DE4100587C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisch isoliertes Wälzlager,
bei dem mindestens ein Lagerring auf seiner Sitzfläche und
wenigstens auf den zur Anlage an benachbarten metallischen
Teilen gelangenden Bereichen seiner Seitenflächen mit einer
Isolationsschicht versehen ist.
In verschiedenen Anwendungsbereichen, z. B. bei elektrischen
Maschinen und elektrischen Schienenfahrzeugen besteht häufig
die Notwendigkeit, die zur Lagerung drehbarer Teile
eingesetzten Wälzlager elektrisch gegen das Maschinengehäuse,
das Fahrgestell des Schienenfahrzeugs o. ä. zu isolieren.
Dadurch soll verhindert werden, daß elektrischer Strom über
die Lagerringe und Wälzkörper fließt, wenn - z. B. bei
elektrischen Maschinen - eine unerwünschte Spannung zwischen
Lagergehäuse und einer im Wälzlager gelagerten Welle anliegt
oder wenn - z. B. bei elektrischen, über eine Fahrleitung mit
Strom versorgten Schienenfahrzeugen - der Strom über den
Fahrzeugkörper und das Fahrgestell, die Radachsen,
Erdungskontakte und Räder zur Schiene geleitet wird. Auch bei
mit dem Triebfahrzeug verbundenen Wagen oder Fahrzeugen mit
eigener elektrischer Energieversorgung könnten bei fehlender
Lagerisolierung Ströme durch die Radlager fließen.
Eine Stromführung durch das Wälzlager muß verhindert werden,
weil sich an den Kontaktflächen zwischen den Lagerringen und
den Wälzkörpern zusammen mit dem Schmierstoff elektrokorrosive
Veränderungen der Oberflächen durch Krater- und Riffelbildung
führen würden. Die Folge davon wären frühzeitige Lagerschäden
und Lagerausfälle.
Es sind deshalb schon verschiedene Maßnahmen ergriffen worden,
um auf der Sitzfläche zumindest eines Lagerringes des
Wälzlagers sowie wenigstens auf den zur Anlage an benachbarten
metallischen Teilen gelangenden Bereichen seiner Stirnflächen
elektrische Isolierungen anzuordnen. Eine solche Maßnahme ist
z. B. aus dem DE-GM 80 29 066 bekannt, gemäß der eine
isolierende Keramikschicht oder Aluminiumoxidschicht durch
Flammspritzen unmittelbar auf den Lagerring aufgetragen wird.
Mit Verfahren dieser Art können Schichten mit Isolationswerten
von ca. 200 V Gleichspannung und darüber erreicht werden.
Daneben ist es aber auch bekannt, Oxidkeramikschichten durch
Plasmaspritzen aufzutragen, wodurch Isolationswerte von ca.
500 V Gleichspannung und darüber erreicht werden können.
Isolationswerte dieser Größenordnung sind bei vielen
elektrischen Maschinen erwünscht. Bei Radsatzlagern von
Schienenfahrzeugen sind Maßnahmen zur Vermeidung von
Stromschäden besonders wichtig, weil einerseits diese Lager
mechanisch sehr hoch beansprucht werden und andererseits die
Sicherheit eine besonders große Rolle spielt; es muß deshalb
ausgeschlossen werden, daß die Lebensdauer der Radsatzlager
durch elektrokorrosive Einflüsse verringert werden kann.
Wird aber durch außergewöhnliche Umstände der im Normalfall gut
leitende, das isolierte Lager umgehende Strompfad unterbrochen,
so kann an den metallischen Teilen der Maschine oder des
Fahrzeugs eine zu hohe, für den Menschen gefährliche
Berührungsspannung anliegen. Das kann etwa dann der Fall sein,
wenn eine Erdungsleitung eines Maschinengehäuses unterbrochen
wird und/oder bei einem elektrischen Schienenfahrzeug der das
Rad mit dem Fahrgestell leitend verbindende Erdungskontakt
ausfällt. Es ist deshalb üblich, einen Schutzwiderstand in
Reihe mit dem Radsatzlager und parallel zur Isolierung
anzuordnen, der die Isolierung überbrückt und den
Reihenwiderstand der Lagerung erhöht (DIN VDE-Vorschrift 0123
"Stromführung im Bereich von Radsatz-Wälzlagern in
Schienenfahrzeugen"), so daß im Schadensfalle der Strom über den
Schutzwiderstand und das Lager fließt. Die Größe des
Schutzwiderstands bestimmt dann die Höhe der Berührungsspannung
am Fahrgestell und Fahrzeugkörper, Maschinengehäuse o. ä.
