DE102011003591A1

DE102011003591A1 - Wälzlager, insbesondere für ein Tretlager eines Zweirades

Info

Publication number: DE102011003591A1
Application number: DE201110003591
Authority: DE
Inventors: Lasse Ibert
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2012-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, umfassend einen Lagerring (7), mindestens einen Wälzkörper (9), der an dem Lagerring (7) entlang einer Laufbahn (10) abrollt, und ein Sensorelement (13), das die im Betrieb des Wälzlagers auftretenden mechanischen Druck- oder Zugspannungen erfasst. Die Aufgabe, ein Wälzlager anzugeben, das ein Sensorelement aufweist, das die im Betrieb des Wälzlagers auftretenden Kräfte, insbesondere Zug- oder Druckspannungen, erfasst, wobei zur Aufnahme des Sensorelements möglichst geringe bauliche Änderungen des Wälzlagers erforderlich sein sollen, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Sensorelement (13) seitlich neben der Laufbahn (10) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiter ein Tretlager zur Lagerung einer Kurbelwelle sowie ein Zweirad.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager nach Anspruch 1, insbesondere für ein Tretlager nach Anspruch 7, sowie ein Zweirad nach Anspruch 8.
Bei Zweirädern, insbesondere bei Fahrrädern oder Ergometern, tritt die Forderung auf, die von dem Bediener des Zweirades in die Tretlagerwelle eingebrachten Kräfte bzw. Drehmomente zu erfassen.
WO 2008/058164 A2 beschreibt eine Messvorrichtung mit einem an der Tretlagerwelle befestigten sternförmigen Kranz, der neben dem Tretlager angeordnet ist, wobei der Kranz mit einer Kette in Verbindung steht und wobei auf den Armen des Kranzes Sensoren angeordnet sind, um die zwischen der Tretlagerwelle und der Kette auftretenden Kräfte zu erfassen.
EP 0 954 746 B1 beschreibt eine Messvorrichtung mit zwei auf der Tretlagerwelle axial oder radial beabstandeten Ringen, deren jeder in Umfangsrichtung die gleiche Anzahl von hellen und dunklen Flächen aufweist, und wobei die hellen und dunklen Flächen der beiden Ringe optisch erfasst werden, um Kräfte bzw. Drehmomente in der Tretlagerwelle nachzuweisen.
Aus dem Stand der Technik sind Wälzlager bekannt, die einen Lagerring mit einer Laufbahn aufweisen, wobei auf der Laufbahn Wälzkörper abrollen, und wobei das Wälzlager ein Sensorelement umfasst, das die im Betrieb des Wälzlagers auftretenden mechanischen Druck- oder Zugspannungen erfasst und beispielsweise in ein Spannungssignal umwandelt. Das Sensorelement ist mit weiteren Elementen, beispielsweise eine Rechen- oder einer Speichereinheit oder ggf. einer Funkeinheit, Teil einer Sensoreinheit. Das Sensorelement umfasst beispielsweise Dehnmessstreifen oder druckempfindliche, insbesondere piezoelektrische Schichten, die in einer Stirnfläche oder einer von der Laufbahn fort weisenden Mantelfläche des Lagerrings aufgenommen sind, beispielsweise in einer Nut, so dass der Lagerring eine Nachbearbeitung erforderlich macht, um das Sensorelement einzubringen. Durch das Anbringen der Nut verliert der Lagerring seine auf genaue Maßhaltigkeit abgestimmten Abmessungen, insbesondere wird die Kontaktfläche zwischen dem Lagerring und der Anschlusskonstruktion herabgesetzt.
DE 38 13 681 A1 beschreibt ein Tretlager für ein Ergometer, wobei das Tretlager ein Wälzlager umfasst, das einen als Hülse ausgebildeten äußeren Lagerring sowie mehrere kugelförmige Wälzkörper aufweist, die auf einer Laufbahn an dem Lagerring abrollen. Das Wälzlager umfasst ein Sensorelement zur Erfassung von Kräften, die der Bediener des Ergometers in das Tretlager einbringt, wobei das Sensorelement Dehnmessstreifen bzw. piezoelektrisch aktive Schichten aufweist, die in einer Nut auf der äußeren Mantelfläche des Lagerrings aufgenommen sind.
DE 100 61 923 A1 beschreibt ein Tretlager für ein Ergometer, wobei das Tretlager ein Wälzlager aufweist, und wobei zwischen einer äußeren Mantelfläche des äußeren Lagerrings des Wälzlagers und dem Gehäuse des Ergometers ein Sensorelement angeordnet ist, das eine drucksensitive Schicht aufweist. Das Sensorelement kann auch in einer Nut an einer Stirnfläche eines der Lagerringe aufgenommen sein.
