DE102022125590A1 - Wälzlager und Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers - Google Patents

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Abstract

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) am Außenumfang oder der Innenring (4) am Innenumfang eine Isolierung (8) aus Duroplast (9) aufweist. Die Oberfläche des Außen- oder Innenrings (2, 4) weist im Kontaktbereich mit dem Duroplast (9) eine über den Umfang stetige Oberflächenstruktur mit einer Rautiefe (Rth) und einem Schneideckenradius (Rε) auf, die zusätzlich mit einer Schwingungsamplitude (A) überlagert 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 Beispiel 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 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 oder der Innenring am Innenumfang mit einer Isolierung aus einem Duroplast aufweist und dass die Oberfläche des Außen- oder Innenrings im Kontaktbereich mit dem Duroplast mit einer über den Umfang stetigen Oberflächenstruktur mit einer Rautiefe Rth und einem Schneideckenradius Rε versehen ist, die zusätzlich mit einer Schwingungsamplitude A überlagert ist. Bei Lagern werden nach Möglichkeit Bearbeitungsschritte minimiert, um ein möglichst kosteneffizientes Produkt zu erzeugen. Gerade bei beschichteten oder mit Kunststoff belegten Lagern wird der Ringrohling nur grob bearbeitet, da dieser im Anschluss noch mit einer Kunststoffschicht überzogen wird und die Endkontur über den Kunststoff eingestellt wird. Dahingegen wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung Gegensätzliches umgesetzt, nämlich eine Weiterbearbeitung der Ringoberfläche im Kontaktbereich mit dem Duroplast um eine möglichst geeignete Oberfläche hinsichtlich Haftung des Letzteren zu erzeugen. Erstaunlicherweise hat sich gezeigt, dass eine stetige Oberflächenstruktur, damit ist eine über den Umfang verlaufende Struktur wie etwa aus Drehprozessen resultierend, welche zusätzlich mit einer Schwingungsamplitude A überlagert ist, einen besonders hohen Haftungswert im Zusammenhang mit Duroplastbeschichtungen oder -umspritzungen erzeugt.
  • Die Isolierung des erfindungsgemäßen Wälzlagers besteht aus einem Duroplast, also einem Kunststoff, der entweder auf den Außenumfang des Außenrings oder auf den Innenumfang des Innenrings aufgebracht ist. Die Isolierung weist hinreichende elektrische Isolationseigenschaften auf, sodass darüber ein Stromdurchgang über das Wälzlager sicher verhindert werden kann. Als Duroplast kann beispielsweise ein Kunststoff basierend auf Polypropylen (PP), Polaymid (PA), Polypropylenstyrol (PPS), Poly-Ether-Ether-Keton oder ein geeignetes Harz verwendet werden, beispielsweise ein Epoxidharz oder ein Formaldehydharz respektive auf dieser Basis beruhende Materialien.
  • 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.
  • Es hat sich weiterhin als besonders geeignet herausgestellt, die Rautiefe Rth der Oberflächenstruktur folgend einer Funktion Rth=(f+A)/8Rε einzustellen. Dabei beschreibt f den Vorschub, Rth die Rautiefe und Rε den Schneideckenradius, die zusätzlich mit einer Schwingungsamplitude A überlagert ist.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Rautiefe Rth mindestens 28µm, was eine besonders gute Haftung bei effizienter Fertigung realisiert. Das Wälzlager weist somit nach der Fertigung einen idealen Formschluss zwischen Duroplast und metallischen Lagerring auf, wobei zwischen den beiden Elementen keine axiale und keine radiale Bewegung mehr möglich ist.
  • Bevorzugt kommt ein faserverstärkter Duroplast, insbesondere ein glasfaserverstärkter Duroplast zur Verwendung, um die mechanischen Eigenschaften der Isolierung einzustellen respektive an die Anforderungen anzupassen.
  • Um das vorgenannte Lager besonders geeignet und kosteneffizient herstellen zu können, wird vorgeschlagen, die Oberflächenstruktur des Innen- respektive des Außenrings mittels schwingungsüberlagerten Drehens zu erzeugen. Beim schwingungsüberlagerten Drehen wird die Oberflächenstruktur zusätzlich zum Drehprozess durch die Schwingungsamplitude beeinflusst und ändert sich zyklisch über den Drehwinkel. Des Weiteren ist es durch die Phasenlage möglich, ein nichtdurchgängiges gleichförmiges Rauheitsprofil wie bei konventionellen Drehprozessen zu erzeugen. Die Kunststoffmatrix fließt anschließend, etwa beim Spritzgießen, in diese Kontur. Nach dem Aushärten ist durch den Formschluss keine axiale und keine radiale Bewegung möglich.
