DE1941309A1

DE1941309A1 - Elektrischer Rollkontakt in Form eines Waelzlagers

Info

Publication number: DE1941309A1
Application number: DE19691941309
Authority: DE
Inventors: Schreffler Robert Z
Original assignee: Electric Conductor Bearings Inc
Current assignee: Electric Conductor Bearings Inc
Priority date: 1968-08-14
Filing date: 1969-08-14
Publication date: 1970-02-19
Also published as: US3581267A; FR2015674A1; GB1258463A

Description

Der Patentanwalt Dipl-Ing. W. Beyer FRANKFURT/MAIN FREIHERR-VOM-STEIN-STRASSE i$

Electric Conductor Bearings Inc, 1941309

Richmond Street
Chester/ Virginia / USA

Patenten meldung

Priorität der US Patentanmeldung No. 752 666 vom

14-, August 1968

Elektrischer Rollkontakt in Form eines Wälzlagers

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Rollkontakt in Form eines Wälzlagers mit einem feststehenden äusseren und einem von einer Welle getragenen inneren Laufring sowie dazwischen angeordneten Wälzkörpern.

Das Problem, elektrischen Strom auf ein rotierendes Element zu übertragen, besteht schon seit langem. Dieses Problem tritt auf in Verbindung mit einer grossen Anzahl elektrischer Maschinen, Geräte und Apparate, wie z.B. bei Motoren, Generatoren, rotierenden elektrischen Signalen und Leuchtfeuern, Radareinrichtungen u. dgl.

Zur Überleitung von elektrischem Strom auf rotierende Bauteile ist es seit langem bekannt, mit Schleifringen und Bürsten zu arbeiten. Es wurde aber auch bereits ein elektrischer Rollkontakt in Form eines Wälzlagers vorgeschlagen, der mit einem feststehenden äusseren und einem von einer

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Welle getragene» inneren Laufring sowie dazwischen angeordneten Wälzkörpern versehen ist. Zur Vervollständigung des Stromkreises sind dabei Anschlußleitungen an den äusseren und inneren Laufringen angebracht. Während der Drehung der Welle wird der elektrische Stromkreis über die Wälzkörper geschlossen, die eine elektrische Verbindung zwischen dem feststehenden äusseren Laufring und dem von der Welle getragenen inneren Laufring herstellen. Ein solcher Rollkontakt weist eine Anzahl von Vorteilen im Vergleich mit herkömmlichen Bürsten-Schleifring-Kontakten auf, zu denen auch eine Verminderung der Betriebskosten sowie der zur Überholung erforderlichen Stillstandszeiten zählen.

Wälzlager, die zur übertragung elektrischer Ströme verwendet werden, unterliegen dem Verschleiß und nutzen sich, insbesondere dann, wenn geringfügige Fluchtungsfehler zwischen den Laufringen vorhanden sind oder die Welle den inneren Laufring exzentrisch trägt, ungleichmässig ab. Ein derartiger Verschleiß führt zu einer Verschlechterung des von dem Wälzlager gebildeten elektrischen Kontaktes, die die Funktionsfähigkeit des gesamten elektrischen Systems beeinträchtigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, derartige Verschleißerscheinungen zu vermeiden oder zumindest weitestgehend herabzudrücken. Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Wälzkörper aus mehreren einzelnen Rundkörpern bestehen, von denen mindestens ein Rundkörper ein drehbares federndes Kontaktglied zwischen den Laufringen bildet.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der das federnde Kontaktglied bildende Rundkörper von einer Metallfeder gebildet, die vorzugsweise eine zylindrische

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Schraubenfeder,ist, deren Längsachse parallel zur Wellenachse gerichtet ist. Eine solche Metallfeder läßt sich in Querrichtung zusammendrücken und ist somit in der Lage, Fluchtungsfehler zwischen den Laufringen untereinander oder mit der Welle durch entsprechende Formänderung auszugleichen.

Nach einem anderen Ausbildungsmerkmal der Erfindung ist die Metallfeder von einem porösen nachgiebigen Stützglied durchsetzt, und dieses bildet vorzugsweise einen Speicher für ein zwischen die Laufringe eingebrachtes, zumindest zähflüssiges elektrisch leitendes Schmiermittel.

