DE102022106489A1

DE102022106489A1 - Wälzlager

Info

Publication number: DE102022106489A1
Application number: DE102022106489.1A
Authority: DE
Inventors: Matthias Behr
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-03-21
Filing date: 2022-03-21
Publication date: 2023-09-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein isoliertes Wälzlager, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines isolierten Wälzlagers, welches einen Außenring (2), einen Innenring (4) und dazwischen angeordnete, auf am Außen- und am Innenring (2, 4) vorgesehenen Laufbahnen (3, 5) wälzende Wälzkörper (7) umfasst. Das Lager weist erfindungsgemäß am Außenumfang der Außenring (2) eine direkt angebundene Isolierung (12) aus Duroplast auf. Die Isolierung (12) bildet einen Formschluss (13) in Richtung des Lagerzentrums (Z) aus und weist eine über den Umfang verlaufende mittige Teilung (14) auf, die die Isolierung (12) komplett unterbricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, umfassend einen Außenring, einen Innenring und dazwischen angeordnete, auf am Außen- und am Innenring vorgesehenen Laufbahnen wälzende Wälzkörper.
Derartige Wälzlager kommen in den unterschiedlichsten Bereichen zur Anwendung. Ein Bespiel ist der Einsatz in Elektromotoren, die ebenfalls in unterschiedlichsten Fällen zur Anwendung kommen, zunehmend beispielsweise im Automobilbereich als Antriebe für einen teilelektrischen oder vollelektrischen Fahrbetrieb. Unter anderem werden Wälzlager zur Drehlagerung des Rotors eingesetzt, der zumeist mit hoher Drehzahl rotiert, weshalb üblicherweise Hochdrehzahllager eingesetzt werden, sogenannte High-Speed-Motor-Bearings (HSMB). Beim Betrieb von Elektromotoren kann es mitunter zu Lagerschäden aufgrund eines Stromflusses über das Wälzlager kommen. Ein solcher Stromdurchgang resultiert beispielsweise aus Zirkularströmen im Elektromotor. Resultierend aus dem Stromdurchgang kann es zu Blitzentladungen innerhalb des Wälzlagers kommen, die Schäden an den Laufbahnen, auf denen die Wälzkörper, bei denen es sich um Kugeln oder Rollen oder ähnliches handeln kann, wälzen, kommen kann. Im Extremfall können die Schäden derart gravierend sein, dass es zu einem Lagerausfall kommt. Um einen Stromdurchgang zu vermeiden, ist es bekannt, das Wälzlager quasi mit einer Isolationsebene, wie in der JP3705219B2 auszurüsten, sodass aufgrund dieser elektrischen Isolierung kein Stromdurchgang möglich ist. Bekannt ist es, die Wälzlager als Keramikkörper, zumeist Keramikkugeln, auszuführen, das heißt, dass die Wälzkörper selbst die Isolationsebene bilden. Alternativ ist es auch bekannt, einen der Ringe mit einer Oxidkeramikschicht zu belegen, die ebenfalls isolierend wirkt. Diese Lagerausführungen sind jedoch in der Herstellung sehr aufwendig und teuer.
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Wälzlager anzugeben.
Zur Lösung dieses Problems ist ein Wälzlager eingangs genannter Art dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring am Außenumfang eine direkt angebundene Isolierung aus Duroplast aufweist, wobei die Isolierung einen Formschluss in Richtung des Lagerzentrums ausbildet und die Isolierung eine über den Umfang verlaufende mittige Teilung aufweist, die die Isolierung komplett unterbricht. Bei, aus dem Stand der Technik bekannten, Lagern wird die Isolierschicht über den gesamten Umfang des Außenrings sowie über die Seitenwange des Außenrings ausgebildet. Dies hat vor allem den Vorteil, eine Schälung der Isolationsschicht bei der Montage, sowie ein Ablösen zu vermeiden. Des Weiteren hat dies den Vorteil, eine einfache fertigungstechnische Umsetzung realisieren zu können. Entgegen dieser bekannten Ausbildung, wird, obwohl montage- und fertigungstechnisch ungünstig, die Isolationsschicht über den Umfang geteilt. Dies macht im Gegenzug ein Ausweichen des Duroplasts in den Zwischenraum - bei hohen Druckkräften oder -verformung möglich.