Bei Lagerungsanordnungen, bei denen die Isolierung durch
unmittelbare Beschichtung eines Lagerringes mit Isoliermaterial
bewirkt wird, ist es aber sehr schwierig, einen
Schutzwiderstand anzuschließen. Man hat deshalb solche
Lagerringe auch schon mit einer Isolierschicht mit genau
definiertem Widerstandswert versehen, der demjenigen eines
Schutzwiderstandes entspricht, so daß - ohne gesondertem
Schutzwiderstand - der Strom im Schadensfalle über die
Isolierschicht fließen konnte. Bei einer solchen Ausführung
darf die Isolierschicht aber nur einen vergleichsweise geringen
Isolationswert aufweisen (z. B. Durchschlagsspannung 40 bis
80 V Gleichspannung), und die Schichtdicke muß darüber hinaus
eng toleriert werden, um die Durchschlagspannung zu
gewährleisten. Lager dieser Art sind demzufolge in der
Herstellung teuer und können Anforderungen an hohe
Isolationswerte nicht erfüllen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager zu
schaffen, das einerseits mit einer Isolationsschicht mit hohem
Isolationswiderstand versehen ist, andererseits aber eine
Umgehung der Isolationsschicht auf einem Wege vergleichsweise
geringen Widerstandes ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Lagerring eine die Isolationsschicht durchdringende Ausnehmung
aufweist, in welche ein aus einem im Vergleich zur
Isolationsschicht elektrisch leitfähigerem Material
bestehenden Teiles eingesetzt ist, wobei das Teil ganz oder
teilweise mit einer Isolationsschicht versehen ist.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß
das Wälzlager, bzw. dessen Lagerring, mit einer einheitlichen
gleichmäßigen Beschichtung hohen Isolationswiderstandes
versehen und dennoch jeder gewünschte Spannungswert für eine
Überbrückung der Isolationsschicht eingestellt werden kann,
indem ein z. B. stiftförmiges Teil mit entsprechendem
Widerstandswert oder entsprechendem an den Stift
angeschlossenen, die Schutzfunktion ausübenden elektrischen
Bauelement in den Lagerring eingesetzt wird. Ein und dasselbe
Lager kann auf diese Weise mit Schutzelementen verschiedener
elektrischer Größe für unterschiedliche Spannungs-Schwellenwerte
versehen werden. Die Herstellung des beschichteten Lagerringes
ist zudem problemlos und ohne nachträgliche Prüfung enger
Grenzwerte des Isolationswiderstandes möglich, weil keine engen
Toleranzen für die Schichtdicke einzuhalten sind. Die
Ausschußquote ist dementsprechend gering.
Der Stift kann aus Metall bestehen und mit einer
Isolationsschicht versehen sein, deren Widerstandswert
demjenigen eines definierten Schutzwiderstandes entspricht,
so daß im Schadensfalle der Strom über die Isolationsschicht
des Stiftes zum Lager fließen kann. Der Stift kann aber auch
über einen elektrischen Anschluß mit einem Schutzwiderstand
oder einem anderen elektrischen Bauelement (z. B. einem durch
eine Grenzspannung triggerbaren Schalter) verbunden sein und
selbst nur als Kontaktgeber dienen. Schließlich kann der Stift
selbst auch aus einem Material mit definiertem Widerstandswert
bestehen, so daß er, im eingebauten Zustand des Lagers an
einer Metallfläche der Lagerumgebung anliegend, selbst als
Schutzwiderstand wirkt.
Zusätzlich kann der Stift, sofern er als aus dem Lagerring
herausragendes Bauteil ausgestaltet ist, auch noch die
Aufgabe einer Verdrehsicherung für den Lagerring übernehmen.
