DE102008016790A1

DE102008016790A1 - Lageranordnung

Info

Publication number: DE102008016790A1
Application number: DE102008016790A
Authority: DE
Inventors: Carsten Duppe
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2009-10-08

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lageranordnung mit einem ersten und einem zweiten Lagerring (1, 2), die gegeneinander drehbar gelagert sind. Die Aufgabe, eine sinnvolle Überwachung der Lageranordnung mit einfachen Mitteln zu ermöglichen, wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass ein Passring (6, 10) sowie eine Sensoranordnung (9, 12) vorgesehen sind, wobei der Passring unter Zwischenlage der Sensoranordnung auf einen der Lagerringe aufgeschoben ist und wobei die Anordnung von Lagerring, Sensoranordnung und Passring und in axialer und/oder radialer Richtung spielfrei ist. Mittels des Passrings wird somit die Übertragung von Lagerkräften auf die Sensoranordnung garantiert.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Lagertechnik, insbesondere von Drehlagern, beispielsweise von Wälzlagern und befasst sich auf diesem Gebiet mit den Möglichkeiten, Lagererhalten durch Messungen zu erfassen.
Lager zur Unterstützung und Führung von Relativbewegungen verschiedener Körper gegeneinander, sei es in Dreh- oder Schiebebewegungen, sind in vielfältiger Hinsicht bekannt.
Insbesondere bekannt sind Drehlager und Linearlager.
Derartige Lager sind inzwischen auf die vielfältigen und hohen Anforderungen der Technik im Bezug auf die aufzunehmenden Kräfte und die Haltbarkeit sowie die Reibung sehr weit entwickelt worden.
Dennoch können Lager in bestimmten Situationen an ihre Grenzen gelangen oder es können sich einzelne Teile durch Abnutzung verändern, so dass ein optimales Funktionieren des jeweiligen Lagers nicht mehr garantiert werden kann.
Für Fälle der Überlastung oder der langfristigen Abnutzung ist es nützlich, wenn solche Lager zuverlässig und einfach überwacht werden können.
Die einfachste Überwachungsmöglichkeit liegt dabei darin, dass das Bedienpersonal auf etwaige Lagergeräusche achtet. Dies stellt jedoch nur eine subjektive und mäßig zuverlässige Überwachungsmöglichkeit dar.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, möglichst einfache, kostengünstige und zuverlässige Überwachungsmöglichkeiten für Lager zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dabei geht die Erfindung von einer Lageranordnung mit zwei gegeneinander verdrehbaren Lagerringen aus, wobei auf wenigstens einen der Lagerringe unter Zwischenlage einer Sensoranordnung ein Passring derart aufgeschoben ist, dass wenigstens in einer Richtung der Lagerring, die Sensoranordnung und der Passring spielfrei aneinander liegen.
In dieser Richtung werden Kräfte, die von dem Lagerring auf den Passring übertragen werden, durch die Sensoranordnung vollständig aufgenommen.
Die Sensoranordnung unterliegt damit denselben Kräften, Dehnungen und Stauchungen wie der entsprechende Lagerring und kann aus einem Material bestehen, das diese Verformungen in elektrische Größen umwandelt, die werter verarbeitet werden können. Dabei ist eine Anordnung der Sensoran ordnung sowohl stirnseitig an dem jeweiligen Lagerring als auch radial außen oder innen denkbar, je nach dem, in welcher Richtung entsprechende Kräfte auf den Lagerring erfasst werden sollen. Denkbar ist beispielsweise eine Anordnung radial außen an einem äußeren Lagerring, radial innen an einem inneren Lagerring, oder stirnseitig am inneren oder äußeren Lagerring. Bevorzugt ist jeweils eine Befestigung der Sensoranordnung an einem unbewegten Teil des Lagers, beispielsweise an einem stehenden Lagerring.
Dazu ist bei einem Radiallager jeweils der Passring außen auf den äußeren Lagerring oder innen auf den inneren Lagerring spielfrei aufschiebbar. In dem Fall, dass die entsprechende Sensoranordnung stirnseitig an dem jeweiligen Ring angeordnet werden soll, wird der Passring im Querschnitt L-förmig ausgebildet und wenigstens soweit auf den zugeordneten Lagerring aufgeschoben, dass der parallel zur Stirnseite verlaufende Schenkel des Passrings unter Zwischenlage der Sensoranordnung spielfrei an der Stirnseite des Lagerrings anliegt. Eine entsprechende Sensoranordnung kann zur Überwachung eines Axiallagers ebenfalls mittels eines entsprechenden Passrings verwendet werden, indem dieser zur Vermessung des Axialdrucks L-förmig ausgebildet und auf einen der Lagerringe aufgeschoben ist – radial mit oder ohne Spiel – und dabei spielfrei an einer Stirnseite des Lagers unter Zwischenlage der Sensoranordnung anliegt.
