DE102007011718A1

DE102007011718A1 - Wälzlager, insbesondere Kugelrollenlager

Info

Publication number: DE102007011718A1
Application number: DE102007011718A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr. Stopp
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-03-10
Filing date: 2007-03-10
Publication date: 2008-09-11
Also published as: WO2008110153A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wälzlager mit einem Außenring, einem Innenring, Wälzkörpern, die in einem zwischen dem Innenring und dem Außenring definierten Bahnraum aufgenommen sind, und einer Käfigeinrichtung zur Führung der Wälzkörper, wobei wenigstens einer der Wälzkörper eine erste Stirnseite und eine zweite Stirnseite sowie eine zwischen diesen Stirnseiten verlaufende ballige und zu einer Wälzkörperachse konzentrische Wälzkörperlauffläche aufweist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager der vorgenannten Bauart zu schaffen, durch dessen Verbau in eine Lageranordnung ein über die Realisierung einer tragfähigen Lagerstelle hinausgehender Zusatznutzen erreicht werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in das vorgenannte Wälzlager eine Detektionseinrichtung eingebunden ist zur Generierung eines hinsichtlich der Ausrichtung der Wälzkörperachse gegenüber der Lagerachse indikativen Signals. Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, die räumliche Orientierung der auf das Wälzlager wirkenden Lagerkraft zu erfassen. Anhand dieser erfassten räumlichen Orientierung der Lagerkraft wird es beispielsweise möglich, bei Verbau des erfindungsgemäßen Wälzlagers in einer Radaufhängung hinsichtlich der Radbelastung und damit des Fahrzustands des Fahrzeugs indikative Informationen zu gewinnen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Wälzlager mit einem Außenring, einem Innenring, Wälzkörpern die in einem zwischen dem Innenring und dem Außenring definierten Bahnraum aufgenommen sind, und einer Käfigeinrichtung zur Führung der Wälzkörper, wobei wenigstens einer der Wälzkörper eine erste Stirnseite und eine zweite Stirnseite, sowie eine zwischen diesen Stirnseiten verlaufende ballige, insbesondere sphärische und zu einer Wälzkörperachse konzentrische Wälzkörperlauffläche aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager der eingangs genannten Bauart zu schaffen durch dessen Verbau in eine Lageranordnung ein über die Realisierung einer tragfähigen Lagerstelle hinausgehender Zusatznutzen erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wälzlager mit:

– einem Außenring,
– einem Innenring,
– Wälzkörpern die in einem zwischen dem Innenring und dem Außenring definierten Bahnraum aufgenommen sind, und
– einer Käfigeinrichtung zur Führung der Wälzkörper,
– wobei wenigstens einer der Wälzkörper eine erste Stirnseite und eine zweite Stirnseite, sowie eine zwischen diesen Stirnseiten verlaufende ballige und zu einer Wälzkörperachse konzentrische Wälzkörperlauffläche aufweist,
– wobei sich dieses Wälzlager dadurch auszeichnet, dass eine Detektionseinrichtung vorgesehen ist, zur Generierung eines hinsichtlich der Ausrichtung der Wälzkörperachse gegenüber der Lagerachse indikativen Signales.

Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, die Größe und ggf. auch die räumliche Orientierung einer auf das Wälzlager wirkenden Lagerkraft zu erfassen. Anhand dieser Informationen wird es beispielsweise möglich, bei Verbau des erfindungsgemäßen Wälzlagers in einer Radaufhängung hinsichtlich der Radbelastung und damit des Fahrzustands des Fahrzeugs indikative Informationen zu gewinnen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Wälzlager als Kugelrollenlager ausgeführt. Diese Kugelrollen sind vorzugsweise im Bereich ihrer Stirnseiten über die Käfigeinrichtung geführt. Die Käfigeinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass die Wälzkörper unter einer leichten Vorspannung spielfrei geführt werden. Alternativ zu der Gestaltung der Wälzkörper als Kugelrollen ist es auch möglich diese als Tonnen-Wälzkörper auszuführen, d. h. als Wälzkörper deren Durchmesser in einer das Wälzkörperzentrum durchsetzenden Radialschnittebene kleiner ist als der Krümmungsradius der Lauffläche in einer die Lagerachse enthaltenden Axialschnittebene.