Hierzu muß lediglich im Lagergehäuse (wenn es sich um den
Lageraußenring handelt) bzw. in der Lager-Anlagefläche der
Achse oder Welle (wenn es sich um den Lagerinnenring handelt)
eine entsprechende Ausnehmung für den herausragenden Teil des
Stiftes vorgesehen sein.
Bei dem als Stift bezeichneten Teil kann es sich
selbstverständlich auch um ein Teil anderer Bauform handeln,
das in eine entsprechend gestaltete Ausnehmung im Lagerring
einsetzbar ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren
dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 Eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen
Lagers,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel und
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Zylinderrollenlager im Halbschnitt
dargestellt das einen Lagerinnenring 1, einen Lageraußenring
2 und dazwischen angeordneten Zylinderrollen 3 aufweist. Die
Zylinderrollen 3 werden zwischen Borden 4, 5 des
Lageraußenringes 2 axial geführt.
Der Lageraußenring 2 des Zylinderrollenlagers ist sowohl
an seiner äußeren Umfangsfläche 6 als auch an seinen
Seitenflächen 7, 8 mit einer elektrischen Isolationsschicht 9
aus z. B. Oxidkeramik in einem Flammenspritz- oder Plasma-Spritz
verfahren beschichtet, die einen hohen Isolationswert
(z. B. < 200 V Gleichspannung) aufweist. Bei den
Isolationsschichten handelt es sich um sehr dünne Schichten;
sie sind lediglich der besseren Darstellung wegen in den
Figuren dick gezeichnet.
Auf der in der Figur rechten Seite ist eine die
Isolationsschicht 9 durchdringende Ausnehmung in Form einer
Bohrung 10 in der Seitenfläche 7 des Lageraußenrings 2
angebracht, in die ein Stift 11 aus einem elektrisch leitenden
Material eingedrückt ist. Er steht dadurch über seine
Umfangsfläche mit dem Lageraußenring 2 in leitender Verbindung.
Der Stift 11 ragt aus der Stirnfläche 7 des Lageraußenrings 2
heraus, und die Oberfläche seines herausragenden Bereiches ist
ebenfalls mit einer Isolationsschicht 12 versehen. Durch die
Isolationsschicht 12 führt ein mit dem Stift 11 verbundener
elektrischer Anschluß 13 heraus, an den ein elektrischer
Schutzwiderstand 14 angeschlossen ist. Die andere Seite des
Schutzwiderstandes 14 kann an ein Maschinengehäuse,
Lagergehäuse (Position 15 in Fig. 2), Fahrgestell eines
Schienenfahrzeuges o. ä. angeklemmt werden.
Im eingebauten Zustand ist der Lageraußenring 2 infolge
seiner Isolationsschicht 9 und der Isolationsschicht 12 des
Stiftes mit hohem Widerstandswert gegen die angrenzenden
Metallteile isoliert. Ein vergleichsweise niederohmiger
Strompfad besteht aber über den Schutzwiderstand 14, dessen
Größe den Spannungs-Schwellenwert vorgibt, ab dem im
Schadensfalle ein Strom aus z. B. dem Fahrgestell eines
Schienenfahrzeugs über den Schutzwiderstand 14, den Stift 11,
den Lageraußenring 2, die Zylinderrollen 3 und den
Lagerinnenring 1 geleitet wird.
Anstelle des Schutzwiderstandes 14 kann selbstverständlich
auch ein anderes elektrisches Bauelement oder eine Schaltung
treten, die die gewünschte Schutzfunktion übernimmt. Als
Beispiel sei hierzu ein elektrischer Schalter genannt, der von
einem überspannungsabhängigen Signal getriggert wird und
daraufhin den normalerweise gesperrten Strompfad öffnet.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem zwar
der Lageraußenring 2 wie im Beispiel der Fig. 1 ausgeführt
ist, der Stift 17 aber vollkommen mit einer Isolationsschicht
18 umgeben ist. Hier weist die Isolationsschicht 18 eine
definierte Dicke mit eng toleriertem Widerstandswert auf und
übernimmt die Funktion des Schutzwiderstandes. Liegt am
Lagergehäuse 15 eine Spannung oberhalb des zulässigen
Grenzwertes an, so fließt ein Kurzschlußstrom über den Stift 17
unter Überwindung der Isolationsschicht 18 des Stiftes 17 in
den Lageraußenring 2. Bei dieser Ausführungsform sitzt der
Stift in einer Ausnehmung 19 des Lagergehäuses 15 und sichert
damit zusätzlich den Lageraußenring 2 gegen Wandern in
Umfangsrichtung (Verdrehen).
