DE102024104016B4 - rolling bearing arrangement - Google Patents
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Abstract
Wälzlageranordnung (1), welche aus wenigstens einem Zylinderrollensatz (5), einem statischen inneren Lagerring (7) und einem drehbaren äußeren Lagerring (2) und einer Bypass-Vorrichtung (20) gebildet ist sowie außerdem ein erstes Maschinenelement (30) und ein zweites Maschinenelement (31) aufweist, wobei:
- der Zylinderrollensatz (5) eine Mehrzahl von Zylinderrollen (8) umfasst, und
- die Zylinderrollen (8) des Zylinderrollensatzes (5) radial zwischen dem inneren Lagerring (7) und dem äußeren Lagerring (2) angeordnet sind, und wobei diese radial quer zur Rotationsachse (16) gerichtet sind,
- der innere Lagerring (7) und der äußerer Lagerring (2) konzentrisch auf einer axial ausgerichteten Rotationsachse (16) der Wälzlageranordnung (1) angeordnet sind,
- über die Bypass-Vorrichtung (20) wenigstens eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Maschinenelement (30) und dem zweiten Maschinenelement (31) ausgebildet ist,
- die Bypass-Vorrichtung (20) einen Halter (21) und wenigstens einen elektrisch leitfähigen Bypass-Leiter (23) aufweist, und wobei der Halter (21) und Bypass-Leiter (23) elektrisch leitend miteinander verbunden sind,
- der Halter (21) axial mittels Formschluss zwischen dem inneren Lagerring (2) und einem Absatz im ersten Maschinenelement (30) befestigt ist und den Bypass-Leiter (23) hält,
- wobei der innere Lagerring (2) an dem ersten Maschinenelement (30) befestigt ist,
- wobei zwischen dem inneren Lagerring (7) und dem äußeren Lagerring (2) ein Lagerzwischenraum (19) ausgebildet ist,
- wobei am äußeren Lagerring (2) nach radial innen in Richtung des Lagerzwischenraums (19) ein Kontaktbereich (14) ausgebildet ist, an dem der elektrische Kontakt zwischen Bypass-Leiter (23) und äußeren Lagerring (2) ausgebildet ist,
- und wobei der Bypass-Leiter (23) den Kontaktbereich (14) radial kontaktiert
- wobei der Kontaktbereich (14) ein auf dem zweiten Maschinenelement (31) galvanisch aufgebrachtes Schichtsystem (3) umfasst, wobei das Schichtsystem (3) optional eine auf dem zweiten Maschinenelement (5) angeordnete erste Schicht (3a) und eine auf dem zweiten Maschinenelement (5) oder, sofern vorhanden, auf der ersten Schicht (3a) angeordnete mindestens eine zweite Schicht (3b) umfasst, wobei die optionale erste Schicht (3a) aus Kupfer oder Nickel gebildet ist und die mindestens eine zweite Schicht (3b) aus einer Legierung umfassend mindestens zwei der Elemente Zinn, Kupfer, Nickel, Silber, Zink, Bismuth, Antimon, Kobalt, Mangan, Wolfram, gebildet ist, wobei in der Legierung nichtmetallische Partikel umfassend elektrisch leitfähige Partikel eingebunden vorliegen und wobei die Legierung der zweiten Schicht aus einer Zinn-Nickel-Legierung mit einem Nickelgehalt im Bereich von 20 bis 40 Gew.-% gebildet ist.
Rolling bearing arrangement (1) which is formed from at least one set of cylindrical rollers (5), a static inner bearing ring (7) and a rotatable outer bearing ring (2) and a bypass device (20) and also comprises a first machine element (30) and a second machine element (31), wherein:
- the cylindrical roller set (5) comprises a plurality of cylindrical rollers (8), and
- the cylindrical rollers (8) of the cylindrical roller set (5) are arranged radially between the inner bearing ring (7) and the outer bearing ring (2), and are directed radially transversely to the axis of rotation (16),
- the inner bearing ring (7) and the outer bearing ring (2) are arranged concentrically on an axially aligned axis of rotation (16) of the rolling bearing arrangement (1),
- at least one electrical connection is formed between the first machine element (30) and the second machine element (31) via the bypass device (20),
- the bypass device (20) comprises a holder (21) and at least one electrically conductive bypass conductor (23), wherein the holder (21) and bypass conductor (23) are electrically connected to each other,
- the holder (21) is axially secured by means of a positive fit between the inner bearing ring (2) and a shoulder in the first machine element (30) and holds the bypass conductor (23),
- wherein the inner bearing ring (2) is attached to the first machine element (30),
- wherein a bearing space (19) is formed between the inner bearing ring (7) and the outer bearing ring (2),
- wherein a contact area (14) is formed on the outer bearing ring (2) radially inwards in the direction of the bearing space (19), in which the electrical contact between bypass conductor (23) and outer bearing ring (2) is formed,
- and wherein the bypass conductor (23) radially contacts the contact area (14)
- wherein the contact area (14) comprises a layer system (3) electroplated on the second machine element (31), wherein the layer system (3) optionally comprises a first layer (3a) arranged on the second machine element (5) and at least one second layer (3b) arranged on the second machine element (5) or, if present, on the first layer (3a), wherein the optional first layer (3a) is formed of copper or nickel and the at least one second layer (3b) is formed of an alloy comprising at least two of the elements tin, copper, nickel, silver, zinc, bismuth, antimony, cobalt, manganese, tungsten, wherein non-metallic particles comprising electrically conductive particles are incorporated in the alloy and wherein the alloy of the second layer is formed of a tin-nickel alloy with a nickel content in the range of 20 to 40 wt.%.
