DE102007061279A1

DE102007061279A1 - Vorrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten eines Wälzlagers

Info

Publication number: DE102007061279A1
Application number: DE102007061279A
Authority: DE
Inventors: Ugaitz Rodriguez; Rupert Stitzinger
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2009-06-25
Also published as: WO2009076932A3; WO2009076932A2

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten eines Wälzlagers (1) vorgeschlagen mit mindestens einem Sensor (4), der an einer Komponente (3) des Wälzlagers (1) angeordnet ist, die in Einbaulage relativ zu einem das Wälzlager (1) aufnehmenden Lagergehäuse (15) ortsfest ist. Dabei sendet ein sensorseitiger Sender (9) Betriebsdaten repräsentierende Funksignale (10) an einen lagergehäuseseitig angeordneten Datenempfänger (12). Um das Erfassen von Betriebsdaten des Wälzlagers zuverlässig und von der aktuellen Betriebssituation des Wälzlagers unabhängig zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass die Energiespeiseeinrichtung (29) eine lagergehäuseseitige Sendeeinheit (25) umfasst, die eine senderseitige Empfangseinheit (6) drahtlos mit Betriebsenergie (30) beaufschlagt, die als Sendeenergie für den sensorseitigen Sender (9) dient.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten eines Wälzlagers, insbesondere eines Kartuschenlagers, mit mindestens einem Sensor, der an einer Komponente des Wälzlagers angeordnet ist, die in Einbaulage relativ zu einem das Wälzlager aufnehmenden Lagergehäuse ortsfest ist, wobei ein sensorseitiger Sender aus den Sensorsignalen gewonnene, Betriebsdaten repräsentierende Funksignale an einen lagergehäuseseitig angeordneten Datenempfänger sendet, und mit einer Energiespeiseeinrichtung, die den Sender mit Sendeenergie versorgt.
An hochbeanspruchten und hohen Laufleistungserwartungen ausgesetzten Wälzlagern – wie beispielsweise Radsatzlagern in der Schienenverkehrstechnik – sind häufig Sensoren vorgesehen, die Betriebsdaten des Lagers kontinuierlich oder intermittierend erfassen bzw. übermitteln. Als Radsatzlager finden häufig so genannte Kartuschenlagerungen Verwendung, die bei spielsweise unter dem Handelsnamen TAROL der Firma Schaeffler KG bekannt geworden sind. Derartige Lager können zwei einreihige Innenteile, einen Außenring sowie axiale Dichtungen und einen Abschlussdeckel umfassen.
Für die Zustandsüberwachung bzw. die Erfassung von Betriebsparametern drehender Elemente sind vielfältige Vorrichtungen bekannt geworden.
So beschreibt das Deutsche Gebrauchsmuster 298 13 731 U1 eine Messanordnung für sich drehende Elemente, wie Antriebselemente und Wellen, deren Messwerte durch berührungslose Übermittlungssysteme nach außen übertragen werden. Weil diese Messanordnungen aber sehr aufwendig und störungsanfällig sind, schlägt das Deutsche Gebrauchsmuster 298 13 731 U1 eine kostengünstigere Messanordnung vor, bei der an einem sich drehenden Element ein Generator mit einer Magnetscheibe befestigt ist, die mit einem umlaufenden Generatorspulenring kooperiert und unmittelbar eine sich mit dem drehenden Element mitdrehende Anzeige ansteuert. Damit wird auf eine direkte Übermittlung von Messwerten verzichtet, weil deren Anzeige unmittelbar abgelesen werden kann. Diese Lösung ist jedoch nicht in allen Anwendungsgebieten vorteilhaft bzw. einsetzbar.
In vielen Fällen nämlich ist eine externe Weiterleitung bzw. Weiterverarbeitung der Messwerte bzw. der Betriebsdaten erforderlich. Vor diesem Hintergrund offenbart das Deutsche Gebrauchsmuster 202 02 536 U1 eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zum Erfassen von Betriebsdaten eines Wälzlagers, bei der ein im Bereich der Lauffläche eines Außenrings (Einbaustück) angeordneter Sensor Betriebsdaten – beispielsweise wirkende Lagerkräfte oder die im Lager herrschende Temperatur – repräsentierende Messwerte an einen sensorseitigen Sender liefert. Dieser kann die Messwerte an eine Überwachungszentrale übermitteln.
Zur Energieversorgung des Sensors bzw. des Senders ist ein Generator in die Lageranordnung integriert, der ein erstes Generatorelement in Form eines Magnetrings und ein zweites Generatorelement in Form einer Spule umfasst. Der Magnetring ist drehfest auf einer Welle angeordnet, während die Spule ortsfest positioniert ist.
