DE102006015111A1

DE102006015111A1 - Dreh-, Schwenk- oder Axiallager mit einem Schmierfett-Sensor

Info

Publication number: DE102006015111A1
Application number: DE200610015111
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Hering
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-04
Also published as: WO2007115518A3; WO2007115518A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dreh-, Schwenk- oder Axiallager (1), bei dem zumindest ein Lagerbauteil (2, 7) in Bezug auf zumindest ein anderes Lagerbauteil (3, 8) beweglich angeordnet ist, wobei zwischen diesen zumindest zwei Lagerbauteilen ein Schmierfett (12) angeordnet ist, dessen Schmiereigenschaften mittels eines Schmierfett-Sensors ermittelbar sind. Der Schmierfett-Sensor (10) weist gemäß der Erfindung als Messmittel zumindest ein Piezoelement (17) auf.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Dreh-, Schwenk- oder Axiallager, bei dem zumindest ein Lagerbauteil in Bezug auf ein anderes Lagerbauteil beweglich angeordnet ist, wobei zwischen diesen zumindest zwei Lagerbauteilen ein Schmierfett angeordnet ist, dessen Schmiereigenschaften mittels eines Schmierfett-Sensors ermittelbar sind.
Hintergrund der Erfindung
Es ist allgemein bekannt, dass ein Schmierfett beim Betrieb eines Dreh-, Schwenk- oder Axiallagers einem Alterungsprozess unterliegt, der von vielen Parametern abhängt. Neben den chemischen Eigenschaften des Schmierfetts spielen dabei auch die mechanischen Eigenschaften der Reibpartner sowie die Temperatur, welcher das Schmierfett ausgesetzt ist, eine wichtige Rolle. Zudem sind Dreh-, Schwenk- oder Axiallager heute qualitativ so hochwertig herstellbar, dass bei Lagerausfällen in der Mehrzahl der Fälle ein Schmierstoffversagen ursächlich ist. Vor diesem Hintergrund ist es verständlich, dass ein Bedarf an einer Vorrichtung besteht, mit der an solchen Lagern jederzeit die aktuelle Schmierqualität des Schmierfetts feststellbar ist.
So sind aus den Druckschriften JP 571 18 154 A , JP 2003 269 470 A , JP 103 18 261 A , JP 06 174 415 A , JP 08 178 733 A , JP 2004 309 221 A und WO 01/55634 A2 bereits einige diesbezügliche Vorrichtungen bekannt, mit denen die Anwesenheit oder die Eigenschaften des Schmiermittels in Lagern mittels einer Laboruntersuchung oder im Betrieb bestimmbar sein sollen. Dabei wird beispielsweise der Gehalt an Eisenpartikeln in dem Schmiermittel bestimmt, die Anwesenheit von Schmiermittel an den Lagerstellen an sich überprüft, nichtschmierfettrelevante Größen gemessen oder mittels bestimmter Modellrechnungen aufgrund der Betriebsdauer des Lagers auf die Schmiereigenschaften des Schmiermittels rückgeschlossen.
Nachteilig an diesen bekannten Lagern bzw. Vorrichtungen ist, dass mit diesen das Restschmiervermögen eines in einem Lager genutzten Schmiermittels nur vergleichsweise ungenau oder nicht im laufenden Betrieb des Lagers ermittelbar sind.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lager zu schaffen, mit dem während dessen Betrieb genauer als bisher möglich Informationen darüber gewonnen werden können, wie das Restschmiervermögen des in dem Lager genutzten Schmiermittels ist. Dabei soll sich die Beurteilung der Schmierqualität des Schmiermittels nicht nur auf die im Schmiermittel aktuell enthaltenen Abriebpartikel beziehen. Zudem soll es auch möglich sein, die gemessene Parameter des Schiermittels aus dem bewegten Bauteil des Lagers drahtlos einer Auswerteeinheit zuzuführen, welche zur Auswertung der Messergebnisse ausgebildet ist, und mit der eine Nachschmierung des Lagers oder ein geplanter vorzeitiger Austausch eines individuellen Lagers möglich ist. Schließlich soll ein geeigneter Schmierfettsensor beschrieben werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es mit Hilfe eines an sich bekannten Piezo-Elementes möglich sein müsste, die Schmierqualität eines Schmiermittels, insbesondere eines Schmierfetts in einem Lager während des Betriebs desselben zu Bestimmen und an eine Auswerte- sowie Anzeigevorrichtung weiterzuleiten.
Gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs betrifft die Erfindung daher ein Dreh-, Schwenk- oder Axiallager, bei dem zumindest ein Lagerbauteil in Bezug auf zumindest ein anderes Lagerbauteil beweglich angeordnet ist, wobei zwischen diesen zumindest zwei Lagerbauteilen ein Schmierfett angeordnet ist, dessen Schmiereigenschaften mittels eines Schmierfett-Sensors ermittelbar sind. Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist zudem vorgesehen, dass der Schmierfett-Sensor als Messmittel zumindest ein Piezoelement aufweist.
Dieser Schmierfett-Sensor bzw. das zumindest eine Piezoelement ist dabei bevorzugt streifenförmig bzw. flächig ausgebildet. Es ist zudem derartig in dem Lager angeordnet, dass es im Betrieb mit solchem Schmiermittel in Kontakt gerät, das ständig an dem Schmierprozess des Lagers beteiligt ist.
Durchgeführte Untersuchungen haben ergeben, dass ein funktionsfähiger Schmierfett-Sensor bzw. dessen zumindest eine Piezoelement aus einem bimorphen Keramik-Material besteht sollte.
Außerdem ist einen solcher Schmierfett-Sensor bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Piezoelement durch das Anlegen einer Wechselspannung in Schwingungen versetzt werden kann. Zudem ist vorge sehen, dass der Schmierfett-Sensor derartig ausgebildet ist, dass mit diesem der Einfluss des Schmierfetts auf das zumindest eine Piezoelement des Schmierfett-Sensors hinsichtlich dessen Resonanzfrequenz, der Schwingungsdämpfung und der Phasenlage der Schwingung ermittelbar ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zusätzlich zu dem Schmierfett-Sensor ein Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des Schmierfetts im Lager vorhanden ist. Der Schmierfett-Sensor kann aber auch so ausgebildet sein, dass dieser selbst zur Ermittlung der Temperatur des Schmierfetts geeignet ist. Die Einbeziehung der Temperatur bzw. des Temperaturverlaufs während der Nutzungsdauer des Schmierfetts erhöht die Genauigkeit der gewünschten Aussage bei der Bestimmung der aktuellen Restschmierfähigkeit des Schmierfetts.
Zur weiteren Verbesserung der bei Ermittlung der aktuellen Schmierfähigkeit des Schmierfetts kann der aktuelle Wassergehalt des Schmierfetts ermittelt werden, wozu ein gesonderter Sensor im Lager vorhanden sein kann.
Schließlich kann hinsichtlich der Sensorausstattung des Lagers vorgesehen sein, dass ein weiterer Sensor zur Bestimmung des Feststoffgehalts im Schmierfett vorhanden ist. Dieser Sensor kann beispielsweise die Belastung des Schmierfetts mit Metallpartikeln erfassen.
Der zumindest eine piezoelektrische Schmierfett-Sensor und die gegebenenfalls genutzten anderen genannten Sensoren sind durch Datenübertragungsmittel mit einer Auswertevorrichtung zur Bestimmung der Restnutzungsdauer des Schmierfetts verbunden ist. Diese Auswertevorrichtung ist beispielsweise als Mikro-Computer ausgebildet, der vorzugsweise außerhalb der bewegbaren Lagerteile angeordnet ist.
