DE102010023011A1

DE102010023011A1 - Käfig für ein Lager

Info

Publication number: DE102010023011A1
Application number: DE102010023011A
Authority: DE
Inventors: Martin Kram; Gerhard Röhner
Original assignee: Carl Freudenberg KG; Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2011-12-08

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Käfig zur Führung von Wälzkörpern (4) eines Lagers (1), insbesondere eines rotativen oder linearen Wälzlagers, umfassend ein Korpus des Käfigs. Die Aufgabe, eine günstige Anordnung eines Sensors, der elektromagnetische Strahlung aussendet und empfängt und ein Spektrum der empfangenen elektromagnetischen Strahlung ermittelt, innerhalb eines Lagers, insbesondere innerhalb eines rotativen oder linearen Wälzlagers, anzugeben, wird erfindungsgemäß gelöst durch einen an dem Korpus des Käfigs angeordneten Sensor (6), der elektromagnetische Strahlung aussendet und empfängt und ein Spektrum der empfangenen elektromagnetischen Strahlung ermittelt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Käfig nach Anspruch 1 zur Führung von Wälzkörpern eines Lagers, insbesondere eines rotativen oder linearen Wälzlagers, sowie ein Lager nach Anspruch 7.
Aus der Praxis ist bekannt, dass die Qualität des Schmiermittels die Betriebsbedingungen sowie die Lebensdauer eines geschmierten Lagers, insbesondere eines geschmierten rotativen oder linearen Wälzlagers, entscheidend beeinflussen kann. Es besteht daher ein Bedarf, die Qualität des Schmiermittels, insbesondere dessen chemische Zusammensetzung in ihrer zeitlichen und räumlichen Änderung, in einem Lagerinneren, zwischen den beiden Lagerringen des Lagers, zu erfassen und auszuwerten.
WO 2009/030202 A1 beschreibt einen Sensor, der ein Schmiermittel eines Lagers chemisch analysiert, indem ein Infrarot-Spektrum aufgenommen und ausgewertet ist. Der Sensor umfasst einen Sender für infrarote Strahlung sowie mindestens einen Empfänger für von dem Schmiermittel ausgesandte bzw. reflektierte infrarote Strahlung, so dass das Infrarot-Spektrum insbesondere im Bereich der C-H-Banden bzw. der C-O-Banden eine Aussage über die Qualität des Schmiermittels ermöglicht. Der Sender bzw. der oder die Empfänger sind so angeordnet, dass der von dem Sender ausgeleuchtete Bereich, dessen reflektierte oder emittierte Strahlung von dem mindestens einen Empfänger erfasst wird, also die Messstelle des Sensors, nahe der Laufbahn eines der beiden Lagerringe angeordnet ist. Hierzu sind der Sender sowie der mindestens eine Empfänger an dem Lagerring, insbesondere in einer in dem Korpus des Lagerrings vorgesehenen Bohrung, angeordnet. Hierbei ist nachteilig, dass die Bohrung das Material des Lagerrings abschnittsweise schwächt. Ungünstig ist weiter, dass eine Nachrüstung eines in Montagestellung befindlichen Lagers mit dem Sensor kaum möglich ist. Ungünstig ist ferner, die Messstelle unbeabsichtigt so gewählt sein kann, dass das an der Messstelle befindliche, von dem Sensor erfasste und analysierte Schmiermittel untypisch für das gesamte in dem Lager befindliche Schmiermittel ist, so dass die von dem ausgemessenen Schmiermittel abgeleiteten Aussagen über die Qualität des gesamten in dem Lager befindlichen Schmiermittels nicht zutreffend sein können. Insbesondere befindet sich zu den Seiten der Laufbahn nur wenig Schmiermittel, da das Schmiermittel durch die in der Laufbahn laufenden Wälzkörper sowie durch einen Wälzkörperkäfig von der Laufbahn tendenziell weg gefördert werden.
