Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schutzelement zum Schutz eines mechanischen Lagers vor Beschädigung durch elektrische Entladung. Die Erfindung betrifft außerdem eine Lageranordnung mit diesem Schutzelement.

Bei elektrischen Maschinen die mechanische Lager aufweisen, kommt es regelmäßig zu sprunghaften Stromübergängen über die Lagerteile, was zu Schäden an diesen führt. Es sind Lagerschutzringe bekannt, die in mechanischen Lagern einsetzbar sind, die mittels am Umfang verteilter Kohlefaserbürsten elektrische Spannung/Ströme ableiten können. Eine Schutzfunktion gegenüber eindringendem Schmutz oder ähnlichem bieten diese Lagerschutzringe nicht, womit auch die elektrische Leitfähigkeit eingeschränkt wird.

In der DE 10 2009 036 856 A1 wird eine elektrische Maschine mit einem Wälzlager beschrieben, die in einem Raum zwischen dem Innenring und dem Außenring eine Flüssigkeit aufweist, die das Wälzlager vor elektrischen Durchschlägen schützt.

Die DE 10 2014 204 719 A1 beschreibt eine Wälzlagereinheit mit einem Schutz vor Beschädigung durch elektrische Entladungen, die neben einem inneren und einem äußeren Lagerring, Wälzkörper und einen Schutzschild aufweist. Der Schutzschild ist zwischen den Lagerringen angeordnet und weist an der Oberfläche eines Körperteils eine ström leitende Dichtung sowie ein ström leitendes Element auf.

In der DE 10 2017 108 887 A1 wird ein Schutzelement vorgestellt, welches dem Schutz eines mechanischen Lagers vor Beschädigung durch elektrische Entladung dient. Das Schutzelement ist in der Form einer Scheibe ausgebildet, wobei diese an einer ersten und einer zweiten Kontaktfläche axial anliegt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein Schutzelement zur Verfügung zu stellen, welches ein mechanisches Lager in verbesserter Form vor Stromdurchgangsschäden schützt. Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch ein Schutzelement gemäß dem beigefügten Anspruch 1 . Weiterhin erfolgt die Lösung durch eine Lageranordnung gemäß dem Anspruch 7.

Das erfindungsgemäße Schutzelement dient dem Schutz eines mechanischen Lagers vor Beschädigung durch elektrische Entladung, wobei das Schutzelement in das mechanische Lager einbaubar ist. Das Schutzelement besteht aus einem Verbundwerkstoff. Verbundwerkstoffe bestehen bekanntermaßen aus zwei oder mehr Materialien. Bevorzugt ist der Verbundwerkstoff, aus dem das Schutzelement besteht, ein Faserverbundwerkstoff. Faserverbundwerkstoffe sind bekanntermaßen eine Kombination aus Teilchen oder Fasern die in einer weiteren Komponente, der Matrix, eingebettet sind. Der Verbundwerkstoff des Schutzelements weist Kohlenstofffasern auf. Das Schutzelement ist als eine elastische Scheibe ausgebildet, die einen ersten und einen zweiten Kontaktbereich aufweist. Die elastische Scheibe umfasst die Kohlenstofffasern und ist demnach elektrisch leitfähig. Der erste Kontaktbereich ist an einem ersten Scheibenradius, radial oder axial, und der zweite Kontaktbereich ist radial, axial oder schräg an einem zweiten Scheibenradius angeordnet. Der erste Kontaktbereich ist axial oder radial unmittelbar an einem ersten Lagerring anlegbar, wodurch ein Kontakt zwischen Schutzelement und erstem Lagerring aufgebaut wird. Der zweite Kontaktbereich ist radial, axial oder schräg unmittelbar an einem zweiten Lagerring anlegbar, wodurch ein Kontakt zwischen Schutzelement und zweitem Lagerring aufgebaut wird. Die beiden Kontaktbereiche sind elektrisch leitfähig ausgebildet. Zusammen mit den im Verbundwerkstoff befindlichen Kohlenstofffasern bilden die Kontaktbereich einen elektrischen Pfad aus, über den elektrische Ströme fließen können. In der Regel bedient sich der Verwender Faserverbundscheiben, die aus vorgefertigten Halbzeug, zumeist Platinen, erzeugt, d.h. mechanisch oder durch Laserschneiden konfektioniert und anschließend endbearbeitet werden. Dies hat den Hintergrund, dass große Platinen einfach und kostengünstig gefertigt werden können. Die Kohlenstofffasern, zumeist als Gewebe vorliegend, sind dabei entweder in 0°, 45° oder 90°, oder einer Kombination, zur Platinenlängsachse ausgerichtet. In dem hier vorliegenden Sonderfall kommen ausgerichtete Kohlenstofffasern zum Einsatz, die im Verbundelement gleichmäßig zentrisch zum Mittelpunkt des Schutzelements ausgerichtet sind. Dies hat den Vorteil, dass eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit zu verzeichnen ist, da Kohlenstofffasern primär in Faserrichtung leitend sind und daraus folgend in der Anwendung der Stromdurchgang über beispielsweise im Lager befindliche Wälzkörper vermieden wird.