Bei dem erfindungsgemäßen Wälzlager kommt eine aus einem Duroplast, also einem Kunststoff, gebildete Isolierung zum Einsatz, die auf Teilbereiche des Außenumfang des Außenrings aufgebracht, vorzugsweise aufgespritzt ist. Diese Isolierschicht weist hinreichende elektrische Isolationseigenschaften auf, sodass über sie ein Stromdurchgang über das Wälzlager sicher verhindert werden kann. Als Duroplast kann ein geeignetes Harz verwendet werden, beispielsweise ein Epoxidharz oder ein Formaldehydharz respektive auf dieser Basis beruhende Materialien.
Um bei der Montage sowie im Betrieb eine exakte Position des Lagers gewährleisten zu können, kann das Lager, auch wenn fertigungstechnisch aufwändig und bedingt durch das Abschälrisiko der Isolierung eher ungünstig, mit einer Stirnfläche des Außenrings axial abschließen. Dies kann sich auch bei der Herstellung eines solchen Lagerrings zu Nutze gemacht werden. In einer bevorzugten Ausführung bildet die Isolierung dabei einen Formschluss aus. Dieser Formschluss umschließt idealerweise den gesamten Umfang in dem Sinne, dass er eine geschlossene, ringförmige Kontur ausbildet.
Denkbar ist es, den zuvor genannten Formschluss der Isolierung am axialen äußeren Umfang des Außenrings auszubilden. Dabei muss zwar zuvor ein weiterer mechanischer Bearbeitungsschritt des Außenrings vorgesehen werden, jedoch ermöglicht dies ein verbessertes Verhalten im Hinblick auf die Schälung der Isolierung bei der Montage.
Weiterhin ist es zweckmäßig, in Richtung der mittigen Teilung jeweils eine weitere umlaufende Ringnut, die mit der Isolierschicht gefüllt ist, vorzusehen. Die Isolierschicht greift demzufolge in die Ringnut ein, worüber sie zusätzlich an dem jeweiligen Lagerring verankert wird, einerseits dadurch, dass die Grenzfläche zwischen Ring und Isolierschicht vergrößert wird, andererseits dadurch, dass ein formschlüssiger Verbund gegeben ist.
Weiterhin kann die Isolierung so ausgebildet sein, dass sie an einer Lagerseite, bezogen auf die mittige Teilung am Umfang, den Außenring an seiner axial äußeren Seite an der Stirnfläche umschließt, das heißt in Ihrer Materialstärke über den Außenring übersteht, und an der in Bezug auf die Teilung gegenüberliegenden axial äußeren Seite mit dem Außenring bündig abschließt. Dies hat den Vorteil, dass eine aufwändige mechanische Bearbeitung des Außenrings zur Gewährleistung der Positionsgenauigkeit bei der Montage lediglich auf einer Seite stattfinden muss. Vorteilhafterweise wird der Formschluss dabei mittels einer im Außenring bereitgestellten zylindrischen Materialrücknahme realisiert.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Außenrings mit einer direkt angebundenen Isolierung für ein Wälzlager der vorstehend beschriebenen Art. Demgemäß wird auf den Außenumfang des Außenrings eine Isolierung aus einem, gegebenenfalls faserverstärkten, Duroplast aufgebracht, insbesondere aufgespritzt. Unter Verwendung eines faserverstärkten Duroplasts, insbesondere eines glasfaserverstärkter Duroplasts, können die mechanischen Eigenschaften der Isolierschicht respektive an die Anforderungen angepasst werden. Dieser kann auf einfache Weise mit einem geeigneten Spritzwerkzeug appliziert werden und gegebenenfalls nach Aushärten entsprechend bearbeitet werden.
