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Die Erfindung betrifft eine Lagerungsvorrichtung zum Lagern eines ersten Bauteils an einem zweiten Bauteil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Erfassen von auf ein Lagerelement wirkenden Belastungen.
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Lagerungsvorrichtungen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik, beispielsweise aus dem Serienfahrzeugbau, hinlänglich bekannt. Eine solche Lagerungsvorrichtung dient zum Lagern eines ersten Bauteils an einem zweiten Bauteil, beispielsweise eines Kraftwagens. Hierzu umfasst die Lagerungsvorrichtung wenigstens ein Lagerelement, unter dessen Vermittlung das erste Bauteil an dem zweiten Bauteil relativ zum zweiten Bauteil bewegbar zu lagern bzw. gelagert ist. Das erste Bauteil ist dabei beispielsweise relativ zum zweiten Bauteil translatorisch und/oder rotatorisch, d.h. um eine Drehachse drehbar. Das Lagerelement sorgt bei der Bewegung des ersten Bauteils relativ zum zweiten Bauteil für eine reibungsarme Bewegung, so dass das erste Bauteil besonders einfach, d.h. unter Aufwendung einer nur sehr geringen Energiemenge, bewegt werden kann. Mittels des Lagerelements kann somit die Reibung zwischen den Bauteilen gering gehalten werden, so dass es bei der Relativbewegung zu keiner oder nur zu einer geringfügigen Wärmeentwicklung kommt.
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Bei dem Lagerelement handelt es sich beispielsweise um ein Gleitlagerelement, welches beispielsweise zwei Gleitlagerschalen umfasst. Ferner kann es sich bei dem Lagerelement auch um ein Wälzlager mit Wälzkörpern handeln. Derartige Lagerelemente kommen insbesondere bei der Lagerung einer Welle an einem korrespondierenden Bauteil, beispielsweise in Form eines Kurbelgehäuses einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine zum Einsatz.
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Derartige Lagerelemente unterliegen dabei mechanischen Krafteinwirkungen und/oder anderen Belastungen, welche zur Alterung und Verschleiß des Lagerelements führen. Im Zuge der konstruktiven Auslegung der Lagerungsvorrichtung werden entsprechende und auf empirischen Formeln basierende Berechnungen durchgeführt, um die Lebensdauer des Lagerelements zu berechnen oder abzuschätzen. Diesen Berechnungen werden erwartete Belastungen und insbesondere Belastungskollektive zugrunde gelegt. Ob das Lagerelement in der Praxis dann auch tatsächlich die berechnete Lebensdauer erreicht, hängt stark von den tatsächlich auftretenden Belastungen und somit von den tatsächlichen Einsatzbedingungen ab. Hierbei kann es zu Belastungen kommen, die während der Berechnung nicht unbedingt berücksichtigt wurden. Schmutzige Umgebungsbedingungen, hohe Betriebstemperaturen sowie das Eindringen von Fremdstoffen führen zu einer besonders hohen Lagerbelastung, welche vorher nicht notwendigerweise berücksichtigt wurde.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lagerungsvorrichtung der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Erfassen von auf wenigstens ein Lagerelement wirkenden Belastungen bereitzustellen, mittels welchen sich eine besonders einfache und effektive Überwachung des wenigstens einen Lagerelements realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Lagerungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Lagerungsvorrichtung zum Lagern eines ersten Bauteils an einem zweiten Bauteil, mit wenigstens einem Lagerelement, unter dessen Vermittlung das erste Bauteil an dem zweiten Bauteil relativ zu diesem bewegbar zu lagern ist.
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Zur Realisierung einer besonders einfachen und besonders effektiven Überwachung des Lagerelements ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Lagerungsvorrichtung wenigstens einen magnetoelastischen Sensor zum Erfassen von auf das Lagerelement wirkenden Belastungen umfasst. Mit anderen Worten wird wenigstens ein Sensor verwendet, dessen Funktionsprinzip auf dem magnetoelastischen Prinzip bzw. auf dem magnetoelastischen Effekt beruht. Dadurch ist eine zumindest bezogen auf das Lagerelement kontaktlose oder berührungslose Erfassung der auf das Lagerelement wirkenden Belastungen möglich.
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In der Folge können die tatsächlich während des Betriebs des Lagerelements auftretenden Belastungen erfasst werden. Dadurch können auch solche Belastungen detektiert werden, welche beispielsweise bei einer konstruktiven Auslegung des Lagerelements und einer damit einhergehenden Berechnung nicht berücksichtigt wurden. Somit ist es ferner möglich, das Lagerelement zustandsorientiert und bedarfsgerecht zu warten und/oder zu reparieren und/oder auszutauschen, und zwar bevor es zu einem Versagen des Lagerelements infolge von unerwartet auftretenden Belastungen kommt. Dadurch können auch Folgeschäden wie beispielsweise Beschädigungen der Bauteile vermieden werden.
