DE102022120711A1

DE102022120711A1 - Wälzlager

Info

Publication number: DE102022120711A1
Application number: DE102022120711.0A
Authority: DE
Inventors: Lukas Kuhn; Franz Voelkel
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-08-17
Filing date: 2022-08-17
Publication date: 2024-02-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein isoliertes Wälzlager, 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 am Außenring (2) eine Umfangsfläche (10) sowie zumindest auf der Umfangsfläche (10) eine direkt angebundene Isolierung (12) auf. Erfindungsgemäß weist das Wälzlager zudem einen Elastomerring (21) auf, der in eine dafür vorgesehene Nut (16) an der Umfangsfläche (10) eingebracht ist.

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 wird ein Wälzlager vorgeschlagen, dass einen Außenring, einen Innenring und dazwischen angeordnete, auf am Außen- und am Innenring vorgesehenen Laufbahnen wälzende Wälzkörper und zumindest auf der Umfangsfläche am Außenring eine direkt angebundene Isolierung aufweist. Zudem weist das Wälzlager einen Elastomerring auf, der in eine dafür vorgesehene Nut an der Umfangsfläche eingebracht ist.
Konstruktiv werden sowohl zusätzliche Prozessschritte, als auch weitere Bauteile im Bereich der Wälzlagertechnik sowie in der Anwendung auf Grund von Kosten sowie der Montage- und Anwendungsrisiken vermieden. Erstaunlicherweise hat sich jedoch gezeigt, dass es bei der Anwendung von Isolierlagern trotz der Tangentialkräfte der Einbausituation zum Wandern des Lagerrings in Umfangsrichtung relativ zur Gehäusebohrung kommen kann. Dieses Ringwandern kann dabei zu Tribo-Korrosion und gegebenenfalls Passungsrost führen. Damit verbunden ist zudem ein Verschleiß der Kontaktflächen in den mit der Außenfläche des Außenrings oder der Innenfläche des Innenrings in Verbindung stehenden Maschinenelement wie Gehäuse und Welle. Um das Ringwanderrisiko zwischen Lageraußenring und Gehäuse zu reduzieren, wird hier vorgeschlagen - auch wenn zusätzliche Prozess- und Montageschritte sowie zusätzliche Bauteile tunlichst vermieden werden sollten - einen Elastomerring, sprich einen Elastomer-Dichtring, in einer umlaufenden Nut der Außenringumfangsfläche, also der Manteloberfläche, vorzusehen. Der Elastomerring erhöht die Reibung zwischen Lageraußenring und Gehäuse und reduziert dadurch die Ringwander-Neigung.
Es ist denkbar, die Isolierung in jeglicher Form, beispielsweise als Tauchlackierung, als keramische Beschichtung oder als Duroplastbeschichtung auszuführen. Bevorzugt wird die Isolierung aus Duroplast vorgesehen, da dieser eine sehr gute Haftung sowie eine ideale Anformung in einem Spritzgießprozess ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Elastomerring in eine im Spritzgießprozess dafür ausgesparte an der Umfangsfläche eingebracht. Dies stellt eine kosteneffiziente Lösung dar, die in den Spritzgießprozess ideal integriert werden kann. Hierfür werden im Spritzgusswerkzeug radial auf die Außenmantelfläche abtuschierende Werkzeugkomponenten integriert, die ein vollständiges Umspritzen der Mantelfläche verhindern und die Nut bereits im Spritzgussprozess ausbilden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird die Nut in einem spangebenden Prozessschritt, der nachgeschaltet ist, eingebracht. Dies ist sowohl für Isolierschichten aus Duroplast, als auch für andere Schichtarten denkbar.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Wälzlager dadurch charakterisiert, dass die Nut sowohl in der direkt angebundenen Isolierung, als auch in dem metallischen Grundkörper des Außenrings, vorgesehen ist. Dies resultiert in einer besonders große Nuttiefe, die die Aufnahme großer Elastomerringe, d.h. mit einer großen radialen Erstreckung ermöglicht. Dies wirkt sich direkt auf die entstehenden Reibungskräfte zwischen Elastomerring und im Kontakt stehenden Maschinenelement aus.
Weiterhin bevorzugt ist in dem zuvor genannten Fall, sprich wenn die Nut auch im metallischen Grundkörper vorgesehen ist, die Nutwände auch mit einer Isolationsschicht zu überziehen. Hier kann auch ein zur restlichen Isolierung abweichender Isolierungswerkstoff, wie beispielsweise einer keramischen Schicht bei einer sonst vorgesehenen Duroplastbeschichtung der Umfangsfläche des Außenrings, zur Anwendung kommen. Demnach können hier jegliche Isolierungswerkstoffe und Arten in Kombination verwendet werden.
Um die Reibung zwischen dem Lager und dem Einbauraum, beispielsweise dem Gehäuse, weiter zu erhöhen können und den Sitz weiter zu verbessern, sind in einer weiteren bevorzugten Ausführung mehrere Elastomerringe in jeweils einer Nut am Lagerring vorgesehen.
