DREHKUPPLUNG

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehkupplung mit zwei um eine Drehachse relativ zueinander drehbar gelagerten, jeweils elektrisch leitfähiges Material aufweisenden Komponenten, die gemeinsam wenigstens einen Zwischenspalt einschließen, der zu Zwecken einer elektrischen Signal- und/oder Energieübertragung als kapazitiver Spalt ausgebildet ist, wobei beide Komponenten über wenigstens ein Gleitlager längs zur Drehachse axialfest und um die Drehachse drehbar relativ zueinander gelagert sind und das Gleitlager wenigstens einen Gleitlagerspalt aufweist, der zumindest bereichsweise dem kapazitiven Spalt entspricht..

Stand der Technik

[0002] Eine gattungsgemäße Drehkupplung ist in der Druckschrift DE 26 53 209 C3 beschrieben. Die bekannte koaxiale Drehkupplung zeichnet sich durch Rotor- und Stator-seitige Leitungsabschnitte aus, die in Radialrichtung zur Drehachse gefaltet sind und einander jeweils Resonanzräume kontaktlos begrenzen. Die gefalteten Leitungsabschnitte bilden jeweils mehrere radial zueinander beabstandete kondensatorplattenartig ausgebildete Leitungsabschnitte, die jeweils einen für die elektrische Energie- und Signalübertragung geeignet ausgebildeten kapazitiven Spalt einschließen. Zur drehbaren Lagerung sind Rotor und Stator mittels eines Wälzlagers in Form zweier Kugellager axial fest zur und drehbar um die Drehachse gelagert.

[0003] Die Realisierung derartiger Drehkupplungen gestaltet sich zumeist aufwändig und kostspielig zumal die nur sehr gering dimensionierten Spaltbreiten der kapazitiven Spalte hohe Anforderungen an die in der Drehkupplung verbauten Wälzlager mit reduziertem Lagerspiel stellen. Hinzu kommen beträchtliche betriebstechnische Anforderungen in Bezug auf mechanische Robustheit, klimatologische Widerstandsfähigkeit sowie lange Lebensdauer. Zudem sollte die Funktion der Drehkupplungen nicht von deren räumliche Einbaulage abhängen.

[0004] Der Druckschrift EP 443 536 A2 ist eine kontaktlose koaxiale Drehkupplung zu entnehmen, mit einer zylinderförmig ausgebildeten, um eine Drehachse rotierenden Rotoreinheit, längs deren Zylindermanteloberfläche eine Vielzahl axial voneinander beabstandete streifenförmig ausgebildete Ringelektroden angeordnet ist, die mit statorseitig angebrachten Ringelektroden einzelne kapazitive Spalten einschliessen. Die statorseitig angeordneten, streifenförmig ausgebildeten Ringelektroden sind an der Hülseninnenwand einer die zylinderförmige Rotoreinheit radial umgebenden Hülse angebracht. Die axialfeste sowie drehbare Lagerung des Rotors relativ zum Stators kann mittels eines Wälzlagers oder einer magnetischen Lagerung realisiert sein.

[0005] Die Druckschrift US 2004/0051604 A1 offenbart ein Drehlager mit einem kapazitiven Spalt mit einem Spaltraum, der zur Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses mit einem Dielektrikum gefüllt ist, das gasförmig oder flüssig ist.

[0006] Die Druckschrift US 5 781 087 A offenbart eine Rechteckhohlleiter-Drehverbindung, die eine begrenzte mechanische Drehung von zwei Rechteckhohlleitern um eine gemeinsame Längsachse ermöglicht. Zum Zwecke einer axialfesten und drehbeweglichen Lagerung zweier Rechteckhohlleiter weisen zwei sich axial gegenüberstehende Flansche Nut-förmige Ausnehmungen auf, in die ein Teflon-Distanzring gefügt ist.

[0007] Die Druckschrift JP H07 122903 A beschreibt eine kapazitive Drehkupplung mit zwei einander zugewandt orientierte und durch einen Drehspalt voneinander beabstandete, elektrisch, leitende Kontaktplatten, die mittels eines Kugel- oder Nadellagers relativ zueinander drehbar gelagert sind.

[0008] Die Druckschrift DE196 12 109 C1 beschreibt ein Lagerbauteil mit einer tribologisch beanspruchbaren Fläche, bei dem das Lagerbauteil aus einem Metall-Matrix-Composit-Werkstoff besteht, dessen Matrix durch eine Aluminiumlegierung gebildet ist, die mit SiC-Partikeln verstärkt ist, und wobei die tribologisch beanspruchbare Fläche die Oberfläche einer Anodisierschicht ist.

[0009] Die Druckschrift DE 10 2007 042 382 B3 beschreibt ein Bauteil in Form eines Gleitlagers, das eine Schicht aus einem Leichtmetallwerkstoff vorsieht, der eine mit Poren aufweisende Oxidschicht aufweist, in die ein Hartstoff eingebracht ist, der die Festigkeit dieses Schichtbereiches stark erhöht und so die mechanische Festigkeit für die Anwendung als Gleitlager schafft. Um der Sprödbruchneigung dieses festen Schichtbereiches entgegenzuwirken, ist die Oxidschicht mit einer Festschmierstoffschicht beschichtet. Diese weist eine metallische, duktile Matrix auf, die eine punktuell wirkende Kraft auf einen größeren Flächenbereich verteilt. In der Festschmierstoffschicht sind zur Verbesserung der Gleiteigenschaften gleichzeitig Partikel eines Festschmierstoffes eingelagert.