Die Kontaktbereiche des Schutzelements sind vorzugsweise aus Kohlenstofffasern gebildet, damit die elektrische Leitfähigkeit sichergestellt ist. Alternativ bevorzugt bestehen die Kontaktbereiche aus einem anderen Material, welches elektrisch leitfähig ist. Die Kontaktbereiche sind bevorzugt polyamidfrei ausgebildet.

Die Matrix des Verbundwerkstoffs besteht bevorzugt aus einem Kunststoff. Besonders bevorzugt besteht die Matrix aus Polyamid. Alternativ bevorzugt besteht die Matrix aus PET, PPA, PPS, PEEK oder Polyimid.

In einer Ausführungsform besteht der Verbundwerkstoff aus einer Kunststoffmatrix mit eingebetteten Kohlenstofffasern sowie einem weiteren leitfähigen Füllstoff. Der Füllstoff ist bevorzugt ein Metall. Alternativ bevorzugt ist der Füllstoff ein Grafit. Der elektrisch leitfähige Füllstoff dient der Optimierung der Funktionalität der Strom - ableitung. Grafit bietet den Vorteil, dass es im Falle des Gleitkontakts aufgrund seiner Schichtstruktur eine verminderte Reibung aufweist. Ebenso wird durch den Verbundwerkstoff mit dem weiteren Füllstoff die thermische Leitfähigkeit erhöht, so dass bei auftretenden Reibungen die Wärme besser abgeführt werden kann.

Die Kohlenstofffasern (16) in den nicht zur Bewegung vorgesehenen Kontaktbereich (11 oder 12) des Schutzelements sind freiliegend ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass besonders wenig Reibung zwischen der Kontaktfläche und der Scheibe auftritt, da in diesem Bereich eine erhöhte Elastizität, durch den Entfall des Matrixgewebes vorliegt. Um ggf. ein Ausfransen des Gewebes oder der Faseranordnung, sowie auch ein durch Bewegungsrichtungswechsel hervorgerufenes Abrechen der Faserspitzen, zu vermeiden, ist ein Schutz gegen Ausfransen sowie Verlust der Fasern und Faserspitzen vorgesehen. Dieser Schutz ist mittels konzentrischen Abnähens im freien Faserbereich realisiert. Dies stabilisiert die Fasern und realisiert einen Faserverbund durch Einbringen eines Gams oder Fadens, der sowohl aus Kohlefasern hergestellt sein kann, oder auch durch ein anderes leitendes oder nichtleitendes Material.

In einer weiteren Ausführungsform kann das Schutzelement (02) an einem den ersten Kontaktbereich (11 ) aufweisenden Radius einen dritten Kontaktbereich (13) aufweisen, die der ersten Kontaktfläche (11 ) axial gegenüberliegt, wobei die dritte Kontaktfläche (13) an einem weiteren Bauteil (09) anlegbar ist. Desweiteren kann ein radial außenliegender Bereich (14) vorhanden sein.

Die zugehörige Lageranordnung umfasst einen ersten Lagerring und einen zweiten Lagerring, wobei beide Lagerringe um eine gemeinsame Achse relativ zueinander rotierbar sind. Zwischen den Lagerringen sind Wälzkörper angeordnet. Weiterhin umfasst die Lageranordnung ein Schutzelement, welches dem zuvor beschriebenen Schutzelement entspricht. Das Schutzelement dient dem Schutz der Lagerringe und insbesondere der Wälzkörper vor Beschädigung durch elektrische Entladung. Der erste Kontaktbereich des Schutzelements liegt an dem ersten Lagerring an. Der zweite Kontaktbereich des Schutzelements liegt an dem zweiten Lagerring an. Vorzugsweise ist der erste Lagerring ein Außenring des Lagers und der zweite Lagerring ein Innenring des Lagers. Alternativ bevorzugt ist der erste Lagerring ein Innenring und der zweite Lagerring ein Außenring des Lagers.

Die Geometrie des Schutzelements, wie Größe oder Durchmesser, kann entsprechend des einzustellenden Übergangswiderstands sowie des geforderten Reibmoments angepasst werden.