Um einen idealen Lagersitz sicherzustellen, weist der Elastomerring im montierten Zustand einen größeren Außendurchmesser auf als die Umfangsfläche. Durch die Wahl des Außendurchmessers, in Kombination mit der Schnurstärke des Elastomerrings, kann die Haltekraft im Sitzbereich ideal eingestellt werden.
Es ist denkbar, dass der Elastomerring lediglich berührend an dem weiteren Maschinenelement, beispielsweise dem Gehäuse, anliegt. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird jedoch der Elastomerring derart verformt, dass er durch diese elastische Verformung eine Kraft auf das weitere, im Kontakt stehende, Maschinenelement ausübt. Somit wird der Elastomerring bei Montage des Lagers, beispielsweise in die Gehäusebohrung, derart verformt, dass er das Lager hierbei zum Gehäuse radial vorspannt, dass dadurch die Ringwander-Neigung reduziert wird. Es ist dabei darauf zu achten, dass die Nut derart ausgelegt ist, dass der Elastomerring nicht gequetscht oder anderweitig geschädigt wird. Dies kann in Anlehnung an die Vorgehensweise bei der Auslegung von gängigen Dichtringen erfolgen. Denkbar ist jedoch, mit geeigneten Montagevorrichtungen Elastomeringe einzubringen, die erheblich grö-ßeren Vorspannungen erzeugen.
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 zumindest auf der Umfangsfläche eine Isolierung auf, die direkt angebunden ist und ein Elastomerring in eine dafür vorgesehene Nut an der Umfangsfläche eingebracht ist. Der Elastomerring des beschriebenen Wälzlagers übt zur Vermeidung von Ringwandern eine Kraft auf ein weiteres Maschinenelement, beispielsweise das Gehäuse, respektive die Gehäusebohrung aus und erhöht so die Reibung.
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 einer elektrischen Maschine 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.
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 eine Einbausituation des Elastomerrings,
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 versehen sein, oder auch im Falle einer Anwendung mit Ölschmierung, wie in 1 dargestellt, ohne Dichtungen ausgeführt werden. Alternativ kann das Lager auch fettgefüllt und axial beidseits auch über Dichtungen geschlossen sein, wozu an den Ringen entsprechende Aufnahmen für die ringförmigen Dichtungen vorgesehen sein können. Die Umfangsfläche 10 des Außenrings 2 weist eine direkt angebundene Isolierung 12 auf. 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. Denkbar ist, die Isolierung als Beschichtungen, Lackierungen oder mittels Spritzgießen vorzusehen. Um eine ausreichende Haftung bei der Montage sowie axialer Bewegung, zum Beispiel einem Ringwandern im Betrieb, sicherzustellen kann die die Isolierung 12 die Stirnseiten 15, 17 im Sinne eines Formschlusses umschließen. Das Wälzlager 1 weist zudem einen Elastomerring 21 aufweist, der in eine dafür vorgesehene Nut 13 an der Umfangsfläche 10 eingebracht ist. Denkbar ist, die Nut 13 in einem Spritzgießprozess an der Umfangsfläche 10 einzubringen. Des weiteren ist denkbar, die Nut 13, 16 an der Umfangsfläche 10 mittels eines spangebenden
Prozessschritts eingebracht ist. 1 zeigt weiterhin, dass die Nut 13, 16 sowohl in der direkt angebundenen Isolierung 12, als auch im metallischen Grundkörper 18 des Außenrings 2, eingebracht sein kann. Die Nut 16 kann, sofern sie auch im metallischen Grundkörper 18 vorgesehen ist, kann auch mit einer Isolationsschicht überzogen sein. Wie aus 1 auch hervorgeht, ist es möglich, mehr als eine Nut 13, 16 an der Umfangsfläche 10 vorzusehen. Dabei können auch unterschiedliche Ausführungsformen kombiniert werden, um eine ideale Verbindung zu einem weiteren Maschinenelement zu gewährleisten.
2 stellt die Einbausituation des Elastomerrings 21, respektive des Lagers an seiner Umfangsfläche 10, in einer Lageranordnung mit einem weiteren Maschinenelement 14 dar. Auch hier ist die Nut 13, 16 an der Umfangsfläche 10 des Wälzlagers dargestellt. Der Elastomerring 21 weist hier einen größeren Durchmesser D2 auf als der Außendurchmesser der Umfangsfläche 10. Dadurch kann eine spezifische Vorspannung des Elastomerrings 21 erzeugt werden. Der Elastomerring 21 übt durch Verformung eine Kraft auf ein weiteres Maschinenelement 14 aus.
3 zeigt eine elektrische Maschine 22 umfassend einen Rotor 20, welcher mittels eines Wälzlagers 1, wie es aus der vorhergehenden Beschreibung bekannt ist, gegenüber einem Stator 19 der elektrischen Maschine 22 gelagert ist. 3 ist auch gut entnehmbar, dass der Rotor 20 einer elektrischen Maschine 22 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: -
7: Wälzkörper
8: Käfig
9: -
10: Umfangsfläche
11: -
12: direkt angebundene Isolierung
13: Nut
14: weiteres Maschinenelement
15: Stirnseite
16: Nut
17: Stirnseite
18: metallischer Grundkörper
19: Stator
20: Rotor
21: Elastomerring
22: elektrische Maschine
Z: Richtung zum Lagerzentrum