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Wird mittels des magnetoelastischen Sensors beispielsweise erfasst, dass die tatsächlich auf das Lagerelement wirkenden Belastungen höher als die berechneten Belastungen sind, so kann eine Wartungsstrategie derart angepasst werden, dass das Lagerelement häufiger gewartet und/oder beispielsweise mit einer höheren Menge an Schmiermittel versorgt wird als es bei demgegenüber geringeren Belastungen der Fall wäre. Wird beispielsweise mittels des magnetoelastischen Sensors erfasst, dass es gegenüber den berechneten Belastungen tatsächlich zu geringeren Belastungen des Lagerelements kommt, so kann die Wartungsstrategie derart angepasst werden, dass das Lagerelement weniger oft gewartet wird und/oder mit einer geringeren Menge an Schmiermittel versorgt wird als es bei demgegenüber höheren Belastungen der Fall gewesen wäre. Hierdurch ist eine bedarfsgerechte und kostengünstige Wartung des Lagerelements über dessen Lebensdauer realisierbar.
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Infolge der berührungslosen Erfassung der tatsächlich wirkenden Belastungen kann eine beispielsweise vom Sensor ausgehende Beeinflussung des Lagerelements und der Lagerungsvorrichtung insgesamt vermieden werden. Mit anderen Worten führt die Verwendung des magnetoelastischen Sensors und die dadurch realisierte, berührungslose Erfassung der Belastungen gegenüber einer Lagerungsvorrichtung, bei welcher ein solcher berührungsloser Sensor nicht verwendet wird, nicht zur Veränderung der Lagerungsbedingungen, so dass mittels der Lagerungsvorrichtung eine besonders vorteilhafte und insbesondere reibungsarme Lagerung der Bauteile realisierbar ist. Insbesondere führt die Verwendung des magnetoelastischen Sensors nicht zu einer Erhöhung der durch den Sensor zu erfassenden Belastungen im Vergleich zu einer Lagerungseinrichtung ohne einen solchen Sensor.
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Darüber hinaus ist es möglich, die Belastungen, insbesondere in Form von mechanischen Kraftbeanspruchungen, auf besonders bauraumgünstige Weise mittels des wenigstens einen magnetoelastischen Sensors zu ermitteln. Dadurch kann der Bauraumbedarf der Lagerungsvorrichtung insgesamt besonders gering gehalten werden.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Lagerungsvorrichtung dazu ausgelegt, das erste Bauteil am zweiten Bauteil um eine Drehachse relativ zu dem zweiten Bauteil drehbar zu lagern. Mit anderen Worten ist das erste Bauteil unter Vermittlung des Lagerelements um eine Drehachse relativ zu dem zweiten Bauteil drehbar am zweiten Bauteil gelagert bzw. zu lagern. Dabei umfasst die Lagerungsvorrichtung wenigstens drei in Drehrichtung des ersten Bauteils um die Drehachse gleichmäßig verteilt angeordnete magnetoelastische Sensoren zum Erfassen von auf das Lagerelement wirkenden Belastungen. Sind beispielsweise genau drei magnetoelastische Sensoren vorgesehen, so sind diese paarweise in Drehrichtung 120° voneinander beabstandet. Hierdurch ist es möglich, eine radiale Kraftverteilung, d.h. die Verteilung von in radialer Richtung und somit senkrecht zur Drehachse wirkenden Kräften zu bestimmen und somit Krafteinwirkungen bzw. Stellen des Lagerelements, an denen besonders hohe Belastungen auf das Lagerelement wirken, zu ermitteln. Diese Ermittlung kann beispielsweise dazu verwendet werden, Lagerungs- und Betriebsbedingungen der Bauteile zu bestimmen und somit Rückschlüsse auf ein vorliegendes Lastkollektiv ziehen zu können. Diese Informationen können beispielsweise dann dazu verwendet werden, die Lagerung des ersten Bauteils am zweiten Bauteil entsprechend anzupassen, um lokal auf das Lagerelement wirkende Belastungsspitzen zu vermeiden.
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Der wenigstens eine magnetoelastische Sensor eignet sich besonders gut, um auf ein Wälzlager als das Lagerelement wirkende Belastungen zu erfassen. Mit anderen Worten ist es bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Lagerelement als Wälzlager mit Wälzkörpern ausgebildet ist. Die Erfassung von tatsächlich auf ein Wälzlager wirkenden Belastungen ist besonders wichtig, da das Wälzlager zwar eine besonders reibungsarme Lagerung des ersten Bauteils am zweiten Bauteil ermöglicht, jedoch auch insbesondere im Vergleich zu Gleitlagern einen hohen Wartungsbedarf aufweist bzw. im Vergleich zu Gleitlagerelementen anfälliger gegenüber unerwartet auftretenden Belastungen ist.