[0010] Der Druckschrift DE 20 2006 006 813 U1 ist ein Lagerelement für eine geschmierte oder ungeschmierte Lagerpaarung, insbesondere in Form eines Gleitlagers, zu entnehmen, wobei das Lagerelement eine Oberflächenschicht mit nach außen hin offenen Poren aufweist, die durch anodische Oxidation der Oberflächenschicht zu Aluminiumoxid vorlagenfrei gebildet sind und zumindest größtenteils nicht miteinander kommunizieren, wobei die Oberflächenschicht (3 ) amorph ausgebildet ist.

[0011] Die Druckschrift DE 20 2016 213 352 A1 beschreibt ein Gleitelement mit einer Beschichtung, die zumindest eine Funktionsschicht aufweist, die eine Mischoxid-Matrix aufweist und in der Mischoxid-Matrix Feststoffschmiermittelpartikel und/oder Hartpartikel eingebettet sind.

Darstellung der Erfindung

[0012] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehkupplung mit zwei um eine Drehachse relativ zueinander drehbar gelagerten, jeweils elektrisch leitfähiges Material aufweisenden Komponenten, die gemeinsam wenigstens einen Zwischenspalt einschließen, der zu Zwecken einer elektrischen Signal- und/oder Energieübertragung als kapazitiver Spalt ausgebildet ist, wobei beide Komponenten über wenigstens ein Gleitlager längs zur Drehachse axialfest und um die Drehachse drehbar relativ zueinander gelagert sind und das Gleitlager wenigstens einen Gleitlagerspalt aufweist, der zumindest bereichsweise dem kapazitiven Spalt entspricht, derart weiterzubilden, so dass die Drehkupplung über eine verbesserte mechanische Robustheit verfügen soll, wodurch ihre Funktionstüchtigkeit selbst bei beliebigen räumlichen Einbaulagen uneingeschränkt erhalten bleiben soll und dies in einem Temperaturbereich von -40°C bis +55°C und mit einer Lebensdauer von mehr als 100 Mio. Umdrehungen. Darüber hinaus soll die Drehkupplung kostengünstig und mit einem geringen Fertigungsaufwand realisierbar sein. Schließlich soll die Drehkupplung beliebig skalierbar und insbesondere für den Einsatz in räumlich klein bauenden Drehsystemen besonders geeignet sein.

[0013] Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die illustrierten Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

[0014] Lösungsgemäß zeichnet sich die Drehkupplung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 dadurch aus, dass das elektrisch leitfähige Material wenigstens einer der beiden Komponenten an deren Oberfläche zumindest im Bereich des kapazitiven Spaltes eine als Metalloxidschicht ausgebildete, elektrisch isolierende Schicht aufweist.

[0015] Die der Erfindung zugrundeliegende Idee betrifft die Zusammenführung der Funktionen bezüglich der Lagerung von Rotor zu Stator sowie der kapazitiven Energie- und Signalübertragung längs des kapazitiven Spaltes im Rahmen einer Gleitlagerung unter gleichzeitiger Nutzung wenigstens einer abriebfesten und robusten, elektrisch isolierenden Schicht, die als Metalloxidschicht ausgebildet ist Der zwischen dem Rotor und Stator zum Zwecke der kontaktlosen elektrischen Energie- und Signalübertragung dienende kapazitive Spalt ist zumindest von zwei elektrisch leitenden Materialoberflächen begrenzt, die die Funktion von Kondensatorelektroden besitzen.

[0016] Typischerweise weist der kapazitive Spalt eine Spaltbreite b auf, für die gilt: 0,001 mm ≤ b ≤ 0,02 mm.

[0017] Wenigstens eine der beiden sich gegenüberliegend angeordneten, elektrisch leitenden Materialoberflächen ist zusätzlich mit einer elektrisch isolierenden Metalloxidschicht überzogen. Die Art der Metalloxidschicht richtet sich vornehmlich nach der Wahl des jeweils elektrisch leitenden Grundmaterials. Die Metalloxidschicht bildet sich im Wege einer Passivierung bzw. Oxidation im monolithischen Verbund mit der elektrisch leitenden Materialoberfläche aus und verfügt so über eine hohe Abriebfestigkeit.

[0018] Auch ist es denkbar in Kombination mit der vorstehend erwähnten elektrisch isolierenden Metalloxidschicht eine Silber-Graphit oder Siliziumkarbidschicht unmittelbar oder mittelbar an wenigstens einer der beiden sich gegenüberliegend angeordneten, elektrisch leitenden Materialoberflächen vorzusehen. So zeichnen sich Silber-Graphit sowie auch Siliziumkarbid jeweils durch eine große Materialhärte und eine damit verbundene hohe Abriebfestigkeit aus und tragen damit zu einer Verlängerung der Lebensdauer der Drehkupplung bei.

[0019] Je nach technischem Einsatz- und Anwendungszweck der Drehkupplung ist der zwischen den sich gegenüberliegenden, elektrisch leitenden Materialoberflächen mittel- oder unmittelbar eingeschlossene Zwischenspalt mit einem gasförmigen Medium, beispielsweise Luft oder mit einem niederviskosen Schmiermittel, vorzugsweise in Form eines dünnflüssigen synthetischen Langzeitöles, befüllt.

