DE102014204539A1 - Verfahren zur Bestimmung der Vorspannung in einem Wälzlager und Wälzlager - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der Vorspannung in einem Wälzlager und Wälzlager Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Vorspannung in einem Wälzlager (1), wobei das Wälzlager (1) mindestens einen Innenring (2) und mindestens einen Außenring (3) aufweist, wobei Wälzkörper (4) zwischen den Innen- und Außenringen (2, 3) angeordnet sind und wobei zumindest einer der Lagerringe (2, 3) eine Anzahl Bohrungen (5) aufweist, die um den Umfang des Lagerrings (2, 3) verteilt angeordnet sind und den Lagerring (2, 3) durchsetzen. Um die Vorspannung im Lager möglichst genau bestimmen zu können, sieht die Erfindung vor, dass mittels mindestens eines Spannungsaufnehmers (6) die Spannung in Umfangsrichtung (U) gemessen wird, wobei der Spannungsaufnehmer (6) auf dem Außenumfang oder Innenumfang des Lagerrings (2, 3) in Umfangsrichtung (U) ausgerichtet platziert wird und wobei der Spannungsaufnehmer (6) entweder mittig zwischen zwei benachbarten Bohrungen (5) oder mittig über einer Bohrung (5) angeordnet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Wälzlager.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Vorspannung in einem Wälzlager, wobei das Wälzlager mindestens einen Innenring und mindestens einen Außenring aufweist, wobei Wälzkörper zwischen den Innen- und Außenringen angeordnet sind und wobei zumindest einer der Lagerringe eine Anzahl Bohrungen aufweist, die um den Umfang des Lagerrings verteilt angeordnet sind und den Lagerring durchsetzen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Wälzlager.
  • Wälzlager müssen vielfach im Betrieb vorgespannt werden, um eine zufriedenstellende Lagerung zu ermöglichen. Als Beispiel seien Kegelrollenlager einer Windenergieanlage genannt, die mit definierter axialer Vorspannung betrieben werden müssen, um eine hinreichende Gebrauchsdauer zu erreichen. Während ein gewisses Mindestmaß an Vorspannung nicht unterschritten werden darf, ist es mit Blick auf die Lagergebrauchsdauer genauso schädlich, wenn die Vorspannung zu hoch eingestellt ist. Letzteres hat im Übrigen ein zu hohes Reibmoment zur Folge und daher wiederum einen erhöhten Energieverbrauch.
  • Insbesondere bei Großlagern tritt häufig das Problem auf, die tatsächliche Vorspannung im Lager nach der Montage genau zu bestimmen. Der Grund ist hier, dass eine Anzahl von verschiedenen, großen Bauteilen montiert werden muss, wodurch sich Toleranzen aufsummieren können. Weiterhin ergibt sich alleine aufgrund der Größe der Bauteile eine gewisse Unsicherheit betreffend die Lagervorspannung, da hier beispielsweise der Temperatureinfluss besonders groß ist.
  • Eine Möglichkeit zur Bestimmung der Vorspannung ist die Messung des Lagerreibmoments. Aufgrund des gemessenen Wertes besagten Moments kann auf die axiale Vorspannung im Lager rückgeschlossen werden. Allerdings ist es hier nachteilig, dass dieses Verfahren relativ ungenau ist.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie ein entsprechendes Wälzlager vorzuschlagen, mit dem es möglich ist, die Lagervorspannung genauer, aber dennoch in einfacher Weise zu ermitteln.
  • Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Vorspannung im Wälzlager mittels mindestens eines Spannungsaufnehmer die Spannung in Umfangsrichtung gemessen wird, wobei der Spannungsaufnehmer auf dem Außenumfang oder Innenumfang des Lagerrings in Umfangsrichtung ausgerichtet platziert wird und wobei der Spannungsaufnehmer entweder mittig zwischen zwei benachbarten Bohrungen oder mittig über einer Bohrung angeordnet wird.
  • Die Vorspannung im Wälzlager kann dabei ermittelt werden, indem die mit dem Spannungsaufnehmer gemessene Spannung in Umfangsrichtung verglichen wird mit einem gemessenen oder gerechneten und gespeicherten funktionalen Zusammenhang zwischen der Vorspannung im Wälzlager und der Umfangsspannung am oder im Außen- oder Innenumfang des Lagerrings.