Description
Gebiet der ErfindungField of invention
Die Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung, welche aus wenigstens einem ersten und einem zweiten Maschinenelement, einem Zylinderrollensatz, zwei Lagerringen und einer Bypass-Vorrichtung gebildet ist.The invention relates to a rolling bearing arrangement which is formed from at least one first and one second machine element, a set of cylindrical rollers, two bearing rings and a bypass device.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Rotorwellen in elektrischen Maschinen sind zumeist mit Wälzlagern gelagert. Zwischen den Rotorwellen und Gehäusen von Elektromotoren und Generatoren entstehen häufig ungewollte Spannungspotenziale. Bei fehlenden Gegenmaßnahmen entladen sich diese Spannungspotenziale über die Wälzlager. Der dabei durch das betroffene Wälzlager fließende Strom kann Funken im Wälzkontakt zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen generieren. Die Wälzlaufbahnen werden durch Schmelzvertiefungen bzw. Erosionsvertiefungen geschädigt.Rotor shafts in electric machines are usually supported by rolling bearings. Unwanted voltage potentials often arise between the rotor shafts and the housings of electric motors and generators. Without countermeasures, these voltage potentials discharge through the rolling bearings. The current flowing through the affected rolling bearing can generate sparks in the rolling contact between the rolling elements and the raceways. The rolling raceways are damaged by melt pitting or erosion pitting.
Es sind bereits Maßnahmen bekannt, die den Aufbau der Spannungspotenziale bzw. den Abbau dieser Spannungspotenziale über die Wälzlager verhindern sollen. Eingesetzt werden zum Beispiel Bypass-Vorrichtungen, mit denen Entladungen über sogenannte Wellenerdungsringe bypassartig um die Wälzlager des Elektromotors „herum“ geführt sind. In
Im Automotive-Bereich werden Bypass-Leiter von der Fachwelt auch gerne in Dichtungsvorrichtungen integriert. Ein Beispiel einer als Bypass-Leiter ausgeführten Vorschaltdichtung ist mit
Auf Grund des hauptsächlichen Einsatzgebiets bei elektrischen Motoren und den daraus resultierenden Anforderungen an hohe Relativgeschwindigkeiten, kommen vorgenannte, im Stand der Technik vorgeschlagene, Bypass-Vorrichtungen in der Regel bei Kugellagern zum Einsatz. Die Bypass-Vorrichtungen sind entweder im Lager vorgesehen oder laufen an einer beliebigen Stelle an der Welle an. Zylinderrollenlager sind bauartbedingt hinsichtlich ihrer Eigenschaften eher für höhere Lasten und niedrigere Drehzahlen vorgesehen und kommen in der Regel im Industriebereich zur Anwendung. Da die Ströme hierbei eine größere Stärke aufweisen, können Bypass-Vorrichtungen für diese Anwendungen an einer beliebigen Stelle des Systems kontaktierend die Welle angeordnet werden.Due to their primary application in electric motors and the resulting requirements for high relative speeds, the aforementioned bypass devices proposed in the prior art are generally used with ball bearings. The bypass devices are either integrated into the bearing or make contact with the shaft at any point. Cylindrical roller bearings, by design, are better suited for higher loads and lower speeds and are typically used in industrial applications. Since the currents involved are higher, bypass devices for these applications can be positioned at any point within the system, making contact with the shaft.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine für höherdrehende Zylinderrollenlager verbesserte Wälzlageranordnung mit Bypass zu schaffen.The object of the invention is to create an improved rolling bearing arrangement with bypass for high-speed cylindrical roller bearings.
Die Aufgabe ist nach dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die Wälzlageranordnung weist wenigstens ein erstes Maschinenelement und ein zweites Maschinenelement, einen Zylinderrollensatz, einen statischen inneren und einen drehbaren äußeren Lagerring sowie eine Bypass-Vorrichtung auf. Dabei umfasst der Zylinderrollensatz eine Mehrzahl von Zylinderrollen. Die Zylinderrollen des Zylinderrollensatzes sind radial zwischen dem inneren und dem äußeren Lagerring angeordnet und radial quer zur Rotationsachse gerichtet, der Lagerring ist konzentrisch auf einer axial ausgerichteten Rotationsachse der Wälzlageranordnung angeordnet. Über die Bypass-Vorrichtung ist wenigstens eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Maschinenelement und dem zweiten Maschinenelement ausgebildet. Die Bypass-Vorrichtung weist einen Halter und wenigstens einen elektrisch leitfähigen Bypass-Leiter auf, die leitend miteinander verbunden sind. Der Halter ist mittels Formschluss zwischen dem inneren Lagerring und dem ersten Maschinenelement befestigt und hält den Bypass-Leiter. Der Halter ist zudem axial mittels Formschluss zwischen dem inneren Lagerring und einem Absatz im ersten Maschinenelement befestigt, wobei der innere Lagerring an dem ersten Maschinenelement befestigt ist. Zwischen dem inneren Lagerring und dem äußeren Lagerring ist ein Lagerzwischenraum ausgebildet, wobei am äußeren Lagerring nach radial innen in Richtung des Lagerzwischenraums ein Kontaktbereich ausgebildet ist, sprich am Innendurchmesser des äußeren Lagerrings, an dem der elektrische Kontakt zwischen Bypass-Leiter und Lagerring ausgebildet ist, wobei der Bypass-Leiter den Kontaktbereich radial kontaktiert.The problem is solved according to the subject matter of claim 1. The rolling bearing arrangement comprises at least a first machine element and a second machine element, a cylindrical roller assembly, a static inner and a rotatable outer bearing ring, and a bypass device. The cylindrical roller assembly comprises a plurality of cylindrical rollers. The cylindrical rollers of the cylindrical roller assembly are arranged radially between the inner and the outer bearing ring and are oriented radially transversely to the axis of rotation. The bearing ring is arranged concentrically on an axially aligned axis of rotation of the rolling bearing arrangement. At least one electrical connection is formed between the first machine element and the second machine element via the bypass device. The bypass device comprises a holder and at least one electrically conductive bypass conductor, which are conductively connected to each other. The holder is positively engaged between the inner bearing ring and the first machine element and holds the bypass conductor. The holder is also axially engaged between the inner bearing ring and a shoulder in the first machine element, the inner bearing ring being attached to the first machine element. A bearing gap is formed between the inner bearing ring and the outer bearing ring, with the outer bearing ring extending radially inwards in the direction of the bearing gap. a contact area is formed, i.e., on the inner diameter of the outer bearing ring, where the electrical contact between the bypass conductor and the bearing ring is formed, with the bypass conductor contacting the contact area radially.