Zudem kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass die Datenübertragungsmittel einen an einem Lagerbauteil, ob nun beweglich oder feststehend ausgebildet, angeordneten Signalverstärker und eine Sensorleitung und/oder eine leitungslose Übertragungsstrecke umfassen. Der Signalverstärker kann auch elektronische Schaltungen enthalten, mit denen eine Vorverarbeitung der ermittelten Messsignale durchgeführt werden kann.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung kann sein, dass die Auswertevorrichtung derartig ausgebildet ist, dass mit dieser die aktuelle Schmierfettqualität bzw. die Restnutzungsdauer des Schmierfetts online, also unmittelbar, bestimmbar ist. Zudem weist diese Auswertevorrichtung zumindest einen Signal-Ausgang zur Ansteuerung einer optischen und/oder akustischen Anzeige- bzw. Warnvorrichtung auf, mit der beispielsweise ein baldiges Ende der Restnutzungsdauer des Schmierfetts anzeigbar ist, und/oder oder über den die signaltechnische Auslösung einer automatische Nachschmierung des Lagers möglich ist.
Bevorzugt ist der zumindest eine Schmierfett-Sensor und gegebenenfalls die anderen genannten Sensoren in einem Lager angeordnet, das als Gleitlager oder als Wälzlager ausgebildet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Figur eine Schnittansicht durch ein Wälzlagers gemäß der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
Bei dem in der Figur dargestellten Wälzlager 1 handelt es sich um ein an sich bekanntes zweireihiges Kugel-Rollen-Lager. Bei diesem sind zwischen einem ersten Innenring 2 und einem ersten Außenring 3 zylindrische Rollen 4 angeordnet, die in einem ersten Käfig 5 auf Abstand zueinander gehalten und geführt werden. Die Rollen 4 bewegen sich dabei auf einer Rollbahn 6a am ersten Außenring 3 sowie auf einer Rollbahn 11a am ersten Innenring 2. Der Kugellagerabschnitt dieses Wälzlagers 1 umfasst einen zweiten Innenring 7 und einen zweiten Außenring 8, zwischen denen Kugeln 9 angeordnet sind, die in einem zweiten Käfig 10 auf Abstand zueinander gehalten und geführt werden. Die Kugeln 9 bewegen sich dabei auf einer Rollbahn 6b am zweiten Außenring 8 sowie auf einer Rollbahn 11b am zweiten Innenring 7. Beide Lagerabschnitte sind axial miteinander verbunden. Zudem sorgen hier nicht dargestellte Dichtungen dafür, dass zwischen den Innenringen und den Außenringen befindliches Schmierfett 12 dort eingeschlossen bleibt.
Das Schmierfett 12 in den Aufnahmeräumen für die Wälzkörper 4, 9 ist durch den Betrieb des Wälzlagers 1 einem an sich bekannten Alterungsprozess ausgesetzt, in dessen Verlauf die Schmierqualität des Schmierfetts abnimmt. Gemäß der Erfindung ist zur Bestimmung der Schmierqualität des Schmierfetts 12 bevorzugt im laufenden Betrieb des Wälzlagers 1 vorgesehen, dass diese mittels Schmierfett-Sensoren 13 erfasst wird.
In der einzigen Zeichnungsfigur ist sehr schematisch dargestellt, dass ein solcher Schmierfett-Sensor 13 sowohl an einem Außenring 8 als auch an einem Innenring 2 des Wälzlagers 1 angeordnet sein kann. Für die Anordnung eines solchen Schmierfett-Sensors 13 ist es dabei nicht entscheidend, ob dieser am beweglichen Lagerring 2 bzw. 7 oder am feststehenden Lagerring 3 bzw. 8 angeordnet ist. Wichtig ist allein, dass dieser in Kontakt mit solchem Schmierfett 12 kommt, welches ständig am Schmierprozess des Wälzlagers 1 beteiligt ist.
Wie am Innenring 2 des Rollenlagerabschnitts erkennbar ist, umfasst der Schmierfett-Sensor 13 einen streifenförmigen und im Wesentlichen flächigen Abschnitt 17 mit zumindest einem Piezoelement, der derartig in dem Wälzlager 1 befestigt und angeordnet ist, dass er nicht von den Wälzkörpern 4, 9 überrollt wird. Bevorzugt ist das wenigstens eine Piezoelement 17 aus einer bi-morphen Keramik hergestellt, welches durch das Anlegen einer Wechselspannung gezielt in Schwingungen versetzt werden kann.
