WO2023041468A1 - Kontaktierungsring zum elektrischen potenzialausgleich an rotierenden wellen - Google Patents

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Thomas Meinerz
Michael Griesbach
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • H01R13/33—Contact members made of resilient wire

Definitions

  • the present invention relates to a contact ring for electrical potential equalization on rotating shafts, in particular on rotating shafts of a transmission of a motor vehicle according to the preamble of patent claim 1 .
  • DE 199 45492 A1 discloses a device for the contacting transmission of electrical signals or energy by means of rolling bodies, consisting of a first and a second part that can be rotated or translated relative to one another and rolling bodies in the axial, vertical or oblique direction between the two parts, wherein the rolling elements are specifically dimensioned so that they cannot come into contact with both parts at the same time.
  • US 2018/0047547 A1 discloses a slip ring with a conductive rotor which can be rotated about an axis of rotation, with a conductive stator which is arranged coaxially with the rotor, a conductive ball which is arranged between the rotor and the stator to form an electrical path between the rotor and the stator and with a conductive coil spring which is provided between the ball and either the rotor or the stator and extends in a circumferential direction with respect to the axis of rotation to be in contact with the ball and either the rotor or to be in contact with the stator.
  • grounding rings comprising conductive brush hairs made of carbon fibers, the brush bristles pointing in the direction of the center of the shaft and grazing over the rotating shaft.
  • the resistance to wear proves to be insufficient, since the brush hairs wear out heavily and shorten so much before the required mileage is reached that they only make insufficient electrical contact with the shaft, which increases the impedance by a factor of around 100.
  • the present invention is based on the object of specifying a contacting ring for electrical potential equalization on rotating shafts.
  • a contacting ring for electrical potential equalization on rotating shafts which has a plurality of electrically conductive, loosely arranged contact bodies, viewed axially between two mutually parallel electrically conductive annular disks and viewed radially between the shaft to be contacted and a circumferential spring designed as a prestressed spiral spring are arranged, with the contact bodies being pressed radially against the rotating shaft surface over the entire shaft circumference by means of the prestressed spiral spring, so that a circumferential contact body is formed between the shaft to be contacted, the circumferential spring and the two parallel ring disks - Reservoir is formed.
  • the circumferential spring is preferably made of metal.
  • the maximum expansion of the contact bodies is smaller by at least a factor of 2 than the difference between the inside diameter of the ring disks and the inside diameter of the peripheral spring, so that in a contacting ring according to the invention without wear, viewed radially, at least two contact body layers are provided.
  • the contact bodies can be spherical; for example, the contact bodies can be designed as bronze balls. Furthermore, the contact bodies can be embodied as cylindrical discs, for example made of bronze, with this configuration in particular further increasing the packing density, so that an even more compact design is made possible in an advantageous manner.
  • the two ring disks are connected to one another at least on their inner diameter and optionally also on their outer diameter to increase stability and to protect against contamination, and are thus kept parallel to one another at a distance.
  • connection of the two ring disks takes place at their inner diameter by means of individual webs, the distance between which is selected to be large enough for the contact bodies to pass through in order to touch the shaft.
  • the circumferential gap between the shaft surface and the inner diameter of the ring disks is dimensioned in such a way that no contact bodies can escape and that the abrasion caused by wear can escape.
  • the individual contact bodies wear out, due to the force of the peripheral spring, further contact bodies move out of the reservoir to contact the shaft. If the entire supply of contact bodies were ever used up due to wear, the webs connecting the two ring disks at their inner diameter would prevent the circumferential spring itself from coming into contact with the rotating shaft, which could damage the shaft surface.
  • the webs on the inside diameter of the contacting ring also advantageously serve as an anti-twist device, so that the loose contact bodies do not rotate together with the shaft.
  • a further advantage of the concept according to the invention is that imperfect concentricity of the shaft is compensated for, since there are always several contact bodies distributed over the entire shaft circumference in contact with the shaft.
  • the current path to the electrical equipotential bonding runs via all contact points in the contacting ring between the contact bodies and up to the ring disks, with further contacting via the two ring disks to the outside, e.g. to a housing.
  • the design according to the invention also creates a contacting ring with a very compact design, with the available space being used optimally.
  • the preloaded peripheral spring generates a radial force towards the center of the shaft, which automatically adjusts the contact bodies so that the contact surface is continuously renewed, which significantly increases the service life.
  • the size of the contact body reservoir can be scaled so that a different number of contact bodies can be carried.
  • Figure 1 A schematic side sectional view of an embodiment of a contacting ring according to the invention.
  • FIG. 2 A sectional view along the line A-A from FIG.
  • a contact ring 1 according to the invention is shown. It comprises a plurality of electrically conductive, loosely arranged contact bodies 2 which, viewed axially, are arranged between two electrically suffering annular disks 3, 4 arranged parallel to one another and, viewed radially, between the shaft 5 to be contacted and a circumferential spring 6 designed as a prestressed spiral spring.
  • the contacting ring has a housing which is formed by the two annular discs 3, 4 and the peripheral spring, in which the contact bodies 2 are arranged.
  • the maximum expansion of the contact body 2 is smaller by at least a factor of 2 than the distance between the inner diameter of the annular discs 3, 4 and the inner diameter of the peripheral spring 6, so that in a contacting ring 1 without wear, viewed radially, at least two contact body layers are provided. In the example shown, two to three contact body layers are provided, viewed radially.
  • the two ring disks 3, 4 are connected to one another at their inner diameter, with the two ring disks 3, 4 being connected at their inner diameter by means of individual webs 7, the distance between which is selected in such a way that the contact bodies 2 pass through to touch shaft 5.
  • the webs 7 are preferably arranged equidistantly from one another.
  • the two ring disks 3, 4 are also connected to one another at their outer diameter by suitable means, as a result of which the stability is increased.
  • the circumferential gap 8 between the shaft surface and the inner diameter of the ring disks 3, 4 is dimensioned in such a way that no contact bodies 2 can escape and that the abrasion caused by the wear of the contact bodies 2 can escape.