In der Regel werden Bypass-Vorrichtungen am äußeren Lagerring eines Wälzlagers gehalten und liegen am inneren Lagerring mehr oder weniger überlappend an, um eine dauerhafte mechanische und elektrische Kontaktierung sicherzustellen. Dies hat den Vorteil, dass Toleranzen großzügig ausgelegt werden können. Erstaunlicherweise hat sich bei Lagern mit drehenden Außenringen gezeigt, dass ein dauerhafter Kontakt in sogar verbesserter Form eines Bypass-Leiters auch im Lagerzwischenraum mit Sitz am drehbaren inneren Lagerring erzeugt werden kann, wenn die Kontaktierung am äußeren Lagerring, und zwar an dessen Innendurchmesser, erfolgt. Somit wird der Kontaktbereich des äußeren Lagerrings mit dem Bypass-Leiter zuverlässig und dauerhaft kontaktiert.Typically, bypass devices are held on the outer bearing ring of a rolling bearing and overlap the inner bearing ring to a greater or lesser extent to ensure permanent mechanical and electrical contact. This has the advantage of allowing for generous tolerances. Surprisingly, in bearings with rotating outer rings, it has been shown that a permanent contact, even an improved form of bypass conductor, can also be established in the bearing space with the conductor mounted on the rotating inner bearing ring, provided the contact is made on the outer bearing ring, specifically on its inner diameter. This ensures reliable and permanent contact between the outer bearing ring and the bypass conductor.
Eine besonders sichere und einfache Befestigung der Bypass-Vorrichtung kann erfolgen, wenn der Halter mittels Formschluss zwischen dem inneren Lagerring und dem ersten Maschinenelement befestigt ist. Somit ist es nicht notwendig, komplexe Haltegeometrien vorzusehen. Dies hat zudem den Vorteil, dass lediglich minimaler axialer Bauraum für die Bypass-Vorrichtung vorgehalten werden muss.A particularly secure and simple mounting of the bypass device can be achieved if the holder is attached by means of a positive fit between the inner bearing ring and the first machine element. This eliminates the need for complex mounting geometries. Furthermore, this has the advantage that only minimal axial installation space is required for the bypass device.
Der Kontaktbereich des äußeren Lagerrings, an dem der Bypass-Leiter den äußeren Lagerring kontaktiert, umfasst ein galvanisch aufgebrachtes Schichtsystem, wobei das Schichtsystem optional eine auf dem äußeren Lagerring angeordnete erste Schicht und eine auf dem auf dem äußeren Lagerring angeordnete oder, sofern vorhanden, auf der ersten Schicht angeordnete, mindestens eine zweite Schicht umfasst. Die optionale erste Schicht ist aus Kupfer oder Nickel gebildet und die mindestens eine zweite Schicht ist aus einer Legierung umfassend mindestens zwei der Elemente Zinn, Kupfer, Nickel, Silber, Zink, Bismuth, Antimon, Kobalt, Mangan, Wolfram, gebildet, wobei in der Legierung nichtmetallische Partikel umfassend elektrisch leitfähige Partikel eingebunden vorliegen.The contact area of the outer bearing ring, where the bypass conductor contacts the outer bearing ring, comprises an electroplated layer system, wherein the layer system optionally includes a first layer arranged on the outer bearing ring and at least one second layer arranged on the outer bearing ring or, if present, on the first layer. The optional first layer is formed of copper or nickel, and the at least one second layer is formed of an alloy comprising at least two of the elements tin, copper, nickel, silver, zinc, bismuth, antimony, cobalt, manganese, and tungsten, wherein non-metallic particles comprising electrically conductive particles are incorporated into the alloy.
Grundsätzlich wird bei Bypass-Vorrichtungen auf eine Beschichtung der Gegenlauffläche, sprich Kontaktfläche, verzichtet, da diese in der Regel in das bestehende System, beispielsweise als Welle eines Elektromotors oder als Lagerring eines Wälzlagers, eingebunden ist und daher schwer beschichtbar ist. Erstaunlicherweise hat sich jedoch herausgestellt, dass ein galvanisch aufgebrachtes Schichtsystem wie zuvor beschrieben, ideale Eigenschaften als Kontaktfläche eines Bypass-Leiters darstellt. Zum einen ist eine ideale, verbesserte Stromübertragung, auch bei auftretenden Schmierstoffschichten, zu beobachten. Zum anderen weist ein derartiges Schichtsystem ideale Eigenschaften im Hinblick auf Reibung und Verschleiß auf. Die vorgeschlagene Wälzlageranordnung nimmt dies zum Anlass, die Kontaktfläche, trotz der zuvor genannten Randbedingung, mit genannten Schichtsystem auszustatten.Generally, bypass devices do not have a coating on the counter-running surface, i.e., the contact surface, because this is usually integrated into the existing system, for example, as the shaft of an electric motor or as the bearing ring of a rolling bearing, and is therefore difficult to coat. Surprisingly, however, it has been found that an electroplated coating system, as described above, exhibits ideal properties as a contact surface for a bypass conductor. Firstly, ideal and improved current transmission can be observed, even with the presence of lubricant layers. Secondly, such a coating system exhibits ideal properties with regard to friction and wear. The proposed rolling bearing arrangement takes this as an opportunity to equip the contact surface with the aforementioned coating system, despite the previously mentioned constraints.
Die elektrisch leitfähigen Partikel weisen dabei eine elektrische Leitfähigkeit in einem Temperaturbereich von 20 bis 25°C in einem Bereich von 0,25 mΩ*cm*cm bis 10 mΩ*cm*cm auf. Die Anwesenheit nichtmetallischer Partikel, welche eingebunden in die Legierung in der zweiten Schicht vorliegen, verbessert die mechanische Stabilität des Schichtsystems und ermöglicht zudem, je nach Material der eingesetzten Partikel, eine weitere Verringerung des Grenzflächenwiderstandes und damit eine Steigerung der Stromübertragungsfähigkeit an der Kontaktfläche.The electrically conductive particles exhibit an electrical conductivity ranging from 0.25 mΩ*cm*cm to 10 mΩ*cm*cm within a temperature range of 20 to 25°C. The presence of non-metallic particles, embedded in the alloy in the second layer, improves the mechanical stability of the layer system and, depending on the particle material, further reduces the interfacial resistance, thereby increasing the current transfer capacity at the contact surface.