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Darüber hinaus ist es mittels des wenigstens einen magnetoelastischen Sensors möglich, durch entsprechende Kalibrierung des wenigstens einen magnetoelastischen Sensors oder eines den wenigsten einen magnetoelastischen Sensor umfassenden Messsystems die Wälzkörper des Wälzlagers zu zählen, d.h. die Anzahl an Wälzkörpern des Wälzlagers zu ermitteln. Die ermittelte Anzahl kann mit einer Soll-Anzahl verglichen werden, so dass anhand dieses Vergleichs beispielsweise darauf rückgeschlossen werden kann, ob es zu einem Verlust eines Wälzkörpers gekommen ist. Ferner ist es möglich, die Wälzkörper zu identifizieren und/oder die Drehzahl der Wälzkörper und somit des sich um die Drehachse relativ zum zweiten Bauteil drehenden, ersten Bauteils zu ermitteln.
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Außerdem ist es möglich, etwaige, während der Betriebsdauer auftretende Veränderungen an einzelnen Wälzkörpern zu bestimmen und beispielsweise durch entsprechende Software-Algorithmen Vorhersagen über ihre Lebensdauer, d.h. über ihre zukünftige Entwicklung, zu treffen. Beispielsweise ermöglicht eine zeitaufgelöste Messung von inneren mechanischen Spannungen der Wälzkörper, die einzelnen Wälzkörper mit mechanischen Veränderungen zu detektieren. Dazu wird beispielsweise ein die mechanischen Spannungen charakterisierendes Spannungssignal mit einem Soll-Signal verglichen, wobei das Soll-Signal einen unbeschädigten Soll-Zustand der Wälzkörper charakterisiert. Anhand des Vergleichs können Abweichungen von dem Soll-Zustand ermittelt und gegebenenfalls den einzelnen Wälzkörpern zugeordnet werden.
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Diese Abweichung kann ferner mit der Betriebsdauer in Verhältnis gesetzt werden, so dass dadurch ermittelt werden kann, in welcher Zeit es zu der Veränderung gekommen ist. Darüber hinaus kann das Maß der Veränderung ermittelt werden, so dass in der Folge ein Verschleißmaß für die einzelnen Wälzkörper ermittelt werden kann. Dieses Verschleißmaß charakterisiert, wie stark die Wälzkörper belastet werden bzw. in welcher Zeit sich die Wälzkörper wie stark verändert haben. Die Veränderung der Wälzkörper ist somit nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ ermittelbar.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das Wälzlager einen Lagerkäfig, mittels welchem die Wälzkörper voneinander beabstandet sind. Hierdurch können unerwünschte Kontakte der Wälzlager vermieden werden. Darüber hinaus ist es so möglich, die einzelnen Wälzkörper mittels des wenigstens einen magnetoelastischen Sensors präzise erfassen zu können.
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Um zu verhindern, dass die Ermittlung des Zustands der Wälzkörper, d.h. die Erfassung der auf die Wälzkörper wirkenden Belastungen nicht beeinträchtigt wird, hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der Lagerkäfig aus einem nicht-ferromagnetischen Werkstoff gebildet ist.
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Ein besonderer Aufbau der Lagerungsanordnung ist realisierbar, wenn das Wälzlager einen Lageraußenring als ersten Lagerring und einen Lagerinnenring als zweiten Lagerring umfasst, an welchen die Wälzkörper bei einer Bewegung des ersten Bauteils relativ zum zweiten Bauteil abwälzen, wobei der magnetoelastische Sensor wenigstens ein Spulenelement mit einer Spule und einem zumindest teilweise in der Spule angeordneten Kernelement umfasst, welches in zumindest bereichsweiser Überdeckung mit den Lagerringen angeordnet ist.
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Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Kernelement eine U-Form mit zwei über einen Steg der U-Form miteinander verbundenen Schenkeln aufweist, wobei die Schenkel in zumindest bereichsweiser Überdeckung mit den Lagerringen angeordnet sind. Mit anderen Worten schließen die Schenkel an die Lagerringe an, wobei die Schenkel von den Lagerringen beabstandet angeordnet sein können. Hierdurch ist es darüber hinaus möglich, die auf das Lagerelement wirkenden Belastungen besonders präzise erfassen zu können.