[0020] Grundsätzlich eignen sich sehr gut elektrisch leitfähige Materialien für die Ausbildung der stator- und rotorseitig, jeweils den kapazitiven Spalt beidseitig begrenzenden Materialoberflächen, wie beispielsweise Aluminium, Aluminiumbronze, Aluminiummessing, Kupferlegierung oder Leichtmetalllegierungen. Insbesondere bei Verwendung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als elektrisch leitfähiges Material eignet sich für die Ausbildung einer vorzugsweise vorzusehenden elektrisch isolierenden Schicht eine Harteloxalschicht, die im Wege einer Anodisierung bzw. Hartanodisierung gewonnen wird und sich als besonders abriebfeste Aluminiumoxidschicht auszeichnet.

[0021] In einer möglichen Ausführungsform der Drehkupplung sind die als Rotor und Stator dienenden Komponenten im Wesentlichen aus einem elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise aus einem leichtgewichtigen Kunststoff oder Kunststoffverbundmaterial gefertigt, in denen zur elektrischen Energie- und Signalübertragung elektrisch leitende Strukturen, vorzugsweise in Form von elektrisch leitenden Bahnen oder Schichten implementiert oder auf deren Komponentenoberflächen zumindest bereichsweise appliziert sind. Zumindest die dem kapazitiven Spalt zugewandten Oberflächen des Rotors und Stators sind mit einer elektrisch leitenden Materialschicht überzogen, von denen wenigstens eine mit einer Metalloxidschicht überzogen ist.

[0022] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Komponenten, d.h. Rotor und Stator der Drehkupplung jeweils vollständig aus einem der vorstehend genannten, elektrisch leitenden Materialien gefertigt. So bietet es sich an Rotor und Stator jeweils einstückig aus einem metallischen Körper zu fertigen. Neben konventionellen, materialabtragenden Fertigungsmethoden bieten sich hierzu auch generative Herstellungsverfahren an, wie bspw. selektives Laserschmelzen oder -sintern.

[0023] Vorzugsweise weist wenigstens eine der metallischen Komponenten der Drehkupplung zumindest im Bereich des kapazitiven Spaltes eine Metalloxidschicht auf. Vorzugsweise und nicht zuletzt aus Fertigungsgründen ist die betreffende metallische Komponente vollständig mit einer Metalloxidschicht versehen bzw. überzogen.

[0024] Insbesondere bei Verwendung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zur Realisierung wenigstens einer Komponente der Drehkupplung besteht die elektrisch isolierende Schicht aus einer als Harteloxalschicht ausgebildeten Aluminiumoxidschicht. Die mittels Hartanodisieren herstellbare Harteloxalschicht verfügt über einen signifikanten Verschleiß- und Korrosionsschutz sowie über gute tribologische Eigenschaften oder jeweils in Abhängigkeit der Struktur- und Materialbeschaffenheit der gegenüberliegend angeordneten Komponentenoberfläche, über sehr gute Gleiteigenschaften. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht zumindest die der Harteloxalschicht gegenüberliegend angeordnete Komponentenoberfläche aus Aluminiumbronze. Selbstverständlich sind auch andere, abriebfeste Materialien zusätzlich zwischen den sich längs des kapazitiven Spaltes gegenüberliegend angeordneten Werkstoffoberflächen denkbar, bspw. Silber-Graphit, Siliziumkarbid oder Gleitlacke.

[0025] In vorteilhafter Weise ist das Gleitlager der lösungsgemäß ausgebildeten Drehkupplung in Form eines Radiallagers gestaltet, durch das der Rotor axial fest zur und drehbar um die Drehachse relativ zum Stator gelagert ist. Gleichsam ist eine Gleitlagerausbildung in Form eines Axiallagers möglich. Konstruktive Einzelheiten von besonders vorteilhaft ausgebildeten Ausführungsformen sind den nachstehenden Figuren zu entnehmen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0026] Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1

Längsschnittdarstellung durch Stator und Rotor einer lösungsgemäß ausgebildeten Drehkupplung mit als Radiallager ausgebildeten Gleitlager sowie

Fig. 2

Längsschnittdarstellung durch Stator und Rotor einer lösungsgemäß ausgebildeten Drehkupplung mit einem als Axiallager ausgebildeten Gleitlager.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

[0027] In Figur 1 ist ein Längsschnitt durch eine bevorzugt ausgebildete Drehkupplung dargestellt, die über zwei jeweils einstückig hergestellte Komponenten 1, 2 verfügt, von denen die als Rotor R bezeichnete Komponente 1 axial fest zur sowie drehbar um die Drehachse D relativ zu der als Stator S bezeichneten Komponente 2 gelagert ist.

[0028] Die Komponente 1 bzw. der Rotor R besteht im dargestellten Fall aus Aluminium, dessen gesamte Komponentenoberfläche im Wege einer Anodisierung bzw. Hartanodisierung mit einer Harteloxalschicht überzogen ist. Demgegenüber ist die Komponente 2 bzw. der Stator S aus Aluminiumbronze gefertigt und verfügt über keine entsprechende elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtung, die jedoch optional durchaus vorgesehen sein kann.

