DE102011085415B4

DE102011085415B4 - Anordnung zweier rotierender Bauteile

Info

Publication number: DE102011085415B4
Application number: DE102011085415A
Authority: DE
Inventors: Baozhu Liang; Jens Graf; Armin Schlereth; Sebastian ZIEGLER
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2031-10-29
Also published as: DE102011085415A1; WO2013060638A1; EP2771584A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1) zweier rotierender Bauteile (2, 3), umfassend ein erstes rotierendes Bauteil (2) und ein zweites rotierendes Bauteil (3), wobei die beiden Bauteile (2, 3) axial nebeneinander angeordnet sind. Um einen ordnungsgemäßen Betrieb der Anordnung zu gewährleisten und Abweichungen vom Normalbetrieb frühzeitig feststellen zu können, sieht die Erfindung vor, dass an dem ersten Bauteil (2) mindestens ein Tragelement (4) angeordnet ist, an dem ein sich in axiale Richtung (a) erstreckender Biegebalken (5) befestigt ist, wobei an dem zweiten Bauteil (3) ein Auslenkelement (6) befestigt ist, in das das vom Tragelement (4) abgewandte Ende (7) des Biegebalkens (5) so eingreift, dass das Ende (7) bei einer radialen Verschiebung des zweiten Bauteils (3) und/oder Verschiebung des zweiten Bauteils (3) in Umfangsrichtung relativ zum ersten Bauteil (2) in radiale Richtung (R) und/oder in Umfangsrichtung ausgelenkt wird, und wobei Messmittel (8) vorhanden sind, um die Auslenkung des Biegebalkens (5) aus einer Null-Lage zu messen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, insbesondere eine Lageranordnung, zweier rotierender Bauteile, umfassend ein erstes rotierendes Bauteil und ein zweites rotierendes Bauteil, wobei die beiden Bauteile axial nebeneinander angeordnet sind.
Bei einer gattungsgemäßen Anordnung, die insbesondere als Lageranordnung ausgebildet ist, befinden sich zwei Lagerringe axial benachbart nebeneinander, wobei dafür Sorge getragen werden muss, dass die Lagerringe im Betrieb in ihrer vorbestimmten relativen Lage bleiben. Die beiden Lageringe können hierbei miteinander verschraubt werden. Gerade bei Großlagern und entsprechend hohen Lagerlasten ist es wünschenswert, eine Überwachung dahingehend vorzunehmen, ob die relative Soll-Position der Lagerringe im Betrieb der Lageranordnung erhalten bleibt.
Eine gattungsgemäße Anordnung ist beispielsweise aus der US 2007/0143039 A1 bekannt. Eine solche Gestaltung zeigt auch die DE 10 2010 018 141 A1 .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung, insbesondere eine Lageranordnung, der gattungsgemäßen Art so fortzubilden, dass es möglich ist, in einfacher und bequemer Weise eine Überwachung dahingehend zu installieren, ob die beiden axial benachbarten rotierenden Bauteile, insbesondere die Lagerringe, in ihrer vorgesehenen relativen Sollposition verbleiben.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Bauteil mindestens ein Tragelement angeordnet ist, an dem ein sich in axiale Richtung erstreckender Biegebalken befestigt ist, wobei an dem zweiten Bauteil ein Auslenkelement befestigt ist, in das das vom Tragelement abgewandte Ende des Biegebalkens so eingreift, dass das Ende bei einer radialen Verschiebung des zweiten Bauteils und/oder Verschiebung des zweiten Bauteils in Umfangsrichtung relativ zum ersten Bauteil in radiale Richtung und/oder in Umfangsrichtung ausgelenkt wird, und wobei Messmittel vorhanden sind, um die Auslenkung des Biegebalkens aus einer Null-Lage zu messen.
Die Anordnung ist bevorzugt ein Lager, wobei dann die beiden Bauteile vorzugsweise zwei Innenringe sind, an denen das Tragelement bzw. das Auslenkelement befestigt sind. Diese Innenringe sind dabei als rotierende Ringe ausgebildet, d. h. der oder die zugehörigen Außenringe sind ortsfest in einem Gehäuse angeordnet.
Das Auslenkelement kann als Ring ausgebildet sein, der eine in eine Stirnseite eingebrachte Ringnut aufweist, die zum Eintritt des Endes des Biegebalkens ausgebildet ist. Da die beiden Ringe allerdings grundsätzlich ohne relative Verdrehung arbeiten sollen, kann das Auslenkelement auch als Blockelement ausgestaltet sein, das an derselben Umfangsposition wie das Tragelement am Lagerring befestigt ist (wichtig für den Fall der Erfassung von Verschiebungen in Umfangsrichtung).