Die bekannte Vorrichtung ist in ihrem Aufbau aufwendig. Sie ist zwar weitgehend energieautark, jedoch wird bei Stillstand der Welle keine weitere Energie zur Verfügung gestellt. Damit hängt aber die Funktionsfähigkeit, Sendeleistung und Übermittlungsfähigkeit der bekannten Vorrichtung von der jeweiligen Betriebssituation – insbesondere der Drehzahl – der mit der bekannten Vorrichtung versehenen Lagerung und damit von der betriebsabhängig zur Verfügung stehenden Sendeenergie ab.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer Vorrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten eines Wälzlagers, deren Leistungsvermögen und Zuverlässigkeit mit wartungsarmen bzw. wartungsfreien Mitteln von der aktuellen Betriebssituation des Wälzlagers unabhängig gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Demgemäß umfasst die Energiespeiseeinrichtung eine lagergehäuseseitig Sendeeinheit, die eine senderseitige Empfangseinheit drahtlos mit Betriebsenergie beaufschlagt, die als Sendeenergie für den sensorseitigen Sender dient.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Begriff Funksignal im weiten Sinne zu verstehen und umfasst drahtlose Übertragungen verschiedenster Art.
Drahtlose Übertragungen können beispielsweise durch elektromagnetische, induktive und/oder kapazitive Kopplung zwischen Sendeeinheit und Empfangseinheit realisiert sein. Die Sendeeinheit kann beim Einsatz in Schienenfahrzeugen ortsfest an der Strecke angeordnet sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kommt damit vollständig ohne Kabelverbindungen zwischen dem Sensor bzw. Sender einerseits und dem Lagergehäuse andererseits aus. Dies hat den Vorteil, dass das Lager beispielsweise zu Wartungszwecken sehr einfach demontiert werden kann, ohne dass elektrische Leitungen beispielsweise durch Lösen von Steckerverbindungen getrennt werden müssen.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Übertragung der die Betriebsdaten repräsentierenden Funksignale durch die externe, funkbasierte Zuführung von Sendeenergie an den Sender unabhängig ist von dem Betriebszustand (beispielsweise der Drehzahl) des zu überwachenden Wälzlagers.
Die Erfindung schafft in vorteilhafter Weise ein sehr robustes und vergleichsweise einfach aufgebautes Überwachungssystem. Dieses ist äußerst störunanfällig, weil die Sendenergie einerseits und die Funksignale andererseits grundsätzlich nur eine jeweils relativ kleine Funkstrecke zu zurückzulegen haben.
Zudem besteht bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein weiterer wesentlicher Vorteil darin, dass das Sendeverhalten des sensorseitigen Senders extern gesteuert und bedarfsweise modifiziert werden kann. So kann beispielsweise bei einem hohen Sendeleistungsbedarf durch entsprechende Beaufschlagung der Empfangseinheit mit entsprechend hochenergetischen Funksignalen auf die Sendeleistung eingewirkt werden. Mit anderen Worten: Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann gezielt und situationsabhängig an die Umgebungsbedingungen angepasst werden. So kann beispielsweise beim Einsatz der Vorrichtung in einem Kartuschenlager eines Schienenfahrzeugs bei entsprechend kritischen Streckenabschnitten die Vorrichtung mit erhöhter Sendeleistung betrieben werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist auch der Sensor von der Betriebsenergie gespeist.
Kartuschenlager für Bahnanwendungen umfassen eine Axialabdichtung, bei der häufig ein erstes Dichtungsteil in Form eines Stahlblechrings am Innenring und ein zweites, relativ bewegliches Dichtungsteil in Form eines zweiten Stahlblechrings am Außenring unter Bildung einer Axialdichtung angeordnet ist. Bei einer derartigen Lagerausgestaltung kann besonders vorteilhaft der Sensor auf einem feststehenden stirnseitigen Dichtungsteil einer Axialdichtung angeordnet sein.
Für einen besonders zuverlässigen Betrieb ist es bevorzugt, dass der Datenempfänger in einer Radialöffnung des Lagergehäuses aufgenommen ist.
Besonders zuverlässige Betriebsbedingungen sind bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhafterweise dadurch geschafften, dass die Übertragungsstrecke zwischen lagergehäuseseitiger Sendeeinheit einerseits und senderseitiger Empfangseinheit andererseits zwischen konzentrischen zylindermantelförmigen Oberflächen der beiden Einheiten verläuft. Dadurch sind auch – grundsätzlich unerwünschte, beim Langzeitbetrieb aber nicht immer vollständig vermeidbare – relative Drehbewegungen zwischen dem Wälzlager und dem Lagergehäuse bzw. dem ortsfesten Datenempfänger jedenfalls in gewissen Grenzen tolerierbar.