DE 10 2009 037 424.8 , angemeldet am 13. August 2009, beschreibt ein Lager mit einem Schmiermittelsensor, der einen Infrarotstrahlung abgebenden Sender und mindestens einen auf die Infrarotstrahlung ansprechenden Empfänger umfasst, wobei der Infrarotsensor innerhalb des Lagergehäuses angeordnet ist, beispielsweise in einer Ölwanne an einem Boden der Lageranordnung bzw. in oder an einer Schmiermittelaustrittsbohrung.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine günstige Anordnung eines Sensors, der elektromagnetische Strahlung aussendet und empfängt und ein Spektrum der empfangenen elektromagnetischen Strahlung ermittelt, innerhalb eines Lagers, insbesondere innerhalb eines rotativen oder linearen Wälzlagers, anzugeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für das genannte Lager, insbesondere für das rotative oder lineare Wälzlager, gelöst durch einen Käfig nach Anspruch 1 zur Führung von Wälzkörpern eines Lagers, wobei der Sensor an dem Korpus des Käfigs angeordnet ist.
Die Erfindung wird dabei im folgenden unter Bezugnahme auf einen Sensor erläutert, der einen Sender für elektromagnetische Strahlung, insbesondere für Infrarot-Strahlung, sowie mindestens einen Empfänger für elektromagnetische Strahlung, insbesondere für Infrarot-Strahlung, umfasst, wobei die von dem Empfänger erfasste Strahlung von einer Messstelle in dem Inneren des Lagers reflektiert bzw. ausgestrahlt wurde, und wobei die Messstelle von dem Sender ausgeleuchtet wird. Die Messstelle befindet sich dabei zwischen den beiden Lagerringen des Lagers, ggf. innerhalb eines von der Dichtung des Lagers abgeschlossenen Bereich.
Der Käfig führt bei dem Betrieb des Lagers eine Relativbewegung zu den beiden Lagerringen aus, so dass der an dem Käfig angeordnete Sensor verschiedene Messstellen erfassen kann und somit ein gemitteltes Datenmaterial für die Analyse des Schmiermittels zur Verfügung steht. Der Käfig entfaltet, insbesondere bei hohen Drehzahlen, eine Förderwirkung auf das Schmiermittel in dem Lager, so dass das geförderte Schmiermittel an dem Sensor derart vorbeigeführt wird, dass die Messstelle des Sensors so angeordnet ist, dass das geförderte Schmiermittel von dem Sensor erfasst wird. Es versteht sich, dass an dem Korpus des Käfigs Förderstrukturen, beispielsweise Nuten, für das Schmiermittel vorgesehen sein können, so dass die Messstelle des Sensors die Nuten erfasst. Es versteht sich weiter, dass an dem Korpus des Käfigs Mitnehmer oder Abstreifer für das Schmiermittel vorgesehen sein können, die das Schmiermittel zu der Messstelle des Sensors fördern können. Es versteht sich ebenfalls, dass außerhalb des Korpus des Käfigs, beispielsweise an einem der beiden Lagerringe oder an einer Dichtung des Lagers, ein Umlenkmittel vorgesehen sein kann, das Schmiermittel zu der Messstelle des Sensors hin fördert.