DE 102 43 095 B4 beschreibt ein Wälzlager mit einem Lagerring, der eine erste Teilschale aufweist, an der die Laufbahn angeordnet ist, und eine zweite Teilschale, die an der ersten Teilschale befestigt ist, so dass ein radial zweigeteilter Lagerring vorgesehen ist. Zwischen den beiden Teilschalen ist als Sensorelement eine kraftsensitive Schicht angeordnet.
DE 101 36 438 A1 beschreibt ein Wälzlager mit einem Lagerring und einer Laufbahn, auf der Wälzkörper abrollen, sowie ein Sensorelement, der die im Betrieb des Wälzlagers auftretenden Druck- oder Zugspannungen erfasst, wobei das Sensorelement Dehnmessstreifen umfasst, die in einer an einer Mantelfläche des Lagerrings angeordneten Nut aufgenommen sind, oder eine piezoelektrisch aktive Schicht, die ebenfalls an einer von der Laufbahn abgekehrten Mantelfläche des Lagerrings angeordnet ist.
DE 199 25 460 C2 beschreibt ein Wälzlager mit einem Lagerring und einer Laufbahn, eine drucksensitive Schicht angeordnet ist, die von den Wälzkörpern überrollt wird, so dass der Wälzkörper auf einer Funktionsschicht abrollt, die die drucksensitive Schicht schützt. Die Funktionsschicht beeinflusst dabei den Kontakt zwischen den Wälzkörpern und dem Lagerring und kann die Betriebseigenschaften des Wälzlagers beeinträchtigen.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Wälzlager anzugeben, das ein Sensorelement aufweist, das die im Betrieb des Wälzlagers auftretenden Kräfte, insbesondere Zug- oder Druckspannungen, erfasst, wobei zur Aufnahme des Sensorelements möglichst geringe bauliche Änderungen des Wälzlagers erforderlich sein sollen.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für das eingangs genannte Wälzlager bzw. ein ein solches Wälzlager umfassendes Tretlager dadurch gelöst, dass das Sensorelement seitlich neben der Laufbahn angeordnet ist.
Das Sensorelement wird im Betrieb des Wälzlagers von den Wälzkörper nicht überrollt und ist in der unmittelbaren Nähe der Laufbahn angeordnet, so dass das Sensorelement den zu erfassenden mechanischen Spannungen besonders stark ausgesetzt ist. Das Anbringen des Sensorelementes erfordert keine konstruktive Anpassung der Mantelfläche des Lagerrings, die von der Laufbahn abgekehrt ist. Vielmehr lässt sich das Sensorelement einfach, ggf. auch nachträglich, auf ein Wälzlager mit Standardabmessungen aufbringen, ohne die Standardabmessungen ändern zu müssen. Seitlich neben der Laufbahn ist das Sensorelement insbesondere auch mechanisch und elektrisch geschützt, beispielsweise innerhalb eines von Dichtungen abgeschlossenen Innenraum des Lagers, aufgenommen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Sensorelement unmittelbar an die Laufbahn angrenzt. Das Sensorelement wird dabei von einer Kontaktellipse, die sich im Betrieb des Wälzlagers zwischen einem Wälzkörper und dem Lagerring im Bereich der Laufbahn ausbildet, gerade nicht mehr berührt.
Alternativ ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Sensorelement einen Abstand zu der Laufbahn einhält, so dass Reste von Schmiermittel bzw. Partikel, die sich neben der Laufbahn sammeln, das Sensorelement nur unwesentlich beeinträchtigen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Laufbahn in einer Vertiefung angeordnet ist, und dass das Sensorelement an einer Begrenzung der Vertiefung angeordnet ist. Das Sensorelement lässt sich dabei nachträglich anbringen, ohne dass die Vertiefung, die häufig eine eigene Materialbehandlung erfährt, bearbeitet werden muss, um das Sensorelement zu befestigen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Sensorelement eine drucksensitive Schicht, insbesondere eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material, umfasst.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Sensorelement einen Dehnmessstreifen umfasst.
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 schematische teilweise geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Tretlagers mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wälzlagers, und
