DE102010034272A1 - Magnetic field sensor e.g. anisotropic magnetic resistive sensor for, e.g. rolling bearing, receives magnetic field from magnetic field generation element, and detects changes of magnetic field caused by accumulation of metal particles - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Magnetfeldsensors in einem Wälzlager oder Gleitlager und ein Wälzlager mit einem Magnetfeldsensor.The invention relates to the use of a magnetic field sensor in a rolling bearing or sliding bearing and a rolling bearing with a magnetic field sensor.
Die Lebensdauer eines geschmierten Lagers zum Führen gegeneinander beweglicher Bauteile ist von zahlreichen Faktoren abhängig. Einige Einflussgrößen sind mess- oder berechenbar, aber beispielsweise Verschmutzung oder genauer Schmierzustand können nicht numerisch bestimmt werden. Die von Wälzlagern geforderten Lebensdauern reichen von wenigen hundert Stunden zum Beispiel für Haushaltsgeräte oder medizinisch-technische Geräte bis zu ca. 100.000 Stunden für Lauflager von Hochseeschiffen, Grubenpumpen und -gebläse und Papiermaschinen. In Umdrehungen ausgedrückt, können Lager je nach Belastung 3 Mrd. Umdrehungen und mehr überstehen.The life of a lubricated bearing for guiding mutually movable components depends on numerous factors. Some influencing factors can be measured or calculated, but for example, soiling or exact lubrication state can not be determined numerically. The lifetimes required by rolling bearings range from a few hundred hours, for example, for household appliances or medical-technical equipment up to about 100,000 hours for high-speed vessels of marine vessels, pit pumps and blowers and paper machines. Expressed in revolutions, bearings can withstand 3 billion revolutions or more, depending on the load.
Ein wichtiger Faktor für eine hohe Lagerlebensdauer ist die Vermeidung bzw. frühe Erkennung der so genannten Pittingbildung. Pittings entstehen beispielsweise durch Abrollen beschädigter Wälzkörper auf Laufbahnen oder durch Materialabrieb der Wälzlagerkomponenten, welcher zwischen Wälzkörper und Laufbahnen gelangt.An important factor for a long bearing life is the avoidance or early detection of so-called pitting. Pittings arise, for example, by rolling damaged rolling elements on raceways or by material abrasion of the rolling bearing components, which passes between the rolling elements and raceways.
Sind Pittings (Defekte auf den Laufbahnen) im Wälzlager einmal vorhanden, werden beim Überrollen der teilweise defekten Stellen weitere Metallpartikel vom Material des Wälzlagers abgelöst, welche sich als Flitter im Schmierstoff ablagern. Dieser Flitter oxidiert dann das Fett bzw. den Schmierstoff.Once pittings (defects on the raceways) are present in the rolling bearing, when rolling over the partially defective points, further metal particles are detached from the material of the rolling bearing, which deposits as a flake in the lubricant. This bauble then oxidizes the grease or the lubricant.
Es sind verschiedene Verfahren zur Diagnose von Wälzlagern bekannt, bei welchen eine Pittingbildung z. B. durch eine Geräuschanalyse nachgewiesen werden kann. Wird mit einer Geräuschanalyse festgestellt, dass Pittings im Lager vorhanden sind, ist das Lager meist bereits soweit geschädigt, dass es ersetzt werden muss.There are various methods for diagnosing rolling bearings known in which a pitting formation z. B. can be detected by a noise analysis. If it is determined by a noise analysis that pittings are present in the bearing, the bearing is usually already damaged to the extent that it must be replaced.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Lageranalyse und zur Schmierstoffanalyse bekannt, welche sich seit sehr langer Zeit bewährt haben.Various methods and devices for bearing analysis and lubricant analysis are known from the prior art, which have been proven for a very long time.
Außerdem sind beispielsweise für Werkzeugmaschinen sogenannte Spanwächter bekannt, welche mittels Magneten Metallpartikel anziehen.In addition, for example, for machine tools known as Spanwächter, which attract metal particles by means of magnets.
Ein beginnender Schaden an einem aus metallischen Werkstoffen hergestellten Maschinenteil, der langfristig zum Ausfallen dieses Maschinenteils führen kann, äußert sich in einer erhöhten Entstehung von größeren Partikeln. Diese Metallpartikel, die durch Fressvorgänge, Mikrozerspannung, Grübchenbildung (Pittings), Absplitterungen und durch Bruchschäden hervorgerufen werden, treten in unterschiedlichsten Formen wie z. B. als pulverförmige Metallpartikel, Splitter, Plättchen, Späne und ganze Bruchstücke auf.An incipient damage to a machine part made of metallic materials, which can lead in the long term to failure of this machine part, manifests itself in an increased emergence of larger particles. These metal particles, which are caused by feeding processes, Mikrozerspannung, pitting, chipping and breakage, occur in various forms such. B. as powdered metal particles, splinters, platelets, chips and whole fragments.
