DE102011051804B4

DE102011051804B4 - Schleifringbürste mit galvanischem Multischichtsystem

Info

Publication number: DE102011051804B4
Application number: DE102011051804A
Authority: DE
Inventors: Christian Holzapfel
Original assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Current assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2031-07-14
Also published as: EP2732510A1; US20140179125A1; WO2013007458A9; EP2732510B1; US9640928B2; CN103797660A; CN103797660B; DE102011051804A1; WO2013007458A2

Abstract

Eine Schleifringanordnung umfasst eine Bürste mit einem ersten Kontaktmaterial an der Oberfläche, die auf einer Schleifbahn mit einem zweiten Kontaktmaterial an der Oberfläche aufliegt. Weiterhin weist die Schleifbahn unterhalb des zweiten Kontaktmaterials noch eine Schicht mit einem dritten Kontaktmaterial auf. Hierbei ist im Falle eines schleifenden Kontakts zwischen der Bürste und dem zweiten Kontaktmaterial der Abrieb der Bürste geringer als der des zweiten Kontaktmaterials. Um Falle eines schleifenden Kontakts zwischen der Bürste und dem dritten Kontaktmaterial ist der Abrieb der Bürste größer als dir des dritten Kontaktmaterials. Dadurch wird zuerst das zweite Kontaktmaterial der Schleifbahn abgetragen, was der normalen Lebensdauer einer Schleifbahn entspricht. Danach wird noch die Bürste gegenüber dem dritten Kontaktmaterial abgetragen, wodurch eine weitere deutliche Verlängerung der Lebensdauer erreicht wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Schleifringanordnung zur Übertragung elektrischer Signale mittels Schleifkontakten zwischen gegeneinander drehbaren Teilen. Auf einer Schleifbahn aus elektrisch leitfähigem Material schleift wenigstens ein Schleifkontakt, auch Bürste genannt, aus einem ebenfalls elektrisch leitfähigen Material. Durch den galvanischen Kontakt zwischen Schleifbahnen und Kontakt kann elektrischer Strom übertragen werden.
Stand der Technik
Die EP 0662736 A1 offenbart eine Schleifringanordnung, bei der eine Bürste mit mehreren Drähten in einer V-Nut läuft. Dadurch ergibt sich durch die Parallelschaltung mehrerer Kontakte ein niedriger Übergangswiderstand.
In der DE 1489080 A ist eine Schleifringanordnung offenbart, bei der Bürsten in Form von massiven Einzeldrähten in Nuten einer Schleifbahn laufen.
In der US 4398113 A1 wird eine Schleifringanordnung als nächstliegender Stand der Technik offenbart, bei der eine Bürste mit einer Vielzahl von Bürstendrähten auf einer Schleifbahn läuft. Hierbei ist das Material der Schleifbahn weich gegeüber der Bürste, so dass sich das Schleifbahnmaterial beim Einlaufen kurz nach der Inbetriebnahme an den Bürs-tendrähten anlagert.
In der Offenlegungsschrift DE 34 34 627 A1 ist ein elektrischer Gleitkontakt offenbart, bei dem auf einem Träger eine harte Zwischenschicht unter einer gut leitenden Kontaktschicht angeordnet ist. Diese harte Zwischenschicht hat eine definierte Oberflächenrauigkeit und eine blumenkohlartige Oberflächenstruktur, um die Haftung der darüber liegenden Kontaktschicht zu verbessern.
Um gute Übertragungseigenschaften zu erreichen, sind die Kontaktpaarungen, d. h. die äußeren Metallschichten der Bürsten und der Schleifbahnen aus elektrisch gut leitfähigen und abriebfesten Materialien hergestellt. Bevorzugt werden auf Gold basierende Schichten eingesetzt. Dennoch kommt es nach längeren Betriebszeiten oftmals zu einem Verschleiß von Bürsten und/oder Schleifbahnen. Ist die Goldschicht einer Schleifbahn beschädigt, so läuft die Bürste auf der unter dieser liegenden Schicht, welche beispielsweise Nickel oder ein anderes ähnliches Metall umfasst. Es kommt hier sofort zu massiven Kontaktstörungen und zu einem starken Abrieb der Bürste. In einem solchen Fehlerfall ist oftmals nur ein kompletter Ersatz von Bürste und Schleifbahn notwendig.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer von Schleifringsystemen zu erhöhen, Schleifringsysteme mit Notlaufeigenschaften zu versehen und eine frühzeitige Verschleißanzeige zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung basiert auf der Kombination unterschiedlicher Kontaktmaterialien mit unterschiedlichen Abriebeigenschaften. Die Bürste, die einen oder mehrere Drähte umfassen kann, hat an ihrer Oberfläche, d. h. an der Oberfläche des einen oder der mehreren Drähte ein erstes elektrisch gut leitfähiges Kontaktmaterial. Die Bürste kann auch vollständig aus diesem ersten Kontaktmaterial bestehen.
Die Bürste liegt auf einer entsprechenden Schleifbahn auf und kann bei Bewegung auf dieser entlang schleifen.
Die Schleifbahn umfasst wenigstens eine obere Schicht mit einem zweiten elektrisch gut leitfähigen Kontaktmaterial. Unter dieser oberen Schicht ist eine untere Schicht mit einem dritten elektrisch gut leitfähigen Kontaktmaterial angeordnet. Die Schichten aus dem zweiten und dritten Kontaktmaterial weisen im Kontakt mit dem ersten Kontaktmaterial ähnlich gute Eigenschaften auf und besitzen einen geringen Übergangswiderstand. Unter dieser Schicht können sich noch weitere Schichten, wie beispielsweise auf Nickel und/oder auf Kupfer basierende Schichten befinden. Bevorzugt werden diese Schichten galvanisch aufgebracht.
