DE102009021469A1

DE102009021469A1 - Sensorlagereinheit

Info

Publication number: DE102009021469A1
Application number: DE102009021469A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Gebhardt; Stefan GLÜCK; Peter Martin
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2010-11-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorlagereinheit, umfassend ein Wälzlager mit einem an einem Lagerring angeordneten Sensorgehäuse mit einer integrierten Sensoreinrichtung zum Erfassen von Lager-Betriebszuständen. Erfindungsgemäß ist das Wälzlager als Kugelrollenlager (4) ausgebildet. Das Sensorgehäuse ist als an einer freien Umfangsfläche (14) und/oder einer Stirnfläche (16) eines Lagerringes (18) anliegender Adapterring (12) ausgebildet, wobei dieser Adapterring (12) so bemessen ist, dass die radialen Abmessungen (R) und/oder die axialen Abmessungen (B) der gesamten Sensorlagereinheit höchstens gleich denjenigen eines Kugellagers (2) mit im Wesentlichen gleicher Tragleistung sind. Auf diese Weise können ein Kugellager (2) und ein Kugelrollenlager (4) mit integrierter Sensoreinrichtung bei gleichem Einbauraum ohne Weiteres gegeneinander ausgetauscht werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorlagereinheit, umfassend ein Wälzlager mit einem an einem Lagerring angeordneten Sensorgehäuse mit einer integrierten Sensoreinrichtung zum Erfassen von Lager-Betriebszuständen.
Hintergrund der Erfindung
Derartige Sensorlagereinheiten zum Erfassen unterschiedlicher Lager-Betriebszustände sind in den unterschiedlichsten Bauformen allgemein bekannt. Erfasst werden beispielsweise die Lagerdrehzahl und die Lagerdrehrichtung, Lagerbelastungen und die Lagertemperatur.
Das Sensorgehäuse ist im allgemeinen an einem jeweils feststehenden Lagerring angeordnet und über ein Kabel mit einer externen Auswerteeinrichtung oder dergleichen verbunden. Sofern die Sensoreinrichtung an einem drehbaren Lagerring angeordnet ist, werden deren Messsignale direkt, oder durch einen am Lagerring angeordneten Mikrocomputer aufbereitet, über eine Sendevorrichtung aus dem drehenden System an eine am ortsfesten System angeordnete Auswerteeinrichtung oder dergleichen gesendet.
Aus der DE 44 28 092 A1 ist ein als Kugellager ausgebildetes Wälzlager mit Sensor zur Erfassung von Betriebszuständen bekannt, bei welchem das Sensorgehäuse an einer Stirnseite des äußeren, ortsfesten Lagerringes angeordnet ist und damit die axiale Bauabmessung dieses Lagers um die Breite des Sensorgehäuses vergrößert, so dass der erforderliche Einbauraum schon bei der Konstruktion berücksichtigt werden muss. Ein einfacher Austausch eines zunächst eingebauten Kugellagers gegen ein Sensorlager oder umgekehrt ist damit nicht möglich.
Aus der DE 10 2004 054 201 A1 ist ein Wälzlager mit in den Lagerringstirnseiten integrierten Sensoren bekannt. In diesen Stirnseiten sind Vertiefungen zur Aufnahme von Sensoren ausgebildet. Um Raum für diese Vertiefungen zu schaffen, muss der jeweilige Lagerring entsprechend breiter ausgeführt werden, so dass auch diese Wälzlager gegenüber einem Wälzlager ohne Sensoreinrichtung mit vergleichbarer Tragleistung eine größere axiale Breite aufweisen, die bei der Konstruktion schon zu berücksichtigen ist.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensorlagereinheit der im Oberbergriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, die ohne weiteres den Austausch eines normalen Kugellagers gegen ein Sensorlager etwa gleicher Tragleistung oder umgekehrt erlaubt.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Kugelrollenlager gegenüber Kugellagern etwa gleicher Tragleistung geringere Bauabmessungen haben, so dass beim Ersatz eines Kugellagers durch ein maßlich kleineres Kugelrollenlager Raum für die Unterbringung einer Sensoreinrichtung gewonnen wird, ohne dass ein größerer Einbauraum vorgesehen werden müsste. Ein Vergleich zeigt, dass beispielsweise ein Standard-Kugellager mit einer Tragzahl Co = 16300 N einen Außendurchmesser von 72 mm und eine axiale Breite von 19 mm hat, während ein entsprechendes Kugelrollenlager mit einer etwa gleichen Tragzahl Co = 16400 N einen Außendurchmesser von 62 mm und eine axiale Breite von 13,3 mm hat. Bei gleichen Einbauverhältnissen gewinnt man bei dem Kugelrollenlager demnach 10 mm im Außendurchmesser und 5,7 mm in der axialen Breite, und damit Raum für einen entsprechend dimensionierten Adapterring. Beide Lager sind gegeneinander austauschbar.