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Abstract

Es wird ein Kontaktierungsring (1) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) vorgeschlagen, welcher mehrere elektrisch leitfähige, lose angeordnete Kontaktkörper (2) aufweist, die axial betrachtet zwischen zwei parallel zueinander angeordneten elektrisch leitenden Ringscheiben (3, 4) und radial betrachtet zwischen der zu kontaktierenden Welle (5) und einer als vorgespannte Spiralfeder ausgeführten Umfangsfeder (6) angeordnet sind, wobei die Kontaktkörper (2) mittels der vorgespannten Spiralfeder (6) über den gesamten Wellenumfang radial gegen die rotierende Wellenoberfläche gedrückt werden, so dass zwischen der zu kontaktierenden Welle (5), der Umfangsfeder (6) und den beiden Ringscheiben (3, 4) ein umlaufendes Kontaktkörper-Reservoir gebildet wird.

Description

Kontaktierunqsrinq zum elektrischen Potenzialausqleich an rotierenden Wellen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktierungsring zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen, insbesondere an rotierenden Wellen eines Getriebes eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, zur Erdung bzw. zum elektrischen Potenzial- ausgleich bei rotierenden Wellen Kontaktierungsvorrichtungen zu verwenden, um Stromschäden von Wälzlagern abzuwenden und/oder um die EMV-Abstrahlung eines Produkts zu verringern. Hierbei ist eine möglichst niedrige Impedanz der Kontaktierungsvorrichtungen über die gesamte Lebensdauer hinweg von entscheidender Bedeutung. Bekannte Kontaktierungsvorrichtungen benötigen viel Bauraum und besitzen oft eine zu geringe Lebensdauer, d.h. die Impedanz wird im Laufe der Zeit unzulässig groß.
Aus der DE 199 45492 A1 ist eine Vorrichtung zur kontaktierenden Übertragung elektrischer Signale bzw. Energie mittels Wälzkörper bekannt, bestehend aus einem ersten und einem zweiten gegeneinander rotatorisch oder translatorisch bewegbaren Teil sowie Wälzkörpern in axialer, vertikaler oder in schräger Richtung zwischen den beiden Teilen, wobei die Wälzkörper gezielt so dimensioniert sind, dass sie nicht gleichzeitig mit beiden Teilen in Kontakt treten können.
Aus der US 2018/0047547 A1 ist ein Schleifring mit einem leitenden Rotor, der um eine Drehachse drehbar ist, mit einem leitenden koaxial zum Rotor angeordneten Stator, einer leitenden Kugel, die zwischen dem Rotor und dem Stator angeordnet ist, um einen elektrischen Pfad zwischen dem Rotor und dem Stator zu bilden und mit einer leitenden Schraubenfeder, welche zwischen der Kugel und entweder dem Rotor oder dem Stator vorgesehen ist und sich in einer Umfangsrichtung in Bezug auf die auf die Drehachse erstreckt, um in Kontakt mit der Kugel und entweder dem Rotor oder dem Stator in Kontakt zu stehen. Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, zur Erdung bzw. zum elektrischen Potenzialausgleich bei rotierenden Wellen mechanisch vorgespannte und elektrisch leitfähige Einzelkontakte zu verwenden, welche die rotierende Welle berühren. In nachteiliger Weise weisen derartige Kontaktierungsvorrichtungen eine mangelhafte Verschleißfestigkeit, d.h. die Impedanz überschreitet vor Erreichen der erforderlichen Laufleistung bereits den maximal zulässigen Wert von 10 Ohm.
Ferner sind Erdungsringe bekannt, umfassend leitfähige Pinselhaare aus Kohlefasern wobei die Pinselborsten in Richtung des Wellenzentrums weisen und über die rotierende Welle streifen. Auch in diesem Fall erweist dich die Verschleißfestigkeit als mangelhaft, da die Pinselhaare stark verschleißen und sich vor Erreichen der geforderten Laufleistung so stark einkürzen, dass sie die Welle nur noch unzureichend elektrisch kontaktieren, was die Impedanz um einen Faktor vom ca. 100 erhöht.
