DE102004024851A1

DE102004024851A1 - Lageranordnung zur Lagerung wenigstens eines Maschinenteiles

Info

Publication number: DE102004024851A1
Application number: DE102004024851A
Authority: DE
Inventors: Sven Dr. Gempper; Stefan GLÜCK
Original assignee: FAG Kugelfischer AG and Co OHG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2005-12-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung (1, 17, 19) zur Lagerung wenigstens eines Maschinenteiles (2), mit mindestens einem Lager (3, 18, 20) für eine bewegliche Lagerung des Maschinenteiles (2) und mit wenigstens einem Piezoelement (5), wobei das Piezoelement (5) zwischen einem Bauteil (10) des Lagers (3, 18, 20) und einem Widerlager (9) gegen Lageänderungen des Maschinenteiles (2) abgestützt ist, und wobei wenigstens ein erstes Piezoelement (5) und ein zweites Piezoelement (5) an dem Bauteil (10) zumindest so anliegen, dass mindestens ein Abschnitt (11) des Bauteiles (10) mittels wenigstens einer Komponente (12) einer Kraft von >= Null zwischen dem ersten Piezoelement (5) und dem zweiten Piezoelement (5) eingespannt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung zur Lagerung wenigstens eines Maschinenteiles, mit mindestens einem Lager für eine bewegliche Lagerung des Maschinenteiles und mit wenigstens einem Piezoelement, wobei das Piezoelement zwischen einem Bauteil des Lagers und einem Widerlager gegen Lageänderungen des Maschinenteiles abgestützt ist.
Hintergrund der Erfindung
Der Einsatz von Piezoelementen zur Überwachung von Bewegungen an rotierenden oder linear beweglichen Bauteilen und auch an deren Lagerungen ist bekannt. So zeigt US 5,677,488 eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen und Anzeigen von Funktionsfehlern an Lagern. Dazu sind entweder direkt an einem Lagerring des zu überwachenden Lagers oder an einer mit dem Lager gekoppelten Einrichtung in der Nähe des Lagers piezoelektrische Wandler in Folienform angebracht. Die Wandler erfassen elastische Signale, die in einer Auswerteeinrichtung ausgewertet werden. Die Überwachungseinrichtung dient zum Erfassen von Betriebsbedingungen und zur Früherkennung von Fehlern im Lager.
Es gibt auch Vorrichtungen zum Verringern von Schwingungen an rotierenden Bauteilen, bei denen zunächst die die Schwingungen verursachenden Störgrößen mittels Sensoren, zum Beispiel mittels Dehnmessstreifen, messtechnisch erfasst und in Signale umgesetzt werden ( DE 102 04 322 C1 ). Die Signale werden zu einer Steuereinrichtung geleitet und dort in Regelsignale umgewandelt. Die Regelsignale werden an Aktuatoren weitergeleitet. Die Aktuatoren, zum Beispiel in Form von Piezoelementen oder in Form von hydraulischen Druckelementen, sind mit in einem Abstand zu einer Lagerstelle des rotierenden Maschinenteiles angeordnet. Mittels der Regelsignale werden die Aktuatoren so aktiviert, dass diese bestimmte Ausgleichsbiegemomente am rotierenden Bauteilen erzeugen. Die Höhe des Biegemomentes ist dabei im einfachsten Fall von der Kraft, mit der der jeweilige der Aktuatoren wirkt, und von dem Hebel abhängig, der von dem Abstand des Angriffes der Kraft zum Lager abhängig ist.