Aus der
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Die
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Aus dem Stand der Technik sind weiterhin magnetoresistive Sensorelemente bekannt, welche auf dem Anisotropen- oder dem Giant-Magneto-Resistiven-Effekt (AMR, GMR) beruhen. Bekannt sind im Wesentlichen AMR-Sensoren als Winkelsensoren, Längensensoren, Magnetfeldsensoren sowie Gradientensensoren mit verschiedenen Auswertungsalgorithmen.Magnetoresistive sensor elements which are based on the anisotropic or the giant magneto-resistive effect (AMR, GMR) are also known from the prior art. Known are essentially AMR sensors as angle sensors, length sensors, magnetic field sensors and gradient sensors with different evaluation algorithms.
Beispielsweise ist aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte Möglichkeiten zur Erkennung einer Pittingbildung in Wälz- und Gleitlagern und damit verbundenen Schädigungen zu schaffen. Dabei soll möglichst frühzeitig, d. h. am Beginn einer eintretenden Schädigung eine solche erkannt und ein Signal geliefert werden, das signalisiert, dass entweder eine Wartung am Lager oder ein Austausch erforderlich ist.The invention has for its object to provide improved ways to detect a pitting formation in rolling and plain bearings and related damage. It should as early as possible, d. H. at the onset of an incidental injury, such is detected and a signal is provided indicating that either servicing or replacement is required.
Die Aufgabe wird durch die Verwendung eines Magnetfeldsensors zu Detektion von abnutzungsbedingten ferromagnetischen Metallpartikeln im Schmiermittel eines Wälzlagers oder eines Gleitlagers gemäß Anspruch 1 und durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.The object is achieved by the use of a magnetic field sensor for detection of wear-related ferromagnetic metal particles in the lubricant of a rolling bearing or a slide bearing according to claim 1 and by a rolling bearing having the features of claim 4.
Erfindungsgemäß wird ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor direkt in ein Wälzlager oder ein Gleitlager integriert. Dieser Magnetfeldsensor ist in der Lage, Metallpartikel im Nanometerbereich zu erkennen.According to the invention, a highly sensitive magnetic field sensor is integrated directly into a roller bearing or a slide bearing. This magnetic field sensor is able to detect metal particles in the nanometer range.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass bereits kleinste Metallpartikel nachgewiesen werden können, bevor beispielsweise eine Geräuscherkennung einen Fehler am Lager nachweisen kann. Damit ist eine dauerhafte elektronische Überwachung des Lagerzustandes sicher möglich. Größere Maschinenausfälle und Stillstandszeiten können durch eine solche kontinuierliche Überwachung mit rechtzeitiger Meldung eines beginnenden Fehlers vermieden werden.The advantages of the invention can be seen in the fact that even the smallest metal particles can be detected before, for example, a noise detection can detect a fault in the camp. For a permanent electronic monitoring of the storage condition is certainly possible. Major machine failures and downtimes can be avoided by such continuous monitoring with timely reporting of a beginning error.
Die vorgeschlagene elektronische Detektion von Metallpartikeln mittels eines Magnetfeldsensors kann auch auf andere Anwendungsgebiete übertragen werden, bei welchen Fluide oder Schmiermittel auf ferromagnetische Metallpartikel überwacht werden sollen.The proposed electronic detection of metal particles by means of a magnetic field sensor can also be transferred to other fields of application in which fluids or lubricants are to be monitored for ferromagnetic metal particles.
Der in das Wälz- oder Gleitlager integrierte Magnetfeldsensor empfängt ein durch ein Magnetfelderzeugungsmittel (beispielsweise ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet) generiertes Magnetfeld und erfasst dabei Veränderungen des Magnetfeldes, welche durch eine Ansammlung der ferromagnetischen Metallpartikel an einer Sensorfläche hervorgerufen werden.The magnetic field sensor integrated in the rolling bearing receives a magnetic field generated by a magnetic field generating means (for example, a permanent magnet or an electromagnet), thereby detecting changes in the magnetic field caused by accumulation of the ferromagnetic metal particles on a sensor surface.
Vorzugsweise wird ein Magnetfeldsensor verwendet, der als AMR-Sensor ausgeführt ist und vier magnetoresistive Sensorelemente umfasst, die als Wheatstonesche Brücke geschaltet sind. Es sind auch bereits Magnetfeldsensoren mit mehr als vier magnetoresistiven Sensorelementen bekannt, welche ebenfalls verwendet werden können. Verschiedene Auswerte- und Kompensationsverfahren sind für solche Sensoren bekannt und können für den erfindungsgemäßen Einsatz Verwendung finden.Preferably, a magnetic field sensor is used, which is designed as an AMR sensor and comprises four magnetoresistive sensor elements, which are connected as a Wheatstone bridge. There are also magnetic field sensors with more than four magnetoresistive sensor elements known, which can also be used. Various evaluation and compensation methods are known for such sensors and can be used for the inventive use.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Magnetfeldsensor mit einer Überwachungseinheit gekoppelt, die bei Detektion einer kritischen Menge an Metallpartikeln ein Signal aussendet. Die Festlegung dieser kritischen Menge an Metallpartikeln erfolgt vorzugsweise durch empirische Untersuchungen an entsprechenden Lagern.In a preferred embodiment, the magnetic field sensor is coupled to a monitoring unit which emits a signal upon detection of a critical amount of metal particles. The determination of this critical amount of metal particles is preferably carried out by empirical studies on appropriate camps.