Des Weiteren ist bekannt, zur Erdung bzw. zum elektrischen Potenzialausgleich bei rotierenden Wellen federvorgespannte Kontaktkohlefasern zu verwenden; in nachteiliger Weise sind mehrere Kontakte erforderlich, damit eine konstant niedrigimpedante elektrische Kontaktierung erzielt werden kann, da die Kontakte von der rotierenden Welle durch Unrundheit der Welle, Vibrationen etc. abheben; zudem ist der erforderliche Bauraum groß.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kontaktierungsring zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Demnach wird ein Kontaktierungsring zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen vorgeschlagen, welcher mehrere elektrisch leitfähige, lose angeordnete Kontaktkörper aufweist, die axial betrachtet zwischen zwei parallel zueinander angeordneten elektrisch leitenden Ringscheiben und radial betrachtet zwischen der zu kontaktierenden Welle und einer als vorgespannte Spiralfeder ausgeführten Umfangsfeder angeordnet sind, wobei die Kontaktkörper mittels der vorgespannten Spiralfeder über den gesamten Wellenumfang radial gegen die rotierende Wellenoberfläche gedrückt werden, so dass zwischen der zu kontaktierenden Welle, der Umfangsfeder und den beiden parallelen Ringscheiben ein umlaufendes Kontaktkörper- Reservoir gebildet wird. Die Umfangsfeder ist vorzugsweise aus Metall hergestellt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die maximale Ausdehnung der Kontaktkörper um zumindest den Faktor 2 kleiner als die Differenz zwischen dem Innendurchmesser der Ringscheiben und dem Innendurchmesser der Umfangsfeder, so dass bei einem erfindungsgemäßen Kontaktierungsring ohne Verschleiß radial betrachtet zumindest zwei Kontaktkörperschichten vorgesehen sind.
Die Kontaktkörper können kugelförmig ausgeführt sein; beispielsweise können die Kontaktkörper als Bronzekugeln ausgeführt sein. Ferner können die Kontaktkörper als zylindrische Scheiben, beispielsweise aus Bronze ausgeführt sein, wobei durch diese Ausgestaltung insbesondere die Packungsdichte weiter erhöht wird, so dass in vorteilhafter Weise eine noch kompaktere Bauform ermöglicht wird.
Die beiden Ringscheiben sind mindestens an ihrem Innendurchmesser und zur Erhöhung der Stabilität und zum Schutz vor Verschmutzung optional auch an ihrem Außendurchmesser miteinander verbunden und werden dadurch parallel zueinander auf Distanz gehalten. Hierbei ist vorgesehen, dass die Verbindung der beiden Ringscheiben an ihrem Innendurchmesser mittels einzelner Stege erfolgt, deren Abstand zueinander groß genug gewählt ist, dass die Kontaktkörper hindurchpassen, um die Welle zu berühren.
Des Weiteren ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung der um laufende Spalt zwischen der Wellenoberfläche und dem Innendurchmesser der Ringscheiben derart bemessen, dass keine Kontaktkörper entweichen können und dass der durch den Verschleiß entstehende Abrieb entweichen kann. Wenn die einzelnen Kontaktkörper verschleißen, rücken bedingt durch die Kraft der Umfangsfeder weitere Kontaktkörper aus dem Reservoir zum Kontaktieren der Welle nach. Würde jemals der gesamte Vorrat an Kontaktkörpern durch Verschleiß verbraucht, so verhindern die der Verbindung der beiden Ringscheiben an ihrem Innendurchmesser dienenden Stege dass die Umfangsfeder selbst mit der um laufenden Welle in Berührung kommt, was zu einer Beschädigung der Wellenoberfläche führen kann.
Die Stege am Innendurchmesser des Kontaktierungsrings dienen zudem in vorteilhafter Weise auch als Verdrehsicherung, damit die losen Kontaktkörper nicht gemeinsam mit der Welle umlaufen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Konzeption besteht darin, dass ein nicht perfekter Rundlauf der Welle ausgeglichen wird, da sich immer mehrere Kontaktkörper über den gesamten Wellenumfang verteilt in Kontakt mit der Welle befinden.
