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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung, insbesondere zur Lagerung eines Rotors einer elektrischen Maschine, umfassend ein Wälzlager mit einem Innenring und einem Außenring und zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordneten Wälzkörpern. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine.
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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 infolgedessen 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.
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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. Strom isolierte Wälzlager sind jedoch vergleichsweise teuer und werden daher nicht allzu häufig eingesetzt.
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Im Lichte des vorbekannten Standes der Technik ist es somit die Aufgabe der Erfindung, eine Wälzlageranordnung mit einem verbesserten Schutz vor schädlichen Lagerströmen bereitzustellen. Es ist insbesondere auch die Aufgabe der Erfindung, eine Wälzlageranordnung bereitzustellen, die auch für schnell drehende Wellen innerhalb einer Wälzlageranordnung geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wälzlageranordnung, insbesondere zur Lagerung eines Rotors einer elektrischen Maschine, umfassend ein Wälzlager mit einem Innenring und einem Außenring und zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordneten Wälzkörpern, wobei an dem Innenring oder Außenring ein in Axialrichtung federelastisch wirkendes und elektrisch leitfähiges Federelement angeordnet ist, wobei an dem Federelement ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement angeordnet ist, welches koaxial zum Innenring positioniert ist und das Kontaktelement eine mit dem Innenring verbundene Welle oder ein feststehendes Strukturbauteil axial federkraftbeaufschlagt kontaktiert.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine Wälzlageranordnung mit einem integrierten hohen Schutz vor schädlichen Lagerströmen realisiert werden kann. Durch die koaxiale Anordnung des Kontaktelements kann ebenfalls ein reibungsoptimierter Kontakt zwischen einem Lagerring und einer ableitenden Struktur bereitgestellt werden. Hierbei liegt dann das Kontaktelement beispielsweise im Bereich der Rotationsachse der drehenden Welle an dieser axial federkraftbeaufschlagt an, was für einen entsprechenden guten Kontakt bei minimaler Reibbelastung führt, da die Umfangsgeschwindigkeiten im Bereich der Rotationsachse der Welle entsprechend gering sind.
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Das Federelement kann insbesondere auch an dem Wälzlager vormontiert sein, was die entsprechende Montage des Wälzlagers vereinfacht.
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Es ist grundsätzlich denkbar, die Wälzlageranordnung in zwei verschiedenen Ausführungsvarianten auszubilden. In einer möglichen ersten Ausgestaltung der Wälzlageranordnung kontaktiert das Kontaktelement die Welle, in einer ebenfalls möglichen zweiten Ausgestaltung der Wälzlageranordnung kontaktiert das Kontaktelement eine feststehendes Strukturbauteil, wie beispielsweise ein Gehäuse.
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Die Welle kann sowohl als Vollwelle oder Hohlwelle ausgeführt werden.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Wälzlager können insbesondere dazu verwendet werden, Drehbewegungen mit möglichst geringen Reibungsverlusten zu ermöglichen. Wälzlager können insbesondere zur Fixierung und/oder Lagerung von Achsen und Wellen eingesetzt werden, 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.
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Hierzu sind zwischen einem Innenring und einem Außenring des Wälzlagers abrollende 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.
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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.
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Der Innenring kann einen Innenringeinstich aufweisen. In einem Innenringeinstich kann insbesondere eine Abdeckscheibe, Dichtscheibe und/oder Dichtung insbesondere kraft- und/oder formschlüssig angeordnet sein. Bevorzugt ist der Innenringeinstich als eine umlaufende Nut in dem Innenring ausgebildet.
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Der Außenring kann insbesondere die Wälzlager aufnehmende Lagerung mit dem Wälzlager bzw. den Wälzkörpern verbinden. Der Außenring kann aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, den Außenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
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Der Außenring kann einen Außenringeinstich aufweisen. In einem Außenringeinstich kann insbesondere eine Abdeckscheibe, Dichtscheibe und/oder Dichtung insbesondere kraft- und/oder formschlüssig angeordnet sein. Bevorzugt ist der Außenringeinstich als eine umlaufende Nut in dem Außenring ausgebildet.
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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.