Im Hinblick auf das galvanisch aufgebrachte Schichtsystem der Kontaktfläche des ersten Maschinenelements ist die Legierung aus einer Zinn-Nickel-Legierung mit einem Nickelgehalt im Bereich von 20 bis 40 Gew.-% gebildet. Ein derart geringer Nickelgehalt ist von großem Vorteil, da sich zweite Schichten aus einer solchen Zinn-Nickel-Legierung mit darin dispergierten elektrisch leitfähigen Partikeln, insbesondere aus Kohlenstoff und/oder Graphit und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder Kohlenstofffasern und/oder Ruß und/oder Graphen und/oder Graphenoxid, als langzeitstabiler als Vergleichsschichten aus Gold erwiesen.With regard to the electroplated coating system of the contact surface of the first machine element, the alloy consists of a tin-nickel alloy with a nickel content in the range of 20 to 40 wt.%. Such a low nickel content is highly advantageous, as second layers of such a tin-nickel alloy with electrically conductive particles dispersed therein, in particular carbon and/or graphite and/or carbon nanotubes and/or carbon fibers and/or carbon black and/or graphene and/or graphene oxide, have proven to be more stable in the long term than comparable gold layers.
Es ist zudem besonders geeignet, wenn der Halter der Bypass-Vorrichtung zweiteilig ausgebildet ist und eine Haltescheibe und eine Klemmscheibe umfasst, die den Bypass-Leiter halten. Auf diese Art und Weise können auch Bypass-Leiter, die in sich instabil sind, sprich keine Verstärkungselemente aufweisen, von dem Halter besonders gut aufgenommen werden.It is also particularly suitable if the bypass device holder is designed in two parts, comprising a retaining disc and a clamping disc that hold the bypass conductor. In this way, even bypass conductors that are inherently unstable, i.e., lack reinforcing elements, can be securely held by the holder.
Eine besonders sichere und einfache Befestigung der Bypass-Vorrichtung kann erfolgen, wenn der Halter der Bypass-Vorrichtung zudem radial in einen nutförmigen Hinterschnitt zwischen dem inneren Lagerring und dem ersten Maschinenelement eingreift. Somit ist die Befestigung besonders platzsparend und es muss lediglich minimaler axialer Bauraum für die Bypass-Vorrichtung vorgehalten werden, um eine ideale Positionierung am Sitzbereich sicherzustellen.A particularly secure and simple mounting of the bypass device can be achieved if the bypass device holder engages radially in a groove-shaped undercut between the inner bearing ring and the first machine element. This makes the mounting particularly space-saving, requiring only minimal axial installation space for the bypass device to ensure ideal positioning in the seating area.
Die Bypass-Vorrichtung ist auf einer Seite der Wälzkörper in axialer Richtung angeordnet. Auf dieser Seite weist der äußere Lagerring bevorzugt eine größere axiale Erstreckung auf als auf der Gegenseite, um die Bypass-Vorrichtung aufnehmen zu können. Sofern die Borde am Außenring vorgesehen sind, kann der Bord auf der Seite der Bypass-Vorrichtung eine größere axiale Erstreckung aufweisen. Es kann geeignet sein, den äußere Lagerring so auszuführen, dass er auf einer senkrecht zur Rotationsrichtung X ausgerichteten Ebene Y-Z mit der Bypass-Vorrichtung abschließt. Jedoch ist auch denkbar, dass die maximale axiale Erstreckung des äußeren Lagerring sogar größer vorgesehen wird, als die des Absatzes des ersten Maschinenelements zur Ausbildung des Formschlusses zwischen Bypass-Halter und ersten Maschinenelement.The bypass device is arranged axially on one side of the rolling elements. On this side, the outer bearing ring preferably has a greater axial extent than on the The opposite side is designed to accommodate the bypass device. If flanges are provided on the outer ring, the flange on the bypass device side can have a greater axial extent. It may be suitable to design the outer bearing ring so that it terminates with the bypass device on a plane YZ oriented perpendicular to the direction of rotation X. However, it is also conceivable that the maximum axial extent of the outer bearing ring is even greater than that of the shoulder of the first machine element to form the positive fit between the bypass holder and the first machine element.
Über die Bypass-Vorrichtung ist wenigstens eine elektrische Verbindung zumindest zwischen dem ersten und dem zweiten Maschinenelement ausgebildet. Das Design der Bypass-Vorrichtung ist ausschließlich auf die Stromleitfähigkeit und die Einbausituation, aber nicht auf eine Dichtfunktion gerichtet. Wenn Bypass-Leiter in Dichtungssysteme integriert werden, müssen Kompromisse hinsichtlich der Wahl von Materialeigenschaften der Dichtungen und auch des Bypass-Leiters eingegangen werden. Bei der Auslegung des Bypass-Leiters einer Bypass-Vorrichtung müssen bei der Wahl und Gestaltung des Materials vorteilhaft nur die Anforderungen an die Stromleitfähigkeit und Verschleißfestigkeit berücksichtigt werden.The bypass device provides at least one electrical connection between the first and second machine elements. The design of the bypass device focuses solely on electrical conductivity and installation, not on sealing. When bypass conductors are integrated into sealing systems, compromises must be made regarding the material properties of both the seals and the bypass conductor. When designing the bypass conductor of a bypass device, it is advantageous to consider only the requirements for electrical conductivity and wear resistance when selecting and designing the material.
Die Bypass-Vorrichtung ist aus einem Halter und einem elektrisch leitfähigen Bypass-Leiter zusammengesetzt. Der Halter ist ein beliebig ausgeführtes Bauteil, welches geeignet ist, den Bypass-Leiter im Wälzlager zu halten. Die Eigenschaften des Bypass-Leiters können exakt individuell auf den Durchgangs- bzw. Entladungswiderstand des Wälzlagers abgestimmt werden.The bypass device consists of a holder and an electrically conductive bypass conductor. The holder is a component of any design suitable for holding the bypass conductor within the rolling bearing. The properties of the bypass conductor can be precisely tailored to the specific through-resistance or discharge resistance of the rolling bearing.