  • Eine Fortbildung sieht vor, dass mehrere Spannungsaufnehmer in axiale Richtung hintereinander auf dem Außenumfang oder Innenumfang des Lagerrings platziert werden und die gemessenen Spannungswerte der einzelnen Spannungsaufnehmer gemittelt oder addiert werden.
  • Es können auch mehrere Spannungsaufnehmer in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend auf dem Außenumfang oder Innenumfang des Lagerrings platziert werden und die gemessenen Spannungswerte der einzelnen Spannungsaufnehmer gemittelt oder addiert werden.
  • Das vorgeschlagene Wälzlager, umfassend mindestens einen Innenring und mindestens einen Außenring, wobei Wälzkörper zwischen den Innen- und Außenringen angeordnet sind und wobei zumindest einer der Lagerringe eine Anzahl Bohrungen aufweist, die um den Umfang des Lagerrings verteilt angeordnet sind und den Lagerring durchsetzen, zeichnet sich erfindungsgemäß aus durch mindestens einen Spannungsaufnehmer zur Messung der Spannung in Umfangsrichtung, wobei der Spannungsaufnehmer auf dem Außenumfang oder Innenumfang des Lagerrings in Umfangsrichtung ausgerichtet platziert ist und wobei der Spannungsaufnehmer entweder mittig zwischen zwei benachbarten Bohrungen oder mittig über einer Bohrung angeordnet ist.
  • Der Spannungsaufnehmer kann ein Dehnmessstreifen sein.
  • Es können auch mehrere Spannungsaufnehmer in axiale Richtung hintereinander auf dem Außenumfang oder Innenumfang des Lagerrings platziert sein. Es können diesbezüglich insbesondere drei Spannungsaufnehmer in axiale Richtung hintereinander auf dem Außenumfang oder Innenumfang des Lagerrings platziert sein, wobei ein Spannungsaufnehmer axial mittig und die anderen beiden Spannungsaufnehmer im axialen Endbereich des Lagerrings angeordnet sind.
  • Alternativ oder additiv können auch mehrere Spannungsaufnehmer in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend auf dem Außenumfang oder Innenumfang des Lagerrings platziert sein.
  • Das Wälzlager ist besonders bevorzugt Bestandteil einer Windkraftanlage.
  • Bevorzugt ist das Wälzlager als Kegelrollenlager ausgeführt. Möglich sind aber auch andere Lagertypen, wie beispielsweise Schrägkugellager.
  • Die Bohrungen sind dabei insbesondere im Lageraußenring vorgesehen.
  • Die Messung der Spannung bzw. des Spannungszustands im Lagerring ist als solches problemlos möglich und im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Diesbezüglich wird ausdrücklich auf die US 2006/0243068 A1 Bezug genommen, wo die Mittel und die Verfahrensweise detailliert beschrieben sind, wie der Spannungszustand in einem Wälzlagerring ermittelt werden kann.
  • Die vorliegende Idee stellt also darauf ab, dass ein spezieller Ort für die Platzierung des Spannungsaufnehmers gewählt wird. Es hat sich gezeigt, dass dies von entscheidender Bedeutung ist, um reproduzierbar auf die Vorspannung im Lager schließen zu können bzw. diese mittels des Spannungsaufnehmers zu messen.
  • Demgemäß wird einerseits eine genau mittige Anordnung des Spannungsaufnehmers – gesehen in Umfangsrichtung – zwischen zwei Bohrungen im Lagerring vorgesehen. Alternativ oder additiv kommt die Positionierung radial genau über einer Bohrung in Betracht.
  • Vor allem bei Einsatz mehrerer Spannungsaufnehmer – d. h. Sensoren – zur Messung mit Redundanz ist zu beachten, dass diese immer die gleiche Ausrichtung gegenüber den Bohrungen haben. Wird dies nämlich nicht beachtet, ist die Qualität der Messwerte so schlecht (es gibt dann eine starke Abweichung nicht aufgrund der Messgenauigkeit sondern aufgrund der tatsächlichen Spannungssituation), dass die Messung kaum zu gebrauchen ist.