Es versteht sich ferner, dass der Sensor einen Lichtwellenleiter umfassen kann, wobei der Lichtwellenleiter die von dem Sender des Sensors abgegebene Strahlung führt und ein Austritt des Lichtwellenleiters der vorgesehenen Messstelle gegenüberliegend angeordnet sein kann. Durch den Lichtwellenleiter lässt sich die Messstelle beispielsweise an das Korpus des Käfigs selbst legen, so dass Alterungsprozesse nicht nur des an dem Korpus anhaftenden Schmiermittels, sondern auch des Materials des Korpus des Käfigs selbst erfassbar sind. Weiter lässt sich die Messstelle an einen der beiden Lagerringe oder an einen der Wälzkörper legen. Ebenfalls lässt sich die Messstelle an ein Dichtelement einer Dichtung des Lagers legen. Der Sensor erfasst dabei das zwischen dem Austritt des Lichtwellenleiters sowie der vorgesehenen Messstelle befindliche Schmiermittel, insbesondere das nahe dem Austritt bzw. das nahe dem Sender befindliche Schmiermittel, so dass das unmittelbar an dem Dichtelement, an dem Lagerring, an dem Wälzkörper oder an dem Korpus des Käfigs befindliche Schmiermittel nur teilweise zu dem Messergebnis beiträgt. Erfasst der Sensor, dass das an dem Dichtelement, an dem Lagerring oder dem Wälzkörper oder an dem Käfig anhaftende Schmiermittel im wesentlichen zu dem Messergebnis beiträgt, kann gefolgert werden, dass in dem Lager ein Schmiermittelmangel besteht, der eine kurzfristige Zufuhr von Schmiermittel erforderlich macht, da in unmittelbarer Nähe des Wälzkörpers zu wenig Schmiermittel vorhanden ist. Dies gilt ebenso für den Fall, dass kein Lichtwellenleiter vorgesehen ist, wobei in diesem Fall der Sender sowie der mindestens eine Empfänger auf eine gemeinsame Messstelle innerhalb des Lagers ausgerichtet sind. Es versteht sich weiter, dass mehr als ein Lichtwellenleiter vorgesehen ist, bzw. dass der Sender und der mindestens eine Empfänger mehr als eine gemeinsame Messstelle anmessen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der elektromagnetische Sensor in einer Reflektionsgeometrie, insbesondere in einer diffusen Reflektionsgeometrie, ausgebildet ist. Aufgrund der Reflektionsgeometrie lassen sich Sender und Empfänger des Sensors auf dem gleichen Bauteil, nämlich dem Korpus des Käfigs, in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander, beispielsweise in einer kompakten Baueinheit zusammengefasst, anordnen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Korpus des Käfigs Stege und von benachbarten Stegen begrenzte Taschen zur Aufnahme der Wälzkörper umfasst, und dass der Sensor auf einem Steg befestigt ist. Die Befestigung kann formschlüssig, beispielsweise durch eine Aufnahme in dem Steg für den Sensor, oder, alternativ bzw. ergänzend hierzu, mittels einer Klebung des Sensors ausgebildet sein. Besteht das Korpus des Käfigs aus einem Kunststoff, kann der Sensor abschnittsweise von dem Kunststoff umspritzt an dem Korpus des Käfigs befestigt sein.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Käfig weiter ein Gewichtselement umfasst, das dem Sensor, bezogen auf eine Käfigachse, im wesentlichen gegenüberliegend angeordnet ist. Das Gewichtselement gleicht dabei die Unwucht aus, die der an dem Käfig befestigte Sensor bewirkt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Sensor eine autarke Energiequelle aufweist. Der Sensor kann eine Batterie als Energiespeicher und damit autarke Energiequelle aufweisen, oder aber die zum Betrieb des Sensors erforderliche Energie aus der relativen Drehung der Lagerringe im Betrieb des Lagers gewinnen. Der Sensor kann weiter eine Koppelspule umfassen, so dass der Sensor von außen angesprochen werden und energetisch beaufschlagt werden kann.