Erfindungsgemäß weisen diese Schichten im Schleifkontakt zueinander bestimmte Eigenschaften auf. So ist beim Kontakt der Bürste umfassend das erste Kontaktmaterial mit der oberen Schicht umfassend das zweite Kontaktmaterial der Abrieb des zweiten Kontaktmaterials größer als der des ersten Kontaktmaterials. Somit verschleißt die obere Schicht der Schleifbahn umfassend das zweite Kontaktmaterial schneller als die Bürste umfassend das erste Kontaktmaterial. Weiterhin ist beim Kontakt der Bürste umfassend das erste Kontaktmaterial mit der unteren Schicht umfassend das dritte Kontaktmaterial der Abrieb des dritten Kontaktmaterials kleiner als der des ersten Kontaktmaterials.
Aus dieser Konfiguration verläuft der Abrieb ausgehend von einer neuen Bürste mit einer neuen Schleifbahn wie folgt: zunächst verschleißt das zweite Kontaktmaterial der oberen Schicht, was der normalen Lebensdauer eines Schleifringsystems entspricht. Nachdem die Schicht des zweiten Kontaktmaterials aufgebraucht ist, macht die Bürste mit dem dritten Kontaktmaterial der unteren Schicht Kontakt. Übertragungseigenschaften des Schleifring bleiben hierbei erhalten, da das dritte Kontaktmaterial ebenfalls gute elektrische Leitfähigkeit und gute Kontakteigenschaften besitzt. Dadurch können Notlaufeigenschaften bzw. eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer erreicht werden. Dieses dritte Kontaktmaterial der Schleifbahn ist wie bereits zuvor beschrieben, abriebfester als das erste Kontaktmaterial der Bürste. Somit verschleißt nun die Bürste schneller als die Schleifbahn. Bei der Wartung der Schleifringanordnung ist ein Verschleiß der Bürste an deren unebener Oberfläche relativ leicht zu erkennen. In diesem Fall ist bei einer verschlissenen Bürste auch die Schleifbahn auszutauschen. Da in diesem Falle die Goldschicht auf der Schleifbahn noch nicht vollständig abgetragen ist, kann die Schleifbahn bzw. ein Modul, welches mehrere Schleifbahnen trägt, nun auf einfache Weise galvanisch wieder in Stand gesetzt werden. Dies ist nicht möglich bei dem Stand der Technik entsprechenden Modulen, bei denen die Goldschicht bis auf die Unterschicht abgetragen ist.
Besonders bevorzugt weist die obere Schicht der Schleifbahn mit dem zweiten Kontaktmaterial eine Härte kleiner als die der beiden anderen Kontaktmaterialien auf. Die Bürste mit dem ersten Kontaktmaterial hat bevorzugt eine größere Härte als die obere Schicht der Schleifbahn mit dem zweiten Kontaktmaterial und eine kleinere Härte als die untere Schicht der Schleifbahn mit dem dritten Kontaktmaterial. Weiterhin hat bevorzugt die untere Schicht der Schleifbahn mit dem dritten Kontaktmaterial eine Härte größer als die beiden anderen Kontaktmaterialien. Durch die härtere untere Schicht ergibt sich ein stabiler Schichtaufbau. Unter dem Begriff der Härte wird hier die Härte nach Rockwell oder Brinell oder Vickers verstanden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bürste massiv aus dem ersten Kontaktmaterial ausgeführt ist. Es steht dann besonders viel Material zum Abrieb zur Verfügung, so dass sich eine verlängerte Lebensdauer ergibt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Bürste unter der Schicht mit dem ersten Kontaktmaterial eine weitere Schicht mit einem vierten Kontaktmaterial auf. Das vierte Kontaktmaterial ist bevorzugt härter als das erste Kontaktmaterial und besonders bevorzugt härter als das dritte Kontaktmaterial. Hierdurch kann die Lebensdauer des Schleifrings weiter verlängert werden Beispielhaft hat das erste Kontaktmaterial der Bürste eine Härte im Bereich von HV 270–350. Weiterhin kann beispielhaft die Härte des zweiten Kontaktmaterials der Schleifbahn in einem Bereich von HV 180–220 liegen. Schließlich kann der Bereich der Härte des dritten Kontaktmaterials der Schleifbahn in einem Bereich von HV 350–420 liegen.
Der Begriff der Kontaktmaterialien bezieht sich hier immer auf Materialien, die in mechanischem Kontakt mit einem weiteren Kontaktmaterial zur Übertragung elektrischer Signale geeignet sind. Kontaktmaterialien haben bevorzugt geringe Übergangswiderstände und zum Einsatz in Schleifringen niedriges Kontaktrauschen bei mechanischer Bewegung. Kontaktmaterialien sind beispielsweise Gold und/oder Silber sowie Legierungen daraus. Keine Kontaktmaterialien sind beispielsweise Stahl, welcher aufgrund seiner Federeigenschaften als Kern einer Bürste eingesetzt werden kann, wenn dieser mit einem Kontaktmaterial beschichtet ist, oder auch Nickel, welches im galvanischen Schichtaufbau von Schleifringen unterhalb einer Schicht aus Kontaktmaterial eingesetzt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von einer Schleifbahn für den Schleifkontakt mit einer Bürste. Hierbei hat die Bürste ein erstes Kontaktmaterial an der Oberfläche.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