Die über den Umfang verlaufende Teilung kann durch entsprechende ringförmige Distanzstücke erzeugt werden, die die Isolierung mittig komplett unterbrechen. Des Weiteren ist es denkbar, die Isolierung aus Duroplast mechanisch durch Drehen und Schleifen in Endkontur zu bearbeiten.
Es wird weiterhin eine Lageranordnung vorgeschlagen, welche zur Integration in eine elektrische Antriebsanordnung für ein Fahrzeug ausgebildet ist. Die Lageranordnung weist dabei ein Wälzlager der zuvor beschriebenen Art auf. Das Wälzlager selbst ist zweckmäßigerweise ein Hochdrehzahllager, wie es in Elektromotoren verwendet wird. Es kann sich aber auch um ein Standardlager handeln, da es in einem stromkritischen Bereich eingesetzt wird, aber niedrigeren Drehzahlen ausgesetzt ist. Das Wälzlager umfasst einen Außenring, einen Innenring und dazwischen angeordnete, auf am Au-ßen- und am Innenring vorgesehenen Laufbahnen wälzende Wälzkörper. Der Außenring weist eine direkt angebundene Isolierung aus Duroplast auf, wobei die Isolierung einen Formschluss in Richtung des Lagerzentrums ausbildet. Des Weiteren weist die Isolierung eine über den Umfang verlaufende mittige Teilung auf, die die Isolierung komplett unterbricht.
Neben dem Wälzlager selbst betrifft die Erfindung die Verwendung eines Wälzlagers der vorstehend beschriebenen Art. Ein solches Wälzlager kann bevorzugt als Lager eines rotierenden Bauteils eines Elektromotors, insbesondere als Rotorlager verwendet werden. In diesem Fall dient es als Hochdrehzahllager bzw. HSMB-Lager. Aber auch ein anderweitiger Einsatz wie die Verwendung als Lager eines rotierenden Bauteils eines Getriebes ist denkbar.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Isolierschicht belegten Außen- oder Innenrings für ein Wälzlager der vorstehend beschriebenen Art. Demgemäß wird auf den Außenumfang des Außenrings oder den Innenumfang des Innenrings eine Isolierschicht aus einem, gegebenenfalls faserverstärkten, Duroplast aufgebracht, insbesondere aufgespritzt, die oberflächlich zur Einstellung der Rundheit des Außen- oder Innenrings sowie eines vorbestimmten Durchmessers des Außen- oder Innenrings durch Schleifen mechanisch bearbeitet wird. Bevorzugt erfolgt der Verfahrensablauf zur Herstellung eines verbesserten isolierten Lagerrings, nachfolgend in Bezug auf einen Außenring näher erläutert, mit einer direkt angebundenen Isolierung wie folgt. Zunächst wird eine Stirnfläche mechanische Bearbeitung. Dabei wird sowohl ggf. eine zylindrische Materialrücknahme in den Lagerring eingebracht, als auch die Stirnfläche, welche im späteren Einsatz die ausreichende Positionsgenauigkeit gewährleisten muss, mechanisch bearbeitet, beispielsweise geschliffen. Die mechanische Bearbeitung der Stirnfläche erfolgt im Sinne des Verfahrens an der Stirnfläche, an der die Isolierung axial abschließt. Dies hat den Vorteil, dass durch die Aussparung der Isolierung in einem Teilbereich der Stirnfläche ein weitere Verfahrensschritt einer mechanische Endbearbeitung der Stirnfläche nach der Umspritzung mit Duroplast entfallen kann.
