DE102004051186A1

DE102004051186A1 - Vorrichtung zur Messung eines etwaigen Stromdurchganges an einem Wälzlager

Info

Publication number: DE102004051186A1
Application number: DE102004051186A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Hering
Original assignee: FAG Kugelfischer AG and Co OHG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2006-04-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines etwaigen Stromdurchganges an einem Wälzlager (1). Die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Messung eines etwaigen Stromdurchganges an einem Wälzlager zu schaffen, welche einfach und kostengünstig in der Herstellung ist sowie geeignet ist, auch einen Durchgang von elektrischem Strom geringer Stärke festzustellen, der aufgrund elektrischer Mikrofunken auf lange Sicht die Laufbahnen und Wälzkörper schädigen kann, wird im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die Vorrichtung durch ein Austauschlager (1) gebildet ist, dessen Wälzkörper (6) aus einem elektrisch leitenden Material bestehen oder mit einer elektrisch nicht leitenden Beschichtung versehen sind, wobei innerhalb des Austauschlagers (1) zumindest ein den Lagerinnenring (2) und den Lageraußenring (3) elektrisch verbindendes Messmittel (7) zwischen denselben angeordnet ist. DOLLAR A Gemäß einer Variante sind elektrisch nicht isolierend wirkende Wälzkörper von einem Schmiermittel umgeben, welches den Aufbau einer elektrischen Spannung bis zu einer vorbestimmten Durchschlagspannung zulässt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung eines etwaigen Stromdurchganges an einem Wälzlager, welches in eine Maschine oder Anlage eingebaut ist.
Hintergrund der Erfindung
In der Praxis werden gelegentlich Verschleißmerkmale in den Laufbahnen von Wälzlagern gefunden, deren Ursache nicht eindeutig zuzuordnen ist. Diese Verschleißmerkmale sind jedoch Stromdurchgangsmerkmalen ähnlich und können bis zum Lagerausfall führen.

Es ist seit geraumer Zeit bekannt, dass bei einer Übertragung von elektrischem Strom über Wälzlager in der Nähe von Kontaktstellen elektrische Funken entstehen, die die Laufbahnen und/oder die Wälzkörper schädigen. Zudem ist es bekannt, Wälzlager mit in dieselben integrierten drehen elektrischen Kontakten zur Übertragung von elektrischer Energie zu versehen ( DE 691 08 651 T1 ), zu sätzliche besonders ausgebildete Wälzlager zur Übertragung von elektrischen Strom ( DE 198 05 566 A1 ) auszubilden oder Kompensationsschaltungen zum Schutz des Wälzlagers vor einem schädigenden Stromdurchgang ( DE 203 01 956 U1 ) vorzusehen, oder die Wälzlager selbst so zu isolieren, dass eine Stromdurchgang durch das Wälzlager weitestgehend verhindert wird, um eben elektrokorrosive Veränderungen an den Lagerringen und Wälzkörpern in Form von Krater- und Riffelbildungen zu vermeiden ( DE 41 00 587 C2 ).

Es ist bisher jedoch unbekannt geblieben, an stromdurchgangsfrei ausgelegten oder eingeschätzten Wälzlagern festzustellen, ob dennoch ein Stromdurchgangsproblem besteht, insbesondere aufgrund festgestellter Verschleißmerkmale, die ihrerseits Stromdurchgangsmerkmalen ähneln bzw. nahe kommen. Hier setzt die nachfolgend beschriebene Erfindung an.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung eines etwaigen Stromdurchganges an einem Wälzlager vorzustellen, welche einfach und kostengünstig in der Herstellung ist, sowie geeignet ist, auch einen Durchgang von elektrischem Strom einer solchen Stärke über Wälzlagerkomponenten festzustellen, der aufgrund elektrischer Mikrofunken auf lange Sicht die Laufbahnen und Wälzkörper schädigen könnte.

Zusammenfassung der Erfindung

Die gestellte Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 durch eine Vorrichtung zur Messung eines etwaigen Stromdurchganges an einem Wälzlager, welches beispielsweise in eine Maschine oder Anlage eingebaut ist, derart gelöst, dass dieselbe durch ein Austauschlager mit einem Lagerinnenring und einem Lageraußenring sowie mit einer Mehrzahl dazwischen angeordneter und in je einer Käfigtasche wenigstens eines Wälzlagerkäfigs geführten Wälzkörpern gebildet ist, die ihrerseits aus einem elektrisch nicht leitenden Material bestehen oder mit einer elektrisch nicht leitenden Beschichtung versehen sind, wobei innerhalb des Austauschlagers zumindest ein den Lagerinnenring und den Lageraußenring elektrisch verbindendes Messmittel angeordnet ist.