Entsprechende Radialkräfte können auch bei einem Axiallager, ähnlich wie bei einem Radiallager vermessen werden, dadurch dass die Sensoranordnung radial außen oder innen am äußeren beziehungsweise inneren Lagerring anliegt und durch einen Passring angedrückt wird.
Besonders vorteilhaft ist die Erfindung auf Wälzlager anzuwenden, bei denen Innen- und Außenring unter Zwischenlage von Wälzkörpern, beispielsweise Kugeln oder Walzen, gelagert sind.
Vorteilhaft weist die Sensoranordnung die Form eines Rings oder Ringabschnitts auf.
Dabei kann die Sensoranordnung, wenn sie axiale Kräfte aufnehmen soll, als schmale Ringscheibe ausgebildet sein. Die Ringscheibe oder das Ringscheibensegment kann dann besonders einfach zwischen dem Passring und der Axialseite des jeweiligen Lagerrings angeordnet werden. Besonders praktisch ist die Befestigung der Sensoranordnung, wenn sie mit einem entsprechenden Träger in jedem Fall zu einem im Wesentlichen vollständigen Ring ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass die Sensoranordnung beispielsweise als Piezosensor auf eine Folie oder einen ähnlichen Träger aufgebracht ist.
Ein entsprechender Piezosensor kann auch durch ein bekanntes chemisches oder physikalisches Abscheideverfahren auf den Passring oder auf einen der Lagerringe abgeschieden werden. Dazu sind dann entsprechende Abgriffelektroden zusätzlich anzubringen.
Bei einem derartigen Sensor können verschiedene Sensorabschnitte einzeln Signale abgeben und mit entsprechenden Abgriffelektroden versehen sein, so dass lokal auftretende Kräfte vermessen werden können.
Es kann jedoch auch ein integrales Signal abgenommen werden, das das Verhalten der Sensoranordnung als ganzer repräsentiert und damit ein integrales Signal liefert.
Dabei kann beispielsweise bei einer vollständig ringförmigen Anordnung ein Elektrodenpaar vorgesehen sein, das entlang des Piezorings, der zwischen den Elektroden allerdings unterbrochen sein muss, die auftretende Piezospannung vermisst.
Das entsprechend auftretende Signal wird elektronisch durch eine Verarbeitungseinrichtung aufgenommen und im Betrieb analysiert. Dabei ergeben sich üblicherweise Signalverläufe, die von der Belastung des Lagers sowie dem Verschleißzustand der Wälzkörper und Lagerringe abhängen. Zudem hängt das zeitliche Verhalten des Signals von der Drehzahl ab. Durch entsprechende elektronische Filterung wie beispielsweise Fourrieranalyse können die Signale aufbereitet und mit Referenzsignalen verglichen werden.
Bei diesem Vergleich ergibt sich gegebenenfalls eine Veränderung, die auf einen Verschleiß oder eine Überlastung des Lagers hinweisen kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend beschrieben.
Dabei zeigt
1 ein Radiallager schematisch im Querschnitt mit einer Sensoranordnung;
2 ein Axiallager schematisch im Querschnitt mit einer Sensoranordnung;
3 eine Anordnung zur Signalerfassung und -verarbeitung;
4 einen typischen Signalverlauf an einem Lager;
5 eine ringförmige Sensoranordnung in dreidimensionaler Darstellung.
Die 1 zeigt eine Lageranordnung mit einem ersten äußeren Lagerring 1, einem zweiten inneren Lagerring 2 sowie zwischen diesen auf Laufflächen laufende Wälzlagerkugeln 3, die in einem Käfig 4 geführt sind.
Die Mittelachse der Lageranordnung ist strichpunktiert dargestellt und mit 5 bezeichnet.
Radial außen auf den äußeren Lagerring 1 ist ein im Querschnitt L-förmiger Passring 6 aufgeschoben, der auf der Stirnseite 7 des ersten Lagerrings 1 mit oder ohne Spiel aufliegt, jedoch an der radial außen liegenden Umgangsfläche 8 des ersten Lagerrings 1 spielfrei unter Zwischenlage der Sensoranordnung 9 anliegt. Die Sensoranordnung 9 weist einen Ring auf, der schematisch in drei Dimensionen in der 5 dargestellt ist.
Da sich auftretende Radialbelastungen der Lageranordnung spielfrei über den äußeren Lagerring 1 auf die Sensoranordnung 9 übertragen, kann durch diese Sensoranordnung der entsprechende Kraftverlauf aufgenommen werden, wobei der Passring 6 die entsprechende Gegenkraft aufbringt. Die Sensoranordnung 9 kann beispielsweise einen Piezoring aufweisen, in dem Kraftverläufe in elektrische Spannungsverläufe umgesetzt werden.
