WO2018028732A1

WO2018028732A1 - Potentialausgleichsvorrichtung zum ausgleich von elektrischen potentialen zweier sich relativ zueinander bewegenden bauteile

Info

Publication number: WO2018028732A1
Application number: PCT/DE2017/100486
Authority: WO
Inventors: Benjamin Rudin; Yuan Yao; Thomas STÖHR
Original assignee: Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date: 2016-08-10
Filing date: 2017-06-09
Publication date: 2018-02-15
Also published as: DE102016214861A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Potentialausgleichsvorrichtung (10) zum Ausgleich von elektrischen Potentialen zweier sich relativ zueinander bewegenden Bauteile (12, 14), mit einem Grundteil (18) zur direkten oder indirekten Befestigung am ersten Bauteil (12), einem an oder in dem Grundteil (18) verlagerbar gelagerten Stromübertragungselement (26), das mindestens einen elektrischen Leitungspfad zwischen dem Grundteil (18) und einem freien Ende (34) des Stromübertragungselements (26) zum Kontaktieren des zweiten Bauteils (14) bildet, und einem Federelement (24) zur Beaufschlagung des Stromübertragungselements (26) mit einer derartigen Vorspannung, dass das freie Ende (34) des Stromübertragungselements (26) zur Kontaktierung des zweiten Bauteils (14) gegenüber dem Grundteil (18) herausragt. Es ist vorgesehen, dass das Stromübertragungselement ein reibungsarmes Gleitelement (36) aufweist, das an seinem freien Ende (34) angeordnet ist oder bis zu diesem freien Ende (34) reicht.

Description

Potentialausgleichsvorrichtung zum Ausgleich von elektrischen Potentialen zweier sich relativ zueinander bewegenden Bauteile

Die Erfindung betrifft eine Potentialausgleichsvorrichtung zum Ausgleich von elektrischen Potentialen zweier sich relativ zueinander bewegenden Bauteile, mit einem Grundteil zur direkten oder indirekten Befestigung am ersten Bauteil, mit einem an oder in dem Grundteil verlagerbar gelagerten Stromübertragungselement, das min- destens einen elektrischen Leitungspfad zwischen dem Grundteil und einem freien Ende des Stromübertragungselements zum Kontaktieren des zweiten Bauteils bildet, und mit einem Federelement zur Beaufschlagung des Stromübertragungselements mit einer derartigen Vorspannung, dass das freie Ende des Stromübertragungselements zur Kontaktierung des zweiten Bauteils gegenüber dem Grundteil herausragt.

Ein typisches Beispiel für derartige Bauteile sind ein Lager einer Welle und die dazugehörige Welle. In der Regel sind tragende Lagerstellen mit Schmiermedien versehen, um Reibung zu vermindern und eine optimale Funktionsfähigkeit sowie maximale Lebensdauer zu gewährleisten. Bei bewegten, insbesondere rotierenden Bauteilen kann es, vor allem bei Anwendungen im Bereich der E-Mobilität, durch induzierte Spannungen zu einer Potentialdifferenz zwischen den Teilen kommen. Bedingt durch vorhandene Schmiermedien kann keine direkte Stromleitung durch die Lagerstellen erfolgen, wobei es ab einer bestimmten Potentialdifferenz zu Funkenschlag und dadurch zu Schäden an Lagerteilen kommen kann. Weiterhin sind Anwendungsfälle bekannt, in denen generell eine Stromleitung erwünscht ist, wobei geschmierte Kontaktstellen diesem entgegenstehen.

Zum Abbau von induzierten Spannungen bei rotierenden Maschinen können Lagerschutzringe (SGR: Shaft Grounding Rings) zum Einsatz kommen. Hier sind beispiels- weise Aegis™-Ringe bekannt, welche vor ein Lager geschraubt werden und die Spannungen mittels am Umfang verteilter Kohlefaserbürsten ableiten.

Nachteil dieser Lösung ist die Gefahr der Verschmutzung der Kohlefaserbürsten und damit eine Einschränkung der Funktionalität der Leitfähigkeit. Weiterhin haben die ra- dial aufliegenden Bürsten keine aktive nachstellende Funktion, um Verschleiß zu kompensieren.

Zum anderen existieren leitfähige Vliese, welche an Radialwellendichtringen ange- bracht/aufgeklebt werden können und einen Stromdurchgang durch ein Wälzlager ermöglichen (Freudenberg). Der Nachteil dieses Konzeptes besteht in der eingeschränkten Nachstellung der leitenden Komponente.