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Rollenförmige Wälzkörper können beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der symmetrischen Pendelrollen, der asymmetrischen Pendelrollen, der Zylinderrollen, der Nadelrollen und/oder der Kegelrollen.
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Wälzkörper können in einem Käfig oder durch Wälzkörperdistanzstücke geführt und voneinander beabstandet sein. Es ist grundsätzlich auch denkbar, ein käfigloses Wälzlager auszubilden, welches auch als vollrolliges Wälzlager bezeichnet wird. Bei vollrolligen Wälzlagern können sich benachbarte Wälzkörper kontaktieren.
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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.
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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.
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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.
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Ein Wälzlager kann einen Käfig aufweisen, wobei der Käfig die Wälzkörper führt. Der Käfig so ausgebildet, dass die Wälzkörperkugeln und/oder die Wälzkörperrollen voneinander beabstandet werden, damit beispielsweise die Reibung und Wärmeentwicklung der Wälzkörper möglichst geringgehalten wird. Ferner hält der Käfig die Wälzkörperkugeln und/oder Wälzkörperrollen in einem festen Abstand beim Abwälzen zueinander, wodurch eine gleichmäßige Lastverteilung erzielt werden kann. Der Käfig kann einstückig oder mehrstückig ausgeführt sein.
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Ein Wälzlager kann eine Dichtung aufweisen, um ein Austreten von Schmiermittel aus dem Wälzlager oder ein Eintreten von Schmutz oder Feuchtigkeit in das Wälzlager zu verhindern. Hierzu können die eingesetzten Dichtungen mit einer oder mehreren Dichtlippen versehen sein, die an einem Bauteil des Wälzlagers anliegen können. Diese sind derart ausgelegt, dass sie zum einen möglichst über die gesamte Lebensdauer das Lager abdichten, andererseits die Reibung durch die anliegende Dichtung nicht zu hoch ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Kontaktelement aus Graphit, Carbon, einem Edelmetall gebildet ist und/oder eine Silberbeschichtung aufweist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass sich hiermit besonders gut leitende sowie abriebfeste Kontaktelemente ausformen lassen.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Federelement eine topfartige Aufnahme für ein zylinderförmiges Kontaktelement aufweist. Es kann hierdurch eine konstruktiv einfache wie auch sichere Aufnahme für das Kontaktelement bereitgestellt werden. Insbesondere kann hierdurch auch ein einfacher Austausch eines mechanisch abgeriebenen Kontaktelements erfolgen. Das Kontaktelement kann mittels einer Presspassung oder Verklebung in die topfartige Aufnahme eingesetzt sein. Grundsätzlich kann das Kontaktelement auch ohne eine topfartige Aufnahme an dem Federelement befestigt werden, beispielsweise durch eine stoffschlüssige Verbindung, wie beispielsweise eine Verklebung.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Federelement einen zylinderringartigen Grundkörper aufweist, welcher mit dem Innenring oder Außenring koppelbar ist und von dem aus sich in radialer Richtung wenigstens ein Federarm nach Innen in Richtung der Drehachse der Welle erstreckt. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass sich die axiale Federwirkung durch einen Federarm besonders gut einstellen lässt. Ferner kann durch die Verwendung von Federarmen eine gewichtsoptimierte Ausgestaltung eines Federelements realisiert werden.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass sich wenigstens zwei Federarme in radialer Richtung nach Innen in Richtung der Drehachse der Welle erstrecken, was die Einstellbarkeit und auch die sichere Führung des Kontaktelements durch die Federarme weiter optimiert.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Federelement aus einem Federblech gestanzt ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, ihre fertigungstechnisch besonders günstige Ausführung.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Welle als Hohlwelle ausgeführt ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Wälzlageranordnung gewichtsoptimiert ausgeführt werden kann. Ferner kann durch die Hohlwelle ein Schmierstoff geleitet werden, was hinsichtlich der Schmierung des Wälzlagers Vorteile mit sich bringen kann.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass das Federelement in einem Innenringfreistich des Innenrings oder einem Außenringfreistich des Außenrings gehalten ist. Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt, ist, dass das Federelement so auf einfache und sichere Weise an einem Lagerring fixiert werden kann. Die Fixierung kann insbesondere formschlüssig ausgeführt sein.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass das Wälzlager an einem stirnseitigen Ende der Welle positioniert ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass das Federelement im Wesentlichen in einer radialen Ebene zum Wälzlager verlaufen kann, wodurch sich axial sehr kompakt bauende Wälzlageranordnungen realisieren lassen.