Montagetechnisch bevorzugt bilden der Sensor und die senderseitige Empfangseinheit eine Baueinheit; gleichermaßen ist es bevorzugt, wenn die gehäuseseitige Sendeeinheit und der Datenempfänger eine Baueinheit bilden.
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich auch oder ergänzend aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten eines nicht näher gezeigten Wälzlagers 1. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Kartuschenlager für Schienenverkehrsanwendungen, aber auch um ein Gegenrollenlager oder ein Rillenkugellager handeln, wobei bevorzugt jeweils eine axiale Dichtung vorgesehen ist und ein Teil der Dichtung als Temperaturgeber ausgebildet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Erfassung von Betriebstemperaturen beschränkt, sondern kann gleichermaßen vorteilhaft auch zum Erfassen bzw. Überwachen anderer Betriebsdaten eingesetzt sein.
Auf einem feststehenden Teil 2 – nämlich einer stirnseitigen Axialdichtung in Form eines mit dem Lageraußenring verbundenen Dichtungsbleches 3 – des Wälzlagers ist ein Sensor 4 angeordnet. Der Sensor 4 befindet sich in einem Bauteilgehäuse 5, das auch eine nachfolgend noch näher beschriebene Empfangseinheit 6 beherbergt. Der Sensor 4 und die Empfangseinheit 6 bilden somit eine Baueinheit 8. Als integrale Baueinheit enthält der Sensor 4 einen sensorseitigen Sender 9, der von dem Sensor gelieferte, Betriebsdaten repräsentierende Messsignale in entsprechende Funksignale 10 umwandelt und zu einem Datenempfänger 12 sendet. Der Datenempfänger 12 ist in eine Bohrung 14 eines Lagergehäuses 15 eingesetzt, das nur andeutungsweise gezeigt ist und beispielsweise ein Radsatzlagergehäuse sein kann. In einer entsprechenden Ausnehmung oder Bohrung 20 des Radsatzlagergehäuses 15 ist das Lager 1 fixiert, indem durch geeignete Bemessung der Bohrung 20 die äußere Mantelfläche 22 des Lagers 1 in gewünschter Passung in dem Radsatzlagergehäuse festliegt.
In einem Gehäuse 24, das den Datenempfänger 12 aufnimmt, befindet sich auch eine Sendeeinheit 25, so dass Empfänger 12 und Sendeeinheit 25 als gemeinsames Modul oder Baueinheit 26 ausgebildet sind. Mit der Sendeeinheit 25 ist eine nur andeutungsweise dargestellte Energiequelle 27 verbunden. Die radsatzlagergehäuseseitige Sendeeinheit 25 sendet Funksignale 28 zur drahtlosen Energiebeaufschlagung zu der Empfangseinheit 6. Sendeeinheit 25 und Empfangseinheit 6 sind Elemente einer Energiespeiseeinrichtung 29. Die Empfangseinheit 6 wandelt die empfangenen Funksignale 28 in Betriebsenergie 30 um, mit der sowohl der Sender 9 als auch der Sensor 4 betrieben werden.
Man erkennt zwischen der äußeren teilzylinderförmigen Mantelfläche 32 der Baueinheit 8 einerseits und der zugewandten, entsprechend geformten Stirnfläche 33 des Gehäuses 24 der Baueinheit 26 andererseits einen konstanten Luftspalt 35, in dem die Übertragungsstrecke der Funksignale 10 bzw. 28 verläuft. Durch diese Gestaltung ist auch bei unerwünschter relativer Verdrehung des Lagers 1 in Bezug das Radsatzlagergehäuse 15 um einen Winkel α gewährleistet, dass es nicht zu Beschädigungen kommt. Besonders vorteilhaft wirkt sich hier aus, dass zwischen den Baueinheiten 8 bzw. 26 keine drahtgebundenen oder leitungsgebundenen Verbindungen bestehen, so dass selbst bei unerwünschtem Verdrehen keine irreparable Schädigung der Verbindung – wie bei kabelgebundenen Anordnungen zu befürchten – entstehen kann.
Mit der erfindungsgemäßen, besonders vorteilhaft für Kartuschenlager bei Bahnanwendungen einsetzbaren Vorrichtung wird ein Teil der Axialdichtung als Temperaturgeber verwendet und der Datenempfänger ist in besonders sicherer und zuverlässiger Weise in dem Radsatzlagergehäuse gegenüber dem Sensor bzw. dem sensorseitigen Sender angeordnet. Die zum Betrieb des Sensors und des Senders erforderliche Betriebsenergie wird vorteilhafterweise völlig drahtlos beispielsweise im HF-Bereich übertragen, so dass Sensor und Sender völlig energieautark sind und dennoch in ihrem Betriebs verhalten – beispielsweise Leistungsvermögen – durch die externe, funkbasierte Energiebeaufschlagung beeinflussbar sind und somit an die jeweiligen Betriebssituationen angepasst werden können. Dabei ist hinsichtlich der Vorrichtung eine völlige mechanische Trennung von Lager und Radsatzlagergehäuse realisiert, was sich insbesondere bei deren Montage und Demontage vorteilhaft auswirkt.