GB 585,440 zeigt eine dynamische Auswuchtvorrichtung für ein rotierendes Maschinenteil. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem oder mehreren Piezoaktoren und aus einem Lager. Das Lager dient zur Lagerung des rotierenden Bauteiles und ist aus zwei Halbschalen gebildet, von denen eine federelastisch mit einer Radialstütze verbunden ist. Das Gewicht des rotierenden Bauteiles wird von der federelastisch mit der Radialstütze verbundenen Lagerschale aufgenommen. Die Radialstütze ist gleichzeitig ein Widerlager für das Piezoelement, das radial zwischen der federnd aufgehängten Lagerschale und der Radialstütze angeordnet ist. Abweichungen des rotierenden Bauteiles von seiner Mittellage führen während der Rotation des Bauteiles zu Schwingungen und somit zur Kontraktion bzw. Expansion des Piezoelementes an den Lagerschalen. Die daraus an dem zug- und/oder druckempfindlichen Piezoelement entstehende Signale werden entsprechend ausgewertet und in Form von Regelsignalen wieder an das Piezoelement zurückgegeben, so dass durch entsprechende Gegenexpansion oder Gegenkontraktion des Piezoelementes die Schwingungen gedämpft bzw. ausgeglichen werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der Kenngrößen von rotierenden Bauteilen und insbesondere Lagerkenngrößen nicht nur überwacht, sondern auch gezielt beeinflusst werden können. Die Elemente der Anordnungen sollten hierbei einfach, robust und kostengünstig herzustellen sein.
Unter Lagerkenngrößen und die Lagerung bzw. die Qualität der Lagerung beeinflussende Kenngrößen sind zum Beispiel Geräusche, Drehzahlen, Lagerspiel, Lastverteilung und Verlagerungen wie Verkippung, radiales und axiales Auswandern des Lagers oder Teile des Lagers bzw. des Maschinenteiles zu verstehen.
Diese Aufgabe ist mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass wenigstens ein erstes Piezoelement und ein zweites Piezoelement an einem Bauteil des Lagers zumindest so anliegen, dass mindestens ein Abschnitt des Bauteiles mit zumindest einer Komponente von einer Kraft von > = 0 zwischen dem ersten Piezoelement und dem zweiten Piezoelement eingespannt ist. Die Komponente geht dabei von einem der Piezoelemente aus. Die Piezoelemente stehen in einer Wirkverbindung zueinander und sind relativ zu dem beweglichen Abschnitt jeweils an einem separaten oder an einem gemeinsamen Widerlager abgestützt.
Unter Piezoelementen sind einzelne aber auch mehrere in Reihe und/oder parallel zueinander geschaltete Pakete von Piezoelementen zu verstehen. Die Piezoelemente sind dabei druck- und/oder zugempfindliche Elemente, die aufgrund ihrer Beanspruchung elektrische Signale abgeben und/oder auf elektrische Regelsignale von außen zug- oder druckempfindlich reagieren. Die Bauteile des Lagers sind wahlweise Außenringe bzw. Innenringe von Rotativgleitlagern oder Rotativwälzlagern. Von der Erfindung sind auch alle axial und/oder radial belastbaren Gleit- oder Wälzlager erfasst. Die Erfindung sieht folgende Ausgestaltungen vor:

– zumindest ein Piezoelement ist Bestandteil eines Aktors oder ist selbst ein Aktor, wobei mindestens ein Abschnitt des Bauteiles mittels wenigstens einer von dem Aktor ausgehenden Komponente einer Kraft zumindest gegen das zweite Piezoelement beweglich ist, in diesem Fall ist zum Beispiel
– das zweite Piezoelement zumindest Bestandteil eines Sensors zum Erfassen von Änderungen der Lage des Bauteiles oder
– das zweite Piezoelement ist zumindest Bestandteil eines zweiten Aktors – oder in einer weiteren Ausgestaltung sind
– das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement jeweils zumindest Bestandteil eines Sensors zum Erfassen von Änderungen der Lage des Bauteiles – oder in einer anderen Ausgestaltung sind
– das erste Piezoelement und das zweite Piezoelement jeweils zumindest Bestandteil eines Sensors zum Erfassen von Änderungen der Lage des Bauteiles und sind gleichzeitig Aktoren zur Veränderung der Lage zumindest eines Abschnittes des Bauteiles.

Unter Änderungen der Lage sind in diesem Fall zum Beispiel:

– Verschiebungen des gesamten Lagers zum Widerlager und/oder
– Verschiebungen des Bauteils zu den restlichen nicht von den Piezoelementen berührten Bauteilen und/oder
– Verkippungen des Bauteiles relativ zu seiner Ausgangslage durch Aktoren und/oder
– elastische Verformungen des gesamten Bauteiles und/oder
– elastische Verformung von wenigstens einem Abschnitt des Bauteiles

Mit einem weiteren unabhängigen Anspruch ist vorgesehen, dass das Piezoelement an einem Abschnitt eines Bauteiles des Lagers und dabei das Bauteil an einem zu dem relativ beweglichen Maschinenteil ortsfesten Widerlager abgestützt ist. Der Abschnitt ist dabei mittels wenigstens einer Komponente einer von dem Piezoelement ausgehenden Kraft elastisch verformbar.
Aus diesen Merkmalen ergeben sich folgende Ausgestaltungen:

– Die Lageranordnung weist wenigstens zwei der Widerlager auf.
– Die Lageranordnung weist wenigstens zwei der Piezoelemente auf.
– Das oder wenigstens ein Widerlager ist auch ein Piezoelement. Das Piezoelement oder wenigstens eines der vorgenannten Piezoelemente ist zumindest Bestandteil jeweils eines Aktors.
– Das Piezoelement oder wenigstens eines von mehreren der vorgenannten Piezoelemente ist zumindest Bestandteil eines Sensors, der die Änderungen der Lage des Bauteiles erfasst.

Für die vorgenannten Ausgestaltungen ist es von Vorteil, wenn am Umfang des Lagerbauteiles, zum Beispiel am Umfang des Lagerringes oder der Lagerscheibe, mehrere der Aktoren und/oder Sensoren angeordnet sind. Die Aktoren und/oder Sensoren sind in axiale Richtung entweder direkt am Innen- oder Außenring oder an der Lagerscheibe angeordnet.
Durch die Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:

– Mit Hilfe am Bauteil in axiale oder radiale Richtung wirkender Aktoren kann das Lager bzw. das Bauteil gezielt axial und/oder radial ausgerichtet werden.
– Verformungen des Bauteiles sind möglich. Derartige Anordnungen sind zum Beispiel für die Schwingungsdämpfung, für den Umwuchtausgleich, und für die Änderung der Lagerluft einsetzbar.
– Durch gezielte elastische Verformungen des Bauteiles mittels der Komponente kann zum Beispiel das linear und/oder rotativ bewegliche Lager gebremst oder blockiert werden.
– Unregelmäßigkeiten/Einbautoleranzen/Asymmetrien des Lagersitzes bzw. der Ausrichtung des Bauteiles zum Gehäuse sind durch eine derartige Lageranordnung ausgleichbar.
– Änderungen der Vorspannung, Verkippung und der Ausgleich thermischer Ausdehnungen in axialer und radialer Richtung sind möglich.
– Es ist möglich, Durchbiegungen der Welle am Lager mittels dosiertes Verkippen des Lagers oder eines seiner Bauteile zu korrigieren, so dass für das Lager schädliche Lagerverkippungen vermieden werden. Somit ist es denkbar auch gegen Verkippung anfällige Lagertypen zur Lagerung von Wellen mit Wellendurchbiegung einzusetzen.
– Die Schwingungsdämpfung ist vereinfacht. Mittels eines oder mittels mehrerer Sensoren erfasste Schwingungen werden in diesem Fall durch eine schnellen Steuerelektronik als Regelsignale zueinander phasenverschoben an die entsprechenden Aktoren zurückgesendet. Die Aktoren sind in diesem Fall vorzugsweise die Sensoren. Der Einsatz in Papiermaschinen und in Stahlwerksanlagen ist z.B. denkbar.