Der Halter und der Bypass-Leiter sind, wie zuvor genannt, elektrisch leitfähig miteinander verbunden, wobei der Halter in der Regel selbst leitend ist. Generell ist die Bypass-Vorrichtung so ausgeführt, dass sich Spannungspotenziale über diese Bypass-Vorrichtung und nicht über den Zylinderrollensatz entladen.As mentioned previously, the holder and the bypass conductor are electrically connected, with the holder itself typically being conductive. Generally, the bypass device is designed so that voltage potentials are discharged via this bypass device and not via the cylinder roller assembly.
Mit dem mindestens einen Zylinderrollensatz sind zwei Maschinenelemente gegeneinander drehbar gelagert. Dabei ist im vorliegenden Fall das zweite Maschinenelemente um die Rotationsachse des Wälzlagers rotierbar mittels des Zylinderrollensatz gelagert, wobei des erste Maschinenelement statisch, sprich nicht drehbar ausgelegt ist. Grundsätzlich sind Maschinenelemente Wellen, beispielsweise Rotorwellen einer elektrischen Maschine, Gehäuse, beispielsweise Lagerschilde oder Gehäuse bzw. Gehäuseabschnitte oder Lagerschilde einer elektrischen Maschine, Zahnräder oder Wellen bzw. Gehäuse eines Getriebes oder beliebige andere Maschinenelemente, die geeignet sind, mittels Wälzlagern aneinander oder gegeneinander gelagert zu werden.Two machine elements are rotatably mounted relative to each other using at least one set of cylindrical roller bearings. In this case, the second machine element is rotatably mounted about the axis of rotation of the rolling bearing by means of the cylindrical roller bearing set, while the first machine element is statically mounted, i.e., not rotatable. Machine elements are generally shafts, for example, rotor shafts of an electric machine; housings, for example, bearing shields or housings or housing sections or bearing shields of an electric machine; gears or shafts or housings of a gearbox; or any other machine elements suitable for being mounted relative to each other by means of rolling bearings.
Die Rotationsachse des Zylinderrollensatz ist in den betrachteten Fällen immer axial ausgerichtet. Radial ist senkrecht quer zur Rotationsachse.In the cases considered, the axis of rotation of the cylindrical roller set is always axially aligned. Radial alignment is perpendicular to the axis of rotation.
Der Zylinderrollensatz dient der drehbaren Lagerung von Maschinenteilen, -Elementen und Baugruppen und weist zur Verminderung der Reibung zylindrische Wälzkörper auf, welche zwischen dem inneren und dem äußeren Lagerring abwälzen und somit die Reibung in der drehbaren Lagerung verringern.The cylindrical roller set serves for the rotatable mounting of machine parts, elements and assemblies and has cylindrical rolling elements to reduce friction, which roll between the inner and outer bearing rings and thus reduce friction in the rotatable mounting.
Der Zylinderrollensatz kann einen Käfig zur Führung der Wälzkörper aufweisen und wird, wie schon zuvor ausgeführt, mit einem inneren und einem äußeren Lagerring zu einem Wälzlager verbaut. Alternativ kann das Wälzlager auch mehr als nur einen Innen- und oder Außenring aufweisen. Darüber ist der Lagerring, oder die Lagerringe alternativ auch geteilt und weisen eine Laufbahn oder einen Anteil einer Laufbahn auf. Am radial innenliegenden Kontaktpartner, also am Innenring sind eine oder mehrere Außenlaufbahnen ausgebildet und am Außenring dementsprechend eine oder mehrere Innenlaufbahnen. Die an den Laufbahnen abwälzenden Wälzkörper sind rollenförmige Körper. Die Rollen sind, wie bereits zuvor genannt, oft in Käfigen geführt und gehalten. Die Wälzkörper sind entweder in einer Reihe in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet oder alternativ weist die Anordnung mehrere nebeneinander angeordnete Reihen Wälzkörper auf. Die Lagerringe können jeweils mit oder ohne Borde ausgeführt werden.The cylindrical roller assembly can have a cage to guide the rolling elements and, as previously described, is assembled with an inner and an outer bearing ring to form a rolling bearing. Alternatively, the rolling bearing can also have more than one inner and/or outer ring. Furthermore, the bearing ring(s) can also be split and have a raceway or a portion thereof. On the radially inner contact partner, i.e., the inner ring, one or more outer raceways are formed, and correspondingly, one or more inner raceways are formed on the outer ring. The rolling elements that roll on the raceways are roller-shaped bodies. As mentioned previously, the rollers are often guided and held in cages. The rolling elements are either arranged in a single row in the circumferential direction or, alternatively, the arrangement consists of several rows of rolling elements side by side. The bearing rings can be manufactured with or without flanges.
Unter dem Bypass ist im Sinne der Erfindung die Umführung eines Stromes bzw. einer Spannung um ein oder mehrere Wälzlager und oder/Maschinenteile zu verstehen. Die Wälzkörper und der Lagerring sind gewöhnlich aus Wälzlagerstahl und berühren sich an der, beziehungsweise den Laufbahnen. Die dabei gebildeten Kontaktzonen sind potenzielle Durchgänge für Ströme, an denen die gefürchteten Entladungen zu den bereits im Kapitel „Hintergrund der Erfindung“ beschriebenen Beschädigungen der Laufbahnen führen.In the context of the invention, a bypass is understood to mean the diversion of a current or voltage around one or more rolling bearings and/or machine components. The rolling elements and the bearing ring are usually made of bearing steel and contact each other at the raceway(s). The contact zones formed are potential pathways for currents, at which the dreaded discharges lead to the damage to the raceways already described in the chapter "Background of the Invention".
Durch den Bypass bzw. durch die Bypass-Vorrichtung sollen die Ströme umgeleitet werden. Das kann zum einen dadurch „gesteuert“ werden, dass die Bypass-Vorrichtung bzw. auf jeden Fall der Bypass-Leiter gegenüber dem Wälzlager vergleichsweise geringere elektrische oder spezifische elektrische Widerstände aufweist.The bypass, or bypass device, is intended to divert the currents. This can be achieved, firstly, by ensuring that the bypass device, or at least the bypass conductor, has comparatively lower electrical or specific electrical resistances than the rolling bearing.