Durch diesen Aufbau kann die Größe der zwischen einem Lagerinnenring und einem Lageraußenring herrschenden Spannung festgestellt werden, die ihrerseits für einen etwaigen Stromfluss ursächlich ist.

Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Erfindung.

Danach ist vorgesehen, dass die Wälzkörper oder deren Beschichtung aus Keramik, Kunststoff oder anderen geeigneten elektrisch nicht leitenden Werkstoffen gebildet sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht das Messmittel aus einem mechanischen Teil sowie einem elektrischen bzw. elektronischen Teil, und ist innerhalb einer freien beziehungsweise unbesetzten Käfigtasche des Lagers angeordnet.

Der mechanische Teil ist dabei vorzugsweise durch zumindest zwei federbeaufschlagte Abnehmer gebildet, die ihrerseits an die jeweils korrespondierende Wälzkörperlaufbahn des Lagerinnen- und Lageraußenringes angeschlossen sind und die elektrische Verbindung derselben zum elektronischen Teil des Messmittels bewerkstelligen.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht das Messmittel ebenfalls aus einem mechanischen Teil und einem elektronischen Teil, es ist jedoch nunmehr innerhalb eines gebildeten Spaltes zwischen dem Wälzlagerkäfig und den Borden von Lagerinnenring und Lageraußenring angeordnet.

Auch hier ist der mechanische Teil durch zumindest zwei federbeaufschlagte Strom- oder Spannungsabnehmer gebildet, die ihrerseits am jeweils korrespon dierenden Bord des Lagerinnenrings- und des Lageraußenrings angeschlossen sind, sowie die elektrische Verbindung derselben zum elektronischen Teil des Messmittels realisieren. Die Abnehmer können als Schleifabnehmer und/oder als Rollenelemente ausgebildet sein.

Was den elektronischen Teil des Messmittels anbelangt, besteht dieser vorzugsweise sowohl aus einer in SMD-Technik (SMD = Surface Mounted Device) oder einer anderen Miniaturtechnik aufgebauten Messeinrichtung für die elektrische Spannung, als auch aus einer Transmissionsvorrichtung zur drahtlosen Übermittlung der Messwerte aus dem rotierenden System heraus zu einer externen Auswerte- und gegebenenfalls Steuerungseinrichtung für eine durch das Lager gelagerten Maschine.

Die für den elektronischen Teil erforderliche elektrische Energie, insbesondere zur Messung und zur Übertragung der Messsignale nach außen, kann dabei durch die Umwandlung von nicht-elektrischer Energie gewonnen und/oder von einer etwaige anliegenden Lagerspannung und/oder von einer Mignonzelle (Miniaturakkumulator) bereitgestellt sein.

Sollen Wechselspannungen gemessen werden, ist es angezeigt, dass die Messeinrichtung des Messmittels oder des genannten elektronischen Teils eine Gleichrichtereinrichtung aufweist.

Die gestellte Aufgabe wird unabhängig davon gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11 aber auch durch eine Vorrichtung zur Messung eines etwaigen Stromdurchganges an einem Wälzlager gelöst, welches beispielsweise in eine Maschine oder Anlage eingebaut ist, die elektrisch leitende Wälzkörper aufweist.

Demnach ist diese Vorrichtung gebildet durch ein Austauschlager mit einem Lagerinnenring und einem Lageraußenring sowie mit einer Mehrzahl dazwischen angeordneter und in je einer Käfigtasche wenigstens eines Wälzlagerkäfigs geführter Wälzkörper aus einem elektrisch nicht isolierend wirkenden Material, die von einem Schmiermittel mit Materialeigenschaften umgeben sind, die den Aufbau einer elektrischen Spannung zwischen dem Innenring und dem Außenring bis zum Erreichen einer vorbestimmten Durchschlagspannung zulassen, und beim Überschreiten dieser Durchschlagspannung schlagartig einen Stromfluss über die Wälzkörper von dem einen Wälzlagerring zu dem anderen Wälzlagerring ermöglichen, und bei dem innerhalb des Austauschlagers zumindest ein den Lagerinnenring und den Lageraußenring elektrisch verbindendes Messmittel angeordnet ist.