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Um den Bauraumbedarf und das Gewicht der Lagerungsanordnung in einem besonders geringen Rahmen zu halten, ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Kernelement die Lagerringe umfasst. Mit anderen Worten werden die Lagerringe zumindest als Teil des Kernelements und somit dazu genutzt, durch den magnetoelastischen Sensor bewirkte Magnetfeldlinien zu führen. Dadurch ist es möglich, ein gegebenenfalls zusätzlich zu den Lagerringen vorgesehenes Kernteil des Kernelements zumindest im Wesentlichen stabförmig auszugestalten, wobei das Kernteil zumindest in einem Teilbereich in der Spule angeordnet ist. Ferner ist das Kernteil jeweils in zumindest teilweiser Überdeckung mit den Lagerringen angeordnet. Hierdurch ist ein besonders kompakter Aufbau darstellbar.
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Ein besonders kompakter Aufbau ist realisierbar, wenn der magnetoelastische Sensor in radialer Richtung des Wälzlagers zumindest bereichsweise zwischen den Lagerringen angeordnet ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst der magnetoelastische Sensor eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Spulen, wobei wenigstens eine der Spulen als Sendespule zum Erzeugen eines magnetischen Felds und wenigstens eine andere der Spulen als Empfangsspule zum Erfassen des magnetischen Felds ausgebildet ist. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass wenigstens zwei der Spulen als Empfangsspulen ausgebildet sind. Hierdurch ist es möglich, auf das Lagerelement wirkende Belastungen an zwei voneinander unterschiedlichen und voneinander beabstandeten Stellen des Lagerelements, beispielsweise der Wälzkörper, zu erfassen, um so besonders präzise Aussagen über die Belastung des Lagerelements erhalten zu können.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von auf wenigstens ein Lagerelement einer Lagerungsvorrichtung zum Lagern eines ersten Bauteils an einem zweiten Bauteil wirkenden Belastungen. Bei dem Verfahren wird das Lagerelement verwendet, um unter dessen Vermittlung das erste Bauteil an dem zweiten Bauteil relativ zum zweiten Bauteil bewegbar zu lagern. Mit anderen Worten kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die erfindungsgemäße Lagerungsvorrichtung verwendet werden.
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Bei dem Verfahren werden auf das Lagerelement wirkende Belastungen mittels wenigstens eines magnetoelastischen Sensors der Lagerungsvorrichtung erfasst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lagerungsvorrichtung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, auf das Lagerelement wirkende Belastungen besonders präzise und insbesondere berührungslos zu erfassen, ohne dass diese Erfassung die Lagerungsbedingungen für die Bauteile beeinträchtigt. Darüber hinaus können tatsächlich auftretende und beispielsweise bei einer konstruktiven Auslegung der Lagerungsvorrichtung nicht berücksichtigte, auf das Lagerelement wirkende Belastungen erfasst und beispielsweise mit einem erwarteten Soll-Zustand verglichen werden, um dann in der Folge beispielsweise eine Wartungsstrategie für das Lagerelement an die tatsächlich auftretenden Belastungen anpassen zu können.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer Lagerungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zum Lagern eines ersten Bauteils an einem zweiten Bauteil, mit einem Lagerelement in Form eines Wälzlagers, unter dessen Vermittlung das erste Bauteil an dem zweiten Bauteil relativ zu diesem bewegbar zu lagern ist, wobei wenigstens ein magnetoelastischer Sensor zum Erfassen von auf das Lagerelement wirkenden Belastungen vorgesehen ist;
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2 eine schematische und geschnittene Vorderansicht der Lagerungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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3 zwei zeitliche Verläufe von die erfassten Belastungen charakterisierenden Belastungssignalen, wobei eines der Belastungssignale einen unbeschädigten Soll-Zustand des Lagerelements und das andere Belastungssignal einen davon abweichenden Zustand des Lagerelements charakterisiert;
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4 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Lagerungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
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5 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Lagerungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform;
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6 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Lagerungsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform; und
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7 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Lagerungsvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Lagerungsvorrichtung zum Lagern eines ersten Bauteils 12 an einem zweiten Bauteil 14 gemäß einer ersten Ausführungsform. Bei dem ersten Bauteil 12 handelt es sich beispielsweise um eine Welle, welche um eine Drehachse 16 relativ zum zweiten Bauteil 14 drehbar am zweiten Bauteil 14 gelagert ist. Die Welle kann dabei eine Abtriebswelle eines Aggregats sein. Die Welle ist beispielsweise als Kurbelwelle einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet. Bei dem zweiten Bauteil 14 kann es sich um ein Gehäuse des Aggregats, insbesondere um ein Kurbelgehäuse der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine handeln.