Die Messmittel sind bevorzugt als Dehnmessstreifen ausgebildet, die an dem Biegebalken angebracht sind.
Die Messmittel können mit Vorteil mit einem Datenübertragungselement in Verbindung stehen, wobei das Datenübertragungselement ausgebildet ist, Daten drahtlos an einen Empfänger zu übertragen. Auf diese Weise kann auf Schleifringe zur Datenübertragung verzichtet werden.
Am Tragelement oder am Auslenkelement kann in Weiterbildung der Erfindung ein Beschleunigungssensor angeordnet sein. Dieser Beschleunigungssensor ist dabei bevorzugt ausgebildet, um Beschleunigungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen zu detektieren, wobei die Richtungen in einer vertikal angeordneten Ebene liegen. Wie noch zu sehen sein wird, kann auf diese Weise die Drehposition der Messstelle, d. h. des Tragelements, ermittelt werden.
Der Beschleunigungssensor steht dabei bevorzugt auch mit dem Datenübertragungselement in Verbindung, um gemessene Beschleunigungsdaten an den Empfänger übertragen zu können.
Das Datenübertragungselement kann des weiteren mit einer Energiequelle in Verbindung stehen. Die Energiequelle kann eine Batterie sein oder einen Generator umfassen, der aus der Drehung der Lageranordnung elektrische Energie gewinnt.
Die vorgeschlagene Ausgestaltung einer (Lager) Anordnung erlaubt die Messung der Relativbewegung in radiale Richtung und auch in Umfangsrichtung, die sich zwischen zwei benachbarten Bauteilen (Lagerringen) ergibt. Dabei handelt es sich bevorzugt um zwei benachbarte Lagerringe, die im Betrieb rotieren.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht ein weiteres Sensorelement vor (z. B. ausgebildet als induktives oder optisches Messelement), mit dem der axiale Abstand zwischen den beiden Bauteilen (Lagerringen) gemessen werden kann.
Alle Messdaten können drahtlos an einen Empfänger übertragen werden, womit die Möglichkeit geschaffen ist, relative radiale Verschiebungen zwischen den beiden Bauteilen, relative Verschiebungen in Umfangsrichtung und/oder relative axiale Verschiebungen zu messen und drahtlos an einen Empfänger zu senden. Demgemäß kann gerade bei großen Lageranordnungen eine diesbezügliche Überwachung stattfinden, so dass zu jedem Zeitpunkt der ordnungsgemäße Betriebszustand der Anordnung verifiziert werden kann.
Gleichzeitig wird es möglich, mittels des Beschleunigungssensors die Winkellage der beiden Lagerringe in einem ortsfesten Bezugssystem festzustellen, d. h. die Drehposition der Messstelle wird einfach identifizierbar. Verzichtbar für die Winkellagebestimmung sind insbesondere kostenintensive optische Sensoren oder andere Winkelgeber, mit denen bislang die Drehlage eines rotierenden Teils festgestellt werden kann.
Die drahtlose Übertragung der Daten an eine externe Empfangseinrichtung gewährleistet einen einfachen Aufbau, da auf bekannte Schleifringe und ähnliche Komponenten verzichtet werden kann.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kombiniert das Messen der radialen, in Umfangsrichtung stattfindenden bzw. axialen Verschiebung der beiden Bauteile, das Erfassen der Drehlage der Bauteile mittels des Beschleunigungssensors sowie die drahtlose Übermittlung dieser Messdaten an einen Empfänger.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt einen Radialschnitt durch eine Anordnung in Form einer Lageranordnung, die ein zweireihiges Zylinderrollenlager umfasst.
In der Figur ist ein Lager 1 zu sehen, das vorliegend als zweireihiges Zylinderrollenlager ausgebildet ist. Es hat einen Außenring 17 mit zwei Laufbahnen für Wälzkörper 18. Die Wälzkörper 18 laufen radial innen an entsprechenden Laufbahnen der beiden Lagerinnenringe 2 und 3 an. Der Außenring 17 ist vorliegend ortsfest angeordnet. Es ist eine Bohrung 19 im Außenring 17 angedeutet, über die der Außenring 17 mit einem nicht dargestellten Gehäuse verschraubt werden kann.