[0029] Die im Weiteren als Rotor R bezeichnete Komponente 1 verfügt über einen geradzylinderförmig ausgebildeten Wellenabschnitt 6, der als Hohlwelle gefertigt ist und eine gradzylinderförmig ausgebildete Wellenoberfläche 6' besitzt, die, wie auch die übrige Komponentenoberfläche des Rotors R, mit einer nicht weiter dargestellten Harteloxalschicht überzogen ist.

[0030] Die dem Wellenabschnitt 6 des Rotors R zugeordnete Wellenachse Z ist koaxial zur Drehachse D der Drehkupplung orientiert. Der Wellenabschnitt 6 lagert hierzu innerhalb eines statorseitigen Hülsenelementes 7, dessen Hülseninnenfläche 7' die Wellenoberfläche 6' in Umfangsrichtung der Wellenoberfläche 6' zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollumfänglich, und axial zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, radial umfasst.

[0031] Der Wellenaußendurchmesser d₆ des Wellenabschnittes 6 sowie der Hülseninnendurchmesser d₇ des Hülsenelementes 7 sind derart aufeinander abgestimmt dimensioniert, so dass zwischen der harteloxierten Wellenoberfläche 6' und der aus Aluminiumbronze bestehenden und im Wege eines Honverfahrens endgefertigten Hülseninnenfläche 7' ein zur Drehachse D radial orientierter Zwischenspalt 3 mit einer Spaltbreite b eingeschlossen ist, für die gilt: 0,001 mm ≤ b ≤ 0,02 mm.

[0032] Durch den geeignet dimensioniert vorgegebenen Zwischenspalt 3, der vorzugsweise mit einem geeignet gewählten Gas, beispielsweise Luft, oder einem niederviskosen ölhaltigen Schmiermittel befüllt ist, ist eine ungehinderte Drehbarkeit des Rotors R innerhalb des Hülsenelementes 7 und somit relativ zum stationär gelagerten Stator S gegeben. Zum Zwecke der axial festen Lagerung des Rotors R relativ zum Stator S längs der Drehachse D dient ein zusätzlicher Haltemechanismus, der den Wellenabschnitt 6 axial fest zur Drehachse D relativ zum statorseitigen Hülsenelement 7 anordnet. Der Haltemechanismus verfügt zum einen über zwei längs des Wellenabschnittes 6 axial voneinander beabstandete, die Wellenoberfläche 6` radial nach außen überragende Wellenkrägen 8, 9, die jeweils eine radial orientierte Gleitfläche 81, 91 besitzen, die axial einander zugewandt orientiert sind. Zum anderen sieht der Haltemechanismus zwei längs des Stator-seitigen Hülsenelementes 7 axial voneinander beabstandete und axial entgegengesetzt zueinander orientierte Hülsenelement-Stirnflächen 71, 72 derart vor, so dass die Gleit- und Stirnflächen jeweils paarweise - siehe jeweils die Paarungen (81/71) sowie (72/91) - unter Ausbildung einer den Rotor R axial fest längs zur Drehachse D relativ zum Stator S haltenden Klemmkraft K in Gleitkontakt stehen.

[0033] Der Kragen 9 ist einstückig mit dem Wellenabschnitt 6 verbunden, wohingegen der in Figur 1 links am Wellenabschnitt 6 angebrachte Kragen 8 in Form einer vom Wellenabschnitt 6 separierbaren Lagermutter 10 ausgebildet ist, die über ein Gewinde 11 mit dem Wellenabschnitt 6 lösbar fest verbindbar ist. Auf diese Weise ist eine einfache axiale Montierbarkeit des Rotors R und Stators S gegeben. Der rotorseitige Wellenabschnitt 6 ist axialwärts über die Montageöffnung 12 in das Innere des Hülsenelementes 7 einführbar, wobei zumindest ein Teil des Wellenabschnittes 6 über die axiale Länge L des Hülsenelementes 7 in Einschubrichtung hinausragt. An dem aus dem Hülsenelement 7 ragenden Wellenabschnittsteil ist das Außengewinde 11 angebracht, mit dem die Lagermutter 10 in Eingriff steht, so dass einerseits der Rotor R drehbar um und andererseits axialfest zur Drehachse D gelagert ist.

[0034] Die neuartige Drehkupplung zeichnet sich somit durch eine reine, bzw. ausschließliche Gleitlagerung zwischen Stator S und Rotor R aus, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als Radiallager ausgebildet ist und einen Gleitlagerspalt 5 sowie eine axiale Gleitlagerlänge L besitzt, die zugleich der Länge des kapazitiven Spaltes 4 entspricht, der zur elektrischen Energie- und Signalübertragung zwischen dem Rotor R und dem Stator S dient.

[0035] Mögliche, fertigungsbedingte Maßschwankungen bei der Dimensionierung des Gleitlagerspaltes 5, der dem bereits erwähnten kapazitiven Spalt 4 entspricht, lassen sich innerhalb eines Fertigungsloses durch die Endbearbeitung der Hülseninnenfläche 7' des Hülsenelementes 7 im Wege des Honens eliminieren.

[0036] Mit der vorstehend erläuterten Drehkupplung konnte experimentell nachgewiesen werden, dass bei Verwendung einer einmaligen Schmierung mit einem sehr dünnflüssigen, synthetischen Langzeitöl des Gleitlagerspaltes 5 nach mehr als 22 Mio. Umdrehungen kein nennenswerter Materialabrieb am Gleitlager der Drehkupplung auftrat. Die ist umso erstaunlicher, zumal im Rahmen dieses Versuches eine außermittige Querkraft von etwa 44 Newton am Wellenabschnitt 6 lastete.