  • Vorliegend ist es wesentlich, dass die Umfangsspannungen reproduzierbar ermittelt werden und so eine Rückrechnung bzw. ein Rückschluss auf die Aufweitung des Außenringes des Wälzlagers möglich ist. Hieraus wiederum kann auf die Vorspannung geschlossen werden. Dies ist auch wichtig unter dem Gesichtspunkt, dass ein Abgleich mit Rechenergebnissen erfolgen kann und soll, das beispielsweise mit Finiten Elementen gewonnen wurde.
  • Somit wird eine präzise Bestimmung der Vorspannung in vorgespannten Wälzlagern mit Bohrungen im Lagerring und insbesondere im Außenring möglich.
  • Diese Erkenntnis ist wichtig für die Montageüberwachung und für den Abgleich mit den theoretischen Rechenmodellen. Somit kann eine effiziente Qualitätssicherung stattfinden.
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
  • 1 schematisch ein Wälzlager in der Vorderansicht,
  • 2 den Außenring des Wälzlagers, wobei dieser gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung mit einem Spannungsaufnehmer versehen ist, und
  • 3 den Außenring des Wälzlagers, wobei dieser gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung mit einem Spannungsaufnehmer versehen ist.
  • In 1 ist ein Wälzlager 1 skizziert, umfassend einen Innenring 2, einen Außenring 3 und dazwischen angeordneten Wälzkörpern 4. Sowohl die Umfangsrichtung U als auch die axiale Richtung a (senkrecht auf der Zeichenebene) sind angegeben.
  • Das Wälzlager 1 ist nur schematisch skizziert. Tatsächlich handelt es sich um ein Lager, bei dem der Innenring zum Außenring unter einer axialen Vorspannung angeordnet sind, wozu es sich bei dem Wälzlager 1 beispielsweise um ein Kegelrollenlager handelt, das mit einem zweiten Lager dieser Art verspannt ist.
  • Um die Vorspannung im Wälzlager 1 in einfacher Weise ermitteln zu können, ist eine Ausstattung vorgesehen, wie sie aus den 2 und 3 hervorgeht.
  • Hiernach ist zu sehen, dass der Außenring 3 des Wälzlagers 1 mit Befestigungsbohrungen 5 versehen ist, die in Umfangsrichtung U auf einem konstanten Radius des Außenrings 3 angeordnet sind, bevorzugt äquidistant.
  • Um den Spannungszustand im Außenring 3 zu erfassen, ist mindestens ein Spannungsaufnehmer 6 – beispielsweise in Form eines Dehnmessstreifens – auf dem Außenumfang des Außenrings 3 angeordnet, und zwar in der Form, dass sich der Spannungsaufnehmer 6 in Umfangsrichtung U erstreckt. Demgemäß kann er eine Dehnung des Außenrings 3 in Umfangsrichtung detektieren, der sich infolge der Lagervorspannung ergibt.
  • Die gemessene Dehnung in Umfangsrichtung korreliert mit der Lagervorspannung, was sowohl empirisch durch eine Messung, d. h. durch eine entsprechende Kalibrierung, also auch theoretisch durch Rechnung, beispielsweise mittels Finiter Elemente, festgestellt bzw. festgelegt werden kann.
  • Wesentlich ist, dass der Spannungsaufnehmer 6 in einer definierten Lage am bzw. im Lageraußenring 3 angeordnet wird. Wie es aus 2 hervorgeht, kann hierfür vorgesehen werden, dass der Spannungsaufnehmer 6 zentriert zu einem Radialstrahl ausgerichtet wird, der von der Achse des Lagers durch den Mittelpunkt einer Bohrung 5 hindurchgeht. Demgemäß liegt hier der Spannungsaufnehmer 6 zentrisch über einer Bohrung 5 am Außenumfang des Außenrings 3.
  • Eine alternative Lösung illustriert 3. Hiernach ist vorgesehen, dass der Spannungsaufnehmer 6 genau zwischen zwei Bohrungen 5 am Außenumfang des Außenrings 3 positioniert ist.
  • Dabei können auch mehrere Spannungsaufnehmer 6 hintereinander in axialer Richtung a angeordnet werden, um gegebenenfalls Mittelwerte oder Summenwerte für den Dehnungsbetrag des Außenrings 3 zu ermitteln.
  • Analog können auch mehrere Spannungsaufnehmer 6 in Umfangsrichtung U aufeinander folgen.