Das Messmittel für die letztgenannte Vorrichtung ist vorzugsweise hochohmig ausgebildet und kann Spannungsänderungen mit hoher zeitlicher Auflösung messen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert. Darin zeigt
1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung eines etwaigen Stromdurchganges an einem Wälzlager in der Seitenansicht;
2 die perspektivische Ansicht der Vorrichtung nach 1, teilweise geschnitten dargestellt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in 1 und 2 gezeigte Vorrichtung ist gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 10 durch ein Austauschlager 1, vorliegend durch ein an sich bekanntes Rillenkugellager, gebildet, welches dem eingangs genannten bekannten Wälzlager entspricht, in dessen Laufbahnen und/oder an deren Wälzkörpern Verschleißmerkmale gefunden wurden, deren Ursache nicht eindeutig zuzuordnen ist, jedoch Stromdurchgangsmerkmalen ähneln bzw. denen nahe kommen.
Dieses Austauschlager 1 weist ebenso wie das an sich verwendete Wälzlager einen Lagerinnenring 2 und einen Lageraußenring 3 sowie eine Mehrzahl dazwischen angeordneter und in je einer Käfigtasche 4 eines Wälzlagerkäfigs 5 geführte Wälzkörper 6 auf.
Die Wälzkörper 6 bestehen nunmehr aus einem geeigneten elektrisch nicht leitenden Werkstoff oder sind mit einer derartigen Beschichtung versehen, wobei sich hochfeste Keramiken und Kunststoffe besonders anbieten. Es wird somit ein etwaiger Stromfluss zwischen dem Lagerinnenring 2 und dem Lageraußenring 3 des Wälzlagers 1 wirkungsvoll unterbunden.
Innerhalb des Austauschlagers 1 ist des Weiteren zumindest ein den Lagerinnenring 2 und den Lageraußenring 3 elektrisch verbindendes Messmittel 7 angeordnet. Vorliegend besteht dieses Messmittel 7 aus einem mechanischen Teil 8 sowie einem elektronischen Teil 9, und ist innerhalb einer freien beziehungsweise unbesetzten Käfigtasche 4 angeordnet. Demnach ist diese Käfigtasche 4 statt mit einem Wälzkörper 6 mit dem Messmittel 7 bestückt.
Der mechanische Teil 8 kann, wie in 1 gezeigt, durch zumindest zwei federbeaufschlagte Strom- oder Spannungsabnehmer gebildet sein, die ihrerseits an die jeweils korrespondierende Wälzkörperlaufbahn 10, 11 des Lagerinnen- und Lageraußenrings 2, 3 angeschlossen sind und die elektrische Verbindung derselben zum elektronischen Teil 9 des Messmittels 7 bewerkstelligen.
Das Messmittel 7 kann sich dabei mittels der Abnehmer an den Wälzkörperlaufbahnen 10, 11 abstützen und/oder ist beispielsweise am Wälzlagerkäfig 5 bzw. dessen Käfigtasche 4 durch Klebung festgelegt.
Statt eines an sich bekannten Schleifabnehmers mit beispielsweise einem oder mehreren Drähten oder Blechen bzw. Kohlestiften ist es auch denkbar, federbelastete Rollenelemente zur Anwendung zu bringen, um den Gleitanteil der Abnehmer zu verringern und demgemäss das Messergebnis genauer zu erfassen (nicht näher gezeigt).
Der elektronische Teil 9 des Messmittels 7 besteht vorzugsweise sowohl aus einer in sogenannter SMD-Technik oder einer anderen Miniaturtechnik aufgebauten Messeinrichtung für die elektrische Spannung zwischen den beiden Abnehmern, als auch aus einer Sendeeinrichtung, welche die Messwerte drahtlos nach außen, also aus dem rotierenden System heraus, einer nicht näher dargestellten elektronischen Auswert-, Speicher- und/oder Steuerungseinrichtung für eine Maschine oder Anlage übermittelt. Im einfachsten Fall wird das Messergebnis lediglich einer Anzeigeeinrichtung zugeleitet.