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Die Aufgabe der Erfindung kann ferner gelöst werden durch eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator und einen relativ dazu drehbar gelagerten Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor mittels einer Wälzlageranordnung nach einem der Ansprüche 1-9 gelagert ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang in einer schematischen Blockschaltansicht,
- 2 eine elektrische Maschine mit zwei Wälzlageranordnungen zur Lagerung des Rotors in einer schematischen Axialschnittdarstellung,
- 3 eine erste Ausführungsform einer Wälzlageranordnung in einer schematischen Axialschnittansicht,
- 4 eine erste Ausführungsform einer Wälzlageranordnung in einer schematischen perspektivischen Axialschnittansicht,
- 5 eine erste Ausführungsform einer Wälzlageranordnung in einer Frontalansicht,
- 6 eine zweite Ausführungsform einer Wälzlageranordnung in einer schematischen Axialschnittansicht,
- 7 eine zweite Ausführungsform einer Wälzlageranordnung in einer Frontalansicht,
- 8 eine Detaildarstellung eines Wälzlagers mit Federelement in einer schematischen Axialschnittansicht.
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Die Erfindung wird anhand des Anwendungsfalls in einer elektrische Maschine 3 für einen Antriebsstrang 21 eines Kraftfahrzeugs 22 erläutert, wie er auch in der 1 skizziert ist.
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Aus der 2 ist zu erkennen, dass die elektrische Maschine 3 dabei einen Stator 23 und einen relativ dazu drehbar gelagerten Rotor 24 umfasst und dieser mittels zweier Wälzlageranordnungen 1 gelagert ist. In der 2 sind zwei mögliche Ausführungsvarianten der Wälzlageranordnungen 1 gezeigt, die nachfolgend näher erläutert werden.
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Gemeinsam ist den beiden Ausführungen von Wälzlageranordnungen 1 zunächst aber, dass sie jeweils ein Wälzlager 2 mit einem Innenring 4 und einem Außenring 5 und zwischen dem Innenring 4 und dem Außenring 5 angeordneten Wälzkörpern 6 besitzen. Die Wälzlager 2 sind jeweils an einem stirnseitigen Ende der Welle 9 positioniert.
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In der rechten Ausführungsvariante der Wälzlageranordnung 1 ist an dem Innenring 4 ein in Axialrichtung federelastisch wirkendes und elektrisch leitfähiges Federelement 7 angeordnet, wobei an dem Federelement 7 ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement 8 angeordnet ist, welches koaxial zum Innenring 4 positioniert ist und das Kontaktelement 8 ein feststehendes Strukturbauteil 10 axial federkraftbeaufschlagt kontaktiert.
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In der linken Ausführungsvariante der Wälzlageranordnung 1 ist das in Axialrichtung federelastisch wirkende und elektrisch leitfähige Federelement 7 an dem Außenring 5 angeordnet, wobei an dem Federelement 7 auch hier das elektrisch leitfähige Kontaktelement 8 angeordnet ist, welches koaxial zum Innenring 4 positioniert ist und das Kontaktelement 8 in dieser Ausführungsvariante jedoch eine mit dem Innenring 4 verbundene Welle 9 axial federkraftbeaufschlagt kontaktiert.
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Die 3-5 zeigen Detailansichten der linken Ausführungsvariante einer Wälzlageranordnung 1 aus der 2 während die 6-7 die rechte Ausführungsvariante einer Wälzlageranordnung, wie sie aus der 2 bekannt ist, in Detaildarstellungen wiedergibt.
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In der Ausführungsform der Wälzlageranordnung 1, die in den 3-5 zu sehen ist, wurde auf den Innenring 4 ein aus einem federnden Blech geformtes, scheibenartiges Federelement 7 aufgepresst, das axial beabstandet zum Wälzlager 2 bis zur Drehachse 14 der Welle 9 reicht.