Der Strompfad zum elektrischen Potenzialausgleich verläuft über alle im Kontaktierungsring existierenden Berührpunkte zwischen den Kontaktkörpern bis hin zu den Ringscheiben, wobei die weitere Kontaktierung über die beiden Ringscheiben nach außen, z.B. an ein Gehäuse erfolgt.
Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird zudem ein Kontaktierungsring mit einer sehr kompakten Bauform geschaffen, wobei der zur Verfügung stehende Bauraum optimal genutzt wird.
Durch die vorgespannte Umfangsfeder wird eine Radialkraft zum Wellenzentrum hin erzeugt, wodurch die Kontaktkörper automatisch nachgeführt werden, so dass die Kontaktfläche kontinuierlich erneuert wird, was die Lebensdauer signifikant erhöht. Das Kontaktkörperreservoir ist je nach Anwendung in seiner Größe skalierbar, sodass unterschiedlich viele Kontaktkörper mitgeführt werden können. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert, wobei lediglich die Merkmale detailliert beschrieben werden, die für die vorliegende Erfindung von Bedeutung sind. Es zeigen:
Figur 1 : Eine schematische Seitenschnittansicht einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kontaktierungsringes; und
Figur 2: Eine Schnittansicht entlang der Linie A-A aus Figur 1 .
In Figuren 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßer Kontaktierungsring 1 dargestellt. Er umfasst mehrere elektrisch leitfähige, lose angeordnete Kontaktkörper 2, die axial betrachtet zwischen zwei parallel zueinander angeordneten elektrisch leidenden Ringscheiben 3, 4 und radial betrachtet zwischen der zu kontaktierenden Welle 5 und einer als vorgespannte Spiralfeder ausgeführten Umfangsfeder 6 angeordnet sind.
Die Kontaktkörper 2, die als Bronzekugeln oder als zylindrische Scheiben ausgeführt sind, werden mittels der vorgespannten Umfangsfeder 6 über den gesamten Wellenumfang radial gegen die rotierende Wellenoberfläche gedrückt, so dass zwischen der zu kontaktierenden Welle 5, der Umfangsfeder 6 und den beiden parallelen Ringscheiben 3, 4 ein umlaufendes Kontaktkörper-Reservoir gebildet wird. Demnach weist der Kontaktierungsring ein Gehäuse auf, welches durch die beiden Ringscheiben 3, 4 und die Umfangsfeder gebildet ist, in dem die Kontaktkörper 2 angeordnet sind.
Die maximale Ausdehnung der Kontaktkörper 2 ist um zumindest den Faktor 2 kleiner als der Abstand zwischen dem Innendurchmesser der Ringscheiben 3, 4 und dem Innendurchmesser der Umfangsfeder 6, so dass bei einem Kontaktierungsring 1 ohne Verschleiß radial betrachtet zumindest zwei Kontaktkörperschichten vorgesehen sind. Bei dem gezeigten Beispiel sind radial betrachtet zwei bis drei Kontaktkörperschichten vorgesehen. Gemäß der Erfindung und bezugnehmend auf Figur 2 sind die beiden Ringscheiben 3, 4 an ihrem Innendurchmesser miteinander verbunden, wobei die Verbindung der beiden Ringscheiben 3, 4 an ihrem Innendurchmesser mittels einzelner Stege 7 erfolgt, deren Abstand zueinander derart gewählt ist, dass die Kontaktkörper 2 hindurchpassen, um die Welle 5 zu berühren. Vorzugsweise sind die Stege 7 äquidistant zueinander angeordnet.
Im Rahmen weiterer Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass die beiden Ringscheiben 3, 4 durch geeignete Mittel auch an ihrem Außendurchmesser miteinander verbunden sind, wodurch die Stabilität erhöht wird.
Bezugnehmend auf Figur 2 ist bei dem gezeigten Beispiel der um laufende Spalt 8 zwischen der Wellenoberfläche und dem Innendurchmesser der Ringscheiben 3, 4 derart bemessen, dass keine Kontaktkörper 2 entweichen können und dass der durch den Verschleiß der Kontaktkörper 2 entstehende Abrieb entweichen kann.
Bezugszeichen Kontaktierungsring Kontaktkörper Ringscheibe Ringscheibe Welle Umfangsfeder Steg Spalt