Vorzugsweise ist die Detektionseinrichtung derart ausgebildet, dass diese Sensororgane umfasst zur Erhebung der hinsichtlich der Ausrichtung der Wälzkörperachse indikativen Signale auf Grundlage elektromagnetischer Wechselwirkungseffekte. Diese entsprechenden Sensororgane können insbesondere durch Spulenanordnungen realisiert sein. Das hinsichtlich der Neigung der Wälzkörperachse indikative Signal kann hierbei anhand eines Feld- oder Flussschwächungseffektes generiert werden, der als solcher mit der Größe eines durch Kippung des entsprechenden Wälzkörpers veränderten Luftspaltes korreliert. Dieser Luftspalt kann insbesondere unmittelbar zwischen den Stirnseiten der Wälzkörper und den diesen zugewandten Sensororganen vorgesehen sein. Es ist auch möglich, den Luftspalt im Zusammenspiel mit einem Fingerelement zu generieren, das Bestandteil der Käfigeinrichtung bildet und leicht federnd an einer Stirnseite des zugeordneten Wälzkörpers anliegt.
Die erfindungsgemäße Detektionseinrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass durch die in diese eingebundenen Sensororgane die hinsichtlich der Ausrichtung der Wälzkörper indikativen Signale auf Grundlage feldelektrischer, optischer und/oder akustischer Wechselwirkungseffekte erzeugt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist unmittelbar in die Wälzlagereinrichtung bereits eine vorzugsweise als ASIC-Element ausgeführte Auswertungsschaltung eingebunden, durch welche bereits im Bereich des Wälzlagers eine Vorauswertung und Vorverarbeitung der durch die Sensororgane erhobenen Messsignale erfolgt. Durch diese Auswertungsschaltung kann auch eine Sicherungsstruktur realisiert sein, durch welche eine unzulässig starke Spannungsbeaufschlagung der Sensororgane vermieden wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Detektionseinrichtung zumindest teilweise in eine den Bahnraum stirnseitig abdeckende Wälzlagerdichtung eingebunden.
Vorzugsweise ist die Krümmung der durch den Außenring sowie durch den Innenring definierten Laufbahn derart auf die Laufflächenkrümmung der Wälzkörper abgestimmt, dass sich innerhalb des zu erfassenden Kräftebereiches eine hinreichend signifikante Kippung der Wälzkörperachsen ergibt. Vorzugsweise sind die Laufbahnen derart gestaltet, dass die im Zusammenspiel mit den darauf laufenden Wälzkörpern erreichten Schmiegungsverhältnisse im Bereich von 100,6 bis 104% liegen.
Das erfindungsgemäße Wälzlager kann insbesondere Bestandteil einer Fahrzeugradaufhängung bilden, wodurch es möglich wird, hinsichtlich der Radbelastung, insbesondere der Orientierung der Radführungskräfte indikative Signale zu erhalten. Diese Signale können insbesondere in Verbindung mit einem ABS- oder einem ESP-System zur Optimierung des Fahrverhaltens des Fahrzeuges verarbeitet werden. Das erfindungsgemäße Wälzlager kann insbesondere auch Bestandteil eines Übersetzungsgetriebes, insbesondere eines Schaltgetriebes bilden und hierbei zur Generierung von Signalen herangezogen werden, die als solche Aufschluss über den von der Lagereinrichtung zu tragenden Lastfall geben.
Das erfindungsgemäß mit einer Sensoreinrichtung zur Erfassung eines mit dem Kippen der Wälzkörper korrelierenden Sensorsignales ausgestattete Wälzlager kann insbesondere innerhalb von Getrieben zur Ermittlung der Getriebelast herangezogen werden. Anhand der derart gewonnenen Messsignale wird es möglich, auch eine automatische Schaltung des Getriebes regelungstechnisch zu koordinieren oder zumindest zu unterstützen. Weiterhin wird es möglich, unzulässige Überlastzustände zu erfassen und zu dokumentieren oder auch insgesamt zur Belastungshistorie einer entsprechend ausgestatteten Vorrichtung indikative Aufzeichnungen vorzunehmen.