Die eingangs erwähnte Potentialausgleichsvorrichtung zum Ausgleich von elektrischen Potentialen zweier sich relativ zueinander bewegenden Bauteile ist aus der Druckschrift DE 10 2004 012 946 A1 als„Vorrichtung zur kontinuierlichen Entladung statischer Energie" bekannt. Diese Vorrichtung umfasst einen Halter zur indirekten Befestigung an einem Hauptlager einer Welle, ein in dem Halter linear verlagerbar gelagertes Schleifkontaktstück, das mindestens einen elektrischen Leitungspfad zwischen einem Kontakt zum elektrischen Verbinden mit Hauptlager und einem freien Ende des Schleifkontaktstücks zum Kontaktieren der Welle bildet, und eine Feder zur Beaufschlagung des Schleifkontaktstücks mit einer derartigen Vorspannung, dass das freie Ende des Schleifkontaktstücks zur Kontaktierung der Welle aus dem Halter in Richtung der Welle herausragt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Potentialausgleichsvorrichtung anzugeben, die einerseits den permanenten Stromdurchgang zwischen bewegten Bauteilen sicherstellt und andererseits ein möglichst geringes zusätzliches Reibmoment verursacht. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Potentialausgleichsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Bei der erfindungsgemäßen Potentialausgleichsvorrichtung ist vorgesehen, dass das Stromübertragungselement ein reibungsarmes Gleitelement aufweist, das an seinem freien Ende angeordnet ist oder bis zu diesem freien Ende reicht. Diese Vorrichtung stellt den permanenten Stromdurchgang zwischen bewegten Maschinenteilen sicher. Dies dient unter anderem zur Vermeidung von Schäden an geschmierten Lagerstellen sowie dem generellen Potentialausgleich zwischen bewegten Bauteilen. Durch das Gleitelement ergibt sich der Vorteil, dass die Vorrichtung neben der Gewährleistung der Leitfunktion ein möglichst geringes zusätzliches Reibmoment verursacht. Das Gleitelement gleitet bei Kontakt mit dem zweiten Bauteil auf dessen Oberfläche. Dabei umgibt das Gleitelement -zumindest im Bereich des freien Endes- bevorzugt den Leitungspfad und kapselt den Leitungspfad dadurch insbesondere nach außen hin ab. Bevorzugt ist das Gleitelement daher als eine den Leitungspfad zumindest abschnittsweise umgebende Gleithülse oder als ein entsprechender Gleitring ausgebildet. Das Grundteil stellt seinerseits einen Strompfad zur elektrischen Verbindung des elektrischen Leitungspfades mit dem ersten Bauteil zur Verfügung. Dazu weist das Grundteil zumindest eine elektrisch leitende Komponente, beispielsweise eine Blechhülse, auf. Alternativ kann auch das ganze Grundteil elektrisch leitend sein. Die elektrische Verbindung des elektrischen Leitungspfades mit dem ersten Bauteil wird bevorzugt direkt durch die Befestigung des Grundteils am ersten Bauteil hergestellt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das reibungsarme Gleitelement ein PTFE-Element ist. Das Element besteht dabei aus PTFE (Polytetrafluorethylen), ist also ein Element, welches sich durch einen sehr geringen Reibungskoeffizienten auszeichnet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Stromübertragungselement zur Ausbildung des zumindest einen Leitungspfades mindestens ein kohlenstoffbasiertes Leitelement aufweist. Dieses mindestens eine kohlenstoffbasierte Leitelement ist insbesondere zumindest eine Kohlefaser. Alternativ kann das mindestens eine Leitelement auch aus einem anderen leitfähigen Material bestehen.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Stromübertragungselement ein Basiselement aufweist, an dem sich das Fe- derelement abstützt. Das Basiselement ist im Wesentlichen hülsenförmig und weist eine Struktur auf, an der sich das Federelement abstützen kann. Diese Struktur kann beispielsweise ein Steg sein. Mit Vorteil ist vorgesehen, dass das mindestens eine Leitelement von Strukturen des Basiselements und/oder des Gleitelements gehalten oder zumindest geführt wird. Dabei wird das den Leitungspfad bildende Leitelement/werden die den Leitungspfad bildenden Leitelemente vom Basiselement und/oder Gleitelement (voll)umfänglich um- geben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bewegung der beiden Bauteile relativ zu einander eine Drehbewegung ist. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass das zweite Bauteil eine Welle ist. Das erste Bauteil ist dann beispielsweise ein Lagerteil zur Lagerung der Welle.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Stromübertragungselement in/an dem Grundteil mittels einer Lagereinrichtung verlagerbar gelagert ist. Die Lagereinrichtung weist bevorzugt mehrere Lager auf.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Stromübertragungselement in/an dem Grundteil linear verlagerbar gelagert.

Schließlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Federelement als eine Druckfeder ausgebildet ist.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt die

Fig. 1 : eine Anordnung aus zwei sich relativ zueinander bewegenden Bauteilen und einer Potentialausgleichsvorrichtung zum Ausgleich der elektrischen Potentialen dieser beiden Bauteile gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt in einer teilweisen Schnittdarstellung eine Anordnung aus einer Potentialausgleichsvorrichtung 10 zum Ausgleich von elektrischen Potentialen zweier sich relativ zueinander bewegenden Bauteile 12, 14 sowie Teilen dieser beiden Bauteile 12, 14. Dabei ist das erste dieser Bauteile 12 als Gehäusebauteil und das zweite die- ser Bauteile 14 als um eine Achse A drehende (Pfeil D) Welle ausgebildet. Die Relativbewegung der beiden Bauteile 12, 14 ist im Beispiel somit eine Drehbewegung. Die Potentialausgleichsvorrichtung 10 ist über eine als Verschraubung ausgebildete Befestigungsstruktur 16 fest mit dem ersten Bauteil 12 verbunden.

Die Potentialausgleichsvorrichtung 10 umfasst ein die Befestigungsstruktur 16 aufweisendes hülsenartiges Grundteil 18 zur direkten Befestigung am ersten Bauteil 12, wobei dieses Grundteil 18 eine Blechhülse 20 aufweist beziehungsweise als Blechhülse 20 ausgebildet ist. Weiterhin umfasst die Potentialausgleichsvorrichtung 10 ein in dem Grundteil 18 mittels einer Lagervorrichtung 22 verlagerbar gelagertes Stromübertragungselement 26, das mindestens einen elektrischen Leitungspfad bildet, sowie ein Federelement 24 zur Beaufschlagung des Strom Übertragungselements 26 mit einer mechanischen Vorspannung. Das Stromübertragungselement 26 weist ein im Wesentlichen hülsenförmiges Basiselement 28 mit einem Steg 30 im Inneren dieser Hül- senform auf, an dem sich das Federelement 24 abstützt. Zur Ausbildung des zumindest einen Leitungspfades weist das Stromübertragungselement 26 mindestens ein kohlenstoffbasiertes Leitelement 32 auf. Im vorliegenden Beispiel sind mehrere Leitelemente vorgesehen, die als Kohlefasern ausgebildet sind. Das Federelement 24 beaufschlagt das Stromübertragungselement 26 derart mit mechanischen Vorspan- nung, dass ein freies Ende 34 des Stromübertragungselements 26 aus dem Grundteil 18 in Richtung des als Welle ausgebildeten zweiten Bauteils 14 herausragt und dieses zweite Bauteil 14 kontaktiert. Am freien Ende 34 des Stromübertragungselements 26 ist weiterhin ein als Gleithülse ausgebildetes reibungsarmes Gleitelement 36 des Stromübertragungselements 26 angeordnet. Dieses Element besteht aus PTFE (Poly- tetrafluorethylen), ist also ein PTFE-Element, welches sich durch einen sehr geringen Reibungskoeffizienten auszeichnet. Die Gleithülse umgibt die Leitelemente 32 im Bereich des freien Endes 34 und kapselt die Leitelemente 32 dadurch nach außen hin ab. Die von den Leitelementen 32 gebildeten Leitungspfade verlaufen parallel zu einander und reichen von einem Befestigungselement 38, durch das die Leitelemente 32 an dem Grundteil 18 elektrisch leitend befestigt sind, bis zu dem freien Ende 34 des Stromübertragungselements 26, wobei das Grundteil 18 zum elektrischen Verbinden mit dem ersten Bauteil 12 und das freie Ende 34 des Stromübertragungselements 26 zum Kontaktieren des zweiten Bauteils 14 dient. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Bauteilen 12, 14 erfolgt also über die Komponenten: erstes Bauteil 12 - Grundteil 18 beziehungsweise dessen Hülse 20 - Leitelemente 32 - zweites Bauteil. Die Bauteile 12, 14 und der Potentialausgleichsvorrichtung 10 sind dabei so angeordnet, dass die Richtung, in der das Stromübertragungselement 26 linear verschieblich gelagert ist, bezüglich des zweiten Bauteils 14 und seiner Drehachse A, eine radiale Richtung ist. Das Federelement 24 drückt also das freie Ende 34 des Stromübertragungselements 26 radial auf die Mantelfläche des als Welle ausgebildeten zweiten Bauteils 14.

Es ergeben sich folgende Vorteile:

1 . Zuverlässiger Schutz gegen Schäden an geschmierten Lagerbauteilen, die durch Funkenbildung entstehen,

2. Gewährleistung eines Potentialausgleichs zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Bauteilen 12, 14,

3. sehr geringe Reibung durch die PTFE Kontaktflächen und

4. Kosten der Vorrichtung, die deutlich geringer sind als Lösungen, wie beispiels- weise ein SGR (Shaft Grounding Ring).

Im Folgenden soll die Erfindung noch einmal mit anderen Worten beschrieben werden: Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 hat zum Ziel, eine permanente Stromleitung zwischen bewegten, insbesondere rotierenden, Bauteilen 12, 14 herzustellen.

