DE102012107663B3

DE102012107663B3 - Gleitkontaktelement sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes eines ungeschmierten Gleitkontaktelementes in dessen Betriebszustand

Info

Publication number: DE102012107663B3
Application number: DE201210107663
Authority: DE
Inventors: Ron Sebastian; Thomas Burkhart
Original assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Current assignee: Leibniz Institut Fuer Verbundwerkstoffe De GmbH
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2032-08-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gleitkontaktelement sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes eines ungeschmierten Gleitkontaktelementes in dessen Betriebszustand.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleitkontaktelement sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes eines ungeschmierten Gleitkontaktelementes in dessen Betriebszustand.
Ungeschmierte Gleitkontaktelemente sind Elemente, die zwei Körper umfassen, die über einen ungeschmierten Gleitkontakt miteinander in Verbindung stehen. Am Gleitkontakt kontaktieren sich die Körper derart, dass sie dort gleitend zueinander bewegbar sind. Im Betriebszustand bewegen sich die zwei Körper zueinander. Eine verbreitete Ausführungsform eines Gleitkontaktelementes ist beispielsweise ein Gleitlager, bei dem die zwei Körper als Welle und Gleitlagerbuchse ausgebildet sind und der Gleitkontakt im Bereich des Lagerspaltes ausgebildet ist, an dem sich die Welle und die Gleitlagerbuchse derart kontaktieren, dass sie dort aufeinander gleitend gegeneinander bewegbar sind. Im Betriebszustand des Gleitlagers bewegt sich die Welle gleitend in der Gleitlagerbuchse. Bei einem ungeschmierten Gleitlager ist der Lagerspalt ungeschmiert.
Für die technische Auslegung, Berechnung und Überwachung des Gleitkontaktes eines ungeschmierten Gleitkontaktelementes spielt die Reibflächentemperatur, also die Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes beim Betriebszustand des Gleitkontaktelementes, eine wichtige Rolle. Denn für den Verschleiß und ein mögliches Versagen eines Gleitkontaktelementes spielt die Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes eine wichtige Rolle. Die Bestimmung der Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes eines ungeschmierten Gleitkontaktelementes ist daher regelmäßig gewünscht, insbesondere um einen erhöhten Verschleiß oder ein mögliches Versagen des Gleitkontaktelementes rechtzeitig erkennen zu können. Die kontinuierliche Erfassung und Messung der Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes eines ungeschmierten Gleitkontaktelementes in dessen Betriebszustand ist mit den aus dem Stand der Technik bekannten Technologien mit einem hohen Aufwand und vielen technischen Einschränkungen verbunden. Da der Gleitkontakt beziehungsweise die Reibfläche während des Betriebes des Gleitkontaktelementes in der Regel nicht einsehbar ist und das Eindringen von Sensorik in den Bereich des Gleitkontaktes das Messergebnis in der Regel verfälscht, da die Materialpaarung im Bereich des Gleitkontaktes gestört wird, ist die Bestimmung der Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes im Betriebszustandes des Gleitkontaktelementes regelmäßig nur ungenau durchzuführen.
Die gängigste Methode zur Ermittlung der Reibflächentemperatur in trockenen Gleitkontakten ist die Messung der Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes mit Hilfe von Wärmebildverfahren, insbesondere mit Hilfe von Infrarot. Durch entsprechende Verfahren ist jedoch nur die Oberflächentemperatur in einem gewissen Abstand zum Gleitkontakt messbar, nicht jedoch die tatsächliche Reibflächentemperatur im Bereich des Gleitkontaktes.
Ein weiterhin gängiges Verfahren zur Bestimmung der Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes eines ungeschmierten Gleitkontaktelementes ist das Einbetten von Thermoelementen in die aufeinander gleitenden Körper des Gleitkontaktelementes. Hierbei wird jedoch nur die Temperatur im Volumen der Körper gemessen, wobei sich die Umrechnung der gemessenen Temperatur auf die tatsächliche Reibflächentemperatur regelmäßig als schwierig und ungenau erweist. Auch durch dieses Verfahren kann die tatsächliche Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes daher nicht bestimmt werden.
DE 1 088 007 B offenbart ein Thermoelement zum laufenden Messen der Strangpresstemperatur eines beim Strangpressen von Metallen aus der Matrize austretenden Stranges; das Thermoelement ist dadurch ausgebildet, dass ein Schenkel des Elementes an der Matrizenöffnung angeordnet ist und der andere Schenkel in Kontakt mit dem Strang steht. DE 700 297 A offenbart eine Einrichtung zur Temperaturüberwachung von Gleitlagern, die aus mehreren Schichten zusammengesetzt sind; dabei wird zur Überwachung der Temperatur des Lagers die thermoelektrische Spannung gemessen, die bei einer Temperaturbeanspruchung zwischen verschiedenen Schichten des Lagers entsteht. Auch in DE 298 20 623 U1 wird der thermoelektrische Effekt benutzt, um die Temperatur an Gleitlagern zu überwachen. So wird in diesem Dokument beschrieben, ein Thermoelement dadurch auszubilden, dass ein Schenkel eines Thermoelementes als Pleuel und der andere Schenkel als elektrische Verbindungsleitung ausgebildet ist, wobei die elektrische Verbindungsleitung mit einem Ende näher am Lager angeordnet ist als mit ihrem anderen Ende. Bei einer Temperaturbeanspruchung des Pleuels entsteht hierdurch eine thermoelektrische Spannung in dem Thermoelement, die, beispielsweise aber eine Hallsonde, berührungslos messbar ist.
Schließlich ist aus dem Stand der Technik die Möglichkeit der Temperaturmessung mittels auf im Bereich des Gleitkontaktes auf die einander gleitenden Oberflächen aufgedampfter Temperaturaufnehmer bekannt. Hierbei weicht jedoch das Messergebnis von der tatsächlich auftretenden Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes ab, da durch das Aufbringen der Temperaturaufnehmer die tatsächliche Materialpaarung im Bereich des Gleitkontaktes verfälscht wird.
Desweiteren ist aus dem Stand der Technik bekannt, ein in ein Gleitkontaktelement integriertes Wärmeleitelement aus dem Gleitkontaktelement herauszuführen und mit Hilfe eines Temperaturfühlers die Oberflächentemperatur im Bereich des Gleitkontaktes zu messen. Jedoch tritt auch bei dieser Methode durch das Wärmeleitelement eine Verfälschung der Materialpaarung im Bereich des Gleitkontaktes auf, was zur Abweichung der Messwerte bezogen auf die tatsächliche Temperatur der gewünschten Materialpaarung führt.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Technologie zur Verfügung zu stellen, durch die die Temperatur exakt im Bereich des Gleitkontaktes eines ungeschmierten Gleitkontaktelementes in dessen Betriebszustand messbar ist, also an den im Betriebszustand des Gleitkontaktelementes aufeinander gleitenden Oberflächen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Technologie zur Verfügung zu stellen, bei der die Bestimmung der Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes eines ungeschmierten Gleitkontaktelementes mit einer gewünschten Materialpaarung im Bereich des Gleitkontaktes möglich ist.
Zur Lösung der Aufgaben wird erfindungsgemäß zur Verfügung gestellt, ein Gleitkontaktelement in Form eines ungeschmierten Gleitlagers, umfassend