[0037] Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine alternative Ausgestaltung einer lösungsgemäßen Drehkupplung, bei der das Gleitlager mit dem kapazitiven Spalt als Axialgleitlager ausgebildet ist. In diesem Fall verfügt der hohlwellenartig ausgebildete Rotor R über einen hohlzylinderartig ausgebildeten Wellenabschnitt 6, dessen zugeordnete Zylinderachse Z der Drehachse D entspricht, um die der Rotor R relativ zum Stator S drehbar gelagert ist. Der hohlzylinderförmig ausgebildete Wellenabschnitt 6 des Rotors R weist wenigstens einen ringscheibenförmig ausgebildeten, den Wellenabschnitt 6 radial überragenden Kragen 13 auf, der jeweils zwei Kragenoberflächen 131 sowie 132 besitzt, die jeweils axial einander abgewandt und parallel zur Drehachse D orientierte Flächennormalen besitzen. Der mit dem Wellenabschnitt 6 vorzugsweise einstückig verbundene rotorseitige Kragen 13 ragt statorseitig in eine zum Kragen 13 gegenkonturiert ausgebildete nutförmige Ausnehmung 14, die jeweils den Kragenoberflächen 131, 132 axial unmittelbar gegenüberliegende Statorflächen 141, 142 besitzt. Gleichsam wie bei der in Fig. 1 illustrierten Drehkupplung begrenzen die sich jeweils paarweise axial unmittelbar gegenüberliegenden Kragenober- und Statorflächen 131, 141 sowie 132, 142 jeweils einen Zwischenspalt 3, der sowohl zum Zwecke der elektrischen Energie- und/oder Signalübertragung als kapazitiver Spalt 4 sowie auch als Gleitlagerspalt 5 für die axiale Gleitlagerung dient. Im Unterschied zur Figur 1 ist der Zwischenspalt 3 jeweils radial zur Drehachse D orientiert.

[0038] Aus Gründen eines technisch vernachlässigbaren Rotor- und Stator-seitigen Materialabriebes ist der vorzugsweise einstückig aus Aluminium gefertigte Rotor R an dessen Rotoroberfläche vorzugsweise vollumfänglich mit einer elektrisch isolierenden Schicht, in Form einer Harteloxalschicht beschichtet.

[0039] Der vorzugsweise aus Aluminiumbronze gefertigte Stator S kann optional mit einer entsprechend metalloxidischen, elektrisch isolierenden Schicht überzogen sein.

[0040] Aus Montagegründen ist der Stator S wenigstens zweiteilig ausgebildet, d.h. die gemeinsam mit der Statorfläche 141 den Rotor R axial fest zur und drehbar um die Drehachse D haltende Statorfläche 142 bildet die Oberfläche eines separaten Ringdeckelelementes 15, das, nach Einführen des Rotors R durch die Montageöffnung 12 in den Stator S, axial um den Rotor gefügt und fest oder lösbar fest in der in Figur 2 dargestellten Konfiguration mit dem übrigen Stator S gefügt ist. Hierzu eignet sich beispielsweise ein randseitig am Ringdeckelelement 15 angebrachtes Außengewinde 16, das in ein Stator-seitig gegenkonturiert ausgebildetes Gewinde in ein Eingriff bringbar ist. Alternativ ist es ebenso denkbar, das Ringdeckelelement 15 im Wege einer Schweißung, Klebung oder äquivalent wirkenden dauerhaft festen Fügeverbindung mit dem Stator S zu fügen.

[0041] Insbesondere bei sehr klein dimensionierten Spaltbreiten b des kapazitiven Spaltes 4 lassen sich sehr hohe Kapazitäten und damit verbunden geringe Blindwiderstände bzw. Reaktanzen zwischen Rotor R und Stator S realisieren. Das lösungsgemäße Drehkupplungskonzept ermöglicht eine kostengünstige und zugleich robuste, langlebige und zuverlässige Realisierung von Drehkupplungen insbesondere mit minimal dimensionierten kapazitiven Spaltbreiten b durch eine gezielte synergetische Nutzung von Gleitlager und kapazitiver elektrischer Energie- und Signalübertragung in einer einzigen Baueinheit.

[0042] Selbstverständlich ist es auch möglich, die vorstehend erläuterte Gleitlagerung zwischen Rotor und Stator ohne die Funktion einer kapazitiven Kopplung, die zur elektrischen Energie- und Signalübertragung erforderlich ist, als bloße mechanische Drehkupplung einzusetzen. Eine derartige mechanische Drehkupplung zeichnet sich durch einen kleinen Bauraum und hohe Verschleißfreiheit aus.