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

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 Umfangsfläche (10) aufweist und wobei der Außenring eine direkt angebundene Isolierung (12) zumindest auf der Umfangsfläche (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager einen Elastomerring (21) aufweist, der in eine dafür vorgesehene Nut (13, 16) an der Umfangsfläche (10) eingebracht ist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (12) aus Duroplast besteht.
Wälzlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (12) aus Duroplast im Spritzgießprozess auf die Umfangsfläche (10) aufgebracht ist und der Elastomerring (21) in eine im Spritzgießprozess dafür ausgesparte Nut (13, 16) an der Umfangsfläche (10) eingebracht ist.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (13, 16) an der Umfangsfläche (10) mittels eines spangebenden Prozessschritts eingebracht ist.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (16) sowohl in der direkt angebundenen Isolierung (12), als auch im metallischen Grundkörper (18) des Außenrings (2), eingebracht ist.
Wälzlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (16) im metallischen Grundkörper (18) mit einer Isolationsschicht überzogen ist.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (2) eine weitere Nut (13, 16) aufweist in die ein Elastomerring (21) eingebracht ist.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomerring (21) im montierten Zustand einen größeren Außendurchmesser aufweist als der Außendurchmesser der Umfangsfläche (10).
Wälzlageranordnung mit einem Wälzlager nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomerring (21) durch Verformung eine Kraft auf ein weiteres Maschinenelement (14) ausübt.
Elektrische Maschine (22) umfassend einen Rotor (20), welcher mittels eines Wälzlagers nach einem der Ansprüche 1 bis 8, drehbar gegenüber einem Stator (19) der elektrischen Maschine (18) gelagert ist.