An der Lageranordnung ist im Bereich des inneren, zweiten Lagerrings 2 ein weiterer Passring 10 dargestellt, der innen auf den zweiten Lagerring aufgeschoben ist und an dessen Stirnseite 11 unter Zwischenlage einer Sensoranordnung 12 spielfrei anliegt. In Axialrichtung 13 auf den inneren Lagerring wirkende Kräfte können somit durch die Sensoranordnung 12 erfasst werden. Der entsprechende Sensorring 12 kann beispielsweise als Piezoring umlaufend und gegebenenfalls in einzelne Kreisringsektoren aufgeteilt sein. Bei einer Aufteilung in Kreisringsektoren lassen sich lokale Kraftverläufe aufzeichnen. Wird die Sensoranordnung als Vollring betrieben, so ergibt sich eine integrale Signalaufnahme über die Summe der Axialkräfte, die auf den zweiten Lagerring 2 wirken.
In der 2 ist eine Axiallageranordnung mit einem ersten Lagerring 14 und einem zweiten Lagerring 15 sowie Wälzkörpern 16 und einem Käfig 17 dargestellt. Die Rotationsachse der Lageranordnung ist mit 18 bezeichnet. Es ist ein Passring 19 vorgesehen, der die auf den ersten Lagerring 14 wirkenden Radialkräfte mittels einer Sensoranordnung 20 erfasst. Die Sensor anordnung 20 ist als Ring zwischen der äußeren Umfangsfläche des ersten Lagerrings 14 und der inneren Umfangsfläche des Schenkels 21 des Passrings 19 spielfrei angeordnet.
Die Hauptbelastungsrichtung des Axiallagers wird die Axialrichtung 22 sein, in der mittels einer Sensoranordnung 23 Kräfte erfasst werden können.
Diese Sensoranordnung 23 ist spielfrei in axialer Richtung zwischen dem Passring 24 und dem zweiten Lagerring 15 angeordnet, wobei der Passring 24 L-förmig ausgebildet und mittels des im wesentlichen axial verlaufenden Schenkels 25 an dem zweiten Lagerring 15 mit Spiel zentriert ist. Es könnte jedoch auch eine spielfreie Passverbindung in diesem Bereiche vorgesehen sein, um den Passring 24 zu halten.
Auch in diesem Fall können die Sensoranordnungen 20, 23 als voll ausgebildete Ringe oder aus Ringsegmenten bestehend mit segmentweisem Signalabgriff ausgebildet sein.
In der 3 ist schematisch eine Sensoranordnung 12 für die Aufnahme einer Axialkraft dargestellt, wobei beispielhaft ein fast vollständig umlaufendes Piezo-Ringsegment 26 sowie kleinere Ringsegmente 27, 28 gezeigt sind. Das Ringsegment 26, das mit Endelektroden 29, 30 versehen ist, erlaubt eine integrale Kraftmessung über etwa 270° des Rings, während die übrigen Segmente 27, 28 jeweils lokale Axialkräfte erfassen.
Die entsprechenden Elektroden 29, 30 sind über Leitungen mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 31 verbunden, die die ankommenden Spannungssignale verarbeitet und beispielsweise mit Referenzsignalen beziehungsweise -Signalverläufen vergleicht.
Die 4 zeigt beispielhaft Signalverläufe, wobei die obere Kurve 32 eine integrale Messung der Axialkraft sein kann, während die untere Kurve 33 beispielsweise einem kleinen Ringsegment zugeordnet sein kann, in dem lokale Kräfte gemessen werden.
Die über den Ringumfang integrierte Axialkraft bleibt, wie in der Kurve 32 dargestellt, weitgehend konstant, weist jedoch Spannungsspitzen auf, wenn Unregelmäßigkeiten in der Lagerbewegung, beispielsweise durch Schäden an den Laufflächen oder an den Wälzkörpern auftreten.
Die untere Kurve 33 zeigt einen periodischen Kraftverlauf, der beispielsweise durch Passieren von Wälzkörpern im Bereich eines Kreisringsektors auftritt und der regelmäßige Spannungsspitzen aufweist. Beim Auftreten von Unregelmäßigkeiten in dieser Periodizität kann auf Schädigungen des Lagers, insbesondere einer Lauffläche, geschlossen werden.
Die erfassten Signalverläufe können entweder mit Referenzsignalen verglichen werden, die in einem Speicher der Signalverarbeitungseinrichtung 31 hinterlegt sind, oder durch bestimmte Algorithmen gefiltert werden, die eine Schadensidentifizierung erlauben.
Es können auch Signale von verschiedenen, am Umfang der Sensoranordnung verteilten Sensoren, miteinander verglichen werden, wobei bei dem Vergleich der zeitliche Versatz in Umfangsrichtung berücksichtigt werden kann. Es können dann über Korrelationsrechnungen Unregelmäßigkeiten an verschiedenen Kreisringsegmenten miteinander verglichen und hieraus Schadensanalysen durchgeführt werden.
Die Analyse eines Lagers in Radial- und/oder Axialrichtung kann entsprechend zu einer dauernden Überwachung und Zustandsanzeige des Lagers oder zur Prognose der noch zu erwartenden Lebensdauer beziehungsweise zur Anzeige der Notwendigkeit einer Wartung verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Lageranordnung mit einer entsprechenden Sensoranordnung erlaubt den Betrieb mit erhöhter Sicherheit und gegebenenfalls genau an die Belastungssituation anpassbarer Wartung. Hierdurch lassen sich auch Kostensenkungen beim Betrieb der Lageranordnung realisieren.