Der Einfluss des alternden Schmierfetts 12 auf dieses wenigstens eine Piezoelement 17 führt dazu, dass sich die Resonanzfrequenz verändert bzw. eine Schwingungsdämpfung und eine Änderung in der Phasenlage der Schwingung ermittelbar ist.
Die Schmierfett-Sensoren 13, 17 sind über Signalübertragungsstrecken mit einer Auswertevorrichtung 16 verbunden, wobei die Signalübertragung über eine drahtlose Sendestrecke 18 oder über eine Leitung 15 erfolgen kann. Die konkrete Ausgestaltung richtet sich beispielsweise danach, ob sich der Schmierfett-Sensor 13, 17 an einem drehenden oder an einem stehendem Bauteil des Wälzlagers 1 befindet. Bei einer drahtlosen Signalübertragung werden diese Signale zu einem Empfänger 21 geleitet, der mit der Auswertevorrichtung 16 in Verbindung steht. Zwischen dem Schmierfett-Sensor 13, 17 und der Auswertevorrichtung 16 kann wie dargestellt ein Signalverstärker 14 an dem Wälzlager 1 angeordnet sein, in dem auch eine Vorverarbeitung der Messsignale stattfinden kann.
Die Auswertevorrichtung 16 dient nicht nur als Empfangs- und Auswertevorrichtung für die gemessenen Sensorsignale. Sie dient auch dazu, die Sensoren dieser Lagervorrichtung mit elektrischer Energie bzw. mit der notwendigen Versorgungsspannung für das wenigstens eine Piezoelement 17 zu versorgen. Zudem kann die Auswertevorrichtung 16 mit weiteren Sensoren 19 über Sensorleitungen oder Sendestrecken 20 verbunden sein, die etwa die Temperatur des Schmierfetts 12 messen, dessen Wassergehalt bestimmen oder den Anteil der Feststoffpartikel im Schmierfett erfassen.
Schließlich ist vorgesehen, dass die Auswertevorrichtung 16 die Messsignale der Schmierfett-Sensoren 13, 17 mittels geeigneter Auswertelogik dahingehend auswertet, inwieweit sich die Schmierqualität des Schmierfetts 12 verändert hat bzw. wie lange das Schmierfett 12 noch gebrauchsfähig ist. Diese Auswertung erfolgt bevorzugt online, also ohne Zeitverzug. Da sich die Eigenschaften des Schmierfetts jedoch nicht plötzlich ändern, kann die Auswertung in vorgegebenen größeren Zeitintervallen erfolgen.
Die Auswertevorrichtung 16 ist zudem so ausgebildet, dass diese in Abhängigkeit von der aktuell ermittelten Schmierqualität des Schmierfetts 12 diesen Wert einer Signal- und/oder Anzeigevorrichtung 22 zuleiten kann. Zudem ist die Auswertevorrichtung 16 bevorzugt so ausgebildet, dass diese einen Aktuator dahingehend aktivieren kann, dass mit diesem ein automatisches Nachfetten des Wälzlagers erfolgt.

1: Wälzlager
2: Innenring
3: Außenring
4: Rolle
5: Käfig
6a: Laufbahn der Rollen
6b: Laufbahn der Kugeln
7: Innenring
8: Außenring
9: Kugel
10: Käfig
11a: Laufbahn der Kugeln
11b: Laufbahn der Rollen
12: Schmierfett
13: Schmierfett-Sensor
14: Signalverstärker
15: Leitung
16: Auswertevorrichtung
17: Streifenförmiger Abschnitt des Schmierfett-Sensors; Piezoelement
18: Drahtlose Sendestrecke
19: Temperatur-Sensor
20: Drahtlose Sendestrecke
21: Empfänger
22: Signal- und/oder Anzeigevorrichtung

Claims

Dreh-, Schwenk- oder Axiallager (1), bei dem zumindest ein Lagerbauteil (2, 7) in Bezug auf zumindest ein anderes Lagerbauteil (3, 8) beweglich angeordnet ist, wobei zwischen diesen zumindest zwei Lagerbauteilen ein Schmierfett (12) angeordnet ist, dessen Schmiereigenschaften mittels eines Schmierfett-Sensors ermittelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierfett-Sensor (13) als Messmittel zumindest ein Piezoelement (17) aufweist.
