DE102011006907B4

DE102011006907B4 - Wälzkörper

Info

Publication number: DE102011006907B4
Application number: DE102011006907.0A
Authority: DE
Inventors: Dirk Bleckmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2018-02-22
Anticipated expiration: 2031-04-08
Also published as: DE102011006907A1

Abstract

Wälzkörper für ein Wälzlager, umfassend mindestens ein im wesentlichen kreisringförmiges Element (2; 8; 11) aus einem piezoelektrischen Material, eine elektrisch leitende Ummantelung (4), innerhalb derer das Element (2; 8; 11) aufgenommen ist, und eine Kontaktierung (5; 10; 13), die das Element (2; 8; 11) mit einer in der Ummantelung (4) aufgenommen Auswerteelektronik (6) verbindet, wobei die Ummantelung (4) eine erste Elektrode und die Kontaktierung (5; 10; 13) eine zweite Elektrode für das Element (2; 8; 11) aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Wälzkörper mit einem Element aus einem piezoelektrischen Material.
Es sind Wälzkörper, häufig als Mess-Wälzkörper bezeichnet, bekannt, die ein Element aus einem piezoelektrischen Material umfassen und zusätzlich zu dem Element aus dem piezoelektrischen Material andere Komponenten aufweisen, beispielsweise einen Sender mit einer Antenne bzw. einen Mikrochip, der die von dem piezoelektrischen Element gelieferte Spannungswerte auswertet. Aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaften liefert das piezoelektrische Element eine Spannung, wenn ein Druck bzw. eine Kraft auf das piezoelektrische Element einwirkt.
DE 10 2006 051 642 A1 beschreibt einen Wälzkörper, der einen hohlzylindrischen Mantel umfasst, innerhalb dessen ein vollzylindrischer Stützkörper angeordnet ist. In einer Nut des Stützkörpers ist ein Sensor, speziell eine Messbrücke aus vier Dehnungsmessstreifen, bzw. ein nach dem SAW (surface acoustic wave) Prinzip arbeitender Chip angeordnet.
DE 10 2007 006 061 A1 beschreibt die Erfassung und Dämpfung von Schwingungen in einem Lager mittels an der Laufbahn der Wälzlagerringe angebrachter piezoelektrischer Schichten.
DE 694 12 390 T2 beschreibt einen Wälzkörper, der als einseitig hohler Wälzkörper ausgebildet ist, wobei in der Sacklochbohrung ein Dehnungsmessstreifen angeordnet ist, um Kräfte zu erfassen, die auf den Wälzkörper einwirken. Ein derartiger Wälzkörper kann nur geringe Kräfte übertragen.
DE 10 2004 026 246 A1 beschreibt einen Rollkörper, der auch als Wälzkörper eines Wälzlagers ausgebildet sein kann, wobei der Wälzkörper eine gestapelte Abfolge von piezoelektrischen Schichten aufweist, die mittels isolierender keramischer Zwischenschichten getrennt sind. Die Herstellung eines derartigen Wälzkörpers aus vielen Schichten und die nachfolgende Formgebung, bei der ein Materialabtrag vorgesehen ist, ist aufwendig. Die keramischen Zwischenschichten machen den Wälzkörper brüchig.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen einfach herstellbaren Wälzkörper anzugeben, der Kräfte in einem Lager erfassen kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Wälzkörper nach Anspruch 1 gelöst.
Das mindestens eine piezoelektrische Element ist innerhalb der Ummantelung leicht anzuordnen und durch den als Elektrode ausgebildeten Abschnitt der Ummantelung bzw. durch den als weitere Elektrode ausgebildeten Abschnitt der Kontaktierung einfach zu beschalten. Aufgrund der Füllung der hohlen Ummantelung durch das mindestens eine piezoelektrische Element kann der Wälzkörper hohe Kräfte bzw. Drücke aufnehmen und erfassen.
Der Wälzkörper lässt sich sowohl als Sensor beschalten, der Kräfte bzw. Schwingungen in dem Lager erfasst, als auch als Aktor, der Kräften entgegenwirkt bzw. Schwingungen in dem Lager dämpft.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Wälzkörper weiter ein zweites kreisringförmige Element aus einem piezoelektrischen Material umfasst, wobei das zweite Element durch ein elektrisch nichtleitendes Trennelement von dem ersten Element getrennt ist, wobei die Kontaktierung des ersten Elementes das Trennelement durchsetzt. Insbesondere sind zwei oder mehr Kontaktierungen des ersten Elementes vorgesehen, die voneinander elektrisch isoliert sind und jeweils das Trennelement durchsetzen. Die beiden piezoelektrischen Elemente erfassen Kräfte bzw. Drücke an unterschiedlichen Stellen des Wälzkörpers bzw. des Lagers. Dabei lässt sich ein genaueres, ortsaufgelöstes Bild der Kräfte bzw. Drücke in dem Lager erhalten. Die mindestens zwei piezoelektrischen Elemente können so ausgebildet sein, dass sie Kräfte bzw. Drücke in unterschiedlichen Richtungen erfassen können, insbesondere für den Fall, dass die piezoelektrischen Elemente als Zuschnitte aus piezoelektrischen Kristallen ausgebildet sind, die Vorzugsrichtungen aufweisen, entlang derer Kräfte bzw. Drücke eine besonders hohe Spannung hervorrufen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Wälzkörper weiter einen Energiespeicher und/oder eine Antenne 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 anliegende Zeichnung näher beschrieben und erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt schematisch eine teilweise geschnittene Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wälzkörpers.