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Die Lagerungsvorrichtung 10 umfasst wenigstens ein Lagerelement in Form eines Wälzlagers 18, unter dessen Vermittlung das erste Bauteil 12 um die Drehachse 16 relativ zum zweiten Bauteil 14 drehbar am zweiten Bauteil 14 gelagert ist. Zur Realisierung einer steifen Lagerung des ersten Bauteils 12 am zweiten Bauteil 14 ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Lagerungsvorrichtung 10 wenigstens ein weiteres, vom Wälzlager 18 beabstandet angeordnetes Lagerelement insbesondere in Form eines weiteren Wälzlagers umfasst.
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Das Wälzlager 18 umfasst einen Lageraußenring 20, welcher in einer Lageraufnahme 23 des zweiten Bauteils 14 aufgenommen ist. Der Lageraußenring 20 ist beispielsweise durch einen Presssitz mit dem zweiten Bauteil 14 verbunden.
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Das Wälzlager 18 umfasst darüber hinaus einen mit dem Lageraußenring 20 korrespondierenden Lagerinnenring 22, welcher den Lageraußenring 20 in radialer Richtung des Wälzlagers 18 nach innen hin zumindest bereichsweise überdeckt und in einem außenumfangsseitigen Teilereich 24 des ersten Bauteils 12 auf diesem angeordnet ist. Hierbei ist der Lagerinnenring 22 beispielsweise mittels eines Presssitzes mit dem ersten Bauteil 12 verbunden.
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Das Wälzlager 18 umfasst auch eine Mehrzahl von Wälzkörpern 26, welche in um die Drehachse 16 verlaufender Umfangsrichtung des Wälzlagers 18 aufeinanderfolgend angeordnet sind und über die sich der Lagerinnenring 22 am Lageraußenring 20 abstützen kann bzw. umgekehrt.
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Die Wälzkörper 26 sind vorliegend als Zylinder ausgebildet, so dass das Wälzlager 18 als Zylinderrollenlager ausgebildet ist. Das zuvor und im Folgenden zum als Zylinderrollenlager ausgebildeten Wälzlager 18 kann jedoch auch ohne weiteres auf anderweitige Arten von Wälzlagern übertragen werden. Insbesondere ist die Verwendung von Kugelrollenlagern denkbar. Mittels des Wälzlagers 18 ist eine besonders reibungsarme Lagerung des ersten Bauteils 12 am zweiten Bauteil 14 realisierbar, so dass das erste Bauteil 12 mit einem nur sehr geringen Energieaufwand um die Drehachse 16 relativ zum zweiten Bauteil 14 gedreht werden kann.
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Zur Realisierung einer hohen Lebensdauer der Lagerungsvorrichtung 10 und somit der Lagerung des ersten Bauteils 12 am zweiten Bauteil 14 insgesamt wird die Lagerungsvorrichtung 10 im Rahmen ihrer konstruktiven Auslegung an erwartet auftretende und auf das Wälzlager 18 wirkende Belastungen insbesondere hinsichtlich der Abmessungen des Wälzlagers 18 angepasst. Dazu werden die erwartet auftretenden Belastungen wenigstens einer entsprechenden Berechnungsmethode zugrunde gelegt.
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Anhand eines Kraftpfeils F sind in 1 die während des Betriebs tatsächlich auftretenden und auf das Wälzlager 18 wirkenden Belastungen veranschaulicht. Diese tatsächlich wirkenden Belastungen können von den der Auslegung zugrunde gelegten, erwartet auftretenden Belastungen abweichen und beispielsweise größer als die erwartet auftretenden Belastungen sein, so dass das Wälzlager 18 tatsächlich stärker als erwartet belastet wird.
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Um derartige Abweichungen bzw. die tatsächliche Belastung des Wälzlagers 18 auf bauraum- und gewichtsgünstige Weise besonders präzise erfassen zu können, umfasst die Lagerungsvorrichtung 10 wenigstens einen magnetoelastischen Sensor 28. Wie aus 1 erkennbar ist, ist der magnetoelastische Sensor 28 in radialer Richtung des Wälzlagers 18 zwischen dem Lagerinnenring 22 und dem Lageraußenring 20 angeordnet. Mit anderen Worten wird der magnetoelastische Sensor 28 in radialer Richtung nach innen zumindest teilweise und vorliegend vollständig durch den Lagerinnenring 22 und in radialer Richtung nach außen zumindest teilweise und vorliegend vollständig durch den Lageraußenring 20 überdeckt.