– einen ersten elektrisch leitfähigen Körper in Form einer elektrisch leitfähigen Welle und
– einen zweiten elektrisch leitfähigen Körper in Form einer elektrisch leitfähigen Gleitlagerbuchse des Gleitlagers, wobei
– der erste elektrisch leitfähige Körper einen ersten Seebeck-Koeffizienten und
– der zweite elektrisch leitfähige Körper einen zweiten Seebeck-Koeffizienten aufweist,
– wobei der erste und der zweite Seebeck-Koeffizient unterschiedliche Werte besitzen und wobei
– der erste und zweite elektrisch leitfähige Körper über einen ungeschmierten Gleitkontakt miteinander in Verbindung stehen;
– einer ersten Kontaktstelle am ersten elektrische leitenden Körper und
– einer zweiten Kontaktstelle am zweiten elektrisch leitenden Körper, wobei
– die erste und zweite Kontaktstelle beabstandet vom Gleitkontakt angeordnet sind; und
– einer Spannungsmessvorrichtung, die zur Messung einer elektrischen Spannung zwischen der ersten und zweiten Kontaktstelle ausgebildet ist.

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, den sogenannten Seebeck-Effekt zur Bestimmung der Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes eines Gleitkontaktelementes in dessen Betriebszustand auszunutzen.
Bei dem Seebeck-Effekt handelt es sich um einen 1821 von Thomas J. Seebeck entdecken thermoelektrischen Effekt, der auftritt, wenn in einem aus zwei verschiedenen elektrischen Leitern gebildeten elektrischen Stromkreis die Kontaktbereiche zwischen den elektrischen Leitern eine unterschiedliche Temperatur aufweisen. Dabei tritt an den freien Enden der elektrischen Leiter eine Spannung auf. Die Höhe dieser elektrischen Spannung hängt von der Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktbereichen sowie der Art der Materialien der elektrischen Leiter ab. Die Art der Materialien wird durch den sogenannten Seebeck-Koeffizienten wiedergegeben, die Materialkonstanten darstellen. Für die Größe der auf Grund des Seebeck-Effektes auftretenden elektrischen Spannung gilt dabei die folgende Formel: U = (S_A – S_B)·(T₁ – T₂), wobei

U: die aufgrund des Seebeck-Effektes auftretende elektrische Spannung an den freien Enden der beiden elektrischen Leiter,
S_A: der Seebeck-Koeffizient des einen elektrischen Leiters,
S_B: der Seebeck-Koeffizient des anderen elektrischen Leiters,
T₁: die Temperatur am Kontaktbereich der beiden elektrischen Leiter und
T₂: die Temperatur an den freien Ende der beiden elektrischen Leiter ist.

