring 1 dargestellt. Er umfasst mehrere elektrisch leitfähige, lose angeordnete Kontaktkörper 2, die axial betrachtet zwischen zwei parallel zueinander angeordneten elektrisch leidenden Ringscheiben 3, 4 und radial betrachtet zwischen der zu kontaktierenden Welle 5 und einer als vorgespannte Spiralfeder ausgeführten Umfangsfeder 6 angeordnet sind.
Die Kontaktkörper 2, die als Bronzekugeln oder als zylindrische Scheiben ausgeführt sind, werden mittels der vorgespannten Umfangsfeder 6 über den gesamten Wellenumfang radial gegen die rotierende Wellenoberfläche gedrückt, so dass zwischen der zu kontaktierenden Welle 5, der Umfangsfeder 6 und den beiden parallelen Ringscheiben 3, 4 ein umlaufendes Kontaktkörper-Reservoir gebildet wird. Demnach weist der Kontaktierungsring ein Gehäuse auf, welches durch die beiden Ringscheiben 3, 4 und die Umfangsfeder gebildet ist, in dem die Kontaktkörper 2 angeordnet sind.
Die maximale Ausdehnung der Kontaktkörper 2 ist um zumindest den Faktor 2 kleiner als der Abstand zwischen dem Innendurchmesser der Ringscheiben 3, 4 und dem Innendurchmesser der Umfangsfeder 6, so dass bei einem Kontaktierungsring 1 ohne Verschleiß radial betrachtet zumindest zwei Kontaktkörperschichten vorgesehen sind. Bei dem gezeigten Beispiel sind radial betrachtet zwei bis drei Kontaktkörperschichten vorgesehen.
Gemäß der Erfindung und bezugnehmend auf 2 sind die beiden Ringscheiben 3, 4 an ihrem Innendurchmesser miteinander verbunden, wobei die Verbindung der beiden Ringscheiben 3, 4 an ihrem Innendurchmesser mittels einzelner Stege 7 erfolgt, deren Abstand zueinander derart gewählt ist, dass die Kontaktkörper 2 hindurchpassen, um die Welle 5 zu berühren. Vorzugsweise sind die Stege 7 äquidistant zueinander angeordnet.
Im Rahmen weiterer Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass die beiden Ringscheiben 3, 4 durch geeignete Mittel auch an ihrem Außendurchmesser miteinander verbunden sind, wodurch die Stabilität erhöht wird.
Bezugnehmend auf 2 ist bei dem gezeigten Beispiel der umlaufende Spalt 8 zwischen der Wellenoberfläche und dem Innendurchmesser der Ringscheiben 3, 4 derart bemessen, dass keine Kontaktkörper 2 entweichen können und dass der durch den Verschleiß der Kontaktkörper 2 entstehende Abrieb entweichen kann.
Bezugszeichenliste

1: Kontaktierungsring
2: Kontaktkörper
3: Ringscheibe
4: Ringscheibe
5: Welle
6: Umfangsfeder
7: Steg
8: Spalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19945492 A1 [0003]
US 20180047547 A1 [0004]

Claims

Kontaktierungsring (1) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere elektrisch leitfähige, lose angeordnete Kontaktkörper (2) aufweist, die axial betrachtet zwischen zwei parallel zueinander angeordneten elektrisch leitenden Ringscheiben (3, 4) und radial betrachtet zwischen der zu kontaktierenden Welle (5) und einer als vorgespannte Spiralfeder ausgeführten Umfangsfeder (6) angeordnet sind, wobei die Kontaktkörper (2) mittels der vorgespannten Spiralfeder (6) über den gesamten Wellenumfang radial gegen die rotierende Wellenoberfläche gedrückt werden, so dass zwischen der zu kontaktierenden Welle (5), der Umfangsfeder (6) und den beiden Ringscheiben (3, 4) ein umlaufendes Kontaktkörper-Reservoir gebildet wird.
Kontaktierungsring (1) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringscheiben (3, 4) an ihrem Innendurchmesser miteinander verbunden sind, wobei die Verbindung der beiden Ringscheiben (3, 4) an ihrem Innendurchmesser mittels einzelner Stege (7) erfolgt, deren Abstand zueinander derart gewählt ist, dass die Kontaktkörper (2) hindurchpassen, um die Welle (5) zu berühren.
Kontaktierungsring (1) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringscheiben (3, 4) auch an ihrem Außendurchmesser miteinander verbunden sind
Kontaktierungsring (1) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Ausdehnung der Kontaktkörper (2) um zumindest den Faktor 2 kleiner als der Abstand zwischen dem Innendurchmesser der Ringscheiben (3, 4) und dem Innendurchmesser der Umfangsfeder (6), so dass bei einem Kontaktierungsring (1) ohne Verschleiß radial betrachtet zumindest zwei Kontaktkörperschichten vorgesehen sind.
Kontaktierungsring (1) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein umlaufender Spalt (8) zwischen der Wellenoberfläche und dem Innendurchmesser der Ringscheiben (3, 4) derart bemessen ist, dass keine Kontaktkörper (2) entweichen können und dass der durch den Verschleiß entstehende Abrieb entweichen kann.
Kontaktierungsring (1) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktkörper (2) kugelförmig ausgeführt sind.
Kontaktierungsring (1) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktkörper (2) als Bronzekugeln ausgeführt sind.
Kontaktierungsring (1) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktkörper als zylindrische Scheiben ausgeführt sind.
Kontaktierungsring (1) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsfeder (6) aus Metall hergestellt ist.