Dreh-, Schwenk- oder Axiallager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierfett-Sensor (13) bzw. das zumindest eine Piezoelement (17) streifenförmig ausgebildet ist.
Dreh-, Schwenk- oder Axiallager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierfett-Sensor (13) bzw. das zumindest eine Piezoelement (17) aus einer bi-morphen Keramik besteht.
Dreh-, Schwenk- oder Axiallager nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Piezoelement (17) des Schmierfett-Sensors (13) durch das Anlegen einer Wechselspannung in Schwingungen versetzt werden kann.
Dreh-, Schwenk- oder Axiallager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierfett-Sensor (13, 17) derartig ausgebildet ist, dass mit diesem der Einfluss des Schmierfetts (12) auf das zumindest eine Piezoelement (17) des Schmierfett-Sensors (13) hinsichtlich dessen Resonanzfrequenz, der Schwingungsdämpfung und der Phasenlage der Schwingung ermittelbar ist.
Dreh-, Schwenk- oder Axiallager nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Schmierfett-Sensor (13, 17) ein Temperatursensor (11) zur Bestimmung der Temperatur des Schmierfetts (12) vorhanden ist.
Dreh-, Schwenk- oder Axiallager nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Sensor zur Bestimmung des Wassergehalts des Schmierfetts (12) vorhanden ist.
Dreh-, Schwenk- oder Axiallager nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Sensor zur Bestimmung des Feststoffgehalts im Schmierfett (12) vorhanden ist.
Dreh-, Schwenk- oder Axiallager nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine die Schmierfettqualität bestimmende Sensor (13, 17) über Datenübertragungsmittel mit einer Auswertevorrichtung (16) zur Bestimmung der Restnutzungsdauer des Schmierfetts (12) verbunden ist.
Dreh-, Schwenk- oder Axiallager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragungsmittel einen am Dreh-, Schwenk- oder Axiallager (1) angeordneten Verstärker (14) und eine Sensorleitung (15) und/oder zumindest eine leitungslose Übertragungsstrecke (18, 20, 21) umfassen.
Dreh-, Schwenk- oder Axiallager nach zumindest einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass Auswertevorrichtung (16) als Mikrocomputer ausgebildet ist, mit dem die aktuelle Schmierfettqualität bzw. die Restnutzungsdauer unmittelbar bestimmbar ist, und die über einem Signal-Ausgang zur Ansteuerung einer optischen und/oder akustischen Anzeige- bzw. Warnvorrichtung (22) verfügt, mit der eine Restnutzungsdauer des Schmierfetts (12) anzeigbar ist und/oder über welche die signaltechnische Auslösung einer automatische Nachschmierung des Lagers (1) möglich ist.
Dreh-, Schwenk- oder Axiallager nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Schmierfett-Sensor (13, 17) derartig im Dreh-, Schwenk- oder Axiallager (1) angeordnet ist, dass dieser ständig mit am Schmierprozess beteiligtes Schmierfett (12) in Kontakt gelangt.
Dreh-, Schwenk- oder Axiallager nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Gleitlager oder als Wälzlager (1) ausgebildet ist.
Schmierfett-Sensor zur Bestimmung der Schmierqualität eines Schmierfetts, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Messmittel zumindest ein Piezoelement (17) aufweist.
Schmierfett-Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Piezoelement (17) aus einer bi-morphen Keramik besteht.