Überraschend hat sich im Rahmen der Erfindung nunmehr herausgestellt, dass der Seebeck-Effekt zur Bestimmung der Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes eines Gleitkontaktelementes in dessen Betriebszustand ausgenutzt werden kann.
In dem erfindungsgemäßen Gleitkontaktelement bilden der erste und zweite elektrisch leitfähige Körper elektrische Leiter mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten. Im Bereich des Gleitkontaktes, an dem der erste und zweite elektrisch leitfähige Körper in Verbindung miteinander stehen, bilden die beiden elektrisch leitenden Körper einen Kontaktbereich aus. Im Bereich des Gleitkontaktes herrscht im Betriebszustand des Gleitkontaktelementes die zu messende Temperatur. An dem ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Körper ist je eine Kontaktstelle zur Messung der elektrischen Spannung zwischen diesen Kontaktstellen angeordnet. Die elektrische Spannung zwischen diesen beiden Kontaktstellen ist durch die Spannungsmessvorrichtung messbar. Diese gemessene Spannung lässt eine Bestimmung der Temperatur im Gleitkontaktbereich zu.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch diese die Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes eines Gleitkontaktelementes in dessen Betriebszustand (nachfolgend auch als ”Gleitkontakttemperatur” bezeichnet) besonders einfach bestimmbar ist. Denn die Gleitkontakttemperatur ist unmittelbar durch die mittels der Spannungsmessvorrichtung gemessene elektrische Spannung bestimmbar.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Gleitkontakttemperatur besonders zuverlässig und genau bestimmbar ist, da durch das erfindungsgemäße Gleitkontaktelement die Temperatur unmittelbar im Bereich des Gleitkontaktes bestimmbar ist.
Ferner besteht ein weiterer Vorteil der Erfindung darin, dass durch diese die Gleitkontakttemperatur ohne Zeitverzögerung bestimmbar ist, so dass sich die Erfindung insbesondere auch zur Echtzeitüberwachung der Gleitkontakttemperatur eignet.
Schließlich besteht ein weiterer Vorteil der Erfindung auch darin, dass durch diese in die Materialpaarung im Bereich des Gleitkontaktes nicht eingegriffen werden muss, so dass der Betrieb des Gleitkontaktelementes durch die Erfindung insbesondere nicht nachteilig beeinflusst wird.
Die Bestimmung der Gleitkontakttemperatur mittels der durch die Spannungsmessvorrichtung gemessenen elektrischen Spannung ist dem Fachmann ohne weiteres möglich.
Insbesondere ist die Bestimmung der Gleitkontakttemperatur auf Grundlage der vorgenannten, den Seebeck-Effekt beschreibenden Formel auf mehrere Art und Weise möglich und kann grundsätzlich in das Belieben des Fachmanns gestellt werden.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, die Gleitkontakttemperatur auf Grundlage absoluter Werte zu bestimmen. Hierzu ist die Kenntnis der Seebeck-Koeffizienten des ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Körpers notwendig. Ferner sollten die erste und zweite Kontaktstelle im Betriebszustand des Gleitkontaktelementes eine im Wesentlichen gleiche Temperatur aufweisen, beispielsweise Raumtemperatur. In diesem Fall ist die Gleitkontakttemperatur mittels der den Seebeck-Efffekt beschreibenden Formeln ohne weiteres möglich.
Alternativ kann die Gleitkontakttemperatur beispielsweise auch auf Grundlage relativer Werte bestimmt werden, die sich aus dem Seebeck-Effekt ergeben. Dabei wird der Umstand genutzt, dass sich die aufgrund des Seebeck-Effektes einstellende Spannung linear von der Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktbereichen der Materialien abhängt. Aus diesem Grund ist die Kenntnis der Seebeck-Koeffizienten des ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Körpers nicht notwendig, um die sich aufgrund des Seebeck-Effektes aus der gemessenen Spannung ergebende Gleitkontakttemperatur zu bestimmen. Eine solche Methode bietet sich beispielweise insbesondere für die Bestimmung der Gleitkontakttemperatur bei Gleitkontaktelementen an, bei denen einer des ersten oder zweiten elektrisch leitfähigen Körpers eine hohe und der andere des ersten oder zweiten elektrisch leitfähigen Körpers eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Beispielsweise kann bei dieser Methode einer der beiden elektrisch leitfähigen Körper aus einem Kunststoffverbundmaterial niedriger Wärmeleitfähigkeit bestehen (beispielsweise eine Gleitlagerbuchse eines als Gleitlager ausgebildeten Gleitkontaktelementes) und der andere elektrisch leitfähige Körper aus Stahl oder einem sonstigen Metall oder einer Metalllegierung hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen (beispielsweise eine Welle eines als Gleitlager ausgebildeten Gleitkontaktelementes). Nach einer solchen Methode kann beispielsweise durch eine erste Messung bestimmt werden, welche elektrische Spannung sich zwischen der ersten und zweiten Kontaktstelle