Nach einem besonderen Ausbildungsmerkmal der Erfindung sind bei einer Anordnung mit mindestens zwei elektrischen Rollkontakten diese auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, und die inneren Laufringe sind auf der sie durchsetzenden Welle elektrisch isoliert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 in auseinandergezogener Darstellung eine ·

bevorzugte Ausführungsform des erfindungs- . gemässen Rollkontaktes in seinem grundsätzlichen Aufbau,

Fig. 2 in perspektivischer Darstellung zwei Rollkontakte nach der Erfindung zur Hin-und Rückleitung von elektrischem Strom zu - einem rotierenden Glied,

Fig. 3 in vergrößerter und auseinandergezogener

Darstellung- einen Wälzkörper zur Verwendung in einem Rollkontakt nach Fig. 1 und 2 und

Fig. 4 eine-Darstellung ähnlich Fig. 3 von einer

abgeänderten Ausführungsform des Wälzkörpers.

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In den Figuren «I und 2 ist ein in seiner Gesamtheit mit B bezeichneter elektrischer Rollkontakt gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Rollkontakt B weist einen geteilten äusseren Laufring 10 auf, der aus einem oberen Halbring 10a und einem unteren Halbring 10b besteht. Die Teilungsflächen 11 und 12 des unteren Halbringes 10b haben konkave bzw. konvexe V-Form und legen sich gegen entsprechend umgekehrt geformte Teilungsflächen 13 und 14 des oberen Halbringes 10a an. Die Halbringe 10a und 10b werden durch elastische O-Ringe 15 und 16 zusammengehalten, die in Ausnehmungen einschnap-

P pen, welche von Nuten an der Oberfläche eines Jeden Halbringes 10a,10b gebildet sind. Die Nuten umfassen vier Paare von vertikalen Nuten 19 und 20 an entgegengesetzten Stirnseiten der Halbringe 10a, 10b und vier Quernuten 21 an den äusseren Mantelflächen der Halbringe. Die Quernuten 21 verbinden die entgegengesetzt zueinander angeordneten vertikalen Nuten 19 und 20, wie dargestellt, so daß, wenn die Halbringe 10a, 10b gemäss der Darstellung in Fig. 2 zusammengesetzt sind, sich zwei in sich geschlossene Ausnehmungen an den Aussenseiten der Halbringe 10a,10b zur Aufnahme der O-Ringe 15»16 befinden. Die Halbringe 10a,10b werden durch Zentrierstifte 22 gegeneinander ausgerichtet, von" denen ein Jeder zwei gegenüberliegende

" Bohrungen in den Halbringen 10a und 10b -. nur die Bohrung 23 des Halbringes 10b ist in der Zeichnung dargestellt eingreift und hierdurch die beiden Halbringe zueinander in Stellung hält.

Der untere Halbring 10b besitzt ferner einen Abschnitt einer Spur-oder Laufbahn in der Form einer Ringnut 24 an der inneren Umfangsflache. In ähnlicher Weise ist der Halbring 10b mit einer an seiner inneren Umfangsflache an-

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geordneten ergänzenden Ringnut 26 versehen* Nach dem Zusammenbau der Halbringe 10a, 10b gemäss der Darstellung in Fig. 2 bilden die Ringnuten 24,26 eine mit 25 in Fig.2' bezeichnete geschlossene äussere Laufbahn zur Aufnahme einer Vielzahl von Wälzkörpern, die in ihrer Gesamtheit mit R bezeichnet sind. Die Beschreibung der Wälzkörper R im einzelnen erfolgt an späterer Stelle. Die Wälzkörper R werden weiterhin von einer inneren Laufbahnin der Form einer Ringnut 27 aufgenommen, die an der äusseren Umfangsfläche eines inneren Laufringes 28 angeordnet ist. Der Laufring 28 ist im wesentlichen zylindrisch und hat eine Zentralbohrung 29. Getrennt vom Laufring 28, Jedoch innerhalb der Bohrung 29 befindet sich eine im wesentlichen zylindrische Isolierbuchse 30, mit welcher der innere Laufring 28 auf einer rotierenden Welle S (Fig.2) von dieser isoliert sitzt. Die Isolierbuchse 30 ist auf die Welle S mit Hilfe einer nicht dargestellten Keilnutverbindung aufgekeilt und rotiert mit der Welle. Der innere Laufring 28 ist auf geeignete Weise fest mit der Isolierbuchse 30 verbunden, so daß auch der innere Laufring 28 mit der Welle S rotiert. Der äussere Laufring 10 ist gegen Drehung gehalten.