Die beiden Innenringe 2, 3, sind in axiale Richtung a nebeneinander angeordnet und zwar unmittelbar aneinander angrenzend. Sie weisen ebenfalls Bohrungen 20 auf, über die sie miteinander verschraubt werden können. Allerdings stellt dies nicht immer sicher, dass es im Betrieb der Lageranordnung zu radialen Relativbewegungen zwischen den Lagerinnenringen 2, 3 kommt (d. h. zu Relativbewegungen in radiale Richtung R), wenn die Innenringe 2, 3 rotieren.
Damit eine relative radiale Bewegung zwischen den Lagerinnenringen 2, 3 im Betrieb gemessen werden kann, sieht die Lageranordnung ein Tragelement 4 vor, das an einer Umfangsstelle (es können auch mehrere dieser Tragelemente 4 um den Umfang verteilt angeordnet sein) des Lagerinnenrings 2 befestigt ist. Am Tragelement 4 ist ein dünner Biegebalken 5 befestigt, der sich in axiale Richtung a erstreckt. Am anderen Lagerinnenring 3 ist ein Auslenkelement 6 befestigt. Dieses kann ringförmig um den gesamten Umfang des Innenrings 3 umlaufen oder auch nur – als blockförmiger Körper ausgebildet – an einer Umfangsstelle des Lagerrings 3 befestigt sein.
Das Auslenkelement 6 hat im Ausführungsbeispiel an einer Stirnseite 9 eine Ringnut 10, die zum Eintritt des Endes 7 des Biegebalkens 5 ausgebildet ist, das vom Tragelement 4 weg gerichtet ist. Eine kugelförmige Vergrößerung des aus Metall bestehenden Biegebalkens 5 an einem Ende 7 ist so gewählt, dass der lichte Abstand der Ringnut 10 in radiale Richtung R durch die kugelförmige Vergrößerung gerade ausgefüllt wird.
Am Biegebalken 5 sind mehrere – im Ausführungsbeispiel vier – Messmittel 8 in Form von Dehnmessstreifen angeordnet. Die Dehnmessstreifen 8 stehen mit einem Datenübertragungselement 11 in Verbindung, d. h. das Datenübertragungselement 11 registriert die von den Dehnmessstreifen 8 kommenden Signale.
Das Datenübertragungselement 11 steht mit einer Energiequelle 14 (Batterie) in Verbindung und wird von dieser mit Strom versorgt. Das Datenübertragungselement 11 ist zur drahtlosen Übertragung von Daten ausgebildet, wofür es eine Antenne 15 aufweist. Diese sendet Signale an einen Empfänger 12, der gleichermaßen eine Antenne 16 aufweist.
Kommt es zu einer relativen Verschiebung (Versatz) zwischen den beiden Lagerringen 2 und 3 in radiale Richtung R hat dies zur Folge, dass das Ende 7 des Biegebalkens 5 radial ausgelenkt wird. Im Biegebalken 5 werden demgemäß Spannungen hervorgerufen. Die Dehnmessstreifen 8 messen in diesem Falle die Spannung im Biegebalken, die vom Datenübertragungselement 11 registriert wird. Die entsprechenden Daten werden an den Empfänger 12 gesendet und von diesem empfangen. Demgemäß kann drahtlos ermittelt werden, ob es zu der besagten radialen Relativverschiebung zwischen den Lagerringen 2 und 3 kommt.
Entsprechendes gilt für den Fall, dass der Biegebalken 5 dadurch (in einer um 90° verdrehten Ebene) gebogen wird, dass eine relative Verschiebung zwischen den beiden Lagerringen 2, 3 in Umfangsrichtung stattfindet. Auch diese Verformung kann durch Dehnmessstreifen gemessen und der Messwert übertragen werden.
Am Tragelement 4 ist des weiteren ein Beschleunigungssensor 13 angeordnet. Der Beschleunigungssensor 13 ist ausgebildet, zumindest in zwei zueinander senkrechten Richtungen Beschleunigungen zu erfassen, wobei die Richtungen in einer vertikal angeordneten Ebene liegen. Diese vertikal angeordnete Ebene umfasst im Ausführungsbeispiel die radiale Richtung R.
Der Beschleunigungssensor 13 kann somit die Richtung der Erdbeschleunigung erfassen. Diese vertikal nach unten gerichtete Beschleunigung erlaubt es in einfacher Weise, die Drehlage bzw. Drehposition zu bestimmen, in der sich der Beschleunigungssensor befindet. D. h. es kann mittels des Beschleunigungssensors 13 die Drehwinkellage bestimmt werden, an der sich das Tragelement 4 befindet.