Der Sensor umfasst insbesondere eine Antenne, mittels derer der Sensor Daten übermitteln bzw. Signale empfangen kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Temperatursensor an dem Korpus des Käfigs befestigt ist. Der Temperatursensor kann baulich in den Sensor integriert sein, insbesondere kann das von dem Sensor empfangene elektromagnetische Spektrum dahingehend analysiert werden, die Temperatur der empfangenen Strahlung zu ermitteln. Damit lässt sich die in dem Lager im Betrieb auftretende Temperatur erfassen, die eine zusätzliche Information über die vorgesehene Lebensdauer des Schmiermittels liefert. Weiter lassen sich die mechanischen Belastungen beispielsweise eine Kunststoff-Käfigs ermitteln, dessen Material von der Temperatur abhängige mechanische Eigenschaften aufweist.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Käfigs in einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lagers, und
2 zeigt eine ausschnittsweise vergrößerte Querschnittsansicht der Ausführungsbeispiele aus 1, entlang der Schnittlinie A-A aus 1
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein als radiales Wälzlager ausgebildetes Lager 1, das einen ersten Lagerring 2 sowie einen zweiten Lagerring 3 umfasst. Das Lager 1 umfasst weiter mehrere Wälzkörper, deren einer mit dem Bezugszeichen ,4' versehen ist, sowie einen Käfig 5 zur Führung der Wälzkörper 4. Das Korpus des Käfigs 5 ist dabei aus einem Kunststoff hergestellt.
An dem Korpus des Käfigs 5 ist ein Sensor 6 angeordnet, insbesondere auf einer Oberfläche des Korpus des Käfigs 5 mittels einer Klebung befestigt, wobei der Sensor 6 einen Sender umfasst, der elektromagnetische Strahlung, insbesondere Infrarot-Strahlung, aussendet, sowie mehrere Empfänger, die Infrarot-Strahlung empfangen und auf die Infrarot-Strahlung ansprechen, so dass der Sensor 6 ein Infrarot-Spektrum liefert. Der Sender sowie die Empfänger sind zu einer baulichen Einheit zusammengefasst und so zueinander gerichtet, dass der Sender eine Messstelle in dem Lager 1 bestrahlt, deren reflektierte bzw. abgestrahlte Infrarotstrahlung von dem Empfängern des Sensors 6 empfangen wird. Der Sensor 6 ist damit in einer Reflektionsgeometrie, insbesondere in einer diffusen Reflektionsgeometrie, angeordnet, wie sie als DRIFT-Geometrie bekannt ist, mit dem Unterschied, dass in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Spektrum nicht durch Fourier-Transformation aus den Messwerten berechnet ist.
2 zeigt eine Querschnittsansicht zu 1, wobei die Schnittachse in dem dargestellten Ausschnitt so gelegt ist, dass der Sensor 6 im Schnitt gezeigt ist. Das Lager 1 umfasst eine Dichtung mit einem Dichtelement 7, das den zwischen den Lagerringen 2, 3 gebildeten Zwischenraum überdeckt.
Der Sender und die Empfänger des Sensors 6 sind so ausgerichtet, dass die von dem Sender ausgeleuchtete Messstelle nahe eines Abschnittes der auf den Käfig 5 weisenden Seite des Dichtelementes 7 angeordnet ist. Die Empfänger ermitteln daher reflektierte sowie ausgesandte Strahlung, desjenigen Anteils an Schmiermittel, das zwischen dem Sensor 6 sowie dem Dichtelement 7 vorhanden ist. Dabei überlagert sich ein Absorptionsanteil von nahe dem Sensor 6 vorgesehenen Schmiermittel 8 mit einem Anteil von nahe dem Dichtelement 7 vorgesehenen Schmiermittel 9. Im Fall einer Mangelschmierung fällt der Anteil des nahe dem Sensor 6 angeordneten Schmiermittels 8 in dem Spektrum ab und nur das nahe dem Dichtelement 7 vorgesehene Schmiermittel 9 trägt wesentlich zu dem resultierenden Spektrum bei. Aufgrund der Änderung des Spektrums lässt sich dann eine Mangelschmierung erfassen.
Der Sensor 6 ist auf einem Steg 10 des Korpus des Käfigs 5 befestigt, wobei der Steg 10 zwei benachbarte, jeweils einen Wälzkörper enthaltende Taschen des Käfigs 5 trennt. Die Oberfläche des Stegs 10 ist im wesentlichen parallel zu der nach innen weisenden Seite des Dichtelementes 7 ausgerichtet, so dass nur ein kurzer Abstand von dem Sensor 6 zu der Messstelle an dem Dichtelement 7 vorgesehen ist.
