DE102006021707A1

DE102006021707A1 - Lageranordnung mit einem piezoelektrischen Sensor

Info

Publication number: DE102006021707A1
Application number: DE102006021707A
Authority: DE
Inventors: Günter Dipl.-Ing. Schmid (FH)
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-05-10
Filing date: 2006-05-10
Publication date: 2007-11-15

Abstract

Eine Lageranordnung (1) umfasst eine mittels eines Wälzlagers (5) gelagerte Spindel (2) und einen einen Spindelzapfen (4) der Spindel (2) ringförmig umgebenden piezoelektrischen Sensor (10) zur Messung von auf das Wälzlager (5) wirkenden Axialbelastungen (F<SUB>V</SUB>, F<SUB>B</SUB>).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit einem piezoelektrischen Sensor, der zur Erfassung von auf ein Wälzlager wirkenden Belastungen vorgesehen ist.
Hintergrund der Erfindung
Ein piezoelektrisches Meßsystem für Wälzlager ist beispielsweise aus der DE 195 22 543 A1 bekannt. In diesem Meßsystem ist ein piezoelektrischer Filmmessfühler an einem Lager, an einer Lagerstützkonstruktion oder an einer getrennten Ringscheibe in enger Nachbarschaft eines Lagers angeordnet, um das Lagerbetriebsverhalten zu überwachen. Damit soll ein Lagerüberwachungssystem zum Ermitteln und Vorhersagen einer Lagerschädigung bereitstellbar sein. Des Weiteren soll mittels einer Ausführungsform des piezoelektrischen Filmmessfühlers die Drehzahl eines Wälzlagers messbar sein. Messfühler nach der DE 195 22 543 A1 basieren beispielsweise auf hochpolaren Polyvinylidenfluoridfilmen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einsatzmöglichkeiten von piezoelektrischen Sensoren in der Wälzlagertechnik zu erweitern.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lageranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lageranordnung umfasst eine mittels eines Wälzlagers gelagerte Spindel, wobei ein zur Messung von auf das Wälzlager wirkenden Axialbelastungen geeigneter piezoelektrischer Sensor einen Spindelzapfen der Spindel ringförmig umgibt. Als Wälzlager für die Spindellagerung ist vorzugsweise ein zweireihiges Axialschrägkugellager vorgesehen, alternativ ist beispielsweise ein Nadel-Axial-Zylinderrollenlager verwendbar.
Der piezoelektrische Sensor ist bevorzugt in der Art einer Unterlegscheibe zwischen einem Außenring des Wälzlagers und einer Stützkonstruktion angeordnet und dabei in Axialrichtung der Spindel vorgespannt. Die Vorspannkraft ist dabei derart einstellbar, dass unabhängig davon, in welcher Richtung Axialkräfte auf die Spindel wirken, die resultierende Kraft, welche auf den piezoelektrischen Sensor wirkt, keine Richtungsumkehr erfährt. Die axiale Vorspannung des piezoelektrischen Sensors ist mittels Schrauben bewirkbar, die durch Öffnungen im Sensor gesteckt sind.
Der in die Lageranordnung integrierte piezoelektrische Sensor eignet sich beispielsweise für die Messung von Bearbeitungskräften sowie Massenträgheits- und Gewichtskräften, welche in einer Werkzeugmaschine auf ein Lager übertragen werden. Ebenso ist der piezoelektrische Sensor geeignet, drohende Schädigungen einer Spindel oder der zugehörigen Lagerung zu detektieren. Darüber hinaus ermöglicht die Kraftmessung an der Spindellagerung mittels des piezoelektrischen Sensors eine Überwachung und/oder Steuerung von Prozessen wie beispielsweise Einpressvorgängen, die mit einer elektromotorisch angetriebenen Spindelpresse durchgeführt werden. In allen Anwendungsfällen zeichnet sich der einen Bestandteil der Lageranordnung bildende piezoelektrische Sensor durch einen sehr geringen Platzbedarf, einfachste Montierbarkeit, allenfalls niedrige Hysterese sowie eine hohe Stör- und Überlastfestigkeit aus.
Für die Herstellung piezosensitiver Strukturen des Sensors ist besonders das Siebdruckverfahren geeignet. Die hierbei aufgebrachten Sensorstrukturen werden beispielsweise im Durchlaufverfahren bei ca. 650°C bis 800°C eingebrannt. Unabhängig vom Herstellungsverfahren weist der piezoelektrische Sensor vorzugsweise mehrere konzentrische Sensorringe oder Sensorsegmente auf, die zwischen zwei parallelen Scheiben angeordnet sind. Als Scheiben, die als kraftübertragende Teile des piezoelektrischen Sensors konzentrisch zur Spindel angeordnet sind, werden bevorzugt geschliffene und/oder gestrahlte Stahlscheiben verwendet. Damit ist eine ausreichende Formgenauigkeit sowie eine gute Haftfähigkeit gegeben. Als Substrate, die insbesondere Widerstands- und Leiterstrukturen tragen, sind auch keramische Werkstoffe verwendbar.