Die. Wälzkörper R werden von einem Käfig 31 geführt, der im wesentlichen die Form eines längsgeschlitzten Ringes hat. Der Käfig 31 besteht aus elastischem Isoliermaterial und weist eine Anzahl am Umfang mit Abstand verteilter Trennstege 31 auf, welche die an den entgegengesetzten Käfigenden vorhandenen Ringteile 31b,31c im Abstand miteinander verbinden. Die Wälzkörper R besitzen im wesentlichen Zylinderform und liegen zwischen den entgegengesetzten Ringteilen 31b,31c des Käfigs 31 mit ihren Längsachsen parallel zur Drehachse der Welle S an. Die Wälzkörper R werden einzeln drehbar von Achsstiften (in den Fig. 1 und

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nicht dargestellt, jedoch in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben) getragen, die sich zentral durch die Wälzkörper erstrecken. Die Wälzkörper R sind, wie bereits angegeben, unabhängig voneinander drehbar und werden in Abstand zueinander am Umfang des Käfigs 31 gehalten. Wenngleich der Käfig 31 in Fig. 1 zum Zwecke der Verdeutlichung in aufgesprengter Form dargestellt ist, liegen die Endabschnitte 31d und 31e des Käfigs an der Schlitzstelle unter Vorspannung federnd gegeneinander an und bilden einen vollständigen oder wenigstens nahezu vollständigen Ring. Auf diese Weise kann der Käfig 31 auf den inneren Laufring 28 lediglich durch Auseinanderbiegen der Endabschnitte 31d, 31e aufgeschnappt werden, wodurch die Einfügung des Laufrings 28 ermöglichst wird und hierauf die Endabschnitte wieder losgelassen werden, so dass sie ihre normale Stellung einnehmen.

Es erhellt aus der vorgehenden Beschreibung, daß der erfindungsgemässe Rollkontakt leicht montiert und demontiert werden kann. Der äussere feste Laufring 10 kann durch Entfernung der O-Ringe 15 und 16 und Abnahme des oberen Halbringes 10a vom unteren Halbring 10b demontiert werden. Bei abgenommenem oberen Halbring 10a besteht Zugang zum Käfig 31» und die Wälzkörper R können unabhängig voneinander zur Inspektion, Reinigung und gegebenenfalls zum Ersatz herausgenommen werden.

In Fig. 2 sind zwei Rollkontakte B und B¹ im zusammengebauten Zustand dargestellt. Die Rollkontakte B und B¹ sind im wesentlichen gleich ausgebildet und die Einzelteile des Rollkontaktes B' sind mit den gleichen Bezugsziffern wie die entsprechenden Teile im Rollkontakt B unter Hinzufügung eines Striches gekennzeichnet. Leitungen 36 und 34 am äusseren Laufring 10 bzw· am inneren Laufring 28 vervollständigen den Strompfad durch den Roll«

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kontakt B. Die Leitung 34 erstreckt sich durch eine öffnung inder Welle S und verläuft innerhalb einer Längsbohrung derselben weiter, wie Fig. 2 zeigt. Die Leitung 34 und mit ihr die entsprechende Leitung 34' des anderen Rollkontaktes rotieren folglich mit der Well S, während die Leitung 36 und ebenso die Leitung 36' feststehen. Die Leitungen 34 und 34' führen zu dem (nicht dargestellten) rotierenden Element, dem· der elektrische Strom zugeführt werden soll. Eine andere Ausführungsform der Zuleitung des elektrischen Stromes zum Laufring 10 ist in Fig. 1 in Form eines steifen Leiters 37 gezeigt, der an dem Halbring 10b befestigt ist und sich von diesem nach abwärts erstreckt. Der Leiter 37 kann auch gleichzeitig zur Halterung des Laufringes 10 dienen und ist vorzugsweise hohl mit einer Mündung C, durch welche Schmiermittel oder Kühlgas in den Bereich der Wälzkörper R geleitet werden kann·

Mit der Herstellung der Laufringe 10 und 28 aus elektrisch leitendem Material und der Schafflung einer stromleitenden Verbindung zwischen den Laufringen 10 und 28 mit Hilfe der Wälzkörper R leuchtet ein, daß der von den Leitungen 34 und 36 gebildete Stromkreis über die Rollkontakte D und D¹ geschlossen wird. Wenn z.B. die Leitung 36 als Zuleiter betrachtet wird, wird ein Stromkreis geschlossen von dem Leiter 36 über den Rollkontakt B und dem.Leiter 34 zu dem rotierenden Element und zurück über den Leiter 34' den Rollkontakt B¹ und den Rückleiter 36'. Im Übereinstimmung mit einem wesentlichen Kennzeichen der Erfindung gestattet die Anordnung von inneren und äusseren Laufringen und deren isolierte Montage die Anbringung einer Vielzahl von Rollkontakten auf einer einzigen Welle S dergestalt, dass diese getrennt voneinander Strom führen. Es ist demgegenüber verständlich, dass herkömmliche Anordnungen mit Wellenabgriff,

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d.h. einem unmittelbaren Kontakt zwischen den elektrischen Leitern und der rotierenden Welle keine unabhängige Stromführung für mehrere Rollkontakte zuläßt.