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt einen Wälzkörper für ein nicht näher dargestelltes Wälzlager, wobei das drehsymmetrische Korpus 1 des Wälzkörpers ein erstes Element 2 aus einem piezoelektrischen Material umfasst. Das erste piezoelektrische Element 2 ist als kreisringförmiger, im wesentlichen hohlzylindrischer Zuschnitt aus einem piezoelektrischen Kristall ausgebildet, wobei eine mittige Bohrung vorgesehen ist.
Der Wälzkörper weist eine Drehachse 3 auf, entlang derer die mittige Bohrung des ersten piezoelektrischen Elementes 2 ausgerichtet ist, so dass das erste piezoelektrische Element 2 die Drehachse 3 konzentrisch umgibt.
Das Korpus 1 des Wälzkörpers umfasst weiter eine Ummantelung 4, die als Hülse ausgebildet ist, innerhalb derer das erste piezoelektrische Element 2 angeordnet ist. Die äußere Mantelfläche des ersten piezoelektrischen Elementes 2 sitzt dabei mittels Presssitz an der inneren Mantelfläche der Ummantelung, so dass ein inniger, insbesondere elektrisch leitender Kontakt entsteht. Die Ummantelung 4 besteht aus einem Metall oder weist zumindest an der inneren Mantelfläche eine elektrisch leitfähige Beschichtung aus, ist also mindestens abschnittsweise elektrisch leitend.
Das Korpus 1 des Wälzkörpers umfasst weiter eine elektrische Kontaktierung 5, die innerhalb der Bohrung des ersten piezoelektrischen Elementes 2 angeordnet ist, wobei die Kontaktierung 5 das erste piezoelektrische Element 2 mit einer innerhalb der Ummantelung 4 vorgesehenen Auswerteelektronik 6 verbindet. Die Kontaktierung 5 ist als zylindrischer Stab ausgebildet, der ein der Bohrung des ersten piezoelektrischen Elementes 2 so angeordnet ist, dass die äußere Wandung des Stabes an der inneren Mantelfläche des ersten piezoelektrischen Elementes 2 anliegt, so dass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem voll- oder hohlzylindrischen Stab und dem ersten piezoelektrischen Element 2 ausgebildet ist.
Die Ummantelung 4 bzw. ein elektrisch leitender Abschnitt der Ummantelung 4 ist dabei als erste Elektrode und die Kontaktierung 5 als zweite Elektrode des ersten piezoelektrischen Elementes 2 geschaltet.
Tritt im Bereich des Wälzlagers eine Kraft bzw. ein Druck auf, bewirkt dies im Bereich des ersten piezoelektrischen Elementes 2 des Wälzkörpers aufgrund des piezoelektrischen Effektes das Auftreten einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Elektroden, die von der Auswerteelektronik 6 erfasst, ggf. elektronisch bearbeitet und bei Bedarf ausgewertet und mittels einer Antenne 7 an einen außerhalb des Wälzkörpers befindlichen Empfänger übermittelt werden kann. Die Auswerteelektronik umfasst beispielsweise einen Energiespeicher, der die Antenne 7 mit Energie versorgt.
In dem vorstehend beschriebenen Fall wird der Wälzkörper als Sensor verwendet, der Kräfte bzw. Schwingungen in dem Wälzlager erfasst. Der Wälzkörper kann auch als Aktor verwendet werden, so dass das erste piezoelektrische Element 2 zu Eigenschwingungen angeregt wird, die Körperschall-Schwingungen innerhalb des Wälzlagers entgegenwirken.
Das Korpus 1 des Wälzkörpers umfasst weiter ein zweites, im wesentlichen kreisringförmiges Element 8 aus einem piezoelektrischen Material, insbesondere aus dem gleichen Material wie das erste piezoelektrische Element 2. Das zweite piezoelektrische Element 8 ist auf der Drehachse 3 durch ein elektrisch nichtleitendes Trennelement 9 von dem ersten piezoelektrischen Element 2 isoliert angeordnet. Innerhalb einer Bohrung in dem hohlzylindrischen zweiten piezoelektrischen Element 8 ist eine zweite Kontaktierung 10 angeordnet, die als hohler Stab ausgebildet ist, dessen äußere Wandung die innere Mantelfläche der Bohrung des zweiten piezoelektrischen Elementes 8 elektrisch leitend kontaktiert. Innerhalb der zweiten Kontaktierung 10, von dieser elektrisch isoliert, ist die erste Kontaktierung 5 geführt, die das erste piezoelektrische Element 2 mit der Auswerteeinheit 6 verbindet. Die zweite Kontaktierung 10 ist als zweite Elektrode des zweiten piezoelektrischen Elementes 8 ausgebildet und verbindet das zweite piezoelektrische Element 8 mit der Auswerteeinheit 6. Als erste Elektrode des zweiten piezoelektrischen Elementes 8 die die Ummantelung 4, die beide piezoelektrische Elemente 2, 8 sowie die Auswerteeinheit 6 umgibt.