einstellt, wenn der erste elektrisch leitfähige Körper auf eine bestimmte Temperatur gebracht wird. Durch eine zweite Messung kann zum weiteren bestimmt werden, welche elektrische Spannung sich zwischen der ersten und zweiten Kontaktstelle einstellt, wenn der zweite elektrisch leitfähige Körper auf eine bestimmte Temperatur gebracht wird. Schließlich kann durch eine dritte Messung im Betriebszustand des Gleitkontaktelementes die Temperatur des elektrisch leitfähigen Körpers mit der höheren Wärmeleitfähigkeit in unmittelbarer Nähe zum Gleitkontakt bestimmt werden, beispielsweise mittels Infrarot-Messverfahren. Die sich für die erste und zweite Messung jeweils ergebenden Werte für Spannung und Temperaturdifferenz zwischen der ersten und zweiten Kontaktstelle liegen in einem Koordinatensystem auf einer Geraden. Diese Gerade beschreibt eine Funktion, die die Abhängigkeit der Spannung zwischen der ersten und zweiten Kontaktstelle von der Temperaturdifferenz zwischen der Gleitkontakttemperatur im Betriebszustand des Gleitkontaktelementes und der durch die dritte Messung gemessenen Temperatur in unmittelbarer Nähe zum Gleitkontakt ergibt. Durch Messung der elektrischen Spannung zwischen der ersten und zweiten Kontaktstelle im Betriebszustand des Gleitkontaktelementes ist damit unmittelbar die Gleitkontakttemperatur bestimmbar. Ein Vorteil dieser Methode liegt insbesondere auch darin, dass für die Bestimmung der Gleitkontakttemperatur die Kenntnis der Seebeck-Koeffizienten des ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Körpers nicht notwendig ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Gleitkontaktelement handelt es sich um ein ungeschmiertes Gleitlager, bei dem zwei elektrisch leitfähige Körper über einen ungeschmierten Gleitkontakt miteinander in Verbindung stehen und im Betriebszustand entlang des Gleitkontaktes aufeinander gleiten.
Der erste und/oder der zweite elektrisch leitfähige Körper können nach einer bevorzugten Ausführungsform als elektrisch leitfähige Verbundwerkstoffe ausgebildet sein. Verbundwerkstoffe umfassen insbesondere ein Matrixmaterial, in das Füllstoffe eingebettet sind. Verbundwerkstoffe sind insbesondere auch in Form von Faserverbundwerkstoffen bekannt, bei denen Verstärkungsfasern in das Matrixmaterial eingebettet sind. Das Matrixmaterial bei Faserverbundwerkstoffen kann insbesondere ein Kunststoff, also insbesondere ein Polymerwerkstoff sein. Da entsprechende Kunststoffe in der Regel nicht elektrisch leitend sind beziehungsweise einen elektrischen Isolator darstellen, sind auch Faserverbundwerkstoffe auf Basis einer Kunststoffmatrix, in die Verstärkungsfasern eingebettet sind, in der Regel nicht elektrisch leitend. Erfindungsgemäß kann daher insbesondere vorgesehen sein, dass der erste und/oder der zweite elektrisch leitfähige Körper als Verbundwerkstoff ausgebildet sind, insbesondere als Faserverbundwerkstoff, der aus einer Matrix, insbesondere aus einer Kunststoffmatrix gebildet ist, in die elektrisch leitfähige Füllstoffe, insbesondere elektrisch leitfähige Faser, eingebettet sind. Erfindungsgemäß ist ein entsprechend ausgebildeter Verbundwerkstoff derart ausgebildet, dass er auf Grund der eingebetteten elektrisch leitfähigen Füllstoffe insgesamt elektrisch leitfähig ist.
Die in die Matrix des elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffes eingelagerten elektrisch leitfähigen Füllstoffe können grundsätzlich in Form eines oder mehrerer verschiedener elektrisch leitfähiger Werkstoffe vorliegen. Beispielsweise kann in den als elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff ausgebildeten ersten und/oder zweiten elektrisch leitfähigen Körper wenigstens ein elektrisch leitfähiger Füllstoff in Form eines der folgenden elektrisch leitfähigen Stoffe eingebettet sein: Kohlenstoff, Stahl oder Kupfer.
Bei den elektrisch leitfähigen Füllstoffen, die in die Matrix des Verbundwerkstoffes eingebettet sein können, kann es sich insbesondere um mikro- oder nanoskalige elektrisch leitfähige Füllstoffstoffe handeln. Beispielsweise können die elektrisch leitfähigen Füllstoffe in Form von Fasern, Körnern, Plättchen oder einen sonstigen Partikelform oder in Mischungen hieraus vorliegen. Soweit elektrisch leitfähige Füllstoffe in Form von Kohlenstoff vorliegen, kann es sich beispielsweise um Füllstoffe in Form von Kohlenstoff-Nanoröhren („Carbon Nano Tubes”, CNT), Kohlenstofffasern, Graphit oder Ruß, insbesondere Hochleistungsruß handeln. Kohlenstofffasern können insbesondere auch in Form von kurzen Kohlenstofffasern vorliegen („Short Carbon Fibres”, SCF).
In einen als Verbundwerkstoff ausgebildeten ersten und/oder zweiten elektrisch leitfähigen Körper können beispielsweise noch andere Komponenten eingebettet sein, beispielsweise andere Füllstoffe, Verstärkungsstoffe oder eingebettete Festschmierstoffe.