Bezugszeichenliste

[0043] 

1, 2

Komponenten der Drehkupplung

3

Zwischenspalt

4

Kapazitiver Spalt

5

Gleitlagerspalt

6

Wellenabschnitt

6`

Wellenoberfläche

7

Hülsenelement

7'

Hülseninnenfläche

8

Kragen

81

Gleitfläche

9

Kragen

91

Gleitfläche

10

Lagermutter

11

Gewinde

12

Montageöffnung

13

Kragen

131, 132

Kragenoberfläche

14

Ausnehmung

141, 142

Statorfläche

15

Ringdeckelelement

16

Außengewinde

D

Drehachse

R

Rotor

S

Stator

Z

Zylinderachse

d6

Wellenabschnittaußendurchmesser

d7

Hülsenelementinnendurchmesser

L

Gleitlagerspaltlänge

Ansprüche

1. Drehkupplung umfassend zwei um eine Drehachse (D) relativ zueinander drehbar gelagerte, jeweils ein elektrisch leitfähiges Material aufweisende Komponenten (1, 2), die gemeinsam wenigstens einen Zwischenspalt (3) aufweisen und einschließen, der zu Zwecken einer elektrischen Signal- und/oder Energieübertragung als kapazitiver Spalt (4) ausgebildet ist, wobei beide Komponenten (1, 2) wenigstens ein Gleitlage umfassen, über das die beiden Komponenten (1, 2) längs zur Drehachse (D) axialfest und um die Drehachse (D) drehbar relativ zueinander gelagert sind und das Gleitlager wenigstens einen Gleitlagerspalt (5) aufweist, der zumindest bereichsweise dem kapazitiven Spalt (4) entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material wenigstens einer der beiden Komponenten (1, 2) an deren Oberfläche zumindest im Bereich des kapazitiven Spaltes (4) eine als Metalloxidschicht ausgebildete elektrisch isolierende Schicht aufweist.

2. Drehkupplung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass beide Komponenten (1, 2) zumindest in einem dem kapazitiven Spalt (4) zugewandten Bereich das elektrisch leitfähige Material aufweisen.

3. Drehkupplung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material aus den nachfolgenden Metallen oder Metallverbindungen ausgewählt ist: Aluminium, Aluminiumbronze, Aluminiummessing, Kupferlegierungen, Leichtmetalllegierungen.

4. Drehkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die als Metalloxidschicht ausgebildete elektrisch isolierende Schicht eine Harteloxalschicht aufweist.

5. Drehkupplung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der beiden Komponenten (1) zumindest im Bereich des kapazitiven Spaltes (4) eine Silber-Graphit oder Siliziumkarbit enthaltende Schicht aufweist.

6. Drehkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Spalt (4) eine Spaltbreite b besitzt, für die gilt: 0,001 mm ≤ b ≤ 0,02 mm.

7. Drehkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager in Form eines Radiallagers ausgebildet ist umfassend wenigstens einen sich zwischen den beiden Komponenten (1, 2) axial erstreckenden Gleitlagerspalt (5), der dem kapazitiven Spalt (4) entspricht.

8. Drehkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Komponenten (1), im Weiteren als Rotor (R) bezeichnet, relativ zur anderen Komponente (2), im Weiteren als Stator (S) bezeichnet, axialfest um die Drehachse (D) drehbar angeordnet ist,

dass der Rotor (R) einen geradzylinderförmig ausgebildeten Wellenabschnitt (6) aufweist, dessen zugeordnete Wellenachse (Z) koaxial zur Drehachse (D) orientiert und dessen zugeordnete Wellenoberfläche (6') von einem Stator-seitig angeordneten Hülsenelement (7) zumindest in Umfangsrichtung abschnittsweise und axial zumindest teilweise radial umfasst ist, und

dass die Rotor-seitige Wellenoberfläche (6') und eine Hülseninnenfläche (7') des Stator-seitigen Hülsenelementes (7) den kapazitiven Spalt (4) einschließen.

9. Drehkupplung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager einen Haltemechanismus, der den Wellenabschnitt (6) axialfest längs der und drehbar um die Drehachse (D) relativ zum Stator-seitigen Hülsenelemente (7) anordnet, sowie den kapazitiven Spalt (4) umfasst.

10. Drehkupplung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der Haltemechanismus längs des Wellenabschnittes (6) zwei axial voneinander beabstandete, die Wellenoberfläche (6') radial nach aussen überragende Krägen (8, 9), die jeweils eine radial orientierte Gleitfläche (81, 91) aufweisen, die einander axial zugewandt sind, sowie zwei längs des Stator-seitigen Hülsenelementes (7) axial voneinander beabstandete und axial entgegengesetzt zueinander orientierte Stirnflächen (71, 72) umfasst, wobei die Gleit- und Stirnflächen (81, 91; 71, 72) jeweils paarweise unter Ausbildung einer den Rotor (R) axialfest längs der und drehbar um die Drehachse (D) relativ zum Stator (S) haltenden Klemmkraft in Gleitkontakt stehen.

11. Drehkupplung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der beiden Krägen (8, 9) in Form einer Lagermutter (10) ausgebildet ist, die über ein Gewinde (11) mit dem Rotorseitigen Wellenabschnitt (6) lösbar fest verbunden ist.

12. Drehkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager in Form eines Axiallagers ausgebildet ist umfassend wenigstens einen sich zwischen beiden Komponenten (1, 2) radial erstreckenden Gleitlagerspalt (5), der dem kapazitiven Spalt (4) entspricht.

13. Drehkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Komponenten (1, 2) jeweils einstückig aus elektrisch leitfähigem Material gefertigt sind.

14. Drehkupplung nach einem der Ansprüche 8 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (R) aus Aluminium gefertigt ist und mit einer Aluminiumoxidschicht als Harteloxalschicht ganzheitlich beschichtet ist, und dass der Stator (S) aus Aluminiumbronze besteht.