2 zeigt den Ausschnitt ‚X’ aus 1 in vergrößerter Darstellung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein Tretlager eines Zweirades, insbesondere eines Fahrrades oder eines Ergometers. Das Tretlager umfasst eine als Hohlwelle ausgebildete Tretlagerwelle 1, die um eine Achse 2 drehbar in einem Tretlagergehäuse 3 aufgenommen ist. Das Tretlagergehäuse 3 ist an dem Gestell des Zweirades befestigt. Von dem Zweirad ist noch ein Kettenblattträger 4 erkennbar, der an der Tretlagerwelle 1 befestigt ist. Die Tretlagerwelle 1 ist mit zwei Kurbeln drehfest verbunden, von denen eine mit dem Bezugszeichen ‚5’ ausgewiesen ist.
Ein Bediener des Zweirades bringt durch Drehen der Kurbeln 5 ein Drehmoment in die Tretlagerwelle 1 ein, so dass in der Tretlagerwelle 1 Kräfte auftreten, die, zusammen mit anderen Parametern, ein Maß für die Leistung des Bedieners darstellen.
Für die drehbare Lagerung der Tretlagerwelle 1 an dem Tretlagergehäuse 3 sind zwei Wälzlager 6 vorgesehen, die gleichartig ausgebildet sind, so dass nur das in 1 rechts dargestellte Wälzlager 6 näher beschrieben wird. Das Wälzlager 6 ist als sogenanntes Kraftmesslager ausgebildet und ermöglicht die Erfassung von Kräften anhand von mechanischen Spannungen, die in dem Wälzlager 6 durch das von dem Bediener in die Kurbel 5 eingeleitete Drehmoment hervorgerufen werden.
2 zeigt das Wälzlager 6 aus 1 in vergrößerter Darstellung. Das Wälzlager 6 umfasst einen als Außenring ausgebildeten ersten Lagerring 7, der an dem Tretlagergehäuse 3 befestigt ist, sowie einen als Innenring ausgebildeten zweiten Lagerring 8, der an der Tretlagerwelle 1 befestigt ist. Das Wälzlager 6 umfasst weiter mehrere Wälzkörper, von denen einer dargestellt und mit dem Bezugszeichen ‚9’ ausgewiesen ist. Der Wälzkörper 9 läuft an dem ersten Lagerring 7 entlang einer Laufbahn 10 ab, die an einer inneren Mantelfläche 11 als Vertiefung 12 ausgebildet ist. Der Übergang des kreisbogenförmigen Querschnittsprofils der Vertiefung 12 bildet der inneren Mantelfläche 11, die ein im Querschnitt gerades Profil aufweist, eine Begrenzung aus, die eine in Umfangsrichtung des ersten Lagerrings 7 umlaufende Begrenzungskante 15 bildet.
An der inneren Mantelfläche 11 des Außenrings 7 ist seitlich neben der Laufbahn 10 ein Sensorelement 13 angeordnet, das die im Betrieb des Wälzlagers 6 austretenden mechanischen Druck- bzw. Zugspannungen erfasst und ein Spannungssignal U erzeugt. Das Sensorelement 13 weist einen Abstand zu der Vertiefung 12 der Laufbahn 10 auf, so dass in einem Zwischenraum 14 Schmutzpartikel bzw. von dem Wälzkörper 9 verdrängte Schmiermittel gesammelt werden können.
Bei dem Vorbeilaufen des Wälzkörpers 9 werden in dem Material des ersten Lagerrings 9 mechanische Spannungen hervorgerufen, die von dem Sensorelement 13 erfasst werden und in die elektrische Spannung U umgewandelt werden. Das elektrische Spannungssignal des Sensorelementes 13 wird in einer weiteren Einheit ausgewertet und weiter verarbeitet und kann mit Mitteln der Datenfernübertragung an einen außerhalb des Wälzlagers 6 befindlichen Empfänger übermittelt werden.
Das Sensorelement 13 umfasst eine drucksensitive Schicht und ist insbesondere als piezoelektrisch aktive Schicht ausgebildet, die in Umfangsrichtung der Laufbahn 10 des ersten Lagerrings 7 abschnittsweise ausgebildet ist. Das Sensorelement 13 könnte alternativ oder ergänzend zu der drucksensitiven Schicht auch einen Dehnungsmessstreifen umfassen.
Das Sensorelement 13 ist nur zu einer Seite der Laufbahn 10, nämlich zu der in 2 linken Seite, angeordnet und ausschließlich an der inneren Mantelfläche 11 des Außenrings 7 vorgesehen, erstreckt sich also nicht auf die Stirnfläche bzw. die äußere, von der Laufbahn 10 abgekehrte Mantelfläche des ersten Lagerrings 7.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wies das Sensorelement 13 einen Abstand zu der Begrenzungskante 15 auf, die die Laufbahn 10 mit der inneren Mantelfläche 11 des Außenrings 7 bildet. Es versteht sich, dass das Sensorelement 13 bis unmittelbar an die Begrenzungskante 15 heranreichen kann. In diesem Fall grenzt das Sensorelement unmittelbar an die Laufbahn an. Diese Möglichkeit besteht ebenfalls für den Fall, dass die Laufbahn nicht durch eine Vertiefung gebildet ist, wobei das Sensorelement in dieser Situation so nahe an die Wälzkörper heranreichen kann, dass das Sensorelement von den Wälzkörpern gerade nicht mehr überrollt wird.
Bezugszeichenliste