Das erfindungsgemäße Lager kann weiterhin insbesondere auch zur Ermittlung von Wartungsintervallen sowie zur rechnerischen Modellierung und Abschätzung der Lager- und/oder Schmierstoffermüdung herangezogen werden. Die Sensoreinrichtung kann so gestaltet sein, dass zusätzlich zur Ermittlung der Lagerbelastung auch Signale zur Ermittlung der Lagerdrehzahl zur Verfügung gestellt werden.
Die eingangs angegebene Aufgabe wird weiterhin auch durch ein Verfahren mit den in Patentanspruch 16 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind insbesondere in den Unteransprüchen 17 und 18 angegeben.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine perspektivische Skizze zur Veranschaulichung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen, hier als Kugelrollenlager ausgeführten Wälzlagers,
2 eine Axial-Schnittdarstellung zur Erläuterung weiterer Einzelheiten des der erfindungsgemäßen Krafterfassung zugrunde liegenden Konzeptes,
3 eine Konstruktionsskizze zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung zur Erfassung der Ausrichtung der Wälzkörperachse gegenüber der Lagerachse,
4 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung der Anordnung mehrerer, in Umfangsrichtung abfolgender Sensororgane an dem erfindungsgemäßen Wälzlager,
5 eine Prinzip-Skizze zur Veranschaulichung des Einsatzes des erfindungsgemäßen Wälzlagers bei einem Kraftfahrzeug.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
Das in 1 dargestellte Wälzlager umfasst einen Außenring 1, einen Innenring 2 sowie Wälzkörper 3, die in einem zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 1 definierten Bahnraum B aufgenommen sind. Das Wälzlager umfasst weiterhin eine hier nicht näher dargestellte Käfigeinrichtung 4 (siehe 3), die als solche der Führung der Wälzkörper 3 dient. Bei dem hier dargestellten Wälzlager ist wenigstens einer der Wälzkörper 3 (hier sämtliche Wälzkörper 3) als Kugelrollen ausgeführt, die eine erste Stirnseite 3a und eine, in dieser Darstellung nicht erkennbare, zweite Stirnseite 3b aufweisen. Jeder der Wälzkörper 3 weist weiterhin eine zwischen diesen beiden Stirnseiten 3a und 3b verlaufende, ballige und zu einer Wälzkörperachse Y konzentrische, vorzugsweise sphärische Wälzkörperlauffläche 3c auf.
Das hier dargestellte Wälzlager zeichnet sich dadurch aus, dass in dieses eine Detektionseinrichtung 5 (siehe 3) eingebunden ist zur Generierung eines hinsichtlich der räumlichen Lage oder Ausrichtung der Wälzkörperachse Y gegenüber der Lagerachse X indikativen Signales. Die Detektionseinrichtung kann insbesondere so ausgebildet sein, dass über diese der Druckwinkel D einer an dem Wälzlager angreifenden Lagerkraft F sowie auch die Winkelposition A einer durch die Wirkungslinie der Lagerkraft F und die Lagerachse X definierten Ebene E gegenüber einer Bezugsebene R ermittelt werden kann. Durch die Erfassung des räumlichen Verlaufs der Wir kungslinie W der Lagerkraft F wird es möglich, Aufschluss über die Lagerbelastung zu erlangen.
Wie aus der Darstellung gemäß 2 ersichtlich, ändert sich die räumliche Lage der Wälzkörperachse Y der zwischen dem Außenring 1 und dem Innenring 2 aufgenommenen Wälzkörper 3 in Abhängigkeit von den auf das Wälzlager wirkenden Lagerkräften. Bei der hier gezeigten Skizze ist ein typischer Änderungswinkel der Wälzkörperachse Y angedeutet dargestellt. Typischerweise liegt dieser Änderungswinkel je nach geometrischer Gestaltung der Laufbahnen und der Wälzkörper im Bereich von ca. +/– fünf bis +/– 10 Grad. Bei äußerst hohen Lagerkräften kann sich dieser Winkel in einem Bereich von +/– 30° bewegen. Die Sensibilität des Wälzlagers, d. h. das Ausmaß der mit einer Änderung der Lagerbelastung korrelierenden Änderung der Neigung der Wälzkörperachse Y gegenüber der Lagerachse X kann durch Abstimmung der im Zusammenspiel mit den Wälzkörpern an den durch den Außenring bzw. den Innenring definierten Laufbahnen realisierten Schmiegung abgestimmt werden.