Unter dem an sich bekannten Begriff SMD werden sogenannte oberflächenmontierte elektronische Bauelemente verstanden, die über keine Drahtanschlüsse verfügen und statt dessen mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf eine Leiterplatte lötbar sind. Hierdurch sind sehr dichte Bestückungen möglich und der Platzbedarf der Bauelemente ist gering. Die SMD-Technik ist demnach für den in Rede stehenden Anwendungsfall besonders prädestiniert und beruht im übrigen auf an sich bekanntem Stand der Technik.
Für den Fall, dass an der Messeinrichtung 7 Wechselspannungen anliegen, verfügt diese oder der elektronische Teil 9 des Messmittels 7 sinnvollerweise über eine Gleichrichtereinrichtung, deren Aufbau an sich bekannt ist.
Des Weiteren ist herauszustellen, dass die Spannungsmessung hochohmig erfolgen muss, da ansonsten die etwaig zu messende Lagerspannung zusammenbrechen könnte.
Insoweit wird ferner vorgeschlagen, dass die für den elektronischen Teil 9 des Messmittels 7 erforderliche elektrische Energie, insbesondere zur Messung und zur Übertragung der Messsignale nach außen, durch die Umwandlung von nichtelektrischer Energie gewonnen wird, welches ebenfalls an sich bekannt ist.
Ein derartig ausgebildetes Messmittel 7 besteht dann aus zwei Komponenten, wobei zunächst lokal verfügbare Umgebungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, indem unterschiedliche physikalische Effekte, wie Temperatur unterschiede, Rotation, Beschleunigungen und vieles mehr nutzbar gemacht werden können.
Für vorliegenden Anwendungsfall bietet es sich beispielsweise an, die Rotation eines Lagerrings (Lagerinnen- oder Lageraußenring 2, 3) zur Erzeugung elektrischer Energie mittels Induktion zu nutzen. Im Anschluss daran bereitet eine stromsparende Elektronik die zu übertragenden Daten auf und sendet diese in Form von Funksignalen an eine spezielle Empfangseinheit der oben erwähnten elektronischen Auswert-, Speicher- und/oder Steuerungseinrichtung oder Anzeigeeinrichtung.
Denkbar ist es jedoch auch, das Messmittel 7 über eine gegebenenfalls vorhandene und zu messende Lagerspannung zu betreiben, da eben eine extrem stromsparende Elektronik Verwendung findet. Ebenso kann die erforderliche elektrische Energie auch durch eine oder mehrere separate Mignonzellen beziehungsweise Knopfzellen (Miniaturakkumulatoren) bereitgestellt werden.
Vorstehendes Ausführungsbeispiel stellt auf ein Messmittel 7 ab, welches innerhalb einer freien beziehungsweise unbesetzten Käfigtasche 4 angeordnet ist. Demgegenüber ist es auch denkbar und wird durch die Erfindung ebenfalls mit erfasst, das Messmittel 7 innerhalb des in 2 gut ersichtlichen Spaltes 12 zwischen dem Wälzlagerkäfig 5 und den Borden 13 bzw. 14 des Lagerinnen- oder Lageraußenringes 2, 3 anzuordnen. Die federbeaufschlagten Abnehmer des Messmittels 7 wirken dann zweckmäßigerweise an die genannten Borde 13, 14 (nicht näher gezeigt).
Das vorstehend beschriebene Austauschlager 1 ist als sogenanntes „Mess-Wälzlager" ausgebildet. Gesetzt den Fall, dass Verschleißmerkmale in den Laufbahnen eines herkömmlich verwendeten Wälzlagers einer Maschine zu verzeichnen sind, deren Ursache nicht eindeutig zuzuordnen ist, jedoch Stromdurchgangsmerkmalen ähneln bzw. diesen nahe kommen, so wird das herkömmlich verwendete Wälzlager durch das erfindungsgemäß ausgebildete Austauschlager 1 in Form des „Mess-Wälzlagers" ersetzt. Anschließend können im Stillstand oder während des Betriebs der Maschine oder der Anlage entsprechende Spannungsmessungen durchgeführt werden.
Werden elektrische Spannungen gemessen, dann kann daraus geschlossen werden, dass die erkannten Verschleißmerkmale von einem unbeabsichtigten und bisher nicht erkannten Stromdurchgang durch das betreffende Wälzlager herrühren, und es können geeignete Maßnahmen veranlasst werden, wie sie beispielsweise der in der Beschreibungseinleitung gewürdigte Stand der Technik vorschlägt.