Es ist denkbar, dass der Zylinderrollensatz am inneren Lagerring gegen Stromdurchgang isoliert ist. Beispielsweise ist es denkbar, dass zwischen dem ersten Maschinenelement, auf/in welchem der Lagerring sitzt, ein Isolator bzw. eine Isolationsschicht aufgebracht ist. Der Halter der Bypass-Vorrichtung ist dafür direkt elektrisch kontaktierend, sprich ohne isolierende Schicht oder Elemente mit dem ersten Maschinenelement verbunden. Es ist denkbar, dass die Wälzkörper zum Beispiel aus nicht elektrisch leitendem Material wie zum Beispiel Keramik sind. Die Bypass-Vorrichtung muss in diesem Fall den Strom nur umleiten.It is conceivable that the cylindrical roller set is insulated against current flow at the inner bearing ring. For example, it is conceivable that an insulator or insulating layer is applied between the first machine element on/in which the bearing ring sits. The holder of the bypass device is directly electrically connected to the first machine element, i.e., without an insulating layer or elements. It is conceivable that the rolling elements are made of a non-electrically conductive material such as ceramic. In this case, the bypass device only needs to divert the current.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung, vor allem für sogenannte „nasse“ Anwendungen, sprich in denen der Schmierstoff eines Gesamtsystems auch als Wälzlagerschmierung dient, weist der Halter der Bypass-Vorrichtung mediendurchlässige Öffnungen auf. Diese können unterschiedlich geometrisch ausgeführt sein und ermöglichen den Durchgang von Schmierstoff und verhindern im gleichen Zug bei gegebenenfalls auftretenden Druckunterschieden im System einen zu hohen, schädigenden, Anpressdruck des Bypass-Leiters am zweiten Maschinenelement. Um dies zu gewährleisten kann es notwendig sein, bei einem zwei- oder mehrteiligen Aufbau des Halters, diese Öffnungen an jeglichen Elementen, beispielsweise einer Halte- und an einer Klemmscheibe vorzusehen. Somit kann der Schmierstoff auch in idealer Art und Weise durch die Bypass-Vorrichtung hindurchtreten.In a further preferred embodiment, especially for so-called "wet" applications, i.e., where the lubricant of the overall system also serves as rolling bearing lubrication, the holder of the bypass device has media-permeable openings. These can be designed with different geometries and allow the passage of lubricant while simultaneously preventing excessively high, damaging contact pressure of the bypass line against the second machine element in the event of pressure differences occurring in the system. To ensure this, it may be necessary to provide these openings on all elements of a two-part or multi-part holder design, for example, a retaining disc and a clamping disc. This allows the lubricant to pass through the bypass device in an ideal manner.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Haltescheibe und die Klemmscheibe zueinander verstemmt ausgebildet. Mittels der Verstemmung werden mediendurchlässige ringförmige Öffnungen erzeugt und stehen am Halter in der Anwendung zur Verfügung. Dies ist in der Form denkbar, als dass mittels der Verstemmung kreisringfömige Durchgangslöcher durch die Haltescheibe und die Klemmscheibe erzeugt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Scheiben des Halters auf diese Art und Weise besonders effizient hergestellt, sprich gefügt werden können und gleichzeitig mediendurchlässige Durchgangslöcher erzeugt werden kann.In a further preferred embodiment, the retaining disc and the clamping disc are riveted together. This riveting creates media-permeable, annular openings that are available on the holder during application. This can be achieved by creating circular through-holes through the retaining disc and the clamping disc. This is particularly advantageous because the holder discs can be manufactured, i.e., joined, very efficiently in this way, while simultaneously creating media-permeable through-holes.
Es ist zudem denkbar, dass in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung die mediendurchlässigen Öffnungen gleichzeitig dazu dienen, den Halter in der Form elastisch zu gestalten, dass dieser den Bypass-Leiter besonders gut klemmen kann.It is also conceivable that in another preferred embodiment the media-permeable openings simultaneously serve to make the holder elastic in such a way that it can clamp the bypass conductor particularly well.
Wenngleich jegliche Materialen und Ausbildungen des Bypass-Leiters denkbar sind, kann es vorteilhaft sein, den Bypass-Leiter aus schlaufenförmig verstickten Fasern zu bilden. Unter dem nachfolgend zur Verwendung kommenden Begriff „verstickte Fasern“ sind sowohl einzelne Fasern als auch Faserpaare oder Faserbündel zu verstehen. Der Begriff Versticken beschreibt nachfolgend jegliches Verbinden der Fasern, Faserpaare oder -bündel, welches einen zusätzlichen Faden zum Verbinden nutzt. Als äquivalent kann hierbei somit auch Vernähen, Verhäkeln oder ähnliches gesehen werden. Der so ausgebildete Bypass-Leiter stellt eine ideale Möglichkeit der Stromübertragung, auch im Kontakt mit Schmierstoffen dar. Zudem ermöglicht er in diesem Hinblick den Durchfluss desselben, ohne Druckdifferenzen im Lager, oder im Gesamtsystem zu verursachen.While any material and design of the bypass conductor are conceivable, it can be advantageous to construct the bypass conductor from loop-stitched fibers. The term "stitched fibers," as used below, refers to individual fibers, fiber pairs, or fiber bundles. The term "stitching" describes any joining of the fibers, fiber pairs, or bundles that utilizes an additional thread for connection. Equivalent methods include sewing, crocheting, or similar techniques. A bypass conductor constructed in this way provides an ideal method for current transmission, even in contact with lubricants. Furthermore, it allows the flow of lubricant without causing pressure differentials in the bearing or the overall system.
Die schlaufenförmig verstickten Fasern des Bypass-Leiters der Wälzlageranordnung können Bestandteile von Kohlenstoff oder Derivaten des Kohlenstoffs umfassen. Diese Bestandteile sind zur Stromleitung in einem Bypass-Leiter einer Wälzlageranordnung besonders geeignet, da sie durch eine hohe Elastizität mit einer hohen Bruchdehnung sowie einer sehr guten elektrischen Leitfähigkeit charakterisiert sind.The looped, interwoven fibers of the bypass conductor in the rolling bearing assembly can contain carbon or carbon derivatives. These components are particularly suitable for conducting current in a bypass conductor of a rolling bearing assembly because they are characterized by high elasticity with high elongation at break and very good electrical conductivity.