Der Lageranordnung ist eine Auswerte- und/oder eine Steuereinrichtung zur Beeinflussung der Phasen und der Amplituden der von den Sensoren ausgehenden Signale zugeordnet. Die von wenigstens zwei der Sensoren an einer derartigen Lageranordnung ausgehenden Signale werden an die Auswerteeinrichtung weitergeleitet. Die Signale werden in der Steuereinrichtung simultan modifiziert und als Regelsignale zur Änderung von Druck- oder Streckimpulsen an den Aktoren zu den Aktoren gesendet/geleitet. Piezosensoren erfassen zunächst die Störgrößen und funktionieren somit zunächst als Sensoren. Die Signale der Sensoren werden in der Steuereinrichtung in Regelsignale umgesetzt, die an die Piezoelemente zurückgegeben werden, die dann im Wechsel mit den Sensoren auch wahlweise als die Aktoren eingesetzt sind.
Eine derartige Lageranordnung ist beispielsweise für den Ausgleich von Unwuchten, Lageränderungen und Verlagerungen des Mittelpunktes der Rotationsachse des Maschinenteiles eingesetzt. Die einander gegenüberliegender Aktoren verschieben dabei beispielsweise das Bauteil, wie z.B. einen Außenring, durch gleichgerichtete Kontraktion und Expansion. Die Lage des Mittelpunktes des Lagers oder eines seiner Bauteile wird durch Verschiebung mittels der Aktoren korrigiert. Die Regelsignale bewirken zum Beispiel auch Formänderungen an den Elementen, durch radial in Richtung der Rotationsachse gerichtete Kontraktion und Expansion an einem Radiallager mit einander entgegen gerichteten Kräften. Das Bauteil wird somit elastisch zwangsverformt.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Lageranordnung 1 zur Lagerung wenigstens eines Maschinenteiles 2 in Form einer Welle. Die Welle ist mit mindestens einem Lager 3 für die rotierende Lagerung des Maschinenteiles 2, beispielsweise in Form einer Welle 4, und mit mehreren Piezoelementen 5 versehen. Die Anzahl der dargestellten Piezoelemente 5 ist rein zufällig und kann einer beliebig wählbaren Menge [N] Piezoelementen 5 entsprechen. Die Piezoelemente (5) sind wahlweise zueinander gleich ausgebildet oder weisen unterschiedliche Merkmale, wie unterschiedliche Kenngrößen, auf. In diesem Beispiel sind die Piezoelemente 5 mit gleichmäßiger Teilung zueinander am Umfang des Außenringes 6 des Lagers 3 angeordnet. Das Lager weist außer dem Außenring 6 auch noch Bauteile wie Wälzkörper 7 und einen Innenring 8 auf. Jedes der Piezoelemente 5 ist gegen ein Widerlager 9 abgestützt und liegt gleichzeitig an dem Bauteil 10 in Form des Außenringes 6 an. Die Widerlager 9 sind entweder zueinander separat oder stehen symbolisch für ein gemeinsames Lagergehäuse, in dessen Bohrung das Bauteil 10 aufgenommen ist.
Die Piezoelemente 5 liegen dabei so an dem Bauteil 10 an, dass über den Umfang verteilte Abschnitte 11 des Außenringes 6 durch die von den Piezoelementen 5 Komponenten 12 wenigstens einer Kraft > = 0 eingespannt sind. Zwischen den einzelnen Piezoelementen 5 ist über eine symbolisch dargestellte Steuer- und Regeleinheit 13 eine Wirkverbindung hergestellt. Die Piezoelemente 5 sind wahlweise Aktoren 14 und/oder Sensoren 15.