Überlagert sich bei schnellerer Drehung der vom Beschleunigungssensor 13 detektierten Erdbeschleunigung die Zentripetalbeschleunigung, kann diese – bei Kenntnis der Drehzahl des Lagerrings 2, 3 – berechnet werden, wenn der Abstand r_S des Sensors 13 von der Drehachse bekannt ist. Die Vektoren der Erdbeschleunigung und der Zentripetalbeschleunigung überlagern sich hierbei vektoriell zum insgesamt detektierten Beschleunigungssignal.
Zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeit der Lagerringe 2, 3 kann ein separater (nicht dargestellter) Sensor vorgesehen werden. Eine andere Möglichkeit der Bestimmung derselben besteht darin, dass das Beschleunigungssignal, das der Beschleunigungssensor aufnimmt, über der Zeit ausgewertet wird. Die stets nach unten gerichtete Erdbeschleunigung stellt eine Modulation der stets radial gerichteten gemessenen Zentripetalbeschleunigung dar, so dass durch die Auswertung des Signals die Drehgeschwindigkeit der Lagerringe 2, 3 bestimmt werden kann.
Demgemäß wird es möglich, die Drehposition des Beschleunigungssensors 13 und damit des Tragelements 4 in einem Initialsystem (ortsfestes Koordinatensystem) in einfacher Weise zu bestimmen.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung (Lager)
2: erstes rotierendes Bauteil (Lagerinnenring)
3: zweites rotierendes Bauteil (Lagerinnenring)
4: Tragelement
5: Biegebalken
6: Auslenkelement
7: Ende des Biegebalkens
8: Messmittel (Dehnmessstreifen)
9: Stirnseite
10: Ringnut
11: Datenübertragungselement
12: Empfänger
13: Beschleunigungssensor
14: Energiequelle (Batterie/Generator)
15: Antenne
16: Antenne
17: Außenring
18: Wälzkörper
19: Bohrung
20: Bohrung
a: axiale Richtung
R: radiale Richtung
r_S: Radius des Beschleunigungssensors

Claims

Anordnung (1) zweier rotierender Bauteile (2, 3), umfassend ein erstes rotierendes Bauteil (2) und ein zweites rotierendes Bauteil (3), wobei die beiden Bauteile (2, 3) axial nebeneinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Bauteil (2) mindestens ein Tragelement (4) angeordnet ist, an dem ein sich in axiale Richtung (a) erstreckender Biegebalken (5) befestigt ist, wobei an dem zweiten Bauteil (3) ein Auslenkelement (6) befestigt ist, in das das vom Tragelement (4) abgewandte Ende (7) des Biegebalkens (5) so eingreift, dass das Ende (7) bei einer radialen Verschiebung des zweiten Bauteils (3) und/oder Verschiebung des zweiten Bauteils (3) in Umfangsrichtung relativ zum ersten Bauteil (2) in radiale Richtung (R) und/oder in Umfangsrichtung ausgelenkt wird, und wobei Messmittel (8) vorhanden sind, um die Auslenkung des Biegebalkens (5) aus einer Null-Lage zu messen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Lager ist und die beiden Bauteile (2, 3) zwei Innenringe sind, an denen das Tragelement (4) bzw. das Auslenkelement (6) befestigt sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslenkelement (6) als Ring ausgebildet ist, der eine in eine Stirnseite (9) eingebrachte Ringnut (10) aufweist, die zum Eintritt des Endes (7) des Biegebalkens (5) ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (8) als Dehnmessstreifen ausgebildet sind, die an dem Biegebalken (5) angebracht sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (8) mit einem Datenübertragungselement (11) in Verbindung stehen, wobei das Datenübertragungselement (11) ausgebildet ist, Daten drahtlos an einen Empfänger (12) zu übertragen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Tragelement (4) oder am Auslenkelement (6) ein Beschleunigungssensor (13) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (13) ausgebildet ist, um Beschleunigungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen zu detektieren, wobei die Richtungen in einer vertikal angeordneten Ebene liegen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (13) mit dem Datenübertragungselement (11) in Verbindung steht, um gemessene Beschleunigungsdaten an den Empfänger (12) übertragen zu können.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Datenübertragungselement (11) mit einer Energiequelle (14) in Verbindung steht.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (14) eine Batterie ist oder einen Generator umfasst, der aus der Drehung der Lageranordnung elektrische Energie gewinnt.