Im Anschluss erfolgt die mechanische Bearbeitung der Mantelfläche des Außenrings. Im nächsten Verfahrensschritt wird der Außenrings mit Duroplast umspritzt. Der letzte Verfahrensschritt besteht aus der mechanischen Bearbeitung der Duroplastschicht, wobei für eine ausreichende Positionsgenauigkeit ausschließlich die Mantelfläche bearbeitet werden muss.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung eines Wälzlagers im Schnitt,
2 den Verfahrensablauf zur Herstellung eines verbesserten, isolierten Lagerrings,
3 eine elektrische Maschine mit einer Wälzlageranordnung in einer schematischen Axialschnittansicht.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Wälzlager 1, umfassend einen Außenring 2 mit einer Laufbahn 3 sowie einen Innenring 4 mit einer Laufbahn 5, sowie auf den Laufbahnen wälzende Wälzkörper 7. Die Wälzkörper 7 können von einem Käfig 8 gehalten oder geführt werden. Bei dem Wälzlager 1 kann es sich beispielsweise um ein Hochdrehzahllager handeln, wie es beispielsweise für die Lagerung eines Rotors einer Elektromaschine zum Einsatz kommen kann. Ein solches Lager kann mit einer Dichtung 9 versehen sein, oder auch im Falle einer Anwendung mit Ölschmierung ohne Dichtungen ausgeführt werden. Alternativ kann das Lager auch fettgefüllt und axial beidseits auch über Dichtungen 9 geschlossen sein, wozu an den Ringen entsprechende Aufnahmen für die ringförmigen Dichtungen vorgesehen sind. Der Außenring 2 weist eine axiale äußere Seite 10, 11 auf. Des Weiteren weist der Außenring eine direkt angebundene Isolierung 12 aus Duroplast aufweist. Diese ist in dem Sinne direkt angebunden, dass sie in einem Fertigungsverfahren direkt auf den Außenring 2 aufgebracht ist, demnach nicht als lose Hülse angefügt ist. Um eine ausreichende Haftung bei der Montage sowie axialer Bewegung, zum Beispiel einem Ringwandern im Betrieb, sicherzustellen bildet die Isolierung 12 einen Formschluss 13 in Richtung des Lagerzentrums Z aus. Die Isolierung 12 weist eine über den Umfang verlaufende mittige Teilung 14 auf, die die Isolierung 12 komplett unterbricht. Somit liegt im Bereich der Teilung 14 kein Duroplast vor und die dadurch entstehenden zwei Teile der Isolierung sind an dieser Stelle komplett stofflich voneinander getrennt. In 1 schließt die Isolierung 12 mit einer Stirnfläche 15 des Außenring 2 ab, was hinsichtlich der Montage, sowie der Positionierung des Lagers Vorteile aufweist. Um eine möglichst gute und gleichmäßige Haftung der Isolierung 12 sicherzustellen, kann der Formschluss 13 der Isolierung 12 wie in 1 dargestellt eine geschlossene, ringförmige Kontur ausbilden. Das bedeutet, dass der Formschluss 13 nicht aus einzelnen Segmenten oder Teilen besteht, sondern einen vom Lagerzentrum gleich beanstandeten Abschluss in radialer Richtung ausbildet. 1 zeigt jeweils eine weitere umlaufende Ringnut im Außenring axial in Richtung der mittigen Teilung, die mit dem Duroplast gefüllt ist, was damit einen weiteren Formschluss 13 der Isolierung 12 realisiert. Weiterhin ist ersichtlich, dass die Isolierung 12 an einer axial äußeren Seite 11 des Au-ßenring 2 diesen an der Stirnfläche 17 umschließt und an der in Bezug auf die Teilung gegenüberliegenden axial äußeren Seite 11 mit dem Außenring 2 bündig abschließt. An der axial äußeren Seite 11 ist in 1 der Formschluss 13 durch eine im Außenring 2 bereitgestellten zylindrische Materialrücknahme 16 realisiert.
2 zeigt schematisch einen Verfahrensablauf zur Herstellung eines verbessertem isolierten Lagerrings mit einer direkt angebundenen Isolierung 12 aus Duroplast für ein Wälzlager 1, bei dem die Isolierung mit der Stirnfläche 15 bündig abschließt. Das Verfahren besteht aus den Schritten

1) mechanische Bearbeitung einer Stirnfläche 15
2) mechanische Bearbeitung der Mantelfläche des Außenrings
3) Umspritzen des Außenrings mit Duroplast
4) mechanische Bearbeitung der Duroplastschicht ausschließlich der Mantelfläche.