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Koaxial zu der Drehachse 14 ist in dem Federelement 7 das Kontaktelement 8 aus leitfähigem Material, wie z.B. Graphit oder Carbon oder Edelmetall angeordnet. Das Federelement 7 übt in axialer Richtung eine definierte Vorspannung auf das Kontaktelement 8 aus, das das Strukturbauteil 10, beispielsweise ein Gehäuse kontaktiert und so die Stromleitung zwischen dem Innenring 4 und dem Strukturbauteil 10 ermöglicht. Die Welle 9 ist hierbei als Hohlwelle ausgeführt, so dass das Federelement 7 axial in die Hohlwelle eingreifen kann, was zu axial besonders kompakt bauenden Wälzlageranordnungen 1 führen kann.
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Man erkennt anhand der 6-7, dass in der gezeigten Ausführungsform der Wälzlageranordnung 1 in den Außenring 5 ein aus einem federnden Blech geformtes, scheibenartiges Federelement 7 eingepresst ist, das axial von dem Wälzlager 2 beabstandet bis zur Drehachse 14 der Welle 9 reicht. Koaxial zu der Drehachse 14 ist in dem Federelement 7 das Kontaktelement 8 aus leitfähigem Material, wie z.B. Graphit oder Carbon oder Edelmetall angeordnet.
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Das Federelement 7 übt in axialer Richtung eine definierte Vorspannung auf das Kontaktelement 8 aus, welches die Welle 9 koaxial zur Drehachse 14 kontaktiert und so die Stromleitung zwischen der Welle 9 und dem Außenring 5 ermöglicht. Abweichend von den gezeigten Ausführungsformen ist es natürlich auch denkbar, dass Federelement 7 und das Kontaktelement 8 einstückig, insbesondere auch monolithisch ausgeformt sind. Hierbei würde dann das Federelement 7 einen direkten Kontaktbereich mit der Welle 9 bereitstellen. Das einstückig mit dem Federelement 7 ausgebildete Kontaktelement 8 kann in einem solchen Fall beschichtet ausgeführt sein.
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Abweichend von der in der 6 gezeigten Ausführungsvariante kann es auch vorgesehen sein, dass die Welle 9, nicht wie in der 6 gezeigt als Vollwelle, sondern als Hohlwelle ausgebildet ist, wobei dann in der Hohlwelle eine topfartige Hülse angeordnet ist, an deren Hülsenboden dann das Kontaktelement 8 anliegt. Die Hülse kann insbesondere auch beschichtet sein, beispielsweise mit Silber.
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In den gezeigten Ausführungsformen der Wälzlageranordnungen 1 besitzt das Federelement 7 eine topfartige Aufnahme 11 für ein zylinderförmiges Kontaktelement 8. Das Federelement 7 verfügt des Weiteren über einen zylinderringartigen Grundkörper 12, welcher mit dem Innenring 4 oder Außenring 5 koppelbar ist und von dem aus sich in radialer Richtung wenigstens ein Federarm 13 nach Innen in Richtung der Drehachse 14 der Welle 9 erstreckt. In den gezeigten Ausführungsvarianten wurde das Federelement 7 aus einem Federblech gestanzt.
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Anhand der 8 lässt sich nachvollziehen, dass das Federelement 7 in einem Innenringfreistich 15 des Innenrings 4 oder einem Außenringfreistich 16 des Außenrings 5 gehalten sein kann. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel der 8 ist das Federelement 7 über seinen ringartigen Grundkörper 12 in dem Außenringfreistich 16 eingesetzt.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlageranordnung
- 2
- Wälzlager
- 3
- elektrischen Maschine
- 4
- Innenring
- 5
- Außenring
- 6
- Wälzkörpern
- 7
- Federelement
- 8
- Kontaktelement
- 9
- Welle
- 10
- Strukturbauteil
- 11
- Aufnahme
- 12
- Grundkörper
- 13
- Federarm
- 14
- Drehachse
- 15
- Innenringfreistich
- 16
- Außenringfreistich
- 21
- Antriebsstrang
- 22
- Kraftfahrzeug
- 23
- Stator
- 24
- Rotor