  • Im Vergleich dazu entsteht beim konventionellen Drehprozess, verursacht durch den Vorschub, eine geometrisch bestimmbare und berechenbare Rautiefe. Nach dem Beschichten oder Umspritzen des Lagerrings mit Duroplast kann es dabei immer noch möglich sein, den Kunststoff ähnlich einer Gewindeverbindung aus dem Metallring zu drehen. Generell ist die Rautiefe abhängig vom Eckenradius und vom Vorschub. Um eine hohe Rautiefe zu erzeugen wird ein hoher Vorschub f benötigt in Verbindung mit einem kleinen Eckenradius. Ein kleiner Eckenradius ist jedoch bei einem hohen Vorschub beim konventionellen Drehprozess nicht umsetzbar, da dieser unweigerlich zu einer thermischen Überlastung durch Überhitzen sowie einer mechanischen Überlastung durch Werkzeugbruch führen würde. Somit ist die herstellbare Rautiefe beim konventionellen Drehprozess technisch begrenzt.
  • Wie zuvor festgestellt, ist grundsätzlich ein großer Vorschub wünschenswert. Das zuvor genannte Herstellverfahren hat hierbei besonders gute Resultate bei einem Vorschub von mindestens 0,3mm gezeigt.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Getriebe mit wenigstens einer Welle, wobei die Welle mit einem zuvor beschriebenen Wälzlager gelagert ist.
  • Im Weiteren wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine elektrische Maschine umfassend einen Rotor, welcher mittels eines zuvor beschriebenen Wälzlagers drehbar gegenüber einem Stator der elektrischen Maschine gelagert ist. Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
  • Der Rotor kann einen Rotorkörper und eine Rotorwelle umfassen. Unter einem Rotorkörper wird im Sinne der Erfindung der Rotor ohne Rotorwelle verstanden. Der Rotorkörper setzt sich demnach insbesondere zusammen aus dem Rotorblechpaket sowie den in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachten oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierten Magnetelementen sowie ggf. vorhandenen axialen Deckelteilen zum Verschließen der Taschen. Der Rotor kann bevorzugt eine Rotorwelle umfassen und einen oder mehrere drehfest auf der Rotorwelle angeordnete Rotorkörper. Die Rotorwelle kann hohl ausgeführt sein, was zum einen eine Gewichtsersparnis zur Folge hat und was zum anderen die Zufuhr von Schmier- oder Kühlmittel zum Rotorkörper erlaubt.
  • Die elektrische Maschine kann ferner einen hydraulischen Kühlkreislauf aufweisen. Besonders bevorzugt wird der hydraulische Kühlkreislauf mit einem fließfähigen Öl betrieben. Ganz besonders bevorzugt ist der, insbesondere geschlossene, hydraulische Kühlkreislauf so ausgebildet, dass das fließfähige Öl zur Schmierung einer erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung zur Lagerung des Rotors der elektrischen Maschine verwendet wird. Hierzu wird das Öl des hydraulischen Kühlkreislaufs bevorzugt durch das Wälzlager hindurchgeführt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Diese sollend erklärend die Merkmale verdeutlichen und nicht einschränkend wirken. Es ist jeweils denkbar, einzelne Merkmale sowohl in der Ausführung als auch in Bezug auf die Verwendung an Außenring oder Innenring oder in Kombination vorzusehen. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
    • 1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers einer ersten Ausführungsform, im Schnitt,
    • 2 eine Prinzipdarstellung des Wälzlagers in einer zweiten Ausführungsform, in einer geschnittenen Teilansicht,
    • 3 eine Darstellung der resultierenden Oberfläche eines Lagerrings in Umfangsrichtung,
    • 4 eine Darstellung der resultierenden Rautiefe der Oberfläche eines Lagerrings in Achsrichtung,
    • 5 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 mit einem Kranz umfassend eine Vielzahl von in einem Käfig 6 gehalterten Wälzkörpern 7, hier in Form von Kugeln, die auf den Laufbahnen 3, 5 wälzen. Bei dem Wälzlager 1 handelt es sich beispielsweise um ein Hochdrehzahllager, wie es beispielsweise für die Lagerung eines Rotors einer Elektromaschine zum Einsatz kommen kann. Ein solches Lager kann im Falle einer Anwendung mit Ölschmierung ohne Dichtungen ausgeführt werden, wie gezeigt. Alternativ könnte das Lager auch fettgefüllt und axial beidseits auch über Dichtungen geschlossen sein, wozu an den Ringen entsprechende Aufnahmen für die ringförmigen Dichtungen vorgesehen sein müssen.
  • Am Außenumfang des Außenrings 2 weist das Lager eine Isolierung 8 aus, gegebenenfalls mit Glasfasern verstärkten, Duroplast 9 auf. Die Oberfläche 10 des Außenrings 2 ist im Kontaktbereich mit dem Duroplast 9 mit einer über den Umfang stetigen Oberflächenstruktur mit einer Rautiefe Rth und einem Schneideckenradius Rε versehen ist, die zusätzlich mit einer Schwingungsamplitude A überlagert ist.