Die mechanische Bearbeitung der Stirnfläche erfolgt im Sinne des Verfahrens an der Stirnfläche, an der die Isolierung axial abschließt. Dies hat den Vorteil, dass durch die Aussparung der Isolierung in einem Teilbereich der Stirnfläche ein weitere Verfahrensschritt einer mechanische Endbearbeitung der Stirnfläche nach der Umspritzung mit Duroplast entfallen kann.
3 zeigt eine elektrische Maschine 18 umfassend einen Rotor 20, welcher mittels eines Wälzlagers 1, wie es aus der vorhergehenden Beschreibung bekannt ist, gegenüber einem Stator 19 der elektrischen Maschine 18 gelagert ist. 2 ist auch gut entnehmbar, dass der Rotor 20 einer elektrischen Maschine 18 eines Antriebsstrangs eines hybriden oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, nicht dargestellt, von einem Wälzlager 1 gelagert ist.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: Außenring
3: Laufbahn
4: Innenring
5: Laufbahn
6: Ringnut
7: Wälzkörper
8: Käfig
9: Dichtung
10: axiale äußere Seite
11: axiale äußere Seite
12: Isolierung
13: Formschluss
14: Teilung
15: Stirnfläche
16: zylindrische Materialrücknahme
17: Stirnfläche
18: elektrische Maschine
19: Stator
20: Rotor
21: Mantelfläche
Z: Richtung zum Lagerzentrum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 3705219 B2 [0002]

Claims

Wälzlager, umfassend einen Außenring (2), einen Innenring (4) und dazwischen angeordnete, auf am Außen- und am Innenring (2, 4) vorgesehenen Laufbahnen (3, 5) wälzende Wälzkörper (7), wobei der Außenring (2) eine axiale äußere Seite (10, 11) aufweist und wobei der Außenring eine direkt angebundene Isolierung (12) aus Duroplast aufweist, wobei die Isolierung (12) einen Formschluss (13) in Richtung des Lagerzentrums (Z) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (12) eine über den Umfang verlaufende mittige Teilung (14) aufweist, die die Isolierung (12) komplett unterbricht.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (12) mit einer Stirnfläche (15) des Außenrings axial abschließt.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formschluss (13) der Isolierung eine geschlossene, ringförmige Kontur ausbildet.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (2) in Richtung der mittigen Teilung jeweils eine weitere umlaufende Ringnut (6), die mit dem Duroplast gefüllt ist, aufweist.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formschluss (13) der Isolierung (12) an der Stirnfläche des Außenrings (2) ausbildet ist.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (12) den Außenring (2) an einer Stirnfläche (17) diesen umschließt und an der in Bezug auf die Teilung gegenüberliegenden Stirnfläche (15) mit dem Außenring (2) bündig abschließt.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formschluss (13) durch eine im Außenring (2) bereitgestellten zylindrischen Materialrücknahme (16) realisiert ist.
Verfahren zur Herstellung eines Außenrings (2) mit einer direkt angebundenen Isolierung (12) aus Duroplast für ein Wälzlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Außenumfang des Außenrings (2) eine Isolierschicht (12) aus einem Duroplast aufgebracht, insbesondere aufgespritzt wird und eine über den Umfang verlaufende Teilung (14) erzeugt wird, die die Isolierung (12) komplett unterbricht.
Verfahren zur Herstellung eines Außenrings (2) mit einer direkt angebundenen Isolierung (12) aus Duroplast für ein Wälzlager (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, mit den Verfahrensschritten - mechanische Bearbeitung einer Stirnfläche (15) - mechanische Bearbeitung der Mantelfläche des Außenrings - Umspritzen des Außenrings mit Duroplast - mechanische Bearbeitung ausschließlich der Duroplastschicht der Mantelfläche (21).
Elektrische Maschine (18) umfassend einen Rotor (20), welcher mittels eines Wälzlagers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, oder hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 8 oder 9, drehbar gegenüber einem Stator (19) der elektrischen Maschine (18) gelagert ist.