In Fig.3 ist die Ausbildung eines Wälzkörpers, wie er in den Anordnungen nach Fig. 1 und 2 verwendet wird, in seinen Einzelheiten dargestellt. Der Wälzkörper R besteht aus einer zylindrischen Schraubenfeder 38 sowie einer Führungseinrichtung für dieselbe, die aus zwei Endstücken 42 und 44 mit Je einer Zentralbohrung zur Aufnahme der entgegengesetzten Enden eines zylindrischen Mittelstückes 46 besteht. Das Mittelstück 46 selbst hat eine Längsbohrung zur Aufnahme eines Achsstiftes 48, mit dessen Hilfe der Wälzkörper R im Käfig 31» wie oben beschrieben, gehalten ist. Die Führungseinrichtung weist ferner noch ein zylindrisches Stützglied 50 auf, welches in einer Längsbohrung das Mittelstück 46 aufnimmt. Das Stützglied 50 besteht aus porösem Material und stützt im eingebauten Zustand die Schraubenfeder 38.

Eine wichtige Eigenschaft der Erfindung besteht darin, dass die Porosität des Stützgliedes 50 eine Speicherung von flüssigem oder zähflüssigem Schmiermittel für die Wälzkörper R ermöglicht und somit das Stützglied 50 als Schmiennittelspeicher dient. Dabei ist zu beachten, daß ein Zusammendrücken der Schraubenfeder 3.8 in Querrichtung mit der Ausübung eines Druckes auf das Stützglied 50 verbunden ist und dieses hierbei einen Teil des gespeicherten Schmiermittels abgibt.

Eine Anzahl von Schmierstoffen hat sich als besonders geeignet zur Verwendung bei Wälzkörpern R nach der Erfindung erwiesen. Diese Schmierstoffe besitzen die Eigenschaft einer besseren elektrischen. Leitfähigkeit als gewöhnliche Schmierstoffe und helfen hierdurch bei der Schaffung und

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Aufrechterhaltung eines guten elektrischen Leitvermögens zwischen den Wälzkörpern R und den Laufringen 10 und 28. Im allgemeinen bestehen derartige Stoffe aus der Dispersion eines leitenden Materials innerhalb eines Basisfettes. Ein Beispiel hierfür ist der unter dem Handelsnamen ANDOK M 350 bekannte Schmierstoff mit dispergiertem gesintertem Silber.

Eine besonders wichtige Eigenschaft der Erfindung besteht darin, daß die federnden Wälzkörper R die bisherige Forderung nach genauer Fluchtung der Wälzkörper und Laufringe wie bei herkömmlichen Anordnungen überflüssig machen. Die federnden Wälzkörper R gleichen, da sie in Querrichtung zusammendrückbar sind, Fluchtungsfehler der Laufringe aus, indem sie eine dem vorhandenen Fluchtungsfehler entsprechen de Form annehmen. Diese Eigenschaft erübrigt auch die Notwendigkeit einer genauen Zentrierung der rotierenden Welle und vermindert, im ganzen betrachtet, die Konstruktionsund Einbaukosten erheblich. Die Anwendung elastisch nachgiebiger Wälzkörper in Verbindung mit einem elektrisch leitenden Schmiermittel stellt sicher, daß zwischen den Laufringen 10, 28 ständig eine stromleitende Verbindung aufrechterhalten wird. Weiterhin begegnet diese Kombination dem Verschleiß der Einzelteile des Rollkontaktes. Es leuchtet also ein, daß die Kombination dieser beiden Merkmale der Erfindung zusammenwirkt, um die bei herkömmlichen Rollkontakten auftretenden Schwierigkeiten zu beseitigen.

Es sei', bemerkt, dass die Endstücke 42 und 44 der Wälzkörper R wahlweise aus elektrisch leitendem Material wie Metall oder nicht leitendem Material wie Kunststoff hergestellt sein können.