Die Erfindung geht daher aus von einer Sensorlagereinheit, umfassend ein Wälzlager mit einem an einem Lagerring angeordneten Sensorgehäuse mit einer integrierten Sensoreinrichtung zum Erfassen von Lager-Betriebszuständen. Dabei ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass das Wälzlager ein Kugelrollenlager ist, dass das Sensorgehäuse als an einer freien Umfangsfläche und/oder an einer Stirnfläche des Lagerringes anliegender Adapterring ausgebildet ist, und dass der Adapterring so bemessen ist, dass die radialen und/oder axialen Abmessungen der Sensorlagereinheit höchstens gleich demjenigen eines Kugellagers mit im wesentlichen gleicher Tragleistung sind.
Eine derartige Sensorlagereinheit kann demnach als Lager mit Standardabmessungen ausgelegt werden, welches wahlweise an die Stelle eines Kugellagers gleicher Tragleistung genutzt werden kann und dabei zusätzlich die Fähigkeit hat, Lager-Betriebszustände zu erfassen, so dass gesonderte Messeinrichtungen, die im allgemeinen zusätzlichen Einbauraum erfordern und höhere Kosten verursachen, vermeidbar sind. Sensorlager mit Kraftmesssensoren erlauben die Erfassung von auf das Lager wirkenden Belastungen und können beispielsweise zur Beladungserkennung in Waschmaschinentrommeln, bei Dosierbandwagen oder bei Kranlaufkatzen eingesetzt werden. Sie können außerdem überall dort Verwendung finden, wo Schwingungen und Unwuchten erkannt werden sollen. Sensorlager mit Temperaturmesssensoren erlauben die Erfassung der in vielen Einsatzbereichen wichtigen Lagertemperatur.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in wenigstens einer der an einer Umfangsfläche und/oder einer Stirnfläche des Lagerringes anliegenden Kontaktflächen des Adapterringes Sensorelemente einer Sensor einrichtung angeordnet sind. Auf den Lagerring wirkende Kräfte oder vom Lagerring ausgehende Temperaturen können so unmittelbar auf die entsprechenden Sensoren übertragen werden. Bei einer Sensorlagereinheit mit einer Sensoreinrichtung zum Erfassen von Lagerbelastungen stützt sich dabei die der jeweiligen Kontaktfläche abgewandte Außenfläche des Adapterringes vorzugsweise an einer zugeordneten Gegenfläche einer Lageraufnahme ab.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Adapterring einem radial äußeren Lagerring zugeordnet. Der äußere Lagerring ist im allgemeinen und insbesondere bei Wellenlagerungen der jeweils feststehende Lagerring, so dass die Signale der Sensoreinrichtung aus dem festen Lagerring über Kabel, d. h. ohne Schleifkontakte oder aber auch mit einer Funkverbindung, einer zugeordneten Auswerteeinrichtung zugeleitet werden können.
Gemäß einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung hat der Adapterring einen L-förmigen Querschnitt, dessen einer Schenkel an der äußeren Umfangsfläche und der andere Schenkel an einer Stirnfläche des zugeordneten Lagerringes anliegt. Da ein Kugelrollenlager gegenüber einem Kugellager gleicher Tragleistung sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung geringere Abmessungen hat, entsteht sowohl in radialer als auch in axialer Richtung Raum für jeweils einen Schenkel des L-förmigen Adapterringes, so dass an einem derartigen Adapterring beispielsweise sowohl Sensoren für eine Radialkraftmessung als auch für eine Axialkraftmessung angebracht werden können.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist bei einer Sensorlagereinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 mit einem als Kugelrollenlager ausgebildeten Wälzlager vorgesehen, dass das Sensorgehäuse mit dem Lagerring zu einem integrierten Sensor-Lagerring zusammengefasst ist, welcher so bemessen ist, dass die radialen und/oder axialen Abmessungen der Sensorlagereinheit höchsten gleich demjenigen eines Kugellagers mit im wesentlichen gleicher Tragleistung sind. Der Sensor-Lagerring erfüllt gleichzeitig die Funktion des Lagerringes mit der Laufspur für die Wälzkörper als auch des Adapterringes mit der integrierten Sensoreinrichtung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 in einem Querschnitt ein Kugellager sowie ein Kugelrollenlager etwa gleicher Tragleistung mit einem L-förmigen Adapterring,
2 in einem Querschnitt ein Kugelrollenlager etwa gemäß der 1 mit am Adapterring angeordneten Sensorelementen,
3 ein Kugelrollenlager gemäß der 2 in einer Ansicht von vorne,
4 ein Kugelrollenlager gemäß der 2 mit einer anderen Ausführungsform einer Sensoreinrichtung,
5 ein Kugelrollenlager gemäß der 4 in einer Ansicht von vorne, und
6 einen Teil-Querschnitt eines Kugelrollenlagers mit einem integrierten Sensor-Lagerring.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist links ein Standard-Kugellager 2 und rechts ein Standard-Kugelrollenlager 4 etwa gleicher Tragleistung dargestellt. Das Kugellager 2 hat einen konventionellen Aufbau mit einem inneren Lagerring 6, einem äußeren Lagerring 8 und einer Reihe zwischen diesen angeordneter Kugeln 10. Der Außenradius des Kugellagers 2 ist mit R, der Innenradius mit r und die axiale Breite mit B bezeichnet. Das Kugelrollenlager 4 besitzt im Vergleich dazu einen inneren Lagerring 15, einen äußeren Lagerring 18 und eine Reihe dazwischen angeordneter Kugelrollen 17.