• Beschichtung der Schleifbahn mit einem dritten Kontaktmaterial, welches im Kontakt mit der Bürste einen geringeren Abrieb als die Bürste aufweist;
• Beschichtung der Schleifbahn mit einem zweiten Kontaktmaterial, welches im Kontakt mit der Bürste einen höheren Abrieb als die Bürste aufweist.

Mit diesem Verfahren sind alle zuvor beschrieben Varianten und Ausführungsbeispiele kombinierbar.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung
2 zeigt eine Schleifringanordnung in allgemeiner Form
3 zeigt verschiedene Stufen des Abriebs
4 zeigt eine Bürste mit sichtbarem Verschleiß
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Der Bürste 10 hat eine Schicht 11 aus einem ersten Kontaktmaterial. Alternativ hierzu kann die Bürste auch vollständig aus diesem ersten Kontaktmaterial bestehen. Sie läuft in einer V-förmigen Nut der Schleifbahn 30 und liegt an den Auflagepunkten 50, 51 an der Schleifbahn an. Die Schleifbahn 30 hat eine untere Schicht 32 mit einem dritten Kontaktmaterial sowie eine obere Schicht 31 mit einem zweiten Kontaktmaterial. Die Schichten der Kontaktmaterialien sind in diesen Figuren deutlich vergrößert dargestellt, um die Zeichnungen anschaulich zu machen. Tatsächlich sind typische Schichtdicken im Bereich von ca. 3 μm bis 5 μm.
In 2 ist ein Schleifringanordnung in allgemeiner Form dargestellt. Auf einer Schleifbahn 30 läuft wenigstens eine Bürste 10, welche von einem Bürstenträger 20 gehalten wird.
In 3 verschiedene Stufen des Antriebs dargestellt. Hierzu zeigt die 3a den Neuzustand mit vollständig ausgebildeten und nicht abgeriebenen Schichten aus Kontaktmaterialien 11, 31, 32. Die 3b zeigt eine verschlissene obere Schicht 31 mit zweitem Kontaktmaterial der Schleifbahn. Hier ist noch die Schicht 11 mit erstem Kontaktmaterial der Bürste ohne Verschleißerscheinungen. Durch weitere Benutzung des Schleifring verschleißt nun auch diese Schicht, so dass sich der in 3c dargestellte Zustand einstellt. Für den Fall, dass die Bürste einen Kern aus einem Nicht-Kontaktmaterial, wie beispielsweise Stahl aufweist, ist nun die Verschleißgrenze erreicht. Sollte die Bürste massiv aus dem ersten Kontaktmaterial bestehen, so kann diese weiter benutzt werden.
4 zeigt in seitlicher Ansicht eine Bürste 10 mit verschlissenem Kontaktmaterial. Hier ist an der Position 12 durch das Schleifen an der Schleifbahn ein Materialdefekt entstanden. Dieser kann zu Verschleißanzeige herangezogen werden. Solange die Bürste ohne Defekte im Material ist, wird offensichtlich noch die obere Schicht 31 mit zweitem Kontaktmaterial der Schleifbahn abgetragen und eine Verschleißgrenze ist noch nicht erreicht. Erst wenn Materialdefekte an der Bürste auftreten, schleift diese in der unteren Schicht 32 der Schleifbahn. In diesem Zustand sollte nun ein Austausch oder eine Erneuerung der Schleifbahn erfolgen.
Bezugszeichenliste