Das zusätzlich zu dem ersten piezoelektrischen Element 2 vorgesehene zweite piezoelektrische Element 8 bietet die Möglichkeit, die Kraft bzw. den Druck an einer anderen Stelle des Wälzkörpers zusätzlich zu messen. Das zweite piezoelektrische Element 8 ist als Zuschnitt aus einem piezoelektrischen Kristall ausgebildet, wobei die Schnittebene von der des ersten piezoelektrischen Elementes 2 abweicht, so dass beispielsweise das erste piezoelektrische Element 2 auf Kräfte senkrecht zu der Drehachse 3 und das zweite piezoelektrische Element 8 auf Kräfte parallel zu der Drehachse 3 anspricht, wobei ausgenutzt wird, dass die in piezoelektrischen Kristallen generierte Spannung eine Vorzugsrichtung aufweist. Aufgrund der beiden voneinander unabhängigen Kontaktierungen 5, 10 lassen sich die Spannungen der beiden piezoelektrischen Elemente 2, 8 unabhängig voneinander erfassen und auswerten.
Das Korpus 1 des Wälzkörpers umfasst ein drittes Element 11 aus einem piezoelektrischen Material, das, durch ein zweites Trennelement 12 von dem zweiten piezoelektrischen Element 8 getrennt, innerhalb der Ummantelung 4 angeordnet ist. Das zweite Trennelement 12 wird dabei von der ersten Kontaktierung 5 sowie von der zweiten Kontaktierung 10 der ersten beiden piezoelektrischen Elemente 2, 8 durchsetzt.
Die Ummantelung ist dabei als gemeinsame Elektrode aller drei piezoelektrischen Elemente 2, 8, 11 vorgesehen. Das dritte piezoelektrische Element 11 ist mittels einer dritten Kontaktierung 13 mit der Auswerteeinheit 6 verbunden, wobei die dritte Kontaktierung 13 als hohler Stab ausgebildet ist, innerhalb dessen die erste Kontaktierung 5 sowie die zweite Kontaktierung 10 der beiden ersten piezoelektrischen Elemente 2, 8 untereinander elektrisch isoliert geführt sind.
Die drei piezoelektrischen Elemente 2, 8, 11 lassen sich unabhängig von einander ansprechen und auswerten.
Es versteht sich, dass das Korpus 1 des Wälzkörpers weitere piezoelektrische Elemente umfassen kann, wo je zwei bei benachbarte piezoelektrische Elemente durch ein elektrisch isolierendes Trennelement, beispielsweise aus einem Kunststoff oder einer isolierenden Keramik, getrennt sind.
Mittels der Antenne 7 lassen sich die Daten, insbesondere die Messwerte, die in der Auswerteeinheit 6 erfasst und ermittelt werden, an einen außerhalb des Wälzkörpers vorgesehenen Empfänger übermitteln, beispielsweise durch eine hochfrequente Übertragung nach dem Transformatorprinzip, wobei der Empfänger die hochfrequente Wechselspannung gleichrichtet und als Energieversorgung verwendet.
Der genannte Empfänger ist beispielsweise in einem Lagerdeckel des Wälzlagers angeordnet und umfasst einen Mikrocontroller, der die übermittelten Messdaten aufbereitet und weiterverarbeitet sowie die Energieversorgung des Empfängers steuert.
Die Kontaktierungen 5, 10, 13 in dem Korpus 1 des Wälzkörpers können zur Erfassung der Temperatur des Wälzkörpers sowie des Wälzlagers herangezogen werden, wobei die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes der Leitungen der Kontaktierungen erfasst und ermittelt wird. Die temperaturabhängige Spannung bzw. der temperaturabhängige Widerstand wird in der Auswerteeinheit 6 umgewandelt und an dem Empfänger übermittelt. Es versteht sich, dass innerhalb der Auswerteeinheit ein Temperatursensor integriert sein kann, beispielsweise einen Pt100-Temperatursensor, der unabhängig von den Kontaktierungen 5, 10, 13 ermöglicht, die Temperatur in dem Wälzkörper zu ermitteln.
Die Auswerteeinheit 6 kann weiter einen Beschleunigungsmesser umfassen, dessen Messwerte direkt an den Empfänger übermittelt werden.
Innerhalb eines Wälzlagers kann mindestens einer der Wälzkörper durch einen erfindungsgemäßen Wälzkörper ersetzt werden, wobei der vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Wälzkörper aufgrund des Kontaktes der piezoelektrischen Elemente 2, 8, 11 mit der diese aufnehmenden, gemeinsamen Ummantelung 4 eine für viele Anwendungen ausreichende Tragfähigkeit aufweist, die größer ist als die Tragfähigkeit von Hohlrollen.
Bezugszeichenliste