1: Tretlagerwelle
2: Achse
3: Tretlagergehäuse
4: Kettenblattträger
5: Kurbel
6: Wälzlager
7: erster Lagerring
8: zweiter Lagerring
9: Wälzkörper
10: Laufbahn
11: innere Mantelfläche des ersten Lagerrings 7
12: Vertiefung
13: Sensorelement
14: Zwischenraum
15: Begrenzungskante

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/058164 A2 [0003]
EP 0954746 B1 [0004]
DE 3813681 A1 [0006]
DE 10061923 A1 [0007]
DE 10243095 B4 [0008]
DE 10136438 A1 [0009]
DE 19925460 C2 [0010]

Claims

Wälzlager, umfassend einen Lagerring (7), mindestens einen Wälzkörper (9), der an dem Lagerring (7) entlang einer Laufbahn (10) abrollt, und ein Sensorelement (13), das die im Betrieb des Wälzlagers auftretenden mechanischen Druck- oder Zugspannungen erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (13) seitlich neben der Laufbahn (10) angeordnet ist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement unmittelbar an die Laufbahn angrenzt.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (13) einen Abstand zu der Laufbahn (10) einhält.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahn in einer Vertiefung (12) angeordnet ist, und dass das Sensorelement an einer Begrenzung der Vertiefung (12) angeordnet ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement eine drucksensitive Schicht, insbesondere eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material, umfasst.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement einen Dehnmessstreifen umfasst.
Tretlager zur Lagerung einer Kubelwelle eines Zweirades, insbesondere eines Fahrrades oder eines Ergometers, umfassend ein Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Zweirad, insbesondere Fahrrad oder Ergometer, umfassend ein Tretlager nach Anspruch 7.