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Darüber hinaus wird der magnetoelastische Sensor 28 in axialer Richtung durch die jeweiligen Wälzkörper 26 zumindest teilweise und vorliegend vollständig zumindest zeitweise überdeckt. Dies bedeutet, dass die Wälzkörper 26 den magnetoelastischen Sensor 28 zumindest teilweise und zumindest dann überdecken, wenn sich das erste Bauteil 12 relativ zum zweiten Bauteil 14 um die Drehachse 16 dreht, wobei die Wälzkörper 26 an jeweiligen Laufflächen 30, 32 des Lageraußenrings 20 bzw. des Lagerinnenrings 22 abwälzen.
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Durch diese Integration des magnetoelastischen Sensors 28 in das Wälzlager 18 ist es möglich, insbesondere mechanische Beanspruchungen des Wälzlagers 18 und insbesondere der Wälzkörper 26 zu detektieren, ohne dabei den Lageraußenring 20 oder den Lagerinnenring 22 verändern, d.h. an die Erfassung der Belastungen anpassen zu müssen. Durch die Positionierung des magnetoelastischen Sensors 28 in Rotationsrichtung des Wälzlagers 18 bzw. der Wälzkörper 26 können insbesondere senkrecht zur Drehachse 16 wirkende und durch den Kraftpfeil F veranschaulichte Belastungen und insbesondere Kraftverteilungen bestimmt werden. Damit können während des Betriebs Aussagen hinsichtlich der Lebensdauer, insbesondere der zu erwartenden Lebensdauer, getroffen werden. In der Folge können Servicemaßnahmen, d.h. Maßnahmen zur Wartung der Lagerungsvorrichtung 10, zustandsorientiert und somit bedarfsgerecht vorgenommen werden, da die Servicemaßnahmen an die tatsächlich auftretenden und erfassten Belastungen angepasst werden können.
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Darüber hinaus weist die Lagerungsvorrichtung 10 durch die Anordnung des magnetoelastischen Sensors 28 zwischen dem Lagerinnenring 22 und dem Lageraußenring 20 einen besonders kompakten Aufbau auf.
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Der magnetoelastische Sensor 28 ermöglicht eine bezogen auf das Wälzlager 18 berührungslose Erfassung der auf das Wälzlager 18 wirkenden Belastungen. Bohrungen, Fräsungen und/oder anderweitige Bearbeitungen des Lagerinnenrings 22 und des Lageraußenrings 20 und damit einhergehende, mechanische Schwächungen dieser können vermieden werden. Mit anderen Worten beeinträchtigt die mittels des magnetoelastischen Sensors 28 realisierte Erfassung der Belastungen nicht die Lagerungsbedingungen für die Bauteile 12, 14. Auch kann eine Beeinträchtigung der Lebensdauer des Wälzlagers 18 vermieden werden.
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Der magnetoelastische Sensor 28 ist vorliegend in axialer Richtung an einer Stirnseite der jeweiligen Wälzkörper 26 angeordnet. Werden als Wälzkörper 26 beispielsweise Kugeln verwendet, so ist es möglich, den magnetoelastischen Sensor 28 an eine jeweilige Kugeloberfläche senkrecht zur Rollbewegung zu positionieren. Somit können senkrecht zur mit der Drehachse 16 zusammenfallenden Rollachse auftretende Krafteinwirkungen direkt detektiert werden.
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2 zeigt die Lagerungsvorrichtung 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Wie aus 2 erkennbar ist, umfasst die Lagerungsvorrichtung 10 gemäß der zweiten Ausführungsform drei magnetoelastische Sensoren 28 zum Erfassen von auf das Wälzlager 18 und insbesondere die Wälzkörper 26 wirkenden Belastungen. Diese zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse 16 wirkenden Belastungen sind in 2 anhand von Kraftpfeilen F veranschaulicht. Die auf das Wälzlager 18 wirkenden Kräfte bzw. Belastungen können dabei auch weitere, nicht senkrecht zur Drehachse 16 verlaufende Kraftkomponenten aufweisen.
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Wie aus 2 erkennbar ist, sind die magnetoelastischen Sensoren 28 in Drehrichtung des ersten Bauteils 12 um die Drehachse 16 relativ zum zweiten Bauteil 14 gleichmäßig verteilt angeordnet. Da bei der Lagerungsvorrichtung 10 gemäß der zweiten Ausführungsform drei magnetoelastische Sensoren verwendet werden, sind die magnetoelastischen Sensoren 28 paarweise um 120° voneinander beabstandet. Hierdurch ist es möglich, in Umfangsrichtung des Wälzlagers 18 über das gesamte Wälzlager eine Verteilung der auf das Wälzlager 18 wirkenden Belastungen bzw. Kräfte zu ermitteln. Insbesondere ist es dadurch möglich, Stellen zu ermitteln, an denen im Vergleich zu davon unterschiedlichen Stellen höhere Belastungen auf das Wälzlager 18 wirken. Mit anderen Worten ist es dadurch möglich, lokale Belastungsspitzen zu ermitteln, so dass die Lagerungsvorrichtung 10 bzw. die Lagerung des ersten Bauteils 12 am zweiten Bauteil 14 insgesamt derart angepasst werden kann, dass derartige, lokale Belastungsspitzen vermieden werden.