Wie die 1 weiter erkennen lässt, ist bei gleichem Innenradius r der Außenradius des Kugelrollenlagers 4 um einen Betrag ΔR kleiner als der Außenradius R und die axiale Breite um den Betrag ΔB kleiner als die axiale Breite B des Kugellagers 2. Den so gewonnenen Raum nimmt ein Adapterring 12 mit einen L-förmigen Querschnitt ein, dessen einer Schenkel 12' an der Außenumfangsfläche 14 und dessen anderer Schenkel 12'' an einer Stirnfläche 16 des Kugelrollenlagers 4 bzw. dessen äußerem Lagerring 18 anliegt. Wie ein Vergleich des Kugellagers 2 mit der aus dem Kugelrollenlager 4 und dem Adapterring 12 gebildeten Sensorlagereinheit zeigt, hat die aus dem Kugelrollenlager 4 und dem zugeordneten Adapterring 12 gebildete Sensorlagereinheit die gleichen radialen und axialen Abmessungen R bzw. B wie das Kugellager 2.
2 zeigt im Wesentlichen eine dem Kugelrollenlager 4 der 1 entsprechende, als Ganzes mit 20 bezeichnete Sensorlagereinheit. Im oberen Teil der 2 ist dem Adapterring 22 ein zur Erfassung einer auf das Lager wirkenden Axialkraft F_a dienendes Sensorelement 24 zugeordnet, welches an der Innenseite des an einer Stirnfläche 27 des äußeren Lagerringes 26 anliegenden Schenkels 22'' angeordnet ist, während in der unteren Hälfte der 2 ein zur Erfassung einer auf das Lager wirkenden radialen Kraft F_r dienendes Sensorelement 28 dargestellt ist, welches an der Innenseite des am Außenumfang 25 des äußeren Lagerringes 26 anliegenden Schenkels 22' angeordnet ist.
Der äußere Lagerring 26 und der diesem zugeordnete Adapterring 22 sind mit der jeweiligen Maschinenstruktur fest verbunden, so dass die Signale der Sensorelemente 24 bzw. 26 jeweils über Kabel 30 bzw. 32 zugeordneten Auswerteeinrichtungen 34 bzw. 36 zugeleitet werden können. Die Innenseite der Schenkel 22' bzw. 22'' bilden die Kontaktflächen zum Lagerring 26. Die von den Kontaktflächen abgewandten Außenflächen 23 sind vorzugsweise jeweils an zugeordneten, nicht dargestellten Gegenflächen einer Lageraufnahme abgestützt.
3 zeigt die Sensorlagereinheit 22 in einer Ansicht von vorn. Man erkennt, dass im unteren Bereich der Sensorlagereinheit 20 drei mit einem Winkelabstand zueinander angeordnete Sensorelemente 28 vorgesehen sind, die alle mit der nicht dargestellten Auswerteeinheit 36 verbunden sind, so dass auch von der senkrechten Richtung abweichende Komponenten der radialen Kraft F_r erfasst werden können.
Zur Messung der axialen Kraft F_a sind beispielsweise zwei einander diametral gegenüberliegende Sensorelemente 24 vorgesehen.