Die vorgenannte Legierung kann auch alternativ aus einer Kupfer-Zinn-Legierung oder einer Zinn-Silber-Legierung oder einer Zinn-Zink-Legierung oder einer Zinn-Bismut-Legierung oder einer Zinn-Antimon-Legierung oder einer Zinn-Kobalt- Legierung oder einer Nickel-WolframLegierung oder einer Zinn-Mangan-Legierung gebildet werden.The aforementioned alloy can alternatively be formed from a copper-tin alloy, a tin-silver alloy, a tin-zinc alloy, a tin-bismuth alloy, a tin-antimony alloy, a tin-cobalt alloy, a nickel-tungsten alloy, or a tin-manganese alloy.
Insbesondere SnCu hat sich als leistungsfähige Materialzusammensetzung für eine Kontaktfläche einer Bypass-Vorrichtung herausgestellt.SnCu, in particular, has proven to be a high-performance material composition for a contact surface of a bypass device.
Die erste Schicht ist aus Kupfer oder Nickel gebildet. Dies gewährleistet eine gute Haftung des Schichtsystems am Grundmaterial des ersten Maschinenelement, sprich dem Metallsubstrat.The first layer is made of copper or nickel. This ensures good adhesion of the layer system to the base material of the first machine element, i.e., the metal substrate.
Die nichtmetallischen Partikel umfassen vorzugsweise einen Anteil an elektrisch leitfähigen Partikeln, welche eine signifikante Senkung des Grenzflächenwiderstandes am Bauteil bewirken und insbesondere aus mindestens einem Material der Gruppe umfassend Kohlenstoff, Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstofffasern, Ruß, Graphen, Graphenoxid, Metallnitrid, Metallkarbid, gebildet sind.The non-metallic particles preferably comprise a proportion of electrically conductive particles, which cause a significant reduction in the interfacial resistance of the component and are in particular formed from at least one material of the group comprising carbon, graphite, carbon nanotubes, carbon fibers, carbon black, graphene, graphene oxide, metal nitride, metal carbide.
Der Anteil an elektrisch leitfähigen Partikeln kann insbesondere mehr als 50% der nichtmetallischen Partikel betragen. Es hat sich dabei gezeigt, dass die elektrisch leitfähigen Partikel, die aus der zweiten Schicht hervorragen, den elektrischen Kontakt zwischen der Kontaktfläche des ersten Maschinenelements und dem Bypass-Leiter besonders zuverlässig aufrechterhalten.The proportion of electrically conductive particles can be more than 50% of the non-metallic particles. It has been shown that the electrically conductive particles protruding from the second layer maintain the electrical contact between the contact surface of the first machine element and the bypass conductor particularly reliably.
Besonders geeignet für die Anwendung ist eine Kombination einer Legierung aus einer Zinn-Nickel-Legierung mit einem Nickelgehalt im Bereich von 20 bis 40 Gew.-% mit darin dispergierten nichtmetallischen Partikeln aus mindestens einem Material der Gruppe umfassend Kohlenstoff, Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstofffasern, Ruß, Graphen, Graphenoxid. Diese Legierung bildet an ihrer Oberfläche zwar eine Oxidschicht als Passivierung aus, diese ist jedoch selbst leitfähig und verbessert das Anlaufverhalten rotativ zueinander beweglicher Maschinenelementen.A combination of a tin-nickel alloy with a nickel content in the range of 20 to 40 wt% with dispersed non-metallic particles of at least one material from the group comprising carbon, graphite, carbon nanotubes, carbon fibers, carbon black, graphene, and graphene oxide. This alloy forms an oxide layer on its surface as passivation; however, this layer is itself conductive and improves the start-up behavior of rotating machine elements.
Die nichtmetallischen Partikel können weiterhin einen Anteil an Partikeln umfassen, die aus einem nicht elektrisch leitenden Material gebildet sind, wie mindestens einem Material der Gruppe umfassend Metallsulfid, Metalloxid, Diamant, Glimmer, PTFE.The non-metallic particles may also include a proportion of particles formed from a non-electrically conductive material, such as at least one material from the group comprising metal sulfide, metal oxide, diamond, mica, PTFE.
Als Metalloxide werden bevorzugt Al2O3, BeO2, CdO, MgO, SiO2, TiO2, ZrO2, Fe-Oxide und dergleichen eingesetzt. Als Metallkarbide werden bevorzugt SiC, WC, VC, TiC, Cr2C3, Cr3C2 und dergleichen eingesetzt. Als Metallnitride werden bevorzugt BN oder SiN und dergleichen eingesetzt. Besonders bevorzugt wird Kohlenstoff in Form von Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstofffasern, Ruß, Graphen oder auch in Form von Graphenoxid eingesetzt. Als Metallsulfide werden bevorzugt MoS2, MoS, Ni-FeS2 und dergleichen eingesetzt.Preferably used metal oxides include Al₂O₃, BeO₂, CdO, MgO, SiO₂, TiO₂, ZrO₂, Fe oxides, and the like. Preferably used metal carbides include SiC, WC, VC, TiC, Cr₂C₃, Cr₃C₂, and the like. Preferably used metal nitrides include BN or SiN and the like. Carbon is particularly preferred in the form of graphite, carbon nanotubes, carbon fibers, carbon black, graphene, or graphene oxide. Preferably used metal sulfides include MoS₂, MoS₂, Ni-FeS₂, and the like.
Eine besonders geeignete Partikelgröße der nichtmetallischen Partikel liegt in einem Bereich von 100 nm bis 8 µm, insbesondere im Bereich von 500 nm bis 6 µm. Besonders bevorzugt werden Partikel eingesetzt, die besonders stabil in einem Elektrolyten zur galvanischen Abscheidung der zweiten Schicht dispergierbar sind. Insbesondere ist die Partikelgröße so gewählt, dass diese aus der Oberfläche der mindestens einen zweiten Schicht herausragen um so den Kontakt zum Gegenkörper sicherzustellen.A particularly suitable particle size for the non-metallic particles lies in the range of 100 nm to 8 µm, especially in the range of 500 nm to 6 µm. Particles that are particularly stable when dispersed in an electrolyte for the electroplating of the second layer are especially preferred. In particular, the particle size is selected such that it protrudes from the surface of the at least one second layer to ensure contact with the counterbody.