In dem Beispiel nach 1a ist die Lageranordnung 1 zur Regelung des Spieles in dem Lager 3 eingesetzt. Wenn z.B. der Außenring 6 sich auf Grund thermischer Einflüsse von dem Durchmesser D im Normzustand auf den Durchmesser D₁ vergrößert, wird das Betriebsspiel größer. Die auf den Durchmesser D₁ vergrößerte Außenkontur des Außenringes 6 ist gestrichelt sowie nicht maßstäblich zur Anschauung übertrieben groß dargestellt. Die Vergrößerung des Durchmessers D auf D₁ führt zur Kontraktion an den Piezoelementen 5, die in diesem Fall als Sensoren 15 elektrische Impulse 1 an die Steuer- und Regeleinheit 13 abgeben. Diese Signale 1 werden in der Steuer- und Regeleinheit 13 in Regelsignale R umgewandelt und zu den Piezoelementen 5 zurückgeleitet. Die Piezoelemente 5 agieren dann phasenverschoben als Aktoren 14 und expandieren radial in Richtung der Mittelachse 3a des Lagers 3. Die durch die Aktoren 14 erzeugten radial gerichteten Komponenten 12 liegen dabei für jeweils ein Paar einander gegenüberliegender Piezoelemente 5 auf einer gemeinsamen Wirklinie L, die die Mittellinie 3a des Lagers schneidet. Bei derartigen Korrekturen wird der Durchmesser des Außenringes von D₁ elastisch im Bereich von tausendstel Millimetern bis zu wenigen zehntel Millimeter auf den Durchmesser D und somit das Betriebsspiel auf den Normzustand korrigiert.
Mit dem Beispiel nach 1b ist der radiale Versatz der Mittelachse 3a auf eine Lage N (zur Anschauung übertrieben groß und nicht maßstäblich dargestellt) in Folge Einbautoleranzen der Welle 16 zum Gehäuse (Widerlager 9) oder in Folge der Durchbiegung der Welle 16 korrigierbar. Die zunächst Sensoren agierenden Piezoelemente 5 werden im Bild oberhalb der Horizontallinie H komprimiert während die Sensoren 15 unterhalb der der Horizontallinie expandieren. Die sich auf der Horizontallinie N vertikal gegenüberliegenden Sensoren 15 verhalten sich neutral. Die Steuer- und Regeleinheit 13 setzt die von den Sensoren 15 als Signale abgegebenen Impulse 1 in Regelsignale um, durch die nunmehr die als Aktoren 14 wirkenden Piezoelemente 5 oberhalb der Horizontallinie N expandieren und unterhalb der Horizontallinie N durch Kontraktion nachgeben, bis die Normlage der Mittelachse 3a wieder erreicht ist.
2 zeigt Anordnungen, bei denen die Piezoelemente 5 wahlweise axial am Lager 3 der Lageranordnung 1 oder an einer Lageranordnung 17 mit einem Axiallager 18 anliegen. In der Lageranordnung 17 mit einem Axiallager 18 liegen die Piezoelemente 5 wahlweise an einem Bauteil 10 in Form eines Lagerringes 16 des Axiallagers 18 oder an einer nicht weiter dargestellten Axial scheibe an. Verkippungen, wie mit der Verkippung der Mittelachse auf die Line V dargestellt, der Lager 3 bzw. 18 relativ zur Mittellinie 3a sind durch entgegengesetzte Kontraktion bzw. Expansion der Aktuatoren 14 in die der Horizontallinie H entsprechenden Normallage korrigierbar.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung 19 mit einem Spindellager 20. Die Piezoelemente 5 liegen einseitig am Bauteil 10 in Form eines Außenringes 21 des Spindellagers 20 an. Mit einer derartigen Anordnung sind beispielsweise Axialspiele A_S oder Verkippungen zur Mittelachse in der zuvor beschriebenen Weise denkbar, wobei die Piezoelemente wahlweise als Aktuatoren 14 bzw. als Sensoren 15 reagieren oder das Axialspiel in dem Spindellager 20 wird durch elastische Verformung des Bauteiles 10 korrigiert.