Fig. 3 schließlich zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem der
Stift 20 nur in seinem in der Bohrung 10 des Lageraußenrings 2
sitzenden Oberflächenbereich mit einer Isolationsschicht 23
versehen ist. Der in der Ausnehmung 19 des Lagergehäuses 15
sitzende Teil des Stiftes 20 hat hingegen eine blanke Oberfläche
und steht demnach in leitender Verbindung mit dem Lagergehäuse
15. Der Schutzwiderstand wird auch hier von der Isolationsschicht
23 des Stiftes 20 gebildet, die einen definierten Widerstandswert
aufweist. Der Stift 20 übernimmt darüber hinaus - wie schon zu
Fig. 2 beschrieben - die Sicherung gegen ein Wandern des
Lageraußenringes 2.
Das in den Ausführungsbeispielen als Stift dargestellte Teil
kann auch aus einem Material bestehen, das selbst einen
vorgegebenen elektrischen Widerstand bildet, wobei
gegebenenfalls ein Bereich der Oberfläche des Stiftes isoliert
ist, um die Kontaktflächen in der Ausnehmung des Lagerringes
und der Ausnehmung des Gehäuses zu definieren. Die Ausnehmung
zur Aufnahme des Teiles kann auch in der Umfangsfläche des
Lagerringes statt in der Seitenfläche angeordnet sein.
Schließlich ist die Erfindung auch nicht auf die in den
Ausführungsbeispielen gezeigte Anwendung bei einem
Lageraußenring beschränkt; es können statt dessen nur der
Lagerinnenring oder auch Lageraußenring und Lagerinnenring mit
einer Isolationsschicht versehen sein, und das Teil kann in
der oben beschriebenen Weise auch in einer Ausnehmung des
Lagerinnenrings eingesetzt sein.
Claims (9)
1. Elektrisch isoliertes Wälzlager, bei dem mindestens ein
Lagerring auf seiner Sitzfläche und wenigstens auf den zur
Anlage an benachbarten metallischen Teilen gelangenden
Bereichen seiner Seitenflächen mit einer Isolationsschicht
versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerring (2)
eine die Isolationsschicht (9) durchdringende Ausnehmung
(10) aufweist, in welche ein aus einem im Vergleich zur
Isolationsschicht aus elektrisch leitfähigerem Material
bestehendes Teil (11, 17, 20) eingesetzt ist, wobei das
Teil (11, 17, 20) ganz oder teilweise mit einer
Isolationsschicht (12, 18, 23) versehen ist.
2. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Teil (11) aus dem Lagerring (2) herausragend angeordnet
und der herausragende Teil mit einer Isolationsschicht
(12) versehen ist.
3. Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Isolationsschicht (18, 23) des Teiles (17, 20)
einen definierten, im Vergleich zur Isolationsschicht (9)
des Lagerringes (2) geringeren Widerstandswert gegen
Stromdurchgang aufweist.
4. Wälzlager nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
Teil (11) mit einem elektrischen Anschluß (13) versehen
ist.
5. Wälzlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein
elektrisches Bauelement mit dem Teil (11) leitend
verbunden ist.
6. Wälzlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
elektrische Bauelement ein Widerstand (14) ist.
7. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (10) in einer mit einer
Isolationsschicht versehenen Seitenfläche (7) des
Lagerringes (2) angeordnet ist.
8. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß ein aus dem Lagerring herausragender
Abschnitt des Teiles zum Eingriff in eine entsprechende
Ausnehmung eines dem Lagerring benachbarten Bauteiles
vorgesehen ist und als Verdrehsicherung für den Lagerring
dient.
9. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Teil ein Stift ist.
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