Die 4 und 5 zeigen eine Sensorlagereinheit 38 etwa entsprechend der in 2 dargestellten Sensorlagereinheit 20, die sich von dieser jedoch insbesondere in der Art der verwendeten Sensoreinrichtung unterscheidet. Es handelt sich um eine Sensorlagereinheit zum Erfassen von radialen Kräften F_r. In dem am Außenumfang 40 des äußeren Lagerringes 42 anliegenden Schenkel 44' des Adapterringes 44 ist ein diesen Schenkel durchsetzender, sich über einen Umfang-Winkelbereich α erstreckender Schlitz 46 ausgebildet, welcher unter der Wirkung der radialen Kraft F_r verengt wird. An einem axialen Ende des Schlitzes 46 ist ein Lichtsender 48 angeordnet, welcher sein Licht durch den Schlitz 46 zu einem am anderen axialen Ende des Schlitzes angeordneten Lichtempfänger 50 schickt, wobei ein der jeweils empfangenen Lichtmenge entsprechendes Signal über eine Signalverbindung 52 eine Auswerteeinheit 54 zugeleitet wird. Die Verengung des Schlitzes 46 und die davon abhängige empfangene Lichtmenge sind ein Maß für die radiale Kraft F_r.
6 zeigt in einem Teil-Querschnitt eine besondere Ausgestaltung einer Sensorlagereinheit, bei der der äußere Lagerring und ein Sensorgehäuse zu einem integrierten Sensor-Lagerring 56 zusammengefasst sind, welcher sowohl die Laufbahn 58 für die Kugelrollen 60 als auch eine nicht im einzelnen dargestellte Sensoreinrichtung in sich vereinigt.

2: Kugellager
4: Kugelrollenlager
6: Innerer Lagerring
8: Äußerer Lagerring
10: Kugeln
12: Adapterring
12': Schenkel
12'': Schenkel
14: Außenumfangsfläche
15: Innerer Lagerring
16: Stirnfläche
17: Kugelrollen
18: Äußerer Lagerring
20: Sensorlagereinheit
22: Adapterring
22': Schenkel
22'': Schenkel
23: Außenflächen
24: Sensorelement
25: Umfangfläche
26: Äußerer Lagerring
27: Stirnfläche
28: Sensorelement
30: Kabel
32: Kabel
34: Auswerteeinheit
36: Auswerteeinheit
38: Sensorlagereinheit
40: Außenumfang
42: Äußerer Lagerring
44: Adapterring
44': Schenkel
46: Schlitz
48: Lichtsender
50: Lichtempfänger
52: Signalverbindung
54: Auswerteeinheit
56: Sensor-Lagerring
58: Laufbahn
60: Kugelrollen
α: Winkelbereich
B: Breite
R: Außenradius
r: Innenradius
F_a: Axialkraft
F_r: Radialkraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4428092 A1 [0004]
- DE 102004054201 A1 [0005]

Claims

Sensorlagereinheit, umfassend ein Wälzlager mit einem an einem Lagerring angeordneten Sensorgehäuse mit einer integrierten Sensoreinrichtung zum Erfassen von Lager-Betriebszuständen, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager ein Kugelrollenlager (4) ist, dass das Sensorgehäuse als an einer freien Umfangsfläche (14) und/oder an einer Stirnfläche (16) des Lagerringes (18) anliegender Adapterring (12) ausgebildet ist, und dass der Adapterring (12) so bemessen ist, dass die radialen und/oder axialen Abmessungen (R; B) der Sensorlagereinheit höchstens gleich denjenigen eines Kugellagers (2) mit im wesentlichen gleicher Tragleistung sind.
Sensorlagereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer der an einer Umfangsfläche (25) und/oder einer Stirnfläche (27) des Lagerringes (26) anliegenden Kontaktflächen des Adapterringes (22) Sensorelemente (28, 24) einer Sensoreinrichtung angeordnet sind.
Sensorlagereinheit nach Anspruch 2, mit einer Sensoreinrichtung zum Erfassen von Lagerbelastungen, dadurch gekennzeichnet, dass die von den jeweiligen Kontaktflächen abgewandten Außenflächen (23) des Adapterringes (22) sich an einer zugeordneten Gegenfläche einer Lageraufnahme abstützen.
Sensorlagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapterring (12) einem radial äußeren Lagerring (18) zugeordnet ist.
Sensorlagereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapterring (12) einen L-förmigen Querschnitt hat, von welchem ein Schenkel (12') an der äußeren Umfangsfläche (14) und der andere Schenkel (12'') an einer Stirnfläche (16) des Lagerringes (18) anliegt.
Sensorlagereinheit nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager ein Kugelrollenlager ist, und dass das Sensorgehäuse mit dem zugeordneten Lagerring zu einem integrierten Sensor-Lagerring (56) zusammengefasst ist, welcher so bemessen ist, dass die radialen und/oder axialen Abmessungen (R; B) höchstens gleich denjenigen eines Kugellagers mit im wesentlichen gleicher Tragleistung sind.