1: Korpus
2: erstes piezoelektrisches Element
3: Drehachse
4: Ummantelung
5: Kontaktierung
6: Auswerteelektronik
7: Antenne
8: zweites piezoelektrisches Element
9: Trennelement
10: zweite Kontaktierung
11: drittes piezoelektrisches Element
12: zweites Trennelement
13: dritte Kontaktierung

Claims

Wälzkörper für ein Wälzlager, umfassend mindestens ein im wesentlichen kreisringförmiges Element (2; 8; 11) aus einem piezoelektrischen Material, eine elektrisch leitende Ummantelung (4), innerhalb derer das Element (2; 8; 11) aufgenommen ist, und eine Kontaktierung (5; 10; 13), die das Element (2; 8; 11) mit einer in der Ummantelung (4) aufgenommen Auswerteelektronik (6) verbindet, wobei die Ummantelung (4) eine erste Elektrode und die Kontaktierung (5; 10; 13) eine zweite Elektrode für das Element (2; 8; 11) aufweist.
Wälzkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, weiter umfassend ein zweites kreisringförmige Element (8; 11) aus einem piezoelektrischen Material, wobei das zweite Element (8; 11) durch ein elektrisch nicht-leitendes Trennelement (9; 12) von dem ersten Element (2; 8) getrennt ist, wobei die Kontaktierung (5; 10) des ersten Elementes (2; 8) das Trennelement (9; 12) durchsetzt.
Wälzkörper nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend einen Energiespeicher und/oder eine Antenne (7).