In 3 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wälzlagers dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Detektionseinrichtung eine Spulenanordnung, durch welche hinsichtlich der Weite von Luftspalten S1, S2 indikative Signale gewonnen werden können. Diese Luftspalte S1, S2 werden bei diesem Ausführungsbeispiel durch an dem Wälzkörper 3 auf dessen Stirnseiten 3a bzw. 3b aufsitzende Finger 7 gebildet. Diese Finger 7 sind als Biege-Umformabschnitte der Käfigeinrichtung 4 ausgeführt und liegen leicht federnd an den Stirnseiten 3a bzw. 3b des Wälzkörpers 3 an. In Abhängigkeit von der Kippung der Wälzkörperachse Y verändern sich die Luftspalte S1, S2. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist in die Wälzkörper 3 ein Permanentmagnet 8 eingebunden. Entsprechend der Weite des Luftspaltes S1 bzw. S2 variieren damit die durch die Finger 7 in die Spulenanordnungen 9, 10 induzierten Spannungen U1, U2. Der Neigungswinkel W der Wälzkörperachse Y gegenüber der La gerachse X kann als solcher als Funktion des Verhältnisses der Spannungswerte U1, U2 dargestellt werden. Jedes Wälzlager kann vorzugsweise über eine eingebundene ASIC-Schaltung derart kalibriert werden, dass im Rahmen des Zusammenbaus sowie durch die einzelnen Schaltungskomponenten verursachte Toleranzen intern kompensiert werden. Etwaige nichtlineare Zusammenhänge zwischen den Messsignalen und den auf das Lager wirkenden Kräften können durch Kompensationsschaltungen berücksichtigt und ausgeglichen werden.
Vorzugsweise sind mehrere der hier gezeigten Sensorfinger 7 in die Käfigeinrichtung eingebunden. Es ist möglich, die Neigung jedes Wälzkörpers 3 des Wälzlagers durch derartige Finger zu erfassen.
Die zur Erfassung der Spannungspegel U1, U2 vorgesehenen Spuleneinrichtungen, oder anderweitige zur Erfassung der Neigung der Wälzkörperachse Y indikative Sensoreinrichtungen sind vorzugsweise, wie in 4 dargestellt, in Umfangsrichtung beabstandet an mehreren Stellen des Wälzlagers angeordnet. Hierdurch wird es möglich, anhand einer zusammenfassenden Auswertung der jeweils erhobenen Messsignale U1, U2, U1', U2' und U1'', U2'', eine präzise Erfassung der Lagerbelastung vorzunehmen.
Das erfindungsgemäße Wälzlager kann insbesondere zur Erfassung der Belastungen der einzelnen Räder eines Kraftfahrzeuges Anwendung finden.
In 5 ist schematisch ein Kraftfahrzeug dargestellt. Im Bereich der Radaufhängung R1, R2, R3 und R4 sind jeweils erfindungsgemäß ausgebildete Wälzlager angeordnet. Durch diese Wälzlager wird es möglich, zumindest die räumliche Orientierung der an den jeweiligen Rädern angreifenden Kräfte zu erfassen. Auf Grundlage dieser Informationen wird es möglich, den momentanen Fahrzustand festzustellen und im Rahmen eines Antiblockier-Prozesses oder eines ESP-Prozesses die Fahrzeugführung zu optimieren. Anhand der gegebenenfalls durch weitere Sensoren erfassten Messsignale zur Fahrzeugaufbaubeschleunigung a sowie auch anhand von Messdaten die als solche Aufschluss über die Fahrzeugmasse m geben, können weitere Informationen für die Belastung des jeweiligen Fahrzeugrades erzeugt werden.