15. Drehkupplung nach einem der Ansprüche 7 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitlagerspalt mit einem gasförmigen Medium und/oder einem ölhaltigen Schmiermittel befüllt ist.

16. Drehkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass die als Metalloxidschicht ausgebildete elektrisch isolierende Schicht monolithisch mit dem elektrisch leitfähigen Material verbunden ist.

Claims

1. Rotary joint, comprising two components (1, 2) which are mounted so as to be rotatable relative to each other about an axis of rotation (D), each containing an electrically conductive material, and which together have and include at least one clearance gap (3), which is designed as a capacitive gap (4) for purposes of electrical signal and/or energy transmission, wherein both components (1, 2) comprise at least one plain bearing, via which the two components (1, 2) are mounted so as to be axially fixed longitudinally to the axis of rotation (D) and rotatable relative to each other about the axis of rotation (D), and the plain bearing has at least one plain bearing gap (5), at least a region of which corresponds to the capacitive gap (4),
characterized in that the electrically conductive material of at least one of the two components (1, 2) has an electrically isolating layer in the form of a metal oxide layer on the surface thereof at least in the region of the capacitive gap (4).

2. Rotary joint according to Claim 1,
characterized in that both components (1, 2) have the electrically conductive material at least in a region facing the capacitive gap (4).

3. Rotary joint according to Claim 1 or 2,
characterized in that das electrically conductive material is selected from the following metals or metal compounds: aluminium, aluminium bronze, aluminium brass, copper alloys, light metal alloys.

4. Rotary joint according to any one of Claims 1 to 3,
characterized in that the electrically isolating layer designed as a metal oxide layer has a hard anodised layer.

5. Rotary joint according any of Claims 1 or 2,
characterized in that at least one of the two components (1) has a layer that contains silver-graphite or silicon carbide at least in the region of the capacitive gap (4) .

6. Rotary joint according to any one of Claims 1 to 5,
characterized in that the capacitive gap (4) has a gap width b, for which the following is true: 0.001 mm ≤ b ≤ 0.02 mm.

7. Rotary joint according to any one of Claims 1 to 6,
characterized in that the plain bearing is designed in the form of a radial bearing, comprising at least one plain bearing gap (5) that extends axially between the two components (1, 2), which corresponds to the capacitive gap (4).

8. Rotary joint according to any one of Claims 1 to 7,

characterized in that one of the two components (1), referred to hereafter as rotor (R), is arranged so as to be rotatable in axially fixed manner about the axis of rotation (D) relative to the other component (2), referred to hereafter as stator (S),

the rotor (R) has a shaft section (6) designed in a straight-cylindrical shape (6), whose associated shaft axis (Z) is orientated coaxially with the axis of rotation (D), and at least a portion of whose associated shaft surface (6') is surrounded circumferentially by a sleeve element (7) arranged on the stator-side, and is at least partially radially surrounded axially, and that the rotor-side shaft surface (6') and an inner surface of the sleeve (7') of the stator-side sleeve element (7) enclose the capacitive gap (4).

9. Rotary joint according to Claim 8,
characterized in that the plain bearing comprises a retaining mechanism, which aligns the shaft section (6) in axially fixed manner longitudinally to and rotatably about the axis of rotation (D) relative to the stator-side sleeve element (7), and surrounds the capacitive gap (4).

10. Rotary joint according to Claim 9,
characterized in that the retaining mechanism comprises two collars (8, 9) arranged at a distance from each other axially along the shaft section (6), which protrude radially outwardly beyond the shaft surface (6'), of which each has a radially orientated slide surface (81, 91), which face towards each other axially, and two frontal faces (71, 72) which are spaced apart from each other axially along the stator-side sleeve element (7) and are orientated axially oppositely to each other, wherein the slide surfaces and frontal faces (81, 91; 71, 72) are each arranged in sliding contact in pairs, thereby creating a clamping force that clamps the rotor (R) in axially fixed manner along and rotatably about the axis of rotation (D) relative to the stator (S).

11. Rotary joint according to Claim 10,
characterized in that at least one of the two collars (8, 9) is designed in the form of a bearing nut (10), which is connected detachably fixedly to the rotor-side shaft section (6) via a thread (11).

12. Rotary joint according to any one of Claims 1 to 6,
characterized in that the plain bearing is designed in the form of an axial bearing, comprising at least one plain bearing gap (5) that extends radially between the two components (1, 2) and corresponds to the capacitive gap (4).

13. Rotary joint according to any one of Claims 1 to 12,
characterized in that the two components (1, 2) are each produced as a single part from electrically conductive material.

14. Rotary joint according to any one of Claims 8 to 13,
characterized in that the rotor (R) is made from aluminium and is entirely coated with an aluminium oxide layer as a hard anodised layer, and that the stator (S) consists of aluminium bronze.

15. Rotary joint according to any one of Claims 7 to 14,
characterized in that the plain bearing gap is filled with a gaseous medium and/or an oil-containing lubricant.

16. Rotary joint according to any one of Claims 1 to 15,
characterized in that the electrically isolating layer embodied as metal oxide layer is connected monolithically to the electrically conductive material.