1: Austauschlager
2: Lagerinnenring
3: Lageraußenring
4: Käfigtasche
5: Wälzlagerkäfig
6: Wälzkörper
7: Messmittel
8: mechanischer Teil
9: elektronischer Teil
10: Wälzkörperlaufbahn
11: Wälzkörperlaufbahn
12: Spalt
13: Bord
14: Bord

Claims

Vorrichtung zur Messung eines etwaigen Stromdurchganges an einem Wälzlager, welches in eine Maschine oder Anlage eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung durch ein Austauschlager (1) mit einem Lagerinnenring (2) und einem Lageraußenring (3) sowie mit einer Mehrzahl dazwischen angeordneter und in je einer Käfigtasche (4) wenigstens eines Wälzlagerkäfigs (5) geführten Wälzkörpern (6) gebildet ist, die ihrerseits aus einem elektrisch nicht leitenden Material bestehen oder mit einer elektrisch nicht leitenden Beschichtung versehen sind, wobei innerhalb des Austauschlagers (1) zumindest ein den Lagerinnenring (2) und den Lageraußenring (3) elektrisch verbindendes Messmittel (7) zwischen denselben angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (6) oder deren Beschichtung aus Keramik, Kunststoff oder anderen geeigneten elektrisch nicht leitenden Werkstoffen gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmittel (7) aus einem mechanischen Teil (8) sowie einem elektrischen bzw. elektronischen Teil (9) besteht und innerhalb einer freien bzw. unbesetzten Käfigtasche (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Teil (8) durch zumindest zwei federbeaufschlagte Abnehmer gebil det ist, die ihrerseits an die jeweils korrespondierende Wälzkörperlaufbahn (10, 11) des Lagerinnen- und Lageraußenringes (2, 3) angeschlossen sind und die elektrische Verbindung derselben zum elektronischen Teil (9) des Messmittels (7) bewerkstelligen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmittel (7) aus einem mechanischen Teil (8) sowie einem elektrischen bzw. elektronischen Teil (9) besteht und innerhalb eines gebildeten Spaltes (12) zwischen dem Wälzlagerkäfig (5) und Borden (13, 14) des Lagerinnen- und Lageraußenringes (2, 3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Teil (8) durch zumindest zwei federbeaufschlagte Abnehmer gebildet ist, die ihrerseits am jeweils korrespondierenden Bord (13, 14) des Lagerinnen- und Lageraußenringes (2, 3) angeschlossen sind und die elektrische Verbindung derselben zum elektronischen Teil (9) des Messmittels (7) bewerkstelligen.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abnehmer als Schleifabnehmer und/oder als Rollenelemente ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Teil (9) sowohl aus einer in SMD-Technik (SMD = Surface Mounted Device) oder einer anderen Miniaturtechnik aufgebauten Messeinrichtung für die elektrische Spannung, als auch aus einer Transmissionsvorrichtung zur drahtlosen Übermittlung der Messwerte aus dem rotierenden System heraus besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die für den elektronischen Teil (9) erforderliche elektrische Energie, insbesondere zur Messung und zur Übertragung der Messsignale nach außen, durch die Umwandlung von nicht-elektrischer Primärenergie gewonnen und/oder von einer etwaige anliegenden Lagerspannung und/oder von einer Mignonzelle (Miniaturakkumulator) bereitgestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Messmittel (7) oder dem elektronischen Teil (9) eine Gleichrichtereinrichtung vorhanden ist.
Vorrichtung zur Messung eines etwaigen Stromdurchganges an einem Wälzlager, welches in eine Maschine oder Anlage eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtung gebildet ist durch ein Austauschlager mit einem Lagerinnenring (2) und einem Lageraußenring (3) sowie mit einer Mehrzahl dazwischen angeordneter und in je einer Käfigtasche (4) wenigstens eines Wälzlagerkäfigs (5) geführter Wälzkörper (6) aus einem elektrisch nicht isolierend wirkendem Material, die von einem Schmiermittel mit Materialeigenschaften umgeben sind, welches den Aufbau einer elektrischen Spannung zwischen dem Innenring und dem Außenring bis zum Erreichen einer vorbestimmten Durchschlagspannung zulässt, und beim Überschreiten dieser Durchschlagspannung schlagartig einen Stromfluss über die Wälzkörper von dem einen Wälzlagerring zu dem anderen Wälzlagerring ermöglicht, und bei dem innerhalb des Austauschlagers zumindest ein den Lagerinnenring und den Lageraußenring elektrisch verbindendes Messmittel angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmittel hochohmig und mit hoher zeitlicher Auflösung arbeitend ausgebildet ist.