  • Die Ermittlung der Vorspannung im Wälzlager 1 wird somit einfacher und genauer möglich.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wälzlager
    2
    Innenring
    3
    Außenring
    4
    Wälzkörper
    5
    Bohrung
    6
    Spannungsaufnehmer (Dehnmessstreifen)
    U
    Umfangsrichtung
    a
    axiale Richtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 200670243068 A1 [0017]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Vorspannung in einem Wälzlager (1), wobei das Wälzlager (1) mindestens einen Innenring (2) und mindestens einen Außenring (3) aufweist, wobei Wälzkörper (4) zwischen den Innen- und Außenringen (2, 3) angeordnet sind und wobei zumindest einer der Lagerringe (2, 3) eine Anzahl Bohrungen (5) aufweist, die um den Umfang des Lagerrings (2, 3) verteilt angeordnet sind und den Lagerring (2, 3) durchsetzen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Vorspannung im Wälzlager (1) mittels mindestens eines Spannungsaufnehmers (6) die Spannung in Umfangsrichtung (U) gemessen wird, wobei der Spannungsaufnehmer (6) auf dem Außenumfang oder Innenumfang des Lagerrings (2, 3) in Umfangsrichtung (U) ausgerichtet platziert wird und wobei der Spannungsaufnehmer (6) entweder mittig zwischen zwei benachbarten Bohrungen (5) oder mittig über einer Bohrung (5) angeordnet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung im Wälzlager (1) ermittelt wird, indem die mit dem Spannungsaufnehmer (6) gemessene Spannung in Umfangsrichtung (U) verglichen wird mit einem gemessenen oder gerechneten und gespeicherten funktionalen Zusammenhang zwischen der Vorspannung im Wälzlager und der Umfangsspannung am oder im Außen- oder Innenumfang des Lagerrings (2, 3).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Spannungsaufnehmer (6) in axiale Richtung (a) hintereinander auf dem Außenumfang oder Innenumfang des Lagerrings (2, 3) platziert werden und die gemessenen Spannungswerte der einzelnen Spannungsaufnehmer (6) gemittelt oder addiert werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Spannungsaufnehmer (6) in Umfangsrichtung (U) aufeinanderfolgend auf dem Außenumfang oder Innenumfang des Lagerrings (2, 3) platziert werden und die gemessenen Spannungswerte der einzelnen Spannungsaufnehmer (6) gemittelt oder addiert werden.
  5. Wälzlager (1), umfassend mindestens einen Innenring (2) und mindestens einen Außenring (3), wobei Wälzkörper (4) zwischen den Innen- und Außenringen (2, 3) angeordnet sind und wobei zumindest einer der Lagerringe (2, 3) eine Anzahl Bohrungen (5) aufweist, die um den Umfang des Lagerrings (2, 3) verteilt angeordnet sind und den Lagerring (2, 3) durchsetzen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mindestens einen Spannungsaufnehmer (6) zur Messung der Spannung in Umfangsrichtung (U), wobei der Spannungsaufnehmer (6) auf dem Außenumfang oder Innenumfang des Lagerrings (2, 3) in Umfangsrichtung (U) ausgerichtet platziert ist und wobei der Spannungsaufnehmer (6) entweder mittig zwischen zwei benachbarten Bohrungen (5) oder mittig über einer Bohrung (5) angeordnet ist.
  6. Wälzlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsaufnehmer (6) ein Dehnmessstreifen ist.
  7. Wälzlager nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Spannungsaufnehmer (6) in axiale Richtung (a) hintereinander auf dem Außenumfang oder Innenumfang des Lagerrings (2, 3) platziert sind.
  8. Wälzlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass drei Spannungsaufnehmer (6) in axiale Richtung (a) hintereinander auf dem Außenumfang oder Innenumfang des Lagerrings (2, 3) platziert sind, wobei ein Spannungsaufnehmer (6) axial mittig und die anderen beiden Spannungsaufnehmer (6) im axialen Endbereich des Lagerrings (2, 3) angeordnet sind.
  9. Wälzlager nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Spannungsaufnehmer (6) in Umfangsrichtung (U) aufeinanderfolgend auf dem Außenumfang oder Innenumfang des Lagerrings (2, 3) platziert sind.
  10. Wälzlager nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es Bestandteil einer Windkraftanlage ist.
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