Ein erfindungsgemäßes Wälzlager umfasst einen Magnetfeldsensor zur Detektion von abnutzungsbedingten Metallpartikeln und einen Magnetfelderzeugungsmittel. Eine Messfläche ist nahe dem Magnetfeldsensor angeordnet, um die Metallpartikel mit Hilfe des Magnetfelderzeugungsmittels an der Messfläche abzulagern.An inventive rolling bearing comprises a magnetic field sensor for detecting wear-related metal particles and a magnetic field generating means. A measuring surface is arranged close to the magnetic field sensor in order to deposit the metal particles on the measuring surface with the aid of the magnetic field generating means.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Magnetfelderzeugungsmittel eine Spule. Die Spule erzeugt vorzugsweise ein definiertes statisches oder Wechselmagnetfeld. Dadurch ist eine sehr genaue Auswertung möglich.In a preferred embodiment, the magnetic field generating means is a coil. The coil preferably generates a defined static or alternating magnetic field. This allows a very accurate evaluation.
Das Ausgangssignal des Sensors ist abhängig von dem durch den Flitter modulierten magnetischen Fluss in dem vom Magnetfelderzeugungsmittel generierten Magnetfeld.The output signal of the sensor is dependent on the magnetic flux modulated by the tinsel in the magnetic field generated by the magnetic field generating means.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst das Wälzlager zusätzlich einen Dauermagneten zur Vorspannung und zum Sammeln von metallischen Partikeln.In another preferred embodiment, the rolling bearing additionally comprises a permanent magnet for biasing and collecting metallic particles.
Der Magnetfeldsensor ist vorzugsweise ein AMR- oder GMR-Sensor, wie er als solcher aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Vorteile solcher Sensoren bestehen darin, dass die Sensorelemente flächig ausgebildet sind, wodurch nur ein geringer Platzbedarf im Wälzlager beansprucht wird.The magnetic field sensor is preferably an AMR or GMR sensor as known in the art. The advantages of such sensors are that the sensor elements are formed flat, whereby only a small footprint in the rolling bearing is claimed.
Selbstverständlich ist eine Auswerteeinheit zur Bewertung der Sensorsignale vorgesehen. Diese kann außerhalb des Lagers angeordnet sein, aber auch miniaturisiert in der Sensoreinheit integriert sein (Smart-Sensor). Entsprechende Technologien sind dem Fachmann bekannt.Of course, an evaluation unit for evaluating the sensor signals is provided. This can be arranged outside the bearing, but also be miniaturized integrated in the sensor unit (Smart sensor). Corresponding technologies are known to the person skilled in the art.
Selbstverständlich kann das Sensorsystem auch gegenüber dem Lager magnetisch geschirmt werden. Durch magnetische Wechselfelder lässt sich auch die magnetische Hysterese in den Eisenpartikeln messen.Of course, the sensor system can also be magnetically shielded from the bearing. Magnetic alternating fields can also be used to measure the magnetic hysteresis in the iron particles.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung gezeigt. Es zeigt:A preferred embodiment of the invention is shown in the drawing. It shows:
Eine Sensoreinheit
Optional ist ein Dauermagnet
Über eine nicht dargestellte Auswerteeinheit gelangen die Signale des Magnetfeldsensors
Im Wälzlager kann darüber hinaus eine Temperaturerfassungseinrichtung (nicht dargestellt) angeordnet sein, die in Verbindung mit der Auswerteeinheit eine Temperaturkompensation ermöglicht.In addition, a temperature detection device (not shown) can be arranged in the rolling bearing, which enables temperature compensation in conjunction with the evaluation unit.
Vorteilhafterweise werden die Metallpartikel
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 0101
- Magnetfeldsensormagnetic field sensor
- 0202
- Innenringinner ring
- 0303
- Außenringouter ring
- 0404
- Wälzkörperrolling elements
- 0505
- 0606
- Sensoreinheitsensor unit
- 0707
- SpuleKitchen sink
- 0808
- Dauermagnetpermanent magnet
- 0909
- Metallpartikelmetal particles
- 1010
- 1111
- Sensorflächesensor surface
- 1212
- Laufbahncareer
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 3510408 A1 [0012] DE 3510408 A1 [0012]
- DE 3442278 A1 [0014] DE 3442278 A1 [0014]
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Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20120824 Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20120824 |
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Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20140218 Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20140218 |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20150407 |
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