In einer Ausführungsform ist das Schutzelement zwischen dem ersten Lagerring und einem Gehäusebauteil o.ä. angeordnet bzw. eingespannt, wobei die erste Kontaktfläche an dem ersten Lagerring und die dritte Kontaktfläche an dem Gehäusebauteil anliegt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen: Fig. 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lageranordnung mit Schutzelement,

Fig. 2 eine Vorderansicht des Schutzelements,

Fig. 3 eine Vorderansicht des Schutzelements in einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lageranordnung 01 mit einem erfindungsgemäßen Schutzelement 02. Die Lageranordnung 01 umfasst neben dem Schutzelement 02 einen Außenlagerring 03 und einen Innenlagerring 04. Zwischen den Lagerringen 03, 04 sind Wälzkörper 06 angeordnet, die auf Ringbahnen 07 abrollen. Der Wälzkörper weist einen teilweise umgebenden Wälzkörperkäfig 08 auf. An dem Außenlagerring 03 ist ein Gehäuse 09 angeordnet. Axial zwischen dem Gehäuse 09 und dem Außenlagerring 03 ist das scheibenförmige Schutzelement 02 eingespannt. Das Schutzelement 02 besteht aus einem Faserverbundwerkstoff, welcher aus einer Polyamidmatrix bzw. Kunststoffmatrix und darin angeordneten Kohlenstofffasern zusammengesetzt ist. Der Kunststoff bestimmt die Elastizität des Schutzelements 02. Das Schutzelement 02 weist mehrere Kontaktbereiche auf, wobei ein erster Kontaktbereich 11 axial an dem Schutzelement ausgebildet ist und das Schutzelement mit diesem Kontaktbereich 11 an dem Außenlagerring 03 anliegt. Auf der gleichen axialen Seite des Schutzelements 02 weist dieses einen zweiten Kontaktbereich 12 auf, mit der das Schutzelement 02 an dem Innenlagerring 04 anliegt. Je nach Montagesituation kann der elektrische Kontakt zudem oder ausschließlich über einen axial außenliegender Kontaktbereich 14 erfolgen. Während des Betriebs des Lagers, gleitet der zweite Kontaktbereich 12 entlang des Innenlagerings 04. Dem ersten Kontaktbereich 11 liegt axial gegenüber ein dritter Kontaktbereich 13. Das Schutzelement 02 liegt mit dem dritten Kontaktbereich 13 an dem Gehäuse 09 an. Die Kontaktbereiche 11 , 12, 13, 14 sind elektrisch leitfähig ausgebildet. Zusammen mit den im Verbundwerkstoff befindlichen Kohlenstofffasern bilden die Kontaktbereiche 12 und 11 und / oder 13 und / oder 14 einen elektrischen Pfad aus, über den elektrische Ströme fließen können. Das Schutzelement 02 dient somit dem Schutz des Lagers und insbesondere der Wälzkörper 06 vor elektrischen Entladungen. Ebenso schützt das Schutzelement 02 vor dem Eindringen von Verunreinigungen in das Lager. Die Kohlenstofffasern des Verbundelements sind gleichmäßig zentrisch zum Mittelpunkt des Schutzelements 02 ausgerichtet.

Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht des Schutzelements. Hierbei sind die ausgerichtete Kohlenstofffasern des Verbundelements gleichmäßig zentrisch zum Mittelpunkt M des Schutzelements ausgerichtet. Dies hat den Vorteil, dass eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit zu verzeichnen ist und daraus folgend in der Anwendung der Stromdurchgang über beispielsweise im Lager befindliche Wälzkörper vermieden werden. Die Kontaktflächen 11 , 13, 14 sind elektrisch leitfähig ausgebildet, sowie auch der Kontaktbereich 12, der radial, axial oder schräg an der Kontaktfläche 18 anliegen kann.

Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht des Schutzelements, wobei am, die Kontaktfläche 18 kontaktierenden Bereich, die offenen Fasern durch Abnähen oder Sticken 15 einen Zusammenhalt haben. Optional ist es auch möglich, im Bereich 11 , 13, 14, den Kohlenstofffasern 16 mit selbigen oder anderen Verfahren einen Zusammenhalt zu geben.

Bezuqszeichenliste

01 Lageranordnung

02 Schutzelement

03 Außenlagerring

04 Innenlagerring

05 -

06 Wälzkörper

07 Ringbahn

08 Wälzkörperkäfig

09 Gehäuse

10 -

11 erster Kontaktbereich

12 zweiter Kontaktbereich

13 dritter Kontaktbereich

14 vierter Kontaktbereich

15 Sticknaht

16 Kohlenstofffaser

17 Kunststoffmatrix

18 Kontaktfläche