Dem Sensor 6 bezogen auf eine Käfigachse 11 (1) gegenüberliegend ist der mit dem Bezugszeichen ,4' ausgewiesene Wälzkörper, der ebenfalls von zwei Stegen 12, 13 des Käfigs 5 begrenzt ist. An den beiden Stegen 12, 13 ist jeweils ein in 1 nicht dargestelltes Teil-Gewichtselement angeordnet, so dass der Schwerpunkt der beiden Teil-Gewichtselemente ein gesamtes Gewichtselement ergibt, das mittig in der von dem Wälzkörper 4 eingenommenen Tasche angeordnet gedacht werden kann, also dem Sensor 6 bezogen auf die Käfigachse 11 gegenüberliegt. Die Teil-Gewichtselemente sind als Materialstücke aus beispielsweise einem Metall-Zuschnitt ausgebildet und auf den Stegen 12, 13 aufliegend befestigt. Das durch die beiden Teil-Gewichtselemente ausgebildete gesamte Gewichtselement gleicht die Unwucht aus, die durch den Sensor 6 auf dem Steg 10 des Korpus des Käfigs bewirkt wird.
Der Sensor 6 weist weiter eine bildlich nicht dargestellte autarke Energiequelle auf, nämlich eine miniaturisierte Batterie, die auf dem Steg 10 angeordnet ist. Die Batterie wird von einem Generator gespeist, der aus der gegenseitigen Drehung der Lagerringe 2, 3 Energie gewinnt. Die Batterie wird weiter extern gespeist, beispielsweise, wenn der Sensor 6 durch Funk abgefragt wird. Der Sensor 6 weist damit weiter eine Antenne auf, die ebenfalls auf dem Steg 10 angeordnet ist.
An dem Korpus des Käfigs 5 ist weiter ein bildlich nicht dargestellter Temperatursensor angeordnet; dieser Temperatursensor ist in den Sensor 6 baulich integriert aufgenommen.
Bezugszeichenliste

1: Lager
2: erster Lagerring
3: zweiter Lagerring
4: Wälzkörper
5: Käfig
6: Sensor
7: Dichtelement
8: Schmiermittel nahe Sensor 6
9: Schmiermittel nahe Dichtelement 7
10: Steg
11: Käfigachse
12: Steg
13: Steg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/030202 A1 [0003]
DE 102009037424 [0004]

Claims

Käfig zur Führung von Wälzkörpern (4) eines Lagers (1), insbesondere eines rotativen oder linearen Wälzlagers, umfassend ein Korpus des Käfigs, gekennzeichnet durch einen an dem Korpus des Käfigs angeordneten Sensor (6), der elektromagnetische Strahlung aussendet und empfängt und ein Spektrum der empfangenen elektromagnetischen Strahlung ermittelt.
Käfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Sensor (6) in einer Reflektionsgeometrie, insbesondere in einer diffusen Reflektionsgeometrie, ausgebildet ist.
Käfig nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Korpus des Käfigs (5) Stege und von benachbarten Stegen begrenzte Taschen zur Aufnahme der Wälzkörper (4) umfasst, und dass der Sensor auf einem Steg befestigt ist.
Käfig nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig weiter ein Gewichtselement umfasst, das dem Sensor (6), bezogen auf eine Käfigachse (11), im wesentlichen gegenüberliegend angeordnet ist.
Käfig nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (6) eine autarke Energiequelle aufweist.
Käfig nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor an dem Korpus des Käfigs befestigt ist.
Lager, insbesondere rotatives oder lineares Wälzlager, umfassend einen Käfig nach einem der Ansprüche 1 bis 6.