Der Aufbau der Vorrichtung 10 ist wie folgt: Das federnd gelagerte Stromübertragungselement 26 wird in das Gehäuse 12 eingebracht, wobei es vorteilhafter Weise geschraubt oder geklemmt wird, um so eine reversible Verbindung herzustellen. Der elektrische Leitungspfad wird mittels Kohlefasern 32 zwischen der drehenden Welle 14 und dem Gehäuse 12 realisiert. Der Abstand zwischen federnd gelagerten Element 26 und der Welle 14 wird mittels der rei- bungsarmen Hülse 36 sichergestellt, die vorteilhafter Weise aus PTFE hergestellt ist. Etwaiger Verschleiß oder Unrundheiten der Welle 14 werden durch die Federanstellung mittels Federelement 24 ausgeglichen. Weiterhin sind modifizierte Ausführungen des Stromübertragungselements 26 denkbar:

PTFE-Hülse mit komplett eingebetteten Fasern 32,

Unterschiedliche Positionierung der Kohlefasern 32,

Abweichende Werkstoffe für die Gleithülse 36,

- breiterer Kohlekontakt anstatt Fasern,

Vereinfachter Innenaufbau der Vorrichtung 10,

gefederter Kohlestift anstatt Hülse 28 mit Fasern 32 und

einteilige gefederte PTFE-Hülse mit eingebetteten Fasern ohne Blech- Führungshülse 20.

Bezuqszeichenliste

10 Potentialausgleichsvorrichtung

12 Bauteil, erstes (Gehäusebauteil)

14 Bauteil, zweites (Welle)

16 Befestigungsstruktur (Verschraubung)

18 Grundteil

20 Hülse (Blech-)

22 Lagereinrichtung

24 Federelement (Druckfeder)

26 Stromübertragungselement

28 Basiselement, hülsenförmig

30 Steg

32 Leitelement (Kohlefasern)

34 freies Ende (Stromübertragungselement)

36 Gleitelement (PTFE-Element)

38 Befestigungselement

A Drehachse

D Pfeil (Drehrichtung)

Claims

Patentansprüche

1 . Potentialausgleichsvorrichtung (10) zum Ausgleich von elektrischen Potentialen zweier sich relativ zueinander bewegenden Bauteile (12, 14), mit

einem Grundteil (18) zur direkten oder indirekten Befestigung am ersten Bauteil

(12),

einem an oder in dem Grundteil (18) verlagerbar gelagerten Stromübertragungselement (26), das mindestens einen elektrischen Leitungspfad zwischen dem Grundteil (18) und einem freien Ende (34) des Stromübertragungselements (26) zum Kontaktieren des zweiten Bauteils (14) bildet, und

einem Federelement (24) zur Beaufschlagung des Stromübertragungselements (26) mit einer derartigen Vorspannung, dass das freie Ende (34) des Stromübertragungselements (26) zur Kontaktierung des zweiten Bauteils (14) gegenüber dem Grundteil (18) herausragt, wobei das Stromübertragungselement (26) ein reibungsarmes Gleitelement (36) aufweist, das an dem freien Ende (34) des Stromübertragungselements (26) angeordnet ist oder bis zu diesem freien Ende (34) reicht.

2. Potentialausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das reibungsarme Gleitelement (36) ein PTFE-Element ist.

3. Potentialausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass das Stromübertragungselement (26) zur Ausbildung des zumindest einen Leitungspfades mindestens ein kohlenstoffbasiertes Leitelement (32), insbesondere zumindest eine Kohlefaser, aufweist.

4. Potentialausgleichsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromübertragungselement (26) ein Basiselement (28) aufweist, an dem sich das Federelement (24) abstützt.

5. Potentialausgleichsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Leitelement (32) von Strukturen des Basiselements (28) und/oder des Gleitelements (36) gehalten oder zumindest geführt wird.

6. Potentialausgleichsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Bewegung der beiden Bauteile (12, 14) relativ zu einander eine Drehbewegung ist.

7. Potentialausgleichsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (14) eine Welle ist.

8. Potentialausgleichsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromübertragungselement (26) in/an dem Grundteil (18) mittels einer Lagereinrichtung (22) verlagerbar gelagert ist.

9. Potentialausgleichsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromübertragungselement (26) in/an dem Grundteil (18) linear verlagerbar gelagert ist.

10. Potentialausgleichsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (24) als eine Druckfeder ausgebildet ist.