Auch ist ein Volumenanteil an nichtmetallischen Partikeln in der zweiten Schicht im Bereich von 1 bis 50 Vol.-% besonders geeignet. Dies gewährleistet eine zuverlässige Bindung der Partikel in der metallischen Matrix.A volume fraction of non-metallic particles in the second layer, ranging from 1 to 50 vol.%, is also particularly suitable. This ensures reliable binding of the particles within the metallic matrix.
Die optionale erste Schicht und die mindestens eine zweite Schicht sind durch galvanische Abscheidung gebildet. Mittels galvanischer Verfahren ist die Abscheidung von elektrolytdichten Schichten mit einer Schichtdicke bis zu 30µm ohne weiteres möglich. Dadurch können galvanisch abgeschiedene, leitfähige und beständige Schichten auf metallischen Substraten, wie Wälzlagerstählen oder ähnlichem, erreicht werden. Die nichtmetallischen Partikel werden in einem Elektrolyten zur Ausbildung der zweiten Schicht dispergiert und in die auf der ersten Schicht abgeschiedene Legierung unter Bildung der mindestens einen zweiten Schicht eingebunden.The optional first layer and at least one second layer are formed by electroplating. Electroplating processes readily allow the deposition of electrolyte-dense layers with a thickness of up to 30 µm. This enables the creation of electroplated, conductive, and durable layers on metallic substrates such as bearing steels or similar materials. The non-metallic particles are dispersed in an electrolyte to form the second layer and are incorporated into the alloy deposited on the first layer, forming at least one second layer.
Es kann/können eine einzelne zweite Schicht oder mehrere zweite Schichten übereinander aufgebracht werden.A single second layer or several second layers can be applied on top of each other.
Außerdem kann die galvanische Abscheidung mittels eines sogenannten „Pulse Plating“-Verfahrens erfolgen, bei dem die am Elektrolyten angelegte Spannung periodisch abgeschaltet oder umgepolt wird. Durch die beim Einschalten kurzzeitig erhaltenen Stromstöße werden vermehrt Keime für die Metallabscheidung gebildet und somit eine Grundlage für feinkörnige Niederschläge und Glanz geschaffen.Furthermore, electroplating can be carried out using a so-called "pulse plating" process, in which the voltage applied to the electrolyte is periodically switched off or reversed. The brief current pulses received during the switch-on process create more nuclei for metal deposition, thus providing a basis for fine-grained deposits and a glossy finish.
Die erste Schicht weist bevorzugt eine Schichtdicke von bis zu 5 µm, insbesondere im Bereich von bis zu 3 µm, auf. Die mindestens eine zweite Schicht weist bevorzugt eine Schichtdicke von bis zu 30 µm, insbesondere im Bereich von 5 bis 20 µm, auf. Die bevorzugte Gesamtschichtdicke des Schichtsystems beträgt < 10 µm und liegt insbesondere im Bereich von 4 bis 8 µm.The first layer preferably has a thickness of up to 5 µm, particularly up to 3 µm. The at least one second layer preferably has a thickness of up to 30 µm, particularly between 5 and 20 µm. The preferred total thickness of the layer system is < 10 µm, particularly between 4 and 8 µm.
Beschreibung der ZeichnungenDescription of the drawings
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- -
1 - ein Teilschnitt als Ausführungsbeispiel einer Wälzlageranordnung 1 in einem Teilschnitt entlang der Rotationsachse 16; - -
2 - eine Detaildarstellung der Wälzlageranordnung aus1 in einem schrägen Teilschnitt; - -
3 - einen Ausschnitt des Kontaktbereichs des zweiten Maschinenelements 31 aus1 im Schnittbild im I-I;
- -
1 - a partial section as an embodiment of a rolling bearing arrangement 1 in a partial section along the axis of rotation 16; - -
2 - a detailed representation of the rolling bearing arrangement from1 in a slanted partial section; - -
3 - a section of the contact area of the second machine element 31 from1 in the cross-sectional view in II;
BezugszeichenReference sign
- 11
- Wälzlageranordnungrolling bearing arrangement
- 22
- Äußerer LagerringOuter bearing ring
- 33
- Beschichtungcoating
- 3a3a
- Erste SchichtFirst shift
- 3b3b
- Zweite SchichtSecond shift
- 44
- Absatz im ersten MaschinenelementParagraph in the first machine element
- 55
- ZylinderrollensatzCylinder roller set
- 66
- GrundmaterialBasic material
- 77
- Innerer LagerringInner bearing ring
- 88
- ZylinderrollenCylinder rollers
- 99
- LagerschulterBearing shoulder
- 1010
- durch Verstemmen erzeugte ringförmige Öffnungenring-shaped openings created by caulking
- 1111
- Käfigcage
- 1212
- --
- 1313
- --
- 1414
- KontaktbereichContact area
- 1515
- --
- 1616
- Rotationsachseaxis of rotation
- 1717
- --
- 1818
- --
- 1919
- LagerzwischenraumStorage space
- 2020
- Bypass-VorrichtungBypass device
- 2121
- Halter der Bypass-VorrichtungHolder of the bypass device
- 21.121.1
- Haltescheiberetaining disc
- 21.221.2
- KlemmscheibeClamping disc
- 2222
- --
- 2323
- Bypass-LeiterBypass ladder
- 2424
- Ringförmige ÖffnungenRing-shaped openings
- 2525
- --
- 2626
- --
- 2727
- --
- 2828
- --
- 2929
- --
- 3030
- erstes Maschinenelementfirst machine element
- 3131
- zweites Maschinenelementsecond machine element
- 3232
- --
- 3333
- --
- 3434
- --
Claims (6)
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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Family
ID=96499764
Family Applications (1)
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-
2024
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102024104016A1 (en) | 2025-08-14 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R018 | Grant decision by examination section/examining division |