SCHLEIFRINGBÜRSTE MIT GALVANISCHEM MULTISCHICHTSYSTEM

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] 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

[0002] Die EP 0 662 736 A 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.

[0003] In der DE 14 89 080 A ist eine Schleifring Anordnung offenbart, bei der Bürsten in Form von massiven Einzeldrähten in Nuten einer Schleifbahn laufen.

[0004] In der US 4,398,113 ist eine weitere Bürste mit mehreren Drähten offenbart. Hierbei weist die Schleifbahn eine geringere Härte als die Bürste auf, so dass sich beim initialen Einlaufen der Bürste weiches Gold von der Schleifbahn an der Bürste anlagert. Dies führt zu einer lang anhaltenden und reibungsarmen Beschichtung an der Bürste.

[0005] In der DE 34 34 627 A1 ist eine Schleifkontaktanordnung offenbart, bei der unter einer leitfähigen Kontaktschicht eine harte, amorphe Zwischenschicht angeordnet ist. Diese amorphe Zwischenschicht stützt die Kontaktschicht und sorgt somit dafür, dass diese eine hohe Lebensdauer bei geringem Abrieb erhält.

[0006] 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

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer von Schleifringsystemen zu erhöhen, Schleifringsysteme mit Notlaufeigenschaften zu versehen und eine frühzeitige Verschleißanzeige zu ermöglichen.

[0008] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] 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 Schleifrings 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.

[0013] Wesentlich für die Erfindung sind die Abriebeigenschaften der Kontaktmaterialien. Insbesondere bei Schleifringsystemen tritt ein adhäsiver Verschleiß (Kaltverschweißungen) auf. Dabei bilden sich die Kaltverschweißungen häufig auf dem härteren Material aus und das weichere Material erfährt einen Materialverlust die Härte ist ein Kennwert, der eine erste Aussage über das Verhalten ermöglicht. Allerdings kann je nach verwendetem Materialsystem speziell bei geringen Härteunterschieden, ein Verhalten auftreten, bei dem sich die Kaltverschweißungen auch auf dem weicheren Material bilden. Daher wird bei neuen unbekannten Materialpaarungen ein Komponententest durchgeführt, in dem das Verschleißverhalten sicher erkannt werden kann.

[0014] 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.

[0015] Es ist weiterhin besonders bevorzugt, wenn die untere Schicht der Schleifbahn eine relativ glatte Oberfläche, insbesondere mit einer Rauhtiefe kleiner 1 µm und besonders bevorzugt kleiner 0.1 µm aufweist. Dadurch kann ein besonders abriebarmes Gleiten der Bürste auf dieser Schicht realisiert werden.

[0016] 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.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] Mit diesem Verfahren sind alle zuvor beschrieben Varianten und Ausführungsbeispiele kombinierbar.

Beschreibung der Zeichnungen

[0022] Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.

Figur 1 zeigt eine Erfindungsgemäße Vorrichtung

Figur 2 zeigt eine Schleifringanordnung in allgemeiner Form

Figur 3 zeigt verschiedene Stufen des Abriebs

Figur 4 zeigt eine Bürste mit sichtbarem Verschleiß

[0023] In Figur 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.

[0024] In Figur 2 ist ein Schleifringanordnung in allgemeiner Form dargestellt. Auf einer Schleifbahn 30 läuft wenigstens eine Bürste 10, welche von einem Bürstenträger 20 gehalten wird.

[0025] In Figur 3 verschiedene Stufen des Antriebs dargestellt. Hierzu zeigt die Figur 3a den Neuzustand mit vollständig ausgebildeten und nicht abgeschriebenen Schichten aus Kontaktmaterialien 11, 31,32. Die Figur 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 Figur 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.

[0026] Figur 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 zur Verschleißanzeige herangezogen werden. Solange die Bürste ohne Defekte im Material ist, wird offensichtlich noch die obere Schicht 31 mit dem 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

[0027] 

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

40

Schleifbahnträger

50, 51

Auflagepunkte

Ansprüche

1. Schleifringanordnung umfassend eine Bürste (10) mit einem ersten Kontaktmaterial (11) an der Oberfläche und einer Schleifbahn (30) mit einer Schicht eines zweiten Kontaktmaterials (31) an der Oberfläche, wobei die Bürste (10) auf der Schleifbahn (30) aufliegt und 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 Abrieb 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 (30) der Abrieb des ersten Kontaktmaterials (11) der Bürste (10) größer als der Abrieb des dritten Kontaktmaterials (32) ist und Übertragungseigenschaften der Schleifringanordnung erhalten bleiben, wenn die Bürste (10) mit dem dritten Kontaktmaterial (32) Kontakt macht, nachdem die Schicht des zweiten Kontaktmaterials (31) aufgebraucht ist.

2. Schleifringanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte des zweiten Kontaktmaterials (31) kleiner als die Härte des ersten Kontaktmaterials (11) ist.

3. Schleifringanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Härte des dritten Kontaktmaterials (32) größer als die Härte des ersten Kontaktmaterials (11) ist.

4. Schleifringanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schicht mit dem dem dritten Kontaktmaterial (32) der Schleifbahn (31) eine glatte Oberfläche und insbesondere eine Rauhtiefe kleiner 1 µm aufweist.