In vorteilhafter Ausgestaltung weist der piezoelektrische Sensor zusätzlich zu einem mechanisch belasteten Piezoelement ein mechanisch unbelastetes, insbesondere eine Temperaturkompensation ermöglichendes Piezoelement auf. In besonders bevorzugter Weise sind die beiden Piezoelemente als konzentrische, um den Wellenzapfen gelegte Ringe ausgebildet und hierbei – mit Ausnahme der mechanischen Belastung – praktisch vollkommen identischen Umgebungsbedingungen ausgesetzt.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung ist der piezoelektrische Sensor mit einem starren oder flexiblen Schaltungsträger verbunden. Der Schaltungsträger sowie auf diesem angeordnete elektronische Bauelemente, die insbesondere der Signalverstärkung und -konditionierung dienen, können von einem Metall- oder Kunststoffgehäuse umschlossen sein. Eine besonders gute Schutzwirkung bei gleichzeitig rationellen Herstellungsmöglichkeiten ist gegeben, wenn der Schaltungsträger einschließlich der elektronischen Bauelemente mit Kunststoff umspritzt ist. An diese Kunststoffumhüllung ist vorzugsweise ein Gehäuse eines Steckverbinders einstückig angeformt. Umgekehrt ausgedrückt ist damit eine elektronische Baueinheit in den Steckverbinder integriert.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 in einer Schnittdarstellung eine Lageranordnung mit einer mittels eines Wälzlagers gelagerten Spindel sowie mit einem piezoelektrischen Sensor,
2 in verschiedenen, teilweise geschnittenen Ansichten den piezoelektrischen Sensor nach 1 mit angeschlossener Elektronikbaugruppe, und
3 ein Detail des piezoelektrischen Sensors nach 2.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Die 1 zeigt eine Lageranordnung 1, mittels welcher eine Spindel 2, beispielsweise eine Kugelumlauf- oder Rollengewindespindel, in einer Stützkonstruktion 3 drehbeweglich gelagert ist. Die Lagerung der Spindel 2, von der in 1 lediglich ein Spindelzapfen 4 sichtbar ist, erfolgt mittels eines Wälzlagers 5, das mit Schrauben 6 unter axialer Vorspannung an der Stützkonstruktion 3 befestigt ist. Das Wälzlager 5 ist als zweireihiges Schrägkugellager mit Innenringen 7, einem Außenring 8 und Kugeln 9 als Wälzkörper ausgebildet. Die zwischen dem Wälzlager 5 und der Stützkonstruktion 3 wirkende axiale Vorspannkraft ist mit F_V bezeichnet. Zusätzlich können beim Betrieb der La geranordnung 1 in Richtung der Vorspannkraft F_V oder in entgegengesetzter Richtung wirkende Axialbelastungen F_B auftreten.
Zur Messung der resultierenden Axialkräfte zwischen dem Wälzlager 5 und der Stützkonstruktion 3 ist zwischen den Außenring 8 und die Stützkonstruktion 3 ein den Spindelzapfen 4 ringförmig umgebender piezoelektrischer Sensor 10 in der Art einer Unterlegscheibe eingespannt. Die Schrauben 6 durchdringen sowohl den Außenring 8 als auch Öffnungen 11 des piezoelektrischen Sensors 10. Der piezoelektrische Sensor 10 weist eine hohe mechanische Steifigkeit auf und ist sowohl für statische als auch für dynamische Kraftmessung geeignet. Piezosensitive Strukturen 12 des Sensors 10 befinden sich sandwichartig zwischen zwei Scheiben 13, 14, die den Außenring 8 bzw. die Stützkonstruktion 3 kontaktieren. Die Sensorstrukturen 12 sind über ein Flachbandkabel 15 an eine Elektronikbaugruppe 16 angeschlossen, welche eine Auswerteeinheit 17 sowie einen Steckverbinder 18 umfasst. Die Auswerteeinheit 17 ist als mit elektronischen Bauteilen 19 bestückter Schaltungsträger 20 ausgebildet, welcher mit einer Kunststoffumhüllung 21 umspritzt ist. Die Kunststoffumhüllung 21 bildet zugleich das Gehäuse 22 des Steckverbinders 18. Der Steckverbinder 18 mit Stiften 23 dient der Übertragung eines von der Auswerteeinheit 17 gelieferten Signals (beispielsweise 0 bis 10 Volt oder 4 bis 20 mA) an eine nicht dargestellte Datenverarbeitungseinrichtung. Alternativ können beispielsweise auch digitale Signale in Form einer Feldbusschnittstelle bereitgestellt werden.
Der genauere Aufbau der Sensorstrukturen 12 geht aus den 2 und 3 hervor. Danach beschreiben die Sensorstrukturen 12 abschnittsweise – durch die Öffnungen 11 unterbrochene – konzentrische Sensorringe 24, 25. Hierbei dienen Sensorringe 24 als kraftübertragende Elemente zwischen den Scheiben 13, 14, während Sensorringe 25 ohne mechanische Funktion radial zwischen des Sensorringen 24 auf der Scheibe 13 angeordnet ist. Die Sensorringe 24, 25 sind in ein nachgiebiges Polymermaterial 26 eingebettet, wobei die kraftübertragenden Sensorringe 24 sowohl an der Scheibe 13 als auch an einer zwischen den Scheiben 13, 14 angeordneten Zwischenscheibe 27 anliegen. Die die Sensorstrukturen 12 bildenden Sensorringe 24, 25 sind im Siebdruckverfah ren hergestellt. Eine besonders gute Haltbarkeit der Sensorstrukturen 12 auf den Scheiben 13, 27 ist bei Verwendung geschliffener und gestrahlter Scheiben 13, 14, 27 aus Stahl gegeben. Ebenso sind keramische Werkstoffe zur Herstellung der Scheiben 13, 14, 27 geeignet.
Die mechanisch nicht belasteten Sensorring 25 liefern ein Referenzsignal und dienen insbesondere der Temperaturkompensation. Durch die Anordnung der Sensorringe 25 in der Nähe der mechanisch belasteten Sensorringe 24, auf derselben Scheibe 13 des piezoelektrischen Sensors 10, ist sichergestellt, dass alle Sensorringe 24, 25 mit Ausnahme der Kraftbeaufschlagung exakt den gleichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Zugleich befinden sich die Sensorringe 25 zwischen den Scheiben 13, 14 in vor mechanischen Beschädigungen besonders geschützter Anordnung. Der piezoelektrische Sensor 10 ist insbesondere für Spindelzapfen 4 mit einem Durchmesser D von 20 mm bis 50 mm geeignet.