1: Lageranordnung
2: Maschinenteil
3: Lager
3a: Mittelachse
4: Welle
5: Piezoelement
6: Außenring
7: Wälzkörper
8: Innenring
9: Widerlager
10: Bauteil
11: Abschnitt
12: Komponente
13: Steuer- und Regeleinheit
14: Aktuator
15: Sensor
16: Lagerring
17: Lageranordnung
18: Axiallager
19: Lageranordnung
20: Spindellager
20a: Mittelachse
21: Außenring

Claims

Lageranordnung (1, 17, 19) zur Lagerung wenigstens eines Maschinenteiles (2), mit mindestens einem Lager (3, 18, 20) für eine bewegliche Lagerung des Maschinenteiles (2) und mit wenigstens einem Piezoelement (5), wobei das Piezoelement (5) zwischen einem Bauteil (10) des Lagers (3, 18, 20) und einem Widerlager (9) gegen Lageänderungen des Maschinenteiles (2) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens erstes Piezoelement (5) und ein zweites Piezoelement (5) an dem Bauteil (10) zumindest so anliegen, dass mindestens ein Abschnitt (11) des Bauteiles (10) mittels wenigstens einer Komponente (12) einer Kraft von > = Null zwischen dem ersten Piezoelement (5) und dem zweiten Piezoelement (5) eingespannt ist, wobei die Komponente (12) von wenigstens einem der Piezoelemente (5) ausgeht und wobei wenigstens eines der Piezoelemente (5) relativ zu dem zumindest durch die Komponente bewegten Abschnitt (11) an dem Widerlager (9) abstützt ist.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) ein Außenring (6) ist, wobei der Außenring (6) weitere Bauteile (7, 8) des Lagers (3, 18, 20) zumindest teilweise umfasst und dass das Widerlager (9) ein Gehäuse zur Aufnahme des Lagers (3, 20) des Maschinenteiles (2) ist.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) eine Axialscheibe oder ein Außenring (16), eines Axiallagers (18) ist.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Piezoelement (5) mindestens Bestandteil eines ersten Aktors (14) ist und dass mindestens der Abschnitt (11) des Bauteiles (10) mittels der von dem ersten Aktor (14) ausgehenden Komponente (12) zumindest gegen das zweite Piezoelement (5) beweglich ist.
Lageranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Piezoelement (5) zumindest Bestandteil eines Sensors (15) zum Erfassen von Änderungen der Lage des Bauteiles (10) ist.
Lageranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Piezoelement (5) zumindest Bestandteil eines zweiten Aktors (14) ist.
Lageranordnung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Abschnitt (11) des Bauteiles (10) mittels wenigstens eines Aktors (14) zumindest partiell elastisch verformbar ist.
Lageranordnung nach Anspruch 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Piezoelement (5) und das zweite Piezoelement (5) jeweils zumindest Bestandteil eines Sensors (15) zum Erfassen von Änderungen der Lage des Bauteiles (10) sind.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Piezoelement (5) und das zweite Piezoelement (5) jeweils zumindest Bestandteil eines Sensors (15) zum Erfassen von Änderungen der Lage des Bauteiles (10) sind.
Lageranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (5) an dem Bauteil (10) des Lagers (3) anliegt und dabei das Bauteil (10) an einem relativ zu dem beweglichen Maschinenteil ortsfesten Widerlager (9) abgestützt ist, wobei zumindest das Bauteil (10) mittels der Komponente (12) einer von dem Piezoelement (5) ausgehenden Kraft elastisch verformbar ist.
Lageranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (1) wenigstens zwei der Widerlager (9) aufweist.
Lageranordnung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung wenigstens zwei der Piezoelemente (5) aufweist.
Lageranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerlager (9) wenigstens ein zweites Piezoelement (5) ist.
Lageranordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Piezoelemente (5) zumindest Bestandteil eines Aktors (14) ist.
Lageranordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Piezoelemente (5) zumindest Bestandteil eines Änderungen der Lage wenigstens des Bauteiles (10) erfassenden Sensors (15) ist.