10: Bürste
11: Schicht mit erstem Kontaktmaterial
12: Materialdefekt an der Bürste
20: Bürstenträger
30: Schleifbahn
31: obere Schicht mit zweitem Kontaktmaterial
32: untere Schicht mit drittem Kontaktmaterial
50, 51: Auflagepunkte

Claims

Schleifringanordnung umfassend eine Bürste (10) mit einem oder mehreren Drähten und einem ersten Kontaktmaterial (11) an deren Oberfläche, die auf einer Schleifbahn (30) mit einem zweiten Kontaktmaterial (31) an deren Oberfläche aufliegt, wobei im Falle eines schleifenden Kontakts zwischen der Bürste (10) mit dem ersten Kontaktmaterial (11) und dem zweiten Kontaktmaterial (31) der Schleifbahn (30) der Abrieb des ersten Kontaktmaterials der Bürste (11) geringer als der des zweiten Kontaktmaterials (31) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifbahn (30) unterhalb des zweiten Kontaktmaterials (31) noch eine Schicht mit einem dritten Kontaktmaterial (32) aufweist, wobei im Falle eines schleifenden Kontakts zwischen der Bürste (10) mit dem ersten Kontaktmaterial (11) und dem dritten Kontaktmaterial (32) der Schleifbahn (31) der Abrieb des ersten Kontaktmaterials (11) der Bürste (10) größer als der des dritten Kontaktmaterials (32) ist, so dass die Funktionsfähigkeit der Schleifringanordnung weiter aufrecht erhalten bleibt, nachdem die Schicht mit dem zweiten Kontaktmaterial (31) der Schleifbahn (30) aufgebraucht wurde.
Schleifringanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte des zweiten Kontaktmaterials (31) kleiner als die Härte des ersten Kontaktmaterials (11) ist.
Schleifringanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte des dritten Kontaktmaterials (32) größer als die Härte des ersten Kontaktmaterials (11) ist.
Verfahren zur Herstellung einer Schleifbahn (30) für den Schleifkontakt mit einer Bürste (10) mit einem oder mehreren Drähten und einem ersten Kontaktmaterial (11) an deren Oberfläche, umfassend die Schritte: Beschichtung der Schleifbahn (30) mit einem dritten Kontaktmaterial (32), welches im Kontakt mit der Bürste (10) einen geringeren Abrieb als die Bürste aufweist, Beschichtung der Schleifbahn mit einem zweiten Kontaktmaterial (31), welches im Kontakt mit der Bürste (10) einen höheren Abrieb als die Bürste aufweist, so dass die Funktionsfähigkeit der Schleifringanordnung weiter aufrecht erhalten bleibt, nachdem die Schicht mit dem zweiten Kontaktmaterial (31) der Schleifbahn (30) aufgebraucht wurde.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte des zweiten Kontaktmaterials (31) kleiner als die Härte des ersten Kontaktmaterials (11) ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte des dritten Kontaktmaterials (32) größer als die Härte des ersten Kontaktmaterials (11) ist.