Claims

Patentansprüche
1. Kontaktierungsring (1 ) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere elektrisch leitfähige, lose angeordnete Kontaktkörper (2) aufweist, die axial betrachtet zwischen zwei parallel zueinander angeordneten elektrisch leitenden Ringscheiben (3, 4) und radial betrachtet zwischen der zu kontaktierenden Welle (5) und einer als vorgespannte Spiralfeder ausgeführten Umfangsfeder (6) angeordnet sind, wobei die Kontaktkörper (2) mittels der vorgespannten Spiralfeder (6) über den gesamten Wellenumfang radial gegen die rotierende Wellenoberfläche gedrückt werden, so dass zwischen der zu kontaktierenden Welle (5), der Umfangsfeder (6) und den beiden Ringscheiben (3, 4) ein umlaufendes Kontaktkörper-Reservoir gebildet wird.
2. Kontaktierungsring (1 ) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringscheiben (3, 4) an ihrem Innendurchmesser miteinander verbunden sind, wobei die Verbindung der beiden Ringscheiben (3, 4) an ihrem Innendurchmesser mittels einzelner Stege (7) erfolgt, deren Abstand zueinander derart gewählt ist, dass die Kontaktkörper (2) hindurchpassen, um die Welle (5) zu berühren.
3. Kontaktierungsring (1 ) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringscheiben (3, 4) auch an ihrem Außendurchmesser miteinander verbunden sind
4. Kontaktierungsring (1 ) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Ausdehnung der Kontaktkörper (2) um zumindest den Faktor 2 kleiner als der Abstand zwischen dem Innendurchmesser der Ringscheiben (3, 4) und dem Innendurchmesser der Umfangsfeder (6), so dass bei einem Kontaktierungsring (1 ) ohne Verschleiß radial betrachtet zumindest zwei Kontaktkörperschichten vorgesehen sind.
5. Kontaktierungsring (1 ) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) nach Anspruch 1 , 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein umlaufender
8 Spalt (8) zwischen der Wellenoberfläche und dem Innendurchmesser der Ringscheiben (3, 4) derart bemessen ist, dass keine Kontaktkörper (2) entweichen können und dass der durch den Verschleiß entstehende Abrieb entweichen kann.
6. Kontaktierungsring (1 ) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) nach Anspruch 1 , 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktkörper (2) kugelförmig ausgeführt sind.
7. Kontaktierungsring (1 ) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktkörper (2) als Bronzekugeln ausgeführt sind.
8. Kontaktierungsring (1 ) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) nach Anspruch 1 , 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktkörper als zylindrische Scheiben ausgeführt sind.
9. Kontaktierungsring (1 ) zum elektrischen Potenzialausgleich an rotierenden Wellen (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsfeder (6) aus Metall hergestellt ist.
9
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