1: äußerer Lagerring
2: innerer Lagerring
3: Wälzlagerkugeln
4, 17: Käfig
5: Mittelachse
6, 10, 19, 24: Passring
7, 11: Stirnseite des Lagerrings
8: Umgangsfläche des Lagerrings
9, 12, 20, 23: Sensoranordnung
13, 22: Axialrichtung
14: erster Lagerring
15: zweiter Lagerring
16: Wälzkörper
18: Rotationsachse der Lageranordnung
21, 25: Schenkel des Passrings
26, 27, 28: Ringsegmente
29, 30: Endelektroden
31: Signalverarbeitungseinrichtung
32, 33: Kurve

Claims

Lageranordnung mit einem ersten und einem zweiten Lagerring (1, 2, 14, 15), die gegeneinander drehbar gelagert sind, gekennzeichnet durch einen Passring (6, 10, 19, 24) sowie eine Sensoranordnung (9, 12, 20, 23), wobei der Passring unter Zwischenlage der Sensoranordnung auf einen der Lagerringe aufgeschoben ist und wobei die Anordnung von Lagerring, Sensoranordnung und Passring und in axialer und/oder radialer Richtung spielfrei ist.
Lageranordnung nach Anspruch 1, mit einem Radiallager dadurch gekennzeichnet, dass ein Passring (6, 10) außen auf den außeren Lagerring (1) und/oder innen auf den inneren Lagerring (2) aufgeschoben ist.
Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoranordnung (9) am äußeren Umfang des äußeren Lagerrings (1) oder am inneren Umfang des inneren Lagerrings (2) angeordnet ist.
Lageranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Passring (10, 24) im Querschnitt eine L-Form aufweist, wobei ein Schenkel (25) des L sich an eine Umfangsfläche eines Lagerrings mit und ohne Spiel anlegt und der andere Schenkel sich axial unter Zwischenlage einer Sensoranordnung (12, 23) spielfrei an eine Stirnseite desselben Lagerrings anlegt.
Lageranordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung die Form eines Rings (12) oder Ringabschnitts (26, 27, 28) aufweist.
Lageranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung einzelne Sensorabschnitte (27, 28) aufweist, die eine Messung der auf die Lageranordnung lokal wirkenden Druckkraft erlauben.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung einen integral die Kraftwirkung entlang ihrer Länge summierenden Sensor aufweist.
Lageranordnung nach Anspruch 1, mit einem Axiallager, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Querschnitt L-förmiger Passring (24, 25) in Axialrichtung unter Zwischenlage einer Sensoranordnung (23) spielfrei an eine Stirnseite eines Lagerrings anliegt, während ein Schenkel des Passrings an einer Umfangsfläche eines Lagerrings mit oder ohne Spiel anliegt.
Lageranordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch Wälzkörper (3) zwischen den Lagerringen.
Lageranordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoranordnung wenigstens ein Piezoelement aufweist.
Lageranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung wenigstens ein durch Abscheidung auf dem Passring angeordnetes Piezoelement aufweist.
Lageranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung wenigstens ein auf einer flexiblen Folie befestigtes Piezoelement aufweist.