Revendications

1. Joint tournant comprenant deux composants (1, 2) logés pouvant tourner l'un par rapport à l'autre autour d'un axe de rotation (D), comportant respectivement un matériau électroconducteur, qui comportent et forment en commun au moins un interstice intermédiaire (3), qui est constitué sous la forme d'un interstice capacitif (4) dans le but d'une transmission électrique de signaux et/ou d'énergie, sachant que les deux composants (1, 2) comprennent au moins un palier lisse par le biais duquel les deux composants (1, 2) sont logés axialement fixes le long de l'axe de rotation (D) et pouvant tourner l'un par rapport à l'autre autour de l'axe de rotation (D) et le palier lisse comporte au moins un interstice de palier lisse (5) qui correspond au moins par endroits à l'interstice capacitif (4),
caractérisé en ce que le matériau électroconducteur d'au moins un des deux composants (1, 2) comporte à sa surface au moins dans la zone de l'interstice capacitif (4), une couche électriquement isolante constituée sous la forme d'une couche d'oxyde métallique.

2. Joint tournant selon la revendication 1,
caractérisé en ce que les deux composants (1, 2) comportent au moins dans une zone tournée vers l'interstice capacitif (4) le matériau électroconducteur.

3. Joint tournant selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce que le matériau électroconducteur est sélectionné à partir des métaux ou composés métalliques suivants : aluminium, bronze d'aluminium, laiton d'aluminium, alliages de cuivre, alliages légers.

4. Joint tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que la couche électriquement isolante constituée sous la forme d'une couche d'oxyde métallique comporte une couche éloxée.

5. Joint tournant selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2,
caractérisé en ce qu'au moins un des deux composants (1) comporte au moins dans la zone de l'interstice capacitif (4) une couche contenant du graphite d'argent ou du carbure de silicium.

6. Joint tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que l'interstice capacitif (4) possède une largeur d'interstice b, pour laquelle : 0,001 mm ≤ b ≤ 0,02 mm.

7. Joint tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,
caractérisé en ce que le palier lisse est constitué sous la forme d'un palier radial comprenant au moins un interstice de palier lisse (5) s'étendant axialement entre les deux composants (1, 2), qui correspond à l'interstice capacitif (4).

8. Joint tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,

caractérisé en ce qu'un des deux composants (1), désigné par la suite rotor (R), est disposé axialement fixe pouvant tourner autour de l'axe de rotation (D) par rapport à l'autre composant (2), désigné par la suite stator (S),

en ce que le rotor (R) comporte une section d'arbre (6) constituée de forme cylindrique droite, dont l'axe d'arbre (Z) attribué est orienté coaxialement à l'axe de rotation (D) et dont la surface d'arbre (6') attribuée est comprise au moins en direction périphérique par endroits et axialement au moins en partie radialement, par un élément de manchon (7) disposé côté stator et

en ce que la surface d'arbre côté rotor (6') et une surface intérieure de manchon (7') de l'élément de manchon côté stator (7) forment l'interstice capacitif (4) .

9. Joint tournant selon la revendication 8,
caractérisé en ce que le palier lisse comprend un mécanisme de fixation, qui dispose la section d'arbre (6) axialement fixe le long de l'axe de rotation (D) et pouvant tourner autour par rapport à l'élément de manchon (7) côté stator, ainsi que l'interstice capacitif (4).

10. Joint tournant selon la revendication 9, caractérisé en ce que le mécanisme de fixation le long de la section d'arbre (6) comprend deux collerettes (8, 9) axialement distantes l'une de l'autre, dépassant la surface d'arbre (6') radialement vers l'extérieur, qui comportent respectivement une surface de glissement orientée radialement (81, 91), qui sont axialement tournées l'une vers l'autre, ainsi que deux surfaces frontales (71, 72) espacées axialement l'une de l'autre le long de l'élément de manchon (7) côté stator et orientées l'une vers l'autre axialement opposées, sachant que les surfaces de glissement et frontales (81, 91; 71, 72) sont respectivement en contact de glissement par paires en créant une force de serrage maintenant le rotor (R) axialement fixe le long de l'axe de rotation (D) et pouvant tourner autour de celui-ci par rapport au stator (S).

11. Joint tournant selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'au moins une des deux collerettes (8, 9) est constituée sous la forme d'un écrou de palier (10), qui est relié fermement de façon amovible à la section d'arbre (6) côté rotor par le biais d'un filetage (11).

12. Joint tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,
caractérisé en ce que le palier lisse est constitué sous la forme d'un palier axial comprenant au moins un interstice de palier lisse (5) s'étendant radialement entre les deux composants (1, 2), qui correspond à l'interstice capacitif (4).

13. Joint tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 12,
caractérisé en ce que les deux composants (1, 2) sont respectivement fabriqués en une pièce dans un matériau électroconducteur.

14. Joint tournant selon l'une quelconque des revendications 8 à 13,
caractérisé en ce que le rotor (R) est fabriqué en aluminium et est revêtu entièrement d'une couche d'oxyde d'aluminium en tant que couche éloxée et en ce que le stator (S) est composé de bronze d'aluminium.

15. Joint tournant selon l'une quelconque des revendications 7 à 14,
caractérisé en ce que l'interstice de palier lisse est rempli d'un milieu gazeux et/ou d'un lubrifiant oléagineux.

16. Joint tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 15,
caractérisé en ce que la couche électriquement isolante constituée sous la forme d'une couche d'oxyde métallique est monolithiquement reliée au matériau électroconducteur.

Zeichnung