  • Die Dimensionen der Isolierung 8, sprich des Duroplasts 9 sind so bemessen, dass eine bestmögliche Stromisolation des Wälzlagers gegen einen Stromdurchgang gegeben ist, bei gleichzeitig möglichst geometrisch günstiger Fertigungsausführbarkeit des Duroplasts 9.
  • Bei dem Duroplast handelt es sich um ein solches mit hinreichender elektrischer Isoliereigenschaft. Es kann sich beispielsweise im Hinblick auf den thermischen Fügeprozess idealerweise um einen Kunststoff basierend auf Polypropylen (PP), Polaymid (PA), Polypropylenstyrol (PPS), Poly-Ether-Ether-Keton oder ein geeignetes Harz verwendet handeln, beispielsweise ein Epoxidharz oder ein Formaldehydharz oder Melamin-Formaldehydharz respektive auf dieser Basis beruhende Materialien. Der Duroplast ist bevorzugt faserverstärkt, wozu sich Glasfasern anbieten, aber auch Kohlenstofffasern.
  • 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Wälzlagers 1, wobei hierbei die Oberfläche 11 des Innenrings 4 im Kontaktbereich mit dem Duroplast 9 mit einer über den Umfang stetigen Oberflächenstruktur mit einer Rautiefe Rth und einem Schneideckenradius Rε versehen ist, die zusätzlich mit einer Schwingungsamplitude A überlagert ist.
  • 3 verdeutlich die resultierende Oberfläche eines Lagerrings in Umfangsrichtung, sprich in Rotationsrichtung s des Wälzlagers. Dabei wird deutlich, dass Werkzeugbahnen in zyklischen Bewegungen zur Rotationsrichtung variieren. Bevorzugt wird diese Oberfläche durch schwingungsüberlagertes Drehen erzeugt. Die Oberflächenstruktur wird zusätzlich durch die Schwingungsamplitude beeinflusst und ändert sich zyklisch über den Drehwinkel.
  • 4 verdeutlich die resultierende Rautiefe der Oberfläche eines Lagerrings in Achsrichtung in Abhängigkeit der Lager-Winkellage WL. Dabei kann die Rautiefe Rth mittels einer Funktion Rth=(f+A)/8Rε beschrieben werden, wobei f den Vorschub beziffert. Bevorzugt kann diese Ausprägung durch schwingungsüberlagertes Drehen erzeugt werden, wobei dadurch in idealer Weise die Oberflächenstruktur zusätzlich durch die Schwingungsamplitude beeinflusst werden kann, ohne den Vorschub einzuschränken und ein entsprechender Schneideckenradius ausgebildet werden kann.
  • 5 zeigt eine elektrische Maschine 14 umfassend einen Rotor 15, welcher mittels eines Wälzlagers 1, wie es aus der 1 bekannt ist, gegenüber einem Stator 17 der elektrischen Maschine 14 gelagert ist. 2 ist auch gut entnehmbar, dass der Rotor 15 einer elektrischen Maschine 14 eines Antriebsstrangs eines hybriden oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs von einem Wälzlager 1 gelagert ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wälzlager
    2
    Außenring
    3
    Laufbahn
    4
    Innenring
    5
    Laufbahn
    6
    Käfig
    7
    Wälzkörper
    8
    Isolierung
    9
    Duroplast
    10
    Oberfläche des Außenrings
    11
    Oberfläche des Innenrings
    12
    -
    13
    -
    14
    Elektrische Maschine
    15
    Rotor
    16
    Öl
    17
    Stator
    A
    Amplitude
    f
    Vorschub
    Rε
    Schneideckenradius
    Rth
    Rautiefe
    WL
    Lager-Winkellage

Claims (8)

  1. Wälzlager (1), 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) am Außenumfang oder der Innenring (4) am Innenumfang eine Isolierung (8) aus Duroplast (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (10, 11) des Außen- oder Innenrings (2, 4) im Kontaktbereich mit dem Duroplast (9) mit einer über den Umfang stetigen Oberflächenstruktur mit einer Rautiefe Rth und einem Schneideckenradius Rε versehen ist, die zusätzlich mit einer Schwingungsamplitude A überlagert ist.
  2. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rautiefe Rth mittels einer Funktion Rth=(f+A)/8Rε beschrieben werden kann, wobei f den Vorschub beschreibt.
  3. Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rautiefe Rth mindestens 28µm beträgt.
  4. Wälzlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (8) aus einem faserverstärkten, insbesondere glasfaserverstärkten Duroplast (9) besteht.
  5. Herstellverfahren für ein Wälzlager nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenstruktur mittels Schwingungsüberlagerten Drehens erzeugt wird.
  6. Herstellverfahren für ein Wälzlager nach Anspruch 5, wobei der Vorschub mindestens 0,3mm beträgt.
  7. Getriebe mit wenigstens einer Welle, wobei die Welle mit einem Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche gelagert ist.
  8. Elektrische Maschine umfassend einen Rotor, welcher mittels eine Wälzlagers nach einem der Ansprüche 1-4 drehbar gegenüber einem Stator der elektrischen Maschine gelagert ist.
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