Das erfindungsgemäß realisierte Kugelrollenlager hat die Eigenschaft, dass sich dessen Wälzkörper je nach Lastfall über den Umfang unterschiedlich stark neigen. Wo sich die Rollen wie stark neigen hängt von der Lagerbelastung, insbesondere vom resultierenden Kraftvektor auf das Lager ab. Mit der erfindungsgemäß in das Wälzlager eingebundenen Sensorik wird es möglich, die Neigung der Wälzkörper zu erfassen und daraus den Lastfall zu ermitteln. Damit lassen sich im KFT-Getriebe, z. B. die Momente bestimmen oder, wie vorangehend bereits beschrieben, bei einer Radaufhängung der Fahrzustand des Fahrzeugs. Obgleich die Erfindung wie vorangehend in Verbindung mit einer auf Grundlage elektromagnetischer Wechselwirkungseffekte basierenden Sensoreinrichtung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf derartige Ausführungsbeispiele beschränkt. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann insbesondere in eine Dichtlippeneinrichtung eingebunden sein, die als solche der Abdeckung des Bahnraums des Wälzlagers dient. In diese Dichtlippeneinrichtung können sämtliche Kabelelemente hinreichend abgedichtet eingebunden, insbesondere einvulkanisiert sein.

Claims

Wälzlager mit: – einem Außenring, – einem Innenring, – Wälzkörpern die in einem zwischen dem Innenring und dem Außenring definierten Bahnraum aufgenommen sind, und – einer Käfigeinrichtung zur Führung der Wälzkörper, – wobei wenigstens einer der Wälzkörper eine erste Stirnseite und eine zweite Stirnseite, sowie eine zwischen diesen Stirnseiten verlaufende ballige und zu einer Wälzkörperachse konzentrische Wälzkörperlauffläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektionseinrichtung vorgesehen ist, zur Generierung eines hinsichtlich der Ausrichtung der Wälzkörperachse gegenüber der Lagerachse indikativen Signales.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager als Kugelrollenlager ausgeführt ist.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung Sensororgane umfasst, zur Erhebung des hinsichtlich der Ausrichtung der Wälzkörperachse indikativen Signales auf Grundlage elektromagnetischer Wechselwirkungseffekte.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung Sensororgane umfasst, zur Erhebung des hinsichtlich der Ausrichtung der Wälzkörperachse indikativen Signales auf Grundlage feldelektrischer Wechselwirkungseffekte.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung Sensororgane umfasst, zur Erhebung des hinsichtlich der Ausrichtung der Wälzkörperachse indikativen Signales auf Grundlage optischer Wechselwirkungseffekte.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung Sensororgane umfasst, zur Erhebung des hinsichtlich der Ausrichtung der Wälzkörperachse indikativen Signales auf Grundlage akustischer Wechselwirkungseffekte.
Wälzlager nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zum Abgriff der Wälzkörperneigung vorgesehene Taststruktur in die Käfigeinrichtung eingebunden ist.
Wälzlager nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertungsschaltung vorgesehen ist, die in das Wälzlager eingebunden ist.
Wälzlager nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung in eine Wälzlagerdichtung eingebunden ist.
Wälzlager nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung mehrere Sensororgane umfasst die voneinander in Umfangsrichtung beabstandet sind.
Wälzlager nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiegung der durch den Außenring definierten Laufbahn größer als 100,8% ist.
Wälzlager nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiegung der durch den Innenring definierten Laufbahn größer als 100,6% ist.
Wälzlager nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager Bestandteil eines Übersetzungsgetriebes bildet.
Wälzlager nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager Bestandteil einer Fahrzeugradaufhängung bildet, zur Generierung hinsichtlich der Radbelastung indikativer Signale.
Wälzlager nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigeinrichtung derart ausgebildet ist, das diese ein Kippen der Wälzkörper um eine Kippachse erlaubt die als solche zur Wälzkörperachse im wesentlichen senkrecht ausgerichtet ist und innerhalb einer zur Lagerachse radialen Ebene verläuft.
Verfahren zur Generierung hinsichtlich der Belastung eines als Kugelrollenlager ausgeführten Wälzlagers indikativer Messwerte, bei welchem im Bereich des Lagers hinsichtlich der Neigung einer Achse der Wälzkörper gegenüber einer Lagerachse indikative, oder mit der Neigung einer Achse der Wälzkörper gegenüber einer Lagerachse korrelierende Signale erhoben werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die hinsichtlich der Neigung einer Achse der Wälzkörper gegenüber einer Lagerachse indikative Signale auf Grundlage elektromagnetischer Wechselwirkungseffekte erhoben werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgriff jener Signale im Zusammenspiel mit einer in einen Wälzkörperkäfig eingebundenen Struktur erfolgt.