Am Gleitkontakt kontaktieren sich der erste und zweite elektrisch leitfähige Körper derart, dass sie dort gleitend zueinander bewegbar sind beziehungsweise aufeinander gleitend gegeneinander bewegbar sind. In jedem Fall ist der Gleitkontakt ungeschmiert, also trocken, so dass sich der erste und zweite elektrisch leitfähige Körper am Gleitkontakt unmittelbar, also ohne zwischengeschaltete Schmier- oder Gleitmittel, kontaktieren.
Bei dem als ungeschmiertes Gleitlager ausgebildeten Gleitkontaktelement ist der erste leitfähige Körper als Welle und der zweite leitfähige Körper als Gleitlagerbuchse ausgebildet. Dabei ist der Gleitkontakt im Bereich des Lagerspaltes ausgebildet, an dem sich die Welle und die Gleitlagerbuchse derart kontaktieren, dass sie dort aufeinander gleitend gegeneinander bewegbar sind. Ein Gleitkontaktelement in Form eines Gleitlagers kann insbesondere als Radiallager ausgebildet sein, bei dem die Welle drehbar in der Gleitlagerbuchse des Gleitlagers gelagert ist. Im Betriebszustand des Gleitlagers dreht sich die Welle in der Gleitlagerbuchse, so dass die Gleitlagerbuchse und die Welle im Bereich des Glutkontaktes aufeinander gleiten beziehungsweise gegeneinander reiben.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein als Gleitlager ausgebildetes, erfindungsgemäßes Gleitkontaktelement in Form eines ungeschmierten Kunststoffgleitlagers ausgebildet. Ungeschmierte Kunststoffgleitlager weisen Gleitlagerbuchsen aus speziellen Kunststoffen auf, in denen eine Welle gelagert ist. Teilweise kann auch die Welle aus Kunststoffen ausgebildet sein. Soweit ein erfindungsgemäßes Gleitkontaktelement in Form eines Kunststoffgleitlagers ausgebildet ist, kann insbesondere die Gleitlagerbuchse, gegebenenfalls auch die darin gelagerte Welle, als Verbundwerkstoff, wie zuvor beschrieben, ausgebildet sein. Alternativ kann die Welle eines Kunststoffgleitlagers aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet sein, beispielsweise aus Stahl.
Um die Gleitkontakttemperatur durch das erfindungsgemäße Gleitkontaktelement bestimmen zu können, müssen der erste und zweite elektrisch leitfähige Körper Seebeck-Koeffizienten mit unterschiedlichen Werten beziehungsweise mit einer unterschiedlichen Höhe aufweisen. Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich die Höhe des Wertes des Seebeck-Koeffizienten des ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Körpers wenigstens um den Faktor 1,2 also beispielsweise auch wenigstens um den Faktor 2, 3 oder 5 voneinander unterscheiden.
Erfindungsgemäß kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Werte der Seebeck-Koeffizienten des ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Körpers über das Volumen des ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Körpers im Wesentlichen gleich bleibend sind, da hierdurch eine besonders genaue Bestimmung der Gleitkontakttemperatur möglich ist.
Bei der Spannungsmessvorrichtung kann es sich grundsätzlich um eine beliebige Vorrichtung zur Messung der elektrischen Spannung handeln. Die Spannungsmessvorrichtung ist derart ausgebildet, dass durch diese die elektrische Spannung zwischen einer ersten Kontaktstelle am ersten elektrisch leitfähigen Körper und einer zweiten Kontaktstelle am zweiten elektrisch leitfähigen Körper messbar ist. Zur elektrischen Kontaktierung der ersten und zweiten Kontaktstelle kann die Spannungsmessvorrichtung über Kontaktmittel elektrisch mit der ersten und zweiten Kontaktstelle verbunden sein. Diese Kontaktmittel können zur guten elektrischen Kontaktierung beispielsweise auch zumindest teilweise in den ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Körper eingebettet sein.
Bevorzugt sind die erste und zweite Kontaktstelle jeweils an freien Enden des ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Körpers derart angeordnet. Insbesondere könne die erste und zweite Kontaktstelle derart am ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Körper angeordnet sein dass sie gut erreichbar sind, beispielsweise auch im Betriebszustand des Gleitkontaktelementes. Insbesondere können die erste und zweite Kontaktstelle derart angeordnet sein, dass die Temperatur an der ersten und zweiten Kontaktstelle einfach und zuverlässig bestimmbar ist. Nach einer Ausführungsform können die erste und zweite Kontaktstelle derart angeordnet sein, dass dort Raumtemperatur beziehungsweise Umgebungstemperatur herrscht, also die Temperatur, die in der Umgebung des Gleitkontaktelementes im Betriebszustand des Gleitkontaktelementes herrscht. Die erste und zweite Kontaktstelle sind räumlich getrennt vom Gleitkontakt angeordnet. Hierdurch ist eine Differenz zur Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes im Betriebszustand des Gleitkontaktelementes gewährleistet.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes eines Gleitkontaktelementes in dessen Betriebszustand mit folgenden Schritten:

– Zur Verfügungstellung eines hierin beschriebenen Gleitkontaktelementes;
– Versetzen des Gleitkontaktelementes in den Betriebszustand;
– Messen der elektrischen Spannung zwischen der ersten und zweiten Kontaktstelle durch die Spannungsmessvorrichtung;
– Bestimmen der Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes mittels der gemessenen elektrischen Spannung.

Da die zwischen der ersten und zweiten Kontaktstelle gemessene Spannung direkt von der Gleitkontakttemperatur abhängt, kann die Gleitkontakttemperatur unmittelbar auf Grundlage der durch die Spannungsmessvorrichtung gemessenen Spannung bestimmt werden. Insgesamt kann damit aufgrund des Seebeck-Effektes die Gleitkontakttemperatur aufgrund der durch die Spannungsmessvorrichtung gemessenen Spannung bestimmt werden. Beispielsweise kann die Gleitkontakttemperatur auf Grundlage der durch die Spannungsmessvorrichtung gemessenen Spannung wie oben beschrieben bestimmt werden.
Das Verfahren ist insbesondere auch mit Hilfe des erfindungsgemäßen Gleitkontaktelementes durchführbar, so dass die zum erfindungsgemäßen Gleitkontaktelement gemachten Ausführungen für das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend gelten.
Soweit sich das Gleitkontaktelement im Betriebszustand befindet, bedeutet dies insbesondere, dass der erste und zweite elektrisch leitfähige Körper entlang des Gleitkontaktes, über den sie miteinander in Verbindung stehen, gegeneinander gleiten.
Erfindungsgemäß kann beispielsweise die Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes auf Grundlage der durch die Spannungsmessvorrichtung gemessenen elektrischen Spannung, der Temperatur an der ersten und zweiten Kontaktstelle sowie der Seebeck-Koeffizienten des ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Körpers gemäß der folgenden Formel bestimmt werden:
Dabei ist