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Gemäß der zweiten Ausführungsform werden als Wälzkörper 26 Kugeln verwendet, welche beim Drehen des ersten Bauteils 12 relativ zum zweiten Bauteil 14 um die Drehachse 16 einerseits an der Lauffläche 30 des Lageraußenrings 20 und andererseits an der Lauffläche 32 des Lagerinnenrings 22 abwälzen.
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Das Wälzlager 18 kann wenigstens einen in 1 und 2 nicht dargestellten Lagerkäfig umfassen, mittels welchem die Wälzkörper 26 in Umfangsrichtung, d.h. in Drehrichtung des Wälzlagers 18, voneinander beabstandet sind. Der Lagerkäfig ist dabei aus einem nicht-ferromagnetischen Werkstoff gebildet, um so die mittels des wenigstens einen magnetoelastischen Sensors 28 bewirkte Erfassung der auf das Wälzlager 18 wirkenden Belastungen nicht zu beeinträchtigen.
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3 zeigt zwei Diagramme 34, 36, auf deren jeweiliger Abszisse 38 die Zeit t aufgetragen ist. Auf der jeweiligen Ordinate 40 ist die mittels des wenigstens einen magnetoelastischen Sensors 28 erfasste, auf das Wälzlager 18 wirkende Belastung aufgetragen.
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In das jeweilige Diagramm 34, 36 ist ein zeitlicher Verlauf 42, 44 eines Belastungssignals eingetragen. Das Belastungssignal charakterisiert dabei die mittels des wenigstens eines magnetoelastischen Sensors 28 erfassten und somit tatsächlich auf das Wälzlager 18 und insbesondere auf die Wälzkörper 26 wirkenden Belastungen.
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Der zeitliche Verlauf 42 des Belastungssignals charakterisiert dabei einen unbeschädigten Soll-Zustand der Wälzkörper 26. Wie aus 3 erkennbar ist, weist der zeitliche Verlauf 42 eine Wellenform auf, wobei Wellenberge 46, 48, 50, 52 der Wellenform jeweils mit einem der Wälzkörper 26 korrespondieren. Mit anderen Worten charakterisiert der Wellenberg 46 einen ersten der Wälzkörper 26, wobei der Wellenberg 48 einen zweiten der Wälzkörper 26, der Wellenberg 50 einen dritten der Wälzkörper 26 und der Wellenberg 52 einen vierten der Wälzkörper 26 insbesondere hinsichtlich des jeweiligen Zustands des zugehörigen Wälzkörpers 26 charakterisiert.
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Der zeitliche Verlauf 44 des Belastungssignals charakterisiert einen vom Soll-Zustand abweichenden Zustand des Wälzlagers 18 und insbesondere der Wälzkörper 26, welchen die Wälzkörper 26 beispielsweise nach einer hohen Lebensdauer und/oder nach Auftreten besonders hoher Belastungen aufweisen. Wie anhand der Wellenberge 46, 50, 52 erkennbar ist, sind der erste Wälzkörper, der dritte Wälzkörper und der vierte Wälzkörper unbeschädigt. Dies ist der Fall, da die Wellenberge 46, 50, 52 des zeitlichen Verlaufs 44 mit den Wellenbergen 46, 50, 52 des zeitlichen Verlaufs 42 zumindest im Wesentlichen übereinstimmen.
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Der Wellenberg 48 des zeitlichen Verlaufs 44 weicht jedoch deutlich vom Wellenberg 48 des zeitlichen Verlaufs 42 ab. Aufgrund dieser deutlichen Abweichung kann darauf rückgeschlossen werden, dass der zweite Wälzkörper beschädigt ist. Je nach Grad bzw. Schwere der ermittelten Beschädigung kann das Wälzlager 18 beispielsweise noch eine Zeit weiterverwendet werden. Alternativ kann auch ein Austausch bzw. eine Reparatur des Wälzlagers 18 erforderlich sein.