5. Verfahren zur Herstellung einer Schleifringanordnung mit einer Bürste (10) mit einem ersten Kontaktmaterial (11) an der Oberfläche und einer Schleifbahn (30) für den Schleifkontakt mit der Bürste (10), umfassend die Schritte:

Beschichtung der Schleifbahn mit einem dritten Kontaktmaterial (32), welches im Kontakt mit dem ersten Kontaktmaterial (11) der Bürste (10) einen geringeren Abrieb als das erste Kontaktmaterial (11) der Bürste (10) aufweist,

Beschichtung der Schleifbahn mit einem zweiten Kontaktmaterial (31),

welches im Kontakt mit der Bürste (10) einen höheren Abrieb als das erste Kontaktmaterial (11) der Bürste aufweist, so dass Übertragungseigenschaften der Schleifringanordnung erhalten bleiben, wenn die Bürste (10) mit dem dritten Kontaktmaterial (32) Kontakt macht, nachdem die Schicht des zweiten Kontaktmaterials (31) aufgebraucht ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte des zweiten Kontaktmaterials (31) kleiner als die Härte des ersten Kontaktmaterials (11) ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte des dritten Kontaktmaterials (32) größer als die Härte des ersten Kontaktmaterials (11) ist.

Claims

1. Slipring assembly comprising a brush (10) with a first contact material (11) on the surface and a sliding track (30) with a layer of a second contact material (31) on the surface, wherein the brush (10) rests on the sliding track (30) and wherein in case of a sliding contact between the brush (10) with the first contact material (11) and the second contact material (31) of the sliding track (30), abrasion of the first contact material (11) of the brush (10) is less than that of the second contact material (31),
characterized in that
the sliding track (30) has a further layer with a third contact material (32) beneath the second contact material (31), wherein in case of a sliding contact between the brush (10) with the first contact material (11) and the third contact material (32) of the sliding track (30), abrasion of the first contact material (11) of the brush (10) is higher than that of the third contact material (32), and the transmission properties of the slipring assembly are maintained, when the brush (10) contacts the third contact material (32), after the layer of the second contact material (31) is worn off.

2. Slipring assembly according to claim 1,
characterized in that
the hardness of the second contact material (31) is less than the hardness of the first contact material (11).

3. Slipring assembly according to one of the preceding claims,
characterized in that
the hardness of the third contact material (32) is higher than the hardness of the first contact material (11).

4. Slipring assembly according to one of the preceding claims,
characterized in that
the layer with the third contact material (32) of the sliding track (31) has a smooth surface and in particular has a roughness depth of smaller than 1 µm.

5. A method for manufacturing a slipring assembly with a brush (10) having a first contact material (11) on the surface and a sliding track (30) for the sliding contact with the brush (10), comprising the steps of:

coating the sliding track with a third contact material (32) having less abrasion than the first contact material (11) of the brush (10) when in contact with the first contact material (11) of the brush (10),

coating the sliding track with a second contact material (31) having a higher abrasion than the first contact material (11) of the brush when in contact with the brush (10),

such that the transmission properties of the slipring assembly are maintained, when the brush (10) contacts the third contact material (32) after the layer of the second contact material (31) is worn off.

6. Method according to claim 5,
characterized in that
the hardness of the second contact material (31) is less than the hardness of the first contact material (11).

7. Method according to claim 5 or 6,
characterized in that
the hardness of the third contact material (32) is higher than the hardness of the first contact material (11).

Revendications

1. Disposition de bague collectrice comprenant un balai (10) avec un premier matériau de contact (11) en surface et une piste de frottement (30) avec une couche d'un deuxième matériau de contact (31) en surface, le balai (10) reposant sur la piste de frottement (30) et, en cas de contact en frottement entre le balai (10) muni du premier matériau de contact (11) et le deuxième matériau de contact (31) de la piste de frottement (30), l'usure du premier matériau de contact du balai (11) étant plus faible que celle du deuxième matériau de contact (31),
caractérisée en ce que la piste de frottement (30) présente, sous le deuxième matériau de contact (31), une autre couche d'un troisième matériau de contact (32), l'usure du premier matériau de contact (11) du balai (10) étant plus forte que celle du troisième matériau de contact (32) en cas de contact en frottement entre le balai (10) muni du premier matériau de contact (11) et le troisième matériau de contact (32) de la piste de frottement (30) et les propriétés de transmission de la disposition de bague collectrice étant conservées lorsque le balai (10) vient en contact avec la troisième matériau de contact (32) quand la couche du deuxième matériau de contact (31) est complètement usée.

2. Disposition de bague collectrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que la dureté du deuxième matériau de contact (31) est inférieure à celle du premier matériau de contact (11).

3. Disposition de bague collectrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la dureté du troisième matériau de contact (32) est supérieure à celle du premier matériau de contact (11).

4. Disposition de bague collectrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la couche comportant le troisième matériau de contact (32) de la piste de frottement (31) présente une surface lisse et en particulier une profondeur de rugosité inférieure à 1 µm.

5. Procédé pour la fabrication d'une disposition de bague collectrice avec un balai (10) muni d'un premier matériau de contact (11) en surface et une piste de frottement (30) pour le contact frottant avec le balai (10), comprenant les étapes suivantes :

revêtement de la piste de frottement avec un troisième matériau de contact (32) qui présente, au contact du premier matériau de contact (11) du balai (10), une usure plus faible que le premier matériau de contact (11) du balai (10),

revêtement de la piste de frottement avec un deuxième matériau de contact (31) qui présente, au contact du balai (10), une usure plus forte que le premier matériau de contact (11) du balai, de sorte que les propriétés de transmission de la disposition de bague collectrice sont conservées lorsque le balai (10) vient en contact avec le troisième matériau de contact (32) quand la couche du deuxième matériau de contact (31) est complètement usée.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la dureté du deuxième matériau de contact (31) est inférieure à celle du premier matériau de contact (11).

7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la dureté du troisième matériau de contact (32) est supérieure à celle du premier matériau de contact (11).

Zeichnung