T_G: die Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes,
U: die durch die Spannungsmessvorrichtung gemessene elektrische Spannung,
S_K1: der Seebeck-Koeffizient des ersten elektrisch leitfähigen Körpers,
S_K2: der Seebeck-Koeffizient des zweiten elektrisch leitfähigen Körpers,
T_K: die Temperatur an der ersten und zweiten Kontaktstelle.

Die Temperatur T_K an der ersten und zweiten Kontaktstelle kann die Temperatur an der ersten Kontaktstelle oder an der zweiten Kontaktstelle oder, falls diese Temperaturen verschiedenen sind, beispielsweise eine Temperatur zwischen der Temperatur an der ersten und zweiten Kontaktstelle sein, beispielsweise die mittlere Temperatur der ersten und zweiten Kontaktstelle.
Die Bestimmung der Gleitkontakttemperatur durch das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise mit Hilfe einer elektronischen Datenverarbeitungsvorrichtung erfolgen, beispielsweise mit Hilfe eines Computers oder eines Microcontrollers.
Bei manchen Materialien sind deren Seebeck-Koeffizienten abhängig von den Temperaturen der Materialien. Diese Änderung des Seebeck-Koeffizienten mit der Temperatur ist jedoch in der Regel nur gering, so dass die Temperaturabhängigkeit der Seebeck-Koeffizienten in der Regel nicht bestimmt werden muss, da deren Änderung nur einen geringen oder vernachlässigbaren Einfluss auf die Bestimmung der Gleitkontakttemperatur hat. Soweit die Temperaturabhängigkeit der Seebeck-Koeffizienten zu berücksichtigen ist, kann die Gleitkontakttemperatur beispielsweise gemäß der folgenden Formel bestimmt werden:
Das erfindungsgemäße Gleitkontaktelement kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass das erfindungsgemäße Verfahren durch das erfindungsgemäße Gleitkontaktelement durchführbar ist.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur sowie der zugehörigen Figurenbeschreibung.
Sämtlich der hierin zur Erfindung gemachten Merkmale können, einzeln oder in Kombination, beliebig miteinander kombiniert sein.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung wird ein stark schematisiertes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Dabei zeigt
1 eine seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Gleitkontaktelementes, durch das das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
In 1 ist das in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Gleitkontaktelement als ungeschmiertes Gleitlager 1 in Form eines Radiallagers ausgebildet. Der erste elektrisch leitfähige Körper ist als elektrisch leitfähige Welle 3 in Form einer Stahlwelle ausgebildet. Der zweite elektrisch leitfähige Körper ist als Gleitlagerbuchse 5 ausgebildet. Die Gleitlagerbuchse ist als elektrisch leitfähiger Verbundwerkstoff ausgebildet. Dabei sind elektrisch leitfähige Füllstoffe in Form von Metallfasern in eine Kunststoffmatrix eingebettet, so dass der Verbundwerkstoff der Gleitlagerbuchse 5 insgesamt elektrisch leitfähig ist.
Der Seebeck-Koeffizient der Welle 3 einerseits sowie der Gleitlagerbuchse 5 andererseits besitzen unterschiedliche Werte.
Im Lagerspalt stehen die Welle 3 und die Gleitlagerbuchse 5 über einen ungeschmierten Gleitkontakt 7 in Verbindung miteinander. An der Welle 3 ist eine erste Kontaktstelle 11 und an der Gleitlagerbuchse 5 eine zweite Kontaktstelle 13 ausgebildet. Die Kontaktstelle 11 an der Welle 3 ist als Schleifkontakt ausgebildet. Die erste und zweite Kontaktstelle 11, 13 sind beabstandet vom Gleitkontakt 7 angeordnet. Ferner sind die erste und zweite Kontaktstelle 11, 13 derart am Gleitlager 1 angeordnet, dass sie im Betriebszustand des Gleitlagers 3 eine im Wesentlichen gleiche Temperatur aufweisen. Hierzu sind die erste und zweite Kontaktstelle 11, 13 an solchen Stellen der Welle 3 und der Gleitlagerbuchse 5 angeordnet, dass an diesen Stellen beim Betrieb des Gleitlagers 1 Raumtemperatur herrscht. Hierdurch herrscht bei der ersten und zweiten Kontaktstelle 11, 13 im Betriebszustand des Gleitlagers 1 eine im Wesentlichen gleiche Raumtemperatur.
Das Gleitlager 1 umfasst ferner eine Spannungsmessvorrichtung 9, die zur Messung der elektrischen Spannung zwischen der ersten und zweiten Kontaktstelle 11, 13 ausgebildet und angeordnet ist.
Hierdurch ist durch die Spannungsmessvorrichtung 9 die elektrische Spannung zwischen der ersten und zweiten Kontaktstelle 11, 13 messbar.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird mit Hilfe des Gleitlagers 1 wie folgt durchgeführt:
Das Gleitlager 1 wird in den Betriebszustand versetzt. Im Betriebszustand des Gleitlagers 1 ist die Welle 3 drehend in der Gleitlagerbuchse 5 gelagert. Bei Drehung der Welle 3 reiben die Flächen von Welle 3 und Gleitlagerbuchse 5, über die sie im Lagerspalt im Gleitkontakt 7 miteinander stehen, gegeneinander, wodurch sich die Temperatur des Gleitlagers 1 im Bereich des Gleitkontaktes 7 erhöht.
Auf Grund ihres Abstandes vom Gleitkontakt 7 verbleibt die Temperatur der ersten und zweiten Kontaktstelle 11, 13 beim Betrieb des Gleitlagers auf Raumtemperatur.
Auf Grund des Seebeck-Effektes baut sich hierdurch eine elektrische Spannung zwischen der ersten und zweiten Kontaktstelle 11, 13 auf. Diese elektrische Spannung wird durch die Spannungsmessvorrichtung 9 gemessen.
Anschließend wird die Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes 7 mit Hilfe der durch die Spannungsmessvorrichtung 9 gemessenen Spannung bestimmt.
Dabei wird die Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes 7 mittels der folgenden Formel bestimmt:
wobei