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4 zeigt die Lagerungsvorrichtung 10 gemäß einer dritten Ausführungsform. Aus 4 ist auch der mit 54 bezeichnete Lagerkäfig erkennbar. Der magnetoelastische Sensor 28 umfasst ein Spulenelement 56 mit einer Spule 58 und einem Kernelement 60, welches in einem Teilbereich 62 des Kernelements 60 innerhalb der Spule 58 angeordnet ist. Das Kernelement 60 weist eine U-Form mit zwei voneinander beabstandeten und über einen Steg 64 der U-Form miteinander verbundenen Schenkeln 66, 68 auf, wobei die Schenkel 66, 68 in zumindest bereichsweiser Überdeckung mit dem Lagerinnenring 22 und dem Lageraußenring 20 angeordnet und von diesen beabstandet sind. Mit anderen Worten grenzt der Schenkel 66 in axialer Richtung an den Lagerinnenring 22 an, so dass der Lagerinnenring 22 in axialer Richtung zumindest bereichsweise durch den Schenkel 66 überdeckt ist.
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Analog dazu grenzt der Schenkel 68 in axialer Richtung an den Lageraußenring 20 an, so dass der Lageraußenring 20 in axialer Richtung zumindest bereichsweise durch den Schenkel 68 überdeckt ist. Der Steg 64 der U-Form ist dabei zumindest teilweise und vorliegend zumindest überwiegend in der Spule 58 aufgenommen. Hierdurch ist ein besonders einfacher Aufbau ermöglicht. Darüber hinaus sind die auch in 4 durch Kraftpfeile F veranschaulichten und auf die Wälzkörper 26 wirkenden Belastungen besonders präzise erfassbar.
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5 zeigt die Lagerungsvorrichtung 10 gemäß einer vierten Ausführungsform. Das Kernelement 56 umfasst nun ein zumindest im Wesentlichen stabförmiges Kernteil 70, welches in einem Teilbereich 62 des Kernteils 70 in der Spule 58 aufgenommen und in zumindest bereichsweiser Überdeckung mit dem Lageraußenring 20 und dem Lagerinnenring 22 angeordnet ist. Darüber hinaus umfasst das Kernelement 56 den Lagerinnenring 22 und den Lageraußenring 20. Mit anderen Worten werden der Lagerinnenring 22 und der Lageraußenring 20 als weitere Kernteile des Kernelements 56 genutzt, um einen durch den magnetoelastischen Sensor 28 bewirkten, magnetischen Fluss bzw. magnetische Feldlinien zu führen.
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Da der Lagerkäfig 54 aus einem nicht-ferromagnetischen Werkstoff gebildet ist, beeinflusst er diese Führung nicht. Die Magnetfeldlinien werden dabei über die jeweiligen Wälzkörper 26 gelenkt.
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6 und 7 zeigen die Lagerungsvorrichtung 10 gemäß einer fünften Ausführungsform. Insbesondere bei kleinen Dimensionen des Wälzlagers 18 und insbesondere der Wälzkörper 26, die in der Größenordnung eines Sensorkopfes des magnetoelastischen Sensors 28 liegen, ist es möglich, Kraftverteilungen an den Wälzkörpern 26 so zu messen, dass Empfangsspulen des magnetoelastischen Sensors 28 an den Wälzkörpern 26 positioniert werden, wobei eine Sendespule axialsymmetrisch an der Stirnseite sitzt.
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Gemäß der fünften Ausführungsform weist der magnetoelastische Sensor 28 eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Spulen 72, 74, 76 auf, in denen jeweilige Kernbereiche 78, 80, 82 des Kernelements 56 angeordnet sind. Dabei sind die Spulen 72, 76 als Empfangsspulen ausgebildet, durch welche die Wälzkörper 26 in axialer Richtung zumindest zeitweise überdeckt sind. Mittels der Empfangsspulen werden die auf das Wälzlager 18 und insbesondere die Wälzkörper 26 wirkenden Belastungen erfasst. Durch die Empfangsspulen und die damit korrespondierenden Kernbereiche 78, 82 sind somit die genannten Sensorköpfe des magnetoelastischen Sensors 28 gebildet.
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Die Spule 74 ist als Sendespule ausgebildet, mittels welcher ein magnetisches Feld erzeugbar ist. Das magnetische Feld kann mittels der Empfangsspulen erfasst werden.
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Das magnetische Feld ist in 7 anhand der dort mit 84 bezeichneten Magnetfeldlinien veranschaulicht. Mit anderen Worten ist aus 7 der magnetische Feldlinienverlauf erkennbar, wobei die Magnetfeldlinien 84 ausgehend von der Sendespule und dem damit korrespondierenden Kernbereich 80 über das erste Bauteil 12 und die Wälzkörper 26 und von diesen zur jeweiligen Empfangsspule und den damit korrespondierenden Kernbereichen 78, 82 und wieder zurück zur Sendespule mit dem korrespondierenden Kernbereich 80 verlaufen.