1: Wälzlager
2: feststehendes Teil
3: Dichtungsblech
4: Sensor
5: Bauteilgehäuse
6: Empfangseinheit
8: Baueinheit
9: sensorseitiger Sender
10: Funksignale
12: Datenempfänger
14: Bohrung
15: Radsatzlagergehäuse
20: Bohrung
22: Mantelfläche
24: Gehäuse
25: Sendeeinheit
26: Baueinheit
27: Energiequelle
28: Funksignal
29: Energiespeiseeinrichtung
30: Betriebsenergie
32: Mantelfläche
33: Stirnfläche
35: Luftspalt
α: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 29813731 U1 [0004, 0004]
- DE 20202536 U1 [0005]

Claims

Vorrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten eines Wälzlagers (1), – mit mindestens einem Sensor (4), der an einer Komponente (3) des Wälzlagers (1) angeordnet ist, die in Einbaulage relativ zu einem das Wälzlager (1) aufnehmenden Lagergehäuse (15) ortsfest ist, – wobei ein sensorseitiger Sender (9) aus den Sensorsignalen gewonnene, Betriebsdaten repräsentierende Funksignale (10) an einen lagergehäuseseitig angeordneten Datenempfänger (12) sendet, – und mit einer Energiespeiseeinrichtung, die den Sender (9) mit Sendeenergie versorgt, dadurch gekennzeichnet, – dass die Energiespeiseeinrichtung (29) eine lagergehäuseseitige Sendeeinheit (25) umfasst, die eine senderseitige Empfangseinheit (6) drahtlos mit Betriebsenergie (30) beaufschlagt, die als Sendeenergie für den sensorseitigen Sender (9) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – auch der Sensor (4) von der Betriebsenergie (30) gespeist ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der Sensor (4) auf einem feststehenden stirnseitigen Dichtungsteil (3) einer Axialdichtung des Wälzlagers (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – der Datenempfänger (12) in einer Radialöffnung (14) des Lagergehäuses (15) aufgenommen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Übertragungsstrecke zwischen lagergehäuseseitiger Sendeeinheit (25) und senderseitiger Empfangseinheit (6) zwischen konzentrischen zylindermantelförmigen Oberflächen (32, 33) der beiden Einheiten verläuft.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Sensor (4) und die senderseitige Empfangseinheit (6) eine Baueinheit (8) bilden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die gehäuseseitige Sendeeinheit (25) und der Datenempfänger (12) eine Baueinheit (26) bilden.