1: Lageranordnung
2: Spindel
3: Stützkonstruktion
4: Spindelzapfen
5: Wälzlager
6: Schraube
7: Innenring
8: Außenring
9: Kugel
10: Sensor
11: Öffnung
12: piezosensitive Struktur
13: Scheibe
14: Scheibe
15: Flachbandkabel
16: Elektronikbaugruppe
17: Auswerteeinheit
18: Steckverbinder
19: Bauteil
20: Schaltungsträger
21: Kunststoffumhüllung
22: Gehäuse
23: Stift
24: Sensorring
25: Sensorring
26: Polymermaterial
27: Zwischenscheibe
D: Durchmesser
F_B: Axialbelastung
F_V: Vorspannkraft

Claims

Lageranordnung (1) mit einer mittels eines Wälzlagers (5) gelagerten Spindel (2) und mit einem einen Spindelzapfen (4) der Spindel (2) ringförmig umgebenden piezoelektrischen Sensor (10) zur Messung von auf das Wälzlager (5) wirkenden Axialbelastungen (F_V, F_B).
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (5) als zweireihiges Axialschrägkugellager ausgebildet ist.
Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Sensor (10) in Anordnung zwischen einem Außenring (8) des Wälzlagers (5) und einer Stützkonstruktion (3) axial vorgespannt ist.
Lageranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der axialen Vorspannung des piezoelektrischen Sensors (10) dienenden Schrauben (6) Öffnungen (11) des piezoelektrischen Sensors (10) durchdringen.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Sensor (10) im Siebdruckverfahren hergestellte Sensorstrukturen (12) aufweist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Sensor (10) mehrere konzentrische Sensorringe (24, 25) aufweist.
Lageranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorringe (24, 25) zwischen zwei Scheiben (13, 14) des Sensors (10) angeordnet sind.
Lageranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (13, 14) als geschliffene Stahlscheiben ausgebildet sind.
Lageranordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (13, 14) als gestrahlte Stahlscheiben ausgebildet sind.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Sensor (10) zusätzlich zu einem mechanisch belasteten Piezoelement (24) ein mechanisch unbelastetes, eine Temperaturkompensation ermöglichendes Piezoelement (25) aufweist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Sensor (10) mechanisch mit einem Schaltungsträger (20) verbunden ist.
Lageranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (20) einschließlich mindestens eines auf diesem angeordneten elektronischen Bauteils (19) mit Kunststoff umspritzt ist.
Lageranordnung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein einstückig mit einer Kunststoffumhüllung (21) des Schaltungsträgers (20) ausgebildetes Gehäuse (22) eines Steckverbinders (18).
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Spindelzapfen (4) einen Durchmesser (D) von mindestens 20 mm und höchstens 50 mm aufweist.