T_G: die zu bestimmende Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes 7,
U: die durch die Spannungsmessvorrichtung 9 gemessene elektrische Spannung,
S_K1: der Seebeck-Koeffizient der Welle 3,
S_K2: der Seebeck-Koeffizient der Gleitlagerbuchse 5 und
TK: die Temperatur der ersten und zweiten Kontaktstelle 11, 13 ist.

Im Ausführungsbeispiel beträgt die Temperatur an der ersten und zweiten Kontaktstelle 11, 13 jeweils 293 K (20°C).
Der Seebeck-Koeffizient der Welle 3 beträgt beispielsweise 24 μV/K und der Seebeck-Koeffizient der Gleitlagerbuchse beispielsweise 8 μV/K. Die durch die Spannungsmessvorrichtung 9 gemessene Spannung beträgt 2.000 μV.
Hierdurch erhält man für die Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes 7
also eine Gleitkontakttemperatur in Höhe von 145°C.

Claims

Gleitkontaktelement (1) in Form eines ungeschmierten Gleitlagers, umfassend 1.1 einen ersten elektrisch leitfähigen Körper (3) in Form einer elektrisch leitfähigen Welle und 1.2 einen zweiten elektrisch leitfähigen Körper (5) in Form einer elektrisch leitfähigen Gleitlagerbuchse des Gleitlagers, wobei 1.3 der erste elektrisch leitfähige Körper (3) einen ersten Seebeck-Koeffizienten und 1.4 der zweite elektrisch leitfähige Körper (5) einen zweiten Seebeck-Koeffizienten aufweist, 1.5 wobei der erste und der zweite Seebeck-Koeffizient unterschiedliche Werte besitzen und wobei 1.6 der erste und zweite elektrisch leitfähige Körper (3, 5) über einen ungeschmierten Gleitkontakt (7) miteinander in Verbindung stehen; 1.7 einer ersten Kontaktstelle (11) am ersten elektrisch leitfähigen Körper (3) und 1.8 einer zweiten Kontaktstelle (13) am zweiten elektrisch leitfähigen Körper (5), wobei 1.9 die erste und zweite Kontaktstelle (11, 13) beabstandet vom Gleitkontakt (7) angeordnet sind; 1.10 einer Spannungsmessvorrichtung (9), die zur Messung einer elektrischen Spannung zwischen der ersten und zweiten Kontaktstelle (11, 13) ausgebildet ist.
Gleitkontaktelement (1) nach Anspruch 1, bei dem wenigstens einer der ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Körper (3, 5) aus einem Verbundwerkstoff gebildet ist, in den elektrisch leitfähige Füllstoffe eingebettet sind.
Gleitkontaktelement (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem elektrisch leitfähigen Füllstoff aus einem der folgenden Stoffe: Kohlenstoff, Stahl oder Kupfer.
Verfahren zur Bestimmung der Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes (7) eines Gleitkontaktelementes (1) in dessen Betriebszustand mit folgenden Schritten: 4.1 Zur Verfügungstellung eines Gleitkontaktelement (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche; 4.2 Versetzen des Gleitkontaktelementes (1) in den Betriebszustand; 4.3 Messen einer elektrischen Spannung zwischen der ersten und zweiten Kontaktstelle (11, 13) durch die Spannungsmessvorrichtung (9); 4.4 Bestimmen der Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes (7) mittels der gemessenen elektrischen Spannung.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Temperatur gemäß der folgenden Formel bestimmt wird:
wobei T_G die Temperatur im Bereich des Gleitkontaktes (7), U die durch die Spannungsmessvorrichtung (9) gemessene elektrische Spannung, S_K1 der Seebeck-Koeffizient des ersten elektrisch leitfähigen Körpers (3), S_K2 der Seebeck-Koeffizient des zweiten elektrisch leitfähigen Körpers (5) und T_K die Temperatur der ersten und zweiten Kontaktstelle (11, 13) ist.