In Fig. 4 ist eine abgeänderte Ausführungsfonn eines Wälzkörpers R¹ gegenüber der Ausführungsform nach Pig. 3 dargestellt. Der Wälzkörper'R¹ besteht aus zwei Endscheiben 52 und 54 mit axialen Bohrungen 56 bzw. 58 zur Aufnahme

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eines Achsstiftes (nicht dargestellt) gemäss der obigen Beschreibung. Eine Anzahl Federringe 60, von denen insgesamt drei in Fig. 4 dargestellt sind, befinden sich zwischen den Endscheiben 52,54·» wenn diese mit ihren Stirnflächen gegeneinander-liegend zusammengebaut sind. Jeder Federring 60 hat am Umfang eine Aussparung 62, durch welche eine federnde Nachgiebigkeit geschaffen wird. Die Aussparungen 62 liegen im zusammengebauten Zustand abwechselnd auf entgegengesetzten Seiten des Wälzkörpers R¹, wie dies Fig. 4- zeigt. Die Endscheibe 52 weist zwei Zentrierrippen 52a, von denen nur eine sichtbar ist, auf, die sich von einem im Querschnitt elliptischen Ansatz 52b in Querrichtung zur grossen Ellipsenachse erstrecken, während die Endscheibe 5^ in ähnlicher Weise zwei Zentrierrippen 54a hat, die sich in Querrichtung zu einem entsprechenden elliptischen Ansatz 54-b der Endscheibe 54- erstrecken. Im eingebauten Zustand der Wälzkörper R werden die Federringe 60 abschnittsweise von entsprechenden Abschnitten der Endscheiben 52 bzw. 54- abgestützt. Wenn beispielsweise der linke Federring 60 in Fig. 4 betrachtet wird, legt sich der verstärkte Abschnitt 62a des Federrings, der der Aussparung 62 gegenüberliegt, gegen eine der Zentrierrippen 52a an, während die Schenkelabschnitte 62b des Federrings, zwischen denen sich die Aussparung 62 befindet, an der anderen Zentrierrippe anliegen. Die entgegengesetzten Kopfenden des elliptischen Ansatzes 52b stützen gegenüberliegende Federringabschnitte 62c ab, die im.Vergleich zum verstärkten Abschnitt 62a einen^verhältnismässig dünnen Querschnitt aufweisen. Bei dieser Anordnung entsteht zwischen dem Federring 60 und den Oberflächen der Zentrierrippen 52a und der elliptischen Ansätze 52b eine Anzahl von Zwischenräumen, die zusammen mit den zwischen den übrigen Federringen und den entsprechenden Stützabachnitten der Endscheiben 52 »5& mit einem härtbaren

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nachgiebigen schaumförmigen Gießharz, wie Silikon- oder Urethanharz ausgefüllt werden. Das Zusammenwirken zwischen dem Gießharz und den Federringen 60 ist ähnlich demjenigen, das oben in Zusammenhang mit der Schraubenfeder 38 und dem zylindrischen Stützglied 50 nach Fig. 3 erläutert wurde.

Patentansprüche /

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Claims

Patentansprüche

T.Elektrischer Rollkontakt in Form eines Wälzlagers mit einem feststehenden äusseren und einem von einer Welle getragenen inneren Laufring sowie dazwischen angeordneten Wälzkörpern, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (R) aus mehreren einzelnen Rundkörpern (38,42,44,4-6,48,50 bzw. 52,54,60) bestehen, von denen mindestens ein Rundkörper (38 bzw. 60) ein drehbares federndes Kontaktglied zwischen den Laufringen (10,28) bildet.
2. Rollkontakt nach Anspruch 1_Jf dadurch gekennzeichnet, dass der das federnde Kontaktglied bildende Rundkörper von einer Metallfeder (38) gebildet ist.
3. Rollkontakt nach Anspruch 2, dadurch gekennze lehnet, dass die Metallfeder eine zylindrische Schraubenfeder (38) ist, deren Längsachse parallel zur Wellenachse gerichtet ist.
4. Rollkontakt nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfeder (38) von einem porösen nachgiebigen Stützglied (50) durchsetzt ist.
5· Rollkontakt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Lauf ringe', (10,28) ein zumindest zähflüssiges elektrisch leitendes Schmiermittel eingebracht ist, für welches das poröse nach-

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giebige Stützglied (50) einen Speicher bildet.
6. Rollkontakt nach Anspruch 4 oder 5» dadurch, gekennzeichnet, dass das poröse nachgiebige Stützglied (50) die Form eines Zylinders aufweist, dessen Längsachse parallel zur Wellenachse gerichtet ist.

7· Anordnung mindestens zweier elektrischer Rollkontakte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rollkontakte auf ein- und derselben Welle angeordnet sind und die inneren Laufringe (28,28*) auf der sie gemeinsam durchsetzenden Welle (S) elektrisch isoliert sind.

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